CN112558658B - 面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统和方法，该控制系统的中央控制模块分别接收传感器数据采集模块采集的数据、以及接收智能算法模块的算法数据，根据传感器数据和算法数据，对流量控制模块、逆变器控制模块进行控制；流量控制模块对家庭中包括取暖、洗漱用热水进行控制；该方法包括面向家庭用户的白天多能控制方法的步骤，包括并网有功、控制白天发电量最大、控制白天流量最大；面向家庭用户的夜间多能控制方法的步骤，包括并网电压、控制夜间水温达标、控制夜间发无功达标，本发明解决了白天发电量最大、流量最大的问题，还解决了夜间光伏组件不发电、采用电网供电发生无功消耗、使得电压降低、水温达不到50度的问题。

Description

面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统和方法

技术领域

本发明属于光伏发电与制热技术结合技术领域，尤其是一种基于边缘计算分布式能源多能协调控制系统。

背景技术

为实现分布式光发电与利用太阳能制热综合利用，解决居民供暖、居民用热水问题，利用可再生能源太阳能是一个较好解决方案。目前，国家大力推广分布光伏发电，光伏发电效率与温度、辐射量、压力、风速等环境因素具有直接关系。辐射量、压力、风速等自然环境因素基本无法改变，提高光伏发电效率通过控制光伏组件温度，是能够实现的。国内外研究开发PVT(太阳能光伏光热一体化应用(Photovoltaic/Thermal)技术，较好实现光伏组件降温，同时提高光伏发电效率。

但是，制热与光伏发电、电压无功控制结合，难度较大，因为光发电、太阳制热都同太阳辐射量直接相关。分布式光伏电站大量装配，造成发电高峰时段，电网负荷及无功电压满足要求，夜间热水器需要加热，需要消耗大量电力，在消耗电力同时，需要消耗无功，导致末端电压降低，影响其他电气设备正常运行。

发明内容

本发明为解决现有技术提出的问题，提出一种基于边缘计算分布式能源多能协调控制系统，目的在于提高分布能源用户综合收益，实现节能减排，对分布能源用户相关设备实现协调控制，达到经济安全运行目的。

本发明为解决其问题采用以下技术方案

一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统，该多能控制系统运行在边缘计算基础平台上、通过边缘计算基础平台将面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制计算结果上传给云服务器；其特点是：该面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统包括中央控制模块、传感器数据采集模块、流量控制模块、智能算法模块、逆变器控制模块；所述中央控制模块分别接收传感器数据采集模块采集的数据、以及接收智能算法模块的算法数据，根据传感器数据和算法数据，对流量控制模块、逆变器控制模块进行控制；所述的流量控制模块接收中央控制模块指令，对家庭中使用的包括取暖、洗漱用热水进行控制；所述的逆变器控制模块接收中央控制模块的指令，当夜间PVT组件光伏发电已经不再发电时，启动光伏逆变器发无功，提高家庭用户的末端电压。

所述传感器数据采集模块包括电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器、辐照度传感器、温湿度传感器、流量传感器、湿度传感器；所述电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器用于智能算法模块计算逆变器发无功量；所述辐照度传感器、温湿度传感器、湿度传感器用于智能算法模块环境温度。

所述智能算法模块包括用于白天多能控制的白天温度达标计算模块、白天发电量最大计算模块、白天流量最佳计算模块；用于夜间多能控制的夜间温度达标计算模块、夜间电压满足标准计算模块、夜间发无功计算模块；所述流量控制模块包括智能流量阀门；所述逆变器控制模块包括逆变器；

所述白天温度达标计算模块的计算条件是：当前PVT组件温度传感器采集温度T1、当前光伏组件最大发电量温度T2，当T1<＝T2温度时，则温度达标，当T>＝T2时，则增加冷凝管流量，带走多余能量，降低组件温度；所述白天发电量最大计算条件是：光伏组件的运行温度、辐照度、环境温度、逆变器效率；逆变器效率受到辐照度、环境温度影响，当光伏组件运行在标准出厂温度下、当前逆变器效率最高时，白天发电量最大；所述白天流量最佳计算模块的计算条件是：光伏组件的发电量达到最大、且冷凝管承受的温度在极限温度范围内，当满足以上条件时，白天流量达到最佳。

