電力市場節(jié)能減排方式研究

耿琳, 孟繁林, 張賁, 張夢凡, 史普鑫

(國家電網(wǎng)華北電力調(diào)控分中心,北京 100053)

0 引言

隨著能源污染的日趨嚴重,國家推出綠色經(jīng)濟發(fā)展,而節(jié)能減排是最為有效的能源控制方式。目前電力資源浪費較為嚴重,為保證電力市場綠色經(jīng)濟的推進,通過研究電力市場生產(chǎn)效率和能源利用效率[1],設(shè)計一種現(xiàn)代化電力節(jié)能模式,進而提出本課題的研究。

國外電力研究機構(gòu)通過分析電耗過程,對電力設(shè)備的節(jié)能系統(tǒng)進行研究。文獻[1]提出了間歇性能源接入方式,采用CSC方法完成電力市場的能源控制,通過目標權(quán)重導(dǎo)向多目標粒子群優(yōu)化技術(shù)對電能消耗進行管控,實現(xiàn)電力市場的節(jié)能減排,但這種方法節(jié)能效率較低,不能達到綠色經(jīng)濟的標準。國內(nèi)電力市場研究部門通過調(diào)研市場電能消耗比例,有針對性地設(shè)計節(jié)能減排系統(tǒng)。文獻[2]通過電力設(shè)備的深度維護和精細設(shè)計,利用可變壓縮比技術(shù)對設(shè)備耗能方式進行改進,建立了雙目標模糊優(yōu)化節(jié)能新模型實現(xiàn)電力市場的節(jié)能減排,但這種系統(tǒng)運行過程較為復(fù)雜,會對設(shè)備的有效功率有一定影響。

針對上述研究的電力市場節(jié)能減排技術(shù)出現(xiàn)的問題,本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)研究市場能耗檢測技術(shù)和節(jié)能技術(shù),設(shè)計節(jié)能減排控制系統(tǒng),實現(xiàn)電力市場的綠色經(jīng)濟發(fā)展[2]。主要創(chuàng)新點如下。

(1)利用GPIB檢測技術(shù)對電場能耗設(shè)備進行檢測,將電力設(shè)備運行數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng),便于節(jié)能系統(tǒng)對電力設(shè)備的狀態(tài)把握。

(2)設(shè)計精細化節(jié)能方式,使電能的消耗達到最低,設(shè)計具有針對性的節(jié)能設(shè)備,完成一對一的節(jié)能控制,保證電能的利用率。

(3)采用啟發(fā)式算法對電力市場節(jié)能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,利用算法控制節(jié)能標準,使系統(tǒng)達到綠色經(jīng)濟的節(jié)能標準。

1 GPIB檢測技術(shù)

通用接口總線(GPIB)檢測技術(shù)主要對電力市場設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)進行檢測,對超出標準的設(shè)備進行更換,使設(shè)備運行數(shù)據(jù)穩(wěn)定,避免能源浪費。GPIB檢測技術(shù)如圖1所示。

圖1 GPIB檢測技術(shù)框圖

在LabVIEW仿真平臺上,利用GPIB檢測技術(shù)進行試驗。SX1276芯片開始輸出信號,被測設(shè)備接收到芯片信號,在I/O中進行輸入處理[3]。在本研究中,功能模塊主要包括數(shù)字I/O卡和GPIB接口卡,建立Sobel算子模型驗證和初步處理檢測數(shù)據(jù),該模型在數(shù)字I/O卡中實現(xiàn),利用算法編程軟件得到此模型。連接檢測系統(tǒng)的GPIB接口卡是檢測結(jié)構(gòu)中最核心的部分,GPIB接口卡的功能是自動檢測信號的信息化[4]。GPIB檢測原理圖如圖2所示。

圖2 GPIB檢測原理圖

圖2中,電源為220 V交流電。本研究將交流電壓通過二極管和三極管控制的整流橋進行電壓轉(zhuǎn)換,使交流電壓變成直流電壓。在此過程中,也為后續(xù)試驗的調(diào)制奠定了基礎(chǔ)。這種信號處理方式實際上就是將直流的電信號通過“交變轉(zhuǎn)換”的方式轉(zhuǎn)換成一種可檢測信號,即把一個需要檢測的信號轉(zhuǎn)化為了需要顯示的狀態(tài)。整流橋檢測過程包括3個部分:整流橋輸入信號;輸出電壓變化率;接收整流橋輸入電壓信號。該檢測過程主要檢測整流橋輸出信號的穩(wěn)定性。在該過程中,整流橋輸入信號、輸出電壓變化率及接收整流橋輸入電壓信號均為可調(diào)參數(shù),以此來實現(xiàn)對能源控制器的控制。信號調(diào)制器主要檢測設(shè)備的報警狀態(tài)、運行誤差等。該測試的目的是實現(xiàn)對能源控制器進行全面檢測。

