PT803956E - Processo e sistema para optimizacao e gestao no consumo de uma energia electrica em instalacoes industriais - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO E SISTEMA PARA OPTIMIZAÇÃO E GESTÃO DO CONSUMO DE UMA ENERGIA ELÉCTRICA EM INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS"

Processo e sistema para a optimização e gestão do consumo de uma energia eléctrica em instalações industriais. A invenção refere-se a um processo para a optimização e a gestão do consumo de energia eléctrica em instalações industriais, de acordo com as características da reivindicação 1. A invenção refere-se ainda a um sistema, que apresenta os meios para a execução desse processo.

Particularmente nas instalações de produção é necessária, para o sucesso da instalação, uma disponibilidade tão elevada quanto possível da capacidade de produção existente. Dado que as instalações necessitam geralmente de energia eléctrica para o desenvolvimento da produção, é desejável uma redução orientada para o consumo dos custos da energia.

Geralmente, a energia eléctrica para instalações industriais é distribuída de acordo com contratos estabelecidos com empresas de fornecimento de energia (EVU) (de Energie-Versorgungsuntemehmen), em que os custos da corrente se conjugam como preços de trabalho, por um lado, e preços de potência, por outro. O preço de trabalho compreende a energia efectivamente consumida, enquanto que o preço de potência se dirige à disposição temporal da energia eléctrica na rede de distribuição. O máximo da potência eléctrica deve também scr disponibilizado pela EVU, quando aquela, possivelmente apenas esporadicamente e em curtos períodos de tempo, seja consumida.

Do estado da técnica são conhecidos sistemas cujo objecto é controlar os chamados picos de carga" Dc acordo com a “claktrische energie technik" 33, N° 6 (1988), págs.

16. 18 as potências compradas da energia podem ser estabelecidas por meio de uma calculadora e ser adaptadas às necessidades de energia de um consumidor isolado através de ligação e/ou desligamento pontuais.

Da ETZ 1988, caderno 5, págs. 210 a 214 é conhecido um processo para a redução dos custos da energia através de uma técnica de regulação e circulação da energia, na qual são analisadas, entre outras coisas, as potências compradas da energia. Estão previstos especialmente para isso aparelhos destinados à regulação da energia com computadores pessoais. É aí descrito em pormenor que ,num circuito de regulação, um regulador determina a potência comprada medida e emite a correspondente ordem de colocação para a ligação e o desligamento dos consumidores através da instalação de controlo do circuito. Além disso é fornecido pela DE 34 26 542 C2 uma teoria técnica, para a potência contratada ser atingida no consumidor e ser desligada mediante determinados pressupostos.

Em “elektrotechnik", 73, caderno 12 (1991), fils 18 a 20 bem como na atp -Automasierungstechnische Praxis 36 (1994), caderno 11, fls. 16 a 35, são descritos sistemas de barra (“bus”) com controlos de memória programável e centrais instaladas a montante. Aqui também o princípio de inteligência pode repartir-se pelos controlos de memória programável e as centrais principais, de forma centralizada ou descentralizada. Não existe aqui uma compra directa para gestão da energia. Finalmente, da DE 44 34 533 AI é conhecido um transformador digital de campo de dados, que vantajosamente está previsto para ser introduzido nos sistemas de gestão e de condução de energia. Trata-se aqui essencialmente de conceber de forma adequada, nos diferentes planos, os planos de medição, de controlo e regulação centrais, situados a montante, ou os planos accionador e sensor situados a jusante.

De outros estados da técnica são conhecidos sistcma3 para o desligamento e religamento da carga, com os quais poderão ser minimizados os consumos de energia. Por exemplo, na US 4 620 283 A é descrito um chamado controlador de carga, no qual uma “barra de energia” (power bus) é controlada por intermédio de um microprocessador. Além disso, de acordo com a EP 0 660 486 A, pode scr escolhida a selecção isolada de cargas para a 3 3

gestão da energia ou da carga através de um calculador. Finalmente, é apresentada na brochura de firma “Power Direction - Energiemanagement OPTIMODE” (Doc. Z, 4/93 G 46-2134 FLS/), a análise, controlo e optimização do fluxo de energia em instalações.

