一種電熱水器組多尺度直接負荷控制方法與流程
2023-10-04 21:20:14
本發明涉及電熱水器組直接負荷控制優化，更具體的說，是通過引入多尺度進一步實現電熱水器組優化直接負荷控制。
背景技術：
電力用戶不斷增長使得電網的峰值負荷需求越來越高，而通過不斷擴建電力系統來解決峰值負荷需求並不是合理的解決方案。直接負荷控制正是基於此而產生的，通過調整相應負荷曲線，將部分峰值負荷轉移到非峰值時期，以達到削峰填谷的作用。而電熱水器組是最常見的可控直接負荷，通過調節熱水器加熱方式實現負荷轉移。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種無需擴建電力系統即可解決峰值負荷需求的電熱水器組多尺度直接負荷控制方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種電熱水器組多尺度直接負荷控制方法，包括如下步驟：
（1）通過統計得到家庭日負荷曲線，因電熱水器為電阻類元件，將家庭日負荷曲線中陡增值和陡降值為電熱水器功率的部分提取出來，即可得到電熱水器日常工作狀態，生成單個電熱水器基本日用水數據。
（2）將多個電熱水器按照設定恆溫控制的溫度上下限、容量、額定功率以及基本日用水數據分成多個電熱水器組N，N≥1。
（3）通過電力系統日負荷曲線，將日負荷曲線分成三大類：波峰/波谷/中間態，針對各大類持續時間，分別生成三大類狀態下的目標功率尺度P以及各熱水器組在三大類狀態下的時間尺度Ts。目標功率尺度P是由某一狀態持續時間段內電力系統總的負荷需求以及電熱水器總功率需求決定。中間態時間段內的目標尺度功率P3是總電熱水器組（即所有電熱水器組）在熱水使用狀態以及散熱等作用下產生的實際平均功率；波峰時間段內的目標尺度功率P1小於中間態時間段內的目標尺度功率P3，波峰時間段內的目標尺度功率P1的值為中間態時間段內的目標尺度功率P3減去總額定功率最小的電熱水器組的總額定功率；波谷時間段內的目標尺度功率P2大於中間態時間段內的目標尺度功率P3，波谷時間段內的目標尺度功率P2的值為中間態時間段內的目標尺度功率P3加上總額定功率最小的電熱水器組的總額定功率。時間尺度Ts根據各電熱水器組用水模式設定，其最低值不能低於電熱水器結構性能決定的最小加熱時間，其上限不得超過熱水器最大加熱時間。在此範圍內，遵循波峰時間段內Ts小於中間態時間段內Ts小于波谷時間段內Ts。電熱水器水箱體積越大Ts越大，電熱水器額定功率越高Ts越小。
（4）根據三大類狀態下的目標尺度P、時間尺度Ts得到最優控制策略，具體如下：
（4.1）初始化電熱水器溫度，初始化溫度位於電熱水器設定的恆溫控制溫度上下限內；
（4.2）根據各電熱水器組內的每個電熱水器實際溫度，得到各電熱水器組內的每個熱水器的參考功率，將各組內的每個熱水器參考功率累加生成各電熱水器組的參考功率PT，PT由兩組數據構成，一組表示電熱水器組控制策略狀態為1，另一組表示電熱水器組控制策略狀態為0（電熱水器組控制策略狀態為1時，電熱水器組處於可加熱狀態，可以從電網獲取電能；電熱水器組控制策略狀態為0時，電熱水器組處於不可加熱狀態，不可以從電網獲取電能）。每個熱水器的參考功率計算方法如下：（4.2.1）為保證用戶感受，電熱水器實際溫度不能超出設定的恆溫控制溫度上下限，若溫度高於上限，無論控制策略狀態為0還是1，也必須關掉此電熱水器，使此電熱水器從電網不能獲得能量，此時此熱水器參考功率為[0，0]；（4.2.2）若實際溫度低於下限時，無論控制策略狀態為0還是1，此電熱水器也要打開，使此電熱水器能夠加熱，此時此熱水器參考功率為[Pr，Pr]，Pr為此電熱水器額定功率；（4.2.3）當實際溫度處於上下限之間時，且強制加熱時間小於時間尺度Ts，此時此熱水器參考功率為[Pr，Pr]；（4.2.4）其它時候，此熱水器參考功率為[Pr,0]。
