CN108253519A - 基于电采暖的用电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电采暖的用电控制方法，获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中，采暖条件用于指示采暖建筑在采暖过程中所使用的采暖设备的控制条件；根据采暖条件以及采暖建筑的温度变化确定对采暖建筑的用电控制策略；按照用电控制策略对采暖建筑进行供暖用电控制，解决了相关技术中缺乏有序的供暖用电控制策略而无法进行有序的供暖用电控制的问题。

Description

基于电采暖的用电控制方法

技术领域

本发明涉及电采暖领域，具体而言，涉及一种基于电采暖的用电控制 方法。

背景技术

在相关技术中，针对村镇房屋进行采暖的方式中，通常采用热泵进行 集中供暖的方式，其中采用热泵进行供暖可以分为串联供暖模式以及并列 供暖模式，如图1所示，若热泵(Heat pump)既可以向储热提供热量也 可以直接向室内(Heat demand)提供热量，储热(Heat store)也可以对 室内提供给热量，称为并联供暖。如图2所示，若热泵仅能向储热提供热 量，再由储热向室内提供热量，在此称为串联供暖。

在串联供暖中，热泵首先加热储热罐里的热质(通常为水)；之后通 过水管循环系统向室内送热水供暖(暖气)。供暖控制器(Thermostat)通 过控制送水温度、流量等参数对室内温度进行调节。在并联供暖中，不仅 可以通过水暖气的方式供暖，同时热泵可以产生热空气送入室内进行供暖 (类似冬天使用空调取暖)。在实际生活中，由于采取热泵送热风取暖的 方式存在漏热大、室内极其干燥、设备成本高等缺点，而串联供暖结构简 单、易于控制、成本较低，故被考虑为适合在农村采用串联供暖方式，

由于在“煤改电”的供暖中需要兼顾用户的舒适度，室内温度需要满 足舒适上下界约束，且还需要有序地进行用电热泵调度，因此采用何种策 略控制有序的用电已经成为相关技术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于电采暖的用电控制方法，以至少解决相 关技术中缺乏有序的用电供暖策略而无法进行有序的供暖用电控制的问 题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于电采暖的用电控制方法， 该方法包括：获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中，上述采暖条件用于 指示上述采暖建筑在采暖过程中所使用的采暖设备的控制条件；根据上述 采暖条件以及上述采暖建筑的温度变化确定对上述采暖建筑的用电控制 策略；按照上述用电控制策略对上述采暖建筑进行供暖用电控制。

可选地，上述采暖条件包括以下至少之一：上述采暖建筑的室内空气 温度上下界约束、上述采暖设备的储热装置温度上下界约束、上述储热 装置储热约束、上述采暖设备启停最短时间间隔约束以及初值边界约束。

可选地，上述获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中：

构建采暖优化模型，其中上述采暖优化模型包括：为上述采暖建筑以 及采暖设备中的储热装置构建一阶热容热阻模型，具体包括：

其中，x_k为k个上述采暖设备开关状态的向量，γ_COP,k为第k个上述 采暖设备的性能系数，P_HP,k为第k个上述采暖设备的额定功率，T_k为t 时刻第k个上述采暖建筑室内温度的向量，T_w,k为第k个上述采暖建筑 在t时刻上述储热装置温度的向量，R_w,k为第k个上述储热装置的热阻， C_w,k为第k个上述储热装置的热容，为k个上述储热装置温度矩阵；

其中，T_out为在t时刻上述采暖建筑室外温度的向量，R_k为第k个上 述采暖建筑的热阻，γ_w2h,k为第k个上述采暖设备的水暖供热效率，C_k为 第k个上述采暖建筑的热容，为k个上述采暖建筑室内温度矩阵；

对上述一阶热容热阻模型进行时间差分获取上述采暖优化模型，具体 包括：

根据上述采暖优化模型获取上述采暖条件。

可选地，在上述根据上述采暖条件以及上述采暖建筑的温度变化确定 对上述采暖建筑的用电控制策略之前，还包括：

构建采暖仿真模型，其中上述采暖仿真模型包括：通过有限差分法对 上述采暖建筑以及上述采暖设备的储热装置构建采暖仿真模型；其中， 上述采暖仿真模型包括以下至少之一：上述采暖建筑的墙体内部热传导 方程、墙体外表面热传导方程、墙体内表面热传导方程、上述采暖建筑 的玻璃外层的热平衡方程、上述采暖建筑的玻璃内层的热平衡方程、上 述采暖建筑室内空气热传导方程；

