WO2023168471A1 - Method of controlling a thermal energy supply network - Google Patents

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WO2023168471A1
WO2023168471A1 PCT/AT2023/060045 AT2023060045W WO2023168471A1 WO 2023168471 A1 WO2023168471 A1 WO 2023168471A1 AT 2023060045 W AT2023060045 W AT 2023060045W WO 2023168471 A1 WO2023168471 A1 WO 2023168471A1
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customer
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data
data processing
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PCT/AT2023/060045
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Günther Beck
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Beck & Partner Kg
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    • G06Q50/00Systems or methods specially adapted for specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06Electricity, gas or water supply

Definitions

  • the invention relates to a computer-implemented method for detecting and eliminating anomalies in a thermal energy supply network, in particular undersupply conditions on the consumer side, which are caused, for example, by the use of load limitations.
  • Such energy supply networks generally include at least one energy source, which is connected via a distribution network to at least one transfer station of at least one customer. At the transfer station, the energy is transferred from the primary distribution network to a secondary distribution network (consumption network).
  • Load control methods are known for such energy supply networks, in which the energy supply to individual consumers is temporarily reduced or interrupted without resulting in a noticeable reduction in comfort for the user (so-called Demand Side Management, DSM).
  • Load peaks can be reduced by deliberately shifting the time of the consumers (load shifting) or by limiting the possible consumption capacity of individual consumers.
  • the sum of the loads in the primary network is limited by partially limiting the output of selected consumers.
  • the technical implementation of the DSM can be done by using a temperature shift of the set point calculated by the controller. Another method is to directly specify the set point (usually secondary to the flow temperature) by overwriting the controller result.
  • the performance of the controller can also be temporarily limited by setting a limit from the maximum performance (set on the controller).
  • triggering a buffer or hot water tank charging process or blocking one This triggers additional load or prevents load due to hot water demand.
  • Such procedures are usually based on monitoring individual indicators of the customers and apply statistical relationships to shed or shift burdens. For example, the provision of hot water can be reduced at certain times of the day. This is well suited for large customers such as factories, hotels or office buildings, but has its limits for small units, especially private households, as such small units have a much higher statistical fluctuation range.
  • the object of the invention is to provide a method and a device in order to detect and eliminate such anomalies, in particular the undersupply conditions described, at an early stage and to increase the intensity and efficiency of the use of load management.
  • a method according to the invention is designed to detect and eliminate anomalies, in particular undersupply conditions, in a thermal energy supply network, for example during the use of load limitations on the consumer side.
  • the method can also be used in other situations, for example to identify bottlenecks or when loads for a specific customer need to be reduced in favor of another customer. Any deviations from the normal state of the energy supply network can be described as an anomaly;
  • the invention is therefore not limited to the use of DSM.
  • a thermal energy supply network for using the method has at least one thermal energy source, which is connected to at least one transfer station of at least one customer via a primary distribution network for distributing a medium, for example water.
  • a number i 1, 2, ..., N consumers can be provided in the energy supply network.
  • the transfer station is used to transfer energy from the primary distribution network to the secondary distribution network, for example into a house distribution network for heat or cold.
  • the transfer station includes a heat exchanger, at least one valve and at least one regulator that regulates the temperature and/or the flow of the medium.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • a measurement is carried out by a large number of sensors of current measurement data M i and a determination, by the controller, of current operating states B i of the customer i, as well as a transmission of the measurement data M i and operating states B i to a data processing unit.
  • the data can be transmitted via a wired or wireless interface, in particular via an Internet router.
  • it can be an Internet router that is integrated into the controller.
  • the data processing unit can be designed as a microcontroller or microcomputer and a central processing unit (CPU), a volatile semiconductor memory (RAM), a non-volatile semiconductor memory (ROM, SSD hard drive), a magnetic memory (hard drive) and / or an optical memory (CD ROM) as well as interface units (Ethernet, USB) and the like.
  • CPU central processing unit
  • RAM volatile semiconductor memory
  • ROM non-volatile semiconductor memory
  • ROM magnetic memory
  • CD ROM optical memory
  • the data processing unit queries a database and extracts at least one classification model K i assigned to the customer.
  • the database can be provided as a software module in the data processing unit, in a computer separate from the data processing unit or in an external server.
  • the components of the data processing unit and database according to the invention are fundamentally known to those skilled in the art.
  • the classification model K i can be any method from the field of machine learning, for example a decision tree generated by special algorithms. These can be machine learning models that allow a prediction (classification) of whether a particular data set is likely to be perceived as an anomaly (particularly as an undersupply). In the simplest case, this is a classification into “OK” and “not OK”, but it is also possible to calculate a numerical probability.
  • a flag that is set triggers the process that is intended to eliminate the anomaly.
  • a probability value is used as a threshold.
  • the basic idea is that a customer-specific learning process is used to arrive at models that provide a forecast as to whether the measurement data M i and operating status data B i at the current point in time for customer i indicate an anomaly, in particular an undersupply.
  • the J48 algorithm can be used, an open source implementation of a C4.5 algorithm (see e.g. Quinlan, C4.5: Programs for Machine Learning, Morgan Kaufmann Publishers, 1993), which can be used to to create a decision tree from a variety of training data that can be used to classify data sets.
  • C4.5 algorithm see e.g. Quinlan, C4.5: Programs for Machine Learning, Morgan Kaufmann Publishers, 1993
  • other supervised or unsupervised machine learning algorithms can also be used to create the classification models.
  • the classification model K i is customer-specific, so that an individual classification model K i is stored in the database for each customer.
  • the selection of the relevant measurement data M i and operating states B i can also be specific for each customer.
  • the data processing unit then applies the selected classification model K i to the current measurement data M i and the current operating states B i of the customer, and determines whether there is an undersupply condition or another anomaly. If an undersupply condition or another anomaly has been detected, a control takes place by sending a data signal F' from the data processing unit, a controller or a control valve in the customer's transfer station to eliminate the undersupply condition or the anomaly.
  • the assessment of whether there is an undersupply condition or another anomaly is not based on a threshold value, but rather by applying a classification model K i created individually for the customer to a data set comprising measurement data M i and operating states B i of the customer or the customer's transfer station .
  • the classification model K i stored individually for each consumer in the database represents the consumer-typical combination of measurement data M i and operating states B i that occur in the event of an anomaly or undersupply for the respective consumer.
  • the undersupply conditions are eliminated, for example, by weakening or canceling an existing load limitation at the customer by sending a changed data signal F' to the transfer station.
  • load management as such, especially for other customers, remains fundamentally unaffected. If the customer is no longer undersupplied, the load limitations that provide for load management in general or for the specific customer automatically become valid again.
  • the classification model K i continuously, preferably at intervals of less than 30 minutes, particularly preferably at intervals of less than 15 minutes, preferably at intervals of 1 minute to 10 minutes, responds to the current measurement data M i and operating states B i des of the customer is applied.
  • classification models assigned to the respective customer are stored in the database.
  • the method steps can be carried out for several classification models K i assigned to the customer.
  • structurally different classification models for the respective customer can be stored in the database, for example a neural network, a decision tree and a linear regression model.
  • the determination of whether an anomaly exists can be made based on a combination of the results of several different classification models K i .
  • an anomaly can be detected if at least two of three classification models used detect an anomaly.
  • any statistical or combinatorial method is conceivable.
  • a majority vote can be used, as can a statistical method in which the results of the models are combined based on their probability to determine the overall probability of error.
  • the classification models use different measurement data as input parameters.
  • the measurement data Mj can be, for example, the flow temperature, the return temperature and the flow of the primary distribution network, the flow temperature, the return temperature and the flow of the secondary distribution network, and / or an outside temperature or an inside temperature.
  • the measurement data M i are transmitted from sensors in the primary and/or secondary distribution network to the data processing unit, for example via an Internet router.
  • the operating states B i can, for example, be the status of a pump or a valve in the customer's transfer station, a current hot water requirement, a flow temperature setpoint, the temperature spread between the primary and secondary distribution network, and/or the grade of the heat exchanger .
  • the operating states B i are preferably transmitted from the controller or another unit in the transfer station to the data processing unit, for example via an Internet router.
  • the database is queried in order to determine those measurement data M i and operating states B i that are relevant for the classification model K i , and subsequently the classification model K i only to the measurement data M i that has been determined to be relevant for the provider and operating states B i is applied.
  • the connection between the classification models K i and the relevant measurement data M i and operating states B i can be stored in the database for this purpose.
  • the invention further relates to a computer-implemented classification model K i for use in a method according to the invention, in particular in the form of a decision tree constructed specifically for this purpose.
  • the classification model is individually adapted to each customer and is stored in a database.
  • the invention further relates to a computer-implemented method for creating an individual classification model K i for use in a method according to the invention.
  • a method according to the invention comprises the following steps: In a first step, receiving a training data set comprising historical measurement data M i ' and operating states B i ' of the customer as well as reference values R, which characterize whether an anomaly, in particular an undersupply state, is present.
  • the measurement data M i ' and operating states B i ' are those data that were collected over time, typically a few months back, but possibly also several years.
  • data from at least 4 to 8 weeks ago is used. Training data from comparison periods in previous years can also be used, for example from the respective month or season in previous years. Combinations are also possible, for example for March 2022 the model based on the historical data from February 2022 can be combined with the historical data from March 2021.
  • the reference values can be a yes/no classification of the training data with regard to the presence of an anomaly, in particular an undersupply. However, it can also be a probability that there is an anomaly, in particular an undersupply, in the relevant training data.
  • a classification model is determined, applied to the training data set, and the results of the classification model K i are received and compared with the reference value.
  • the classification model K i can be any method from the field of machine learning, for example an algorithm for creating a decision tree.
  • the model parameters of the classification model K i are adjusted in order to reduce the difference between the result of applying the classification model K i and the reference value.
  • the steps listed are repeated with the customer's individual training data and reference values until the desired prediction quality is achieved. For example, the training can be repeated until the differences between the results and the reference values remain below a predetermined threshold.
  • the result can also be that the model with the best prediction quality for this customer is selected. Any metric can be used to select the classification model, for example the classification model that delivers results for the customer the fastest can be selected.
  • the individual classification model K i that is most suitable for the customer is stored in a database or in another electronic way, for example in the main memory of the data processing unit, in order to be able to use it later to detect and correct anomalies.
  • the method for creating an individual classification model K i is repeated at certain intervals, for example every 2, 4, or 6 weeks or at the beginning of each season, in order to reflect changes in user behavior.
  • the repetition can be done automatically, for example by running a script on the data processing unit.
  • the classification models K i used and their parameters generally not only differ from building to building, but that the classification models K i can also change over time for one and the same building. This can be explained by changes in user behavior, by changes to the building structure such as thermal insulation, changes in settings and especially by changes over the season (shading, passive solar input, wind).
