1、基金项目:国家自然科学基金资助项目(51567019)收稿日期:2021-05-31 修回日期:2021-06-05 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0098-05考虑用电特征的楼宇负荷分类优化调度仿真夏 震,程若发(南昌航空大学信息工程学院,江西 南昌 330063)摘要:针对自动需求响应过程中楼宇负荷的优化调度问题,根据负荷用电特征的不同,提出一种考虑用电特征的负荷分类优化调度模型。根据楼宇负荷不同的用电特征,将其分为连续型负荷和开关型负荷。基于各负荷的约束,以负荷用电成本为优化目标,建立楼宇负荷的分类优化调度模
2、型。使用 CPLEX 优化技术对模型进行求解。通过仿真分析得出,相比于传统的调度方法,所提方法能有效降低负荷用电成本,减少优化迭代次数,从而保证了自动需求响应过程中的实时性。关键词:负荷调度;自动需求响应;分类调度中图分类号:TM743 文献标识码:BOptimal Dispatching Simulation of Building Load ClassificationConsidering Power Consumption CharacteristicsXIA Zhen,CHENG Ruo-fa(Institute of Information Engineering,Nanchang
3、 Hangkong University,Nanchang Jiangxi 330063,China)ABSTRACT:Aiming at the problem of optimal scheduling of building loads in the process of automatic demand re-sponse,and according to the different characteristics of load power consumption,a load classification optimizationdispatching model consider
4、ing power consumption characteristics is proposed.First,according to the different powerconsumption characteristics of the building load,it was divided into continuous load and switching load.Secondly,based on the constraints of each load,with the load power cost as the optimization goal,the buildin
5、g load classifica-tion optimization scheduling model was established.Finally,the CPLEX optimization technology was used to solve themodel.Through simulation analysis,it is concluded that compared with the traditional scheduling method,thismethod can effectively reduce the cost of load power consumpt
6、ion and reduce the number of optimization iterations,thereby ensuring the real-time nature of the automatic demand response process.KEYWORDS:Load scheduling;Automatic demand response;Classification scheduling1 引言近年来,随着我国新能源的投入率大幅度提升以及电网智能化的深入发展,“源荷互动”与“需求侧响应”已经成为了备受关注的研究课题。结合我国的电网市场现状,相关领域专家做出了巨大的努力
7、,取得了许多令人瞩目的理论及应用研究成果。文献1利用核电机组参与系统调峰,建立了一个计及风电出力随机性的核电、火电、电转气和风电的联合优化调度模型,对经济和安全指标进行优化,取得了较好的优化结果。文献2针对含风电的电力系统,其风电的消纳水平低及高峰谷差问题,基于分时电价等激励措施下可控负荷时空调节能力,提出了一种源荷双层互动调度优化模型,通过平移负荷以消纳风电,不仅降低了用户的用电成本,还将发电成本保持在了最低水平,实现了源荷互动的双赢。为了提高源荷互动的效率,部分专家学者提出了“自动需求响应”的概念,基于物联网技术,结合人工与自动化方法,实现加速负荷侧的需求响应,有利于减少人工需求响应消耗的
8、时间,避免响应不及时所导致的无效响应等问题。文献3提出自动需求响应系统的概念模型,剖析了自动需求响应系统的业务需求,结构组成等问题。文献4 和文献5将自动需求响应技术应用于楼宇柔性负荷调度中,将所有的柔性负荷以中断和平移的方式进行优化调度。基于负荷的最小持续工作时长和最大中断时长约束,对负荷用电成本进行优化。但该调度方式未考虑负荷不同的工作特征对调度的影响,例如连续调节型负荷与开关状态型负荷。除此89之外,其使用智能优化算法进行求解,优化迭代次数不稳定,且求解精度较高的情况下,迭代次数普遍偏高,在自动需求响应中可能存在响应不及时的情况。对于温控负荷,该方法不能灵活改变用户需求的温度范围。影响用
