CN113623710A - 考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法及装置，包括以下步骤；步骤S1、构建蓄热式电采暖***数学模型；步骤S2、基于所述蓄热式电采暖***模型，构建蓄热式电采暖***的双层优化配置数学模型；数学模型的上层以最小化投资成本等年值为目标函数，以设备最大装设容量为约束，求解容量配置方案；数学模型的下层以最小化年运行维护成本为目标函数，以配网功率及可靠供暖约束，各设备模型约束，以及联络线功率约束为约束，求解运行调度方案；步骤S3、对双层优化配置数学模型进行求解，得到***的优化配置方案及调度方案；本发明能在满足配电网传输功率约束前提下，充分利用蓄热设备，在实现“停电不停暖”的同时，能够降低用能成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力***及其自动化技术领域，尤其是考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法及装置。
背景技术
冬季供暖是中国北方居民的基本民生需求，长久以来大多采用燃煤的集中式供暖，然而大量燃煤供暖带来巨大的环境影响。在众多清洁取暖方式中，电采暖因其清洁环保、可控性强、能源供给压力小等优点，受到了各级政府和企业的大力支持和推广。
然而，在京津冀等地区实施大规模“煤改电”后，大量电采暖设备接入使得电力负荷增长明显，严重影响配电网安全运行。并且随着电采暖设备占比持续升高，居民供暖对电网依赖程度逐步提高，“停电又停暖”将带来巨大民生问题，因此如何在停电时段避免供暖中断亟待研究。同时，在运行过程中，传统电采暖存在用户采暖费用过高、制热过多造成能源浪费等情况。
相较于传统电采暖，蓄热式电采暖因其特有的蓄热能力，可利用分时电价(TOU)政策降低用户采暖费用，可实现一定程度的“削峰填谷”，减轻电网运行压力，降低电网改造费用，有效缓解用户采暖需求与采暖费用高昂之间的矛盾。然而，蓄热式电采暖仍无法规避电采暖负荷接入对电网安全运行带来的影响，如在TOU引导下，甚至可能出现新的峰谷差，进一步增加台区负载率，威胁电网安全稳定运行。
各国学者在蓄热式电采暖优化配置方面已有诸多研究：有的利用房屋热平衡的RC模型测算供热负荷需求，进而对蓄热水箱的容量进行优化配置，降低运行成本；有的以社区综合能源***为研究对象，优化蓄热水箱和制热设备的容量配置；有的提出了考虑分布式可再生能源的动态优化配置方法，提高可再生能源利用率；有的基于能源集线器(Energyhub,EH)模型建立家庭能源***双层优化配置模型，上层考虑年成本最小，下层以联络关系最优为目标；有的考虑建筑热动态和用户舒适度，构建社区微网蓄热和蓄电优化配置模型。
然而，上述优化配置方法，侧重点关注蓄热式电采暖配置对用户经济性、舒适性、新能源消纳等方面的影响，在老旧小区进行蓄热式电采暖改造的工程实际中，往往不具备对配电网线路扩容的现实条件，因此需进一步考虑配电网功率约束。
当规划主体为电网时，部分研究者在考虑运行成本的基础上，同时考虑电热需求响应成本、功率损失成本及电压降惩罚等，运用次序配置策略，有效提高能源利用效率；部分研究者在微网储能优化配置中考虑微网可靠性约束，降低储能***投资成本和微网运行成本；部分研究者结合本地变压器约束，优化可再生能源发电单元及储能容量。上述研究虽考虑配电网传输功率对储能容量的约束，但未充分利用蓄热水箱在供电中断期间实现“停电不停暖”。从各地供电公司针对“煤改电”用户进行的停电应急演练、配备应急发电车等措施可以看出，在蓄热式电采暖***的优化配置和运行优化中，实现蓄热式电采暖***可靠供能应作为必须考虑的重大民生因素。国家电网公司于2018年出台了《关于落实停电不停暖技术措施保障持续供暖的通知》，对“停电不停暖”提出了具体要求。
基于上述问题，本发明以配电网传输功率限制、停电时间内“停电不停暖”供热需求等为约束，建立了上层以蓄热式电采暖***的年总成本最小、下层以用户运行成本最小为目标的蓄热式电采暖***双层优化配置模型。算例结果表明，该方法在满足配电网传输功率约束前提下，充分利用蓄热设备，在实现“停电不停暖”的同时，能够降低用能成本。
发明内容
本发明提出考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法及装置，本发明建立了配网功率约束以及可靠供暖约束，并在该模型基础上建立考虑配网功率约束以及可靠供暖约束的园区蓄热式电采暖***优化配置方法，以保障了配电网安全可靠供电及电采暖***可靠供热，有效实现了配电网无增容情况下的电采暖负荷接入，进而提高电采暖***运行的合理性与经济性，能在满足配电网传输功率约束前提下，充分利用蓄热设备，在实现“停电不停暖”的同时，能够降低用能成本。
一种考虑配网功率及可靠供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，所述方法包括：构建园区热负荷及蓄热式电采暖***建模，按单体房间-单体楼宇-园区楼宇群的顺序进行建模，刻画园区热负荷特性。构建蓄热式电采暖***模型，并考虑以配电网最大传输功率约束模型及停电时段维持供暖负荷模型，该模型保障***输入功率小于配电网承载能力下限并满足停电时段用户热负荷需求，保证***运行安全性；
基于所述模型，构建园区蓄热式电采暖***的双层优化配置数学模型，上层以最小化投资成本等年值为目标函数，求解容量配置方案，下层以最小化年运行维护成本为目标函数，求解运行调度方案；
采用Matlab调用SNOPT对双层优化配置数学模型进行求解，为园区提供考虑配电网约束及可靠供暖的蓄热式电采暖***优化配置方案及调度方案；
一种蓄热式电采暖虚拟电厂日前可调度潜力评估装置，包括以下模块：配网功率约束计算模块；可靠供暖约束计算模块；蓄热式电采暖优化配置模块；
将优化配置方案及调度方案用于实际园区蓄热式电采暖***建设及运行调控中，以实现对园区蓄热式电采暖***的合理规划及调度，保障用户用能需求，提升园区供能可靠性。
本发明采用以下技术方案。
考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，所述方法包括以下步骤；
步骤S1、构建蓄热式电采暖***的数学模型，该模型包括配网功率约束、可靠供暖约束，用于表述配电网功率承载能力、在停电状态下维持可靠供暖的能力以及***运行时的采暖供需平衡保障能力；
步骤S2、基于所述蓄热式电采暖***模型，构建蓄热式电采暖***的双层优化配置数学模型；数学模型的上层以最小化投资成本等年值为目标函数，以设备最大装设容量为约束，求解容量配置方案；数学模型的下层以最小化年运行维护成本为目标函数，以配网功率及可靠供暖约束，各设备模型约束，以及联络线功率约束为约束，求解运行调度方案；
步骤S3、采用SNOPT对双层优化配置数学模型进行求解，为蓄热式电采暖***提供考虑配网功率及可靠供暖约束的优化配置方案及调度方案。
步骤S1中的蓄热式电采暖***的数学模型在应用于电采暖负荷接入地区时，通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率约束的时空特性加以描述，并以配电网最大传输功率评估及表征其接入配电网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式一；
Pgrid,max＝minPmar(t) 公式二；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW； Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，单位为kW。
蓄热式电采暖***的数学模型的可靠供暖约束包括满足停电时段用户热需求，即停电时段维持供暖负荷模型，以公式表述如下；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为 kW。
所述蓄热式电采暖***的蓄热部件包括蓄热水箱，当蓄热水箱可实现停电时段可靠供暖时，蓄热水箱的蓄热容量大于停电时段维持供暖负荷，即满足可靠供暖约束，蓄热式电采暖***的可靠供暖约束如下式所示：
Houtage≤QHWT,min 公式四；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；QHWT,min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh。
