用于煤改电的配网电压优化控制方法及系统与流程

本发明涉及配电网运行控制技术领域，特别涉及一种用于煤改电的配网电压优化控制方法及系统。

背景技术：

目前，我国北方地区大力推进“煤改电”计划，各式各样的电采暖设备被应用与居民和工商业供暖，如：空气源热泵、电热风扇、冷热空调、电暖气等是目前最常用的“煤改电”供暖设备。

在规模化电采暖设备接入电网后，在采暖时期占用户负荷比例重，仅依靠传统配电网电压优化方法并不能完全保证电压质量，从而，大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于煤改电的配网电压优化控制方法，该方法从电采暖设备最优启停调节时刻角度出发，改变电采暖设备的使用时间段、进而改变了低压配网的负荷使用时序及分配，进而降低了配网的电压偏差率，从而有效解决大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动的问题。

为此，本发明的第二个目的在于提出一种用于煤改电的配网电压优化控制系统。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种用于煤改电的配网电压优化控制方法，包括以下步骤：实时获取每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所述环境温度；根据每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所处环境温度，确定每个电采暖设备的自身响应优先级；根据每个电采暖设备的自身响应优先级对所有电采暖设备进行最优启停调节。

根据本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法，从电采暖设备最优启停调节时刻角度出发，改变电采暖设备的使用时间段、进而改变了低压配网的负荷使用时序及分配，进而降低了配网的电压偏差率，即考虑到每个单体电采暖设备的情况，在保证用户采暖需求的基础上，改善电网电压水平，提高电采暖设备启动率，从而有效解决大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动的问题，具有广泛的工程应用前景。

另外，根据本发明上述实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述自身响应优先级包括自身关闭优先级，其中，根据预设关闭优先级原则确定每个电采暖设备的自身关闭优先级，所述预设关闭优先级原则包括：启动冲击电流小优先关闭、压降高优先关闭、所处环境温度高优先关闭、距离电源点远优先关闭。

在一些示例中，还包括：根据每个电采暖设备与电源点的电气距离，将所有电采暖设备划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组，根据电采暖设备最大启动电压和最小启动电压，控制所述近电气距离组优先关闭，控制所述近电气距离组最后关闭。

在一些示例中，所述自身响应优先级包括自身启动优先级，其中，根据预设启动优先级原则确定每个电采暖设备的自身启动优先级，所述预设启动优先级原则包括：启动冲击电流大优先启动、压降高优先启动、所处环境温度低优先启动、距离电源点近优先启动。

在一些示例中，还包括：对电采暖设备所处环境温度进行温度等级划分，根据得到的不同温度等级，生成对应不同的电采暖设备关闭/开启温度优先级。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种用于煤改电的配网电压优化控制系统，包括：获取模块，用于实时获取每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所述环境温度确定模块，用于根据每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所处环境温度，确定每个电采暖设备的自身响应优先级；控制模块，用于根据每个电采暖设备的自身响应优先级对所有电采暖设备进行最优启停调节。

根据本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统，从电采暖设备最优启停调节时刻角度出发，改变电采暖设备的使用时间段、进而改变了低压配网的负荷使用时序及分配，进而降低了配网的电压偏差率，即考虑到每个单体电采暖设备的情况，在保证用户采暖需求的基础上，改善电网电压水平，提高电采暖设备启动率，从而有效解决大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动的问题，具有广泛的工程应用前景。

另外，根据本发明上述实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述自身响应优先级包括自身关闭优先级，其中，根据预设关闭优先级原则确定每个电采暖设备的自身关闭优先级，所述预设关闭优先级原则包括：启动冲击电流小优先关闭、压降高优先关闭、所处环境温度高优先关闭、距离电源点远优先关闭。

在一些示例中，所述控制模块还用于：根据每个电采暖设备与电源点的电气距离，将所有电采暖设备划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组，根据电采暖设备最大启动电压和最小启动电压，控制所述近电气距离组优先关闭，控制所述近电气距离组最后关闭。

在一些示例中，所述自身响应优先级包括自身启动优先级，其中，根据预设启动优先级原则确定每个电采暖设备的自身启动优先级，所述预设启动优先级原则包括：启动冲击电流大优先启动、压降高优先启动、所处环境温度低优先启动、距离电源点近优先启动。

在一些示例中，所述确定模块还用于：对电采暖设备所处环境温度进行温度等级划分，根据得到的不同温度等级，生成对应不同的电采暖设备关闭/开启温度优先级。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法的流程图；

图2是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备启停调节策略示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备的启动电流示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备的压降示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备热力学动态过程示意图；

