電網(wǎng)友好型多用電設(shè)備協(xié)調(diào)控制模型與策略

廖正海，李利娟，劉紅良，楊金權(quán)，馬碧蔓

(1. 湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 湘潭大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類追求高品質(zhì)生活的意識(shí)愈加強(qiáng)烈，對(duì)集成化、智能化的家庭智能終端設(shè)備的需求也大幅度上升。國(guó)家能源局發(fā)布的全社會(huì)用電情況報(bào)告指出，2015年，我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活總用電量為7.276×1011kW·h，占全社會(huì)總用電累計(jì)量的13.11%[1]。由于同一時(shí)間段內(nèi)，大量的用電負(fù)荷接入電網(wǎng)，極易造成電網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率、供電電壓下降，若不及時(shí)消除故障，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。而智能電網(wǎng)作為發(fā)電端和用電端之間的電能輸送橋梁，具有雙向互動(dòng)、智能用戶管理和交互的特點(diǎn)[2]，能夠有效激勵(lì)用戶主動(dòng)友好地參與電網(wǎng)安全高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能資源的優(yōu)化配置。再通過(guò)引入合理的需求響應(yīng)機(jī)制，調(diào)節(jié)用戶與用電市場(chǎng)間的供用電關(guān)系，緩解電網(wǎng)用電壓力，實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷目標(biāo)[3-5]。

智能電網(wǎng)需求側(cè)管理技術(shù)，通過(guò)調(diào)配用戶參與需求響應(yīng)的能力，能夠?yàn)橛脩艄?jié)省電量，提升家庭智能用電設(shè)備的集成控制能力，提高用戶用電經(jīng)濟(jì)性。S. Kishore通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的優(yōu)化模型，根據(jù)分時(shí)電價(jià)通過(guò)家庭中配置的能源管理控制器來(lái)控制和決定家用電器的使用時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種智能電網(wǎng)中居民用電需求的控制機(jī)制[6]。S. N. Shao通過(guò)研究車網(wǎng)互動(dòng)(V2G)的需求響應(yīng)原理，從用戶選擇性控制角度，設(shè)計(jì)了一種計(jì)及用戶自身選擇條件的需求響應(yīng)，用戶可以自己決定何時(shí)控制何種負(fù)荷，并保留自己的用電隱私來(lái)減少電力汽車充電對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊[7]。M. A. Zehir針對(duì)智能電網(wǎng)中冰箱在需求側(cè)管理的應(yīng)用，建立了基于實(shí)際測(cè)量的冰箱的需求響應(yīng)控制模型，通過(guò)模擬分析冰箱的不同冷卻方案發(fā)現(xiàn)，如果在用電高峰期將冰箱用電需求的37.9% 轉(zhuǎn)移至非用電高峰期，每年能夠有效為用戶節(jié)省11.4% 的電費(fèi)[8]。A. D. Giorgio設(shè)計(jì)了一套智能家居設(shè)備控制策略，通過(guò)將智能家用電器與電網(wǎng)友好互動(dòng)的問(wèn)題抽象為二進(jìn)制線性規(guī)劃問(wèn)題，并計(jì)及實(shí)際功率閾值和不可計(jì)劃消耗的預(yù)測(cè)負(fù)載，得到在虛擬功率閾值約束下各類智能家用電器的最佳運(yùn)行時(shí)間[9]。文獻(xiàn)[10-12] 進(jìn)一步考慮家庭用電舒適度的某些因素，建立以用電費(fèi)用最小為目標(biāo)的家電設(shè)備調(diào)度模型，但上述提高用戶用電經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的模型均未涉及友好響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化。

采用合理的需求側(cè)管理技術(shù)和需求響應(yīng)控制技術(shù)，不僅能在促進(jìn)供用電兩端的友好互動(dòng)時(shí)提高用戶經(jīng)濟(jì)性，而且能夠有效緩解電網(wǎng)供電端電壓變化，調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率。文獻(xiàn)[13]針對(duì)家庭冷卻系統(tǒng)與電網(wǎng)友好互動(dòng)情況，提出了一種空調(diào)負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化情況而進(jìn)行分層分布式主動(dòng)響應(yīng)的控制策略，以緩解電壓變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響。Z. Xu提出通過(guò)采用電能需求-電網(wǎng)頻率-電力儲(chǔ)備控制技術(shù)，將常規(guī)電力系統(tǒng)儲(chǔ)量和電力需求作為電網(wǎng)頻率控制的一種手段[14]。

