УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ
DEVICE FOR CONTROLLING POWER SUPPLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству для управления блоками для преобразования энергии и в особенности блоками для комбинированной выработки (когенерации) теплоты и электроэнергии (КТЭ-блоками).
Уровень техники
Установки и блоки для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии используются во многих приложениях, от бытовых (домашних) условий до крупномасштабных применений, например на производственных предприятиях, в больницах и других учреждениях. В базовом варианте КТЭ-блок содержит в качестве силового привода двигатель внутреннего сгорания (ДВС), механически связанный с электрогенератором. При работе двигателя генерируется тепло, которое отводится от охлаждающего контура двигателя и используется для нагрева нагревательного излучателя (радиатора), в то время как электричество, генерируемое генератором, используется для питания электроприборов. Таким образом, установки КТЭ способны служить единым локальным источником электричества и тепла для различных систем и устройств.
Типичный вариант подобной установки может содержать множество модулей или блоков преобразования энергии (энергоблоков). При этом может оказаться целесообразным объединить на конкретной площадке или в конкретной установке источники энергии различных типов. Кроме того, может оказаться желательным иметь возможность изменять производительность или даже тип энергоблока в составе конкретной установки. Например, в связи с изменившимися потребностями в энергии потребителю может понадобиться замена в КТЭ-блоке дизеля мощностью 20 кВт на газовую турбину мощностью 45 кВт.
Существующие системы электроснабжения, особенно рассчитанные на использование совместно с системами комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, не обладают гибкостью или адаптивностью к требованиям потребителей. Поэтому существует потребность в создании системы управления энергоснабжением, способной преодолеть трудности, свойственные известным системам.
Раскрытие изобретения
Таким образом, в своем первом аспекте изобретение обеспечивает создание способа эксплуатации системы тепло- и/или электроснабжения, содержащей центральный пункт управления и блок преобразования энергии, причем центральный пункт управления имеет доступ к данным, характеризующим рабочие показатели блока преобразования энергии. При этом:
A) направляют в центральный пункт управления запрос потребителя на энергоснабжение с указанием требуемой мощности,
B) при получении запроса посредством центрального пункта управления определяют на основе имеющихся данных мощность, которую должен выработать блок преобразования энергии,
C) посылают посредством центрального пункта управления соответствующий запрос на энергоснабжение блоку преобразования энергии и
D) обеспечивают со стороны блока преобразования энергии ответ на запрос на энергоснабжение от центрального пункта управления с указанием мощности, которую указанный блок может выработать.
Таким образом, изобретение обеспечивает создание системы тепло- и/или электроснабжения, в которой центральный пункт управления может управлять различными блоками преобразования энергии, независимо от их типа и производительности, таким образом, чтобы удовлетворить потребности потребителя. При этом блоки преобразования энергии можно заменять или усовершенствовать без необходимости модифицирования или замены центрального пункта управления.
Далее изобретение позволяет обеспечить функционирование системы, содержащей множество блоков для выработки электроэнергии и/или тепла, управление каждым из которых осуществляется из общего для них центрального пункта управления. Такая система энергоснабжения может содержать, например, КТЭ-блок и бойлер.
Термин "запрос на энергоснабжение" в контексте изобретения относится к получаемым центральным пунктом управления сообщениям с указанием тепловой и/или электрической мощности (энергии), которая потребляется или должна потребляться пользователем (потребителем). Такой запрос может иметь, например, форму сигнала, направляемого потребителем, нуждающимся в энергии, или сообщения, поступающего от измерительного прибора (измерителя), определяющего расход энергии потребителем.
Таким образом, центральный пункт управления согласно изобретению способен управлять множеством блоков преобразования энергии, потребности которых в управлении могут быть неодинаковыми. Например, центральный пункт управления может управлять одним или более КТЭ-блоками, а также бойлером, тепловым насосом или иным блоком преобразования энергии, способным вырабатывать только тепло. Альтернативно, центральный пункт может управлять одним или более электрогенераторными блоками и, по меньшей мере, одним КТЭ-блоком. И в том, и в другом случае обеспечивается возможность удовлетворения потребностей потребителя в энергии.
Изобретение позволяет снизить затраты на обслуживание, поскольку замена блоков преобразования энергии может проводиться без замены центрального пункта управления, причем управление системой может обеспечить ее наиболее эффективную эксплуатацию. Эти факторы являются важными для КТЭ-блоков, которые должны конкурировать с другими блоками преобразования энергии, такими как бойлеры или аналогичные устройства, не имеющие подвижных частей и, следовательно, обладающие особо высокой надежностью.
Блоком преобразования энергии фактически может быть любое устройство, способное обеспечить подачу всей или части энергии, требуемой потребителем, например, любой силовой привод или тепловая ячейка. Предпочтительно блоком преобразования энергии является блок для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, способный когенерировать тепло и электричество. Он может, например, содержать ДВС, связанный с электрогенератором и теплообменником.
Альтернативно, блок преобразования энергии может поставлять только электроэнергию или только тепло. Например, блоком преобразования энергии может служить тепловой насос или бойлер, способный подавать тепло в виде горячей воды или пара.
В альтернативном варианте блок преобразования энергии может иметь форму электропотребляющего устройства, например электрической нагрузки. В случае, когда комплексу требуется только тепло, такое решение позволяет использовать избыток электроэнергии.
Система может содержать единственный блок преобразования энергии или множество таких блоков, каждый из которых выполнен с возможностью снабжать потребителя энергией и принимать сигнал-запрос на энергоснабжение от центрального пункта управления.
В предпочтительном варианте каждый блок преобразования энергии снабжен локальным устройством управления, выполненным с возможностью управления конкретным блоком преобразования энергии. Таким образом, обеспечивается двухуровневое управление, первый уровень которого соответствует взаимодействию между центральным пунктом управления и локальным устройством управления, а второй - локальному управлению блоком преобразования энергии посредством локального устройства управления, использующего инструкции и команды, специфичные для конкретного блока преобразования энергии.