Em contrapartida constitui objecto da invenção, com base no referido estado da técnica, o aperfeiçoamento do processo de acordo com a técnica referida e a preparação de um sistema respectivo. 0 objecto é atingido, de acordo com a invenção, através do processo de acordo com a reivindicação 1. Um sistema respectivo, com meios para a execução do processo, é caracterizado na reivindicação 11. Aperfeiçoamentos do processo ou do respectivo sistema são fornecidos em cada uma das reivindicações subordinadas.

Por meio da invenção cada uma das potências de energia compradas é analisada descentralizadamente e com a ajuda de cálculos descentralizados são escolhidos consumidores centrais adequados, que podem ser ligados ou desligados no processo técnico, predeterminado em relação com um dado desenvolvimento do serviço, particularmente a evolução da produção. Por meio da utilização de uma lista de prioridades para o consumidor consegue-se portanto relacionar significativamente a técnica do processo com o desenvolvimento do serviço, especialmente com a evolução da produção. Vantajosamente, a curva da energia comprada é optimizada e é determinado o limite óptimo da potência comprada ou máximo, cujo termo pode ser vigiado continuamente. Com isso é possível uma gestão inteligente da energia, na qual, por um lado não é ultrapassado um limite fixo estabelecido, mas em que, por outro lado, o máximo pode ser completamente esgotado. O respectivo sistema é caracterizado por uma construção de sistema descentralizada, modular e aberta, com pelo menos um controlador dc memória programável estandardizado, destinado à análise decentralizada da potência de energia comprada, um vulgar computador pessoal comercial para a escolha centralizada do consumidor adequado e para a visualização, bem como com pelo menos um sistema de barras para a comunicação de dados e para a ligação dc sensores e comutadores inteligentes. Para isso 4

/ ί é essencial, que na respectiva comunicação de dados, os cálculos possam dar-se nos SPS.

Para a solução de acordo com a invenção são adequados sistemas de barras abertos para a comunicação de dados, em que são utilizados sistemas de barras estandardizados para a transferência de dados, de ou para cada sinal de instalação isolado. São particularmente usadas como sistema de bana instalado a montante a chamada Baira-PROFI e como sistema de barra instalado a jusante a chamada Barra-AS-I.

Por meio da invenção pode conseguir-se, que possam ter de facto sucesso oscilações de carga dentro de um período medido - nas EVU geralmente 15 min; o valor médio não ultrapassa nunca o limite estabelecido. O valor limite é tão oportunamente indicado por intermédio das correspondentes medições, que é influenciado pelo consumidor correspondente através de processos automáticos de ligação e desligamento síncronos com a cadência de V* de hora da EVU. Através da combinação de pelo menos um controlador de memória programável (SPS), pelo menos uma instalação de comutação de pelo menos um comutador de potência e um sistema aberto de serviço e vigilância, não só se pode controlar de maneira óptima o consumo de energia, como ainda constituir uma instalação conjunta capaz de uma comunicação total. Particularmente nas empresas industriais com muitas instalações de produção este sistema de disposição e de gestão da energia oferece também a possibilidade da planificação da produção.

Exemplos de formas de realização da invenção são pormenorizadamente descritos com ajuda dos desenhos. Estes mostram

Fig. 1 uma representação gráfica para esclarecimento dos preços do trabalho, por um lado e dos preços da potência por outro, em instalações industriais com consumo eléctrico,

Fig. 2 um sistema com pelo menos um SPS central para estabelecer o pagamento e pelo menos um SPS descentralizado para estabelecer o consumo, para o controlo segundo o princípio servo-mestre, 5

Fig. 3 as funções do PC apresentado na Fig. 2 para a visualização dos dados,

Fig. 4 as possíveis estruturas de pagamento no PC de acordo com a Fig. 2,

Fig. 5 e Fig. 6 representação gráfica para a avaliação estatística,

Fig. 7 os fluxos de energia numa instalação industrial com instalações de produção isoladas como consumidores eléctricos e

Fig. 8 a construção de um sistema respectivo.

