CN103201924A - 设备系统控制装置 - Google Patents

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Abstract

涉及一种设备的系统控制方法，特别提供一种与多个设备的特性对应地使设备协作地动作来实现作为目的的控制的设备的系统控制装置。在使设备协作动作的设备系统控制装置中，具备：设备描述文件管理单元，其对表示设备的电气特性的元数据即设备描述文件进行管理；控制方案管理单元，其对记载了元数据的控制方案进行管理，元数据定义了设备应该满足的动作；设备检测单元，其检测控制对象的设备；电气状态监视单元，其监视因设备的相互连接而产生的与电力的授受相关的电气状态；设备选择单元，其根据在控制方案中记载的元数据和设备描述文件选择利用的设备；以及控制执行单元，其进行选择出的设备的控制。

Description

设备系统控制装置
技术领域
本发明涉及一种设备的系统控制装置，特别涉及一种与多个设备的特性对应地使设备协作地动作来实现作为目的的控制的设备的系统控制装置。
背景技术
能源设备、生产设备等各种设备增加，它们具备高度的计算处理能力，由此协作地利用这些设备是重要的。
例如，在配电设备的系统（电力公司的配电网、工厂的厂内系统、大楼街道的自营系统）中，有时在夜间的轻负载时末端的电压上升，在白天的重负载时电压降低。结果，电气设备的利用有时会产生故障。为了将太阳能发电、风力发电等新能源、蓄电池、电动汽车、大型热泵供热水器等新需求设备与配电设备的网络连接，并且使配电线系统稳定，在专利文献1记载的技术中，使设置在设施中的燃料电池和蓄电池等设备协作来控制配电线系统的电压。
另外，在专利文献2所记载的技术中，为了针对特定的成套设备通过多个控制装置进行控制，设置操作指示终端，从操作指示终端向操作控制装置发送操作指令的识别代码，由各个控制装置接收识别代码来执行控制计算，与该计算结果对应地驱动成套设备的驱动装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-44870号公报
专利文献2：日本特开平5-284569号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在专利文献1所记载的技术中，为了由中心向设施指示燃料电池、蓄电池的发电电量和供受电电量，需要向中心收发燃料电池的发电量、蓄电池的能源贮存量、负载的电力消耗量的数据。并且，中心的计算机必须详细地将全部设备的燃料电池、蓄电池等设备的输入输出数据和设备设置状况数据化并进行保存，生成与各个设备匹配的控制的程序，但在不断增设、更换设备的实际的系统中，每次都必须变更系统的设定，因此产生以下的问题，难以在能够对系统运用分配的有限的工时中构筑并维持系统。
在专利文献2中，需要事先定义控制装置能够接受计算的识别代码，生成在各个控制装置中根据识别代码进行处理的控制计算的程序，并事先作为计算功能安装在控制装置中。进而，如果成为各个控制装置的控制对象的工厂不是同一的设备结构，则事先生成对每个控制装置不同的程序、功能。因此，在对各种特性的发电机（存在太阳光发电机、内燃机发电机、燃气轮机发电机、热电发电机等各种种类，另外同一种类发电机的容量、响应性、启动相关时间、停止相关时间、可持续运转时间不同）、蓄电池（存在铅电池、锂离子电池、NaS电池等各种种类，另外同一种类蓄电池的容量、响应性、启动相关时间、停止相关时间、可持续运转时间不同）、调压装置（SVR、SVC、电力用电容器、线圈等）等多种电力设备进行控制时，需要事先定义的识别代码、需要事先定义的程序功能变得庞大，产生难以进行系统开发、系统维持的问题。另外，为了控制设备，需要从操作指示终端向控制装置逐一持续发送识别代码，存在操作指示终端的处理庞大，或者在操作指示终端因故障等停止时控制装置无法发挥功能，难以全体控制整个系统这样的系统的运用方面的问题。
解决问题的技术方案
为了解决上述问题，在本发明的电力设备的系统控制装置中，其特征为，具备：设备描述文件管理单元，其对表示设备的电气特性（包含动态特性、能够与其他设备形成怎样的电路的特性）的元数据即设备描述文件进行管理；控制方案管理单元，其对记载了元数据的控制方案进行管理，元数据定义了设备应该满足的动作；设备检测单元，其检测能够利用的设备组；电气状态监视单元，其监视因设备的相互连接而产生的与电力的授受相关的电气状态；设备选择单元，其根据在控制方案中记载的元数据和设备描述文件选择利用的设备；以及控制执行单元，其进行选择出的设备的控制。
