CN112464466A - 一种蓄热式电采暖系统优化调度方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蓄热式电采暖系统优化调度方法、装置，涉及蓄热式电采暖领域领域，所述方法包括：构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备及系统模型；基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式并且在考虑配电网功率约束的前提下，利用蓄热式电采暖的蓄热量以有效提升配电网运行安全性及用户供暖可靠性。

Description

一种蓄热式电采暖系统优化调度方法、装置

技术领域

本发明涉及蓄热式电采暖领域领域，尤其是涉及一种蓄热式电采暖系统优化调度方法、装置。

背景技术

目前，为改善我国北方地区冬季供暖燃煤造成的空气污染，“煤改电”项目逐年稳步推进，电采暖设备已逐步形成规模化、高比例的态势。但大规模电采暖设备的接入，电网峰谷差加大，形成尖峰负荷，影响用电安全。此外，在电采暖运行模式下，若配电网发生故障而导致供电中断，会无法保障用户的热需求，使得供暖可靠性问题日益严峻。因而，突破传统的“以热定电”的运行模式，形成含电、热多能源系统的协调优化运行，是解决高热电比例地区供热负荷要求的关键。

对比传统电采暖，蓄热式电采暖属于典型的热储能型设备，能够在一定程度上缓解采暖电费和尖峰负荷等问题。然而，使用蓄热式电采暖设备仍无法完全规避电采暖负荷大量接入对电网安全稳定运行带来的消极影响。如何在保证系统运行经济性的前提下，提升运行安全性和供暖可靠性有待深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄热式电采暖系统优化调度方法，该方法在保证系统运行经济性的前提下，提升运行安全性和供暖可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种蓄热式电采暖系统优化调度方法，所述优化调度方法包括：

构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备及系统模型；

基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式。

可选地，所述蓄热式电采暖设备包括：

热泵，其输出功率如下式表示：

H_HP,t＝P_HP,t/COP

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率，kW；P_HP,t为t时段热泵消耗的电功率，kW；COP为热泵性能系数；

蓄热水箱，蓄放热后和蓄放热前的储能量关系为：

式中：W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；η_HWT,c，η_HWT,d分别为蓄热水箱充放电效率；

为蓄热水箱热损失率；Δt为所选取的单位调度时间。

可选地，基于影响因素构建电采

暖系统功率预测模型，其中，影响因素包括：气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；特殊事件因素，包括人工检修和自然灾害。

可选地，基于影响因素建立电采暖系统功率预测模型为：

H_t＝B_t+W_t+S_t

式中：B_t为t时段典型负荷分量，为正常情况下一般用户的采暖需求； W_t为气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；S_t为特殊事件因素。

可选地，基于影响因素建立电采暖系统功率预测模型包括：

构建考虑配网承载能力的电采暖系统功率曲线预测模型,具体为：

选取配电线路有功传输容量上限的70％作为各时段配电网的最大传输功率；

P_mar,t＝0.7P_N-P_bas,t

式中：P_mar,t为t时段配电网的最大传输功率，kW；P_N为配电线路的额定传输功率；P_bas,t为配电网在不接入电采暖设备时t时段的运行基础负荷值；

P_grid,max＝minP_mar,t

式中：P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路可传输功率；

考虑配网功率承载能力，电网下发的负荷追踪指令：

式中：P_set,t曲线即考虑配网承载能力的电采暖系统功率曲线预测模型。

可选地，蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件包括：

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率；

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率；COP为热泵性能系数；W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；

热泵输出功率受其容量约束；

0≤H_HP,t≤Q_HP

式子中，Q_HP为热泵容量；

蓄热水箱受其充放能及储能量约束；

0≤W_HWT,t≤Q_HWT

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量；

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh；T为调度周期，取24h；

电采暖系统的购电量上限约束；

P_grid,t≤P_grid,max

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输率。

可选地，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数为：

min f＝C_O+C_P

式中：f为目标函数；C_O表示蓄热式电采暖系统日运行成本；C_P为考虑实际购电量对电网下发指令的偏离程度在目标函数中引入的惩罚项。

第二方面，本发明实施例提供了一种蓄热式电采暖系统优化调度装置，

所述装置包括：

第一构建单元，用于构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型；

第二构建单元，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

约束条件确立单元，基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

第三构建单元，基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

调度单元，用于根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度结果。

可选地，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型，其中，影响因素包括：气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；特殊事件因素，包括人工检修和自然灾害。

