CN109340904B - 电采暖协同优化运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电采暖协同优化运行方法，该方法首先建立电加热设备的等效热参数模型；然后建立电加热负荷的温度效用模型，继而以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，建立目标函数和约束条件，形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型。将研究区域内的电供热用户集中在一个调度层，利用所提出的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案，传递给各个电加热设备的智能控制系统，构成智能化运行的智能电加热网络。本发明可以有效地解决非蓄热式电加热设备在简单运行模式下，所造成的负荷尖峰和功率损耗问题，有效地提高用户的温度效应，控制电力系统的负载峰值，降低系统的运行成本，保证用户供暖的经济性。

Description

电采暖协同优化运行方法
技术领域
本发明涉及电力系统优化调度领域，具体涉及电采暖协同优化运行方法。
背景技术
冬季供暖是中国北方地区居民基本生活需求的重要组成部分。在过去的很长一段时间里，煤炭是供暖系统的主要能量来源。然而，煤炭、化石燃料的过度消费导致了严重的环境问题，尽管在过去几年，中国政府曾鼓励使用天然气代替煤炭作为供暖系统的供给能源，但中国的天然气储量并不丰富，无法提供充足的能量供给。天然气的匮乏和日益严重的环境问题促使人们在冬季寻找新的供暖方式。
电供暖作为新型的清洁供暖方式，利用清洁高效的电能代替天然气和传统的煤炭作为供暖系统的能源来源，可以有效解决冬季供暖带来的污染问题。同时，电加热设备供暖相比于传统的热水或蒸汽介质供暖来说，产生的热能损失小，升温快速，可以随用随开，智能化控制性强，智能化成本低，用微电脑来管理温度，做到需要温度给温度，需要多高温度设定多高温度，而当用户不需要温度时可以直接关机停止运行，这种行为节能是它相对于水暖节省成本的根本原因。但是，目前电加热系统仍存在一些问题。大量的电加热设备接入电网，提高了电力系统运行时的负载峰值，加大了系统的峰谷差，从而增加了系统调峰的负担。另外，目前电加热系统的温度控制策略缺乏优化，不能够充分利用热量，并且无法对峰谷电价的波动做出有效响应，而用户则无法准确地判断何时开关设备将有利于保证电能消耗的经济性和供暖温度舒适性。因而，提出一种电采暖协同优化运行方法，有利于智能化电加热网络的构建，该内容已成为电供暖研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于对研究区域内的电加热负荷进行协调优化，通过有效地调整各个电加热设备的开关和出力，以解决非蓄热式电加热设备在简单运行模式下，所造成的负荷尖峰、功率损耗大、负荷温度效用低等问题。在保证用户供暖舒适度的前提下，控制电供暖在电力系统峰荷时段的出力，增加电供暖在电力系统负荷低谷期的出力，从而缩小电力负荷的峰谷差。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：电采暖协同优化运行方法，该方法包括以下步骤：
(1)建立电加热设备的等效热参数模型。
(2)建立电加热负荷的温度效用模型。
(3)以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，构建目标函数和约束条件，与步骤(1)(2)所建立的模型共同形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型。
(4)将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，利用所提出的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案。
(5)将得到的最优调度方案，传递给各个电加热设备的智能控制系统，从而构成智能化运行的智能电加热网络。
进一步的，步骤(1)所述的“建立电加热设备的等效热参数模型”的具体内容为：
a.s代表电加热设备的运行状态，当电加热设备关闭时，s＝0，在T时段室温Troom可以用如下公式表示：
Figure BDA0001861464340000021
式中：
Figure BDA0001861464340000022
为t+1时段的室温，单位为℃；
Figure BDA0001861464340000023
为t+1时段的环境温度，单位为℃；
Figure BDA0001861464340000024
为t时段的室温。单位为℃；e是自然对数的底数，是一个无限不循环小数，其值是2.71828...；R为等效热阻，单位为℃/W；C为等效热容，单位为J/℃；Δt为时间步长，单位为1min。
b.当电加热设备开启时，s＝1，在T时段的室温Troom可以描述为如下公式：
Figure BDA0001861464340000025
式中：Q为电加热设备的等效热率，单位为W。
c.将以上两个式子合并为一个式子，如以下公式所示：
Figure BDA0001861464340000026
式中：m为某个房间的电加热设备的总数；i代表第i个电加热设备；si为第i个电加热设备的运行状态，运行为1，关机为0；Qi为第i个电加热设备的等效热率，单位为W。