Центральный пункт управления может направлять запросы на генерацию энергии каждому блоку преобразования энергии в формате, специфичном для каждого такого блока преобразования энергии. Однако в предпочтительном варианте центральный пункт управления будет направлять подобные запросы в формате, независимом от выполнения блоков преобразования энергии, т.е. в формате, одинаковом для всех указанных блоков. Формат сигнала-запроса на энергоснабжение может соответствовать протоколу, принятому в качестве отраслевого стандарта, или протоколу, совместимому с продукцией, выпускаемой различными изготовителями, так что центральный пункт управления сможет работать совместно с различным оборудованием.
Запросы на энергоснабжение могут иметь форму требований включить или отключить блок преобразования энергии. Например, блоком преобразования энергии может служить тепловой насос (или иное аналогичное устройство), который может быть активирован или деактивирован по команде центрального пункта управления. В данном случае блок преобразования энергии может непосредственно управляться центральным пунктом управления.
Запросы на генерацию энергии предпочтительно принимаются контроллером блока преобразования энергии, ассоциированным с каждым таким блоком. Контроллер блока преобразования энергии (именуемый далее также локальным контроллером или локальным устройством управления) предпочтительно выполняется с возможностью управлять работой блока преобразования энергии в соответствии с запросами от центрального пункта управления.
Следовательно, в другом своем аспекте изобретение обеспечивает создание установки для снабжения теплом и/или электроэнергией, содержащей центральный пункт управления и, по меньшей мере, один блок преобразования энергии, снабженный ассоциированным с ним контроллером. При этом центральный пункт управления выполнен с возможностью выдачи каждому блоку преобразования энергии в формате, общем для всех блоков преобразования энергии, запросов на энергоснабжение. Контроллер каждого из указанных блоков выполнен с возможностью управления ассоциированным с ним блоком преобразования энергии в соответствии с указанными запросами.
При таком выполнении центральный пункт управления может направлять запросы одному или более блокам преобразования энергии, используя формат или протокол, независимый от любого из этих блоков. Локальный контроллер может, в свою очередь, управлять индивидуальным блоком преобразования энергии в соответствии с запросами, используя инструкции, специфичные для данного блока. В результате становится возможным увеличить количество блоков преобразования энергии в системе без изменения центрального пункта управления.
Центральный пункт управления может находиться в том же месте, что и потребляющий комплекс и блок преобразования энергии. Альтернативно, он может находиться в другом месте. Например, комплекс и блоки преобразования энергии могут осуществлять коммуникацию с центральным пунктом управления через локальный сервер, маршрутизатор и глобальную или региональную сеть. При этом центральный пункт управления может находиться в центре управления, который может располагаться в той же стране, что и комплекс, или за рубежом. Таким образом, управление комплексом и каждым индивидуальным блоком преобразования энергии может быть дистанционным по отношению к комплексу, причем оно может осуществляться третьей стороной. Однако предпочтительно, чтобы центральный пункт управления находился рядом с комплексом.
Термин "потребляющий комплекс" (сокращенно "комплекс") в контексте изобретения означает комплекс, представляющий собой энергетическую нагрузку, например мастерскую/завод/здание, и имеющий потребности в тепле и/или в электричестве. Запросы, поступающие от потребителя (т.е. от потребляющего комплекса), соответствуют, в частности, включению или отключению электрических и/или нагревательных приборов, причем они могут соответствовать ручному или компьютеризованному управлению.
Комплекс может состоять из единственного сооружения (например, здания) или быть распределенным в пространстве, т.е. расположенным в нескольких местах (содержать несколько зданий).
Комплекс может быть выполнен с возможностью получать энергию от каждого блока преобразования энергии независимо. Например, у комплекса может иметься трубопровод, связывающий его с каждым блоком преобразования энергии, чтобы получать тепло в форме горячей воды или пара. Аналогично, комплекс может быть выполнен с возможностью получать электроэнергию по проводящим кабелям, связывающим комплекс непосредственно с каждым блоком преобразования энергии.
В предпочтительном варианте блоки преобразования энергии выполнены с возможностью подавать энергию в общее устройство питания, связывающее эти блоки с комплексом. Например, тепло может подаваться в общий теплоаккумулятор или в общий трубопровод (трубу), несущий горячую воду или пар. Аналогично, электричество может подаваться от блоков преобразования энергии комплексу посредством замкнутой сети, связывающей все части комплекса, имеющие потребности в электричестве. Такое выполнение упрощает цепь питания и обеспечивает гибкость в отношении добавления к сети или к системе новых местоположений, комплексов, а также блоков преобразования энергии.
Блоки преобразования энергии могут быть снабжены общим теплоаккумулятором (например, в виде резервуара), способным получать тепло от каждого блока. Альтернативно, можно использовать множество теплоаккумуляторов, каждый из которых связан с одним или более блоками преобразования энергии с возможностью получения от них тепла. Аналогично, комплекс или распределенные комплексы могут получать тепло от одного или более теплоаккумуляторов.
Можно снабдить единственный или каждый теплоаккумулятор устройством управления теплом, выполненным с возможностью коммуникации с центральным пунктом управления и с блоками преобразования энергии. Данное устройство может быть, например, выполнено с возможностью передачи в центральный пункт управления информации о состоянии теплоаккумулятора (теплоаккумуляторов). Эта информация может быть затем использована центральным пунктом управления при выработке операционной стратегии для блоков преобразования энергии.
Альтернативно, каждый блок преобразования энергии может быть снабжен ассоциированным с данным блоком устройством управления теплом.
