CN105719047A - 分布能量生产改变以满足需求改变 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分布能量生产改变以满足需求改变。一种计算机实现的方法优化公共事业厂，所述公共事业厂具有多个设备以将输入能量转换成用于建筑的输出能量。所述方法包括：将公共事业厂调度间隔划分成多个控制间隔，并且针对每个控制间隔：获得期望的和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂的输出功率控制；获得影响公共事业厂的操作的多个因素的当前值；确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求；以及找到满足新的功率需求、考虑设备的响应时间及其能力并优化公共事业厂操作成本的针对多个设备的设置点。

Description

分布能量生产改变以满足需求改变
背景技术
建筑综合体的能量通常由本地公共事业厂供应，本地公共事业厂将能量从公共资源转换至建筑综合体中所需要的公共事业。利用复杂的内部结构对这样的公共事业厂或微电网(从现在开始为“受控厂”)操作的经济上最佳的调度，在于确定厂能量转换设备的设置点，以使得满足建筑综合体的能量需求并且厂操作成本最小。解决方案通常以固定的时间间隔应用，通常15分钟到60分钟长，其中能量需求和转换特性被认为是固定的。
实际上能量需求在这些时段内变化，并且必须存在一种力求平衡能量供应和需求并确保整个系统的令人满意的操作的较低层次控制器。平衡有两种类型——必须总是被满足的硬平衡(例如，电力供应和需求)和可以暂时性违反的软平衡，诸如到建筑加热系统的热量输送可以在一段时间内小于所需的。公共事业厂结构可能是复杂的，并且因此，分布所要求的生产改变以覆盖需求改变可能是复杂的。
当前，当需求显著改变时使用开启和关闭能量生产设备的固定序列来达到平衡。例如，首先设置一组锅炉中的第一锅炉以达到平衡。如果该组中的第一锅炉达到了其最大允许的热量输出而没有达到平衡，则开启和改变下一个锅炉，接下来是列表中的下一个，直到最终达到平衡。
发明内容
一种在经济上优化对公共事业厂的操作的计算机实现的方法，所述公共事业厂具有多个设备以将输入能量转换成用于对建筑进行加热或制冷的输出能量。该方法包括将公共事业厂调度间隔划分成多个控制间隔。针对每个控制间隔，该方法获得期望和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂的输出功率控制，获得影响公共事业厂的最佳操作的多个因素的当前值，确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求，以及找到满足新的功率需求并考虑设备的响应时间及其能力的针对多个设备的设置点。
一种控制公共事业厂的方法，所述公共事业厂具有消耗功率和提供能量的多个设备，所述方法包括：接收建筑能量需求的预报，接收影响公共事业厂的操作的因素的预报，在调度模式中操作优化器以确定哪些设备应当开启并提供控制动作来指定针对每个运行设备的设置点，以使得操作是经济上最佳的并且不违反约束，以及在控制模式中操作优化器以基于设备的效率和响应时间而在设备之间分布能量需求从而最小化购买能量成本。
一种设备，包括：处理器，用来接收能量需求和影响条件信息的输入连接，以及耦合到处理器并且其上存储有程序以供处理器运行的存储器设备。处理器运行程序以通过将公共事业厂调度间隔划分成多个控制间隔来执行公共事业厂优化。处理器执行针对每个控制间隔的方法，所述方法包括：获得期望和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂的输出功率控制，获得影响公共事业厂的最佳操作的多个因素的当前值，确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求，以及找到满足新的功率需求并考虑设备的响应时间及其能力的针对多个设备的设置点。
附图说明
图1A是图示根据示例实施例的具有示为操作在调度模式中的优化控制器的受控公共事业厂规划的简单示例的框图。
图1B是图示根据示例实施例的具有示为操作在反馈模式中的优化控制器的受控公共事业厂规划的简单示例的框图。
图2是图示根据示例实施例的用于调度公共事业厂中设备的由优化器实现的方法的流程图。
图3是图示根据示例实施例的优化器的操作的流程图。
图4是图示根据示例实施例的提供放松的(relaxed)任务优化的优化器的操作的流程图。
图5是根据示例实施例的以数学方程式形式的优化器问题公式的图示。
图6是根据示例实施例的以数学方程式形式的放松的优化器问题公式的图示。
图7是图示根据示例实施例的在对需求中的瞬态改变进行响应时的示例优化器操作的流程图。
图8是图示具有根据图7的示例的操作成本的需求和锅炉输出的图表。
图9是根据图7的示例的锅炉的热量输出的柱状图表示。
图10是图示根据图7的示例的锅炉操作的燃料成本的图。
图11是根据示例实施例的用于实现优化控制器和方法的计算机系统的框图。
图12是示例时序图，其示出了根据示例实施例的被划分成调度间隔和控制间隔的调度视图以及在控制间隔中发生的动作。
具体实施方式
在下面的描述中，参考形成其部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践的特定实施例。这些实施例被描述得足够详细以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行结构上、逻辑上和电学上的改变。因此，示例实施例的以下描述并不是限制性的，并且本发明的范围由随附的权利要求限定。
