專利名稱：泛能網(wǎng)的系統(tǒng)能效控制器及控制方法以及終端設(shè)備的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及實現(xiàn)能源優(yōu)化利用的系統(tǒng)能效控制器及系統(tǒng)控制方法，具體地，涉及用于實現(xiàn)分布式能源的優(yōu)化利用的泛能網(wǎng)中使用的系統(tǒng)能效控制器及系統(tǒng)控制方法。
背景技術(shù)：
提高能源的綜合利用效率是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的關(guān)鍵之一。通過將現(xiàn)有電力網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)電能生產(chǎn)、傳輸和利用的智能化。智能電網(wǎng)的基本特征是在技術(shù)上要實現(xiàn)信息化、自動化、互動化。我國學(xué)者武建東提出的互動電力網(wǎng)是在開放和互聯(lián)的信息模式基礎(chǔ)上，通過加載系統(tǒng)數(shù)字設(shè)備和升級電力網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電、輸電、供電、 用電、客戶售電、電力網(wǎng)分級調(diào)度、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)全流程的智能化、信息化、分級化互動管理。然而，國家電網(wǎng)的智能電網(wǎng)技術(shù)僅僅是單一針對電能的信息化技術(shù)。IBM在2008年提出了 “智慧地球”和“云計算”的方案。智慧地球也稱為智能地球，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成所謂“物聯(lián)網(wǎng)”，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。“智慧地球”的實質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)整合，“云計算”在最頂層提供了一定的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。IBM的智慧地球雖然實現(xiàn)了物與物的連接，但該方案缺乏對能源系統(tǒng)綜合的優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制，從而不能完全實現(xiàn)用戶所期望的經(jīng)濟利益和社會效益。此外，該方案完全依賴于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋率。而且，該方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平、龐大而復(fù)雜，無法根據(jù)用戶需求改變系統(tǒng)規(guī)模以及實現(xiàn)靈活而健壯的組網(wǎng)優(yōu)化。因此，本申請人在中國專利申請201010173519. 1和201010173433. 9中提出了泛
能網(wǎng)的方案，以實現(xiàn)各種能源和物質(zhì)的智能化和信息化，以及多能源(多種類型的能源和/ 或來自多個地理位置的能源)的耦合利用、管理和交易服務(wù)，其全文內(nèi)容以引用方式結(jié)合在本文中。泛能網(wǎng)基于系統(tǒng)能效技術(shù)，通過能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的能量和信息的耦合，形成能量輸入和輸出跨時域地域的實時協(xié)同，實現(xiàn)系統(tǒng)全生命周期的最優(yōu)化和能量的增效。能效控制系統(tǒng)對各能量流進行供需轉(zhuǎn)換匹配，梯級利用、時空優(yōu)化、以達到系統(tǒng)能效最大化，最終輸出一種自組織的高度有序的高效智能能源。然而，仍然需要提供定義出各個網(wǎng)路節(jié)點的功能定義和協(xié)同方式的系統(tǒng)能效控制器及系統(tǒng)控制方法，以便容易地實現(xiàn)穩(wěn)定而靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于實現(xiàn)分布式能源的優(yōu)化利用的泛能網(wǎng)中使用的系統(tǒng)能效控制器及系統(tǒng)控制方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于泛能網(wǎng)的系統(tǒng)能效控制器，包括控制決策模塊；存儲模塊，與控制決策模塊相連接，用于存儲系統(tǒng)運行過程中的臨時和永久信息數(shù)據(jù)； 電源時鐘模塊，與控制決策模塊相連接，用于提供內(nèi)部時鐘，并實現(xiàn)控制器上多個處理器的定時同步；內(nèi)部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與多個終端設(shè)備的控制實施單元之間的雙向通信；以及外部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與上層的局域優(yōu)化器之間的雙向通信，其中所述多個終端設(shè)備包括能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種系統(tǒng)能效控制器執(zhí)行的控制方法，包括以下步驟a)根據(jù)預(yù)設(shè)的時間/事件驅(qū)動原則建立/更新四環(huán)節(jié)模型；b)通過外部通信通道，從上層的局域優(yōu)化器讀取廣域控制層和局域優(yōu)化層的決策 