一種樓宇空調設備供電及監控方法
2023-09-23 07:33:30
一種樓宇空調設備供電及監控方法
【專利摘要】本發明涉及一種樓宇空調設備供電及監控方法，該監控方法可以實時採集樓宇中各空調設備的用電信息，實時採集各空調設備所在的環境溫度，並根據採集的歷史用電和環境溫度信息對樓宇的空調設備用電負荷進行預測得到樓宇空調設備用電曲線，該方法還可實時獲取配電網絡的調度信息，並結合樓宇空調設備用電曲線和配電網絡的調度信息，確定樓宇空調設備的供電策略，以最大程度的滿足樓宇空調設備用電需求和配電網絡的調度要求，極大程度的提高了用電效率、樓宇用戶用電體驗和樓宇配電網的可靠性。
【專利說明】一種樓宇空調設備供電及監控方法 所屬【技術領域】
[0001] 本發明涉一種樓宇空調設備供電及監控方法。
【背景技術】
[0002] 對電力用戶負荷進行合理控制，不僅可以有效地改善負荷曲線的形狀，而且還可 以提高設備的利用率。隨著智能電網和電力需求側管理理念的深入，電網的運行模式正朝 著雙向互動、多元服務、智能響應、節能高效的新方向發展。用戶對用電服務的要求越來越 高，以往電網主導、用戶被動接受的用電服務模式已經不能滿足用戶個性化、差異化的服務 需求。
[0003] 樓宇智能配電系統是一種針對目前城市中應用越來越廣泛的智能化住宅開發的 小區配電終端系統，可與配電網自動化主站、電網自動化子站系統配合，實現多個住宅、多 個用電設備、多條用電線路的數據採集、負荷檢測、故障檢測、自動切換供電等功能，從而實 現節能、提高配電效率和可靠性。
[0004] 在樓宇智能配電系統中，用電負荷的預測和監控一直是提高配電效率、節約能源 的關鍵因素，也是樓宇智能配電系統中的難點技術之一。在樓宇中，能量的消耗相當大一部 分來自建築中空調系統。同時，大的樓宇中，一般也需要涉及到複雜的空調系統。因此，對 於建築中的空調系統，進行電能管理，使其獲得較為平穩的用電曲線，能夠使用戶獲得較大 的效益。此外，樓宇中的人們對空調性能的要求越來越高，主要體現對空調的智能控制，節 能，環境性能（如低噪音）等方面。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提供一種樓宇空調設備供電及監控方法，該監控方法可 以實時採集樓宇中各空調設備的用電信息，實時採集各空調設備所在的環境溫度，並根據 採集的歷史用電和環境溫度信息對樓宇的空調設備用電負荷進行預測得到樓宇空調設備 用電曲線，該方法還可實時獲取配電網絡的調度信息，並結合樓宇空調設備用電曲線和配 電網絡的調度信息，確定樓宇空調設備的供電策略，以最大程度的滿足樓宇空調設備用電 需求和配電網絡的調度要求，極大程度的提高了用電效率、樓宇用戶用電體驗和樓宇配電 網的可靠性。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提供一種樓宇空調設備供電及監控方法，該方法基於 如下系統來實現，該系統包括 ：
[0007] 空調設備用電信息採集模塊，用於實時採集樓宇內各空調設備的用電信息；
[0008] 室內溫度採集模塊，用於採集空調所在室內的環境溫度；
[0009] 戶外環境採集模塊，用於採集樓宇外的溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信 息；
[0010] 信息存儲模塊，用於儲存上述信息採集模塊採集的用電信息、室內溫度採集模塊 採集的室內環境溫度信息和戶外環境採集模塊採集的戶外環境信息； toon] 配電網絡聯絡模塊，用於實時獲取配電網絡的調度信息，並向配電網絡上傳樓宇 空調設備用電的相關信息；
[0012] 空調設備負荷預測和監控模塊，包括：
[0013] 空調設備負荷預測單元，用於對樓宇的空調設備負荷進行預測，得到空調設備的 負荷曲線；
[0014] 供電策略制定單元，根據負荷曲線及配電網的調度信息，確定對各空調設備的供 電策略；以及
[0015] 顯示單元，用於顯示供電策略、調度信息和空調設備運行情況；
[0016] 供電執行模塊，用於根據上述供電策略，實現對各個空調設備的執行特定的供電 指令；
[0017] 總線通信模塊，用於上述各個模塊之間的通信；
[0018] 該方法包括如下步驟：
[0019] (1)採集樓宇內各空調設備的用電信息，採集空調所在室內的環境溫度，採集樓宇 外的溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信息；
[0020] (2)存儲上述信息；
[0021] (3)基於室內溫度採集模塊採集的室內環境溫度信息和戶外環境信息，對樓宇各 空間的溫度進行預測，得到未來各空間一段時間內的溫度變化曲線；