在一个实施例中，在此描述的功能或算法可用软件或软件和人类实现的过程的组合来实现。软件可包括存储在本地或联网的计算机可读介质或计算机可读存储设备(诸如一个或多个存储器或其它类型的基于硬件的存储设备)上的计算机可执行指令。进一步地，这样的功能对应于模块，所述模块是软件、硬件、固件或其任何组合。可如所期望的在一个或多个模块中执行多个功能，并且所描述的实施例仅仅是示例。软件可在数字信号处理器、ASIC、微处理器、或操作在计算机系统(诸如个人计算机、服务器或其他计算机系统)上的其他类型的处理器上执行。
对受控厂中公共事业生产的监管控制通常由操作员进行，潜在地在优化器的帮助下。操作员提前一段时间确定基本调度时段中的厂操作调度——厂的每个设备的技术配置和最佳设置点。该高层次调度也可以自动地或在循环中具有操作员的情况下半自动地进行。
在调度间隔期间，各种因素的变化影响消耗装置的能量需求。这些因素中的一些可包括建筑占用率、建筑综合体中的活动、内部热增量、不同于预测的天气条件(云覆盖，室外温度)、不同的室内温度设置点和其他。必须通过由低层次控制系统管理的动作来消除与调度中预期的值的偏差。必须持续地改变能量输送以覆盖变化的能量需求。动作针对根据预定义规则的转换设备。例如，在一个控制策略中，热量需求的变化由能够平衡该变化的指定燃气锅炉平衡——足够快的、具有令人满意的效率和目前足够的热量生产能力的锅炉。其他锅炉以恒定输出操作。当一个锅炉不能保持平衡时则采用另一个。
用于定序的另一个控制策略可利用单个引领(lead)锅炉，其中其他联网的锅炉称为从锅炉。当需求增加时，引领锅炉首先启动且从锅炉按顺序次序(1，2，3……)启动直到需求被满足为止。当需求减小时，锅炉按照相反的次序停止，这有助于均衡所有锅炉的运行时间小时。未考虑较小的变化，诸如锅炉调节。这些策略未开发当前控制技术的潜能，并且在具有高度互联的设备的现代厂的情况下可能是不足够的。
图1A是图示通常在100处的受控公共事业厂规划的简单示例的框图，其中优化控制器110被示为操作在调度模式中以提供描述公共事业厂中各种能量生产设备的开启和关闭状态的调度。在调度模式中，优化控制器110操作于前馈模式，而不是反馈模式中。在各种实施例中，反馈优化器115操作为使用受控厂120中的能量转换的非线性模型执行最佳资源分配的非线性控制器。在反馈模式中，反馈优化器115分布关于如图1B中指示的较低层次控制子系统195所需求的能量生产的要求以便控制室内温度。
诸如建筑125之类的消耗装置所需求的能量，根据期望的建筑条件130确定，例如示出为典型的反馈调节器中的期望温度TD21℃。触发由能量需求预报器135提供的能量需求中的改变的条件可以是超出指定范围的室内温度、过高或过低的家庭热水供应等。条件变量的测量值和其期望值之间的差异被需求预报器135(也称为反馈调节器)变换为估计的能量需求改变并传递到较高层次非线性控制器，也称为反馈优化器115。
在一个实施例中，需求预报器135也可表示为前馈调节器的一部分。没有评估差异，因为只能使用建筑需求的模型来估计未来的室内条件。
在一个实施例中，能量需求预报器135不测量实际的即时室内条件。相反，预报器135提前例如24小时使用天气预报、占用率预报等估计能量需求的简档(profile)。根据该估计(预报)计算最佳调度。调度包括设备及其操作点(控制器的设置点)的切换。对于未来的调度而言，精确的未来室内条件是未知的，因为被称为对建筑的未来实际影响的扰动是未知的。因此，该调度只是粗略的能量生成计划。通过如图1B中描绘的闭环中的反馈控制，恰好及时实现对室内条件的更准确的控制，例如按分钟地。
在一些实施例中，调度表示在给定知识的当前状态的情况下，对于某个完整未来时间间隔而言最佳的开启-关闭状态序列。仅关于当前情况的最佳开启-关闭配置可能不同于关于针对较长时间间隔(例如，提前四天)的优化的配置。
关于较长时间间隔的优化可防止配置的不希望的频繁改变(例如，锅炉的频繁切换)，这可能缩短锅炉或其他设备的寿命。由本系统执行将该调度(对较长间隔而言最佳的开启-关闭状态)与设置点的短期(在控制间隔方面)闭环控制相组合。
非线性控制器115相对于在该时间的可用能力、设备响应时间、装置的效率和从外部供应商购买的能量的实时价格或针对能量订约的价格而在运行设备之间分布所要求的需求改变。实时价格是易变的，而订约的费率(tariff)是稳定的。非线性控制器115可考虑实际价格，实时的或订约的或两者，无论哪个是适当。在100处所示的示例中的公共事业厂120中的运行设备包括140处的冷却器1、142处的吸收冷却器2、144处的锅炉1、146处的锅炉2和热交换器(hex)148。一些公共事业厂可能具有更多的设备和更多类型的设备，诸如在另外的实施例中的燃气涡轮机和其他。出于说明的目的，简化了示例厂120。
每个设备可具有相关联的实际输送的功率输出P，在图1A和1B中用与生产它的设备类型对应的下标标记。例如，冷却器作为其能量消耗的功能而产生冷却的水。冷却的水可经由155提供到建筑125中的冷却设备160。类似地，锅炉经由162将产生自其能量输入的热水或热气提供到建筑125中的加热单元165。每个设备可具有耦合到它的控制器或致动器以接收设置点并以常规方式控制能量输入和功率输出。厂120也可以耦合到150处的公共电网、燃气管线152、或任何其他的外部能量源，总称为公共能量源。过剩的能量(诸如一些公共事业厂中的电力)也可卖回给公共电网150。
