CN106934535A - 一种冷热电三联供协调控制管理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种冷热电三联供协调控制管理装置及方法，集成系统经济性优化控制、系统效率优化控制、以冷定电控制，以热定电控制，跟踪电负荷控制，数据采集，通讯管理，多模式对时等功能于一体。结构上采用插件式、后接线结构布置方式。本发明最突出的优点是集成了多种优化运行模式，可选择性的对燃气轮机运行过程进行优化控制。本发明针对冷热电三联供系统中燃气轮机的工业生产过程特点，实现了系统经济性优化控制、系统效率优化控制、以冷定电控制，以热定电控制，跟踪电负荷控制，数据采集，通讯管理，多模式对时等功能的集成，统一了通讯接口，可对参与冷热电联合运行的燃气轮机机组提供针对性的优化控制。
Description
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，具体地涉及一种基于统一软硬件平台的冷热电三联供协调控制管理装置及方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，化石能源的使用量逐年增加，自然环境压力也日益增大，国家也在逐步调整各种能源的使用比例，天然气作为一种高热值清洁能源，在能源系统中已显示出日益重要的作用，充分合理利用天然气的一个重要途径是发展分布式冷热电三联供技术。该技术是指用天然气驱动发电机发电，回收余热用于冬季供热、夏季供冷的综合能量供应系统，可用于建筑或一个区域的能源供应。该技术建立在能量梯级利用的基础上，将制冷供热及发电过程一体化的多联产总能系统，其根本目的在于提高一次能源利用率，实现能量的梯级利用，由于三联供在能源转换效率方面所具有的突出优势，因此在世界范围内获得了广泛的应用。
随着三联供技术在工业生产和社会生活中的广泛应用，如何优化三联供系统的设计及运行，获得最大的经济效益和社会效益，成为了当前研究的重点问题，目前的优化设计和运行基本上围绕系统自身特点和各方需求的波动特效来进行研究分析，具体的途径如下：
(1)在系统结构配置形式上进行分析和选择。即如何根据服务对象的实际需求选择出最佳的配置形式是优化设计必须考虑的问题。
(2)在系统合理容量的确定方面进行分析和研究，主要是指原动机合理容量的确定。根据可能的系统配置形式，利用一定的数学规划方法确定在不同结构形式下对应的优化设计容量，包括原动机数目和单台容量的选择，通过比较分析得到最佳的配置形式和相应的设计容量。
(3)采用变工况下的调节和运行策略。通过分析不同系统的变工况特性就可以选择得到合理的调节运行策略。
在以上常见三种策略中，系统结构配置形式和系统合理容量的确定属于前期系统设计方面要充分考虑的问题，而采用变工况下的调节和运行策略则属于系统调度控制的智能化问题，根本目的是要解决如何才能根据外界情况的变化而快速规范化和合理化分配冷热电三方面的需求。从目前的研究成果及应用情况看，市场上缺乏一种智能化的优化协调控制管理装置来统一管理和分配冷热电三方面的需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种基于统一硬件平台的冷热电三联供协调控制管理装置及方法。本发明具体采用以下技术方案：
一种冷热电三联供协调控制管理装置，所述协调控制管理装置包括系统经济性优化控制模块、系统效率优化控制模块、以冷定电控制模块、以热定电控制模块、跟踪电负荷控制模块、数据采集单元、通讯管理模块、对时模块；其特征在于：
所述数据采集单元采集冷热电三联供系统相关数据，包括环境数据、电网系统数据、燃气轮机监控系统数据；采集的数据通过DP总线上送至通讯管理模块；
所述系统经济性优化控制模块、系统效率优化控制模块、以冷定电控制模块、以热定电控制模块、跟踪电负荷控制模块分别通过装置DP总线与采集单元相连，获取数据采集单元采集的冷热电三联供系统相关数据，实现燃气轮机各优化运行模式下的优化计算，同时将优化计算结果作为指令通过通讯管理模块输出给燃气轮机监控系统的自动启停系统即APS系统；