No diagrama de acordo com a Fig. 1 é aplicada a potência eléctrica necessária, vinda de uma empresa industrial para uma instalação de produção, em função do tempo. Do seu todo resulta um gráfico 1 com oscilações, as quais reproduzem a potência efectivamente necessária. Está também registado o limite de pagamento de energia 2, que é definido com a EVU através de cada um dos respectivos contratos existentes. A energia eléctrica é geralmente estabelecida pelo cliente através de um preço de trabalho, com o qual é paga a energia consumida e, por outro lado, através de um preço de potência, com o qual é remunerada a disposição temporal de energia. Para isso é particularmente adequada a chamada tarifa máxima. Este último máximo compreende a potência média mais elevada que um cliente de uma EVU tenha apresentado dentro de um período de tempo de leitura. Uma condição limite para uma regulação optimizada do consumo de energia é manter-se sempre abaixo do máximo, a fim de evitar o perigo de ultrapassagens.

Para o consumidor individual optimizar o consumo da energia é essencial, encontrar para tal um máximo óptimo. Para isso realiza-se uma medição do total da potência comprada, da qual resultam as curvas 1 da Fig. 1, com altos e baixos. A meta de todos os processos de gestão da energia é portanto eliminar tanto quanto possível os altos e baixos da curva 1 da Fig. 1.

Com esta última finalidade é essencial procurar atenuar junto dos consumidores, que possuam instalações adequadas, as oscilações na compra de energia. Eles são adequados quando podem ser ligados ou desligados, quando necessário, sem influência negativa na evolução da produção. Para isso os consumidores são geralmente ordenados numa lista de prioridades. Uma tal lista coordena os consumidores, ao mesmo tempo que os ordena, sob o ponto de vista do processo técnico, numa determinada categoria.

Para poder julgar a curva conjunta de energia paga, é preciso ainda que seja analisada a distribuição do fluxo de energia numa instalação. Por meio disso alcança-se uma transparência da estrutura das necessidades de energia da instalação, a qual permite, à partida, efectuar as desejadas operações. São assim determinadas as energias que são compradas por distribuições isoladas e/ou consumidores com conjuntos das instalações.

Na Fig. 2 está presente um primeiro SPS 21, que serve para determinar o pagamento da energia. Estão também presentes os SPS 22 e 23, que servem para determinar o consumo e os controlos necessários. Os programas necessários para isso estão, em cada uma delas, indicados por unidades 24. Os SPS 21, 22 e 23 trabalham segundo o conhecido princípio servo-mestre e estão ligados uns aos outros por meio de condutores de comunicação de dados 25, por exemplo um sistema de barras industrial. Para a visualização é proporcionado um computador pessoal com programas. Este funciona, por exemplo, com um sistema de serviço Standard, como seja o WINDOWS NT ou o WINDOWS 95. O PC 26 serve para a visualização e avaliação dos dados e para o seu arquivamento. Além disso estão genericamente ordenados nele parâmetros de trabalho. Uma visão das funções concretas do PC 26 da Fig. 2 retira-se da representação protocolar de acordo com a Fig. 3. Isoladamente cada um dos blocos A, B, C e D significa funções isoladas que podem ser apresentadas ou chamadas cm separado ou em combinação.

