一種基於需求響應的能效直接監控裝置的製作方法
2023-05-16 06:52:46 1
專利名稱：一種基於需求響應的能效直接監控裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於用能設備控制技術領域，具體涉及一種基於需求響應的能效直接監控
>J-U ρ α裝直。
背景技術：
能源危機的日益嚴峻，使節能降耗成為了一個世界性的主題。我國也將「節能減排、低碳經濟」作為可持續發展的基本準則，節能、低碳已深入尋常百姓之中，被以實際行動積極踐行。最近幾年，隨著國家對物聯網建設以及物聯網與其他網絡的融合工作的不斷推進，以及物聯網感知家庭、感知樓宇、感知工廠的發展，都為電力用戶側的能效監控設備技 術的發展奠定了一定基礎。需求響應是由國外引入的電力需求側管理技術，該技術有利於進一步提高電力系統穩定性與運行效率。目前在需求響應與能效監控相結合的技術領域，沒有一種能效直接監控設備能夠針對電力公司DR中心的需求響應控制命令，在既不影響用戶用電體驗度，保證用戶正常生產、生活，又在一定程度上響應電力公司DR中心需求響應控制命令的前提下，降低用電負荷，從而為平抑電網負荷，節省電網建設成本，提高能源利用效率起良好促進作用。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基於需求響應的能效直接監控裝置，用於監測用戶側用電負荷設備的電工參數、熱工參數，以及裝置所在環境的熱工參數，並針對需求響應中心的需求響應控制命令或電力用戶預設的自控控制策略中的各參數值向電力用戶側用電負荷設備發送控制命令信號，電力用戶側用電負荷設備根據控制命令信號產生控制動作，穩定電網負荷，提高了能源利用效率，降低電力用戶能源開支。為了實現上述發明目的，本發明採取如下技術方案一種基於需求響應的能效直接監控裝置，所述裝置包括主控制器模塊、採樣模塊、電能計量模塊、熱工量採集模塊、存儲模塊、RS485接口模塊、液晶顯示模塊、控制模塊、通信模塊和電源模塊；所述採樣模塊與所述電能計量模塊單向連接，所述電能計量模塊、存儲模塊和通信模塊均與所述主控制器模塊雙向連接，所述控制模塊與所述主控制器模塊單向連接，所述熱工量採集模塊通過所述RS485接口模塊連接所述主控制器模塊，所述液晶顯示模塊顯示所述裝置的狀態信息，所述電源模塊為所述裝置的其餘模塊提供電源。所述主控制器模塊根據相應控制策略的執行，產生控制命令信號，發送給電力用戶側用電負荷設備，電力用戶側用電負荷設備的控制單元根據控制命令信號要求產生控制動作；所述控制命令信號遵循統一標準的控制協議，電力用戶側用電負荷設備支持該控制協議；所述控制協議易擴展，其對控制對象、控制動作、動作屬性進行統一規定。所述控制單元包括電源電路開關器件、閥門電動執行器、加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器；所述電源電路開關器件執行電力用戶側用電負荷設備開關器件的開關控制，以控制電力用戶側用電負荷設備電源的通斷；所述閥門電動執行器能夠對電力用戶側用電負荷設備相關閥門的開合度進行連續控制，實現閥門的09Γ100%開度；所述加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器分別對電力用戶側用電負荷設備的環境溫度和溼度進行有級/無級控制。所述採樣模塊包括電壓採樣模塊和電流採樣模塊；所述電壓採樣模塊通過電壓互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/電壓，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數，所述電流採樣模塊通過電流互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/線電流和中性線電流，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數。 所述電工參數包括基本電工參數和電能質量參數；所述基本電工參數包括電流、電壓、功率和電能量，所述電能質量參數包括電網頻率、電壓有效值、電流有效值、總有功功率、總無功功率和功率因數。所述熱工量採集模塊至少包括溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、煙霧傳感器、噪度傳感器和輻射度傳感器中的一種。所述控制模塊接收主控制器模塊的控制命令，通過控制模塊內置的相應控制器產生控制電流，驅動用戶側用電負荷設備內置的相應控制單元產生動作。