fn息；c)通過內(nèi)部通信通道，收集轄區(qū)內(nèi)的能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的傳感器信息；d)根據(jù)四環(huán)節(jié)模型以及接收的決策信息和傳感器信息進行系統(tǒng)優(yōu)化；e)根據(jù)四環(huán)節(jié)模型以及接收的決策信息和傳感器信息進行能效的增益；f)通過內(nèi)部通信通道，向能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備下發(fā)控制 fn息；g)判斷是否是合適的上報運行信息時機；h)如果是合適的上報運行信息時機，則通過泛能控制層的外部通信通道，向局域優(yōu)化器上報運行信息；i)判斷是否是合適的系統(tǒng)模型更新時機；j)如果是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則重復(fù)步驟a) _i)；以及k)如果不是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則重復(fù)步驟b)_j)。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備執(zhí)行的控制方法，包括以下步驟a)通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，從系統(tǒng)能效控制器讀取相應(yīng)的終端設(shè)備的控制信息；b)收集相應(yīng)的終端設(shè)備的本地傳感信息和運行信息，并將收集的信息暫存在本地的存儲器中；c)根據(jù)讀取的控制信息，控制相應(yīng)的終端設(shè)備的運行參數(shù)；d)判斷是否是合適的上報運行信息時機；e)如果是合適的上報運行信息時機，則通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，向系統(tǒng)能效控制器上報系統(tǒng)運行信息；f)重復(fù)步驟 a)_e)。該系統(tǒng)能效控制器通過分層信息交互的方式實現(xiàn)分布式底層控制，一方面可以及時跟蹤上層優(yōu)化信息，調(diào)整控制策略；另一方面通過模型不斷更新保證控制目標的準確性。 此外，分布式底層控制方案有利于控制動作的快速、清晰和準確，降低通信帶寬的要求；而運行信息的及時上報則便于上層網(wǎng)絡(luò)及時掌握子系統(tǒng)運行狀況，以便實施進一步優(yōu)化。利用本發(fā)明的系統(tǒng)效控制器及系統(tǒng)控制方法，可以在現(xiàn)有的科技水平的基礎(chǔ)上構(gòu)建分層架構(gòu)的廣域泛能網(wǎng)。在這種分層架構(gòu)的廣域泛能網(wǎng)中，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)同工作，在各自范圍內(nèi)實現(xiàn)能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的控制、優(yōu)化和協(xié)調(diào)，從而獲得最優(yōu)的系統(tǒng)能效。還可以方便快捷地構(gòu)建一個緊湊的局域泛能網(wǎng)，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用、再生各個環(huán)節(jié)的空域和時域綜合優(yōu)化，提高能源利用效率，降低成本和消耗，以獲得最大的系統(tǒng)能效。


圖1示意性地示出泛能網(wǎng)的能量子網(wǎng)絡(luò)。圖2示意性地示出泛能網(wǎng)的物質(zhì)子網(wǎng)絡(luò)。圖3示意性地示出泛能網(wǎng)的信息子網(wǎng)絡(luò)。圖4示意性地示出整個泛能網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)。圖5示意性地示出泛能網(wǎng)的分層架構(gòu)的實例，其中系統(tǒng)能效控制器與終端設(shè)備和上層的局域優(yōu)化器進行通信。圖6示意性地示出系統(tǒng)能效控制器的控制方法的流程圖。圖7示意性地示出終端設(shè)備的控制方法的流程圖。圖8示意性地示出系統(tǒng)能效控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式首先，對本申請中使用的術(shù)語說明如下“系統(tǒng)能效”在系統(tǒng)中能源利用的效率或效果，包括一組如熱效率、電效率、(火用exergy)效率等衡量系統(tǒng)對能源品位和數(shù)量利用效果的參量。系統(tǒng)能效改善的重要方面是能源供需品位和數(shù)量的匹配，是對人類產(chǎn)能和用能方式的改善?！胺耗芫W(wǎng)”泛能網(wǎng)包括以傳輸泛能流的虛擬管道互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)連接在一起的節(jié)點，在節(jié)點之間雙向傳輸泛能流。節(jié)點包括系統(tǒng)能效控制器，以及連接至系統(tǒng)能效控制器的其他節(jié)點、能源生產(chǎn)裝置、能源儲存裝置、能源應(yīng)用裝置和能源再生裝置中的至少一個。其中，系統(tǒng)能效控制器控制其他節(jié)點、能源生產(chǎn)裝置、能源儲存裝置、能源應(yīng)用裝置和能源再生裝置的至少一個的泛能流的輸入和輸出，泛能流包括能量流、物質(zhì)流、信息流相互耦合協(xié)同而形成的邏輯智能流?！胺耗芸刂茖印蔽挥诜耗芫W(wǎng)的最底層，以一個基本的能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)為控制對象。控制層接收來自于上層的優(yōu)化指令，綜合各種本地實時信息對各種能源設(shè)備進行控制，實現(xiàn)控制范圍內(nèi)能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)子系統(tǒng)的能效最優(yōu)， 并將子系統(tǒng)運行信息反饋給上層?！