CN112413702B - 一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，包括以下步骤：步骤1、建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；步骤2、建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法。本发明能够通过直接负荷控制方式改善了蓄热式电采暖与配电网之间的互动模式，便于充分发挥蓄热技术优势以及大范围推广使用蓄热式电采暖设备。

Description

一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统储能负荷参与削峰填谷技术领域，涉及蓄热式电采暖负荷与配电网台区负荷的优化匹配方法，尤其是一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统。

背景技术

在我国北方地区，传统供暖普遍采用燃煤方式。由于能源紧缺和大气污染问题的日益严重，国家大力促进绿色节能型能源消费模式。电采暖作为清洁、舒适的供暖方式，不仅改善大气环境，也提高居民生活水平。随着“以电代煤”的发展，供暖负荷在用户负荷中占有较大比例。用户对热量的需求转化成对电能的需求，改变了原有的用户负荷模态，造成了电网峰谷差增大、设备利用率降低等问题。蓄热式电采暖作为可中断、可转移的灵活性负荷资源，与直热式电采暖相比更有优势。用户利用储热装置蓄热量放热，可提高供暖可靠性，实现电网冬季高峰电量转移，降低峰谷差。但目前蓄热式电采暖设备的负荷特性、利用方式不明确，与电网互动系统不完善。电网产生了由于采暖负荷集中带来的新负荷高峰，难以充分发挥蓄热技术的优势。这些局限性问题制约了蓄热式电采暖设备的大范围推广使用，迫切需要进行蓄热式电采暖负荷与配电网台区匹配技术的相关研究，以真正实现停电不停暖、减小电网运行压力的目标。

随着智能电网技术的逐步发展，电力需求响应已成为双向交互式智能电网框架下的一种重要的交互式响应方法。需求响应技术可以引导用户改善用电行为，使负荷侧积极参与电网削峰填谷。本发明旨在通过响应优化进一步研究蓄热式电采暖与配电网之间的互动模式。在考虑用户供暖需求差异特征和蓄热式电采暖设备运行模式的情况下，提高蓄热式电采暖与配电网之间的匹配性，充分发挥蓄热式电采暖在缩小电网峰谷差，优化配电网负荷曲线等方面的能力。

综合以上文献的研究，大多数集中在对直热式电采暖等温控负荷进行需求响应管理。针对蓄热式电采暖等储能负荷，缺乏相关响应优化控制策略的研究，缺乏其与配电网互动模式的探索。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统，能够针对大规模推广应用蓄热式电采暖的趋势，结合蓄热式电采暖电热负荷解耦的特性，通过直接负荷控制方式改善了蓄热式电采暖与配电网之间的互动模式，便于充分发挥蓄热技术优势以及大范围推广使用蓄热式电采暖设备。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，包括以下步骤：

步骤1、采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

步骤2、建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)结合热力学参数，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，由屋内外温度和房屋面积计算用户各时段最低热负荷需求；

(2)建立蓄热式电采暖设备的启停控制策略；

(3)根据步骤1第(1)步计算获得的用户各时段最低热负荷需求和步骤1第(2)步的随机的蓄热式电采暖设备的启停控制策略建立各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型，计算各时段储热罐蓄热量；并考虑储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束，筛选用户设备可能的启停策略。

而且，所述步骤1第(1)步的用户各时段最低热负荷需求计算模型为：

采集用户房屋实际供暖面积S(i)、体积V_m.i的参数，台区每时段的室外平均温度T_out，计算用户各时段最低热负荷需求为：

式中：Q_heat.i为用户t时段所需热负荷，kW。dT_in.i/dt为用户单位时间段屋内温度的变化值，V_m.i为用户房屋体积，m³，S(i)为用户房屋面积，m²，K为结合用户房屋参数得到的房屋热传导系数，α用来修正房屋表面热传导系数，c_m为空气比热容，J/(kg·℃)，ρ_m为空气密度，kg/m³。T_in.i(t)、T_out.i(t)分别为用户t时段的屋内温度、屋外温度，℃。

而且，所述步骤1第(2)步的蓄热式电采暖设备的启停控制策略为：

蓄热式电采暖设备为启停控制，通电蓄热时用直热方式供暖，断电时用储热罐释放热量以满足热负荷需求；采集参与响应用户可控时段，对其各时段蓄热式电采暖设备进行直接负荷控制，不可控时段内设备断电放热。

