李慧玲 任志丹 曾河華

摘要：近年來，隨著北方地區(qū)電蓄熱采暖的持續(xù)推廣，電網(wǎng)負(fù)荷特性出現(xiàn)了新的變化，給傳統(tǒng)電網(wǎng)擔(dān)任“源隨荷動(dòng)”電力平衡器角色增加了難度。對此，本文基于電網(wǎng)免增容、微增容、合理增容、削峰填谷，依據(jù)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的指導(dǎo)思想，研發(fā)通過負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以供參考。

關(guān)鍵詞： 電供暖；負(fù)荷；調(diào)峰；算法

近年來，大氣污染治理、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)等國家戰(zhàn)略的實(shí)施催生了大量新興用電業(yè)務(wù)與新型用電設(shè)施，衍生出了大量的隨機(jī)性、間歇性和季節(jié)性用電負(fù)荷（電蓄熱采暖），增加了傳統(tǒng)電網(wǎng)擔(dān)任的“源隨荷動(dòng)”電力平衡器角色的難度。荷側(cè)與源側(cè)的變化導(dǎo)致負(fù)荷不平衡，例如，目前冬季電蓄熱采暖受相關(guān)補(bǔ)貼激勵(lì)機(jī)制影響極易在某時(shí)段同時(shí)啟動(dòng)，且不超2～3 h，給電配網(wǎng)帶來了跳閘風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)滿足防止風(fēng)險(xiǎn)需新增功率（或阻止新增荷），還會(huì)導(dǎo)致高投資低效率的情況發(fā)生。

2018～2019年，尚義縣城區(qū)電能替代供熱項(xiàng)目突增，由于尚義縣氣候寒冷，整個(gè)采暖季期間環(huán)境溫度低供熱量增加，出現(xiàn)大功率同時(shí)啟動(dòng)特性（20～23點(diǎn)），尤其在春節(jié)期間，尚義兩條電供暖線路一直存在較大跳閘風(fēng)險(xiǎn)。

在此背景下，2020年開始，張家口電網(wǎng)公司營銷與尚義縣電網(wǎng)分公司，聯(lián)合再發(fā)現(xiàn)（北京）科技有限公司開展不增容增荷負(fù)荷調(diào)控項(xiàng)目研究。

一、負(fù)荷平衡進(jìn)行削峰填谷技術(shù)研究

方案一：傳統(tǒng)人海戰(zhàn)術(shù)臨時(shí)應(yīng)對。依靠人工調(diào)度指揮現(xiàn)場操作，每臺(tái)大功率鍋爐房放置人力就地觀察負(fù)荷監(jiān)控，縣調(diào)度設(shè)專班觀察功率曲線，一旦出現(xiàn)超功率跡象，及時(shí)電話通知現(xiàn)場減負(fù)荷。

方案二：變電站增容，但增容意味著帶來投資大、實(shí)施難度大以及使用效率低等問題。

方案三：搭建一個(gè)通過負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)?；谝噪姙橹行哪茉椿ヂ?lián)網(wǎng)理念，有效整合電網(wǎng)、熱網(wǎng)、信息網(wǎng)，研發(fā)電供暖線路負(fù)荷調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能量流、業(yè)務(wù)流、信息流的連通、耦合、互動(dòng)和協(xié)同，通過數(shù)據(jù)建模與優(yōu)化等方法，實(shí)現(xiàn)線路負(fù)荷的精準(zhǔn)調(diào)度和快速響應(yīng)，配電網(wǎng)功率與終端鍋爐負(fù)荷柔性驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。供熱系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，電力存量挖掘不超荷，熱網(wǎng)增加供熱有保障，供熱側(cè)用戶需求獲滿足，以此充分利用有限的線路負(fù)荷容量，實(shí)現(xiàn)安全可靠、供需平衡的目標(biāo)。

通過負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能在現(xiàn)有外部邊界限制情況下，充分挖掘負(fù)荷存量，減少變電站及電網(wǎng)固定資產(chǎn)大額投資，降低調(diào)度人力投入和對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴，提升智能化管理水平，實(shí)時(shí)在線負(fù)荷調(diào)度與平衡。平臺(tái)核心是平衡網(wǎng)荷功率調(diào)峰值，不會(huì)使電網(wǎng)10kV出線或35kV變電站超負(fù)荷跳閘，同時(shí)免增容提高現(xiàn)有存量電力效率。

