能源系统

能源系统（共12篇）

能源系统 篇1

工业能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。随着国务院“十二五”节能减排综合性工作方案的通知、国家发改委万家企业节能低碳行动实施方案等政策的出台, 工业企业节能降耗、能源管理面临巨大的压力。

以信息技术为支撑, 进行有效的能源数据获取、统计、分析, 提高能源利用效率, 是实现节能降耗目标的基础工作。正泰数据能源管理系统解决方案融合计算机网络、通信、计量控制等技术, 实现能源管理、计量的数字化、网络化, 完善能源基础数据体系, 实现对企业能源利用状况进行准确的动态监管, 提高企业节能工作的管理水平。能源管理系统解决方案适用于集团企业的能源管理, 面向集团、公司、车间三级管理, 帮助企业实现以下目标:

为基层部门实现企业能源消耗情况的动态数据采集和信息共享服务;

为企业各级管理人员提供直观、快捷的数据信息查询和决策支持服务;

利用数学模型预测预警, 对数据进行深入的加工处理及分析, 提高监控数据的应用水平。

正泰数据能源管理系统解决方案, 已在多家钢铁、港口等企业应用。

能源系统 篇2

部队水电能源监管系统一、系统简介

营区监测子系统通过对营区电子宣传栏、供水、供电、供暖、喷淋管路、水窖等设备实施智能化改装，使用定制的监控软件，对营区公共设施设备进行实时数据采集，实现整个营区公共设施在线监测和远程管控，做到“设备管理可调化，设施管控智能化”，实现能源节约与信息智能化管理，从经济效益和社会效益两方面提高管理品质。

能耗监测系统实现对营区水、电、气、暖等能源消耗的监测和控制，通过本系统能够实现各类能源消耗的动态监控、实时数据统计和分析以及水电等能源的预售，实现能源消耗、相关设施运行的异常报警，提供数据分析和维修辅助决策。

展示实时监控数据、运行状态参数、实时计量数据、历史数据，设置计量仪表参数；仪表具有实时监控功能，通过实时监控界面，可以清楚的知道当前耗能的情况，便于进行管理。

二、系统架构

水电能源监管系统同时支持目前较为流行的B/S和C/S两种架构模式，B/S的结构特点是通过浏览器访问服务器的程序，用户在任何联网的计算机上取得授权而不用安装任何专门

http:/// 的软件，就可以进行数据查询、分析和管理操作。客户端零维护，系统的扩展非常容易。C/S结构特点是客户端要安装客户端程序，通过客户端程序与服务器进行交互，C/S的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，客户端响应速度快。

所以两者在应用时应相互补充。这种混合模式是企业应用最大的模式，其基于Web的管理信息体系流程图如下。

这种管理体系是基于网络的、分布式的、异构的管理信息系统，可以容纳不同地域、不同网络结构类型、采用不同数据库和应用程序开发工具、在功能上相对独立的管理信息系统，各种管理信息系统通过web服务器，在客户端以浏览器方式访问，实现系统之间的信息共享。

软件基于开放的多层架构进行开发并选用先进的模块化、组件化结构，易于实施和配置，实现的所有功能基于统一的中间层应用服务器平台、关系型数据库系统。

系统采用树形结构和地图两种方式进行对象选择操作，对象可以选择楼、层、间，也可以选择部门、学院，操作界面风格清新大方，易于操作，支持多业务操作。

三、系统功能

为保证整个平台建设的标准性，顺利完成数据采集和分析、挖掘等工作，节能监管系统软件应以国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统软件的要求为基础，并在此基础上

http:/// 按照营区的管理需要进行基于多系统集成原则的功能扩展，主要系统和功能要求如下：

1、信息维护子系统

功能包括建筑、机构、能耗、采集器、监测仪表和其他设备信息的管理、维护和自由组态；系统操作日志和维护日志管理；管理员录入、修改操作可留痕；标准编码管理，所有信息编码均依据技术导则。

信息采用建筑、部门、表计、支路、时间等模型方式管理，录入、管理和自由组态方便快捷；系统操作日志和维护日志管理，管理员录入、修改操作可留痕；标准编码管理，所有信息编码均完全依据技术导则。包括客户基本信息管理，建筑、院系、房间基本信息管理，表具基本信息管理，智能数据采集网关基本信息管理等。可完成系统管理的主要功能，系统界面结构严谨，层次清晰，操作方便，易学易用。

2、用电监管子系统

http:/// 实现建筑能耗的分类分项计量、管理、统计功能；动态实时能耗数据和运行参数监测；逐刻、逐时、逐日、逐月、逐年和任意时段数据的查询、分析；5年以上能耗数据查询、展示和对比分析；能耗结构、能耗趋势、指标对比展示；电网线路支路关系的模拟图展示和实时支路数据、指标对比展示；为任意对象（楼层间或部门）任意时段（日、月、年）的电耗提供饼图、柱形图、曲线图展示、管理和报表汇总、打印功能，并支持word、pdf、excel格式的导出；提供对标定位管理功能，实现按建筑、按部门、按类别的总量、人均、面积均的综合排名对比。

实现建筑、院系用能趋势分析和用能指标分析，通过实时监测用能数据，对建筑用能进行用能异常分析和线路负荷分析；可实现对设备故障进行故障分析。

3、配电室监测子系统

配电室监测系统是实现低压端的监测、管理，除实现用电监管子系统的功能外，还可提供电流、电压、有功功率及功率因数等多参数的监测和报警功能。

可以实时了解低压配电室的供配电情况，能够通过实时监测电力信息，对异常情况实时报警，降低事故发生几率，识别有效负荷与无效能耗。

4、给水监管子系统

http:/// 动态实时能耗数据和运行参数监测；逐刻、逐时、逐日、逐月、逐年和任意时段数据的查询、分析；5年以上能耗数据展示和对比，能耗结构、能耗趋势、指标对比展示；给水管网支路关系的仿真模拟图展示和实时支路数据、指标对比展示；为任意对象（楼层间或部门）任意时段（日、月、年）的水耗提供饼图、柱形图、曲线图和报表汇总、打印功能，并支持word、pdf、excel格式的导出；提供对标定位管理功能，实现按建筑、按部门、按类别的总量、人均、面积均的综合排名对比。

5、专家分析子系统

分布式能源系统应用研究 篇3

【关键词】新能源；研究

一、引言

能源管控是一直以来持续热点的话题，尤其在当前社会进步和能源问题的日益严峻的情况下，以大电网模式为代表的传统的集中式供能系统已经逐渐暴露出一定的弊端，例如世界上多个国家陆续发生的大面积停电事故。因此对能源管理进行改善和变化就显得尤为重要，分布式能源系统作为一种新的供能方式，由于其是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，可以实现根据用户对能源的不同需求，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。因此，分布式能源被寄予了厚望，已经成为未来应对当前气候的变化，保障能源安全的一个重要方向。

二、什么是分布式能源系统

简而言之，分布式能源系统是一种建立在能量梯级利用概念基础之上，分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。分布式供能方式可实现冷、热、电三联产，通过将高品位的热能直接转换为高品质电能，将中低品位的热能直接转为所需的热和冷，以此将电、热、冷这3种能源有效地结合成1个系统，从而来实现能量的梯级利用。分布式能源系统主要是由动力设备和一个系统组成。动力设备是分布式能源系统的能量来源，其发展经历了蒸汽轮机、内燃机及外燃机、燃气轮机及微型燃气轮机、燃料电池和生物质能等可再生能源的历程。系统的作用是实现热、电、冷三联产，目前该系统的主要工作原理是利用广义的内燃机（产生电）的排气余热，通过余热锅炉产生蒸汽供热，同时通过吸收式制冷设备供冷。

三、分布式能源系统的优缺点

由于以大电厂、大电网为代表的传统能源系统在可预见的未来依然将占据重要作用，因此有必要将分布式能源系统与传统的集中式能源系统进行对比。通过分析对比两种能源系统的利弊，来更好地理解这两种能源系统各自的优劣势和适用范围。

分布式能源系统的最主要作用是體现在冷、热、电三联产中，这也是分布式能源系统最重要的优点。冷热电的联产符合总能系统的“梯级利用”的准则，可以实现较好能源利用率。而大型（热）电厂虽然可以产生大量电能，并且电能可实现远距离输送，但是热，尤其是冷，像电能那样较长距离有效地输送基本上不可能实现。另外由于电厂厂址的选择的局限，一般来说，电厂附近很难有足够大量的、合适的冷、热能用户，因此除非通过特殊设计并利用特殊的设备来使传统的集中式供能系统实现输送冷、热能的功能，否则集中式供能系统根本无法实现冷热电的联产。与此相反，由于分布式能源系统是按需就近设置，通过与用户很好的配合，来避免长距离输送冷、热能无法实现的问题，同时也不会存在电力输送过程中产生耗损的问题。综合考虑，分布式能源系统纯动力装置虽然本身效率低、价钱贵，但是分布式能源系统由于具有较大的调节、控制与保证能力，不仅可以保证各种二次能源的充分供应，同时也可以实现冷热电的联产。因此分布式能源系统作为新一代能源的发展方向必将取得飞速发展。

分布式能源系统的弊端主要体现在：分布式能源系统供能分散， 单机功率小，而现有动力设备都是机组越大、效率越高，所以分布式能源系统的发电效率较低。此外分布式能源系统的使用技术要求要比简单使用大电网供电来得高，分布式能源系统的使用需要要有相应的技术人员与适合的文化环境。

四、分布式能源系统的发展

自20世纪90年代以来，世界工业发达国家在发展大电源、大电网的同时，也开始了小型分散发电技术（即分布式能源）的应用。天然气分布式是分布式能源系统最重要的应用形式且在发达国家应用成熟，美国是目前全球分布式能源系统应用最广泛的国家，分布式能源系统多达6000多个，绝大多数为天然气分布式。2000年时，美国商业、公共建筑热电联产980座，总装机490万千瓦；工业热电联产1016座，总装机4550万千瓦，合计超过5000万千瓦。到2003年，热电联产总装机5600万千瓦，占全美电力装机7%，发电量占9%。2010年这一类的分布式总装机容量约为9200万千瓦，占全国发电量14%。根据美国能源部规划，2010-2020年将再新增9500万千瓦装机容量，占全国发电装机容量29%。美国的分布式发电以天然气热电联供为主，年发电量1600亿千瓦时，占总发电量的4.1%。美国能源部积极促进天然气为燃料的分布式能源系统，利用这些系统为基础发展微电网，再将微电网连接发展成为智能电网。分布式能源系统另一种重要应用形式是光伏分布式。分布式光伏在德国得到高度发展，德国是全球推广分布式光伏发电最成功的国家之一。截至2011年底，德国光伏发电总装机容量达到2470万千瓦，其中分布式光伏发电系统容量占比近80%，主要应用形式为屋顶光伏发电系统，单个发电系统平均容量仅为20千瓦。此外风力发电、生物质能发电等可再生能源发电系统也是分布式能源的重要组成部分。分布式能源系统在中国的最重要应用是广州大学城分布式能源站，该系统是中国华电集团公司在天然气高效利用方面的首个10万千瓦级分布式能源站建设项目，是亚洲最大的分布式能源系统，为分布式能源站在我国的发展提供了重大示范，为我国建立分布式能源系统设计系列化、模块化标准提供示范，

五、分布式能源系统的应用

由于分布式能源系统的初投资大，不仅需要好的燃料；同时还要有比较稳定的冷、热、电用户，分布式能源系统的应用主要体现以下几个场所：（1）城区商业休闲中心、公用事业单位。例如商场娱乐中心游泳馆、饭店宾馆、飞机场、银行、证券交易所、医院、学校、机关等大量需要冷、热的地方。（2）小型柴油机电站的淘汰。石油化工造纸纺织印染等领域的小型柴油机电站锅炉用分布式能源系统替代，不仅环保同时系统的经济性和效率可得到较大地提高。（3）城区燃煤热电联产机组的改造及燃气轮机电站的升级。利用分布式能源系统取代或者对这些电站进行升级，不仅可以减少污染，还可将蒸汽供应附近的工厂，实现冷、热、电联供。（4）中小型离散工业园区、新建的过程工业园区。在这些地方采用分布式能源系统来提供能源产品，来实现电、热、冷。（5）边远地区、孤岛、海港、海上作业平台、船舶等，这些地方集中式供能系统很难顾及，很适合采用分布式能源系统。

六、结论

分布式能源系统具有贴近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等优良特性，可以实现冷、热、电多联供的终端能源供给，可以有效降低地电、热、冷远距离输送的损失，同时还可以改善电源结构、改善供电效率、提高供电质量及供电可靠性等，因此已经成为传统集中式能源供应系统不可或缺的重要补充，以及未来世界能源技术的重要发展方向。由于我国的分布式能源起步较晚，且一直被政府的政策所冷遇，因为分布式能源系统的发展在我国依然是任重而道远。

参考文献

[1]周建华，李孝堂.关于分布式能源系统建设与发展的思考[J].航空发动机，2009年06期.