所述通信模塊包括PLC載波通信模塊、微功率無線模塊和紅外模塊；所述PLC載波通信模塊與所述微功率無線模塊的接口為可插拔式，兩者共用同一接口標準；所述紅外模塊用於所述裝置的本地調試及維護。所述電源模塊採用PT供電模式，以使得裝置結構和端子排列緊湊；所述電源模塊的測試對象為三相三線和三線四線制電路或高壓。所述裝置將4路或8路的所述熱工量採集模塊採集並轉換的4 20mA電流模擬信號輸入其埠，或者採用RS485接口模塊直接接收數位訊號。所述電能計量模塊通過SPI與所述主控制器模塊雙向連接。所述存儲模塊保存所述裝置的控制策略及控制策略的相關參數、電工參數、熱工參數、參數曲線和事件。所述裝置採用軟時鐘和網絡對時結合的集約方式，其通過主機或掌上機對每個埠設置抄收類型和曲線參數，設置所述曲線參數的記錄抄收時間的間隔預設為15分鐘；所述裝置在所述主控制器模塊內進行電壓曲線記錄、電流曲線記錄、功率曲線記錄、跨月結算、電能量凍結、熱工參數曲線記錄、ABC電流/壓偏差越限事件記錄、上電、掉電、清零、斷相、編程、校時事件記錄以及失壓/流全ABC相事件記錄。與現有技術相比，本發明的有益效果在於I.控制策略豐富，單一參數控制與聯合參數控制並存，設備在進行自動控制功能時，既可以根據單一參數(如熱工量參數中的溫度值達到某上限值或者下限值時)執行相應控制策略；同時可以根據幾個參數的聯合值(如熱工量參數的溫度在某一值時，溼度值達到某一數值範圍)執行相應控制策略；2.裝置的控制命令遵循具有統一標準的控制協議，利於統一電力用戶側用電負荷設備內控制單元的控制協議；3.裝置中的通信模塊既滿足了本地自控參數設置需求，又滿足了遠程他控控制需求；4.對電力用戶側用電負荷設備不僅實現簡單的接通、切斷電源功能，同時可以根據具體設備的具體控制單元進行有級或無級運行控制、開合度控制；5.控制策略利用不確定系統的神經網絡控制方法，同時結合混沌學理論，根據需求響應控制命令或電力用戶預先設置的自控參數要求，執行相應控制策略。
圖I是基於需求響應的能效直接監控裝置結構示意圖；圖2是基於需求響應的能效直接監控裝置控制過程示意圖； 圖3是本發明實施例中自動控制策略執行流程圖；圖4是本發明實施例中他控制策略執行流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖1，一種基於需求響應的能效直接監控裝置，所述裝置包括主控制器模塊、採樣模塊、電能計量模塊、熱工量採集模塊、存儲模塊、RS485接口模塊、液晶顯示模塊、控制模塊、通信模塊和電源模塊；所述採樣模塊與所述電能計量模塊單向連接，所述電能計量模塊、存儲模塊和通信模塊均與所述主控制器模塊雙向連接，所述控制模塊與所述主控制器模塊單向連接，所述熱工量採集模塊通過所述RS485接口模塊連接所述主控制器模塊，所述液晶顯示模塊顯示所述裝置的狀態信息，所述電源模塊為所述裝置的其餘模塊提供電源。所述主控制器模塊根據相應控制策略的執行，產生控制命令信號，發送給電力用戶側用電負荷設備，電力用戶側用電負荷設備的控制單元根據控制命令信號要求產生控制動作；所述控制命令信號遵循統一標準的控制協議，電力用戶側用電負荷設備支持該控制協議；這有助於統一電力用戶側用電負荷設備的控制標準，為基於需求響應的能效直接監控設備的規模化應用打下良好基礎。所述控制協議易擴展，其對控制對象、控制動作、動作屬性進行統一規定。所述控制策略屬於所述裝置的軟體系統，其包括他控控制策略與自控控制策略；如圖2所示，所述他控控制策略的執行依據所述設備通過通信模塊接收到的需求相應控制命令信號；所述自控控制策略的執行依據所述裝置所採集的電工參數、熱工參數，當所述電工參數、熱工參數的某個值或者某幾個值與所述自控控制策略的某條策略的預設參數值對應時，相應的執行該條自控控制策略；所述自控控制策略的各條策略的預設參數值由電力用戶進行預設；所述控制策略的執行由所述主控制器模塊進行控制，所述主控制器根據相應控制策略向所述控制模塊發送相應的控制命令；