[0022] (4)根據所述未來各空間一段時間內的溫度變化曲線，以及樓宇各室內歷史溫度 信息，來預測未來一段時間內的各空調設備的用電情況，綜合所有空調設備的未來用電情 況，得到樓宇內空調設備的負荷曲線。
[0023] (5)根據負荷曲線、配電網調度信息以及各空調設備的實時用電信息，確定當前的 供電策略。
[0024] 進一步的，在上述步驟（3)中，所述樓宇溫度預測該溫度預測子單元，在對樓宇中 各空間溫度進行預測時，首先根據樓宇自身特性建立樓宇熱量模型，然後根據該熱量模型 建立狀態空間下的熱力學模型，該熱力學模型以當前各室內溫度信息、戶外溫度、溼度、風 力、陽光強度等戶外環境信息為輸入量，計算各室內未來一段的時間的溫度變化曲線。
[0025] 進一步的，在上述步驟（5)中，將負荷預測值與閾值進行比較，並根據預測值與閾 值的差值發出調節用電負荷指令，若預測值大於或等於閾值，則發出用電負荷指令調節這 些空調設備的技術性能參數；若預測值小於閾值，則按照用戶需求對這些空調設備供電。
[0026] 進一步的，所述閾值由配電網調度信息、樓宇配電線路參數、空調設備參數共同確 定。
[0027] 進一步的，如果上述閾值大於預測值，那麼供電策略制定單元在確定空調設備1-n 的用電指令時，具體採用如下方法：
[0028] (51).獲取用戶控制參數信息和配電電網調度信息，所述控制參數信息包括：用 戶設置的空調設備參數信息；
[0029] (52).接收用戶輸入的包含有控制模式的控制指令；
[0030] (53).依據所述預設控制模式、所述控制參數信息和所述電網調度信息生成預設 控制指令集；
[0031] (54).依據所述預設控制指令集發出空調設備用電負荷執行指令。
[0032] 進一步的，在上述步驟（1)中，使用所述空調設備用電信息採集模塊，同時採集多 個空調設備的數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和電能。
[0033] 本發明的監控方法具有如下優點：（1)準確預測空調設備用電負荷；（2)供電策略 兼顧空調設備需求、配電網絡調度需求，滿足用戶同時，兼顧了用電的可靠性，同時提高了 用電效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034] 圖1示出了本發明方法所使用的一種樓宇空調設備供電及監控系統的框圖；
[0035] 圖2示出了圖1中系統的負荷預測和監控模塊的具體組成圖；
[0036] 圖3示出了本發明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 圖1是示出了本發明的一種樓宇智能配電系統，該系統包括：空調設備用電信息 採集模塊7、室內溫度採集模塊9、戶外環境採集模塊10、信息存儲模塊8、配電網絡聯絡模 塊3、空調設備負荷預測和監控模塊4、供電執行模塊6、總線通信模塊2。
[0038] 空調設備用電信息採集模塊7,用於實時採集樓宇內各空調設備1-n的用電信息。 所述空調設備用電信息採集模塊7包括電壓互感器、電流互感器、AD轉換電路、串口通信電 路和電源，電壓互感器和電流互感器的信號輸出端與AD轉換電路相連接，AD轉換電路與串 口通信電路相接，串口通信電路與上述總線通信模塊相接，從而實現空調設備信息採集模 塊的數據向其他模塊的傳輸。所述空調設備信息採集模塊同時採集多個空調設備的數據， 包括電壓、電流、有功功率、無功功率和電能。
[0039] 室內溫度採集模塊9,用於採集空調設備1-n所在室內的環境溫度，該室內溫度採 集模塊9可以採用通用溫度傳感器以及模數轉換器來實現。
[0040] 戶外環境採集模塊10,用於採集樓宇外的溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境 信息，該戶外環境採集模塊可採用通用的溫度傳感器、溼度傳感器、風力儀、光傳感器及模 數轉換器來實現。
[0041] 信息存儲模塊8,用於儲存空調設備用電信息採集模塊7採集的用電信息、室內溫 度採集模塊9採集的室內溫度信息以及戶外環境採集模塊採集的樓宇外的溫度、溼度、風 力、陽光強度等戶外環境信息。信息存儲模塊8接收上述信息並將其解碼後存儲至資料庫 系統內，空調設備負荷預測和監控模塊4通過總線2調取資料庫系統內的空調設備用電信 肩、。
[0042] 配電網絡聯絡模塊3,用於實時獲取上級配電網絡1的調度信息，並向上級配電網 絡1上傳樓宇智能配電系統的相關信息。
[0043] 供電執行模塊6,用於根據上述供電策略，實現對各個空調設備的執行特定的供電 指令。所述供電執行模塊6包括為每一個空調設備1-n安裝的供電執行單元，該供電執行 單元包括：