綜上所述，電網(wǎng)友好技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，但是未見(jiàn)綜合考慮用戶用電體驗(yàn)的頻率友好響應(yīng)模型與方法。因此，本文建立了一個(gè)計(jì)及用戶用電綜合滿意度的電網(wǎng)友好型多設(shè)備協(xié)調(diào)控制模型，采用模糊隸屬度函數(shù)作為設(shè)備正常供電滿意度指標(biāo)，通過(guò)協(xié)調(diào)控制智能家電設(shè)備的工作時(shí)間，或者調(diào)節(jié)具有儲(chǔ)能功能的智能用電設(shè)備的工作溫度等手段，進(jìn)行智能友好的源荷互動(dòng)來(lái)改變電力用戶時(shí)間和用電模式，達(dá)到削減電力需求高峰、友好響應(yīng)電網(wǎng)工作頻率、提高電力系統(tǒng)安全性和效率的最終目的。

1 計(jì)及電網(wǎng)頻率與用戶用電綜合滿意度的多設(shè)備協(xié)調(diào)控制模型

根據(jù)智能用電與需求響應(yīng)之間的關(guān)系，為充分調(diào)動(dòng)用戶主動(dòng)將家庭用電設(shè)備投入需求響應(yīng)中，本文模型以用電設(shè)備參與量、用戶用電綜合滿意度為目標(biāo)建立計(jì)及電網(wǎng)頻率的多設(shè)備協(xié)調(diào)控制需求響應(yīng)模型。

假設(shè)某小區(qū)變電站所管轄的區(qū)域內(nèi)各家庭共有K類用電設(shè)備參與智能用電需求響應(yīng)，其中單臺(tái)額定功率為PL·k(k=1，2，…，K)的第k類用電設(shè)備為βk臺(tái)。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)頻率大小，由系統(tǒng)的有功功率-頻率特性曲線可計(jì)算系統(tǒng)的功率缺額[2，15]：

(1)

其中，f為電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率；fN為電網(wǎng)額定頻率，fN=50 Hz；α為恒定系數(shù)，一般α∈[100，500]；fTH為頻率響應(yīng)閾值，根據(jù)文獻(xiàn)[13]本文設(shè)置的響應(yīng)閾值為[49.5，49.8]Hz。

(1)用電設(shè)備參與量。

用電設(shè)備參與量Pa是指時(shí)間段t內(nèi)，所有參與電網(wǎng)頻率友好響應(yīng)的用電設(shè)備調(diào)整的有功功率之和：

(2)

其中，T為時(shí)間段總數(shù)；xk·t為在時(shí)間段t內(nèi)第k類用電設(shè)備響應(yīng)的參與程度，即參與響應(yīng)的功率比例，0≤xk·t≤1。

當(dāng)電網(wǎng)存在功率缺額時(shí)，為盡快實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，在參與需求控制初期至結(jié)束的時(shí)間內(nèi)，每個(gè)用戶應(yīng)盡可能讓用電設(shè)備進(jìn)行需求策略響應(yīng)，盡可能減小用電設(shè)備總參與量與當(dāng)前電網(wǎng)端的功率缺額的偏差，即：

minF1=|Pa-Pvac|t=1，2，…，T

(3)

其約束為：

0≤xk·t≤1

(4)

(2)用戶用電綜合滿意度。

由于用戶在用電時(shí)，一方面希望與電網(wǎng)方面互動(dòng)以獲取相關(guān)補(bǔ)貼利益，另一方面希望用電設(shè)備有一定正常運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，以此保證設(shè)備能夠穩(wěn)定工作一段時(shí)間來(lái)維持基本的用電體驗(yàn)(如夏季時(shí)，用戶希望空調(diào)在參與控制策略一段時(shí)間后，能夠啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間以降低室內(nèi)溫度)。因此，影響用戶用電綜合滿意度主要考慮用電設(shè)備受控滿意度、設(shè)備正常供電滿意度2個(gè)因素。

