Устройство управления и контроля энергопотребления Российский патент 2017 года по МПК H02J13/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам управления энергетическими и технологическими электроустановками, и может быть использовано для управления графиком нагрузки промышленного предприятия без остановки непрерывных технологических процессов, а также для снижения потребляемой электроэнергии в часы пиковых нагрузок энергосистемы.

Известна система управления и контроля энергопотребления, которое осуществляет управление энергопотреблением электротехнического комплекса промышленного предприятия, путем отключения электрических нагрузок в соответствии с измеренными величинами текущего энергопотребления электроприемников и предустановленными значениями временных задержек [Авторское свидетельство 1317563 СССР, МКИ H02J 13/00. Устройство для автоматического регулирования электрической нагрузки / В.Ф. Антоневич, Е.П. Забелло, С.С. Телицин; заявитель и патентообладатель Белорусский филиал государственного научно-исследовательского энергетического института им. Г.М. Кржижановского. - 4014637/24-07; заявл. 20.01.1981; опубл. 15.06.1987, Бюл. №22]. Недостатком этого аналога является отключение потребителей электрической энергии при превышении определенного уровня энергопотребления. Такое отключение приводит к остановке непрерывных технологических процессов и массовому недовыпуску продукции предприятием.

Известна также система управления и контроля энергопотребления, которая управляет графиком электрической нагрузки путем отключения как основных, так и вспомогательных потребителей электрической энергии. [Патент 2030057 Российская федерация, МПК H02J 13/00. Устройство для автоматического управления электрической нагрузкой / Г.Г. Пивняк, В.Т. Заика, А.И. Лазорин, В.В. Слесарев, Ю.А. Чен; заявитель и патентообладатель Днепропетровский горный институт.- №5014978/07; заявл. 09.08.1991; опубл. 27.02.1995]. Эта система взята за прототип. Прототип осуществляет управление электротехническим комплексом в часы пиковых нагрузок с учетом характеристик потребителей, что повышает точность процесса регулирования и снижает ущерб от ограничения электропотребления. Однако прототип не решает проблему ограничения потребления энергии без остановки непрерывных технологических процессов промышленного предприятия. Этот недостаток ограничивает область применения прототипа на предприятиях, использующих для производства продукции непрерывные технологические процессы.

Задачей изобретения является создание системы для управления и контроля энергопотребления электроустановок, без остановки непрерывных технологических процессов.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в выравнивании графика нагрузки и снижении потребляемой электрической энергии промышленного предприятия в пиковые часы энергосистемы, а также в регулировании графика электрической нагрузки без остановки непрерывных технологических процессов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство управления и контроля энергопотребления содержит: информационный интерфейс, блок управления устройством, блок ввода и отображения информации, блок часов реального времени с календарем, блок оценки резервов, блок расчета интервалов времени и селектор сигналов, при этом выход информационного интерфейса подключен к первому входу блока управления устройством, выход входного интерфейса присоединен к вторым входам блока управления устройством и блока оценки резервов, к выходу блока управления устройством подключена информационная линия, к которой также подключены блок ввода и отображения информации, вход блока часов реального времени с календарем, первые входы блока оценки резервов, блока расчета интервалов времени и селектора сигналов, кроме этого к выходу блока часов реального времени с календарем подключен второй вход блока расчета интервалов времени и третий вход блока оценки резервов, в свою очередь выход блока оценки резервов подключен к второму входу селектора сигналов, а выход блока расчета интервалов времени подключен к третьему входу селектора сигналов, выход которого подключен к входу выходного интерфейса, кроме этого управляющий вход нагрузки подключен к выходу выходного интерфейса.

Улучшение полученного технического результата от решения поставленной задачи достигается тем, что введен датчик объема технологического задела и распределительное устройство, подключенное между датчиком мощности сети и датчиком мощности нагрузки, при этом датчик объема технологического задела подключен к входу входного интерфейса и информационному выходу датчика мощности нагрузки.

Улучшение полученного технического результата от решения поставленной задачи достигается тем, что ко второму выходу распределительного устройства подключен источник электрической энергии с датчиком мощности источника, а также введено дополнительное устройство управления и контроля энергопотребления, при этом выход выходного интерфейса дополнительного устройства управления и контроля энергопотребления, подключен к управляющему входу источника электрической энергии, а информационный выход датчика мощности источника подключен к входу входного интерфейса дополнительного устройства управления и контроля энергопотребления.

Улучшение полученного технического результата от решения поставленной задачи достигается тем, что введена электронно-вычислительная машина, подключенная к информационному выходу датчика мощности сети и входам информационных интерфейсов устройств управления и контроля энергопотребления.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 изображена система управления и контроля энергопотребления. На фиг. 2 изображена функциональная схема, поясняющая работу устройства управления и контроля энергопотребления.

