本发明涉及电蓄热式采暖设备的最优布局领域，特别提供了一种电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法。
背景技术：
在我国，冬季采暖地区幅员广大，大多是以燃煤设备取暖为主，造成了环境污染和生态破坏。电采暖的逐步推广和应用，无疑将成为城市环境污染“减负”的重要手段之一。我国部分地区“受端缺电”与“送端窝电”并存，因此通过电蓄热设备提升电网闲置容量利用率对多余电能进行就地消纳是一种较好的解决方法。分布式电源以其经济性、环保性、灵活性和安全性优势得到世界各国的关注，但是分布式电源的发展也给配电网系统的规划分析和运行控制带来许多问题，合理地对分布式电源进行规划至关重要。电蓄热采暖作为一种典型的储能分布式能源，由于其运行费用低，可实现负荷削峰填谷，得到了大范围的推广。然而，电蓄热式采暖设备单台机组功率较大，将会引起电网负荷的激增，同时其大量采用了整流电路、开关电路和变频器等电力电子器件，将会产生比较严重的谐波干扰情况。针对电蓄热式采暖设备的选址定容，国内现有技术大多是以减少网损程度最大、成本费用最小和电网稳定性最优为优化目标，以有功、无功、潮流约束等作为约束条件来解决电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容问题。然而，在很多实际问题中，电蓄热采暖设备的选址定容与负荷特性及馈线特性均有很大关联，需在电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容问题中充分考虑。
用户的热负荷特性主要包括热负荷持续时间和热负荷日内分布。负荷的画像是优化运行的前提和基础，因此高效而准确的负荷画像显得格外重要和值得研究。影响负荷的因素多种多样，如人口、气象和节假日等，它们与负荷的关系式非线性的，甚至是难于描述和预测的。馈线画像同样作为优化调度的一个关键环节，能够与负荷画像结果进行互补供暖。
因此，提出一种在配电网不增容的条件下的电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法，以实现电蓄热式采暖设备的最优布局，成为人们亟待解决的问题。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法，以解决现有电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容问题考量的约束条件不合理的问题。
本发明提供的技术方案是：电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法，包括如下步骤：
s1：对待规划区域的配电网进行潮流分析计算，得到各接入点的电压值，之后，根据待规划区域的电蓄热式采暖设备的发展需求及用户的用暖需求，选择符合电压偏差要求的可接入点，确定可接入点集合ndg并对可接入点集合ndg中的各个接入点进行负荷画像和馈线画像，得到精准的热负荷和馈线容量值；
s2：以电蓄热式采暖设备的投资成本和运行成本之和的最小化为目标函数，构建电蓄热式采暖设备的优化配置模型；
s3：采用随机粒子群算法对s2中构建的电蓄热式采暖设备优化配置模型进行优化，得到各接入点的接入容量，其中，优化电蓄热式采暖设备优化配置模型的过程中所采用的热负荷和馈线容量值是s1中得到的精准的热负荷和馈线容量值；
s4：利用数据包络线法分别对可接入点集合ndg内的可接入点进行电能质量评估，若评估不符合要求，则给出修正方案。
优选，s1包括如下步骤：
s11：对待规划区域的配电网进行初始潮流计算，得到各接入点的电压值和有功功率，其中，潮流约束具体为：