a. 用電設(shè)備受控滿意度。

用電設(shè)備受控滿意度是衡量用戶用電體驗(yàn)的指標(biāo)之一。不同的用電設(shè)備具有對(duì)應(yīng)的額定運(yùn)行參數(shù)，這些額定運(yùn)行參數(shù)難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，定義用電設(shè)備累計(jì)受控時(shí)長(zhǎng)為在參與友好響應(yīng)時(shí)，所有用電設(shè)備累計(jì)中斷負(fù)荷或減載運(yùn)行總時(shí)間。設(shè)備參與友好響應(yīng)的累計(jì)受控時(shí)間會(huì)影響用戶的用電體驗(yàn)，響應(yīng)受控時(shí)間越長(zhǎng)，用電體驗(yàn)越差，因此根據(jù)用電設(shè)備累計(jì)受控時(shí)長(zhǎng)，按如下方法得到用電設(shè)備受控滿意度指標(biāo)。

對(duì)于第k類用電設(shè)備，在前t段時(shí)間段內(nèi)累計(jì)受控時(shí)間Soff·kt為：

Soff·kt=Soff·kt-1+yk·tΔt

(5)

其中，Soff·kt為前t段時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)受控時(shí)間；Soff·kt-1為前t-1段時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)受控時(shí)間；Δt為單位時(shí)間間隔；yk·t為在時(shí)間段t內(nèi)第k類用電設(shè)備是否參與響應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)量，如式(6)所示。

(6)

當(dāng)yk·t的值由 0 變?yōu)?則表示該設(shè)備在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了有功輸出功率響應(yīng)程度增加操作(本文將該操作定義為開(kāi)操作)；當(dāng)yk·t的值由 1 變?yōu)?則表示該設(shè)備在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了有功輸出功率響應(yīng)程度減少操作(本文將該操作定義為關(guān)操作)。

(7)

由用電設(shè)備的額定運(yùn)行參數(shù)可知，在固定的時(shí)間段內(nèi)用電設(shè)備的開(kāi)/關(guān)操作次數(shù)是有限的，即：

(8)

其中，M為在研究的T個(gè)時(shí)間段內(nèi)第k類用電設(shè)備的最大允許開(kāi)/關(guān)操作次數(shù)。

為保證用電設(shè)備的受控滿意度，每個(gè)用電設(shè)備中斷或減載運(yùn)行時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，Soff·kt存在制約因素：

Soff·kt≤Toff·k·max

(9)

其中，Toff·k·max為第k類用電設(shè)備的最大持續(xù)受控時(shí)間。 根據(jù)模糊集理論，建立用電設(shè)備的受控時(shí)間模糊隸屬度函數(shù)，在時(shí)間段t內(nèi)，當(dāng)?shù)趉類用電設(shè)備的累計(jì)受控時(shí)間小于該用電設(shè)備的最佳持續(xù)受控時(shí)間，該用電設(shè)備受控滿意度最高為1；當(dāng)?shù)趉類用電設(shè)備的累計(jì)受控時(shí)間大于該用電設(shè)備的最大連續(xù)受控時(shí)間，該用電設(shè)備受控滿意度最低為0，如圖1(a)所示，時(shí)間段t內(nèi)第k類用電設(shè)備的受控滿意度Uoff·kt為：

(10)

其中，Toff·k·best為第k類用電設(shè)備的最佳持續(xù)受控時(shí)間。 最佳持續(xù)受控時(shí)間指的是用電設(shè)備參與一次電網(wǎng)友好響應(yīng)，能滿足用戶設(shè)定值的持續(xù)響應(yīng)時(shí)間。如空調(diào)設(shè)備從開(kāi)始響應(yīng)后，使室內(nèi)溫度能保持用戶設(shè)定溫度值的響應(yīng)運(yùn)行時(shí)間。

因此，使各類用電設(shè)備總的受控滿意度最優(yōu)為：

(11)