其中，所述各优化运行模式包括系统经济性最优运行模式、系统效率最优运行模式、以冷定电运行模式、以热定电运行模式、跟踪电负荷运行模式。
本发明进一步包括以下优选方案：
所述系统经济性优化控制模块获取冷、热、电负荷的预测值，或者通过数据采集单元获取的冷、热、电负荷真实值计算出优化运行的燃气轮机的功率和对应的优化运行成本，进而通过燃气轮机控制系统调整燃机输出功率，使冷热电三联供系统在整个运行阶段内都趋于成本最低状态。
所述系统效率优化控制模块根据冷、热、电负荷的预测值，或者通过数据采集单元获取的冷、热、电负荷真实值计算出优化运行的燃机功率和对应的优化运行能源综合利用效率，进而通过燃气轮机控制系统调整燃气轮机输出功率，使冷热电三联供系统在整个运行阶段内都趋于能源综合利用效率最高状态。所述以冷定电控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡现场冷负荷需求，控制策略包括两种：
一种是根据冷、热、电负荷的预测值或数据采集单元获取的冷、热、电负荷的真实值，计算出对应所需的燃机运行功率，通过调整燃机功率使分布式联供系统满足冷负荷需求；
另一种是跟踪电空调的制冷量，通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机功率，使电空调的制冷量降至最低。
所述以热定电控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡现场采暖负荷需求，控制策略包括以下两种：
一种是根据采冷、热、电负荷的预测值或数据采集单元获取的冷、热、电负荷的真实值，计算出对应所需的燃机运行功率，通过调整燃机功率使分布式联供系统满足采暖负荷需求；
另一种是跟踪电空调的制热量，通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机输出功率，使电空调的制热量降至最低。
所述电负荷跟踪控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡该三联供系统母线的电负荷需求，跟踪母线和外电网的联络线功率通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机输出功率，使联络线功率降至最低水平。
所述通讯管理模块用于提供以太网、LonWorks、Profibus-dp、RS485接口，协助完成现场相关辅助设备的数据通过通讯管理模块接入本装置。
所述对时模块可提供B码和秒脉冲两种对时接口，保证冷热电三联供协调控制管理装置的运行时钟与冷热电三联供系统运行时钟的统一。
一种基于前述冷热电三联供协调控制管理装置的冷热电三联供协调控制方法，其特征在于，所述协调控制方法的实现包括以下步骤：
步骤1：设定冷热电三联供系统运行的系统变量Z；当Z＝0时，原有的中央空调系统参与楼宇冷或热负荷需求调节；当Z＝1时，原有的中央空调系统不参与楼宇冷或热负荷需求调节，装置初始默认Z＝1；
步骤2：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置需投入的优化运行模式；
优化运行模式可以通过冷热电三联供协调控制管理装置的液晶面板按钮完成，运行模式选定后，装置前置面板对应的模式投入指示灯将点亮；
步骤3：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置运行控制方式；
冷热电三联供协调控制管理装置具有自动优化控制和手动运行控制两种运行方式，可通过装置液晶面板按钮完成投入或退出自动优化控制方式；当自动优化控制投入时，优化运行模式才可以正确执行。
步骤4：冷热电三联供协调控制管理装置输出优化控制后的负荷指令；
用户投入手动运行控制方式，无论选定何种运行模式，则优化后的电负荷指令均为零；用户投入自动优化控制方式并选定运行模式后，则优化后的电负荷指令送至三联供燃气轮机监控系统的自动启停系统,即APS系统。
基于上述所述的技术方案，本发明具有如下的技术效果：
一、可在自动优化运行控制方式和手动运行控制方式之间灵活切换，实现了装置功能的灵活投退。