  • the invention further relates to the use of methods according to the invention for detecting and eliminating anomalies, in particular undersupply states on the customer side, in a district heating network, a district cooling network or a combined district heating and district cooling network.
  • the data processing unit and preferably also the database are integrated into the customer's transfer station or are locally connected to it. This allows the process to operate completely independently, provided the individual classification models have been defined.
  • the data processing unit and preferably also the database are integrated into a control center of the primary distribution network that is connected to the customer's transfer station via the Internet or another data network or is locally connected to it. This means that other customers can also access the control center’s data processing unit.
  • the database is implemented on a server on the Internet to which the data processing unit has access.
  • This can in particular be a cloud server that provides the various classification models for the data processing unit.
  • the invention further relates to a data processing unit comprising means for carrying out a method according to the invention.
  • the invention further relates to a computer-readable storage medium, comprising instructions which cause a data processing unit to carry out a method according to the invention.
  • Fig. 1a a schematic representation of an energy supply network
  • Fig. 1 b a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of program modules provided in the data processing unit
  • FIG. 3 shows a schematic flowchart of a method for creating customer-specific classification models K i ;
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of a method for detecting and eliminating undersupply states of an energy supply network on the consumer side
  • Figs. 5a - 5c show different network topologies for using a method according to the invention.
  • Fig. 1a shows a schematic representation of a thermal energy supply network with an energy source 1, a primary distribution network 2 and a number of consumers 3, 3 ', 3".
  • the consumers 3, 3', 3" each have a transfer station 10, 10', 10", which serves as a connection between the primary distribution network 2 and the secondary distribution networks 12, 12', 12" in the consumers 3, 3', 3 “serves.
  • the primary distribution network 2 can be, for example, a district heating network or a district cooling network.
  • Fig. 1b shows a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention.
  • the primary distribution network 2 is shown, which leads to a transfer station 10 of a customer 3.
  • a heat exchanger 11 is provided in the transfer station 10, which acts as a connection between the primary distribution network 2 and the secondary distribution network 12 (consumption network) in the customer 3.
  • the sensors 6, 6', 7, 7' deliver measurement data M i from the transfer station 10 to a data processing unit 4.
  • a regulator 9 and a control valve 8 are also provided in the transfer station 10, which regulate the flow and thus the energy output of the medium flowing in the primary energy distribution network 2 to the secondary distribution network 12.
  • the controller 9 continuously determines the current operating states B i of the customer 3 and transmits these to the data processing unit 4.
  • the data processing unit 4 is connected to the controller 9 and, in this embodiment, is also connected to
  • Fig. 2 shows a schematic representation of program modules E, G and H provided in the data processing unit 4 and their interaction with the database 5 and a customer 3.
  • the program E represents a load management method according to the prior art.
  • the program E accesses the database 5 to determine whether a load limit has been stored for the relevant customer.
  • a data signal F is output, which is passed on to the consumer 3.
  • the program E can also work completely autonomously and without access to the database 5.
  • Access to the database 5 can serve to filter out those consumers who are suitable for load management, since a data signal F is only sent to these consumers.
  • manual control of the load management can also be provided by a boiler house control or a heating supervisor.
  • the program G includes the creation of the classification models KL ES obtains historical measurement data M i , operating status data B i and reference values R from the database 5 and uses them to determine an individual classification model K i for each customer 3 to detect undersupply.
  • the classification model K i is stored in the database 5.
  • the program H represents the ongoing application of the classification models K i to the current measurement data M i and operating status data B i .
  • the program H obtains the customer-specific classification model K i from the database 5 and uses it to determine a classification that indicates an undersupply or not (yes /no- classification). In other embodiments of the invention, a probability value for the undersupply of the customer can also be determined. If an undersupply is detected, program H ensures that any existing load limitation is reduced or eliminated.
  • the modified data signal F' generated from this is then transmitted to the customer 3.
  • Fig. 3 shows a schematic flow diagram of a method for creating customer-specific classification models K i by the data processing unit 4. This is the subprogram G described in Fig. 2. It is carried out in such a way that at least one valid classification model K i is created for each customer 3 is created. A periodic update of the classification model K i at intervals of several weeks or once per season can be provided.
  • the database 5 contains historical measurement data M i ' and operating state data B i ' as training data, as well as the corresponding reference values R.
  • the reference values can be yes-no statements as to whether an undersupply was determined for the relevant sets of measurement data M i ' and operating state data B i '. But it can also be a probability value.
  • Step S301 extracts the historical data from the database 5.
  • step S302 incomplete or incorrect data from step S301 is eliminated.
  • step S303 irrelevant or redundant features are removed from the remaining data.
  • certain measurement data M i or operating state data B i are known to be irrelevant for the classification.
  • step S304 provides an identification of those data sets from step S303 for which an undersupply is obvious, is to be feared, or could be determined. This process can be carried out by an expert who carries out the labeling, or through automatic comparison with threshold values and whether they are exceeded or fallen below as part of an assistance program. In order to obtain a valid model, a sufficient number of data sets for each of the two classifications (undersupply YES or NO) must be provided in the training data.
  • step S305 a machine learning model is trained.
  • a reference model for classification is first created.
  • a multinomial logistic regression is used as the algorithm and the result is evaluated.
  • the Quinlan C4.5 algorithm also called “J48”
  • J48 is then used for comparison and evaluated in comparison to the reference model.
  • models can be created and evaluated using any other algorithms.
  • the algorithm that delivers the most suitable results in the evaluation is selected as the classification model K i .
  • step S306 the results are determined for all customers 3 using the classification model K i determined for the respective customers in step S305.
  • the classification models K i from step S306 are stored in the database in step S307 for later use. It is possible to select one classification model for all customers as well as different classification models. Not only do the model parameters differ from customer to customer, but also the basic model structure.
  • Fig. 4 shows a schematic flow diagram of the subprogram H described in Fig. 2.
  • the steps in program H are carried out for all customers 3 at short intervals of approximately 1 - 10 minutes.
  • step S401 those consumers i for which a load limitation is active are selected by querying the database 5.
  • step S402. the measurement data M i , operating state data B i and the individual classification models K i are read out from the database 5 in step S402.
  • step S403 irrelevant or redundant features of the data are eliminated.
  • the classification models K i are applied to the data to obtain a classification of underprovision (yes/no).
  • step S405 it is checked whether an undersupply has been detected. If no undersupply was detected, there is no change to the existing load limitation (step S406). If an undersupply has been detected, it is checked in step S407 whether an instruction to increase the load limitation is stored in the database 5. If this is the case, then in step S409 a new signal F' is sent to the recipient on this basis. If no instruction to increase the load limit is found in the database, the load limit is completely lifted for the relevant customer and a corresponding signal F" is sent to the customer in step S408. Within the consumer 3, the heating controller 9 processes the signal from step S408 or step S409. In the last step, the control valve 8 reacts to the changed setting of the controller 9.
  • Figs. 5a - 5c show different network topologies for using a method according to the invention.
  • the data processing unit 4 and the database 5, like the local controller 9, are integrated into the transfer station 10 of a customer 3. This enables the process to operate completely independently.
  • the data processing unit 4 and the database 5 can, for example, be provided in the software of the controller 9 of a customer product.
  • control center 13 of the primary distribution network 2 which is connected to the transfer station 10 of a customer 3 or the controller 9 arranged therein via the Internet.
  • control center can provide an http server to which the transfer stations 10 of the customers 3 gain access.
  • a transfer station 10 can thus immediately receive an answer by querying the assigned classification model K i , in particular an evaluation or a forecast calculation of the current state.
  • the database 5 with the individual classification models K i is implemented on an external cloud server 14 on the Internet, to which the data processing unit 4 has access. This allows the classification models K i to be maintained separately via the Internet without having to intervene in the control center 13 of the primary distribution network 2.

Abstract

The invention relates to a computer-implemented method for detecting and rectifying anomalies, in particular undersupply states, for example during the use of load limitations on the consumer side in a thermal energy supply network having at least one energy source (1 ) which is connected via a primary distribution network (2) to at least one transfer station (10, 10', 10") of at least one consumer (3, 3', 3").

Description

Verfahren zur Steuerung eines thermischen Energieversorgungsnetzes Method for controlling a thermal energy supply network
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Erkennung und Behebung von Anomalien in einem thermischen Energieversorgungsnetz, insbesondere von abnehmerseitigen Unterversorgungszuständen, die beispielsweise durch den Einsatz von Lastbegrenzungen hervorgerufen werden. The invention relates to a computer-implemented method for detecting and eliminating anomalies in a thermal energy supply network, in particular undersupply conditions on the consumer side, which are caused, for example, by the use of load limitations.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung von thermischen Energieversorgungsnetzen, insbesondere von Fernwärmenetzen und Fernkältenetzen, die auf der Fernübertragung eines thermischen Mediums beruhen, bekannt. Derartige Energieversorgungsnetze umfassen in der Regel zumindest eine Energiequelle, die über ein Verteilnetz mit zumindest einer Übergabestation zumindest eines Abnehmers verbunden ist. An der Übergabestation erfolgt die Übergabe der Energie vom primären Verteilnetz in ein sekundäres Verteilnetz (Verbrauchsnetz). Methods and devices for controlling thermal energy supply networks, in particular district heating networks and district cooling networks, which are based on the long-distance transmission of a thermal medium, are known from the prior art. Such energy supply networks generally include at least one energy source, which is connected via a distribution network to at least one transfer station of at least one customer. At the transfer station, the energy is transferred from the primary distribution network to a secondary distribution network (consumption network).
