CN108361799A - 一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电采暖技术领域，公开了一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置及其方法。本发明包括通信模块、数据存储单元和数据处理单元，通信模块用于相关采暖数据，并获取环境温度预测数据及分时电价预测数据，数据处理单元用于根据通信模块接收的数据计逐时供热负荷预测值，计算蓄热体的剩供热时长，计算电加热最佳启动时刻和时长，并在该时刻给出电加热系统的启动指令，数据存储单元用于相关数据。采用本发明的装置及方法，能够掌握蓄热式电采暖系统的实际供热能力，有利于合理安排电加热启停时间。

Description

一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装 置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置及方法，属于电采暖技术领域。

背景技术

随着北方地区电能替代的不断推进，以电采暖代替传统燃煤取暖逐渐占据越来越多的市场份额，其中蓄热式电采暖系统由于在电锅炉基础上增加了蓄热体装置，可以充分利用夜间低谷电价，将夜晚低价热能收集存储，转移至白天高峰电价时段使用，从而降低用户采暖季运行成本。

蓄热式电采暖系统根据蓄热体材料的不同，可分为：固体蓄热式、水蓄热式、相变蓄热式等类型。不同蓄热材料的储热密度和蓄放热速率各不相同，其中相变蓄热利用材料物理相态的变化吸收或释放大量的潜热，相比于固体和水蓄热材料的显热，具备更大的储热密度，因此可以将设备体积做的更小，是未来蓄热式电采暖的一种发展方向。

传统的蓄热式电采暖系统运行控制方式主要有两种：一种是固定时段充放运行，即夜间低谷时段始终电加热供暖，多余热量进入蓄热体；高电价时段仅依靠蓄热体蓄热量供暖，直至蓄热体温度下降至无法继续供热，称为经济型运行方式。另一种是用完即补方式运行，即夜间低谷时段电加热供暖，多余热量进入蓄热体；白天高峰时段首先依靠蓄热体蓄热量供暖，当蓄热体热量无法满足供热时重新启动电加热供暖，称为舒适型运行方式。这两种运行控制方式各有缺陷，前者在蓄热量不足时，室内温度将无法维持，影响用户体验；后者虽保证了供暖效果，但电加热启动时间随机性较大，若经常在尖峰电价时段启动，将导致用户采暖成本大幅上涨。

另一方面，随着电力市场的逐步放开，传统的简单峰谷两段式电价将逐渐被更加灵活的实时电价所取代，电价峰谷差将被进一步拉大，实时电价的施行将使得原有的运行方式不再满足使用要求，造成用户用电成本进一步上升。

发明内容

本发明的发明目的是：针对现有技术中蓄热式电采暖系统运行控制方式的不足，提出一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置及方法，以解决现有的蓄热式电采暖系统运行控制模式单一、运行效果差、采暖成本不可控等问题。

为了实现上述发明目的，本发明的自动控制装置，采用的技术方案是：用于控制蓄热式电采暖装置，包括通信模块、数据存储单元和数据处理单元，所述通信模块用于接收蓄热式电采暖装置的蓄热体的剩余蓄热量实时数据、蓄热体的热量消耗实时数据、电加热系统的运行实时数据及供暖循环系统的运行实时数据，并获取环境温度预测数据及分时电价预测数据；所述数据处理单元用于根据通信模块接收的数据计算逐时供热负荷预测值，计算蓄热体的剩余供热时长，计算电加热最佳启动时刻和时长，并在该时刻给出电加热系统的启动指令；所述数据存储单元用于存储通信模块接收的蓄热体的剩余蓄热量实时数据、蓄热体的热量消耗实时数据、电加热系统的运行实时数据、供暖循环系统的运行实时数据、环境温度预测数据及分时电价预测数据。