发明效果
能够构筑一种系统，其针对由于新能源、新需求设备的加入电力设备增加的情况，使电力设备在电气方面协作动作。
附图说明
图1是电力设备系统的硬件结构图。
图2是系统控制装置的硬件结构图。
图3是系统控制装置中的处理的框图。
图4是表示系统控制的处理的流程图。
图5是表示设备选择的处理的详细的流程图。
图6是表示设备描述文件的图。
图7是表示控制方案的图。
图8是表示进行本实施方式的系统控制时的电压分布的图。
图9是装有电力设备内置控制装置的硬件结构图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本实施方式。
图1是表示本实施方式的电力设备系统的硬件结构的图。这是通过将工厂的厂内系统和生产设备、发电设备电气连接和信息通信连接成为系统的结构。受电设备1从普通电力系统2以特高压（基准电压22kV）通过受电线11、31引入电力，通过变压器14、33变换为高压（基准电压6.6kV），从母线5通过馈电线51、52、53、54向工厂厂内供电。在馈电线上设置有区间电闸17、18、19、37、38、39，能够通过开关操作对系统的电气线路结构进行变更。母线5通过内联电闸20被分为变压器14侧和变压器33侧。在任意一个变压器发生故障的情况下，通过将内联电闸20设为连接状态，进行备用供给。另外，馈电线设置有内联电闸21等，以便能够与相邻的馈电线内联。在馈电线有事故时，事故点的前后的区间电闸成为切断状态，通过将内联电闸设为连接状态，能够从相邻的馈电线向切断目标的馈电线进行备用的电力供给。
在馈电线上，以6.6kV的基准电压连接有锅炉发电机26、生产线27、47。另外，通过变压器25、40、41变压为低压（基准电压400V），连接太阳电池28、特别生产线29、蓄电池30，或者连接微型燃气轮机发电机43、热泵供热水器44、太阳能电池45、蓄电池46。另外，设置有用于防止短路事故的断路器12、13、15、16、23、24、32、34、35、36、42。这些电力设备与信息通信网络3连接，发送运转状态、开闭路状态、发电状态、或蓄电状态等信息，并且接收控制信息。系统控制装置4经由信息通信网络3接收电力设备的信息，进行与设备运转有关的计算处理，发送控制信息。
另外，关于电力设备，除了变压器、电闸、断路器、馈电线等系统设备以外，还表示锅炉发电机、微型燃气轮机发电机、太阳能电池、蓄电池等电源设备、热泵供热水器、生产线、特别生产线等消耗电力的利用设备。另外，在电闸、变压器中安装有测量有效电力/无效电力/电压的传感器，传感器的测量值经由信息通信网路3传送到系统控制装置4。另外，电力设备分别具备内置控制装置1100。
图2是表示系统控制装置4的硬件结构的图。系统控制装置1由CPU201、主存储器202、输入输出接口203、网络接口204、存储装置205构成，它们通过总线等连接。
存储装置205由HDD等构成，存储实现设备描述文件管理部206、控制方案管理部207、设备检测部208、电气状态监视部209、设备选择部210、控制执行部211、主设备选择部212的功能的程序。设备描述文件管理部206对表示设备的电气特性的元数据即设备描述文件进行管理。在此，元数据是给出属性的数据。
控制方案管理部207对记载了元数据的控制方案进行管理，元数据定义了设备应该满足的动作（在后面在图7中说明控制方案的具体例子）。设备检测部208检测控制对象的设备。电气状态监视部209从电闸、变压器的传感器、电源设备和利用设备的传感器监视馈电线的各部分的电压等电气状态。设备选择部210根据在控制方案中记载的元数据和设备描述文件选择所利用的设备。控制执行部211进行对选择出的设备的控制。主设备选择部212指定主要运转的电力设备。设备信息213是存储设备描述文件、与主设备有关的信息的数据库。
CPU10通过将上述程序从存储装置205读入到主存储器202中进行执行，来实现各功能。也可以通过硬件来实现上述说明的功能。另外，用于实现上述功能的程序可以从CD-ROM等存储介质转移，也可以经由网络从其他装置下载。