大型客机液压能源系统 篇4

随着民用飞机需求总量的不断上升,中国已成为世界第二大民用航空市场。但作为航空大国,目前我国还不能自行生产大型客机,航空公司使用的大型客机全部依赖进口,这不仅浪费了大量国家外汇资源,同时体现了我国大型飞机设计制造技术的巨大差距。研制和发展大型飞机,不仅能适应国内快速增长的航空市场需求,同时也能促进关联产业发展和多学科进步[1]。温家宝总理指出:“研制大型飞机,是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的重大科技专项,是建设创新型国家、提高我国自主创新能力和增强国家核心竞争力的重大战略举措[2]”。

大型客机(国内简称大客)液压系统是一个多余度、大功率的复杂综合系统,由多套相互独立、相互备份的液压系统组成。每套液压系统由液压能源系统及其对应的不同液压用户系统组成。液压能源系统包括油箱增压系统、泵源系统以及能量转换系统等;用户系统包括飞控系统、起落架系统以及反推力系统等。其中液压能源系统是综合系统的动力核心,也是本文主要论述对象。我国在大型客机液压系统研究方面刚刚起步,从元件级到系统级供应商全由国外公司垄断。因此综合研究设计高效、可靠的大型客机液压系统,是国家大型飞机研制计划成功实施的重要保证。

1 空中客车公司大型客机液压能源系统

根据空中客车公司(Airbus)与波音公司(Boeing)飞机液压能源系统的各自特点,分别讨论两公司主流客机A320、B737与新型客机A380、B787的液压能源系统构架。4款机型体现了目前主流客机的传统实用性与新型客机的技术创新性。

1.1 空客A320[3,4]

A320系列客机是空中客车公司研制的双发、中短程、单过道、150座级客机,包括A318、A319、A320及A321 4种机型,是第一款采用电传操纵飞行控制系统的亚音速民航飞机。

A320液压系统由3个封闭的、相互独立的液压源组成,分别用绿、黄、蓝来表示。执行机构的配置形式保证了在2个液压系统失效情况下,飞机能够安全飞行和着落,其液压系统配置见图1。在正常工作(无故障)情况下,绿系统和黄系统中的发动机驱动泵(EDP)和蓝系统中的电动泵(EMP)作为系统主泵,

为各系统用户提供所需要的实时液压功率。黄系统中的电动泵(EMP)只在飞行剖面中大流量工况或主泵故障工况时启动。当任何一个发动机运转时,蓝系统的电动泵自动启动。3个系统主泵通常设置为开机自动启动,无电情况下,手动泵作为应急动力对货舱门进行控制。蓝系统为备份系统,其冲压空气涡轮(RAT)在飞机失去电源或者发动机全部故障时,通过与其连接的液压泵为蓝系统提供应急压力,此外RAT也可通过恒速马达/发电机(CSM/G)为飞机提供部分应急电源。系统中的双向动力转换单元(PTU)在绿、黄两个液压系统间机械连接,当一个发动机或EDP发生故障,导致两系统压力差大于3.5MPa时,PTU自动启动为故障系统提供压力。优先阀在系统低压情况下,切断重负载用户,优先维持高优先级用户(如主飞控舵面)压力。前轮转弯、起落架、正常刹车由绿系统提供压力,备用刹车由黄系统提供压力。

1.2空客A380[5,6]

A380是空客公司研制的四发、远程、600座级超大型宽体客机,是迄今为止世界上建造的最先进、最宽敞和最高效的飞机,已于2007年投入运营。它是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱、4通道的民航客机,被空客视为21世纪“旗舰”产品,其液压系统特点如下:

(1)2H/2E系统结构。A380飞机将液压能与电能有效结合,采用2套液压回路+2套电路的2H/2E双体系飞行控制系统,如图2所示。其中2H为传统液压动力作动系统,由8台威格士发动机驱动泵(EDP)和4台带电控及电保护的交流电动泵(EMP)组成两主液压系统的泵源,

为飞机主飞控、起落架、前轮转弯及其他相关系统提供液压动力;2E为电动力的分布式电液作动器系统,用于取代早期空客机型的备份系统,该系统由电液作动器与备用电液作动器组成。4套系统中的任何一套都可以对飞机进行单独控制,使A380液压系统的独立性、冗余度和可靠性达到新的高度。所有EDP通过离合器与发动机相连,单独关闭任何一个EDP都不会影响其他EDP工作及系统级性能,因此即便8个EDP中有一个不工作,飞机仍可被放行。EMP作为辅助液压系统备用。

(2)35MPa压力等级。尽管35MPa高压系统在部分军用飞机(如F-22、F-35、C-17)上得到应用,但是A380是首架采用35MPa高压系统的大型民用客机,它既满足了飞机液压系统工作需求,又减小了其体积和重量。据统计,35MPa压力等级的引进为A380飞机减轻了1.4t的重量,并提高了飞控系统的响应速度。

(3)EHA/EBHA。电液作动器EHA/EBHA与分散式电液能源系统LEHGS等新型技术在A380飞机上的成功使用,开启了飞机液压系统从传统液压伺服控制到多电、多控制的技术先河。通过新一代电液作动器的使用,使得系统设计从传统分配式模式向分布式模式转变,减少了液压元件与管路的使用,减少了飞机重量。

A380飞机采用EHA/EBHA系统来控制主飞行控制舵面,从而减少了一套液压系统,由于EHA/EBHA布置在执行器的附近,因而使驱动舵面的反应速度更快,也简化了液压管路的布置。

2 波音公司大型客机液压能源系统

2.1 波音B737[7,8]

波音737系列客机是波音公司生产的一种中短程、双发喷气式客机,被称为世界航空史上最成功的窄体民航客机,具有可靠、简捷、运营和维护成本低等特点,是目前民航飞机系列中生产历史最长、交付量最多的飞机。目前市场上主流737为-300/-400/-500型,最新一代737为737-NG(next generation)。

波音737有3个独立的液压系统,分别为A系统、B系统和备用系统,为飞行操纵系统、襟/缝翼、起落架、前轮转向和机轮刹车等提供动力。波音737由线缆等机械装置传输指令进行飞机姿态控制。图3显示了波音737的液压系统配置。

系统A与系统B是飞机主液压系统,正常飞行状态下由系统A和系统B提供飞机飞行控制所需压力;A/B系统泵配置均由一个EDP和一个EMP组成;A/B系统的正常压力由系统中的EDP提供,如果EDP失效,由EMP为A/B系统补充压力;备用系统由EMP为飞机提供动力。B737液压系统中的PTU为单向动力传递,即只有当B系统中出现严重低压现象时,PTU在A系统的动力驱动下,将动力传递给B系统用户,由于传递过程使用同轴连接结构,可保证两系统不发生串油现象;两系统都可以通过起落架转换阀对起落架系统进行供压,保证两主系统都可以对起落架液压系统进行独立控制。

2.2波音B787[9,10,11]

波音787是波音公司最新发展的双发、中型宽体客机,可载210~330人,航程6500~16000km,预计2009年投入服务。波音787的突出特点是采用了高达50%的复合材料来建造主体结构(包括机身和机翼),具有强度高、重量轻等优点。

波音787同样采用35MPa工作压力来降低系统重量。液压系统仍由左、中、右三套独立系统构成,其中左/右液压系统由一个EDP和一个EMP来提供压力,中央系统由两个EMP和一个涡轮冲压泵RAT来提供压力。液压系统用户分配见图4。

B787液压系统设计体现了未来多电飞机的发展趋势。与B737相比,由于B787采用电机械(EMA)技术来控制部分飞行控制舵面,因此其液压系统用户减少。此外,波音 787采用电刹车系统来替代传统的液压刹车系统,刹车系统得到大大简化,系统可靠性得到提高;同时由于没有液压管路,避免了油液泄漏,降低了维修成本。

3 液压能源系统发展趋势

3.1 高压化[5,10]

传统客机液压系统压力等级主要为21MPa,但从新型客机A380和B787应用35MPa压力等级可以看出,民用飞机紧随军用飞机液压技术,也具有发展高压系统的趋势,这是因为就传动力和做功而言,高压意味着可以缩小动力元件尺寸、减轻液压系统重量、提升飞机承载能力。当然,高压系统也对设备的强度和密封材料的性能提出了更高的要求。液压系统是否采用高压,还要考虑飞机燃油经济性和维护便利性的要求。

3.2 分布式[12,13,14]

电液作动器EHA与分散式电液能源系统LEHGS等新型电液技术在A380飞机上的成功使用,是大型客机液压能源系统设计理念的创新,使得液压能源系统设计首次从传统集中分配式模式向独立分布式模式转变,大大减少了液压元件与液压管路。EHA与LEHGS的结合运用,替代传统第三套液压能源系统(备用系统),实现了小功率负载用户到大功率负载用户的飞机液压动力备份。

电液作动器EHA将液压能源系统与用户系统有效地集成于同一元件内,从而实现了小功率作动子系统的分散化。图5所示为EHA基本原理构架,图6为EHA实物图。

为了减轻A380的重量,创新设计的分散式电液能源系统(LEHGS)通过微型泵技术为大功率用户如制动系统及起落架转向系统提供动力。从电控单元发出的信号激活多个轻质的电动微型泵,每个微型泵都安装在各分系统附近对负载用户进行控制。微型泵能够为制动及转向系统提供35MPa的油压,在应急情况下能为用户提供动力,图7为LEHGS实物图。

3.3 自增压油箱技术[4,15]

飞机上每个液压系统都有自己的油箱,为防止液压系统产生气穴现象,飞机油箱压力需保持在一定值(如0.35MPa)以上。大多数飞机(如A320、B737、A380等)利用来自发动机的压缩空气对油箱进行增压,油箱内压力油与空气间没有隔膜,多余气体自动经溢流阀排气,其原理如图8所示。这种油箱需要大量的引气管路、水分离器以及油箱增压组件,导致系统结构复杂、系统重量增加。

图9为自举式增压油箱结构示意图。油箱中使用了一个差动面积的柱塞,柱塞泵出口高压油通过优先阀被引回到柱塞的小面积有杆腔,从而带动大柱塞向下运动, 对油箱中的吸油腔油液增

压。蓄能器设置在油箱和单向阀间,用以保持自增压回路的压力稳定,减小系统压力波动带来的油箱吸油腔压力波动。该油箱的优点是通过油箱结构的创新设计避免了油箱引气增压系统带来的系统复杂、管路繁多的缺点,使得油箱增压系统得以简化。目前波音787及我国自主研发的ARJ21飞机上都应用了自增压油箱技术。

3.4 故障诊断与健康管理[16,17]

故障诊断与健康管理(diagnostics, prognostics and health management,DPHM)实现了从基于传感器的反应式事后维修到基于智能系统的先导式视情维修(CBM)的转变,使飞机能诊断自身健康状况,在事故发生前预测故障。飞机液压系统健康管理的主要难点是如何在有限传感器基础上对所检测的液压系统状况进行智能判别,例如,准确判断柱塞泵失效状况需要大量实验数据作为参数化依据,同时需要合理有效的数据处理方法。图10所示的DPHM系统结构主要由机载系统和地面系统组成。

3.5 智能泵源系统[18,19]

目前,飞机液压系统中的EDP和EMP大多为恒压变量柱塞泵,系统压力设定为负载的最大值,柱塞泵不能根据飞行负载变化输出不同压力值,由此带来了能量的浪费。如果采用带负载敏感的智能泵源系统,液压系统输出压力和流量随飞行负载的变化而实时调解,将大大降低液压系统能耗。

智能泵源系统可根据负载工况自动调节输出功率,使输出与输入最佳匹配,是解决飞机液压系统无效功耗和温升问题的有效途径,其关键技术主要涉及变压力/变流量技术、负载敏感技术、耐久性试验技术以及智能控制技术等。

4 大客液压能源系统方案

4.1 主流机型方案对比

根据国家立项与专家论证,我国大客机型定位150座级,座位规模在130~200个座位之间,也就是目前畅销的波音737和空客320的竞争机型,目前全世界的在飞客机中有70%~80%是这一级别。

B737和A320系列客机为目前市场占有率最高的两种150座级客机。鉴于目前我国大客的机型定位,通过比较两机型液压能源系统特点,能为我国大客液压能源系统设计提供有益参考。比较结果见表1。

从两者液压系统比较可发现,B737液压系统相对A320液压系统简洁,可有效减轻飞机液压系统重量,但在系统功能结构、冗余度以及可靠性方面明显不足。B737没有采用冲压空气涡轮(RAT)作为备份系统能源,且主系统间PTU装置仅采用单向结构而非双向结构,减少了飞机液压能源供给途径,降低了飞机应对紧急情况的能源供给能力。同时备份系统对应的执行机构功能简单,紧急情况下对飞机的控制能力有限,降低了备份系统的有效性。故总体上讲,A320飞机液压系统相比B737飞机液压系统先进,拥有更高安全裕度,B737机型液压系统配置则更为简洁、轻便。因此,在开发国产大飞机液压系统时,应着重借鉴空客A320机型的高冗余度设计与波音B737机型的系统简洁性设计。

4.2 设计方案一[4,15]

根据大客发展目标以及新老机型方案对比,在此提出2种飞机液压能源系统方案。第一种系统方案配置见图11。液压系统压力采用21MPa,系统由3套独立液压能源组成,分别标记为左、中、右系统。与A320相比,每套液压系统均采用自增压油箱技术,同时简化用户系统配置。左/右液压源为飞机主液压系统,分别由一个EDP和一个EMP提供动力;中系统为备用系统,由一个EMP和一个RAT提供动力。飞机启动时,由左/右液压系统中的EDP为飞机提供动力。当发动机或EDP发生故障以及大流量需求工况(如飞机起飞和降落阶段)时,左/右系统中的EMP为飞机补充动力。在系统失电情况下,可利用左系统中的手动泵对舱门进行操作。左/右系统失效情况下,启动中系统EMP作为应急能源提供系统压力;当电力丢失以及2台发动机全部失效时,由冲压空气涡轮RAT为系统提供压力;此外RAT还为恒速马达发电机(CSM/G)提供动力。在一个发动机或其对应的EDP失效时,双向PTU为故障系统或低压系统提供动力转换。