（4.3）根據各電熱水器組的參考功率PT、目標尺度功率P，通過量子進化算法得到最優控制策略u，u是一組由0或1構成的字符串，每一位表示對應電熱水器組控制策略狀態（0或1）。
量子算法計算可參見專利一種新型量子進化方法（申請號：201410831269.4）。
（4.4）將步驟（4.3）得到的最優控制策略應用於各熱水器組，通過執行控制策略控制各熱水器組的工作，從而實現負荷轉移；測量下一時刻各電熱水器組內的每個電熱水器實際溫度；
（4.5）轉入步驟（4.2），不斷重複運行測量得到下一時刻的各電熱水器組內的每個電熱水器實際溫度，直至人為幹預停止並結束。
步驟（3）中，中間態時間段內的目標尺度功率P3是總電熱水器組（即所有電熱水器組）在熱水使用狀態以及散熱等作用下產生的實際平均功率，即所有電熱水器在相同條件下，不採用控制策略時消耗功率平均值累加和。
步驟（3）中，電熱水器組的總額定功率是指此電熱水器組內所有單個電熱水器的額定功率之和。
所述步驟（2）中，若電電熱水器總數為1000個，將1000個熱水器聚合成10個電熱水器組。
本發明通過設定時間尺度Ts和恆溫控制的溫度上下限，以及通過控制策略電熱水器啟停，保證用戶體驗並符合電熱水器實際使用模式。
本發明通過引入目標尺度P和最小加熱時間Ts，實現負荷轉移，修正電熱水器組負荷曲線，使得電熱水器在白天峰值負荷降低，降低電力系統白天峰值時期負荷負擔，實現削峰填谷，提高電力系統穩定性。
附圖說明
圖1為本發明電熱水器組多尺度直接負荷控制方法的流程圖；
圖2為多尺度直接負荷控制結果與無控制對比圖；
圖3為熱水器溫度時間變化曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和實例對本發明進一步詳細說明。
參照圖1，本方法包括以下步驟：
（1）首先執行步驟101，根據家庭日負荷曲線統計得到，單個熱水器日用水量base=[6 4 3 3 1 5 13 48 33 36 27 26 23 23 24 15 17 16 24 32 26 17 23 24];
（2）執行步驟102，將1000個熱水器（總功率3600kw）按照功率、容量、溫度上下限以及日用用水量分成10組，分別是[55°C, 50°C, 120L, 3000W, 2/3*base], [55°C, 50°C, 160L, 3000W, base],[55°C, 50°C, 200L, 3000W, 1.2*base], [55°C, 50°C, 320L, 3000W, 1.5*base], [55°C , 50°C, 320L, 6000W, 1.5*base],[50°C,45°C, 120L, 3000W, 2/3*base], [50°C, 45°C, 160L, 3000W, base], [50°C, 45°C, 200L, 3000W, 1.2*base], [50°C, 45°C, 320L, 3000W, 1.5*base], [50°C, 45°C, 320L, 6000W, 1.5*base]；