2 精細化節(jié)能方式

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對電力設(shè)備進行節(jié)能控制,通過精細化節(jié)能方式將電力市場上的能源浪費現(xiàn)象進行管控,保證電力設(shè)備的有功輸出。設(shè)計簡略有效的電力輸出方式,將電力浪費降到最低,同時保證電力市場的能源供應(yīng)[5]。精細化節(jié)能方式如圖3所示。

圖3 精細化節(jié)能技術(shù)圖

精細化節(jié)能技術(shù)通過在線監(jiān)測進行節(jié)能減排技術(shù)的數(shù)據(jù)采集,在監(jiān)測設(shè)備和節(jié)能設(shè)備之間建立人工操作室,保證精細化管理裝置的順利運行。其中:1號工位負責能源回收站、節(jié)能裝置和待處理電能的精細化能源輸入,能源回收負責將電力市場浪費的電能進行回收利用,節(jié)能裝置主要對電力設(shè)備進行有功控制,待處理電能包括市場回收電能和設(shè)備應(yīng)用電能;2號工位主要對集能箱和過濾膜進行控制[6]。待處理電能通過2個工位的分析報備,分別輸送到配能柜和集能箱中,2個設(shè)備的能量傳輸由過濾膜進行過濾,達到電能使用標準。配能柜能夠?qū)Υ幚黼娔苓M行精細化配送,集能箱負責管理電能儲備,統(tǒng)計可以轉(zhuǎn)換的電能。2個設(shè)備輸送的電能經(jīng)過整合分配,通過閥門K1完成電能的輸出,將可用電能輸送到不同的耗能裝置中,電能余量通過K3儲存到能源罐中并完成監(jiān)測表統(tǒng)計,另一部分電能通過閥門K2歸類到能源罐中,然后由監(jiān)測表統(tǒng)計入庫[7]。

精細化節(jié)能方式的設(shè)計使電力市場電力浪費的能源得到回收,同時對電氣耗能裝置運行狀態(tài)進行管控。在管理過程中,配能柜和集能箱對回收電能實現(xiàn)再利用,將不同的電力資源進行合理劃分,供給能源裝置,實現(xiàn)電力資源的綠色發(fā)展,達到節(jié)能減排的目的。

3 啟發(fā)式算法

啟發(fā)式算法主要解決系統(tǒng)最優(yōu)選取問題,將待解決問題看作實際案例函數(shù),利用算法推測結(jié)果,進而選取出最合適的求解方案,完成問題函數(shù)的模型構(gòu)造。在實際應(yīng)用中,本文將電力資源看作一個基于直觀或經(jīng)驗構(gòu)造的函數(shù),通過一定的時間和空間計算,最終給出待解決問題的多個可行解,根據(jù)可行解與實際結(jié)果的偏離程度確定最優(yōu)解[8]。

對電力市場產(chǎn)生的能源浪費數(shù)據(jù)進行整合,對不同設(shè)備的電能利用率和有功輸出進行計算,在此基礎(chǔ)上確定問題函數(shù)[9],即:

(1)

式(1)中,Ed表示設(shè)備有功輸出量,σs表示電能利用效率,V表示電力市場能量消耗速度,H表示系統(tǒng)承受電力強度,D表示市場回收電量。

根據(jù)本文設(shè)計的節(jié)能系統(tǒng),將系統(tǒng)應(yīng)用在電力市場中,對于承受范圍內(nèi)的電力設(shè)備回收效率計算為

(2)

式(2)中,η表示系統(tǒng)電能回收效率,q表示設(shè)備能耗量,k表示系統(tǒng)穩(wěn)定系數(shù)。

啟發(fā)式算法通過分析電力市場能耗關(guān)系,對電力設(shè)備有效電能進行分析。根據(jù)設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)節(jié)能標準制定算法程序[10],對式(1)函數(shù)問題進行程序化優(yōu)解變換,則啟發(fā)式程序計算方式為

(3)

式(3)中,Em×n表示算法推測系統(tǒng)節(jié)能效率,m表示系統(tǒng)運行參數(shù),n表示電力設(shè)備數(shù)量,ηm表示系統(tǒng)電能回收效率,edn表示市場中的不同設(shè)備種類。

