CN109737491A - 一种校园电采暖dcs控制系统中的给定值优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，包括如下步骤：热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制，本发明结构科学合理，使用安全方便，借助电力负荷分级思想，依据热负荷重要程度及温度实际需求，通过给热负荷分级，并给不同级别的热负荷在不同时间区域赋予不同的温度给定值，来避免低级负荷消耗与高级负荷相同的电能，进而达到节电效益，借助热负荷分级、热负荷编码策略和反馈控制思想，采用基于三相不平衡量最小的Ping‑‑Pangk控制方法，来确保三相不平衡量最小，进而保证电网供电质量，避免变压器和用电负荷因三相不平衡造成的过压而损坏。

Description

一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法
技术领域
本发明涉及建筑供暖技术领域，具体为一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法。
背景技术
国内对于电供暖系统的研究起步比较晚，在控制方法研究上，早期主要采用PID控制算法，尔后发展出采用模糊PID方法进行控制以及模糊控制，利用基于遗传算法实现系统控制的优化，随着控制技术的发展,越来越多的智能控制算法应用到电供暖系统中，这也是近年来的研究热点及发展趋势。
由于现有的电采暖控制系统中，采用适于人类生活和工作的环境温度来作为唯一的温度设定值，导致像仓库、走廊和洗手间等一类的热负荷无谓消耗了大量能源，其次，该种给定值设定方法，在停电后自动启动时，往往带来较大的启动电流，为解决此类问题不得额外增加变压器容量，这不仅导致初投资增加，还由于变压器容量增加使电损增加，额外增加了运行费用，再者，虽然现有的电采暖控制系统在配置电暖器时，考虑了电力系统三相负荷平衡问题，可是由于现有的建筑配电系统是按建筑各层面积均分电负荷原则设计的，而实际使用时各层和各房间用电负荷差异较大，使三相不平衡问题突出，破坏了电网供电质量，本发明就是针对上述问题，提出一种校园电采暖DCS控制系统的给定值优化方法，解决电供暖系统中电能利用率、免增容和三相不平衡问题，进而降低电供暖系统的初投资和运行成本，同时保证电网供电质量和降低电耗。
发明内容
本发明提供一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法：包括如下步骤：热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制；
所述热负荷分级将园区内各个热负荷按照供热温度要求及重要程度由高到低依次排列，并将温度要求和重要程度相近的一类负荷划分为同一等级，其最小值高于3级，同时确定各等级的最低和最高温度设定值，然后将负荷等级及最低和最高温度给定值以表格的形式存入电脑中，记录为热负荷分类规则表。
根据上述技术方案，所述热负荷分级编码将园区所有热负荷编码；
编码是前几位代表热负荷序号，具体位数由园区热负荷数量确定，接下来几位代表热负荷楼号、层号和房间号，具体位数由园区楼数、层数和每层房间数的最大值确定；
接下来一位表示热负荷的电功率规格，下一位表示热负荷安装的相位，分别用A、B和C表征，下一位表示热负荷启动时间序列号，最后一位是负荷等级，为简化算法该位取值可以与上一位相同而省掉；
每一个负荷等级对应一个工作时间区域，以及这一时间区域的温度给定值，称之为最大温度给定值，非工作时间区域对应的温度给定值称之为最小温度给定值，将各个热负荷编码按热负荷序号以表格的形式存入工控机中，称为热负荷编码表。
根据上述技术方案，所述预测模型的建立是给特定热负荷的电暖器施加220伏交流电源电压，按采样周期T测取其达到稳态时的温升曲线，并将这N个采样值存入计算机作为预测模型，预测模型可以通过电采暖控制在线修正，从而获取各个热负荷的预测模型。
根据上述技术方案，所述软启动控制在热负荷等级最高的一级负荷被赋予最高温度给定值而无延时的立即启动，在N个采样周期后一级负荷基本达到稳态进入恒温控制阶段，而后各级负荷依次按其等级延迟Ni(M-1)T时间分时启动。
根据上述技术方案，所述三相平衡控制由工控机计算各个热负荷的温度偏差及其变化量；
当温差及其变化量为正时，判定电暖器是处于供电状态，否则处于断电状态，给定值优化程序依据热负荷编码表中相位和其功率值，分别统计A、B和C各相上的通电负荷累计值，当三相中任意两相的负荷偏差e大于△P时，就将负荷较大相序的最低等级的x个负荷赋予最低温度给定值，这里赋予最低温度给定值而不是直接切除负荷。
