智能电网中的网络智能家电功率限制控制参数探讨

陈坚波（海信家电集团股份有限公司 佛山 528303； 海信（广东）空调有限公司 江门 529000）

引言

目前，全球各地都或多或少地存在电力波峰波谷现象和短时电力短缺现象，给人们生活、工作和生产带来问题。尽管美国和欧洲一些国家从本世纪初开始，到目前已逐步实现了通过智能电网的Open ADR[1-2]，即，智能电网的电力自动调配，改善了电网的运行情况。但无论如何调配，总存在一些突发事件或无法很好调配的事件，导致局部电力暂时性的短缺。这样，就需要对电力短缺地方的一些用电客户进行电功率限制控制。

因家电的电力负载重要性地位较低，所以，常常被要求进行功率限制控制。这样就催生了功率能够被智能电网限制控制的网络智能家电。但是，全球范围内，功率能够被智能电网限制控制的网络智能家电才刚刚起步，许多技术问题和一些功率限制控制参数指标需要我们共同探讨确定，以利于该行业的健康发展。本文试图探讨这些参数和指标，就是想起到抛砖引玉的功能。

1 功率限制

1.1 功率限制控制参数指标

在智能电网中，网络智能家电的功率限制控制的方法有多种，一般采用功率闭环的控制方法能够较好地限制住家电的功率[3]。在这种功率限制控制中，由于是闭环控制，就存在与闭环控制的超调量、调整时间、振荡等技术参数[4]，以及网络智能控制相关联的一些参数或技术要求。所以，需要对这些相关的参数和指标进行探讨。

1.2 功率限制范围的探讨

对于智能电网来说，网络智能家电的功率能够无限地接近零功率是最好的，这样，智能电网的功率限制和调配算法最简单。但是，当家电的电功率低于一定数值后，该家电的功能就不明显了。例如，我们实验发现，10 m2的房间，外面环境温度为35 ℃、湿度80 %时，如果将1.5匹变频空调的功率限制到额定功率的30 %，那么，房内的温度不能被空调降到25 ℃ 。但是，同样条件下，将1.5匹变频空调的功率限制到额定功率的50 %，是可以将房内的温度降到25 ℃。

所以，功率限制控制的范围应根据家电的特性、工作环境温湿度、当前的工作状态来选择功率的限制范围。一般情况下，建议在50 %额定功率至额定功率这个范围内。

1.3 功率下降的调节时间

电网中的电功率不能大幅度地陡升，同样，也不能大幅度地陡降，因为，功率急剧变化，不仅造成电网问题，也会导致用电器的问题。如公式1所示。

在公式1中，我们看到，功率的变化率dP/dt由电流变化率di/dt和电压变化率du/dt构成。di/dt的数值过高会产生高压，击穿电网设备和用电器的绝缘，造成电网设备和用电器的损坏。同样，du/dt的数值过高会产生大电流，产生局部过热，融化供电线路的绝缘物以及烧伤/烧毁导线、连接器等物品。所以，功率调整中，应以一定的速率降低功率或升高功率。

但是，电网功率在超限时，只能允许较短的时间。例如，一般在1 min内。这样，电网就希望家电能尽快地实现降功率。

综合上面情况，将家电降功率的调整时间ts规定在≤50 s是合理的，如图1所示。图1中，Pa是需要家电降低到的功率。

1.4 功率限制控制允许的偏差范围

由于受网络智能家电功率控制精度的限制和功率调整的过渡过程超调量的影响，功率限制控制中存在功率调节偏差。这个功率调节偏差我们称之为功率偏差。

对于电网而言，这个功率偏差的大小并不太重要，但是对于家电而言，却是重要的。因为过大的功率偏差，导致家电能力偏弱。

由于要求家电的功率检测器件的精度一般小于等于2 %，所以，目前实现5倍检测精度的功率偏差是容易实现的。因为，功率检测精度小于等于2 %，那么，控制的静态精度就会小于等于4 %。不论采用古典控制理论，还是现代控制理论以及智能控制理论[4-6]来校正，对于二阶惯性环节来说，当校正成阻尼系数ξ=0.7～0.8时，它的调整时间较短，并且超调量也小，也就是实现所谓的二阶电子最佳调节系统。此时的超调量小于等于5 %。所以，功率控制偏差为Pa～0.9 Pa，如图2所示。

