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一种带优化控制的综合能源感知装置

2021-05-02 17:25:45

一种带优化控制的综合能源感知装置

  技术领域

  本发明属于计算机自动控制技术领域,尤其是一种带优化控制的综合能源感知装置。

  背景技术

  在传统的能源监控系统中,水、电、气、热、冷、油等能源分别是通过各种采集终端来完成数据采集与上传到主站平台。例如,在监测电锅炉运行状态时,就需要监测电参数的智能电表,需要监测进水管水的流量、压力、温度等监测仪表和对应采集数据终端,需要监测出水管(直热水管出水和蓄热水管出水)流量、压力、温度等监测仪表和对应数据采集终端,采集数据方案和时间均由每种数据采集终端配置,几种终端数据采集时刻很难同步,单个数据采集终端现场很难判断电锅炉运行状态,不能实现能源转换效率和优化控制功能。

  通过检索,发现现有的文献通常只是监测部分设备状态,例如:专利文献“一种电锅炉暖电控制系统(专利公开号:CN206593202U)”其通过安装多个温度传感器、水位计对电锅炉内水温及水位进行实时采集并进行加热控制,但是,其不能对进出水管的流量、压力以及电参数进行监测,因此不能准确判断电锅炉的运行状态,难以实现对电锅炉的优化控制功能。

  发明内容

  本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出一种带优化控制的综合能源感知装置,能够同时采集电锅炉电参数、进水、出水流量、压力和温度,实时计算综合能源的转换效率,实现对电锅炉的优化控制功能。

  本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:

  一种带优化控制的综合能源感知装置,包括主控单元,所述主控单元通过多路输入接口采集电锅炉的电参数、进水流量、出水流量、压力和温度数据,实时计算电锅炉能源转换效率并根据实时运行的电功率和优化模型算法预测出来的电功率进行对比,得到调节电锅炉运行参数的控制命令,并通过输出接口发出控制命令优化控制电锅炉的运行。

  而且,所述主控单元还通过RS485接口或以太网接口连接一个扩展单元,该扩展单元采集电锅炉的进水流量、出水流量、压力和温度并与主控单元进行数据交互,协调控制电锅炉的运行。

  而且,所述主控单元包括:信息采集与处理模块、计量模块、输入输出扩展模块、人机接口、通信接口及主控单元电源模块;

  所述信息采集与处理模块包括:主处理器及与其相连接的带温度补偿的实时时钟电路、用于用户数据存储的存储芯片、用于存储录波数据的大容量TF卡存储接口电路、用于电能量及参数存储的铁电存储器和网络扩展与接口电路;

  所述计量模块采用电流型电压互感器与穿心式电流互感器、信号转换与调理电路和计量芯片实现电压电流的取样及电能计量相关参量的计算功能,计量模块采集数据传输至信息采集与处理模块;

  所述输入输出扩展模块包括从处理器、状态量输入输出单元、直流模拟量输入单元和继电器输出单元,从处理器与主控制器、状态量输入输出单元、直流模拟量输入单元、继电器输出单元相连接,状态量输入输出单元、直流模拟量输入单元、继电器输出单元与电锅炉相连接;

  所述通信接口与外部设备相连接用于接收优化模型算法预测出来的电功率。

  而且,所述信息采集与处理模块与通信接口、输入输出扩展模块之间均连接有隔离器。

  而且,所述计量芯片采用三相电能计量芯片RN8302或ATT7022E。

  而且,所述计量模块采集一路三相三线或三相四线的用电电能;所述状态量输入输出单元包括两路输入和两路输出接口,所述直流模拟量输入单元包括二路输入接口,所述继电器输出单元包括一路继电器输出接口;所述通信接口包括二路高速RS485及二路以太网接口。

  而且,所述主控单元电源模块采用单相220V交直流电源供电的电源转换模块,转换成一路信息处理模块用的5VDC电源、一路RS485通信用电源12VDC、一路输入输出扩展模块用电源12VDC,上述电源之间相互隔离。

  而且,所述人机接口包括一个分辨率为128×64像素的液晶显示屏、四个实体按键和多只用于状态显示的LED灯。

  而且,所述扩展单元包括:数据采集与处理模块、输入输出扩展模块、人机接口、通信接口和扩展单元电源模块;所述数据采集与处理模块与输入输出扩展模块、人机接口、通信接口及扩展单元电源模块相连接;

