CN111561735B - 一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，包括：步骤1：将电供暖系统中各个房间的现场温度控制器定义为多智能体，将由工控机构成的管理层定义为领导者；步骤2：将建筑按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，依据热负荷等级设定温度；步骤3：对每相上电暖器的工作状态和温度进行数据采集，使用现场温度传感器采集出温度数据，计算各相上的总功率，并计算分析此时三相功率不平衡度；步骤4：确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率；步骤5：对各相上的电热负载按照需要投入和切除的负荷功率进行投入和切除控制。通过对连接在三相上的电暖器来的投切和功率控制来实现三相功率平衡，减少电网不平衡度。
Description
技术领域
本发明涉及电网控制领域，特别涉及一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法。
背景技术
为推进北方地区冬季清洁取暖，实现节能减排的总体目标，响应国家提倡“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热”的新政策，各地政府、供电公司及供热公司纷纷启动“煤改电”工程项目，今后一段时期，国家电力供需仍处于严重供大于求的状态,而推广电供暖可以增加用电负荷,对解决国家电力富余的现状和长远节能环保具有重要意义。
在目前市场上由于使用情况不一样，电暖器多为单相负荷，运行时带来的三相功率不平衡，造成了电网供电质量下降和电损增加，进一步增加了供热成本。此外目前电供暖设备一般均采用恒温控制策略，并未达到供热量与需热量的统一，浪费了大量电能。电供暖设备实际使用过程中，由于房间处于阴面、阳面的差异，以及各楼层间供暖差异，都会产生三相不衡现象，另一方面是用电负荷的随机变化，即使在最初平分了三相负荷，实际工作过程中三相负荷并不是同时开启或退出，这种情况下负荷随机性波动，不能预测，规律性不强，电流曲线交叉重叠，此外由于功率负载的增多以及其他外力因素也会造成电网三相不平衡，如季节因素和临时用电的影响，都不利于电力系统的稳定运行，都会加大线路、变压器损耗，影响用电设备的安全运行，在电供暖中降低了供热质量。因此，改善电供暖控制系统负荷侧三相功率平衡变得十分必要。
目前对电力系统三相负荷不平衡的研究方法有“负荷补偿，相序平衡”。即负荷补偿主要在电网的负荷侧或电源测安装补偿装置对三相不对称负荷进行调补，从而降低三相电流不平衡度，能够快速有效的抑制三相负荷不平衡现象，但成本高，控制复杂，可靠性低且主要针对大用电负荷。相序平衡法就是将不平衡的负荷平均分配到各相上，从而降低三相不平衡度，能解决三相负荷不平衡问题，降低线路损耗，但换相负载会短暂断电，影响供电质量，设备串入电网，对设备有更高的可靠性要求。
随着物联网技术的发展，结合网络技术从负荷侧研究一种电供暖三相功率自平衡方法，摆脱传统的从电源侧加装置补偿或换相解决不平衡的方法，从而提高电能质量，降低成本，可靠性增强，降低能耗污染。可以在电力系统中进行推广，对电力技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：目前电供暖供系统三相功率不平衡严重，使电力变压器扩容，不仅增加初投资，还因损耗增大增加运行费用，且降低了电网质量。为此，针对上述背景技术的不足，又根据电供暖是将电能转化成热能的温控设备，具有温度变化是电能变化的特性，因此，提出一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，依据多智能体协调控制算法，来控制负荷的投切以达到三相功率平衡要求。实现三相功率控制平衡，降低不平衡度。提高了供电质量、可靠性以及经济性，实现节能供暖，顺应国家节能减排的发展趋势。
为了实现上述目的，本发明一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤1、基于物联网优势和房间储热性能，将电供暖系统中各个房间的现场温度控制器定义为多智能体，将由工控机构成的管理层定义为领导者。
步骤2、将建筑按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，依据热负荷等级设定温度。
