СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к центральному устройству для системы управления для управления системой передачи энергии, имеющей генераторы энергии и потребители энергии, причем центральное устройство выполнено с возможностью, на основе текущего и/или прогнозируемого потребления энергии, определять, сколько энергии должно генерироваться генераторами энергии.
Известно, что с помощью центральных устройств описанного типа генераторы энергии (например, энергетические установки) управляются, чтобы они генерировали энергию в соответствии с требованиями нагрузки.
Также известно, что при моделировании систем передачи энергии принимаются во внимание крупные потребители и используются для определения оптимального управления потоками энергии и энергетическими установками. Это позволяет, в том числе, например, выключать отдельных крупных потребителей или ограничивать их потребление, если моделирование системы передачи энергии указывает, что генератор энергии не может генерировать достаточно тока или повышение генерации энергии было бы негативным.
Моделирование систем передачи энергии и активное управление нагрузкой потребителей требует, однако, что центральному управлению по меньшей мере приблизительно точно известно, в каком объеме можно управлять отдельными потребителями энергии. А именно, только тогда, когда соответствующий потребитель энергии в состоянии имитировать лежащее в основе моделирования или заданное поведение нагрузки, результат моделирования может корректно имитировать реальность и обеспечивать возможность эффективного управления системой передачи энергии. В системах управления, к которым подключено множество генераторов энергии и потребителей энергии, затраты на моделирование и время моделирования значительно возрастают с количеством генераторов энергии и потребителей энергии.
Кроме того, из документов US 2010/0131117 A1, US 2005/0207081 A1 и US 6,621,179 B1 известно использование промежуточных устройств управления в системах управления для управления частичными группами потребителей энергии.
В основе изобретения лежит задача создания центрального устройства для системы управления, которое может также управлять множеством генераторов энергии и потребителей энергии.
Эта задача в соответствии с изобретением решается центральным устройством с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения соответствующего изобретению центрального устройства приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что по меньшей мере одной частичной группе подключенных к системе передачи энергии потребителей энергии выделена индивидуальная ширина полосы энергии, которая указывает, в какой мере полное потребление энергии частичной группы можно предположительно повысить и/или снизить, и центральное устройство пригодно, с учетом режима генерации энергии генераторов энергии и индивидуальных ширин полосы частичной группы, определять оптимальное заданное потребление энергии, лежащее в пределах индивидуальной ширины полосы энергии, которого должна достигать частичная группа в сумме, и генерировать управляющий сигнал, задающий заданное потребление энергии.
Существенное преимущество соответствующего изобретению центрального устройства состоит в том, что эти индивидуальные ширины полосы энергии частичных групп потребителей энергии могут обрабатываться. Центральное устройство, таким образом, более не должно индивидуально учитывать каждый отдельный, управляемый и подлежащий управлению потребитель энергии, а напротив, достаточным является, если посредством статистического усреднения устанавливается, что определенная частичная группа потребителей энергии в состоянии вызывать изменения нагрузки, чтобы оставаться в пределах индивидуально заданных ширин полосы энергии.
Другое преимущество состоит в том, что посредством соотнесения потребителей энергии с частичными группами и учета индивидуальной для частичных групп возможности изменения нагрузки каждую частичную группу как виртуальную энергетическую установку необходимо  ввести в моделирование системы передачи энергии и обрабатывать имитационно-технически как «энергетическую установку»: Подобная виртуальная энергетическая установка генерирует виртуальную энергию, если потребитель энергии частичной группы снижает свое потребление энергии. Учет виртуальных энергетических установок также позволяет учитывать частичные группы с их соответствующей индивидуальной для частичных групп возможностью изменения нагрузки также с обычным на сегодня стандартным программным обеспечением моделирования, которое не предусматривает образование частичных групп как таковое. Такие виртуальные энергетические установки правда не в состоянии сами реально генерировать и вводить энергию, однако они в состоянии, посредством изменения режима нагрузки ассоциированного потребителя энергии, дополнительно обеспечивать ток для других ответвлений или других участков сети энергоснабжения. Виртуальные энергетические установки могут в центральном устройстве совместно моделироваться и совместно оптимизироваться как нормальные генераторы энергии, причем учитывается их негативное или инверсное поведение. Если также, например, в рамках моделирования устанавливается, что в целом потребляется слишком много энергии или можно ожидать повышения потребления, то в рамках моделирования может либо приниматься решение запустить нормальный генератор энергии и выработать больше энергии, или запустить инверсные энергетические установки, чтобы изменить нагрузочный режим и снизить потребление энергии.
