CN109028278A - 一种风电供暖的区域运行系统及调度策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电供暖的区域运行系统及调度策略，属于风电供暖技术领域。本发明系统中央控制层能够在每个运行时间段内自动按照区域内建筑保温性能从差到好依次发出每个用户的运行状态信号至用户末端层，用户末端层根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停或者向用户提供运行建议信息；并且中央控制层的运算模块会根据供暖用电历史数据、历史气象数据、气象预测数据，得到下一个运行时间段内供暖用电量预测值，并将该预测值回传至电网。本发明解决了现有风电供暖技术不能确定区域供暖用电量需求，进而削弱了电网中风电消纳能力的问题。本发明可用于风电供暖。

Description

一种风电供暖的区域运行系统及调度策略

技术领域

本发明涉及一种风电供暖的区域运行系统及调度策略，属于风电供暖技术领域。

背景技术

我国风力发电量已位居世界第一，然而弃风现象却十分严重。在逐渐推广的低能耗建筑标准以及清洁供暖的政策支持下，城市供暖体系开始向“集中+分布式供暖”的方向发展，以期充分利用风电等可再生能源。然而风电供暖在实际推广过程中仍存在一定的问题：(1)利用建筑储热性消纳风电在理论上具有一定的优势，但是目前建筑储热系统以及电力系统联合运行的实际应用并不成熟，其主要原因是因为建筑围护结构本体的蓄热量受到多重外界环境因素的影响并且不可控，而电力系统的运行调度又需要一个较为精准的确定的数据指标，这阻碍了建筑储热对风电等可再生电力能源的消纳。尤其随着相变材料在建筑领域的大量应用，如何利用相变材料的储能特性实现风电消纳也是亟需解决的问题。CN106026081A公布了一种使用弃风电供暖的实时调度方法，从风电场、电力调度系统以及电供暖用户三方提出了评估以及交易弃风电的运行控制流程，该控制算法可以较好地提高风电利用率并且尽可能保障各方的利益。但是该控制算法需要电供暖用户实时反馈用电需求，而该专利并没有指出这一关键因素如何确定。实际上，建筑热过程较为复杂，为了确定电供暖系统实时热负荷需要建立简化的模型；(2)电供暖的负荷高峰时段与城市电网负荷高峰时段存在重合，导致城市电网负担加重；(3)现有电力系统对风电等清洁能源的调度和接纳能力有限，常规电供暖系统的用电负荷与风电峰谷变化并不一致，电供暖所用电力并不完全来自于接入电网的风电，这实际上削弱了系统的风电消纳能力，违背了利用电供暖消纳风电的初衷，并且从系统层面上导致了更大的浪费，因此需要从系统控制层面上加以改进和提高。

发明内容

本发明为解决现有风电供暖技术不能确定区域供暖用电量需求，进而削弱了电网中风电消纳能力的问题，提供了一种风电供暖的区域运行系统及调度策略。

本发明所述一种风电供暖的区域运行系统，包括：用户末端层、室外气象数据采集分析层以及中央控制层；

所述用户末端层包括用户数据采集模块和末端控制模块；

所述用户数据采集模块，用于监测并采集用户末端热环境数据和用户末端供暖用电数据，并传送用户末端热环境数据至中央控制层的运算模块，传送用户末端供暖用电数据至中央数据存储模块；

所述末端控制模块用于接收来自中央控制层的控制信号并根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停或者向用户提供运行建议信息；

所述室外气象数据采集分析层包括气象数据采集模块、气象数据存储模块以及气象数据预测模块；

所述气象数据采集模块，通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块；

所述气象数据存储模块，用于对气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立当前区域的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至中央控制层和气象数据预测模块；

所述气象数据预测模块，调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个Δt时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层；

所述中央控制层包括运算模块、中央控制模块和中央数据存储模块；

所述运算模块，用于接收并综合分析用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定当前区域电供暖系统中用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；同时，接收并处理中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据，将得到的下一个Δt时间内供暖用电量预测值回传至电网；