Na Fig. 4 são fornecidas as funções de pagamento na visualização do PC 26 da Fig. 2. Com elas é fornecido um plano estrutural para os programas utilizados. Os blocos de programas isolados podem ser fornecidos uma vez ou então 1 a n vezes. Isoladamente o 7 bloco 29 significa o pagamento, que é influenciado pelo bloco 30 correspondente ao pagamento do contrato e pelo bloco 40 que corresponde a uma avaliação estatística. O pagamento do contrato de acordo com o bloco 30 é influenciado pelos blocos 31 com a representação da potência paga ou do trabalho pago, pelo bloco 36 com a definição do pagamento, pelo bloco 37 com a definição da tarifa e pelo bloco 38 com a definição da alimentação. Sobre o bloco 31 actuam o bloco 32 com a curva de potência, o bloco 33 com a curva de trabalho, o bloco 34 com suporte da potência e o bloco 35 com o suporte de trabalho. A definição da alimentação de acordo com o bloco 38 é influenciada pela representação dos valores medidos. Finalmente, o bloco 41, com o intervalo de tempo e/ou o bloco 42 com a representação de banda, são significativos para a avaliação estatística correspondente ao bloco 40.

As vantagens da avaliação estatística de acordo com o bloco de programa 40 da Fig. 4 são dadas isoladamente por intermédio das Fig. 5 e Fig. 6. A avaliação estatística é executada como um diagrama de potência. Sob a restrição de um tempo de funcionamento mínimo e de um tempo de paragem mínimo calcula-se quanta potência pode ainda ser desligada ou ligada dentro do intervalo de tempo e quanta potência pode ainda ser desligada ou ligada para além do intervalo de tempo.

No diagrama de potência de acordo com as Figs. 5 e 6 as linhas horizontais 2 representam o limite de potência comprada de acordo com a Fig. 1, o gráfico 51 a potência paga actual, o gráfico 52 a potência que ainda se pode ligar e o gráfico 53 a potência que ainda se pode desligar. O gráfico 54 representa a carga de base, a qual não é influenciada pelo programa. São especialmente indicadas na Fig. 6, a potência que ainda se pode ligar, correspondente ao gráfico 52 e a potência que ainda se pode desligar, correspondente ao gráfico 53 sobre o limite de acordo com a linha limite 2. Os planos entre esses dois gráficos representam as regiões de controlo ou regulação da fiscalização do pagamento da energia. A carga de base 54 calcula-se na Fig. 5 a partir do valor actual comprado, descontado da potência de todos os grupos de consumidores que se podem ligar, bem como descontado da potência actual dos consumidores regulares. Conforme se disse, a própria carga de base não é influenciável.

Por meio da análise acima referida o máximo óptimo é definido e fixado como limite de potência comprada. Este limite não é ultrapassado e é periodicamente vigiado. Dentro do período é ciclicamente determinado o valor médio da potência efectivamente comprada e permanentemente comparado com o limite comprado estabelecido. Se o valor subir muito, os consumidores previstos na análise em correspondência com a sua posição na lista de prioridades, são desligados. Se, pelo contrário, a vigilância periódica, indicar que o contingente de energia ainda contém um resto de potência preparado para utilização, existe a possibilidade de ligar segundo as necessidades consumidores adequados. O controlo coordena o processo de ligação, sempre com a ajuda de uma lista de prioridades. A partir da Fig. 7 transparecem os fluxos de energia. Colocados a seguir à compra, encontram-se ligados a diferentes níveis, contadores de potência unitários 71 a 76. A distribuição é distinta a partir dos diferentes níveis , pelo que podem ser proporcionadas unidades de contagem inteligentes. Os consumidores 77 e 78 encontram-se ligados a seguir.

Para a execução do processo descrito é necessário um sistema, que contenha uma determinação do pagamento, um controlo dos consumidores, uma lista de execução das ligações, uma medição da distribuição, uma medição do consumo e eventualmente uma ordenação de apresentação dos custos. Para isso é escolhida, de acordo com a Fig. 8, uma construção aberta, modular e descentralizada do sistema. Com essa finalidade é essencial que a permuta de dados se eíectue através dc pontos dc corte estandardizados, que são adaptáveis ao sistema de acordo com as necessidades e que os elementos isolados do sistema estejam ligados uns aos outros através de barras normalizadas.