在所使用的模型中可能未充分考虑两个相继的设备设置点之间的实际跨时期(inter-temporal)约束。该问题可近似地作为仅考虑关于设置点改变率的约束的一系列独立自包含的优化而不是作为动态问题来求解。
控制器187可包括较低层次控制子系统195，该较低层次控制子系统195可考虑建筑的热容，可包括单输入单输出环(PI、PID控制器)、模型预测或其他类型的控制器。较低层次控制子系统管理整个控制环的稳定性。即使暂时不能实现平衡，作为控制器187的部分的反馈优化器115也会找到将厂驱动到期望的平衡的经济的设置点。通过选择具有最快响应的设备，以最短的可能时间补偿能量的暂时的不足或过剩。
反馈优化器115所使用的厂模型170的参数包括能量转换特性(效率曲线)、能力限制以及针对厂中每个转换设备的生产的最大增加和减小率。作为针对受控设备的类型的特性的效率曲线，也可能受例如天气条件的其他因素影响。例如，吸收冷却器可具有作为冷却介质温度、当前环境温度和其他气象条件以及冷却器的维护条件和年龄的函数的效率和能力。又进一步地，诸如冷却器和锅炉之类的设备可相互作用从而影响每一个的效率和输出。
在各种实施例中，非线性控制器经济地消除或减小由于波动的负载所致的失衡，但是也支持在相继调度的平稳状态之间系统的转变。
在各种实施例中，非线性控制器115可提供对建筑综合体、校园、军事基地等的公共事业厂或微电网的经济上最佳的控制，将基本分配控制间隔(例如15分钟)划分成更精细的子间隔，其中厂中的设备的配置(单位交付)是固定的并且在反馈控制模式中实时平衡需求和供应。
在一个实施例中，非线性控制器115可安装在具有若干接口的常用个人计算机上。除了所述功能，非线性控制器还可实现具有专用功能的若干支持性模块，所述支持性模块包括但不限于：
公共能量价格模块，其耦合到网络以获取购买能量价格，如175处所指示。实时能量价格可包括实际能量费率，并可从在线源获得或者也可以从现存的合同中导出。
厂监视器模块，其耦合到传感器以接收信息并监视厂技术的状态。需求预报模块135，其被耦合以接收数据并提供指定时间段中供应到建筑的每个能量源的消耗简档的预报以及定义供应简档的界限。厂中的设备将以电力、燃料和热量的形式输入的能量转换为建筑所需求的公共事业。在厂的能量源之间分布/分配公共事业的整体需求。厂中的设备将以电力、燃料、热量的形式输入的能量转换为建筑所需求的公共事业。
控制输出模块，其输出针对所有受控设备的设置点。
通信模块，调解(mediate)控制器和操作员之间的通信。
在一个实施例中，控制环包含低层次反馈调节器，所述低层次反馈调节器将关于建筑内部条件的未被满足的要求转换为关于能量需求改变的要求。它可以是PI(比例-积分)、PID(比例-积分-微分)调节器或者例如线性MPC(模型预测控制)控制器。
非线性控制器与厂控制系统的其他部分的通信可以通过例如无线或功率线联网来实现。最安全的是复制的通信通道。外部通信可使用到相关web(网络)服务器的因特网连接；数据流是最小的。
在一个实施例中，优化器115操作在如图1A中所示的调度模式中，以根据建筑能量需求135的预报和影响公共事业厂操作的因素185(例如，室外温度)的预报而确定哪些设备应该开启并控制动作177以指定针对每个运行设备的设置点180，从而使得操作是经济上最佳的并且不违反约束。这在整个调度时间范围(例如，具有192个单个15分钟步长的48小时长)内针对构成操作调度的每个调度间隔(例如，15分钟长)来进行。在一些实施例中，调度也可以考虑在相邻的时间间隔之间启动和关闭设备的实际成本或惩罚。
图1B是通常在186处的受控公共事业厂规划的框图，其中优化控制器187操作在反馈模式中。附图标记与图1A中使用的那些一致。反馈优化器115进行操作来以用最小的成本更新覆盖新需求的当前设置点190。在一个示例实施例中，低层次控制器195在图1B中被示出为提供将使室内舒适到所要求的水平(从19℃到21℃)而所需要的对在下一控制间隔中到建筑的当前能量输送的改变的估计。当前能量输送的改变称为ΔD，它与由反馈优化器确定的原始能量需求DF197求和以向反馈优化器115提供新的能量需求DR198。在该示例中，199处的监视的室内条件指示温度Tin为19℃，这比130处指示的期望条件冷两度。在一个实施例中，原始需求意为如调度中所记录的用作调度间隔中第一控制步骤中的输入的预报的需求。在一个实施例中，每个调度间隔的第一控制步骤中的原始需求意为如调度中所记录的调度间隔中的预报的步骤。在调度间隔中的接下来的控制步骤中，原始需求总是等于先前更新的需求(当前原始D＝先前总量＝先前原始D+先前ΔD)。
可替换地，当前的“原始”需求总是先前更新的、总的需求(当前原始D＝先前总D＝先前原始D+先前ΔD)。
在每个控制步骤(控制间隔)中，新的DF等于旧的DR加上所请求的改变ΔD。在每个控制间隔中计算新的ΔD。在放松的任务中，新的DF等于旧的计算的附加变量DRvar加上所请求的改变ΔD。
图2是图示用于调度公共事业厂中的设备的由优化器115实现的方法的流程图。在调度模式中，优化器115根据建筑能量需求的预报和诸如室外温度之类的影响公共事业厂操作的因素的预报而确定哪些设备应当开启以及针对每个运行设备的设置点，从而使得操作是经济上最佳的，满足预报的需求，并且不违反约束。这在整个调度时间范围(诸如48小时)内针对每个调度间隔进行。
在205处，调度间隔的开始，优化器115假定运行的技术的当前设置点满足建筑的预报的能量需求，并固定该配置——详述厂中每个设备的状态的开启-关闭规划。假定在205处开始之前已经用预报的需求计算最佳调度。