所述夜间温度达标计算模块的计算条件是：国家规定的夜间热水温度、国家规定的夜间暖气温度；所述夜间电压满足标准计算模块的计算条件是：不同等级电压具有不同的电压规格；所述夜间发无功计算模块的计算条件是：发无功的电压必须满足国家规定标准，采用恒功率因素控制方法计算需要的无功量。

所述的智能流量阀门用于控制家庭中使用的热水，包括取暖热水、洗浴热水。

一种基于面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统的面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一、面向家庭用户的白天多能控制方法；

该方法包括：并网有功、控制白天发电量最大、控制白天流量最大；

步骤二、面向家庭用户的夜间多能控制方法；

该方法包括：并网电压、控制夜间水温达标、控制夜间发无功达标；

所述步骤一具体过程如下：

⑴传感器实时采集数据；

⑵判断当前组件温度是否达标：若达标，继续过程⑶；若没有达标，转入过程⑸调流量：将冷水阀门流量增大，降低组件环境温度；

⑶判断当前发电量是否最大；若发电量不是最大，转入过程⑸调流量：将冷水阀门流量增大，降低环境温度、减少发电过程中的热损耗；

⑷判断当前流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程；若没有达到最佳，则继续过程⑸；

⑸调整热水或冷水流量阀；

⑹判断流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程，若没有达到最佳，则返回过程⑵重新测量组件温度是否达标。

所述步骤二具体过程如下：

⑴判断组件温度是否达到50度，如果已经达到50度，则转入过程⑺；如果没有达到50度，则继续过程⑵；

⑵电压是否满足标准，没有满足，则继续过程⑶，满足标准，转入过程⑸；

⑶逆变器发无功；

⑷判断发无功是否达到要求：如果没有达到要求，返回过程⑵，如果达到要求，继续过程⑸；

⑸加热；

⑹温度是否达到50度，没有达到，则返回过程⑵，达到温度标准则继续过程⑺

⑺停止加热；

⑻结束。

本发明的优点效果

1、本发明通过将中央控制模块、流量控制模块、逆变器控制模块、传感器数据采集模块、智能算法模块进行有效组合，并且相互支持和相互依赖，解决了光伏组件白天发电量最大、流量最大问题，具体通过传感器数据采集模块对多种影响发电量的环境因素实时采集，再通过智能算法模块的实时计算，从而能够实时计算出白天光伏组件发电量的变化，中央控制模块根据发电量的变化控制流量控制模块对智能流量阀门进行适时调整，从而解决白天发电量最大、流量最大的问题。

2、本发明通过将中央控制模块、流量控制模块、逆变器控制模块、传感器数据采集模块、智能算法模块进行有效组合，解决了夜间光伏组件不发电、采用电网供电发生无功消耗、使得电压降低、水温达不到50度的问题，具体通过传感器数据采集模块实时采集有关影响温度的环境数据，再通过智能算法模块的实时计算，从而能够实时计算出夜间电压的变化，中央控制模块根据电压的变化控制逆变器控制模块启动逆变器发无功，从而补偿降低的电压，使得水温重新达到50度的标准，从而解决了夜间光伏组件不发电、采用电网供电发生无功消耗、使得电压降低、水温达不到50度的问题。