Виртуальные энергетические установки могут в рамках моделирования принимать в расчет «негативную» энергию, которая компенсирует позитивную энергию позитивных энергетических установок. Повышение производства энергии посредством позитивных энергетических установок может, таким образом, предотвращаться тем, что производство негативной энергии за счет виртуальных энергетических установок повышается и общая нагрузка выравнивается.
В случае ширин полосы энергии речь идет предпочтительно о зависимых от времени параметрах или «режимном графике нагрузки».
Изобретение также относится к системе управления для управления системы передачи энергии, имеющей генераторы энергии и потребители энергии. В соответствии с изобретением предусмотрено, что система управления имеет центральное устройство, как оно описано выше.
Относительно преимуществ соответствующей изобретению системы управления, можно сослаться на приведенные выше выводы в связи с соответствующим изобретению центральным устройством, так как преимущества соответствующего изобретению центрального устройства по существу соответствуют преимуществам соответствующей изобретению системы управления
Согласно особенно предпочтительному выполнению системы управления предусмотрено, что система управления имеет по меньшей мере одно промежуточное устройство управления, которое соединено с центральным устройством и с частичной группой и пригодно для того, чтобы управлять подключенной частичной группой потребителей энергии таким образом, что они в сумме достигают потребления энергии, которое соответствует управляющему сигналу центрального устройства.
В аспекте моделирования и управления особенно сложными системами передачи энергии, которые имеют множество потребителей энергии и генераторов энергии, в качестве предпочтительного рассматривается, если система управления имеет множество промежуточных устройств управления, которые соответственно соединены с центральным устройством и соответственно с индивидуальной частичной группой подключенных к системе передачи энергии потребителей энергии, каждой из частичных групп выделена индивидуальная ширина полосы энергии, которая указывает, в какой мере может предположительно повышаться и/или понижаться общее потребление энергии соответствующей частичной группы, и каждое из промежуточных устройств управления пригодно для того, чтобы подключенной частичной группой потребителей энергии управлять таким образом, что они достигают заданного потребления энергии, лежащего в пределах индивидуальной ширины полосы энергии.
Также в качестве предпочтительного рассматривается, если центральное устройство пригодно, чтобы с учетом режима генерации энергии генераторов энергии и индивидуальных ширин полосы энергии всех частичных групп для каждой частичной группы, соответственно, определять оптимальное заданное потребление энергии, лежащее внутри соответствующей индивидуальной ширины полосы энергии, которого должны достигать соответствующие частичные группы, и для каждого промежуточного устройства управления генерировать соответственно индивидуальный управляющий сигнал, указывающий соответствующее заданное потребление энергии.
Согласно другому предпочтительному выполнению предусмотрено, что по меньшей мере одно из промежуточных устройств управления образует вышестоящее промежуточное устройство управления, которое опосредованно соединено с подчиненной частичной группой подключенных к нему потребителей энергии через подчиненное промежуточное устройство управления, и подчиненное промежуточное устройство управления пригодно, чтобы управлять подключенными к нему потребителями энергии подчиненной группы таким образом, что они в сумме достигают потребления энергии, которое соответствует заданной доле заданного потребления энергии, выделенного частичной группе.
Кроме того, изобретение относится к промежуточному устройству управления для системы управления, как описано выше.
В этой связи в соответствии с изобретением предусмотрено, что промежуточное устройство управления пригодно для того, чтобы подключенной к нему частичной группой потребителей энергии управлять таким образом, что они в сумме достигают потребления энергии, которое соответствует управляющему сигналу вышестоящего центрального устройства и лежит внутри ширины полосы энергии, индивидуально сопоставленной с частичной группой, которая указывает, в какой мере полное потребление энергии частичной группы может предположительно повышаться и/или понижаться.
В предпочтительном дальнейшем развитии промежуточного устройства управления предусмотрено, что промежуточное устройство управления имеет вычислительное устройство и запоминающее устройство, в котором сохранены режим потребления и пределы регулирования потребителей энергии, подключенных к промежуточному устройству управления, и вычислительное устройство запрограммировано таким образом, что оно с учетом режима потребления и пределов регулирования потребителей энергии определяет для каждого потребителя энергии индивидуальное значение потребления, при условии, что сумма значений потребления соответствует управляющему сигналу вышестоящего центрального устройства.