Für derartige Energieversorgungsnetze sind Laststeuerungsverfahren bekannt, bei denen die Energielieferung an individuelle Abnehmer zeitweise reduziert oder unterbrochen wird, ohne dass daraus für den Benutzer eine merkbare Komfortreduktion resultieren soll (sog. Demand Side Management, DSM). Durch eine gezielte zeitliche Verschiebung der Abnehmer (Lastverschiebung) oder eine Begrenzung der möglichen Abnahmeleistung einzelner Abnehmer können dadurch Lastspitzen verringert werden. Die Summe der Lasten im Primärnetz wird dabei begrenzt, indem die Leistung ausgewählter Abnehmer teilbegrenzt wird. Die technische Umsetzung des DSM kann durch Verwendung einer Temperaturverschiebung des vom Regler errechneten Setpoints erfolgen. Eine weitere Methode ist die direkte Vorgabe des Setpoints (meist Vorlauftemperatur sekundär) durch Überschreiben des Regler-Ergebnisses. Auch kann die Leistung des Reglers durch Setzen eines Limits von der (reglerseitig eingestellten) Maximalleistung temporär begrenzt werden. Dazu gibt es noch weitere Einstellparameter, wie z.B. die Auslösung eines Puffer- oder Warmwasserspeicher-Ladevorgangs oder die Sperre eines solchen. Dadurch wird zusätzliche Last ausgelöst oder Last durch Warmwasser-Nachfrage verhindert. Derartige Verfahren basieren in der Regel auf der Überwachung einzelner Indikatoren der Abnehmer und wenden statistische Zusammenhänge an, um Lasten abzuwerfen oder zu verschieben. Beispielsweise kann die Bereitstellung von Warmwasser zu gewissen Tageszeiten reduziert werden. Dies eignet sich gut für große Abnehmer wie Fabriken, Hotels oder Bürogebäude, stößt jedoch bei kleinen Einheiten, insbesondere privaten Haushalten, an ihre Grenzen, da derartige kleine Einheiten eine wesentlich höhere statistische Schwankungsbreite aufweisen. Load control methods are known for such energy supply networks, in which the energy supply to individual consumers is temporarily reduced or interrupted without resulting in a noticeable reduction in comfort for the user (so-called Demand Side Management, DSM). Load peaks can be reduced by deliberately shifting the time of the consumers (load shifting) or by limiting the possible consumption capacity of individual consumers. The sum of the loads in the primary network is limited by partially limiting the output of selected consumers. The technical implementation of the DSM can be done by using a temperature shift of the set point calculated by the controller. Another method is to directly specify the set point (usually secondary to the flow temperature) by overwriting the controller result. The performance of the controller can also be temporarily limited by setting a limit from the maximum performance (set on the controller). There are also other setting parameters, such as triggering a buffer or hot water tank charging process or blocking one. This triggers additional load or prevents load due to hot water demand. Such procedures are usually based on monitoring individual indicators of the customers and apply statistical relationships to shed or shift burdens. For example, the provision of hot water can be reduced at certain times of the day. This is well suited for large customers such as factories, hotels or office buildings, but has its limits for small units, especially private households, as such small units have a much higher statistical fluctuation range.
Bei der Anwendung herkömmlicher abnehmerseitiger Laststeuerungsverfahren für private Haushalte ergeben sich deshalb häufig Unterversorgungszustände, was wiederum dazu führt, dass das Lastmanagement nur mit geringerer Intensität genutzt werden kann. Derartige Unterversorgungszustände werden abnehmerseitig als Anomalien wahrgenommen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um derartige Anomalien, insbesondere jedoch die beschriebenen Unterversorgungszustände, frühzeitig zu erkennen und zu beheben, und die Intensität sowie Effizienz der Nutzung des Lastmanagements zu erhöhen. When using conventional customer-side load control methods for private households, undersupply conditions often arise, which in turn means that load management can only be used with less intensity. Such undersupply conditions are perceived as anomalies by the buyer. The object of the invention is to provide a method and a device in order to detect and eliminate such anomalies, in particular the undersupply conditions described, at an early stage and to increase the intensity and efficiency of the use of load management.
Diese und andere Probleme werden erfindungsgemäß mit einem computerimplementierten Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. These and other problems are solved according to the invention with a computer-implemented method and a device according to the independent patent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere Unterversorgungszuständen, in einem thermischen Energieversorgungsnetz ausgebildet, beispielsweise während des Einsatzes abnehmerseitiger Lastbegrenzungen. Das Verfahren ist aber auch in anderen Situationen anwendbar, beispielsweise zur Erkennung von Engpässen oder wenn Lasten bei einem bestimmten Abnehmer zu Gunsten eines anderen Abnehmers reduziert werden müssen. Dabei können jegliche Abweichungen vom Normalzustand des Energieversorgungsnetzes als Anomalie bezeichnet werden; die Erfindung beschränkt sich also nicht auf den Einsatz von DSM. Ein thermisches Energieversorgungsnetz zur Anwendung des Verfahrens verfügt über zumindest eine thermische Energiequelle, die über ein primäres Verteilnetz zur Verteilung eines Mediums, beispielsweise Wasser, mit zumindest einer Übergabestation zumindest eines Abnehmers verbunden ist. Dabei können eine Zahl i = 1 , 2, ... , N Abnehmer im Energieversorgungsnetz vorgesehen sein. Die Übergabestation dient dazu, Energie aus dem primären Verteilnetz in das sekundäre Verteilnetz zu übertragen, beispielsweise in ein Hausverteilnetz für Wärme oder Kälte. In der Regel umfasst die Übergabestation einen Wärmetauscher, zumindest ein Ventil und zumindest einen Regler, der die Temperatur und/oder den Durchfluss des Mediums regelt. A method according to the invention is designed to detect and eliminate anomalies, in particular undersupply conditions, in a thermal energy supply network, for example during the use of load limitations on the consumer side. However, the method can also be used in other situations, for example to identify bottlenecks or when loads for a specific customer need to be reduced in favor of another customer. Any deviations from the normal state of the energy supply network can be described as an anomaly; The invention is therefore not limited to the use of DSM. A thermal energy supply network for using the method has at least one thermal energy source, which is connected to at least one transfer station of at least one customer via a primary distribution network for distributing a medium, for example water. A number i = 1, 2, ..., N consumers can be provided in the energy supply network. The transfer station is used to transfer energy from the primary distribution network to the secondary distribution network, for example into a house distribution network for heat or cold. As a rule, the transfer station includes a heat exchanger, at least one valve and at least one regulator that regulates the temperature and/or the flow of the medium.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: The method according to the invention comprises the following steps:
Zunächst erfolgt eine Messung, durch eine Vielzahl von Sensoren, aktueller Messdaten Mi sowie eine Bestimmung, durch den Regler, von aktuellen Betriebszuständen Bi des Abnehmers i, sowie eine Übermittlung der Messdaten Mi und Betriebszustände Bi an eine Datenverarbeitungseinheit. Die Übermittlung der Daten kann über eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle erfolgen, insbesondere über einen Internet-Router. Insbesondere kann es sich um einen Internet-Router handeln, der im Regler integriert ist. First, a measurement is carried out by a large number of sensors of current measurement data M i and a determination, by the controller, of current operating states B i of the customer i, as well as a transmission of the measurement data M i and operating states B i to a data processing unit. The data can be transmitted via a wired or wireless interface, in particular via an Internet router. In particular, it can be an Internet router that is integrated into the controller.
Die Datenverarbeitungseinheit kann als Mikrocontroller oder Mikrocomputer ausgebildet sein und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen flüchtigen Halbleiterspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher (ROM, SSD-Festplatte), einen magnetischen Speicher (Festplatte) und/oder einen optischen Speicher (CD-ROM) sowie Schnittstelleneinheiten (Ethernet, USB) und dergleichen umfassen. The data processing unit can be designed as a microcontroller or microcomputer and a central processing unit (CPU), a volatile semiconductor memory (RAM), a non-volatile semiconductor memory (ROM, SSD hard drive), a magnetic memory (hard drive) and / or an optical memory (CD ROM) as well as interface units (Ethernet, USB) and the like.
Danach erfolgt durch die Datenverarbeitungseinheit eine Abfrage einer Datenbank und Entnahme zumindest eines, dem Abnehmer zugeordneten Klassifizierungsmodells Ki. Die Datenbank kann als Softwaremodul in der Datenverarbeitungseinheit, in einem von der Datenverarbeitungseinheit getrennten Computer oder in einem externen Server vorgesehen sein. Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungseinheit und Datenbank sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Bei dem Klassifizierungsmodell Kikann es sich um ein beliebiges Verfahren aus dem Bereich des maschinellen Lernens handeln, beispielsweise um einen durch spezielle Algorithmen erzeugten Entscheidungsbaum. Es kann sich um Modelle des maschinellen Lernens handeln, die eine Vorhersage (Klassifizierung) erlauben, ob ein bestimmter Datensatz voraussichtlich als Anomalie (insbesondere als Unterversorgung) wahrgenommen wird. Im einfachsten Fall ist dies eine Klassifizierung in „OK“ und „nicht OK“, es ist aber auch die Berechnung einer numerischen Wahrscheinlichkeit möglich. Im ersten Fall löst ein gesetztes Kennzeichen den Vorgang aus, der die Anomalie beseitigen soll. Im zweiten Fall wird ein Wahrscheinlichkeitswert als Schwelle verwendet. Die Grundidee liegt darin, dass man über einen abnehmerspezifischen Lernprozess zu Modellen gelangt, die eine Prognose liefern, ob zum aktuellen Zeitpunkt beim Abnehmer i die Messdaten Mi und Betriebszustandsdaten Bi auf eine Anomalie, insbesondere eine Unterversorgung, hindeuten. The data processing unit then queries a database and extracts at least one classification model K i assigned to the customer. The database can be provided as a software module in the data processing unit, in a computer separate from the data processing unit or in an external server. The components of the data processing unit and database according to the invention are fundamentally known to those skilled in the art. The classification model K i can be any method from the field of machine learning, for example a decision tree generated by special algorithms. These can be machine learning models that allow a prediction (classification) of whether a particular data set is likely to be perceived as an anomaly (particularly as an undersupply). In the simplest case, this is a classification into “OK” and “not OK”, but it is also possible to calculate a numerical probability. In the first case, a flag that is set triggers the process that is intended to eliminate the anomaly. In the second case, a probability value is used as a threshold. The basic idea is that a customer-specific learning process is used to arrive at models that provide a forecast as to whether the measurement data M i and operating status data B i at the current point in time for customer i indicate an anomaly, in particular an undersupply.
Insbesondere kann zur Erstellung eines Entscheidungsbaums der Algorithmus J48 verwendet werden, eine Open-Source Implementierung eines C4.5 Algorithmus (siehe z.B. Quinlan, C4.5: Programs for Machine Learning, Morgan Kaufmann Publishers, 1993), der verwendet werden kann, um aus einer Vielzahl von Trainingsdaten einen Entscheidungsbaum zu erzeugen, mit dem Datensätze klassifiziert werden können. Selbstverständlich können auch andere überwachte oder unüberwachte Machine- Learning-Algorithmen zur Erstellung der Klassifizierungsmodelle herangezogen werden. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Klassifizierungsmodell Ki abnehmerspezifisch ist, sodass in der Datenbank für jeden Abnehmer ein individuelles Klassifizierungsmodell Ki abgelegt ist. Auch die Auswahl der relevanten Messdaten Mi und Betriebszustände Bi kann für jeden Abnehmer spezifisch sein. In particular, to create a decision tree, the J48 algorithm can be used, an open source implementation of a C4.5 algorithm (see e.g. Quinlan, C4.5: Programs for Machine Learning, Morgan Kaufmann Publishers, 1993), which can be used to to create a decision tree from a variety of training data that can be used to classify data sets. Of course, other supervised or unsupervised machine learning algorithms can also be used to create the classification models. What is essential to the invention is that the classification model K i is customer-specific, so that an individual classification model K i is stored in the database for each customer. The selection of the relevant measurement data M i and operating states B i can also be specific for each customer.