附图说明

图1为云、边、端三层网络架构示意图；

图2为本发明面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统结构图；

图3为本发明面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统布局图；

图4为本发明面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制算法示意图；

图4-1为白天温度达标计算条件；

图4-2为白天发电量最大计算条件；

图4-3为白天流量最佳计算条件；

图4-4为夜间温度达标计算条件；

图4-5为夜间满足电压标准计算条件；

图4-6为夜间发无功计算条件；

图5为本发明面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制流程图；

具体实施方式

本发明设计原理

1、光伏组件白天最大发电量动态变化原理。光伏组件最大发电量和光伏组件的运行温度、辐照度、环境温度、逆变器效率这四个条件有关：由于白天辐照度在每个时间段是不同的，辐照度高则发电量大，辐照度会直接影响光伏组件的最大发电量；还由于环境温度的高低与空气的湿度、温湿度有关，由于白天空气湿度、温湿度是变化的，所以环境温度也是变化的；由于环境温度变化，光伏组件最大发电量也跟着变化：环境温度高则光伏组件发电时的热损耗相对大则光伏组件最大发电量就降低；同时，辐照度和环境温度还会影响逆变器的效率，逆变器在将直流变为交流时也会发生损耗，环境温度高、辐照度大则热损耗高，逆变器的转化效率就会降低；光伏组件的运行温度也会影响光伏组件的最大发电量，光伏组件的运行温度是指温度达标的温度，达标值在白天仍然是动态变化的：达标值为T1<T2，由于环境温度动态变化，所以传感器测量的T1也会变化，由于最大发电量变化，所以对应最大发电量时的T2也会变化，所以T1<T2的标准也会变化。总之，以上四个条件均对光伏组件的最大发电量产生影响，所以，白天光伏组件最大发电量是动态变化的。

2、白天动态调流量的设计原理。流量和光伏组件最大发电量有关，根据最大发电量适时调整对应的流量。白天光伏组件发电量越大，则热水管的流量可以调得更大。由于白天光伏组件发电量是动态变化的，所以流量也要随着光伏组件发电量是动态变化而动态变化，当白天光伏组件发电量由小变大时，上一次的流量还停留在发电量由小变大以前的流量情况，所以要把上一次的流量进一步调大，当白天光伏组件发电量由大变小时，上一次的流量还停留在发电量由大变小以前的流量情况，所以要把上一次的流量进一步调小。

基于以上原理，本发明设计了一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统如图1、图2所示，该多能控制系统运行在边缘计算基础平台上、通过边缘计算基础平台将面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制计算结果上传给云服务器；其特征在于：该面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统包括中央控制模块、传感器数据采集模块、流量控制模块、智能算法模块、逆变器控制模块；所述中央控制模块分别接收传感器数据采集模块采集的数据、以及接收智能算法模块的算法数据，根据传感器数据和算法数据，对流量控制模块、逆变器控制模块进行控制；所述的流量控制模块接收中央控制模块指令，对家庭中使用的包括取暖、洗漱用热水进行控制；所述的逆变器控制模块接收中央控制模块的指令，当夜间PVT组件光伏发电已经不再发电时，启动光伏逆变器发无功，提高家庭用户的末端电压。

补充说明：

1、所述边缘计算基础平台为通用平台，由第三方开发，边缘计算基础平台就近服务某个局部区域的终端用户，将大部分计算在平台内完成，只是将计算结果发送给云端服务器。其优势在于，利用边缘计算基础平台，能够将大量的数据处理在本地完成，只负责本地区的数据处理，从而减轻云端服务器的负担，提高处理速度。本发明是在边缘计算基础平台上自行开发的面向家庭用户的分布式多能控制系统，首次将分布式边缘计算平台应用于家庭用户的多能控制。

2、本发明技术方案围绕解决PVT组件应用于家庭供热的两大难题，第一难题是：白天流量的大小是根据白天最大发电量而变化的，而白天的光伏组件最大发电量是动态变化的，难点在于如何计算白天光伏组件最大发电量的变化，本发明中采用多因素综合计算方法，图3中列出了和发电量有关的8种传感器，这8种传感器对应8种和发电量变化有关的8种环境因素，本发明综合这些环境因素从而准确计算随时变化的发电量，具体为：中央控制模块根据传感器模块采集的数据，以及根据智能算法模块采集的数据，对流量控制模块发送指令从而根据白天发电量的变化实时调整流量的变化，从而解决第一个难题；第二个难题是：夜间光伏发电没有了，需要电网供电，但电网供电过程中要消耗无功，由于消耗了无功使得电压降低了，电压降低则供热的热水温度也随之下降，所以要解决夜间电压降低、热水温度降低的问题。解决方法是通过中央控制模块控制逆变器控制模块启动逆变器发无功，从而解决第二个难题。