而且，所述步骤1第(3)步的各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型为：采集台区用户蓄热式电采暖设备运行额定输入功率P、设备制热效率η的相关参数，在可控时段内，对设备进行启停控制，其中，不同启停状态下蓄热式电采暖模型充放热为：

W_i(t)＝1,I_C.i(t)＝1且I_D.i(t)＝0:

W_i(t)＝0,I_C.i(t)＝0且I_D.i(t)＝1:Q_D.i(t)＝Q_heat.i(t)

式中：W_i(t)为t时段蓄热电采暖的启停状态，1为开启，0为关闭；I_C.i、I_D.i分别为t时段储热罐蓄热、放热状态。η为设备制热效率；P为蓄热电采暖输入额定功率，kW；Qi(t)为t时段蓄热电采暖制热量，kW；Qheat.i(t)为t时段蓄热电采暖设备供热量，kW；Q_C.i(t)、Q_D.i(t)分别为t时段蓄热量、放热量，kW；

其中，蓄热罐初始蓄热量和前一天用户使用情况有关，需要另外监测或计算；计算用户每时段储热罐蓄热量为：

式中：S_i(t)为t时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量，kWh；μ为储热罐自身向环境散热造成的损失；η_C、η_D分别为储热罐蓄热、放热效率；

所述步骤1第(3)步的储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束为：

①为保证稳定运行，各时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量需满足：

S_min≤S_i(t)≤S_max

式中：S_min、S_max分别为储热罐最小、最大蓄热量，kWh；

②蓄热式电采暖供热量能满足用户一天热负荷需求：

P_i(t)＝W_i(t)·P

∫_{可控时段内}(P_i(t)·η)dt≥∫_一天内Q_heat.i(t)dt

式中：P_i(t)为t时段蓄热电采暖耗电功率，kW。

而且，所述步骤1第(3)步的筛选用户设备可能的启停策略的具体方法为：

蓄热电采暖设备供热量等于用户热负荷需求，通过Q_heat.i建立热负荷和蓄热式电采暖负荷的联系；采集台区用户蓄热式电采暖设备储热罐最大容量S_max的相关参数；在储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束情况下，筛选确定用户设备可能的启停策略。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)将所有用户的蓄热式电采暖接入配电网台区，以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立蓄热式电采暖负荷响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度；

(2)采用遗传算法，在前述筛选出的众多启停策略的基础上寻找最优决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

而且，所述步骤2第(1)步的蓄热式电采暖负荷响应优化模型为：

统计到配电网台区用户总数为N，将参与响应的各用户每时段蓄热式电采暖设备的启停状态(取值为0或1)编码作为模型的求解对象，未参与响应的用户蓄热式电采暖负荷与实际一致；考虑配电网台区其他负荷，将所有用户的蓄热式电采暖接入台区，以平抑台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度：

式中：P_Z(t)为t时段所有用户的蓄热式电采暖接入后配电网台区总负荷，kW。

表示配电网台区总负荷曲线的数学期望；研究日负荷曲线，将一天等分为T个时间段；

其中，配电网台区总负荷，台区总蓄热式电采暖负荷为：

P_Z(t)＝P_X(t)+P_Q(t)

式中：P_Q(t)为t时段配电网台区其他负荷，kW；P_X(t)为t时段台区总蓄热式电采暖负荷，kW；N为台区用户总数，包含n个参与响应的用户；

而且，所述步骤2第(2)步的寻找最优决策变量作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法的具体方法为：

通过步骤1的筛选，在可能的启停策略基础上，采用改进遗传算法求解得到参与响应用户蓄热式电采暖设备优化后的启停决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，从而改善两者的交互方式，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配系统，包括：

