考虑分布式煤改电负荷接入的配电网运行调度控制策略研究

侯泽东,王晓园,朱 洪,菅东祥,郭 伟,谢文成,段德毅

(国网新疆电力有限公司吐鲁番供电公司,新疆 吐鲁番 838000)

0 引 言

散煤燃烧是造成大气污染的重要原因之一, 每年燃煤锅炉和北方农村烧煤取暖需要消耗大量煤炭,对环境产生了较大危害,而电能具有清洁、安全、便捷等优势,实施电能替代是有效防治大气污染的重要举措之一。2020年9月22日,中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2023年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。” 能源与电力领域一直是国家实现碳达峰、碳中和战略目标的关键领域和主战场。2021年,吐鲁番市开始进行31万居民供电设施改造以及365条10 kV线路“煤改电”(二期)配套电网基础建设。考虑到“煤改电”的负荷增长速率过快、负荷压力高、温度昼夜变动大且主要集中在冬季供暖压力高峰期的特点,加上客户用电供暖压力长期、短期大幅增长,给电力的承载能力和用电调控水平带来了一定难度。

统计吐鲁番电网2022年“迎峰度冬”期间配电网运行设备监测异常数据,冬季保暖保供电期间10 kV线路监测异常11条,均因夜间“煤改电”负荷突增造成重载运行;配电变压器监测异常共计1842台,因“煤改电”负荷突增造成配电变压器运行异常1422台(配电变压器重载986台、配电变压器过载436台),占保电期间变压器异常运行的77.20%。显然,电供暖负荷突增造成配电变压器重过载运行在配电变压器异常设备监测中所占比例较高,降低了供电可靠性。

由于“煤改电”供暖设备安装相对集中,往往处于配电网末端的台区,因此大规模“煤改电”供暖设备的投入对本身薄弱的配电网造成较大的负荷负担。高峰时期用户使用电供暖设备数量持续增加、使用时长逐渐延长,造成局部台区、线路重载、过载,容易引发电网故障,严重威胁电网的安全稳定运行,同时也降低了用户的用能体验。而短时间内要提升网架的供电能力存在一定的困难,因此考虑保供热时伸缩性的特征,以配电网的协调运行作为切入点,从调度运行控制的角度出发,在不影响用户供暖舒适度的前提下,对“煤改电”用户的用能进行有序控制,保证电力用户的采暖需求。

1 “煤改电”典型负荷及其运行机理

1.1 “煤改电”标准化模式

电供暖设备按接入电网模式的不同分为集中式供暖和分散式供暖,其中:分散式电供暖设备电热转换率高,电能直接在终端转换为热能,没有热能输配热损损失,节能效果好;集中供暖方式需要设置热水管道系统,向终端热用户输送热量,因而存在管网热损耗和循环水泵能耗。按照产生热的原理分为电热式和电驱动热泵式;按照有无蓄热装置,电热式又分为直热式和蓄热式。相关产品分类见表1。

表1 电供暖产品及分类

1.2 典型电供暖设备的运行机理

1.2.1 直热类(热泵类)设备运行机理模型

基于电供热装置和建筑系统中良好的热储能特点,直热类(热泵类)产品的电功率由房间、室外环境共同确定,因此,在对直热类、热泵类电供热装置进行机理特性建模中,往往采用能量守恒原理建模房间和环境之间的能量转换情况,从而寻求系统的电-温特性关联[1]。目前一般为基于电路仿真的等效热参数(equivalent thermal parameters,ETP)模型以及基于系统冷热负载平衡的建模,而目前则大多使用ETP模型的二阶微分形式,来表述对“煤改电”负荷的暂态热平衡关系,如图1所示为直热类、热泵类温控负荷-建筑系统中的ETP模型。

图1 直热类(热泵类)设备ETP模型

图1中:Ca为空气比热容,J/℃;P为直热类(热泵类)装置的总供热能量,kW;Tout为户外温度,℃;Tin为室内温度,℃;Tm为室内固体温度,℃;R1、R2分别为室内空气热阻和室内固体热阻。

根据图1所示模型,其状态空间方程可表述为:

(1)

(2)

(3)

基于式(1)—式(3)的ETP模型,直热类(热泵类)在工作过程中可进一步简化,得到电供暖设备功率与室温的关系为:

(4)

(5)

通常将式(5)简写为

(6)