Система управления и контроля энергопотребления (фиг. 1) и функциональная схема (фиг. 2) содержат следующие элементы: 1 - питающая сеть; 2 - датчик мощности сети; 3 - распределительное устройство; 4 - датчик мощности нагрузки; 5 - нагрузка; 6 - электронно-вычислительная машина; 7 - устройство управления и контроля энергопотребления; 8 - датчик объема технологического задела; 9 - датчик мощности источника; 10 - источник электрической энергии; 11 - дополнительное устройство управления и контроля энергопотребления; 12 - информационный интерфейс; 13 - блок управления устройством; 14 - информационная линия; 15 - селектор сигналов; 16 - входной интерфейс; 17 - блок оценки резервов; 18 - выходной интерфейс; 19 - блок ввода и отображения информации; 20 - блок расчета интервалов времени; 21 - блок часов реального времени с календарем.

Элементы схемы (фиг. 1) соединены следующим образом: питающая сеть 1, через датчик мощности сети 2, подключена к входу распределительного устройства 3. Первый выход распределительного устройства через датчик мощности нагрузки 4 подключен к нагрузке 5. Второй выход распределительного устройства через датчик мощности источника 9 подключен к источнику электрической энергии 10. Электронно-вычислительная машина 6 подключена к информационному выходу датчика мощности сети и входам информационных интерфейсов 12 устройства управления и контроля энергопотребления 7 и дополнительного устройства управления и контроля энергопотребления 11, которое идентично устройству 7. Выход выходного интерфейса 18, устройства 7, подключен к управляющему входу нагрузки, а вход входного интерфейса 16, устройства 7, подключен к информационным выходам датчика мощности нагрузки и датчика объема технологического задела 8. Выход выходного интерфейса устройства 11 подключен к управляющему входу источника электрической энергии, а вход входного интерфейса устройства 11, подключен к информационному выходу датчика мощности источника.

Элементы функциональной схемы (фиг. 2) соединены следующим образом: выход информационного интерфейса 12 соединен с первым входом блока управления устройством 13. Выход входного интерфейса 16 соединен с вторыми входами блока управления устройством и блока оценки резервов 17. Выход блока управления устройством присоединен к информационной линии 14, к которой подключены блок ввода и отображения информации 19, вход блока часов реального времени с календарем 21, первые входы блока оценки резервов, блока расчетов интервалов времени 20 и селектора сигналов 15. Выход блока оценки резервов подключен к второму входу селектора сигналов. Выход блока расчета интервалов времени подключен к третьему входу селектора сигналов. Выход блока часов реального времени с календарем подключен к второму входу блока расчета интервалов времени и третьему входу блока оценки резервов. Выход селектора сигналов подключен к входу выходного интерфейса 18. Элементы 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 и 21 образуют устройство управления и контроля энергопотребления, которое идентично дополнительному устройству управления и контроля энергопотребления.