根據(jù)啟發(fā)式算法推測的系統(tǒng)節(jié)能效率,對市場上不同設(shè)備進行歸類,劃分2種不同形式的節(jié)能設(shè)備,即:

(4)

對2種不同形式的節(jié)能設(shè)備進行整合,并根據(jù)啟發(fā)式算法推測的節(jié)能效率進行電能輸入控制,其電能供應(yīng)量標準為

(5)

啟發(fā)式算法根據(jù)節(jié)能系統(tǒng)的回收裝置進行設(shè)備節(jié)能預(yù)測,通過分析設(shè)備實際運行中系統(tǒng)節(jié)能效率劃定市場電量標準,保證電力市場順利運行的同時避免電能浪費[11]。根據(jù)市場上設(shè)備能量利用率的不同劃分種類,使用戶更容易區(qū)分,使符合綠色經(jīng)濟的電力設(shè)備應(yīng)用更為廣泛。

4 節(jié)能減排控制系統(tǒng)

根據(jù)GPIB監(jiān)測的電力市場數(shù)據(jù)和精細化管理結(jié)構(gòu)效果進行分析,通過設(shè)計節(jié)能減排控制系統(tǒng)使技術(shù)更為全面,從而將電力市場上的各種能源進行合理利用。對于不同結(jié)構(gòu)的配合,通過控制系統(tǒng)的指令功能完成,使裝置反應(yīng)更加快速,運行方式更為簡便,達到電力市場的綠色經(jīng)濟[12]。節(jié)能減排控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 節(jié)能減排控制系統(tǒng)設(shè)計圖

節(jié)能減排控制系統(tǒng)在電力市場節(jié)能裝置的基礎(chǔ)上進行設(shè)計,通過分析市場上風(fēng)電、市電、太陽能等不同能源的消耗過程完成系統(tǒng)設(shè)計。其中,風(fēng)電能的能量供應(yīng)通過動力單元進行分化,將能量供應(yīng)分為不同渠道進行傳輸,供應(yīng)渠道消耗最大設(shè)備為吸收式制冷機組,通過分析其制冷耗能數(shù)據(jù),將不同形式的能量應(yīng)用到蓄冷裝置中,然后將風(fēng)電能源輸送到發(fā)電機組中,為住房耗能提供電力儲備。動力單元劃分的部分電能通過精細化管理方式進行回收,通過配電柜和集能箱的轉(zhuǎn)換完成風(fēng)電后重新發(fā)電。市電的供應(yīng)過程通過GPIB監(jiān)測進行控制,將其供電過程與配電柜連接,便于市電回收的二次利用。太陽能用電設(shè)備主要通過市電切換開關(guān)完成,利用切換開關(guān)的轉(zhuǎn)換功能將市電和太陽能發(fā)電進行轉(zhuǎn)換,使電力設(shè)備在運用過程中進行切換,便于系統(tǒng)的蓄電管理,積蓄的電能經(jīng)過發(fā)電機組輸送到不同的住房耗能區(qū)域,完成電力市場能源的節(jié)能控制[13]。

節(jié)能減排控制系統(tǒng)的設(shè)計使電力市場浪費的電能得到二次利用,通過系統(tǒng)控制指令對GPIB監(jiān)測機構(gòu)和精細化管理結(jié)構(gòu)進行控制,保證其順利運行的同時進行針對性發(fā)電管理,根據(jù)精細化管理結(jié)構(gòu)的能源劃分完成回收電能的利用,實現(xiàn)電力市場的綠色經(jīng)濟發(fā)展。

5 試驗結(jié)果與分析

本文針對電力市場節(jié)能減排方式進行研究,通過分析電力市場設(shè)備運行狀態(tài)和能耗關(guān)系,對其設(shè)備電能利用效率進行試驗,對電力市場節(jié)能控制方式進行改進,設(shè)計控制系統(tǒng)。通過GPIB監(jiān)測技術(shù)和精細化管理方式完成電力市場的節(jié)能管理,利用啟發(fā)式算法對電力市場耗能設(shè)備進行分類,并計算出各自能耗標準,記錄試驗結(jié)果,使用表格形式對數(shù)據(jù)進行整理分析。試驗過程如下。

(1)計算機型號使用Intel i9 9600KF,計算機主要參數(shù)信息為3.10 GHz CPU,64+256 GB內(nèi)存。

(2)GPIB監(jiān)測裝置來對試驗信號收集。

(3)節(jié)能技術(shù)采用精細化管理方式,對采集裝置上的能量進行優(yōu)化分配,通過軟件編程實現(xiàn)對采集裝置的節(jié)能控制。參數(shù)信息如表1所示。

