计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法与流程

本发明涉及一种计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法，属于蓄热式电采暖、配电网技术领域。

背景技术：

电采暖作为新兴采暖技术，目前在欧美国家已较为普遍应用。近年来，为解决我国北方地区冬季燃煤采暖造成的环境污染问题，电采暖得到广泛关注与大力发展。电采暖因布置、运行、供暖方式灵活，提高了电能在终端能源消费的比重。电采暖方式包括电锅炉等集中式采暖设施、发热电缆、电热膜等分散式电采暖设施以及各类电驱动热泵。截至2019年底，京津冀地区共完成“煤改电”219.6万户，有效支撑了蓝天保卫战的胜利。

煤改电实施过程中存在一些亟需解决的关键问题。一是相对于其他用电负荷，电采暖设备接入配电网，用电功率大，用电同时率高，叠加效应明显，运行时峰值功率大，对配电网的承载能力要求高。老旧地区进行“煤改电”时，配电网往往需要扩容改造，投资成本和建设难度显著增大，严重制约电采暖发展。二是电采暖设备属于典型的季节性负荷，我国北方地区供暖季长，制热需求大。但夏季时间相对较短，制冷需求较小，夏季空调负荷没有供暖季的电采暖负荷大。因此，电采暖负荷大规模接入后，会造成供暖季线路负荷重载，非供暖季线路负荷轻载的现象，严重影响电网的运行效率，降低配电网的资产利用率。

规模化电采暖设备接入电网，产生的不利影响主要概括为两个方面：一是电采暖设备数量的急剧增加，与之配套的变电设施也将逐渐增多，这使得配电网的结构以及负荷性质发生了改变，传统配电网的规划准则无法满足规模化电采暖设备的接入。二是大规模电采暖设备接入电网用电，会出现配电网负荷“峰上加峰”的情况，极大增加电网压力，限制了配电网的承载能力。具体而言，电采暖负荷主要影响配电网的电能质量和经济运行两个方面。关于对电能质量的影响，由于电采暖设备用电行为与环境变化及居民生活作息规律密切相关，所以日常用电高峰可能与电采暖设备用电负荷接入电网充电时间重叠，这使得配电网负荷加重，电压降落增加，从而导致电压不能满足相应标准，情况严重将会出现电压失稳的状况。经济运行方面，大量电采暖设备会增加配电网的网络损耗和缩短变压器的使用寿命。大量电采暖设备在冬季集中用电会导致对应配电网节点功率需求增多，从而使得供电线路损耗增加，加剧配电网的“拥堵”，严重时会导致局部区域配电网过载运行。所以，研究蓄热式电采暖接入配电网时对配电网承载能力的影响并提出配电网承载能力评估方法是必要的。截止目前，与蓄热式电采暖规模化接入后对配电网承载能力研究相关的专利鲜有公开。

技术实现要素：

本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法要解决的技术问题：基于城市不同用户类型对供暖需求的差异性，对不同功能区的蓄热式电采暖接入配电网承载能力进行单独分析；通过建立电采暖负荷时间和空间模型，得到不同功能区的蓄热式电采暖负荷时空分布，求得蓄热式电采暖用电负荷峰值，最终得到蓄热式电采暖用电同时率；基于配电变压器负载能力、用户基础用电负荷及不同应用环境，以蓄热式电采暖设备临界渗透率作为评估指标，对配电网承载能力进行评估，从而合理规划蓄热式电采暖设备的配电网接入量，解决蓄热式电采暖负荷与配电网现有承载能力不匹配而造成的配电网运行安全问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法，建立蓄热式电采暖设备的时空模型，确定各区域的具体位置，归纳得到不同功能区各种用户群体使用蓄热式电采暖设备的数量在空间上的分布。功能区区域划分为住宅区、商业区、工业区。建立出各区采暖需求模型，模拟得到不同功能区的蓄热式电采暖设备负荷时空分布情况。根据不同功能区的蓄热式电采暖用户数和负荷时空分布，确定出各区域的蓄热式电采暖用电同时率。

依据不同区域类型确定出不同功能区域的所有用电户数、每户基础用电负荷、基础用电同时率，确定各区域的基础用电负荷。根据不同区域基础用电负荷、用电规划裕度以及功率因数，确定各区域配电变压器总容量。

根据不同区域基础用电负荷和蓄热式电采暖用电负荷最大有功值，计算出配电网基础负荷和蓄热式电采暖负荷的用电同时率，最终得到蓄热式电采暖的临界渗透率，用蓄热式电采暖的临界渗透率对配电网的承载能力进行分析评估。

