DE19651484A1

DE19651484A1 - Verfahren zur Leistungsaufnahmeoptimierung eines Verbundes elektrisch geheizter bzw. gekühlter Verbraucher

Info

Publication number: DE19651484A1
Application number: DE1996151484
Authority: DE
Inventors: Thomas Warnecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-18

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungsaufnahmeoptimierung eines Verbundes elektrisch geheizter bzw. gekühlter Verbraucher.

Beim Betrieb einer Vielzahl elektrischer Verbraucher, beispielsweise in einem Industrie unternehmen, kann eine Reduzierung der Stromkosten dadurch erreicht werden, daß die maximale Gesamtleistungsaufnahme der elektrischen Verbraucher herabgesetzt wird, wobei der Gesamtenergieverbrauch durchaus unverändert bleiben kann. Dies beruht darauf, daß Energieversorgungsunternehmen den Preis elektrischer Energie in Abhängigkeit von der vom Kunden benötigten elektrischen Leistung berechnen.

Es ist bekannt, die benötigte Leistung einer industriellen Fertigungsstätte durch einfaches Ab schalten von Verbrauchern, Lastabwurf genannt, zu reduzieren. Dies ist jedoch nur bei Verbrauchern praktikabel, bei denen durch eine Abschaltung der Fertigungsablauf nicht zu sehr gestört wird. Eine beträchtliche Störung des Fertigungsablaufs tritt jedoch in der Regel ins besondere bei Abschaltung elektrisch geheizter oder gekühlter Prozeßanlagen, beispielsweise eines Extruders, ein. Solche Anlagen sind in der chemischen und kunststoffverarbeitenden Industrie besonders häufig und zählen dort zu den größten Verbrauchern, wobei sie zwar zum Teil systemmäßig vernetzt betrieben werden, jedoch nur um Temperaturwerte der Verbraucher zu erfassen und zu regeln, nicht aber um die Leistungsaufnahme der Verbraucher zu optimieren.

Der Vorgang des elektrischen Heizens bzw. des elektrischen Kühlens von Anlagen erfolgt grundsätzlich so, daß bei einer geheizten Anlage bis zu einem oberen Grenzwert aufgeheizt wird, anschließend eine Abkühlung bis zu einem unteren Grenzwert erfolgt, auf die wiederum eine Heizphase folgt, so daß Heiz- und Ruhephasen ständig abwechseln. Entsprechend wird bei der Kühlung von Anlagen verfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das die Leistungsaufnahme eines Verbundes elektrisch geheizter bzw. gekühlter Verbraucher opti miert wird, ohne daß ein auf den Verbrauchern basierender Fertigungsablauf beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß durch lokale Regelkreise in Abhängigkeit von der Reduzierungsanforderung eines zentralen Regelkreises des Verbundes der Verbraucher die Leistungsaufnahme der einzelnen Verbraucher und des Verbundes der Verbraucher durch eine phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Verbraucher bzw. mehrerer Verbraucher reduziert wird. Dies geschieht dadurch, daß vom lokalen Regelkreis der Zeitpunkt des Ein- bzw. Ausschaltens einer Heiz- oder Kühleinheit in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur und der Temperaturphasenlage der momentan gesteuerten Verbraucher und deren in Bezug auf den Phasenwinkel zu erwartenden Leistungsaufnahme berechnet wird, wobei berechnete Referenzparameter bei Einhaltung zentral vorgegebener Sollparameter berücksichtigt werden.

Auf diese Weise wird erreicht, daß - erläutert am Fall eines geheizten Verbrauchers oder eines Verbundes geheizter Verbraucher - die Heizphasen der verschiedenen Heizeinheiten, zeitlich optimal verteilt sind. Im Fall eines Verbrauchers mit zwei Heizeinheiten, wie beispielsweise einer Presse mit einer oberen und einer unteren Heizfläche, werden in der Regel die Heizphasen durch einen diesem Verbraucher zugeordneten lokalen Regelkreis derart verschoben, daß immer nur eine oder keine der beiden Heizeinheiten in Betrieb ist. Somit kann die maximale Leistungsaufnahme des Verbrauchers, wenn die Leistung der beiden Heizeinheiten gleich ist, um etwa 50% gegenüber einem herkömmlichen Verfahren, bei dem beide Heizeinheiten gleichzeitig in Betrieb sein können, reduziert werden. Bei einem Verbund von Verbrauchern regelt der zentrale Regelkreis die zeitliche Lage der Heiz- und Ruhephasen der verschiedenen Verbraucher derart, daß in eine Ruhephase eines Verbrauchers eine Heizphase eines anderen Verbrauchers fällt. Dazu wird der zentrale Regelkreis mit Informationen über den Leistungs bedarf jedes Verbrauchers versorgt. Der zentrale Regelkreis verwaltet die Gesamtleistungs ressourcen und verteilt die Leistungsanforderungen der lokalen Regelkreise zeitlich so, daß die aufgenommene Gesamtleistung möglichst gering ist bzw. einen bestimmten vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