所述中央控制模块将运算模块传递的运行状态信号转换成控制信号，并传送至用户末端层的末端控制模块；

所述中央数据存储模块，用于对用户数据采集模块所传递的用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据，存储并将该供暖用电历史数据传送至运算模块。

本发明所述一种风电供暖的区域运行调度策略，通过以下技术方案实现：

步骤一、开启所述一种风电供暖的区域运行系统，系统运行时间t＝0，累计运行时间段数目M＝1；

步骤二、区域中所有用户末端层的用户数据采集模块监测并采集用户末端热环境数据传送至中央控制层的运算模块；

室外气象数据采集分析层的气象数据采集模块通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据，并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块，气象数据存储模块对该气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立当前区域的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至气象数据预测模块和中央控制层的运算模块；

所述气象数据预测模块调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个Δt时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层；

中央控制层的运算模块接收各个用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量W；

同时，接收中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据；

步骤三、运算模块对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序；然后运算模块从第1个用户开始依次根据每个用户的用户末端热环境数据、实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；中央控制模块将该运行状态信号转换成控制信号，并传送至对应用户的末端控制模块；若对应用户的末端控制模块为自动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停，若对应用户的末端控制模块为手动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号向用户提供运行建议信息；若用户的末端控制模块启动了相变储能地板中的加热电缆，则该用户数据采集模块采集用户末端供暖用电数据传递至中央数据存储模块，中央数据存储模块对该用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据；运算模块获取当前区域的供暖用电历史数据并累加得到区域实际电供暖用电量W₁；当W₁≥W时，系统将发出预警信号，并记录超出部分W2；

步骤四、中央控制层的运算模块根据供暖用电历史数据、历史气象数据、气象预测数据，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值，并将该下一个Δt时间段内供暖用电量预测值回传至电网；

步骤五、当系统运行时间t＝M×Δt，则，M＝M+1，并返回步骤二，直至系统运行停止。

作为对上述方案的进一步阐述：

进一步的，所述用户末端热环境数据包括室内空气温度、相变储能地板温度、用户相变储能地板中的加热电缆启用时间；所述实时气象数据包括实时室外温度数据和实时太阳辐射强度。

进一步的，步骤三中所述确定用户的运行状态信号的具体步骤包括：

步骤三一、若用户j的相变储能地板中加热电缆开启，计算Δt时间后相变储能地板温度的终值T_floor,Δt，并利用T_floor,Δt计算得到用户j室内空气温度终值的上限T_air,j,max，其中，j＝1,...,N；

若用户j的相变储能地板中加热电缆不开启，Δt时间后相变储能地板温度保持与当前相变储能地板温度T_floor相等，利用T_floor计算得到用户j室内空气温度终值的下限T_{air，j，min}；

步骤三二、将用户j室内空气温度终值的上限T_{air，j，max}、用户j室内空气温度终值的下限T_air,j,min、预设的室内供暖温度上限T_air,max以及预设的室内供暖温度下限T_air,min进行比较：

若T_air,j,min＜T_air,min<T_air,j,max＜T_air,max，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；

若T_air,min<T_air,max＜T_air,j,min＜T_air,j,max，则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆；

否则，计算用户j的相变储能地板在第M个时间段释放热量Q_1,M,j、用户j的相变储能地板在第1至第M-1时间段的累计储能量Q_2，M-1，j，并判断：若Q_1，M，j≥Q_2，M-1，j，且此时系统没有出现为电供暖预留风电量不足的预警，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；否则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆。

进一步的，步骤三一中所述T_air,j,max的具体计算过程包括：

将Δt时间进行K等分，每个计算时间间隔为Δt/K，T_floor,k为第k个计算时间间隔结束时的相变储能地板温度，T_air,k为第k个计算时间间隔结束时的室内空气温度；k∈{1,...,K}；

T_floor,k的计算如式(3)所示：

其中，m_floor为储能地板中相变材料储能层的质量，c_floor(T_floor)为相变材料的热容；P_j为用户j的加热电缆的功率；k＝1时，T_floor,k-1＝T_floor；

