分散式电采暖负荷柔性控制可转化

优秀科技成果

  完成单位：国网新疆电力有限公司和田供电公司

  主要完成人：郭良松、韩永磊、金铭、伏海龙、杨利民、许庆利、张美娜、宋海波、马江峰、王春明

一、研发背景

在双碳目标的驱动下，新型电力系统的负荷结构更加多元化，以电采暖、新能源电动汽车为代表的新型电力产品逐渐抢占传统高排放产品市场。特别是中央对南疆四地州“煤改电”清洁取暖改造政策扶持力度的持续加大，电采暖已经成为新疆电网迎峰度冬最主要的负荷增长点，其快速发展将极大地增加保供压力，影响新型电力系统安全稳定运行。

其中，和田地区完成“煤改电”改造用户30余万户，和田电网2021年冬季电采暖最大负荷52万千瓦，占地区最大负荷的44%，地区负荷特性已从根本上发生了变化。随着电采暖负荷的持续攀升，和田电网电力供需矛盾日益突出，在源网调节手段用尽的情况下，亟需从负荷侧寻找可调节资源，缓解人民群众冬季取暖与新型电力系统供电保障之间的矛盾。

从负荷构成上看，和田地区大工业高耗能负荷少，冬季若发生大规模电力缺额，有序用电不限民生负荷执行难度极大，甚至容易引发舆情风险。

为切实解决用电缺口问题，确保新型电力系统供需平衡，充分了解南疆客户冬天采暖季电能替代后的电能使用情况、负荷特性以及用能体验，国网新疆电力有限公司、国网和田供电公司在和田地区策勒县花园村开展分散式电采暖柔性控制试点研究项目，为可控负荷的精准控制提供新途径。利用电采暖保暖时延特性，通过居民环境测温、定时轮控等技术手段和先进的物联网通讯方式，调动整村分布式电采暖可中断负荷资源参与电网运行调控。在不影响居民供暖感知、体验的前提下实现电采暖负荷柔性控制，解决冬季晚高峰时段电力短缺问题的同时深入推进南疆新型电力系统落地实践。

二、发明团队介绍

该项目团队成员主要由国网和田供电公司人员组成，均为本科及以上学习，高级职称人员4人，中级职称人员6人，具体如下。

三、成果(专利)简介

（一）核心创新点

1.建设可调节负荷资源池，实现源网荷互动控制

将所有电采暖负荷按照供电区域、所属行业进行分类，制定电采暖负荷计算公式。通过监测每台电采暖设备负荷、电量等数据，对负荷设备进行分类型、分客户和分区域的可调控负荷聚合，建立可调节负荷资源池，进一步丰富可调控资源，实现源网荷互动控制，充分利用和田地区负荷侧现有资源，调动大规模分布式电采暖——可中断负荷资源参与电网运行调控，有效解决和田地区冬季电网负荷高峰问题。

2.优化电采暖负荷控制策略，实现源网荷灵活调度

通过电采暖负荷数据、地区总体负荷以及环境温度协同监测分析，利用电采暖量大、保暖时延特性，优化协同电采暖负荷控制策略，在不影响居民冬季供暖的前提条件下，充分利用物联网控制技术，进一步优化控制策略，通过定时轮空等技术手段，综合利用和田各类可调控供热负荷资源，辅助大工业负荷的需求侧管理，将负荷转变为双向可调节资源，形成资源互补优势，补峰填谷，实现全时间尺度的源网荷协同优化和灵活调度。

（二）主要内容

1.对用户分散式电采暖温控器改造

通过对居民家庭住宅内分散式电采暖温控器改造，在保持原有温控器功能、不改变居民使用习惯的基础上，把原有的温控器改造成具有测量、计量和物联通信功能的智能温控器。总共对456户居民电采暖设备更换智能温控器912个，村委会（含村卫生院）更换智能温控器120个。每个温控器控制一台碳晶板电采暖设备，每台电采暖设备额定功率2千瓦，整村最大可调节负荷约2兆瓦。

2.建立有序用电模块的数据交互

利用OPEN30000系统I区AGC通过SCADA采集的实时数据、历史数据等信息，结合相应的调度发电计划、约束条件、优化目标等数据生成功率控制目标，利用I/IIII区跨正向隔离的消息转发机制，将电采暖的负荷控制目标转发到安全III区OOMS/云平台，实现与有序用电模块的数据交互。

