CN102880129B - 一种基于需求响应的能效直接监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于需求响应的能效直接监控装置，用于监测用户侧用电负荷设备的电工参数、热工参数，以及装置所在环境的热工参数，并针对需求响应中心的需求响应控制命令或电力用户预设的自控控制策略中的各参数值向电力用户侧用电负荷设备发送控制命令信号，电力用户侧用电负荷设备根据控制命令信号产生控制动作，稳定电网负荷，提高了能源利用效率，降低电力用户能源开支。

Description

一种基于需求响应的能效直接监控装置

技术领域

本发明属于用能设备控制技术领域，具体涉及一种基于需求响应的能效直接监控装置。

背景技术

能源危机的日益严峻，使节能降耗成为了一个世界性的主题。我国也将“节能减排、低碳经济”作为可持续发展的基本准则，节能、低碳已深入寻常百姓之中，被以实际行动积极践行。最近几年，随着国家对物联网建设以及物联网与其他网络的融合工作的不断推进，以及物联网感知家庭、感知楼宇、感知工厂的发展，都为电力用户侧的能效监控设备技术的发展奠定了一定基础。需求响应是由国外引入的电力需求侧管理技术，该技术有利于进一步提高电力系统稳定性与运行效率。

目前在需求响应与能效监控相结合的技术领域，没有一种能效直接监控设备能够针对电力公司DR中心的需求响应控制命令，在既不影响用户用电体验度，保证用户正常生产、生活，又在一定程度上响应电力公司DR中心需求响应控制命令的前提下，降低用电负荷，从而为平抑电网负荷，节省电网建设成本，提高能源利用效率起良好促进作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于需求响应的能效直接监控装置，用于监测用户侧用电负荷设备的电工参数、热工参数，以及装置所在环境的热工参数，并针对需求响应中心的需求响应控制命令或电力用户预设的自控控制策略中的各参数值向电力用户侧用电负荷设备发送控制命令信号，电力用户侧用电负荷设备根据控制命令信号产生控制动作，稳定电网负荷，提高了能源利用效率，降低电力用户能源开支。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于需求响应的能效直接监控装置，所述装置包括主控制器模块、采样模块、电能计量模块、热工量采集模块、存储模块、RS485接口模块、液晶显示模块、控制模块、通信模块和电源模块；所述采样模块与所述电能计量模块单向连接，所述电能计量模块、存储模块和通信模块均与所述主控制器模块双向连接，所述控制模块与所述主控制器模块单向连接，所述热工量采集模块通过所述RS485接口模块连接所述主控制器模块，所述液晶显示模块显示所述装置的状态信息，所述电源模块为所述装置的其余模块提供电源。

所述主控制器模块根据相应控制策略的执行，产生控制命令信号，发送给电力用户侧用电负荷设备，电力用户侧用电负荷设备的控制单元根据控制命令信号要求产生控制动作；

所述控制命令信号遵循统一标准的控制协议，电力用户侧用电负荷设备支持该控制协议；

所述控制协议易扩展，其对控制对象、控制动作、动作属性进行统一规定。

所述控制单元包括电源电路开关器件、阀门电动执行器、加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器；

所述电源电路开关器件执行电力用户侧用电负荷设备开关器件的开关控制，以控制电力用户侧用电负荷设备电源的通断；

所述阀门电动执行器能够对电力用户侧用电负荷设备相关阀门的开合度进行连续控制，实现阀门的0%~100%开度；

所述加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器分别对电力用户侧用电负荷设备的环境温度和湿度进行有级/无级控制。

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；所述电压采样模块通过电压互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/电压，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数，所述电流采样模块通过电流互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/线电流和中性线电流，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数。

所述电工参数包括基本电工参数和电能质量参数；所述基本电工参数包括电流、电压、功率和电能量，所述电能质量参数包括电网频率、电压有效值、电流有效值、总有功功率、总无功功率和功率因数。