Danach erfolgt durch die Datenverarbeitungseinheit eine Anwendung des gewählten Klassifizierungsmodells Ki auf die aktuellen Messdaten Mi und die aktuellen Betriebszustände Bi des Abnehmers, und eine Feststellung, ob ein Unterversorgungszustand oder eine andere Anomalie vorliegt. Sofern ein Unterversorgungszustand oder eine andere Anomalie erkannt wurden, erfolgt eine Ansteuerung, durch Senden eines Datensignals F‘ von der Datenverarbeitungseinheit, eines Reglers oder eines Regelventils in der Übergabestation des Abnehmers zur Behebung des Unterversorgungszustands bzw. der Anomalie. The data processing unit then applies the selected classification model K i to the current measurement data M i and the current operating states B i of the customer, and determines whether there is an undersupply condition or another anomaly. If an undersupply condition or another anomaly has been detected, a control takes place by sending a data signal F' from the data processing unit, a controller or a control valve in the customer's transfer station to eliminate the undersupply condition or the anomaly.
Die Beurteilung, ob ein Unterversorgungszustand oder eine andere Anomalie vorliegt, erfolgt also nicht anhand eines Schwellwertes, sondern durch Anwendung eines für den Abnehmer individuell erstellten Klassifizierungsmodells Ki auf einen Datensatz umfassend Messdaten Mi und Betriebszustände Bi des Abnehmers bzw. der Übergabestation des Abnehmers. Das individuell für jeden Abnehmer in der Datenbank gespeicherte Klassifikationsmodell Ki bildet die jeweils abnehmertypische Kombination von Messdaten Mi und Betriebszuständen Bi ab, die im Fall der Anomalie bzw. Unterversorgung beim jeweiligen Abnehmer auftreten. The assessment of whether there is an undersupply condition or another anomaly is not based on a threshold value, but rather by applying a classification model K i created individually for the customer to a data set comprising measurement data M i and operating states B i of the customer or the customer's transfer station . The classification model K i stored individually for each consumer in the database represents the consumer-typical combination of measurement data M i and operating states B i that occur in the event of an anomaly or undersupply for the respective consumer.
Dadurch kann im laufenden Betrieb eine automatisierte Erkennung und Behebung von Anomalien ohne global einzustellende Schwellwerte erfolgen. Wird etwa eine Unterversorgung erkannt, dann werden allenfalls bestehende Lastbegrenzungen übersteuert, um durch eine Aufhebung oder Erhöhung des erlaubten Limits die Unterversorgung zu beseitigen. Wird keine Unterversorgung erkannt, so wird die allenfalls gesetzte Lastbegrenzung ohne Änderung übernommen. Es wird also nicht in jedem Fall ein geändertes Datensignal ausgesendet. This allows automated detection and elimination of anomalies during operation without having to set global threshold values. If an undersupply is detected, then existing load limitations are overridden in order to eliminate the undersupply by lifting or increasing the permitted limit. If no undersupply is detected, any load limitation set is adopted without change. So a changed data signal is not always sent out.
Die Behebung der Unterversorgungszustände erfolgt beispielsweise dadurch, dass eine bestehende Lastbegrenzung beim Abnehmer durch Aussenden eines geänderten Datensignals F‘ an die Übergabestation abgeschwächt oder aufgehoben wird. Das Lastmanagement als solches, insbesondere für andere Abnehmer, bleibt davon jedoch grundsätzlich unberührt. Wird für den Abnehmer keine Unterversorgung mehr festgestellt, so werden die Lastbegrenzungen, die das Lastmanagement generell oder für den speziellen Abnehmer vorsehen, automatisch wieder gültig. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Klassifikationsmodell Ki laufend, vorzugsweise in Intervallen von unter 30 Minuten, besonders bevorzugt in Intervallen von unter 15 Minuten, vorzugsweise in Intervallen von 1 Minute bis 10 Minuten, auf die aktuellen Messdaten Mi und Betriebszustände Bi des Abnehmers angewandt wird. The undersupply conditions are eliminated, for example, by weakening or canceling an existing load limitation at the customer by sending a changed data signal F' to the transfer station. However, load management as such, especially for other customers, remains fundamentally unaffected. If the customer is no longer undersupplied, the load limitations that provide for load management in general or for the specific customer automatically become valid again. According to the invention, it can be provided that the classification model K i continuously, preferably at intervals of less than 30 minutes, particularly preferably at intervals of less than 15 minutes, preferably at intervals of 1 minute to 10 minutes, responds to the current measurement data M i and operating states B i des of the customer is applied.
Ferner kann vorgesehen sein, dass in der Datenbank mehrere dem jeweiligen Abnehmer zugeordnete Klassifizierungsmodelle gespeichert sind. In diesem Fall können die Verfahrensschritte für mehrere, dem Abnehmer zugeordnete Klassifizierungsmodelle Ki durchgeführt werden. Insbesondere können in der Datenbank strukturell unterschiedliche Klassifizierungsmodelle für den jeweiligen Abnehmer hinterlegt sein, beispielsweise je ein neuronales Netz, ein Entscheidungsbaum und ein lineares Regressionsmodell. In diesem Fall kann die Feststellung, ob eine Anomalie vorliegt, auf Grundlage einer Kombination der Ergebnisse mehrerer unterschiedlicher Klassifizierungsmodelle Ki getroffen werden. Beispielsweise kann eine Anomalie dann festgestellt werden, wenn zumindest zwei von drei angewandten Klassifizierungsmodellen eine Anomalie erkennen. Es ist aber grundsätzlich jede statistische oder kombinatorische Methode denkbar. Eine Mehrheitsentscheidung kann ebenso verwendet werden wie eine statistische Methode, bei der die Ergebnisse der Modelle anhand ihrer Wahrscheinlichkeit kombiniert werden, um die gesamte Fehlerwahrscheinlichkeit zu bestimmen. Beispielsweise kann ein erstes Modell eine Anomalie mit 95% Wahrscheinlichkeit voraussagen und ein zweites Modell mit 80% Wahrscheinlichkeit. Die Fehlerwahrscheinlichkeit wäre bei Kombination der Modelle auf einen Wert von 0,05*0,20 = 1 % reduziert. Die Fehlerwahrscheinlichkeit kann dem Benutzer als Entscheidungskriterium angezeigt werden. Furthermore, it can be provided that several classification models assigned to the respective customer are stored in the database. In this case, the method steps can be carried out for several classification models K i assigned to the customer. In particular, structurally different classification models for the respective customer can be stored in the database, for example a neural network, a decision tree and a linear regression model. In this case, the determination of whether an anomaly exists can be made based on a combination of the results of several different classification models K i . For example, an anomaly can be detected if at least two of three classification models used detect an anomaly. In principle, however, any statistical or combinatorial method is conceivable. A majority vote can be used, as can a statistical method in which the results of the models are combined based on their probability to determine the overall probability of error. For example, a first model may predict an anomaly with 95% probability and a second model with 80% probability. If the models were combined, the error probability would be reduced to a value of 0.05*0.20 = 1%. The probability of error can be displayed to the user as a decision criterion.
Neben oder statt einer strukturellen Unterschiedlichkeit der verwendeten Klassifizierungsmodelle kann auch vorgesehen sein, dass die Klassifizierungsmodelle unterschiedliche Messdaten als Eingangsparameter verwenden. Beispielsweise können zwei - an sich mathematisch gleich aufgebaute - neuronale Netze als Klassifizierungsmodelle verwendet werden, die sich jedoch in der Auswahl der Eingangsparameter unterscheiden und damit für den konkreten Anwendungsfall verschiedene Modelle sind. Bei den Messdaten Mj kann es sich beispielsweise um die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und den Durchfluss des primären Verteilnetzes, die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und den Durchfluss des sekundären Verteilnetzes, und/oder eine Außentemperatur oder eine Innentemperatur handeln. Vorzugsweise werden die Messdaten Mi von Sensoren im primären und/oder sekundären Verteilnetz an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt, beispielsweise über einen Internet-Router. In addition to or instead of a structural difference in the classification models used, it can also be provided that the classification models use different measurement data as input parameters. For example, two neural networks - which are mathematically identical - can be used as classification models, but they differ in the selection of input parameters and are therefore different models for the specific application. The measurement data Mj can be, for example, the flow temperature, the return temperature and the flow of the primary distribution network, the flow temperature, the return temperature and the flow of the secondary distribution network, and / or an outside temperature or an inside temperature. Preferably, the measurement data M i are transmitted from sensors in the primary and/or secondary distribution network to the data processing unit, for example via an Internet router.
Bei den Betriebszuständen Bi kann es beispielsweise um den Status einer Pumpe oder eines Ventils in der Übergabestation des Abnehmers, um eine aktuelle Warmwasser-Anforderung, einen Vorlauftemperatur-Sollwert, die Temperaturspreizung zwischen primärem und sekundärem Verteilnetz, und/oder die Grädigkeit des Wärmetauschers handeln. Vorzugsweise werden die Betriebszustände Bi vom Regler oder einer anderen Einheit in der Übergabestation an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt, beispielsweise über einen Internet-Router. The operating states B i can, for example, be the status of a pump or a valve in the customer's transfer station, a current hot water requirement, a flow temperature setpoint, the temperature spread between the primary and secondary distribution network, and/or the grade of the heat exchanger . The operating states B i are preferably transmitted from the controller or another unit in the transfer station to the data processing unit, for example via an Internet router.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine Abfrage der Datenbank erfolgt, um jene Messdaten Mi und Betriebszustände Bi festzustellen, die für das Klassifizierungsmodell Ki relevant sind, und nachfolgend das Klassifizierungsmodells Ki lediglich auf die für den Anbieter als relevant festgestellten Messdaten Mi und Betriebszustände Bi angewandt wird. Der Zusammenhang zwischen den Klassifizierungsmodellen Ki und den dafür relevanten Messdaten Mi und Betriebszuständen Bi kann zu diesem Zweck in der Datenbank abgespeichert sein. According to the invention, it can be provided that the database is queried in order to determine those measurement data M i and operating states B i that are relevant for the classification model K i , and subsequently the classification model K i only to the measurement data M i that has been determined to be relevant for the provider and operating states B i is applied. The connection between the classification models K i and the relevant measurement data M i and operating states B i can be stored in the database for this purpose.
Die Erfindung betrifft ferner ein computerimplementiertes Klassifizierungsmodell Ki zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere in Form eines speziell dafür aufgebauten Entscheidungsbaums. Erfindungsgemäß ist das Klassifizierungsmodell individuell auf jeden Abnehmer angepasst und wird in einer Datenbank abgespeichert. The invention further relates to a computer-implemented classification model K i for use in a method according to the invention, in particular in the form of a decision tree constructed specifically for this purpose. According to the invention, the classification model is individually adapted to each customer and is stored in a database.