表1 參數(shù)信息

本文研究根據(jù)不同減排方式進行試驗,根據(jù)結(jié)果進行分析,對同等時間下不同設(shè)備減排效率進行試驗對比,試驗的仿真模擬在Proteus仿真軟件中實現(xiàn)。電力市場節(jié)能系統(tǒng)仿真圖如圖5所示。

圖5 電力市場節(jié)能系統(tǒng)仿真圖

根據(jù)圖5,將本文研究與文獻[1]的間歇性接入方法、文獻[2]的可變壓縮比技術(shù)進行比較,并將試驗結(jié)果匯總為數(shù)據(jù)表,如表2所示。

表2 節(jié)能系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)表

通過表2數(shù)據(jù)分析:本設(shè)計對電力市場節(jié)能減排研究具有明顯效果,最大裝機容量為26.7 MW的電場,節(jié)能容量最大為323.12 kW,節(jié)能效率最高為98.4%;文獻[1]提出的間歇性接入方法最大裝機容量為25.2 MW的電場,節(jié)能容量最大為312.09 kW,節(jié)能效率最高為95.8%;文獻[2]提出的可變壓縮比技術(shù)最大裝機容量為23.8 MW的電場,節(jié)能容量最大為306.15 kW,節(jié)能效率最高為92.5%。綜上所述,本文研究試驗結(jié)果對電力市場有較好的實行性,可以采取有效的措施實現(xiàn)節(jié)能減排目標。此外,本文研究還可以為政府提供更多的決策支持,以提高電力市場的節(jié)能減排水平。

試驗結(jié)果顯示,3種不同的方案在節(jié)能量上有著明顯的變化規(guī)律,如圖6所示,通過比較可以更深入地分析各個系統(tǒng)性能,從而得出更準確的結(jié)論。

圖6 節(jié)能容量曲線

由圖6可知,在3種方案中,電廠裝機容量越大,系統(tǒng)節(jié)能量也就越高。在本設(shè)計同比狀態(tài)下,裝機容量為26.7 MW時,系統(tǒng)節(jié)能量最高,達到了323.12 kW,系統(tǒng)節(jié)能量提升速度為0.87 kW。其他2種方案的節(jié)能量相對較低:文獻[1]提出的間歇性接入方法裝機容量為25.2 MW時,節(jié)能容量最大為312.09 kW,系統(tǒng)節(jié)能量提升速度為0.48 kW;文獻[2]提出的可變壓縮比技術(shù)裝機容量為23.8 MW時,節(jié)能容量最大為306.15 kW,系統(tǒng)節(jié)能量提升速度為0.25 kW。

根據(jù)以上的試驗分析,可以得出以下結(jié)論。

(1) 通過比較各設(shè)計方案的系統(tǒng)電能利用效率,可以更加準確地了解節(jié)能系統(tǒng)的實際效果,從而更好地指導(dǎo)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計。

(2) 通過 Proteus軟件的仿真,可以實現(xiàn)節(jié)能系統(tǒng)的仿真,從而更好地了解節(jié)能系統(tǒng)的實際效果。系統(tǒng)電能利用效率曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)電能利用效率曲線

由圖7可知,3種系統(tǒng)的電能利用效率與系統(tǒng)節(jié)能容量存在一定的關(guān)系。本文研究電能利用效率整體穩(wěn)定在98.4%,變化幅度較為穩(wěn)定;文獻[1]提出的間歇性接入方法電能利用效率整體穩(wěn)定在95.8%,變化幅度較大;文獻[2]提出的可變壓縮比技術(shù)電能利用效率整體穩(wěn)定在92.5%,基本趨于穩(wěn)定。

綜上所述,本文所提出的方案可以有效降低電力市場的電能消耗,并達到良好的節(jié)能減排效果。試驗結(jié)果表明,本文所提方案的節(jié)能容量和電能利用效率均為最佳,可以更好地體現(xiàn)節(jié)能減排方案的優(yōu)越性。

6 總結(jié)

本文主要研究了電力市場中節(jié)能減排的方法,通過分析電力市場能耗狀態(tài)和電能利用效率關(guān)系完成方案設(shè)計,并進行仿真試驗。試驗結(jié)果證明,本文方案在各項性能指標上都達到了最佳,因此本文研究結(jié)果在理論上具有明顯的優(yōu)勢。但是本文研究在試驗過程中也存在一些問題,例如超出系統(tǒng)承受能力的電能浪費無法處理、算法程序運行誤差導(dǎo)致電能回收中斷等問題仍待解決。