计算筛选模块，用于采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

优化控制模块，用于建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明公开了一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统，该系统包括计算筛选模块和优化控制模块；所述计算筛选模块用于采集用户设定供暖最低温度、屋外温度等参数，计算用户各时段最低热负荷需求。结合蓄热式电采暖模型，确定用户每时段储热罐蓄热量的动态变化。在考虑储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束的情况下，筛选用户设备可能的启停策略；所述优化控制模块用于将台区用户的蓄热式电采暖接入，以平抑配电网台区总负荷曲线为目标，建立响应优化模型。通过改进遗传算法求解寻找最优启停策略，向参与响应的用户蓄热式电采暖设备发送控制指令，实现与配电网台区的匹配交互。本发明提供了蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法及系统，结合蓄热式电采暖电热负荷解耦的特性，通过直接负荷控制方式改善了蓄热式电采暖与配电网之间的互动模式，便于充分发挥蓄热技术优势以及大范围推广使用蓄热式电采暖设备。

2、本发明通过分析屋内热量与屋内温度动态变化关系，屋内外温度与耗散热量动态变化关系，提供了用户热负荷的计算方法。

3、本发明针对蓄热式电采暖可将电、热负荷解耦的特性，建立简单的蓄热式电采暖模型、储热罐动态模型，将用户热负荷与蓄热电采暖设备供热量联系，由此计算各时段储热罐蓄热量，为改善蓄热式电采暖与配电网之间的互动模式提供了基础。

4、本发明在研究蓄热式电采暖与配电网交互方式时，考虑设备储热罐容量限制、用户一天热负荷需求等约束情况，既符合实际使用情况又满足用户舒适度要求，利于充分发挥蓄热式电采暖的优势，对其大规模推广具有一定意义。

5、本发明采用需求响应中的直接负荷控制策略，以匹配配电网台区负荷为目标建立蓄热式电采暖负荷响应控制模型，优化参与响应用户的蓄热式电采暖负荷，减小了采暖过于集中带来的新负荷高峰，充分发挥了蓄热式电采暖减小电网峰谷差的优势。

附图说明

图1为本发明的蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配系统的构成图；

图2为本发明的蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法的流程图；

图3为本发明的具体实施方式中的配电网台区蓄热式电采暖调度框架示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)结合热力学参数，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，由屋内外温度和房屋面积计算用户各时段最低热负荷需求；

在本实施例中，所述步骤1第(1)步的用户各时段最低热负荷需求计算模型为：

用户热负荷需求计算模型主要参考房屋热力学模型。房屋存在围护结构，有一定的储热能力，从而能在屋外温度不断变化的情况下，维持屋内温度稳定。但也会有小部分热量耗散到屋外，参考屋内外热量传递过程。假设屋内各处温度一致，由热平衡理论和能量守恒定律可知，每个时段房屋内储存热量为电采暖设备供热量减去房屋散热量，屋内温度会随房屋内热量变化而变化。

采集用户房屋实际供暖面积S(i)、体积V_m.i等相关参数，台区每时段的室外平均温度T_out。根据相关标准规范，人体舒适温度范围为[18,23]℃，所以选取用户可接受最低温度为18℃。计算用户各时段最低热负荷需求为：

式中：Q_heat.i为用户t时段所需热负荷，kW。dT_in.i/dt为用户单位时间段屋内温度的变化值。V_m.i为用户房屋体积，m³。S(i)为用户房屋面积，m²。K为结合用户房屋参数得到的房屋热传导系数。α用来修正房屋表面热传导系数。c_m为空气比热容，J/(kg·℃)。ρ_m为空气密度，kg/m³。T_in.i(t)、T_out.i(t)分别为用户t时段的屋内温度(可接受最低温度)、屋外温度，℃。同一配电网台区用户屋外温度和空气参数值是一样的。当用户屋内温度维持稳定时，热负荷需求量等于房屋耗散热量。

(2)建立蓄热式电采暖设备的启停控制策略；

在本实施例中，所述步骤1第(2)步的蓄热式电采暖设备的启停控制策略为：

蓄热式电采暖设备为启停控制，通电蓄热时用直热方式供暖，断电时用储热罐释放热量以满足热负荷需求；采集参与响应用户可控时段(谷价时段)，对其各时段蓄热式电采暖设备进行直接负荷控制，不可控时段(峰价时段)内设备断电放热；

(3)根据步骤1第(1)步计算获得的用户各时段最低热负荷需求和步骤1第(2)步的随机的蓄热式电采暖设备的启停控制策略建立各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型，计算各时段储热罐蓄热量；并考虑储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束，筛选用户设备可能的启停策略。