熬钟騼?yōu)化層”:位于泛能網(wǎng)的中間層，位于控制層之上。對一個區(qū)域內(nèi)多個能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)子系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化。局域優(yōu)化層接收兩個方向的消息內(nèi)部接收轄區(qū)內(nèi)的各個能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)子系統(tǒng)的運行信息；外部接收更高層的協(xié)調(diào)規(guī)劃信息。局域優(yōu)化層綜合這些信息，基于某種優(yōu)化策略產(chǎn)生優(yōu)化信息，并發(fā)送給每個能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)子系統(tǒng)，同時將局域運行信息發(fā)送給更高層?！皬V域協(xié)調(diào)層”位于泛能網(wǎng)的最高層，接收來自于局域優(yōu)化層的信息，借助云計算、云優(yōu)化等手段對整個區(qū)域的能源運行情況進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，并將協(xié)調(diào)信息下發(fā)給下一級網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點。“終端設(shè)備”能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的各種設(shè)備和機器，包括光伏一體板、真空集熱器、燃氣發(fā)電機、熱泵、儲冷罐、蓄電池、各種家電、微藻池等。每個設(shè)備都具備自動控制功能，能夠采集本地物理信息，可接受外部的控制命令?！跋到y(tǒng)能效控制器”泛能控制層的主控設(shè)備，行使泛能控制層的功能，根據(jù)控制范圍內(nèi)能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的各個設(shè)備的運行信息進行綜合控制，并且和上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存在雙向的泛能流交互。“局域優(yōu)化器”局域優(yōu)化層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，行使區(qū)域優(yōu)化的功能，根據(jù)區(qū)域內(nèi)部各個控制器上傳的運行信息和更高層的規(guī)劃信息，進行綜合優(yōu)化，并將區(qū)域運行信息發(fā)送給上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點?！皬V域協(xié)調(diào)器”廣域協(xié)調(diào)層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，行使廣域范圍協(xié)調(diào)規(guī)劃的功能，一般來說具備云優(yōu)化和云服務(wù)的功能。一方面根據(jù)整個區(qū)域的能源運行狀況統(tǒng)一協(xié)調(diào)，產(chǎn)生局域優(yōu)化層需要的規(guī)劃信息；并且把整個系統(tǒng)的重要運行參數(shù)備份起來，用于區(qū)域能源服務(wù)和政策規(guī)劃的參考。參見圖1，泛能網(wǎng)的能量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的能量部分，包括能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備之間能量的傳輸管線和連接設(shè)備。按照本發(fā)明，能量子網(wǎng)絡(luò)位于泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的外圍，根據(jù)能源設(shè)備之間的工藝要求實現(xiàn)連接。作為泛能流的一部分的能量流在能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備之間流動，每一個設(shè)備的能量輸出端裝有控制閥門，對輸出能量的流量、品質(zhì)、 開關(guān)時間等因素進行控制。系統(tǒng)能效控制器20不直接對這些閥門進行控制。這里給出的能量流向是一個邏輯示意圖，實際工程中要根據(jù)具體的工藝安排。參見圖2，泛能網(wǎng)的物質(zhì)子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)部分，包括能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備之間物質(zhì)的傳輸管線和連接設(shè)備。按照本發(fā)明，物質(zhì)子網(wǎng)絡(luò)位于泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的外圍，根據(jù)能源設(shè)備之間的工藝要求實現(xiàn)連接。作為泛能流的一部分的物質(zhì)流在能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備之間流動，每一個設(shè)備的物質(zhì)輸出端裝有控制閥門，對輸出物質(zhì)的流量、品質(zhì)、 開關(guān)時間等因素進行控制。系統(tǒng)能效控制器20不直接對這些閥門進行控制。這里給出的物質(zhì)流向是一個邏輯示意圖，實際工程中要根據(jù)具體的工藝安排。