基于智能用电技术的家庭空调负荷调控管理分析

张浩 李思维 王茜 刘琦

(南京南瑞北京国电通网络技术有限公司,北京 100070)

基于智能用电技术的家庭空调负荷调控管理分析

张浩 李思维 王茜 刘琦

(南京南瑞北京国电通网络技术有限公司,北京 100070)

智能用电体系建设要依托坚强智能电网和现代化管理理念,利用智能量测、高效控制、高速通信、储能等技术,实现电网与用户能量流、信息流、业务流实时互动,构建用户广泛参与的新型供用电模式,通过智能用电技术的家庭需求侧管理是利用家庭能效管理系统、家庭网关、智能插座等智能用电技术,结合电力需求侧响应的家庭空调负荷调控管理,能够提高供电效率、优化用电方式,在完成同样用电功能的情况下减少电量消耗和电力需求,从而缓解电力峰值压力,降低供用电成本,进而满足我国经济社会快速发展的用电需求,达到科学用电和节能减排目的,推动资源节约型社会建设。

智能用电 家庭空调 负荷

近年来随着世界各国智能电网建设的启动,得益于智能电表、用电信息采集系统、智能通信网络、信息集成等关键技术的研究及推广应用,以及智能用电小区等智能用电互动方面的探索建设,为开展自动需求响应提供了一定技术基础和实施基础。根据我国已经实施或者提出的需求响应技术,结合国外的需求响应技术情况,电网和电源都是为高峰负荷而建设,都是靠不断新建发电机组来承担电力负荷的增长和波动。随着环境保护和能源资源形势的日益严峻,这种一味跟踪电力负荷增长的电力发展模式到了必须改变。需求响应改变了传统的发电跟踪负荷变化的运行模式,将大量用电负荷的响应行为作为系统运行备用以平抑波动,可有效地解决系统备用短缺,输配电能力不足等问题,大大降低由于系统容量短缺而造成轮流停电的几率,提高供电可靠性。

基于智能用电技术的家庭负荷调控技术主要是应用先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术,实现智能化决策和自动化执行。通过实施需求侧空调负荷调控,可以使得日负荷曲线逐步趋于平滑,起到降低高峰负荷和提高负荷率的作用。可以推迟或降低电源装机,系统的平稳运行可以避免机组的频繁调节,稳定的机组出力可以降低发电煤耗,所有电网设备资产的使用效率和寿命均可得到提高,从而全面降低电网运行维护所带来的成本,本文重点侧重于基于智能用电技术,建立一套家庭空调负荷调控方法。

1 国外研究现状

家庭空调负控将用电负荷作为一种调节手段,可以适应电网波动的特征,从而提升电网可靠性。基于智能电网中先进的传感与控制技术,将家用空调设备当作可以感知电网的频率漂移和电价变化的调度资源,根据事先设定的策略实现自动实时控制,是未来电网需求侧调度控制的重要手段。如果在大范围内实施需求响应,可以降低电网峰值负荷对于电网的影响,弥补电网跳动的不确定性,在目前储能技术还未商业化的状况下,实施需求侧负荷控制具有紧迫性和重要的现实意义。

美国:已在俄勒冈州开展居民空调循环控制的研究及试点应用,其相关硬件产品及技术已商业化。电力公司通过空调循环控制对居民家用空调负荷实施直接的、实时的控制。控制方法是在给定的时间段内关、开压缩机,对不同时间及住户进行循环控制,通常为25%循环控制,即半小时内停7.5分钟,运行22.5分钟。控制时间因电力公司而异,范围在20%-60%。负荷形状改善程度取决于对空调在峰荷时段运行的控制程度。控制结果将导致室温的上升。

空调循环控制要求在电力公司与用户空调器之间安装通讯线。当公司要实施控制时,命令传至用户接收器,继电器(通常为3-5安培)动作,断开低压控制回路,切断压缩泵与室外风扇。为了确保该措施的实施效果,通常需要给受控空调用户一定经济利益,为了回收成本和获得合适的收益,须有较高比例用户接受控制。

2 基于智能用电的家庭空调负荷调控技术架构

通过建立家庭控制网络,用于家庭内部电器设备之间的互联和家庭能效网关、家庭能效管理终端对智能家居设备进行远程监控。其次,结合电力营销系统负荷控制等单元模块与家庭能效管理系统的深度融合,实现家庭内部用电设备与电网公司的信息交互,利用家庭能效管理终端建立本地设备信息共享池,实现家庭内部数据信息、分布式电源发电量和控制信息的传送及管理。电网企业利用需求侧管理模块实现区域负荷预测,基于多策略目标管理,实现电网与家庭用户的需求侧管理。结构示意图见图1。