3.基于 LORA 通讯实现电采暖控制终端数据采集

在电采暖专变台区配置 LORA 电采暖控制终端，控制终端设置 LORA 无线网关，LORA 无线网关的主要功能是通过无线频点实现和居民家庭内的单相微负荷控制终端的数据连接；采用 4G“虚拟无线专网”的形式向调度上传电采暖可控负荷的电压、电流、功率、室内环境温度等状态量（DI）；亦将台区的电流、电压及功率等参数进行上传，同时接收来自调度侧下发的控制指令（DO）。

4.开发源网荷储协同控制平台

网源荷储协同控制平台主要包括平台层（主站）、终端层（智能温控器）和设备层（碳晶板电采暖）：

平台层应用软件主要具备用户监测、能源监测、设备监测、负荷预测、电网互动、能效提升、统计分析、系统管理、辅助服务等功能。

终端层则是接收平台下发的负荷调控指令，并管控底层设备，同时向平台上传底层设备的用能信息，平台与终端直接通过 4G无线 公网（NB-IoT通信）或者间接通过 4G 无线公网（LoRa通信网关）传输信息。

设备层是通过微负荷控制终端（智能温控器）管理的具体用能设备，主要就是分散式电采暖，实现对分散式电采暖负荷的柔性调控和快速刚性控制。

系统架构拓扑图如下：

图1 电采暖监测控制和分析系统架构拓扑

通过对居民家庭分散式电采暖温控器的技术改造，升级更换为具有LoRa通信和NB-IoT两种类型并具有低功耗、微功率无线通信、测量、计量和控制功能的温控器，并利用改造后的温控器和无线通信技术，把电采暖负荷全部接入“电采暖负荷聚合监测控制和分析平台”，实现电采暖负荷的柔性控制。

（三）实现的主要场景应用

1.电采暖用户用能全景展示

在设备监视上，电采暖负荷控制平台实现了用户总数、设备总数、总额定功率、总负荷以及当日负荷曲线、近七日电量等多种维度的数据监测和展示。

在设备监视上，电采暖负荷控制平台搭建了温控器状态分布、当日负荷曲线、用户状态、设备告警等多种维度的数据监测和展示。

在能效分析上，该平台可对配变负荷曲线、用户日能耗、近15日累计用电等进行展示。

2.负荷控制终端智能化

负荷控制终端具备以下三大类功能：数据采集及负荷汇聚、负荷刚性切除及调峰需求分解及执行。

数据采集及负荷汇聚：采集台区主变的电流、电压和功率，通过 LORAA 无线通信采集居民家里的 LLORA 电采暖监控器通信实时采集电采暖的电流、电压和功率，并以台区为单元汇聚上送至电采暖负荷监测与控制系统。

负荷刚性切除：电网事故状态下负荷紧急切除，秒级响应系统主站遥控跳闸指令。

调峰需求分解及执行：即接受主站的调控指令模式。一般故障多数情况下功率缺额较小，可根据全网调度资源进行多种手段的综合调配，电采暖负荷控制终端可接收来自上层主站在事故处置各阶段的不同运行指令，有序调控用户可调控负荷，以协助电网调度运行。此种模式下电采暖负荷控制终端具备负荷监测、负荷预测、控制交互等功能，实现远程负荷柔性调控。

四、成果（专利）转化情况介绍

（一）成果的推广应用价值和可复制性

该试点项目获得了“第一手”数据样本和工程实施经验，为全疆大规模电采暖负荷调控技术应用提供可复制、可推广的案例实践和技术储备。

随着新型电力系统建设持续推进，新能源占比不断提升，全疆用电负荷不断增长，网内灵活性电源以及可调节资源占比逐年下降，电力平衡缺口将会持续加剧。特别在冬季负荷高峰期，受到水电站蓄水保灌、风电小发、火电供暖等影响，电源侧调节能力大幅降低。随着煤改电持续接入，电采暖负荷成分不断增大。2021-2022年预计全网电采暖最大负荷412万千瓦，增长41%，占调度口径最大负荷比例由2020年6.6%增长到今年10.2%。新增电采暖负荷主要集中在北疆阿勒泰（37万千瓦、蓄热式电锅炉为主）、南疆四三地州（69万千瓦、直热式、蓄热式均有）。

