智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)智能家電功率限制控制參數(shù)探討

陳堅(jiān)波（海信家電集團(tuán)股份有限公司 佛山 528303； 海信（廣東）空調(diào)有限公司 江門(mén) 529000）

引言

目前，全球各地都或多或少地存在電力波峰波谷現(xiàn)象和短時(shí)電力短缺現(xiàn)象，給人們生活、工作和生產(chǎn)帶來(lái)問(wèn)題。盡管美國(guó)和歐洲一些國(guó)家從本世紀(jì)初開(kāi)始，到目前已逐步實(shí)現(xiàn)了通過(guò)智能電網(wǎng)的Open ADR[1-2]，即，智能電網(wǎng)的電力自動(dòng)調(diào)配，改善了電網(wǎng)的運(yùn)行情況。但無(wú)論如何調(diào)配，總存在一些突發(fā)事件或無(wú)法很好調(diào)配的事件，導(dǎo)致局部電力暫時(shí)性的短缺。這樣，就需要對(duì)電力短缺地方的一些用電客戶進(jìn)行電功率限制控制。

因家電的電力負(fù)載重要性地位較低，所以，常常被要求進(jìn)行功率限制控制。這樣就催生了功率能夠被智能電網(wǎng)限制控制的網(wǎng)絡(luò)智能家電。但是，全球范圍內(nèi)，功率能夠被智能電網(wǎng)限制控制的網(wǎng)絡(luò)智能家電才剛剛起步，許多技術(shù)問(wèn)題和一些功率限制控制參數(shù)指標(biāo)需要我們共同探討確定，以利于該行業(yè)的健康發(fā)展。本文試圖探討這些參數(shù)和指標(biāo)，就是想起到拋磚引玉的功能。

1 功率限制

1.1 功率限制控制參數(shù)指標(biāo)

在智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)智能家電的功率限制控制的方法有多種，一般采用功率閉環(huán)的控制方法能夠較好地限制住家電的功率[3]。在這種功率限制控制中，由于是閉環(huán)控制，就存在與閉環(huán)控制的超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩等技術(shù)參數(shù)[4]，以及網(wǎng)絡(luò)智能控制相關(guān)聯(lián)的一些參數(shù)或技術(shù)要求。所以，需要對(duì)這些相關(guān)的參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行探討。

1.2 功率限制范圍的探討

對(duì)于智能電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)智能家電的功率能夠無(wú)限地接近零功率是最好的，這樣，智能電網(wǎng)的功率限制和調(diào)配算法最簡(jiǎn)單。但是，當(dāng)家電的電功率低于一定數(shù)值后，該家電的功能就不明顯了。例如，我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，10 m2的房間，外面環(huán)境溫度為35 ℃、濕度80 %時(shí)，如果將1.5匹變頻空調(diào)的功率限制到額定功率的30 %，那么，房?jī)?nèi)的溫度不能被空調(diào)降到25 ℃ 。但是，同樣條件下，將1.5匹變頻空調(diào)的功率限制到額定功率的50 %，是可以將房?jī)?nèi)的溫度降到25 ℃。

所以，功率限制控制的范圍應(yīng)根據(jù)家電的特性、工作環(huán)境溫濕度、當(dāng)前的工作狀態(tài)來(lái)選擇功率的限制范圍。一般情況下，建議在50 %額定功率至額定功率這個(gè)范圍內(nèi)。

1.3 功率下降的調(diào)節(jié)時(shí)間

電網(wǎng)中的電功率不能大幅度地陡升，同樣，也不能大幅度地陡降，因?yàn)?，功率急劇變化，不僅造成電網(wǎng)問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致用電器的問(wèn)題。如公式1所示。

在公式1中，我們看到，功率的變化率dP/dt由電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt構(gòu)成。di/dt的數(shù)值過(guò)高會(huì)產(chǎn)生高壓，擊穿電網(wǎng)設(shè)備和用電器的絕緣，造成電網(wǎng)設(shè)備和用電器的損壞。同樣，du/dt的數(shù)值過(guò)高會(huì)產(chǎn)生大電流，產(chǎn)生局部過(guò)熱，融化供電線路的絕緣物以及燒傷/燒毀導(dǎo)線、連接器等物品。所以，功率調(diào)整中，應(yīng)以一定的速率降低功率或升高功率。

但是，電網(wǎng)功率在超限時(shí)，只能允許較短的時(shí)間。例如，一般在1 min內(nèi)。這樣，電網(wǎng)就希望家電能盡快地實(shí)現(xiàn)降功率。

綜合上面情況，將家電降功率的調(diào)整時(shí)間ts規(guī)定在≤50 s是合理的，如圖1所示。圖1中，Pa是需要家電降低到的功率。

1.4 功率限制控制允許的偏差范圍

由于受網(wǎng)絡(luò)智能家電功率控制精度的限制和功率調(diào)整的過(guò)渡過(guò)程超調(diào)量的影響，功率限制控制中存在功率調(diào)節(jié)偏差。這個(gè)功率調(diào)節(jié)偏差我們稱(chēng)之為功率偏差。

對(duì)于電網(wǎng)而言，這個(gè)功率偏差的大小并不太重要，但是對(duì)于家電而言，卻是重要的。因?yàn)檫^(guò)大的功率偏差，導(dǎo)致家電能力偏弱。