3 家庭空调负荷管理方法

结合目前家庭空调负荷研究方法,家庭空调负荷管理方法分为有序用电管理、空调负荷控制。

表1 分体挂机空调试验数据

3.1 有序用电管理

建立有序用电综合评价体系,首先考虑地区的用电峰值指标体系,以及用户用电优先级综合评价体系。利用用电指标分解,确定用电指标逐级分别原则流程和方法,包括用电指标从区域分解到楼宇,楼宇再分解到家庭。根据有序用电排列及空调能效标识, 将用户空调进行横向分类,最终实现有序用电管理。有序用电优点在于规范用电秩序,将季节性、时段性电力供需矛盾给社会和企业带来的不利影响降至最低程度,降低电网的峰值负荷时段电力需求和增加了电网低谷时段的电力需求。

3.2 空调负荷控制管理

家庭空调负荷控制管理主要包括家庭空调舒适度控制、空调使用错峰管理和家庭空调削峰管理三部分。

空调使用错峰管理按照季节错峰、日错峰和时段错峰,将高峰负荷转移到低谷时段,提高发、供电设备的利用率,提高电力供应整体的效率与效益。参与错峰后其总的用电量并未减少,对用户影响小。综合评价用户价值,通过合理安排每级的避峰用户,尽量保障综合评价值小的用户率先参与避峰,实现用户群体损失最小化。在缺点方面一方面,错峰管理既有强制性,只在特定时段限制某些用户的用电需求,另一方面,仅考虑负荷等级,较为片面。

家庭空调削峰管理是为负荷调整的常用手段,主要分为直接负荷控制、可中断负荷控制和请求终端三种方法,直接负荷控制,即在电力系统负荷曲线峰荷时段,通过电力调度人员下发指令,电力营销人员通过以建设电力通信网络,对辖区家用空调负荷进行直接和随时拉闸限电,降低峰荷所涉及用户通常为能效比较低的家用空调负荷。

3.2.1 可中断负荷控制

即通过激励政策手段,按事先签订的合同规定,在负荷曲线高峰段时,由中央空调负荷控制系统调度人员通过直接控制负荷或在直接请求用户后,中断供电。所涉及用户通常为进行合约的家庭空调用户。

3.2.2 请求中断负荷控制

即在负控区域内已注册家庭空调使用用户,通过信息化管理手段,向区域内用户进行中断空调负控请求操作,对可实施空调负控操作的用户进行负控管理,最终对配合用户进行相应的补偿机制。

3.2.3 舒适度分级控制

即通过楼宇热工特性结合家庭空调实际运行时间,利用空调冷热负荷与电力负荷双重耦合特性,实现家庭空调与电力负荷的耦合模型。在空调冷热负荷的建筑热工特性等关键物理特征的基础上,通过对区域家庭空调工作时长、功率、环境气象等因子进行有效分析,建立家庭空调用户舒适指标与分级策略,将用户舒适度分级策略融入负荷控制优化方法,形成舒适度分级控制的大规模楼宇联动集中控制方法。

4 家庭空调负荷管理技术分析

4.1 家用空调分类

目前家庭空调主要分为定频空调和变频空调,定频空调的压缩机转速基本不变,依靠其不断地“开、停”压缩机来调整室内温度,定频空调每次开启时都是根据用户所设定的需求来进行运转,即使室内温度达到了所设定的温度,空调也不会自动的调整制冷或是制热速度。变频空调通过改变频率来控制压缩机马达的转速,变频空调采用的变频压缩机具有10Hz～150Hz较宽的调速范围(常见机种为30Hz～120Hz),因此,它具有较宽的制冷量调节能力,既可以以最高频率高效率运行强劲制冷制热,达到快速制温目的,空调温度设定具有灵活性。下面通过一组试验数据对比家用定频空调与变频空调的区别。表1为分体挂机空调试验数据。

通过表1上的数据分析得到,变频空调随着压缩机频率变化,它的输出能力、功率、能效比是不断变化的。事实说明,随着压缩机转速的降低,空调输出能力、功率不断降低,而能效比却逐渐增大。家用变频空调在用户实际使用中,往往中高频率运行时间很短,只有几分钟,而很长时间因房间温度接近设温度时压缩机运行在中低频段,此时能效比一般将达到3.5～4.0之间。如果运行频率足够低在25Hz时,能效比可超过4.5。长期处于高能效比状态下运行,是变频空调节电的最主要的原因。

