基于電力系統主動反饋網絡的削峰填谷

王麗翠

（天津城市職業學院，天津 300250）

0 引言

電力能源是人類生存和發展的重要基礎，它影響著人類的發展以及生存質量。我國是一個電力消耗大國，隨著經濟的迅猛發展，全國電力緊張局面也日益嚴峻。電力供應的主要特點是：電網峰谷差不斷拉大、負荷率下降，且在負荷高峰時段最為嚴峻。通過削峰填谷的方式消化高峰負荷，可有效降低高峰時段的電力需求，緩解電力緊張的情況，同時使電力用戶和電力公司達到雙贏的局面[1]。

為了有效地實現削峰填谷，本文主要從電力需求側管理出發，設計了一種基于實時電價的電力系統主動反饋網絡模型，確定了科學的分時電價機制，從用戶用電經濟性的角度來實現電負荷的削峰填谷。

1 實時電價機制的分析

實時電價就是把一天時間按照負荷曲線的高峰低谷劃分成峰、平、谷三種時段（或峰、谷兩種時段），并與之對應著峰、平、谷三種電價（或峰、谷兩種電價），峰時段電價較高，稱為峰電價，谷時段電價較低，稱為谷電價[2]。在實時電價的機制下，電力用戶可以隨時檢測當前電價，并根據電價和自身的經濟狀況作出正確的應對，調整家電的運行狀況，在節省開支的前提下最大限度地利用電力資源[3]。實時電價機制可以從用電經濟性角度促使用戶主動改變用電方式，盡量避峰用電，降低用戶用電費用的同時達到削峰填谷、提高電力系統負荷率的效果，從而提高電力系統的穩定性和運行效率。

但為了能夠順利實施實時電價的機制，則需要建立電力系統主動反饋網絡，使用戶通過智能終端根據目前的用電狀況控制家電的負荷。

2 電力系統主動反饋網絡的模型

2.1 電力系統主動反饋網絡的模型的原理

雖然在實時電價的機制下可以達到對負荷削峰填谷的效果，但是要用戶通過當前的實時電價來決定目前家電的運行情況是相當復雜的過程，讓用戶來隨時隨地了解當前電價并做出反應也是不切實際的，因此，需要設計出一個智能終端系統，即電力系統主動反饋網絡，自動檢測當前負荷的大小和當前的電價，并與用戶設定的值相比較，根據結果自動改變家電的運行狀態，其模型如圖1所示，該圖的左邊顯示了每個節點的功能[4]。

2.2 電力系統主動反饋網絡模型的算法

電力系統主動反饋網絡模型的算法主要是比較當前電力公司提供的實時電價與用戶能夠接受的電價，根據實時電價分配不同的用電方式，譬如電冰箱這類負載，因為負載的最大特點是能夠儲能放能，研究的重點就是要利用負載的這個特點，在實時電價下對負載進行節能設計，使其能夠高效穩定運行。就拿電冰箱作為一個范例，研究的出發點在于，根據實時電價的情況以及當時冰箱內溫度的狀況，選擇是否要啟動制冷。當用電量在高峰時段時，實時電價價格較高時，如果冰箱內溫度不是超過使用上限時，控制模塊選擇不啟動壓縮機，不進行制冷；如果溫度超過了使用上限，則選擇啟動壓縮機，進行適度制冷，使其達到使用溫度。當用電負荷處于低谷階段時，如果冰箱內溫度低于設定最低溫度時，選擇不啟動壓縮機，適度停止制冷，否則，壓縮機將一直處于啟動狀態。圖2就以冰箱為例畫出了該模型的算法框圖。

根據上面的框圖，很容易便可以得到如下的算法程序，并根據該程序實現模型的軟件的設計。

main()

{

float setPmax，setPmin，setTmax，setTmin

∕*****setPmax參考電價最高值 ******∕∕

∕*****setPmin參考電價最低值 ******∕∕

∕*****setTmax 參考溫度最高值 ******∕∕

∕*****setTmin 參考溫度最低值 ******∕∕

float Lp，T

∕*****Lp實時電價 ******∕∕

∕*****T實時溫度 ******∕∕

int com ∕*****壓縮機狀態，0關閉，1開啟

******∕∕

test()

{

∕***** 自檢 ******∕∕

}

receive_RTD()