4.3 设计方案二[6,15]

第二种方案采用28MPa作为系统压力,这是因为28MPa能够被目前的机载设备和维护设备强度所接受,同时能够减轻飞机液压系统的重量。此外,系统中采用电液驱动技术来驱动部分飞行负载,采用分布式电液能源系统代替传统备份系统。系统功能布置见图12。系统采用2套液压回路(2H)+1套电驱动回路(1E)的高可靠性方案。本方案中的每个液压能源系统由一个EDP和一个EMP提供动力。电驱动系统作为备份,在2套液压系统失效情况下为飞行控制提供应急动力;其中EHA用于驱动方向舵,EBHA用于驱动升降舵、副翼和扰流板3,局部电液能源系统(LEGHS)用于驱动刹车系统。发电设备包括恒频发电机CFG、RAT、辅助动力单元(APU)及地面动力单元(GPU)等,其中CFG与发动机相连,当发动机运行时,CFG自动为系统提供电源。

5 液压能源系统关键技术

5.1 高可靠性液压系统[20]

高可靠性液压系统设计包括液压源的余度配置、高可靠性液压元件、高可靠性传感器选择等。

液压系统余度配置不仅影响飞机的安全性,同时也影响液压系统的重量和飞机控制性能。在进行飞机液压系统设计时,要进行液压系统多余度配置的优化设计论证,找出最佳的系统冗余配置。

高可靠的液压元件主要指EDP、EMP、液压控制阀及附件等,以上元件性能的好坏直接影响液压系统的可靠性。目前国内公司还不能生产高可靠性的航空液压元件,因此研制开发具有自主知识产权的高可靠性液压元件是实现大客飞机国产化、带动国内相关技术领域发展的关键。

此外,高可靠性传感器是飞机控制系统的重要环节。精确可靠的反馈信号是液压系统故障诊断与高精伺服控制的前提。目前飞机液压系统的各类传感器多为进口。

5.2 压力脉动抑制[21,22]

压力脉动引起的管路振动是许多液压系统失效的主要原因。柱塞泵由于其优越的性能在飞机液压系统中得到广泛应用,但其固有的自然频率的流量脉动(不能完全消除)特性,也影响了液压系统性能。流量脉动造成压力脉动和管路振动,不仅带来了严重的噪声,而且能够造成管道系统在过载或疲劳载荷下发生灾难性事故。飞机液压系统的管路振动多年来一直困扰着飞机液压系统设计师,随着飞机液压系统的高压化,这一问题更加突出。因此在设计飞机液压系统时,必须采取有效的方法将管路振动限制在一定范围,尽可能减小压力峰值,并避免机械共振。尽管一些被动控制振动方法(如蓄能器、管夹、阻尼器和振动吸收材料等)证明是可行的,但是部分主动振动控制方法(需第二个能量源来抵消主能量源的振动)对进一步降低液压系统振动也能起到了良好的作用。

5.3 油液温度控制[23]

飞机液压系统温度必须控制在一定范围内,否则直接影响飞机的控制性能、机载设备寿命及可靠性。飞机热负载主要来自于发动机热辐射、泵源容积损失与机械损失、液压长管道沿程损失、电液阀的节流损失、作动筒的容积损失以及反行程中气动力作用导致的系统温升等;液压系统高温使油液黏度降低、滑动面油膜破坏、磨损加快、密封件早期老化、油液泄漏增加;高温也使油液加速氧化变质、运动副间隙减小,产生的沉淀物质会堵塞液压元件。针对飞机液压系统温度影响,必须展开关于飞机液压系统温度控制技术的相关研究,从元件级—系统级—综合实验级分别对飞机液压系统温度特性进行热力学建模与仿真分析,同时以试验对比的方式验证飞机液压温控系统的合理性与有效性。

5.4 油液污染度控制[24]

液压系统很多故障均与液压油污染有关。飞机液压系统多采用伺服执行器,因此对油液污染度有严格的要求。油液污染定义为油液中出现对液压系统性能产生负面影响的其他物质,这些有害的物质主要包括水、金属、灰尘和其他固体颗粒等。油液污染使液压泵和其他元件的磨损加快,导致液压元件提前失效,影响液压系统的可靠性。因此合理的油液污染检测和控制方法,对保证飞机飞行安全是十分必要的。通常飞机液压油的污染由合理的过滤器来控制,在飞机降落后对液压油的污染度(主要包括颗粒大小、化学成分等)进行采样检测。目前一种轻型在线检测飞机油液污染度的技术正在发展中,可望在不久的将来应用到飞机上,将对飞机液压系统的监测起到很好的促进作用。

6 结论

介绍了当前主流客机A320、B737、A380、B787的液压能源系统结构及其特点,指出当前商用飞机液压能源系统的发展趋势——高压、分布式液压能源技术、故障诊断及健康管理、自增压油箱技术、智能泵源系统等。对150座级客机A320和B737的液压系统进行了对比分析。针对我国大型客机发展目标,提出了2种液压能源系统方案,分别为3套独立液压系统方案(3H)、2套液压系统+1套电操作系统(2H/1E)方案。指出发展飞机液压系统需要解决的高可靠性液压系统设计、压力脉动抑制、油温控制、油液污染度控制等关键技术问题。

能源系统 篇5

某型飞机液压能源系统原理验证试验系统设计

针对飞机液压能源系统设计的`可靠性和合理性及获得更优质的液压能源系统设计方案的要求,需设计飞机液压能源系统原理验证系统,通过半物理仿真对设计原理进行了验证.描述了试验系统的设计思想和总体结构,叙述了液压试验台架的设计思想,阐述了各个子系统结构与原理,重点分析了飞机流量压力负载模拟模块的设计思想和控制策略,同时对飞机高温环境进行了模拟,给出了试验系统的软件硬件设计思想和方案以及调试结果.工程调试结果表明,该系统设计达到了设计要求,对飞机液压能源系统设计具有重大意义.

作 者：袁朝辉 马科 江辉军 马海军 YUAN Chao-hui MA Ke JIANG Hui-jun MA Hai-jun 作者单位：西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710072刊 名：测控技术 ISTIC PKU英文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY年，卷(期)：29(6)分类号：V245.1关键词：流量压力 液压 能源系统 原理验证

新能源汽车空调系统技术分析 篇6

摘 要：高压开关设备中的黑色金属焊接异形支架零件焊接后要求加工精度高，多用于传动部位，对零件加工的尺寸精度、粗糙度要求较高，传统的加工方式有诸多缺陷，文章对该加工方式进行了改进。

关键词：异形；支架焊装车削；加工；改进

中圖分类号：TH112.7；TG751.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0009-02

1 支架焊装

高压开关设备中的黑色金属焊接异形支架零件，如图1所示，焊接后要求加工精度高，多用于传动部位，对零件加工的尺寸精度、粗糙度要求较高。常规加工方式是采用先进的复合中心加工，但是由于结构复杂，在加工中心加工仍需要多次装卡。对于该类异形支架焊装，在加工中心加工深孔已经有较大难度，况且还需要再加工两处精密外圆，精密外圆加工不是加工中心的强项，精度难以保证，效率较低。因此，常规方式难以实现。为有效解决这一生产难题，弥补加工中心短板，需要在车床开发一种简洁、高效的加工方式。

2 零件的加工难点分析

①165深Φ34.5内孔粗糙度Ra6.3难以保证，加工效率较低，且呈明显锥度。

②该零部件为异型件，常规车削加工时转速不能太高，否则不安全且Φ18（-0.05，-0.077 mm）外圆加工后成为椭圆，粗糙度不合格。

③内孔加工后由于粗糙度不合格，经常需要钳修，钳修费时费力。

3 制定改进方案

制作一套异形支架焊装在车床加工的车具，用于精密、高效加工该类支架焊装的深孔和精密外圆加工。技术方案如下：

①设计一种配重可调、高效车具，使零部件转动时达到动平衡，减小振动提高转速，从而在普通车床实现外圆高效和精密加工。

②改进两顶装卡方式为一夹一顶，进一步提高系统刚性，减小振动。

③设计一种车刀，采用特制调质刀杆，采用YT15可装卸刀片，提高超长深孔加工刀具刚性及加工效率，并配合刀片刃磨到适合加工的角度，保证粗糙度合格。

④设计一种车具，解决采用传统装卡方式造成的深孔加工时切屑排屑不畅问题，提高加工效率。

4 方案实施情况

①设计一种配重可调、高效、精密车具，使零部件转动时达到动平衡，同时改进两顶装卡方式为一夹一顶方式。如图2所示。

不采用配重块，支架焊装重心不在回转轴线上，两顶时支架焊装总是自然偏向较重一端，主轴旋转时也会受到这个偏心质量产生的离心力影响发生振动。配重系统包括压盖、配重块、连接螺栓。配重块及压盖上加工有止口，便于快速对中定位及保证转动时不会出现纵向松动。

通过现场试验，车削配重块，最终确定合适的配重块重量，转动支架焊装使其可停在任意位置，即达到了动平衡，可避免销轴φ18（-0.05，-0.077 mm）尺寸车削后成椭圆状。转速由原来的160转/min，提高至710转/min，有效提高了切削速度和加工效率，同时提高了零件加工精度。

同时，采用开口套和顶尖的一夹一顶装卡方式替代两顶装卡方式，进一步加强了系统的刚性，减小了振动，提高了车削时的安全性。采用开口定位铜套夹紧一侧支架焊装转动轴3，另一侧采用顶尖顶紧，配重车具组件安装后支架焊装转动达到动平衡状态，转动无明显颤抖，加工支架焊装转动轴3时较原来两顶装卡方式采用拨叉驱动更可靠。两顶装卡方式，如图3所示，一夹一顶装卡方式，如图4所示。

②设计一种车刀，采用高刚性合金刀杆，提高超长深孔加工表面质量及效率。特制合金刀杆，如图5所示，空心结构定位胎具，如图6所示。

常规工具钢等刀柄直径只有φ20左右，刚度不足，在加工φ34深孔时容易出现颤抖和让刀，导致φ34精孔加工后刀纹严重，左右两端φ34孔尺寸大小不一，呈锥形孔。特制硬质合金刀杆直径φ30，刚度足够减轻了刀杆颤抖和变形。

首先， 车床卡盘卡右端Φ50外圆，车左端Φ100外圆及M85×2螺纹，调头卡φ100精车外圆平另一端面保证总长。为加工支架焊装导向杆1中的φ34±0.1×165深孔准备定位螺纹。

然后，装卡定位胎具，将支架焊装上的M85×2螺纹与定位胎具上M85×2外螺纹拧紧。定位胎具采用空心结构，中间为φ35通孔，便于加工φ34±0.1×165深孔时排出金属屑。同时，胎具装卡定位基准一次加工成型，精度高，且带自锁功能。车削加工时，转速由原来的100转/min，提高至240转/min，可提高深孔加工表面粗糙度。采用特制合金刀杆配合经过特殊刃磨的YT15刀片加工支架焊装导向杆1，可保证关键尺寸φ34±0.1 mm，保证粗糙度Ra6.3。支架焊装导向杆1材质为35CrMo棒材，材料硬且粘，常规工具钢等切削过程中容易出现刀具刃口磨损，导致加工表面质量下降。经过特殊刃磨的YT15刀片采用可装卸结构，硬质合金刀片YT15加工35CrMo合金钢避免了刀具频繁磨损，车刀副切削刃采取8～12 °设计更锋利，如图7所示。有效减轻了副后刀面的磨损，可装卸结构可以实现快速更换刀片，有效减少停工等待时间，提高了加工效率。如图8所示。

改进前，内孔加工后虽经过钳修处理仍然十分粗糙，尺寸及粗糙度不能满足图纸和质量要求；改进后内孔一次加工成型，无需钳修即可满足要求。改进前，如图9所示。改进后，如图10所示。

③加工参数前后对比，见表1。

5 结 语

通过该工艺改进课题，采取自制配重工装，改进装卡工装和方式，自制刀杆，修磨车刀副切削刃，优化切削参数等一系列措施，解决了异型件，车削时转速不能太高、外圆加工后成椭圆、粗糙度不合格、加工效率低等问题。 保证深孔加工粗糙度和尺寸精度的同时提高了加工效率。通过这类支架焊装的加工研究，为提高异型件的车床工艺能力做出了有益探索。

参考文献：

建筑能源管理系统浅析 篇7

诊断环节需要由专业团队根据建筑实地情况设计准确、详细的能耗监测点,通过安装实时能耗监测系统,真正找到建筑耗能的重点部位,才能提出有效的节能改造方案;而不是简单地根据历史耗能总量来进行“头疼医头,脚疼医脚”的节能改造。

实际现场影响能耗的主要是两个方面,一个是设施本身的工作情况,另外一个是管理问题。二者都会对能耗产生较大影响,如何将管理问题和设施问题进行综合分析,就需要丰富的数据,不单单只是能耗数据,还必须要有环境参数、设施运行参数,只有对这些数据进行综合对比分析才能找到真正的问题,提供准确的诊断。否则只是单纯考虑能耗数据会造成诊断结果的失真。