4.2 家用空调负荷调控方法

在用电负荷控制方法上,首先对用户的习惯进行分类,形成用户用电模式,结合环境影响因子和区域空调运行状态,分析得出用电环境与用电模式相互影响因素条件及用电环境对空调负荷特性的影响,利用数学模型将累计效应、温室效应等外围因子综合考虑,得出空调负荷控制算法。

通过电网负荷削减量和空调可信预测容量匹配计算,实现区域空调负荷削减量的及时修正算法,实现基于负荷短时、超短时的响应策略。通过规模化的家庭空调负荷基线及可信容量预测方法,实现家庭空调参与电网调峰应用模式,利用区域家庭空调负荷控制算法,实现基于电网运行趋势及空调负荷分级的调峰控制指令的自动分配方案,突破对区域家庭大规模空调负荷优化控制。同时,基于策略执行效果,建立负荷控制效果评价方法,进而调整负荷控制策略。图2为家用空调负荷调控方法技术路线图。

(1)用户侧空调负荷资源控制模式。研究不同类型用户的用电模式特性和负荷控制特点,明确可控负荷资源的范围,分析各类可控负荷资源的控制方式,利用用户内部可参与需求响应控制的家庭空调响应深度,制定适合不同区域的用户侧空调负荷资源控制模式。

(2)用户空调负荷控制决策模型。研究家庭空调负荷响应控制程度、方式与用户用电舒适度、消费成本、设备安全运行、电网运行状态等目标之间的数学关系,建立用户空调负荷控制的多目标优化决策模型,为用户可控负荷资源的智能控制决策提供基础。

(3)用户用电行为特性的自学习技术。通过运用人工智能方法,提出自动学习用户用电行为特性的方法,实现用户用电行为变化规律的自动学习,为控制策略尽量符合用户用电习惯提供基础。

(4)用户侧空调负荷控制智能决策方法。研究适合不同DR方式的用户侧空调负荷控制策略智能生成方法,满足不同需求响应场景下各类可控负荷资源自动、协调的参与需求响应的要求,利用电价、激励、用户及电网自身效益因子,生成智能决策方法。

(5)用户侧家庭空调负控典型控制模式。研究并提出用户参与空调负控的若干典型控制模式,对经济性、舒适性等各有侧重,降低用户决策难度,便于用户实际操作实施,利用基于DR对空调运行的实际影响,结合电网运行的实际状况,实现基于用电习惯改变模式、消费影响模式、激励模式等多种家庭空调负控典型控制模式。

4.3 智能空调负荷控制管理系统应用架构

智能空调负荷控制管理平台应用主要包括终端层、负荷控制层、系统支撑层、外部系统四层。其中,终端层提供空调负荷控制数据展现的承载功能,由双向交互终端构成;负荷控制层提供空调负荷控制、综合分析、调控监测、调控配置的重要管理功能,主要功能包括综合分析、调控配置、调控日志、调控监测、负荷调控、基础信息管理等;系统支撑层为智能空调负荷控制业务服务提供数据管理和用户管理的支撑功能,主要功能包括:权限管理、用户管理、角色管理、日志管理、菜单管理、用户统一权限管理、用户统一认证管理等。图3为智能空调负荷控制管理平台应用架构图。

4.4 家庭负荷调控效果评价方法

家庭负荷调控资源作为电网侧与用户侧的枢纽功能,在控制评价方面主要分为负荷调控性能评价和项目效果评价。

4.4.1 用户参与负控管理性能评价

建立用户参与空调负控性能评价指标(例如削减负荷量、参与次数、获得收益等),利用公平、合理评价用户参与空调负控效果的计算方法,作为对用户激励或惩罚的依据,也可以用于用户参与DR的综合效果评价。

4.4.2 用户执行力评价

对空调负控执行用户的评价,建立评价指标体系,从资金来源和激励补偿机制两方面,考虑到确定对客户进行激励补偿的原则,并依据原则制定对用户进行正、负激励的措施。正激励措施主要体现在补贴和电价的打折上,负激励措施主要体现在对用户进行限电。这是一个供需双向调节机制,性能评价包括用户基本的负荷界定,用户调节性能的评价,用户的信用等级。

4.4.3 空调负控管理项目效果评价

建立空调负控实施效果评价体系,提出负控实施效果影响进行指标分级,利用实施效果对电网、企业、用户、社会等各方影响进行指标分类,最终通过经济性、效果指标构建项目实施效果评价。