图9是表示各电力设备所具备的电力设备内置控制装置1100的硬件结构图。电力设备内置控制装置1100由CPU1101、主存储器1102、输入输出接口1103、网络接口1104、存储装置1105构成，它们通过总线等连接。存储装置1105由HDD等构成。电力设备内置控制装置1100具备电力设备的发电、运转、充放电、供热水等功能的开始、停止、运转量的控制执行、传感器数据的处理、或与系统控制装置4的通信等功能。通过将存储装置1105的程序读入到主存储器1102中进行执行，来实现这些功能。
也可以通过硬件来实现上述说明的功能。另外，用于实现上述功能的程序可以从CD-ROM等存储介质移动，也可以经由网络从其他装置下载。
图3是系统控制装置的处理的框图。
主设备选择部307根据来自输入输出接口203的输入，选择主要运转的电力设备。例如选择太阳能电池28。
另外，主设备选择部307为了得到主设备的输入，也可以向输入输出接口203显示主设备的候选。按照每次发电量的二氧化碳排放量从小到大的顺序显示主设备的候选。或者，按照每次发电量的使用燃料量从少到多的顺序显示。或者，从对系统的电压、频率产生的影响大的设备开始按顺序显示。这时，主设备选择部307为了选择主设备的候选，从设备描述文件管理部301取得与设备的二氧化碳排放量、使用燃料、发电量、无法控制的发电变动量（因无法控制的自然能量造成的发电量）相关的信息。这些信息被存储在设备信息213中。
另外，为了自动化，主设备选择部307也可以不进行与输入输出接口的收发，而是从主设备的候选中自动地进行选择。例如，按照二氧化碳排放量、使用燃料、发电量、无法控制的发电变动量（因无法控制的自然能量造成的发电量）从少到多的顺序进行选择。
设备描述文件管理部301在从输入输出接口203接收到记载了与主设备选择部307选择的主设备有关的特性的设备描述文件后，进行记录保存，根据来自设备选择部305等的调用，输出设备描述文件的数据。
另外，设备描述文件的输入也可以经由信息通信网络3从电力设备的内置控制器传送（在后面使用图6说明设备描述文件的内容）。
控制方案管理部302从输入输出接口203接收记载了设备应该满足的电气动作条件等元数据的控制方案的输入，并进行记录保存，根据来自设备选择部305或控制执行部306等的调用，输出控制方案的数据。
设备检测部303经由信息通信网络3监视电力设备，检测电力设备由于设备施工具有向馈电线等的电气连接路径，是否能够接收来自系统控制装置4的控制指令进行运转，将检测结果作为可运转信息进行输出。
电气状态监视部304经由信息通信网络3收集系统设备、电源设备、利用设备的有效电力/无效电力/电压的传感器的测量值，监视或推定在将电力设备相互连接的馈电线等电线的各区间、部位由于电力的授受而产生的电气状态（系统状态），并输出给控制执行部和设备选择部等。
另外，设I为线电流，R为电路的电阻，X为电路的电抗，cosθ为负载的功率因数，电线的某区间中的恒定的电压降低量e（相对中性点电压）具有下式的关系，对于没有直接测量电压的电线的部位也能够推定电压。
e=I（Rcosθ+Xsinθ）
设备选择部305根据来自设备描述文件管理部301、控制方案管理部302、设备检测部303、电气状态监视部304的数据，为了使控制执行部306按照控制方案进行通过输入输出接口203指定的设备（例如太阳能电池45、特别生产线29）的发电、运转所需要的控制，选择协作动作来实现控制的若干个电力设备（从设备），作为设备选择指令输出给控制执行部306。另外，在后面在图5的步骤503～506中说明从设备。
作为用于进行该指定的设备的发电、运转所需要的控制，是以将由于电力设备的发电、运转而变得不稳定的电压保持在一定范围内的系统稳定化为目的的控制或以提高发电的经济性的运转为目的的控制等。
控制执行部306将控制方案、与控制方案对应的设备选择指令、作为电气状态监视部的输出的系统状态的信息作为输入，执行设备的控制。
作为本实施方式，方框301～306作为系统控制装置的功能来实现，或者将方框301～305作为系统控制装置的功能，将方框306作为电力设备内置控制器1100的功能来实现。通过后者的功能配置来实现时，在控制执行的处理中，能够缩短从监视电气状态到进行设备控制为止的通信处理所花费的时间，难以因通信延迟造成系统处理不稳定。
图4是表示上述的系统控制装置的处理的流程图。
步骤401是上述的主设备选择部307的处理。
步骤402是上述的设备描述文件管理部301的处理。接受与步骤401具有电气连接关系的电力设备的描述文件的输入并进行存储。