所述方法还包括步骤S4、基于所述配网功率及可靠供暖约束构建蓄热式电采暖模型，基于该模型对蓄热式电采暖进行优化配置，以考虑配网功率约束及可靠供暖约束对蓄热式电采暖配置及调度影响，实现可靠供能；也就是将优化配置方案及调度方案用于实际园区蓄热式电采暖***建设及运行调控中，以实现对园区蓄热式电采暖***的合理规划及调度，保障用户用能需求，提升园区供能可靠性。
在步骤S2中，采用Matlab对双层优化配置数学模型进行求解；为蓄热式电采暖***提供优化的容量配置方案及运行调度方案；
具体步骤为：
步骤A1、构建模型：使用MATLAB编写上述考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置数学模型；
步骤A2、数据初始化：输入计算所需数据，所需数据包括电采暖***典型日负荷及光照强度，设备经济、技术参数；
步骤A3、求解：使用SNOPT工具箱进行求解并输出数据。
在步骤S1构建蓄热式电采暖***的数学模型时，需首先对园区热负荷进行建模，具体为按单体房间-单体楼宇-园区楼宇群的顺序进行建模，并刻画园区的热负荷特性；
所述单体房间建模所得的RC模型包括：室外、围护结构、室内；将围护结构进一步分解为屋顶、窗体、墙壁和地板，以细化围护结构不同部分的热变化，房间热平衡模型以公式表述为
Ca＝ca·ρa·A·h 公式2；
式中：ΔQ为房间热交换量，单位为kW；Ca为空气热容，kJ/K；ca为空气比热容，单位为kJ·kg-1·K-1；ρa为空气密度，单位为kg/m3；A为房间占地面积，单位为m2；h为房间高度，单位为m；
单体房间RC模型以状态方程表述为
式中：x为***状态变量，表示各计算节点温度；u为***控制变量；d为***扰动量；y为输出量；下标t为时刻；
公式a3中的各变量表达式以公式(4)-公式(9)表述为：
x＝[Tin Tr，out Tr，in Tw，out Tw，in Tf，in]T (4)
B＝[1 0 0 0 0 0]T (7)
ut＝[Hload/Ca 0 0 0 0 0]T (8)
式中：C为热容，单位为J/℃；T为温度，单位为℃；R为热阻，单位为(m2·K)/W；角标r、w、f分别表示屋顶、墙体、地板，in、out分别表示结构内、外面；Hw，solar为太阳辐射对墙体贡献的热功率，单位为kW；Hr，solar为太阳辐射对屋顶贡献的热功率，单位为kW；Hwindow，solar为太阳辐射透过窗体对室内贡献的热功率，单位为kW；Hheat为采暖***提供的热功率，单位为kW；Hvent为空气渗透耗热量，单位为kW；Hman为用户行为产生的热功率，单位为kW。
单体房间RC模型为一阶非线性微分方程，当以其为基础来聚合生成单体楼宇热动态模型时，将单体房间的热动态RC方程差分化，将其转化为一阶线性方程以提高计算速度，以公式表述为
其中t时刻单体楼宇热负荷Hbuilding(t)等效为Na个包含不同用户特性的单体房间的集合；
以单体楼宇热动态模型生成Nb个楼宇组成的园区楼宇群热动态方程，以公式表述为
式中：Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为kW。
所述蓄热式电采暖***包括热泵、蓄热水箱、散热器、热泵循环水泵、热网循环水泵、动力用蓄电池和暖气管道，其中热泵为制热设备，蓄热水箱为蓄热设备，蓄电池用于故障停电时驱动热网循环水泵使蓄热水箱继续供热；蓄热式电采暖***从配电网购电，购置的电能通过热泵转化为热能，再通过蓄热水箱的合理调度来满足热负荷需求；
当采用统一母线式结构对蓄热式电采暖***建模时，则蓄热式电采暖***还包括电母线和热母线，蓄热式电采暖***的模型表述如下：
所述热泵选用水源热泵、地源热泵或空气源热泵中的一种或多种，其制热功率以公式表述为；
HHP(t)＝PHP(t)/c 公式12；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，单位为kW；c为热泵全年综合效能比，即ACOP；PHP(t)为t 时刻热泵消耗电功率，单位为kW；
热泵输出功率小于热泵额定功率，即0≤HHP(t)≤QHP 公式13；
式中：QHP为热泵额定功率，单位为kW；
蓄热水箱特性以蓄热量、蓄/放热功率及热损耗之间的关系进行表述，公式为；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，单位为kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，单位为kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，单位为kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt为仿真时间步长，取值为1h；
蓄热水箱充放能及储能量约束如下：
0≤WHWT(t)≤QHWT 公式17；
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，单位为kWh；
所述蓄热水箱的调度周期始末蓄热量需保持一致，以公式表述为；
WHWT(1)＝WHWT(T) 公式18；
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，单位为kWh；
电母线和热母线需满足的功率平衡约束以公式表述如下；
电母线功率平衡约束为Pgrid(t)＝PHP(t) 公式19；
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，单位为kW；
热母线功率平衡约束为
所述配电网的最大传输功率模型，按配电网有功传输功率上限的70％考虑各时刻配电网最大传输功率，以公式表述为
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式21；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW； Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；
蓄热式电采暖***的输入功率小于配电网承载能力下限，以公式表述为
Pgrid,max＝minPmar(t) 公式22；
式中：Pgrid,max为考虑配电网承载能力下的电采暖***功率上限，单位为kW；
蓄热式电采暖***通过在蓄热水箱中留存一部分热量作为备用热源的方式来承载停电时段维持供暖负荷，以满足停电时段的用户供暖需求；停电时段的时长小于5h；停电时段维持供暖负荷以公式表述为
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh。
步骤S2中，构建考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置模型的方法分为构建上层优化配置模型和构建下层调度模型；
其中，构建上层优化配置模型的方法如下：
步骤B1、设定上层优化配置模型的控制变量为蓄热式电采暖***各设备的额定容量；
步骤B2、设定上层优化配置模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，所述蓄热式电采暖***的年总成本包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本；
式中：F为蓄热式电采暖***年总成本，单位为元；
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
投资成本等年值为热泵及蓄热水箱的投资成本等年值之和：
式中：
分别表示热泵和蓄热水箱投资成本等年值，单位为元；各设备投资成本等年值计算采用如下公式：
式中:cI,HP、cI,HWT分别为热泵及蓄热水箱单位投资成本，单位为元；r为贴现利率；lHP、lHWT分别为热泵及蓄热水箱的预计运行寿命年限，a；
蓄热式电采暖***年运行成本主要为与热泵消耗电功率有关的购电费用，以公式表述为：
式中：cgrid(t)为t时段电价，单位为元/kWh；
蓄热式电采暖***的设备年维护成本与各个设备的类型及运行情况有关；热泵维护费表示为单位功率维护成本与输出功率之积，蓄热水箱维护成本则与容量有关：以公式表述为
式中：cM,HP为热泵单位功率维护成本，单位为元/kW；cM,HWT为蓄热水箱单位容量维护成本，单位为元/kWh；
步骤B3、设定模型的约束，具体包括蓄热式电采暖设备的约束和满足停电时段用户热需求的约束；