參見圖3，泛能網(wǎng)的信息子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的信息通信部分。按照本發(fā)明，能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備彼此之間不存在直接的信息通信通道，而是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)信息互連。信息子網(wǎng)絡(luò)位于泛能網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中央，每個設(shè)備和系統(tǒng)能效控制器20之間都存在雙向的信息通道，用于傳輸傳感信息和控制 fn息ο應(yīng)當注意，系統(tǒng)能效控制器20向終端設(shè)備發(fā)送的控制信息是在子系統(tǒng)行為層面的指令，每個設(shè)備具有自主的控制實施單元，根據(jù)自身設(shè)備模型，將來自于系統(tǒng)能效控制器的指令轉(zhuǎn)化為控制所需要的控制中斷、控制電壓、電流、步進電機驅(qū)動信號等。此外，系統(tǒng)能效控制器20與各個終端設(shè)備之間的通信方式，可以根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境而確定，要符合子系統(tǒng)工作所要求的溫度范圍、壓力變化、功耗/成本要求、工程便利性等因素。在下文中給出通信解決方案的實例。圖4示意性地示出整個泛能網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)。能量子網(wǎng)絡(luò)和物質(zhì)子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的外圍，而信息子網(wǎng)絡(luò)位于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中央。能量通道和物質(zhì)通道位于能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備之間。系統(tǒng)能效控制器20利用信息通道與能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)中的每個設(shè)備相連接，實現(xiàn)雙向信息通信，從而完成整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互連。在工作時，每個設(shè)備將自己的本地傳感信息發(fā)送給系統(tǒng)能效控制器20，系統(tǒng)能效控制器20綜合每個終端設(shè)備的運行狀況，基于系統(tǒng)能源利用效率優(yōu)化和增益算法，產(chǎn)生每個設(shè)備的控制信息并發(fā)送給每個設(shè)備，通過每個設(shè)備內(nèi)部模型轉(zhuǎn)化為控制所需的驅(qū)動信號。能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備、系統(tǒng)能效控制器20、 能量通道、物質(zhì)通道、信息通道、控制閥門等協(xié)同工作，實現(xiàn)能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的能效最優(yōu)化。系統(tǒng)能效控制器通過在各個終端設(shè)備之間構(gòu)建正反饋回路， 使得各個終端設(shè)備之間的輸出互為激勵，實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的優(yōu)化。并且，系統(tǒng)能效控制器通過引入環(huán)境勢能，使得整體效能輸出大于單個設(shè)備運行效率之和，實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的增益。圖5示意性地示出泛能網(wǎng)的分層架構(gòu)的實例，其中系統(tǒng)能效控制器20-1至20-3 與終端設(shè)備11-1、11_2、12、13、14和上層的局域優(yōu)化器30進行通信。如圖所示，泛能網(wǎng)可以分為三層，自下向上分別為泛能控制層、局域優(yōu)化層和廣域協(xié)調(diào)層(未示出)，各層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分別為系統(tǒng)能效控制器20-1至20-3、局域優(yōu)化器30 和廣域協(xié)調(diào)器(未示出)。泛能控制層實現(xiàn)能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的實時控制，以系統(tǒng)能效控制器20-1至20-3為中心，綜合子系統(tǒng)運行信息和來自上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的優(yōu)化信息， 基于局部能效最優(yōu)控制的策略，對各個設(shè)備進行控制。局域優(yōu)化層處于泛能網(wǎng)的中間，位于控制層之上，對一個區(qū)域內(nèi)多個能源位于能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)子系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化。廣域協(xié)調(diào)層位于泛能網(wǎng)的最高層，接收來自于局域優(yōu)化層的信息，借助云計算、云優(yōu)化等手段對整個區(qū)域的能源運行情況進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，并將協(xié)調(diào)信息下發(fā)給下一級網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點。