上述装置的进一步特征在于：所述通信模块还用于自动控制装置的对时。

上述装置的进一步特征在于：所述通信模块还用于向电加热系统和供暖循环系统发送控制指令，分别控制电加热系统的启停及供暖循环系统的启停。

上述装置的进一步特征在于：所述通信模块通过与远程服务器通信获取环境温度预测数据及分时电价预测数据。

上述装置的进一步特征在于，所述通信模块的通信方式为无线通信或有线通信。

本发明的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制方法，其技术方案，包括以下步骤：

1)通信模块获取远程服务器的环境温度预测数据，并存入数据存储单元；

2)数据处理模块读取数据存储单元中的环境温度预测数据，计算逐时供热负荷预测值，并存入数据存储单元；

3)通信模块获取远程服务器的分时电价预测数据，从电价最低起始时段开始，记录电价变化时刻，将上述数据存入数据存储单元；

4)数据处理模块读取数据存储单元中的分时电价预测数据，并选取全天电价最低的低电价时段的起止时间，设全天电价最低的低电价时段的开始时刻为t0、结束时刻为t0’；

5)当t0时刻到来时，由数据处理模块发出电加热系统的启动指令，经通信模块传送至电加热系统，启动电加热；

6)当蓄热体的温度达到额定供热温度时，由数据处理模块发出供暖循环系统的启动指令，经通信模块传送至供暖循环系统，在蓄热的同时进行供暖；

7)如在t0’时刻到来前蓄热体已达到最高设定温度，则标定总蓄热量，剩余蓄热量为总蓄热量，并控制电加热功率，维持蓄热材料温度在最高设定温度，直到t0’时刻；

若到t0’时刻时蓄热材料仍未达到最高设定温度，则剩余蓄热量为实际蓄热量；

8)当t0’时刻到来时，由数据处理模块发出电加热系统的关闭指令，经通信模块传送至电加热系统，停止电加热，供暖循环系统继续工作，开始由蓄热体供热；同时根据剩余蓄热量及逐时供热负荷预测值，估算剩余供热时长；

9)如剩余供热时长不小于到下一天的t0时刻的时长，则在下一天的t0时刻前不再启动电加热系统；否则根据逐时供热负荷预测值计算到下一天的t0时刻的供热量需求值，得到供热量差额ΔH，进入步骤10)；

10)根据数据存储单元中的分时电价预测数据，选取剩余供热时长内电价最低的低电价时段，计算得到该低电价时段的额定蓄热量H1’，如H1’大于等于ΔH，则将该低电价时段作为之后启动电加热的时段，否则再依次选取剩余供热时长内除已经选取的低电价时段之外的电价次低的相应低电价时段，计算这些低电价时段的额定蓄热量，直至这些低电价时段的额定蓄热量加上H1’的和ΣH’大于等于ΔH，将所有选取的低电价时段都作为之后启动电加热的时段；

11)当之后启动电加热的时段到来时，启动电加热系统，计算这些之后启动电加热的时段的累计蓄热量ΣH，当ΣH>ΔH时，停止电加热系统并在下一天的t0时刻前不再启动。

上述方法的进一步特征在于，在步骤1)中，先由通信模块进行对时。

本发明相对于现有技术的有益效果如下：本发明通过自动控制装置，实时监测蓄热式电采暖系统运行状态，结合远端服务器的温度和日前电价预测值，选择最低电价区间进行加热，既保证了供热量满足使用要求，又避免了无序电加热造成的高额电费。本发明计算蓄热体的剩余蓄热量及剩余供热时长等信息，能够掌握蓄热式电采暖系统的实际供热能力，有利于合理安排电加热启停时间。本发明原理简单、制造方便、成本适中，具备大规模生产条件。

附图说明

图1是本发明实施例的自动控制装置的实施示意图。

图2是本发明实施例的自动控制装置的结构示意图。

图3是本发明实施例的控制方法的流程图

图4是典型的日24小时逐时供热负荷预测曲线。

图5是典型的日24小时分时电价变化预测曲线。

图6是典型的蓄热式电采暖系统运行控制曲线。

图2中，1为就地侧控制箱，2为通信模块，3为数据处理单元，4为数据存储单元，5为远程服务器。

具体实施方式

下面参照附图，并结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例公开一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置及相应的控制方法。参见图1，该自动控制装置位于图1的左侧，用于控制位于图1右侧的蓄热式电采暖装置，其主要工作原理是：根据下一自然日24小时逐时供热负荷预测值和分时电价预测值，选择在电价低的低电价时段控制蓄热式电采暖装置全功率加热并将多余热量存储在蓄热体中，在高电价时段由蓄热体供热，并实时判断剩余蓄热量和供热时长，选择在剩余时长内的低电价时段辅电加热。

具体而言，本实施例的自动控制装置，其结构如图2所示，主要包括就地侧控制箱1、通信模块2、数据处理单元3、数据存储单元4和远程服务器5。

就地侧控制箱1位于被控的蓄热式电采暖装置附近，用于安装通信模块2、数据处理单元3和数据存储单元4。

通信模块2采用无线通信或有线通信，具备接收本地数据的功能，用于接收蓄热式电采暖装置的蓄热体的剩余蓄热量实时数据、蓄热体的热量消耗实时数q_s(t)、电加热系统的运行实时数据(包括但不限于电加热功率P_R(t)、加热元件温度k(t)等)、供暖循环系统的运行实时数据(包括但不限于循环水泵或风机功率P_B(t)、循环水泵或风机流量Q_m(t)、蓄热体换热管道进口温度Ti(t)、蓄热体换热管道出口温度To(t)等)，此外还可以获取设备故障告警信号等。

