CN108964054A - 一种能源审计和在线能效管理装置 - Google Patents

一种能源审计和在线能效管理装置 Download PDF

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金科
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Abstract

本发明公开了一种能源审计和在线能效管理装置，包括：系统设置模块、能耗数据采集模块、能源审计管理模块、能源预测管理模块，还包括实时能源优化模块，所述实时能源优化模块包括：获取单元，用于获取电网参数；其中，所述电网参数包括消费者用电负荷、单机容量、消费者用电数据和储能部件参数；处理单元，用于根据所述电网参数对电网功率进行优化；谐波吸收单元，用于对由所述处理器处理后的信号进行谐波吸收处理；功率因数提高单元，其与谐波吸收单元并联，并用于提高电网的功率因数；该装置不仅能够实现能够审计，而且可以实现在线能效管理，另外还能够对电网参数进行了优化，消除了电网中的谐波，实现了实时能源优化。

Description

一种能源审计和在线能效管理装置
技术领域
本发明实施例涉及能源管理技术领域，具体涉及一种能源审计和在线能效管理装置。
背景技术
目前我国电力使用浪费情况非常严重；产生这些问题主要原因是：1)缺乏科学有效的电能效率管理手段，比如不清楚建筑物内的电能主要消耗在什么地方、在什么时间消耗了多少电能、电能浪费的漏洞在哪里、改善的机会又有那些；2)在电力分配系统和电力品质层面上，不清楚有多少无功功率的消耗量，那个时间段的功率因素是多少；3)在负荷与设备层面，对中央空调、照明系统、锅炉和其他耗能负荷的家底不了解，处于一种粗放式的管理状态，而且能源无法进行实时优化处理。因此急需一种能够在线进行能效管理的装置
发明内容
为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供以下技术方案：一种能源审计和在线能效管理装置，包括：系统设置模块，用于设置能耗管理对象、管理者信息，系统提供用户权限管理、系统通知、系统错误信息、系统操作记录、能耗术语解释以及系统参数设置；所述的系统参数设置包括外部供入能源的选择、设备的按日历计划运行的状态和关键参数的设定值，所述关键参数包括室内环境参数和设备运行参数；
能耗数据采集模块，用于采集能耗管理对象的能耗数据；采用不同协议的现场计量设备进行通信，对建筑物的耗能设备和节能设备的相关数据进行采集，并自动在模拟图块上显示能耗设备的实时动静态属性；
能源审计管理模块，用于审计能耗管理对象的能耗状态，包括无功功率的大小和相位角；自动采集各耗能设备实时运行参数，并自动保存到数据库，如发生异常运行状况，系统自动报警；
能源预测管理模块，用于根据所述的能源管理数据库中的历史和现阶段的能耗数据、所述的能源审计管理单元中各能耗管理对象的能耗状态和能源计划实施单元的要求进行区域能耗数据统计与预测分析；
还包括实时能源优化模块，所述实时能源优化模块包括：获取单元，用于获取电网参数；其中，所述电网参数包括消费者用电负荷、单机容量、消费者用电数据和储能部件参数；处理单元，用于根据所述电网参数对电网功率进行优化；谐波吸收单元，用于对由所述处理器处理后的信号进行谐波吸收处理；功率因数提高单元，其与谐波吸收单元并联，并用于提高电网的功率因数。
进一步的技术方案中，所述处理单元包括：
第一计算单元，用于根据下式计算消费者用电成本：
其中，所述t表示时段；所述T表示控制周期的时段数；所述表示t时段的电价；所述表示t时段供应电负荷的电功率；所述OMS表示储能部件的运维成本系数，且与所述电网中储能部件充放电的电量成正比；所述表示所述t时段所述电网中所述储能部件的充电功率；所述表示所述t时段所述电网中所述储能部件供应电负荷的放电功率；
第二计算单元，用于根据下式计算消费者的用电负荷：