在該分層架構(gòu)的實例中，通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，系統(tǒng)能效控制器20-1 與轄區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)11-1和11-2的終端設(shè)備、再生環(huán)節(jié)14的終端設(shè)備、儲存環(huán)節(jié)12的終端設(shè)備、以及應(yīng)用環(huán)節(jié)13的終端設(shè)備實現(xiàn)雙向通信，其中接收各個設(shè)備的傳感信息并發(fā)送控制信息。生產(chǎn)環(huán)節(jié)11-1的終端設(shè)備例如是發(fā)電裝置，用于產(chǎn)生電流及熱流，而生產(chǎn)環(huán)節(jié) 11-2的終端設(shè)備例如是制冷裝置，用于產(chǎn)生冷流，再生環(huán)節(jié)14的再生裝置可以再生熱流和冷流。發(fā)電裝置產(chǎn)生的電流和熱流、制冷裝置產(chǎn)生的冷流、以及再生裝置再生的熱流和冷流可以提供給儲存環(huán)節(jié)12和應(yīng)用環(huán)節(jié)13的終端裝置供其使用。
此外，各個環(huán)節(jié)的終端設(shè)備還包括自主的控制實施單元lla、llb、14a、12a和13a， 根據(jù)自身設(shè)備模型，將來自于系統(tǒng)能效控制器20-1的控制信息轉(zhuǎn)化為控制指令。內(nèi)部通信通道可以基于終端功能和工作環(huán)境等進行選擇，其中對功耗、實時性、組網(wǎng)方式、工程便利性、通信距離、通用性等方面進行綜合考慮?？捎玫耐ㄐ欧绞接蠱-Bus總線方式，有線連接。支持系統(tǒng)動態(tài)更新，通信距離較小。485等串口通信支持有線和無線連接，一種常見的串口點對點的通信方式，系統(tǒng)變更時需要重新設(shè)置，功耗較小，實際可用的傳輸距離不大于30米。ZigBee無線局域網(wǎng)，成熟的區(qū)域組網(wǎng)方式，支持網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，功耗較小，最大距離100米， 適用于家庭/小型車間。433MHz無線委員會新近開放的通信頻段，模塊技術(shù)基本成熟，功耗比Zigbee更小，傳輸距離與ZigBee接近。FTTX+EP0NFTTX(Fiber-to-the-x(FTTx)光纖接入)是一種纜線構(gòu)成中包含光纖的新型輸電線路，利用光纖進行EPON(以太無源光網(wǎng)絡(luò))的物理承載。與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性；方便的管理等等，是一種比較成熟的技術(shù)，但需要更新傳輸線路，增加光端機等信息收發(fā)設(shè)備。通過泛能控制層與局域優(yōu)化層之間的外部通信通道，多個系統(tǒng)能效控制器20-1、 20-2和20-3與上層的局域優(yōu)化器30進行雙向通信。泛能控制層和廣域協(xié)調(diào)層之間沒有直接的信息通道，而是經(jīng)由局域優(yōu)化層的局域優(yōu)化器30實現(xiàn)信息翻譯和轉(zhuǎn)發(fā)，局域優(yōu)化器30 與廣域協(xié)調(diào)器之間存在運行和規(guī)劃的交互。與內(nèi)部通信通道相比，系統(tǒng)能效控制器20與上層的局域控制器30之間的外部通信通道的傳輸距離和數(shù)據(jù)吞吐量要求較大，但功耗和頻度要求相對較小?？捎玫姆桨赣幸蕴W(wǎng)口即網(wǎng)卡接口，有無線或者有線兩種方式，通信距離和組網(wǎng)規(guī)模受hternet網(wǎng)絡(luò)的成熟度限制。GPRS/3G即基于公共移動通信網(wǎng)(PLMN:Public Land Mobile Network)的無線通信，適合于無線通信網(wǎng)絡(luò)完備而hternet網(wǎng)絡(luò)不成熟的區(qū)域。USB常用的高速串行接口，和上位機直接相連，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交互。也可以通過一些轉(zhuǎn)換口，比如網(wǎng)線/USB、PCI/USB接口板實現(xiàn)其他方式的連接。EPON高速光纖接口協(xié)議。PLC智能電網(wǎng)的信息交互方式，借助現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)，輸電線路中附加高頻的通信載波，即所謂的電力線載波(PLC)，用于交互信息。通信速率和組網(wǎng)方式靈活，前提是智能電網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)。圖6示意性地示出系統(tǒng)能效控制器的控制方法的流程圖。系統(tǒng)能效控制器20是泛能控制層的核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一方面與轄區(qū)內(nèi)的能源生產(chǎn) 11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備相連接，一起構(gòu)成泛能控制層，另一方面與上層的局域優(yōu)化器30連接，以實現(xiàn)泛能網(wǎng)控制層與局域優(yōu)化層的互連。系統(tǒng)能效控制器20的控制方法基于能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)模型，實現(xiàn)泛能控制層的控制策略。按照以下步驟執(zhí)行該控制方法在開始之后，系統(tǒng)能效控制器20根據(jù)預(yù)設(shè)的時間/事件驅(qū)動原則建立/更新四環(huán)節(jié)模型。