通信模块2与远程服务器5连接，具备接收远程网络数据的功能，既可用于自动控制装置的定期或不定期自动或手动网络对时，也可远程接收室外环境温度预测数据及分时电价预测数据。

除接收或获取相关数据外，通信模块2还具备向电加热系统和供暖循环系统发送控制指令的功能，分别控制电加热系统的启停及供暖循环系统的启停。

数据处理单元3具备数据计算功能，根据通信模块2接收的数据计算逐时供热负荷预测值，计算蓄热体的剩余供热时长，计算电加热最佳启动时刻和时长，并在该时刻给出电加热系统的启动指令。

数据存储单元3在断电后不丢失数据，用于存储通信模块2接收的蓄热体的剩余蓄热量实时数据Q_Left(t)、蓄热体的热量消耗实时数据q_s(t)、电加热系统的运行实时数据(包括但不限于电加热功率P_R(t)、加热元件温度k(t)等)、供暖循环系统的运行实时数据(包括但不限于循环水泵或风机功率P_B(t)、循环水泵或风机流量Q_m(t)、蓄热体换热管道进口温度Ti(t)、蓄热体换热管道出口温度To(t)等)、设备故障告警信号、环境温度预测数据及分时电价预测数据等。

利用上述控制装置的控制方法，其主要步骤如图3所示：

步骤一：初始化自动控制装置，由通信模块2首先进行网络对时；

步骤二：通信模块2获取远程服务器5下一自然日24小时的室外环境温度预测数据，并存入数据存储单元4；

步骤三：数据处理模块3读取数据存储单元4中的环境温度预测数据，计算下一自然日24小时的逐时供热负荷预测值(其典型曲线如图4所示)，并存入数据存储单元4；

步骤四：通信模块2获取远程服务器5下一自然日24小时的分时电价预测数据，从电价最低起始时段开始，记录电价变化时刻，并存入数据存储单元4；假设电价变化曲线如图5所示，其中t0，t1，…，t9分别为电价变化时刻；

步骤五：数据处理模块3读取数据存储单元4中的分时电价预测数据，并选取电价最低的起止时间，由图5可知，全天电价最低的低电价时段的开始时刻为t0、结束时刻为t0’(t0’＝t1)，则该时段的时长T0＝t0’-t0；

步骤六：当t0时刻到来时，由数据处理模块3发出电加热系统的启动指令，经通信模块2传送至电加热系统，以额定功率启动电加热；

步骤七：当蓄热体的温度达到额定供热温度时，由数据处理模块3发出供暖循环系统的启动指令，经通信模块2传送至供暖循环系统，启动供暖循环水泵或风机等设备，在蓄热的同时进行供暖；

步骤八：当蓄热体达到最高设定温度时，根据监测数据标定总蓄热量(kWh)，则剩余蓄热量为总蓄热量，置剩余蓄热量标识SOE(t)＝100％，并校正蓄热体剩余蓄热量测定装置相应数值；若此时未到t0’时刻，则控制电加热功率，维持蓄热体温度在最高设定温度；若到t0’时刻，蓄热体仍未达到最高设定温度，则SOE(t)根据蓄热体剩余蓄热量测定装置测定的实际蓄热量赋值；

步骤九：在t0’时刻，由数据处理模块3发出电加热系统的关闭指令，经通信模块2传送至电加热系统，停止电加热，此时供暖循环系统继续工作，开始由蓄热体供热；

步骤十：根据剩余蓄热量及逐时供热负荷预测值，估算剩余供热时长T_res(t)；

步骤十一：当T_rest(t)<24-T0时，即剩余供热时长小于到下一天的t0时刻的时长时，表明蓄热体剩余蓄热量无法持续供热到下一天的t0时刻，因此需要在剩余供热时长内再选择最优时间再次启动电加热；此时根据热负荷预测值计算到下一天的t0时刻的供热量需求值H1，从而得到供热量差额ΔH，进入下一步骤；

如果剩余供热时长不小于到下一天的t0时刻的时长，则表明蓄热量充足，则在下一天的t0时刻前不再启动电加热系统；

步骤十二：根据数据存储单元4中的分时电价预测数据，选取t1时刻后剩余供热时长内电价最低的低电价时段(如t4-t5时段)；

步骤十三：根据供热负荷预测值及额定电加热功率等因素计算t4-t5时段的额定蓄热量H1’，令ΣH’＝H1’；

步骤十四：将ΣH’与ΔH比较，若ΣH’≥ΔH，则加热量满足需求，将t4-t5时段作为之后启动电加热的时段，若ΣH’<ΔH，则再选取在t5时刻后剩余供热时长内电价最低时段(如t6-t7时段)，计算t6-t7时段的额定蓄热量H2’，令ΣH’＝H1’+H2’，再比较ΣH’与ΔH，重复上述过程，直至所有选取的低电价时段的额定蓄热量之和(ΣH’)大于等于ΔH，满足需求，此时将所有选取的低电价时段都作为之后启动电加热的时段；