Es kann beispielsweise vorkommen, daß es zwingend erforderlich ist, daß beide Heizeinheiten der oben erwähnten Presse gleichzeitig eingeschaltet sind. Der erhöhte Leistungsbedarf in diesem Ausnahmefall wird durch den zentralen Regelkreis dadurch bezogen auf alle Ver braucher ausgeglichen, daß einer oder mehrere andere Verbraucher in ihrer Leistungsaufnahme zwar reduziert werden, jedoch die zu regelnden Temperaturen nicht unter die unteren Grenzwerte absinken. Damit der zentrale Regelkreis entsprechende Steuerungen durchführen kann, sind charakteristische Parameter jedes Verbrauchers in einer Konfigurationsdatei gespeichert, auf die der zentrale Regelkreis Zugriff hat.

Zusätzlich zur zeitlichen Verteilung der Heizphasen regelt der zentrale Regelkreis die zeitliche Verteilung der Aufheizphasen und die Vorgabe der Temperatursollwerte der Verbraucher, und er führt eine Überwachung hinsichtlich der Temperaturwerte durch.

Es kann auch vorgesehen sein, daß der zentrale Regelkreis zusätzlich den Leistungsbedarf von nicht durch dieses Verfahren bezüglich ihrer Leistungsaufnahme geregelten Verbrauchern berücksichtigt, indem die Leistungsaufnahme der geregelten Verbraucher entsprechend dem Bedarf der ungeregelten Verbraucher reduziert bzw. bei Bedarfsfortfall erhöht wird. In diesem Fall verwaltet der zentrale Regelkreis den Leistungsbedarf der ungeregelten Verbraucher mit. Läuft zum Beispiel ein großer Motor an, steuert der zentrale Regelkreis die regelbaren Verbraucher so, daß bei diesen der für den Motor benötigte Leistungsbedarf eingespart wird.

Als reine Sicherheitsmaßnahme kann die erfindungsgemäße phasenverschoben Temperatur regelung auch parallel zu einer herkömmlichen Temperaturregelung geschaltet sein.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Zeichnungen von Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Regelkreise und Temperaturregler;

Fig. 3 ein Datenmodell eines lokalen Regelkreises und Temperaturreglers;

Fig. 4 ein Blockdiagramm der Steuerung eines geheizten Verbrauchers.

Fig. 1 erläutert den Temperaturverlauf eines ersten und eines zweiten geheizten Elements und die Leistungsaufnahme zweier zugehöriger Heizkreise A und B, die jeweils Bestandteile ein und desselben Verbrauchers oder auch verschiedener Verbraucher sein können. Auf den Ab zissen der Diagramme in Fig. 1 ist jeweils die Zeit aufgetragen. In Fig. 1a ist ein Abschnitt eines Temperaturverlaufs 1 des ersten Elements dargestellt, dessen angestrebte Temperatur die mit "Soll" bezeichnete Soll-Temperatur ist. Zum Zeitpunkt t₁ hat die Temperatur einen unteren Grenzwert UG erreicht, der nicht unterschritten werden darf. Daher wird der Heizkreis A eingeschaltet, und es erfolgt eine Aufheizung des ersten Elements bis dessen Temperatur einen oberen Grenzwert OG erreicht hat, der nicht überschritten werden darf, so daß der Heizkreis A zum Zeitpunkt t₂ abgeschaltet wird. Wenn das Element wieder auf die Temperatur UG abgekühlt ist (zum Zeitpunkt t₄) wird der Heizkreis A erneut eingeschaltet, usw. In Fig. 1c ist der entsprechende Lastgang des Heizkreises A dargestellt, d. h. auf der Ordinate ist die Lei stungsaufnahme des Heizkreises A aufgetragen. Die Leistungsaufnahme des Heizkreises A hat den mit 2 bezeichneten Verlauf.

