CN105299846B - 一种基于全局关联优化的机房群控装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全局关联优化的机房群控装置及其控制方法，包括中央群控装置、水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通信装置和空气处理机组控制装置；所述水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通信装置和空气处理机组控制装置均与中央群控装置连接；所述中央群控装置内置工业计算机、工业交换机和中央处理器；冷水机组通讯装置连接冷水机组控制装置，冷水机组控制装置包括第四控制器；本发明可以在保证应用性能需求的前提下，使中央空调系统以最佳效率运行，达到降低系统总能耗的优化目的，实现能源有效利用并实现节能效果。

Description

一种基于全局关联优化的机房群控装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及中央空调自动化控制与节能技术领域，具体涉及一种基于全局关联优化的机房群控装置及其控制方法。

背景技术

目前人们在打造绿色建筑时，不断发挥人类的智慧从科学、管理、节能等方面出发寻找新材料和新技术；其中，冷水机组中央空调系统作为建筑系统的重要组成部分，其占整个建筑系统能耗电量的比重很大，据统计，建筑行业的能源消耗占国家总能耗的30％，而空调系统所耗电能占整个建筑物耗能的60％～70％，占全建筑系统总电耗18％左右，随着建筑人性化服务的需求，这个数字还会不断增长；如此巨大的电力消耗不仅给电力系统带来巨大的压力，同时也给用户带来了沉重的经济负担；因此，冷水机组中央空调系统的节能对降低建筑系统耗能，节省企业用电支出，优化国家电力结构有着极为重要的意义和作用；就任何建筑设计来说，为使空调系统在全年任意时段都能保证建筑内部的冷量需求，在选用空调系统时都是按当地最热天气所需的制冷需求的115％左右来选取机型的；由于在中央空调的运行过程中，主机、水泵、冷却塔等都没有任何负荷随动能力，从而导致空调长期在较高工况下运行，造成大量的能源浪费。

在冷水机组中央空调的运行过程中，水泵的流量及轴功率是恒定输出的，也就是一直处于最大负荷状态，浪费较多的能量；特别是在春夏与秋冬过度季节，冷水机组的输出负荷大幅下降，而水泵的负荷却不能相应随之降低，形成大流量小温差现象，浪费电能；但若实施水泵变频控制，水泵的能耗降低，而冷水机组的效果变差，引起制冷机效率COP(制冷效率)值下降，冷水机组能耗上升。

发明内容

本发明提供一种基于全局关联优化的机房群控控制装置及其控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于全局关联优化的机房群控装置，包括中央群控装置、水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通讯装置和空气处理机组控制装置；所述水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通讯装置和空气处理机组控制装置均与中央群控装置连接；所述中央群控装置内置工业计算机、工业交换机和中央处理器；所述水泵控制装置内置第一控制器和第一智能电表；所述冷却塔控制装置内置第二控制器和第二智能电表；所述空气处理机组控制装置内置第三控制器和第三智能电表；所述冷水机组通讯装置内置建筑能源协议网关；冷水机组通讯装置连接冷水机组控制装置，冷水机组控制装置包括第四控制器；

所述第一控制器内嵌工况控制逻辑；所述中央群控装置接收第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器上传数据；中央群控装置采集温度、压力和流量数据；中央群控装置将数据发送给第一控制器根据工况逻辑控制水泵运行；水泵当前运行参数通过第一控制器发送给中央群控装置完成全局关联。

进一步的，所述中央群控装置与第一控制器、第二控制器和第三控制器之间均通过Modbus TCP/IP协议通讯；中央群控装置通过建筑能源协议网关连接第四控制器，中央群控装置与建筑能源协议网关之间通过Modbus RTU协议通讯。

进一步的，所述第一控制器通过Modbus RTU协议控制第一智能电表；所述第二控制器通过Modbus RTU协议控制第二智能电表；所述第三控制器通过Modbus RTU协议控制第三智能电表。