为有效拓展可调节资源，解决传统电网源荷资源调度空间限制与季节性负荷突增（电采暖）的矛盾，亟需推广和应用分散式电采暖负荷柔性控制项目成果。根据电采暖负荷特性和用户的供暖感知，在全疆或局部供电紧张时对电采暖负荷采取柔性调控，缓解供电紧张矛盾，实现新型电力系统安全稳定水平和供电保障能力有效提升。

（二）成果全面在和田地区落地应用

为积极应对和田地区冬季电采暖负荷增长压力，在充分总前期分散式电采暖负荷柔性控制经验的基础上，在和田地区开展500kVA以上容量电采暖用户负荷柔性控制改造，共涉及901户、1147个点位，在用户侧设备处加装“专属”负荷精准控制系统，与设备原有控制系统深度融合，实现客户用电状态及二次主管网状态全感知。研发一套电采暖负荷精准控制系统建立，对配网线路、配变、主变负荷进行精准监测，实现用户无感模式下的电采暖设备远程秒级控制，将10万千瓦供热负荷转变为可调节资源，实现“网荷”友好互动，运用技术手段实现用户错峰用电，让供电和用电处于动态平衡状态，缓解局部供电压力，保障和田地区冬季电力安全可靠供应。

2022年在和田地区全面推广电锅炉负荷多层柔性控制改造工作中，不仅以经济效益成本比最大化原则，重点对规模以上用户进行改造，还进一步优化了用户控制系统和电网控制平台。具体如下：

用户控制系统升级方面，根据每个电采暖用户的不同情况，制定相应的技术升级方案，实施“一户一案”，在用户侧设备处加装“专属”负荷精准控制系统，与设备原有控制系统深度融合，实现客户用电状态及二次主管网状态全感知。

控制平台建设方面，一是通过省级集中前置、物管平台获取配网线路、台区以及电采暖锅炉的监测数据，通过采集的数据进行分析计算，实时监测线路、台区以及电采暖的负荷运行监测情况。二是通过省级前置采集电锅炉的当前运行状态、运行实时功率、管网供回水温度等信息，为IV区云主站进行策略分析、计算及执行提供基础数据支持。三是通过与调度控制系统互动获取变电站主变和出线开关数据，并于OPEN-3000联动实现电采暖负荷精准控制，实现“网、荷”互动。四是通过与供电服务指挥系统联动，实现线路负荷实时监视，支持电锅炉状态实时感知；结合负荷水平和出水温度，按照设备重过载情况和调度控制指令，实现电锅炉负荷远程调节和控制。五是实现用能状态实时感知、用电负荷随时调整，提升平台控制等级，杜绝在调控期内用户不良介入。六是实现状态监测推送控制和调度紧急情况发令控制双策略。

五、经济效益与社会效益介绍

（一）实现电采暖负荷远程控制，确保有序用电

一方面可以通过电采暖负荷柔性控制平台，分区、分业、分口径多维度全方面直观展示网内电采暖负荷数据，全面分析电采暖用户用电情况，进一步丰富可调控资源，实现网源荷互动控制，充分利用和田地区负荷侧现有资源，调动大规模分布式电采暖参与电网运行调控，促进新能源消纳，有效解决和田地区迎峰度冬电网存在的负荷缺口问题，确保和田地区电力有序供应，促进电力供需平衡和电网运行安全稳定，实现通过对电采暖负荷的远方控制完成电网调峰。同时，可以推动传统的“源随荷动”调度模式向“源网荷储泛在调度控制”模式转变，提升“可观、可测、可控、可调”负荷调节资源的调控能力。

（二）实现清洁供暖和综合能源业务上的双突破

构建以电为中心的多样化清洁供暖技术和业务体系，促进终端电能替代，降低碳排放，助力“双碳”目标早日实现，建成与用户数据互联共享机制，提升电网与负荷的灵活互动水平，促进终端电能消费和能效提升。

（三）实现用户无感模式下秒级控制，减少用能成本

在实施电采暖柔性负荷控制改造过程中，不改变原电采暖原控制系统，不影响循环泵、补水泵的运行，不影响采暖体验，对用户的影响为“0”，实现用户采暖体验无感模式下的电采暖设备远程秒级控制，真正做到负荷精准控制。该成果应用后，实现了70%的供暖负荷智能柔性控制，在保障供暖质量的前提下，整个供暖季预计能降低30%的用能成本，平均每个改造用户每月可减少用能成本6000元。