Центральный пункт управления предпочтительно получает сведения о мощности (энергии), требуемой комплексом (об энергопотребности), от датчиков, находящихся внутри комплекса. Например, комплекс может быть снабжен электроизмерительным прибором для определения потребности в электроэнергии, а центральный пункт управления может иметь возможность приема сигналов от этого прибора. Аналогично, комплекс может быть снабжен термостатами, характеризующими тепловые потребности комплекса.
Центральный пункт управления рассчитан только на прием сведений о потребности комплекса в электроэнергии и на приведение электроснабжения в соответствии с электропотребностью. Теплопотребность комплекса предпочтительно обеспечивается с помощью теплоаккумулятора (теплоаккумуляторов). Теплопотребность может быть, например, удовлетворена с использованием термостатических клапанов, связанных трубами с общим теплоаккумулятором. Таким образом, теплопотребность комплекса может быть удовлетворена автоматически, без участия центрального пункта управления.
Информация об энергопотребности комплекса может включать информацию о мгновенной потребности или прогноз, или график ожидаемой потребности. Так, центральный пункт управления может получать график энергопотребности в течение ближайших 24 ч.
Центральный пункт управления может, основываясь на потребности, выбрать для ее обеспечения конкретный блок преобразования энергии или конкретную комбинацию таких блоков, работающих при заданном уровне выходной мощности. Кроме того, центральный пункт управления может обеспечить такое функционирование блоков преобразования энергии, чтобы они обеспечили удовлетворение конкретной потребности в электроэнергии или в тепле. Например, центральный пункт управления может обеспечить функционирование блоков преобразования энергии в соответствии с ожидаемой (прогнозируемой) тепло- или электропотребностью путем заполнения теплоаккумулятора (теплоаккумуляторов).
Информация об энергопотребности может получаться мгновенно (т.е. в реальном времени), через определенные интервалы или, альтернативно, только в случае изменения энергопотребности. Эта информация может посылаться автоматически, например от электроизмерительного прибора, имеющегося на комплексе, или вводиться оператором в центральный пункт управления вручную. Если комплекс распределен по нескольким площадкам, центральный пункт управления может быть выполнен с возможностью получения данных с каждой площадки и суммирования данных о потребности.
Связь между центральным пунктом управления и комплексом может быть физической. Например, может иметься электрическая связь между центральным пунктом управления и комплексом (например, с каждой его площадкой). Связь может быть, например, реализована с помощью локальной сети. Альтернативно, для коммуникации между центральным пунктом управления и комплексом может быть использована беспроводная система связи.
Информация об энергопотребности может храниться на жестком диске в центральном пункте управления и/или в твердотельной памяти с произвольным доступом, или с применением других средств хранения в центральном пункте управления. В общем виде центральный пункт управления может представлять собой процессорный блок персонального компьютера или аналогичное устройство, содержащее постоянную память, оперативную память, микропроцессор, накопитель данных типа жесткого диска и т.д. Могут иметься также порты для подключения клавиатуры или иных устройств ввода. Центральный пункт управления предпочтительно имеет также пользовательский интерфейс, обеспечивающий оператору возможность следить за работой центрального пункта управления и управлять ею. В состав интерфейса могут входить дисплей и устройство ввода.
Центральный пункт управления альтернативно может быть выполнен как программируемый логический контроллер (ПЛК) или другое подходящее средство управления. Аналогично, локальное устройство управления также может быть любым подходящим средством управления.
Центральный пункт управления предпочтительно снабжается коммуникационным интерфейсом для внешней связи, обеспечивающим возможность приема дополнительной информации от внешних источников. Эта информация может включать сведения о ценах на топливо, о рыночной цене электроэнергии, о погоде, о территориальном налоге на топливо, об обслуживании оборудования и др. Данная информация предпочтительно сохраняется в центральном пункте управления, причем она может получаться от многочисленных и разнообразных источников, например, через глобальную сеть. Коммуникационный интерфейс может быть подключен к соответствующим концентраторам, коммутаторам и маршрутизаторам и может осуществлять связь с локальным сервером и через него или через маршрутизатор и соответствующую глобальную сеть с удаленным сервером.
Коммуникация может быть односторонней, т.е. центральный пункт управления может быть способен только принимать информацию. Альтернативно, коммуникация может быть двусторонней, т.е. центральный пункт управления может посылать запросы на информацию и получать ее от соответствующего информационного источника.
В альтернативном варианте или дополнительно информация может поступать по прямой линии связи от фирмы, предлагающей энергоресурсы, или от провайдера услуг по обслуживанию, или от центрального сервера, или от базы данных.
Кроме того, центральный пункт управления может иметь возможность коммуникации с внешним провайдером услуг (в частности, услуг по обслуживанию оборудования) посредством одно- или двусторонней связи с использованием соответствующего протокола. При этом центральный пункт управления может передавать информацию, характеризующую мгновенное состояние блоков преобразования энергии, и/или информацию об их прошлом состоянии.
Предпочтительно, чтобы центральный пункт управления поддерживал связь с каждым блоком преобразования энергии. Такая связь может быть односторонней, так что блок преобразования энергии будет только получать от центрального пункта управления запросы на энергоснабжение. Но предпочтительно обеспечить двустороннюю связь, чтобы блоки преобразования энергии могли посылать информацию обратно центральному пункту управления в ответ на указанные запросы.
Центральный пункт управления может осуществлять связь с единственным или каждым блоком преобразования энергии таким же образом, как и с комплексом. Например, линия связи между центральным пунктом управления и блоками преобразования энергии может быть физической, т.е. центральный пункт управления может быть электрически связан с каждым таким блоком. Указанная связь может обеспечиваться, например, локальной или аналогичной сетью, обычной телефонной связью, мобильной телефонной связью (например, в стандарте GSM) с применением соответствующих аппаратных средств, таких как модемы. Альтернативно, связь может поддерживаться с помощью беспроводной системы связи, например по радио, посредством WiFi и т.д.