步骤3、数据分析是以某高校34万平米的电供暖系统为硬件平台，当各房间现场温度控制器控制电暖器处于适温动态调节时，对每相上电暖器的工作状态和温度进行数据采集，其中，使用现场温度传感器采集出温度数据。计算各相上的总功率，并计算分析此时三相功率不平衡度，进而确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率。
步骤4、确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率。利用各级热负荷实测阶跃响应曲线，建立预测控制模型，由预测模型确定可投入或切除的热负荷数量、位置和时间。从而在保证房间供暖温度范围要求的前提下，通过降低切换次数，提高三相功率平衡控制系统的动态性能。
步骤5、依据多智能体协调控制算法，来控制负荷的投切以达到三相功率平衡要求。
步骤6、根据Lyaxunov稳定性原理，判断电供暖系统三相功率趋于一致条件。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于，利用物联网优势和房间储热性能，实施负荷侧三相功率自平衡控制。在步骤2中，依据热负荷等级设定温度。将热负荷分为1～3级，且每相上分布的不同等级的负荷的总功率相同，即三相负荷本身是静态平衡的。为简化分析，假定每个等级负荷数量相等，各负荷出厂功率相同，设定各级适温范围，且适温范围逐级降低。本发明设定每个等级负荷的适温范围[a,b]分别为:一级负荷适室温设为[20，25]，二级负荷适温范围设为[10，18]，三级负荷适室温范围设为[5，9]。利用物联网优势和房间储热性能，实施负荷侧三相功率自平衡控制。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于，在步骤3中，计算各相上的总功率和三相功率不平衡度，进一步包括：
步骤一：计算各相上的总功率为：
步骤二：计算分析此时三相功率平衡度，不平衡度的计算为：
xi表示各相智能体总功率，
表示三相收敛功率，i∈(A，B，C)。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于，在步骤5中，将各个房间现场温度控制器看做多智能体，采用多智能体协调控制策略，对负荷的投切进行控制。以智能体功率为变量，使用如下控制协议：
x0(k)，xi(k)∈Rq、ui(k)∈Rx分别表示领导者的信息状态，第i个智能体的位置状态、控制协议，k为时间序列。aij表示从xi指向到xj的连接权值，bi表示多智能体与领导者间的权值，Ni表示智能体xi邻居个数。智能体个体能借助邻近的智能体状态信息不断调整更新自身状态，
所述步骤5中，多智能体协调控制策略进一步包括：
步骤一：初始时刻k，检测出各相上每个负荷的功率，求各相功率总和，根据不平衡度判断是否达到要求。
步骤二：k时刻若不相等，智能体i接收邻居信息状态，同时将自己的状态信息输出给邻居，
步骤三：根据功率一致性更新规则、约束条件及温度预测模型，调整第i个智能体状态，
步骤四：在k+1时刻得到第i个智能体在k+1时刻的信息，则继续转到步骤一对第i智能体在k+1时刻的信息进行更新。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于，在步骤6中，根据Lyapunov稳定性原理，判别
的一致性条件，且值趋近与三相功率不平衡前的三相值的中间值。达到电供暖系统三相功率一致，且各智能体值趋近于三相功率不平衡前三相的中间值
此时中间值作为平衡时领导者的值，三相作为跟随者收敛于该中间值。
满足不平衡度要求，并保证各个智能体本身的温度控制目标。
约束条件是指各级负荷均保持在适温范围内，功率不平衡时应保持在适温范围调节温度，且先调节温度趋近于a或趋近于b的负荷温度，使温度增高或降低，功率增加或减少。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：
1、该方法不同于传统的补偿方法和换相平衡方法，该方法基于物联网优势和房间储热性能，借助于电供暖控制系统本身是一个物联网系统的特点，通过采集电暖器的工作状态，经过计算分析就能够确定三相不平衡度，无需增设检测装置，由于是在负荷侧自身平衡，也不需要在供电测增加额外的平衡装置，从而降低了损耗和成本，而且提高了供电质量。