步骤403是上述的控制方案管理部302的处理。
步骤404是上述的设备检测部303的处理。
步骤405是上述的电气状态监视部304的处理。在后面使用图6详细说明处理。
步骤406是上述的设备选择部305的处理。
步骤407是上述的控制执行部306的处理。
图5是上述的步骤406的设备选择的处理的详细的流程图。
在步骤501中，接受在上述的步骤401中指定的主要运转的电力设备的主设备的指定。
在步骤502中，针对主运转设备经由配电线等具有电气连接关系的其他电力设备，根据上述的设备检测部303的输出，生成可运转的设备的一览。另外，对于电气连接关系，根据在图6中后述的设备描述文件或来自输入输出接口203的输入，记录保存在系统控制装置中。
在步骤503中，针对在上述步骤502中生成一览的可运转设备和主设备，根据设备描述文件管理部301的输出，从设备描述文件收集电气特性的信息来生成一览。在此，例如在设备描述文件中收集有与设备的动作有关的信息，该信息包含由于设备动作而消耗或积蓄的电量、所积蓄的电量的限界值。
在步骤504中，首先从控制方案管理部302取得针对主设备的控制方案（作为控制方案，存在太阳能发电输出的稳定化控制等）。接着，根据电力设备的电气连接电路的信息、主设备的输出、消耗电力（充电电力）的信息，计算由于主设备运转而产生的电力设备间电压状态的变化，作为系统对稳定性进行评价计算（评价计算相对于预定的电压等级偏离的比例或量）。
在步骤505中，通过上述的稳定性的评价计算，判定系统稳定性（例如判定有无超过预定电压等级的10%的偏离），如果不稳定，则前进到步骤506。如果是稳定，则前进到步骤507。
在步骤506中，首先通过与主设备协作动作，由此从上述的可运转设备的一览中根据上述的电气特性的一览的信息，选择有助于系统稳定的设备（协作进行动作的从设备）的候选。在选择时，第一选择在设备描述文件中记载的“连接的主电力设备（Equipment.MemberOf_EquipmentContainer rdf:resource）”的信息（例如“变压器41二次侧”）相同的设备。在该信息相同的情况下，如果主设备是发电设备，则按照蓄电池等与电力的储存有关的设备、热泵供热水器等与能量的储存有关的设备、能量的消耗设备的顺序进行选择。在本步骤中，在一次被调用后，当每次在步骤505中判定为不稳定而再次被调用时，追加协作进行动作的设备。在“连接的主电力设备”相同的设备的下一个，将进一步连接了连接的主电力设备的主电力设备（例如“馈电线53”）相同的电力设备作为候选。
在步骤507中，将主设备、在步骤506中生成的协作动作的从设备候选列表作为识别信息，输出设备选择指令。
在图6中以蓄电池46为例子表示设备描述文件。在设备描述文件中，记载了设备的种类（deviceType=“蓄电池”）、制造厂商（manufacturerType=“制造公司名”）、型号名（model=“ES400V200M”）、版本（version=“1.0”）的基本信息、与向系统进行连接来形成电路的特性、个体的电气特性等电气特性的列表相关的信息（properties）。为了表示电路结构，在电气特性中，记载了表示图1的硬件结构上的名称（StorageBattery rdf:ID=“蓄电池45”）与该硬件结构有关的结构要素的称呼通用的名字空间（<Naming.name>实施方式1的名字辞典）、连接的主电力设备（Equipment.MemberOf_EquipmentContainerrdf:resource=“变压器41二次侧”）、其基准电压（VoltageLevel.BaseVoltage>400）等设备信息、电气配置的地点（cim:Location rdf:ID=“结构图1”的Location.PowerSystemResource rdf:resource=“变压器41二次侧电线”）的信息、地理坐标（例如经纬度的X、Y坐标）轴的设置方法有关的信息（GmlPositionrdf:ID=“CP1005”）、坐标位置（GmlPosition.X坐标>187635，GmlPosition.Y坐标772863）等定位有关的信息、作为个体的电气特性中的静态电气特性的放电输出（PowerLevel.输出200kW）、充电输入（cim:PowerLevel.充电输入200kW）、充电容量（PowerLevel.充电容量1000kWh），此外作为动态电气特性，记载了与响应性相关的信息，例如表示响应特性的传递函数的次数（响应传递函数次数1）和时间常数（响应时间常数0.5）、浪费时间（响应浪费时间常数0）的设备的能力相关的信息。