其中，所述表示消费者在所述t时段的用电负荷；所述ηC表示所述电网中所述储能部件的充电效率；所述ηD表示所述电网中所述储能部件的放电效率；
状态确定单元，用于根据下式确定所述电网中所述储能部件的状态：
式中，所述表示所述t时段所述储能部件处于充电状态；所述表示所述t时段所述储能部件处于放电状态；其中，所述且所述表示所述t时段所述储能部件完全处于充电状态；所述且所述表示所述t时段所述储能部件完全处于放电状态；所述且所述表示所述储能部件处于待机状态。
进一步的技术方案中，所述谐波吸收单元包括：双向瞬变电压抑制二极管，用于消除所述电网中的瞬变干扰信号；压敏电阻，其与所述双向瞬变电压抑制二极管并联，用于消除所述电网中的浪涌信号；第一支路，与所述压敏电阻并联，并且包括第一电容器和变压器及第一电感器；所述第一电容器和所述变压器的初级绕组构成串联谐振电路；所述第一电感器作为所述变压器的次级绕组的负载；第二支路，其包括第二电容器和第三电容器；其中，所述第二电容器和所述第三电容器相连且所述第二电容器和所述第三电容器相连的公共端接地。
进一步的技术方案中，所述功率因数提高单元为容性负载。
进一步的技术方案中，所述功率因数提高单元还包括：第二电感器、第一电阻、功率因数校正器、开关、二极管、第四电容器、第二电阻、第三电阻和第四电阻；其中，所述第二电感器包括主绕组和辅助绕组，其中，所述主绕组的一端与二极管的阳极相连，另一端作为输入端；所述辅助绕组的一端与第一电阻相连，另一端接地；所述第一电阻的另一端与所述功率因数校正器相连；所述开关分别与所述二极管的阳极、所述功率因数校正器以及所述第二电阻的一端相连；所述第四电容器的一端与所述二极管的阴极相连，另一端与所述第二电阻与所述开关的连接端相连；所述第三电阻与所述第四电阻形成串联支路且所述串联支路与所述第四电容器并联。
与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：
该装置不仅能够实现能够审计，而且可以实现在线能效管理，另外还能够对电网参数进行了优化，消除了电网中的谐波，实现了实时能源优化。
附图说明
图1为本实施例中一种能源审计和在线能效管理装置的结构示意图；
图2为本实施例中实时能源优化模块的结构示意图；
图3为本实施例中处理单元的结构示意图；
图4为本实施例中谐波吸收单元的结构示意图；
图5为本实施例中功率因数提高单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合。本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例均在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。
另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示例，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
为了实现实时能源优化，一种能源审计和在线能效管理装置，包括：系统设置模块，用于设置能耗管理对象、管理者信息，系统提供用户权限管理、系统通知、系统错误信息、系统操作记录、能耗术语解释以及系统参数设置；所述的系统参数设置包括外部供入能源的选择、设备的按日历计划运行的状态和关键参数的设定值，所述关键参数包括室内环境参数和设备运行参数；能耗数据采集模块，用于采集能耗管理对象的能耗数据；采用不同协议的现场计量设备进行通信，对建筑物的耗能设备和节能设备的相关数据进行采集，并自动在模拟图块上显示能耗设备的实时动静态属性；能源审计管理模块，用于审计能耗管理对象的能耗状态，包括无功功率的大小和相位角；自动采集各耗能设备实时运行参数，并自动保存到数据库，如发生异常运行状况，系统自动报警；能源预测管理模块，用于根据所述的能源管理数据库中的历史和现阶段的能耗数据、所述的能源审计管理单元中各能耗管理对象的能耗状态和能源计划实施单元的要求进行区域能耗数据统计与预测分析。