其應(yīng)滿足的約束包括：

(12)

b. 設(shè)備正常供電滿意度。

設(shè)備正常供電滿意度是衡量用戶用電綜合滿意度的另一個(gè)指標(biāo)。為了避免負(fù)荷設(shè)備頻繁啟動(dòng)降低使用壽命，每個(gè)用電設(shè)備具有一定的啟停頻次或功率調(diào)節(jié)頻次限制。設(shè)備正常供電滿意度是衡量用電設(shè)備啟停或功率調(diào)節(jié)頻次的指標(biāo)。設(shè)備參與友好響應(yīng)的狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備正常供電滿意度高。定義設(shè)備累計(jì)正常供電時(shí)長(zhǎng)Son·kt為：

Son·kt=Son·kt-1+(1-yk·t)Δt

(13)

在實(shí)際操作過(guò)程中，為避免頻繁啟停，設(shè)備每次啟停或調(diào)節(jié)之間需要滿足設(shè)備的最小持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，Son·kt存在制約因素：

Son·kt≥Ton·k·min

(14)

其中，Ton·k·min為第k類用電設(shè)備的最小持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。 根據(jù)模糊集理論，建立用電設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間模糊隸屬度函數(shù)，在時(shí)間段t內(nèi)，當(dāng)?shù)趉類用電設(shè)備的累計(jì)正常供電時(shí)長(zhǎng)小于該用電設(shè)備的最小連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，該用電設(shè)備正常供電滿意度最低為0；當(dāng)?shù)趉類用電設(shè)備的累計(jì)正常供電時(shí)長(zhǎng)大于該用電設(shè)備的最佳持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，該用電設(shè)備受控滿意度最高為1，如圖1(b)所示，時(shí)間段t內(nèi)第k類用電設(shè)備正常供電滿意度Uon·kt為：

(15)

其中，Ton·k·best為第k類用電設(shè)備的最佳持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。 最佳持續(xù)運(yùn)行時(shí)間指的是用電設(shè)備從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_(kāi)啟狀態(tài)開(kāi)始，至用電設(shè)備處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，并持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到設(shè)定值所需要的總時(shí)間。如空調(diào)設(shè)備從開(kāi)啟至持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，使室內(nèi)溫度達(dá)到用戶設(shè)定溫度值所需要的時(shí)間為空調(diào)設(shè)備的最佳持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

圖1 用戶用電綜合滿意度的模糊隸屬度函數(shù)Fig.1 Fuzzy membership function of comprehensive electricity consumption satisfaction of household applications

因此，使各類用電設(shè)備總的正常供電滿意度最優(yōu)為：

(16)

其應(yīng)滿足的約束包括：

(17)

(3)模型。

因此，時(shí)間段t內(nèi)對(duì)第k類用電設(shè)備的用戶用電綜合滿意度Ukt為：

Ukt=Uoff·kt+Uon·kt

(18)

在時(shí)間段t內(nèi)，各類用電設(shè)備總的用戶用電綜合滿意度Uk為：

(19)

綜上所述，計(jì)及電網(wǎng)頻率和用戶用電綜合滿意度的用電設(shè)備需求響應(yīng)策略模型實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型，目標(biāo)1為使用電設(shè)備總參與量與當(dāng)前電網(wǎng)端的功率缺額的允許偏差最小，目標(biāo)2為使用戶用電綜合滿意度最佳，其多目標(biāo)優(yōu)化模型目標(biāo)為：

(20)

同時(shí)，需滿足包括式(12)和式(17)在內(nèi)的所有約束條件。

2 多設(shè)備協(xié)調(diào)頻率響應(yīng)策略實(shí)現(xiàn)過(guò)程

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率f，若電網(wǎng)頻率正常，用戶則無(wú)需參與響應(yīng)，此時(shí)用戶用電綜合滿意度最高。若電網(wǎng)頻率偏低且偏移量達(dá)到響應(yīng)閾值fTH，系統(tǒng)以主要考慮用電設(shè)備參與需求響應(yīng)程度為目標(biāo)，進(jìn)行用電設(shè)備的切投操作，以期用最短的時(shí)間改善電網(wǎng)狀態(tài)，并反饋參與需求響應(yīng)的情況，若該操作無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)改善電網(wǎng)頻率狀態(tài)，則綜合考慮用電設(shè)備參與需求響應(yīng)與用戶用電綜合滿意度為目標(biāo)，讓功率大或短時(shí)工作制的用電設(shè)備積極主動(dòng)參與響應(yīng)(如空調(diào)、微波爐)，其余用電設(shè)備適當(dāng)參與，進(jìn)行用電設(shè)備的切投操作，若電網(wǎng)頻率不能恢復(fù)達(dá)到系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)要求，則需要系統(tǒng)采取其余措施。多設(shè)備協(xié)調(diào)頻率響應(yīng)策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 多設(shè)備協(xié)調(diào)頻率響應(yīng)控制的原理流程圖Fig.2 Flowchart of coordinated control for frequency response of multi-household applications