式中,R为等效热阻。

实际计算时将式(4)、式(6)表述为

(7)

式中:st,i为第i台电供暖设备在t时刻的启停状态;m为装设的电供暖设备数量;Pi为第i台电供暖设备的热功率。

在电供暖设备开启、关闭过程中,室内温度变化量为

(8)

室内温度的递推函数关系为

(9)

显然,电供暖负荷对室内温度的变化作用,不仅与电供暖设备的启停状态有关,还与此刻室内的温度有关。

1.2.2 蓄热类电供暖设备运行机理模型

蓄热式电供暖设备有直热式电供暖装置和蓄热装置两部分组成,其中蓄热装置作为主要储能部件,能够灵活切换供暖运行方式,在电网低谷时段用户热量需求使用直接式电供暖设备供暖;同时将一部分热能量储存在储能元件,在电网高峰时段使用蓄热装置释放热能量来平衡直热式供热量与用户热量需求,在不影响用户热舒适的情况下同时参与电力削峰填谷。

1)蓄热装置蓄热与释放

①蓄热装置蓄释热量约束

EHS(T+1)=EHS(T)(1-σHS)-

(10)

IHS.C(T)+IHS.D(T)∈(0,1)

(11)

EHS min≤EHS(T+1)≤EHS max

(12)

式中:σHS为蓄热装置的热量耗散率;EHS(T)为蓄热装置在T时刻的蓄热量;EHS max与EHS min分别为蓄热装置的蓄热量上、下限;IHS.C为蓄热装置的蓄热状态变量;ηHS.C为蓄热装置的蓄热能效率;IHS.D为蓄热装置的散热状态变量;ηHS.D为蓄热装置的散热效率。

②蓄热装置蓄释热功率约束

(13)

式中:PHS.C min和PHS.C max分别为蓄热装置的最小、最大蓄热输出功率;PHS.D min和PHS.D max分别为蓄热装置的最小、最大散热能量输出功率。

2 可控制“煤改电”负荷评价

2.1 配电网运行安全性评价

电网安全是电网在运行过程中的一个特点,它反映了电网在遇到可能的干扰后继续向用户提供电力的能力。目前的评价指标主要以电网公司和用户为对象进行,同时也会计及综合效益的作用[3]。配电变压器处于电网的末端,国外有些研究单位通过引入变压器负载率、运行年份等来对变压器运行状况分析[4]。

变压器的负载率是“某一时段”该设备的视在功率与额定容量的比值,能反映变压器在“某一时段内”的运行状况,相对于以往设计规划阶段对经济性、三相不平衡方面的研究,负载率更加符合配电变压器的实际工作特性与需要,计算公式为

(14)

式中:μ为配电变压器运行负载率,%;U为配电变压器运行线电压,kV;I为配电变压器运行线电流,A;SN为配电变压器额定容量,kVA。

依据配电变压器负载率将设备划分为警告级和限制级。警告级:设备重载运行,80%≤最大负载率<100%,原则上可开发容量为0,但仍然可以接入少量负荷,需要持续监测台区并做好台区预测及事故应急处置措施。限制级:设备过载运行,最大负载率≥100%,原则上计算可开放容量为0,限制接入负荷,需要持续监测台区,并尽快落实台区升级改造或进行需求侧负荷资源调度。

超导铌腔是加速器的核心部件，加速器主要用于高能粒子加速、核废料处理、医学等领域的研究。这些前沿领域的研究普遍要求加速器具有高功率，从而使粒子在短时间内具有高能量。所以，科学家和学者们也普遍追求超导铌腔的高加速梯度Eacc和高Q0值。大量研究证明，EP在提高超导铌腔加速梯度Eacc，改善品质因数Q0降低现象，提高射频表面质量方面较通常所用的最终表面化学抛光有明显的优势。

2.2 用户热舒适度评价

国际标准化组织(international organization for standardization,ISO)有关热舒适度ISO 7730系列标准由ISO/TC 159人类工效学-物理环境分委会制定[5],现行的热舒适度标准版本是ISO 7730—2005《热环境人类工效学—基于PMV-PPD计算确定的热舒适及局部热舒适判据的分析测定和解析》,采用了丹麦范格尔教授的PMV-PPD模型来评价热舒适度,ISO基于PMV-PDD模型提出对人体热平衡特性建立《适中的热环境—PMV与PPD指标的确定及热舒适条件的确定》(ISO 7730)热舒适度模型。