所述蓄热式电采暖设备的约束中，蓄热式电采暖***设备可装设容量存在上、下限，以公式表述为
QHP,min≤QHP≤QHP,max 公式30；
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max 公式31；
式中：QHP,max、QHP,min为热泵可装设额定输出功率上、下限，单位为kW；QHP为热泵额定功率，单位为kW；QHWT,max、QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，单位为kWh；QHWT为蓄热水箱容量，单位为kWh；
所述满足停电时段用户热需求的约束中，使蓄热水箱容量应大于停电时段维持供暖负荷，停电时段维持供暖的约束以公式表述为；Houtage≤QHWT,min 公式32；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；QHWT,min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh；构建下层调度模型的方法如下：
步骤C1、设定模型的控制变量为***各设备的输入/输出和能源购售量；
步骤C2、设定模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，以公式表述为
式中的f为蓄热式电采暖***年运行维护成本，单位为元；运行维护成本由公式28、公式29求得；步骤C3、设定功率平衡约束、设备运行约束、考虑配电网网架约束的电功率上限约束和停电时段维持供暖负荷约束；
所述功率平衡约束为蓄热式电采暖***各时刻需要满足电、热母线的功率平衡约束，以公式19、公式20表述；
所述设备运行约束以公式12-公式18表述；
所述考虑配电网网架约束的电功率上限约束，为通过限制用电高峰时刻的电采暖***传输功率，缓解配电网负荷压力，保障电力有序可靠供应和电网安全稳定运行，以公式表述为Pgrid(t)≤Pgrid,max 公式 34；
所述停电时段维持供暖负荷约束，为使蓄热水箱容量在调度各时刻内应大于停电时段维持供暖负荷，保障任意时刻发生停电故障时，蓄热水箱中的蓄热量均满足用户热负荷，则由公式17、公式32可得该约束的表述公式为
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max 公式35。
考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置装置，包括以下模块：
配网功率约束计算模块，用于获取配电网最大传输功率及配电线路额定传输功率，构建配网功率约束模型，确定单体蓄热式电采暖出力配网功率约束，进而确定考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限；
可靠供暖约束计算模块，用于获取需供暖的园区的热负荷水平，构建停电时段维持供暖负荷模型，确定停电时段维持供暖负荷；
配网功率约束计算模块工作方法为：对于蓄热式电采暖负荷接入地区，可通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率时空特性加以描述，并考虑以配电网最大传输功率衡量其接入配网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t)
Pgrid,max＝minPmar(t)
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，kW；PN为配电线路额定传输功率，kW；Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
可靠供暖约束计算模块用于确定停电时段维持供暖负荷时，其工作方法为：将满足停电时段用户热需求作为蓄热式电采暖优化配置模型的约束条件之一，停电时段维持供暖负荷模型如下式所示：
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；tcut为停电时长，h；
所述配置装置还包括蓄热式电采暖优化配置模块，用于确定蓄热式电采暖配置方案及出力：
具体方法为(1)构建上层优化配置模型为：上层规划模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本：
式中：F为蓄热式电采暖***年总成本，单位为元；
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
其约束条件如下：1)蓄热式电采暖设备约束
QHP,min≤QHP≤QHP,max
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max
式中：QHP,max、QHP,min为热泵可装设额定输出功率上、下限，kW；QHP为热泵额定功率，kW；QHWT,max、 QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh；QHWT为蓄热水箱容量，kWh。
2)“停电不停暖”约束：Houtage≤QHWT,min
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；QHWT,min为蓄热水箱容量下限，kWh。
(2)构建下层优化调度模型为：下层运行优化模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，如下式所示：
式中：f为蓄热式电采暖***年运行维护成本，元；
其约束条件如下：1)功率平衡约束：Pgrid(t)＝PHP(t)式中： Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW。
2)设备运行约束：HHP(t)＝PHP(t)/c
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；c为热泵全年综合效能比(ACOP)；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
0≤HHP(t)≤QHP
式中：QHP为热泵额定功率，kW；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt 为仿真时间步长，取1h；
0≤WHWT(t)≤QHWT
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，kWh；
WHWT(1)＝WHWT(T)
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，kWh；
3)考虑配电网网架约束的电功率上限约束；Pgrid(t)≤Pgrid,max
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
4）停电时段维持供暖负荷约束；QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max
式中：QHWT为蓄热水箱容量，kWh；QHWT,max、QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)蓄热式电采暖可以通过蓄热水箱起到一定削峰填谷作用，缩小配电网负荷峰谷差，降低用能费用，合理配置蓄热式电采暖可以提高园区经济性。因此，有必要在园区电采暖***优化配置中考虑增加储能设备；
2)以配电网传输功率约束为限制时，可避免在用电高峰时刻叠加大量电采暖负荷，降低用电同时率，有效缓解负荷高峰时刻配电网运行压力，保障配电网运行安全性。因此，基于本文所提的优化配置及运行方案的实用性得到了改善；
3)以停电时间内保障用户“停电不停暖”作为约束，虽然增加了蓄热设备投资成本，但可通过充分利用蓄热设备，在停电时段维持供暖，保障了用户热负荷需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明中单体房间RC模型示意图；
附图2是本发明中蓄热式电采暖***示意图；
附图3是本发明中蓄热式电采暖***结构示意图；
附图4是本发明中双层优化配置模型示意图；
附图5是本发明中蓄热式电采暖***供暖季典型日热负荷水平示意图；
附图6是本发明中典型日室外温度和光照强度(图6a为室外温度，图6b为光照强度)示意图；
附图7是本发明中配电网电负荷示意图；
附图8是本发明中配电网承载能力示意图；