Связь между потребляющим комплексом и центральным пунктом управления и между центральным пунктом управления и блоком преобразования энергии (и любым другим компонентом системы) может осуществляться по любому подходящему протоколу, такому, как, например, RS-485, CAN или TCP/IP.
Центральный пункт управления предпочтительно выполнен с возможностью принимать данные, характеризующие рабочие показатели каждого блока преобразования энергии (т.е. данные, специфичные для каждого блока). Эти данные могут передаваться центральному пункту управления от каждого блока преобразования энергии или вводиться оператором через пользовательский интерфейс, связанный с центральным пунктом управления. Альтернативно, информация может быть предварительно запрограммирована в центральном пункте управления или может поступать от внешнего источника, например от изготовителя или провайдера услуг по обслуживанию.
Данные, специфичные для каждого блока, предпочтительно обеспечивают центральный пункт управления информацией о типе и рабочих показателях блоков преобразования энергии. Эта информация предпочтительно хранится в центральном пункте управления. Она может включать:
- указание типа энергии, которую данный блок способен вырабатывать, например тепловая энергия, электроэнергия или и та, и другая;
теплов.
электрич.
- значения максимальной и минимальной полезных мощностей, выраженные, например, в киловаттах тепловой мощности (кВт) и/или электрической мощности (кВт);
- указание типа топлива, потребляемого блоком (дизельное топливо, природный газ, электричество и т.д.);
- сведения о потреблении топлива, включая уровни потребления для конкретных электрических/тепловых нагрузок (эти данные могут иметь форму алгоритма или просмотровой таблицы);
- интервалы между обслуживаниями и время до следующего обслуживания;
- длительность предшествующей эксплуатации блока.
Центральный пункт управления предпочтительно принимает запросы на энергоснабжение (от комплекса) и информацию, специфичную для блоков преобразования энергии (от этих блоков), и обрабатывает информацию, чтобы определить оптимальный блок преобразования энергии или комбинацию таких блоков и запросить у него (у них) требуемую мощность. Другими словами, центральный пункт управления определяет операционную стратегию, которая предпочтительно включает "стратегию распределения нагрузки", т.е. разделения мощности, затребованной комплексом, между блоками преобразования энергии. Например, нагрузка может быть равномерно распределена между всеми блоками или их комбинацией.
Центральный пункт управления предпочтительно определяет операционную стратегию, включая стратегию распределения нагрузки, чтобы удовлетворить запрос комплекса наиболее эффективным образом, используя доступные блоки преобразования энергии.
Блоки преобразования энергии принимают запрос на энергоснабжение и предпочтительно возвращают сигнал, указывающий, может ли данный запрос быть выполнен. В простейшей форме ответный отклик может состоять в выработке мощности, запрошенной центральным пунктом управления (например, если блок преобразования энергии является тепловым насосом или иным устройством, не имеющим локального устройства управления). Если запрос не может быть удовлетворен, блок преобразования энергии может ответить указанием мощности, которую он способен обеспечить. Ответный сигнал предпочтительно используется центральным пунктом управления для соответствующей адаптации стратегии. В частности, с учетом ответных сигналов от блоков преобразования энергии центральный пункт управления может адаптировать стратегию так, чтобы обеспечить непрерывное и эффективное снабжение комплекса энергией.
Ответы, полученные от блоков преобразования энергии, предпочтительно передаются также третьей стороне, например провайдеру услуг по обслуживанию.
Операционная стратегия предпочтительно определяется с учетом конкретных энергопотребностей потребителя (в терминах тепла и электричества) и информации, специфичной для каждого блока. Например, центральный пункт управления может определить, как распределить нагрузки между генерирующими блоками (т.е. долю общей мощности, которую должен сгенерировать каждый блок) исходя из эффективности каждого блока для требуемого типа энергии и уровня мощности, запрошенного комплексом.
Центральный пункт управления может также иметь возможность приема обновленной или дополнительной информации, указывающей на изменения эффективности или предельной мощности для каждого блока преобразования энергии. Такая информация может поступать непрерывно, через регулярные временные интервалы или при изменении эффективности каждого блока.
Центральный пункт управления может благодаря этому компенсировать изменения эффективности и соответственно изменить операционную стратегию.
Так, центральный пункт управления может выбрать стратегию использования наиболее эффективной комбинации блоков преобразования энергии для удовлетворения энергопотребностей комплекса.
Центральный пункт управления может быть также выполнен с возможностью получения от блока или блоков преобразования энергии информации, относящейся к его (их) оперативному состоянию. Например, блоки преобразования энергии могут передавать информацию о неисправностях или требования на обслуживание дополнительно или в сочетании с ответом на запрос на энергоснабжение, полученный от центрального пункта управления.
Например, локальное устройство управления может определить необходимость в обслуживании и направить в центральный пункт управления требование на проведение обслуживания.
В другом своем аспекте настоящее изобретение обеспечивает создание управляющей системы, содержащей центральный пункт управления и, по меньшей мере, один блок преобразования энергии, снабженный ассоциированным с ним контроллером, причем контроллер, ассоциированный с блоком преобразования энергии, выполнен с возможностью определения информации об оперативном состоянии блока преобразования энергии и передачи в центральный пункт управления сигналов с указанием состояния блока.
Подобная информация может включать запросы (требования) на обслуживание или указания на неисправности.
Контроллер блока преобразования энергии (локальное устройство управления) предпочтительно выполнен с возможностью отслеживания работы блока преобразования энергии и управления ею, а также определения требований на обслуживание и/или ремонт в отношении компонентов блока. Например, локальное устройство управления может посылать в центральный пункт управления сигнал с указанием проблемы или неисправности или запросы на внеплановое или плановое обслуживание.