进一步的，所述水泵控制装置还包括有水泵变频器，水泵变频器连接第一控制器；所述第一控制器通过Modbus RTU协议控制水泵变频器。

一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，包括以下步骤：

A、利用NS模型进行仿真计算，构件数据库；

B、选取时间域∫t作为控制周期，根据空气处理机组送风室内温度T₀控制空气处理机组水阀开度；

C、根据工况控制逻辑，进行稳定控制；

D、将时间域∫t内运行参数上传数据库；

E、选择数据库内时间域∫t内运行能耗最优参数；

F、将各参数传送给第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器控制各设备的运行；

G、选取下一个时间域，重复步骤B-F。

进一步的，所述工况控制逻辑包括：

1)回水温度控制逻辑，以冷冻回水总管温度T_D1或冷却供水总管温度T_Q2为控制目标；

2)冷热量控制逻辑，以冷却侧或冷冻侧的能量变化相等为控制目标；

3)温度压差串级控制逻辑，控制冷冻侧各个回水分支压力差的绝对值为梯度变化压差值；控制冷冻侧各个回水分支温度之差为零。

进一步的，所述空气处理机组水阀开度控制方法如下：

取时间域∫_t，将空气处理机组水阀开度V分成10段，每段水阀开度为10％，空气处理机组送风室温度为T₀，室内温度为T₁；

T₁＞T₀为t₀时刻，t₀时刻时水阀开度上升1段；

T₁＜T₀为t₁时刻，t₁时刻时水阀开度下降1段；

60％≤V≤90％为t₃时刻，t₃时刻时调节冷冻水流量；

V＜60％为t₄时刻，t₄时刻时减少冷却水流量。

进一步的，运行能耗W_总计算方法如下：

W_总＝W_冷水机组+W_水泵+W_冷却塔+W_{空气处理机组}

式中：W_冷水机组为冷水机组的能耗，W_水泵为水泵能耗，W_冷却塔为冷却塔能耗，W_{空气处理机组}为空气处理机组能耗；

进一步的，所述冷水机组能耗计算方法如下：

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。

进一步的，其特征在于：所述水泵能耗计算方法如下：

W＝K_s1T_s+K_s2T₀

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明自动匹配符合当前系统制冷需求的能耗优化工况参数，并根据该能耗优化工况参数自动对系统中冷水机组和水泵的运行状况进行调整，在保证应用性能需求的前提下，使冷水机组中央空调系统以最佳效率运行，达到降低系统总能耗的优化目的；

(2)本发明通过判断系统的总功率来判断是否增开或减停制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机，从而使得能源有效利用并实现节能的效果；

(3)本发明通过判断室内温度的情况来关联系统全局设备，从而实现全局关联控制与管理。

附图说明

图1为本发明装置系统框图。

图2为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于全局关联优化的机房群控装置，包括中央群控装置、水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通讯装置和空气处理机组控制装置；所述水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通讯装置和空气处理机组控制装置均与中央群控装置连接；所述中央处理器内置工业计算机、工业交换机和中央处理器；所述水泵控制装置内置第一控制器和第一智能电表；所述冷却塔控制装置内置第二控制器和第二智能电表；所述空气处理机组控制装置内置第三控制器和第三智能电表；所述冷水机组通讯装置内置建筑能源协议网关；冷水机组通讯装置连接冷水机组控制装置，冷水机组控制装置包括第四控制器；

所述第一控制器内嵌工况控制逻辑；所述中央群控装置接收第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器上传数据；中央群控装置采集温度、压力和流量数据；中央群控装置将数据发送给第一控制器根据工况逻辑控制水泵运行；水泵当前运行参数通过第一控制器发送给中央群控装置完成全局关联；第一控制器将水泵运行参数发送给中央群控装置，第二控制器将风机运行数据发送给中央群控装置，第三控制器将风机运行、送风温度和水阀开度数据发送给中央群控装置，第四控制器采集机组运行数据通过建筑能源协议网关进行协议解析；工业计算机负责历史数据存储、数据分析、控制模型建立和人机对话等；中央处理器负责全局关联、能耗优化、核心参数采集和协议解析等；水泵控制装置负责冷冻、冷却水泵参数采集、运作状态监控、核心参数保护等；冷却塔控制装置负责冷却塔风机运作状态监控；空气处理机组负责风机运行状态监控、温度采集和水阀参数采集等。