所述热工量采集模块至少包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器、噪度传感器和辐射度传感器中的一种。

所述控制模块接收主控制器模块的控制命令，通过控制模块内置的相应控制器产生控制电流，驱动用户侧用电负荷设备内置的相应控制单元产生动作。

所述通信模块包括PLC载波通信模块、微功率无线模块和红外模块；所述PLC载波通信模块与所述微功率无线模块的接口为可插拔式，两者共用同一接口标准；所述红外模块用于所述装置的本地调试及维护。

所述电源模块采用PT供电模式，以使得装置结构和端子排列紧凑；所述电源模块的测试对象为三相三线和三线四线制电路或高压。

所述装置将4路或8路的所述热工量采集模块采集并转换的4～20mA电流模拟信号输入其端口，或者采用RS485接口模块直接接收数字信号。

所述电能计量模块通过SPI与所述主控制器模块双向连接。

所述存储模块保存所述装置的控制策略及控制策略的相关参数、电工参数、热工参数、参数曲线和事件。

所述装置采用软时钟和网络对时结合的集约方式，其通过主机或掌上机对每个端口设置抄收类型和曲线参数，设置所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省为15分钟；

所述装置在所述主控制器模块内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数曲线记录、ABC电流/压偏差越限事件记录、上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压/流全ABC相事件记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.控制策略丰富，单一参数控制与联合参数控制并存，设备在进行自动控制功能时，既可以根据单一参数（如热工量参数中的温度值达到某上限值或者下限值时）执行相应控制策略；同时可以根据几个参数的联合值（如热工量参数的温度在某一值时，湿度值达到某一数值范围）执行相应控制策略；

2.装置的控制命令遵循具有统一标准的控制协议，利于统一电力用户侧用电负荷设备内控制单元的控制协议；

3.装置中的通信模块既满足了本地自控参数设置需求，又满足了远程他控控制需求；

4.对电力用户侧用电负荷设备不仅实现简单的接通、切断电源功能，同时可以根据具体设备的具体控制单元进行有级或无级运行控制、开合度控制；

5.控制策略利用不确定系统的神经网络控制方法，同时结合混沌学理论，根据需求响应控制命令或电力用户预先设置的自控参数要求，执行相应控制策略。

附图说明

图1是基于需求响应的能效直接监控装置结构示意图；

图2是基于需求响应的能效直接监控装置控制过程示意图；

图3是本发明实施例中自动控制策略执行流程图；

图4是本发明实施例中他控制策略执行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，一种基于需求响应的能效直接监控装置，所述装置包括主控制器模块、采样模块、电能计量模块、热工量采集模块、存储模块、RS485接口模块、液晶显示模块、控制模块、通信模块和电源模块；所述采样模块与所述电能计量模块单向连接，所述电能计量模块、存储模块和通信模块均与所述主控制器模块双向连接，所述控制模块与所述主控制器模块单向连接，所述热工量采集模块通过所述RS485接口模块连接所述主控制器模块，所述液晶显示模块显示所述装置的状态信息，所述电源模块为所述装置的其余模块提供电源。

所述主控制器模块根据相应控制策略的执行，产生控制命令信号，发送给电力用户侧用电负荷设备，电力用户侧用电负荷设备的控制单元根据控制命令信号要求产生控制动作；

所述控制命令信号遵循统一标准的控制协议，电力用户侧用电负荷设备支持该控制协议；这有助于统一电力用户侧用电负荷设备的控制标准，为基于需求响应的能效直接监控设备的规模化应用打下良好基础。

所述控制协议易扩展，其对控制对象、控制动作、动作属性进行统一规定。

所述控制策略属于所述装置的软件系统，其包括他控控制策略与自控控制策略；

如图2所示，所述他控控制策略的执行依据所述设备通过通信模块接收到的需求相应控制命令信号；

所述自控控制策略的执行依据所述装置所采集的电工参数、热工参数，当所述电工参数、热工参数的某个值或者某几个值与所述自控控制策略的某条策略的预设参数值对应时，相应的执行该条自控控制策略；