蓄热式电采暖的渗透率是指某一区域蓄热式电采暖的用户数量与该区域所有住户数的比值，代表蓄热式电采暖的普及程度。临界渗透率，即蓄热式电采暖设备接入配电网后，达到配电网所允许的最大承载能力时所对应的渗透率。

本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法，包括如下步骤：

步骤一：对蓄热式电采暖设备进行时空建模，得到不同功能区的蓄热式电采暖设备的负荷时空变化，根据所述负荷时空变化得到不同功能区蓄热式电采暖用电负荷峰值，并根据不同功能区的蓄热式电采暖用户数，利用蓄热式电采暖用电负荷最大有功值确定不同功能区的蓄热式电采暖用电同时率。

根据不同功能区类型、位置分布、用户需求建立起蓄热式电采暖设备时空模型，用蒙特卡洛方法模拟电采暖用电负荷的时空分布，并根据不同功能区的电采暖用户数，利用蓄热式电采暖用电负荷公式(1)，结合蓄热式电采暖用电同时率公式(2)，确定出不同功能区节点的蓄热式电采暖用电同时率。

其中，p'h为某区域蓄热式电采暖用电负荷峰值；ph为某区域蓄热式电采暖用电负荷最大有功值；pheat为蓄热式电采暖用电功率，kw；η为蓄热式电采暖用电效率；ε为某区域蓄热式电采暖用电同时率；n^heat为某区域当前蓄热式电采暖用户数量。

不同功能区蓄热式电采暖用电负荷峰值也可通过调研得到。

步骤二：依据不同功能区的区域用电户数、每户的基础负荷值以及基础用电同时率，确定不同功能区的基础用电负荷。根据不同区域基础用电负荷确定出满足实际变压器容量约束的不同区域的配电变压器总容量。

基于不同功能区的区域用电户数、每户用户的基础负荷值以及基础用电同时率对不同功能区基础用电负荷的影响，利用基础用电负荷公式(3)确定出不同功能区基础用电负荷。

pload＝pn^rμ(3)

其中，pload为某区域基础用电负荷，kw；p为每户用户的基础负荷值，kw/户；n^r为某区域所有用电用户数量；μ为某区域用户基础用电同时率。

作为优选，用户基础负荷值p、基础用电同时率μ参考不同建筑类型的最新《电气设计规范》选取。

利用配电变压器容量公式(4)，带入基础用电负荷、用电规划裕度、用电负荷功率因数，确定不同功能区配电变压器总容量。

其中，s表示配电变压器总容量，kva；δ为用电规划裕度；cosφ为用电负荷功率因数。

由于不同电压等级的配电变压器都有其对应的标准值，因此，通过式(4)得到的变压器容量还需满足实际变压器容量的约束，具体约束关系如式(5)所示。

s^l≤s≤s^h(5)

其中，s^l、s^h依次表示不同功能区变压器容量的下限和上限，为了确保配电网安全可靠运行，选择s^h代替容量计算值作为配电变压器的真实容量。

变压器容量的上限s^h即为确定出的满足实际变压器容量约束的某区域配电变压器总容量。

步骤三：结合上述步骤一和步骤二求出配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率，进而求出不同功能区的蓄热式电采暖的临界渗透率，即实现计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估。

用步骤一得到的蓄热式电采暖用电负荷最大有功值结合步骤二的不同区域内的用户用电基础负荷，得到配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率。再根据步骤一中的蓄热式电采暖用电负荷最大有功值、蓄热式电采暖用电同时率，步骤二中区域用户数量、用户基础用电同时率、区域用户每户的基础负荷值、配电变压器总容量，结合给定的变压器最大负载率、蓄热式电采暖用电功率，得到不同功能区的蓄热式电采暖临界渗透率。

其中，(ptotal)max为配电网总用电负荷的最大值；pload为某区域基础用电负荷；ph为蓄热式电采暖用电负荷最大有功值；ξ为配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率，ξ∈(0,1)，ξ越大，表示蓄热式电采暖用电负荷最大有功值与配电网基础负荷最大值叠加程度越高。

其中，k^rmax为蓄热式电采暖的临界渗透率；s^h为配电变压器总容量；φ为变压器最大负载率；cosφ为用电负荷的功率因数；p为区域用户每户的基础负荷值；n^r为区域所有用户数量；μ为用户基础用电同时率；ε为蓄热式电采暖用电同时率；pheat为蓄热式电采暖用电功率。

