基于大數(shù)據(jù)的分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方法仿真

李 爽,冉春雨

(1. 吉林建筑科技學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130114;2. 吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

1 引言

現(xiàn)階段,我國(guó)開(kāi)始大力推廣電采暖方式[1,2]。隨著煤改電用戶(hù)的飛速增加,各個(gè)地區(qū)低壓配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造需求和電力供需壓力快速增加。為了緩解電力供需矛盾日益惡化,鼓勵(lì)煤改電用戶(hù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷,全面增加電網(wǎng)負(fù)荷率和運(yùn)行效率。研究一種全新的分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方法是當(dāng)前研究的首要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了大量的研究,例如王志強(qiáng)等人[3]考慮到自身特性和外界環(huán)境因素,分析建筑物溫度對(duì)時(shí)變方程產(chǎn)生的影響,以此為依據(jù)進(jìn)行負(fù)荷特性建模;然后通過(guò)優(yōu)化方法獲取不同用戶(hù)的用電負(fù)荷特性;最終根據(jù)熱需求以及響應(yīng)行為的影響因素構(gòu)建區(qū)域用戶(hù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),最終完成電采暖負(fù)荷調(diào)峰。李玲等人[4]通過(guò)機(jī)理分析確定機(jī)組路由的額定負(fù)荷變化規(guī)律,將PID參數(shù)整定方法和仿真分析結(jié)果相結(jié)合,獲取協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù),同時(shí)制定對(duì)應(yīng)的調(diào)峰方案。

基于已有方法,提出一種基于大數(shù)據(jù)的分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,所提方法可以更好地完成電采暖負(fù)荷調(diào)峰。

2 方法

2.1 基于大數(shù)據(jù)的分布式電采暖負(fù)荷預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段,對(duì)電采暖負(fù)荷產(chǎn)生影響的因素可以劃分為多種不同的類(lèi)型,其中主要的影響因素為用戶(hù)行為習(xí)慣以及地理環(huán)境等。

優(yōu)先借助大數(shù)據(jù)技術(shù)采集分布式電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)[5,6]。隨著電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng),在處理海量數(shù)據(jù)的過(guò)程中,需要針對(duì)以下幾方面內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn),例如對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力等。其中,分布式電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集步驟如下所示

1)通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)采集分布式電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù);

2)將采集到的全部電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理;

3)對(duì)全部電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;

4)將全部數(shù)據(jù)輸出,最終得到分布式電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

根據(jù)不同負(fù)荷數(shù)據(jù)的屬性特征,將采集的電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)劃分為可觀測(cè)數(shù)據(jù)以及隱藏?cái)?shù)據(jù)。將其設(shè)定為不同的變量,分別各個(gè)變量之間的關(guān)系,進(jìn)而構(gòu)建LSTM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

LSTM網(wǎng)絡(luò)是由三個(gè)不同的部分組成,分別為輸入/輸出層以及隱含層[7,8],不同層次具有不同的功能,各個(gè)層次之間相互協(xié)作,緊密聯(lián)系。

設(shè)定觀測(cè)樣本為[p1,p2,…,pm],通過(guò)其可以獲取參數(shù)?對(duì)應(yīng)的概率模型k(x,?),則參數(shù)θ的對(duì)數(shù)似然函數(shù)v(?)可以表示為式(1)的形式

(1)

假設(shè)在觀測(cè)數(shù)據(jù)中的測(cè)試樣本數(shù)據(jù)是完整的,那么可以采用v(?)進(jìn)行計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的估計(jì)參數(shù)?。但是由于實(shí)際所觀測(cè)到的樣本數(shù)據(jù)并不是完整的,其中包含隱藏變量υ,則有關(guān)參數(shù)?的對(duì)數(shù)似然函數(shù)可以表示為以下形式

(2)

由于υ的存在,會(huì)造成?的計(jì)算難度增加。為了有效解決上述問(wèn)題,需要優(yōu)先對(duì)參數(shù)?和υ?xún)烧咧g的關(guān)系進(jìn)行深入分析,同時(shí)多次重復(fù)以上操作步驟,直至滿足終止條件則停止操作。

EM算法主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)步驟[9,10],經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟的反復(fù)迭代,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)參數(shù)的估計(jì),以下給出具體的操作步驟:

1)E步驟:

設(shè)定Tijl代表隱藏變量υ的分布,則需要滿足以下約束條件

(3)

由于隱藏變量υ的存在,當(dāng)v(?)的取值增加時(shí)υ的取值也會(huì)相應(yīng)增加,所以以下可以采用υ的取值獲取v(?)的最大似然下界約束條件,如式(4)所示

(4)

式中,a(i)和b(i)分別代表不同類(lèi)型的負(fù)荷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);n代表任意常數(shù);γ代表電力系統(tǒng)的日存儲(chǔ)能力。