Устройство (фиг. 2) в составе системы управления и контроля энергопотребления (фиг. 1) работает следующим образом. Напряжение питающей сети 1, поступает через датчик мощности сети 2 на распределительное устройство 3. Нагрузка 5, через датчик мощности нагрузки 4 подключена к первому выходу распределительного устройства и является электроустановкой, потребляющей электрическую энергию. Управление нагрузкой и регулирование технологических параметров производится через управляющий вход нагрузки. Источник электрической энергии 10, через датчик мощности источника 9, подключен к второму выходу распределительного устройства. Источник 10 может быть, как генераторной электроустановкой, так и накопителем электрической энергии. Управление источником электрической энергии и его технологическими параметрами производится через управляющий вход. Устройство управления и контроля энергопотребления 7 и дополнительное устройство управления и контроля энергопотребления 11 устроены одинаково и предназначены для управления потребителями или источниками электрической энергии периодического действия. Функциональная схема устройства 7 и устройства 11 изображена на фиг. 2. Датчик мощности нагрузки и датчик объема технологического задела 8 подключены к входу входного интерфейса 16, устройства 7. Датчик 4 предназначен для измерения мгновенной мощности и количества потребляемой нагрузкой энергии. Информация, измеренная датчиком мощности нагрузки, поступает в устройство 7. Устройство управления и контроля энергопотребления может работать с нагрузкой, выполняющей функцию технологической операции периодического действия в составе непрерывного технологического процесса. Предусмотрено два варианта работы, первый вариант - когда нагрузка находится перед непрерывной технологической операцией и второй - когда нагрузка находится после непрерывной технологической операции. Для обеспечения непрерывности технологического процесса, между технологическими операциями присутствует технологический задел. В первом случае нагрузка выполняет периодическое наполнение технологического задела сырьем, которое непрерывно потребляется последующей операцией. Во втором случае нагрузка периодически потребляет сырье из технологического задела, которое непрерывно поступает от предыдущей операции. При своевременном наполнении технологического задела сырьем в первом варианте или своевременном освобождении задела для приема сырья во втором варианте, появляется возможность полной остановки или снижении производительности нагрузки на заданное время. Путем отключения, включения или изменения технологических параметров устройство 7 производит регулирование потребляемой мощности нагрузкой. Датчик 8 предназначен для определения текущей емкости технологического задела. Датчик мощности источника 9, предназначен для измерения мгновенной мощности и количества вырабатываемой энергии источником электрической энергии. Если в качестве источника 10 используется накопитель электрической энергии, то датчик 9, дополнительно, измеряет направление мгновенной мощности и количество запасаемой источником 10 электрической энергии. Электронно-вычислительная машина 6, при помощи проводной или беспроводной информационной сети подключена к входам информационных интерфейсов 12, устройства 7 и устройства 11, а также к информационному выходу датчика мощности сети, который используется при регулировании графика нагрузки электротехнического комплекса. Он измеряет мгновенную мощность и количество потребленной комплексом энергии. Регулирование графика нагрузки электротехнического комплекса производится следующим образом. Электронно-вычислительная машина через заданные интервалы времени производит сравнение величин, измеренных датчиком мощности сети с значениями заданного графика нагрузки. Устройство 7, в соответствии с величинами измеренными датчиками 4 и 8, а также с текущим временем суток и календарным днем, производит оценку имеющихся резервов по времени и величине снижаемой нагрузки и по информационной сети передает информацию электронно-вычислительной машине. Устройство 11 производит оценку имеющихся резервов по времени и величине вырабатываемой источником 10 энергии и также по информационной сети передает информацию электронно-вычислительной машине. В случае превышения заданных величин графика нагрузки, электронно-вычислительной машиной в зависимости от имеющихся резервов и экономической целесообразности вырабатывается соответствующее управляющее воздействие для устройства 7, выполняющего снижение потребляемой нагрузкой мощности или для устройства 11, выполняющего запуск источника электрической энергии, которое приводит к снижению потребляемой электротехническим комплексом энергии из питающей сети. Кроме этого через информационные интерфейсы устройства 7 и устройства 11, на электронно-вычислительную машину передается информация о текущем состоянии устройств, о состоянии нагрузки и источника электрической энергии, а также о величинах, измеренных датчиками 4, 8 и 9.

Устройство (фиг. 2) работает следующим образом. Информационный интерфейс 12 представляет собой уже известные технические решения для организации проводных или беспроводных информационных сетей. Через информационный интерфейс, выход которого подключен к первому входу блока управления устройством 13, осуществляется обмен информационными и управляющими сигналами. Входной интерфейс 16 представляет собой уже известные технические решения для получения информации от различных датчиков и измерительных приборов, которая поступает на вторые входы блока управления устройством и блока оценки резервов 17. Блок управления устройством обеспечивает взаимодействие между информационным интерфейсом, входным интерфейсом и другими элементами, подключенными к его выходу через информационную линию 14, которая предназначена для обмена информационными и управляющими сигналами между элементами. Кроме этого блок управления устройством собирает и передает информацию о состоянии элементов устройства в информационную сеть. Блок ввода и отображения информации 19 предназначен для работы с устройством по месту его установки и служит для ввода управляющих сигналов, смены режима работы и корректировки предустановленных значений величин, а также для отображения информации о состоянии устройства. Блок часов реального времени с календарем 21 предоставляет информацию о текущем времени суток и дне недели в соответствии с производственным календарем. Производственный календарь необходим при работе устройства с учетом плановых часов пиковых нагрузок энергосистемы. При необходимости производится синхронизация с часами точного времени через информационную сеть. Электроустановки управляются при помощи выходного интерфейса 18, который представляет собой уже известные технические решения для создания цифровых, дискретных или аналоговых управляющих сигналов. Селектор сигналов 15 формирует управляющие сигналы для выходного интерфейса в зависимости от сигналов, поступающих на его входы и в соответствии с заданным приоритетом. Управляющие сигналы для блока 15 формируются блоком управления устройством, блоком оценки резервов и блоком расчета интервалов времени 20. Блок управления устройством формирует управляющий сигнал для селектора сигналов при получении соответствующей команды через информационную сеть. Например, при регулировании графика нагрузки электротехнического комплекса. Блок оценки резервов использует в своей работе информацию, полученную от часов реального времени с календарем, входного интерфейса и информационной линии, при этом периодически производится вычисление резерва необходимого на все время действия заданных часов пиковых нагрузок энергосистемы и времени для его достижения. После этого производится оценка уже имеющихся резервов и оставшегося времени до начала часов интервала пиковых нагрузок энергосистемы. Оценка резервов производится с учетом управляемой устройством электроустановки и ее функции в технологическом процессе. При работе устройства совместно с накопителями электрической энергии, блоком оценки резервов производится вычисление количества электрической энергии необходимого на все время действия заданных часов пиковых нагрузок энергосистемы и времени для его достижения. После этого производится оценка уже имеющихся резервов и времени до начала часов пиковых нагрузок энергосистемы. На основании сделанных расчетов блок оценки резервов подает соответствующее управляющее воздействие на селектор сигналов. Блок расчета интервалов времени формирует управляющее воздействие в соответствии с заданными интервалами часов пиковых нагрузок и текущем временем. Управление по сигналам блока оценки резервов и блока расчетов интервалов времени подходит как для потребителей, так и для источников электрической энергии при работе устройства в автономном режиме, без подключения к информационной сети.