所述自控控制策略的各条策略的预设参数值由电力用户进行预设；

所述控制策略的执行由所述主控制器模块进行控制，所述主控制器根据相应控制策略向所述控制模块发送相应的控制命令；

所述控制命令通过所述主控制器模块与所述控制模块之间的接口发送；

所述控制命令，通过统一的方式发送至电力用户侧用电负荷设备。控制命令的产生应按照统一标准的控制协议，该控制协议应该对控制命令所对应的控制动作，控制动作所对应的控制对象及参数，参数值的属性进行统一定义，以使按照该控制协议产生的控制命令能够控制任何电力用户侧用电负荷设备。同时，对基于需求响应的能效监控装置与电力用户侧用电负荷设备的通信接口也进行统一规定，以便基于需求响应的能效监控装置可以与任何电力用户侧用电负荷设备进行连接，并进行控制命令的传输。当控制命令是关于温度控制时，控制命令应包含控制的对象（制冷设备、制热设备等）、温度调节值、温度调节值属性（有级调节：以一定的温度值作为单位，进行温度调节时输入调节的单位数；无级调节：以一定的百分比进行温度的调节，进行温度调节时输入调节的百分数，如将温度调高百分之二十、调低百分之三十）。当控制命令是关于阀门开合度的控制时，控制命令应包含控制的对象（阀门电动执行器）、开合度调节值、开合度调节值属性（有级调节（如阀门关闭、阀门完全开启）；无级调节：以一定的百分比进行开合度的调节，进行开合度调节时输入调节的百分数，如将阀门开度调高百分之二十、调低百分之三十）。

所述控制模块根据接收到的所述控制命令，利用所述控制模块内的相应控制器产生控制电流；

所述控制器包括电动阀门控制器、温湿度控制器和继电器等，可以根据电力用户侧用电负荷设备对所述控制器进行替换，所述装置都应对所替换的控制器兼容；

所述装置的控制器部分应根据相应的电力用户侧用电负荷设备进行相应的更新或替换，所更新或替换的控制器仍以统一标准的控制协议与主控制器模块进行通信。

所述控制电流通过所述设备与电力用户侧用电负荷设备之间的电路进行传送；

所述基于需求响应的能效直接监控设备与所述用户侧用电负荷设备应具备统一的接口，以便于该装置可以面向所有电力用户侧用电负荷设备发送控制电流。

所述电力用户侧用电负荷设备根据接收到得控制电流，驱动所述电力用户侧用电负荷设备内的相应控制单元产生动作，完成对电力用户侧用电负荷设备的控制。

所述控制单元包括电源电路开关器件、阀门电动执行器、加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器；

所述电源电路开关器件执行电力用户侧用电负荷设备开关器件的开关控制，以控制电力用户侧用电负荷设备电源的通断；

所述阀门电动执行器能够对电力用户侧用电负荷设备相关阀门的开合度进行连续控制，实现阀门的0%~100%开度；

所述加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器分别对电力用户侧用电负荷设备的环境温度和湿度进行有级/无级控制。

所述自控控制策略的执行过程如图3所示，该装置上电初始化后，更新系统内的各条自控控制策略，如果电力用户对某一条自控控制策略的预设参数进行了重新配置，则相应的自控控制策略按照电力用户的配置进行更新；该装置通过电能计量模块与热工量采集模块，不断采集各电工参数、热工参数，并通过主控制器模块进行处理和存储，同时主控制器模块不断将经过处理得到的各电工参数、热工参数与各条自控控制策略里预设的参数值进行比较，如果某一个参数的值到达某一条自控控制策略里的预设的单一参数值的要求时，主控制器模块便执行该自控控制策略；同时，如果某几个参数值达到某一条自控控制策略里多个参数值的一个或多个参数值的要求时，主控制器模块便执行该自控控制策略；