附图9是本发明中蓄热式电采暖***热负荷优化调度结果(其中a为场景1热负荷优化调度结果， b为场景2热负荷优化调度结果，c为场景3热负荷优化调度结果)示意图；
图10是本发明中蓄热式电采暖***电负荷优化调度结果(其中a为场景1电负荷优化调度结果， b为场景2电负荷优化调度结果，c为场景3电负荷优化调度结果)示意图；
图11是本发明中蓄热式电采暖***场景4***热负荷优化调度结果示意图。
具体实施方式
如图所示，考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，所述方法包括以下步骤；
步骤S1、构建蓄热式电采暖***的数学模型，该模型包括配网功率约束、可靠供暖约束，用于表述配电网功率承载能力、在停电状态下维持可靠供暖的能力以及***运行时的采暖供需平衡保障能力；
步骤S2、基于所述蓄热式电采暖***模型，构建蓄热式电采暖***的双层优化配置数学模型；数学模型的上层以最小化投资成本等年值为目标函数，以设备最大装设容量为约束，求解容量配置方案；数学模型的下层以最小化年运行维护成本为目标函数，以配网功率及可靠供暖约束，各设备模型约束，以及联络线功率约束为约束，求解运行调度方案；
步骤S3、采用SNOPT对双层优化配置数学模型进行求解，为蓄热式电采暖***提供考虑配网功率及可靠供暖约束的优化配置方案及调度方案。
步骤S1中的蓄热式电采暖***的数学模型在应用于电采暖负荷接入地区时，通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率约束的时空特性加以描述，并以配电网最大传输功率评估及表征其接入配电网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式一；
Pgrid,max＝minPmar(t) 公式二；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW； Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，单位为kW。
蓄热式电采暖***的数学模型的可靠供暖约束包括满足停电时段用户热需求，即停电时段维持供暖负荷模型，以公式表述如下；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为 kW。
所述蓄热式电采暖***的蓄热部件包括蓄热水箱，当蓄热水箱可实现停电时段可靠供暖时，蓄热水箱的蓄热容量大于停电时段维持供暖负荷，即满足可靠供暖约束，蓄热式电采暖***的可靠供暖约束如下式所示：
Houtage≤QHWT,min 公式四；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；QHWT,min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh。
所述方法还包括步骤S4、基于所述配网功率及可靠供暖约束构建蓄热式电采暖模型，基于该模型对蓄热式电采暖进行优化配置，以考虑配网功率约束及可靠供暖约束对蓄热式电采暖配置及调度影响，实现可靠供能；也就是将优化配置方案及调度方案用于实际园区蓄热式电采暖***建设及运行调控中，以实现对园区蓄热式电采暖***的合理规划及调度，保障用户用能需求，提升园区供能可靠性。
在步骤S2中，采用Matlab对双层优化配置数学模型进行求解；为蓄热式电采暖***提供优化的容量配置方案及运行调度方案；
具体步骤为：
步骤A1、构建模型：使用MATLAB编写上述考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置数学模型；
步骤A2、数据初始化：输入计算所需数据，所需数据包括电采暖***典型日负荷及光照强度，设备经济、技术参数；
步骤A3、求解：使用SNOPT工具箱进行求解并输出数据。
在步骤S1构建蓄热式电采暖***的数学模型时，需首先对园区热负荷进行建模，具体为按单体房间-单体楼宇-园区楼宇群的顺序进行建模，并刻画园区的热负荷特性；
所述单体房间建模所得的RC模型包括：室外、围护结构、室内；将围护结构进一步分解为屋顶、窗体、墙壁和地板，以细化围护结构不同部分的热变化，房间热平衡模型以公式表述为
Ca＝ca·ρa·A·h 公式2；
式中：ΔQ为房间热交换量，单位为kW；Ca为空气热容，kJ/K；ca为空气比热容，单位为kJ·kg-1·K-1；ρa为空气密度，单位为kg/m3；A为房间占地面积，单位为m2；h为房间高度，单位为m；
单体房间RC模型以状态方程表述为
式中：x为***状态变量，表示各计算节点温度；u为***控制变量；d为***扰动量；y为输出量；下标t为时刻；
公式a3中的各变量表达式以公式(4)-公式(9)表述为：
x＝[Tin Tr，out Tr，in Tw，out Tw，in Tf，in]T (4)
B＝[1 0 0 0 0 0]T (7)
ut＝[Hload/Ca 0 0 0 0 0]T (8)
式中：C为热容，单位为J/℃；T为温度，单位为℃；R为热阻，单位为(m2·K)/W；角标r、w、f分别表示屋顶、墙体、地板，in、out分别表示结构内、外面；Hw，solar为太阳辐射对墙体贡献的热功率，单位为kW；Hr，solar为太阳辐射对屋顶贡献的热功率，单位为kW；Hwindow，solar为太阳辐射透过窗体对室内贡献的热功率，单位为kW；Hheat为采暖***提供的热功率，单位为kW；Hvent为空气渗透耗热量，单位为kW；Hman为用户行为产生的热功率，单位为kW。
单体房间RC模型为一阶非线性微分方程，当以其为基础来聚合生成单体楼宇热动态模型时，将单体房间的热动态RC方程差分化，将其转化为一阶线性方程以提高计算速度，以公式表述为
其中t时刻单体楼宇热负荷Hbuilding(t)等效为Na个包含不同用户特性的单体房间的集合；
以单体楼宇热动态模型生成Nb个楼宇组成的园区楼宇群热动态方程，以公式表述为
式中：Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为kW。
所述蓄热式电采暖***包括热泵、蓄热水箱、散热器、热泵循环水泵、热网循环水泵、动力用蓄电池和暖气管道，其中热泵为制热设备，蓄热水箱为蓄热设备，蓄电池用于故障停电时驱动热网循环水泵使蓄热水箱继续供热；蓄热式电采暖***从配电网购电，购置的电能通过热泵转化为热能，再通过蓄热水箱的合理调度来满足热负荷需求；
当采用统一母线式结构对蓄热式电采暖***建模时，则蓄热式电采暖***还包括电母线和热母线，蓄热式电采暖***的模型表述如下：
所述热泵选用水源热泵、地源热泵或空气源热泵中的一种或多种，其制热功率以公式表述为；
HHP(t)＝PHP(t)/c 公式12；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，单位为kW；c为热泵全年综合效能比，即ACOP；PHP(t)为t 时刻热泵消耗电功率，单位为kW；
热泵输出功率小于热泵额定功率，即0≤HHP(t)≤QHP 公式13；
式中：QHP为热泵额定功率，单位为kW；
蓄热水箱特性以蓄热量、蓄/放热功率及热损耗之间的关系进行表述，公式为；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，单位为kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，单位为kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，单位为kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt为仿真时间步长，取值为1h；
蓄热水箱充放能及储能量约束如下：
0≤WHWT(t)≤QHWT 公式17；
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，单位为kWh；
所述蓄热水箱的调度周期始末蓄热量需保持一致，以公式表述为；
WHWT(1)＝WHWT(T) 公式18；
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，单位为kWh；
电母线和热母线需满足的功率平衡约束以公式表述如下；
电母线功率平衡约束为Pgrid(t)＝PHP(t) 公式19；
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，单位为kW；