  所述数据采集与处理模块包括处理器及与其相连接的带温度补偿的实时时钟电路、用于用户数据存储的32MB的存储器、用于存储实时用能累加量及参数的铁电存储器及通信接口电路;

  所述通信接口与外部设备相连接用于接收优化模型算法预测出来的电功率。

  而且,所述输入输出扩展模块包括:4路数字输入接口、4路数字输出接口、4路继电器控制输出接口;所述通信接口包括1路RS485接口、1路以太网接口、1路LoRa通信模块、1路4G/5G通信模块,且LoRa通信模块与4G/5G通信模块为可插拔结构。

  本发明的优点和积极效果是:

  1、本发明能够同时采集电锅炉电参数、进水、出水流量、压力和温度,可以实时计算电锅炉能源转换效率并根据实时运行的电功率和优化模型算法预测出来的电功率进行对比,如果差值超出预设的阈值,可以输出控制命令调节电锅炉运行参数改变电锅炉实时运行的电功率,最终达到综合能源管理的目标,实现对电锅炉的优化控制功能。

  2、本发明集成度高,单套装置即可以实现对各种形式的能源进行实时监测、分析及优化控制,简化现场安装调试难度与运行可靠性,并可降低成本。

  3、本发明采用模块化设计,而且使用主控单元即可单独完成基本功能,对于某些综合能源应用场景可进一步降低成本与安装空间;同时,在满足基本功能的基础上,将其它需要根据不同应用场合来选择的功能设计到一个可单独运行的扩展单元上,进一步降低单个设备的体积与成本,同时也降低了对设备结构设计的复杂性。

  4、本发明可根据需要自由选择由主控制单元完成,也可选择由扩展单元完成,提高了应用的适应性。

  5、本发明采用高性能的Cortex M7处理器,利用其大容量的片内SRAM及高精度ADC,在实现整个数据采集、信息处理、协议转换等基本功能外,还可以实现对6个通道的交流电信号进行录波,进一步降低了整个应用的成本与设计的难度。

  6、本发明的主控单元及扩展单元均可通过以太网与外部设备进行通信,也可以通过其中任意一个实现与外部设备的通信功能,接收外部设备中优化模型算法预测出来的电功率及控制阈值参数,并且扩展单元上设置有多个可插拔的通信模块,实现与外部设备的多种通信方式的可选功能。

  附图说明

  图1是本发明的电路方框图;

  图2是本发明的用电信息采集及控制模块(主控单元)的电路方框图;

  图3是本发明的通信接口及功能扩展模块(扩展单元)的电路方框图;

  图4是本发明的工作流程图。

  具体实施方式

  以下结合附图对本发明做进一步详述。

  一种带优化控制的综合能源感知装置,如图1所示,包括用电信息采集及控制模块(主控单元)和通信接口及功能扩展模块(扩展单元),用电信息采集及控制模块(主控单元)和通信接口及功能扩展模块(扩展单元)相连接。主控单元和扩展单元通过输入接口采集电锅炉电参数、进水、出水流量、压力和温度,实时计算电锅炉能源转换效率,根据实时运行的电功率和按优化模型算法预测出来的电功率进行对比,如果差值超出预设的阈值,可以通过输出接口输出控制命令调节电锅炉运行参数,从而改变电锅炉实时运行的电功率,最终达到综合能源管理的目标,实现对电锅炉的优化控制功能。

  在本实施例中,优化模型算法预测出来的电功率是通过与外部设备进行通信获得的并保存在主控单元或扩展单元中。用电信息采集及控制模块(主控单元)和通信接口及功能扩展模块(扩展单元)可选择地与外部相连接获得优化模型算法预测出来的电功率及控制阈值参数。外部设备中的优化控制模型算法采用常规设计方法不断升级实现的,所述控制阈值参数也是通过实际测量归纳总结得到的。

  下面分别对其进行说明:

  1、所述用电信息采集及控制模块(主控单元)基本包括了综合能源感知装置的所有功能与对外接口,可以满足大部分不需要控制功能的应用场景,主要功能包括:一路三相三线或三相四线的用电能信息测量功能(包括电能计量、可选故障录波功能),2路直流模拟量输入、2路数字量输入、2路数字量输出接口、1路继电器控制输出、2路高速RS485接口及2路以太网接口。

  所述通信接口及功能扩展模块(扩展单元)作为主控单元在对外通信与输入输出接口的扩展,主要功能包括:1路以太网接口、1路高速RS485接口、4路直流模拟量输入、4路数字量输入、4路数字量输出接口、4路继电器控制输出,同时可选4G/5G通信模块、可选LoRa通信模块。