In den Fig. 1b und 1d sind ein Abschnitt eines Temperaturverlaufs 3 des zweiten geheizten Elements bzw. der Lastgang des zugehörigen Heizkreises B mit dem Verlauf 4 dargestellt. Auch der Temperaturverlauf 3 besitzt als Mittelwert die Soll-Temperatur "Soll" und wird durch die Temperaturwerte UG, OG begrenzt. Diese Werte sind in diesem Beispiel zwar bei beiden Elementen jeweils dieselben, sie können jedoch natürlich auch verschieden sein. Indem der Temperaturverlauf 3 phasenverschoben zum Temperaturverlauf 1 geregelt wird, d. h. die Temperatur des zweiten Elements den oberen Grenzwert OG beispielsweise zum Zeitpunkt t₁ und den unteren Grenzwert UG zum Zeitpunkt t₂ einnimmt, und durch eine geeignet gewählte Heizleistung dafür gesorgt wird, daß die Heizphasen des einen Heizkreises nicht länger als die Ruhephasen des anderen Heizkreises sind, wird erreicht, daß der Heizkreis B nur dann einge schaltet sein muß, wenn Heizkreis A ausgeschaltet ist. So erreicht die Temperatur des zweiten Elements bereits zum Zeitpunkt t₃, also bevor die Temperatur des ersten Elements erneut auf den unteren Grenzwert UG abgesunken ist, den oberen Grenzwert OG. Fig. 1e zeigt die Addition beider Lastgänge A und B, die den Leistungsaufnahmeverlauf 5 ergibt. Es ist ersichtlich, daß die Leistungsaufnahme beider Lastgänge zusammen, unter Vernachlässigung der Grundlastniveaus, zu keinem Zeitpunkt höher als die der einzelnen Lastgänge ist, die Lei stungsaufnahme zeitlich also optimal verteilt ist. Herkömmlich hingegen werden die Heizkreise unabhängig voneinander geschaltet, so daß nach dem Zufallsprinzip auch beide Heizkreise gleichzeitig eingeschaltet sein können, womit eine doppelt so hohe Gesamtleistungsaufnahme wie die maximale in Fig. 1e dargestellte Gesamtleistungsaufnahme erfolgt.

Zur erfindungsgemäßen Temperaturregelung eines Verbundes geheizter bzw. gekühlter Ver braucher sind lokale Regelkreise, die jeweils einem Verbraucher zugeordnet sind, und ein zentraler Regelkreis vorgesehen. In Fig. 2 ist schematisch die Verknüpfung von Einheiten 6 bis 10 aus lokalen Regelkreisen 6' bis 10' und Temperaturreglern 6'' bis 10'' der einzelnen Verbraucher (nicht gezeigt) und einem zentralen Regelkreis 11 dargestellt. Über eine Daten leitung 12 sind die lokalen Regelkreistemperaturregler-Einheften 6 bis 10 (im folgenden kurz lokale Regeleinheiten genannt) mit dem zentralen Regelkreis 11 verbunden.

Die einzelnen lokalen Regeleinheiten 6 bis 10 regeln die Temperatur eines geheizten bzw. gekühlten Elements oder wenn vorhanden mehrerer jeweils geheizter bzw. gekühlter Elemente jeweils eines Verbrauchers. Im Fall mehrerer solcher Elemente eines Verbrauchers sorgt der zugehörige lokale Regelkreis für eine phasenverschobene Ansteuerung der zugehörigen Heiz- bzw. Kühleinheiten nach dem anhand Fig. 1 erläuterten Prinzip, so daß die maximale Lei stungsaufnahme des Verbrauchers möglichst gering bleibt. Der zentrale Regelkreis 11 führt eine Lastgangarchivierung und Gesamtlastüberwachung des Verbundes der Verbraucher durch führt und überwacht die lokalen Regelkreise und steuert sie an. Aufgrund einer unten näher erläuterten Analyse vorgegebener, gemessener und berechneter Daten führt der zentrale Regelkreis 11 eine zeitliche Lastverteilung bezüglich der lokalen Regeleinheiten 6 bis 10 so durch, daß die maximale Gesamtleistungsaufnahme des Verbundes möglichst gering bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß der zentrale Regelkreis 11 die Lastaufnahmeintervalle der einzelnen Verbraucher phasenverschoben festlegt, so daß gleichzeitig immer nur so wenige Verbraucher, wie es unter Einhaltung vorgegebener Prozeßanforderungen möglich ist, Leistung aufnehmen.

Fig. 3 zeigt exemplarisch eine lokale Regeleinheit, die in dieser Figur ebenfalls mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist, und ferner blockdiagrammartig Daten und Befehle, die an die lokale Regeleinheit 6 gerichtet sind oder von ihr ausgegeben werden.