二、可在多种优化运行模式之间灵活切换，选择合适的运行模式实现冷热电三方需求的快速转换。
三、可优化冷热电三联供系统的整体运行，提高冷热电三联供系统的整体运行效率。
附图说明
图1是现有技术中冷热电三联供系统框图
图2是本发明的冷热电三联供系统协调控制管理装置结构框图
图3是基于冷热电三联供系统协调控制管理装置的控制管理方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现过程和应用情况作进一步说明。
如图1中所示为冷热电三联供系统结构框图。
如图1中所述的一种冷热电三联供系统，包括燃气轮机、发电机、排气装置、余热回收装置、电力负荷、热水负荷、制冷负荷、采暖负荷以及三联供协调运行控制单元(即图1中的装置)，其中燃气轮机，包括压气机、燃烧室和涡轮机等重要设备。其工作原理如下：利用天然气燃烧产生的高温烟气在内燃机中做功，将一部分热能转换成高品位的电能，同时利用余热回收装置将燃气内燃机中的烟气缸套冷却水油冷器及中冷器冷却水的热量进行回收，从而实现能量的梯级利用，可使整个机组的一次能源利用率得到很大提高。
如图1中所述冷热电三联供协调控制管理单元，可实时采集外部环境，燃气轮机监控系统和电网系统的相关数据，依据冷热电三种负荷的需求变化，可根据需要选择某种运行模式进行优化计算，然后输出负荷指令至燃气轮机的自动启停系统(即APS系统)，用以及时调整燃气轮机的生产运行过程。
如图2中所示为冷热电三联供协调控制管理单元功能结构框图。所述基于统一硬件平台的冷热电三联供协调控制管理装置集成系统经济性优化控制模块、系统效率优化控制模块、以冷定电控制模块，以热定电控制模块，跟踪电负荷控制模块，数据采集模块，通讯管理模块，多模式对时模块等功能模块于一体；
其中数据采集模块由装置IO采集板卡负责完成系统相关设备数据的直接采集，包括环境数据，电网系统数据，设备数据等类型，所采数据通过DP总线上送至各个控制功能模块使用；
其中通讯管理模块用于提供以太网、LonWorks、Profibus-dp、RS485接口，协助完成现场相关辅助设备的数据通过的通讯方式接入本装置，所采数据包括燃气轮机监控系统数据及其他智能设备数据，所采数据用于各个控制功能模块使用；
其中对时模块可提供B码和秒脉冲两种对时接口，保证冷热电三联供协调控制管理装置的运行时钟与三联供系统运行时钟的统一。
如图2中所述冷热电三联工协调控制管理装置所集成的优化控制功能模块的实现过程如下所述：优化控制功能模块运行约束条件
每天运行前设定好冷热电三联供系统变量Z，该系统变量为约束性变量，用来约束中央空调系统和制冷(热)机之间切换。当Z＝0时，原有的中央空调系统参与楼宇冷(热)负荷需求调节；当Z＝1时，原有的中央空调系统不参与楼宇冷(热)负荷需求调节。当Z＝1时应保证制冷机制冷(热)量满足现场楼宇冷(热)负荷需求，当发现制冷(热)机供给楼宇的回水温度超过设定值，说明制冷(热)量不能满足冷(热)负荷需求，此时需增加燃机的出力，直至制冷(热)机供楼宇的回水温度达到设定值；如果楼宇无中央空调系统，默认设置系统变量为Z＝1。
实际生产过程中，为避免系统运行状态频繁调整，在系统控制程序中设定调整阈值，当目标变量变动值在阈值范围内，可认为落入调整死区，系统运行不做调整；当目标变量变动值超出阈值范围时，可认为跳出调整死区，系统运行需做调整。
(1)优化控制功能模块与外部的数据交换说明
优化控制功能模块需要外部提供以下数据输入：
优化计算模块向外部提供以下数据输出：
(2)优化控制模块所述负荷预测过程的实现方法
负荷预测过程是根据历史数据库和气象预报输入等进行超短期负荷预测，并将电负荷预测数据、冷负荷需求数据、热负荷需求数据同时存入数据库，作为计算数据输入。
(3)优化控制模块所述实时计算过程的实现方法
实时计算过程是根据数据采集系统的输入，主要包含燃机运行参数，环境参数，燃料参数，设备参数等内容，计算出系统实时电负荷、冷负荷需求、热负荷需求、实时运行成本、实时能源综合利用效率，以及计算燃机额定电功率、制冷机最大制冷量，供热最大量等数据。