所述传感器数据采集模块如图3所示，包括电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器、辐照度传感器、温湿度传感器、流量传感器、湿度传感器；所述电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器用于智能算法模块计算逆变器发无功量；所述辐照度传感器、温湿度传感器、湿度传感器用于智能算法模块计算环境温度。

所述智能算法模块如图4所示，包括用于白天多能控制的白天温度达标计算模块、白天发电量最大计算模块、白天流量最佳计算模块；用于夜间多能控制的夜间温度达标计算模块、夜间电压满足标准计算模块、夜间发无功计算模块；所述流量控制模块包括智能流量阀门；所述逆变器控制模块包括逆变器；

如图4-1、4-2、4-3所示，所述白天温度达标计算模块的计算条件是：当前PVT组件温度传感器采集温度T1、当前光伏组件最大发电量温度T2，当T1<＝T2温度时，则温度达标，当T>＝T2时，则增加冷凝管流量，带走多余能量，降低组件温度；所述白天发电量最大计算条件是：光伏组件的运行温度、辐照度、环境温度、逆变器效率；逆变器效率受到辐照度、环境温度影响，当光伏组件运行在标准出厂温度下、当前逆变器效率最高时，白天发电量最大；所述白天流量最佳计算模块的计算条件是：光伏组件的发电量达到最大、且冷凝管承受的温度在极限温度范围内，当满足以上条件时，白天流量达到最佳。

如图4-4、4-5、4-6所示，所述夜间温度达标计算模块的计算条件是：国家规定的夜间热水温度、国家规定的夜间暖气温度；所述夜间电压满足标准计算模块的计算条件是：不同等级电压具有不同的电压规格；所述夜间发无功计算模块的计算条件是：发无功的电压必须满足国家规定标准，采用恒功率因素控制方法计算需要的无功量。

所述的智能流量阀门用于控制家庭中使用的热水，包括取暖热水、洗浴热水。

一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制方法如图5所示，其特点是：包括以下步骤，

步骤一、面向家庭用户的白天多能控制方法；

该方法包括：并网有功、控制白天发电量最大、控制白天流量最大；

具体过程如下：

⑴传感器实时采集数据；

⑵判断当前组件温度是否达标：若达标，继续过程⑶；若没有达标，转入过程⑸调流量：将冷水阀门流量增大，降低组件环境温度；

⑶判断当前发电量是否最大；若发电量不是最大，转入过程⑸调流量：将冷水阀门流量增大，降低环境温度、减少发电过程中的热损耗；

⑷判断当前流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程；若没有达到最佳，则继续过程⑸；

⑸调整热水或冷水流量阀；

⑹判断流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程，若没有达到最佳，则返回过程⑵重新测量组件温度是否达标。

步骤二、面向家庭用户的夜间多能控制方法；

该方法包括：并网电压、控制夜间水温达标、控制夜间发无功达标；

具体过程如下：

⑴判断组件温度是否达到50度，如果已经达到50度，则转入过程⑺；如果没有达到50度，则继续过程⑵；

⑵电压是否满足标准，没有满足，则继续过程⑶，满足标准，转入过程⑸；

⑶逆变器发无功；

补充说明：

所述逆变器发无功具体通过控制逆变器lGBT器件导通角发无功。

⑷判断发无功是否达到要求：如果没有达到要求，返回过程⑵，如果达到要求，继续过程⑸；

⑸加热；

⑹温度是否达到50度，没有达到，则返回过程⑵，达到温度标准则继续过程⑺

⑺停止加热；

⑻结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统，该多能控制系统运行在边缘计算基础平台上、通过边缘计算基础平台将面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制计算结果上传给云服务器；其特征在于：

该面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统包括中央控制模块、传感器数据采集模块、流量控制模块、智能算法模块、逆变器控制模块；所述中央控制模块分别接收传感器数据采集模块采集的数据、以及接收智能算法模块的算法数据，根据传感器数据和算法数据，对流量控制模块、逆变器控制模块进行控制；所述的流量控制模块接收中央控制模块指令，对家庭中使用的包括取暖、洗漱用热水进行控制；所述的逆变器控制模块接收中央控制模块的指令，当夜间PVT组件光伏发电已经不再发电时，启动光伏逆变器发无功，提高家庭用户的末端电压；