改造环节需要由专业节能服务公司选用合适的产品来共同完成改造方案的实施;要充分考虑节能改造的投资回报率,避免“节能不节钱”现象的发生。

需要根据现场实际情况,将管理问题和设施问题统一考核,将管理与控制综合起来,以控制强化管理,以管理加强控制,解决问题的根本。提高制度的透明和有效,完善管理制度。

维护环节需要有优秀的系统管理人员和专业的售后服务团队持续地完善系统应用。

需要将能耗数据的实施分析同系统维护相结合起来,以实际运营数据来核对改造的效果,同时根据相关数据分析,提高整体节能效率的稳定和改善。

优化企业能源管理系统 篇8

企业能源管理是企业生产经营、成本管理的重要组成部分。在我们国家能源资源紧缺,以建设资源节约型、环境友好型社会为工业化、现代化发展战略的核心内容的背景下,企业能源管理系统应以采集、控制、过程监管、数据分析为整体,组成模块的过程脉络和建设思路。

国家对企业能源管理的要求

为确保实现“十二五”节能减排约束性目标,缓解资源环境约束,应对全球气候变化,促进经济发展方式转变,建设资源节约型、环境友好型社会,增强可持续发展能力。我国于2012年8月6日发布了《节能减排“十二五”规划》。

1.总体目标到2015年,全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准煤(按2005年价格计算),比2010年的1.034吨标准煤下降16%(比2005年的1.276吨标准煤下降32%)。“十二五”期间,实现节约能源6.7亿吨标准煤。

2 0 1 5年 , 全国化学 需氧量和二氧化硫排放总量分别控制在2347.6万吨、2086.4万吨,比2010年的2551.7万吨、2267.8万吨各减少8%,分别新增削减能力601万吨、654万吨;全国氨氮和氮氧化物排放总量分别控制在238万吨、2046.2万吨,比2010年的264.4万吨、2273.6万吨各减少10%,分别新增削减能力69万吨、794万吨。

2.具体目标到2015年,单位工业增加值(规模以上)能耗比2010年下降21%左右,建筑、交通运输、公共机构等重点领域能耗增幅得到有效控制,主要产品(工作量)单位能耗指标达到先进节能标准的比例大幅提高,部分行业和大中型企业节能指标达到世界先进水平。风机、水泵、空压机、变压器等新增主要耗能设备能效指标达到国内或国际先进水平,空调、电冰箱、洗衣机等国产家用电器和一些类型的电动机能效指标达到国际领先水平。工业重点行业、农业主要污染物排放总量大幅降低。

企业能源管理状况

中国企业联合会、中国企业家协会、中国企业管理科学基金会于2014年9月21日联合发布了《2013年中国企业节能减排状况报告》。本年度报告立足于2013年我国开展节能减排的宏观背景,以2014年3月—4月期间国内数省地方企业的实地调研和问卷调查为基础,旨在推进企业确保完成“十二五”节能减排目标。

2013年,全国GDP能耗下降3.7%,完成国家年初的预定目标。报告显示,从企业层面看,我国企业继续把节能减排作为向低能效浪费与环境污染宣战的目标任务,采取管理、技术“双轮驱动”,以重点项目为依托等一系列措施,节能减排取得新的进展,可持续发展能力进一步增强,但“十二五”节能减排形势依然严峻,任务的艰巨性不容小视。要全面完成“十二五”规划的节能减排目标,后两年单位GDP能耗须年均降低3.9%以上。

1.绝大多数企业完成或超额完成计划进度31.3%与61.7%的企业分别认为,在“十二五”规划已经执行过半之时,本企业已经超过、等于本企业的“十二五”节能减排计划进度。两者共计93%(余下7%的企业没有回答,或回答不明确)。

2.大多数企业的能耗水平与排放情况大为改善50%与40%的企业分别认为,本企业的能耗与排放情况好于或等于国内同行业企业,而有10%的企业没有回答该问题。

3.绝大多数企业“十二五”的节能减 排投入水 平大于“十 一五”时 期1 0 0 % 的企业在“ 十二五” 前三年对 节能减排技 术、设备 的投资额 , 与“十一五 ”时期相 比均有所 增加。虽然100%的比例可能不够精确,但从大趋势看,绝大多数企业在“十二五”对节能减排有更多的投入。

4.更多的企业在“十二五”时期建立完善了专事节能减排的组织机构与规章制度36%的企业在“十二五”时期成立了专门推进节能减排的机构,组织机构按照“小分工、大合作”的原则,实行层层责任制,建立人、职、权、责相统一的工作机制,落实详细职责。与能但传源计管理

66%的企业在“十一五”时期制定了推进节能减排相关制度,100%的企业在“十二五”时期制定了节能减排的相关制度。升能有发

5.绝大多数企业有信心完成本企业与国家的“十二五”节能减排目标50%、45%的企业认为,本企业能够超额完成、基本完成本企业的“十二五”节能减排目标。余下5%的企业没有回答,或回答不明确。60%、35%的企业认 为 , 我国能够 超额完成、基本完成国家“十二五”规划的节能减排目标。

企业能源管理需求

企业在生产经营过程中能源管理需求迫切,在政策指导和追求社会责任的总体要求下,对能源管理有着细致的需求.

1.将能源管理纳入现有生产调度体系生产调度体系的合理运作与能源耗用有着强关联,合理的调度方式将大大提高能源利用率。但传统生产调度模式往往忽略能源相关因素。将能源使用与企业资源计划系统、生产运营管理系统进行高效衔接,建立能源生产计划管理平台,增强能源利用效率。

2.对能源使用进行全过程管理对能源使用的过程管理将有效提升能源使用的有效性,在传统生产企业中,能源泄漏、浪费现象时有发生,不合理用能更是普遍现象。实现对能源的生产、输送、分配、转换、使用等各个关键环节的全面监控和调度。

3.分析能源使用过程信息能源数据分析利用一直是企业的短板,长期予以忽视。但能源数据的分析对于企业运作中的能源有效利用至关重要。对能源使用过程数据的分析能够实现能源数据统计的客观、实时、高效呈现,提供能源管理决策支持。

4 . 大量历史 数据的效 益挖掘在长期的节能工作中,节能管理的辨识往往停留在以个人认识和自身思考的层面,其无法充分对数据进行理解,往往存在局限性。充分利用先进算法及工具,从能源历史数据中挖掘信息,促进能源管理的持续改进,将为企业的能源效益提升发挥意想不到的作用。

能源管理系统技术方案

面对企业对能源管理的需求,能源信息管理系统由三层体系构架组成,系统层次分为设备控制层、集中监控层和能源管理层,系统层次结构如下图所示:

1) 设备控制层

设备控制层是整个能源管理系统的基础,实现各子系统底层设备的数据采集和控制、对上数据传送等。该层设备仪器采用工业以太网通信,对于不能采用工业以太网通信的,采用现场总线通信。

设备控制层主要由PLC电控柜、分布式I/O站、能源传感器、能源设备、独立控制系统或设备等组成。

设备控制层用于控制相关能源设备,按照能源供应的工艺要求和生产要求完成控制操作。主要包括对电机的启停、阀的通断等数字开关量控制,对温度、压力、流量等模拟量工艺参数实施控制以及其它控制元器件的参数化控制。各控制段根据能源管理工艺要求,合理设置启/停操作功能,既能够满足能源供应要求,又能够减少无效能耗,达到节能降耗的目的。

设备控制层,主控PLC通过网络通信模块、操作站通过网卡进入集中监控层网络的交换机,底层设备通信有两种模式,一种以工业以太网通信,采用星形结构,连接系统前端主设备控制器和触摸屏、变频器、软启动器等设备,一种以现场总线通信,采用线型结构,连接系统制冷机、空压机、配电仪表等设备。对于不支持此种通信的设备,通过转换协议模块,以现场总线方式通信。

系统大量 采用了支 持Profibus、MODBUS现场总线的仪表 , 具有布线 简单、测 量精度高、 可以对参 数进行集 中设置等优 点。特别 是现场总 线设备特有 的诊断能 力 , 通过对Profibus-PA(用于过程自动化的PROFIBUS)进行特定的组态可以实现将现场总线设备的诊断信息独立地、循环地传送到过程控制系统。

2) 集中监控层

集中监控 层包括集 中监控系统(数采系统)和诊断维护系统。由数 采服务器 、监控客 户计算机(需依据工艺段划分合理设置)、工程师维护站、通讯网卡、主干交换机和光纤环网等硬件设备组成。

该层为控制系统的人机交互接口,完成集中控制操作、监视设备及数据采集和存储,报警显示、记录等功能。

集中监控层是作为运行人员监控动力系统运行、管理动力设备和能源管理的接口,主要由连接各子系统的PLC和其它相关设备控制系统的PLC,以及上层的监控计算机、服务器、工程师站、实时数据库服务器和以太网网络器件组成。分别配置各子系统上位计算机操作站,基本上所有的操作都可在这一层完成,一般只有在远程通讯发生故障时运行人员才需到设备现场的过程控制层去手动控制、调节设备。

集中监控层主要通过控制网络将可编程控制器PLC及设备现场分散的设备层各子系统组织起来,实现对现场设备的控制、保护、联锁、报警、数据采集等功能,以及设备层与监控管理层的数据交换。同时该层为控制系统的人机交互接口,完成动力自控系统集中控制操作、监视、报警显示、记录等功能。

3) 能源管理层

能源管理层由能源数据库、能源调度子系统、能源分析子系统等软件系统构成。

能源管理层各种能源介质的计划调度、设备管理、工艺管理、能源统计、能耗分析工作,使得相关职能部门通过系统了解生产运行中实际能源耗用情况,为企业提供客观准确的能源数据,并确保能源供给稳定有序。

能源管理层主要包括基础能源管理、调度监控、应用发布系统(Web)以及与企业其它信息化系统接口等部分。

基于集中监控层的监控管理平台和外部系统接口,能源管理层实现对能源数据、生产数据及其他相关数据的集中管理,以支持业务管理人员对于能源统计、能耗分析、能源调度等业务管理要求。

能源管理层硬件包括业务数据库服务器、EMS应用服务器、WEB服务器。

企业其他办公终端可根据要求配置访问权限,并通过安全的路由实时访问到能源管理系统的数据和统计分析信息。

实现能源管理系统的难点

在系统构建的过程中,在技术方案确定并可行的前提条件下,依然存在部分技术与管理难点,特别是能源管理体系在系统建设过程中的同步构建对企业的管理执行力有着相当高的要求。

1.能源数据采集设备的安装调试及日常管理能源管理系统的运行基础在实时能源耗用数据采集,在整体系统中相关数采计量设备数百个,均通过有线与无线方式将数据回传系统服务器。能源系统的运行依赖数据的准确稳定采集,所以在项目建设中的采集设备安装调试尤为重要,但更为重要的是此类设备的长期日常管理,包括在维修之外的例行保养,设备检定等,否则整体系统运行将无法得到数据的保障,系统运行效果将大打折扣。

2.原管理体系纳入能源控制后的调整企业生产体系中原涉及能源管理的较少,衔接流程更是凤毛麟角,随着能源管理系统的建立,其与企业资源计划系统、生产运营管理系统之间的高效衔接,改变了企业运作模式。生产调度改变了以生产任务和经济效益指标为核心的调度模式,增加了能源消耗、节能降耗的相关管理要求。由于生产管理体系是生产企业的核心,涉及企业的各个部门,所以整体管理体系的调整直接关系到能源管理系统的运作效果和最终评价。

3.能源管理体系的建立作为能源管理的手段,能源管理系统构建了以监控、计划、分析为核心的信息化平台,为能源管理提供了有效的管理手段和工具。但企业能源管理体系的构建、认证将最终将企业能源管理纳入正轨,以制度的形式落实各项能源管理项目和措施,使得能源管理工作成为一项长期持续的工作。该体系的有效建立将确保能源管理系统的有序运行。在能源体系构建中应遵循循序渐进的思路,以统一整体节能理念、构建企业能源管理制度为核心。

整体实现效果

通过构建企业级的能源管理系统,企业实现了对主要能源的使用监控、计划管理、数据分析,在节能辨识和能源消耗预测上取得了良好的效果。在系统使用后有效的降低了能源的浪费,提升了使用效率,大幅降低了能源消耗。

1.实现能源使用的精确监控能源信息采集系统实现了能源信息的采集、存储、管理,由此确保了获得第一手运行工艺数据,实时掌握能源运行情况、及时采集调度措施,使系统尽可能运行在最佳状态。系统的建立改变了原有运作模式,数据的采集由事后的数据抄表记录转变为实时监控,依据能流图的实时、精确能耗数据实现了满足能源工艺系统特点的分散控制和集中管理。

2.减少能源管理环节,优化能源管理流程建立客观能源消耗评价体系,实现在信息分析基础上的能源监控和能源管理流程优化再造,实现能源设备管理、运行管理、有效实施客观的以数据为依据的能源消耗评价体系、绩效考核,减少能源管理的成本,提高能源管理的效率,及时了解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措施,向能源管理要效益。

3.减少能源系统运行管理成本,提高劳动生产率大型企业的能源管理系统规模加大,结构复杂。传统的现场管理、运行值班、检修及管理的工作量大,成本高。能源管理系统的建立,为企业的管理体制改革发挥重要示范作用。系统实现远程抄表统一监控,简化能源运行管理,减少日常管理的人力投入,节约人力成本,提高劳动生产率。