(4)系统经济性优化控制模块实现方法
系统经济性优化控制模块的控制目标是运行成本最低，控制变量是燃机功率，控制策略是：根据预测或实测的冷、热、电负荷，计算出优化运行的燃机功率和对应的优化运行成本，进而通过控制燃机功率，使系统在整个运行阶段内都趋于成本最低状态。
(5)系统效率优化控制模块实现过程
系统效率优化控制模块的控制目标是系统一次能源综合利用效率最高，控制变量是燃机功率，控制策略是：根据预测或实测的冷、热、电负荷，计算出优化运行的燃机功率和对应的优化运行能源综合利用效率，进而通过控制燃机功率，使系统在整个运行阶段内都趋于能源综合利用效率最高状态。
(6)以冷定电控制模块实现过程
以冷定电控制模块的控制目标是以系统冷负荷需求，控制变量是燃机功率，控制策略可以有两种：一种是根据预测或实测的冷负荷，计算出对应的燃机运行功率，通过调整燃机功率使联供系统满足冷负荷需求；另一种是跟踪电空调的制冷量，通过控制系统的反馈控制，不断调整燃机功率，使电空调的制冷量降至最低。
(7)以热定电控制模块实现过程
实现原理与以冷定电模块基本相同。下面简要说明其与以冷定电模块不同的地方：目前空调系统的制热功能基本上靠厂家提供的关系数据表即可获得。热负荷的需求除了基本的空调制热供给需求外，另外还有换热器提供的热水供给需求。
如图3所示，本申请还公开了一种基于前述冷热电三联供协调控制管理装置的冷热电三联供协调控制方法，其特征在于，所述协调控制方法的实现包括以下步骤：
步骤1：设定冷热电三联供系统运行的系统变量Z；当Z＝0时，原有的中央空调系统参与楼宇冷或热负荷需求调节；当Z＝1时，原有的中央空调系统不参与楼宇冷或热负荷需求调节，装置初始默认Z＝1；
步骤2：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置需投入的优化运行模式；
优化运行模式可以通过冷热电三联供协调控制管理装置的液晶面板按钮完成，运行模式选定后，装置前置面板对应的模式投入指示灯将点亮；
步骤3：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置运行控制方式；
冷热电三联供协调控制管理装置具有自动优化控制和手动运行控制两种运行方式，可通过装置液晶面板按钮完成投入或退出自动优化控制方式；当自动优化控制投入时，优化运行模式才可以正确执行。
步骤4：冷热电三联供协调控制管理装置输出优化控制后的负荷指令；
用户投入手动运行控制方式，无论选定何种运行模式，则优化后的电负荷指令均为零；用户投入自动优化控制方式并选定运行模式后，则优化后的电负荷指令送至三联供燃气轮机监控系统的自动启停系统,即APS系统。
Claims (9)
1.一种冷热电三联供协调控制管理装置，所述协调控制管理装置包括系统经济性优化控制模块、系统效率优化控制模块、以冷定电控制模块、以热定电控制模块、跟踪电负荷控制模块、数据采集单元、通讯管理模块、对时模块；其特征在于：
所述数据采集单元采集冷热电三联供系统相关数据，包括环境数据、电网系统数据、燃气轮机监控系统数据；采集的数据通过DP总线上送至通讯管理模块；
所述系统经济性优化控制模块、系统效率优化控制模块、以冷定电控制模块、以热定电控制模块、跟踪电负荷控制模块分别通过装置DP总线与采集单元相连，获取数据采集单元采集的冷热电三联供系统相关数据，实现燃气轮机各优化运行模式下的优化计算，同时将优化计算结果作为指令通过通讯管理模块输出给燃气轮机监控系统的自动启停系统即APS系统。
其中，所述各优化运行模式包括系统经济性最优运行模式、系统效率最优运行模式、以冷定电运行模式、以热定电运行模式、跟踪电负荷运行模式。
2.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述系统经济性优化控制模块采用遗传算法获取冷、热、电负荷的预测值，或者通过数据采集单元获取的冷、热、电负荷真实值计算出优化运行的燃气轮机的功率和对应的优化运行成本，进而通过燃气轮机控制系统调整燃机输出功率，使冷热电三联供系统在整个运行阶段内都趋于成本最低状态。