5 家庭空调负荷管理影响

针对目前空调负荷的管理方法,政府和电网企业要进一步开展空调负荷管理研究工作和相关政策的制定。

5.1 在分析电价政策对用户群体用电行为产生影响方面

在现有的电价政策对用户群体用电行为产生的影响的基础上,利用空调系统的负荷特性、电价类型、用电性质,对空调使用用户群体进行划分,建立尖峰电价、分时电价对用户群体行为影响的量化评估方法,在此基础上,分析对不同用户群体评估峰时空调用电的价格弹性,由此掌握电价对空调负荷的影响机理。构建综合反映用户行为(如空调房间使用率、空调使用习惯等)和环境影响的空调负荷模型,由此掌握环境对空调负荷的影响机理。

5.2 在制定空调负荷参与电网调峰的配套政策及激励机制方面

促进用户参与空调负荷调峰的多种合约形式,从提前通知时间、负控响应强制性、负控频率等角度探讨多种组合方式,分析不同合约形式在激励效果上的差异,提炼出能有效促进用户参与空调负荷调峰的若干合约形式。开展用户参与空调负荷调峰的定价方法研究工作,针对多种合约类型,提出公平合理、且有利于促进用户参与空调负荷调峰的补偿价格的定价原则和定价方法,以实际地区为例实施补偿价的测算分析。开展空调负荷参与电网调峰的配套政策研究工作,分析目前的尖峰电价、分时电价在价格水平和执行时段上的合理性,鼓励空调负荷控制装置、能效监测平台的配套激励机制和研究其他有助于吸引用户参与调峰的技术、经济、政策性激励机制。

5.3 在开展空调负荷响应效果评估及结算方法方面

提出需求侧调峰监控指标和考核办法,形成对公共楼宇大规模空调系统在调峰日的基础负荷和调峰贡献值提出量化评估方法,根据调峰考核结果和削峰效果,对居民空调负荷参与电网调峰提出综合评价方法。针对用户、电力公司建立参与/实施空调负荷调峰项目的成本/效益模型,结合市场化运行机制,对电力公司以及不同用户群实施/参与空调负荷调峰所能获得的经济效益做测算,实现居民空调负荷管理的效益评估和项目评价方法。

对比论证一次性补偿、按日/月、按冷吨、按调峰量补偿等多种结算方式,按实际响应效果得出对居民空调参与调峰的最佳结算方式;针对不同合同类型,研究依据响应效果的结算方法;同时开展用户在执行调峰合约中可具有的自由度研究,论证结算时考虑违约惩罚的必要性,研究合理的违约惩罚机制。

5.4 在居民空调负荷参与电网调峰的典型运行模式方面

研究联合调峰运作等模式,对大城市采用市调-地调两级调度的情况,提出两级调度部门在计划和调度供、需两侧调峰资源上的协调运作机制,同时研究供需两侧联合调峰中调度部门与营销部门之间的协同模式。

组织机构设计:针对上一步论证所得的典型运作模式,明确各环节工作的负责部门,明确各部门的职责范围和各部门之间的信息传递流程。

规范化业务流程设计:设计从申请、受理、签订合约到调控、结算的一整套业务规程,对国网SG186系统营销业务进行扩充。

典型运行场景设计:针对不同城市规模和不同地区的气候特点,提出电力公司组织空调负荷调峰项目的若干典型运行模式。

5.5 在居民空调大规模参与电网调峰的商业化应用推广模式方面

以电网公司为主导单位对比论证分期付款、有偿租赁、免费租赁等配置方式,推广安装节能电器补贴、负控措施补贴等一系列手段,结合电力公司实施相关项目的成本回收和效益分享机制。同时考虑合同能源管理在空调负荷调峰中的应用推广,适时引入合同能源管理机制,厘清节能服务公司在相关项目中的职责和效益分享机制,并将合同能源管理模式与电力公司主导模式进行对比。

6 结语

我国空调负控潜力十分巨大,据预测,根据历史调控数据测算,在电网负荷过高情况下,对空调负荷进行调控,中央空调负荷将下降3%,居民空调负荷将下降5%。2014年北京用电最大负荷为1980万kW,预计到2020年用电高峰负荷为3965万kW,其中空调用电负荷约占电网总负荷40%,商业空调约占空调总负荷70%,居民空调约占空调总负荷30%。通过以上数据测算,预计2020年商业空调可有效减少33.3万kW高峰负荷,居民空调可有效减少23.8万kW高峰负荷,合计减少57.1万kW高峰负荷,相当于节省9.8万吨标准煤,减少7.4万吨碳粉尘的产生,减少27万吨二氧化碳、0.81万吨二氧化硫的排放。

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