進一步地，通過外部通信通道，系統(tǒng)能效控制器20從上層的局域優(yōu)化器30讀取廣域控制層和局域優(yōu)化層的決策信息。作為示例，從上層的局域優(yōu)化器30讀取的決策信息包括廣域的能源使用的現(xiàn)狀統(tǒng)計及預(yù)測信息、能源供應(yīng)的價格走向及政策趨勢、局域的能源供求分布信息、當前系統(tǒng)能效控制器20的轄區(qū)內(nèi)的四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的運行指導(dǎo)信息。進一步地，通過內(nèi)部通信通道，系統(tǒng)能效控制器20收集轄區(qū)內(nèi)的能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)運行的終端設(shè)備的傳感器信息。進一步地，系統(tǒng)能效控制器20根據(jù)四環(huán)節(jié)模型以及接收的決策信息和傳感器信息進行系統(tǒng)優(yōu)化和能效增益，產(chǎn)生能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的控制信息。進一步地，通過內(nèi)部通信通道，系統(tǒng)能效控制器20向能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13 與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備下發(fā)控制信息。進一步地，系統(tǒng)能效控制器20判斷是否是合適的上報運行信息時機?？梢圆捎脮r間驅(qū)動和事件驅(qū)動的混合驅(qū)動模式來判斷是否是合適的上報運行信息時機，包括以下步驟根據(jù)泛能控制層的終端設(shè)備運行的最小時間粒度，定義運行信息的上報定時器 TO ；系統(tǒng)開始運行后，定時器TO到期后，觸發(fā)中斷信號EO，并將TO清空；為任意一個設(shè)備Di輸出定義上報觸發(fā)條件Ci，即如果設(shè)備Di的運行狀況滿足條件Ci，則觸發(fā)一個中斷信號Ei，并記錄中斷信息為Ci = 1 ；上報判斷函數(shù)平時出于空閑狀態(tài)，得到中斷信號后，觸發(fā)信息上報，并記錄中斷類型。在沒有觸發(fā)時，系統(tǒng)能效控制器20和局域優(yōu)化器30、廣域協(xié)調(diào)器都處于空閑狀態(tài)。在喚醒定時中斷或者任務(wù)中斷信號的觸發(fā)時，系統(tǒng)能效控制器20和局域優(yōu)化器30、廣域協(xié)調(diào)器進行信息上報，實現(xiàn)狀態(tài)向上遷移。任務(wù)中斷可以由多個不同優(yōu)先級的子中斷構(gòu)成，低優(yōu)先級的任務(wù)在執(zhí)行過程中可以被高優(yōu)先級的任務(wù)中斷打斷，同時記錄中斷現(xiàn)場，在高優(yōu)先級任務(wù)完成后可以自動返回， 空閑狀態(tài)出于最低優(yōu)先級，主要任務(wù)是被動接受各級中斷。應(yīng)該注意的是系統(tǒng)能效控制器 20和局域優(yōu)化器30、廣域協(xié)調(diào)器的喚醒時鐘和任務(wù)中斷根據(jù)各自的工作參數(shù)分別定義，構(gòu)成各自獨立的混合驅(qū)動有限狀態(tài)機FSM。
如果是合適的上報運行信息時機，則通過泛能控制層的外部通信通道，系統(tǒng)能效控制器20向局域優(yōu)化器30上報運行信息，并且系統(tǒng)能效控制器20進一步地判斷是否是合適的系統(tǒng)模型更新時機。如果不是合適的上報運行信息時機，則直接進一步判斷是否是合適的系統(tǒng)模型更新時機。系統(tǒng)能效控制器20上報的系統(tǒng)運行信息包括生產(chǎn)設(shè)備的剩余產(chǎn)能，原材料需求，能源生產(chǎn)狀態(tài)(飽和、空閑、過載)；流通工具的順暢度，儲能現(xiàn)狀與空間；用能設(shè)備的能源消耗的數(shù)量與品質(zhì)需求，需求滿足情況；余熱、廢水、污染煙氣再生裝置運行情況良好、
閑置、過載告警等。進一步地，如果是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則系統(tǒng)能效控制器20重新建立/更新四環(huán)節(jié)模型，然后重復(fù)上述隨后的步驟。如果不是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則系統(tǒng)能效控制器20讀取上層決策信息，然后重復(fù)上述隨后的步驟。圖7示意性地示出能源生產(chǎn)11、儲存12、應(yīng)用13與再生14四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的控制方法的流程圖，例如通過圖5所示的各個終端設(shè)備的控制實施單元lla、llb、14a、12a 和13a來執(zhí)行。在開始之后，通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，控制實施單元lla、llb、14a、12a 和13a從系統(tǒng)能效控制器20讀取相應(yīng)的終端設(shè)備的控制信息。進一步地，控制實施單元11a、lib、14a、12a和13a收集相應(yīng)的終端設(shè)備的本地傳感信息和運行信息，并將收集的信息暫存在本地的存儲器中。進一步地，控制實施單元11a、lib、14a、12a和13a根據(jù)讀取的控制信息，控制相應(yīng)的終端設(shè)備的運行參數(shù)。進一步地，控制實施單元11a、lib、14a、12a和13a判斷是否是合適的上報運行信息時機。該步驟類似于系統(tǒng)能效控制器20所執(zhí)行的判斷是否是合適的上報運行信息時機的步驟，因此不再對其詳細說明。