考慮用電特征的樓宇負(fù)荷分類優(yōu)化調(diào)度仿真

夏 震,程若發(fā)

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院,江西 南昌 330063)

1 引言

近年來,隨著我國新能源的投入率大幅度提升以及電網(wǎng)智能化的深入發(fā)展,“源荷互動”與“需求側(cè)響應(yīng)”已經(jīng)成為了備受關(guān)注的研究課題。結(jié)合我國的電網(wǎng)市場現(xiàn)狀,相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易龀隽司薮蟮呐?取得了許多令人矚目的理論及應(yīng)用研究成果。文獻(xiàn)[1]利用核電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰,建立了一個計及風(fēng)電出力隨機(jī)性的核電、火電、電轉(zhuǎn)氣和風(fēng)電的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型,對經(jīng)濟(jì)和安全指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,取得了較好的優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)[2]針對含風(fēng)電的電力系統(tǒng),其風(fēng)電的消納水平低及高峰谷差問題,基于分時電價等激勵措施下可控負(fù)荷時空調(diào)節(jié)能力,提出了一種源荷雙層互動調(diào)度優(yōu)化模型,通過平移負(fù)荷以消納風(fēng)電,不僅降低了用戶的用電成本,還將發(fā)電成本保持在了最低水平,實現(xiàn)了源荷互動的雙贏。

為了提高源荷互動的效率,部分專家學(xué)者提出了“自動需求響應(yīng)”的概念,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合人工與自動化方法,實現(xiàn)加速負(fù)荷側(cè)的需求響應(yīng),有利于減少人工需求響應(yīng)消耗的時間,避免響應(yīng)不及時所導(dǎo)致的無效響應(yīng)等問題。文獻(xiàn)[3]提出自動需求響應(yīng)系統(tǒng)的概念模型,剖析了自動需求響應(yīng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求,結(jié)構(gòu)組成等問題。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]將自動需求響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于樓宇柔性負(fù)荷調(diào)度中,將所有的柔性負(fù)荷以中斷和平移的方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。基于負(fù)荷的最小持續(xù)工作時長和最大中斷時長約束,對負(fù)荷用電成本進(jìn)行優(yōu)化。但該調(diào)度方式未考慮負(fù)荷不同的工作特征對調(diào)度的影響,例如連續(xù)調(diào)節(jié)型負(fù)荷與開關(guān)狀態(tài)型負(fù)荷。除此之外,其使用智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解,優(yōu)化迭代次數(shù)不穩(wěn)定,且求解精度較高的情況下,迭代次數(shù)普遍偏高,在自動需求響應(yīng)中可能存在響應(yīng)不及時的情況。對于溫控負(fù)荷,該方法不能靈活改變用戶需求的溫度范圍。影響用戶參與互動的舒適性等問題,導(dǎo)致用戶的滿意度下降,從而影響用戶參與自動需求響應(yīng)的積極性。

為了解決上述問題,以更好地支撐自動需求響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,本文面向樓宇自動需求響應(yīng)的場景,提出一種考慮負(fù)荷用電特征的分類優(yōu)化調(diào)度的方法。

2 負(fù)荷分類

根據(jù)樓宇負(fù)荷的用電特征不同,將樓宇負(fù)荷分為兩大類,一類為不參與需求響應(yīng)調(diào)度的剛性負(fù)荷,即不可控負(fù)荷;另一類為可參與需求響應(yīng)調(diào)度的柔性負(fù)荷,其為可控負(fù)荷。

在傳統(tǒng)的需求響應(yīng)調(diào)度過程中,通常將柔性負(fù)荷細(xì)分為可中斷負(fù)荷以及可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。可中斷負(fù)荷如空調(diào)等,其受最小持續(xù)運(yùn)行時間和最大可中斷時間的約束;可平移負(fù)荷如洗衣機(jī)等,其持續(xù)運(yùn)行時間固定,但可以將運(yùn)行時間在可調(diào)度范圍內(nèi)雙向平移。

考慮到部分樓宇負(fù)荷功率調(diào)節(jié)的連續(xù)性,本文將樓宇中的柔性負(fù)荷重新細(xì)分成兩類,分別為連續(xù)型負(fù)荷與開關(guān)型負(fù)荷。連續(xù)型負(fù)荷如空調(diào)等可以進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)負(fù)載功率的柔性負(fù)荷,開關(guān)型負(fù)荷如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、熱水壺等僅存在開和關(guān)兩種狀態(tài)的柔性負(fù)荷。樓宇典型柔性負(fù)荷的用電特征分類如圖1所示。