所述他控控制策略的执行过程如图4所示，该装置上电初始化后，不断采集各电工参数、热工参数，并通过主控制器模块进行处理和存储，同时主控制器模块不断检测是否有电力公司DR中心的数据召唤请求，如果有，就向电力公司DR中心上报存储的各参数，如果没有，就等待定时上报时间，定时上报时间到，主控制器模块将存储的各参数上报给电力公司DR中心；同时，主控制器模块接收电力公司DR中心需求响应控制信号，并根据需求响应控制信号的要求执行相应他控控制策略。

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；所述电压采样模块通过电压互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/电压，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数，所述电流采样模块通过电流互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/线电流和中性线电流，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数。

所述电工参数包括基本电工参数和电能质量参数；所述基本电工参数包括电流、电压、功率和电能量，所述电能质量参数包括电网频率、电压有效值、电流有效值、总有功功率、总无功功率和功率因数。

电压采样模块和电流采样模块均包括12位精度的AD转换器。

该装置采集的精度为仪表性能分类的B级精度，或者不低于国标规定的2.0级精度。

所述热工量采集模块至少包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器、噪度传感器和辐射度传感器中的一种。

所述控制模块接收主控制器模块的控制命令，通过控制模块内置的相应控制器产生控制电流，驱动电力用户侧用电负荷设备内置的相应控制单元产生动作。

所述通信模块包括PLC载波通信模块、微功率无线模块和红外模块；所述PLC载波通信模块与所述微功率无线模块的接口为可插拔式，在设备安装时可根据现场需要选择使用，两者共用同一接口标准；所述红外模块用于所述装置的本地调试及维护。

所述电源模块采用PT(PotentialTransformer)供电模式，以使得装置结构和端子排列紧凑；PT供电模式的供电电压在规定工作范围内变化时引起的允许误差改变量极限满足GB/T17215.301-2007的相关要求；允许误差范围是指电压在0.8Un～0.9Un和1.1Un～1.15Un范围内改变时引起电测量单元的允许误差改变值，不超过其规定工作范围内允许误差改变值极限的3倍，当电压低于80%额定电压时终端的误差在-100%～+10%的范围内变化。

所述电源模块的测试对象为三相三线和三线四线制电路或高压。

该装置具有很强的抗干扰特性，具备完善周密的电磁兼容性（机械结构、电源、PCB走线、去耦、滤波、接地和光电隔离等方面），能够适应高低温和高湿等恶劣运行环境，具备完善周密的三级防雷措施（电源线、通信接口的防雷措施）。电磁兼容性符合IEC61000-4的规定的工业过程测量和控制设备的电磁兼容性（静电放电抗扰性试验、辐射电磁场抗扰性试验、电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、外磁场影响、高频抗扰性试验）。

所述装置将4路或8路的所述热工量采集模块采集并转换的4～20mA电流模拟信号输入其端口，或者采用RS485接口模块直接接收数字信号。

所述电能计量模块通过SPI与所述主控制器模块双向连接。

所述存储模块保存所述装置的控制策略及控制策略的相关参数、电工参数、热工参数、参数曲线和事件。所述RS485接口模块利用串口扩展而来，用于连接直接输出数字信号的热工量采集模块。

所述液晶显示模块为所述设备的标准输出设备，用于显示能效直接监控设备的状态信息，进一步便利了安装调试工作。

所述装置采用软时钟和网络对时结合的集约方式，其通过主机或掌上机对每个端口设置抄收类型和曲线参数，设置所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省为15分钟；

所述装置在所述主控制器模块内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数(流量、温度、压力和湿度)曲线记录、ABC电流/压偏差越限事件记录、上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压/流全ABC相事件记录。