在本实施例中，所述步骤1第(3)步的各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型为：

蓄热式电采暖设备为启停控制，通电蓄热时用直热方式供暖，断电时用储热罐释放热量以满足热负荷需求；采集参与响应用户可控时段(谷价时段)，对其各时段蓄热式电采暖设备进行直接负荷控制，不可控时段(峰价时段)内设备断电放热。

考虑峰谷电价和用户用电成本，可设定台区用户在谷期20:00至次日8：00才会对蓄热电采暖设备通电，即这段时间为可控时间。

采集台区用户蓄热式电采暖设备运行额定输入功率P、设备制热效率η等相关参数。在可控时段内，以30min为一时段对设备进行启停控制。其中，不同启停状态下蓄热式电采暖模型充放热为：

W_i(t)＝1,I_C.i(t)＝1且I_D.i(t)＝0:

W_i(t)＝0,I_C.i(t)＝0且I_D.i(t)＝1:Q_D.i(t)＝Q_heat.i(t)

式中：W_i(t)为t时段蓄热电采暖的启停状态，1为开启，0为关闭。I_C.i、I_D.i分别为t时段储热罐蓄热、放热状态。η为设备制热效率。P为蓄热电采暖输入额定功率，kW。Qi(t)为t时段蓄热电采暖制热量，kW。Qheat.i(t)为t时段蓄热电采暖设备供热量，kW。Q_C.i(t)、Q_D.i(t)分别为t时段蓄热量、放热量，kW。

蓄热罐初始蓄热量和前一天用户使用情况有关，需要另外监测或计算。计算用户每时段储热罐蓄热量为：

式中：S_i(t)为t时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量，kWh。μ为储热罐自身向环境散热造成的损失。η_C、η_D分别为储热罐蓄热、放热效率。

在本实施例中，所述步骤1第(3)步的储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束为：

①为保证稳定运行，各时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量需满足：

S_min≤S_i(t)≤S_max

式中：S_min、S_max分别为储热罐最小、最大蓄热量，kWh。

②蓄热式电采暖供热量能满足用户一天热负荷需求：

P_i(t)＝W_i(t)·P

∫_{可控时段内}(P_i(t)·η)dt≥∫_一天内Q_heat.i(t)dt

式中：P_i(t)为t时段蓄热电采暖耗电功率，kW。

在本实施例中，所述步骤1第(3)步的筛选用户设备可能的启停策略的具体方法为：

蓄热电采暖设备供热量等于用户热负荷需求，通过Q_heat.i建立热负荷和蓄热式电采暖负荷的联系。采集台区用户蓄热式电采暖设备储热罐最大容量S_max等相关参数。在储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足等约束情况下，筛选确定用户设备可能的启停策略。

步骤2、建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)将所有用户的蓄热式电采暖接入配电网台区，以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立蓄热式电采暖负荷响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度；

所述步骤2第(1)步的蓄热式电采暖负荷响应优化模型为：

统计到配电网台区用户总数为N。将参与响应的各用户每时段蓄热式电采暖设备的启停状态(取值为0或1)编码作为模型的求解对象。未参与响应的用户蓄热式电采暖负荷与实际一致。考虑配电网台区其他负荷，将所有用户的蓄热式电采暖接入台区，以平抑台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度：

式中：P_Z(t)为t时段所有用户的蓄热式电采暖接入后配电网台区总负荷，kW。

表示配电网台区总负荷曲线的数学期望。研究日负荷曲线，将一天等分为T个时间段。

其中，配电网台区总负荷，台区总蓄热式电采暖负荷为：

P_Z(t)＝P_X(t)+P_Q(t)

式中：P_Q(t)为t时段配电网台区其他负荷，kW。P_X(t)为t时段台区总蓄热式电采暖负荷，kW。N为台区用户总数，包含n个参与响应的用户。

(2)采用遗传算法，在前述筛选出的众多启停策略的基础上寻找最优决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

在本实施例中，所述步骤2第(2)步的寻找最优决策变量作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法的具体方法为：

通过步骤1的筛选，在可能的启停策略基础上，采用改进遗传算法求解得到参与响应用户蓄热式电采暖设备优化后的启停决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，从而改善两者的交互方式，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