热母线功率平衡约束为
所述配电网的最大传输功率模型，按配电网有功传输功率上限的70％考虑各时刻配电网最大传输功率，以公式表述为
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式21；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW； Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；
蓄热式电采暖***的输入功率小于配电网承载能力下限，以公式表述为
Pgrid,max＝minPmar(t) 公式22；
式中：Pgrid,max为考虑配电网承载能力下的电采暖***功率上限，单位为kW；
蓄热式电采暖***通过在蓄热水箱中留存一部分热量作为备用热源的方式来承载停电时段维持供暖负荷，以满足停电时段的用户供暖需求；停电时段的时长小于5h；停电时段维持供暖负荷以公式表述为
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh。
步骤S2中，构建考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置模型的方法分为构建上层优化配置模型和构建下层调度模型；
其中，构建上层优化配置模型的方法如下：
步骤B1、设定上层优化配置模型的控制变量为蓄热式电采暖***各设备的额定容量；
步骤B2、设定上层优化配置模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，所述蓄热式电采暖***的年总成本包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本；
式中：
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
投资成本等年值为热泵及蓄热水箱的投资成本等年值之和：
式中：
分别表示热泵和蓄热水箱投资成本等年值，单位为元；各设备投资成本等年值计算采用如下公式：
式中:cI,HP、cI,HWT分别为热泵及蓄热水箱单位投资成本，单位为元；r为贴现利率；lHP、lHWT分别为热泵及蓄热水箱的预计运行寿命年限，a；
蓄热式电采暖***年运行成本主要为与热泵消耗电功率有关的购电费用，以公式表述为：
式中：cgrid(t)为t时段电价，单位为元/kWh；
蓄热式电采暖***的设备年维护成本与各个设备的类型及运行情况有关；热泵维护费表示为单位功率维护成本与输出功率之积，蓄热水箱维护成本则与容量有关：以公式表述为
式中：cM,HP为热泵单位功率维护成本，单位为元/kW；cM,HWT为蓄热水箱单位容量维护成本，单位为元/kWh；
步骤B3、设定模型的约束，具体包括蓄热式电采暖设备的约束和满足停电时段用户热需求的约束；
所述蓄热式电采暖设备的约束中，蓄热式电采暖***设备可装设容量存在上、下限，以公式表述为
QHP,min≤QHP≤QHP,max 公式30；
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max 公式31；
式中：QHP,max、QHP,min为热泵可装设额定输出功率上、下限，kW；QHWT,max、QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，单位为kWh；
所述满足停电时段用户热需求的约束中，使蓄热水箱容量应大于停电时段维持供暖负荷，停电时段维持供暖的约束以公式表述为；
Houtage≤QHWT,min 公式32；
式中：QHWT,min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh；
构建下层调度模型的方法如下：
步骤C1、设定模型的控制变量为***各设备的输入/输出和能源购售量；
步骤C2、设定模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，以公式表述为
式中的运行维护成本由公式28、公式29求得；
步骤C3、设定功率平衡约束、设备运行约束、考虑配电网网架约束的电功率上限约束和停电时段维持供暖负荷约束；
所述功率平衡约束为蓄热式电采暖***各时刻需要满足电、热母线的功率平衡约束，以公式19、公式20表述；
所述设备运行约束以公式12-公式18表述；
所述考虑配电网网架约束的电功率上限约束，为通过限制用电高峰时刻的电采暖***传输功率，缓解配电网负荷压力，保障电力有序可靠供应和电网安全稳定运行，以公式表述为Pgrid(t)≤Pgrid,max 公式 34；
所述停电时段维持供暖负荷约束，为使蓄热水箱容量在调度各时刻内应大于停电时段维持供暖负荷，保障任意时刻发生停电故障时，蓄热水箱中的蓄热量均满足用户热负荷，则由公式17、公式32可得该约束的表述公式为
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max 公式35。
考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置装置，包括以下模块：
配网功率约束计算模块，用于获取配电网最大传输功率及配电线路额定传输功率，构建配网功率约束模型，确定单体蓄热式电采暖出力配网功率约束，进而确定考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限；
可靠供暖约束计算模块，用于获取需供暖的园区的热负荷水平，构建停电时段维持供暖负荷模型，确定停电时段维持供暖负荷；
配网功率约束计算模块工作方法为：对于蓄热式电采暖负荷接入地区，可通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率时空特性加以描述，并考虑以配电网最大传输功率衡量其接入配网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t)
Pgrid,max＝minPmar(t)
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，kW；PN为配电线路额定传输功率，kW；Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
可靠供暖约束计算模块用于确定停电时段维持供暖负荷时，其工作方法为：将满足停电时段用户热需求作为蓄热式电采暖优化配置模型的约束条件之一，停电时段维持供暖负荷模型如下式所示：
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；tcut为停电时长，h；
所述配置装置还包括蓄热式电采暖优化配置模块，用于确定蓄热式电采暖配置方案及出力：
具体方法为(1)构建上层优化配置模型为：上层规划模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本：
式中：F为蓄热式电采暖***年总成本，单位为元；
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
其约束条件如下：1)蓄热式电采暖设备约束
QHP,min≤QHP≤QHP,max
QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max
式中：QHP,max、QHP,min为热泵可装设额定输出功率上、下限，kW；QHP为热泵额定功率，kW；QHWT,max、 QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh；QHWT为蓄热水箱容量，kWh。
2)“停电不停暖”约束：Houtage≤QHWT,min
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；QHWT,min为蓄热水箱容量下限，kWh。
(2)构建下层优化调度模型为：下层运行优化模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，如下式所示：
式中：f为蓄热式电采暖***年运行维护成本，元；
其约束条件如下：1)功率平衡约束：Pgrid(t)＝PHP(t)式中： Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW。
2)设备运行约束：HHP(t)＝PHP(t)/c