Центральный пункт управления может быть выполнен с возможностью посылать сигналы пользователям информации. В предпочтительном варианте центральный пункт управления посылает запросы непосредственно внешним источникам, например провайдерам услуг по обслуживанию оборудования. Благодаря этому обслуживание блока преобразования энергии может быть затребовано без вмешательства оператора. При этом оно может быть спланировано таким образом, чтобы создать минимум неудобств для оператора и минимальные осложнения для работы системы, например за счет планирования обслуживания на периоды низкой энергопотребности.
Локальное устройство управления может быть также выполнено с возможностью определения эффективности блока преобразования энергии и передачи этой информации центральному пункту управления.
Центральный пункт управления может использовать эту информацию для планирования мероприятий по обслуживанию или перерывов в работе индивидуальных блоков. Альтернативно, центральный пункт управления может передавать информацию, полученную от блоков преобразования энергии, например информацию об их эффективности, третьей стороне, например провайдеру услуг по обслуживанию, через региональную, глобальную или аналогичную сеть.
Операционная стратегия предпочтительно определяется центральным пунктом управления таким образом, чтобы минимизировать затраты, связанные с функционированием блоков преобразования энергии с целью удовлетворить потребности комплекса. Данная задача может решаться, например, минимизацией расходов на топливо при условии удовлетворения потребностей.
Альтернативно, операционная стратегия может определяться общей стратегией, реализуемой центральным пунктом управления. Например, ему может быть задана стратегия, определяющая, когда следует использовать или не использовать конкретные блоки преобразования энергии, или заданы временные параметры (например, часы), когда можно или нельзя задействовать конкретные блоки преобразования энергии.
Центральный пункт управления может иметь возможность определять, основываясь на полученной от каждого блока информации, специфичной для данного блока, и информации о ценах на топливо, финансовые затраты, связанные с функционированием каждого блока преобразования энергии. В результате центральный пункт управления может определить наиболее эффективный вариант распределения нагрузки не только в терминах потребления топлива блоками преобразования энергии, но также и в денежном выражении. Благодаря этому можно минимизировать общие затраты, необходимые для удовлетворения энергопотребности комплекса.
Центральному пункту управления могут быть дополнительно указаны интервалы между обслуживаниями и затраты на обслуживание для каждого блока преобразования энергии. Эти данные также могут быть использованы при определении операционной стратегии.
Центральному пункту управления может быть дополнительно передана информация по рыночным ценам на электроэнергию или по затратам на приобретение электроэнергии от локальной электрической сети. Центральный пункт управления может сравнивать затраты, необходимые для удовлетворения потребностей комплекса с использованием блоков преобразования энергии, с затратами на приобретение эквивалентных количеств электроэнергии от локальной сети и соответствующим образом адаптировать выбранную стратегию.
Потребляющий комплекс предпочтительно выполнен с возможностью селективно получать электроэнергию непосредственно от сети. Поэтому, если центральный пункт управления определит, что приобретение электроэнергии экономически эффективно, комплекс будет получать всю или часть необходимой электроэнергии от сети. Комплекс может быть подключен к сети через соответствующее средство переключения, например через коммутатор или реле, находящиеся под управлением центрального пункта управления.
Аналогично, центральному пункту управления может быть передана информация о цене, по которой внешняя электрическая сеть готова приобретать электроэнергию. При этом центральный пункт управления может направлять блокам преобразования энергии запросы на выработку энергии, которая может быть продана (как правило, в форме электричества) указанной сети. Таким образом, центральный пункт управления может обеспечить получение потребителями дохода в случае наличия свободных мощностей по выработке энергии.
Кроме того, центральный пункт управления может иметь возможность получения данных, характеризующих рабочие показатели и/или состояние компонентов или блоков-потребителей энергии в составе комплекса. Данный пункт может быть также снабжен средствами для направления блокам-потребителям энергии (например, холодильнику) запросов на потребление энергии. Блок-потребитель энергии может быть при этом снабжен локальным устройством управления, способным связываться с центральным пунктом управления и осуществлять управление потреблением энергии в ответ на получаемые запросы.
Таким образом, центральный пункт управления способен адаптировать операционную стратегию для обеспечения соответствия потребностей с возможностями энергоснабжения, а также соответствия энергоснабжения потребностям путем отправки запросов на потребление энергии блокам-потребителям энергии.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны, только в качестве примеров, конкретные варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 представлен первый вариант изобретения, содержащий единственный блок преобразования энергии.
На фиг.2 представлен второй вариант изобретения, содержащий множество блоков преобразования энергии.
На фиг.3 представлены теплоаккумулятор и устройство управления теплом.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен первый вариант изобретения, в соответствии с которым потребляющий энергию комплекс получает ее от единственного блока преобразования энергии. Как это показано на фиг.1, комплексу 1 требуется энергия в форме тепла и электричества, которые обеспечиваются блоком 2 преобразования энергии. В данном варианте этот блок представляет собой комбинированный теплоэнергоблок (блок КТЭ), способный генерировать тепло и электроэнергию от дизельного двигателя внутреннего сгорания. Компоненты данного КТЭ-блока, т.е. двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электрогенератор, теплообменник и др., на фиг.1 не изображены.
КТЭ-блок 2 выполнен с возможностью подачи комплексу электричества по электропроводным кабелям 3а и 3b и тепла по трубам (трубопроводам) 4а и 4b. В процессе работы кабели 3а и 3b обеспечивают формирование электрического контура между электрогенератором и электрической нагрузкой в комплексе 1. Аналогично, трубы 4а и 4b обеспечивают формирование контура, связывающего неизображенный теплообменник КТЭ-блока с нагревательным контуром комплекса, например с его радиаторами.
На фиг.1 изображен также центральный пункт 5 управления, который получает сообщение-запрос на энергоснабжение от комплекса 1 по линии 6 связи.
