考慮分布式煤改電負荷接入的配電網運行調度控制策略研究

侯澤東,王曉園,朱 洪,菅東祥,郭 偉,謝文成,段德毅

(國網新疆電力有限公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

0 引 言

散煤燃燒是造成大氣污染的重要原因之一, 每年燃煤鍋爐和北方農村燒煤取暖需要消耗大量煤炭,對環境產生了較大危害,而電能具有清潔、安全、便捷等優勢,實施電能替代是有效防治大氣污染的重要舉措之一。2020年9月22日,中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布:“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2023年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和?！?能源與電力領域一直是國家實現碳達峰、碳中和戰略目標的關鍵領域和主戰場。2021年,吐魯番市開始進行31萬居民供電設施改造以及365條10 kV線路“煤改電”(二期)配套電網基礎建設?？紤]到“煤改電”的負荷增長速率過快、負荷壓力高、溫度晝夜變動大且主要集中在冬季供暖壓力高峰期的特點,加上客戶用電供暖壓力長期、短期大幅增長,給電力的承載能力和用電調控水平帶來了一定難度。

統計吐魯番電網2022年“迎峰度冬”期間配電網運行設備監測異常數據,冬季保暖保供電期間10 kV線路監測異常11條,均因夜間“煤改電”負荷突增造成重載運行;配電變壓器監測異常共計1842臺,因“煤改電”負荷突增造成配電變壓器運行異常1422臺(配電變壓器重載986臺、配電變壓器過載436臺),占保電期間變壓器異常運行的77.20%。顯然,電供暖負荷突增造成配電變壓器重過載運行在配電變壓器異常設備監測中所占比例較高,降低了供電可靠性。

由于“煤改電”供暖設備安裝相對集中,往往處于配電網末端的臺區,因此大規?！懊焊碾姟惫┡O備的投入對本身薄弱的配電網造成較大的負荷負擔。高峰時期用戶使用電供暖設備數量持續增加、使用時長逐漸延長,造成局部臺區、線路重載、過載,容易引發電網故障,嚴重威脅電網的安全穩定運行,同時也降低了用戶的用能體驗。而短時間內要提升網架的供電能力存在一定的困難,因此考慮保供熱時伸縮性的特征,以配電網的協調運行作為切入點,從調度運行控制的角度出發,在不影響用戶供暖舒適度的前提下,對“煤改電”用戶的用能進行有序控制,保證電力用戶的采暖需求。

1 “煤改電”典型負荷及其運行機理

1.1 “煤改電”標準化模式

電供暖設備按接入電網模式的不同分為集中式供暖和分散式供暖,其中:分散式電供暖設備電熱轉換率高,電能直接在終端轉換為熱能,沒有熱能輸配熱損損失,節能效果好;集中供暖方式需要設置熱水管道系統,向終端熱用戶輸送熱量,因而存在管網熱損耗和循環水泵能耗。按照產生熱的原理分為電熱式和電驅動熱泵式;按照有無蓄熱裝置,電熱式又分為直熱式和蓄熱式。相關產品分類見表1。

表1 電供暖產品及分類

1.2 典型電供暖設備的運行機理

1.2.1 直熱類(熱泵類)設備運行機理模型

基于電供熱裝置和建筑系統中良好的熱儲能特點,直熱類(熱泵類)產品的電功率由房間、室外環境共同確定,因此,在對直熱類、熱泵類電供熱裝置進行機理特性建模中,往往采用能量守恒原理建模房間和環境之間的能量轉換情況,從而尋求系統的電-溫特性關聯[1]。目前一般為基于電路仿真的等效熱參數(equivalent thermal parameters,ETP)模型以及基于系統冷熱負載平衡的建模,而目前則大多使用ETP模型的二階微分形式,來表述對“煤改電”負荷的暫態熱平衡關系,如圖1所示為直熱類、熱泵類溫控負荷-建筑系統中的ETP模型。

圖1 直熱類(熱泵類)設備ETP模型

圖1中:Ca為空氣比熱容,J/℃;P為直熱類(熱泵類)裝置的總供熱能量,kW;Tout為戶外溫度,℃;Tin為室內溫度,℃;Tm為室內固體溫度,℃;R1、R2分別為室內空氣熱阻和室內固體熱阻。

根據圖1所示模型,其狀態空間方程可表述為:

(1)

(2)

(3)

基于式(1)—式(3)的ETP模型,直熱類(熱泵類)在工作過程中可進一步簡化,得到電供暖設備功率與室溫的關系為:

(4)

(5)

通常將式(5)簡寫為

(6)

式中,R為等效熱阻。

實際計算時將式(4)、式(6)表述為

(7)

式中:st,i為第i臺電供暖設備在t時刻的啟停狀態;m為裝設的電供暖設備數量;Pi為第i臺電供暖設備的熱功率。

在電供暖設備開啟、關閉過程中,室內溫度變化量為

(8)

室內溫度的遞推函數關系為

(9)

顯然,電供暖負荷對室內溫度的變化作用,不僅與電供暖設備的啟停狀態有關,還與此刻室內的溫度有關。

1.2.2 蓄熱類電供暖設備運行機理模型

蓄熱式電供暖設備有直熱式電供暖裝置和蓄熱裝置兩部分組成,其中蓄熱裝置作為主要儲能部件,能夠靈活切換供暖運行方式,在電網低谷時段用戶熱量需求使用直接式電供暖設備供暖;同時將一部分熱能量儲存在儲能元件,在電網高峰時段使用蓄熱裝置釋放熱能量來平衡直熱式供熱量與用戶熱量需求,在不影響用戶熱舒適的情況下同時參與電力削峰填谷。

1)蓄熱裝置蓄熱與釋放

①蓄熱裝置蓄釋熱量約束

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為蓄熱裝置的熱量耗散率;EHS(T)為蓄熱裝置在T時刻的蓄熱量;EHS max與EHS min分別為蓄熱裝置的蓄熱量上、下限;IHS.C為蓄熱裝置的蓄熱狀態變量;ηHS.C為蓄熱裝置的蓄熱能效率;IHS.D為蓄熱裝置的散熱狀態變量;ηHS.D為蓄熱裝置的散熱效率。

②蓄熱裝置蓄釋熱功率約束

(13)

式中:PHS.C min和PHS.C max分別為蓄熱裝置的最小、最大蓄熱輸出功率;PHS.D min和PHS.D max分別為蓄熱裝置的最小、最大散熱能量輸出功率。

2 可控制“煤改電”負荷評價

2.1 配電網運行安全性評價

電網安全是電網在運行過程中的一個特點,它反映了電網在遇到可能的干擾后繼續向用戶提供電力的能力。目前的評價指標主要以電網公司和用戶為對象進行,同時也會計及綜合效益的作用[3]。配電變壓器處于電網的末端,國外有些研究單位通過引入變壓器負載率、運行年份等來對變壓器運行狀況分析[4]。

變壓器的負載率是“某一時段”該設備的視在功率與額定容量的比值,能反映變壓器在“某一時段內”的運行狀況,相對于以往設計規劃階段對經濟性、三相不平衡方面的研究,負載率更加符合配電變壓器的實際工作特性與需要,計算公式為

(14)

式中:μ為配電變壓器運行負載率,%;U為配電變壓器運行線電壓,kV;I為配電變壓器運行線電流,A;SN為配電變壓器額定容量,kVA。

依據配電變壓器負載率將設備劃分為警告級和限制級。警告級:設備重載運行,80%≤最大負載率<100%,原則上可開發容量為0,但仍然可以接入少量負荷,需要持續監測臺區并做好臺區預測及事故應急處置措施。限制級:設備過載運行,最大負載率≥100%,原則上計算可開放容量為0,限制接入負荷,需要持續監測臺區,并盡快落實臺區升級改造或進行需求側負荷資源調度。

超導鈮腔是加速器的核心部件，加速器主要用于高能粒子加速、核廢料處理、醫學等領域的研究。這些前沿領域的研究普遍要求加速器具有高功率，從而使粒子在短時間內具有高能量。所以，科學家和學者們也普遍追求超導鈮腔的高加速梯度Eacc和高Q0值。大量研究證明，EP在提高超導鈮腔加速梯度Eacc，改善品質因數Q0降低現象，提高射頻表面質量方面較通常所用的最終表面化學拋光有明顯的優勢。

2.2 用戶熱舒適度評價

國際標準化組織(international organization for standardization,ISO)有關熱舒適度ISO 7730系列標準由ISO/TC 159人類工效學-物理環境分委會制定[5],現行的熱舒適度標準版本是ISO 7730—2005《熱環境人類工效學—基于PMV-PPD計算確定的熱舒適及局部熱舒適判據的分析測定和解析》,采用了丹麥范格爾教授的PMV-PPD模型來評價熱舒適度,ISO基于PMV-PDD模型提出對人體熱平衡特性建立《適中的熱環境—PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》(ISO 7730)熱舒適度模型。