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；c为热泵全年综合效能比(ACOP)；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
0≤HHP(t)≤QHP
式中：QHP为热泵额定功率，kW；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt 为仿真时间步长，取1h；
0≤WHWT(t)≤QHWT
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，kWh；
WHWT(1)＝WHWT(T)
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，kWh；
3)考虑配电网网架约束的电功率上限约束；Pgrid(t)≤Pgrid,max
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；Pgrid,max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
4)停电时段维持供暖负荷约束；QHWT,min≤QHWT≤QHWT,max
式中：QHWT为蓄热水箱容量，kWh；QHWT,max、QHWT,min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh。
实施例：
图5为根据公式(11)计算出的该园区楼宇群供暖区域供暖季典型日热负荷，假设该园区楼宇组成一致，类型及参数选取自文献[27](张嘉睿，穆云飞，贾宏杰，等.考虑停电时段用户热需求的蓄热式电采暖日前优化调度方法[J].电力***自动化，2020，44(21)：15-22)。
该典型日室外温度和光照强度如图6中的(a)及(b)所示。热泵及蓄热水箱的主要参数如表1所示。分时电价及用电高峰购电量限额如表2所示。配电网各时刻基础电负荷及承载能力如图7及图8所示。
表1热泵及蓄热水箱主要参数
表2分时电价及购电量约束
为更清晰验证本方法有效性，构建如表3所示4种典型场景进行对比。
1)正常供电下电采暖优化配置方案分析。
场景1：园区仅配置热泵，不配置蓄热水箱；
场景2：园区同时投资配置热泵和蓄热水箱；
场景3：园区同时投资配置热泵和蓄热水箱，并考虑约束(22)影响；
2)考虑“停电不停暖”配置方案分析。
场景4：在场景3的基础上，进一步考虑约束(23)影响，考虑停电时段维持供暖，实现“停电不停暖”。
表3算例场景
| 场景 | 热泵 | 蓄热水箱 | 购电上限 | 停电不停暖 |
| 1 | √ | |||
| 2 | √ | √ | ||
| 3 | √ | √ | √ | |
| 4 | √ | √ | √ | √ |
各场景下蓄热式电采暖***配置方案及年成本如表4所示，正常供电下，场景1-3的峰谷差与用电同时率如表5所示。
表4***配置方案及成本
表5峰谷差及用电同时率
| 场景 | 电采暖负荷峰谷差/kW | 配电网总负荷峰谷差/kW | 用电同时率 |
| 1 | 459.17 | 3750.98 | 0.99 |
| 2 | 20.91 | 3518.40 | 1 |
| 3 | 638.56 | 3096.00 | 0.89 |
由表4可见，场景2的年总成本相较于场景1降低了10.25％。由于蓄热水箱价格较低，蓄热式电采暖通过装设蓄热设备可有效减少热泵功率，降低投资成本。但由于蓄热水箱的热损失及维护成本，***运行维护成本将增加。
场景1-3***典型日热负荷优化调度方案如图9所示，电负荷优化调度方案如图10所示。
场景1下，由热泵满足所有热负荷，电采暖接入，需在每个时刻按热负荷需求相应从电网购电以满足所有增加电负荷，因此购电量随热负荷变化存在较大的波动性。而场景2通过装设蓄热设备，可通过储热降低在电价峰值的购电量，实现削峰填谷。由表5可见，场景2相较于场景1，接入电采暖负荷的峰谷差降低了95.45％。在考虑配电网基础负荷的情况下也使得配电网峰谷差有明显下降。
考虑配电网最大传输功率，在场景1中由于热泵供热量需与热负荷实时平衡，电采暖负荷随热负荷波动，在考虑配电网基础电负荷的情况下，部分时刻电采暖负荷将超过配电网最大传输功率，需要对电网进行扩容，以增加供电量，使成本大幅增加。场景2中蓄热设备的增加虽然使得电采暖***有一定的削峰填谷能力，但仍在部分时刻超过配电网承载能力，不过越限幅度小于场景1，需要在电网微增容情况下才能保障配电网安全运行。且2种场景下用电同时率都处于较高水平，因此电采暖的加入使得配电网容易出现在基础用电高峰叠加电采暖负荷高峰的情况，对配电网安全运行带来极大挑战。
因此，为保障配电网安全运行，且兼顾用户热负荷需求，场景3考虑在用电高峰时刻限制蓄热式电采暖负荷以保障电网运行安全，在用电平谷时刻不考虑购电约束。
由表4可见，由于在用电高峰时刻存在购电量限制，需要蓄热水箱储存能量应对负荷高峰，场景 3增加了热泵及蓄热水箱设备容量，投资成本有所增加。但却因此有效减少了配电网总负荷峰谷差及用电同时率，不但保障了配电网安全可靠供电，而且可有效实现配电网无增容情况下的电采暖负荷接入。
场景4进一步考虑故障停电情况下，保障用户“停电不停暖”。
由表4可见，相较于场景3，场景4进一步增加了热泵及蓄热水箱设备容量，投资费用增加较为明显。停电时刻电负荷仅能由蓄热水箱保障，因此需要大幅增加蓄热水箱容量，并相应合理增加热泵容量，以实现在保障平谷时刻热负荷需求的情况下，通过蓄热水箱存储足够热量应对停电时刻的热负荷。相较于场景3，热泵及蓄热水箱容量分别增加了28.23％及106.14％，总成本增加18.18％。而考虑到为保障用户“停电不停暖”，运维成本的大幅增加也说明考虑配电网最大传输功率，避免造成配电网故障的巨大经济效益。
场景4***典型日故障停电情况下调度方案如图11所示。可见，在该配置方案下可有效保障停电时的热负荷供应。
基于该典型电采暖***的优化结果证明了本发明方法的有效性，结论如下：
1)蓄热式电采暖可以通过蓄热水箱起到一定削峰填谷作用，缩小配电网负荷峰谷差，降低用能费用。
2)以配电网传输功率约束为限制时，可避免在用电高峰时刻叠加大量电采暖负荷，降低用电同时率，有效缓解负荷高峰时刻配电网运行压力，保障配电网运行安全性。
3)以故障态下“停电不停暖”作为约束，虽然增加了蓄热设备投资成本，但可通过充分利用蓄热设备，在停电时段维持供暖，保障用户热负荷需求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/ 或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
步骤S1、构建蓄热式电采暖***的数学模型，该模型包括配网功率约束、可靠供暖约束，用于表述配电网功率承载能力、在停电状态下维持可靠供暖的能力以及***运行时的采暖供需平衡保障能力；
步骤S2、基于所述蓄热式电采暖***模型，构建蓄热式电采暖***的双层优化配置数学模型；数学模型的上层以最小化投资成本等年值为目标函数，以设备最大装设容量为约束，求解容量配置方案；数学模型的下层以最小化年运行维护成本为目标函数，以配网功率及可靠供暖约束，各设备模型约束，以及联络线功率约束为约束，求解运行调度方案；
步骤S3、采用SNOPT对双层优化配置数学模型进行求解，为蓄热式电采暖***提供考虑配网功率及可靠供暖约束的优化配置方案及调度方案。
2.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：步骤S1中的蓄热式电采暖***的数学模型在应用于电采暖负荷接入地区时，通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率约束的时空特性加以描述，并以配电网最大传输功率评估及表征其接入配电网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式一；
Pgrid，max＝minPmar(t) 公式二；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW；Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；Pgrid，max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，单位为kW。