所述控制命令通過所述主控制器模塊與所述控制模塊之間的接口發送；所述控制命令，通過統一的方式發送至電力用戶側用電負荷設備。控制命令的產生應按照統一標準的控制協議，該控制協議應該對控制命令所對應的控制動作，控制動作所對應的控制對象及參數，參數值的屬性進行統一定義，以使按照該控制協議產生的控制命令能夠控制任何電力用戶側用電負荷設備。同時，對基於需求響應的能效監控裝置與電力用戶側用電負荷設備的通信接口也進行統一規定，以便基於需求響應的能效監控裝置可以與任何電力用戶側用電負荷設備進行連接，並進行控制命令的傳輸。當控制命令是關於溫度控制時，控制命令應包含控制的對象(製冷設備、制熱設備等)、溫度調節值、溫度調節值屬性(有級調節以一定的溫度值作為單位，進行溫度調節時輸入調節的單位數；無級調節以一定的百分比進行溫度的調節，進行溫度調節時輸入調節的百分數，如將溫度調高百分之二十、調低百分之三十)。當控制命令是關於閥門開合度的控制時，控制命令應包含控制的對象(閥門電動執行器)、開合度調節值、開合度調節值屬性(有級調節(如閥門關閉、閥門完全開啟)；無級調節以一定的百分比進行開合度的調節，進行開合度調節時輸入調節 的百分數，如將閥門開度調高百分之二十、調低百分之三十)。所述控制模塊根據接收到的所述控制命令，利用所述控制模塊內的相應控制器產生控制電流；所述控制器包括電動閥門控制器、溫溼度控制器和繼電器等，可以根據電力用戶側用電負荷設備對所述控制器進行替換，所述裝置都應對所替換的控制器兼容；所述裝置的控制器部分應根據相應的電力用戶側用電負荷設備進行相應的更新或替換，所更新或替換的控制器仍以統一標準的控制協議與主控制器模塊進行通信。所述控制電流通過所述設備與電力用戶側用電負荷設備之間的電路進行傳送；所述基於需求響應的能效直接監控設備與所述用戶側用電負荷設備應具備統一的接口，以便於該裝置可以面向所有電力用戶側用電負荷設備發送控制電流。所述電力用戶側用電負荷設備根據接收到得控制電流，驅動所述電力用戶側用電負荷設備內的相應控制單元產生動作，完成對電力用戶側用電負荷設備的控制。所述控制單元包括電源電路開關器件、閥門電動執行器、加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器；所述電源電路開關器件執行電力用戶側用電負荷設備開關器件的開關控制，以控制電力用戶側用電負荷設備電源的通斷；所述閥門電動執行器能夠對電力用戶側用電負荷設備相關閥門的開合度進行連續控制，實現閥門的09Γ100%開度；所述加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器分別對電力用戶側用電負荷設備的環境溫度和溼度進行有級/無級控制。所述自控控制策略的執行過程如圖3所示，該裝置上電初始化後，更新系統內的各條自控控制策略，如果電力用戶對某一條自控控制策略的預設參數進行了重新配置，則相應的自控控制策略按照電力用戶的配置進行更新；該裝置通過電能計量模塊與熱工量採集模塊，不斷採集各電工參數、熱工參數，並通過主控制器模塊進行處理和存儲，同時主控制器模塊不斷將經過處理得到的各電工參數、熱工參數與各條自控控制策略裡預設的參數值進行比較，如果某一個參數的值到達某一條自控控制策略裡的預設的單一參數值的要求時，主控制器模塊便執行該自控控制策略；同時，如果某幾個參數值達到某一條自控控制策略裡多個參數值的一個或多個參數值的要求時，主控制器模塊便執行該自控控制策略；所述他控控制策略的執行過程如圖4所示，該裝置上電初始化後，不斷採集各電工參數、熱工參數，並通過主控制器模塊進行處理和存儲，同時主控制器模塊不斷檢測是否有電力公司DR中心的數據召喚請求，如果有，就向電力公司DR中心上報存儲的各參數，如果沒有，就等待定時上報時間，定時上報時間 到，主控制器模塊將存儲的各參數上報給電力公司DR中心；同時，主控制器模塊接收電力公司DR中心需求響應控制信號，並根據需求響應控制信號的要求執行相應他控控制策略。所述採樣模塊包括電壓採樣模塊和電流採樣模塊；所述電壓採樣模塊通過電壓互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/電壓，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數，所述電流採樣模塊通過電流互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/線電流和中性線電流，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數。所述電工參數包括基本電工參數和電能質量參數；所述基本電工參數包括電流、電壓、功率和電能量，所述電能質量參數包括電網頻率、電壓有效值、電流有效值、總有功功率、總無功功率和功率因數。 電壓採樣模塊和電流採樣模塊均包括12位精度的AD轉換器。該裝置採集的精度為儀表性能分類的B級精度，或者不低於國標規定的2. O級精度。所述熱工量採集模塊至少包括溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、煙霧傳感器、噪度傳感器和輻射度傳感器中的一種。