人体对外界的温度感受与体温变化的热量感受模型即为一个预测平均值模型(predicted mean vote,PMV)。在稳态热环境下,通过ISO模型得出PMV指标值与人体热感觉值对应关系,如表2所示。

表 2 PMV指标值与舒适度

ISO 7730热舒适度模型指出PMV指标值在-0.5～0.5区间均为人体感受的舒适温度区间,最近舒适温度为PMV=0。参照ASHRAE 55标准[6]简化ISO 7730热舒适度模型。

PMV=0.208Tin-5.276

(15)

式中:PMV为热感觉PMV指标值;Tin为室内温度。

显然,室内温度增加时,PMV增大,室内温度降低时,PMV减小,两者呈正向线性关系。根据式(15)所建立的简化热舒适度模型,可得出人的体感温度可接受范围为[23.0,27.8]℃,当室内温低于 23.0 ℃或着高于 27.8 ℃时,则超出了人体的舒适范围,用户将感到不舒服,此区间以外的温度范围定为人体不可接受温度区域。

3 “煤改电”负荷调度控制策略

3.1 直接负荷控制技术概述

直接负荷控制(direct load control,DLC)是指在用户同意的前提下,调度侧使用智能终端直接控制管理用户的一部分负荷,对电网运行性能优化研究的同时实现最大程度的清洁能源消纳[7],能够参与DLC的负荷具有一下特点:1)快速响应能力,负荷能够快速响应电力调度控制中心的控制指令,响应时间一般小于15 min[8],是参与电力系统负荷快速调节的基础;2)具备能量储存能力,保证负荷短时服务质量不会有较大影响;3)容易形成规模化效应,一定规模的负荷能够影响负荷曲线的峰谷差,这是实现DLC的关键[9]。从“煤改电”标准化配置的供暖设备可以看出,供暖负荷类能量为单相能量传输负荷,电力调度控制中心通过无线公网远程遥控电供暖设备智能终端直接管理用户用电。

DLC在高级量测体系(A-MI)的支持下由负荷管理中心发布指令,通过负荷控制设备执行控制命令,实现负荷分类、分时控制[10],DLC技术的典型结构如图2所示。

图2 DLC典型结构

首先,电供暖负荷单向能量传输控制模型根据调度需求和负荷容量,把参与DLC的负荷分成N组[8];然后,把电力系统负荷曲线按时段绘制成阶梯状[11],如图3所示。

图3 阶梯状负荷曲线

设t时段第n组DLC实际受控负荷Pnt为

Pnt=βntPNn,β∈[-1,1]

(16)

式中:Pnt为第n组DLC实际受控负荷;PNn为第n组DLC受控负荷额定功率;βnt为控制指令,βnt∈[-1,0)对应降低负荷指令,βnt=0保持负荷不变,βnt∈(-1,0]对应提高负荷指令。

综上所述,t时段N组内DLC总受控负荷为

(17)

DLC执行完成减少负荷指令之后,受控负荷开始正常运行。受控期间被削减的用电量需求在控制结束后将部分或全部偿还用电设备,试图恢复到甚至高于其被控制前的负荷水平,从而导致后续负荷突然增大,这部分在DLC受控结束后产生的超过未参与DLC时的负荷被称为反弹负荷[12]。当前许多文献都研究了反弹负荷的数学模型,然而由于不同类型的负荷所处的运行环境不同,反弹负荷的准确。对于温控负荷的反弹负荷通常使用3阶自回归模型[13],设第n组DLC的滞后电量需求为

(18)

结合实际受控负荷与反弹负荷,从式(16)、式(18)可知,第t时段、第n组用户总负荷改变量为

(19)

基于DLC的配电网运行调度控制策略是一个数学层面的复杂多目标优化问题, 求解方法从最初的传统优化算法(例如线性规划、多目标线性规划、动态规划[14]、模糊线性规划、模糊动态规划等)发展到目前的启发式优化算法(例如多目标进化算法、遗传算法、蚁群算法等)。