3.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述系统效率优化控制模块根据冷、热、电负荷的预测值，或者通过数据采集单元获取的冷、热、电负荷真实值计算出优化运行的燃机功率和对应的优化运行能源综合利用效率，进而通过燃气轮机控制系统调整燃气轮机输出功率，使冷热电三联供系统在整个运行阶段内都趋于能源综合利用效率最高状态。
4.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述以冷定电控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡现场冷负荷需求，控制策略包括两种：
一种是根据冷、热、电负荷的预测值或数据采集单元获取的冷、热、电负荷的真实值，计算出对应所需的燃机运行功率，通过调整燃机功率使分布式联供系统满足冷负荷需求；
另一种是跟踪电空调的制冷量，通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机功率，使电空调的制冷量降至最低。
5.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述以热定电控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡现场采暖负荷需求，控制策略包括以下两种：
一种是根据采冷、热、电负荷的预测值或数据采集单元获取的冷、热、电负荷的真实值，计算出对应所需的燃机运行功率，通过调整燃机功率使分布式联供系统满足采暖负荷需求；
另一种是跟踪电空调的制热量，通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机输出功率，使电空调的制热量降至最低。
6.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述电负荷跟踪控制模块，其控制目标是以冷热电三联供系统平衡该三联供系统母线的电负荷需求，跟踪母线和外电网的联络线功率，通过燃气轮机控制系统的反馈控制，不断调整燃机输出功率，使联络线功率降至最低水平。
7.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述通讯管理模块用于提供以太网、LonWorks、Profibus-dp、RS485接口，协助完成现场相关辅助设备的数据通过通讯管理模块接入本装置。
8.根据权利要求1所述的冷热电三联供协调控制管理装置，其特征在于：
所述对时模块可提供B码和秒脉冲两种对时接口，保证冷热电三联供协调控制管理装置的运行时钟与冷热电三联供系统运行时钟的统一。
9.一种基于前述冷热电三联供协调控制管理装置的冷热电三联供协调控制方法，其特征在于，所述协调控制方法的实现包括以下步骤：
步骤1：手动设定冷热电三联供系统运行的系统变量Z；
当Z＝0时，原有的中央空调系统参与楼宇冷或热负荷需求调节；当Z＝1时，原有的中央空调系统不参与楼宇冷或热负荷需求调节；装置初始默认Z＝1；
步骤2：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置需投入的优化运行模式；
运行模式可以通过冷热电三联供协调控制管理装置的液晶面板按钮完成，运行模式选定后，装置前置面板对应的模式投入指示灯将点亮；
步骤3：手动选择冷热电三联供协调控制管理装置运行控制方式；
所述冷热电三联供协调控制管理装置具有自动优化控制和手动运行控制两种运行方式，可通过液晶面板按钮完成投入或退出自动优化控制方式；当自动优化控制投入时，优化运行模式才可以正确执行；
步骤4：冷热电三联供协调控制管理装置输出优化控制后的负荷指令；
用户投入手动运行控制方式，无论选定何种运行模式，则优化后的电负荷指令均为零；用户投入自动优化控制方式并选定运行模式，则优化后的电负荷指令送至三联供燃气轮机监控系统的自动启停系统APS系统。
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