3.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：蓄热式电采暖***的数学模型的可靠供暖约束包括满足停电时段用户热需求，即停电时段维持供暖负荷模型，以公式表述如下；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为kW。
4.根据权利要求3所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：所述蓄热式电采暖***的蓄热部件包括蓄热水箱，当蓄热水箱可实现停电时段可靠供暖时，蓄热水箱的蓄热容量大于停电时段维持供暖负荷，即满足可靠供暖约束，蓄热式电采暖***的可靠供暖约束如下式所示：
Houtage≤QHWT，min 公式四；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；QHWT，min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh。
5.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：所述方法还包括步骤S4、基于所述配网功率及可靠供暖约束构建蓄热式电采暖模型，基于该模型对蓄热式电采暖进行优化配置，以考虑配网功率约束及可靠供暖约束对蓄热式电采暖配置及调度影响，实现可靠供能；也就是将优化配置方案及调度方案用于实际园区蓄热式电采暖***建设及运行调控中，以实现对园区蓄热式电采暖***的合理规划及调度，保障用户用能需求，提升园区供能可靠性。
6.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：在步骤S2中，采用Matlab对双层优化配置数学模型进行求解；为蓄热式电采暖***提供优化的容量配置方案及运行调度方案；
具体步骤为：
步骤A1、构建模型：使用MATLAB编写上述考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置数学模型；
步骤A2、数据初始化：输入计算所需数据，所需数据包括电采暖***典型日负荷及光照强度，设备经济、技术参数；
步骤A3、求解：使用SNOPT工具箱进行求解并输出数据。
7.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：在步骤S1构建蓄热式电采暖***的数学模型时，需首先对园区热负荷进行建模，具体为按单体房间-单体楼宇-园区楼宇群的顺序进行建模，并刻画园区的热负荷特性；
所述单体房间建模所得的RC模型包括：室外、围护结构、室内；将围护结构进一步分解为屋顶、窗体、墙壁和地板，以细化围护结构不同部分的热变化，
房间热平衡模型以公式表述为
Ca＝ca·ρa·A·h 公式2；
式中：ΔQ为房间热交换量，单位为kW；Ca为空气热容，kJ/K；ca为空气比热容，单位为kJ·kg-1·K-1；ρa为空气密度，单位为kg/m3；A为房间占地面积，单位为m2；h为房间高度，单位为m；
单体房间RC模型以状态方程表述为
式中：x为***状态变量，表示各计算节点温度；u为***控制变量；d为***扰动量；y为输出量；下标t为时刻；
公式a3中的各变量表达式以公式(4)-公式(9)表述为：
x＝[Tin Tr，out Tr，in Tw，out Tw，in Tf，in]T (4)
B＝[1 0 0 0 0 0]T (7)
ut＝[Hload/Ca 0 0 0 0 0]T (8)
式中：C为热容，单位为J/℃；T为温度，单位为℃；R为热阻，单位为(m2·K)/W；角标r、w、f分别表示屋顶、墙体、地板，in、out分别表示结构内、外面；Hw，solar为太阳辐射对墙体贡献的热功率，单位为kW；Hr，solar为太阳辐射对屋顶贡献的热功率，单位为kW；Hwindow，solar为太阳辐射透过窗体对室内贡献的热功率，单位为kW；Hheat为采暖***提供的热功率，单位为kW；Hvent为空气渗透耗热量，单位为kW；Hman为用户行为产生的热功率，单位为kW。
单体房间RC模型为一阶非线性微分方程，当以其为基础来聚合生成单体楼宇热动态模型时，将单体房间的热动态RC方程差分化，将其转化为一阶线性方程以提高计算速度，以公式表述为
其中t时刻单体楼宇热负荷Hbuilding(t)等效为Na个包含不同用户特性的单体房间的集合；
以单体楼宇热动态模型生成Nb个楼宇组成的园区楼宇群热动态方程，以公式表述为
式中：Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，单位为kW。
8.根据权利要求1所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：所述蓄热式电采暖***包括热泵、蓄热水箱、散热器、热泵循环水泵、热网循环水泵、动力用蓄电池和暖气管道，其中热泵为制热设备，蓄热水箱为蓄热设备，蓄电池用于故障停电时驱动热网循环水泵使蓄热水箱继续供热；蓄热式电采暖***从配电网购电，购置的电能通过热泵转化为热能，再通过蓄热水箱的合理调度来满足热负荷需求；
当采用统一母线式结构对蓄热式电采暖***建模时，则蓄热式电采暖***还包括电母线和热母线，蓄热式电采暖***的模型表述如下：
所述热泵选用水源热泵、地源热泵或空气源热泵中的一种或多种，其制热功率以公式表述为；
HHP(t)＝PHP(t)/c 公式12；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，单位为kW；c为热泵全年综合效能比，即ACOP；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，单位为kW；
热泵输出功率小于热泵额定功率，即0≤HHP(t)≤QHP 公式13；
式中：QHP为热泵额定功率，单位为kW；
蓄热水箱特性以蓄热量、蓄/放热功率及热损耗之间的关系进行表述，公式为；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，单位为kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，单位为kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，单位为kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt为仿真时间步长，取值为1h；
蓄热水箱充放能及储能量约束如下：
0≤WHWT(t)≤QHWT 公式17；
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，单位为kWh；
所述蓄热水箱的调度周期始末蓄热量需保持一致，以公式表述为；
WHWT(1)＝WHWT(T) 公式18；
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，单位为kWh；
电母线和热母线需满足的功率平衡约束以公式表述如下；
电母线功率平衡约束为Pgrid(t)＝PHP(t) 公式19；
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，单位为kW；
热母线功率平衡约束为
9.根据权利要求8所述的考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置方法，其特征在于：所述配电网的最大传输功率模型，按配电网有功传输功率上限的70％考虑各时刻配电网最大传输功率，以公式表述为
Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t) 公式21；
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，单位为kW；PN为配电线路额定传输功率，单位为kW；Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，单位为kW；
蓄热式电采暖***的输入功率小于配电网承载能力下限，以公式表述为
Pgrid，max＝minPmar(t) 公式22；
式中：Pgrid，max为考虑配电网承载能力下的电采暖***功率上限，单位为kW；
蓄热式电采暖***通过在蓄热水箱中留存一部分热量作为备用热源的方式来承载停电时段维持供暖负荷，以满足停电时段的用户供暖需求；停电时段的时长小于5h；停电时段维持供暖负荷以公式表述为