Na Fig. 8 são apresentados os SPS 21 a 23, já explicados por meio da Fig. 2, que servem da maneira descrita para a determinação dos preços bem como para a determinação do consumo e o controlo da potência eléctrica fornecida pela EVU, não indicada em pormenor, e o PC 26 para a visualização. Este último está, por exemplo, ligado a outros PC 26’ por meio de um servidor 28, para o qual é utilizado, como é conhecido, um chamado sistema de etemet. Além disso o número de referência 100 indica a chamada barra-PROFI (Process-Field Bus [Barra de processamento de campo]) como sistema de barra situado a montante e o número de referência 200 indica a chamada Barra-AS-I (Actuator Sensor /nter/õce[Interface do Sensor Accionador]) como sistema de barra situado a jusante. Por exemplo, um primeiro comutador de potência inteligente 150 encontra-se ligado à barra - PROFI100 e os sensores 100 bem como um outro comutador de potência 250 e/ou interruptor de carga 260 está ligado à barra- AS-I. Através da ligação da barra AS-I 200, através de um conversor adequado 300, à barra PROFI 100 consegue-se uma total compatibilidade dos diferentes sistemas de barra.

Através do sistema de barra denominado barra - PROFI 10 podem transferir-se condições de serviço e instalações de parâmetros, particularmente informações partilhadas do comutador de potência inteligente 150 para o controlo do SPS 21. O interface AS instalado a jusante permite, como segundo sistema de barra 200, determinar o sensor 240, e o comutador de potência 260 específicos quanto à utilização. Com isso o sensor 240, o comutador de potência 250 e o interruptor de carga 260 com uma verificação electrónica de segurança, recebem a entrada no conjunto de comunicação.

Juntamente com a barra PROFI 100 e a barra AS-I 200 é também construída uma instalação de baixa tensão que permite uma comunicação total, através da qual são integrados no sistema, por exemplo, aparelhos de contagem, aparelhos de comutação e aparelhos sensores com pontos de corte inteligentes.

No sistema descrito com ajuda da Fig. 8 podem ser particularmente representados dados obtidos do comutador inteligente 150, por exemplo o consumo médio de corrente, a condição de serviço do comutador de potência, o número de comunicações de aviso, um aviso de elevação de temperatura, simetrias de fase ou causas de desligamento por meio de pontos de perturbação e assim contribuir para os eliminar o mais rapidamente possível. A recepção da carga e o envio da carga são funções de controlo já integradas no interruptor de alta tensão do comutador de potência, que produzem os chamados números de prontidão correspondentes para o processo descrito.

Com o sistema de acordo com a Fig. 8 podem descobrir-se, num comutador de potência em ligação com outros aparelhos de comutação que dispare, os respectivos pontos de perturbação. Deste modo é constituída uma eficiente gestão do consumo da energia.

Especialmente para instalações de produção é também possível, através da gestão do consumo de energia, uma planificação eficaz do produto. O prazo de acabamento de um produto pode alongar-se por um grande espaço de tempo. Nesse espaço de tempo o acabamento do produto não pode ser simplesmente interrompido sem prejuízo da qualidade. Devido a estes dois pressupostos tem sentido controlar de tal maneira o acabamento dos produtos, que a energia precisa necessária se mantenha aproximadamente igual ao longo do dia.

Com a fixação de um produto a produzir cai simultaneamente uma afirmação através do preço da energia. Quanto mais produtos estejam em produção, menos possibilidades existem de determinar livremente a energia comprada ou influenciar o preço da energia. Apenas existe uma possibilidade de intervenção na soma das regiões de regulação por produto, pelo que o sistema descrito pode ser vantajosamente instalado.