另外，除了传递函数的表述以外，也可以通过ARMA等多项式模型、对响应特性进行描绘所得的数据，来记载上述的动态电气特性。
在图7中示例了控制方案。
进行将基准电压和电压进行比较，通过在从设备列表B中记载的电力设备对主设备A的输出进行充电/消耗的控制。在此，例如也可以存在多个主设备。此时，根据对多个主设备的输出进行合计所得的结果与基准电压之间的差分，选择从设备。
上述的控制执行部306针对按照控制方案抽象指定的A、B，把从设备选择部305输出的主设备和从设备的识别信息相关联，对各别的设备执行控制。
在图8中表示进行本实施方式的系统控制时的馈电线53的电压分布。如图（A）所示，没有电压从基准电压很大偏离的情况。
根据本实施例，能够削减为了实现如下目的从而进行控制的系统的构筑以及维护所需要的工时，上述目的包括使各种电力设备电气协作从而将系统的电压保持在一定范围内的系统稳定化和发电设备的经济运转等。特别在控制多样的电力设备的系统中，不用针对设备的特性的不同事先生成各别的应用程序，能够进行系统的构筑和维持。另外，能够通过各个控制执行装置实现用于执行多个设备的控制的多个控制装置的协调动作，不会由于特定装置的故障而突然丧失整个系统的功能。

Claims (10)

1.一种设备系统控制装置，其控制多个设备的动作，其特征在于，具备：
数据库，其存储了与上述设备的电气特性有关的设备描述、多个设备中的动作所需要的设备即主设备、收集了与上述多个设备的电力目标值和多个设备的控制有关的信息的控制方案；
设备选择部，其根据上述设备描述、上述主设备、上述控制方案，选择使其动作的从设备；
控制执行部，其向选择出的上述主设备和上述从设备指示动作。
2.根据权利要求1所述的设备系统控制装置，其特征在于，
上述设备选择部计算上述电力目标值和与当前的电力有关的值之间的差，
根据上述差和多个从设备的设备描述，选择上述从设备。
3.根据权利要求1或2所述的设备系统控制装置，其特征在于，在上述设备描述中，包含由于上述设备动作而消耗或积蓄的电量，上述电力目标值是电压值。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的设备系统控制装置，其特征在于，
在上述设备中的蓄电池的上述设备描述中，包含通过上述蓄电池进行动作而充电的蓄电量和蓄电量的限界量，
上述设备选择部使用上述蓄电量和上述限界量，选择使其动作的设备。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的设备系统控制装置，其特征在于，
在上述数据库中，包含上述设备的二氧化碳排放量，
上述设备选择部按照上述设备的上述二氧化碳排放量从少到多的顺序选择上述设备。
6.一种设备系统控制方法，是控制多个设备的动作的设备系统控制装置的设备系统控制方法，其特征在于，具备：
数据库，其存储了与上述设备的电气特性有关的设备描述、多个设备中的动作所需要的设备即主设备、收集了与上述多个设备的电力目标值和多个设备的控制有关的信息的控制方案；
根据上述设备描述、上述主设备、上述控制方案，选择使其动作的从设备的步骤；
向选择出的上述主设备和上述从设备指示动作的步骤。
7.根据权利要求6所述的设备系统控制方法，其特征在于，
上述选择设备的步骤计算上述电力目标值和与当前的电力有关的值之间的差，
根据上述差和多个从设备的设备描述，选择上述从设备。
8.根据权利要求6或7所述的设备系统控制方法，其特征在于，
在上述设备描述中，包含通过上述设备进行动作而消耗或积蓄的电量，上述电力目标值是电压值。
9.根据权利要求6～8的任意一项所述的设备系统控制方法，其特征在于，
在上述设备中的蓄电池的上述设备描述中，包含通过上述蓄电池进行动作而蓄电的蓄电量、蓄电量的限界量，
上述选择设备的步骤使用上述蓄电量和上述限界量，选择使其动作的设备。
10.根据权利要求6～9的任意一项所述的设备系统控制方法，其特征在于，
在上述数据库中，包含上述设备的二氧化碳排放量，
上述选择设备的步骤按照上述设备的上述二氧化碳排放量从少到多的顺序选择上述设备。
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