根据上述采暖仿真模型获取上述采暖建筑的温度变化。

可选地，上述根据上述采暖条件以及上述采暖建筑的温度变化确定对 上述采暖建筑的用电控制策略包括但不限于：根据上述采暖条件以及上 述采暖建筑的温度变化确定混合整数线性规划问题；对上述混合整数线 性规划问题求解，获取最优的有序用电控制策略。

本发明实施例中提出了一种基于电采暖的用电控制方法，通过获取与 采暖建筑匹配的采暖条件，其中，采暖条件用于指示采暖建筑在采暖过程 中所使用的采暖设备的控制条件；根据采暖条件以及采暖建筑的温度变化 确定对采暖建筑的用电控制策略；按照用电控制策略对采暖建筑进行供暖 用电控制，解决了相关技术中缺乏有序的供暖用电控制策略而无法进行有 序的供暖用电控制的问题，以达到有序用电供暖用电控制的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一 部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明背景技术中的一种并联供暖方法的示意图；

图2是根据本发明背景技术中的一种串联供暖方法的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种基于电采暖的用电控制方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的一种可选地采暖建筑的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的一种有限差分模型的示意图；

图6是根据本发明可选实施例的一种可选地采暖建筑集群网络关系 的示意图；

图7是根据本发明可选实施例的一种可选地分布的KL距离的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施 例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动 前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语 “第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或 先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描 述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实 施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排 他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或 设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出 的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

针对相关技术中缺乏有序的用电供暖策略的问题，本发明提供了一种 基于电采暖的用电控制方法，如图3所示，该方法包括：

S301，获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中，采暖条件用于指示采 暖建筑在采暖过程中所使用的采暖设备的控制条件；

S302，根据采暖条件以及采暖建筑的温度变化确定对采暖建筑的用电 控制策略；

S303，按照用电控制策略对采暖建筑进行供暖用电控制。

在实际的应用场景中，由于在“煤改电”有序用电采暖设备调度策略 中需要兼顾用户的舒适度，即室内温度需要满足舒适上下界约束，因此需 要首先获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中，采暖条件用于指示采暖建 筑在采暖过程中所使用的采暖设备的控制条件；根据采暖条件以及采暖建 筑的温度变化确定对采暖建筑的用电控制策略；按照用电控制策略对采暖 建筑进行供暖用电控制。

而在本发明的实施例中，通过为采暖建筑构件采暖优化模型来获取与 采暖建筑匹配的采暖设备的控制条件，通过根据采暖建筑的温度变化情况 构件采暖仿真模型以及采暖条件来确定对采暖建筑的用电控制策略。根据 使用场所的不同，其中，采暖建筑的采暖优化模型主要用于撰写日前采暖 设备调度优化问题的采暖条件；采暖仿真模型主要用于仿真在给定采暖设 备启停计划后房间温度变化情况。为了降低求解优化问题的复杂度，通常 采用等效热容热阻参数模型(Equivalent thermal parameters，ETP)。采暖 建筑室内热环境的仿真模型和方法包括但不限于谐波法、差分法、反应系 数法和状态空间法。

由于采暖建筑中采暖设备(例如热泵)启停优化问题为混合整数优化 问题，为了降低求解复杂度，本发明采用的采暖建筑优化模型为一阶等效 热参数模型。同时，本发明采用有限差分法为仿真模型，差分阶数为预设 阶数，具体根据实际的经验进行设置，然后根据所建模型进行仿真验证。

作为一种可选地实施方式，采暖设备调度优化模型的采暖条件包括以 下至少之一：采暖建筑的室内空气温度上下界约束、采暖设备的储热装置 温度上下界约束、储热装置储热约束、采暖设备启停最短时间间隔约束以 及初值边界约束。

在本发明具体的应用场景中，采暖建筑的采暖设备的储热装置和供热 管道的采暖优化模型和采暖仿真模型同样分别采用了一阶等效热参数模 型和差分模型。如图4所示为采暖建筑的采暖设备、储热装置和供热管道 的连接关系示意图。

为采暖建筑建立采暖优化模型，其中：采暖建筑以及储热装置一阶热 容热阻的微分方程为：

其中，x_k为k个采暖设备开关状态的向量，γ_COP,k为第k个采暖设 备的性能系数，P_HP,k为第k个采暖设备的额定功率，T_k为t时刻第k个采 暖建筑室内温度的向量，T_w,k为第k个采暖建筑在t时刻储热装置温度的 向量，R_w,k为第k个储热装置的热阻，C_w,k为第k个储热装置的热容，为k个储热装置温度矩阵；

其中，T_out为在t时刻采暖建筑室外温度的向量，R_k为第k个采暖建 筑的热阻，γ_w2h,k为第k个采暖设备的水暖供热效率，C_k为第k个采暖建 筑的热容，为k个采暖建筑室内温度矩阵。