圖1 柔性負(fù)荷用電特性分類

3 負(fù)荷分類調(diào)度模型

3.1 連續(xù)型負(fù)荷模型

典型的樓宇連續(xù)型負(fù)荷通常為溫控負(fù)荷,常用的有空調(diào)、熱水器等。以下以溫控負(fù)荷中的空調(diào)為例建立其對應(yīng)的調(diào)度模型。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

以樓宇空調(diào)的用電成本最低為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建基于分時電價響應(yīng)的樓宇連續(xù)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型,溫控負(fù)荷的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示

(1)

式(1)中,T為日負(fù)荷時段總數(shù),pt為時段t內(nèi)的邊際成本,即分時電價,Ec,t為空調(diào)在時段t內(nèi)制冷的輸出功率,Eh,t為空調(diào)在時段t內(nèi)制熱的輸出功率,Δt為負(fù)荷調(diào)度中的單位時長。

3.1.2 約束條件

樓宇的室溫受外界溫度的約束,在空調(diào)正常工作的情況下,樓宇室溫變化受外界溫度影響的等式約束如式(2)所示

(2)

式中,Tt為時段t內(nèi)的室溫,λ為樓宇隔熱系數(shù),Qt為時段t內(nèi)的室外溫度,ε為空調(diào)的制冷或制熱因子,stt為溫控負(fù)荷在時段t內(nèi)的工作狀態(tài)。當(dāng)其為0時,溫控負(fù)荷工作于制冷狀態(tài),當(dāng)其為1時,溫控負(fù)荷工作于制熱狀態(tài)。在任意時段t內(nèi),室溫需要穩(wěn)定在用戶設(shè)定的范圍內(nèi),其滿足的目標(biāo)溫度范圍約束如式(3)所示

(3)

(4)

式中,Eh,t和Ec,t分別為空調(diào)制熱和制冷的實際輸出功率;Emin為空調(diào)輸出功率下限,Emax為空調(diào)輸出功率上限。

3.2 開關(guān)型負(fù)荷模型

典型的樓宇開關(guān)型負(fù)荷通常為工作狀態(tài)離散的負(fù)荷,常用的有洗衣機(jī)、熱水壺、洗碗機(jī)和電風(fēng)扇等。以下針對幾種常用的開關(guān)型負(fù)荷建立其所對應(yīng)的負(fù)荷調(diào)度模型。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

對于樓宇中的開關(guān)型負(fù)荷,同樣以其用電成本最小為目標(biāo)函數(shù)。如式(5)所示

(5)

式中,T為日負(fù)荷時段總數(shù),pt為時段t內(nèi)的分時電價,Ei為負(fù)荷的額定負(fù)載功率,Δt為負(fù)荷調(diào)度中的單位時長。Si,t為負(fù)荷i在時段t內(nèi)的工作狀態(tài),其滿足的表達(dá)式如式(6)所示

(6)

式中,當(dāng)Si,t=0時,表示開關(guān)型負(fù)荷i處于關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)Si,t=1時,表示開關(guān)型負(fù)荷i處于工作狀態(tài)。

3.2.2 約束條件

開關(guān)型負(fù)荷中具有中斷的性質(zhì)以及可平移的性質(zhì),為此,需要滿足中斷約束和平移約束。中斷約束條件如式(7)所示。

(7)

式中,Ti,t,on為開關(guān)型負(fù)荷i的實際連續(xù)運(yùn)行時長,Ti,min,on為負(fù)荷i必要的最小持續(xù)運(yùn)行時長。可轉(zhuǎn)移負(fù)荷約束條件如式(8)所示

(8)

式中,Ti,on為負(fù)荷i開始調(diào)度時間,Ti,start為負(fù)荷i最早開始調(diào)度時間;Ti,end為負(fù)荷i最晚開始調(diào)度時間;Ti,t,on為負(fù)荷i的實際連續(xù)運(yùn)行時長,Ti,ct,on為負(fù)荷實際需要運(yùn)行的時長。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