Lisboa, 25 SET. 2001

Dra. Maria FHvina Fcrreira

Agonia Oí'.’. ; ' .: )-,·: _.J- x.LòOOA T-elefs. 215 co I LO - 2133150 50

Claims (19)

1

REIVINDICA ÇÕES 1. Processo para a optimização e para a gestão do consumo de energia eléctrica em estabelecimentos industriais, particularmente em estabelecimentos de produção, em que para o funcionamento da instalação, particularmente a evolução da produção, são medidas, por um lado, uma potência comprada conjunta como energia por unidade de tempo e por outro lado, potências compradas específicas para o consumidor e a partir disso são determinados a ligação e/ou desligamento de consumidores isolados durante o funcionamento da instalação, particularmente a evolução da produção, caracterizado por, a potência de energia comprada de cada um ser descentralizadamente analisada e por, com a ajuda de calculadores descentralizados, serem escolhidos consumidores adequados, os quais podem ser ligados ou desligados, por processos técnicos predeterminados em cooperação com o funcionamento da instalação, particularmente a evolução da produção.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser utilizada uma lista de prioridades para os consumidores.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a lista de prioridades ser utilizada para coordenar o processamento técnico de consumidores adequados.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a curva dc compra de potência ser optimizada e ser determinado um limite ou máximo de compra de potência.

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a manutenção do limite ou máximo de potência comprada ser continuamente vigiado.

6. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por as potências compradas serem determinadas e avaliadas estatisticamente.

7. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os consumidores adequados ao processo técnico serem ligados segundo a ordem de posição na lista de prioridades.

8. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o consumidor ser ligado ou desligado por meio de um comutador controlável.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por ter lugar uma comunicação de dados decentralizada.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por os dados serem permutados por meio de redes de comunicação existentes.

11. Sistema com meios para optimização e para gestão do consumo de energia eléctrica em instalações industriais, especialmente em instalações de produção, em que são medidas para a execução de um serviço, particularmente para a evolução da produção, uma potência comprada conjunta como energia por unidade de tempo, por um lado, e potências compradas específicas quanto ao consumidor, por outro lado e a partir daí é determinado o consumidor isolado a ligar e/ou desligar durante a evolução do serviço, particularmente a evolução da produção, caracterizado por a energia comprada por cada um ser analisada descentralizadamente e com a ajuda de calculadores descentralizados ser escolhido centralmcntc qual o consumidor adequado, que no processo técnico predeterminado em cooperação com a evolução do serviço, particularmente a evolução da produção, pode ser ligado ou desligado, e através de uma construção descentralizada, modular e aberta do sistema, com pelo menos um controlador de memória programável (21, 22, 23) para a análise descentralizada da potência da energia comprada, um computador pessoal comum (26,26’) para a avaliação centralizada do consumidor adequado e para a visualização, bem como pelo menos um sistema de barra (100, 200) para a comunicação de dados e para a ligação de sensores inteligentes e comutadores (150, 250, 260).

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o sistema de barra estandardizado (100, 200) existente ser para a transferência de dados de ou para cada um dos sinais de instalações isoladas.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por, como sistema de barra instalado a montante (100) ser usada a chamada barra - PROFI e como sistema de barra (200) a chamada barra - AS-I.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a barra de sistema (100) estar ligada directamente a um correspondente comutador de potência inteligente (150).

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por à barra de sistema instalada a jusante (200) estarem ligados comutadores inteligentes (250,260).

16. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por, a barra de sistema (200) estar ligada através do conversor (300) à barra dc sistema (100) instalada a montante. 4 \

17. Sistema de acordo com uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado por os programas utilizados funcionarem com sistemas de serviço Standard, especialmente WINDOWS NT ou WINDOWS 95.

18. Sistema de acordo com uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado por os programas serem construídos sobre bancos de dados aptos para SLQ, particularmente o ACCESS.

19. Sistema de acordo com uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado por os programas trabalharem com a linguagem nominal, modular e orientada para o objecto STEP-7. Lisboa, 2 6 SET. 2001

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