在210处，针对调度15分钟间隔中的每个当前控制间隔(例如60秒长)，方法200获得期望的和测量的建筑内部条件(例如，室内温度)之间的差异并得到影响最佳操作的所有因素的当前值。注意到在调度模式中，未考虑测量的室内舒适值。在一个实施例中，优化器115仅基于每个15分钟或60分钟间隔中的预报值计算调度(开启-关闭值)和设置点。
在215处，使用合适的控制算法的低层次控制器可用于确定为了降低或去除期望的和测量的建筑内部条件之间的该差异所预期的建筑的新的能量需求。在220处，优化器使用公共事业厂模型170和最近的影响值185找到满足新的能量需求的新的经济上最佳的设置点180。新的设置点考虑设备的响应时间(最大变化率)及其能力。在一些实施例中，控制间隔足够长以供设备能够跟随设置点改变。
如在225处指示的，如果不能找到这样的设置点集合，可执行在调度模式中未考虑的放松的任务。否则，接受结果，等待下一控制间隔，并且然后方法200返回到210。在放松的任务中，在230处可以去除对新的需求和潜在供应的精确匹配的要求，并且通过增加表示加权的能量不平衡(期望的需求和可用的能量之间的差异)的成员来修改优化目标。现在求解放松的优化问题。在235处，接受结果作为沿消除不令人满意的室内条件的方向的最好的可能步骤。如在240处指示的，在控制间隔的结束处，方法200返回210以用于在操作员期望时该调度方法的未来的使用。
在245处，如果在指定数目的控制步骤中不能实现期望的室内条件，例如由于不足的可用装置能力或由于缓慢的公共事业厂响应，那么释放配置固定(活动设备的集合)并且计算针对整个调度范围的新的调度，这将很可能导致正在操作的设备的数目的改变。
图3是图示优化器操作的方法300的流程图。假定已经用预报的需求球解最佳调度，方法300在305处开始。对于贯穿调度范围的每个调度间隔，执行以下元素。在310处，针对预报的系列的能量需求向量DF作为一起执行的调度范围中全部调度步骤优化的一部分执行每个调度间隔中的资源分配的优化：关于操作成本使用公共事业厂模型来优化所有技术设备的配置和设置点。
在一个实施例中，在调度范围中例如存在24个调度间隔。针对这些24个调度间隔中的每一个，对需求DF进行预报。当计算最佳调度时，针对调度范围中的24个调度间隔中的每一个确定配置(开启-关闭)和所有开启设备的设置点。一次针对整个调度范围执行优化，因为单独的调度间隔中的解(solution)可能是相关的。当计算出调度时，它用于进一步的步骤。
在315处，在当前调度时间间隔的开始处，固定配置，应用新的设置点。在一个实施例中，配置在调度间隔的任何控制步骤中不改变，除非重新计算出新的调度。其条件在图3中陈述。如果进入下一调度间隔，可以改变配置，其中改变由调度确定。
因为已经进入新的调度间隔，在该调度间隔中所有接下来的控制间隔内接受并固定新的配置。也接受并应用调度中所定义的新的设置点。可确定在调度步骤的第一控制步骤结束之后这些设置点是否是令人满意的。然后可应用不同的所确定的设置点。如果没有根据重新计算的调度强制改变配置，那么配置保持固定。
在320处，确定转变过程是否以预定义的不准确性结束。在此观察转变过程，是因为已经进入了新的调度间隔，并且在配置和设置点中可能存在显著的改变。如果转变过程以预定义的不准确性结束，那么，在当前调度间隔中的每个第t个反馈控制间隔中，执行以下过程1。
在325处，期望的建筑内部条件和测量的建筑内部条件(例如，期望的测量的室内温度)的差异被传递到低层次控制器，低层次控制器利用已知的或未来的方法确定建筑能量输送的所需改变ΔD。所需改变是最后使用的DF的改变。
在330处，在反馈优化器DR＝DF+ΔD的输入上改变最后接受的建筑能量需求值DF。
在340处，使用下面描述的问题公式针对所有相关设备关于它们的最大可能变化率和能量转换能力计算设置点的所需改变。
在345处，如果找到解，意味着在设备的当前配置中找到了覆盖所要求的需求DR的设置点，那么执行下面的元素350。否则，应用图4中图示的放松的任务优化过程。在350处，向设备输出新的设置点以供应用，DF是更新的：设置DF＝DF+ΔD。然后方法返回到325以等待下一控制间隔的开始。
换句话说，在一个实施例中，低层次控制器在控制间隔的开始确定新的必要需求并且反馈优化器非常快速地执行对新设置点的计算。然后我们可考虑立即应用早已在相同的控制间隔中的新的设置点并保持它们固定直到控制间隔结束。在控制间隔期间计算新的设置点并在下一间隔输出新的设置点以供激励是替换方案。在一个示例中，调度阶段可在2：00PM开始，其中输入天气预报和输入的能量价格。然后计算最佳调度：在48小时长的调度范围的每个15分钟长的间隔中恒定的针对每个设备的设置点和开启-关闭-＞48×4个调度间隔的串。该调度是有效的，只要其未被重新计算。
在反馈控制阶段，示例在15：30PM继续，其中15分钟长的调度间隔被划分成15个一分钟长的控制间隔。在调度间隔的每个控制间隔中，测量室内条件且较低层次控制器确定如何改变最后接受的需求估计以实现建筑中所要求的舒适。应用在310处开始的过程I或在400处的过程II。
在一些实施例中，在调度间隔的第一控制间隔(15：30-15：31)中直接从调度获得未改变的能量需求和未改变的设置点。可替换地，使用更新为先前的控制间隔(先前调度间隔中的最后一个)中的能量需求和从当前室内条件确定的改变之和的能量需求计算最新的设置点。
在(15：31-15：45)中的接下来的控制一分钟长的间隔中，取得先前的需求并根据现在以去除不适的目的控制的低层次确定的新的改变来进行修改。应用过程I或过程II。
如果甚至过程II不能去除不适或遵循由低层次控制器计划的需求，则调用调度器以关于该不足而校正调度并重新计算调度。