可选地，基于影响因素

建立电采暖系统功率预测模型为：

H_t＝B_t+W_t+S_t

式中：B_t为t时段典型负荷分量，为正常情况下一般用户的采暖需求； W_t为气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；S_t为特殊事件因素。

可选地，蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件包括：

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率；

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率；COP为热泵性能系数；W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；

热泵输出功率受其容量约束；

0≤H_HP,t≤Q_HP

式子中，Q_HP为热泵容量；

蓄热水箱受其充放能及储能量约束；

0≤W_HWT,t≤Q_HWT

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量；

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh； T为调度周期，取24h；

电采暖系统的购电量上限约束；

P_grid,t≤P_grid,max

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输率。

有益效果：

本发明的技术方案通过构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型；基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式，基于系统负荷热需求量构建热负荷预测模型，以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标，确定电采暖系统的优化调度方案。并且在考虑配电网功率约束的前提下，利用蓄热式电采暖的蓄热量以有效提升配电网运行安全性及用户供暖可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统优化调度方法流程图；

图2是本发明中一种实施例RC热网络模型；

图3是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统示意图；

图4是本发明中一种实施例考虑配网功率约束的蓄热式电采暖系统整体框架；

图5是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统结构图；

图6是本发明中一种实施例电、热负荷及考虑配网功率约束后计算负荷追踪曲线；

图7是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统优化调度装置结构框图；

图8是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统热负荷优化调度结果；

图9是本发明中一种实施例蓄热式电采暖系统电负荷优化调度结果；

图10是本发明中一种实施例中主要设备参数；

图11是本发明中一种实施例中分时电价；

图12是本发明中一种实施例中两种场景下运行成本。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二" 的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明一种实施例蓄热式电采暖系统优化调度方法的流程图，如图1所示,蓄热式电采暖系统优化调度方法包括：

S20、构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备及系统模型；

S40、基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

S60、基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及

电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

S80、基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

S100、根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式。

本发明的技术方案通过构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型；基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式，基于系统负荷热需求量构建热负荷预测模型，以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标，确定电采暖系统的优化调度方案，有效提升配电网运行安全性及用户供暖可靠性。

具体地，S20、构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型，包括：

1)构建建筑热负荷模型

假设建筑室温均匀分布，依据能量守恒定理，得到建筑热平衡模型如式(1)所示。

ΔQ＝(C_a+C_m)dT_z/dt (1)

式中，ΔQ为建筑总热交换量，kW；dT_z/dt为单位时间建筑室温变化量； C_a，C_m分别为空气热容、热质热容，kJ/K，分别由式(2)和式(3)计算。

C_a＝c_aρ_aA_zh_z (2)

C_m＝c_mρ_mV_m (3)

式中：c_a和c_m分别为空气和热质比热容，kJ/(kg/K)；ρ_a和ρ_m分别为空气和热质密度，kg/m³；A_z为建筑底面积，m；h_z为建筑高度，m；V_m为热质体积，m³。

本发明采用RC热网络模型对建筑内热交换过程进行建模，以求解建筑热负荷Q_hl,building。RC热网络模型如图2。

根据式(1)及热功率平衡约束式(4)，用式(5)描述建筑内空气储热过程，并建立T_z与Q_s之间的数学关系。

Q_hl,building＝Q_s (4)

式中：Q_s为采暖系统制热功率，kW。

(c_aρ_aA_zh_z+c_mρ_mV_m)dT_z/dt＝Q_i,wall+Q_i,roof+Q_i,floor+Q_window+Q_swindow+Q_s+Q_vent-Q_p (5)