Die Erfindung betrifft ferner ein computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines individuellen Klassifizierungsmodells Ki zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die folgenden Schritte: In einem ersten Schritt, Empfangen eines Trainingsdatensatzes umfassend historische Messdaten Mi' und Betriebszustände Bi' des Abnehmers sowie von Referenzwerten R, die kennzeichnen, ob eine Anomalie, insbesondere ein Unterversorgungszustand vorliegt. Als Messdaten Mi' und Betriebszustände Bi' sind jene Daten zu verstehen, die im Laufe der Zeit gesammelt wurden, typischerweise einige Monate zurück, aber gegebenenfalls auch mehrere Jahre. Um erstmals ein Klassifizierungsmodell zu erstellen, werden zumindest historisch 4 bis 8 Wochen zurückliegende Daten herangezogen. Es können auch Trainingsdaten aus Vergleichszeiträumen vergangener Jahre herangezogen werden, beispielsweise aus dem jeweiligen Monat oder der jeweiligen Jahreszeit in den vergangenen Jahren. Auch Kombinationen sind möglich, so kann beispielsweise für März 2022 das Modell auf Basis der historischen Daten von Februar 2022 mit den historischen Daten von März 2021 kombiniert werden. The invention further relates to a computer-implemented method for creating an individual classification model K i for use in a method according to the invention. A method according to the invention comprises the following steps: In a first step, receiving a training data set comprising historical measurement data M i ' and operating states B i ' of the customer as well as reference values R, which characterize whether an anomaly, in particular an undersupply state, is present. The measurement data M i ' and operating states B i ' are those data that were collected over time, typically a few months back, but possibly also several years. In order to create a classification model for the first time, data from at least 4 to 8 weeks ago is used. Training data from comparison periods in previous years can also be used, for example from the respective month or season in previous years. Combinations are also possible, for example for March 2022 the model based on the historical data from February 2022 can be combined with the historical data from March 2021.
Bei den Referenzwerten kann es sich um eine Ja/Nein Klassifizierung der Trainingsdaten bezüglich des Vorliegens einer Anomalie, insbesondere einer Unterversorgung handeln. Es kann sich aber auch um eine Wahrscheinlichkeit handeln, mit der bei den betreffenden Trainingsdaten eine Anomalie, insbesondere eine Unterversorgung vorliegt. The reference values can be a yes/no classification of the training data with regard to the presence of an anomaly, in particular an undersupply. However, it can also be a probability that there is an anomaly, in particular an undersupply, in the relevant training data.
In einem weiteren Schritt wird ein Klassifizierungsmodell ermittelt, auf den Trainingsdatensatz angewandt, und die Ergebnisse des Klassifizierungsmodells Ki werden entgegengenommen und mit dem Referenzwert verglichen. Bei dem Klassifizierungsmodell Ki kann es sich um ein beliebiges Verfahren aus dem Bereich des maschinellen Lernens handeln, beispielsweise einen Algorithmus zur Erstellung eines Entscheidungsbaums. In a further step, a classification model is determined, applied to the training data set, and the results of the classification model K i are received and compared with the reference value. The classification model K i can be any method from the field of machine learning, for example an algorithm for creating a decision tree.
In einem weiteren Schritt werden die Modellparameter des Klassifizierungsmodells Ki angepasst, um den Unterschied zwischen dem Ergebnis der Anwendung des Klassifizierungsmodells Ki und dem Referenzwert zu reduzieren. Die angeführten Schritte werden mit individuellen Trainingsdaten und Referenzwerten des Abnehmers so lange wiederholt, bis eine gewünschte Vorhersagequalität erreicht ist. Beispielsweise kann das Training so lange wiederholt werden, bis die Unterschiede zwischen den Ergebnissen und den Referenzwerten unter einer vorgegebenen Schwelle bleiben. Bei einem Vergleich mehrerer Klassifikationsmodelle kann das Ergebnis auch darin bestehen, dass das Modell mit der besten Vorhersagequalität für diesen Abnehmer ausgewählt wird. Es kann eine beliebige Metrik zur Auswahl des Klassifizierungsmodells angewandt werden, beispielsweise kann jenes Klassifizierungsmodell gewählt werden, das am schnellsten Ergebnisse für den Abnehmer liefert. In a further step, the model parameters of the classification model K i are adjusted in order to reduce the difference between the result of applying the classification model K i and the reference value. The steps listed are repeated with the customer's individual training data and reference values until the desired prediction quality is achieved. For example, the training can be repeated until the differences between the results and the reference values remain below a predetermined threshold. When comparing several classification models, the result can also be that the model with the best prediction quality for this customer is selected. Any metric can be used to select the classification model, for example the classification model that delivers results for the customer the fastest can be selected.
Schließlich wird das für den Abnehmer am besten geeignete, individuelle Klassifizierungsmodell Ki in einer Datenbank oder auf anderem elektronischem Wege, beispielsweise im Hauptspeicher der Datenverarbeitungseinheit, abgespeichert, um es später für die Erkennung und Behebung von Anomalien einsetzen zu können. Finally, the individual classification model K i that is most suitable for the customer is stored in a database or in another electronic way, for example in the main memory of the data processing unit, in order to be able to use it later to detect and correct anomalies.
Es können in diesem Schritt aber auch mehrere geeignete Klassifizierungsmodelle je Abnehmer in der Datenbank gespeichert werden. Ferner werden gegebenenfalls die für den Abnehmer und das gewählte Klassifizierungsmodell relevanten Messdaten und Betriebszustände in der Datenbank gespeichert. In this step, several suitable classification models can also be saved in the database for each customer. Furthermore, if necessary, the measurement data and operating states relevant to the customer and the selected classification model are stored in the database.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zur Erstellung eines individuellen Klassifizierungsmodells Ki in bestimmten Intervallen wiederholt wird, beispielsweise alle 2, 4, oder 6 Wochen oder zu Beginn jeder Jahreszeit, um Änderungen im Nutzerverhalten abzubilden. Die Wiederholung kann automatisiert, beispielsweise durch Ablauf eines Skripts auf der Datenverarbeitungseinheit, erfolgen. Wesentlich ist dabei, dass die verwendeten Klassifikationsmodelle Ki und deren Parameter in der Regel nicht nur von Gebäude zu Gebäude unterschiedlich sind, sondern dass sich die Klassifikationsmodelle Ki auch für ein und dasselbe Gebäude im Laufe der Zeitändern können. Erklärbar ist das durch Änderungen im Benutzerverhalten, durch Änderungen an der Bausubstanz wie Wärmedämmung, Änderungen der Einstellungen und ganz besonders auch durch Änderungen über die Saison hinweg (Verschattung, passiver Solareintrag, Wind ...). Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung erfindungsgemäßer Verfahren zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere abnehmerseitigen Unterversorgungszuständen eines Fernwärmenetzes, eines Fernkältenetzes oder eines kombinierten Fernwärme- und Fernkältenetzes. According to the invention, it can be provided that the method for creating an individual classification model K i is repeated at certain intervals, for example every 2, 4, or 6 weeks or at the beginning of each season, in order to reflect changes in user behavior. The repetition can be done automatically, for example by running a script on the data processing unit. What is important here is that the classification models K i used and their parameters generally not only differ from building to building, but that the classification models K i can also change over time for one and the same building. This can be explained by changes in user behavior, by changes to the building structure such as thermal insulation, changes in settings and especially by changes over the season (shading, passive solar input, wind...). The invention further relates to the use of methods according to the invention for detecting and eliminating anomalies, in particular undersupply states on the customer side, in a district heating network, a district cooling network or a combined district heating and district cooling network.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit und vorzugsweise auch die Datenbank in die Übergabestation des Abnehmers integriert oder mit dieser lokal verbunden ist. Dadurch kann ein völlig autarker Betrieb des Verfahrens ermöglicht werden, sofern die individuellen Klassifizierungsmodelle definiert wurden. According to the invention, it can be provided that the data processing unit and preferably also the database are integrated into the customer's transfer station or are locally connected to it. This allows the process to operate completely independently, provided the individual classification models have been defined.
Erfindungsgemäß kann aber auch vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit und vorzugsweise auch die Datenbank in einer, mit der Übergabestation des Abnehmers über das Internet oder ein anderes Datennetz verbundenen Leitstelle des primären Verteilnetzes integriert oder mit dieser lokal verbunden ist. Dadurch können auch andere Abnehmer auf die Datenverarbeitungseinheit der Leitstelle zugreifen. According to the invention, it can also be provided that the data processing unit and preferably also the database are integrated into a control center of the primary distribution network that is connected to the customer's transfer station via the Internet or another data network or is locally connected to it. This means that other customers can also access the control center’s data processing unit.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Datenbank auf einem Server im Internet implementiert ist, auf den die Datenverarbeitungseinheit Zugriff hat. Es kann sich dabei insbesondere um einen Cloud-Server handeln, der die verschiedenen Klassifizierungsmodelle für die Datenverarbeitungseinheit bereitstellt. According to the invention, it can also be provided that the database is implemented on a server on the Internet to which the data processing unit has access. This can in particular be a cloud server that provides the various classification models for the data processing unit.
Die Erfindung betrifft ferner eine Datenverarbeitungseinheit, umfassend Mittel zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. The invention further relates to a data processing unit comprising means for carrying out a method according to the invention.
Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Instruktionen, die eine Datenverarbeitungseinheit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen. The invention further relates to a computer-readable storage medium, comprising instructions which cause a data processing unit to carry out a method according to the invention.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Further features according to the invention result from the patent claims, the description of the exemplary embodiments and the figures.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1a: eine schematische Darstellung eines Energieversorgungsnetzes; The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. Show it: Fig. 1a: a schematic representation of an energy supply network;
Fig. 1 b: eine schematische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 b: a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von in der Datenverarbeitungseinheit vorgesehenen Programmmodule; Fig. 2 is a schematic representation of program modules provided in the data processing unit;
Fig. 3 eine schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erstellung abnehmerspezifischer Klassifikationsmodelle Ki; 3 shows a schematic flowchart of a method for creating customer-specific classification models K i ;
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erkennung und Behebung von abnehmerseitigen Unterversorgungszuständen eines Energieversorgungsnetzes; 4 shows a schematic flowchart of a method for detecting and eliminating undersupply states of an energy supply network on the consumer side;
Figs. 5a - 5c zeigen verschiedene Netzwerktopologien zur Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figs. 5a - 5c show different network topologies for using a method according to the invention.
Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Energieversorgungsnetzes mit einer Energiequelle 1 , einem primären Verteilnetz 2 und einer Reihe von Abnehmern 3, 3‘, 3“. Fig. 1a shows a schematic representation of a thermal energy supply network with an energy source 1, a primary distribution network 2 and a number of consumers 3, 3 ', 3".