结束语

唐钢能源管理系统解析 篇9

在我国的能源消耗中，工业是我国能源消耗的大户，能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。冶金工业能耗居高不下和环境质量不如人意是长期困扰冶金企业的难题。国家大力提倡节能减排，在这个大环境下，一方面，能源资源市场形势的日益严峻，有效控制能源成本在产品成本中的比例，高效、优质、稳定、可靠的能源供配平衡成为钢铁企业生存发展的命脉;另一方面，在生产中，能源介质管网遍布全厂，线路长达数百km，供应生产的能源介质昼夜不息、变化频繁，能源系统的运行状况直接影响到企业的现实发展。为此，采取集中高效的管理手段，提升能源管理水平和劳动生产率，确保能源系统安全稳定运行，提升节能降耗水平，并最终持续降低能源成本，能源在钢铁企业全厂生产管理中的地位十分重要，因此企业的能源管控也成为企业的核心问题，尤其是钢铁企业一直在想方设法解决这个问题。唐钢能源管理中心立足于现有的信息化系统，充分利用现有的资源，实现能源管控中心(EMS)、ERP系统、PI系统的无缝连接。以能源管理中心系统的实时数据为基础，同时提取ERP,MES/DSS系统的生产实绩、生产计划、财务数据等信息，经过系统的分析和处理，提供给能源管理专业人员全面、真实的数据，改善目前的能源管理方式，实现能源管理到班组(考核到岗，责任到人)、能源管理到工序(精细管理，整体优化)、能源管理到产品批次(成本透明，科学决策)，使唐钢信息化水平和能源管理水平再迈上一个新台阶。

2 企业原状

2.1 仪表部分

现在多数企业仍处于采用各种仪器、仪表对能源数据进行采集，并派专人对仪器、仪表、与采集的数据进行现场维护、抄取，并逐级统计、上报。大部分数据还存储在生产系统中，所以没有什么数据共享。而且在这个过程中需要大量的人力，而且耗时比较长。所以企业急需解决这个效率低下的问题。

2.2 管理部分

唐钢是国内外颇具知名度和影响力的企业。唐钢目前主要的高炉、转炉和轧机全部实现了大型化、现代化，特别是超薄热带生产线、冷轧及产品深加工生产线均从国外引进，总体装备达到国际先进水平。但是，唐钢各厂区相对分散，各区域相对独立，传统调度模式信息交流不全、不及时，不能实现能源系统的集中管理、统一调度，制约了能源利用效率的提高。

3 能源管理系统构成

3.1 数据采集部分

数据是系统的根源，首先要确认数据的采集方式，根据现场的实地考察，最终采取的是多种通讯方式，数据汇集统一管理的方式。第一，对原生产系统的数据采取OPC的通讯方式从以前的生产系统读取;第二，新增加了部分现场仪表及PLC,PLC直接与仪表通讯，采集数据。

3.2 数据监视部分

数据监视是了解掌握现场的实际情况，管理人员通过观看计算机上设备状态及现场仪表数据，从而完成对现场设备及物料的调度工作，在这里有着不可替代的作用。

3.3 管理部分

所有能源通过管理系统可以在线看到库存及消耗等信息，实现能源的集中管理、统一调度，提高了能源的利用效率，同时也和其他管理系统进行数据交换。

3.4 数据发布部分

所有有权限的用户都可以通过IE浏览器浏览现场设备状态及现场实时数据，也可以浏览数据报表、历史记录等。

3.5 网络技术架构

网络要有兼容性及高开放性等特色，所以当今能够满足多种条件而且具有先进、成熟技术的那就是以太网技术了，整个网络应该兼容TCP/IP协议，图1为能源管理系统技术架构简图。

3.6 运行环境

系统环境也尤为重要，每个工业软件都有它要求的软件、硬件条件，这里也一样，这套系统要求的软硬件并不是很高，表1对软件系统配置进行了描述。

软件对计算机硬件配置也有要求，建议配置：双核CPU,2G内存以上，硬盘要500G以上。

4 设计过程

4.1 设计原则

唐钢能源管理中心要求要采用先进、成熟、实用的技术手段，系统要具有开放性、可扩性、兼容性和灵活性。依据这些原则，管理中心将这个任务交于了施耐德电气中国投资有限公司。

4.2 数据对象

系统需要数据包括能源生产、输配、消耗过程中主要的能源信号以及主要设备状态信号。能源公辅控制系统包括全厂变配电所、煤气现场控制系统、空压站、供水泵等状态，每个厂区、工序消耗的水、电、风、气量等是主要系统需要的主要数据，这些数据遍布全厂，现场情况非常复杂。

4.3 数据采集方式

现场条件复杂，数据多数在以前的生产系统里，如果增加PLC再次对这些数据进行采集，成本过高，而且浪费了大部分资源，所以选择了一个所有自动化软件都支持的协议OPC,OPC(用于过程控制的OLE)是一个工业标准。OPC由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软(Microsoft)紧密合作而建立的。OPC定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。管理这个标准的国际组织是OPC基金会。其前身由一个Fisher-Rosemount,Rockwell Software,Siemens,Opto22,Intellution和Intuitive Technology等著名大公司组成专门的工作组，仅用了短短的1 a时间便开发出一个基本可运行的OPC技术规范。在1996年8月发布了简化的、一步到位的解决方案。应用这个协议的主要原因是它的通用性。

由于唐钢建厂较早，当时的自动化程度远不如现在，很多设备没有计量监控，所以要增加仪表，仪表直接和采集系统通讯比较复杂，所以增加了一些PLC来先从仪表内把数据采集到PLC内，采集服务器再从PLC取走采集系统所需要的数据。

4.4 PLC选型

数据的稳定性、准确性是系统需要保证的，成本也不容忽视，所以选择性价比比较高的产品作为系统采集用，施耐德的产品多数都能满足系统要求，所以性价比就成为选择M340的主要原因，M340是施耐德的中型CPU，它自带USB口，同时集成CANopen,Ethernet或Modbus通讯接口，并且有着外形精巧、维护简单、稳定可靠、支持多语言编程等多种特点，而且在各行业都有广泛的应用。

4.5 监控软件

SCADA(supervisory control and data acquisi-tion)，一个收集和分析实时数据的计算机系统，通常用于对设备或平台的“监视控制”，而并非“过程控制”，对数据的采集是实时的。Citect是施耐德旗下的一个公司，CitectSCADA是世界领先的工业自动化软件之一，以它的可靠性和灵活性著名。在工业的广泛范围中使用CitectSCADA，可以依靠更高的扩展性，可靠的控制和监测系统来降低操作成本，改进产量和产品质量。简单操作的工具和强有力的特点可以快速地配置任何大小的方案。Citect作为一个在工业自动化领域，发展和应用SCADA和HMI软件的领先者，已经有很长的历史。有能力发展强有力和可靠的工业软件，可以承受大范围操作的苛求，这已成为我们最有力的特点之一。

4.6 管理软件

Ampla是在同一个实时平台上运行的若干功能模块组成的集成套件，通过一个组态工具进行配置，还具有一个唯一的网页入口。所有模块的组态以及浏览都是在一个统一的树状分级结构中，这样对于组态多模块既方便又节省时间和工作量。这样配置方式对于使用者的学习使用也很方便，因此降低了用户对这套解决方案的总体拥有成本。套件包括如下模块：实时度量模块、生产模块、质量模块、停机管理模块、跟踪模块、维护模块、成本模块、生产计划模块、知识模块。

4.7 硬件、软件的网络架构

管理系统是用CitectSCADA通过OPC通讯读取原有数据，与新增PLC通讯读取新增仪表设备的数据，再传到PI系统中汇集，然后给监视系统(CitectSCADA)和管理系统(Ampla)，从而完成各种功能。图2为唐钢网络系统的示意图，实际要比这个复杂得多，服务器和客户端都很多。

5 实现的管理功能

5.1 数据采集系统功能

将能源数据采集进入系统，供数据监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等使用。将计算后的数据传输给ERP,MES的生产和管理系统。

5.2 综合监控系统功能

动力系统监控：对煤气、蒸汽、电力、水等动力介质进行实时监视，根据系统故障报警进行调整和分析，优化能源配置。作为能源的生产指挥控制中心，能源管理系统满足指导日常的能源生产调度，保证主体工序正常有序的生产，并在突发事件期间实施能源应急调度策略，确保能源供应的安全稳定，达到节能减排增效的目标。

工序能源消耗监控：对主体工序能源消耗实时监视，便于各主体厂及时了解本单位真实的能耗情况，及时客观地进行分析，及时调整工艺操作，提出节能降耗的技术和管理措施，提高能源管理的效率，向能源管理要效益。

5.3 基础能源管理功能

将采集的数据进行归纳、分析和整理，结合生产计划的数据，进行能源管理工作，包括能源实绩分析管理、能源质量管理、能源平衡管理、能源预测分析等。

5.4 强化能源调度功能

能源调度可以通过系统迅速从全局的角度了解系统的运行状况等，实时掌握系统运行情况、及时采取调度措施，使系统尽可能运行在最佳状态，在出现故障时，及时采取相应措施，并调整能源介质平衡，限制故障范围的进一步扩大，有效恢复系统的正常运行，将事故造成的损失降到最低。

5.5 能源预测功能

在掌握了一定量的能源历史信息的基础上，可以逐步建立有效能源预测功能，为调度人员提供预案。

6 结论

系统通过对4万点的数据采集，可以管理唐钢5个分厂(炼铁厂，一钢轧厂，二钢轧厂，冷轧薄板厂，动力厂)范围内从原料到最终产品过程中产品的工序能耗、各批次能源消耗。监视系统中所有数据均来源现场仪表计量的数据，应用信息技术将分散在全公司的动力单位统一到一体化的监视平台上，实现了对能源介质消耗的监视，为能源调度、管理提供了强大的支持，提升了能源调度管理水平，实现公司从调度管理中要效率，从能源管理中要效益。据悉，随着该中心投入使用，唐钢可以根据实时动态数据，调配生产所需能源，实现能源全程集中可视化管理，节能减排管理再次升级。2011年吨钢能源成本将在原来已降低100元的基础上可再降50元，每年减少二氧化碳排放30多万t，实现经济效益和社会效益的双赢。在我国节能降耗大的趋势下，企业能源管理系统必能为企业带来可观的效益。

参考文献

[1]施耐德电气有限公司.Unity Pro快速入门手册(英文)[Z].2009.

[2]施耐德电气有限公司.M340选型指南[Z].2010.

分布式能源系统探析 篇10

分布式能源系统是在用户处建立的冷热电联供的能源系统, 直接面向用户, 按用户的需求就地生产并供应能量, 具有多种功能, 可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。通常受热用户距离分布所限, 一般限制距离2 k m以内, 经济距离小于1.5km。分布式能源系统的规模较小, 分散设置, 可以是几千瓦, 也可能达MW级。

分布式能源系统可包括燃气冷热电联供能源系统、可再生能源发电系统、生物质发电系统、燃料电池发电系统等。燃气冷热电联供能源系统是以一次能源—燃气如天然气为燃料, 通过燃气发电装置在生产电能的同时对外供热、供冷, 满足各类建筑物或建筑群等终端的用能需求, 实现一次能源的梯级利用, 提高能源利用效率。

有资料显示美国已有6000余座分布式能源系统。2006年一些国家分布式能源占电力市场的比例:英国为7%, 日本为14%, 印度为18%, 芬兰、德国、荷兰、捷克已达38%, 丹麦已达53%。我国北京、上海、广州等地已建设了一些分布式能源项目。

2 分布式能源冷热电负荷

分布式能源系统实行冷热电联供, 需按准确的冷热负荷确定其系统容量。系统高效运行的关键在于冷热负荷的匹配及其对能源的梯级利用规则。分布式能源系统的供冷负荷大多是夏季空调和一些需要控制温度的特殊生产工艺需求;而其热负荷主要有建筑供暖、种植和养殖环境温度控制和提供生活用热水, 前两项是季节性的, 生活热水需全年供应;在满足供冷、供热的前提下, 若生产的电力不足, 则需要从主电力系统中补充, 若有盈余也可输送给主电力系统, 平衡调度。

3 燃气冷热电联供分布式能源系统的主要形式

系统及设备配置方案的制定需考虑系统规模不同、终端用户负荷波动变化情况和使用要求的不同以及所在地区的具体条件等因素, 经技术经济比较确定。

(1) 燃气轮机发电装置—余热锅炉—抽凝式汽轮机—烟气/热水换热器—蒸汽吸收式制冷机;该系统适用于具有一定规模的区域型冷热电联供能源站, 采用重型或轻型燃气轮机, 发电能力可达50~500MW。 (2) 燃气轮机发电装置—余热直燃机—电制冷机—燃气锅炉; (3) 内燃机发电装置—热水型吸收制冷机—电制冷机—燃气锅炉; (4) 微型燃气轮机发电装置—余热直燃机。

4 冷热电联供分布式能源系统设计要点

(1) 冷热电联供分布式能源系统应本着电能自发自用、热电平衡的原则。以热、冷负荷定电, 充分利用余热, 发电能力充分发挥。发电系统的发电能力一般控制为其供热、冷范围电力负荷的20%~30%。系统的设备配置和运行模式应经技术经济比较后确定。 (2) 冷热电联供分布式能源系统宜采用电力并网的运行方式。以便于平衡调度, 当装置自身电力有所盈余时可并网发电, 当自身发电不满足自身所需时候可从电网补充。 (3) 分布式能源系统的年平均能源利用率应大于70%, 余热利用率应大于60%。 (4) 当发电余热不能满足设计冷、热负荷时, 应设置补充冷、热能调节补充设备, 如吸收式冷、热水机组、压缩式冷水机组、热泵、锅炉等。条件允许时, 应采用蓄冷、蓄热装置, 以达到调峰节能、减缓系统负荷冲击的目的。 (5) 主机 (燃气轮机或燃气内燃机) 余热利用常采用以下几种基本形式:

主机余热经余热锅炉或换热器产生蒸汽或热水。蒸汽、热水直接利用或进人吸收式冷、热水机组制冷、供热;主机余热直接进人余热吸收式冷、热水机组制冷、供热;主机各部分余热分别利用, 烟气进人余热吸收式冷、热水机组制冷、供热。冷却水进人换热器供热水。条件许可时, 应采用热泵机组及设置蓄热 (冷) 装置。当热负荷主要为空调制冷、供热负荷时, 余热利用设备宜采用吸收式冷、热水机组, 直接利用烟气和高温水热量。当热负荷主要为蒸汽或热水负荷时, 余热利用设备宜采用余热锅炉, 将发电余热转化为蒸汽或热水再利用。

(6) 分布式能源系统发电设备可采用小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气内燃机。当发电机组孤网运行或兼作备用电源时, 发电机组数量不宜小于2台。孤网运行时应考虑备用措施。 (7) 应采取措施降低系统的废气排放浓度, 满足环境保护排放要求。

5 分布式能源系统的能源利用效率和环境保护效益

燃煤纯凝汽式电厂平均热效率约为34%, 最高热效率可达50%, 热电联产机组的热效率根据热负荷情况可有不同程度的提高;大型燃气—蒸汽联合循环供热机组, 在充分供热的情况下, 其热效率可达70%~80%;分布式能源系统按冷热电联供, 在满足供冷供热负荷要求的基础上发电的原则设计, 匹配终端热负荷及温度要求, 实施热能梯级利用的原则, 其总体能源利用效率可达70%~90%, 分布式能源系统最高能源利用效率可达95%。

6 结语

分布式能源系统是清洁能源的良好载体, 主要采用天然气, 辅以合适的可再生能源, 其环境保护效率比燃用天然气的燃气—蒸汽联合循环的供热机组更好。近年来得到广泛的应用和发展。是将来资源综合利用的必然途径之一。

参考文献

[1]隋军, 金红光, 林汝谋, 徐建中.分布式供能及其系统集成[J].科技导报, 2007.

能源系统 篇11

摘 要：文章提出了一个基于高校能源管理系统的设计方案，使用一种应用于能源管理系统数据采集接口的以太网控制器，以C8051F340、Windows操作系统的PC机、AD7755电量采集模块构建能源管理系统的物理架构。采用C51语言和C#进行编程，利用TCP协议实现上位机和下位机之间的通信，完成数据采集及发送。该系统解决手工抄表效率低下的问题，将数据存储、管理和利用，对数据进行有效的监测与分析，改变用能不可见、不可控的现状，降低能耗成本，响应国家节能的政策要求等具有一定的实用价值。

关键词：C8051F340；以太控制器；数据采集；能源管理系统

中图分类号：F206 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0056-03

近年来，高校扩大办学规模、校园师生数量上升，教学设施增加，加速了能源的消耗。高等院校作为社会的重要组成部分，要积极抑制能源的不合理增长。贯彻落实科学发展观，加强资源节约型、环境友好型校园的建设，节约不必要的校园开支、提高办学的效益，为学校可持续发展奠定基础，这就需要利用能源管理系统对将能源数据采集、存储、管理和利用，改变用能不可见、不可控的现状、降低能耗成本。以往人工进行抄表工作，不仅耗费时间长，还不能及时有效地对数据进行分析，加上手工录入数据效率低下、正确率也受影响，统计报表问题自然是一项大工程，仅凭人力监管已经不能满足当下的需求。随着互联网的普及与应用、网络逐步趋向智能化，高校广泛应用以太网技术，本文对基于高校能源管理系统进行了设计，给出基于以太网的远程数据采集方案。

1 系统结构

1.1 系统的物理结构

运用以太网技术实现采集层与应用层层之间的数据传输，采集层由微控制器组成，微控制器通过ADE7755与电表进行连接，一个区域范围内的微控制器通过网线与交换机连接组成一个采集点，各采集点之间通过路由器连接组成以太网，在应用层的PC机通过以太网连接核心路由，通过核心路由与微控制器进行通信，实现数据采集。物理结构如图1所示。

1.2 系统逻辑结构

本系统的电量数据由数据采集结点通过以太网与应用层的的PC机进行通信，将数据传输到PC机上，PC机将数据存储到数据库服务器上。

用户使用查询等需要使用到数据的功能时，再经PC机从数据库服务器读取数据。系统的数据流向如图2所示，本系统设计了一个采集接口，完成了数据采集的功能。

2 采集层硬件选择

2.1 CP2200以太网控制器

CP2200由Silicon Laboratories公司开发的以太网控制器，性能较好，集成了IEE802.3以太网媒体访问控制器、10 Base-T物理层，片内具有2 KB的发送缓存和4 KB的接收FIFO。

FLASH存储器容量为8 KB，用作非易失性存储器，其最后6个存储单元存放工厂预编程的唯一48位MAC地址8位并行接口可以工作再复用或非复用方式，支持Intel及Motorola两种总线方式（由MO-TEN位选择），有多种中断源，连接/活动LED指示，上电复位，I/O口均耐5 V电压。

2.2 C8051F340微控制器

Silicon Laboratories公司推出的这款完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核，自带64 KB的FLASH ROM，256+K字节的RAM和外部并口数据存储器XRAM，最重要的是因为主要是为TCP/IP协议族的嵌入提供了较大的数据处理空间和稳定性。

2.3 AD7755

AD7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。AD7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。

所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。

电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围，因而选用它。

3 AD7755与微控制器接口

使用CF高频输出，频率设置为2048（F1，F2）。这要求设置高频（SCF=0和S0=S1=1），见表1。

当满度交流信号添加到模拟输入端的时候，CF输出频率可在5.6 kHz之间波动。方案可以数字化输出频率，实现平均作用如图3所示。

如图所示，频率输出CF端接到MCU的计度器或端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定：

平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间；

在一个积分周期内消耗的电能为：

电能=平均功率×积分时间=（脉冲个数/积分时间）×积分时间=脉冲个数。

4 软件设计

4.1 下位机软件设计

在初始化的时候进行IP的设置和子网掩码的设置

微控制器通过接收脉冲个数计算用电量，以两个脉冲为0.001度，通过void read_DL_input（void）函数进行换算。

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用基于.net framework 4.0框架，C#语言开发，利用TCP传输协议，采用Socket类对下位机进行连接，从而产生通信，发送采集命令得到数据的返回。将上位机作客户端，下位机作服务端，向正在监听的服务端发送命令请求，得到服务端的数据回复。如果服务端出现故障无法回复，则会记录故障的服务端IP，从而对其进行检修。

客户端采集流程如下：

①利用TcpClient的构造函数创建一个TcpClient对象；

②使用Connect方法进行连接。

③利用TcpClient对象的GetStream得到网络流，然后利用该网络流和服务器进行数据通信。

④创建线程对指定端口进行监听，对服务端发送的数据进行监听。

⑤完成采集工作的时候，发送关闭连接的指令，关闭与服务器之间的连接。

之所以选择TCP协议而不使用UDP协议为传输控制协议，综合UDP和TCP协议的优缺点，基于TCP是面向连接的、可靠的传输协议，传输的数据不丢包、能进行错误检测等优点，最终采用TCP作为数据传输协议。

主要功能模块为数据采集模块和记录查询模块，其他功能模块基于这2个模块继续拓展，主界面，如图5所示。

5 系统测试

首先，打开数据采集界面，搜索一个采集点的所有微控制器的信息，点击全选，对该采集点进行电量的采集，采集结束后，显示采集成功和失败的信息，采集界面，如图6所示。

然后，打开数据查询界面，对采集的数据进行验证，经验证，采集到的数据存储到数据库中，数据查询界面，如图7所示。

对系统采集功能进行测试，经测试，系统能够快速地完成数据采集，采集到的数据能存储到数据中。

6 总结与不足

本文设计了应用于高校能源管理系统数据采集接口的以太网控制器，解决AD7755与微控制器（MCU）接口问题，使用AD7755进行计量，解决了电量采集问题。

完成能源管理系统的构建，使用TCP/IP协议实现了数据采集的功能，完成了远程集抄，解决人工抄表带来的效率低下问题。

为能源管理后续功能的开发奠定基础，唯一的不足之处是当微控制器掉电之后，存储在微控制器本身的电量变量会初始化，这里提供两种解决方案：

①利用SD卡，将电量变量存储在SD卡中。

②使用EEPROM，只要5 min内未检测到脉冲就将电量变量存储到EEPROM中，微控制器初始化的时候在EEPROM中读取电量变量，前提是为微控制器提供外接电池，提供断电后的电源供应。

在后续研究中将考量两种解决方案，完善能源管理系统，并对报表和图表等相关功能进行后续的开发。

参考文献：

[1] 王旭东.试论高校校园能源管理网络平台之构建[J].职业教育研究，2011，（3）.

[2] 喻向阳，郭丽.基于CP2200的数据采集接口[J].化工自动化及仪表，2007，（6）.

[3] 穆丽娟，李晓明.单相复费率电子式电能表的设计[J].电子工艺技术，2007，（11）.

[4] 李剑.单相智能复费率电能表的设计与开发[D].上海：同济大学，2008.

能源系统 篇12

化石能源的大规模开采利用导致的能源枯竭及环境问题日益突出, 人类的发展面临严峻的挑战, 一方面这些传统的化石能源逐渐走向枯竭, 另一方面带来了严峻的环境问题, 这将迫使人们迅速过渡到一个全新的能源体制和工业模式。2012年, 党的十八大明确提出, 要适应国内外形势新变化, 加快经济转型;2015年, 李克强在第十二届全国人民代表大会第三次会议政府工作报告中提出, “制定‘互联网+’行动计划”, 推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合。与此同时, 面对可再生能源利用技术以及互联网技术的飞速发展, 美国著名学者杰里米×里夫金在其新著《第三次工业革命》一书中[1], 首先提出了能源互联网的愿景。能源互联网由若干个能源局域网相互连接构成。能源局域网由能量路由器、发电设备、储能设备、交直流负载组成, 可并网工作, 也可脱网独立运行。能量路由器由固态变压器和智能能量管理组成;智能能量管理根据收集的能源局域网中发电设备、储能设备和负载等信息做出能量控制决策, 然后将控制指令发送给固态变压器执行, 即智能能量管理控制信息流, 固态变压器控制能量流。为保证能源互联网的可靠安全工作, 能源局域网的上一级母线具有智能故障管理功能, 提供能源互联网故障的实时检测, 快速隔离等功能。

电力体制改革和售电侧放开后, 社会能源消费模式和电网运行模式都将发生深刻变化:电网公司方面, 其盈利模式发生变化, 逐步转为公用事业, 对电网的控制模式从传统的发电侧管理逐步转向需求侧管理;即将成立的售电公司盈利模式将由传统的售电盈利模式向提供综合能源利用服务盈利模式转变;用户方面从传统不用管电网到主动参与电力需求侧管理方面转变。这一切的转变发生在能源互联网背景下, 使得开展面向能源互联网的配网侧/需求侧综合能源管理研究具有重要意义。

能源互联网本身具有四大特征[1]:1) 以可再生能源为主要一次能源;2) 支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入;3) 基于互联网技术实现广域能源共享;4) 支持交通系统电气化。因此, 能源互联网是一个泛在互联、对等开放、低碳高效、多源协同、安全可靠的充满活力的研究领域[2]。利用能源互联网技术, 电网公司可实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调;实现集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变;实现信息-能源高度融合, 进而打通配电/用电大数据采集与利用的瓶颈, 真正实现电网与分布式供电设备的协调控制与优化利用。

国内外针对能源互联网的研究, 美国NSF资助了FREEDM (Future Renewable Electric Energy Delivery and Management) 研究中心, 首先提出了发展能源互联网技术的设想, 并已经开发了能源互联网的部分原型系统[3];2012年5月29日, 欧盟委员会副主席Antonio Tajani明确指出:“第三次工业革命的核心就是能源互联网�我们的2020战略使我们走在正确的道路上, 但我们现在必须加快速度�”[4];德国率先提出了“E-Energy”计划, 力图打造新型能源网络, 在整个能源供应体系中实现数字化互联及计算机控制和监测[5]。

学术研究方面, 文献[6]以分布式能源发电为基础, 构建了可以实现实时、高速、双向的电力数据读取和可再生能源接入的能源互联网系统;文献[7, 8]则分别探讨了能源互联网的关键技术和技术框架;文献[9]探讨了以能源路由器为核心交换装置的能源互联网实现模型, 从能源路由器的实现目标, 已有支撑技术和实现部署方式等方面分析了涉及的关键技术, 并给出了该领域亟需突破的研究方向。针对家庭式智能电网, 文献[10]从家庭式发电系统、电池系统、电动汽车和能量优化管理等4个方面研究了其具体实现方法;文献[11]则给出了一种基于实时电价的家庭能量管理系统 (HEMS) 家电最优调度方法, 而文献[12]则针对智能家庭能源管理提出一种可控制连接至屋顶光伏 (rooftop PV) 的住宅电池系统的HEMS, 该住宅电池系统考虑了能源负荷和光伏发电预测误差, 预测精准度则通过160户家庭住宅的真实HEMS数据进行了验证。同时, 文献[13]则通过协调调度住宅分布式电能资源来优化智慧家庭能源设备, 优化算法为粒子群算法 (particle swarm optimization, PSO) 。