[0044] 電源輸入接口，連接電力傳輸線；
[0045] 電源輸出接口，連接用用電負載；
[0046] 手動控制開關FS和總線控制開關NS，連接在負載迴路中，控制負載通斷。
[0047] 總線通信模塊2,用於上述各個模塊之間的通信，所述總線通信模塊2通過冗餘雙 CAN總線與其他模塊相連。
[0048] 空調設備負荷預測和監控模塊4,包括：
[0049] 空調設備負荷預測單元41，用於對樓宇的空調設備負荷進行預測，得到空調設備 的負荷曲線；
[0050] 供電策略制定單元42,根據負荷曲線及配電網的調度信息，確定對各空調設備的 供電策略；以及
[0051] 顯示單元43,用於顯示供電策略、調度信息和空調設備運行情況。
[0052] 所述空調設備負荷預測單元41，包含樓宇溫度預測子單元，該溫度預測子單元基 於室內溫度採集模塊採集的室內環境溫度信息和戶外環境信息，對樓宇各空間的溫度進行 預測。
[0053] 具體的，所述樓宇溫度預測該溫度預測子單元，在對樓宇中各空間溫度進行預測 時，首先根據樓宇自身特性建立樓宇熱量模型，然後根據該熱量模型建立狀態空間下的熱 力學模型，該熱力學模型以當前各室內溫度信息、戶外溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環 境信息為輸入量，計算各室內未來一段的時間的溫度變化曲線。
[0054] 在建築物中，加熱和製冷系統用於控制建築物不同區域間（例如，不同房間）或建 築物不同區域同外界環境的能量傳遞。每個區域內的熱動力學，都被以下三個因素影響：室 外環境（例如，太陽輻射到建築物外表面或是同外界環境的熱交換），室內環境（例如，空調 設備或其它設備產生的熱量，人的活動等），區域間能量（例如，熱量從一個房間通過牆傳 到另一個房間）。
[0055] 所述空調設備負荷預測單元41根據所述室內未來一段的時間的溫度變化曲線， 以及樓宇各室內歷史溫度信息，來預測未來一段時間內的各空調設備的用電情況，綜合所 有空調設備的未來用電情況，得到樓宇內空調設備1-n的負荷曲線。
[0056] 供電策略制定單元42根據負荷曲線、配電網調度信息以及各空調設備1-n的實時 用電信息，確定當前的供電策略：將預測值與閾值進行比較，並根據預測值與閾值的差值發 出調節用電負荷指令，若預測值大於或等於閾值，則發出用電負荷指令調節這些空調設備 的技術性能參數；若預測值小於閾值，則按照用戶需求對這些空調設備供電。所述空調設備 用電信息採集模塊，同時採集多個空調設備的數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和 電能。所述閾值由配電網調度信息、樓宇配電線路參數、空調設備參數共同確定。
[0057] 參見附圖3,本發明的方法包括如下步驟：
[0058] SI.採集樓宇內各空調設備的用電信息，採集空調所在室內的環境溫度，採集樓宇 外的溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信息，其中使用所述空調設備用電信息採集模 塊7,同時採集多個空調設備1-n的數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和電能；
[0059] S2.存儲上述信息；
[0060] S3.基於室內溫度採集模塊採集的室內環境溫度信息和戶外環境信息，對樓宇各 空間的溫度進行預測，得到未來各空間一段時間內的溫度變化曲線；
[0061] S4.根據所述未來各空間一段時間內的溫度變化曲線，以及樓宇各室內歷史溫度 信息，來預測未來一段時間內的各空調設備的用電情況，綜合所有空調設備的未來用電情 況，得到樓宇內空調設備的負荷曲線。
[0062] S5.根據負荷曲線、配電網調度信息以及各空調設備的實時用電信息，確定當前的 供電策略。
[0063] 在上述步驟S3中，所述樓宇溫度預測該溫度預測子單元，在對樓宇中各空間溫度 進行預測時，首先根據樓宇自身特性建立樓宇熱量模型，然後根據該熱量模型建立狀態空 間下的熱力學模型，該熱力學模型以當前各室內溫度信息、戶外溫度、溼度、風力、陽光強度 等戶外環境信息為輸入量，計算各室內未來一段的時間的溫度變化曲線。
[0064] 作為一種實施方式，可以採用如下方法獲得溫度變化曲線。
[0065] 步驟31 :建立建築物中熱量模型；
[0066] 步驟32 :建立狀態空間下的熱力學模型；
[0067] 步驟33 :進行可調度性測試，判定在給定電力負荷預算下，該建築物的溫度是否 具有可調度性；