进一步的技术方案是，所述中央群控装置与第一控制器、第二控制器和第三控制器之间均通过Modbus TCP/IP协议通讯；中央群控装置通过建筑能源协议网关连接第四控制器，中央群控装置与建筑能源协议网关之间通过Modbus RTU协议通讯。

进一步的技术方案是，所述第一控制器通过Modbus RTU协议控制第一智能电表；所述第二控制器通过Modbus RTU协议控制第二智能电表；所述第三控制器通过Modbus RTU协议控制第三智能电表；

进一步的技术方案是，所述水泵控制装置设置有水泵变频器，水泵变频器连接第一控制器；所述第一控制器通过Modbus RTU协议控制水泵变频器；第一控制器接收到中央处理器发送的控制参数时，通过Modbus RTU协议控制水泵变频器，从而实现温度、流量和压力的控制；水泵能耗参数通过智能电表进行采集，然后通过Modbus RTU协议发送给第一控制器，最后发送给中央群控装置进行全局关联优化参数处理。

一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，包括以下步骤：

A、利用NS模型进行仿真计算，构件数据库；

B、选取时间域∫t作为控制周期，根据空气处理机组送风室内温度T₀控制空气处理机组水阀开度；

C、根据工况控制逻辑，进行稳定控制；

D、将时间域∫t内运行参数上传数据库；

E、选择数据库内时间域∫t内运行能耗最优参数；

F、将各参数传送给第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器控制各设备的运行；

G、选取下一个时间域，重复步骤B-F。

进一步的技术方案是，所述工况控制逻辑包括：

1)回水温度控制逻辑，以冷冻回水总管温度T_D1或冷却供水总管温度T_Q2为控制目标；

2)冷热量控制逻辑，以冷却侧或冷冻侧的能量变化相等为控制目标；

3)温度压差串级控制逻辑，控制冷冻侧各个回水分支压力差的绝对值为梯度变化压差值；控制冷冻侧各个回水分支温度之差为零。

进一步的技术方案是，所述空气处理机组水阀开度控制方法如下：

取时间域∫_t，将空气处理机组水阀开度V分成10段，每段水阀开度为10％，空气处理机组送风室温度为T₀，室内温度为T₁；

T₁＞T₀为t₀时刻，t₀时刻时水阀开度上升1段；

T₁＜T₀为t₁时刻，t₁时刻时水阀开度下降1段；

60％≤V≤90％为t₃时刻，t₃时刻时调节冷冻水流量，通过调节冷冻水泵频率进行调节；

V＜60％为t₄时刻，t₄时刻时减少冷却水流量，水泵减少一台；

t₃时刻时，冷水机组冷冻进出水平均温度T_s，冷却进出水平均温度T₀，室外温度T_H，冷却回水温度T_b；冷却塔风机根据回水温度T_b进行台数选择，冷却水泵频率(频率越高，能耗越大)根据T₀进行调节。

进一步的技术方案是，运行能耗W_总计算方法如下：

W_总＝W_冷水机组+W_水泵+W_冷却塔+W_{空气处理机组}

式中：W_冷水机组为冷水机组的能耗，W_水泵为水泵能耗，W_冷却塔为冷却塔能耗，W_{空气处理机组}为空气处理机组能耗；中央空调系统能耗由冷水机组、水泵、冷却塔风机和空气处理机组组成，冷水机组作为系统最大能耗消耗，其优化为首；t₃时刻时，冷水机组冷冻进出水平均温度T_s，冷却进出水平均温度T₀，冷水机组能耗与T_s和T₀的差值有关；冷冻水泵能耗与制冷量Q有关，也就是与T_s有关，冷却水泵能耗与T₀有关，空气处理机组能耗恒定无优化空间，