当前, 电力是应用最为广泛的二次能源, 现有电网已实现电力的远距离配送, 并具备了相当规模, 随着越来越多的电动设备的成熟, 如电动汽车等, 电力资源将成为未来人们直接使用的主要能源形式, 电力网络将是未来能源互联网的主要组成部分。此外, 新能源和可再生能源开发利用面临困难, 可再生能源发电无歧视、无障碍上网问题未得到有效解决, 这是电力行业发展面临的一个亟需通过改革解决的问题。电改9号文的一个重要目标, 就是要提高综合能源利用水平。基于此, 本文设计一种基于能源互联网的能源USB (Universal Service Bus) 系统方案, 实现光伏接入、风机接入、电动汽车充电站接入及工商业居民用户接入。所设计的能源USB系统充分利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调, 可最终完成集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变, 实现信息-能源高度融合, 进而打通配电/用电大数据采集与利用的瓶颈, 真正实现电网与分布式供用电设备的协调控制与优化利用。

1 能源USB系统的功能要求

能源USB系统的功能是支持各类分布式设备的即插即用, 是能源互联网的最关键技术组件之一。能源USB是支持各类分布式设备和电动汽车接入的统一接口平台。此外, 能源USB还支持与各类用电信息采集终端 (智能电表、智能插座、环境传感器等) 的通信。除了识别分布式设备的类型与身份外, 能源USB还应具有数据汇总、数据中转等功能。此外, 能源USB有较强的可扩展性, 可以支持与各类智能用电信息采集终端 (智能插座、温度传感器、湿度传感器等) 集成。能源USB还作为支持多种智能电网功能的载体工具与信息终端, 支持分布式电源, 储能设备, 智能负荷, 电动汽车等多种设备的连接;支持用户侧管理, 削峰填谷, 平抑可再生能源的间歇性, 分布式控制通讯等功能;从而支持相关系统能源的最优化运行, 有效地提高系统供电服务的可靠性。

结合文献[14]对广域内海量分布式设备接入配电网的协调控制研究, 能源USB和各类分布式设备的连接示意图如下图1所示, 当分布式设备接入能源USB时, 能源USB一方面可和分布式设备实现双向的能量交互, 完成相关的切断、连通电路等功能, 另一方面, 可和分布式设备交互信息, 实现设备识别、命令上传下达等功能。

能源USB和上级电源节点则通过各种通信方式 (包括WIFI、Zig Bee、3G、蓝牙等) 联网, 由于分布式设备和能源USB的连接关系是最基础的信息, 因此, 结合能源USB本身的连接关系, 可以方便地掌握所有的分布式设备的电气拓扑关系, 并实现对分布式设备的管理。因此, 能源USB系统的功能描述为:各类分布式设备和电动汽车接入的统一接口平台;与各类用电信息采集终端 (智能电表、智能插座、环境传感器等) 通信;完成分布式设备的身份识别, 数据汇总、数据中转等;可扩展性强, 与各类智能用电信息采集终端集成;作为支持多种智能电网功能的载体工具与信息终端;支持需求侧管理、削峰填谷、平抑可再生能源的波动、分布式控制与通讯等功能。

2 能源USB系统结构设计

2.1 拓扑结构设计

能源USB系统不是简单的一个设备, 而是一套多层分级的、实现能量流和信息流互联的系统。能源USB按面向的对象可分为分布式能源设备接入的能源USB设备, 以及商业、居民用户接入的能源USB设备。

分布式能源设备接入的能源USB设备包括光伏接入的能源USB设备、风机接入的能源USB设备、充电桩接入的能源USB设备、储能接入的能源USB设备。这四类能源USB的功能主要是实现分布式能源设备的即插即用, 并实现设备和电网之间能量流、信息流的互联。

商业、居民用户接入的能源USB设备不是单一的一款设备, 根据使用需要, 商业、居民用户接入的能源USB设备应该看作是一套多级分层的硬件系统, 由能源USB插座、能源USB入户集中器、能源USB楼层集中器、能源USB楼宇集中器组成。主要实现电网和商业、居民用户之间能量流、信息流的互联。

整个能源USB系统的拓扑结构设计如下图2所示。

2.2 主要功能组件

以图2所示的能源USB系统拓扑结构以最高配置的楼宇为例, 即单栋楼宇内同时具有光伏、风机、充电桩、储能等分布式能源设备, 在各楼层中也有一定数量的普通居民用户, 基于图2, 能源USB系统的结构主要包括:

(1) 光伏接入、风机接入、充电桩接入、储能接入的能源USB——分布式能源设备接入的能源USB设备, 实现分布式能源设备的即插即用, 实现设备和电网之间能量流、信息流的互联, 可以对分布式能源设备进行连续控制。

(2) 能源USB插座——商业、居民用户接入的能源USB系统的最底层装置, 实现对插座所接入的用电设备的监控以及开断。

数据采集:采集所接用电设备的单相电压、电流、功率、电能等数据, 使中央处理单元能够识别不同插座的负荷数据, 提高用电数据分析准确度, 为智能用电管理提供依据。

上行通讯:采用Zig Bee与“能源USB入户集中器”通讯, 入户集中器作为Server节点/中心节点, 插座作为Device节点/终端节点。

下行通讯:采用专用低压载波通讯 (距离短、速率高、载波信号只到插座) 与智能家电通讯 (具备载波通信能力的家用电器) 。

(3) 能源USB入户集中器——商业、居民用户接入的能源USB系统的核心部件。具有单相数据采集、通讯功能、用户界面功能, 内置高级算法对用户用电行为进行本地分析。

数据采集:采集用户单相电压、电流、功率、电能等数据。

上行通讯:采用低压载波与“能源USB楼层集中器”通讯 (作为Device节点) 。

下行通讯:采用Zig Bee与能源USB插座通讯, 入户集中器作为Server节点/中心节点, 插座作为Device节点/终端节点。

用户界面:采用彩色高清显示屏和按键完成信息显示和用电策略设置等

(4) 能源USB楼层集中器——商业、居民用户接入的能源USB系统的系统层级集中器, 具有单相数据采集功能、通讯功能。

数据采集:采集一栋楼宇的单相电压、电流、功率、电能等数据。

上行通讯:采用Zig Bee与“能源USB楼宇集中器”通讯 (其中楼层集中器作为Device节点/终端节点) 。

下行通讯:主要采用低压载波通讯与安装于用户的“能源USB入户集中器”通讯, 其中楼层集中器作为Server节点, 入户集中器作为Device节点。

(5) 能源USB楼宇集中器——商业、居民用户接入的能源USB系统的楼宇级集中器, 具有单相数据采集功能、通讯功能。

数据采集:采集每栋楼宇的单相电压、电流、功率、电能等数据。

上行通讯:采用以太网通过交换机与电网公司通讯。

下行通讯:采用Zig Bee与“能源USB楼层集中器”通讯, 其中楼宇集中器作为Server节点/中心节点, 楼层集中器作为Device节点/终端节点。

2.3 能源USB应用场景

可设想一种能源USB的应用方案的拓扑结构如下图3所示, 其中, 示范工程可选在某市生态城, 安装户数不少于70户, 通过能源USB统一处理器:经4G/以太网与示范点、分布式设备及用电数据分析软件平台进行上行通信, 方便地掌握所有的分布式设备的身份与电气拓扑关系, 实现对分布式设备的精细化管理;利用ARM嵌入式系统和加密技术等与配电自动化系统、计量系统进行数据共享;同时, 经WIFI、Zigbee和低压载波等与移动终端、智能电表等进行下行通信。

同时, 我们设想的能源USB几个可能的应用场景包括:

1) 用电设备的识别及差异化计费:以电动汽车为例, 当电动汽车的充电头插入充电桩等具备能源USB功能的设备时, 系统可自动识别电动汽车的编号, 汽车型号、电池等重要信息, 并实现自动扣费等功能。此外, 对于分布式电源与储能等可能向系统倒送能源的设备, 能源USB也可以在识别出设备身份的基础上, 自动完成计费功能。

2) 中小型工商业用户及智能楼宇的能量监测与控制:对于接入能源USB的各种用电设备, 能源USB可以收集设备级的详细用电信息, 并向上级系统汇总报送。在必要时, 能源USB也可以根据上级系统的控制信号, 对接入的设备进行远程开断。

3) 小型配电系统的精细化负荷预测与建模:若在一个小型配电系统内广泛安装能源USB, 可以在后台大数据分析系统的支持下, 利用能源USB采集的设备信息与电气拓扑信息, 实现精细化的负荷预测与负荷建模。

4) 小型配电系统的削峰填谷:大量能源USB也可以在后台分布式设备协调控制系统的支持下, 通过控制用电设备, 实现削峰填谷与抑制系统内可再生能源间歇性的目的。

3 能源USB硬件设备

能源USB硬件设备, 可采集家庭用户用电数据信息, 对用户用电行为和用电能效进行分析, 建立用电优化控制策略。能源USB设备是基于能源互联网的一种智能终端接口, 可实现各种分布式发/用电设备的即插即用以及分布式设备与电网进行信息和能量的双重流通。能源USB作为实现各种分布式设备即插即用的统一接口, 这里提到的即插即用有两层含义:一是作为分布式电源、分布式储能、电动汽车、可控负荷等各类分布式设备的电气接口;二是兼容多种常见的通信协议, 如电力载波、Zig Bee、Wi Fi、3G等, 支持各种用电设备与电网进行信息的双向流通。

3.1 设备种类

(1) 风机接入的能源USB硬件装置

风机接入的能源USB硬件装置应能智能识别接入的风机特性, 可支持风机的即插即用。除此之外, 还内置电气参数测量模块, 可以对接入的风机各电气量进行实时检测, 如当前输出总功率、功率因数、发电量、输出电压、输出电流等。此外, 能源USB还兼有电能质量检测的能力, 可以检测风机输出的电压谐波和电流谐波。除了电气量, 能源USB还可以采集安装地点周围的环境信息, 如温湿度、烟雾颗粒浓度等。

风机接入的能源USB硬件装置除了能够完成一系列电气信息和环境信息的测量, 还具有兼容各种不同的通信协议的能力, 视各种通信协议的应用范围、数据率、有效传输距离等因素, 考虑在电力载波、Zig Bee等协议中选择。

(2) 充电桩接入的能源USB硬件装置

充电桩接入的能源USB硬件装置可以智能识别接入的电动汽车充电桩的特性, 对电动汽车充电桩的各种电气信息进行实时监测, 如当前输出总功率、功率因数、用电量、输出电压、输出电流、电压谐波、电流谐波等。除了电气量, 能源USB还可以采集安装地点周围的环境信息, 如温湿度、烟雾颗粒浓度等。

充电桩接入的能源USB硬件装置除了能够完成一系列电气信息的测量, 还具有兼容各种不同的通信协议的能力, 视各种通信协议的应用范围、数据率、有效传输距离等因素, 考虑在电力载波、Zig Bee等协议中选择。

(3) 储能接入的能源USB硬件装置

储能系统接入的能源USB硬件装置应能支持风机的即插即用。除此之外, 内置的电气参数测量模块可以对接入的储能系统各电气量进行实时的检测, 如当前剩余储电量、当前输出/输入总功率、功率因数、输出/输入电压、输出/输入电流、电压谐波、电流谐波等。除了电气量, 能源USB还可以采集安装地点周围的环境信息, 如温湿度、烟雾颗粒浓度等。

储能系统接入的能源USB硬件装置除了能够完成一系列电气信息和环境信息的测量, 还具有兼容各种不同的通信协议的能力, 视各种通信协议的应用范围、数据率、有效传输距离等因素, 考虑在电力载波、Zig Bee等协议中选择。由于储能系统位于室内, 可以考虑兼容Wi Fi通信协议。

(4) 商业、居民用户接入的能源USB硬件装置

商业、居民用户接入的能源USB硬件装置除了可支持用电设备与电网进行信息和能量的双向流通, 还可对接入的用电设备进行实时的用电检测, 此外, 商业、居民用户接入的能源USB装置还需要对用户环境数据如环境温度、湿度、空气质量等影响用户用电行为的环境数据进行采集, 所获得的用电信息和环境信息可通过互联网实时上传至电力数据云用于支持高效的互动化策略的实施;利用专门的算法对用户信息进行数据挖掘以获得用户用电习惯、用电设备的特性等信息, 并配合用户能源管理系统, 从而获得更佳的用户用电体验。

商业、居民用户接入的能源USB硬件装置还具有兼容各种不同的通信协议的能力, 视各种通信协议的应用范围、数据率、有效传输距离等因素, 考虑在电力载波、Zig Bee等协议中选择。考虑到商业、居民室内一般有Wi Fi覆盖, 商业、居民用户接入的能源USB装置也可以考虑兼容Wi Fi通信协议。

3.2 硬件设计方案

能源USB硬件装置需要完成一系列的计算任务, 包括各种电量和环境量的采集, 谐波测量需要快速傅里叶变换 (FFT) 、支持载波和Zig Bee通信, 同时能实现与用户的智能交互等功能。考虑到成本、功耗与计算能力的平衡, 能源USB硬件装置可采用DSP芯片与ARM芯片结合的双处理器架构。