人體對外界的溫度感受與體溫變化的熱量感受模型即為一個預測平均值模型(predicted mean vote,PMV)。在穩態熱環境下,通過ISO模型得出PMV指標值與人體熱感覺值對應關系,如表2所示。

表 2 PMV指標值與舒適度

ISO 7730熱舒適度模型指出PMV指標值在-0.5～0.5區間均為人體感受的舒適溫度區間,最近舒適溫度為PMV=0。參照ASHRAE 55標準[6]簡化ISO 7730熱舒適度模型。

PMV=0.208Tin-5.276

(15)

式中:PMV為熱感覺PMV指標值;Tin為室內溫度。

顯然,室內溫度增加時,PMV增大,室內溫度降低時,PMV減小,兩者呈正向線性關系。根據式(15)所建立的簡化熱舒適度模型,可得出人的體感溫度可接受范圍為[23.0,27.8]℃,當室內溫低于 23.0 ℃或著高于 27.8 ℃時,則超出了人體的舒適范圍,用戶將感到不舒服,此區間以外的溫度范圍定為人體不可接受溫度區域。

3 “煤改電”負荷調度控制策略

3.1 直接負荷控制技術概述

直接負荷控制(direct load control,DLC)是指在用戶同意的前提下,調度側使用智能終端直接控制管理用戶的一部分負荷,對電網運行性能優化研究的同時實現最大程度的清潔能源消納[7],能夠參與DLC的負荷具有一下特點:1)快速響應能力,負荷能夠快速響應電力調度控制中心的控制指令,響應時間一般小于15 min[8],是參與電力系統負荷快速調節的基礎;2)具備能量儲存能力,保證負荷短時服務質量不會有較大影響;3)容易形成規?；?一定規模的負荷能夠影響負荷曲線的峰谷差,這是實現DLC的關鍵[9]。從“煤改電”標準化配置的供暖設備可以看出,供暖負荷類能量為單相能量傳輸負荷,電力調度控制中心通過無線公網遠程遙控電供暖設備智能終端直接管理用戶用電。

DLC在高級量測體系(A-MI)的支持下由負荷管理中心發布指令,通過負荷控制設備執行控制命令,實現負荷分類、分時控制[10],DLC技術的典型結構如圖2所示。

圖2 DLC典型結構

首先,電供暖負荷單向能量傳輸控制模型根據調度需求和負荷容量,把參與DLC的負荷分成N組[8];然后,把電力系統負荷曲線按時段繪制成階梯狀[11],如圖3所示。

圖3 階梯狀負荷曲線

設t時段第n組DLC實際受控負荷Pnt為

Pnt=βntPNn,β∈[-1,1]

(16)

式中:Pnt為第n組DLC實際受控負荷;PNn為第n組DLC受控負荷額定功率;βnt為控制指令,βnt∈[-1,0)對應降低負荷指令,βnt=0保持負荷不變,βnt∈(-1,0]對應提高負荷指令。

綜上所述,t時段N組內DLC總受控負荷為

(17)

DLC執行完成減少負荷指令之后,受控負荷開始正常運行。受控期間被削減的用電量需求在控制結束后將部分或全部償還用電設備,試圖恢復到甚至高于其被控制前的負荷水平,從而導致后續負荷突然增大,這部分在DLC受控結束后產生的超過未參與DLC時的負荷被稱為反彈負荷[12]。當前許多文獻都研究了反彈負荷的數學模型,然而由于不同類型的負荷所處的運行環境不同,反彈負荷的準確。對于溫控負荷的反彈負荷通常使用3階自回歸模型[13],設第n組DLC的滯后電量需求為

(18)

結合實際受控負荷與反彈負荷,從式(16)、式(18)可知,第t時段、第n組用戶總負荷改變量為

(19)

基于DLC的配電網運行調度控制策略是一個數學層面的復雜多目標優化問題, 求解方法從最初的傳統優化算法(例如線性規劃、多目標線性規劃、動態規劃[14]、模糊線性規劃、模糊動態規劃等)發展到目前的啟發式優化算法(例如多目標進化算法、遺傳算法、蟻群算法等)。

3.2 調度控制策略

變壓器作為聯系用戶與電力調度控制中心的重要媒介,向下為用戶提供負荷,向上準實時上報運行情況(目前新疆上報負荷曲線頻次為15 min/次),調度側確定變壓器需要削減容量的大小。通過電網拓撲關系向下分析出“煤改電”用戶信息, 再基于DLC控制計算通過遠程控制裝置循環控制用戶的電供暖設備,用戶參與負荷控制的結構如圖4所示。調度側對參與的“煤改電”負荷開展輪控,整個控制過程中必須滿足用戶舒適度需求,即室內溫度[23.0,27.8]℃,要求用戶的室內溫度不能超過該區間。