2、采用多智能体协调控制策略，在建筑群负荷侧即解决电供暖系统的三相功率平衡问题，又同时保证各个房间的供暖温度要求。温度不是唯一恒定值，保证热量供需平衡，减少电能浪费。降低不平衡度，提高了系统的可靠性。
3、利用互联网特点，首次移入多智能体协调控制技术应用在电供暖领域。对电供暖发展具有指导意义。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法流程框图；
图2为本发明电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法多智能体拓扑图；
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明的主要目的是针对目前国内的校园电供暖系统，从建筑群负荷侧出发，根据能量守恒以及电热转化定律，又根据电供暖是将电能转化成热能的温控设备，具有温度变化是电能变化的特性，从建筑群热负荷侧角度出发，利用各级热负荷实测阶跃响应曲线，建立功率与温度预测模型，进而由预测模型确定可投入或切除的热负荷数量、位置和时间，采用多智能体一致性协议控制策略以及Lyapunov稳定性原理，判别功率平衡收敛条件，以及收敛值，控制投切，实现三相平衡。利用预测控制算法进一步加快收敛速度，提高系统稳定性。本发明的实施具体方法具有如下步骤：：
步骤1、基于物联网优势和房间储热性能，将电供暖系统中各个房间的现场温度控制器定义为多智能体，将由工控机构成的管理层定义为领导者。
步骤2、将建筑按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，依据热负荷等级设定温度。
步骤3、数据分析是以某高校34万平米的电供暖系统为硬件平台，当各房间现场温度控制器控制电暖器处于适温动态调节时，对每相上电暖器的工作状态和温度进行数据采集，其中，使用现场温度传感器采集出温度数据。计算各相上的总功率，并计算分析此时三相功率不平衡度，进而确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率。
步骤4、确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率。利用各级热负荷实测阶跃响应曲线，建立预测控制模型，由预测模型确定可投入或切除的热负荷数量、位置和时间。从而在保证房间供暖温度范围要求的前提下，通过降低切换次数，提高三相功率平衡控制系统的动态性能。
步骤5、依据多智能体协调控制算法，来控制负荷的投切以达到三相功率平衡要求。
步骤6、根据Lyaxunov稳定性原理，判断电供暖系统三相功率趋于一致条件。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，利用物联网优势和房间储热性能，实施负荷侧三相功率自平衡控制。如图2所示按重要等级分类。将工作区分为3个等级负荷，本发明首先将负荷按照办公室，教室，仓库重要等级将热负荷分为1～3级，会议室、领导办公室为1级负荷，教室为2级负荷，以此类推，负荷代表重要程度，1级为最重要房间，2级为次要房间，以此类推。且每相上分布的不同等级的负荷的总功率相同，即三相负荷本身是静态平衡的。为简化分析，假定每个等级负荷数量相等，各负荷出厂功率相同，设定各级适温范围[a,b]，且适温范围逐级降低，分别为:一级负荷适室温设为[20，25]，二级负荷适温范围设为[10，18]，三级负荷适室温范围设为[5，9]。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，在步骤3中，计算各相上的总功率和三相功率不平衡度，本发明以电供暖系统各智能体为节点，之间的通信为连线，得到多智能体电供暖系统拓扑图如图2所示，通信拓扑结构是固定的，方向为无向传递。0是管理层，作为领导者，其余现场层智能体为跟随者。虚线上负荷代表A、B、C三相上各级负荷。在此基础上进行数据分析，检测出在k时刻温度，功率值，计算各相总功率，根据不平衡度要求判断功率是否平衡，若有一相超出不平衡度值则不平衡。，步骤3进一步包括如下步骤：步骤一：计算各相上的总功率为：
步骤二：这里的不平衡度是指：
xi表示各相智能体总功率，
表示三相收敛功率，i∈(A，B，C)
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，在步骤5中，将各个房间现场温度控制器看做多智能体，采用多智能体协调控制策略，建立如图2所示的拓扑结构，根据多智能体一致性原理，以功率为变量，控制负荷投切，使用如下一致性协议：
