智能社区综合能源优化管理研究

智能社区综合能源优化管理研究

张兆鹏胡志毅李露露

(天津天大求实电力新技术股份有限公司天津300384)

摘要：在社会不断发展，人们生活水平不断上升的背景下，智慧化是城市发展的大趋势，智能电网支撑智慧城市建设将成为研究热点，为智慧城市的单元－智能社区做好能源管理服务是非常有价值的研究方向。

关键词：智能社区；综合能源；优化管理

引言

在智能社区领域，依托坚强智能配电和用电系统，支持和引导可再生能源和储能系统的发展，智能社区旨在支持储能系统和清洁能源，支持能源的循环和阶梯利用，引导用户对能源结构进行优化，提高能源的利用效率，实现节能减排的目的。

1智能社区的界定

由于智能电网的不断发展，逐步发生了一个叫做智能社区的新概念，智能社区是指综合运用现代信息、通信、计算机、高级量测、自动控制等先进技术，提供多样化的优质用电服务需求，满足电动汽车、分布式电源和储能装置等新能源的接入与推广应用的现代工业或居住示范区。智能社区由于汇集了智能电网的各种技术，成为智能配用电建设成果集中体现的集大成者。能源和信息在智能社区之间双向流通，在智能社区中应用智能电网技术可实现社区中能源的最优化利用。能量可双向流通是社区中能源流动的重要特征，也是实现能源管理及优化的基础。根据我国配用电网的特点，10kV中压配电线路从变电站出线开关始分别以馈线和分支线等形式将电能从电网侧辐射状输送到用户端，其中以开关站、配电柜等形式实现分支线与馈线的连接;社区中的分布式能源以微网的形式接入配变低压侧母线，配变台区成为一个最小的可实现网络连通的区域。不同台区之间的能量流动则需要穿越配电变压器。

2智能社区两阶段优化模式

智能社区包括功能侧、用能侧两部分的内容，供能侧主要采取的是CCHP与电网联合实现供能的方式，用能侧则要考虑到基于直接负荷控制需求侧的响应。社区用户能够选择电网供能或CCHP供能。选择了电网供能的用户，其按照分时的电价进行电网购电，选择CCHP系统供能的用户，则是向物业公司进行冷热电价格的费用缴纳。在第一个阶段中，物业公司结合负荷的预测以及光伏的出力，实现净收益的最大化，对未来24小时的CCHP系统各个部分出力情况进行优化；在第二个阶段中，HEMS结合CCHP系统的启停情况和出力情况进行分时电价的信息获取，用户费用最小化是优化的目标，确保未来24小时内的居家电负荷工作时间。通过两阶段优化的模式，能够实现供能侧与用能侧的能源高效管理与利用，实现物业公司和社区用户双赢。

3社区CCHP系统日前优化

智能社区CCHP系统由微型燃气轮机、蓄电池、光伏电池以及制冷装置、燃气锅炉等共同构成，图1给出了社区CCHP系统结构图。

图1

3.1CCHP系统模型

本节给出智能社区CCHP系统内各单元模型，包括微型燃气轮机、蓄电池、制冷机以及燃气锅炉的数学描述。

(1)微型燃气轮机模型

式中：Pmt为微型燃气轮机的输出电功率；Qmt为经回收后的热功率；ηmt为微型燃气轮机发电效率；ηloss为能量损耗率；Vmt为微型燃气轮机每小时的天然消耗量；Hng为天然气热值。

(2)蓄电池模型

式中：chtP、dischtP为蓄电池t时刻充放电功率；maxchP、maxdischP为蓄电池充放电功率上限；chtU、dischtU为蓄电充放电状态变量；Wt是蓄电池t时刻储能；Wmax、Wmin为蓄电池储能上下限；μ、ηch、ηdisch分别为蓄电池自身能量损耗率、充电效率、放电效率；Δt为时间间隔，取t=1h。

(3)制冷机模型

式中：Qac、Pec分别为吸收式制冷机输入热功率与电制冷机输入电功率；Cac、Cec分别为吸收式制冷机与电制冷机输出冷功率；COPac、COPec分别为吸收式制冷机与电制冷机的制冷系数。