2)M步驟:

分析隱藏變量υ的分布條件,以此為依據(jù),對(duì)參數(shù)υ進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以及求導(dǎo),最終獲取最大化似然參數(shù)。

多次重復(fù)步驟M和步驟E,經(jīng)過(guò)不斷地迭代優(yōu)化,最終獲取模型的解。

當(dāng)對(duì)分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰的影響因素進(jìn)行分析時(shí),可以實(shí)時(shí)掌握過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)建筑外的溫度以及環(huán)境變化情況,將LSTM網(wǎng)絡(luò)和EM算法進(jìn)行結(jié)合,對(duì)分布式電采暖負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

針對(duì)LSTM網(wǎng)絡(luò)中隱藏節(jié)點(diǎn)而言,由于節(jié)點(diǎn)類(lèi)型不同,所以采用的處理方式也不同。其中,可以將父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為離散節(jié)點(diǎn),以下需要各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化處理,具體計(jì)算過(guò)程如式(5)所示

(5)

式中,y(x)代表節(jié)點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果;y(i)代表概率密度函數(shù);z(i,j)代表輸出門(mén)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重。

將采集到的電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)STM網(wǎng)絡(luò)的輸入,同時(shí)明確對(duì)分布式電采暖產(chǎn)生影響的主要因素。分析電采暖負(fù)荷的主要特點(diǎn),采用LSTM網(wǎng)絡(luò)和EM算法相結(jié)合的方式對(duì)分布式電采暖負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)[11,12],詳細(xì)的操作步驟如圖1所示:

1)通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)采集最近幾年比較典型的分布式電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù),同時(shí)將其設(shè)定為模型的輸入。

2)分析不同類(lèi)型電采暖負(fù)荷數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,同時(shí)以此為依據(jù),構(gòu)建LSTM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3)將LSTM網(wǎng)絡(luò)和EM算法進(jìn)行有效結(jié)合。

4)將采集到的數(shù)據(jù)輸入到模型中。

5)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,最終輸出分布式電采暖負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰

為了更好完成分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰,需要將日電采暖負(fù)荷預(yù)測(cè)函數(shù)以及溫度作為變量,忽略其它影響因素。為了確保冬季室內(nèi)溫度的穩(wěn)定,需要有效避免各種能量的浪費(fèi),其中分布式電采暖的供熱負(fù)荷需要隨著溫度的變化而變化,具體的計(jì)算式如下

(6)

式中,Hxyz代表不同區(qū)域內(nèi)在設(shè)定時(shí)間段的電采暖供熱負(fù)荷;Hxy代表在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)建筑散熱所產(chǎn)生的負(fù)荷;Ht代表電供熱系統(tǒng)形成的最大損失負(fù)荷;xi、yi以及zi代表不同區(qū)域內(nèi)的建筑總數(shù);Kt代表建筑物的總面積;lwater代表在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)建筑物外部的溫度;uot代表室內(nèi)外溫度的差值;oit代表設(shè)定時(shí)間段內(nèi)建筑的散熱量。

由于建筑物的總面積屬于固定值,則電采暖產(chǎn)生供熱量所對(duì)應(yīng)的溫度函數(shù)Hu,v,w如式(7)所示

(7)

式中,φ代表供熱系統(tǒng)產(chǎn)生的供熱總量;Dt-outside代表建筑物散熱指標(biāo);Fi代表采用電采暖進(jìn)行供熱產(chǎn)生的費(fèi)用。

當(dāng)建筑物停止供暖時(shí),電采暖負(fù)荷需要滿足以下約束條件

(8)

式中,d代表常數(shù)。

隨著大批量用戶(hù)開(kāi)始采用電供暖方式,促使電網(wǎng)的波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性大幅度增加。在使用電采暖初期,會(huì)花費(fèi)大量的成本。所以可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,然后機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,這樣的發(fā)電成本就會(huì)比較低一些。在供暖低谷期,火電機(jī)組所產(chǎn)生的燃料成本lit計(jì)算式如下

lit=(xi·yi·zi)+cit+rit

(9)

式中,cit代表機(jī)組i產(chǎn)生的燃料系數(shù);cit代表火電機(jī)組在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的出力總和。

由于風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)或運(yùn)行會(huì)耗費(fèi)大量的成本,所以在計(jì)算的過(guò)程中還需要將整個(gè)火電機(jī)組的啟停成本考慮在內(nèi),以下將最小分布式電采暖成本作為目標(biāo),則對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如式(10)所示

(10)

式中,minB代表分布式電采暖的最小成本;Bit(y)代表火電機(jī)組的啟?？偞螖?shù);His代表設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的用電成本。