如果是合適的上報運行信息時機，則控制實施單元11a、lib、14a、12a和13a通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道向系統(tǒng)能效控制器20上報系統(tǒng)運行信息，并且進一步地通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道從系統(tǒng)能效控制器20讀取控制新的控制信息，然后重復(fù)上述隨后的步驟。如果不是合適的上報運行信息時機，則控制實施單元lla、llb、14a、Ua和13a 直接通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道從系統(tǒng)能效控制器20讀取控制新的控制信息，然后重復(fù)上述隨后的步驟。各個終端設(shè)備需要上報的運行信息可以不相同。生產(chǎn)環(huán)節(jié)的終端設(shè)備需要上報的運行信息例如包括輸出功率、輸出效率、能源品質(zhì)、原料消耗、剩余產(chǎn)能、設(shè)備運行狀況、告警信息等。儲存環(huán)節(jié)的終端設(shè)備需要上報的運行信息例如包括流通效率(單位能源完成運輸所需時間和成本)、物流交通工具閑置情況、儲存空間剩余、設(shè)備告警信息等。應(yīng)用環(huán)節(jié)的終端設(shè)備需要上報的運行信息例如包括冷、熱、電的需求數(shù)量、環(huán)境告警信息。再生環(huán)節(jié)的終端設(shè)備需要上報的運行信息例如包括余熱回收率、廢水處理負載、(X)2回收率、設(shè)備運行及告警信息等。圖8示意性地示出系統(tǒng)能效控制器20的硬件結(jié)構(gòu)框圖，用于執(zhí)行圖6所示的控制方法。該系統(tǒng)能效控制器20包括控制決策模塊21，例如ARM ；存儲模塊22，例如DDRAM， 與控制決策模塊21相連接，用于存儲系統(tǒng)運行過程中的臨時和永久信息數(shù)據(jù)；電源時鐘模塊23，與控制決策模塊21相連接，用于提供內(nèi)部時鐘，并實現(xiàn)控制器上多個處理器的定時同步；內(nèi)部通信模塊對，用于實現(xiàn)系統(tǒng)能效控制器20與各個終端設(shè)備的控制實施單元1 la、 llb、Ha、Ua和13a之間的雙向通信(即泛能控制層的內(nèi)部通信)；以及外部通信模塊25， 用于實現(xiàn)系統(tǒng)能效控制器20與上層的局域優(yōu)化器30之間的雙向通信(即泛能控制層的外部通信)?？刂茮Q策模塊21例如由ARM等處理器構(gòu)成，負責(zé)完成系統(tǒng)優(yōu)化模型的實現(xiàn)，具有實時操作系統(tǒng)，比如LiniDuThreadX等?？刂茮Q策模塊21以最小時鐘周期對系統(tǒng)運行信息進行處理，并根據(jù)系統(tǒng)模型，在定時/事件驅(qū)動下更新控制消息并下發(fā)給轄區(qū)內(nèi)的各受控設(shè)備。內(nèi)部通信模塊M可以包括多種通信方案的端口，如M-BUS端口 M_1、RS 485端口
24-2、ZigBee端口 M_3、433MHz端口 24_4、以及EPON端口 24_5，以實現(xiàn)泛能控制層的內(nèi)部通信通道，經(jīng)由該內(nèi)部通信通道收集各個終端設(shè)備的控制實施單元lla、llb、Ha、Ua和 13a的運行信息以及向其下發(fā)控制信息。外部通信模塊25可以包括多種通信方案的端口，如以太網(wǎng)端口 25-1、USB端口
25-2、GPRS/3G端口25_3、PLC端口 25-4、以及EPON端口 25-5，以實現(xiàn)泛能控制層的外部通信通道，經(jīng)由該外部通信通道，向局域控制器30上報子系統(tǒng)運行信息，并從局域控制器30 獲得針對相應(yīng)的泛能控制層的優(yōu)化信息。系統(tǒng)能效控制器20通過處理器內(nèi)部的固件實現(xiàn)策略優(yōu)化和控制命令的產(chǎn)生，當優(yōu)化策略出現(xiàn)更新或者升級，只需要重新生成版本并燒錄即可，而無須更換器件和硬件設(shè)計，因此具有很強的適應(yīng)性。盡管已經(jīng)結(jié)合特定的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當理解的是，本發(fā)明所包含的主旨并不限于這些具體的實施例。相反，本發(fā)明的主旨意在包含全部可替換、修改和等價物，這些都包含在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于泛能網(wǎng)的系統(tǒng)能效控制器，包括控制決策模塊；存儲模塊，與控制決策模塊相連接，用于存儲系統(tǒng)運行過程中的臨時和永久信息數(shù)據(jù)；電源時鐘模塊，與控制決策模塊相連接，用于提供內(nèi)部時鐘，并實現(xiàn)控制器上多個處理器的定時同步；內(nèi)部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與多個終端設(shè)備的控制實施單元之間的雙向通信；以及外部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與上層的局域優(yōu)化器之間的雙向通信， 其中所述多個終端設(shè)備包括能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備中的至少之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)能效控制器，其中系統(tǒng)能效控制器綜合各個終端設(shè)備的運行狀況，產(chǎn)生每個設(shè)備終端的控制信息并將控制信息發(fā)送給每個終端設(shè)備，每個終端設(shè)備的控制實施單元將控制信息模型轉(zhuǎn)化為控制所需的驅(qū)動信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)能效控制器，其中系統(tǒng)能效控制器通過在各個終端設(shè)備之間構(gòu)建正反饋回路而實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)能效控制器，其中系統(tǒng)能效控制器通過引入環(huán)境勢能而實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的增益。