當(dāng)用戶主動(dòng)參與頻率響應(yīng)時(shí)，電力公司會(huì)根據(jù)用戶響應(yīng)電量，給參與響應(yīng)的用戶提供補(bǔ)貼或者優(yōu)惠電價(jià)作為相應(yīng)的補(bǔ)償。由模型得到各用電設(shè)備參與量，即用電設(shè)備在時(shí)間段t內(nèi)參與電網(wǎng)響應(yīng)而調(diào)整的有功功率之和，也即用戶參與響應(yīng)的電量，這可作為補(bǔ)償?shù)牧炕鶞?zhǔn)。

3 模型算例求解與仿真

3.1 模型算例求解

為了提高多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的計(jì)算效率和魯棒性，本文采用一種帶精英策略的改進(jìn)快速非支配排序遺傳算法(INSGA_Ⅱ)[16-17]，圖3是該算法的流程圖。

圖3 INSGA_Ⅱ算法流程圖Fig.3 Flowchart of INSGA_Ⅱ

為了驗(yàn)證本文模型的準(zhǔn)確性、合理性，本文選取了具有代表意義的5類(分別為電熱水器、空調(diào)設(shè)備、微波爐、洗衣機(jī)、電冰箱)作為仿真對(duì)象[11]，參數(shù)如表1所示。

表1 仿真對(duì)象參數(shù)Table 1 Simulative parameters

當(dāng)電網(wǎng)遭受容量為ΔS=50 + j25 kV·A和ΔS=80 + j55 kV·A的沖擊荷載時(shí)，利用INSGA_Ⅱ?qū)δＰ瓦M(jìn)行求解計(jì)算，種群規(guī)模為200，繁衍代數(shù)為50，交叉分布指數(shù)和變異指數(shù)分布均為20，交叉率為0.8，變異率為0.2，利用MATLAB對(duì)上述模型進(jìn)行求解，分別根據(jù)式(3)和式(4)求得在用電設(shè)備參與量最優(yōu)、式(11)和式(12)求得用電設(shè)備受控滿意度最優(yōu)、式(16)和式(17)求得設(shè)備正常供電滿意度最優(yōu)的單目標(biāo)情形下各類設(shè)備的參與量，以及根據(jù)式(20)、(21)求得綜合考慮計(jì)及電網(wǎng)頻率與用戶用電綜合滿意度最優(yōu)情形下的各類用電設(shè)備參與控制響應(yīng)的參與程度如表2所示。

分析表2第1行數(shù)據(jù)可知，在不考慮用戶用電綜合滿意度的前提下，空調(diào)設(shè)備、電熱水器、微波爐等額定功率較大的用電設(shè)備的響應(yīng)程度在0.95以上，盡可能地參與響應(yīng)策略，以實(shí)現(xiàn)最大可能填補(bǔ)電網(wǎng)功率缺額，而功率較小的電冰箱參與量較低，只有0.3803。

表2 各類用電設(shè)備參與控制響應(yīng)的參與程度Table 2 Participating degree in control response of household applications

分析表2第2行數(shù)據(jù)可知，要保證用電設(shè)備受控滿意度最優(yōu)，電熱水器、空調(diào)設(shè)備和電冰箱幾乎不參與響應(yīng)，短時(shí)工作制的用電設(shè)備微波爐、洗衣機(jī)少量參與控制策略響應(yīng)，因?yàn)樵擃愋陀秒娫O(shè)備工作時(shí)間短，因此，可以通過(guò)合理安排該類用電設(shè)備的使用時(shí)段，以緩解當(dāng)前時(shí)刻的電網(wǎng)壓力。