[0068] 步驟34 :運行基於模型預測控制MPC的熱量控制策略，對式（1)進行最小化求解， 解出相應的控制輸出變量（溫度變化情況）；
[0069] 其中，所述步驟34具體如下：
[0070] 對於式（2)表示的目標函數，在滿足式（1)中的約束下，採用求解標準的整數最小 二乘優化問題的方式進行求解：
[0071]
【權利要求】
1. 一種樓宇空調設備供電及監控方法，該方法基於如下系統來實現，該系統包括： 空調設備用電信息採集模塊，用於實時採集樓宇內各空調設備的用電信息； 室內溫度採集模塊，用於採集空調所在室內的環境溫度； 戶外環境採集模塊，用於採集樓宇外的溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信息； 信息存儲模塊，用於儲存上述信息採集模塊採集的用電信息、室內溫度採集模塊採集 的室內環境溫度信息和戶外環境採集模塊採集的戶外環境信息； 配電網絡聯絡模塊，用於實時獲取配電網絡的調度信息，並向配電網絡上傳樓宇空調 設備用電的相關信息； 空調設備負荷預測和監控模塊，包括： 空調設備負荷預測單元，用於對樓宇的空調設備負荷進行預測，得到空調設備的負荷 曲線； 供電策略制定單元，根據負荷曲線及配電網的調度信息，確定對各空調設備的供電策 略；以及 顯示單元，用於顯示供電策略、調度信息和空調設備運行情況； 供電執行模塊，用於根據上述供電策略，實現對各個空調設備的執行特定的供電指 令； 總線通信模塊，用於上述各個模塊之間的通信； 其特徵在於，該方法包括如下步驟： (1) 採集樓宇內各空調設備的用電信息，採集空調所在室內的環境溫度，採集樓宇外的 溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信息； (2) 存儲上述信息； (3) 基於室內溫度採集模塊採集的室內環境溫度信息和戶外環境信息，對樓宇各空間 的溫度進行預測，得到未來各空間一段時間內的溫度變化曲線； (4) 根據所述未來各空間一段時間內的溫度變化曲線，以及樓宇各室內歷史溫度信息， 來預測未來一段時間內的各空調設備的用電情況，綜合所有空調設備的未來用電情況，得 到樓宇內空調設備的負荷曲線。 (5) 根據負荷曲線、配電網調度信息以及各空調設備的實時用電信息，確定當前的供電 策略。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在上述步驟（3)中，所述樓宇溫度預測該溫 度預測子單元，在對樓宇中各空間溫度進行預測時，首先根據樓宇自身特性建立樓宇熱量 模型，然後根據該熱量模型建立狀態空間下的熱力學模型，該熱力學模型以當前各室內溫 度信息、戶外溫度、溼度、風力、陽光強度等戶外環境信息為輸入量，計算各室內未來一段的 時間的溫度變化曲線。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在上述步驟（5)中，將負荷預測值與閾 值進行比較，並根據預測值與閾值的差值發出調節用電負荷指令，若預測值大於或等於閾 值，則發出用電負荷指令調節這些空調設備的技術性能參數；若預測值小於閾值，則按照用 戶需求對這些空調設備供電。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述閾值由配電網調度信息、樓宇配電線路 參數、空調設備參數共同確定。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，如果上述閾值大於預測值，那麼供電策略制 定單元在確定空調設備1-n的用電指令時，具體採用如下方法： (51) .獲取用戶控制參數信息和配電電網調度信息，所述控制參數信息包括：用戶設 置的空調設備參數信息； (52) .接收用戶輸入的包含有控制模式的控制指令； (53) .依據所述預設控制模式、所述控制參數信息和所述電網調度信息生成預設控制 指令集； (54) .依據所述預設控制指令集發出空調設備用電負荷執行指令。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在上述步驟（1)中，使用所述空調設備用 電信息採集模塊，同時採集多個空調設備的數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和電 能。
【文檔編號】H02J13/00GK104319766SQ201410593978
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】鄧亮戈, 周洪全, 鮮景潤, 李果 申請人:四川慧盈科技有限責任公司