式中：Q_i,wall，Q_i,roof，Q_i,floor分别为室内空气向建筑墙体、屋顶和地面内表面的对流换热功率，kW；Q_window为室内与室外通过窗户的对流换热功率， kW；Q_swindow为太阳辐射透过窗户贡献的热功率，kW；Q_vent为空气渗透耗热量，kW，包括人为开窗通风，人体活动进出室内以及建筑漏气导致的热量耗散；Q_p为用户行为造成的热功率，kW，包括人体内部产热、人用电产热和用水造成的热损失。等式右侧各项由式(6)-(13)计算。

Q_i,roof＝U_i,roofA_z(T_i,roof-T_z) (7)

Q_i,floor＝U_i,floorA_z(T_i,floor-T_z) (8)

Q_s＝c_wρ_wq₂(T_s2-T_r2) (11)

Q_vent＝c_aρ_a(L_alA_zh_z+L_ac)(T_e-T_z) (12)

Q_p＝-(q_body+q_bodyw+q_bodyel)n_body (13)

式中：U_i,wall，U_i,roof，U_i,floor分别为室内空气向建筑墙体、屋顶和地面内表面的强制对流换热传热系数；U_window为室内空气向窗户内表面强制热对流、窗户外表面向室外空气自然热对流等值总传热系数，W/(m²·K)；A_wall,j和 A_window,j分别为墙体j和窗户j的表面积，m²；I_T,j为窗户j表面接受的全部太阳辐射强度，kW/m²；τ_window为玻璃的透射系数；SC为窗户的遮挡系数；L_al为单位体积空气泄露，1/h；L_ac为开窗通风的体积流量，m³/h；n_body为家中实时人数；q_body，q_bodyel，q_bodyw分别为人体内部产热、用电产热和用水造成的热损失，kW。

建筑墙体、屋顶和地面围护结构内侧材料储热过程可用式(14)-(16)描述。

式中：n_wall，n_wall和n_floor分别为建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料层数； c_wall,l，c_roof,l和c_floor,l分别为第l层建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料比热容， kJ/(kg/K)；ρ_wall,l，ρ_roof,l和ρ_floor,l分别为第l层建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料密度，kg/m³；d_wall,l，d_roof,l和d_floor,l分别为第l层建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料厚度，m；T_i,wall,j，T_i,roof和T_i,floor分别为建筑墙体、屋顶和地面内表面温度，℃；Q_en,wall,j，Q_en,roof和Q_en,floor分别为建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料热传导功率，kW，可由式(17)-(19)计算得到。

Q_en,wall,j＝1/R_en,wallA_wall,j(T_o,wall,j-T_i,wall,j) (17)

Q_en,roof＝1/R_en,roofA_z(T_o,roof-T_i,roof) (18)

Q_en,floor＝1/R_en,floorA_z(T_e-T_i,floor) (19)

式中：T_o,wall,j,T_o,roof分别为建筑墙体、屋顶外表面温度，℃；R_en,wall，R_en,roof，R_en,floor分别为建筑墙体、屋顶和地面围护结构材料之间热传导等值热阻， (m²·K)/W，可由式(20)-(22)计算。

式中：λ_l是围护结构第l层材料导热系数，W/(m·K)。

建筑墙体和屋顶围护结构外侧材料储热过程可用式(23)-(24)描述。

式中：Q_o,wall,j和Q_o,roof分别为建筑墙体、屋顶外表面向室外空气的自然对流换热功率，kW；Q_swall,j和Q_sroof分别为太阳辐射到墙体和屋顶外表面所贡献的热功率，kW。等式右侧各项可通过式(25)-(28)计算。

Q_o,wall,j＝U_o,wallA_wall,j(T_e-T_o,wall,j) (25)

Q_swall,j＝(α_w,wall/U_o,wall)U_wallA_wall,jI_T,j (26)

Q_o,roof＝U_o,roofA_z(T_e-T_o,roof) (27)

Q_sroof＝(α_w,roof/U_o,roof)U_roofA_zI_T,j (28)