Die lokale Regeleinheit 6 erhält Daten aus einer an einem geheizten Element vorgenommenen Temperaturerfassung 13. Ferner erhält die lokale Regeleinheit 6 Parameter aus einer internen Referenzparameterliste 14. Zu diesen gehören als variable Parameter Angaben über eine Auf heizphase des Elements, insbesondere deren Dauer, ferner über die Heizphase und die Ruhephase, und die Werte der Heizleistung und des Temperaturverlusts in Grad Celsius pro Sekunde. Diese variablen Parameter kann die lokale Regeleinheit 6 verändern. Nicht variabel, sondern vorgegebene Parameter in der internen Referenzparameterliste 14 sind eine untere und eine obere Regelgrenze, d. h. die Temperaturwerte, bei denen der zugehörige Heizkreis einge schaltet bzw. ausgeschaltet wird, ferner eine obere und eine untere Alarmgrenze und eine Bereitschaftstemperatur, die einzuhalten ist, wenn der Verbraucher eine Zeitlang nicht in Betrieb ist. An den zentralen Regelkreis gibt die lokale Regeleinheit 6 eine Reihe von Meldungen 15 ab, zu denen Daten über die Leistungsanforderung des zugehörigen Ver brauchers, die Ist-Temperatur des Elements und gegebenenfalls Alarmmeldungen zählen. Vom zentralen Regelkreis erhält die lokale Regeleinheit 6 wiederum Befehle 16. Diese können eine Reduzierungsanweisung hinsichtlich der Leistungsaufnahme, beispielsweise eine Reduzierung der Heizleistung betreffen, ferner ein Umschalten in oder aus dem Bereitschaftsmodus, welcher dann vom zentralen Regelkreis vorgegeben werden kann, wenn ein anderer Verbraucher, möglicherweise ein nicht vom zentralen Regelkreis geregelter, überdurchschnittlich viel Energie benötigt. Ähnlich kann der zentrale Regelkreis auch sogar eine Abschaltung des Verbraucher anordnen. Darüberhinaus erhält der lokale Regelkreis 6 vom zentralen Regelkreis Befehle hinsichtlich Betriebsanforderungen, die aus den Gesamtbedingungen des Verbundes resultieren, und weitere Grenzwerte und Vorgaben, die die phasenverschobene Regelung betreffen, aber auch Sollwertvorgaben. Die lokale Regeleinheit 6 nimmt auf der Grundlage der beschriebenen Daten und Befehle eine Heizkreissteuerung 17 vor.

In Fig. 4 sind schematisch die dabei wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Nach erfolgter Meßwerterfassung 18 führt die lokale Regeleinheit einen Vergleich 19 der dabei ermittelten Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur durch, wobei überprüft wird, ob die Ist-Temperatur zwischen den vorgegebenen Grenzwerten liegt. Diese sind innerhalb Referenzparametern 20 abgespeichert. Liegt die Ist-Temperatur zwischen den Grenzwerten, so legt die lokale Regeleinheit eine Phasenverschiebung 21 für die Heizkreissteuerung 22 fest. Zur Festlegung der Phasenverschiebung erhält die lokale Regeleinheit von dem zentralen Regelkreis Angaben über von diesem berechnete und überwachte Schaltzeiten 23. Diese Schaltzeiten werden in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur, der Phasenlage der momentan gesteuerten Verbraucher und deren Leistungsaufnahme berechnet, die aufgrund des Phasenwinkels, d. h. des Temperaturanstiegs pro Zeiteinheit, zu erwarten ist. Dabei berücksichtigt der zentrale Regelkreis berechnete Referenzparameter 20 und vorgebene Soll parameter. Die Heizkreissteuerung 22 wird mit der festgelegten Phasenverschiebung 21 durchgeführt, wobei der Heizkreissteuerung 22 wie in diesem Fall eine Sicherheitsschaltung 24 übergeordnet sein kann, die dann eingeschaltet wird, wenn eine obere oder eine untere Alarmgrenze überschritten wird. Ähnlich wird der Schritt der Phasenverschiebung umgangen, wenn sich bei dem Vergleich 18 von Soll- und Ist-Temperartur eine Alarmgrenzwert überschreitung 25 zeigt. Dann wird die Heizkreissteuerung 22 unmittelbar vorgenommen. Von der Heizkreissteuerung 22 erfolgt stets eine Rückmeldung an die Schaltzeitüberwachung 23.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß bei dem zentralen Regelkreis ein Computer (z. B. ein PC) und bei den lokalen Regeleinheiten Mikro prozessoren eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Leistungsaufnahmeoptimierung eines Verbundes elektrisch geheizter bzw. gekühlter Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß durch lokale Regelkreise in Abhängigkeit von der Reduzierungsanforderung eines zentralen Regelkreises des Verbundes der Ver braucher, durch eine Berechnung der Schaltzeit in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur und der Phasenlage der momentan gesteuerten Verbraucher und deren in bezug auf den Phasenwinkel zu erwartenden Leistungsaufnahme, unter Berücksichtigung von berechneten Referenzparametern bei Einhaltung zentral vorgegebener Sollparameter, die Leistungsaufnahme der Verbraucher und des Verbundes der Verbraucher durch eine phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Verbraucher bzw. mehrerer Verbraucher geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Regelkreis zusätzlich den Leistungsbedarf von nicht bezüglich ihrer Leistungsaufnahme geregelten Verbrauchern berücksichtigt, indem die Leistungsaufnahme der geregelten Verbraucher entsprechend dem Bedarf der ungeregelten Verbraucher reduziert bzw. bei Bedarfsfortfall erhöht wird.