所述掉电事件记录指三相电压（单相表为单相电压）均低于电能表临界电压，且负荷电流不大于5%额定电流的工况；

所述失压事件指在三相(或单相)供电系统中，某相负荷电流大于启动电流，但电压线路的电压低于电能表参比电压的78%，且持续时间大于1分钟的工况；

所述失流事件指在三相供电系统中，三相电压大于电能表的临界电压，三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5%额定电流的工况。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于需求响应的能效直接监控装置，其特征在于：所述装置包括主控制器模块、采样模块、电能计量模块、热工量采集模块、存储模块、RS485接口模块、液晶显示模块、控制模块、通信模块和电源模块；所述采样模块与所述电能计量模块单向连接，所述电能计量模块、存储模块和通信模块均与所述主控制器模块双向连接，所述控制模块与所述主控制器模块单向连接，所述热工量采集模块通过所述RS485接口模块连接所述主控制器模块，所述液晶显示模块显示所述装置的状态信息，所述电源模块为所述装置的其余模块提供电源；

所述主控制器模块根据相应控制策略的执行，产生控制命令信号，发送给电力用户侧用电负荷设备，电力用户侧用电负荷设备的控制单元根据控制命令信号要求产生控制动作；

所述控制命令信号遵循统一标准的控制协议，电力用户侧用电负荷设备支持该控制协议；

所述控制协议易扩展，其对控制对象、控制动作、动作属性进行统一规定；

所述控制单元包括电源电路开关器件、阀门电动执行器、加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器；

所述电源电路开关器件执行电力用户侧用电负荷设备开关器件的开关控制，以控制电力用户侧用电负荷设备电源的通断；

所述阀门电动执行器能够对电力用户侧用电负荷设备相关阀门的开合度进行连续控制，实现阀门的0％～100％开度；

所述加热设备控制器、制冷设备控制器和风机转速控制器分别对电力用户侧用电负荷设备的环境温度和湿度进行有级/无级控制；

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；所述电压采样模块通过电压互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/线电压，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数，所述电流采样模块通过电流互感器采集电力用户侧用电负荷设备电源线的相/线电流和中性线电流，再通过所述电能计量模块处理获得电工参数；

所述电工参数包括基本电工参数和电能质量参数；所述基本电工参数包括电流、电压、功率和电能量，所述电能质量参数包括电网频率、电压有效值、电流有效值、总有功功率、总无功功率和功率因数；

所述热工量采集模块至少包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器、噪度传感器和辐射度传感器中的一种；

所述控制模块接收主控制器模块的控制命令，通过控制模块内置的相应控制器产生控制电流，驱动用户侧用电负荷设备内置的相应控制单元产生动作；

所述通信模块包括PLC载波通信模块、微功率无线模块和红外模块；所述PLC载波通信模块与所述微功率无线模块的接口为可插拔式，两者共用同一接口标准；所述红外模块用于所述装置的本地调试及维护；

所述电源模块采用PT供电模式，以使得装置结构和端子排列紧凑；所述电源模块的测试对象为三相三线和三相四线制电路或高压；

所述装置将4路或8路的所述热工量采集模块采集并转换的4～20mA电流模拟信号输入其端口，或者采用RS485接口模块直接接收数字信号；

所述电能计量模块通过SPI与所述主控制器模块双向连接；

所述存储模块保存所述装置的控制策略及控制策略的相关参数、电工参数、热工参数、参数曲线和事件；

所述装置采用软时钟和网络对时结合的集约方式，其通过主机或掌上机对每个端口设置抄收类型和曲线参数，设置所述曲线参数的记录抄收时间的间隔缺省为15分钟；

所述装置在所述主控制器模块内进行电压曲线记录、电流曲线记录、功率曲线记录、跨月结算、电能量冻结、热工参数曲线记录、ABC电流/压偏差越限事件记录、上电、掉电、清零、断相、编程、校时事件记录以及失压/流全ABC相事件记录。