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；
步骤S2中，构建考虑配网功率约束及可靠供暖的双层优化配置模型的方法分为构建上层优化配置模型和构建下层调度模型；
其中，构建上层优化配置模型的方法如下：
步骤B1、设定上层优化配置模型的控制变量为蓄热式电采暖***各设备的额定容量；
步骤B2、设定上层优化配置模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，所述蓄热式电采暖***的年总成本包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本；
式中：F为蓄热式电采暖***年总成本，单位为元；
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
投资成本等年值为热泵及蓄热水箱的投资成本等年值之和：
式中：
分别表示热泵和蓄热水箱投资成本等年值，单位为元；各设备投资成本等年值计算采用如下公式：
式中:cI，HP、cI，HWT分别为热泵及蓄热水箱单位投资成本，单位为元；r为贴现利率；lHP、lHWT分别为热泵及蓄热水箱的预计运行寿命年限，a；
蓄热式电采暖***年运行成本主要为与热泵消耗电功率有关的购电费用，以公式表述为：
式中：cgrid(t)为t时段电价，单位为元/kWh；
蓄热式电采暖***的设备年维护成本与各个设备的类型及运行情况有关；热泵维护费表示为单位功率维护成本与输出功率之积，蓄热水箱维护成本则与容量有关：以公式表述为
式中：cM，HP为热泵单位功率维护成本，单位为元/kW；cM，HWT为蓄热水箱单位容量维护成本，单位为元/kWh；
步骤B3、设定模型的约束，具体包括蓄热式电采暖设备的约束和满足停电时段用户热需求的约束；所述蓄热式电采暖设备的约束中，蓄热式电采暖***设备可装设容量存在上、下限，以公式表述为
QHP，min≤QHP≤QHP，max 公式30；
QHWT，min≤QHWT≤QHWT，max 公式31；
式中：QHP，max、QHP，min为热泵可装设额定输出功率上、下限，单位为kW；QHP为热泵额定功率，单位为kW；QHWT，max、QHWT，min为蓄热水箱可装设容量上、下限，单位为kWh；QHWT为蓄热水箱容量，单位为kWh；
所述满足停电时段用户热需求的约束中，使蓄热水箱容量应大于停电时段维持供暖负荷，停电时段维持供暖的约束以公式表述为；
Houtage≤QHWT，min 公式32；
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，单位为kWh；QHWT，min为蓄热水箱容量下限，单位为kWh；
构建下层调度模型的方法如下：
步骤C1、设定模型的控制变量为***各设备的输入/输出和能源购售量；
步骤C2、设定模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，以公式表述为
式中：f为蓄热式电采暖***年运行维护成本，单位为元；式中的运行维护成本由公式28、公式29求得；
步骤C3、设定功率平衡约束、设备运行约束、考虑配电网网架约束的电功率上限约束和停电时段维持供暖负荷约束；
所述功率平衡约束为蓄热式电采暖***各时刻需要满足电、热母线的功率平衡约束，以公式19、公式20表述；
所述设备运行约束以公式12—公式18表述；
所述考虑配电网网架约束的电功率上限约束，为通过限制用电高峰时刻的电采暖***传输功率，缓解配电网负荷压力，保障电力有序可靠供应和电网安全稳定运行，以公式表述为Pgrid(t)≤Pgrid，max 公式34；
所述停电时段维持供暖负荷约束，为使蓄热水箱容量在调度各时刻内应大于停电时段维持供暖负荷，保障任意时刻发生停电故障时，蓄热水箱中的蓄热量均满足用户热负荷，则由公式17、公式32可得该约束的表述公式为
QHWT，min≤QHWT≤QHWT，max 公式35。
10.考虑配网功率及供暖的蓄热式电采暖优化配置装置，其特征在于：包括以下模块：
配网功率约束计算模块，用于获取配电网最大传输功率及配电线路额定传输功率，构建配网功率约束模型，确定单体蓄热式电采暖出力配网功率约束，进而确定考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限；
可靠供暖约束计算模块，用于获取需供暖的园区的热负荷水平，构建停电时段维持供暖负荷模型，确定停电时段维持供暖负荷；
配网功率约束计算模块工作方法为：对于蓄热式电采暖负荷接入地区，可通过典型日负荷曲线对其接入配电网功率时空特性加以描述，并考虑以配电网最大传输功率衡量其接入配网的承载能力，所述配网功率约束如下式所示：Pmar(t)＝0.7PN-Pbas(t)
Pgrid，max＝minPmar(t)
式中：Pmar(t)为t时刻配电网最大传输功率，kW；PN为配电线路额定传输功率，kW；Pbas(t)为t时刻配电网基础负荷，kW；Pgrid，max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
可靠供暖约束计算模块用于确定停电时段维持供暖负荷时，其工作方法为：将满足停电时段用户热需求作为蓄热式电采暖优化配置模型的约束条件之一，停电时段维持供暖负荷模型如下式所示：
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；tcut为停电时长，h；
所述配置装置还包括蓄热式电采暖优化配置模块，用于确定蓄热式电采暖配置方案及出力：
具体方法为(1)构建上层优化配置模型为：上层规划模型的目标函数为蓄热式电采暖***年总成本最小化，包括初始投资费用等年值、运行成本和维护成本：
式中：F为蓄热式电采暖***年总成本，单位为元；
分别表示蓄热式电采暖设备初始投资成本等年值、设备年运行成本以及设备年维护成本，单位为元；
其约束条件如下：1)蓄热式电采暖设备约束
QHP，min≤QHP≤QHP，max
QHWT，min≤QHWT≤QHWT，max
式中：QHP，max、QHP，min为热泵可装设额定输出功率上、下限，kW；QHP为热泵额定功率，kW；QHWT，max、QHWT，min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh；QHWT为蓄热水箱容量，kWh。
2)“停电不停暖”约束：Houtage≤QHWT，min
式中：Houtage为停电时段维持供暖负荷，kWh；QHWT，min为蓄热水箱容量下限，kWh。
(2)构建下层优化调度模型为：下层运行优化模型的目标函数为蓄热式电采暖***年运行维护成本最小化，如下式所示：
式中：f为蓄热式电采暖***年运行维护成本，元；
其约束条件如下：1)功率平衡约束：Pgrid(t)＝PHP(t) 式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；Hcommunity(t)表示t时刻该园区的热负荷，kW；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW。
2)设备运行约束：HHP(t)＝PHP(t)/c
式中：HHP(t)为t时刻热泵制热功率，kW；c为热泵全年综合效能比(ACOP)；PHP(t)为t时刻热泵消耗电功率，kW；
0≤HHP(t)≤QHP
式中：QHP为热泵额定功率，kW；
式中：WHWT(t)为蓄热水箱在t时刻的蓄热量，kWh；
为t时刻蓄热水箱蓄热功率，kW；
为t时刻蓄热水箱放热功率，kW；
和
分别为蓄热水箱充放电效率；
为自放热损失率；Δt为仿真时间步长，取1h；
0≤WHWT(t)≤QHWT
式中：
为蓄热水箱最大充放能率；QHWT为蓄热水箱容量，kWh；
WHWT(1)＝WHWT(T)
式中：WHWT(1)、WHWT(T)分别为调度周期始末蓄热量，kWh；
3)考虑配电网网架约束的电功率上限约束；Pgrid(t)≤Pgrid，max
式中：Pgrid(t)表示t时刻从电网购电的功率，kW；Pgrid，max为考虑配电网功率约束下的电采暖***功率上限，kW；
4)停电时段维持供暖负荷约束；QHWT，min≤QHWT≤QHWT，max
式中：QHWT为蓄热水箱容量，kWh；QHWT，max、QHWT，min为蓄热水箱可装设容量上、下限，kWh。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211109 |