圖4 用戶負荷參與DLC結構

3.2.1 可控“煤改電”負荷預測

Tmax=Tout(1-ετoff)+Tminετoff

(20)

(21)

τc=τoff+τon

(22)

假設變壓器下有m臺電供暖設備,并將這些電供暖負荷平均分成n組進行輪控,輪控策略如圖5所示。

圖5 電供暖負荷輪控策略

每組電供暖負荷在一個τc控制周期內的“開啟”狀態(白色)時間為τon,“關閉”狀態(黑色)時間為τoff。當室內溫度達到人體感受的最低舒適溫度Tmin時,電供暖負荷控制狀態進入“關閉”狀態,電供暖負荷恢復正常供暖,室內溫度開始上升;當室內溫度達到人體感受的最高舒適溫度Tmax時,電供暖負荷控制狀態進入“開啟”狀態,停止電供暖負荷供暖,溫度開始下降。

設1個控制狀態時間間隔為ω,則一個τc控制周期內有τc/ω個控制狀態。每組電供暖設備在同一時刻處于不同狀態,進入下一個控制狀態時總有一組電供暖設備處于“開啟”狀態,同時另一組電供暖設備處于“關閉”狀態,保證每個控制狀態下的處于“開啟”狀態的電供暖設備相同,即τon/τc比例相同。這樣就可以得到第t時段參與DLC行動的“煤改電”負荷可控容量為

(23)

3.2.2 調度控制策略

1)調度控制計劃模型

調度側提前一日計算配電變壓器各時段的“煤改電”可控負荷,以配電變壓器不出現重過載運行為原則(負載率μ=80%)對需求側負荷資源進行分析,分配系統缺額,制定調度控制計劃。

在宏觀側,以配電變壓器不出現重過載運行決策出配電變壓器削減量的調度控制計劃。假設次日負荷調度控制共分為M個時段,每個時段間隔為Δx,該變壓器在第x時段(x=1,2,3,…,M)應進行電力削減量為C(x),調度側按照重過載邊界條件計算并分配給該變壓器的削減量為D(x),按照該變壓器在M個時段內削減量最少為目標建立調度控制模型為:

(24)

s.t.0≤D(x)≤C(x)

(25)

(26)

在微觀側,以最小化“煤改電”負荷實際削減量與調度側控制計劃間的偏差實施DLC,滿足規定的調度計劃。假設調度側分配給配電變壓器的削減量為D(x),該變壓器接帶“煤改電”用戶m家(每家一臺電供暖設備),第x時段的功率分別為Pi(x)(i=1,2,...,m),si(x)表示第i家用戶電供暖設備在第x時段的控制狀態,si(x)=0說明第i家用戶電供暖設備控制狀態處于“關閉”狀態,即電供暖設備開啟;si(x)=1說明第i家用戶電供暖設備控制狀態處于“開啟”狀態,即電供暖設備關閉。該變壓器接帶用戶組的控制變量記為Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},表示第x時段m家用戶的電供暖設備的受控狀態組合,則第x時段該變壓器所能提供的“煤改電”負荷組實際供應電力削減量為

(27)

從而確定第x時段,該變壓器對“煤改電”負荷組的需求響應資源供應量與調度計劃的偏差為

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

(28)

2)約束條件

①可控“煤改電”負荷約束

調度側實施DLC的同時還需要考慮用戶的熱舒適度,室內環境溫度不能超出[Tin,min,Tin,max],調度側分配給變壓器的負荷削減量D(x)不能超過該變壓器的可控“煤改電”負荷Ct,DLC需求響應控制量約束為

D(x)≤Ct

(29)

②DLC需求響應控制量約束

(30)

(31)

(32)

理想情況下:

(33)

3)決策模型

當調度側分配給變壓器的負荷削減量D(x)與變壓器開展“煤改電”負荷削減量相同時,由電供暖設備的運行機理即熱舒適度模型可知,此時室內溫度變化最小,引起用戶感受到的舒適度變化最小,但求解過程中可使偏差e(x)盡可能小。根據調度控制模型及約束條件整理出決策模型為

(34)

(35)

(36)

上述模型為非線性多目標優化問題,決策變量為:Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},x=1,2,3,...,M。