根据上述技术方案，所述热负荷分级中热负荷指需要供热的办公室、教室、实验室、仓库和走廊房间的封闭空间区域。
根据上述技术方案，所述热负荷分级按供暖区域对供热温度要求不同而划分的等级，按温度由高到底对应等级1-5，实际划分几级根据各个房间属性差别大小而定。
根据上述技术方案，所述预测模型是指在离线转态下，特定房间电暖器在220伏交流电源电压作用下，获得的房间温度由特定环境温度升到25℃时的温升曲线的离散采样点集合。
根据上述技术方案，所述热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制通过通讯网络相互连接，所述通讯网络将信息转换成数字量信息到上位机中，所述上位机将数字量显示出来，将实时动态、实时参数、历史动态和历史参数显示出来；
所述通讯网络采用开放系统互联标准基础，且按照局域网概念构造标准网；
所述通讯网络分为四个层次：宽带局域网、载波带局域网、节点总线和现场总线；
所述宽带局域网采用总线结构形式，且同轴电缆传送15KM，数据传输率10Mb/s；
所述载波带局域采用总线结构形式，且同轴电缆传送1.2KM，数据传输率5Mb/s；
所述节点总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率10Mb/s；
所述现场总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率268.75kb/s。
根据上述技术方案，所述通讯网络在路由器上采用阻断TFTP、由外向内的Telnet的服务。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便；所述通讯网络在路由器上采用阻断TFTP、由外向内的Telnet的服务。
1、借助电力负荷分级思想，依据热负荷重要程度及温度实际需求，通过给热负荷分级，并给不同级别的热负荷在不同时间区域赋予不同的温度给定值，来避免低级负荷消耗与高级负荷相同的电能，进而达到节电效益。
2、借助热负荷分级、热负荷编码策略和构建预测模型，采用基于时间延迟的软启动方法，来减少启动电流，从而降低线损和变压器容量，进而降低初投资和运行费用。
3、借助热负荷分级、热负荷编码策略和反馈控制思想，采用基于三相不平衡量最小的Ping--Pangk控制方法，来确保三相不平衡量最小，进而保证电网供电质量，避免变压器和用电负荷因三相不平衡造成的过压而损坏。
4、通过通讯网络建立了集管理、对比、信息共享的综合通讯、统计分析和预测处理，从而提高了管理的科学化、现代化，提高了经济效益和社会效益，并且降低了管理成本。
5、通过通讯网络可以与网络中的信息进行对比，方便后期的保存与检索，并且通过上位机与系统连接，实现外界的信息交流，不再需要现场控制，方便快捷。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的网络结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-2所示，本发明提供技术方案，一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法：包括如下步骤：热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制；
热负荷分级将园区内各个热负荷按照供热温度要求及重要程度由高到低依次排列，并将温度要求和重要程度相近的一类负荷划分为同一等级，其最小值高于3级，同时确定各等级的最低和最高温度设定值，然后将负荷等级及最低和最高温度给定值以表格的形式存入电脑中，记录为热负荷分类规则表。
根据上述技术方案，热负荷分级编码将园区所有热负荷编码；
编码是前几位代表热负荷序号，具体位数由园区热负荷数量确定，接下来几位代表热负荷楼号、层号和房间号，具体位数由园区楼数、层数和每层房间数的最大值确定；
接下来一位表示热负荷的电功率规格，下一位表示热负荷安装的相位，分别用A、B和C表征，下一位表示热负荷启动时间序列号，最后一位是负荷等级，为简化算法该位取值可以与上一位相同而省掉；
每一个负荷等级对应一个工作时间区域，以及这一时间区域的温度给定值，称之为最大温度给定值，非工作时间区域对应的温度给定值称之为最小温度给定值，将各个热负荷编码按热负荷序号以表格的形式存入工控机中，称为热负荷编码表。