進(jìn)行電采暖不僅會(huì)受到發(fā)電性能的影響,同時(shí)還會(huì)受到電網(wǎng)有功調(diào)節(jié)以及風(fēng)速等自然條件的影響,以下給出具體的約束條件:

1)機(jī)組出力約束條件Gijt如式(12)所示

(11)

由于對(duì)風(fēng)速的測(cè)定是十分復(fù)雜的,結(jié)合相關(guān)先驗(yàn)知識(shí),能夠獲取以下形式的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

(12)

式中,ft代表額定風(fēng)速。

分析采用電采暖供熱的實(shí)際運(yùn)行情況,同時(shí)設(shè)定以下約束條件。其中,電采暖負(fù)荷的爬坡約束條件為

(13)

2)最短運(yùn)行時(shí)間以及停機(jī)時(shí)間約束,如式(15)所示:

(14)

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)以及設(shè)定的約束條件,構(gòu)建分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰模型,采用修正多目標(biāo)粒子群算法[13,14]對(duì)建立的負(fù)荷調(diào)峰模型進(jìn)行求解,詳細(xì)的操作步驟如下所示:

1)將算法中的全部粒子進(jìn)行歸一化處理,獲取不同決策變量的上下界取值,獲取電采暖方式的約束映射。

2)計(jì)算采用電采暖方式進(jìn)行供熱的平衡差額。

3)對(duì)供熱平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4)判定供電平衡修正公式和供熱平衡是否相似,假設(shè)相似,則繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電;反之,則由其它機(jī)組進(jìn)行出力。

5)分別計(jì)算不同粒子之間的歐式距離,同時(shí)確定各個(gè)粒子之間的共享函數(shù)。

6)計(jì)算共享度,同時(shí)對(duì)負(fù)荷調(diào)峰模型進(jìn)行求解,搜索最優(yōu)解,將其作為最優(yōu)分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方案。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證所提基于大數(shù)據(jù)的分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方法的有效性,選取J村莊典型的50戶(hù)電采暖用戶(hù)進(jìn)行測(cè)試分析,測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于2020年1月18日到1月31日。

將全部用戶(hù)按照可控度劃分為10組,可控度是隨之降低的,設(shè)定初始溫度為18℃,溫升系數(shù)為22℃。其中,用戶(hù)的舒適溫度也為18℃。

采用所提方法獲取的最優(yōu)調(diào)峰方案,以45min為一個(gè)調(diào)峰間隔,利用表1給出最優(yōu)調(diào)峰方案下各個(gè)調(diào)控時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:

表1 最優(yōu)負(fù)荷調(diào)峰方案下調(diào)控時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,代理公司對(duì)1組進(jìn)行調(diào)峰的次數(shù)比較多,平均值高達(dá)62.5個(gè)時(shí)段,而且第1組的最大和最小時(shí)段數(shù)也明顯高于其它分組,說(shuō)明調(diào)峰次數(shù)多的調(diào)峰時(shí)間更加靈活,而且參數(shù)負(fù)荷調(diào)峰的時(shí)段更多一些。

利用圖2給出前4組用戶(hù)采用所提方法進(jìn)行調(diào)峰后,各組用戶(hù)的負(fù)荷削減量變化情況。

圖2 不同峰時(shí)段各組用戶(hù)的負(fù)荷削減量測(cè)試結(jié)果

分析圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,經(jīng)過(guò)所提方法進(jìn)行調(diào)峰后,各個(gè)峰谷時(shí)段的負(fù)荷發(fā)生了十分明顯的變化,這說(shuō)明所提方法可以更好實(shí)現(xiàn)調(diào)峰。主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ谶M(jìn)行調(diào)峰時(shí)期,對(duì)用戶(hù)各個(gè)時(shí)段的電采暖負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè),為后續(xù)調(diào)峰奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),同時(shí)也能夠起到削峰填谷的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的一系列問(wèn)題,設(shè)計(jì)并提出一種基于大數(shù)據(jù)的分布式電采暖負(fù)荷調(diào)峰方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,所提方法能夠更好地完成削峰填谷,獲取更好的負(fù)荷調(diào)峰方案。

雖然所提方法現(xiàn)階段取得了比較滿意的研究成果,但是仍然存在不足,后續(xù)將針對(duì)以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行更深層次的研究:

1)減少電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及控制難度,在確保電力成本不增加的情況有效延長(zhǎng)供暖時(shí)長(zhǎng)。

2)對(duì)風(fēng)電出力情況進(jìn)行深入研究,獲取成本最低且收益最高的風(fēng)電出力方案。

3)和政府相關(guān)部門(mén)進(jìn)行溝通,制定合理有效的供暖電價(jià),同時(shí)還需要構(gòu)建有效的電力市場(chǎng),確保用戶(hù)可以通過(guò)最低的價(jià)格完成電采暖。