式中，pi和qi为接入点i的注入有功和无功功率；ui为接入点i的电压幅值；xi为i接入点的电抗；ri为i接入点的电阻；pli为接入点i的负荷有功功率，qli接入点i的负荷无功功率；pdgi为电蓄热采暖设备在用电高峰期回馈给电网的有功量，qdgi为电蓄热采暖设备在用电高峰期回馈给电网的无功量；
s12：根据gb/t12325的规定，电压偏差取绝对值≤7％，根据电压偏差要求剔除系统内不符合电压偏差的接入点，选定符合电压偏差要求的待接入接入点集合，记为ndg；
s13：基于fcm模糊聚类算法按用暖特性将用户进行分类，并基于气象因素影响的热负荷预测来进行负荷画像；
s14：根据历史数据，得出规划系统内各馈线容量特征，即馈线画像。
进一步优选，s13中的基于气象因素影响的热负荷预测包括如下步骤：
1)选取系统内近3个月的采暖热负荷历史数据，包括采暖热负荷值、温度值、风速与太阳辐射强度值，其中，上述值均为日平均值，剔除不良数据或伪数据，并用前一时刻和后一时刻的均值来修正；
2)利用公式(1)和公式(2)对温度进行修正，并利用公式(3)得到考虑当天风速和太阳辐射影响的温度tw,s；
δtwind＝0.0246(lg(7.23wwind))3-0.4525(lg(7.23wwind))2+3.2398lg(7.23(wwind))(1)
式中：wwind为外界光照值,m/s；δtwind为风速降温等效温度，℃；
δtsolar＝ssolar/sk(2)
式中：ssolar为外界光照值，w/m2；sk为光照折算系数，w/(m2℃)；
tw,s＝tout+δtsolar-δtwind(3)
3)考虑往日气象因素对当日室外温度的影响并赋予权重，进一步修正室外温度；
采用“试探”法确定往日气象因素对当日室外温度影响的指标权重，以此修正室外温度，
4)将3)中得到的当日室外温度与1)中的采暖热负荷进行线性拟合，使拟合优度r2值是极大值，得到当天热负荷与修正后当天温度的关系式，进而得到热负荷与时间的变化关系。
进一步优选，s14中，馈线容量的典型容量特征为一段历史时间的有功功率数据均值。
进一步优选，s2中，电蓄热式采暖设备的优化配置模型包括：
目标函数、潮流约束和不等式约束，其中，不等式约束包括：供热量与需热量的逐时平衡约束、水箱蓄热量的动态平衡约束、水箱最大蓄热量受水箱体积的限制约束、水箱供热量上限约束、电锅炉产热直供比例取值范围约束。
其中，目标函数为：
minf＝λ1m1(x)+λ2m2(x)
其中，m1、m2分别为电蓄热采暖设备的投资成本和运行成本，与接入点的接入容量成正比关系；λ1、λ2为两个目标函数的权重系数，满足λ1+λ2＝1。
进一步优选，λ1＝0.24，λ2＝0.76。
进一步优选，s4包括如下步骤：
1)选取电能质量评估指标：总电流谐波畸变率、电压偏差、电压波动；
2)利用数据包络分析法对各接入点进行电能质量评估，以电能质量各指标作为输入，评估等级作为输出，建立dmu；
3)对于等级差的接入点给出相应的修正方案。
进一步优选，所述修正方案为：若接入点的电压波动不合格，则增加储能装置；若电流总谐波畸变率不合格，则增加消谐装置。
进一步优选，评估等级分为5级。
本发明提供的电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法，能够对热负荷和配网馈线进行精准画像，剔除掉不符合电压偏差的接入点，有益于提升电压质量，提升配电网的灵活性。通过潮流计算和仿真分析得出接入点的接入容量，实现最佳优化调度。在配电网不增容的条件下，有益于“削峰填谷”，将谷时冗余容量利用起来，减轻配网峰时的负担，在供热不足时，可提高风电上网率，是一种节能环保经济的优化调度方法。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