3.2 调度控制策略

变压器作为联系用户与电力调度控制中心的重要媒介,向下为用户提供负荷,向上准实时上报运行情况(目前新疆上报负荷曲线频次为15 min/次),调度侧确定变压器需要削减容量的大小。通过电网拓扑关系向下分析出“煤改电”用户信息, 再基于DLC控制计算通过远程控制装置循环控制用户的电供暖设备,用户参与负荷控制的结构如图4所示。调度侧对参与的“煤改电”负荷开展轮控,整个控制过程中必须满足用户舒适度需求,即室内温度[23.0,27.8]℃,要求用户的室内温度不能超过该区间。

图4 用户负荷参与DLC结构

3.2.1 可控“煤改电”负荷预测

Tmax=Tout(1-ετoff)+Tminετoff

(20)

(21)

τc=τoff+τon

(22)

假设变压器下有m台电供暖设备,并将这些电供暖负荷平均分成n组进行轮控,轮控策略如图5所示。

图5 电供暖负荷轮控策略

每组电供暖负荷在一个τc控制周期内的“开启”状态(白色)时间为τon,“关闭”状态(黑色)时间为τoff。当室内温度达到人体感受的最低舒适温度Tmin时,电供暖负荷控制状态进入“关闭”状态,电供暖负荷恢复正常供暖,室内温度开始上升;当室内温度达到人体感受的最高舒适温度Tmax时,电供暖负荷控制状态进入“开启”状态,停止电供暖负荷供暖,温度开始下降。

设1个控制状态时间间隔为ω,则一个τc控制周期内有τc/ω个控制状态。每组电供暖设备在同一时刻处于不同状态,进入下一个控制状态时总有一组电供暖设备处于“开启”状态,同时另一组电供暖设备处于“关闭”状态,保证每个控制状态下的处于“开启”状态的电供暖设备相同,即τon/τc比例相同。这样就可以得到第t时段参与DLC行动的“煤改电”负荷可控容量为

(23)

3.2.2 调度控制策略

1)调度控制计划模型

调度侧提前一日计算配电变压器各时段的“煤改电”可控负荷,以配电变压器不出现重过载运行为原则(负载率μ=80%)对需求侧负荷资源进行分析,分配系统缺额,制定调度控制计划。

在宏观侧,以配电变压器不出现重过载运行决策出配电变压器削减量的调度控制计划。假设次日负荷调度控制共分为M个时段,每个时段间隔为Δx,该变压器在第x时段(x=1,2,3,…,M)应进行电力削减量为C(x),调度侧按照重过载边界条件计算并分配给该变压器的削减量为D(x),按照该变压器在M个时段内削减量最少为目标建立调度控制模型为:

(24)

s.t.0≤D(x)≤C(x)

(25)

(26)

在微观侧,以最小化“煤改电”负荷实际削减量与调度侧控制计划间的偏差实施DLC,满足规定的调度计划。假设调度侧分配给配电变压器的削减量为D(x),该变压器接带“煤改电”用户m家(每家一台电供暖设备),第x时段的功率分别为Pi(x)(i=1,2,...,m),si(x)表示第i家用户电供暖设备在第x时段的控制状态,si(x)=0说明第i家用户电供暖设备控制状态处于“关闭”状态,即电供暖设备开启;si(x)=1说明第i家用户电供暖设备控制状态处于“开启”状态,即电供暖设备关闭。该变压器接带用户组的控制变量记为Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},表示第x时段m家用户的电供暖设备的受控状态组合,则第x时段该变压器所能提供的“煤改电”负荷组实际供应电力削减量为

(27)

从而确定第x时段,该变压器对“煤改电”负荷组的需求响应资源供应量与调度计划的偏差为

e(x)=G(x)-D(x)

(28)

2)约束条件

①可控“煤改电”负荷约束

调度侧实施DLC的同时还需要考虑用户的热舒适度,室内环境温度不能超出[Tin,min,Tin,max],调度侧分配给变压器的负荷削减量D(x)不能超过该变压器的可控“煤改电”负荷Ct,DLC需求响应控制量约束为

D(x)≤Ct

(29)

②DLC需求响应控制量约束

(30)

(31)

(32)

理想情况下:

(33)

3)决策模型

当调度侧分配给变压器的负荷削减量D(x)与变压器开展“煤改电”负荷削减量相同时,由电供暖设备的运行机理即热舒适度模型可知,此时室内温度变化最小,引起用户感受到的舒适度变化最小,但求解过程中可使偏差e(x)尽可能小。根据调度控制模型及约束条件整理出决策模型为

(34)

(35)

(36)

上述模型为非线性多目标优化问题,决策变量为:Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},x=1,2,3,...,M。