临界渗透率k^rmax即为配电网对蓄热式电采暖的最大承载能力。

蓄热式电采暖负荷时空分布与不同功能区地理位置、蓄热式电采暖用户具体位置的分布相关，电采暖用户位置集中的区域，蓄热式电采暖用电同时率高，配电变压器容易出现过载现象，会降低蓄热式电采暖临界渗透率，配电网承载能力减弱。

蓄热式电采暖运行控制策略分为常规运行方式、分时运行方式、柔性运行方式三种。常规运行方式为蓄热式电采暖定负荷运行，使配电网总用电负荷的最大值保持不变，不影响蓄热式电采暖临界渗透率；而蓄热式电采暖的分时运行方式能降低峰时配电网总用电负荷的最大值，防止配电变压器出现过载现象，会提高蓄热式电采暖临界渗透率，从而提高配电网承载能力；柔性运行方式在不影响用户舒适性的前提下，会调节用户热负荷的需求，不用满足实时供需平衡，能降低峰时配电网总用电负荷的最大值，防止配电变压器出现过载现象，提高蓄热式电采暖临界渗透率，从而提高配电网承载能力。

可再生能源的电能形式有风力发电、太阳能发电、生物质发电，合理配置配电网和补给电能的形式，会降低峰时的配电网总用电负荷的最大值，防止配电变压器出现过载现象，提高蓄热式电采暖临界渗透率，从而提高配电网承载能力。

随着近年来蓄热式电采暖的发展，蓄热式电采暖用户数量不断增长，渗透率增大。而当渗透率高于临界渗透率时，用电负荷就会超过配电网最大承载能力，需要对蓄热式电采暖数量增长采取控制措施或者对配电网进行升级改造，以确保配电网安全可靠运行。

步骤四：应用步骤三的配电网的承载能力评估结果解决如下技术问题：

(4.1)依据配电网承载能力对处在“煤改电”区域的配电网进行扩容改造，减轻投资成本和建设难度，有利于蓄热式电采暖的使用和发展。

(4.2)对蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力进行评估，能够对配电网结构进行合理规划和配置，避免用电高峰时段配电网负荷加重，电压降落增加，使得电能质量不能满足相应标准，影响市民的生产生活。

(4.3)防止大量蓄热式电采暖设备在冬季集中用电导致配电网过载运行的情况，减轻配电网的网络损耗和延长变压器的使用寿命，从而减小经济运行成本。

有益效果：

1、本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法，从城市中住宅区、商业区、工业区的不同用户类型对供暖需求的差异性出发，基于各区域设备的负荷时空分布能够对不同功能区的蓄热式电采暖接入配电网承载能力进行单独分析。

2、本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入配电网的承载能力评估方法，选择蓄热式电采暖临界渗透率作为评估指标，分析电采暖用户集中会降低临界渗透率、蓄热式电采暖运行控制策略和可再生能源的补给会提高临界渗透率，评估蓄热式电采暖规模化接入的配电网的承载能力。蓄热式电采暖渗透率高于临界渗透率后，用电负荷超过配电网最大承载能力，就要对蓄热式电采暖数量增长采取控制措施或者对配电网进行扩容改造，以确保配电网安全可靠运行。

3、本发明公开的计及蓄热式电采暖规模化接入配电网的承载能力评估方法，根据蓄热式电采暖运行控制策略和可再生能源的补给都能够防止配电变压器出现过载现象，促进对配电网结构进行合理的规划和配置，减轻配电网的网络损耗和延长变压器的使用寿命，从而减小经济运行成本。也避免用电高峰时段配电网负荷加重，电压降落增加，使得电能质量不能满足相应标准，影响市民的生产生活。

附图说明

图1是本发明的计及蓄热式电采暖规模化接入的配电网承载能力评估方法思路示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例按照图1所示评估思路，以住宅区为例，对蓄热式电采暖规模化接入配电网承载能力评估方法做出详细说明。

步骤一：根据住宅区位置和用户使用蓄热式电采暖设备的需求，对蓄热式电采暖进行时空建模，得到住宅区的蓄热式电采暖设备负荷时空变化，以此得到住宅区电采暖用电负荷峰值，并根据住宅区的蓄热式电采暖用户数，利用蓄热式电采暖用电负荷最大有功值确定住宅区节点的蓄热式电采暖用电同时率。