從表2第3行數(shù)據(jù)可知，要保證用電設(shè)備的正常供電滿意度，所有用電設(shè)備不同程度地投入友好響應(yīng)中，其中短時(shí)工作制的微波爐、洗衣機(jī)響應(yīng)程度高于其余3類。前4類設(shè)備參與程度均比以用電設(shè)備參與量最優(yōu)為目標(biāo)下降，空調(diào)設(shè)備、電熱水器這類用電設(shè)備的參與度顯著降低；而電冰箱的響應(yīng)程度提高，因?yàn)樵擃愒O(shè)備對(duì)用戶的體驗(yàn)影響不太敏感，這樣能更好地滿足用戶用電綜合滿意度。

從表2第4行數(shù)據(jù)可以知道，綜合考慮用電設(shè)備參與量、用電設(shè)備受控滿意度、設(shè)備正常供電滿意度，在保證用電設(shè)備正常工作持續(xù)時(shí)間在規(guī)定范圍內(nèi)的前提下，讓功率大或短時(shí)工作制的用電設(shè)備積極主動(dòng)參與響應(yīng)(如空調(diào)設(shè)備優(yōu)化參與度0.559 8、微波爐參與度0.510 0)，如在夏天用電高峰期間且室內(nèi)溫度已保持在人體舒適范圍內(nèi)時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)高空調(diào)溫度；其余用電設(shè)備適當(dāng)參與，這樣既提升了用戶參與需求響應(yīng)的積極性，又能保證用戶用電綜合滿意度。

3.2 基于PSAT的算例仿真

利用PSAT的IEEE 14節(jié)點(diǎn)測(cè)試模型(見(jiàn)圖4)進(jìn)行算例驗(yàn)證。假設(shè)BUS3在t=2 s到t=72 s受到容量為ΔS=50 + j25 kV·A的沖擊荷載，在t=144 s到t=230 s時(shí)受到容量為ΔS=80 + j55 kV·A的持續(xù)沖擊干擾，沖擊載荷造成頻率波動(dòng)，頻率波動(dòng)時(shí)啟用本文所提控制策略。這些仿真是在MATLAB環(huán)境下的PSAT工具包中的m文件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖4 IEEE 14節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 IEEE 14-bus test system

為了驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性和可靠性，本文利用PSAT分別對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。假設(shè)各用電設(shè)備分布在IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的BUS2、BUS4、BUS6上參與響應(yīng)，運(yùn)行狀態(tài)是隨機(jī)均勻分布的，單臺(tái)設(shè)備容量如表1所示。為避免響應(yīng)二次沖擊，BUS4、BUS6設(shè)備節(jié)點(diǎn)參與響應(yīng)的移除時(shí)間依次滯后2 s，得到分別以用電設(shè)備參與量最優(yōu)、用電設(shè)備受控滿意度最優(yōu)、設(shè)備正常供電滿意度最優(yōu)和3個(gè)目標(biāo)同時(shí)最優(yōu)的控制策略的頻率響應(yīng)曲線圖，如圖5所示，圖中電網(wǎng)頻率為標(biāo)幺值，后同。

圖5 各目標(biāo)最優(yōu)情況下的頻率控制響應(yīng)曲線Fig.5 Frequency control response curves for optimization of each objective

結(jié)合表2和圖5可得出：在電網(wǎng)遭受大沖擊負(fù)荷時(shí)，以用電設(shè)備參與量最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)實(shí)施控制時(shí)(曲線①)，由于該情形下各類設(shè)備均具有較高的參與度，在檢測(cè)到頻率下降到閾值時(shí)，通過(guò)需求響應(yīng)控制后頻率最終下降最少，電網(wǎng)頻率能夠迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)目標(biāo)能很好地體現(xiàn)以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定為目標(biāo)，但是這種策略必然犧牲用戶的設(shè)備體驗(yàn)和設(shè)備的使用壽命。

以計(jì)及頻率的設(shè)備正常供電滿意度最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)實(shí)施控制時(shí)(曲線③)，由于大型用電設(shè)備(如空調(diào)設(shè)備等)對(duì)用戶用電綜合滿意度影響大，在電網(wǎng)遭受大沖擊負(fù)荷時(shí)，該類設(shè)備參與量比以用電設(shè)備參與量最優(yōu)為目標(biāo)低，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率恢復(fù)至穩(wěn)定值比曲線①慢，但由于是在電網(wǎng)友好響應(yīng)的基礎(chǔ)上保證用戶用電綜合滿意度的，因此同樣能較快地使電網(wǎng)的頻率恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