本发明提供了一种电蓄热式采暖设备接入配电网的选址定容方法，包括如下步骤：
s1：对待规划区域的配电网进行潮流分析计算，得到各接入点的电压值，之后，根据待规划区域的电蓄热式采暖设备的发展需求及用户的用暖需求，选择符合电压偏差要求的可接入点，确定可接入点集合ndg并对可接入点集合ndg中的各个接入点进行负荷画像和馈线画像，得到精准的热负荷和馈线容量值；
s2：以电蓄热式采暖设备的投资成本和运行成本之和的最小化为目标函数，构建电蓄热式采暖设备的优化配置模型；
s3：采用随机粒子群算法对s2中构建的电蓄热式采暖设备优化配置模型进行优化，得到各接入点的接入容量，其中，优化电蓄热式采暖设备优化配置模型的过程中所采用的热负荷和馈线容量值是s1中得到的精准的热负荷和馈线容量值；
s4：利用数据包络线法分别对可接入点集合ndg内的可接入点进行电能质量评估，若评估不符合要求，则给出修正方案。
其中，s1包括如下步骤：
s11：对待规划区域的配电网进行初始潮流计算，得到各接入点的电压值和有功功率，其中，潮流约束具体为：
式中，pi和qi为接入点i的注入有功和无功功率；ui为接入点i的电压幅值；xi为i接入点的电抗；ri为i接入点的电阻；pli为接入点i的负荷有功功率，qli接入点i的负荷无功功率；pdgi为电蓄热采暖设备在用电高峰期回馈给电网的有功量，qdgi为电蓄热采暖设备在用电高峰期回馈给电网的无功量；
s12：根据gb/t12325的规定，电压偏差取绝对值≤7％，根据电压偏差要求剔除系统内不符合电压偏差的接入点，选定符合电压偏差要求的待接入接入点集合，记为ndg；对于不符合电压偏差要求的接入点，采用城市热网进行供暖，不参与电蓄热采暖设备的优化调度，本发明不予考虑；
s13：基于fcm模糊聚类算法按用暖特性将用户进行分类，并基于气象因素影响的热负荷预测来进行负荷画像；
s14：根据历史数据，得出规划系统内各馈线容量特征，即馈线画像，其中，馈线容量的典型容量特征为一段历史时间的有功功率数据均值。
其中，s13中的基于气象因素影响的热负荷预测包括如下步骤：
1)选取系统内近3个月的采暖热负荷历史数据，包括采暖热负荷值、温度值、风速与太阳辐射强度值，其中，上述值均为日平均值，剔除不良数据或伪数据，并用前一时刻和后一时刻的均值来修正；
历史热负荷数据中不可避免的包含一些不良数据或伪数据，这是由于记录历史采暖热负荷时，可能存在人为、数据传输、系统故障、测量设备误差等因素，可用历史热负荷数据的前一时刻和后一时刻的均值来替代该数据，进而完成对历史热负荷中不良数据的修正。
2)利用公式(1)和公式(2)对温度进行修正，并利用公式(3)得到考虑当天风速和太阳辐射影响的温度tw,s；
δtwind＝0.0246(lg(7.23wwind))3-0.4525(lg(7.23wwind))2+3.2398lg(7.23(wwind))(1)
式中：wwind为外界光照值,m/s；δtwind为风速降温等效温度，℃；
δtsolar＝ssolar/sk(2)
式中：ssolar为外界光照值，w/m2；sk为光照折算系数，w/(m2℃)，优选，sk取100w/(m2℃)；
tw,s＝tout+δtsolar-δtwind(3)
该步骤中考虑到风速、太阳辐射是影响采暖负荷的主导因素，风速对于室外温度修正，可以折算出一个等效的降温温度δtwind，具体计算方法为公式(1)；太阳辐射对于室外温度的修正，可以折算出一个等效升温温度δtsolar，具体计算方法为公式(2)；当同时考虑当日室外风速与太阳辐射影响时，室外温度tw,s的计算公式为(3)。
3)考虑往日气象因素对当日室外温度的影响并赋予权重，进一步修正室外温度；