В качестве предпочтительного, кроме того, рассматривается, что промежуточное устройство управления находится в коммуникационном соединении с по меньшей мере одним из подключенных к нему потребителей энергии и пригодно для того, чтобы согласовать с ним индивидуальное заданное потребление энергии этого потребителя энергии и/или устанавливать индивидуальное заданное потребление энергии этого потребителя энергии с учетом информации о нагрузке, которую доставляет этот потребитель энергии, а также заданных ограничений по технике безопасности, которые не должны быть нарушены.
Изобретение, кроме того, относится к способу управления системой передачи энергии, имеющей генератор энергии и потребитель энергии, причем на основе текущего и/или прогнозируемого потребления энергии определяется, на сколько много энергии должно генерироваться генераторами энергии.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что по меньшей мере одной частичной группе подключенных к системе передачи энергии потребителей энергии выделяется индивидуальная ширина полосы энергии, которая указывает, в какой мере можно прогнозируемым образом повышать и/или снижать общее потребление энергии частичной группы, и с учетом режима генерации энергии генераторов энергии индивидуальной ширины полосы энергии частичной группы определяется оптимальное заданное потребление энергии, лежащее внутри индивидуальной ширины полосы энергии, которое должна достигать в сумме частичная группа, и генерируется управляющий сигнал, указывающий заданное потребление энергии.
Относительно преимуществ соответствующего изобретению способа следует сослаться на приведенные выше выводы в связи с соответствующим изобретению центральным устройством, соответствующей изобретению системой управления и соответствующим изобретению промежуточным устройством управления, так как преимущества соответствующего изобретению способа соответствуют преимуществам упомянутых соответствующих изобретению устройств.
Изобретение поясняется далее более подробно на основе примеров выполнения, представленных на чертежах, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - пример выполнения системы управления с центральным устройством и двумя промежуточными устройствами управления, которые иерархически расположены на одном и том же уровне и оба непосредственно соединены с центральным устройством, и
Фиг. 2 - другой пример выполнения соответствующей изобретению системы управления, в которой имеется три промежуточных устройства управления, причем одно из промежуточных устройств управления подчинено другому промежуточному устройству управления, за счет чего на уровне промежуточных устройств управления образуются два иерархических уровня.
На чертежах в целях большей наглядности для идентичных или сопоставимых компонентов использованы одинаковые ссылочные позиции.
На фиг. 1 представлена система 10 передачи энергии, которая содержит систему 20 управления, генераторы 30, 31 и 32 энергии, а также потребители 40, 41, 42, 43, 44 и 45 энергии. Система 20 управления соединяет генераторы 30-32 энергии с потребителями 40-45 энергии.
На фиг. 1 можно видеть, кроме того, систему 100 управления, которая предназначена для управления системой 10 передачи энергии. Система 100 управления содержит центральное устройство 110, а также два промежуточных устройства 120 и 121 управления.
Центральное устройство 110 системы 100 управления соединено с тремя генераторами 30-32 энергии, чтобы ими управлять в отношении генерации ими энергии. Центральное устройство 110, кроме того, соединено с обоими промежуточными устройствами 120 и 121 управления, а также с потребителем 45 энергии.
Оба промежуточных устройства 120 и 121 управления соединены соответственно с частичной группой T1 или T2 потребителей энергии. Так промежуточное устройство 120 управления через коммуникационную сеть 50 подключено к трем потребителям 40, 41 и 42 энергии. Промежуточное устройство 121 управления через коммуникационную сеть 51 подключено к обоим потребителям 43 и 44 энергии, которые образуют вторую частичную группу T2.
С каждой из обеих частичных групп T1 и T2 ассоциирована индивидуальная, предпочтительно зависимая от времени ширина полосы энергии, которая на фиг.1 обозначена ссылочными обозначениями E1±ΔE1 (или E1(t)+ΔE1(t)) и E2±ΔE2 (или E2(t)+ΔE2(t)). Индивидуальные ширины E1±ΔE1 и E2±ΔE2 полосы энергии предоставляются в распоряжение центральному устройству 110 для моделирования системы 10 передачи энергии. Ширины E1±ΔE1 и E2±ΔE2 полосы энергии могут сохраняться в не показанном на фиг. 1 запоминающем устройстве или извне вводиться непосредственно в центральное устройство 110. В качестве альтернативы, индивидуальные ширины E1±ΔE1 и E2±ΔE2 полосы энергии также могут передаваться от соответствующего промежуточного устройства 120 или 121 управления через соответствующие управляющие линии в центральное устройство 110; фиг. 1 показывает в качестве примера последний упомянутый выше случай.
