一种换热站配电系统的用电优化控制方法及系统与流程

本发明涉及集中供热换热站自动控制、配电负荷管理与需求侧用电优化，尤其涉及一种换热站配电系统的用电优化控制方法及系统。

背景技术：

1、集中供热换热站通常配置二次网循环泵、补水泵、换热器一次侧调节机构、控制柜及若干辅助用电设备，其中循环泵长期连续运行，且其轴功率随转速变化显著，是换热站配电系统中主要的可调电负荷。现有换热站节电控制多根据固定时段、室外温度、二次网压差、供回水温度或循环泵效率曲线改变泵频，也有方案根据预测热负荷对供水温度和流量进行联合调节。

2、上述控制方式主要从供热侧确定“当前应当供多少热”或从水力侧确定“当前最低需要多少泵频”，而配电侧通常仅作为被动供电边界。对于具有基本电费、最大需量、电网需求响应或站内容量限制的换热站，当多个用电设备在同一时段抬升功率时，单纯追求即时供热误差最小，容易造成配电需量峰值；反之，若仅依据电侧峰值强行降低泵频，又可能导致末端压差不足、热用户温度下降，并在削峰结束后集中升频回补，形成新的反弹峰值。

3、另一方面，二次网循环水、供热管网及建筑围护结构具有明显热惯性，短时间内供热量与用户热感受之间并非完全同步，这使一部分供热任务具有时间可迁移性。然而，现有换热站控制通常没有把该时间可迁移性转换成配电系统能够直接使用的“允许上调多少千瓦、允许下调多少千瓦以及可持续多久”的功率柔性边界，也没有根据循环泵频率变化同时对电功率、供热量和末端压差的影响进行在线辨识。

4、因此，需要一种能够把热惯性、电力需量约束和循环泵水力特性统一到同一控制闭环中的用电优化控制方法，使换热站能够在满足供热安全约束的前提下，将可延后的供热任务从电力高峰时段迁移至电力低谷或容量富余时段，并控制峰后回补过程，降低无效输配电耗和配电峰值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种换热站配电系统的用电优化控制方法及系统，以解决现有换热站供热控制与配电负荷优化相互割裂、热惯性难以量化为电侧可调能力、削峰动作易造成供热约束越界以及峰后集中回补形成反弹峰值的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、首先，在换热站总进线和主要可调电气支路设置电能采集终端，在二次网供回水侧及最不利环路设置温度、压力和流量采集终端，连续获得总有功功率、循环泵支路功率、循环泵频率、供回水温度、流量、供回水压差及末端压差。结合室外气象预测和历史相似工况，形成未来滚动控制时域内的基线热负荷和基线电负荷。

4、其次，将二次网循环水、管网传热时延以及热用户的等效热容量统一表示为虚拟热储能状态。实际供热量高于基线热负荷时形成热信用，实际供热量低于基线热负荷时消耗热信用并形成热欠账。热信用或热欠账并不直接作为泵频设定值，而是与末端压差下限、供回水温度范围、泵组最小频率及高效区共同计算为配电功率柔性边界，从而得到在每个未来时段可上调功率、可下调功率和可持续时长。

5、进一步地，利用换热站运行过程中自然产生的泵频微小变化或受控辨识动作，在线计算控制量变化对总有功功率、实际供热功率和末端压差的局部响应，构成电-热-水力灵敏度矩阵。该矩阵用于回答“减少1hz泵频能够降低多少电功率、损失多少供热量以及降低多少末端压差”，从而使电侧削峰目标能够转化成不会直接突破水力和热力约束的设备动作。

6、在滚动优化层，以未来多个控制时段为优化时域，综合考虑分时电价、目标需量线、换热站配电容量、泵组高效区、供热安全边界、热量余额以及设备调节次数，生成峰前预充热、峰段削减和峰后回补的连续控制序列。优化结果仅执行第一个控制时段，然后重新采集数据并滚动求解，以持续修正气象预测误差和用户负荷变化。

7、在快速执行层，以比滚动优化层更短的时间尺度监测末端压差、总有功功率和实际供热功率。若实际状态偏离滚动优化预测状态，则根据电-热-水力灵敏度矩阵计算最小修正量，并将滚动优化给出的控制量投影到当前安全可行域中；当优化器、通信或关键传感器异常时，切换到基于末端压差的原有plc保底控制。