二、試點(diǎn)線路選取

以尚義縣南城35kV變電站516出線為研究試點(diǎn)，選取兩戶有代表性電儲(chǔ)熱供暖鍋爐。其中，一戶為尚義縣麗景苑住宅小區(qū)（8萬m2）10kV高壓電極水蓄熱鍋爐功率2×4MW，二是尚義縣廣播局辦公住宅混合小區(qū)（1.2萬m2）10kV高壓固體蓄熱功率1.2MW。

網(wǎng)荷端安裝智能模塊，就地采集環(huán)境溫度、鍋爐儲(chǔ)熱溫度、供水溫度、回水溫度、工作電流、運(yùn)行功率，35kV變電站10kV出線（或變壓器）電流及功率。

三、負(fù)荷調(diào)控

本項(xiàng)目采用“機(jī)理模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的建模技術(shù)，首先，建立各小區(qū)供熱系統(tǒng)機(jī)理模型，用以模擬實(shí)際系統(tǒng)全工況下的性能及動(dòng)態(tài)變化趨勢；其次，利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤修正機(jī)理模型，提升關(guān)鍵工況以及動(dòng)態(tài)變化過程的逼近程度，為負(fù)荷的優(yōu)化分配提供可靠的計(jì)算分析工具。

（一）構(gòu)建對象動(dòng)態(tài)模型

熱電系統(tǒng)高精度動(dòng)態(tài)模型是實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化的基礎(chǔ)，也是關(guān)系優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性的關(guān)鍵。

（二）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的構(gòu)建

電網(wǎng)負(fù)荷—電鍋爐功率關(guān)系模型

P≥∑Pg＋?P

其中，P—電網(wǎng)負(fù)荷 （kWh）；∑Pg—可調(diào)節(jié)電鍋爐功率（kWh）；?P—線路下不可調(diào)節(jié)負(fù)荷（kWh）

建立10kV出線負(fù)荷、管網(wǎng)特性、鍋爐特性、儲(chǔ)能特性、熱負(fù)荷特性、環(huán)境變化等機(jī)理模型。

供熱系統(tǒng)的負(fù)荷分配滿足以下基本前提：第一，鍋爐運(yùn)行負(fù)荷不能使電網(wǎng)超出限定負(fù)荷；第二，滿足用戶供熱需求；第三，系統(tǒng)平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（三）深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型擬多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成，如圖3所示。通過對象的輸入輸出參數(shù)構(gòu)建具有多個(gè)隱藏的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)輸入輸出的映射。

（四）多參數(shù)高效辨識(shí)算法的研發(fā)

本項(xiàng)目中多參數(shù)辨識(shí)主要包括基于采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)解耦辨識(shí)和基于智能算法的多參數(shù)直接辨識(shí)。

1.基于采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)解耦辨識(shí)

對具有n個(gè)待辨識(shí)參數(shù)的對象，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)搜尋和匹配，獲得n－1個(gè)參數(shù)相似的情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前未匹配成功的唯一參數(shù)辨識(shí)。該方法通過數(shù)據(jù)匹配將多參數(shù)辨識(shí)問題自動(dòng)分解成多個(gè)單參數(shù)辨識(shí)的問題，便于采用經(jīng)典的辨識(shí)算法求解。本項(xiàng)目擬采用經(jīng)典的遞推最小二乘法實(shí)現(xiàn)單參數(shù)的辨識(shí)。

2.基于智能算法的多參數(shù)直接辨識(shí)

基于智能算法，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的同時(shí)辨識(shí)。為了獲得較高的辨識(shí)效率和辨識(shí)精度，本項(xiàng)目擬采用具有引力系數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能的改進(jìn)型引力搜索算法（VGSA）實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的直接辨識(shí)。