  所述主控单元与扩展单元之间可以根据需要选择高速RS485接口,也可以选择以太网接口,以实现他们之间的高速数据数据通信。

  2、用电信息采集及控制单元(主控单元)

  如图2所示,所述用电信息采集及控制单元(主控单元)采用模块化设计,按功能划分为下面几大模块:计量模块1、输入输出扩展模块2、信息采集与处理模块3、人机接口4、通信接口5、主控单元电源模块6。

  主控单元可以对采集的所有数据进行分析处理,这样它就能同时刻采集到电锅炉电参数、进水、出水流量、压力和温度,通过实时计算电锅炉能源转换效率,可以根据实时运行的电功率和优化模型算法预测的出来的电功率进行比对,超出差值阈值可以输出控制命令调节电锅炉运行参数改变电锅炉实时运行的电功率。

  2.1、所述信息采集与处理模块

  信息采集与处理模块为主控单元的核心部分,主要部件包括:一片高性能处理器(主处理器)及与其相连接的带温度补偿的实时时钟电路(RTC)、用于用户数据存储的32MB的Flash存储器、用于存储录波数据的大容量TF卡存储接口电路、用于电能量及参数存储的铁电存储器(FRAM)及网络扩展与接口电路。主控单元的所有其它功能模块均在本模块的控制下,完成对电能量、非电能量、状态量的采集及输入输出功能,并对所有数据进行分析、运算处理、存储及与外部设备进行通信。

  所述主处理器采用一片高性能的Cortex M7处理器STM32H743,此处理器基于32位Cortex-M7内核,内置双精度FPU及L1缓存,最高工作主频高达400MHz,片内存储最高2MB的FLASH存储空间,最高1MB的SRAM存储空间;提供丰富的外设以资源,如内置多通道的16位高速ADC、最高达168个通用IO接口,4路USART通信接口、4路UART通信接口、6路SPI接口、2×SD/SDIO/MMC接口、4路DMA控制器、多达22个定时器等。

  所述实时时钟芯片,采用带温度补偿功能的专用时钟芯片RS8025T,它一天的时钟误差不大于0.5秒,保证了电能计量、优化控制的准确性。

  根据故障录波的技术要求,需要对故障前后至少20~50个以上的周波进行录波(6个通道以12.8K的采样率按16位分辨率进行采样,1秒钟数据约150KB),本处理器多达1MB的RAM空间,在满足实时操作系统、网络通信、基本信号录波功能外,为实现更长的录波时间提供更大的便利;其片内高达2MB的FLASH存储空间保证了不外扩FLASH也可实现应用程序的需求。为实现用户数据存储空间、录波数据存储的需要,再扩展了一片32MB的nor Flash用于存储用户数据,扩展一片不低于32GB的TF卡用于存储录波数据。一片2KB的铁电存储器用于电能量数据与相关参数。

  为保证系统的安全,信息采集与处理模块与所有外部接口均实现高达AC 2000V以上的隔离:其与通信接口、输入输出扩展模块等之间的连接,均采用光藕或ADUM系列隔离芯片进行隔离,在保证提高隔离电压的情况下,实现高速通信。

  由于STM32H743处理器内部只有一个以太网接口,为实现两路网口功能,这里采用了一片交换机芯片KSZ8863实现双口网络功能,以方便在调试与应用过程中对2路网络接口的需求。

  2.2、计量模块

  计量模块实现电压电流取样功能,其中电压信号通过电流型电压互感器,将大电压转换成小电压,即通过温漂不高于25ppm的精密电阻,对输入的大电压进行限流到约1mA左右再输入到电压互感器次级,其次级采用0.1%温漂不高于20ppm精度电阻进行取样成小电压;电流取样采用0.1级的穿心式电流互感器配合0.1%温漂不高于20ppm精度电阻对输入的大电流进行采样。将大电压大电流转成不高于900mV的电压信号,送入到专用的三相计量芯片(如RN8302或ATT7022E之类)进行采样运算,实现对电能计量及其它电参量的采集,最后通过光藕隔离的SPI接口上传到处理器进行处理及存储。

  由于主处理器自带的ADC只能采集0V以上的信号,所以此模块还通过一路与计量芯片并行的信号调理电路对输入的交流电压信号,进行信号偏置与放大,将输入的交流信号调理到0~2.5V之间的直流信号,再接到处理器的ADC通道内进行采样,以实现对交流采样信号的录波功能。