在本实施例中，所述采用改进遗传算法求解得到参与响应用户蓄热式电采暖设备优化后的启停决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法的具体方法为：

本发明将蓄热式电采暖负荷响应优化模型中的目标函数作为遗传算法中的适应度函数。在可控时段内，以每30min为一时段，对第i个用户t时段蓄热式电采暖设备的启停状态W_i(t)(取值为0或1)进行编码，作为遗传算法的求解对象。配电网台区内所有参与响应用户的启停策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方案，也是遗传算法的个体。个体适应度值，即目标函数越小表明蓄热式电采暖负荷与配电网台区匹配度越高。个体在满足约束条件的情况下，通过进化寻找最优适应度值的过程为寻找蓄热式电采暖负荷与配电网台区最优匹配的过程。本设计中利用轮盘赌的方式，选择较为优秀的父代进行交叉变异，产生子代。采用精英保留策略，每一代较优越的个体都会被保留到下一代，并且产生的子代数量会补齐种群数量的空缺，使算法搜索更广、更准确。经过数次优化、种群迭代，个体适应度不断接近目标函数全局最优值，从而得到台区参与响应用户可控时段内蓄热式电采暖DLC最优启停方案，真正实现蓄热式电采暖负荷与配电网台区相匹配。

一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配系统，如图1所示，包括：

计算筛选模块，用于采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

优化控制模块，用于建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

本发明实施例中的配电网台区蓄热式电采暖调度框架示意图，如图3所示。基于台区拥有的N个用户的供暖需求来寻找蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法。对于台区下的参与响应的单个用户，由信号采集与控制器采集其屋外温度、设定供暖最低温度、设备运行参数等，筛选满足约束的启停策略上报；对于台区下未参与响应的单个用户，由信号采集与控制器采集实际各时段蓄热式电采暖负荷上报。台区配电柜里的信号集中采集与处理器汇总信息，结合响应优化目标，在前述可能的启停策略基础上寻找最优决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法；信号集中采集与处理器根据匹配方法制定调度计划，通过与各个台区用户连接的信号采集与控制器向参与响应的用户蓄热式电采暖设备发送启停控制指令，实现与配电网台区的匹配交互。特点为：台区参与响应的用户越多，蓄热式电采暖负荷与配电网台区匹配度越高，证明本发明提出的一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区匹配方法有效。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

步骤2、建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)结合热力学参数，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，由屋内外温度和房屋面积计算用户各时段最低热负荷需求；

(2)建立蓄热式电采暖设备的启停控制策略；

(3)根据步骤1第(1)步计算获得的用户各时段最低热负荷需求和步骤1第(2)步的随机的蓄热式电采暖设备的启停控制策略建立各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型，计算各时段储热罐蓄热量；并考虑储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足的约束，筛选用户设备可能的启停策略；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)将所有用户的蓄热式电采暖接入配电网台区，以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立蓄热式电采暖负荷响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度；

(2)采用遗传算法，在前述筛选出的众多启停策略的基础上寻找最优决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制；

所述步骤1第(1)步的用户各时段最低热负荷需求计算模型为：

采集用户房屋实际供暖面积S(i)、体积V_m.i的参数，台区每时段的室外平均温度T_out，计算用户各时段最低热负荷需求为：

式中：Q_heat.i为用户t时段所需热负荷，kW；dT_in.i/dt为用户单位时间段屋内温度的变化值，V_m.i为用户房屋体积，m³，S(i)为用户房屋面积，m²，K为结合用户房屋参数得到的房屋热传导系数，α用来修正房屋表面热传导系数，c_m为空气比热容，J/(kg·℃)，ρ_m为空气密度，kg/m³；T_in.i(t)、T_out.i(t)分别为用户t时段的屋内温度、屋外温度，℃；

所述步骤1第(2)步的蓄热式电采暖设备的启停控制策略为：蓄热式电采暖设备为启停控制，通电蓄热时用直热方式供暖，断电时用储热罐释放热量以满足热负荷需求；采集参与响应用户可控时段，对其各时段蓄热式电采暖设备进行直接负荷控制，不可控时段内设备断电放热；