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)能效控制器，其中內(nèi)部通信模塊包括選自M-BUS端口、 RS 485端口、ZigBee端口、433MHz端口、以及EPON端口中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)能效控制器，外部通信模塊包括選自以太網(wǎng)端口、USB端口、GPRS/3G端口、PLC端口、以及EPON端口中的至少一種。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的系統(tǒng)能效控制器執(zhí)行的控制方法，包括以下步驟a)根據(jù)預(yù)設(shè)的時間/事件驅(qū)動原則建立/更新四環(huán)節(jié)模型；b)通過外部通信通道，從上層的局域優(yōu)化器讀取廣域控制層和局域優(yōu)化層的決策信息；c)通過內(nèi)部通信通道，收集轄區(qū)內(nèi)的能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的傳感器信息；d)根據(jù)四環(huán)節(jié)模型以及接收的決策信息和傳感器信息進行系統(tǒng)優(yōu)化；e)根據(jù)四環(huán)節(jié)模型以及接收的決策信息和傳感器信息進行能效的增益；f)通過內(nèi)部通信通道，向能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備下發(fā)控制信息；g)判斷是否是合適的上報運行信息時機；h)如果是合適的上報運行信息時機，則通過泛能控制層的外部通信通道，向局域優(yōu)化器上報運行信息；i)判斷是否是合適的系統(tǒng)模型更新時機；j)如果是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則重復(fù)步驟a)-i)；以及 k)如果不是合適的系統(tǒng)模型更新時機，則重復(fù)步驟b)_j)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中步驟d)包括在各個終端設(shè)備之間構(gòu)建正反饋回路，以實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的優(yōu)化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中步驟e)包括引入環(huán)境勢能，以實現(xiàn)系統(tǒng)能源利用效率的增益。
10.一種能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備執(zhí)行的控制方法，包括以下步驟a)通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，從系統(tǒng)能效控制器讀取相應(yīng)的終端設(shè)備的控制信息；b)收集相應(yīng)的終端設(shè)備的本地傳感信息和運行信息，并將收集的信息暫存在本地的存儲器中；c)根據(jù)讀取的控制信息，控制相應(yīng)的終端設(shè)備的運行參數(shù)；d)判斷是否是合適的上報運行信息時機；e)如果是合適的上報運行信息時機，則通過泛能控制層的內(nèi)部通信通道，向系統(tǒng)能效控制器上報系統(tǒng)運行信息；f)重復(fù)步驟a)-e)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在步驟e)中，上報的系統(tǒng)運行信息決定于能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備的類型。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于泛能網(wǎng)的系統(tǒng)能效控制器及控制方法、以及終端設(shè)備的控制方法，該系統(tǒng)能效控制器包括控制決策模塊；存儲模塊，與控制決策模塊相連接，用于存儲系統(tǒng)運行過程中的臨時和永久信息數(shù)據(jù)；電源時鐘模塊，與控制決策模塊相連接，用于提供內(nèi)部時鐘，并實現(xiàn)控制器上多個處理器的定時同步；內(nèi)部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與多個終端設(shè)備的控制實施單元之間的雙向通信；以及外部通信模塊，用于提供系統(tǒng)能效控制器與上層的局域優(yōu)化器之間的雙向通信，其中所述多個終端設(shè)備包括能源生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用與再生四環(huán)節(jié)的終端設(shè)備中的至少之一。該系統(tǒng)能效控制器通過分層信息交互的方式實現(xiàn)分布式底層控制，可以容易地應(yīng)用于構(gòu)建廣域泛能網(wǎng)和局域泛能網(wǎng)。
文檔編號G05B19/418GK102467121SQ20101054462
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
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