在进一步的示例中，在寒冷夜晚后建筑正在预热并且来自锅炉厂的热量输送应当遵循由低层次控制器针对当前室内温度确定的预热计划。但是在30分钟之后，显然两个当前可用的锅炉即使满负荷也不能及时达到期望的条件，因为早晨室外温度(影响)低于所预报的，并且需要较高的加热强度。然后，用更新的系列的预测的需求预报计算新的调度。现在多两个锅炉可用。然后所测量的室内温度增长速度被接受。该决定作出说明了涉及没有在预定义时间中实现平衡的能力的解决方案。
图4是图示执行放松的任务优化的方法400的流程图。在410处，选择向量w，惩罚能量不平衡；不平衡＝可用输送-新需求。在415处，将期望的建筑内部条件和测量的建筑内部条件(比如例如，室内温度)的差异传递到低层次控制器，其确定建筑能量输送的所需改变ΔD。在420处，设置所要求的需求DR＝DF+ΔD。在425处，在反馈优化器的输入上放松建筑能量需求D的值并引入附加变量DRvar。在430处，向目标添加标量惩罚项w*(DRvar-DR)。然后，在435处可使用下面描述的问题公式以关于其最大可能的变化率、能量转换能力和相应的能量输送DRvar以最小化操作成本与变量和期望的需求的加权差的和为目标而优化所有相关设备的新设置点。
如果存在解，如在440所确定的，并且确定了DRvar的新的值，方法400在445处以向设备输出新的设置点以供应用继续。然后更新DF：设定DF＝DRvar+ΔD。然后方法400返回到过程I的325。否则，技术的现有控制保持与先前控制间隔中的相同且方法前进到450。如果不存在解，这是变通方案(workaround)。然后优化器等待下一间隔并且什么也不做。该短的等待时间并不紧要。如果这持续较长时间，则必须计算新的调度。然后方法400返回到过程I的315。这意味着，控制阶段已经结束，新的设置点被应用并且控制器等待下一控制间隔，其中将再次以过程I的应用开始。
在450处，如果建筑中的期望的条件和测量的条件之间的显著差异持续预定义数目的步骤且运行装置的能力不兼容(例如，所要求的功率输出超过了处于开启状态的设备的最大能力或者厂的功率输出不能降到低于最小值)，那么更新预报系列的未来能量需求并重新计算最佳调度直到调度范围的结束。转到315。在一个实施例中，过程II记忆不平衡持续了多久。每次它进入450时检查该数目。如果数目超过预指定的值，那么所提及的条件发生。
图5是通常在500处指示的问题公式的图示。问题公式500包括最小化来自公共资源的能量的总成本的任务目标，输入的和输出的如510处的公式所指示。在515处指示第t个间隔中的第k个购买能量的成本和来自第k个销售能量的收益。在520和530处确定第t个间隔中输入/输出的能量。问题公式包括关于在525处所指示的公共资源能力的不等式约束以及在530处根据所有设备的设置点评估第t个间隔中购买能量和销售能量的函数。该函数由模型定义，其中1、2……J对应于所有设备的索引。
在535处阐述由较低层次控制器评估以确保所要求的条件的建筑能量需求(需求通常表示为向量)的改变。在540处施加等式约束——能量需求的新的向量DR等于调度间隔的预测需求(在第一控制间隔中)或等于在先前控制间隔中使用的需求稍后加上所需改变。在545处指示第j个转换设备的能力不等式约束，以及在550处指示关于第t个间隔中第j个设备的功率输出变化率的不等式约束。Pj是设备的功率输出设置点，其确定厂的第k个能量的总消耗。
变量包括：
C-成本，c-购买或销售能量价格
E-能量(el-电力，ng-燃气)
Ek＞0对应于购买的能量
Ek＜0对应于销售的能量
P-功率输出设置点
ΔP-设备的功率输出的变化率
ΔT-控制间隔的长度
D-建筑能量需求的向量
常量包括：
Mt-第t个间隔中活动设备的集合
K-公共能量源的数目
索引包括：
t-时间控制间隔的索引(t＝1，2，……)
k-公共能量源的索引
j-转换设备的索引
p-购买
s-销售
F-预报
R-所要求的
在图6中图示为方程600的放松的问题公式中，任务目标是最小化来自公共资源的能量的总成本，如610处所示。在615处，示出了在第t个间隔中来自公共资源的第k个能量的成本。在620处表示第t个间隔中的输入/输出的能量。在625处示出了关于公共资源的能力的不等式约束。在630处表示根据所有设备的设置点对第t个间隔中的主要能量消耗的函数评估。635表示由较低层次控制器评估以确保所要求的条件的建筑能量需求的改变的向量。在640处示出了视为附加变量的新能量需求的向量。在645处示出了第j个转换设备的能力不等式约束。在650处图示关于在第t个间隔中第j个设备的功率输出变化率的不等式约束。
问题变量为Pj，它是设备的功率输出设置点，其确定厂的第k个能量的总消耗。DRvar是尽可能接近地满足可能的能量需求的可得到的能量输送。
变量包括：
C-成本，c-购买或销售能量价格
E-能量(el-电力，ng-燃气)
Ek＞0对应于购买的能量
Ek＜0对应于销售的能量
P-功率
ΔP-设备的功率输出的变化率
ΔT-控制间隔的长度
D-建筑能量需求的向量
常量包括：
Mt-第t个间隔中活动设备的数目
索引包括：
t-时间控制间隔的索引(t＝1，2，……)
k-公共能量源的索引
j-转换设备的索引
p-购买
s-销售
E-外部/公共能量源
F-预报
s-销售
R-所要求的
var-表示变量的索引
在各种实施例中，w可被选择成表示较低舒适恢复的速度和成本之间的折衷。高的w值暗示优选的舒适复原速度，较低的w值则优先选择低成本，即使室内条件不是100％令人满意的。w可以是不适w(不适)的函数——针对显著不适为高，针对较低不适值为较低。