进一步的技术方案是，所述冷水机组能耗计算方法如下：

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。

进一步的技术方案是，所述水泵能耗计算方法如下：

W＝K_s1T_s+K_s2T₀

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。

本发明可以在保证应用性能需求的前提下，使中央空调系统以最佳效率运行，达到降低系统总能耗的优化目的，实现能源有效利用并实现节能效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于全局关联优化的机房群控装置，其特征在于：包括中央群控装置、水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通信装置和空气处理机组控制装置；所述水泵控制装置、冷却塔控制装置、冷水机组通信装置和空气处理机组控制装置均与中央群控装置连接；所述中央群控装置内置工业计算机、工业交换机和中央处理器；所述水泵控制装置内置第一控制器和第一智能电表；所述冷却塔控制装置内置第二控制器和第二智能电表；所述空气处理机组控制装置内置第三控制器和第三智能电表；所述冷水机组通信装置内置建筑能源协议网关；冷水机组通讯装置连接冷水机组控制装置，冷水机组控制装置包括第四控制器；

所述第一控制器内嵌工况控制逻辑；所述中央群控装置接收第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器上传数据；中央群控装置将数据发送给第一控制器根据工况逻辑控制水泵运行；水泵当前运行参数通过第一控制器发送给中央群控装置完成全局关联；

所述中央群控装置与第一控制器、第二控制器和第三控制器之间均通过Modbus TCP/IP协议通讯；中央群控装置通过建筑能源协议网关连接第四控制器，中央群控装置与建筑能源协议网关之间通过Modbus RTU协议通讯。

2.根据权利要求1所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置，其特征在于：所述第一控制器通过Modbus RTU协议控制第一智能电表；所述第二控制器通过Modbus RTU协议控制第二智能电表；所述第三控制器通过Modbus RTU协议控制第三智能电表。

3.根据权利要求1所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置，其特征在于：所述水泵控制装置设置有水泵变频器，水泵变频器连接第一控制器；所述第一控制器通过ModbusRTU协议控制水泵变频器。

4.如权利要求1所述一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、利用NS模型进行仿真计算，构件数据库；

B、选取时间域∫t作为控制周期，根据空气处理机组送风室内温度T₀控制空气处理机组水阀开度；

C、根据工况控制逻辑，进行稳定控制；

D、将时间域∫t内运行参数上传数据库；

E、选择数据库内时间域∫t内运行能耗最优参数；

F、将各参数传送给第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器控制各设备的运行；

G、选取下一个时间域，重复步骤B-F。

5.根据权利要求4所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：所述工况控制逻辑包括：

1)回水温度控制逻辑，以冷冻回水总管温度T_D1或冷却供水总管温度T_Q2为控制目标；

2)冷热量控制逻辑，以冷却侧或冷冻侧的能量变化相等为控制目标；

3)温度压差串级控制逻辑，控制冷冻侧各个回水分支压力差的绝对值为梯度变化压差值；控制冷冻侧各个回水分支温度之差为零。

6.根据权利要求4所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：所述空气处理机组水阀开度控制方法如下：

取时间域∫_t，将空气处理机组水阀开度V分成10段，每段水阀开度为10％，空气处理机组送风室温度为T₀，室内温度为T₁；

T₁＞T₀为t₀时刻，t₀时刻时水阀开度上升1段；

T₁＜T₀为t₁时刻，t₁时刻时水阀开度下降1段；

60％≤V≤90％为t₃时刻，t₃时刻时调节冷冻水流量；

V＜60％为t₄时刻，t₄时刻时减少冷却水流量。

7.根据权利要求4所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：运行能耗W_总计算方法如下：

W_总＝W_冷水机组+W_水泵+W_冷却塔+W_{空气处理机组}

式中：W_冷水机组为冷水机组的能耗，W_水泵为水泵能耗，W_冷却塔为冷却塔能耗，W_{空气处理机组}为空气处理机组能耗。

8.根据权利要求4所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：所述冷水机组能耗计算方法如下：

<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mn>2</mn> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mn>2</mn> </munderover> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mi>o</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>j</mi> </msup> </mrow>

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。

9.根据权利要求4所述的一种基于全局关联优化的机房群控装置控制方法，其特征在于：所述水泵能耗计算方法如下：

W＝K_s1T_s+K_s2T₀

式中：T_s为冷冻进出水平均温度，T_o为冷却进出水平均温度。