在建立电采暖时空模型时，确定城市中居民住宅区的位置，根据电采暖用户的职业不同和出行特性，归纳得到各种职业人群中使用电采暖的用户数量在空间上的分布。

住宅区用户在家打开电采暖设备、出门关闭电采暖设备的行为具有很强的随机性，因此使用蒙特卡洛方法进行行为模拟。使用电采暖在时间上的变化规律由一系列时间随机变量来描述，设备开始工作时间、设备停止工作时间、工作时长，得到用户采暖用电需求的时间分布特性。

根据用户对采暖温度需求的变化，从而去调节电采暖，建立出采暖需求模型，用蒙特卡洛方法模拟出电采暖用电负荷的时空分布情况，以此得到住宅区电采暖用电负荷峰值，通过蓄热式电采暖用电负荷计算公式(1)，结合蓄热式电采暖用电同时率计算公式(2)从而求得用电同时率。

其中，p'h为住宅区电采暖用电负荷峰值；ph为住宅区蓄热式电采暖用电负荷最大有功值；pheat为蓄热式电采暖用电功率，kw；η为蓄热式电采暖用电效率；ε为住宅区蓄热式电采暖用电同时率；n^heat为住宅区的蓄热式电采暖用户数量。

步骤二：依据住宅区的区域住户数、每户的基础用电负荷、基础用电同时率，确定住宅区的基础用电负荷。根据住宅区基础用电负荷确定出满足实际变压器容量约束的住宅区配电变压器总容量。

计算住宅区基础用电要基于住宅的等级、住户消费水平、住宅平均面积以及基础用电同时率对住宅区基础用电负荷的影响，通过式(3)计算得到住宅区基础用电负荷。

pload＝pn^rμ(3)

其中，pload为住宅区基础用电负荷，kw；p为每户住户的基础负荷值，kw/户；n^r为住宅区所有住户数量；μ为住户基础用电同时率。

住宅区的用户基础负荷值p、基础用电同时率μ参考最新《民用建筑电气设计规范》标准选取。

利用配电变压器容量计算公式(4)，带入住宅区居民基础用电负荷、用电规划裕度以及用电负荷功率因数，确定住宅区配电变压器总容量。

其中，s表示配电变压器总容量，kva；δ为用电规划裕度；cosφ为用电负荷功率因数。

由于不同电压等级的配电变压器都有其对应的标准值，因此，通过式(4)得到的变压器容量还需满足实际变压器容量的约束，具体约束关系如式(5)所示。

s^l≤s≤s^h(5)

其中，s^l、s^h依次表示住宅区变压器容量的下限和上限，为了确保配电网安全可靠运行，选择s^h代替容量计算值作为住宅区配电变压器的真实容量。

步骤三：结合上述步骤一和步骤二求出住宅区的配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率，进而求出住宅区的蓄热式电采暖的临界渗透率。

用步骤一得到的住宅区蓄热式电采暖用电负荷最大有功值结合步骤二的住宅区用电基础负荷，得到住宅区配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率。再根据步骤一中的蓄热式电采暖用电负荷最大有功值、蓄热式电采暖用电同时率，步骤二中住宅区住户数量、用户基础用电同时率、用户的基础负荷值、配电变压器总容量，结合给定的变压器最大负载率、蓄热式电采暖用电功率，得到住宅区的蓄热式电采暖临界渗透率。

其中，(ptotal)max为住宅区配电网总用电负荷的最大值；pload为住宅区基础用电负荷；ph为住宅区蓄热式电采暖用电负荷最大有功值；ξ为住宅区配电网基础负荷与蓄热式电采暖负荷用电同时率。

其中，k^rmax为住宅区蓄热式电采暖的临界渗透率；s^h为配电变压器总容量；φ为变压器最大负载率；cosφ为用电负荷的功率因数；p为住宅区每户的基础负荷值；n^r为住宅区所有住户数量；μ为住户基础用电同时率；ε为蓄热式电采暖用电同时率；pheat为蓄热式电采暖用电功率。

住宅区临界渗透率k^rmax即为住宅区配电网对蓄热式电采暖的最大承载能力。

因此，住宅区的蓄热式电采暖规模化接入配电网后，如果渗透率超过住宅区临界渗透率，那么用电负荷会超过配电网最大承载能力，就应当对蓄热式电采暖数量增长采取控制措施或者对住宅区的配电网进行扩容改造，以确保配电网安全可靠运行。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。