Линия 6 связи подведена к имеющемуся в комплексе измерителю электрической нагрузки, который определяет (в форме сигнала-запроса на электроэнергию) мгновенную требуемую мощность в пределах здания.
В варианте по фиг.1 используется единственный КТЭ-блок 2, способный удовлетворять энергопотребности комплекса. В центральный пункт управления заранее вводятся рабочие показатели, относящиеся к КТЭ-блоку 2, которые хранятся в памяти с произвольным доступом центрального пункта управления. Данный пункт получает сигнал-запрос на энергоснабжение и пересылает его через входящие в состав данного блока микропроцессор и интерфейс в КТЭ-блок по линии 7 связи. КТЭ-блок содержит локальный контроллер 8, который выполнен с возможностью приема сигнала-запроса на энергоснабжение. Локальный контроллер 8 содержит микропроцессор и специально адаптирован к КТЭ-блоку. При приеме сигнала-запроса на энергоснабжение локальный контроллер 8 определяет, может ли запрос быть удовлетворен. Если мощность (производительность) блока достаточна, контроллер обеспечивает управление дизельным двигателем так, чтобы выработать энергию согласно запросу, и эта энергия подается в комплекс по кабелям 3а, 3b и трубам (трубопроводам) 4а и 4b. Если КТЭ-блок не обладает достаточной мощностью, локальный контроллер 8 пошлет в центральный пункт 5 управления по линии 7 связи ответный сигнал, указывающий, что запрос не может быть удовлетворен. Одновременно передается информация, поясняющая, почему запрос не может быть удовлетворен, и указание уровня энергии, который может быть обеспечен.
Центральный пункт 5 управления получает ответ от локального контроллера 8 и хранит полученную информацию, которая может быть затем использована при анализе неисправностей.
В качестве примера возможен следующий диалог между центральным пунктом управления комплекса и КТЭ-блоком:
Сигнал от измерителя электрической нагрузки комплекса:
электрич
"Электрическая нагрузка=15 кВт.".
Центральный пункт управления КТЭ-блоку:
электрич.
"Пожалуйста, сгенерируйте 15 кВт".
КТЭ-блок центральному пункту управления:
электрич.
"Невозможно, Причина - высокая температура ДВС, неисправность в теплообменнике для выхлопных газов. Могу выработать 10 кВт".
электрич.
Центральный пункт управления определяет, что дефицит мощности составляет 5 кВт. Чтобы удовлетворить потребность в электроэнергии в варианте по фиг.1 (в котором используется единственный блок преобразования энергии), комплекс получает недостающие 5 кВт от внешней сети 11.
В рассматриваемом примере тепло, генерируемое в результате работы дизельного двигателя с целью удовлетворения потребности в электроэнергии, подается в комплекс по трубам 4а и 4b. Термостатические клапаны внутри комплекса (не изображены) распределяют тепло из контура, образованного с использованием труб 4а и 4b, в соответствии с потребностями. Трубы 4а и 4b подсоединены к внутреннему теплоаккумулятору или резервуару внутри КТЭ-блока (не изображен).
Если КТЭ-блок не смог удовлетворить запрос, направленный ему центральным пунктом управления, данный пункт зарегистрирует это событие, а затем запросит и зарегистрирует его причину, которую сообщит ему локальный контроллер (в данном примере - неисправность в теплообменнике для выхлопных газов). Данная информация затем передается в обслуживающую фирму, которая следит за работой блока и планирует профилактические мероприятия. Если данная фирма, получив указанную информацию, определит, что ситуация серьезная, она может, вместо плановых мероприятий, немедленно приступить к обслуживанию или ремонту блока.
В рассмотренном варианте по фиг.1 имеется единственный энергоблок, управляемый центральным пунктом управления. Любой дефицит в энергоснабжении должен поэтому покрываться с помощью электрической сети 11. На фиг.2 представлен второй вариант изобретения, в котором центральный пункт управления выполнен с возможностью управлять тремя независимыми энергоблоками.
На фиг.2 показаны 2 отдельных блока преобразования энергии 21, 22 (КТЭ-блоки), каждый из которых способен снабжать электричеством и теплом комплекс 23. Первый блок 21 работает на дизельном топливе, а второй блок 22 - на природном газе. Третий блок 24 преобразования энергии - это бойлер, предназначенный только для снабжения теплом в виде горячей воды. Бойлер потребляет только электроэнергию. Блоки 21, 22 подсоединены к общей линии 25 электроснабжения и к общей линии 26 теплоснабжения. Бойлер подсоединен только к общей линии 26 теплоснабжения. Общие линии 25, 26 электро- и теплоснабжения подведены к комплексу 23.
Как было описано со ссылкой на фиг.1, центральный пункт 28 управления получает от измерителя электрической нагрузки по линии 27 связи сведения о потребности комплекса в электроэнергии.
В данном варианте центральный пункт 28 управления связан с каждым из трех блоков 21, 22, 24 преобразования энергии линией 29 связи (соответствующей локальной сети). Центральный пункт 28 управления связан также через маршрутизатор 30 и региональную сеть с провайдером 31 услуг по обслуживанию и с фирмой-источником 32 данных (сообщающей рыночные цены на электроэнергию). Центральный пункт 28 управления снабжен также пользовательским интерфейсом 33, образующим интегральную часть данного блока.
В варианте по фиг.2 центральный пункт управления подсоединен посредством линии 35 связи к коммутатору 34 для подключения внешнего источника электроэнергии. Данный коммутатор, который дает возможность центральному пункту управления селективно подключать к комплексу 23 внешнюю сеть 36, может представлять собой любое подходящее средство переключения, такое как реле.