Die Abnehmer 3, 3‘, 3“ verfügen jeweils über eine Übergabestation 10, 10‘, 10“, die als Verbindung zwischen dem primären Verteilnetz 2 und den sekundären Verteilnetzen 12, 12‘, 12“ in den Abnehmern 3, 3‘, 3“ dient. Bei dem primären Verteilnetz 2 kann es sich beispielsweise um ein Fernwärmenetz oder um ein Fernkältenetz handeln. The consumers 3, 3', 3" each have a transfer station 10, 10', 10", which serves as a connection between the primary distribution network 2 and the secondary distribution networks 12, 12', 12" in the consumers 3, 3', 3 “serves. The primary distribution network 2 can be, for example, a district heating network or a district cooling network.
Fig. 1b zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dargestellt ist das primäre Verteilnetz 2, das in eine Übergabestation 10 eines Abnehmers 3 führt. In der Übergabestation 10 ist ein Wärmetauscher 11 vorgesehen, der als Verbindung zwischen dem primären Verteilnetz 2 und dem sekundären Verteilnetz 12 (Verbrauchsnetz) im Abnehmer 3 fungiert. Im primären Verteilnetz 2 sind eine Vielzahl von primären Sensoren 6, 6‘ vorgesehen. Im sekundären Verteilnetz 12 sind ebenfalls eine Vielzahl von sekundären Sensoren 7, 7‘ vorgesehen. Die Sensoren 6, 6‘, 7, 7‘ liefern Messdaten Mi der Übergabestation 10 an eine Datenverarbeitungseinheit 4. In der Übergabestation 10 sind ferner ein Regler 9 und ein Regelventil 8 vorgesehen, welche den Durchfluss und somit die Energieabgabe des im primären Energieverteilnetzes 2 fließenden Mediums an das sekundäre Verteilnetz 12 regeln. Der Regler 9 stellt laufend die aktuellen Betriebszustände Bi des Abnehmers 3 fest und übermittelt diese an die Datenverarbeitungseinheit 4. Die Datenverarbeitungseinheit 4 ist mit dem Regler 9 verbunden und steht in dieser Ausführungsform auch in Verbindung mit einer Datenbank 5. Fig. 1b shows a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention. The primary distribution network 2 is shown, which leads to a transfer station 10 of a customer 3. A heat exchanger 11 is provided in the transfer station 10, which acts as a connection between the primary distribution network 2 and the secondary distribution network 12 (consumption network) in the customer 3. A large number of primary sensors 6, 6 'are provided in the primary distribution network 2. A large number of secondary sensors 7, 7 'are also provided in the secondary distribution network 12. The sensors 6, 6', 7, 7' deliver measurement data M i from the transfer station 10 to a data processing unit 4. A regulator 9 and a control valve 8 are also provided in the transfer station 10, which regulate the flow and thus the energy output of the medium flowing in the primary energy distribution network 2 to the secondary distribution network 12. The controller 9 continuously determines the current operating states B i of the customer 3 and transmits these to the data processing unit 4. The data processing unit 4 is connected to the controller 9 and, in this embodiment, is also connected to a database 5.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von in der Datenverarbeitungseinheit 4 vorgesehenen Programmmodulen E, G und H und deren Interaktion mit der Datenbank 5 und einem Abnehmer 3. Das Programm E stellt ein Lastmanagement-Verfahren nach dem Stand der Technik dar. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung greift das Programm E auf die Datenbank 5 zu, um festzustellen, ob für den betreffenden Abnehmer eine Lastbegrenzung hinterlegt ist. Fig. 2 shows a schematic representation of program modules E, G and H provided in the data processing unit 4 and their interaction with the database 5 and a customer 3. The program E represents a load management method according to the prior art. In this exemplary embodiment Invention, the program E accesses the database 5 to determine whether a load limit has been stored for the relevant customer.
Im Falle einer Lastbegrenzung für den betreffenden Abnehmer 3 wird ein Datensignal F ausgegeben, das an den Abnehmer 3 übergeben wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Programm E jedoch auch völlig autark und ohne Zugriff auf die Datenbank 5 arbeiten. In the event of a load limitation for the relevant consumer 3, a data signal F is output, which is passed on to the consumer 3. In other exemplary embodiments, however, the program E can also work completely autonomously and without access to the database 5.
Der Zugriff auf die Datenbank 5 kann dazu dienen, jene Abnehmer herauszufiltern, die für das Lastmanagement überhaupt geeignet sind, da nur an diese Abnehmer ein Datensignal F gesendet wird. Es kann aber auch eine manuelle Steuerung des Lastmanagements durch eine Heizhaus-Steuerung oder einen Heizwart vorgesehen sein. Access to the database 5 can serve to filter out those consumers who are suitable for load management, since a data signal F is only sent to these consumers. However, manual control of the load management can also be provided by a boiler house control or a heating supervisor.
Das Programm G umfasst die Erstellung der Klassifizierungsmodelle KL ES bezieht aus der Datenbank 5 historische Messdaten Mi, Betriebszustandsdaten Bi und Referenzwerte R und ermittelt daraus ein für jeden Abnehmer 3 individuelles Klassifizierungsmodell Ki zur Erkennung von Unterversorgung. Das Klassifizierungsmodell Ki wird in der Datenbank 5 gespeichert. Das Programm H stellt die laufende Anwendung der Klassifizierungsmodelle Ki auf die aktuellen Messdaten Mi und Betriebszustandsdaten Bi dar. Das Programm H bezieht das abnehmerspezifische Klassifkationsmodell Ki aus der Datenbank 5 und ermittelt daraus eine Klassifizierung, die eine Unterversorgung anzeigt oder nicht (ja/nein- Klassifikation). In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auch ein Wahrscheinlichkeitswert für die Unterversorgung des Abnehmers ermittelt werden. Wird eine Unterversorgung erkannt, so sorgt Programm H dafür, dass eine etwaige bestehende Lastbegrenzung abgemildert oder aufgehoben wird. Das daraus erzeugte, abgeänderte Datensignal F‘ wird dann an den Abnehmer 3 übermittelt. The program G includes the creation of the classification models KL ES obtains historical measurement data M i , operating status data B i and reference values R from the database 5 and uses them to determine an individual classification model K i for each customer 3 to detect undersupply. The classification model K i is stored in the database 5. The program H represents the ongoing application of the classification models K i to the current measurement data M i and operating status data B i . The program H obtains the customer-specific classification model K i from the database 5 and uses it to determine a classification that indicates an undersupply or not (yes /no- classification). In other embodiments of the invention, a probability value for the undersupply of the customer can also be determined. If an undersupply is detected, program H ensures that any existing load limitation is reduced or eliminated. The modified data signal F' generated from this is then transmitted to the customer 3.
Fig. 3 zeigt eine schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erstellung abnehmerspezifischer Klassifikationsmodelle Ki durch die Datenverarbeitungseinheit 4. Es handelt sich dabei um das in Fig. 2 beschriebene Unterprogramm G. Es wird so durchgeführt, dass für jeden Abnehmer 3 zumindest ein gültiges Klassifikationsmodell Ki erstellt wird. Eine periodische Aktualisierung des Klassifikationsmodells Ki im Abstand von mehreren Wochen oder einmal pro Jahreszeit kann vorgesehen sein. Fig. 3 shows a schematic flow diagram of a method for creating customer-specific classification models K i by the data processing unit 4. This is the subprogram G described in Fig. 2. It is carried out in such a way that at least one valid classification model K i is created for each customer 3 is created. A periodic update of the classification model K i at intervals of several weeks or once per season can be provided.
In der Datenbank 5 sind als Trainingsdaten historische Messdaten Mi‘ und Betriebszustandsdaten Bi' enthalten, sowie die entsprechenden Referenzwerte R. The database 5 contains historical measurement data M i ' and operating state data B i ' as training data, as well as the corresponding reference values R.
Bei den Referenzwerten kann es sich um Ja-Nein-Aussagen handeln, ob für die betreffenden Sets an Messdaten Mi' und Betriebszustandsdaten Bi' eine Unterversorgung festgestellt wurde. Es kann sich aber auch um einen Wahrscheinlichkeitswert handeln. The reference values can be yes-no statements as to whether an undersupply was determined for the relevant sets of measurement data M i ' and operating state data B i '. But it can also be a probability value.
Die folgenden Schritte werden für jeden Abnehmer 3 durchgeführt. Schritt S301 entnimmt die historischen Daten aus der Datenbank 5. In Schritt S302 werden unvollständige oder fehlerhafte Daten aus Schritt S301 eliminiert. Anschließend werden in Schritt S303 aus den verbleibenden Daten irrelevante oder redundante Merkmale entfernt. Beispielsweise können bestimmte Messdaten Mi oder Betriebszustandsdaten Bi bekannterweise irrelevant für die Klassifikation sein. Der Schritt S304 liefert eine Kennzeichnung jener Datensätze aus Schritt S303, bei denen eine Unterversorgung naheliegt, befürchtet werden muss, oder festgestellt werden konnte. Dieser Vorgang kann durch einen Experten erfolgen, der die Kennzeichnung vornimmt, oder durch den automatischen Abgleich mit Schwellenwerten und deren Unter- bzw. Überschreitung im Rahmen eines Hilfsprogramms. Um ein gültiges Modell zu erhalten, ist eine ausreichende Anzahl von Datensätzen für jede der beiden Klassifikationen (Unterversorgung JA bzw. NEIN) in den Trainingsdaten zur Verfügung zu stellen. The following steps are carried out for each customer 3. Step S301 extracts the historical data from the database 5. In step S302, incomplete or incorrect data from step S301 is eliminated. Subsequently, in step S303, irrelevant or redundant features are removed from the remaining data. For example, certain measurement data M i or operating state data B i are known to be irrelevant for the classification. Step S304 provides an identification of those data sets from step S303 for which an undersupply is obvious, is to be feared, or could be determined. This process can be carried out by an expert who carries out the labeling, or through automatic comparison with threshold values and whether they are exceeded or fallen below as part of an assistance program. In order to obtain a valid model, a sufficient number of data sets for each of the two classifications (undersupply YES or NO) must be provided in the training data.
In Schritt S305 erfolgt das Training eines Machine-Learning Modells. Dazu wird zunächst ein Referenzmodell zur Klassifizierung erstellt. Als Algorithmus wird eine multinominale logistische Regression verwendet und das Ergebnis evaluiert. Danach wird zum Vergleich der Algorithmus von Quinlan C4.5 (auch „J48“ genannt) verwendet und im Vergleich zum Referenzmodell evaluiert. Ferner können Modelle mit beliebigen anderen Algorithmen erstellt und evaluiert werden. Es wird schließlich der Algorithmus als Klassifikationsmodell Ki ausgewählt, der die tauglichsten Ergebnisse in der Evaluierung liefert. In step S305, a machine learning model is trained. To do this, a reference model for classification is first created. A multinomial logistic regression is used as the algorithm and the result is evaluated. The Quinlan C4.5 algorithm (also called “J48”) is then used for comparison and evaluated in comparison to the reference model. Furthermore, models can be created and evaluated using any other algorithms. Finally, the algorithm that delivers the most suitable results in the evaluation is selected as the classification model K i .