有，T_floor,Δt＝T_floor,K；

然后将T_floor,Δt代入公式(4)，能够得到T_air,k；

其中，c_air为室内空气的比热容，c_envelope为围护结构的比热容；ρ_air为空气密度，ρ_envelope为建筑外围护结构材料密度；V_air为房间容积，V_envelope为建筑外围护结构容积；h₁为储能地板与室内空气的对流换热系数；h₃为室外空气与室内空气的换热系数；h₆为窗的传热系数；S_c代表遮阳系数；τ为玻璃透过率；f_floor为地板表面积，f_windoes为窗体面积，f_wall为墙体面积；

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j,max＝T_air,K。

进一步的，步骤三一中所述T_air,j,min的具体计算过程包括：

利用式(5)计算第k个计算时间间隔结束时的室内空气温度T_air,k：

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j,min＝T_air，K。

进一步的，步骤三二中所述Q_1,M,j和Q_2,M-1,j的具体计算过程为：

其中，η为相变储能地板中的加热电缆的电热转化效率，i＝1,...,M-1；t_floor,i为第i个运行时间段内用户j相变储能地板中的加热电缆启用时间。

进一步的，步骤三中所述对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序的具体步骤为：

首先按照围护结构的导热系数k₁从大到小进行排序，k₁相同时按照窗的传热系数h₆从大到小的顺序排序，两者均相同时按照建筑建成历史时间进行排序。

进一步的，步骤四中所述根据供暖用电历史数据、历史气象数据以及气象预测数据，得到的下一个Δt时间段内供暖用电量预测值的具体过程包括：

步骤四一、中央控制层的运算模块对供暖用电历史数据和历史气象数据进行拟合，得到二者之间的函数关系；

步骤四二、运算模块结合气象预测数据和步骤四一中得到的函数关系，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值W_{floor，predict}。

进一步的，所述Δt为10～15分钟。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明系统中央控制层能够在每个运行时间段内自动按照区域内建筑保温性能从差到好依次发出每个用户的运行状态信号至用户末端层，用户末端层根据所接收的控制信号控制相变储能地板中电缆加热的启停或者向用户提供运行建议信息。并且在电网提供给所述系统电量中的风电量W充足时，尽量增加相变储能地板中加热电缆的开启数量，利用电供暖系统实现分布式储能；在电网提供风电量不足时，尽量减少对相变储能地板中加热电缆的开启数量，从而能够均衡电网用电负荷同时提高风电消纳水平；并且本发明能够预测下一个运行时间段内供暖用电量预测值回传至电网，进而电网能够根据用电量预测值调整所用电力中风电的量，进一步提高风电消纳能力。其优越性可以归纳为：

1、利用模型实现建筑电供暖系统的运行控制，便于在软件和硬件层面上实现；

2、中央反馈式控制系统可以避免用户处产生过冷或者过热的现象，室内热环境稳定性好；同时可以对用户的电供暖用电行为进行控制，避免浪费；

3、通过储存和分析历史气象数据以及历史供暖用电数据，实现短时间内供暖用电需求的预测，进而对电力系统提供运行预测数据；

4、利用相变材料，在风电充足时可以储能，从而利用电供暖系统实现分布式储能；

5、在供暖季通过控制电供暖系统运行实现风电的消纳，促进风电等清洁能源的利用，并且利用建筑供热负荷的灵活性提高电力系统的调节性；本发明能将电网中风电消纳能力提高近1.2倍。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明中所述相变储能地板结构示意图；图2中：1.地板层，2.铝箔层，3.相变储能层，4.温度传感器，5.加热电缆，6.保温隔热层，7.基础层；

图3为室内空气温度上下限与室内供暖温度上下限之间的情况关系示意图；

图4为本发明运行调度策略步骤三的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种风电供暖的区域运行系统，具体包括：

用户末端层、室外气象数据采集分析层以及中央控制层；

所述用户末端层包括用户数据采集模块和末端控制模块；

所述用户数据采集模块，用于监测并采集用户末端热环境数据和用户末端供暖用电数据，并传送用户末端热环境数据至中央控制层的运算模块，传送用户末端供暖用电数据至中央数据存储模块；

