基于采暖需求侧管理的电网节能调度研究

龙虹毓，马建伟，张竞博，吴 锴，赵 媛，苏 岭

（1.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023；3.河南电力试验研究院，郑州 450052）

《节能发电调度办法实施细则》规定：“燃煤热电联产发电机组按照以热定电的原则安排发电负荷；无调节能力的风能具有第一发电优先性序位”。然而对于包含大量热电联产机组的我国北方地区电网，却往往出现与上述规定相背离的实际运行状况。例如：

（1）某省级电网夜间负荷低谷期，电网调度中心核定采暖期热电联产机组发电出力下限为该机组额定负荷的70%，导致电网负荷不能参与节能调度，一些高效环保的300MW、600MW纯凝汽机组被迫在额定负荷的50%下运行，偏离额定设计工况，效率急剧下降［1］。

（2）某包含大量风电机组的省级电网夜间低谷期出现风电机组停机弃风现象［2］。因为燃煤热电联产机组有供暖与发电出力工况约束［3—4］，而热电联产机组为了保证供暖，导致某些电网中采暖发电量很大，即使是最小发电出力也已经满足绝大部分电网需求，因而无法按照《节能发电调度办法实施细则》实现对风电机组的优先并网调度。

上述问题的根源在于现有的电网节能调度研究都是在以热定电的原则下进行的。首先保证采暖负荷都由热电联产的热水出力承担，从而确定了采暖约束，这就导致剩下的优化调度只能针对发电出力进行。然而，在确定的供暖出力下，热电联产机组发电出力可调范围十分有限。很少有研究注意到，通过改变采暖终端负荷中的热水消费和电力消费比例，可以同时改变采暖热水负荷与总电力负荷这2个约束条件，进而在热电联产机组和纯凝汽火电机组之间、热电联产机组和风电机组之间建立新的最优负荷分配与调度。

智能电网技术为调度中心对终端用户采暖方式的控制与需求侧管理提供了可能，调度中心还可以对热电联产机组、纯凝汽火电机组和风电机组实现综合控制调度。

1 综合控制系统

基于智能电网技术，提出同时面向热电联产机组和终端采暖用户的采暖与电力综合调度系统与方法［1，5—7］。

1.1 采暖与电力综合调度系统

（1）调度中心对热电联产机组的远程监测与控制系统［1］如图1所示。

图1 热电联产机组远程监测与控制系统

该系统按照《电力二次系统安全防护规定》要求进行了网络设计及安全防护措施设计。现场实时数据通过远程终端单元从发电厂收集，再通过EMS系统写入数据库，实现对热电联产机组发电出力、供暖出力和燃料输入这3个物理量的监测与控制。

（2）调度中心对终端采暖用户的远程监测与控制系统如图2所示。

图2 电暖水气远程控制与管理

该系统利用电力线载波通信和控制终端，控制暖气节能调控阀门。通过单、三相电能表控制对应的空调热泵开关，针对终端采暖用户进行需求侧管理，实现远程关闭热水式采暖散热器，开启对应空调热泵采暖，使得总采暖热水负荷减少和总电力负荷增加。

1.2 采暖与电力综合调度控制方法

改变现有的采暖负荷全部由热电联产机组输出的采暖热水来提供的模式，引入高效空调热泵提供采暖服务，实现采暖终端需求侧管理，减少采暖热水负荷、增加采暖电力负荷，改变终端采暖消费与电力消费的比例，最终实现采暖和电力负荷优化调度。具体方案如下：①关闭部分终端用户热水式采暖散热器，开启对应终端用户的空调热泵采暖；②减少热电联产机组供暖出力（即热水输出）；③针对新的采暖热水负荷和采暖电力负荷，以及现有的非采暖电力负荷，在热电联产机组和纯凝汽火电机组之间、热电联产机组和风电机组之间，进行最优负荷分配及调度。