所述控制模塊接收主控制器模塊的控制命令，通過控制模塊內置的相應控制器產生控制電流，驅動電力用戶側用電負荷設備內置的相應控制單元產生動作。所述通信模塊包括PLC載波通信模塊、微功率無線模塊和紅外模塊；所述PLC載波通信模塊與所述微功率無線模塊的接口為可插拔式，在設備安裝時可根據現場需要選擇使用，兩者共用同一接口標準；所述紅外模塊用於所述裝置的本地調試及維護。所述電源模塊採用PT (Potential Transformer)供電模式，以使得裝置結構和端子排列緊湊；PT供電模式的供電電壓在規定工作範圍內變化時引起的允許誤差改變量極限滿足GB/T17215. 301-2007的相關要求；允許誤差範圍是指電壓在O. 8Un O. 9Un和
I.IUn I. 15Un範圍內改變時引起電測量單元的允許誤差改變值，不超過其規定工作範圍內允許誤差改變值極限的3倍，當電壓低於80%額定電壓時終端的誤差在-100% +10%的範圍內變化。所述電源模塊的測試對象為三相三線和三線四線制電路或高壓。該裝置具有很強的抗幹擾特性，具備完善周密的電磁兼容性(機械結構、電源、PCB走線、去耦、濾波、接地和光電隔離等方面)，能夠適應高低溫和高溼等惡劣運行環境，具備完善周密的三級防雷措施(電源線、通信接口的防雷措施)。電磁兼容性符合IEC61000-4的規定的工業過程測量和控制設備的電磁兼容性(靜電放電抗擾性試驗、輻射電磁場抗擾性試驗、電快速瞬變脈衝群抗擾性試驗、外磁場影響、高頻抗擾性試驗)。所述裝置將4路或8路的所述熱工量採集模塊採集並轉換的4 20mA電流模擬信號輸入其埠，或者採用RS485接口模塊直接接收數位訊號。
所述電能計量模塊通過SPI與所述主控制器模塊雙向連接。所述存儲模塊保存所述裝置的控制策略及控制策略的相關參數、電工參數、熱工參數、參數曲線和事件。所述RS485接口模塊利用串口擴展而來，用於連接直接輸出數位訊號的熱工量採集模塊。所述液晶顯示模塊為所述設備的標準輸出設備，用於顯示能效直接監控設備的狀態信息，進一步便利了安裝調試工作。所述裝置採用軟時鐘和網絡對時結合的集約方式，其通過主機或掌上機對每個埠設置抄收類型和曲線參數，設置所述曲線參數的記錄抄收時間的間隔預設為15分鐘；所述裝置在所述主控制器模塊內進行電壓曲線記錄、電流曲線記錄、功率曲線記錄、跨月結算、電能量凍結、熱工參數(流量、溫度、壓力和溼度)曲線記錄、ABC電流/壓偏差越限事件記錄、上電、掉電、清零、斷相、編程、校時事件記錄以及失壓/流全ABC相事件記 錄。 所述掉電事件記錄指三相電壓(單相表為單相電壓)均低於電能表臨界電壓，且負荷電流不大於5%額定電流的工況；所述失壓事件指在三相(或單相)供電系統中，某相負荷電流大於啟動電流，但電壓線路的電壓低於電能表參比電壓的78%，且持續時間大於I分鐘的工況；所述失流事件指在三相供電系統中，三相電壓大於電能表的臨界電壓，三相電流中任一相或兩相小於啟動電流，且其他相線負荷電流大於5%額定電流的工況。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述裝置包括主控制器模塊、採樣模塊、電能計量模塊、熱工量採集模塊、存儲模塊、RS485接口模塊、液晶顯示模塊、控制模塊、通信模塊和電源模塊；所述採樣模塊與所述電能計量模塊單向連接，所述電能計量模塊、存儲模塊和通信模塊均與所述主控制器模塊雙向連接，所述控制模塊與所述主控制器模塊單向連接，所述熱工量採集模塊通過所述RS485接口模塊連接所述主控制器模塊，所述液晶顯示模塊顯示所述裝置的狀態信息，所述電源模塊為所述裝置的其餘模塊提供電源。
2.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效間接監控裝置，其特徵在於所述主控制器模塊根據相應控制策略的執行，產生控制命令信號，發送給電力用戶側用電負荷設備，電力用戶側用電負荷設備的控制單元根據控制命令信號要求產生控制動作； 所述控制命令信號遵循統一標準的控制協議，電力用戶側用電負荷設備支持該控制協議； 所述控制協議易擴展，其對控制對象、控制動作、動作屬性進行統一規定。
3.根據權利要求2所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述控制單元包括電源電路開關器件、閥門電動執行器、加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器； 所述電源電路開關器件執行電力用戶側用電負荷設備開關器件的開關控制，以控制電力用戶側用電負荷設備電源的通斷； 所述閥門電動執行器能夠對電力用戶側用電負荷設備相關閥門的開合度進行連續控制，實現閥門的0% 100%開度； 所述加熱設備控制器、製冷設備控制器和風機轉速控制器分別對電力用戶側用電負荷設備的環境溫度和溼度進行有級/無級控制。