  2.3、所述输入输出扩展模块

  输入输出扩展模块包括从处理器及与其相连接的状态量输入输出单元、直流模拟量输入单元、继电器输出单元,状态量输入输出单元提供两路状态量输入接口和两路状态量输出接口并可分别连接两路状态量输入信号(2*DI)和两路状态两输出信号(2*DO),直流模量输入单元提供两路模拟量输入接口并可连接两路模拟量输入信号(2*AI),继电器输出单元提供一路继电器输出控制接口并可输出一路继电器控制信号(1*YK)。输入输出扩展模块采用一个从处理器来单独完成DI/DO及AI功能,它们自成一个小系统且功能相对独立,为保证输入输出接口的运行可靠性与扩展便捷性提供支持。为简化设计及降低成本,从处理器采用一片内核为Cortex M0的处理器,它自带ADC,通过内置多通道ADC完成多路直流模拟信号的采集,通过其通用IO口完成多路DI/DO的输入与输出控制。

  输入输出扩展模块与主处理器之间的通信,采用光藕隔离的UART通信接口,以保证本采集单元的可靠性。

  2.4人机接口

  主要包括一个分辨率为128×64像素的液晶显示屏、四个实体按键、多只用于状态显示的LED灯。

  液晶显示屏用于显示当前运行的电与非参量的实时数据、设置参数及其它运行状态等等。

  液晶显示屏与主处理器之间采用SPI通信接口,按键及LED与主处理器之间通过通用IO口进行采集与控制,它们两者配合可以实现在现场对部分运行参数查看与设置。

  2.5通信接口

  主要包括两个采用ADUM系列隔离器隔离的RS485接口(图2中RS485接口1,RS485接口2),以及两个以太网接口(图2中以太网接口1、以太网接口2),在实现高速通信的同时,保证了两个设备之间的可靠性。

  2.6主控单元电源模块

  采用一款可用单相220V交直流电源供电的电源转换模块,将外部220V交流电源转换成一路信息处理模块用的5VDC电源、一路485通信用电源12VDC、一路输入输出扩展模块用电源12VDC,它们之间相互隔离,以实现不同模块之间的隔离需求。

  图2中的功能扩展单元7是主控单元在功能与结构上的扩展,为增强应用的适应性,本模块作为一个单独的外置设备来进行设计,以通信接口及功能扩展模块的情形式来实现。

  3、通信接口及功能扩展模块(扩展单元)

  本扩展单元在功能模块上类似于主控单元的输入输出扩展模块,为满足它与主控单元及整个能源感知终端与外部设备通信的要求。本扩展单元通过高速RS485接口或以太网接口,实现与主控单元之间的数据交互,同时通过自带的4G/5G模块,与外部设备通信。通过完整采集综合能源感知终端的所有数据,实现综合能源感知终端的优化控制功能的所有控制功能。它具备优化控制模型算法运行模式,可根据应用场景下载对应设备优化控制算法,在实时运行中感知装置可按优化算法来执行优化调节。

  通信接口及功能扩展模块(扩展单元)包括如下接口:1路RS485接口、1路以太网接口、4路数字输入接口(DI)、4路数字输出接口(DO)、4路继电器触点输出的控制输出接口,同时为适用不同通信需求,再扩展了1路可选的LoRa通信模块、1路可选的4G/5G通信模块,且它们采用可插拔的结构设计,可根据不同的应用场景选择不同的通信模块。

  在处理器选型上,扩展单元也采用STM32H743进行设计,实现所有的功能,不过不再保留计量模块、不保留液晶显示屏,只在输入输出扩展模块的基础上增加更多数量的接口。上述功能直接由本CPU来实现,其它其整个设计方法与主控单元相似。

  通信接口及功能扩展模块(扩展单元)包括如下功能模块:数据采集与处理模块703、输入输出扩展模块701、扩展单元电源模块702、人机接口704、通信接口705。

  通信接口及功能扩展模块(扩展单元)中的数据采集与处理模块为本单元的核心部分,主要部件包括:一片高性能处理器(主处理器)、带温度补偿的实时时钟电路(RTC)、用于用户数据存储的32MB的 Flash存储器、用于存储及时用能累加量及参数的铁电存储器(FRAM)、及网络扩展与接口电路。扩展单元的所有其它功能模块,均在本模块的控制下,完成对非电能量、状态量的采集及输入输出功能,并对所有数据进行分析、运算处理、存储及与外部设备的通信功能。本单元可以将主控单元采集的所有数据均采集进行分析处理,这样它就能同时刻采集到电锅炉电参数、进水、出水流量、压力和温度,通过实时计算电锅炉能源转换效率,根据实时运行的电功率和优化模型算法预测出来的电功率进行比对,超出差值阈值可以输出控制命令调节电锅炉运行参数改变电锅炉实时运行的电功率。