图7是图示根据示例实施例在对需求的瞬态改变进行响应时的优化器操作的简化示例方法700的流程图。在示例中，时间表示控制间隔结束处的时间。该示例也分别使用图8中的图表800以及图9和10中的图900和1000进行说明。图8是根据图7的示例与操作成本一起说明需求和锅炉输出的图表800。图9是根据图7的示例的锅炉热量输出的柱状图图形表示。图10是图示根据图7的示例的锅炉操作的燃料成本的图。
简化示例利用来自图1B的锅炉144和146(在该示例中称为锅炉1和锅炉2)以向加热单元165提供热水，忽略冷却器。锅炉1具有0.8的效率和10kW/t.i.(时间间隔)的最大输出变化率，并且锅炉2具有0.9的效率和2kW/ti的最大输出变化率。换言之，锅炉1能比锅炉2更快地改变输出，但不太高效。
图表800包括列，所述列示出控制间隔810、所要求的需求增长812、总需求814、锅炉1输出816、锅炉2输出818和操作成本820。在时间间隔期间的总输送能量是由814和816中的锅炉所提供的对应值之和。图表示出总需求814如何在T3未被满足，在T6处在瞬态之后被满足，并且然后成本被T12优化。当在瞬态期间利用快速改变的锅炉1以试图满足需求时成本增加，并且然后T4之后，更高效的锅炉2如何逐渐增加输出而锅炉1减小输出，与减小操作成本一致。
在730处，对应于T4，在该示例中低层次控制器仍然增加从锅炉所需求的能量(DR＝125)。锅炉所供应的能量和低层次控制器所指示的需求的不平衡持续到下一间隔。在第4个间隔结束处系统主要用更快但不那么高效的锅炉1几乎实现了平衡。
在740处，T5，锅炉满足了低层次控制器所请求的需求，由于该实施例中低层次控制器的特性，其仍然高于(DR＝121)为了得到建筑中期望的室内温度所需的。
T6-T11：LLC将其请求稳定在足以保持期望的室内温度的值上(DR＝120)。从现在开始，低层次控制器请求恒定的能量输送，但由于如750处所指示的最小化成本的过程，锅炉操作并不平稳。保持平衡，且低效的锅炉1可减小其输出。
在760处，T12，实现了平稳状态。实现了锅炉的最佳操作。它们的操作被稳定，且低层次控制器请求的需求是平稳的。整个过程700已经结束。
在该示例中，低层次控制器动作的瞬变从T3持续直到T5。锅炉的瞬变从T3持续直到T11。在一个实施例中，列814中间隔t处的所要求的总需求等于针对先前间隔(t-1)的来自列816和818的输送总和加上列812中所指示的当前间隔(t)中的增加。
在图9中900处图形化地图示了锅炉的热量输出，其中总需求由点910指示，锅炉1输出在920处以柱状图形式示出连同在930处的锅炉2输出。针对每个锅炉的燃料成本在图10中1000处的图中出现。在1010示出锅炉2成本，锅炉1成本在1020，且总成本在1030。
该示例示出当锅炉不足够快并不能及时平衡由低层次控制器所请求的增加的热量需求时的情形。在瞬变期间出现暂时的不平衡，该不平衡在若干时间间隔之后在平衡被再次复原时消除。在瞬变期间，由于需求和供应之间的差异较高，惩罚通过使用放松的问题而发生。惩罚发生是因为优选较短的瞬变时间而以牺牲效率和最小成本为代价来满足需求。到瞬变结束时，再次实现最佳效率。
方法700已经控制锅炉直到T3，如在710处指示的，其中锅炉已经从T1开始以最低成本在最佳热量输出的情况下操作。在第三时间间隔开始处，如720处所指示的，低层次控制器指示20kW的热量输送的增加。在725处，向两个锅炉提供更高的设置点从而以最大变化率开始增加其输出。总体上锅炉1增加了10kW/ti且锅炉2增加了2kW/ti。
在间隔T4，热量输送小于所请求的增加，并且不足以平衡需求。在该示例中，低层次控制器在间隔的开始使需求增加13kW，如在730所指示的。确定所要求的需求的不同方法可被不同的低层次控制器使用。在第4个间隔的结束处锅炉1几乎实现了平衡。
在间隔T5的开始处，低层次控制器如在740处指示的将需求减小3kW。锅炉能够实现平衡。如在750处指示的，在时间间隔T6之前，锅炉2保持其输出增加，因为其更高的效率允许操作成本方面的减小。具有较低效率的锅炉1仅确保平衡，并且因而它适当地减小其输出，也如在750处指示的。在间隔T12的结束处，在760处指示的，实现平稳状态。两个锅炉的热量输出再次固定在成本最佳值而具有增加的热量生产。
尽管该简单示例仅说明了热量需求中的增加，热量需求中的减小也可类似地处理，其中反应更快的锅炉以更大的改变操作以满足需求，之后进行优化。之间的差异的加权可由操作员选择以影响公共事业厂多快地对转变进行反应。如果舒适是操作员的最高期望的话，那么差异可较重地加权，使得尽可能快地最小化差异，随后进行成本优化。如果成本更重要，那么差异可较低地加权，使得以更成本有效的方式来处理差异的最小化，可能以牺牲舒适为代价。
总之，示例示出了以下情形：当锅炉不足够快以在一个控制间隔内立即平衡低层次控制器(在时间间隔3和4中)所请求的增加的热量需求时。
暂时的不平衡出现；在若干个时间步骤之后当平衡再次复原时消除。低效但快速的锅炉1在三个步骤中的复原供应-需求平衡中扮演主要角色。在复原平衡的主要目标之后，调整锅炉的输出以最小化输送所要求的输出的成本。
在瞬变期间，可将惩罚w用于需求和供应之间的差异以平衡舒适与成本的关系。在该示例中，w较高，这意味着最短的瞬变时间相对于最小化成本是优选的。较低值的w将导致成本最小化，导致更长的时间来实现被设计成获得期望的舒适温度的能量需求。