{

∕***** 實時數據接收 給Lp，T******∕∕

}

if Lp＞setPmax

Then if T＞setTmax

set com=1 ∕***** 電機開啟 ******∕∕

Return

else

set com=0 ∕***** 電機關閉 ******∕∕

elseif Lp＜setPmin

Then if T＜setTmin

set com=0

return

else set com=1

return

圖2 算法框圖

else if T＞setTmax

set com=1

return

elsecom=0

return

}

3 負載在電力系統主動反饋網絡下的應用

3.1 電冰箱在電力系統主動反饋網絡下的削峰填谷

我國是世界電冰箱消費大國，家用冰箱的保有量上億臺，而冰箱全天處于工作狀態，屬于耗電量較大的電器。因此電冰箱在給我們的生活帶來便利的同時，也消耗了大量的電力資源，增加了電網高峰負荷，在電力供需矛盾比較突出的情況下，合理使用電冰箱，可以在一定程度上能起削峰填谷的作用，同時在分時電價機制下，用戶也可降低用電費用。下面就以冰箱為例簡要分析在電力系統主動反饋網絡下冰箱的運行方式[5-6]。

電冰箱的使用若要實現負荷的削峰填谷，就要減少電冰箱在用電高峰時的工作時間，增加其用電低谷時的工作時間，因此在保證電冰箱低溫儲存食物功能的前提下可以通過以下方法：在用電低谷時適當降低冰箱冷凍室和冷藏室的溫度，并在用電由谷轉為峰的時候，適當提高冷凍室和冷藏室的溫度。此時冰箱內儲存著一定的冷量，在開始峰時的一段時間之內，電冰箱的壓縮機不會啟動，從而也可在一定程度上達到削峰的目的[7-8]。

3.2 電冰箱在削峰填谷中應用的分析

圖3為某一市某一天的日負荷擬合曲線圖，其中240 MW 是發電廠供應電的最理想值，發電廠希望該城市的負荷盡量穩定在240 MW，這只是一種理想狀態，實際上總負荷總是存在著一些波動，因此電力公司便希望負荷的波動能盡量減小，最好就在240 MW上下小小的浮動，假設最理想的狀態為230 MW到250 MW之間，而不是負荷最低的時候才180 MW左右，最高時又達到了280 MW以上，上下波動太大，不利于發電機的運行，同時也給電力公司造成了一些麻煩。為了改善上述狀況，電力公司從用戶的角度出發，實行實時電價的電價機制，使得用戶從自身的經濟利益出發，不再按照以往的習慣運行家電，而是根據當前電價改變家電的運行狀況，從而對整個城市的總負荷起到一定的削峰填谷作用，使得該城市的負荷在240 MW上下小浮動。

圖3 某城市的日負荷曲線

下面以電冰箱為例，簡要分析電冰箱在分時電價機制下削峰填谷的運行狀態。

假設該冰箱的冷凍室溫度在-18～-14℃，根據上面對冰箱在削峰填谷中的運行的概述可得：當總的電負荷小于220 MW時，此時電力公司鼓勵用戶用電，在分時電價的機制下，電價較平時低，用戶從自身的經濟條件出發，一般會選擇盡量在此時消耗電，就冰箱而言，比如把冷凍室的溫度設置的更低，將原先的-18～-14℃重新設置為-18～-16℃；然而當總的電負荷大于240 MW時，此時電力公司希望用戶少用電，在分時電價的機制下，電價較平時高，用戶此時便會盡量避免消耗電，就冰箱而言，可采取的方式便可能是把冷凍室的溫度設置的比平時高，比如將原先的-18～-14℃重新設置為-16～-14℃。假設采樣時間為30 min，即每30分鐘檢測一次當前負荷，并根據負荷的大小按上述方法設置冰箱的溫度區間，并且當負荷小于220 MW時，冰箱將開啟壓縮機，即冰箱將一直處于制冷狀態，直到冰箱的冷凍室溫度小于-18℃，冰箱才會停止壓縮機，停止制冷，若當冰箱的冷凍室的溫度上升到-16℃時，還沒有到下一個檢測點的時間，冰箱又會接著開啟壓縮機，重復循環上述工作直到下一個檢測點；而當負荷大于240 MW時，冰箱將一直處于停止壓縮機的狀態，即不制冷，直到冰箱的冷凍室溫度大于-14℃，冰箱才會啟動壓縮機開始制冷，若冰箱的冷凍室的溫度下降到-16℃時還未到下一個檢測點，則冰箱又會停止壓縮機，停止制冷，開始處于不制冷的狀態，重復循環上述工作直到下一個檢測點。