为了提高预测采暖热负荷精度，本发明不但考虑当日的风速、太阳辐射强度对室外温度的影响，而且也考虑往日的风速、太阳辐射对当日室外温度的影响。
其中，根据传热学知识可知，往日气象因素对当日室外温度的影响随天数增加而递减，为了使采暖热负荷的预测简便，不能考虑过去所有天的气象因素对当日室外温度的影响，通常考虑天数为4--5天；
之后，采用“试探”法确定往日气象因素对当日室外温度影响的指标权重，以此修正室外温度，得到修正后的当日室外温度。
其中，采用“试探法”确定权重，具体公式如下：
ai＝m0/(m0+m1+......+mn)
a(i-1)＝m1/(m0+m1+......+mn)
a(i-2)＝m2/(m0+m1+......+mn)
a(i-n)＝mn/(m0+m1+......+mn)
式中m0、m1、m2......mn分别取1～10之间10个整数。
当日室外温度通过式(4)计算，
tw,i,e＝aitw,i+a(i-1)tw,(i-1)+a(i-2)tw,(i-2)+......+a(i-n)tw,(i-n)(4)
式中：ai、a(i-1)、a(i-2)、a(i-n)为权重值，ai>a(i-1)>a(i-2)>......>a(i-n),且权重值之和为1；tw,i,e为经过修正后的当日室外温度；tw,(i-n)为前n天经太阳辐射和风速修正后的室外温度。tw,i为当天经太阳辐射与风速修正后的室外温度，n为考虑天数。
4)将3)中得到的当日室外温度与1)中的采暖热负荷进行线性拟合，使拟合优度r2值是极大值，得到当天热负荷与修正后当天温度的关系式，进而得到热负荷与时间的变化关系。
一天内气温随时间变化，采暖负荷随气温变化，可以等效得到采暖负荷随时间变化的曲线。
s2中，电蓄热式采暖设备的优化配置模型包括：
目标函数、潮流约束和不等式约束，其中，不等式约束包括：供热量与需热量的逐时平衡约束、水箱蓄热量的动态平衡约束、水箱最大蓄热量受水箱体积的限制约束、水箱供热量上限约束、电锅炉产热直供比例取值范围约束。
其中，目标函数为：
minf＝λ1m1(x)+λ2m2(x)
其中，m1、m2分别为电蓄热采暖设备的投资成本和运行成本，与接入点的接入容量成正比关系；λ1、λ2为两个目标函数的权重系数，应满足λ1+λ2＝1，可由专家经验综合考虑投资成本和运行费用的实际情况进行适当调整，本发明取λ1＝0.24，λ2＝0.76。
其中，投资成本包括：
①电锅炉的设备费
电锅炉的设备费正比于其额定供热能力，后者等于设计日供热量最大值，故有
式中：ρs为电锅炉单位供热量对应的单价；
②蓄热水箱的设备费
蓄热水箱设备费正比于水箱体积，故有cx(vx)＝ρxvx
式中：ρx、vx分别为蓄热水箱单价和体积。
③蓄热水泵的设备费
水泵选型的关键参数是扬程和流量。扬程只与建筑结构有关，按典型值选取；一定扬程下水泵投资正比于额定流量。因而水泵设备费为
式中：ρb为水泵额定流量没增加1单位所增加的设备投资；1.05为额定流量计算时的安全系数；θ＝[θ(1)θ(2)...θ(24)]t为设计日电锅炉逐时直供比例构成的向量；cwρw分别为水的比热和密度；3.6×106为千瓦时与焦耳的换算常数；通常水箱蓄热温差δτt＝40℃。
④控制装置的设备费
控制装置的设备费与电锅炉系统的复杂性有关，经研究发现，控制装置设备费基本正比于电锅炉加热装置的额定供热能力，即有
式中ρc为电锅炉额定供热能力每增加1kw所需要增加的控制装置投资成本。
综上所述，电蓄热式采暖设备的设备投资和安装费用可表示为
式中，kins为设备安装费系数，通常设备安装费约为总设备费用的20％，因此kins＝1.2。
运行成本如下：
充分利用分时电价，记时段t∝{tf,tp,tg}的电价为pt，则使用电蓄热式采暖设备而增加的整个采暖季电度电费为