所述流量随着光伏组件发电量的动态变化而动态变化，当白天光伏组件发电量由小变大时，上一次的流量还停留在发电量由小变大以前的流量情况，所以要把上一次的流量进一步调大，当白天光伏组件发电量由大变小时，上一次的流量还停留在发电量由大变小以前的流量情况，所以要把上一次的流量进一步调小；

所述传感器数据采集模块包括电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器、辐照度传感器、温湿度传感器、流量传感器、湿度传感器；所述电压传感器、功率传感器、漏电传感器、电度传感器用于智能算法模块计算逆变器发无功量；所述辐照度传感器、温湿度传感器、湿度传感器用于智能算法模块计算环境温度；

所述智能算法模块包括用于白天多能控制的白天温度达标计算模块、白天发电量最大计算模块、白天流量最佳计算模块；用于夜间多能控制的夜间温度达标计算模块、夜间电压满足标准计算模块、夜间发无功计算模块；所述流量控制模块包括智能流量阀门；所述逆变器控制模块包括逆变器；

所述白天温度达标计算模块的计算条件是：当前PVT组件温度传感器采集温度T1、当前光伏组件最大发电量温度T2，当T1<=T2温度时，则温度达标，当T1>T2时，则增加冷凝管流量，带走多余能量，降低组件温度；

所述白天发电量最大计算模块根据光伏组件的运行温度、辐照度、环境温度、逆变器效率来计算白天最大发电量；逆变器效率受到辐照度、环境温度影响，当光伏组件运行在标准出厂温度下、当前逆变器效率最高时，白天发电量最大；所述白天流量最佳计算模块的计算条件是：光伏组件的发电量达到最大、且冷凝管承受的温度在极限温度范围内，当满足以上条件时，白天流量达到最佳。

2.根据权利要求1所述一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统，其特征在于：所述夜间温度达标计算模块根据国家规定的夜间热水温度、国家规定的夜间暖气温度计算夜间达标的温度；所述夜间电压满足标准计算模块的计算条件是：不同等级电压具有不同的电压规格；所述夜间发无功计算模块的计算条件是：发无功的电压必须满足国家规定标准，采用恒功率因素控制方法计算需要的无功量。

3.根据权利要求1所述一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统，其特征在于：所述的智能流量阀门用于控制家庭中使用的热水，包括取暖热水、洗浴热水。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制系统的面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一、面向家庭用户的白天多能控制方法；

该方法包括：并网有功、控制白天发电量最大、控制白天流量最大；

步骤二、面向家庭用户的夜间多能控制方法；

该方法包括：并网电压、控制夜间水温达标、控制夜间发无功达标。

5.根据权利要求4所述的一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制方法，其特征在于，所述步骤一具体过程如下：

传感器实时采集数据；

判断当前组件温度是否达标：若达标，继续过程

；若没有达标，转入过程

调流 量：将冷水阀门流量增大，降低组件环境温度；

判断当前发电量是否最大；若发电量不是最大，转入过程

调流量：将冷水阀门流 量增大，降低环境温度、减少发电过程中的热损耗；

判断当前流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程；若没有达到最佳，则继续过 程

；

调整热水或冷水流量阀；

判断流量是否达到最佳，若达到最佳，则结束过程，若没有达到最佳，则返回过程

重新测量组件温度是否达标。

6.根据权利要求4所述的一种面向家庭用户的边缘计算分布式多能控制方法，其特征在于，所述步骤二具体过程如下：

判断组件温度是否达到50度，如果已经达到50度，则转入过程

；如果没有达到50 度，则继续过程

；

电压是否满足标准，没有满足，则继续过程

，满足标准，转入过程

；

逆变器发无功；

判断发无功是否达到要求：如果没有达到要求，返回过程

，如果达到要求，继续过 程

；

加热；

温度是否达到50度，没有达到，则返回过程

，达到温度标准则继续过程

；

停止加热；

结束。

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