9、户参与互动的舒适性等问题,导致用户的满意度下降,从而影响用户参与自动需求响应的积极性。为了解决上述问题,以更好地支撑自动需求响应技术的发展,本文面向楼宇自动需求响应的场景,提出一种考虑负荷用电特征的分类优化调度的方法。2 负荷分类根据楼宇负荷的用电特征不同,将楼宇负荷分为两大类,一类为不参与需求响应调度的刚性负荷,即不可控负荷;另一类为可参与需求响应调度的柔性负荷,其为可控负荷。在传统的需求响应调度过程中,通常将柔性负荷细分为可中断负荷以及可转移负荷。可中断负荷如空调等,其受最小持续运行时间和最大可中断时间的约束;可平移负荷如洗衣机等,其持续运行时间固定,但可以将运行时间在可调度范围内双向平移
10、。考虑到部分楼宇负荷功率调节的连续性,本文将楼宇中的柔性负荷重新细分成两类,分别为连续型负荷与开关型负荷。连续型负荷如空调等可以进行连续调节负载功率的柔性负荷,开关型负荷如洗衣机、洗碗机、热水壶等仅存在开和关两种状态的柔性负荷。楼宇典型柔性负荷的用电特征分类如图 1 所示。图 1 柔性负荷用电特性分类3 负荷分类调度模型3.1 连续型负荷模型典型的楼宇连续型负荷通常为温控负荷,常用的有空调、热水器等。以下以温控负荷中的空调为例建立其对应的调度模型。3.1.1 目标函数以楼宇空调的用电成本最低为优化目标,构建基于分时电价响应的楼宇连续负荷优化调度模型,温控负荷的优化目标函数如式(1)所示minF
11、1=Tt=1pt(Ec,t+Eh,t)t(1)式(1)中,T 为日负荷时段总数,pt为时段 t 内的边际成本,即分时电价,Ec,t为空调在时段 t 内制冷的输出功率,Eh,t为空调在时段 t 内制热的输出功率,t 为负荷调度中的单位时长。3.1.2 约束条件楼宇的室温受外界温度的约束,在空调正常工作的情况下,楼宇室温变化受外界温度影响的等式约束如式(2)所示Tt=Tt-1+(1-)Qt+=Eh,tstt-Ec,t(1-stt)stt=0,1|(2)式中,Tt为时段 t 内的室温,为楼宇隔热系数,Qt为时段 t内的室外温度,为空调的制冷或制热因子,stt为温控负荷在时段 t 内的工作状态。当其为
12、 0 时,温控负荷工作于制冷状态,当其为 1 时,温控负荷工作于制热状态。在任意时段 t内,室温需要稳定在用户设定的范围内,其满足的目标温度范围约束如式(3)所示Tmint,set Tt Tmaxt,set(3)式中,Tmint,set为时段 t 内的目标温度范围的下限,Tmaxt,set为时段 t内的目标温度范围上限。此外空调受其输出功率极限的约束如式(4)所示Emin Eh,t EmaxEmin Ec,t Emax(4)式中,Eh,t和 Ec,t分别为空调制热和制冷的实际输出功率;Emin为空调输出功率下限,Emax为空调输出功率上限。3.2 开关型负荷模型典型的楼宇开关型负荷通常为工作状
13、态离散的负荷,常用的有洗衣机、热水壶、洗碗机和电风扇等。以下针对几种常用的开关型负荷建立其所对应的负荷调度模型。3.2.1 目标函数对于楼宇中的开关型负荷,同样以其用电成本最小为目标函数。如式(5)所示minF2=Tt=1ptSi,tEit(5)式中,T 为日负荷时段总数,pt为时段 t 内的分时电价,Ei为负荷的额定负载功率,t 为负荷调度中的单位时长。Si,t为负荷 i 在时段 t 内的工作状态,其满足的表达式如式(6)所示Si,t=0,off1,on|(6)式中,当 Si,t=0 时,表示开关型负荷 i 处于关断状态;当 Si,t=1 时,表示开关型负荷 i 处于工作状态。3.2.2 约
14、束条件开关型负荷中具有中断的性质以及可平移的性质,为此,需要满足中断约束和平移约束。中断约束条件如式(7)所示。99Ti,t,on Ti,min,onTi,t,off Ti,max,off(7)式中,Ti,t,on为开关型负荷 i 的实际连续运行时长,Ti,min,on为负荷 i 必要的最小持续运行时长。可转移负荷约束条件如式(8)所示Ti,on Ti,startTi,on Ti,endTi,t,on Ti,ct,on|(8)式中,Ti,on为负荷 i 开始调度时间,Ti,start为负荷 i 最早开始调度时间;Ti,end为负荷 i 最晚开始调度时间;Ti,t,on为负荷 i 的实际连续运行
15、时长,Ti,ct,on为负荷实际需要运行的时长。4 算例分析4.1 算例参数假设某楼宇用户典型的连续型用电负荷为空调;典型的开关型负荷为洗衣机、热水壶、洗碗机。用户所在楼宇的初始室温是 20,分时调度的单位时段长度为 1h,楼宇的隔热系数为 0.96,空调的制冷、制热能效均为 0.6,空调的最大功率为 2kW,用户满意的温度范围是19-23。洗衣 机、热 水 壶、洗 碗 机 的 额 定 功 率 分 别 为 2kW,1.5kW,1.5kW;分时调度的单位时段长度为 15min;其中,洗衣机的最小持续运行时长为 75min,调度时段为 8:15-22:00;热水壶的最小持续运行时长为 15min,
16、调度时段为 6:45-7:15,11:30-12:15,17:30-19:00;洗碗机的最小持续运行时长为 30min,调度时段为 8:00-12:00,13:30-18:30,20:00-22:00。即洗衣机日内调度一次,其它负荷日内调度三次。基于日内负荷调度的分时电价曲线如图 2 所示。图 2 楼宇日负荷分时电价曲线4.2 连续型负荷调度考虑到楼宇用户在夏季和冬季的用电情况不同,基于MATLAB 2018b 中 YALMIP 工具箱和 Cplex12.4 优化求解器对连续型调度负荷模型进行优化求解。得到夏季和冬季的楼宇空调调度功率输出变化曲线以及楼宇室内温度和室外温度在调度期间的变化曲线。在夏季,空调仅输出制冷功率使室内降温。基于分时调度的空调输出功率曲线如图 3所示。图 3 夏季空调输出功率曲线从图中不难得出,在 4 时至 8 时,电价处于较低水平,为了维持室温处于期望的范围之内,空调输出功率显著增加,以降低楼宇室内温度,使之应对电价高峰时负荷降低功率运行导致的室温随外界温度上升情况;8 时至 14 时,电价处于较高水平,空调的输出功率明显降低,以节约耗电成本。此时室温仅随外界温