(4)燃气锅炉模型

式中：Qb为燃气锅炉输出热功率；Vb为燃气锅炉每小时消耗的天然气量；ηb为锅炉发热效率。

3.2目标函数和约束条件

3.2.1目标函数

第一阶段是实现对物业公司净利润最大化的CCHP日前优化目标，物业公司净收益主要包含用户售冷热联动电能的收入和CCHP系统运行成本的分析，目标函数如下

（7）式中：Cpro表示物业公司净收益，Cinc表示物业公司用户售冷热电收入Ccost表示CCHP运行成本，包含燃料费用额购电费用，Ccchp,n表示第N户家庭对物业公司购买冷热电总体费用，N表示用户的数量。

3.2.2约束条件

智能社区的CCHP系统在运行的过程中，其约束条件主要包括冷热电功率的平衡约束以及设备运行过程中的上下限约束。功率平衡约束：

设备运行上下限约束：

3.3家庭能量管理系统日前优化

假设社区所有家庭中的设备均连接到家庭局域网中，通过ZigBee组网进行节点通信，HEMS在控制家庭负荷时，首先要求用户在交互界面输入家用电器期望完成的时间等各种参数，然后根据用户输入的参数、分时电价、社区CCHP系统启停及出力情况等信息，使用日前优化调度模型计算出第二天各家电最优运行计划，以满足用户费用最少或舒适度最高等目标，当天根据计划控制用户负荷开关，实现负荷直接控制。

4负荷控制模型

4.1负荷分类

家居负荷类型众多，负荷控制需充分考虑不同负荷的工作特性，采取相应的控制策略。根据工作时间的弹性大小，家居负荷可以分为两大类。(1)刚性负荷：无时间弹性，一旦用户有需求便需无条件被供应，此类负荷一般满足人们基本生活需求，故不参与需求侧响应。刚性负荷一般有基本照明、电冰箱、电视机、计算机等。(2)柔性负荷：有一定的时间弹性，在用户舒适度范围内，负荷是可控的。柔性负荷又可细分为不可中断负荷以及可中断负荷：不可中断负荷一旦开始工作就不能停止，直到满足工作时长要求才算工作结束，这种类型的负荷有电饭煲、洗碗机、洗衣机等；可中断负荷在允许工作时段范围内可以随意开停，但也需满足其总工作时长，此类负荷有空调、电动汽车、地面清洁机器人、衣服烘干器等。

4.2柔性负荷控制模型

家居负荷中不可中断负荷及可中断负荷的数学模型如式(10)、式(11)所示。不可中断负荷模型

式中：i是设备编号，m是不可中断负荷数量；ti是设备i可能的工作时间点；startit，endit是设备i工作开始与结束时刻；tiU是设备i的状态变量(1tiU表示设备在t时刻处于工作状态，0tiU表示处于停用状态)；[i,βi]是设备允许工作时段范围，不在这个范围内时，设备不工作，0tiU；di为工作时长；由于设备为不可中断负荷，故工作开始到结束之间的时长即为工作时长。

(1)可中断负荷模型

式中：j是设备编号，n是可中断负荷数量，为了从设备编号判断设备类型，将可中断负荷在不可中断负荷后编号；是设备允许工作的时段，不在这个时段内，状态变量个范围内，tjU可为1或0，但该设备工作总时长需与要求的工作时j相一致。由于考虑到用户舒适度，故要求空调不能连续中断两个时段，故在空调控制时还需加约束条件

3.3目标函数及约束条件

以用户费用最低作为HEMS日前优化目标。用户费用包括从电网购电费用与从物业公司购冷热电能费用。

家庭能量管理系统日前优化模型的约束条件即为式(10)~式(13)。

结语

总而言之，居民负荷由于用电时间集中，已成为电力峰荷的主要组成部分，同时随着智能电网技术的发展，需求侧响应作为缓解电力供需矛盾的有效途径备受关注。

参考文献:

［1］王珺,顾伟,张成龙,等.智能社区综合能源优化管理研究［J］.电力系统保护与控制,2017(1).

［2］樊飞龙,邰能灵,郑晓冬,李国栋,陈培育,戴晨松.基于前推回代优化算法的社区能源网络有功实时调配策略［J］.中国电机工程学报,2017(14).

［3］王康琪.智能电网环境中基于动态价格的需求响应策略［D］.合肥:中国科学技术大学,2014.