作为一种可选地实施方式，对采暖建筑以及采暖建筑的储热装置一阶 热容热阻的微分方程进行时间差分获取采暖优化模型，具体包括：

采暖仿真模型的采暖设备启停最短间隔时间约束为：

采暖仿真模型的室内空气温度上下界约束为：

其中，T_k 为采暖建筑的室内空气温度下界，为采暖建筑的室内空 气温度上界；

采暖仿真模型的储热装置温度上下界约束为：

其中，T_{w, k}为储热装置温度下界，为储热装置温度上界；

采暖仿真模型的储热装置储热约束为：

T_w,k,t＝H≥T_w,k,t＝0 (8)

采暖仿真模型的初始值边界约束为：

-2＜2x_k,t-x_k,t-1-x_k,t+1＜2 (9)。

作为一种可选地实施方式，在根据采暖条件以及采暖建筑的温度变化 确定对采暖建筑的用电控制策略之前，还包括：构建采暖仿真模型，其中 采暖仿真模型包括：通过有限差分法对采暖建筑以及采暖设备的储热装置 构建采暖仿真模型；其中，采暖仿真模型包括以下至少之一：采暖建筑的 墙体内部热传导方程、墙体外表面热传导方程、墙体内表面热传导方程、 采暖建筑的玻璃外层的热平衡方程、玻璃内层的热平衡方程、采暖建筑室 内空气热传导方程；根据采暖仿真模型获取采暖建筑的温度变化。

作为一种可选地实施方式，为采暖建筑建立采暖仿真模型，如图5所 示，在本实施例中针对采暖建筑以及采暖设备模型采用有限分差法，假设 该建筑具有朝南的双层玻璃，则该采暖建筑的建模步骤如下：

(1)采暖建筑墙体内部的热传导方程为：

其中，ρ为墙体的密度，λ为墙体的导热系数，c_p为墙体的比热容

(2)采暖建筑墙体外表面的热传导方程为：

(3)采暖建筑墙体内表面的热传导方程为：

(4)采暖建筑玻璃外层的热平衡方程为：

其中，t1、t2为玻璃外、内表面的温度；hg为玻璃间的综合传热系数； d为玻璃的厚度；

(5)采暖建筑玻璃内层的热平衡方程为：

(6)采暖建筑室内空气节点的热传导方程为：

(7)基于上述公式(10)-(15)，则可以得出采暖建筑的热传导矩 阵为：

其中，C矩阵可以写成：

其中，C₁、C₂、……C_n为1、2……、墙体、窗或空气节点的C矩阵。

在具体的应用场景中，根据采暖建筑中任意节点，例如j节点的结构 不同，C矩阵也存在不同，具体介绍如下：

(1)当j节点为墙体时，j节点的C矩阵为：

其中，c_pj为墙体j的比热容；ρ_j为墙体j的密度；

(2)当节点j为窗节点时，j节点的C矩阵为：

(3)当节点j为空气节点时：C_j＝ρ_jc_pjV_j

上式中：c_pj是j为空气节点的比热容；ρ_j是j为空气节点的密度；V_j是j为空气节点的体积；

作为一种可选地实施方式，在获取到上述采暖建筑的采暖优化模型以 及采暖仿真模型后，根据采暖优化模型以及采暖仿真模型确定该筑所属的 建筑集群的用电控制策略。

在具体的应用场景中，如图6所示，为采暖建筑所属的建筑集群中单 相馈线采暖设备有序用电调度，而其中供电总电压为V_i，其中经过变压器 进行变电转换为电压U₀，而在第r个采暖建筑处，其供暖电压为U_r，其 采暖消耗为s_r＝p_r+jq_r，其中p_r为该采暖建筑的优化模型、q_r为该采暖 建筑的仿真模型，j为对应的参数。

其中s_r＝p_r+jq_r，s_r,HP＝p_r,HP+jq_r,HP，s_r,L＝p_r,L+jq_r,L， s_rs＝p_rs+jq_rs，z_rs＝r_rs+jx_rs。

因此，该单项馈线范围采暖设备有序用电控制策略可以表示为下 述混合整数线性规划问题MILP：

(5)上述公式(3)-(9)，上述公式(17)-(20)

其中，x_k,t∈{0,1}，其中，Z为 本地变压器和进水线的区域，P_Load,k,t为t时刻第k个采暖建筑除加采暖设 备以外的电负载，P_PV,k,t为t时刻第k个采暖建筑的可再生能源光伏发电 功率，为区域Z在t时刻的变压器功率。