DSP芯片可采用美国TI公司的TMS320F28335芯片, 既负责电量和环境量的采集, 也负责进行上行通信和下行通信, 还包括对电器进行操作控制。

ARM芯片拟采用ARM920T, 配合LCD高清触摸屏, 负责提供友好界面, 与用户进行交互, 同时内置高级算法可以对用电行为信息进行本地分析, 为用户提供多种优化的用电策略选择。

DSP芯片与ARM芯片结合的双处理器架构, 其总体的原理设计框图如图4所示。

能源USB硬件设计方案, 按照功能划分为多个区域, 分别是DSP及其电源电路、信号采集及放大电路、隔离电路、电力载波通信及电源电路、按键及ARM电路、Zig Bee通信模块、继电器模块、传感器模块、储存与时钟模块等。

其中, DSP及其电源电路是核心区域, DSP采用TMS320F28335芯片, 具有150MHz的高速处理能力, 具备高性能的32位浮点处理单元, 与作用相当的32位定点技术相比, 快速傅里叶变换 (FFT) 等复杂计算算法采用浮点技术后性能提升了一倍之多[15,16,17]。以专用的电源芯片TPS73HD301及滤波电容组成其电源电路, 保证运行的稳定性。

信号采集及放大电路拟采用电阻分压测量电压信号, 分压比例为1000:1, 拟采用精密的锰铜合金为电流信号的采样电阻 (R001) , 采样后的电压电流信号经放大器进行放大后由AD7606数据采集芯片进行模数转换, AD7606是一款16位、8通道同步采样, 内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器, 单电源供电, 可以处理±10V真双极性输入信号的芯片, 所有通道的最高采样吞吐速率达200k SPS, 可对输入的电压电流信号进行高精度采样。如图5所示为电气测量原理框图。

隔离电路采用ADu M7642磁耦合隔离芯片, 负责将信号采集及放大电路和其他数字电路进行隔离, 保证了低压数字电路的安全性。

电力载波通信及电源电路、Zig Bee通信模块分别负责能源USB装置之间的低压电力线载波通信和Zig Bee通信。载波通信模块ZPLC-10内置隔离电路, 通过自恢复保险丝和压敏电阻直接接到火线和零线上, 与DSP之间通过串行通信 (SCI) 进行通信;Zig Bee通信模块DRF1605H与DSP之间同样通过串行通信 (SCI) 进行通信;能源USB装置并联接入电力线中, 通过LD12-20B12电源模块将220V交流电转换成12V直流电, 为能源USB内各器件供电。需要注意的是, 为避免载波信号通过电源模块耦合到低压数字电路产生干扰, 电源模块的220V输入侧需串联一个共轭电感以滤去高频载波信号。

传感器模块包括温湿度传感器AM2302以及空气质量传感器MQ135。温湿度传感器AM2302内部包含一个电容式感湿器件和一个NTC测温元件, 并与一个高性能8位单片机相连接, 无需模数转换直接数字输出, 具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高等优点, 其湿度分辨率达0.1%RH, 25℃下精度为±2%, 温度分辨率为0.1℃, 精度为±0.5℃。空气质量传感器MQ135输出为模拟电压量, 输出电压值随浓度增加而增加, 浓度越高电压越高, 对氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体具有很高的灵敏度, 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性, 测量量程为10~1000ppm。

按键与ARM模块主要用于与用户进行交互, 按键主要扩展调试、复位、开关机等操作, 外接的ARM模块采用ARM920T, 配合LCD高清触摸屏, 负责提供友好界面, 与用户进行交互, 同时内置高级算法可以对用电行为信息进行本地分析, 为用户提供多种优化的用电策略选择。

扩展的储存芯片采用AT24C64, 主要用于扩展DSP的储存容量, 可以本地储存大量用户的用电信息, 便于随时调取。能源USB内置时钟芯片采用DS1302, 在无法联网获取时间的情况下, 配合储存芯片详细记录用户用电的时间信息, 便于分析用电特征。

采用ARM芯片设计出基于DSP与嵌入式Android系统, 采用复杂嵌入式ARM架构芯片, 并嵌入Android操作系统和地图, 可实现复杂参数输入、触屏式界面操作、互联网访问和数据传输和位置地理信息显示, 实时通讯等强大的功能, 硬件设计方案中ARM芯片型号为ARM920T, 其嵌入式架构设计如图6所示。

该架构以ARM920T芯片为核心, 在设计中, 芯片外部搭载了LCD触屏显示部分、3G部分、WIFI部分、SD卡存储部分、Flash闪存、电源部分、USB接口部分、SPI总线接口、JTAG接口部分、串行RS232、RS485接口部分, 搭建起一个稳定、功能齐全的嵌入式控制系统。芯片外部通过异步传输标准接口RS232串口在底层直接与DSP芯片链接, 实现ARM芯片与DSP的信息交互。

4 能源USB软件系统

软件系统平台主要包括数据监测与用电行为分析模块、分布式设备优化控制模块、电能质量与能效分析模块和用户信息管理与信息发布模块, 如图7所示为能源USB软件平台设计示意图。

(1) 数据监测与用电行为分析模块

该模块结合能源USB高频度采集的用户用电数据 (分钟级或更高) , 在后台云端对数据进行存储和处理, 分别于配电侧交互界面生成实时数据监测图线以及于用户侧应用程序生成简单的个人用电数据统计图表。同时通过对采集到的用电数据进行挖掘, 旨在分析得到典型的用电行为模式, 为负荷优化调控作数据支撑。

平台采用Spark框架技术实现能源互联网大数据的云存储及数据分析, 主要涉及分布式并行数据库技术、大数据传输和存储技术、数据挖掘技术、云计算技术等。目前Spark大数据计算平台已衍生出众多子项目, 伯克利大学将整个Spark生态系统统称为伯克利数据分析栈 (Berkeley Data Analytics Stack, 简称BDAS) 。

(2) 分布式设备优化控制模块

分布式设备优化控制模块主要包括对分布式新能源发电的优化控制、对充电设备 (如电动汽车) 和储能装置的优化控制、对用电设备的智能用电优化控制每个控制模块都有特定的理论算法进行嵌套。大致来说, 可分为智能用电优化控制和发电优化控制两部分。

智能用电优化控制部分需要配合电力市场机制推动, 在分时电价乃至实时电价的基础上, 由用户自主选定用电模式, 包括节省电费模式、节省电量模式、响应中断模式等, 分别对应不同程度的用户同意可调负荷给予电网公司的调度控制权限。具体的智能用电互动响应流程如下图8所示。其中, 执行控制命令的可调负荷由用户设定, 调控时间在系统大量统计归纳和智能学习得到各种用户的用电行为习惯后, 可自行判定各可调负荷对应的可控时间区段, 并安排日前调控计划和实时调控策略。前面通过海量数据挖掘分析所得的用户行为习惯, 即是应用于该模块的智能调控决策中, 决策命令反馈给用户侧的能源USB装置, 通过能源USB完成控制命令。在形成用户行为习惯之前, 暂由用户自行设定各负荷的可控时段并由用户端APP程序提交系统以供调控计划依据。

软件的优化控制算法采用Matlab编写, 并利用“Java+Matlab”混合编程实现算法的调用。软件根据对能源USB数据的实时采集及合理预测, 即可利用动态优化性能高、收敛速度快、全局收敛性较强的智能优化算法进行自动地模型求解, 并发布实时最优控制策略。其中, 智能优化算法主要包含以下几种:

(1) MGSO:随着基于“发现者—搜索者”模型的群搜索优化算法 (group search optimizer, GSO) 的提出, 该算法已被验证在高维多模态优化问题上具有较高效率从而显示其广阔的应用前景[18,19,20]。在此基础上, 将其扩展至帕累托优化领域进一步研究一种新型多群组协同学习搜索 (multiple group search optimizer, MGSO) 优化算法, 并应用于多目标动态优化问题。

(2) TOPSIS-Q (λ) [21]:为解决快速、随机的多目标动态优化问题, 把快速的改进TOPSIS多目标决策方法与具有随机优化能力的多步回溯Q (λ) 算法相结合, 研究一种多目标强化学习方法——TOPSIS-Q (λ) 算法, 并用于主动负荷的实时动态控制问题。

(3) TRL[22,23,24,25]:为解决传统优化算法缺乏对历史优化任务信息的利用问题, 将多主体协同概念、强化学习、迁移学习进行高度地有机融合, 提出一种全新的迁移强化学习方法 (transfer reinforcement learning, TRL) , 并用于主动负荷的快速动态优化问题。

(3) 电能质量与能效分析模块

该模块旨在利用采集的能源USB用电数据进行电能质量分析与能效分析。

电能质量分析包括了谐波分析、电压偏差分析和三相不平衡等, 并按照相应的国家标准进行评估。谐波分析主要是对设备和线路的电压和电流进行检测, 并利用快速傅里叶变换 (FFT) 计算出电压电流的基波分量和各次谐波分量, 并进行分析计算出谐波损耗。电压偏差反映的是电压偏移系统额定值的情况, 是电能质量的一项重要的指标。三相不平衡会导致零序电流过大和中性点偏移, 从而使设备的运行损耗增加, 造成了很多的能源浪费。

软件平台采用层次分析法进行能效分析, 层次分析法的基本步骤为:

a) 建立层次结构模型。在深入分析实际问题的基础上, 将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次, 同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响, 同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。

b) 构造成对比较阵。从层次结构模型的第二层开始, 对于从属于 (或影响) 上一层每个因素的同一层诸因素, 用成对比较法和1~9比较尺度构造成对比较阵, 直到最下层, 从而构造成对比较阵。

c) 计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量, 利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过, 特征向量 (归一化后) 即为权向量;若不通过, 需重新构造成对比较阵。

d) 计算组合权向量并做组合一致性检验。计算最下层对目标的组合权向量, 并根据公式做组合一致性检验, 若检验通过, 则可按照组合权向量表示的结果进行决策, 否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率较大的成对比较阵。

能效评估流程如下图9所示。

(4) 用户信息管理与信息发布模块

软件采用My SQL数据库技术对用户信息进行管理, 并利用Socket通信技术实现与用户客户端的通信以及信息发布功能。

用户信息包括用户账户信息和设备信息。设备信息包括设备名称, 设备所属类型、设备对应插座节点信息。在能源互联网中, 分布式设备包括分布式能源、储能设备、可控负荷等。电源设备类型目前分为可控型电源和负荷设备类型目前分为核心负荷、调节型负荷、转移型负荷和短时中断负荷几类。设备对应节点信息拓扑结构可为智能用电优化调度提供网络结构信息。同时, 软件能够利用Socket通信技术发布电网的安全用电告警信息、停电信息、高峰预警信息、电费账单信息和用电优化的节能效益统计信息等。

(5) 基于云平台的用户互动系统

安装于手持移动设备的用户互动系统客户端APP是基于云平台的应用程序, 也就是说应用本身是作为前端数据展示和用户交互用, 后台计算和数据存储功能是置于云服务器端后台执行的。图10所示为用户互动系统APP的主界面, 其包含了设备管理、电气监测、电能质量、统计信息、用电模式、能效评估六个模块。

5 结论

本文基于能源互联网背景下, 设计了一种基于能源互联网基础理论的能源USB系统, 包括能源USB硬件设备和软件系统平台, 给出了相应的设计方案。其中, 能源USB硬件设备除了实现分布式光伏、风机、储能、充电桩等设备即插即用之外, 还可以对接入的用电设备进行实时的用电监测;此外其还具备本地数据分析的能力, 利用专门的算法对用户信息进行数据挖掘已获得用户用电习惯、用电设备的特性等信息, 并配合用户能源管理系统, 从而获得更佳的用户用电体验。软件系统平台则以Java基础, 通过调用Matlab计算引擎, 实现高效快速的用电信息数据挖掘和协调优化求解, 同时结合My SQL数据库技术, 满足软件平台对后台数据的读取和存储要求。

所设计的能源USB系统提供了常见分布式设备的统一识别与即插即用接口, 支持常见无线通信协议, 对用户能源的一体化管理和控制, 完成对电网与用户的实时互动以及对需求侧各种能源的统一调控。系统充分利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调, 可最终实现集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。通过完善的硬件设备及软件系统平台的技术支撑, 实现信息-能源高度融合, 进而打通配电/用电大数据采集与利用的瓶颈, 真正实现电网与分布式供用电设备的协调控制与优化利用。

摘要：在能源互联网的背景下, 需重点关注配网侧/需求侧综合能源管理, 基于此, 设计一种基于能源互联网的能源USB (UniversalServiceBus) 系统方案, 实现光伏接入、风机接入、电动汽车充电站接入及工商业居民用户接入。设计了能源USB系统的拓扑结构, 并给出了能源USB的总体硬件设计方案和软件技术方案。硬件方案以基于DSP的智能用电控制器为核心, 称为能源USB设备, 包括DSP及其电源电路、信号采集及放大电路、隔离电路、电力载波通信及电源电路、按键及ARM电路、Zig Bee通信模块、继电器模块、传感器模块、储存与时钟模块等。设计的能源USB系统方案可采集海量用户用电数据, 实现分布式设备的即插即用, 对于“互联网+”背景下新型配网侧/需求侧综合能源管理系统的建设具有一定的参考价值和借鉴意义。