x0(k)，xi(k)∈Rq、ui(k)∈Rx分别表示领导者的信息状态，第i个智能体的位置状态、控制协议，k为时间序列。aij表示从xi指向到xj的连接权值，bi表示多智能体与领导者间的权值，Ni表示智能体xi邻居个数。智能体借助邻近的智能体状态信息不断调整更新自身状态。
所述步骤5中，多智能体协调控制策略进一步包括：
步骤一：初始时刻k，检测出各相上每个负荷的功率，求各相功率总和，根据不平衡度判断是否达到要求。
步骤二：k时刻若不相等，智能体i接收邻居信息状态，同时将自己的状态信息输出给邻居，
步骤三：根据功率一致性更新规则、约束条件及温度预测模型，调整第i个智能体状态，
步骤四：在k+1时刻得到第i个智能体在k+1时刻的信息，则继续转到步骤一对第i智能体在k+1时刻的信息进行更新。
所述的电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，在步骤6中，根据Lyapunov稳定性原理，判别
的一致性条件，且各智能体值趋近于三相功率不平衡前三相的中间值
此时中间值作为平衡时领导者的值，三相作为跟随者收敛于该中间值。
达到电供暖系统三相功率渐进一致，满足不平衡度要求。并保证各个智能体本身的温度控制目标。
约束条件是指各级负荷均保持在适温范围内，功率不平衡时应保持在适温范围调节温度，且先调节温度趋近于a或趋近于b的负荷温度，使温度增高或降低，功率增加或减少。
本发明公开了一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，该方法基于物联网优势和房间储热性能，将电供暖系统中各个房间的现场温度控制器定义为多智能体，将由工控机构成的管理层定义为领导者，通过热负荷分级和建立温度预测模型，来优化可以投切的电暖器数量和位置，进而采用多智能体协调控制策略，在负荷侧即解决电供暖系统的三相功率平衡问题，又同时保证各个房间的供暖温度要求。该方法不同于传统的补偿方法和换相平衡方法，它借助于电供暖控制系统本身是一个物联网系统的特点，通过采集电暖器的工作状态，经过计算分析就能够确定三相不平衡度，无需增设检测装置，由于是在负荷侧自身平衡，也不需要在供电侧增加额外的平衡装置，从而降低了损耗和成本，而且提高了供电质量。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将电供暖系统中各个房间的现场温度控制器定义为多智能体，将由工控机构成的管理层定义为领导者；
步骤2：将建筑按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，依据热负荷等级设定温度；
步骤3：对每相上电暖器的工作状态和温度进行数据采集，使用现场温度传感器采集出温度数据，计算各相上的总功率，并计算分析此时三相功率不平衡度；
步骤4：确定各相为达到三相平衡需要投入和切除的负荷功率；
步骤5：对各相上的电热负载按照需要投入和切除的负荷功率进行投入和切除控制；
在步骤5中，将各个房间现场温度控制器看作多智能体，采用多智能体协调控制策略，以智能体功率为变量，对每个房间的负荷进行投切控制；
在步骤1中，工控机构成的管理层作为领导者，通过物联网连通各电供暖系统中各个房间的现场温度控制器，通过计算出的各相需要投切的负荷以及需要控制的功率；
根据Lyapunov稳定性原理，判别功率平衡收敛条件以及收敛值，控制各智能体的投切以满足三相平衡的要求。
2.如权利要求1所述的一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于：所述步骤5中，依据多智能体协调控制算法，来控制连接在三相电网的每一相的电热负荷的投切以达到三相功率平衡要求。
3.如权利要求1或2所述的一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于：在步骤2中，按重要等级分类， 将工作区分为3个等级负荷，每相上分布的不同等级的负荷的总功率相同，即三相负荷本身是静态平衡的。
4.如权利要求1或2所述的一种电供暖控制系统负荷侧三相功率自平衡方法，其特征在于：计算各相上的总功率然后根据三相功率不平衡度计算公式计算出对应的不平衡度。
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