所述步骤1第(3)步的各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型为：采集台区用户蓄热式电采暖设备运行额定输入功率P、设备制热效率η的相关参数，在可控时段内，对设备进行启停控制，其中，不同启停状态下蓄热式电采暖模型充放热为：

W_i(t)＝1,I_C.i(t)＝1且

W_i(t)＝0,I_C.i(t)＝0且I_D.i(t)＝1:Q_D.i(t)＝Q_heat.i(t)

式中：W_i(t)为t时段蓄热电采暖的启停状态，1为开启，0为关闭；I_C.i、I_D.i分别为t时段储热罐蓄热、放热状态；η为设备制热效率；P为蓄热电采暖输入额定功率，kW；Qi(t)为t时段蓄热电采暖制热量，kW；Qheat.i(t)为t时段蓄热电采暖设备供热量，kW；Q_C.i(t)、Q_D.i(t)分别为t时段蓄热量、放热量，kW；

其中，蓄热罐初始蓄热量和前一天用户使用情况有关，需要另外监测或计算；计算用户每时段储热罐蓄热量为：

式中：S_i(t)为t时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量，kWh；μ为储热罐自身向环境散热造成的损失；η_C、η_D分别为储热罐蓄热、放热效率；

所述步骤1第(3)步的储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足的约束为：

①为保证稳定运行，各时段蓄热式电采暖储热罐蓄热量需满足：

S_min≤S_i(t)≤S_max

式中：S_min、S_max分别为储热罐最小、最大蓄热量，kWh；

②蓄热式电采暖供热量能满足用户一天热负荷需求：

P_i(t)＝W_i(t)·P

∫_{可控时段内}(P_i(t)·η)dt≥∫_一天内Q_heat.i(t)dt

式中：P_i(t)为t时段蓄热电采暖耗电功率，kW；

所述步骤1第(3)步的筛选用户设备可能的启停策略的具体方法为：

蓄热电采暖设备供热量等于用户热负荷需求，通过Q_heat.i建立热负荷和蓄热式电采暖负荷的联系；采集台区用户蓄热式电采暖设备储热罐最大容量S_max的相关参数；在储热罐容量限制、用户一天热负荷需求满足的约束情况下，筛选确定用户设备可能的启停策略；

所述步骤2第(1)步的蓄热式电采暖负荷响应优化模型为：

统计到配电网台区用户总数为N，将参与响应的各用户每时段蓄热式电采暖设备的启停状态(取值为0或1)编码作为模型的求解对象，未参与响应的用户蓄热式电采暖负荷与实际一致；考虑配电网台区其他负荷，将所有用户的蓄热式电采暖接入台区，以平抑台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标建立响应优化模型，用曲线方差来衡量平坦程度：

式中：P_Z(t)为t时段所有用户的蓄热式电采暖接入后配电网台区总负荷，kW；

表示配电网台区总负荷曲线的数学期望；研究日负荷曲线，将一天等分为T个时间段；

其中，配电网台区总负荷，台区总蓄热式电采暖负荷为：

P_Z(t)＝P_X(t)+P_Q(t)

式中：P_Q(t)为t时段配电网台区其他负荷，kW；P_X(t)为t时段台区总蓄热式电采暖负荷，kW；N为台区用户总数，包含n个参与响应的用户；

所述步骤2第(2)步的寻找最优决策变量作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法的具体方法为：

通过步骤1的筛选，在可能的启停策略基础上，采用改进遗传算法求解得到参与响应用户蓄热式电采暖设备优化后的启停决策变量，作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，从而改善两者的交互方式，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

2.一种使用权利要求1所述方法的蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配系统，其特征在于：包括：

计算筛选模块，用于采集用户屋内外温度和房屋面积，建立用户各时段最低热负荷需求计算模型，计算用户各时段最低热负荷需求；并结合蓄热式电采暖设备的启停控制策略和各时段蓄热电采暖储热罐蓄热量计算模型筛选确定用户设备可能的启停策略；

优化控制模块，用于建立以平抑配电网台区总负荷曲线、减小峰谷差为目标的蓄热式电采暖负荷响应优化模型，并基于步骤1的筛选确定用户设备可能的启停策略，寻找最优启停控制策略作为蓄热式电采暖负荷与配电网台区的匹配方法，对参与相应用户的蓄热电采暖设备进行启停优化控制。

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