式中：α_w,wall，α_w,roof分别为墙体、屋顶外表面吸光系数；U_o,wall，U_o,roof为建筑墙体、屋顶外表面向室外空气的自然对流传热系数，取25W/(m²·K)； U_wall，U_roof分别为建筑墙体、屋顶围护结构总传热系数，W/(m²·K)，分别由式(29)-(30)计算得到。

U_wall＝1/(R_i,wall+R_en,wall+R_o,wall) (29)

U_roof＝1/(R_i,roof+R_en,roof+R_o,roof) (30)

综上，根据式(5)-(30)可建立建筑热负荷模型Q_hl,building。

具体地，本发明选取蓄热式电采暖系统的运行设备主要为热泵(heat pump,HP)及蓄热水箱(hotwatertank,HWT)。

热泵(heat pump,HP)具有清洁环保、安全可靠的特点，工作时不需要消耗煤、天然气等不可再生资源，不会产生明火并大量排放有毒有害气体，这使得热泵在“煤改电”工程中受到大力推广。选择热泵作为热源，其工作原理是利用电能的驱动作用将室外空气/土壤/水的低品位热能转化为高品位热能。其输出功率如下式所示：

H_HP,t＝P_HP,t/COP (31)

式中：H_HP,t为t时段热泵的制热功率，kW；P_HP,t为t时段热泵消耗的电功率，kW；COP为热泵性能系数。

蓄热水箱以水为媒介存储热源产生的热量，用于在电价较低时段蓄热，电价较高时段及供电中断时放热，有利于彻底打破常规的“以热定电”运行模式。将蓄热水箱水温变化换算为热量变化，对应具体室内温度调节方式为质调节。假定在Δt时段内的蓄、放热功率为定值，蓄放热后和蓄放热前的储能量关系为：

式中：W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量，kWh；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率，kW；η_HWT,c，η_HWT,d分别为蓄热水箱充放电效率；

为蓄热水箱热损失率；Δt为所选取的单位调度时间，取1h。

本发明建立了包含上级电网、热泵、蓄热水箱、散热器、热泵循环水泵、热网循环水泵、动力用蓄电池和暖气管道的蓄热式电采暖模型，如图3 所示。其中热泵作为制热设备，蓄热水箱作为蓄热设备，蓄电池用于故障停电时驱动热网循环水泵使蓄热水箱继续供热，从而实现“停电不停暖”以保障系统的可靠供暖。模型共包括电能、热能两种能源形式，其相互耦合，以实现配电网的多能源互补运行。在保障系统热负荷需求的前提下，通过对蓄热式电采暖系统中的热源设备出力，蓄热设备蓄热量以及室内温度进行优化调节，可实现系统的最优经济效益。

可采用能量枢纽结构对蓄热式电采暖系统进行建模，通过能量耦合矩阵来描述多能源系统输入到输出之间的函数关系，得到系统满足的功率平衡方程。

具体地，S40、基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型，包括：

电采暖系统功率预测是指考虑电采暖系统自身的变化规律和配网承载能力、电价等因素的影响，通过分析历史数据，对其电力需求作出估算。电取暖系统通过电热转换为用户供暖，而系统电负荷取决于系统热负荷以及热泵和蓄热水箱的电热转换效率。其中，热负荷主要与室内外温度、湿度、人与设备散热等因素相关，电热转换性能系数主要与设备类型、运行工况等因素相关。根据不同影响因素的作用，建立电采暖系统功率预测模型H_t如下式。

H_t＝B_t+W_t+S_t (33)

式中：B_t为t时段典型负荷分量，为正常情况下一般用户的采暖需求； W_t为气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；S_t为特殊事件因素，如人工检修和自然灾害，通过工程经验确定。

选取配电线路有功传输容量上限的70％作为各时段配电网的最大传输功率，这有利于保证配电网供电能力及灵活性。

P_mar,t＝0.7P_N-P_bas,t (34)