还包括实时能源优化模块，所述实时能源优化模块包括：获取单元10、处理单元20、谐波吸收单元30和功率因数提高单元40。其中，获取单元10用于获取电网参数；其中，电网参数可以包括消费者用电负荷、单机容量、消费者用电数据和储能部件参数等。处理单元20用于根据电网参数对电网功率进行。谐波吸收单元30用于对由处理器20处理后的信号进行谐波吸收处理。功率因数提高单元40与谐波吸收单元30并联，并用于提高电网的功率因数。
其中，储能部件参数包括但不限于储能部件运维成本系数、充放电效率、容量、自耗电率等。
本实施例通过采取上述技术方案，利用获取单元用于获取电网参数，然后，再通过处理单元20、谐波吸收单元30和功率因数提高单元40分别进行优化、谐波吸收以及功率因数的提高处理，从而实现了电网能源的实时优化。
在一个优选的实施例中，上述处理单元具体包括：
第一计算单元，用于根据下式计算消费者用电成本：
其中，t表示时段；T表示控制周期的时段数；表示t时段的电价；表示t时段供应电负荷的电功率；OMS表示储能部件的运维成本系数，且与电网中储能部件充放电的电量成正比；表示t时段电网中储能部件的充电功率；表示t时段电网中储能部件供应电负荷的放电功率。
第二计算单元，用于根据下式计算消费者的用电负荷：
其中，表示消费者在t时段的用电负荷；ηC表示电网中储能部件的充电效率；ηD表示电网中储能部件的放电效率。
在实际应用中，可以根据实际情况对进行如下配置：
式中，分别表示消费者使用的最小用电功率、最大用电功率。
状态确定单元，用于根据下式确定电网中储能部件的状态：
式中，表示t时段储能部件处于充电状态；表示t时段储能部件处于放电状态；其中，且表示t时段储能部件完全处于充电状态；且表示t时段储能部件完全处于放电状态；且表示储能部件处于待机状态。
在实际应用中，和可以根据实际情况进行如下配置：
式中，表示电网中储能部件充电的最小功率；表示电网中储能部件充电的最大功率；表示电网中储能部件放电的最小功率；表示电网中储能部件放电的最大功率。
在具体实施过程中，可以根据实际情况，可以根据下式确定和
式中，ε表示电网中储能部件的自耗电率；TPS表示电网中储能部件容量的上限。
在具体实施过程中，上述公式1至公式7可以利用WebSphere ILOG CPLEX(一种数学优化工具)以及Matlab(一种数学工具)等实现。
上述处理器包括但不限于数字信号处理器、现场可编程门阵列、片上系统、专用集成电路等。
在一个优选的实施例中，如图4所示，上述谐波吸收单元具体包括：相互并联的双向瞬变电压抑制二极管TVS、压敏电阻Rv、第一支路和第二支路。其中，双向瞬变电压抑制二极管TVS用于消除电网中的瞬变干扰信号。压敏电阻Rv与双向瞬变电压抑制二极管并联，用于消除电网中的浪涌信号。第一支路与压敏电阻Rv并联，并且包括第一电容器C1和变压器B及第一电感器L1；第一电容器C1和变压器B的初级绕组构成串联谐振电路；第一电感器L1作为变压器B的次级绕组的负载。第二支路包括第二电容器C2和第三电容器C3；其中，第二电容器C2和第三电容器C3相连且第二电容器C2和第三电容器C3相连的公共端接地。
在本实施例中，上述变压器B的磁芯和第一电感器L1的磁芯采用纳米晶合金环形磁芯。该磁环具有很高初始磁导率(大于80000Gs/Oe)、低损耗(小于25W/kg)、高饱和磁通密度(Bs＝1.25T)。因此可以得到体积小、损耗小、发热低和温度稳定性好的变压器B和第一电感器L1。
在上述实施例中，通过调整变压器B的变比(例如，调整为1:4)，可以进一步减小第一电容器C1与变压器B的初级绕组所构成的串联谐振电路的阻抗，从而改善高频谐波吸收效果。
进一步地，第一电容器C1采用高频电容。
更进一步的地，第二电容器C2、第三电容器C3采用陶瓷电容。
更进一步的地，还可以在第一支电路两端并联电阻，该电阻用于消除停止供电时的剩余电压。