图6是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备热力学等效模型示意图；

图7是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备启停对电压影响曲线示意图；

图8是根据本发明一个具体实施例的某区域煤改电低压配电网拓扑图；

图9是根据本发明一个具体实施例的电采暖设备同时系数预测值示意图；

图10是根据本发明一个具体实施例的室外温度典型变化曲线示意图；

图11是根据本发明一个具体实施例的优化控制策略下用户的温度仿真结果示意图；

图12是根据本发明一个具体实施例的优化控制策略前后b44节点电压水平曲线示意图；

图13是根据本发明一个具体实施例的优化控制策略前后b50节点电压水平曲线示意图；

图14是根据本发明一个具体实施例的优化控制策略前后b50节点电压水平曲线示意图；

图15是根据本发明一个具体实施例的优化控制策略前后b62节点电压水平曲线示意图；

图16是根据本发明一个实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法及系统。

电采暖设备传统的响应方式是根据室内温度进行启停的，这种方式忽略了电采暖设备的其他外在条件：距离电源节点较近的电采暖设备外加电压处于较高值，通常不会因为电压过低而出现无法启动的情况；位于线路末端的电采暖设备外加电压是线路上的最低点，在线路出现重载情况时，电采暖设备通常不能正常启动。各电采暖设备位于系统中不同的位置，其响应模式一致，并没有发挥出电采暖设备的调节能力。有鉴于此，本发明的实施例综合考虑用户的室温采暖需求和电采暖设备外加电压情况，提出响应优先级的概念。本发明的实施例中，电采暖设备均安装了电压监测、温度检测、数据处理以及数据通讯模块，为了对调节过程进行有序控制，在满足室内温度要求的情况下，每隔半小时进行一次集体调节，且调节按照优先顺序进行最优调节，电采暖设备最优启停调节即为电采暖设备控制装置根据各电采暖设备实时监测的电压、电流和温度数据，并计算自身响应优先级，然后根据优先级控制自身启停。

具体的，图1是根据本发明一个实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法的流程图。如图1所示，该用于煤改电的配网电压优化控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：实时获取每个电采暖设备的运行电压、运行电流和环境温度。

步骤s2：根据每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所处环境温度，确定每个电采暖设备的自身响应优先级。

步骤s3：根据每个电采暖设备的自身响应优先级对所有电采暖设备进行最优启停调节。

具体的，自身响应优先级包括自身关闭优先级，其中，根据预设关闭优先级原则确定每个电采暖设备的自身关闭优先级，预设关闭优先级原则包括：启动冲击电流小优先关闭、压降高优先关闭、所处环境温度高优先关闭、距离电源点远优先关闭。

具体的说，即各电采暖设备依据“启动冲击电流小先关闭-压降高先关闭-所在室温高先关闭-距离电源点远先关闭”的原则，确定自身关闭的优先级。

其中，启动电流的采集过程包括：在运行过程中，在电采暖设备启动信号发出的之前的20ms启动电流瞬时值采集，频率到达350hz以上，至启动电流将至平稳后的1个周波止，用采集到的数据计算启动电流有效值，在控制装置中记录，得到各电采暖设备的启动电流，例如图3所示，并进行排序，启动冲击电流小优先关闭。

压降的采集过程包括：在运行过程中，在电采暖设备启动信号发出的之前启动电采暖设备进端电压有效值采集，在启动后，再次采集电采暖设备进端电压有效值，并计算二者的差值，例如图4所示。在控制装置中记录，得到各电采暖设备的运行压降，并进行排序，压降高的优先关闭。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：根据每个电采暖设备与电源点的电气距离，将所有电采暖设备划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组，根据电采暖设备最大启动电压和最小启动电压，控制近电气距离组优先关闭，控制近电气距离组最后关闭。

具体的说，即根据正常运行状态下得到的运行电压值，对比最大启动电压、最小启动电压值，处于低压配电网不同电气距离的电采暖设备将被划分不同组别。距离电源点电气距离较近的电采暖设备，其在正常运行时，外加电压unor将处于较大值；而位于配电线路末端的电采暖设备在正常运行下，外加电压unor将处于较小值，并且其关闭动作对整条线路的压降改善作用较大。以电采暖设备最大启动电压umax和最小启动电压umin为界，配网中的电采暖设备将划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组。根据实时正常运行电压，因此优先关闭远电气距离组，其次是中电气距离组，最后是近电气距离组。

进一步地，自身响应优先级包括自身启动优先级，其中，根据预设启动优先级原则确定每个电采暖设备的自身启动优先级，预设启动优先级原则包括：启动冲击电流大优先启动、压降高优先启动、所处环境温度低优先启动、距离电源点近优先启动。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：对电采暖设备所处环境温度进行温度等级划分，根据得到的不同温度等级，生成对应不同的电采暖设备关闭/开启温度优先级。