假設(shè)某樓宇用戶典型的連續(xù)型用電負(fù)荷為空調(diào);典型的開關(guān)型負(fù)荷為洗衣機(jī)、熱水壺、洗碗機(jī)。

用戶所在樓宇的初始室溫是20℃,分時調(diào)度的單位時段長度為1h,樓宇的隔熱系數(shù)為0.96,空調(diào)的制冷、制熱能效均為0.6,空調(diào)的最大功率為2kW,用戶滿意的溫度范圍是19-23℃。

洗衣機(jī)、熱水壺、洗碗機(jī)的額定功率分別為2kW,1.5kW,1.5kW;分時調(diào)度的單位時段長度為15min;其中,洗衣機(jī)的最小持續(xù)運(yùn)行時長為75min,調(diào)度時段為8:15-22:00;熱水壺的最小持續(xù)運(yùn)行時長為15min,調(diào)度時段為6:45-7:15,11:30-12:15,17:30-19:00;洗碗機(jī)的最小持續(xù)運(yùn)行時長為30min,調(diào)度時段為8:00-12:00,13:30-18:30,20:00-22:00。即洗衣機(jī)日內(nèi)調(diào)度一次,其它負(fù)荷日內(nèi)調(diào)度三次。

基于日內(nèi)負(fù)荷調(diào)度的分時電價曲線如圖2所示。

圖2 樓宇日負(fù)荷分時電價曲線

4.2 連續(xù)型負(fù)荷調(diào)度

考慮到樓宇用戶在夏季和冬季的用電情況不同,基于MATLAB 2018b中YALMIP工具箱和Cplex12.4優(yōu)化求解器對連續(xù)型調(diào)度負(fù)荷模型進(jìn)行優(yōu)化求解。得到夏季和冬季的樓宇空調(diào)調(diào)度功率輸出變化曲線以及樓宇室內(nèi)溫度和室外溫度在調(diào)度期間的變化曲線。在夏季,空調(diào)僅輸出制冷功率使室內(nèi)降溫。基于分時調(diào)度的空調(diào)輸出功率曲線如圖3所示。

圖3 夏季空調(diào)輸出功率曲線

從圖中不難得出,在4時至8時,電價處于較低水平,為了維持室溫處于期望的范圍之內(nèi),空調(diào)輸出功率顯著增加,以降低樓宇室內(nèi)溫度,使之應(yīng)對電價高峰時負(fù)荷降低功率運(yùn)行導(dǎo)致的室溫隨外界溫度上升情況;8時至14時,電價處于較高水平,空調(diào)的輸出功率明顯降低,以節(jié)約耗電成本。此時室溫僅隨外界溫度緩慢上升,當(dāng)室溫接近用戶的期望范圍上限時,空調(diào)重新被調(diào)度,增大輸出功率以維持適合的室溫。在保證樓宇室溫始終在設(shè)定范圍的條件下,盡可能減小輸出功率。優(yōu)化調(diào)度期間,樓宇的室內(nèi)溫度和室外溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 夏季室內(nèi)外溫變化曲線

同樣,在冬季,受到樓宇的室外溫度的影響,對空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行分時優(yōu)化調(diào)度,由于冬季室外溫度整體偏低,空調(diào)僅輸出功率制熱,使得室內(nèi)升高溫度。對空調(diào)進(jìn)行分時調(diào)度得到其功率輸出變化曲線如圖5所示。

圖5 冬季空調(diào)輸出功率曲線

從圖中的功率曲線可以看出,在0時至7時,電價處于低谷期,空調(diào)的輸出功率達(dá)到極限值2kW,提前升高樓宇室內(nèi)溫度;8時至13時,電價提升至平段,空調(diào)的輸出功率迅速降,以減少在電價較高時的用電量,從而達(dá)到節(jié)約負(fù)荷用電成本的目的。在后續(xù)的調(diào)度過程中,隨著分時電價的調(diào)整,同時為了維持室溫范圍,溫控負(fù)荷的輸出功率也隨之得到相應(yīng)的調(diào)度。在冬季期間,空調(diào)在優(yōu)化調(diào)度過程中樓宇的室內(nèi)外溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 冬季室內(nèi)外溫變化曲線

4.3 開關(guān)型負(fù)荷調(diào)度

對于開關(guān)型負(fù)荷,基于其最小持續(xù)運(yùn)行時長以及最大可中斷時長約束以及負(fù)荷用電特性分離調(diào)度的優(yōu)勢,本文算例中將開關(guān)型負(fù)荷調(diào)度單位時段長度定義為15min;以洗衣機(jī)、熱水壺和洗碗機(jī)的各項工作參數(shù)為基礎(chǔ),對三個典型負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。開關(guān)型負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度期間,各負(fù)荷的運(yùn)停狀態(tài)情況如圖7所示。