进一步的，步骤(2)所述的“建立电加热负荷的温度效用模型”的具体内容为：
a.电加热负荷的温度效用代表了用户在使用电加热设备过程中的实际温度效益，由当前室温和预期温度决定，温度偏差越大，效用值越小，具体电加热负荷的温度效用函数如以下公式所示：
Figure BDA0001861464340000027
式中：Ut(Tt)为电加热负荷的温度效用和t时段温度的函数关系式；Ut为t时段电加热负荷的温度效用值，为无量纲的数；Tt为t时段的室内温度值，单位为℃；Tmin为室内所需温度的最小值，单位为℃；Tmax为室内所需温度的最大值，单位为℃。
b.为了描述用户在整个设备运行期间的舒适度，引入平均温度效用和最低温度效用，如以下公式所示：
Figure BDA0001861464340000031
式中：Uave为最优调度期间的平均温度效用；TΔ为整个最优调度期间的时长；Umin为最优调度期间的最低温度效用。
进一步的，步骤(3)所述的“以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，构建目标函数和约束条件”的具体内容为：
a.以电力系统允许电供热发电的最大功率限制为约束。
约束条件应满足电力系统允许电供热发电的最大功率限制，即建筑物内任何时候电加热负载的总功率和其他负载功率应低于系统的最大允许功率，如下式所示：
Figure BDA0001861464340000032
式中：Lt为t时段内除电加热功率外的其他所有负载的总功率之和，单位为W，在最优调度计算中，这部分负载功率可以给予建筑物布置的使用、历史数据、负荷预测和其他方法获得；β是一个安全系数，即在Lt的基础上需要乘以安全系数；pt,i为t时段内电加热设备i的功率，单位为W；T是整体最优调度时长；Xt是t期间整个系统的最大允许功率，单位为W，随时间变化而变化；j表示供暖网络的房间号，其总数为N；m为每个房间的电加热设备总数量；i为第i个电加热设备；st,i为第i个电加热设备在时段t的运行状态；T为整个调度时段。
b.以电加热设备的最小启停时间为约束。
Figure BDA0001861464340000033
式中：
Figure BDA0001861464340000034
为在t-1时段之前，设备i已经运行了
Figure BDA0001861464340000035
时间；
Figure BDA0001861464340000036
为在t-1时段之前。设备i已经连续关闭了
Figure BDA0001861464340000037
时间；st-1,i为设备i在t-1时段的运行状态，1代表运行，0代表关机；st,i为设备i在t时段的运行状态；
Figure BDA0001861464340000038
为设备i设定的最短运行时间；
Figure BDA0001861464340000039
为设备i设定的最短停运时间。
c.优化目标是最优化用户的供暖温度，使得用户供暖舒适度最优，目标函数如下式所示：
Figure BDA00018614643400000310
式中：j表示供暖网络的房间号，其总数为N；Uave,j为第j个电加热设备的平均温度效用；Ut,j(st,j)为第j个电加热设备在t时段的温度效用值与设备运行状态之间的关系；TΔ为整个最优调度期间的时长；T为整个调度时段；t为第t时段；Ut,j为第j个电加热设备在t时段的温度效用值；st,j为第j个电加热设备在t时段的运行状态。
本发明的工作原理：
为了解决非蓄热式电加热设备在简单运行模式下，存在的负荷尖峰和因无法自动响应峰谷电价而造成的运行经济性差等问题，本发明提出了一种电采暖协同优化运行方法。该方法通过建立基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型，并对电加热负荷进行有效地出力分配，达到控制系统负荷峰值，降低系统供暖成本，在提高用户供暖舒适度的同时，保证用户供暖经济性的目的。首先，建立电加热设备的等效热参数模型；然后，建立电加热负荷的温度效用模型，进而以电力系统允许电供暖发电的最大功率限制为约束，以用户供暖舒适度最优为目标，建立目标函数和约束条件，继而形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型。将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，利用所建立的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案。
附图说明
图1是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，电采暖协同优化运行方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据电加热设备的运行特性，建立电加热设备的等效热参数模型。
(2)根据电加热设备的出力在外界温度变化下产生的实际温度效益，建立电加热负荷的温度效用模型。
(3)以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，构建目标函数和约束条件，并结合步骤(1)(2)构建的模型，共同形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型。