通过上述混合整数线性规划问题MILP，分析各项系数和边界条件对 问题求解，得到最优的用电控制策略，以达到有序用电控制的效果。

在具体的应用场景中，会存在不确定参数服从给定分布集中最恶劣分 布的情况，分布集由历史数据驱动，通常分为基于矩的分布集和基于距离 的分布集。基于矩的分布集内包含所有一阶、二阶或高阶矩阵等于历史数 据计算出的对应矩值的所有分布；而基于距离的分布集包含所有与给定分 布函数距离小于给定数的所有分布。在线性规划形式下，基于距离的分布 鲁棒问题可以有效转化为一个确定性规划问题。作为一种可选地实施方案，基于距离的分布鲁棒方法对上述混合整数线性规划问题中的不确定性进 行建模。

上述距离为两个分布之间的统计距离，可以有多种定义形式，如 Prokhorovmetric，Kullback-Leibler divergence或者Wasserstein metric,本发明实施 例中采用Kullback-Leibler divergence将两个概率密度函数的KL距离定义为：

如图7所示，(a)(b)(c)三种情况中，KL距离较小的两个分布形状 类似，比较接近，因此KL距离很好的限制了分布的变化情况。

在具体的应用场景中，以上述可再生能源日前预测为例进行预测误差 建模说明，具体包括：

其中预测误差项服从分布ξ_PV,t～p_PV,t，该分布属于基于KL距离的分 布鲁棒不确定集

Ρ_PV,t＝{p_PV,t∈Ρ_PV,t|D_KL(p_PV,t||p_PV,0t)≤η_PV,t} (27)

类似的对于负荷预测误差有

ξ_L,t～p_L,t

Ρ_L,t＝{p_L,t∈Ρ_L,t|D_KL(p_L,t||p_L,0t)≤η_L,t} (29)

由于采用线性化的潮流模型，则可以将源荷统一表示为

ξ_P,t～p_P,t

Ρ_t＝{p_t∈Ρ_t|D_KL(p_t||p_0t)≤η_t} (32)

则以期望形式表示的约束公式(24)可以转化为：

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根 据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当 然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理 解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软 件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如 ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可 以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所 述的方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电采暖的用电控制方法，其特征在于，包括：

获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中，所述采暖条件用于指示所述采暖建筑在采暖过程中所使用的采暖设备的控制条件；

根据所述采暖条件以及所述采暖建筑的温度变化确定对所述采暖建筑的用电控制策略；

按照所述用电控制策略对所述采暖建筑进行供暖用电控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采暖条件包括以下至少之一：

所述采暖建筑的室内空气温度上下界约束、所述采暖设备的储热装置温度上下界约束、所述储热装置储热约束、所述采暖设备启停最短时间间隔约束以及初值边界约束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取与采暖建筑匹配的采暖条件，其中：

构建采暖优化模型，其中所述采暖优化模型包括：

为所述采暖建筑以及采暖设备中的储热装置构建一阶热容热阻模型，具体包括：

其中，x_k为k个所述采暖设备开关状态的向量，γ_COP,k为第k个所述采暖设备的性能系数，P_HP,k为第k个所述采暖设备的额定功率，T_k为t时刻第k个所述采暖建筑室内温度的向量，T_w,k为第k个所述采暖建筑在t时刻所述储热装置温度的向量，R_w,k为第k个所述储热装置的热阻，C_w,k为第k个所述储热装置的热容，为k个所述储热装置温度矩阵；

其中，T_out为在t时刻所述采暖建筑室外温度的向量，R_k为第k个所述采暖建筑的热阻，γ_w2h,k为第k个所述采暖设备的水暖供热效率，C_k为第k个所述采暖建筑的热容，为k个所述采暖建筑室内温度矩阵；

对所述一阶热容热阻模型进行时间差分获取所述采暖优化模型，具体包括：

根据所述采暖优化模型获取所述采暖条件。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述采暖条件以及所述采暖建筑的温度变化确定对所述采暖建筑的用电控制策略之前，还包括：

构建采暖仿真模型，其中所述采暖仿真模型包括：

通过有限差分法对所述采暖建筑以及所述采暖设备的储热装置构建采暖仿真模型；

其中，所述采暖仿真模型包括以下至少之一：所述采暖建筑的墙体内部热传导方程、墙体外表面热传导方程、墙体内表面热传导方程、所述采暖建筑的玻璃外层的热平衡方程、所述采暖建筑的玻璃内层的热平衡方程、所述采暖建筑室内空气热传导方程；

根据所述采暖仿真模型获取所述采暖建筑的温度变化。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述采暖条件以及所述采暖建筑的温度变化确定对所述采暖建筑的用电控制策略包括：

根据所述采暖条件以及所述采暖建筑的温度变化确定混合整数线性规划问题；

对所述混合整数线性规划问题求解，获取最优的有序用电控制策略。