具体的说，即各电采暖设备依据“启动冲击大先启动-压降高先启动-所在室温低先启动原则-距离电源点近先启动”的原则确定启动的优先级。根据长时间未启动状态下采集到的进端电压值，以电采暖设备临界启动电压umax和最小启动电压umin为界，配网中的电采暖设备将划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组。根据实时电采暖设备外加电压，对不同群组里的电采暖设备生成不同的电压优先级判定。根据电采暖设备所在室内温度，对不同等级室内温度，生成不同的温度优先级tb判定。

在具体实施例中，对该用于煤改电的配网电压优化控制方法的原理进行分析：电采暖设备的热力学动态模型如图5所示，其为电采暖设备所在室内温度的波动过程。图5中的过程可用图6中的等值热力学参数建模表示。图6所示模型可简化为数学公式：

式中，ti^t是电采暖设备所在室内温度，℃；c是室内等值热电容，j/℃；r是室内等值热电阻，℃/w；qi是室内等值热比率，w；是室外环境温度，℃；t是计算时刻；δt是仿真步长；g(t)是电采暖设备的开关状态。

式中，开关状态g(t)由上式决定；tset是电采暖设备工作温度设定值；δ是温度调节范围，该数学模型描述了电采暖设备锁所控制室内温度变化过程。

煤改电工程中，电采暖设备并入低压电网，不仅其启动运行的并发性对低压配网的运行造成了巨大的压力，同时单个电采暖设备的及时响应也具备一定的困难，原因是电采暖设备启动的动态电压特性直接影响了电采暖设备能否正常启动。电采暖设备采用异步电动机，由其启动特性可知，启动转矩与外加电压的平方成正比。电采暖设备启动时，必须注入4～6倍额定功率的无功励磁功率，此时系统提供的端电压会急剧降低；若电采暖设备外加电压降低至临界启动电压以下，电采暖设备将启动失败。图7为电采暖设备在启停周期内的对电压影响曲线。

从图7可知，电采暖设备在ton时刻，室温为tmin，此时电采暖设备的外加电压为u0，在启动过程中，其外加电压急速下降后又快速恢复到unor。由于unor大于电采暖设备的临界运行启动电压umax，电采暖设备成功启动，并且其外加电压稳定在unor。在toff时刻，室温上升到tmax，此时电采暖设备关停，其外加电压恢复至u0。电采暖设备的最低运行启动电压umin可根据实验测量得知，或者按照额定值设定。

在低压配电网中，线路的电阻和电抗都较大，线路中的功率对电压损耗都有较大影响。且电采暖设备功率比较大，当大量电采暖设备同时处于运行状态时，线路电压会快速降落，位于线路末端的用户电器有可能不能正常启动。若监测配电网电压水平，在配电网整体电压较低时，将部分已经满足用户采暖需求的电采暖设备关闭，则可以大幅改善配电网的电压水平，提高线路末端电压水平。因此，在配电网大规模接入电采暖设备的背景下，可调动群体电采暖设备的调节能力改善部分单体电采暖设备的启动情况。

举例说明：选取某“煤改电”区域为研究对象进行验算，如图8所示。该系统中共有62个节点，4座变压器。节点a1是高压配电节点且为平衡节点，假设其电压保持不变，a2～38是10kv配电节点，b39～b62是低压配电节点。节点a4，a7，a9，a23经变压器连接低压配电网，所有变压器均为oltc，电压调节范围均为[0.90.1.10]，单个调节挡位均为0.025p.u.，动作次数上限均取为10次。每个低压配电网节点处存在2个电采暖设备，低压配网合格电压范围是-10％～+7％。电采暖设备负荷利用每个时间区段内的同时系数进行预测，图9为该区域典型日的电采暖设备同时系数。

电采暖设备在短时间内多次启动会影响电采暖设备使用寿命，为了保证电采暖设备的正常使用寿命，若电采暖设备正常关闭时，距下一次启动时间间隔为20分钟；若电采暖设备启动异常时，距下一次重新启动时间间隔为30分钟。算例中的电采暖设备有功功率为5.5kw，功率因数为0.85，临界运行启动电压经实验测量统计取为0.8p.u.；温度设定值为sett＝20℃，温度上下边界为δ＝±2℃；该区域用户的r、c情况符合正态分布，其均值分别为0.1008℃/w、3579.3j/℃，标准差分别为0.25r、0.25c。日间仿真步长为1分钟，仿真时间为1天，室外温度采用华北地区某典型日温度，如图10所示。