根据上述技术方案，预测模型的建立是给特定热负荷的电暖器施加220伏交流电源电压，按采样周期T测取其达到稳态时的温升曲线，并将这N个采样值存入计算机作为预测模型，预测模型可以通过电采暖控制在线修正，从而获取各个热负荷的预测模型，进而提高预测模型精度。
根据上述技术方案，软启动控制在热负荷等级最高的一级负荷被赋予最高温度给定值而无延时的立即启动，在N个采样周期后一级负荷基本达到稳态进入恒温控制阶段，而后各级负荷依次按其等级延迟Ni(M-1)T时间分时启动。
根据上述技术方案，三相平衡控制由工控机计算各个热负荷的温度偏差及其变化量；
当温差及其变化量为正时，判定电暖器是处于供电状态，否则处于断电状态，给定值优化程序依据热负荷编码表中相位和其功率值，分别统计A、B和C各相上的通电负荷累计值，当三相中任意两相的负荷偏差e大于△P时，就将负荷较大相序的最低等级的x个负荷赋予最低温度给定值，这里赋予最低温度给定值而不是直接切除负荷，是为了避免热负荷低于最低温度给定值而带来冻害，当所有该等级负荷被全部赋予最低温度值后，对上一个等级的负荷以上述方法处理，这一过程周而复始，反复进行，直至三相中任意两相的负荷偏差e小于△P为止，从而保证三相不平衡量小于△P。
根据上述技术方案，热负荷分级中热负荷指需要供热的办公室、教室、实验室、仓库和走廊房间的封闭空间区域。
根据上述技术方案，热负荷分级按供暖区域对供热温度要求不同而划分的等级，按温度由高到底对应等级1-5，实际划分几级根据各个房间属性差别大小而定。
根据上述技术方案，预测模型是指在离线转态下，特定房间电暖器在220伏交流电源电压作用下，获得的房间温度由特定环境温度升到25℃时的温升曲线的离散采样点集合。根据上述技术方案，热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制通过通讯网络相互连接，通讯网络将信息转换成数字量信息到上位机中，上位机将数字量显示出来，将实时动态、实时参数、历史动态和历史参数显示出来；
通讯网络采用开放系统互联标准基础，且按照局域网概念构造标准网；
通讯网络分为四个层次：宽带局域网、载波带局域网、节点总线和现场总线；
宽带局域网采用总线结构形式，且同轴电缆传送15KM，数据传输率10Mb/s；
载波带局域采用总线结构形式，且同轴电缆传送1.2KM，数据传输率5Mb/s；
节点总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率10Mb/s；
现场总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率268.75kb/s。
根据上述技术方案，通讯网络在路由器上采用阻断TFTP、由外向内的Telnet的服务。
工控机作为管理层，设置在控制中心，PLC为控制层，选用西门子的S7-300，也设置在控制中心，温度控制器为现场层，选用单片机作为控制核心，电暖器4选用碳晶硅电暖器，工控机与PLC之间通讯采用ProfiBus通讯总线连接，而PLC2与温度控制器之间选用485通讯总线连接。
通过对热负荷分级表的建立，得出领导办公室、办公室、教室、实验室、走廊、洗手间、库房、车库、书库、食堂、阅览室、寝室、体育馆和游泳馆的温度需求列出热负荷分级表：
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便；
1、借助电力负荷分级思想，依据热负荷重要程度及温度实际需求，通过给热负荷分级，并给不同级别的热负荷在不同时间区域赋予不同的温度给定值，来避免低级负荷消耗与高级负荷相同的电能，进而达到节电效益。
2、借助热负荷分级、热负荷编码策略和构建预测模型，采用基于时间延迟的软启动方法，来减少启动电流，从而降低线损和变压器容量，进而降低初投资和运行费用。
3、借助热负荷分级、热负荷编码策略和反馈控制思想，采用基于三相不平衡量最小的Ping--Pangk控制方法，来确保三相不平衡量最小，进而保证电网供电质量，避免变压器和用电负荷因三相不平衡造成的过压而损坏。
4、通过通讯网络建立了集管理、对比、信息共享的综合通讯、统计分析和预测处理，从而提高了管理的科学化、现代化，提高了经济效益和社会效益，并且降低了管理成本。
5、通过通讯网络可以与网络中的信息进行对比，方便后期的保存与检索，并且通过上位机与系统连接，实现外界的信息交流，不再需要现场控制，方便快捷。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于：包括如下步骤：热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制；