Abschließend werden in Schritt S306 für alle Abnehmer 3 die Resultate mit dem jeweils für die betreffenden Abnehmer im Schritt S305 ermittelten Klassifikationsmodell Ki ermittelt. Finally, in step S306, the results are determined for all customers 3 using the classification model K i determined for the respective customers in step S305.
Die Klassifikationsmodelle Ki aus Schritt S306 werden in Schritt S307 in der Datenbank für die spätere Anwendung gespeichert. Es ist sowohl möglich, ein Klassifikationsmodell für alle Abnehmer auszuwählen, als auch unterschiedliche Klassifikationsmodelle. Es sind dann nicht nur die Modellparameter von Abnehmer zu Abnehmer verschieden, sondern auch die grundlegende Modellstruktur. The classification models K i from step S306 are stored in the database in step S307 for later use. It is possible to select one classification model for all customers as well as different classification models. Not only do the model parameters differ from customer to customer, but also the basic model structure.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des in Fig. 2 beschriebenen Unterprogramms H. Die Schritte im Programm H werden in kurzen Intervallen von etwa 1 - 10 Minuten für alle Abnehmer 3 durchgeführt. In Schritt S401 werden durch Abfrage der Datenbank 5 jene Abnehmer i ausgewählt, für die eine Lastbegrenzung aktiv ist. Für diese Abnehmer werden in Schritt S402 die Messdaten Mi, Betriebszustandsdaten Bi und die individuellen Klassifikationsmodelle Ki aus der Datenbank 5 ausgelesen. In Schritt S403 werden irrelevante oder redundante Merkmale der Daten eliminiert. In Schritt S404 werden die Klassifikationsmodelle Ki auf die Daten angewandt, um eine Klassifizierung der Unterversorgung (ja/nein) zu erhalten. Fig. 4 shows a schematic flow diagram of the subprogram H described in Fig. 2. The steps in program H are carried out for all customers 3 at short intervals of approximately 1 - 10 minutes. In step S401, those consumers i for which a load limitation is active are selected by querying the database 5. For these customers, the measurement data M i , operating state data B i and the individual classification models K i are read out from the database 5 in step S402. In step S403, irrelevant or redundant features of the data are eliminated. In step S404, the classification models K i are applied to the data to obtain a classification of underprovision (yes/no).
In Schritt S405 wird geprüft, ob eine Unterversorgung erkannt wurde. Wurde keine Unterversorgung erkannt, folgt keine Änderung an der bestehenden Lastbegrenzung (Schritt S406). Wurde eine Unterversorgung erkannt, so wird in Schritt S407 geprüft, ob eine Anweisung zur Erhöhung der Lastbegrenzung in der Datenbank 5 hinterlegt ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt S409 auf dieser Basis ein neues Signal F‘ an den Abnehmergesendet. Wird keine Anweisung zur Erhöhung der Lastbegrenzung in der Datenbank gefunden, so wird die Lastbegrenzung für den betreffenden Abnehmer zur Gänze aufgehoben und in Schritt S408 ein entsprechendes Signal F“ an den Abnehmer gesendet. Innerhalb des Abnehmers 3 verarbeitet der Heizungsregler 9 das Signal aus Schritt S408 oder Schritt S409. Im letzten Schrittreagiert das Regelventil 8 auf die geänderte Einstellung des Reglers 9. In step S405 it is checked whether an undersupply has been detected. If no undersupply was detected, there is no change to the existing load limitation (step S406). If an undersupply has been detected, it is checked in step S407 whether an instruction to increase the load limitation is stored in the database 5. If this is the case, then in step S409 a new signal F' is sent to the recipient on this basis. If no instruction to increase the load limit is found in the database, the load limit is completely lifted for the relevant customer and a corresponding signal F" is sent to the customer in step S408. Within the consumer 3, the heating controller 9 processes the signal from step S408 or step S409. In the last step, the control valve 8 reacts to the changed setting of the controller 9.
Figs. 5a - 5c zeigen verschiedene Netzwerktopologien zur Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figs. 5a - 5c show different network topologies for using a method according to the invention.
Gemäß Fig. 5a sind die Datenverarbeitungseinheit 4 und die Datenbank 5, wie der lokale Regler 9, in die Übergabestation 10 eines Abnehmers 3 integriert. Dies ermöglicht einen komplett autarken Betrieb des Verfahrens. Die Datenverarbeitungseinheit 4 und die Datenbank 5 können beispielsweise in der Software des Reglers 9 eines Kundenproduktes bereitgestellt werden. 5a, the data processing unit 4 and the database 5, like the local controller 9, are integrated into the transfer station 10 of a customer 3. This enables the process to operate completely independently. The data processing unit 4 and the database 5 can, for example, be provided in the software of the controller 9 of a customer product.
Gemäß Fig. 5b sind die Datenverarbeitungseinheit 4 und die Datenbank 5 in einer, mit der Übergabestation 10 eines Abnehmers 3 bzw. dem darin angeordneten Regler 9 über das Internet verbundenen Leitstelle 13 des primären Verteilnetzes 2 integriert. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Kunden gleichzeitig die zentrale Datenverarbeitungseinheit 5 und Datenbank 5 der Leitstelle 13 nutzen können. Die Leitstelle kann zu diesem Zweck einen http-Server bereitstellen, auf den die Übergabestationen 10 der Abnehmer 3 Zugriff erlangen. Eine Übergabestation 10 kann somit durch Senden von aktuellen Messdaten sofort eine Antwort durch Abfrage des zugeordneten Klassifizierungsmodells Ki erhalten, insbesondere eine Bewertung oder eine Prognoserechnung des aktuellen Zustands. 5b, the data processing unit 4 and the database 5 are integrated in a control center 13 of the primary distribution network 2, which is connected to the transfer station 10 of a customer 3 or the controller 9 arranged therein via the Internet. This has the advantage that different customers can use the central data processing unit 5 and database 5 of the control center 13 at the same time. For this purpose, the control center can provide an http server to which the transfer stations 10 of the customers 3 gain access. By sending current measurement data, a transfer station 10 can thus immediately receive an answer by querying the assigned classification model K i , in particular an evaluation or a forecast calculation of the current state.
Gemäß Fig. 5c ist die Datenbank 5 mit den individuellen Klassifizierungsmodellen Ki auf einem externen Cloud-Server 14 im Internet implementiert, auf den die Datenverarbeitungseinheit 4 Zugriff hat. Dies erlaubt die separate Wartung und Pflege der Klassifizierungsmodelle Ki über das Internet, ohne dass dabei in die Leitstelle 13 des primären Verteilnetzes 2 eingegriffen werden muss. According to Fig. 5c, the database 5 with the individual classification models K i is implemented on an external cloud server 14 on the Internet, to which the data processing unit 4 has access. This allows the classification models K i to be maintained separately via the Internet without having to intervene in the control center 13 of the primary distribution network 2.
Der Schutzbereich des Patents ist durch die nachfolgenden Patentansprüche bestimmt und nicht auf die Anwendung zur Erkennung und Behebung von Unterversorgungszuständen beschränkt, sondern umfasst auch Anwendungen zur Erkennung und Behebung anderer unerwünschter Situationen (Anomalien) in thermischen Energieversorgungsnetzen. The scope of protection of the patent is determined by the following patent claims and is not limited to the application for detecting and eliminating undersupply conditions, but also includes applications for detecting and eliminating other undesirable situations (anomalies) in thermal energy supply networks.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
1 Energiequelle 1 energy source
2 Primäres Verteilnetz 2 Primary distribution network
3, 3‘, 3“ Abnehmer 3, 3', 3" takers
4 Datenverarbeitungseinheit4 data processing unit
5 Datenbank 5 database
6, 6‘ Sensor 6, 6' sensor
7, 7‘ Sensor 7, 7' sensor
8 Regelventil 8 control valve
9 Regler 9 regulators
10 Übergabestation 10 transfer station
11 Wärmetauscher 11 heat exchangers
12, 12‘, 12“ Sekundäres Verteilnetz12, 12', 12" secondary distribution network
13 Leitstelle 13 control center
14 Cloud-Server 14 cloud servers

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Computerimplementiertes Verfahren zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere Unterversorgungszuständen, beispielsweise während des Einsatzes von abnehmerseitigen Lastbegrenzungen in einem thermischen Energieversorgungsnetz mit zumindest einer Energiequelle (1 ), die über ein primäres Verteilnetz (2) mit zumindest einer Übergabestation (10, 10‘, 10“) zumindest eines Abnehmers (3, 3‘, 3“) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Messung, durch eine Vielzahl von Sensoren (6, 6‘, 7, 7‘), aktueller Messdaten Mi und Ermittlung, durch einen Regler (9) in der Übergabestation (10), aktueller Betriebszustände Bi des Abnehmers (3, 3‘, 3“) und Übermittlung der Messdaten Mi und Betriebszustände Bi an eine Datenverarbeitungseinheit (4), b. Abfrage, durch die Datenverarbeitungseinheit (4), einer Datenbank (5) und Entnahme eines, dem Abnehmer (3, 3‘, 3“) zugeordneten Klassifizierungsmodells Ki, c. Anwendung, durch die Datenverarbeitungseinheit (4), des Klassifizierungsmodells Ki auf die aktuellen Messdaten Mi und die aktuellen Betriebszustände Bi des Abnehmers (3, 3‘, 3“), und Feststellung, ob eine Anomalie vorliegt, d. sofern eine Anomalie erkannt wurde, Ansteuerung, durch Sendung eines Datensignals F‘ von der Datenverarbeitungseinheit (4), des Reglers (9) oder eines Regelventils (8) in der Übergabestation (10) des Abnehmers (3, 3‘, 3“) zur Behebung der Anomalie. 1 . Computer-implemented method for detecting and eliminating anomalies, in particular undersupply conditions, for example during the use of consumer-side load limitations in a thermal energy supply network with at least one energy source (1) which is connected via a primary distribution network (2) with at least one transfer station (10, 10 ', 10 “) of at least one customer (3, 3', 3”), characterized in that the method comprises the following steps: a. Measurement, by a large number of sensors (6, 6', 7, 7'), of current measurement data M i and determination, by a controller (9) in the transfer station (10), of current operating states B i of the customer (3, 3' , 3”) and transmission of the measurement data M i and operating states B i to a data processing unit (4), b. Query, by the data processing unit (4), of a database (5) and extraction of a classification model K i assigned to the customer (3, 3 ', 3"), c. Application, by the data processing unit (4), of the classification model K i to the current measurement data M i and the current operating states B i of the customer (3, 3', 3"), and determining whether an anomaly exists, i.e. If an anomaly has been detected, control by sending a data signal F 'from the data processing unit (4), the controller (9) or a control valve (8) in the transfer station (10) of the customer (3, 3 ', 3") to Fix the anomaly.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c. - d. des Verfahrens laufend, vorzugsweise in Intervallen von unter 30 Minuten, besonders bevorzugt in Intervallen von unter 15 Minuten, vorzugsweise in Intervallen von 1 Minute bis 10 Minuten, durchgeführt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that steps c. - d. of the process can be carried out continuously, preferably at intervals of less than 30 minutes, particularly preferably at intervals of less than 15 minutes, preferably at intervals of 1 minute to 10 minutes.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b. - c. für mehrere, vorzugsweise strukturell unterschiedliche, dem Abnehmer (3, 3‘, 3“) zugeordnete Klassifizierungsmodelle Ki durchgeführt werden, wobei die Feststellung, ob eine Anomalie vorliegt, auf Grundlage einer Kombination der Ergebnisse der Klassifizierungsmodelle Ki getroffen wird. 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that steps b. - c. for several, preferably structurally different, classification models K i assigned to the customer (3, 3', 3"), the determination of whether an anomaly exists being made on the basis of a combination of the results of the classification models K i .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (6, 6‘, 7, 7‘) als Messdaten Mi die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und den Durchfluss des primären Verteilnetzes (2), die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und den Durchfluss des sekundären Verteilnetzes (12, 12‘, 12“), und/oder eine Außentemperatur oder eine Innentemperatur aufnehmen. 4. The method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensors (6, 6 ', 7, 7') as measurement data Mi the flow temperature, the return temperature and the flow of the primary distribution network (2), the flow temperature, the Return temperature and the flow of the secondary distribution network (12, 12', 12"), and/or an outside temperature or an inside temperature.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (9) als Betriebszustände Bi den Status einer Pumpe oder eines Ventils in der Übergabestation (10), die aktuelle Warmwasser-Anforderung, die Temperaturspreizung zwischen primärem Verteilnetz (2) und sekundärem Verteilnetz (12, 12‘, 12“), am Abnehmer (3) eingestellte Programm parameter, die Grädigkeit des Wärmetauschers und/oder andere spezifische Zustandsdaten des Abnehmers (3) ermittelt. 5. The method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the controller (9) as operating states B i the status of a pump or a valve in the transfer station (10), the current hot water requirement, the temperature spread between the primary distribution network ( 2) and secondary distribution network (12, 12', 12"), program parameters set on the customer (3), the grade of the heat exchanger and/or other specific status data of the customer (3).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b. eine Abfrage der Datenbank (5) erfolgt, um jene Messdaten Mi und Betriebszustände Bi festzustellen, die für das Klassifizierungsmodell Ki relevant sind, und Anwendung, in Schritt c., des Klassifizierungsmodells Ki lediglich auf die für den Anbieter (3) als relevant festgestellten Messdaten Mi und Betriebszustände Bi. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that after step b. the database (5) is queried in order to determine those measurement data Mi and operating states B i that are relevant for the classification model K i , and application, in step c., of the classification model K i only to those for the provider (3). relevantly determined measurement data Mi and operating states B i .