举例结果及分析：根据本发明实施例所提出的用于煤改电的配网电压优化控制方法，采用基于最优启停调节的配电网电压优化控制策略，电采暖设备按照最优响应启停，选择低压配网系统中的典型用户节点b44、b50、b56、b62观察电采暖设备所在室内温度控制效果，如图11所示。最优响应策略可以有效改善低压电网电压水平，根据优先级满足用户采暖需求的情况，整体提高系统电压质量，各节点采用优化控制策略前后电压水平如图12-图15所示，平均电压合格率由之前的0.9069提高为0.9180，如表1所示。

表1采用优化控制策略前后电压合格率对比

综上，本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法，综合考虑用户的室温采暖需求和电采暖设备外加电压情况，控制装置结合电采暖设备自身的响应优先级进行电采暖设备的启停控制。其中，各电采暖设备均安装了接入电压监测、温度监测、数据处理及数据通讯模块，与控制装置进行通讯。控制装置通过数据通讯模块实时掌握各个电采暖设备的运行电压、电流、温度和工作状态。电采暖设备最优即为控制装置根据各电采暖设备实时监测的电压、电流和温度数据，并计算电采暖设备自身响应优先级，然后根据优先级控制自身启停。其中，电采暖设备最优包含电采暖设备关闭策略优先级确定和电采暖设备启动策略优先级确定。电采暖设备关闭策略优先级确定为各电采暖设备依据“启动冲击电流小先关闭-压降高先关闭-所在室温高先关闭-距离电源点远先关闭”的原则，确定电采暖设备自身关闭的优先级。电采暖设备关闭温度优先级还包括：根据电采暖设备所在室内温度，对不同等级室内温度，生成不同的电采暖设备关闭温度优先级判定。电采暖设备最优启动策略为“启动冲击大先启动-压降高先启动-所在室温低先启动原则-距离电源点近先启动”的原则，确定自身启动的优先级。

根据本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法，从电采暖设备最优启停调节时刻角度出发，改变电采暖设备的使用时间段、进而改变了低压配网的负荷使用时序及分配，进而降低了配网的电压偏差率，即考虑到每个单体电采暖设备的情况，在保证用户采暖需求的基础上，改善电网电压水平，提高电采暖设备启动率，从而有效解决大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动的问题，具有广泛的工程应用前景。

本发明的进一步实施例还提出了一种用于煤改电的配网电压优化控制系统。

图16是根据本发明一个实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统的结构框图。如图16所示，该用于煤改电的配网电压优化控制系统100，包括：获取模块110、确定模块120和控制模块130。

具体的，获取模块110用于实时获取每个电采暖设备的运行电压、运行电流和环境温度。

确定模块120用于根据每个电采暖设备的运行电压、运行电流和所处环境温度，确定每个电采暖设备的自身响应优先级。

控制模块130用于根据每个电采暖设备的自身响应优先级对所有电采暖设备进行最优启停调节。

具体的，自身响应优先级包括自身关闭优先级，其中，根据预设关闭优先级原则确定每个电采暖设备的自身关闭优先级，预设关闭优先级原则包括：启动冲击电流小优先关闭、压降高优先关闭、所处环境温度高优先关闭、距离电源点远优先关闭。

在本发明的一个实施例中，控制模块130还用于：根据每个电采暖设备与电源点的电气距离，将所有电采暖设备划分为近电气距离组、中电气距离组、远电气距离组，根据电采暖设备最大启动电压和最小启动电压，控制近电气距离组优先关闭，控制近电气距离组最后关闭。

在本发明的一个实施例中，自身响应优先级还包括自身启动优先级，其中，根据预设启动优先级原则确定每个电采暖设备的自身启动优先级，预设启动优先级原则包括：启动冲击电流大优先启动、压降高优先启动、所处环境温度低优先启动、距离电源点近优先启动。

在本发明的一个实施例中，确定模块120还用于：对电采暖设备所处环境温度进行温度等级划分，根据得到的不同温度等级，生成对应不同的电采暖设备关闭/开启温度优先级。

需要说明的是，本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统的具体实现方式与本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

根据本发明实施例的用于煤改电的配网电压优化控制系统，从电采暖设备最优启停调节时刻角度出发，改变电采暖设备的使用时间段、进而改变了低压配网的负荷使用时序及分配，进而降低了配网的电压偏差率，即考虑到每个单体电采暖设备的情况，在保证用户采暖需求的基础上，改善电网电压水平，提高电采暖设备启动率，从而有效解决大量电采暖设备接入农村低压配电网导致的电压质量下降，进而引起电采暖设备频繁不能启动的问题，具有广泛的工程应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。