式中：P_mar,t为t时段配电网的最大传输功率，kW；P_N为配电线路的额定传输功率，kW；P_bas,t为配电网在不接入电采暖设备时t时段的运行基础负荷值，kW。

P_grid,max＝min P_mar,t (35)

式中：P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输功率，kW。

考虑配网功率承载能力，电网下发的负荷追踪指令：

式中：P_set,t曲线即为电网下发给用户功率曲线计算模型。

具体地，S60、基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件，具体为：

蓄热式电采暖系统运行期间，需满足的功率平衡关系及各设备单元的运行约束、配电网购电量上限约束条件如下：

1)功率平衡约束

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t (40)

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，kW。

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t (41)

2)设备运行约束

本发明所考虑的蓄热式电采暖系统的运行设备主要包括热泵及蓄热水箱，运行约束如式(42)-(46)。

热泵输出功率受其容量约束限制：

0≤H_HP,t≤Q_HP (42)

式中：Q_HP为热泵容量，kW。

蓄热水箱受其充放能及储能量约束限制：

0≤W_HWT,t≤Q_HWT (45)

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量， kWh。

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T (46)

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh；T为调度周期，取24h。

3)考虑配电网网架约束的购电量上限约束

电采暖设备通过消耗电能为用户提供供热保障，其大规模的使用必然会破坏配电网原本的正常运行。因此，必须考虑配电网传输功率约束以保障配电网运行的安全可靠。电采暖系统的购电量上限约束为：

P_grid,t≤P_grid,max (47)

具体地，S80、基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

本发明构建了考虑配电功率约束与可靠供暖的蓄热式电采暖优化调度方法，通过合理安排各设备出力情况以满足系统的正常运行约束，使蓄热式电采暖系统日运行成本最低以及对下发的负荷的偏离程度最小。整体框架见图4。

1)目标函数

本发明所提的考虑配网功率约束的蓄热式电采暖优化调度模型在满足用户负荷需求条件下，同时考虑蓄热式电采暖系统日运行成本最低以及对下发的负荷的偏离程度最小为目标。

min f＝C_O+C_P (37)

式中：f为目标函数；C_O表示蓄热式电采暖系统日运行成本；C_P为考虑实际购电量对电网下发指令的偏离程度在目标函数中引入的惩罚项。

日运行成本指蓄热式电采暖系统运行所消耗电量对应的成本，主要来源于购电费用，与热泵消耗电功率有关，计算公式如下：

式中：c_grid,t为t时段电价，元/kWh；P_HP,t为t时段热泵消耗电功率，kW。

为考虑实际购电量对电网下发指令的偏离程度在目标函数中引入惩罚项，计算公式如下：

式中：u_grid为惩罚因子；P_set,t为考虑配网功率承载能力后下发的负荷追踪指令，kW。

优选地，考虑配电网网架约束的购电量上限约束

电采暖设备通过消耗电能为用户提供供热保障，其大规模的使用必然会破坏配电网原本的正常运行。因此，必须考虑配电网传输功率约束以保障配电网运行的安全可靠。电采暖系统的购电量上限约束为：

P_grid,t≤P_grid,max (47)

本发明还提供了一种蓄热式电采暖系统优化调度装置，如图7所示，

所述装置包括：

第一构建单元20，用于构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型；

第二构建单元40，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

约束条件确立单元60，基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模

型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

第三构建单元80，基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

调度单元100，用于根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度结果。

其中，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型，其中，影响因素包括：气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；特殊事件因素，包括人工检修和自然灾害。

其中，蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件包括：

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率；

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率；COP为热泵性能系数；W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；

热泵输出功率受其容量约束；

0≤H_HP,t≤Q_HP

式子中，Q_HP为热泵容量；

蓄热水箱受其充放能及储能量约束；

0≤W_HWT,t≤Q_HWT

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量；

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh； T为调度周期，取24h；

电采暖系统的购电量上限约束；

P_grid,t≤P_grid,max

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输率。

优选地，考虑配电网网架约束的购电量上限约束

电采暖设备通过消耗电能为用户提供供热保障，其大规模的使用必然会破坏配电网原本的正常运行。因此，必须考虑配电网传输功率约束以保障配电网运行的安全可靠。电采暖系统的购电量上限约束为：