（五）負(fù)荷控制

結(jié)合人工智能優(yōu)化算法，多數(shù)據(jù)、多維度預(yù)測熱功率電負(fù)荷，對比歷史負(fù)荷決策當(dāng)日負(fù)荷運(yùn)行趨勢。同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)負(fù)荷情況，秒級計(jì)算系統(tǒng)綜合參數(shù)和熱需求、網(wǎng)內(nèi)供需平衡鍋爐負(fù)荷分配以及運(yùn)行工況調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)指令下達(dá)到負(fù)荷側(cè)控制鍋爐調(diào)節(jié)運(yùn)行。當(dāng)變電站出現(xiàn)超負(fù)荷時(shí)，終端適時(shí)柔性調(diào)減功率；變電站功率低時(shí)，終端負(fù)荷增功率加大儲(chǔ)熱。

四、運(yùn)行監(jiān)控

秀水窯526出線可調(diào)2臺(tái)鍋爐，2021年1月20日19時(shí)28分線路出現(xiàn)超負(fù)荷，通過負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化負(fù)荷預(yù)測與負(fù)荷分配，直至系統(tǒng)自動(dòng)最優(yōu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸出功率、鍋爐供給功率、終端負(fù)荷的平衡驅(qū)動(dòng)和無縫銜接，確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、節(jié)能、高效運(yùn)行，滿足用戶熱力需求，保障電網(wǎng)安全，電網(wǎng)全天運(yùn)行在變壓器經(jīng)濟(jì)曲線范圍內(nèi)。

五、項(xiàng)目效益

通過負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰輔助服務(wù)，加快能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，免增容提高變電站輸電運(yùn)行效率，開辟存量挖掘削峰填谷，實(shí)現(xiàn)“免增容、微增容、合理增容”互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用先例。項(xiàng)目具有投資少、見效快、智能化等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)和民生社會(huì)效果顯著。

以麗景苑小區(qū)為例，2019～2020年采暖全季供暖時(shí)間170天，采用該平臺(tái)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)控，超負(fù)荷現(xiàn)象被杜絕、居民供暖得到保障。鍋爐采暖總電量519.40萬kWh，電費(fèi)成本為148.28萬元（全年電費(fèi)22%電量政府“四方平臺(tái)”政策價(jià)，其他78%執(zhí)行目錄電價(jià)）。單位面積日耗電量為0.641kWh/m2，電費(fèi)0.1831元/m2；折算單位面積供暖電量109kWh/m2，供暖成本31元/m2，低于市政集中供暖到戶價(jià)格42元/m2（居民）和52元/m2（商業(yè)）。

六、結(jié)語

項(xiàng)目選擇電能供暖作為主要研究對象，具有以下原因：第一，這類需求在北方已規(guī)模化；第二，取暖為我國北方地區(qū)重大民生需求，電能替代取暖已成社會(huì)共識(shí)；第三，用電負(fù)荷需求具有典型的隨機(jī)性、間歇性、季節(jié)性和聚集性。

通過構(gòu)建負(fù)荷自動(dòng)平衡進(jìn)行削峰填谷的電能供暖互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，基于“機(jī)理模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，有利于提升電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

項(xiàng)目立足能源“互聯(lián)網(wǎng)+”，以“免增容、微增容、合理增容”提高變電站輸電運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)存量挖掘削峰填谷，發(fā)揮電網(wǎng)能源供應(yīng)樞紐和服務(wù)平臺(tái)作用。

項(xiàng)目研發(fā)突破傳統(tǒng)理念與認(rèn)知的羈絆，面對電網(wǎng)發(fā)展新業(yè)態(tài)，以“大云物移智鏈”為依托，推動(dòng)以電能源為核心的多能源技術(shù)創(chuàng)新。

配合智能電網(wǎng)提升對荷側(cè)資源最活躍的“需求響應(yīng)”以及電網(wǎng)資源盤活，對于隨機(jī)性、間歇性和季節(jié)性等新型用電負(fù)荷，應(yīng)始終貫徹有序用電供需削峰填谷原則，提高“源網(wǎng)儲(chǔ)荷”側(cè)資源參與互動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。

作者簡介：李慧玲，高級工程師；任志丹，工程師；曾河華，碩士。