4.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述採樣模塊包括電壓採樣模塊和電流採樣模塊；所述電壓採樣模塊通過電壓互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/電壓，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數，所述電流採樣模塊通過電流互感器採集電力用戶側用電負荷設備電源線的相/線電流和中性線電流，再通過所述電能計量模塊處理獲得電工參數。
5.根據權利要求4所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述電工參數包括基本電工參數和電能質量參數；所述基本電工參數包括電流、電壓、功率和電能量，所述電能質量參數包括電網頻率、電壓有效值、電流有效值、總有功功率、總無功功率和功率因數。
6.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述熱工量採集模塊至少包括溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、煙霧傳感器、噪度傳感器和福射度傳感器中的一種。
7.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述控制模塊接收主控制器模塊的控制命令，通過控制模塊內置的相應控制器產生控制電流，驅動用戶側用電負荷設備內置的相應控制單元產生動作。
8.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述通信模塊包括PLC載波通信模塊、微功率無線模塊和紅外模塊；所述PLC載波通信模塊與所述微功率無線模塊的接口為可插拔式，兩者共用同一接口標準；所述紅外模塊用於所述裝置的本地調試及維護。
9.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述電源模塊採用PT供電模式，以使得裝置結構和端子排列緊湊；所述電源模塊的測試對象為三相三線和三線四線制電路或高壓。
10.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述裝置將4路或8路的所述熱工量採集模塊採集並轉換的4 20mA電流模擬信號輸入其埠，或者採用RS485接口模塊直接接收數位訊號。
11.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述電能計量模塊通過SPI與所述主控制器模塊雙向連接。
12.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述存儲模塊保存所述裝置的控制策略及控制策略的相關參數、電工參數、熱工參數、參數曲線和事件。
13.根據權利要求I所述的基於需求響應的能效直接監控裝置，其特徵在於所述裝置採用軟時鐘和網絡對時結合的集約方式，其通過主機或掌上機對每個埠設置抄收類型和曲線參數，設置所述曲線參數的記錄抄收時間的間隔預設為15分鐘； 所述裝置在所述主控制器模塊內進行電壓曲線記錄、電流曲線記錄、功率曲線記錄、跨月結算、電能量凍結、熱工參數曲線記錄、ABC電流/壓偏差越限事件記錄、上電、掉電、清零、斷相、編程、校時事件記錄以及失壓/流全ABC相事件記錄。
全文摘要
本發明提供一種基於需求響應的能效直接監控裝置，用於監測用戶側用電負荷設備的電工參數、熱工參數，以及裝置所在環境的熱工參數，並針對需求響應中心的需求響應控制命令或電力用戶預設的自控控制策略中的各參數值向電力用戶側用電負荷設備發送控制命令信號，電力用戶側用電負荷設備根據控制命令信號產生控制動作，穩定電網負荷，提高了能源利用效率，降低電力用戶能源開支。
文檔編號G05B19/418GK102880129SQ201210339209
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者鐘鳴, 閆華光, 王鶴, 郭炳慶, 周昭茂, 陳宋宋, 李濤永, 李德智, 蔡亮, 屈博 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網公司