  实施例1:

  采用1只用电信息采集及控制单元(主控单元)、1只通信及接扩展单元(扩展单元)实现完整的能源感知装置的功能,两个单元模块均采用同样的220V交流或直流电源供电,此时主控单元与扩展单元之间可以通过高速RS485接口或以太网接口进行高速数据交互,在扩展单元内完成对用能信息的最后分析与处理,并通过实际应用场景的对应设备的优化控制算法,在实时运行中感知装置可按优化算法来执行优化调节。

  主控单元的信息采集与处理模块与扩展单元的数据采集与处理模块,均采用相同的CPU进行设计,它们都具备相同的下述模块:一片高性能处理器(主处理器)STM32H743、带温度补偿的实时时钟电路RS8025T、用于用户数据存储的32MB的Flash存储器S25FL256。但是它们之间的不同在于,其1为主控单元还包括一个可插一个大容量存储TF卡的SD/MMC卡存储接口电路,以支持录波数据的存储,而扩展单元不需要此功能;其2为主控单元需要扩展两路以太网接口,采用了一片交换机芯片KSZ8863进行网络扩展,而扩展单元仅需要一路以太网接口,所以采用了KSZ8041进行网络PHY的扩展。

  主控单元还设计有一路交流采样电路即计量模块,其计量芯片采用三相电能计量专用芯片RN8302,实现对电压电流互感器转换输入的电能量信号进行采集。同时为了实现故障功能,还在此模块内对互感器转换的最大幅值不到0.9V的交流电压信号进行调理放大到0~3.3V以内的直流信号,以适应主CPU的ADC输入范围。

  主控单元还设计有一路状态量输入输出扩展模块,它采用一片Cortex M0处理器STM32F030,通过其内置的12位ADC及通用IO接口,实现DIDO及直流模拟量的采集功能。

  主控单元及扩展单元通电后,各自按配置好的功能工作,即主控单元主要实现对电能量相关参量的采集与运算,得到电压、电流、功率、电能等相关电参量,同时它也扩展单元一个,可以通过输入输出扩展模块对非电能量或状态量,如计量门的开闭、接触器开合触点的检测、温度、湿度、压力、流量等信号,通过DI或AI信号进行采集与运算,从而得到相关非电能量及状态量信息,然后通过高速RS485接口或以太网,将两者的数据集中到扩展模块上,得到当前所有形式能源的信息。主控单元实时计算电锅炉能源转换效率并根据实时运行的电功率和优化模型算法预测出来的电功率进行对比,得到调节电锅炉运行参数的控制命令,并通过输出接口发出控制命令优化控制电锅炉的运行。

  如图4所示,本发明的工作过程如下:

  (1)带优化控制的综合能源感知装置经上电、硬件初始化、参数初始化并启动实时任务后;

  (2)进行电能量信息采集、其他非电用能量信息采集、进出水量采集、压力温度等旗下相关信息采集,计算各种能源转换效率;

  (3)主控单元读取优化模型算法预测出来的电功率及其控制参数;

  (4)计算并优化各种能源控制参数;

  (5)如果不满足控制条件,返回步骤(2),如果满足控制条件,则通过控制模块控制各种用能量的输出,返回步骤(2)。

  实例2

  仍参照图1,不过此时不用配置扩展单元,仅保留主控单元。

  此时主控单元按配置好的功能,对电能量相关参量的采集与运算,得到电压、电流、功率、电能等相关电参量,同时通过输入输出扩展模块对其它的非电能量或状态量,如计量门的开闭、接触器开合触点的检测、温度、湿度、压力、流量等信号,通过DI或AI信号进行采集与运算,从而得到相关非电能量及状态量信息。主控单元实时计算电锅炉能源转换效率并根据实时运行的电功率和优化模型算法预测出来的电功率进行对比,得到调节电锅炉运行参数的控制命令,并通过输出接口发出控制命令优化控制电锅炉的运行。

  不过此时由于主控单元只有一路控制输出继电器,所以只能输出一种控制方式。

  需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。

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