典型电供暖线路负荷管理

李慧玲 任志丹 曾河华

摘要：近年来，随着北方地区电蓄热采暖的持续推广，电网负荷特性出现了新的变化，给传统电网担任“源随荷动”电力平衡器角色增加了难度。对此，本文基于电网免增容、微增容、合理增容、削峰填谷，依据电网安全可靠运行的指导思想，研发通过负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台，以供参考。

关键词： 电供暖；负荷；调峰；算法

近年来，大气污染治理、打赢蓝天保卫战等国家战略的实施催生了大量新兴用电业务与新型用电设施，衍生出了大量的随机性、间歇性和季节性用电负荷（电蓄热采暖），增加了传统电网担任的“源随荷动”电力平衡器角色的难度。荷侧与源侧的变化导致负荷不平衡，例如，目前冬季电蓄热采暖受相关补贴激励机制影响极易在某时段同时启动，且不超2～3 h，给电配网带来了跳闸风险，同时满足防止风险需新增功率（或阻止新增荷），还会导致高投资低效率的情况发生。

2018～2019年，尚义县城区电能替代供热项目突增，由于尚义县气候寒冷，整个采暖季期间环境温度低供热量增加，出现大功率同时启动特性（20～23点），尤其在春节期间，尚义两条电供暖线路一直存在较大跳闸风险。

在此背景下，2020年开始，张家口电网公司营销与尚义县电网分公司，联合再发现（北京）科技有限公司开展不增容增荷负荷调控项目研究。

一、负荷平衡进行削峰填谷技术研究

方案一：传统人海战术临时应对。依靠人工调度指挥现场操作，每台大功率锅炉房放置人力就地观察负荷监控，县调度设专班观察功率曲线，一旦出现超功率迹象，及时电话通知现场减负荷。

方案二：变电站增容，但增容意味着带来投资大、实施难度大以及使用效率低等问题。

方案三：搭建一个通过负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台。基于以电为中心能源互联网理念，有效整合电网、热网、信息网，研发电供暖线路负荷调控技术，实现能量流、业务流、信息流的连通、耦合、互动和协同，通过数据建模与优化等方法，实现线路负荷的精准调度和快速响应，配电网功率与终端锅炉负荷柔性驱动稳定联网运行。供热系统优化运行，电力存量挖掘不超荷，热网增加供热有保障，供热侧用户需求获满足，以此充分利用有限的线路负荷容量，实现安全可靠、供需平衡的目标。

通过负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台，能在现有外部边界限制情况下，充分挖掘负荷存量，减少变电站及电网固定资产大额投资，降低调度人力投入和对人工经验的依赖，提升智能化管理水平，实时在线负荷调度与平衡。平台核心是平衡网荷功率调峰值，不会使电网10kV出线或35kV变电站超负荷跳闸，同时免增容提高现有存量电力效率。

二、试点线路选取

以尚义县南城35kV变电站516出线为研究试点，选取两户有代表性电储热供暖锅炉。其中，一户为尚义县丽景苑住宅小区（8万m2）10kV高压电极水蓄热锅炉功率2×4MW，二是尚义县广播局办公住宅混合小区（1.2万m2）10kV高压固体蓄热功率1.2MW。

网荷端安装智能模块，就地采集环境温度、锅炉储热温度、供水温度、回水温度、工作电流、运行功率，35kV变电站10kV出线（或变压器）电流及功率。

三、负荷调控

本项目采用“机理模型+数据驱动”的建模技术，首先，建立各小区供热系统机理模型，用以模拟实际系统全工况下的性能及动态变化趋势；其次，利用系统实时数据跟踪修正机理模型，提升关键工况以及动态变化过程的逼近程度，为负荷的优化分配提供可靠的计算分析工具。

（一）构建对象动态模型

热电系统高精度动态模型是实现智能优化的基础，也是关系优化结果准确性、可靠性的关键。

（二）数据驱动模型的构建

电网负荷—电锅炉功率关系模型

P≥∑Pg＋?P

其中，P—电网负荷 （kWh）；∑Pg—可调节电锅炉功率（kWh）；?P—线路下不可调节负荷（kWh）

建立10kV出线负荷、管网特性、锅炉特性、储能特性、热负荷特性、环境变化等机理模型。

供热系统的负荷分配满足以下基本前提：第一，锅炉运行负荷不能使电网超出限定负荷；第二，满足用户供热需求；第三，系统平稳、经济运行。

（三）深度神经网络模型的构建

本项目数据驱动模型拟多层神经网络完成，如图3所示。通过对象的输入输出参数构建具有多个隐藏的神经网络结构，并根据采集的数据进行网络的深度学习，从而实现输入输出的映射。