由于要求家電的功率檢測(cè)器件的精度一般小于等于2 %，所以，目前實(shí)現(xiàn)5倍檢測(cè)精度的功率偏差是容易實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)?，功率檢測(cè)精度小于等于2 %，那么，控制的靜態(tài)精度就會(huì)小于等于4 %。不論采用古典控制理論，還是現(xiàn)代控制理論以及智能控制理論[4-6]來(lái)校正，對(duì)于二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)校正成阻尼系數(shù)ξ=0.7～0.8時(shí)，它的調(diào)整時(shí)間較短，并且超調(diào)量也小，也就是實(shí)現(xiàn)所謂的二階電子最佳調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此時(shí)的超調(diào)量小于等于5 %。所以，功率控制偏差為Pa～0.9 Pa，如圖2所示。

1.5 功率限制控制中調(diào)節(jié)過(guò)程的振蕩次數(shù)限制

在功率限制控制中，如果產(chǎn)生調(diào)節(jié)振蕩，不僅會(huì)影響家電實(shí)現(xiàn)它的功能，也有可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生危害。因?yàn)樵谥悄茈娋W(wǎng)中大面積、大數(shù)量地調(diào)節(jié)家電的功率，如果產(chǎn)生同頻功率振蕩的話，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生危害。所以，不允許家電在功率限制控制中產(chǎn)生功率調(diào)節(jié)振蕩。但允許在Pa～0.9 Pa的范圍內(nèi)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程的波頭，如圖2所示，防止調(diào)節(jié)過(guò)程中功率的急劇變化。

1.6 功率限制控制中功率因數(shù)下降的限制

圖1 降低功率的調(diào)整時(shí)間

圖2 功率控制的偏差范圍

由于功率從額定值Pe向下調(diào)節(jié)時(shí)，許多家電的功率因數(shù)也往往下降，如圖3所示。

從圖3可見(jiàn)，有功功率雖然下降了，但因?yàn)楣β室驍?shù)cos?也下降了。有功功率P、視在功率S和功率因數(shù)cos?的關(guān)系如式2所示。

從式2可見(jiàn)，視在功率S不一定會(huì)下降。即使下降，也不會(huì)有較大的下降，如圖3所示。甚至某些家電還會(huì)造成視在功率升高。這樣的有功功率下調(diào)，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有起到應(yīng)有的作用。所以，有必要對(duì)功率限制控制中功率因數(shù)下降進(jìn)行限制。

由于大多數(shù)的家電功率下調(diào)到50 %的額定功率是合理的程度，所以，從額定功率下降到50 %額定功率時(shí)，家電的功率因數(shù)下降不應(yīng)大于10 %。盡管這個(gè)下降值為10 %是有點(diǎn)苛刻，但對(duì)于一個(gè)cos?= 0.95的家電來(lái)說(shuō)，下降10 %后，就是cos?= 0.855了。所以，我們項(xiàng)目2017A050501056的英國(guó)方面也要求不能小于10 %。

2 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互

2.1 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互的安全性

由于智能電器會(huì)遭受網(wǎng)絡(luò)信息攻擊，出現(xiàn)錯(cuò)誤的功率限制運(yùn)行。同樣，智能電網(wǎng)也會(huì)遭受網(wǎng)絡(luò)信息攻擊，出現(xiàn)錯(cuò)誤的功率限制運(yùn)行。所以，智能電網(wǎng)與智能電器的信息交互必須采取安全措施，如加解密，而不能使用明碼信息交互。

圖3 家電的功率因數(shù)隨功率下調(diào)而下降的情況

由于家電采用的MCU基本上都是廉價(jià)、能力較弱的MCU，在家電實(shí)時(shí)控制中，MCU往往沒(méi)有什么較長(zhǎng)的空余時(shí)間來(lái)處理復(fù)雜、計(jì)算量大的非對(duì)稱(chēng)式加解密工作。所以，家電中目前不能采用復(fù)雜的非對(duì)稱(chēng)式加解密工作。但是，可以進(jìn)行一定強(qiáng)度的對(duì)稱(chēng)式加解密工作。當(dāng)然，此時(shí)的對(duì)稱(chēng)式加解密秘鑰的安全就是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。

由于加解密只能探討方法，而無(wú)法進(jìn)行參數(shù)量化。所以，本小節(jié)無(wú)法給出具體的量化指標(biāo)。

2.2 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互的容錯(cuò)性

智能電網(wǎng)與智能電器交互的信息中，如果存在錯(cuò)誤，必須識(shí)別出來(lái)，而不能錯(cuò)誤運(yùn)行。否則，將產(chǎn)生危害電網(wǎng)的不良后果。為了能有效地識(shí)別信息中的錯(cuò)誤，需要采用較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的校驗(yàn)方式[7-8]，這同樣涉及到家電MCU能力問(wèn)題。所以，在網(wǎng)絡(luò)智能家電中，選擇合適的通信校驗(yàn)方式和輔助配合方法，是十分重要的。

為此，在通信中，我們推薦使用CRC16及以上的通信幀校驗(yàn)，而不使用任何形式的累加和校驗(yàn)[7-8]。

3 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)的智能化是未來(lái)全球的趨勢(shì)，現(xiàn)在有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力的國(guó)家都在進(jìn)行這方面的研究和實(shí)施。中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家的領(lǐng)頭羊，也開(kāi)始了電網(wǎng)的智能化研究[2]。我們公司也有幸于2016年參與了中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)智能化項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)智能家電功率限制控制產(chǎn)品研制項(xiàng)目。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的研制，我們提出了上述參數(shù)和指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)和達(dá)到了這些參數(shù)和指標(biāo)。同年11月，我們通過(guò)中英合作項(xiàng)目，與英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)一起進(jìn)行了英國(guó)和歐盟的智能電網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)智能家電功率限制控制研究。上述的參數(shù)和指標(biāo)，也被英國(guó)同行所接受，在項(xiàng)目中得以實(shí)施，并取得預(yù)期的結(jié)果。