8、在峰后回补阶段，不允许循环泵直接恢复至削峰前频率，而是根据热欠账、配电剩余容量和最短回补时长确定每一时段允许增加的供热量，使欠账在多个时段内逐步收敛。由此避免多个设备或多个换热站在需求响应结束时同步升频造成新的需量峰值。

9、优选地，实际供热功率按照q_act(k)=rho*cp*q_v(k)*[t_s(k)-t_r(k)]计算；其中rho为循环介质密度，cp为循环介质比热容，q_v(k)为二次网体积流量，t_s(k)和t_r(k)分别为二次网供水温度和回水温度；当流量采集值的单位为m3/h时，将其除以3600换算为m3/s后参与计算。

10、优选地，定义热量余额b(k+1)=alpha_k*b(k)+[q_act(k)-q_base(k)]*delta_t，其中alpha_k=exp(-delta_t/tau_th)，tau_th为二次网、供热管网及热用户的等效热时间常数，并限定b_min<=b(k)<=b_max；b(k)>0表示热信用，b(k)<0表示热欠账。

11、优选地，电-热-水力灵敏度矩阵采用带遗忘因子的递推最小二乘算法在线更新，并按照泵组组合状态、阀门开度区间或供热负荷区间划分辨识工况。

12、优选地，滚动优化目标函数为j=sum{i=0...n-1}[w_e*c(k+i)*p(k+i)*delta_t+w_b*[b(k+i)-b_ref(k+i)]^2+w_eff*phi_eff(k+i)+w_u*||delta_u(k+i)||^2]+w_d*p_peak；其中b_ref(k)为随峰前预充热、峰段削减和峰后回补阶段变化的热量余额目标，峰前取正值、峰段逐步降低、峰后趋近于零；p_peak满足p_peak>=p_bar_d(j)，其中p_bar_d(j)为对应需量计量窗口内的平均功率。

13、优选地，定义热欠账d(k)=max[-b(k),0]，并确定配电剩余容量p_spare(k)=max{p_lim(k)-p_pred^0(k)-p_safe,0}；针对回补控制方向delta_u_r(k)，当s_p(k)*delta_u_r(k)>0且s_q(k)*delta_u_r(k)>0时，令kappa_k=[s_q(k)*delta_u_r(k)]/[s_p(k)*delta_u_r(k)]，并设置0<=q_repay(k)<=min{d(k)/tau_r,kappa_k*p_spare(k),q_repay,max(k)}，使回补过程仅占用当前配电剩余容量，并同时受热侧最大允许回补能力限制。

14、优选地，滚动优化层的控制步长为5～30min，快速执行层的控制步长为10～120s。

15、本发明至少具备以下有益效果：

16、1、将热惯性由供热侧的“模糊缓冲能力”转换成配电侧可直接使用的上下调功率边界，使配电需量控制不再依赖固定时间表或经验降频，并能够明确当前可削减功率及可持续时间。

17、2、通过电-热-水力灵敏度矩阵把电功率削减量与供热量损失、末端压差变化同时关联，优化器可优先选择单位电功率削减所引起热力和水力代价较小的动作，从而减少无效水力输送，避免单纯电侧削峰引发末端失压。

18、3、峰前预充热、峰段削减与峰后热欠账分期回补共用同一热量余额状态；前移供热为后续削峰提供可用热信用，削峰产生的欠账又直接约束回补速度，三阶段闭环耦合能够抑制需求响应结束后的同步升频反弹。

19、4、滚动优化与快速约束投影采用不同时间尺度，前者负责经济性和需量目标，后者负责实时水力安全；二者结合能够在预测存在误差时保持控制策略可执行，并保留原有plc压差闭环作为安全退化路径。

20、5、与仅利用热惯性移峰相比，本方案同时限制循环泵高效区和水力安全边界，可避免为了预热而使泵组进入低效率工况；与仅做配电削峰相比，又利用热信用拓展可削减空间，因此能够同时改善峰值需量和输配效率，形成电侧与热侧相互增益的协同技术效果。