（3）執行步驟103，根據電力系統日負荷曲線，從零點到1點，從17點到0點，不處於日符合曲線的波峰或波谷區間，位於中間態，目標尺度P=P1=930kw，Ts分別為[6min, 7min, 8min, 9min, 7min, 5min, 6min, 7min, 8min, 6min] ；從1點到6點，處於日負荷曲線波谷區間，目標尺度P=P2=12300kw，Ts分別為[12min, 14min, 16min, 18min, 14min, 10min, 12min, 14min, 16min, 12min]；從6點到17點，處於日負荷曲線的波峰區間，目標尺度P=P3=630kw，Ts分別為[4min, 4min, 5min, 6min, 4min, 3min, 4min, 4min, 6min, 5min]；
（4）執行步驟104，初始化電熱水器溫度T，溫度均處於電熱水器設定的溫度閾值內；
（5）執行步驟105，根據各電熱水器組內的每個電熱水器實際溫度，得到各電熱水器組內的每個熱水器的參考功率，將各組內的每個熱水器參考功率累加生成各電熱水器組的參考功率PT，PT由兩組數據構成，一組為電熱水器組控制策略狀態為1，另一組為電熱水器組控制策略狀態為0（狀態為1時電熱水器組處於可加熱狀態，可以從電網獲取電能，狀態為0時電熱水器組處於不可加熱狀態，不可以從電網獲取電能。具體參考功率計算方法如下：（1）為保證用戶感受，溫度不能超出設定的恆溫控制上下限，若溫度高於上限，無論控制策略狀態為何，也必須關掉該熱水器，使電熱水器從電網不能獲得能量，此時該熱水器參考功率為[0，0]；（2）若溫度低於下限時，無論控制策略狀態為何值，電熱水器也要打開，使電熱水器能夠加熱，此時該熱水器參考功率為[Pr，Pr]，Pr為改電熱水器額定功率；（3）當溫度處於上下限之間時，且強制加熱時間小於Ts，此時該熱水器參考功率為[Pr，Pr]；（4）其他時候，改熱水器參考功率為[Pr,0]。將各組內各熱水器參考功率累加生成參考功率PT；
（6）執行步驟106，根據各電熱水器組的參考功率PT、目標尺度功率P，通過量子進化算法得到最優控制策略u，u是一組由0或1構成的字符串，每一位表示對應電熱水器組控制策略狀態（0或1）。
量子進化方法尋找最優控制策略過程如下：生成初始種群，生成初始最優控制策略；觀察種群生成量子態；計算適應度函數，在本發明中為每種策略下各電熱水器組參考功率PT之和，與目標功率尺度P的差值的絕對值，最小的絕對值對應的是此代中最優控制策略，與已有的最優控制策略比較，選擇絕對值較小的控制策略為新的最優控制策略；選擇精英群組，生成量子旋轉門；進化下一代種群直到滿足停止條件。最終的最優控制策略輸出。
（7）執行步驟107，將步驟106得到的最優控制策略應用於各熱水器組，從而實現負荷轉移；測量下一時刻各電熱水器組內的每個電熱水器的實際溫度。
最優控制策略應用於各熱水器組時，最優控制策略內的每一位元素表示對應電熱水器組的控制策略狀態，若元素為0，則表示對應的電熱水器組執行停止加熱動作，若元素為1，則表示對應的電熱水器組執行持續加熱動作；
（8）轉入步驟105，不斷重複運行測量得到下一時刻的電熱水器溫度和實際功率，直至人為幹預停止並結束。
從圖2可知，通過控制策略將第一個峰值時間向前移動以避開其他電力設備日工作啟動時間，降低了對電力系統的衝擊。從8：00到17：00為日常工作時間，在此時間段內電力系統負載了大量的工業設備、辦公設備等電力系統日基礎負荷，通過控制策略，將熱水器組整體功率需求大大降低了，並且使熱水器組符合變化保持在一個較小的範圍內，減少了對系統的衝擊。通過控制策略使得電熱水器電能消費儘可能地避開白天電力系統高負荷時期轉入到夜晚非用電高峰期，按照分時電價的原則，採用控制策略的用戶將會獲得非常可觀的經濟節省。
圖3為熱水器熱水溫度時間變化曲線，可以發現其溫度處於55°C -50°C，不影響用戶使用。
因此，一種電熱水器多尺度直接負荷控制方法能夠有效地實現削峰填谷作用，降低了電力系統的峰值負荷。在不影響用戶使用舒適度的前提下，使用費用低，經濟價值高。