以用電設(shè)備受控滿意度最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)實(shí)施控制時(shí)(曲線②)，要使設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此不能對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行頻繁的切除(或掛載)操作，設(shè)備參與量較前2個(gè)目標(biāo)明顯降低，因此對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定作用明顯不如其余2個(gè)目標(biāo)好。

使用多目標(biāo)優(yōu)化策略后(曲線④)，由圖5可看出頻率最終下降和頻率響應(yīng)速度均具有較好的效果，還能保證用戶用電綜合滿意度和設(shè)備的壽命。同時(shí)，本文對(duì)不采用控制策略(電網(wǎng)遭受沖擊時(shí)各類用電設(shè)備不參與需求控制)、隨機(jī)響應(yīng)策略(電網(wǎng)遭受沖擊時(shí)隨機(jī)設(shè)定各類用電設(shè)備友好響應(yīng)參與量)和優(yōu)化控制響應(yīng)策略(電網(wǎng)遭受沖擊時(shí)，根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果設(shè)定各類用電設(shè)備參與需求控制的設(shè)備參與量)進(jìn)行對(duì)比仿真，得到電網(wǎng)頻率的波動(dòng)曲線如圖6所示。

圖6 IEEE 14節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)頻率波動(dòng)仿真結(jié)果圖Fig.6 Simulation of frequency fluctuation for IEEE 14-bus system

由仿真結(jié)果可知，在IEEE 14節(jié)點(diǎn)測(cè)試模型中，在t=2 s和t=144 s時(shí)加入一個(gè)大沖擊負(fù)荷，此時(shí)用電設(shè)備響應(yīng)電網(wǎng)的需求控制，用電設(shè)備的輸出功率也開(kāi)始主動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)的頻率盡可能快地恢復(fù)到正常水平。設(shè)置控制響應(yīng)延時(shí)10 s后，當(dāng)檢測(cè)到頻率恢復(fù)至49.97 Hz，則在閾值范圍內(nèi)對(duì)各設(shè)備設(shè)置恢復(fù)點(diǎn)，恢復(fù)其初始運(yùn)行狀態(tài)，重新加載其削減的功率。在t=72 s和t=230 s時(shí)，沖擊負(fù)荷消失時(shí)，相當(dāng)于對(duì)電網(wǎng)造成了二次沖擊，頻率出現(xiàn)一個(gè)短時(shí)的尖峰值。從仿真結(jié)果可看出，執(zhí)行按照本文提出的根據(jù)模型結(jié)果設(shè)定用電設(shè)備響應(yīng)參與量的優(yōu)化響應(yīng)控制策略后，電網(wǎng)頻率恢復(fù)速度相比于不采用控制策略情況以及隨機(jī)響應(yīng)策略情況下的要快，且能使電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定值接近1 p.u.，說(shuō)明了本文優(yōu)化控制響應(yīng)策略的合理性和有效性。

4 結(jié)論

本文以各類家庭用電設(shè)備為研究對(duì)象，建立以用電設(shè)備參與量、設(shè)備安全運(yùn)行程度、用戶用電綜合滿意度為目標(biāo)的友好型多設(shè)備協(xié)調(diào)控制模型，并利用PSAT對(duì)模型結(jié)果的可行性、準(zhǔn)確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在電網(wǎng)遭受持續(xù)大沖擊干擾頻率波動(dòng)時(shí)，根據(jù)本文提出的綜合考慮用電設(shè)備參與頻率響應(yīng)量和用戶用電綜合滿意度多目標(biāo)優(yōu)化模型結(jié)果，讓功率大或短時(shí)工作制的用電設(shè)備積極主動(dòng)參與響應(yīng)；其余用電設(shè)備適當(dāng)參與，具有良好的頻率響應(yīng)效果。這種多種類型用電設(shè)備積極主動(dòng)友好調(diào)整負(fù)荷量，不僅能夠快速有效地改善電網(wǎng)頻率狀況，而且能保證設(shè)備使用質(zhì)量和用戶用電綜合滿意度。

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