如上文所分析的冰箱一樣，在電力系統主動反饋網絡下，其他的家用電器也會根據用戶自身的情況在不同的時間段處于不同的運行狀況，其運行的基準是當前的電價而不再是用戶的習慣。取采樣時間為30 min，并且假設當日負荷小于230 MW時，有9%的用戶將要響應此時的電價（即有9%的負荷打開），當日負荷大于250 MW時，有3%的用戶要響應此時的電價（即有3%的負荷關閉），這個假設是根據是據統計，一個城市的觀景燈負荷占整個城市負荷的1%到4%。根據上述假設便可得到圖4所描繪的新的負荷曲線圖。在圖4中，曲線1為原本的日負荷曲線，曲線2為基于電力系統主動反饋網絡計算后的日負荷曲線，從該圖便能明顯地得到以下幾點結論：

（1）日負荷的峰值從280 MW減少到了270 MW，日負荷的谷值從180 MW上升到了199 MW，該結果明顯地說明了通過電力系統主動反饋網絡，能夠有效地實現負荷的削峰填谷；

（2）通過電力系統主動反饋網絡，日負荷大多數時間處于220 MW到250 MW之間，使得負荷曲線趨于穩定，即使得整個電力系統趨于穩定，易于維護；

（3）因為通過電力系統主動反饋網絡，有效地實現了負荷的削峰填谷，減小了負荷峰值，避免了通過增加機組來增加功率，即避免了設備和資源的浪費；

（4）對于用戶而言，通過基于實時電價的電力系統主動反饋網絡，減少了單位購電成本，對于發電廠而言，系統的穩定使得發電設備更易維護，減少了發電成本，增加了盈利，對于電力公司而言，雖然有時侯電價偏低，但減少電價所得的虧損完全可以由多銷售的電力資源得到補償，同時還提高了傳輸設備的利用效率，減少了電力公司在電力資源傳輸上面的開銷，從而獲得更大的利潤。

圖4 基于主動反饋網絡的日負荷曲線

4 結論

為了更合理、更高效地利用電力資源，本文從用戶的角度出發，在實時電價的機制下，以快速發展的網絡技術和嵌入式技術為載體，設計了一種基于實時電價的電力系統主動反饋網絡模型，該模型通過實時電價影響用戶的參與積極性，并簡要敘述了電力系統主動反饋網絡模型的算法，它主要是接收當前的電價，并與用戶可以接受的電價相比較，利用通信技術和嵌入式模塊控制非必須用電設備（如蓄冷蓄熱空調、部分照明設備、生產線的某些可暫停工位等），從而在現有容量水平的基礎上，實現削峰填谷，最大程度利用容量，合理高效地利用能源。通過對某城市的日負荷仿真，可以發現，在電力系統主動反饋網絡下，用戶為使用更多電量所付出的額外支出，遠遠低于正常水平；電力供應企業銷售了更多的電力，增加了銷售額；電力生產企業則減少了為應付尖峰負荷而增加的投入，以及電力波動而增加的備用設備和啟停次數，同時也有效地利用了現有設備，增加了發電量。可見，該模型最終實現了電力用戶、電力公司、發電廠三贏的局面。

（1）對用戶而言，在電力系統主動反饋網絡下，顯然能降低其單位負荷的成本，使得在耗電量增加的情況下購電成本依然有所降低。同時，也避免了社會資源的浪費，在用電高峰期起到了一定削峰作用，避免了電力公司拉閘限電帶來的不便。但是，該模型在一定程度上也降低了生活或生產的舒適程度，電力用戶還是受益較大。

（2）對電力生產企業如發電廠而言，在電力系統主動反饋網絡下，實現了削峰填谷的原理，使得發電設備大部分時間運行于一個較穩定的出力區間，因此負荷曲線更加平緩，系統更加穩定，設備更易維護，這本身就能降低其生產成本，而多生產的電力亦可帶來額外的營業性收入，同時提高了現有設備的使用效率。

（3）對電力供應商而言，通過制定分時電價這種合理的電價機制，雖然超負荷減少造成了一定收入的減少，但完全可以由多輸送的電力來彌補。該模型增加了電力系統穩定性的同時可減少設備的維護量。