Устройство согласно фиг. 1 может работать следующим образом.
Центральное устройство 110 моделирует и/или оптимизирует систему 10 передачи энергии на основе текущих и/или прогнозируемых значений потребления энергии, какое количество энергии должно генерироваться генераторами 30, 31 и 32 энергии. При этом моделировании учитываются ширины ΔE1 и ΔE1 полосы энергии, которые указывают, в какой мере общее потребление энергии обеих частичных групп предположительно может повышаться и/или снижаться, чтобы общее потребление всех потребителей 40-45 согласовать с количеством энергии, которое может вырабатываться всеми тремя генераторами 30-32 энергии.
В рамках моделирования системы 10 передачи энергии центральное устройство формирует управляющие сигналы ST1-ST3 для генераторов 30-32 энергии, которые указывают, какое количество энергии должны генерировать генераторы энергии. Кроме того, оно формирует для потребителя 45 энергии управляющий сигнал ST4, с помощью которого его потребление задается непосредственно.
Потребители 40-44 энергии в отличие от потребителя 45 не приводятся в действие непосредственно центральным устройством 110. Вместо этого центральное устройство 110 формирует заданные значения Es1 и Es2 потребления энергии, которые оно передает на оба промежуточных устройства 120 или 121 управления. При этом заданное значение Es1 потребления энергии указывает, какого заданного значения потребления энергии должны достичь три потребителя 40, 41 и 42 энергии вместе, то есть в сумме. Заданное значение Es2 потребления энергии указывает, какого заданного значения потребления должны достичь два потребителя 43 и 44 энергии вместе, то есть в сумме. При этом справедливы соотношения:
E1-ΔE1≤Es1≤E1+ΔE1
E2-ΔE2≤Es2≤E2+ΔE2
причем E1 и E2 обозначают среднее значение энергии, а ΔE1 и ΔE2 обозначают соответственно подлежащий соблюдению разброс отклонений.
При этом заданные значения Es1 и Es2 потребления энергии лежат соответственно в выделенной ширине E1±ΔE1 или E2±ΔE2 полосы энергии.
Промежуточное устройство 120 управления оценивает заданное значение Es1 потребления энергии и определяет для каждого из трех потребителей 40, 41 и 42 энергии соответствующее индивидуальное значение потребления энергии (или целевое значение потребления энергии) V1, V2 и V3. Три значения потребления энергии V1, V2 и V3 указывают потребление энергии, которое должны устанавливать соответствующие потребители 40, 41 и 42 энергии. Соответствующие значения V1, V2 и V3 потребления энергии передаются через коммуникационную сеть 50 к трем потребителям 40-42 энергии.
При вычислении индивидуальных значений V1-V3 потребления энергии промежуточное устройство 120 управления учитывает заданное значение Es1 потребления энергии, предписанное центральным устройством 110. Индивидуальные значения потребления энергии должны определяться таким образом, чтобы сумма значений потребления V1-V3 соответствовала заданному значению Es1 потребления энергии; то есть справедливо соотношение
V1+V2+V3=Es1
Соответствующим образом работает промежуточное устройство 121 управления, к которому подключены оба потребителя 43 и 44 энергии. Так промежуточное устройство 121 управления с помощью заданного значения Es2 потребления энергии вычисляет для обоих потребителей 43 и 44 энергии индивидуальные значения V4 и V5 потребления энергии, причем справедливо соотношение
Es2=V4+V5
Индивидуальные значения V4 и V5 потребления энергии передаются через коммуникационную сеть 51 к обоим потребителям 43 и 44 энергии, которые регулируются таким образом, чтобы они соблюдали соответствующее значение потребления энергии.
Оба промежуточных устройства 120 и 121 управления могут самостоятельно или автономно определять индивидуальные значения потребления энергии на основе заданных алгоритмов управления; в качестве альтернативы, может быть предусмотрено, что промежуточные устройства управления осуществляют связь с ассоциированными потребителями энергии через соответствующую коммуникационную сеть 50 или 51 и согласуют с соответствующими потребителями энергии, какое количество энергии действительно требуется и в какой мере может выполняться повышение потребления или снижение потребления к соответствующему моменту времени.
При ассоциировании потребителей энергии с частичными группами T1 и T2 учитывается их статистически ожидаемый нагрузочный режим. Предпочтительным образом частичные группы укомплектовываются потребителями энергии, которые имеют сходное поведение и нагрузочный режим которых может изменяться сходным образом. Такое соотнесение позволяет с относительно высокой статистической вероятностью гарантировать, что индивидуально выделенные частичным группам ширины потребления энергии действительно могут устанавливаться, и промежуточные устройства управления действительно в состоянии реализовать заданные значения потребления энергии, которые передаются от центрального устройства 110.