（四）多参数高效辨识算法的研发

本项目中多参数辨识主要包括基于采集数据的自动解耦辨识和基于智能算法的多参数直接辨识。

1.基于采集数据的自动解耦辨识

对具有n个待辨识参数的对象，根据采集到的数据自动搜寻和匹配，获得n－1个参数相似的情况，进而实现当前未匹配成功的唯一参数辨识。该方法通过数据匹配将多参数辨识问题自动分解成多个单参数辨识的问题，便于采用经典的辨识算法求解。本项目拟采用经典的递推最小二乘法实现单参数的辨识。

2.基于智能算法的多参数直接辨识

基于智能算法，根据采集的数据实现多个参数的同时辨识。为了获得较高的辨识效率和辨识精度，本项目拟采用具有引力系数自适应调整功能的改进型引力搜索算法（VGSA）实现多参数的直接辨识。

（五）负荷控制

结合人工智能优化算法，多数据、多维度预测热功率电负荷，对比历史负荷决策当日负荷运行趋势。同时根据实时网负荷情况，秒级计算系统综合参数和热需求、网内供需平衡锅炉负荷分配以及运行工况调节，将调节指令下达到负荷侧控制锅炉调节运行。当变电站出现超负荷时，终端适时柔性调减功率；变电站功率低时，终端负荷增功率加大储热。

四、运行监控

秀水窑526出线可调2台锅炉，2021年1月20日19时28分线路出现超负荷，通过负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台实现智能化负荷预测与负荷分配，直至系统自动最优运行，实现电网输出功率、锅炉供给功率、终端负荷的平衡驱动和无缝衔接，确保整个系统稳定、节能、高效运行，满足用户热力需求，保障电网安全，电网全天运行在变压器经济曲线范围内。

五、项目效益

通过负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台可实现电力调峰辅助服务，加快能源清洁低碳转型，免增容提高变电站输电运行效率，开辟存量挖掘削峰填谷，实现“免增容、微增容、合理增容”互联网应用先例。项目具有投资少、见效快、智能化等特点，经济和民生社会效果显著。

以丽景苑小区为例，2019～2020年采暖全季供暖时间170天，采用该平台进行负荷调控，超负荷现象被杜绝、居民供暖得到保障。锅炉采暖总电量519.40万kWh，电费成本为148.28万元（全年电费22%电量政府“四方平台”政策价，其他78%执行目录电价）。单位面积日耗电量为0.641kWh/m2，电费0.1831元/m2；折算单位面积供暖电量109kWh/m2，供暖成本31元/m2，低于市政集中供暖到户价格42元/m2（居民）和52元/m2（商业）。

六、结语

项目选择电能供暖作为主要研究对象，具有以下原因：第一，这类需求在北方已规模化；第二，取暖为我国北方地区重大民生需求，电能替代取暖已成社会共识；第三，用电负荷需求具有典型的随机性、间歇性、季节性和聚集性。

通过构建负荷自动平衡进行削峰填谷的电能供暖互联网平台，基于“机理模型+数据驱动”技术，有利于提升电网的调节能力，促进电网的稳定运行。

项目立足能源“互联网+”，以“免增容、微增容、合理增容”提高变电站输电运行效率，实现存量挖掘削峰填谷，发挥电网能源供应枢纽和服务平台作用。

项目研发突破传统理念与认知的羁绊，面对电网发展新业态，以“大云物移智链”为依托，推动以电能源为核心的多能源技术创新。

配合智能电网提升对荷侧资源最活跃的“需求响应”以及电网资源盘活，对于随机性、间歇性和季节性等新型用电负荷，应始终贯彻有序用电供需削峰填谷原则，提高“源网储荷”侧资源参与互动的经济性。

作者简介：李慧玲，高级工程师；任志丹，工程师；曾河华，硕士。