所述末端控制模块用于接收来自中央控制层的控制信号并根据所接收的控制信号控制相变储能地板(如图2所示)中加热电缆5的启停或者向用户提供运行建议信息。末端控制模块有两种控制模式供用户选择，一种是自动控制(AC，automatic control)模式，即末端控制模块接收来自中央控制层的控制信号并按照设定的程序自动控制相变储能地板中加热电缆5的启停；第二种控制模式是手动控制(MC，manual control)模式，即中央控制层向用户提供运行建议，用户根据需要自主调节相变储能地板中加热电缆5的启停。

所述室外气象数据采集分析层包括气象数据采集模块、气象数据存储模块以及气象数据预测模块；

所述气象数据采集模块，通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块；

所述气象数据存储模块，用于对气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立(形成)当前区域或者城市的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至中央控制层和气象数据预测模块；

所述气象数据预测模块，调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个Δt时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层的运算模块；

所述中央控制层包括运算模块、中央控制模块和中央数据存储模块；

所述运算模块，用于接收并综合分析用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定当前区域电供暖系统中用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；同时，接收并处理中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据，将得到的下一个Δt时间内供暖用电量预测值回传至电网；

所述中央控制模块将运算模块传递的运行状态信号转换成控制信号，并传送至用户末端层的末端控制模块；

所述中央数据存储模块，用于对用户数据采集模块所传递的用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据，存储并将该供暖用电历史数据传送至运算模块。

具体实施方式二：结合图3、图4对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种风电供暖的区域运行调度策略，具体包括以下步骤：

步骤一、开启所述一种风电供暖的区域运行系统，系统运行时间t＝0，累计运行时间段数目M＝1；

步骤二、区域中所有用户末端层的用户数据采集模块监测并采集用户末端热环境数据传送至中央控制层的运算模块；

室外气象数据采集分析层的气象数据采集模块通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据，并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块，气象数据存储模块对该气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立当前区域或者城市的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至气象数据预测模块和中央控制层的运算模块；

为了节省存储资源，同时提高计算效率，仅在每个运行时间段开始时刻进行一次用户数据采集模块和气象数据采集模块的数据采集。

所述气象数据预测模块调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个(未来)Δt时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层的运算模块；对历史气象数据进行拟合的具体过程为：

T_{ambient,predict}＝f(T_{ambient，history}) (1)

I_{solar，predict}＝f(I_{solar，history}) (2)

中央控制层的运算模块接收各个用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量W；

同时，接收中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据；

步骤三、如图4所示，运算模块对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序，然后从第1个用户开始依次根据每个用户的用户末端热环境数据、实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定当前区域电供暖系统中用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；中央控制模块将该运行状态信号转换成控制信号，并传送至对应用户的末端控制模块；若对应用户的末端控制模块为自动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停，若对应用户的末端控制模块为手动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号向用户提供运行建议信息；若用户的末端控制模块启动了(包含自动控制模式启动和手动控制模式启动)相变储能地板中的加热电缆，则该用户数据采集模块采集用户末端供暖用电数据并传递至中央数据存储模块，中央数据存储模块对该用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据；运算模块获取当前区域的供暖用电历史数据并累加得到区域实际电供暖用电量W₁；当W₁≥W时，系统将发出预警信号，并记录超出部分W₂(即，非风电供暖的电量)，此时，W₂＝W₁-W，W₂能够体现当前电网中风电供暖不足的量。

即，当电网提供给所述系统电量中的风电量W充足时，系统会倾向于增加相变储能地板中加热电缆的开启数目，利用电供暖系统实现分布式储能，当电网提供给所述系统电量中的风电量W不足时，系统会尽量减少相变储能地板中的加热电缆的开启数目，从而能够均衡电网用电负荷同时提高风电消纳并减少非风电电力能源的使用。

步骤四、中央控制层的运算模块根据供暖用电历史数据、历史气象数据、气象预测数据，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值，并将该下一个Δt时间段内供暖用电量预测值回传至电网；然后电网能够根据用电量预测值调整所用电力中风电的量，进而均衡电网用电负荷同时提高风电消纳。