在实际应用中，当电网中或用电设备产生快速的瞬变脉冲干扰时，并联在电源上的双向瞬变电压抑制二极管TVS迅速有高阻变为低阻，吸收浪涌功率，使电源电压箝位于一个预定值；同时，压敏电阻Rv有高阻变为低阻对高出变阻器标称电压值的电压进行释放，电压被箝位在变阻器的标称电压值；由此对用电设备产生的高频率的谐波和高频噪声有抑制作用，防止了电网的高频谐波进入用电设备，同时抑制电网中的瞬变信号、浪涌信号和共模干扰。
在一个优选的实施例中，上述功率因数提高单元为容性负载。
该容性负载例如可以为电容器。
在一个更优选的实施例中，如图5所示，功率因数提高单元在上述容性负载的基础上，还可以并联第二电感器L2、第一电阻R1、功率因数校正器41、开关42、二极管D、第四电容器C4、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。其中，第二电感器L2包括主绕组和辅助绕组，其中，主绕组的一端与二极管D的阳极相连，另一端作为输入端；辅助绕组的一端与第一电阻R1相连，另一端接地。第一电阻R1的另一端与功率因数校正器41相连。开关42分别与二极管的阳极、功率因数校正器41以及第二电阻R2的一端相连。第四电容器C4的一端与二极管D的阴极相连，另一端与第二电阻R2与开关42的连接端相连。第三电阻R3与第四电阻R4形成串联支路且该串联支路与第四电容器C4并联。
其中，开关42包括但不限于由场效应晶体管和/或双极性晶体管等构成的开关器件等。
在上述实施例中，第二电阻用于电流检测。功率因数校正器41根据由第三电阻R3和第四电阻R4构成的串联支路两端的电压、第一电阻R1两端的电压，以及第二电感器L2辅助绕组的电流，对开关42进行开/关控制，由此使得由第三电阻R3和第四电阻R4构成的串联支路两端的电压稳定在预定值，从而确保了有功功率而减小了无功功率，进而对功率因数进行了改善。
通过以上实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到本发明可以借助于软件加上必要的硬件平台的方式来实现，当然，也可以通过硬件，但是很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机软件产品的形式体现出来，可以将这些计算机程序指令提供至通用机算计、专用机算计、嵌入式处理机或其它可编程数据处理设备的处理器，以产生一个机器，使得通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令，来产生用于实现方框图中的一个方框或多个方框中所指定的功能的装置。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细的介绍。虽然本文应用了具体的个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，但是，上述实施例的说明仅适用于帮助理解本发明实施例的原理。
需要说明的是：附图中的标记和文字只是为了更清楚地说明本发明，不视为对本发明保护范围的不当限定。
术语“包括”、“包含”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
以上对本发明的示例实施例的详细描述是为了说明和描述的目的而提供。不是为了穷尽或将本发明限制为所描述的精确形式。显然，许多变型和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于特定使用预期的各种变型。本发明的实施例可以省略上述技术特征中的一些技术特征，仅解决现有技术中存在的部分技术问题。而且，所描述的技术特征可以进行任意组合。本发明的保护范围由所附权利要求及其等价物来限定，本领域技术其他人员可以对所附权利要求中所描述的技术方案进行各种变型或替换和组合，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能源审计和在线能效管理装置，其特征在于包括：系统设置模块，用于设置能耗管理对象、管理者信息，系统提供用户权限管理、系统通知、系统错误信息、系统操作记录、能耗术语解释以及系统参数设置；所述的系统参数设置包括外部供入能源的选择、设备的按日历计划运行的状态和关键参数的设定值，所述关键参数包括室内环境参数和设备运行参数；