4 案例分析

2022年12月吐魯番市持續低溫,導致多臺配電變壓器出現重過載運行現象,選取其中“煤改電”用戶改造完成的典型臺區進行案例分析。10 kV高昌線95號桿變壓器額定容量為400 kVA,通過查看配用電調度感知系統可知該變壓器接帶的“煤改電”總負荷為210 kW,“煤改電”用戶為70戶,均為分布式“煤改電”用戶,使用的電供暖設備為分散式直熱類,該變壓器2021年12月5日負荷晚高峰期間(19:30—00:30)的負荷曲線與負載率如圖6所示。

圖6 配電變壓器負荷與負載率曲線

由圖6中負載率曲線可知,該變壓器在20:15—21:45區間出現重過載運行現象,甚至在20:45時出現過載運行。變壓器長時間的重過載運行會對設備安全穩定運行造成威脅,若不及時處置可能產生大范圍長時間停電情況。

負荷采集時間段為15 min,20:15—21:45共為7個時間段,根據圖3中的負荷曲線與重載邊界值計算出1～7個時段所需削減功率如表3所示。

表3 各時段所需削減功率

假設10 kV高昌線95號桿變壓器接帶 “煤改電”用戶的電供暖設備平均制熱功率為3 kW,平均能效比(制熱率)為2.7,用戶熱舒適度為[23.0,27.8]℃,20:15—21:45期間室外環境溫度為0 ℃,由此可得到電供暖設備額熱動力學模型為:

(37)

(38)

根據可控“煤改電”負荷預測模型式(20)、式(21)、式(22)可求解負荷控制周期τc為13.77 min,電供 暖設備處于“開啟”控制狀態時間τon為9.1 min,處于“關閉”控制狀態時間τoff為4.67 min。

根據DLC可控容量預測式(25),可得出20:15—21:45期間能參與控制行動的“煤改電”負荷為71.19 kW。

顯然,實際可執行負荷削減量大于20:50—21:45期間調度側要求的每個時間段削減需求量,因此實際進行“煤改電”負荷削減可按表3的要求執行。 為簡化計算,將70家“煤改電”用戶分為7組進行輪控,每組10家電供暖設備在實施調度控制策略時行動一致,各負荷組的制熱功率如表4所示。

表4 各負荷組的制熱功率

設負荷控制時間間隔ω=1 min,在20:15—21:45期間7個時段內執行105次控制,每個時段執行15次相同控制方式,需要各負荷組提供的響應資源由式(31)的決策模型得出:

mine(x)=G(x)-D(x),e(x)≥0

(39)

(40)

(41)

CPLEX是目前國際上頂尖的線性規劃、整數規劃和某些非線性規劃問題求解軟件包,它可用于求解線性規劃問題、二次規劃問題、二次約束規劃問題與混合整數問題[15],基于Matalb的CPLEX優化平臺編寫非線性多目標優化算法程序,通過調用ILOG CPLEX算法求解決策變量。Φ(x)={s1(x),s2(x),s3(x),s4(x),s5(x),s6(x),s7(x)},x=1,2,3,...,105。程序流程如圖7所示。

圖7 多目標優化算法程序流程

在變壓器重過載期間(20:15—21:45),通過與實施“煤改電”負荷調度控制策略前負荷曲線與負載率圖進行對比,變壓器負載率均未超過重載邊界值,保持在變壓器健康運行的要求范圍內,如圖8所示。

圖8 負荷控制前后負荷曲線對比

5 結 論

上面通過實地調研吐魯番市“煤改電”工程推進程度以及配電網設備監測異常情況,冬季“迎峰度冬”保供電期間因“煤改電”負荷短時間、大規模增長造成10 kV線路、配電變壓器重過載運行所占比例較大,嚴重威脅電網的安全穩定運行,而短時間提升網架的供電能力存在一定的困難。通過調研吐魯番市“煤改電”工程接入模式和設備種類,建立“煤改電”標準化配置模式,使用變壓器負載率作為實施負荷控制后的運行評價指標,利用ISO制定PMV指標值簡化熱舒適度模型,基于DLC技術設計了配電網運行調度控制策略,具體分析策略實施過程中的目標函數、約束條件以及決策模型。最后,選取吐魯番市完成“煤改電”工程改造的臺區重過載運行進行實例分析,通過Matlab程序求解出負荷控制結果顯示,調度控制策略成功將變壓器運行在安全邊界以內,且不影響用戶采暖的熱舒適度,具有一定的有效性和實用性。