Система по изобретению функционирует следующим образом. Сначала она активизируется путем подключения каждого блока 21, 22, 24 преобразования энергии к центральному пункту 28 управления по линии 29 связи в рамках локальной сети. Реализуется процесс взаимной идентификации, после чего от каждого блока преобразования энергии центральному пункту управления передается информация, содержащая следующие данные, специфичные для каждого из этих блоков:
i) указание типа энергии, которую данный блок способен вырабатывать, например тепловая энергия, электроэнергия, или и та, и другая;
ii) указание типа топлива, потребляемого блоком (дизельное топливо, природный газ, электричество и т.д.);
теплов.
электрич.
iii) значения максимальной и минимальной полезной мощности, выраженные, например, в киловаттах тепловой мощности (кВ) и/или электрической мощности (кВ);
iv) данные о потреблении топлива, включая уровни потребления топлива для конкретных электрических/тепловых нагрузок (эти данные могут иметь форму алгоритма или просмотровой таблицы);
v) интервалы между обслуживаниями и время до следующего обслуживания, а также длительность предшествующей эксплуатации блока.
Перечисленные данные хранятся в базе данных, размещенной в оперативной памяти центрального пункта 28 управления. Оператор через пользовательский интерфейс 33 вводит текущие цены на топливо для каждого из топлив, используемых компонентами, генерирующими энергию (за исключением цены на электроэнергию - см. ниже). Эти данные также хранятся в базе данных с привязкой к релевантным данным по каждому блоку преобразования энергии.
В режиме отслеживания нагрузки, в котором центральный пункт управления должен обеспечить соответствие спроса и предложения, данный пункт функционирует следующим образом.
Центральный пункт управления получает от комплекса сведения о потребности в энергии и запрашивает от базы данных информацию о блоках преобразования энергии, ценах на топливо и о стоимости обслуживания, после чего определяет самый экономически эффективный вариант удовлетворения потребностей комплекса, т.е. наиболее эффективную стратегию. Затем центральный пункт управления посылает запросы на энергоснабжение (генерирование мощности) по линии 29 связи каждому блоку преобразования энергии. Эти запросы принимаются локальными устройствами 21с, 22с, 24с управления, ассоциированными соответственно с блоками 21, 22, 24 преобразования энергии.
Локальные устройства 21с, 22с, 24с управления представляют собой контроллеры, индивидуализированные для каждого блока и предназначенные для управления работой каждого такого блока. Так, контроллер в КТЭ-блоке будет выполнен с возможностью управления топливными насосами и насосами теплообменников или двигателем, а также отслеживания состояния компонентов КТЭ-блока.
Сигнал-запрос на энергоснабжение является типовым для всех блоков; он просто указывает мощность, которая затребована от каждого блока. Локальное устройство управления принимает сигнал-запрос и локально определяет, может ли он быть удовлетворен. Каждое локальное устройство управления является специфичным для блока преобразования энергии, с которым оно ассоциировано, т.е. обеспечивает преобразование типовых сигналов центрального пункта управления в команды, индивидуальные для каждого блока.
Локальное устройство управления определяет текущую производительность индивидуального блока преобразования энергии и отвечает на запрос, сообщая, может ли он быть удовлетворен. Эти сведения принимаются и хранятся в центральном пункте управления. Приводимый далее пример иллюстрирует цикл управления блоками преобразования энергии.
электрич
электрич.
Центральный пункт управления принимает от измерителя потребности в электроэнергии, имеющегося в комплексе, сигнал-запрос на 20 кВт. Центральный пункт управления сравнивает цены на топливо и эксплуатационные затраты каждого блока (исходя из длительности предшествующей эксплуатации, интервала между обслуживаниями и данных о стоимости обслуживания) и определяет, что двум КТЭ-блокам следует вырабатывать по 10 кВт. Центральный пункт управления выдает запросы на энергоснабжение двум блокам 21, 22, способным производить электроэнергию, а именно КТЭ-блокам, которые отвечают следующим образом:
КТЭ-блок 21:
электрич.
10 кВт - да.
КТЭ-блок 22:
электрич.
Могу выработать только 5 кВт; причина: низкая эффективность теплообменника, высокая температура ДВС.
электрич.
электрич.
Центральный пункт управления принимает эту информацию и повторно определяет, с использованием информации из базы данных и новой информации, наиболее эффективный вариант удовлетворения энергопотребности. Центральный пункт управления при этом отмечает, что КТЭ-блок 22 неисправен и что его нагрузка должна быть уменьшена или полностью снята. Затем центральный пункт управления выдает новый запрос на энергоснабжение с возросшим требованием к КТЭ-блоку 21 произвести 15 кВт. В таком случае от КТЭ-блока 22 можно запросить производство 5 кВт.
Должно быть понятно, что в некоторых ситуациях электричество, производимое КТЭ-блоками, может быть использовано для снабжения блоков преобразования энергии, использующих электропитание, таких как бойлеры, тепловые насосы и т.д.
Описанный процесс повторяется непрерывно, с учетом изменений потребностей комплекса и изменений данных, содержащихся в базе данных, чтобы обеспечивать наиболее эффективное производство энергии при удовлетворении потребностей комплекса.
В рассмотренном примере центральный пункт управления направит также запрос на обслуживание внешнему провайдеру 31 услуг по обслуживанию с указанием характера неисправности, переданным КТЭ-блоком 22. После этого могут быть запланированы услуги по ремонту неисправного блока.
Если блоки преобразования энергии неспособны удовлетворить потребности комплекса, центральный пункт управления может заменить электроэнергию, вырабатываемую данными блоками, электроэнергией, обеспечиваемой внешним поставщиком. В этой ситуации электричество поступает непосредственно из внешней сети 36. Тепло при этом может вырабатываться бойлером 24, питаемым электричеством от сети 36.
Пользовательский интерфейс 33 дает оператору возможность следить за работой центрального пункта управления и управлять ею, а также адаптировать стратегию, выбранную центральным пунктом управления. Например, через него можно дать центральному пункту управления инструкцию следовать описанной выше стратегии отслеживания нагрузки. Альтернативно, оператор может выдать центральному пункту управления инструкцию принять иную стратегию.