圖7 開關(guān)型負(fù)荷運(yùn)停情況

從圖中可知,在日內(nèi)調(diào)度時間約束范圍內(nèi),熱水壺持續(xù)運(yùn)行時間為15min,其在日內(nèi)調(diào)度了3次,分別是在28時段,49時段和72時段,其分別對應(yīng)了低谷電價、高峰電價、平段電價;洗碗機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時長為30min,運(yùn)行期間均對應(yīng)平段電價;洗衣機(jī)的最小持續(xù)運(yùn)行時長為75min,其運(yùn)行時段為33-38,同樣對應(yīng)平段電價。故在調(diào)度時間的約束下,本文方法能合理有效地規(guī)劃負(fù)荷運(yùn)停時間,節(jié)約用電成本。

采用傳統(tǒng)的混合調(diào)度方式作為對照組,以本文算例中的條件參數(shù)為基礎(chǔ),基于粒子群智能算法對比仿真。相同仿真條件下,本文調(diào)度方法與傳統(tǒng)方法得到的調(diào)度成本與迭代次數(shù)對比結(jié)果見表1。

表1 各調(diào)度方法結(jié)果對比

4.4 結(jié)果分析

在本文仿真中使用了基于負(fù)荷用電特征的分類調(diào)度方法,并且針對不同的負(fù)荷性質(zhì)設(shè)計了不同單位調(diào)度時長。同時也列出了冬夏兩季期間兩種連續(xù)型負(fù)荷使用高峰的優(yōu)化調(diào)度仿真場景。

通過仿真結(jié)果曲線可以得出,基于負(fù)荷用電特征分類的優(yōu)化調(diào)度模型能夠有效地減少電價高峰時期的用電功率,減少負(fù)荷成本;并且在優(yōu)化調(diào)度期間,樓宇的室溫能夠穩(wěn)定地保持在用戶期望的溫度范圍內(nèi),保證了用戶在自動需求響應(yīng)過程中的舒適度。

通過仿真結(jié)果可以看出,相比于傳統(tǒng)的混合調(diào)度模型,本文優(yōu)化調(diào)度模型的負(fù)荷成本顯著低于傳統(tǒng)的調(diào)度模型。此外,對不同負(fù)荷采用變時長優(yōu)化調(diào)度,可進(jìn)一步降低用戶負(fù)荷成本和優(yōu)化迭代次數(shù)。相比于智能算法,本文方法的優(yōu)化迭代次數(shù)顯著減少,能夠快速計算出調(diào)度結(jié)果,達(dá)到快速自動需求響應(yīng)的目的。

5 結(jié)論

提出了一種基于負(fù)荷用電特征的分類的樓宇負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度方法。區(qū)別于傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方法,首先,從降低用電成本的角度出發(fā),結(jié)合樓宇的環(huán)境約束建立連續(xù)型溫控負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型;其次,以日內(nèi)調(diào)度的起始時間與終止時間等為約束條件,建立開關(guān)型負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度模型,并根據(jù)負(fù)荷不同的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不同的單位調(diào)度時長;最后基于夏季和冬季這兩個溫控負(fù)荷使用高峰季節(jié)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,基于本文優(yōu)化調(diào)度方法下,優(yōu)化迭代運(yùn)算次數(shù)較少,能夠顯著地降低用戶的用電成本,同時也可以兼顧用戶所處環(huán)境的舒適性,從而提高用戶參與自動需求響應(yīng)的意愿。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展以及電器種類的增加,結(jié)合智能電表等技術(shù)方案實時采集用戶的各項參數(shù),并結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù),對不同負(fù)荷編寫不同的合約腳本。將本文方法擴(kuò)展到更多的開關(guān)型負(fù)荷或有限多狀態(tài)負(fù)荷中,能夠進(jìn)一步降低用戶的用電成本。利用本文方法優(yōu)化迭代次數(shù)少、收斂速度快的特點,可保證自動需求響應(yīng)的速度。在負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度過程中,能夠?qū)崟r保證用戶的舒適度,加強(qiáng)用戶參與意愿。使更多的用戶加入自動需求響應(yīng)計劃,可降低發(fā)電機(jī)組備用容量,達(dá)成供需兩側(cè)雙贏的局面。