步骤五、当系统运行时间t＝M×Δt，则，M＝M+1，并返回步骤二，直至系统运行停止。这里一般是在区域停止供暖、系统异常检修、电路异常等状况出现时系统才会运行停止。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述用户末端热环境数据包括室内空气温度、相变储能地板温度，用户相变储能地板中的加热电缆启用时间；所述实时气象数据包括实时室外温度数据T_ambient和实时太阳辐射强度I_solar。

其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤三中所述确定用户的运行状态信号的具体步骤包括：

步骤三一、若用户j的相变储能地板中加热电缆开启，计算Δt时间后相变储能地板温度的终值T_floor，Δt(由于步骤三的所耗费的时间远小于Δt，相比于Δt可以忽略，因此这里计算的时候用的是Δt时间)，并利用T_floor,_Δt计算得到用户j室内空气温度终值的上限T_air,j，max，其中，j＝1,...,N；

若用户j的相变储能地板中加热电缆不开启，Δt时间后相变储能地板温度保持与当前相变储能地板温度T_floor相等，利用T_floor计算得到用户j室内空气温度终值的下限T_{air，j，min}；

步骤三二、将用户j室内空气温度终值的上限T_air,j,max、用户j室内空气温度终值的下限T_air,j,min、预设的室内供暖温度上限T_air,max以及预设的室内供暖温度下限T_air,min进行比较：

理论上这四个值之间有六种数量关系，详见图3，由于加热电缆在设计选型时均能满足建筑设计热负荷，而且考虑到相变材料储能密度较大，因此Δt时间段内加热电缆不会迅速将室内温度由室内供暖温度下限加热超过室内供暖温度上限，所以图3中的情况S1和情况S3不具有实际意义。对于情况S2，需要开启加热电缆；对于情况S6，此时加热电缆不必开启，即：

若T_air,j,min＜T_air,min＜T_air,j,max＜T_air,max，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；

若T_air,min＜T_air,max＜T_{air，j，min}＜T_air，j,max，则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆；

对于情况S4和情况S5，是否开启加热电缆需要对储能地板的释热量和储能量的关系进行分析。计算用户j的相变储能地板在第M个时间段释放热量Q_1,M,j、用户j的相变储能地板在第1至第M-1时间段的累计储能量Q_2,M-1,j，并判断：若Q_1,M,j≥Q_2,M-1_,j，且此时系统没有出现为电供暖预留风电量不足的预警，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；否则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤三一中所述T_air,j,max的具体计算过程包括：

将Δt时间进行K等分，每个计算时间间隔为Δt/K，T_floor，k为第k个计算时间间隔(Δt/K)结束时的相变储能地板温度，T_air,k为第k个计算时间间隔(Δt/K)结束时的室内空气温度；k∈{1,...,K}；这里K的取值不能太大也不能太小；太大会导致计算复杂度增大，系统运行时间延长且占用资源；太小则计算精度偏低。

T_floor,k的计算如式(3)所示：

其中，m_floor为储能地板中相变材料储能层的质量，c_floor(T_floor)为相变材料的热容，它是温度的函数，由材料厂商提供数据；P_j为用户j的加热电缆的功率；k＝1时，T_floor,k-1＝T_floor；

有，T_floor,Δt＝T_floor,K；

然后将T_floor,Δt代入公式(4)，能够得到T_air,k；

这里假设将围护结构温度与室内空气温度视为相同的值，这出于计算简化的需要，同时计算出来的建筑热负荷也保证了一定的余量。

式(4)中，c_air为室内空气的比热容，取1.003kJ/kg·K，c_envelope为围护结构的比热容；ρ_air为空气密度，取1.2kg/m³，ρ_envelope为建筑外围护结构材料密度，它可以在建筑设计说明中查得；V_air为房间容积，m³，V_envelope为建筑外围护结构容积，m³，它们可以在建筑设计说明中查得；h₁为储能地板与室内空气的对流换热系数，h₁＝2.5(ΔT/l)^0.25；l为储能地板边长的平均值(单位：m)；

h₃为室外空气与室内空气的换热系数，h₃为围护结构外表面与室外空气的对流换热系数h₄、围护结构的导热系数k₁以及围护结构内表面与室内空气的对流换热系数h₅之和，即，h₃＝h₄+k₁+h₅；按照GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》规范要求h₄＝23.2W/(m²K)，h₅＝8.7W/(m²K)，k₁可以在建筑设计说明上查得，有条件可以通过对建筑实测的方式获得；