所述热负荷分级将园区内各个热负荷按照供热温度要求及重要程度由高到低依次排列，并将温度要求和重要程度相近的一类负荷划分为同一等级，其最小值高于3级，同时确定各等级的最低和最高温度设定值，然后将负荷等级及最低和最高温度给定值以表格的形式存入电脑中，记录为热负荷分类规则表。
2.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述热负荷分级编码将园区所有热负荷编码；
编码是前几位代表热负荷序号，具体位数由园区热负荷数量确定，接下来几位代表热负荷楼号、层号和房间号，具体位数由园区楼数、层数和每层房间数的最大值确定；
接下来一位表示热负荷的电功率规格，下一位表示热负荷安装的相位，分别用A、B和C表征，下一位表示热负荷启动时间序列号，最后一位是负荷等级，为简化算法该位取值可以与上一位相同而省掉；
每一个负荷等级对应一个工作时间区域，以及这一时间区域的温度给定值，称之为最大温度给定值，非工作时间区域对应的温度给定值称之为最小温度给定值，将各个热负荷编码按热负荷序号以表格的形式存入工控机中，称为热负荷编码表。
3.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述预测模型的建立是给特定热负荷的电暖器施加220伏交流电源电压，按采样周期T测取其达到稳态时的温升曲线，并将这N个采样值存入计算机作为预测模型，预测模型可以通过电采暖控制在线修正，从而获取各个热负荷的预测模型。
4.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述软启动控制在热负荷等级最高的一级负荷被赋予最高温度给定值而无延时的立即启动，在N个采样周期后一级负荷基本达到稳态进入恒温控制阶段，而后各级负荷依次按其等级延迟Ni(M-1)T时间分时启动。
5.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述三相平衡控制由工控机计算各个热负荷的温度偏差及其变化量；
当温差及其变化量为正时，判定电暖器是处于供电状态，否则处于断电状态，给定值优化程序依据热负荷编码表中相位和其功率值，分别统计A、B和C各相上的通电负荷累计值，当三相中任意两相的负荷偏差e大于△P时，就将负荷较大相序的最低等级的x个负荷赋予最低温度给定值，这里赋予最低温度给定值而不是直接切除负荷。
6.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述热负荷分级中热负荷指需要供热的办公室、教室、实验室、仓库和走廊房间的封闭空间区域。
7.根据权利要求2所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述热负荷分级按供暖区域对供热温度要求不同而划分的等级，按温度由高到底对应等级1-5，实际划分几级根据各个房间属性差别大小而定。
8.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述预测模型是指在离线转态下，特定房间电暖器在220伏交流电源电压作用下，获得的房间温度由特定环境温度升到25℃时的温升曲线的离散采样点集合。
9.根据权利要求1所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述热负荷分级、热负荷分级编码、预测模型的建立、软启动控制和三相平衡控制通过通讯网络相互连接，所述通讯网络将信息转换成数字量信息到上位机中，所述上位机将数字量显示出来，将实时动态、实时参数、历史动态和历史参数显示出来；
所述通讯网络采用开放系统互联标准基础，且按照局域网概念构造标准网；
所述通讯网络分为四个层次：宽带局域网、载波带局域网、节点总线和现场总线；
所述宽带局域网采用总线结构形式，且同轴电缆传送15KM，数据传输率10Mb/s；
所述载波带局域采用总线结构形式，且同轴电缆传送1.2KM，数据传输率5Mb/s；
所述节点总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率10Mb/s；
所述现场总线采用总线结构形式，且同轴电缆传送30M，数据传输率268.75kb/s。
10.根据权利要求9所述的一种校园电采暖DCS控制系统中的给定值优化方法，其特征在于，所述通讯网络在路由器上采用阻断TFTP、由外向内的Telnet的服务。
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