P_grid,t≤P_grid,max

应用例

本算例以某园区蓄热式电采暖系统为例，为了说明配网功率约束对系统经济安全运行的影响，设置两组对比分析场景：

场景I：不考虑配网功率约束进行优化调度，计算出蓄热式电采暖系统日运行成本以及实际购电量对电网下发指令的偏离程度；

场景II：考虑配网功率约束进行优化调度，计算出蓄热式电采暖系统日运行成本以及实际购电量对电网下发指令的偏离程度。

该园区蓄热式电采暖系统中包含HP 3000kW和蓄热水箱10000kWh。其结构如图5所示，设备的相关参数见图10，分时电价见图11。以典型日为例，其电热负荷及考虑配网功率约束后计算负荷追踪曲线如图6。本发明选取调度周期T＝24h，单位调度时间Δt＝1h。

不考虑配网功率约束与考虑配网功率约束，两种场景下一天之内电采暖系统运行费用对比结果如图12所示，场景II的运行成本相较于场景I降低了3.04％。在考虑配网功率约束后，系统实际购电量依照电网下发指令进行调节，有利于保障系统的安全稳定运行。

场景I，II下系统典型日热负荷优化调度方案如图8所示，电负荷优化调度方案如图9所示。场景I不考虑配电网的功率约束，系统在电价低谷时存储热能，在电价峰值时通过蓄热水箱为用户供热以降低系统的运行成本。而场景II在满足配电网功率约束的前提下，在用电高峰时刻限制蓄热式电采暖负荷以保障电网的运行安全，同时降低热泵的输出功率并优先由蓄热水箱进行供暖，合理安排购电计划，实现削峰填谷，从而保障系统的经济安全运行。

场景I不考虑配网功率约束，在部分时刻热泵输入电功率超过配电网承载能力，使得配电网易出现基础用电高峰叠加电采暖负荷高峰的情况，对配电网安全运行造成威胁。场景II考虑了配网功率约束，不但保障了配电网安全可靠运行，而且可有效实现配电网无增容情况下的电采暖负荷的接入，保障可靠供暖。

本发明构建了电采暖系统设备及系统模型，并考虑电网最大传输功率约束及负荷追踪曲线模型约束，提出一种考虑配网功率约束与可靠供暖的蓄热式电采暖优化调度方法。通过算例分析，得出以下结论：

1)电采暖系统的接入将引起配网负荷的大幅增加，在用电用热高峰期系统负荷可能超过配电网的最大承载能力，威胁配电网运行安全性。

2)以配电网传输功率约束为限制时，可避免在用电高峰时刻叠加大量电采暖负荷，降低用电同时率，有效缓解负荷高峰时刻配电网运行压力。

3)为电采暖系统设置负荷追踪曲线约束，使其依照电网下发指令运行，有利于保障电网运行的安全可靠。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种蓄热式电采暖系统优化调度方法，其特征在于，包括：

构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备及系统模型；

基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度方式。

2.根据权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于，所述蓄热式电采暖设备包括：

热泵，其输出功率如下式表示：

H_HP,t＝P_HP,t/COP

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率，kW；P_HP,t为t时段热泵消耗的电功率，kW；COP为热泵性能系数；

蓄热水箱，蓄放热后和蓄放热前的储能量关系为：

式中：W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；η_HWT,c，η_HWT,d分别为蓄热水箱充放电效率；

为蓄热水箱热损失率；Δt为所选取的单位调度时间。

3.根据权利要求2所述的优化调度方法，其特征在于，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型，其中，影响因素包括：气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；特殊事件因素，包括人工检修和自然灾害。

4.根据权利要求3所述的优化调度方法，其特征在于，基于影响因素建立电采暖系统功率预测模型为：

H_t＝B_t+W_t+S_t

式中：B_t为t时段典型负荷分量，为正常情况下一般用户的采暖需求；W_t为气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；S_t为特殊事件因素。