7. Computerimplementiertes Klassifizierungsmodell Ki zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere Unterversorgungszuständen, beispielsweise während des Einsatzes von abnehmerseitigen Lastbegrenzungen in einem Energieversorgungsnetz mit zumindest einer Energiequelle (1 ), die über ein primäres Verteilnetz (2) mit zumindest einer Übergabestation (10) zumindest eines Abnehmers (3, 3‘, 3“) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Klassifizierungsmodell Ki zur Anwendung in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, insbesondere in Form eines entsprechend trainierten neuronalen Netzes, eines linearen Regressionsmodelles oder in Form eines Entscheidungsbaums. 7. Computer-implemented classification model K i for detecting and eliminating anomalies, in particular undersupply conditions, for example during the use of consumer-side load limitations in an energy supply network with at least one energy source (1) which has at least one energy source (1) via a primary distribution network (2) with at least one transfer station (10). a customer (3, 3', 3"), characterized in that the classification model K i is designed for use in a method according to one of claims 1 to 6, in particular in the form of a correspondingly trained neural network, a linear regression model or in the form of a decision tree.
8. Computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines individuellen Klassifizierungsmodells Ki zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere Unterversorgungszuständen beispielsweise während des Einsatzes von abnehmerseitigen Lastbegrenzungen in einem Energieversorgungsnetz mit zumindest einer Energiequelle (1 ), die über ein primäres Verteilnetz (2) mit zumindest einer Übergabestation (10) zumindest eines Abnehmers (3, 3‘, 3“) verbunden ist, insbesondere Verfahren zur Erstellung des Klassifizierungsmodells Ki aus Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Empfangen eines Trainingsdatensatzes umfassend historische Messdaten Mi' und Betriebszustände Biʻ des Abnehmers (3, 3‘, 3“) sowie von Referenzwerten R, die kennzeichnen, ob eine Anomalie vorliegt; b. Ermitteln eines Klassifizierungsmodells Ki und Anwenden des Klassifizierungsmodells Ki auf den Trainingsdatensatz, Entgegennahme des Ergebnisses des Klassifizierungsmodells Ki und Vergleich des Ergebnisses mit dem Referenzwert; c. Anpassen der Modellparameter des Klassifizierungsmodells Ki zur Reduktion des Unterschieds zwischen dem Ergebnis und dem Referenzwert; d. Wiederholung der Schritte a. - c. mit individuellen Trainingsdaten und Referenzwerten des Abnehmers (3, 3‘, 3“), bis die Unterschiede zwischen den Ergebnissen und den Referenzwerten unter einer vorgegebenen Schwelle bleiben, e. Abspeicherung des individuellen Klassifizierungsmodells Ki sowie gegebenenfalls der für das Klassifizierungsmodell Ki als relevant festgestellten Messdaten Mi' und Betriebszustände Biʻ in einer Datenbank (5). 8. Computer-implemented method for creating an individual classification model K i for detecting and eliminating anomalies, in particular undersupply conditions, for example during the use of consumer-side load limitations in an energy supply network with at least one energy source (1) which is connected via a primary distribution network (2) with at least one transfer station (10) of at least one customer (3, 3', 3"), in particular a method for creating the classification model K i from claim 6, characterized in that the method comprises the following steps: a. Receiving a training data set comprising historical measurement data Mi' and operating states B i ʻ of the customer (3, 3', 3") as well as reference values R which indicate whether an anomaly exists; b. Determining a classification model K i and applying the classification model K i to the training data set, receiving the result of the classification model K i and comparing the result with the reference value; c. Adjusting the model parameters of the classification model K i to reduce the difference between the result and the reference value; d. Repeat steps a. - c. with the user's individual training data and reference values (3, 3', 3") until the differences between the results and the reference values remain below a predetermined threshold, e. Storage of the individual classification model K i and, if necessary, the measurement data Mi' and operating states B i ʻ found to be relevant for the classification model K i in a database (5).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Klassifizierungsmodells in Schritt b. zunächst ein Referenzmodell erstellt wird, das eine multinominale logistische Regression auf den Trainingsdatensatz anwendet, und danach zum Vergleich ein C4.5 Algorithmus zur Erstellung eines Entscheidungsbaums auf den Trainingsdatensatz angewandt wird und im Vergleich zum Referenzmodell evaluiert wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that to determine the classification model in step b. First, a reference model is created that applies a multinomial logistic regression to the training data set, and then for comparison, a C4.5 algorithm to create a decision tree is applied to the training data set and is evaluated in comparison to the reference model.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Klassifizierungsmodells weitere Referenzmodelle mit anderen Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens erstellt und evaluiert werden, und schließlich jener Algorithmus als Klassifikationsmodell Ki ausgewählt wird, der bei der Evaluierung die tauglichsten Ergebnisse liefert. 10. The method according to claim 9, characterized in that to determine the classification model, further reference models are created and evaluated with other algorithms from the field of machine learning, and finally that algorithm is selected as the classification model K i which delivers the most suitable results in the evaluation .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a. - e. in einem Intervall von unter 2 Wochen, unter 4 Wochen, oder unter 8 Wochen, vorzugsweise einmal pro Jahreszeit, vorzugsweise automatisiert wiederholt werden, insbesondere unter Berücksichtigung und Verwendung zumindest eines Vergleichszeitraums aus vergangenen Jahren. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that steps a. - e. be repeated at an interval of less than 2 weeks, less than 4 weeks, or less than 8 weeks, preferably once per season, preferably automatically, in particular taking into account and using at least one comparison period from previous years.
12. Verwendung eines computerimplementierten Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Erkennung und Behebung von Anomalien, insbesondere abnehmerseitigen Unterversorgungszuständen eines Fernwärmenetzes, eines Fernkältenetzes oder eines kombinierten Fernwärme- und Fernkältenetzes. 12. Use of a computer-implemented method according to one of claims 1 to 11 for detecting and eliminating anomalies, in particular customer-side undersupply states of a district heating network, a district cooling network or a combined district heating and district cooling network.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (4) und vorzugsweise auch die Datenbank (5) in die Übergabestation (10, 10‘, 10“) des Abnehmers (3, 3‘, 3“) integriert oder mit dieser lokal verbunden ist. 13. Use according to claim 12, characterized in that the data processing unit (4) and preferably also the database (5) are integrated into or with the transfer station (10, 10 ', 10") of the customer (3, 3', 3") this is locally connected.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (4) und vorzugsweise auch die Datenbank (5) in einer, mit der Übergabestation (10, 10‘, 10“) des Abnehmers (3, 3‘, 3“) über das Internet oder ein anderes Datennetz verbundenen Leitstelle (13) des primären Verteilnetzes (2) integriert oder mit dieser lokal verbunden ist. 14. Use according to claim 13, characterized in that the data processing unit (4) and preferably also the database (5) are in one with the transfer station (10, 10 ', 10") of the customer (3, 3', 3"). Control center (13) of the primary distribution network (2) connected via the Internet or another data network or is locally connected to it.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (5) auf einem Server im Internet implementiert ist, auf den die Datenverarbeitungseinheit (4) Zugriff hat. 15. Use according to claim 13 or 14, characterized in that the database (5) is implemented on a server on the Internet to which the data processing unit (4) has access.
16. Datenverarbeitungseinheit (4), umfassend Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 . 16. Data processing unit (4), comprising means for carrying out a method according to one of claims 1 to 11.
17. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Instruktionen, die eine Datenverarbeitungseinheit (4), insbesondere eine Datenverarbeitungseinheit nach Anspruch 16, zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 veranlassen. 17. Computer-readable storage medium, comprising instructions that cause a data processing unit (4), in particular a data processing unit according to claim 16, to carry out a method according to one of claims 1 to 11.
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