(4)将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，利用所提出的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案。
(5)将得到的最优调度方案，传递给各个电加热设备的智能控制系统，从而构成智能化运行的智能电加热网络。
具体的讲，步骤(4)中所述的将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，主要有以下几点内容：
(1)确定该区域电供暖用户的类型，如：工业用户、居民用户、学校、商场等，从而确定该区域用户电加热设备的类型，以及该类型设备的等效热率。
(2)根据用户的类型，决定用户所需供暖的温度的范围及其随时间的变化趋势，比如：居民用户在晚上休息的时间，环境温度较低，应提高供暖的温度范围；而在白天由于居民大多出去上班或外出活动，加之太阳能的辐射散热，应适当降低供暖的温度范围。根据用户所需供暖的温度范围及其随时间的而变化趋势，结合天气的预测数据，给出所需供给的电采暖负荷预测数据。
(3)根据所研究区域的建筑标准和居住环境确定室内环境的等效热容和等效热阻等数据。
(4)收集所研究区域内电加热设备的运行参数。
(5)将上述数据准备充分再引入调度层的数据库中。
(6)以“协调优化”作为原则，分配各个房间内电加热设备的出力功率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.电采暖协同优化运行方法，其特征在于：根据电加热设备的运行特性，建立电加热设备的等效热参数模型；然后根据电加热设备的出力在外界温度变化下产生的实际温度效益，建立电加热负荷的温度效用模型；继而以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，构建目标函数和约束条件，形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型；之后，将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，利用所提出的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案，传递给各个电加热设备的智能控制系统，从而构成智能化运行的智能电加热网络；
所述将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，包括：
(1)确定该研究区域电供暖用户的类型，从而确定该研究区域用户电加热设备的类型，以及该类型设备的等效热率；
(2)根据用户的类型，决定用户所需供暖的温度的范围及其随时间的变化趋势；并根据用户所需供暖的温度范围及其随时间的变化趋势，结合天气的预测数据，给出所需供给的电采暖负荷预测数据；
(3)根据所研究区域的建筑标准和居住环境确定室内环境的等效热容和等效热阻数据；
(4)收集所研究区域内电加热设备的运行参数；
(5)将上述数据准备充分再引入调度层的数据库中；
(6)以“协调优化”作为原则，分配各个房间内电加热设备的出力功率。
2.根据权利要求1所述的电采暖协同优化运行方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)建立电加热设备的等效热参数模型；
(2)建立电加热负荷的温度效用模型；
(3)以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束，以用户供热舒适度最优为目标，构建目标函数和约束条件，与步骤(1)(2)所建立的模型共同形成基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型；
(4)将研究区域内的电供暖用户集中在一个调度层，利用所提出的基于非蓄热式电加热设备的集成环境优化调度模型进行求解，得到最优的电力调度方案；
(5)将得到的最优调度方案，传递给各个电加热设备的智能控制系统，构成智能化运行的智能电加热网络。
3.根据权利要求2所述的电采暖协同优化运行方法，其特征在于：步骤(1)所述的“建立电加热设备的等效热参数模型”的具体内容为：
a.分别就电加热器的关闭和运行两个状态，描述考虑电加热设备的时间与室温的函数关系；
b.将电加热设备关闭和运行两种情况下的关系式合并成一个式子，即电加热设备的等效热参数模型。
4.根据权利要求2所述的电采暖协同优化运行方法，其特征在于：步骤(2)所述的“建立电加热负荷的温度效用模型”的具体内容为：
a.建立电加热负荷的温度效用的函数表达式，电加热负荷的温度效用代表了用户在使用电能过程中的实际温度效益，电加热负荷的温度效用由当前室温和预期室温共同决定，两者的温差值越大，则电加热负荷的温度效用值越小；
b.为了描述用户在整个运行期间的舒适度，引入平均温度效用和最低温度效用。
5.根据权利要求2所述的电采暖协同优化运行方法，其特征在于：步骤(3)所述的“以电力系统允许电供热发电的最大功率限制和电加热设备的最小启停时间为约束”的具体内容为：
a.以电力系统运行过程中的负荷变化规律为依据，在系统负荷峰值时段，减小电供暖发电负荷的最大限制功率；在系统负荷低谷时段，增大电供暖发电负荷的最大限制功率，以达到“削峰填谷”的目的；
b.考虑到电加热设备的结构原理，频繁启动和停止会影响其运行性能，因此，每个电加热设备应设有最短开启时间和最短关停时间。
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