式中:dh为供暖日天数；βh为供暖典型日与设计日采暖总负荷的比值；w(t)表示电蓄热采暖设备在t时段总用电负荷，它由电锅炉用电负荷ws(t)和蓄热水泵用电负荷wb(t)组成，前者等于电锅炉产热量与产热效率的比值，后者等于克服单位时间水流量的重力而做的功，故有
式中：ηs为电锅炉效率系数；g为重力加速度；hb、ηb、fb(t)分别为蓄热水泵扬程、效率和在t时段的流量。
潮流约束如s11中所示；
不等式约束具体如下：
①供热量与需热量的逐时平衡为
θ(t)qs(t)+qq(t)＝ql,maxrl(t)t＝1,2,...24
式中：qq(t)为t时段内蓄热水箱向用户提供的热量；ql,max为设计日热负荷最大值，rl(t)为设计日t时段热负荷与最大值的比值。
②水箱蓄热量的动态平衡方程为
qn(t+1)＝qn(t)+qs(t)[1-θ(t)]-qq(t)t＝1,2,...23
qn(1)＝qn(24)+qs(24)[1-θ(24)]-qq(24)
式中，qn(t)为t时段初蓄热水箱存储的热量。
③水箱最大蓄热量受水箱体积的限制为
式中：υx为水箱有效体积比例，指水箱内实际能容纳水的体积与水箱外部总体积的比值。
④水箱供热量上限约束为
qq(t)≤qn(t)1,2,...24
⑤电锅炉产热直供比例取值范围约束为
0≤θ(t)≤1t＝1,2,...24
s4具体包括如下步骤：
1)选取电能质量评估指标：总电流谐波畸变率、电压偏差、电压波动；
2)利用数据包络分析法对各接入点进行电能质量评估，以电能质量各指标作为输入，评估等级作为输出，建立dmu；
3)对于等级差的接入点给出相应的修正方案。
其中，所述修正方案为：若接入点的电压波动不合格，则增加储能装置；若电流总谐波畸变率不合格，则增加消谐装置。
具体地：
对电蓄热式采暖设备接入配电网规划方案，进行电能质量进行评估，首先需要进行等级的划分，等级划分的方式有很多种，其中国内文献主要分为3、5、7、9、10等级，本发明将电能质量指标划分为5个等级，评估等级为q，从q1-q5依次递减：优质、良好、一般、合格、不合格。考虑到电蓄热式采暖设备接入配网的影响，此处选取的评估指标是总电流谐波畸变率、电压偏差、电压波动。分别用x1、x2、x3表示评估指标。根据gb/t14549的标准，电蓄热采暖设备接入配电网后总电流畸变率应≤2.2％；根据gb/t12326-2008的标准，10kv配电网电压波动应≤4％；根据gb/t12325的规定，电压偏差取绝对值≤7％。根据国标的标准上限均分等级区间，具体分级标准如表1。
表1电能质量指标等级划分
本发明采用数据包络分析法对电能质量进行评估，以x1、x2、x3作为投入，评估等级q作为输出，建立dmu。dmu形式为(x1，x2,x3,q)。将表1中的每个等级区间的中位数与评估等级作为单个决策单元，分级标准决策单元的数据如表2。表1中的电能质量指标等级标准和表2中的分级标准的dmu一起作为总决策单元，进行数据包络线(dea)有效性分析。
表2分级标准决策单元
按照公式分别计算接入接入点在当日的电能质量各项质量指标，分别计算各项指标的平均值。将各接入点的电能质量指标相对于各个等级的效率值分别于决策单元做差，记为δq，取δq的绝对值最小的等级为评估等级。
用数据包络线分析的方法对各接入点进行电能质量评估，若没有接入点的评估等级是5级不合格，说明该接入方案可行，接入点的各项指标都能达到规定的标准。若评估合格则表明该接入点允许电蓄热式采暖设备接入，如若有不合格的等级，则需要给出修正方案，给出修正方案:
1)：电压波动不合格的修正方案是增加电蓄热式采暖设备；
2)：电流总谐波畸变率不合格对应的修正方案是增加消谐装置。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。