h₆为窗的传热系数；S_c代表遮阳系数，寒冷地区外窗玻璃遮阳系数取0.7；τ为玻璃透过率，他们均根据建筑的实际情况设定；

其中，为对流部分，为辐射部分，对流部分和辐射部分相加为地板释放总热量；h₃f_wall(T_ambient-T_air,k-1)为墙体传热，h₆f_windows(T_ambient-T_air,k-1)为窗体传热，I_solarS_cτf_windows为透过窗的辐射得热。

f_floor为地板表面积，f_windoes为窗体面积，f_wall为墙体面积，单位m²；

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j,max＝T_air,K。

其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤三一中所述T_air,j,min的具体计算过程包括：

利用式(5)计算第k个计算时间间隔结束时的室内空气温度T_air,k：

其中，h₁f_floor(T_floor-T_air,k-1)为对流部分，5×10^-8f_floor((T_floor+273)⁴-(T_air,k-1+273)⁴))为辐射部分，对流部分和辐射部分相加为地板释放总热量；h₃f_wall(T_ambient-T_air，k-1)为墙体传热，h₆f_windows(T_ambient-T_air，k-1)为窗体传热，I_solarS_cτf_windows为透过窗的辐射得热。

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j,min＝T_air,K。

其他步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤三二中所述Q_1,M,j和Q_2,M-1,j的具体计算过程为：

其中，η为相变储能地板中的加热电缆(电加热装置)的电热转化效率，i＝1,...,M-1；t_floor,i为第i个运行时间段内用户j相变储能地板中的加热电缆启用时间。

其他步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二或七不同的是，步骤三中所述对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序的具体步骤为：

首先按照围护结构的导热系数k₁从大到小进行排序，k₁相同时按照窗的传热系数h₆从大到小的顺序排序，两者均相同时按照建筑建成历史时间进行排序。

由于区域内建筑的热工参数可能存在差异，其建筑使用时间也可能不同，因此若预先对控制区域内建筑或者建筑群进行统计和归类，将使用性质以及建筑热工参数相近或者相同的建筑或者建筑群划为一个控制单元，可以简便系统的运算与运行时间。这里建议将每个用户作为一个控制单元，这种方式的系统关系较为明确。需要说明，这里的围护结构热工参数主要包含指建筑围护结构导热系数k₁以及窗的传热系数h₆。按照建筑保温性从差到好对用户进行优先级排序，从而确定电供暖的优先级。

其他步骤及参数与具体实施方式二或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二、四、五、六或七不同的是，步骤四中所述根据供暖用电历史数据、历史气象数据以及气象预测数据，得到的下一个Δt时间段内供暖用电量预测值的具体过程包括：

步骤四一、中央控制层的运算模块对供暖用电历史数据(包括区域实际电供暖用电量W₁)和历史气象数据进行拟合，得到二者之间的函数关系：

Data(W+W₂)＝Data(W₁)＝f(T_{ambient,history},I_{solar,history}) (8)

其中，T_{ambient,history}为历史室外温度数据，I_{solar,history}为历史太阳辐射强度；

步骤四二、运算模块结合气象预测数据和步骤四一中得到的函数关系，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值W_{floor，predict}：

W_{floor，predict}＝f(T_{ambient,predict},I_{solar,perdict}) (9)

其中，T_{ambient,predict}为预测室外温度数据，I_{solar,perdict}为预测太阳辐射强度。

本实施方式的具体过程用利用现有的数据处理软件即可完成。

其他步骤及参数与具体实施方式二、四、五、六或七相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是，所述Δt为10～15分钟。出于资源和设备容量的考虑，大多数民用气象数据采集模块的采样周期为10-15min，通常在该时段内可以认为当地气象数据不变。因此，这里取Δt为10～15分钟。

其他步骤及参数与具体实施方式九相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电供暖的区域运行系统，其特征在于，所述系统具体包括：用户末端层、室外气象数据采集分析层以及中央控制层；