步骤十五：当之后启动电加热的时段到来时，启动电加热系统，根据实时数据计算这些之后启动电加热的时段的累计辅电蓄热量ΣH，当ΣH>ΔH时，停止电加热系统并在下一天的t0时刻前不再启动。最终的运行控制曲线如图6所示。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置，用于控制蓄热式电采暖装置，其特征在于，包括通信模块、数据存储单元和数据处理单元，其中：

所述通信模块用于接收蓄热式电采暖装置的蓄热体的剩余蓄热量实时数据、蓄热体的热量消耗实时数据、电加热系统的运行实时数据及供暖循环系统的运行实时数据，并获取环境温度预测数据及分时电价预测数据；

所述数据处理单元用于根据通信模块接收的数据计算逐时供热负荷预测值，计算蓄热体的剩余供热时长，计算电加热最佳启动时刻和时长，并在该时刻给出电加热系统的启动指令；

所述数据存储单元用于存储通信模块接收的蓄热体的剩余蓄热量实时数据、蓄热体的热量消耗实时数据、电加热系统的运行实时数据、供暖循环系统的运行实时数据、环境温度预测数据及分时电价预测数据。

2.根据权利要求1所述的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置，其特征在于：所述通信模块还用于自动控制装置的对时。

3.根据权利要求2所述的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置，其特征在于：所述通信模块还用于向电加热系统和供暖循环系统发送控制指令，分别控制电加热系统的启停及供暖循环系统的启停。

4.根据权利要求3所述的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置，其特征在于：所述通信模块通过与远程服务器通信获取环境温度预测数据及分时电价预测数据。

5.根据权利要求4所述的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制装置，其特征在于，所述通信模块的通信方式为无线通信或有线通信。

6.一种基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通信模块获取远程服务器的环境温度预测数据，并存入数据存储单元；

2）数据处理模块读取数据存储单元中的环境温度预测数据，计算逐时供热负荷预测值，并存入数据存储单元；

3）通信模块获取远程服务器的分时电价预测数据，从电价最低起始时段开始，记录电价变化时刻，将上述数据存入数据存储单元；

4）数据处理模块读取数据存储单元中的分时电价预测数据，并选取全天电价最低的低电价时段的起止时间，设全天电价最低的低电价时段的开始时刻为t0、结束时刻为t0’；

5）当t0时刻到来时，由数据处理模块发出电加热系统的启动指令，经通信模块传送至电加热系统，启动电加热；

6）当蓄热体的温度达到额定供热温度时，由数据处理模块发出供暖循环系统的启动指令，经通信模块传送至供暖循环系统，在蓄热的同时进行供暖；

7）如在t0’时刻到来前蓄热体已达到最高设定温度，则标定总蓄热量，剩余蓄热量为总蓄热量，并控制电加热功率，维持蓄热材料温度在最高设定温度，直到t0’时刻；

若到t0’时刻时蓄热材料仍未达到最高设定温度，则剩余蓄热量为实际蓄热量；

8）当t0’时刻到来时，由数据处理模块发出电加热系统的关闭指令，经通信模块传送至电加热系统，停止电加热，供暖循环系统继续工作，开始由蓄热体供热；同时根据剩余蓄热量及逐时供热负荷预测值，估算剩余供热时长；

9）如剩余供热时长不小于到下一天的t0时刻的时长，则在下一天的t0时刻前不再启动电加热系统；否则根据逐时供热负荷预测值计算到下一天的t0时刻的供热量需求值，得到供热量差额ΔH，进入步骤10）；

10）根据数据存储单元中的分时电价预测数据，选取剩余供热时长内电价最低的低电价时段，计算得到该低电价时段的额定蓄热量H1’，如H1’大于等于ΔH，则将该低电价时段作为之后启动电加热的时段，否则再依次选取剩余供热时长内除已经选取的低电价时段之外的电价次低的相应低电价时段，计算这些低电价时段的额定蓄热量，直至这些低电价时段的额定蓄热量加上H1’的和ΣH’大于等于ΔH，将所有选取的低电价时段都作为之后启动电加热的时段；

11）当之后启动电加热的时段到来时，启动电加热系统，计算这些之后启动电加热的时段的累计蓄热量ΣH，当ΣH>ΔH时，停止电加热系统并在下一天的t0时刻前不再启动。

7.根据权利要求6所述的基于日前电价的蓄热式电采暖系统优化运行自动控制方法，其特征在于，在步骤1）中，先由通信模块进行对时。