Пример 1
Оператор может выдать центральному пункту управления инструкцию принять стратегию максимизации срока эксплуатации или максимизации интервалов между обслуживаниями с тем, чтобы обеспечить снабжение комплекса с минимальными перерывами. В результате центральный пункт управления будет применять данную стратегию таким образом, чтобы использовать блоки преобразования энергии, насколько это возможно, с максимальными интервалами между обслуживаниями.
Пример 2
Оператор может выдать центральному пункту управления инструкцию принять, вместо стратегии отслеживания нагрузки (т.е. обеспечения соответствия между энергоснабжением и энергопотребностью), стратегию максимизации доходности. Как показано на фиг.2, центральный пункт управления получает от внешнего источника 32 через маршрутизатор 30 текущие рыночные цены покупки электроэнергии от внешней сети и цены продажи электроэнергии этой сети. Такие данные постоянно поступают в базу данных и хранятся в ней, так что центральный пункт управления постоянно обладает новейшими сведениями по покупке и продаже электроэнергии. В данном случае он оценивает свободные мощности каждого блока преобразования энергии и продает избыток энергии внешней сети 36, когда цена покупки (полученная от внешнего источника 32) покрывает, согласно имеющейся в базе данных информации, эксплуатационные затраты блоков преобразования энергии. В этом случае свободные мощности блоков преобразования энергии могут принести финансовый доход потребителю.
На фиг.3 представлен еще один вариант, в котором система по изобретению содержит теплоаккумулятор (теплонакопитель) и устройство управления теплом.
На фиг.3 представлены два КТЭ-блока 301, 302, каждый из которых генерирует электричество и тепло. Как и на фиг.1 и 2, КТЭ-блоки подсоединены к центральному пункту управления линией 304 связи. Центральный пункт 303 управления выполнен также с возможностью получать от комплекса 305 по линии 306 связи сведения об электропотребности. В данном варианте тепло от КТЭ-блоков 301, 302 подается в общий теплоаккумулятор 307 по трубопроводу 308. Электричество от каждого КТЭ-блока подается прямо в комплекс 305 по линии 309.
Теплоаккумулятор 307 связан с комплексом 305 трубопроводом 310 и с бойлером 311 трубопроводом 312. Теплоаккумулятор, кроме того, снабжен контроллером (локальным устройством управления теплом) 313, который связан с центральным пунктом 303 управления линией связи 314.
Как известно специалистам в области КТЭ-систем, КТЭ-блок способен генерировать электроэнергию только при условии обеспечения достаточной охлаждающей способности со стороны теплоаккумулятора. Если теплоаккумулятор достиг предела своей тепловой емкости, силовые приводы КТЭ-блоков (ДВС или аналогичные устройства) не могут функционировать из-за опасности перегрева. В системе по фиг.3 тепло, генерируемое КТЭ-блоками 301, 302, централизованно распределяется теплоаккумулятором 307 и контроллером 313, а не непосредственно КТЭ-блоками. Контроллер 313 отслеживает температуру каждого КТЭ-блока по температурным сигналам, поступающим по линиям 315, 316 связи, и посылает сигнал, характеризующий состояние теплоаккумулятора, центральному пункту 303 управления по линии 314 связи. Центральный пункт управления может в результате адаптировать свою операционную стратегию с учетом состояния теплоаккумулятора, который при использовании в сочетании с КТЭ-блоками, функционирующими в качестве блоков преобразования энергии, является важной частью для обеспечения непрерывности работы.
Возможны три следующие ситуации, которые могут повлиять на выбор операционной стратегии
Ситуация 1:
Теплоаккумулятор не достиг своей предельной тепловой емкости. Нормальное функционирование с генерированием тепла в требуемых объемах может продолжаться. В данной ситуации теплоаккумулятор способен аккумулировать тепло, производимое в объеме, превышающем потребности комплекса. Избыточное тепло может храниться в теплоаккумуляторе, который еще не достиг своей максимальной тепловой емкости.
Ситуация 2:
Теплоаккумулятор достиг своей предельной тепловой емкости. КТЭ-блок должен быть немедленно остановлен.
В данной ситуации контроллер 313 подаст сигнал центральному пункту управления с указанием состояния теплоаккумулятора. Таким образом, даже если центральный пункт управления определил, что наиболее эффективный вариант удовлетворения энергопотребностей состоит в использовании КТЭ-блоков, по получении информации от контроллера 313 эта часть стратегии будет соответственно модифицирована. Центральный пункт управления затем должен будет удовлетворить потребность в электроэнергии от внешнего источника (как это было описано выше со ссылками на фиг.1 и 2).
Ситуация 3:
Теплоаккумулятор пуст, и тепло на комплекс подаваться не может.
Данная ситуация может возникнуть, когда комплексу не требуется электричество, но может оставаться некоторая потребность в тепле. Центральный пункт управления не будет направлять сигнал-запрос на энергоснабжение ни в один из КТЭ-блоков. Вместо этого такой запрос будет направлен устройству управления теплом, которое или будет поставлять тепло комплексу от теплоаккумулятора, или активирует бойлер 311, от которого тепло будет подаваться на комплекс по трубопроводам 317 и 310. В каждом из вариантов центральный пункт управления выполнен с возможностью удовлетворять только потребности в электроэнергии. Тепло вырабатывается в качестве побочного продукта при производстве электроэнергии и используется в соответствии с требованиями комплекса. Общий теплоаккумулятор связан с комплексом трубопроводами (с образованием, по существу, теплового контура), из которых комплекс может отбирать тепло любыми подходящими способами, например с использованием термостатических клапанов, как это было упомянуто выше со ссылками на фиг.1 и 2.