5.根据权利要求4所述的优化调度方法，其特征在于，基于影响因素建立电采暖系统功率预测模型包括：

构建考虑配网承载能力的电采暖系统功率曲线预测模型,具体为：

选取配电线路有功传输容量上限的70％作为各时段配电网的最大传输功率；

P_mar,t＝0.7P_N-P_bas,t

式中：P_mar,t为t时段配电网的最大传输功率，kW；P_N为配电线路的额定传输功率；P_bas,t为配电网在不接入电采暖设备时t时段的运行基础负荷值；

P_grid,max＝min P_mar,t

式中：P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路可传输功率；

考虑配网功率承载能力，电网下发的负荷追踪指令：

式中：P_set,t曲线即考虑配网承载能力的电采暖系统功率曲线预测模型。

6.根据权利要求2所述的优化调度方法，其特征在于，蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件包括：

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率；

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率；COP为热泵性能系数；W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；

热泵输出功率受其容量约束；

0≤H_HP,t≤Q_HP

式子中，Q_HP为热泵容量；

蓄热水箱受其充放能及储能量约束；

0≤W_HWT,t≤Q_HWT

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量；

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh；T为调度周期，取24h；

电采暖系统的购电量上限约束；

P_grid,t≤P_grid,max

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输率。

7.根据权利要求2所述的优化调度方法，其特征在于，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数为：

min f＝C_O+C_P

式中：f为目标函数；C_O表示蓄热式电采暖系统日运行成本；C_P为考虑实际购电量对电网下发指令的偏离程度在目标函数中引入的惩罚项。

8.一种蓄热式电采暖系统优化调度装置，其特征在于，所述装置包括：

第一构建单元，用于构建建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型；

第二构建单元，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型；

约束条件确立单元，基于所述建筑热负荷模型、蓄热式电采暖设备模型及系统模型及电采暖系统功率预测模型建立蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件；

第三构建单元，基于所述约束条件构建蓄热式电采暖优化调度模型，其中，所述蓄热式电采暖优化调度模型以系统日运行成本最低以及对下发负荷的偏离程度最小为目标目标函数；

调度单元，用于根据所述蓄热式电采暖优化调度模型确定调度结果。

9.根据权利要求8所述的优化调度装置，其特征在于，基于影响因素构建电采暖系统功率预测模型，其中，影响因素包括：气候因素，主要考虑温度及湿度的影响；特殊事件因素，包括人工检修和自然灾害。

10.根据权利要求8所述的优化调度装置，其特征在于，蓄热式电采暖系统运行期间的约束条件包括：

电功率平衡约束：

P_grid,t＝P_HP,t

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率；

热功率平衡约束：

H_HP,t+H_HWT,d,t＝Q_{hl,building,t}+H_HWT,c,t

式子中，H_HP,t为t时段热泵的制热功率；COP为热泵性能系数；W_HWT,t为蓄热水箱在t时段的蓄热量；H_HWT,c,t，H_HWT,d,t分别为t时段蓄热水箱蓄热、放热功率；

热泵输出功率受其容量约束；

0≤H_HP,t≤Q_HP

式子中，Q_HP为热泵容量；

蓄热水箱受其充放能及储能量约束；

0≤W_HWT,t≤Q_HWT

式中：

为蓄热水箱最大充放能率；Q_HWT为蓄热水箱容量；

此外，为使每一调度周期内蓄热水箱均能正常参与调度，要求其调度周期始末蓄热量保持一致，存在如下约束：

W_HWT,1＝W_HWT,T

式中：W_HWT,1，W_HWT,T分别为蓄热水箱调度周期始、末的蓄热量，kWh；T为调度周期，取24h；

电采暖系统的购电量上限约束；

P_grid,t≤P_grid,max

式中：P_grid,t表示t时段系统从电网购入的电功率，P_grid,max为考虑配电网负荷承载能力时，系统配电线路的可传输率。

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