На фиг. 2 показан второй пример выполнения системы 10 передачи энергии, которая управляется системой 100 управления.
В отличие от системы 100 управления согласно фиг. 1, в системе 100 управления по фиг. 2 предусмотрено третье промежуточное устройство 122 управления, которое иерархически является вышестоящим относительно обоих промежуточных устройств 120 и 121 управления. Центральное устройство 110, таким образом, соединено непосредственно только с вышестоящим промежуточным устройством 122 управления; соединение с обоими промежуточными устройствами 120 и 121 управления осуществляется только опосредованным образом через вышестоящее промежуточное устройство 122 управления.
В примере выполнения по фиг. 2 подчиненные промежуточные устройства 120 и 121 управления передают свои ширины E1±ΔE1 и E2±ΔE2 полосы энергии к вышестоящему промежуточному устройству 122 управления, которое с применением этих данных передает ширину E3±ΔE3 полосы энергии к центральному устройству 110; при этом справедливы соотношения
E2=E1+E2 и
ΔE3=ΔE1+ΔE2
Центральное устройство 110 использует при моделировании системы 10 передачи энергии только ширину E3±ΔE3 полосы энергии, которая передана от вышестоящего промежуточного устройства 122 управления, а также ожидаемое потребление энергии потребителя 4 5 и режим генерации энергии трех генераторов 30-32 энергии.
В рамках моделирования вычисляется, какое потребление энергии должен иметь потребитель 45, а также частичная группа Т3 потребителей энергии, образованная обеими подчиненными частичными группами T1 и T2, и определяются оптимальные управляющие сигналы для управления генераторами 30, 31 и 32 энергии. Соответствующее заданное значение Es3 потребления энергии для частичной группы Т3 передается от центрального устройства 110 к вышестоящему промежуточному устройству 122 управления, которое осуществляет дальнейшее управление подчиненными промежуточными устройствами 120 и 121 управления и тем самым опосредованно управление потребителями 40-44.
Вышестоящее промежуточное устройство 122 управления формирует с помощью заданного значения Es3 потребления энергии заданные значения Es1 и Es2 потребления энергии, которые указывают, какого заданного потребления энергии должны достичь обе частичные группы T1 и T2, причем оно учитывает, что должно выполняться соотношение: Es3=Es1+Es2
Заданные значения Es1 и Es2 потребления энергии подаются на оба промежуточных устройства 120 и 121 управления, которые управляют своими соответствующими частичными группами T1 и T2, как это уже было описано выше в связи с фиг. 1.
В устройстве согласно фиг. 2 подчиненные частичные группы T1 и T2 могут рассматриваться как собственно частичная группа T3, которая управляется вышестоящим промежуточным устройством 122 управления. Иными словами, потребители 40-44 совместно с ассоциированными промежуточными устройствами 120 и 121 управления образуют два отдельных потребителя энергии, которые управляются вышестоящим промежуточным устройством 122 управления.
Центральное устройство и промежуточные устройства управления предпочтительно имеют программируемые вычислительные устройства, которые запрограммированы таким образом, что они могут выполнять описанные функции. Для этого центральное устройство и промежуточные устройства управления предпочтительно включают в себя соответственно один или несколько процессоров и одно или более запоминающих устройств.
Перечень ссылочных позиций
10 - система передачи энергии
20 - система управления
30 - генератор энергии
31 - генератор энергии
32 - генератор энергии
40-45 - потребитель энергии
50 - коммуникационная сеть
51 - коммуникационная сеть
100 - система управления
110 - центральное устройство
120 - промежуточное устройство управления
121 промежуточное устройство управления
122 - промежуточное устройство управления
V1-V5 - значение потребления энергии (целевое значение потребления энергии)
Es1 - заданное значение потребления энергии
Es2 - заданное значение потребления энергии
Es3 - заданное значение потребления энергии
ST1 - управляющий сигнал
ST2 - управляющий сигнал
ST3 - управляющий сигнал
ST4 - управляющий сигнал
T1 - частичная группа
T2 - частичная группа
T3 - частичная группа
E1±ΔE1 - ширина полосы энергии
E2±ΔE2 - ширина полосы энергии
E3±ΔE3 - ширина полосы энергии