4 案例分析

2022年12月吐鲁番市持续低温,导致多台配电变压器出现重过载运行现象,选取其中“煤改电”用户改造完成的典型台区进行案例分析。10 kV高昌线95号杆变压器额定容量为400 kVA,通过查看配用电调度感知系统可知该变压器接带的“煤改电”总负荷为210 kW,“煤改电”用户为70户,均为分布式“煤改电”用户,使用的电供暖设备为分散式直热类,该变压器2021年12月5日负荷晚高峰期间(19:30—00:30)的负荷曲线与负载率如图6所示。

图6 配电变压器负荷与负载率曲线

由图6中负载率曲线可知,该变压器在20:15—21:45区间出现重过载运行现象,甚至在20:45时出现过载运行。变压器长时间的重过载运行会对设备安全稳定运行造成威胁,若不及时处置可能产生大范围长时间停电情况。

负荷采集时间段为15 min,20:15—21:45共为7个时间段,根据图3中的负荷曲线与重载边界值计算出1～7个时段所需削减功率如表3所示。

表3 各时段所需削减功率

假设10 kV高昌线95号杆变压器接带 “煤改电”用户的电供暖设备平均制热功率为3 kW,平均能效比(制热率)为2.7,用户热舒适度为[23.0,27.8]℃,20:15—21:45期间室外环境温度为0 ℃,由此可得到电供暖设备额热动力学模型为:

(37)

(38)

根据可控“煤改电”负荷预测模型式(20)、式(21)、式(22)可求解负荷控制周期τc为13.77 min,电供 暖设备处于“开启”控制状态时间τon为9.1 min,处于“关闭”控制状态时间τoff为4.67 min。

根据DLC可控容量预测式(25),可得出20:15—21:45期间能参与控制行动的“煤改电”负荷为71.19 kW。

显然,实际可执行负荷削减量大于20:50—21:45期间调度侧要求的每个时间段削减需求量,因此实际进行“煤改电”负荷削减可按表3的要求执行。 为简化计算,将70家“煤改电”用户分为7组进行轮控,每组10家电供暖设备在实施调度控制策略时行动一致,各负荷组的制热功率如表4所示。

表4 各负荷组的制热功率

设负荷控制时间间隔ω=1 min,在20:15—21:45期间7个时段内执行105次控制,每个时段执行15次相同控制方式,需要各负荷组提供的响应资源由式(31)的决策模型得出:

mine(x)=G(x)-D(x),e(x)≥0

(39)

(40)

(41)

CPLEX是目前国际上顶尖的线性规划、整数规划和某些非线性规划问题求解软件包,它可用于求解线性规划问题、二次规划问题、二次约束规划问题与混合整数问题[15],基于Matalb的CPLEX优化平台编写非线性多目标优化算法程序,通过调用ILOG CPLEX算法求解决策变量。Φ(x)={s1(x),s2(x),s3(x),s4(x),s5(x),s6(x),s7(x)},x=1,2,3,...,105。程序流程如图7所示。

图7 多目标优化算法程序流程

在变压器重过载期间(20:15—21:45),通过与实施“煤改电”负荷调度控制策略前负荷曲线与负载率图进行对比,变压器负载率均未超过重载边界值,保持在变压器健康运行的要求范围内,如图8所示。

图8 负荷控制前后负荷曲线对比

5 结 论

上面通过实地调研吐鲁番市“煤改电”工程推进程度以及配电网设备监测异常情况,冬季“迎峰度冬”保供电期间因“煤改电”负荷短时间、大规模增长造成10 kV线路、配电变压器重过载运行所占比例较大,严重威胁电网的安全稳定运行,而短时间提升网架的供电能力存在一定的困难。通过调研吐鲁番市“煤改电”工程接入模式和设备种类,建立“煤改电”标准化配置模式,使用变压器负载率作为实施负荷控制后的运行评价指标,利用ISO制定PMV指标值简化热舒适度模型,基于DLC技术设计了配电网运行调度控制策略,具体分析策略实施过程中的目标函数、约束条件以及决策模型。最后,选取吐鲁番市完成“煤改电”工程改造的台区重过载运行进行实例分析,通过Matlab程序求解出负荷控制结果显示,调度控制策略成功将变压器运行在安全边界以内,且不影响用户采暖的热舒适度,具有一定的有效性和实用性。