所述用户末端层包括用户数据采集模块和末端控制模块；

所述用户数据采集模块，用于监测并采集用户末端热环境数据和用户末端供暖用电数据，并传送用户末端热环境数据至中央控制层的运算模块，传送用户末端供暖用电数据至中央数据存储模块；

所述末端控制模块用于接收来自中央控制层的控制信号并根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停或者向用户提供运行建议信息；

所述室外气象数据采集分析层包括气象数据采集模块、气象数据存储模块以及气象数据预测模块；

所述气象数据采集模块，通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块；

所述气象数据存储模块，用于对气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立当前区域的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至中央控制层和气象数据预测模块；

所述气象数据预测模块，调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个△t时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层；

所述中央控制层包括运算模块、中央控制模块和中央数据存储模块；

所述运算模块，用于接收并综合分析用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定当前区域电供暖系统中用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；同时，接收并处理中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据，将得到的下一个△t时间内供暖用电量预测值回传至电网；

所述中央控制模块将运算模块传递的运行状态信号转换成控制信号，并传送至用户末端层的末端控制模块；

所述中央数据存储模块，用于对用户数据采集模块所传递的用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据，存储并将该供暖用电历史数据传送至运算模块。

2.采用权利要求1所述系统的一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，所述调度策略具体包括以下步骤：

步骤一、开启所述一种风电供暖的区域运行系统，系统运行时间t＝0，累计运行时间段数目M＝1；

步骤二、区域中所有用户末端层的用户数据采集模块监测并采集用户末端热环境数据传送至中央控制层的运算模块；

室外气象数据采集分析层的气象数据采集模块通过区域或者城市气象站采集室外实时气象数据，并传送至气象数据存储模块和中央控制层的运算模块，气象数据存储模块对该气象数据采集模块所采集的实时气象数据进行规范化存储，建立当前区域的历史气象数据集，并将历史气象数据传送至气象数据预测模块和中央控制层的运算模块；

所述气象数据预测模块调用气象数据存储模块的历史气象数据并对其进行拟合，从而对下一个△t时间内区域气象数据进行预测，同时将该气象预测数据传送至中央控制层；

中央控制层的运算模块接收各个用户数据采集模块传递的用户末端热环境数据、气象数据存储模块传递的实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量W；

同时，接收中央数据存储模块传递的供暖用电历史数据、气象数据存储模块传递的历史气象数据以及气象数据预测模块传递的气象预测数据；

步骤三、运算模块对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序，然后运算模块从第1个用户开始依次根据每个用户的用户末端热环境数据、实时气象数据以及电网提供给所述系统电量中的风电量，确定用户的运行状态信号，并将该运行状态信号传送至中央控制模块；中央控制模块将该运行状态信号转换成控制信号，并传送至对应用户的末端控制模块；若对应用户的末端控制模块为自动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号控制相变储能地板中加热电缆的启停，若对应用户的末端控制模块为手动控制模式，则末端控制模块根据所接收的控制信号向用户提供运行建议信息；若用户的末端控制模块启动了相变储能地板中的加热电缆，则该用户数据采集模块采集用户末端供暖用电数据传递至中央数据存储模块，中央数据存储模块对该用户末端供暖用电数据进行规范化存储，形成当前区域的供暖用电历史数据；运算模块获取当前区域的供暖用电历史数据并累加得到区域实际电供暖用电量W₁；当W₁≥W时，系统将发出预警信号，并记录超出部分W₂；

步骤四、中央控制层的运算模块根据供暖用电历史数据、历史气象数据、气象预测数据，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值，并将该下一个Δt时间段内供暖用电量预测值回传至电网；

步骤五、当系统运行时间t＝M×△t，则，M＝M+1，并返回步骤二，直至系统运行停止。

3.根据权利要求2所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，所述用户末端热环境数据包括室内空气温度、相变储能地板温度、用户相变储能地板中的加热电缆启用时间；所述实时气象数据包括实时室外温度数据和实时太阳辐射强度。

4.根据权利要求3所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤三中所述确定用户的运行状态信号的具体步骤包括：