能耗数据采集模块，用于采集能耗管理对象的能耗数据；采用不同协议的现场计量设备进行通信，对建筑物的耗能设备和节能设备的相关数据进行采集，并自动在模拟图块上显示能耗设备的实时动静态属性；
能源审计管理模块，用于审计能耗管理对象的能耗状态，包括无功功率的大小和相位角；自动采集各耗能设备实时运行参数，并自动保存到数据库，如发生异常运行状况，系统自动报警；
能源预测管理模块，用于根据所述的能源管理数据库中的历史和现阶段的能耗数据、所述的能源审计管理单元中各能耗管理对象的能耗状态和能源计划实施单元的要求进行区域能耗数据统计与预测分析；
还包括实时能源优化模块，所述实时能源优化模块包括：获取单元，用于获取电网参数；其中，所述电网参数包括消费者用电负荷、单机容量、消费者用电数据和储能部件参数；处理单元，用于根据所述电网参数对电网功率进行优化；谐波吸收单元，用于对由所述处理器处理后的信号进行谐波吸收处理；功率因数提高单元，其与谐波吸收单元并联，并用于提高电网的功率因数。
2.根据权利要求1所述的能源审计和在线能效管理装置，其特征在于，所述处理单元包括：
第一计算单元，用于根据下式计算消费者用电成本：
其中，所述t表示时段；所述T表示控制周期的时段数；所述表示t时段的电价；所述表示t时段供应电负荷的电功率；所述OMS表示储能部件的运维成本系数，且与所述电网中储能部件充放电的电量成正比；所述表示所述t时段所述电网中所述储能部件的充电功率；所述表示所述t时段所述电网中所述储能部件供应电负荷的放电功率；
第二计算单元，用于根据下式计算消费者的用电负荷：
其中，所述表示消费者在所述t时段的用电负荷；所述ηC表示所述电网中所述储能部件的充电效率；所述ηD表示所述电网中所述储能部件的放电效率；
状态确定单元，用于根据下式确定所述电网中所述储能部件的状态：
式中，所述表示所述t时段所述储能部件处于充电状态；所述表示所述t时段所述储能部件处于放电状态；其中，所述且所述表示所述t时段所述储能部件完全处于充电状态；所述且所述表示所述t时段所述储能部件完全处于放电状态；所述且所述表示所述储能部件处于待机状态。
3.根据权利要求1所述的能源审计和在线能效管理装置，其特征在于，所述谐波吸收单元包括：
双向瞬变电压抑制二极管，用于消除所述电网中的瞬变干扰信号；
压敏电阻，其与所述双向瞬变电压抑制二极管并联，用于消除所述电网中的浪涌信号；
第一支路，与所述压敏电阻并联，并且包括第一电容器和变压器及第一电感器；所述第一电容器和所述变压器的初级绕组构成串联谐振电路；所述第一电感器作为所述变压器的次级绕组的负载；
第二支路，其包括第二电容器和第三电容器；其中，所述第二电容器和所述第三电容器相连且所述第二电容器和所述第三电容器相连的公共端接地。
4.根据权利要求1所述的能源审计和在线能效管理装置，其特征在于，所述功率因数提高单元为容性负载。
5.根据权利要求4所述的能源审计和在线能效管理装置，其特征在于，所述功率因数提高单元还包括：第二电感器、第一电阻、功率因数校正器、开关、二极管、第四电容器、第二电阻、第三电阻和第四电阻；其中，所述第二电感器包括主绕组和辅助绕组，其中，所述主绕组的一端与二极管的阳极相连，另一端作为输入端；所述辅助绕组的一端与第一电阻相连，另一端接地；所述第一电阻的另一端与所述功率因数校正器相连；所述开关分别与所述二极管的阳极、所述功率因数校正器以及所述第二电阻的一端相连；所述第四电容器的一端与所述二极管的阴极相连，另一端与所述第二电阻与所述开关的连接端相连；所述第三电阻与所述第四电阻形成串联支路且所述串联支路与所述第四电容器并联。
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