图11是根据示例实施例实现控制器的计算机系统1100的示意框图。在一个实施例中，在分布式网络中利用多个这样的计算机系统以在基于事务的环境中实现多个组件。可使用面向对象的、面向服务的或其他架构来实现这样的功能以及在多个系统和组件之间通信。以计算机1100形式的一个示例计算设备，可包括处理单元1102、存储器1103、可移除储存器1110和不可移除储存器1112。存储器1103可包括易失性存储器1114和非易失性存储器1108。计算机1100可包括(或能够访问计算环境，所述计算环境包括)各种计算机可读介质，诸如易失性存储器1114和非易失性存储器1108、可移除储存器1110和不可移除储存器1112。计算机储存器包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器或其他存储器技术、光盘只读存储器(CDROM)、数字通用盘(DVD)或其他光盘储存器、盒式磁带、磁带、磁盘储存器或其他磁性存储设备，或者能够存储计算机可读指令的任何其他介质。计算机1100可包括或能够访问计算环境，所述计算环境包括输入1106、输出1104和通信连接1116。计算机可使用通信连接操作在联网环境中以连接到一个或多个远程计算机，诸如数据库服务器。远程计算机可包括个人计算机(PC)、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他常见网络节点等等。通信连接可包括局域网(LAN)、广域网(WAN)或其他网络。
存储在计算机可读介质上的计算机可读指令由计算机1100的处理单元1102执行。硬驱动器、CD-ROM和RAM是包括非临时性计算机可读介质的物品的一些示例。例如，计算机程序1118可被包括在CD-ROM上并从CD-ROM加载到硬驱动器，所述计算机程序1118能够提供一般技术以执行针对数据访问的访问控制检查和/或用于在基于组件对象模型(COM)的系统中的服务器之一上进行操作。计算机可读指令允许计算机1100在具有多个用户和服务器的基于COM的计算机网络系统中提供一般访问控制。
图12是示例时序图，其在1200处示出48小时调度范围，将该范围划分成15分钟长的调度间隔1205，每个调度间隔被划分成1分钟长的控制间隔1205，并且在1210处在控制间隔中发生动作。在一个实施例中，动作包括在1215处评估测量的和期望的条件，在1220处使用程序I和II求解问题，在1222处应用新的设置点，在1225处根据新的设置点控制设备，以及在1230处实现预期的操作。在另外的实施例中，与范围、调度间隔和控制间隔对应的实际时间可能变化。
示例
1.一种控制公共事业厂的方法，所述公共事业厂具有消耗功率和提供能量的多个设备，所述方法包括：
接收建筑能量需求的预报；
接收影响公共事业厂的操作的因素的预报；
在调度模式中操作优化器以确定哪些设备应当开启并提供控制动作以指定针对每个运行设备的设置点，以使得操作是经济上最佳的并且不违反约束；以及
在控制模式中操作优化器以基于设备的效率和响应时间在设备之间分布能量需求以最小化购买能量成本。
2.示例1的方法，其中针对构成调度时间范围的操作调度的多个调度间隔中的每一个执行该方法。
3.示例2的方法，其中根据确定设备设置点以最小化成本(C)，其中k是第t个控制间隔中购买和销售的能量的索引。
4.示例2-3中任一个的方法，其中影响公共事业厂的操作的多个因素包括天气条件、建筑温度设置点和建筑占用率。
5.一种优化公共事业厂的计算机实现的方法，所述公共事业厂具有多个设备以将输入能量转换成用于建筑的输出能量，所述方法包括：
将公共事业厂调度间隔划分成多个控制间隔，并且针对每个控制间隔：
获得期望的和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂的输出功率控制；
获得影响公共事业厂的操作的多个因素的当前值；
确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求；以及
找到满足新的功率需求、考虑设备的响应时间及其能力并优化公共事业厂操作成本的针对多个设备的设置点。
6.示例5的计算机实现的方法，并且进一步包括，针对其中未找到这样的设置点集合的每个控制间隔：
去除用于满足新的输出功率需求的精确匹配要求；
通过添加表示加权的能量不平衡的成员来修改优化目标，所述能量不平衡是期望的需求和可用的能量之间的差异；以及
接受结果作为沿消除期望的和测量的建筑内部条件之间差异的方向的最好的可能步骤。
7.示例5-6中任一个的计算机实现的方法，其中作为成本的函数而选择针对多个设备的设置点。
8.示例5-7中任一个的计算机实现的方法，其中针对多个设备的设置点被设置成最小化期望的和测量的建筑内部条件之间的差异并被修改成优化在稍后的间隔中的成本。
9.示例8的计算机实现的方法，其中作为期望的和测量的建筑内部条件之间的加权差异的函数而最小化差异。
10.示例8-9中任一个的计算机实现的方法，其中在具有更快响应时间的设备上改变设置点以最小化差异。
11.示例8-10中任一个的方法，其中根据确定设备设置点以最小化来自公共资源的能量的成本(C)，其中k是第t个控制间隔中从销售能量收益较少的购买能量的索引。
12.示例8-11中任一个的计算机实现的方法，其中针对更高效的设备的设置点被改变以优化在稍后的间隔中的成本。
13.示例5-12中任一个的计算机实现的方法，其中影响公共事业厂的操作的多个因素包括环境温度。
14.示例5-13中任一个的计算机实现的方法，其中影响公共事业厂操作的多个因素包括购买能量成本。
15.示例5-14中任一个的计算机实现的方法，其中控制间隔被所述方法视为一系列的独立的自包含的优化。
16.示例5-15中任一个的计算机实现的方法，并且进一步包括：