步骤三一、若用户j的相变储能地板中加热电缆开启，计算△t时间后相变储能地板温度的终值T_floor，△t，并利用T_floor,△t计算得到用户j室内空气温度终值的上限T_air,j，max，其中，j＝1，...，N；

若用户j的相变储能地板中加热电缆不开启，△t时间后相变储能地板温度保持与当前相变储能地板温度T_floor相等，利用T_floor计算得到用户j室内空气温度终值的下限T_air,j,min；

步骤三二、将用户j室内空气温度终值的上限T_air,j,max、用户j室内空气温度终值的下限T_air,j,min、预设的室内供暖温度上限T_air,max以及预设的室内供暖温度下限T_air,min进行比较：

若T_{air，j，min}＜T_air，min＜T_air,j,max<T_air,max，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；

若T_air,min＜T_air，max＜T_air,j，min<T_air,j,max，则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆；

否则，计算用户j的相变储能地板在第M个时间段释放热量Q_1，M，j、用户j的相变储能地板在第1至第M-1时间段的累计储能量Q_2,M-1,j，并判断：若Q_1,M,j≥Q_2,M-1,j，且此时系统没有出现为电供暖预留风电量不足的预警，则运行状态信号为开启相变储能地板中的加热电缆；否则运行状态信号为不开启相变储能地板中的加热电缆。

5.根据权利要求4所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤三一中所述T_air,j,max的具体计算过程包括：

将△t时间进行K等分，每个计算时间间隔为△t/K，T_floor,k为第k个计算时间间隔结束时的相变储能地板温度，T_air，k为第k个计算时间间隔结束时的室内空气温度；k∈{1,...,K}；

T_floor,k的计算如式(3)所示：

其中，m_floor为储能地板中相变材料储能层的质量，c_floor(T_floor)为相变材料的热容；P_j为用户j的加热电缆的功率；k＝1时，T_floor,k-1＝T_floor；

有，T_floor,△t＝T_floor，K；

然后将T_floor，△t代入公式(4)，能够得到T_air,k；

其中，c_air为室内空气的比热容，c_envelope为围护结构的比热容；ρ_air为空气密度，ρ_envelope为建筑外围护结构材料密度；V_air为房间容积，V_envelope为建筑外围护结构容积；h₁为储能地板与室内空气的对流换热系数；h₃为室外空气与室内空气的换热系数；h₆为窗的传热系数；S_c代表遮阳系数；τ为玻璃透过率；f_floor为地板表面积，f_windoes为窗体面积，f_wall为墙体面积；

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j，max＝T_air，K。

6.根据权利要求5所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤三一中所述T_{air，j，min}的具体计算过程包括：

利用式(5)计算第k个计算时间间隔结束时的室内空气温度T_air,k：

当k＝1时，T_air,k-1＝T_air；T_air为当前室内空气温度；

有，T_air,j，min＝T_air，K。

7.根据权利要求6所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤三二中所述Q_1,M，j和Q_2，M-1,j的具体计算过程为：

其中，η为相变储能地板中的加热电缆的电热转化效率，i＝1,...,M-1；t_floor，i为第i个运行时间段内用户j相变储能地板中的加热电缆启用时间。

8.根据权利要求2或7所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤三中所述对区域内所有的N个用户按照建筑保温性能从差到好进行排序的具体步骤为：

首先按照围护结构的导热系数k₁从大到小进行排序，k₁相同时按照窗的传热系数h₆从大到小的顺序排序，两者均相同时按照建筑建成历史时间进行排序。

9.根据权利要求2、4、5、6或7所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，步骤四中所述根据供暖用电历史数据、历史气象数据以及气象预测数据，得到的下一个Δt时间段内供暖用电量预测值的具体过程包括：

步骤四一、中央控制层的运算模块对供暖用电历史数据和历史气象数据进行拟合，得到二者之间的函数关系；

步骤四二、运算模块结合气象预测数据和步骤四一中得到的函数关系，得到下一个Δt时间段内供暖用电量预测值W_{floor，predict}。

10.根据权利要求9所述一种风电供暖的区域运行调度策略，其特征在于，所述△t为10～15分钟。