Наиболее целесообразной областью применения предлагаемой системы управления и контроля энергопотребления, являются промышленные предприятия, использующие для производства продукции непрерывные технологические процессы.

Использование: в области электротехники. Технический результат - выравнивание графика нагрузки и снижение потребляемой электрической энергии промышленного предприятия в пиковые часы энергосистемы, а также регулирование графика электрической нагрузки без остановки непрерывных технологических процессов. Система управления и контроля энергопотребления содержит питающую сеть с датчиком мощности сети, нагрузку с датчиком мощности нагрузки и устройство управления и контроля энергопотребления, содержащее входной и выходной интерфейсы, при этом информационный выход датчика мощности нагрузки подключен к входу входного интерфейса. Устройство управления и контроля энергопотребления содержит: информационный интерфейс, блок управления устройством, блок ввода и отображения информации, блок часов реального времени с календарем, блок оценки резервов, блок расчета интервалов времени и селектор сигналов, при этом выход информационного интерфейса подключен к первому входу блока управления устройством, выход входного интерфейса присоединен к вторым входам блока управления устройством и блока оценки резервов, к выходу блока управления устройством подключена информационная линия, к которой также подключены блок ввода и отображения информации, вход блока часов реального времени с календарем, первые входы блока оценки резервов, блока расчета интервалов времени и селектора сигналов, кроме этого к выходу блока часов реального времени с календарем подключен второй вход блока расчета интервалов времени и третий вход блока оценки резервов, в свою очередь выход блока оценки резервов подключен к второму входу селектора сигналов, а выход блока расчета интервалов времени подключен к третьему входу селектора сигналов, выход которого подключен к входу выходного интерфейса, кроме этого управляющий вход нагрузки подключен к выходу выходного интерфейса. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система управления и контроля энергопотребления, содержащая питающую сеть с датчиком мощности сети, нагрузку с датчиком мощности нагрузки и устройство управления и контроля энергопотребления, содержащее входной и выходной интерфейсы, при этом информационный выход датчика мощности нагрузки подключен к входу входного интерфейса, отличающаяся тем, что устройство управления и контроля энергопотребления содержит: информационный интерфейс, блок управления устройством, блок ввода и отображения информации, блок часов реального времени с календарем, блок оценки резервов, блок расчета интервалов времени и селектор сигналов, при этом выход информационного интерфейса подключен к первому входу блока управления устройством, выход входного интерфейса присоединен к вторым входам блока управления устройством и блока оценки резервов, к выходу блока управления устройством подключена информационная линия, к которой также подключены блок ввода и отображения информации, вход блока часов реального времени с календарем, первые входы блока оценки резервов, блока расчета интервалов времени и селектора сигналов, кроме этого к выходу блока часов реального времени с календарем подключен второй вход блока расчета интервалов времени и третий вход блока оценки резервов, в свою очередь выход блока оценки резервов подключен к второму входу селектора сигналов, а выход блока расчета интервалов времени подключен к третьему входу селектора сигналов, выход которого подключен к входу выходного интерфейса, кроме этого управляющий вход нагрузки подключен к выходу выходного интерфейса.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что введен датчик объема технологического задела и распределительное устройство, подключенное между датчиком мощности сети и датчиком мощности нагрузки, при этом датчик объема технологического задела подключен к входу входного интерфейса и информационному выходу датчика мощности нагрузки.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что ко второму выходу распределительного устройства подключен источник электрической энергии с датчиком мощности источника, а также введено дополнительное устройство управления и контроля энергопотребления, при этом выход выходного интерфейса дополнительного устройства управления и контроля энергопотребления подключен к управляющему входу источника электрической энергии, а информационный выход датчика мощности источника подключен к входу входного интерфейса дополнительного устройства управления и контроля энергопотребления.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что введена электронно-вычислительная машина, подключенная к информационному выходу датчика мощности сети и входам информационных интерфейсов устройств управления и контроля энергопотребления.