确定是否不能在指定数目的间隔中实现期望的室内空气条件；以及
通过以下动作改变公共事业厂中操作的设备的配置：
接收建筑能量需求的预报；
接收影响公共事业厂的操作的因素的预报；以及
在调度模式中操作优化器以确定哪些设备应当开启并提供控制动作以指定针对每个运行设备的设置点，以使得操作是经济上最佳的并且不违反作为能量成本的函数的约束。
17.一种设备，包括：
处理器；
输入连接，其用来接收能量需求、实时能量价格数据和影响条件信息；以及
存储器设备，其耦合到处理器并且其上存储有程序，所述程序供处理器运行以通过将公共事业厂调度间隔划分成多个控制间隔来执行公共事业厂优化，并且针对每个控制间隔：
获得期望的和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂的输出功率控制；
获得影响公共事业厂的操作的多个因素的当前值；
确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求；以及
找到满足新的功率需求、并且考虑设备的响应时间及其能力的针对多个设备的设置点。
18.示例17的设备，并且进一步包括：针对其中未找到这样的设置点集合的每个控制间隔，优化进一步包括：
去除用于满足新的输出功率需求的精确匹配要求；
通过添加表示加权的能量不平衡的成员来修改优化目标，所述能量不平衡是期望的需求和可用的能量之间的差异；以及
接受结果作为沿消除期望的和测量的建筑内部条件之间差异的方向的最好的可能步骤。
19.示例17-18中任一项的设备，其中针对多个设备的设置点被设置成最小化期望的和测量的建筑内部条件之间的差异并被修改成优化在稍后的间隔中的成本。
20.示例17-19中任一项的设备，其中优化进一步包括：
确定是否不能在指定数目的间隔中用多个设备的当前配置实现期望的室内空气条件；以及
通过以下动作改变公共事业厂中操作的多个设备的配置：
接收建筑能量需求的预报；
接收影响公共事业厂的操作的因素的预报；以及
在调度模式中操作优化器以确定哪些设备应当处于设备的改变的配置并提供控制动作以指定针对每个这样的设备的设置点，以使得操作是经济上最佳的并且不违反约束。
尽管上面已经详细描述了一些实施例，但其他修改是可能的。例如，图中描绘的逻辑流并不要求所示的特定次序或顺序次序以实现期望的结果。可提供其他步骤，或者可从所述流程中消除步骤，并且可向所述系统添加其他组件或从中去除。其他实施例可在以下权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种控制公共事业厂(120)的方法，所述公共事业厂具有消耗功率和提供能量的多个设备(140、142、144、146、148)，所述方法包括：
接收建筑能量需求的预报(135)；
接收影响公共事业厂(120)的操作的因素(185)的预报；
在调度模式中操作优化器(115、220)以确定哪些设备应当开启并提供控制动作以指定针对每个运行设备的设置点，以使得操作是经济上最佳的并且不违反约束；以及
在控制模式中操作优化器(115、220)以基于设备的效率和响应时间在设备之间分布能量需求以最小化购买能量成本。
2.一种优化公共事业厂(120)的计算机实现的方法，所述公共事业厂具有多个设备以将输入能量转换成用于建筑的输出能量，所述方法包括：
将公共事业厂(120)调度间隔划分成多个控制间隔(305)，并且针对每个控制间隔：
获得期望的和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂(120)的输出功率(325)控制；
获得影响公共事业厂(120)的操作的多个因素的当前值(330)；
确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求(330)；以及
找到满足新的功率需求、考虑设备的响应时间及其能力并优化公共事业厂(120)操作成本的针对多个设备的设置点(340)。
3.根据权利要求2所述的计算机实现的方法，并且进一步包括，针对其中未找到这样的设置点集合的每个控制间隔(345)：
去除用于满足新的输出功率需求的精确匹配要求(345、400、425)；
通过添加表示加权的能量不平衡(410、430)的成员来修改优化目标，所述能量不平衡是期望的需求和可用的能量之间的差异；以及
接受结果作为沿消除期望的和测量的建筑内部条件(435、500)之间差异的方向的最好的可能步骤，其中根据(510)确定设备设置点以最小化来自公共资源的能量的成本(C)，其中k是第t个控制间隔中从销售能量收益较少的购买能量的索引。
4.一种设备，包括：
处理器(110、1102)；
输入连接，其用来接收能量需求(135)、实时能量价格数据(175)和影响条件信息(185)；以及
存储器设备(1103)，其耦合到处理器(110、1102)并且其上存储有程序(1118)，所述程序供处理器运行以通过将公共事业厂(120)调度间隔划分成多个控制间隔(305)来执行公共事业厂(120)优化，并且针对每个控制间隔：
获得(325)期望的和测量的建筑内部条件之间的差异，所述测量的建筑内部条件由来自公共事业厂(120)的输出功率控制；
获得影响公共事业厂(120)的操作的多个因素的当前值(330)；
确定被预期以减小差异的建筑的新的功率需求(330)；以及
找到满足新的功率需求、并且考虑设备的响应时间及其能力的针对多个设备的设置点(340)。
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