2 纯凝汽火电机组的节能调度

假设电网中现有一台300MW纯凝汽火电机组以及若干热电联产机组。建立目标函数

式中：F为总燃料消耗；FCHP为热电联产机组燃料消耗；FCON为纯凝汽火电机组燃料消耗。

全文统一功率单位为MW，电能单位为MWh，发电煤耗单位为g/kWh。

2.1 以热定电调度方式

热电联产机组在以热定电的现行调度方式下

根据《民用建筑能效测评标识技术导则（试行）》

式中：EHR为耗电输热比，按0.03计。300MW纯凝汽火电机组煤耗量与发电出力关系如式（6）所示，该机组对应燃煤消耗如式（7）［8］所示。

2.2 采暖与电力负荷综合调度方式

根据文献［3—4］，热电联产机组的采暖热水出力，和与其对应的最小、最大发电出力之间的约束关系如式（8）、式（9）所示。

热电联产机组的燃料消耗、采暖出力和发电出力之间的关系如式（10）所示。

式中：Fi、Ei分别为采暖与电力综合调度方式下第i个热电联产机组的燃料消耗和发电出力。在采暖与电力负荷综合调度方式下

式中：COP为终端用户空调热泵采暖制热系数，根据《房间空气调节器能效限定值及能效等级》，以4.0计；EEHP为采暖与电力综合调度方式下空调热泵采暖耗电负荷，为非负变量；ECON为采暖与电力综合调度方式下纯凝汽火电机组发电出力；Qmaxi为采暖与电力综合调度方式下第i个热电联产机组最大允许供暖出力；FCHP为采暖与电力综合调度方式下热电联产机组的总燃料消耗；BCON、FCON分别为采暖与电力综合调度方式下纯凝汽火电机组的发电煤耗和燃料消耗。式（11）表示采暖热负荷由热电联产机组的采暖热水和空调热泵共同提供；式（12）表示热电联产机组和纯凝汽火电机组的发电出力在满足了空调热泵的电力消耗以后，还必须负担非采暖电力负荷消耗；式（13）、式（14）要求热电联产机组的发电和采暖出力必须满足其机组热电运行工况图的物理约束；式（15）为纯凝汽火电机组的发电出力物理约束；式（16）为热电联产机组的燃煤消耗关系；式（17）、式（18）为纯凝汽火电机组的燃煤消耗关系。

2.3 模拟计算

以3台C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽轮机热电联产机组与1台300MW纯凝汽火电机组组成节能调度优化算例，模拟时间T=1 h。式（19）—式（21）表示该热电联产机组工况，图3显示了该机组的热电工况图。假设总采暖热水负荷为445.2MW，总电力负荷为381.9MW。表1显示了现行模式下热电联产机组和300 MW纯凝汽火电机组运行状况，以及采用混合整数非线性规划方法求解得到的综合调度方式下的机组运行状况。计算环境：CPU为Intel Core 2 Duo 2.66GHz；内存4G；软件General Algebraic Modeling System（GAMS）。用时49 s。

图3 汽轮机热电联产机组工况图

表1 含纯凝汽火电机组的节能调度优化结果MWh

表1显示在采用采暖与电力综合调度方式后可节省燃料61.6MWh，节能效益约为4.12%。按标准煤发热量为29 271 kJ/kg计算，每小时燃煤消耗节省约7.58 tce。

1.1与1.2节说明了本文提出的采暖与电力综合调度方法与系统的可行性，通过模拟计算检验了该方法的合理性。但是由于我国目前城市供暖与供电系统之间相互独立，使得本方法暂时不能在实际系统中运行。

3 风力发电机组的节能调度

由12台C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽轮机热电联产机组与100MW风电机组组成算例。针对文献［2］提出的风电机组因为大量采暖负荷被迫停机弃风的问题，由式（1）—式（4）、式（7）—式（13）和式（15）形成新的约束条件。其中式（2）由式（22）代替，式（11）由式（23）代替。采暖与电力综合调度方式下，目标函数为热电联产机组一次燃料消耗量FCHP最小。

式中：EWIND为风电机组发电出力；ηWIND为风电机组供电效率，按0.95计。模拟计算时，假定某区域电网总电负荷为878.0MW，总采暖负荷为1 780.9MW，模拟时间间隔T=1 h。现行每台热电联产机组均以153MW供暖和85.9MW发电。100MW风电机组被迫停机没有并网，发电出力为0。采用混合整数非线性规划，用时357 s，优化结果如表2所示。

表2 含风力发电机组的节能调度优化结果MWh

表2显示采用新方式每小时可节省燃料342.4MWh，节能效益约为8.83%。即若按标准煤发热量为29 271 kJ/kg计算，每小时燃煤消耗节省约42.14 tce。

4 结束语

本文介绍了一种优化热电联产机组和纯凝汽火电机组或风电机组的电网节能调度系统和方法。实现了：①控制终端用户的采暖方式，减少利用热电联产集中供应热水采暖，增加电力空调热泵采暖，改变采暖热水负荷和电网总电力负荷比例，实现采暖需求侧管理；②依据新的采暖热水负荷和电网总电力负荷约束条件，在热电联产机组和纯凝汽式火电机组之间、热电联产机组和风电机组之间完成新的最优化负荷分配与调度；③通过建立新的热电联产机组和纯凝汽式火电机组、热电联产机组和风电机组负荷分配与优化调度数学模型，证明了所提出新调度方法的节能潜力。

［1］ 马建伟，葛挺，荆百林，等.热电联产机组的节能发电调度技术研究与实践［J］.中国电力，2009，42（4）：14-17.

［2］ 白雪飞，王丽宏，杜荣华.风电大规模接入对蒙西电网调峰能力的影响［J］.内蒙古电力技术，2010，28（1）：1-4.

［3］ 王功涛，王锡凡.适用于热电联产系统随机生产模拟的“以热定电搜索”新算法［J］.电网技术，1999，23（11）：5-9.

［4］ Thorin E，Brand H，Weber C.Long-term optimization of cogeneration systems in a competitivemarketenvironment［J］.Applied Energy，2005，81（2）：152-169.

［5］ 吴锴，龙虹毓，赵媛，等.一种热电联产供能方法及系统：中国，200810018116.2［P］.2010-01-13.

［6］ 龙虹毓，吴锴，赵媛，等.一种包含热电联产机组和纯凝汽式火电机组的系统及调度方法：中国，201010261190.4［P］.2010-08-24.

［7］ 龙虹毓，吴锴，赵媛，等.一种热电联产机组配合风能发电机组节能调度的系统和方法：中国，201010261188.7［P］.2010-08-24.

［8］ 李今朝.国产300MW火电调峰机组调峰方式的研究［D］.保定：华北电力大学，2004.