1.5 功率限制控制中调节过程的振荡次数限制

在功率限制控制中，如果产生调节振荡，不仅会影响家电实现它的功能，也有可能会对电网产生危害。因为在智能电网中大面积、大数量地调节家电的功率，如果产生同频功率振荡的话，就会对电网产生危害。所以，不允许家电在功率限制控制中产生功率调节振荡。但允许在Pa～0.9 Pa的范围内有一个过渡过程的波头，如图2所示，防止调节过程中功率的急剧变化。

1.6 功率限制控制中功率因数下降的限制

图1 降低功率的调整时间

图2 功率控制的偏差范围

由于功率从额定值Pe向下调节时，许多家电的功率因数也往往下降，如图3所示。

从图3可见，有功功率虽然下降了，但因为功率因数cosø也下降了。有功功率P、视在功率S和功率因数cosø的关系如式2所示。

从式2可见，视在功率S不一定会下降。即使下降，也不会有较大的下降，如图3所示。甚至某些家电还会造成视在功率升高。这样的有功功率下调，对电网没有起到应有的作用。所以，有必要对功率限制控制中功率因数下降进行限制。

由于大多数的家电功率下调到50 %的额定功率是合理的程度，所以，从额定功率下降到50 %额定功率时，家电的功率因数下降不应大于10 %。尽管这个下降值为10 %是有点苛刻，但对于一个cosø= 0.95的家电来说，下降10 %后，就是cosø= 0.855了。所以，我们项目2017A050501056的英国方面也要求不能小于10 %。

2 智能电网与智能电器信息交互

2.1 智能电网与智能电器信息交互的安全性

由于智能电器会遭受网络信息攻击，出现错误的功率限制运行。同样，智能电网也会遭受网络信息攻击，出现错误的功率限制运行。所以，智能电网与智能电器的信息交互必须采取安全措施，如加解密，而不能使用明码信息交互。

图3 家电的功率因数随功率下调而下降的情况

由于家电采用的MCU基本上都是廉价、能力较弱的MCU，在家电实时控制中，MCU往往没有什么较长的空余时间来处理复杂、计算量大的非对称式加解密工作。所以，家电中目前不能采用复杂的非对称式加解密工作。但是，可以进行一定强度的对称式加解密工作。当然，此时的对称式加解密秘钥的安全就是一个十分重要的问题。

由于加解密只能探讨方法，而无法进行参数量化。所以，本小节无法给出具体的量化指标。

2.2 智能电网与智能电器信息交互的容错性

智能电网与智能电器交互的信息中，如果存在错误，必须识别出来，而不能错误运行。否则，将产生危害电网的不良后果。为了能有效地识别信息中的错误，需要采用较强纠错能力的校验方式[7-8]，这同样涉及到家电MCU能力问题。所以，在网络智能家电中，选择合适的通信校验方式和辅助配合方法，是十分重要的。

为此，在通信中，我们推荐使用CRC16及以上的通信帧校验，而不使用任何形式的累加和校验[7-8]。

3 结语

电网的智能化是未来全球的趋势，现在有一定经济实力的国家都在进行这方面的研究和实施。中国作为发展中国家的领头羊，也开始了电网的智能化研究[2]。我们公司也有幸于2016年参与了中国国家电网智能化项目中的网络智能家电功率限制控制产品研制项目。通过这个项目的研制，我们提出了上述参数和指标，并实现和达到了这些参数和指标。同年11月，我们通过中英合作项目，与英国兰卡斯特大学一起进行了英国和欧盟的智能电网与网络智能家电功率限制控制研究。上述的参数和指标，也被英国同行所接受，在项目中得以实施，并取得预期的结果。