Спосіб управління електричними нагрівальними пристроями

Реферат: Спосіб управління електричними нагрівальними пристроями включає підключення електронагрівальних пристроїв до мережі електропостачання з можливістю керування роботою електронагрівальних пристроїв мережевим контролером, використовуючи температурно-часові циклограми, які представляють задані зміни температур контрольованих середовищ, і також результати порівняння поточних температур середовищ з заданими та встановленого допустимого граничного навантаження з поточним рівнем енергоспоживання керованою групою електронагрівальних пристроїв. Попередньо за допомогою введених відповідних інтелектуальних пристроїв-смартконів визначають і безперервно формують потреби в електричній електроенергії і локальні ранги пріоритетів на отримання енергії, що встановлюють на рівні початкового значення при включенні, які усереднюють як поточний рівень енергоспоживання керованої групи в процесі обміну інформацією з мережевим контролером. Результати цього усереднення за допомогою відповідного смарткона порівнюють з кожним локальним рангом пріоритету електронагрівального пристрою. Результат порівнянь використовують в прийманні рішення про децентралізоване підключення до мережі електропостачання або відключення (від неї) кожного керованого електронагрівача з урахуванням допустимих граничних навантажень останніх при умові досягнення такої рівноваги в системі, коли залишок потужності в мережі електропостачання, яка не використовується, виявляється менше потужності будь-якого з електронагрівальних пристроїв, що не підключений, а також відповідає рангу пріоритету електронагрівального пристрою, що формують у вигляді монотонної функції часу, значення якої безперервно зростає. UA 121870 U (12) UA 121870 U UA 121870 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі електроенергетики, призначена для дистанційного керування засобами комутації в мережах розподілу електричної енергії, наприклад включення або виключення струму споживачам енергії за допомогою імпульсних кодових сигналів, які передаються по мережі, і може бути використана для електроопалення споруд, індивідуальних домів і квартир та гарячого водопостачання. Відомі такі аналогічні рішення. У патенті США № 5,424,903 запропонований "інтелектуальний силовий комутатор", який являє собою спосіб та інтелектуальну силову систему для контролю та комутації електричного підключення джерела живлення до кожного з безлічі виходів, таких як компоненти персонального комп'ютера або електронного розважального обладнання. Схема перемикача підключена до релейних схем для вироблення сигналів у відповідь на команди користувача, щоб вибирати включений або вимкнений стан кожного з виходів. У патенті США № 6,741,442, заявлені спосіб та "інтелектуальна система розподілу потужності", що містить схеми керування живленням, які можуть підключати та відключати силові виходи відповідно до заданої оператором послідовності із заданими затримками. Схеми керування живленням додатково можуть визначати струм і управляти режимом електроживлення на підставі виміряного електричного струму. Недоліком відомих рішень є задана наперед послідовність і час затримки перемикання силових виходів, до яких приєднані нагрівальні пристрої. При випадковому характері змін рівня обмеження використовуваної електричної потужності це призводить або до недовикористання лімітованої потужності, що, в свою чергу, призводить до недостатнього нагріву контрольованих середовищ або до перевищення її ліміту, що за умовами експлуатації контрольованого об'єкта неприпустимо. Найбільш близьким до рішення, яке заявляється, (прототип) є патент RU 2249287 С2, Н02J13/00, G05D23/19. "Спосіб управління групою електронагрівальних пристроїв", за яким здійснюється підключення до електромережі електронагрівальних пристроїв за допомогою локального блока управління, який забезпечує можливість двопозиційного управління роботою електронагрівальних пристроїв з використанням температурно-часових циклограм, для реалізації яких у кожний контрольований момент часу здійснюється опитування усіх термовимірювальних приладів та вимірювання електричної потужності контрольованої електромережі. Спосіб здійснює двопозиційне температурно-часове управління наступним чином: на контрольованому інтервалі часу блок управління опитує всі термовимірювальні пристрої. Якщо результат порівняння вимірювання із заданими значеннями негативний, то на наступному інтервалі часу відключають всі нагрівальні пристрої. При позитивному результаті порівняння починають включати почергово нагрівальні пристрої по мірі зменшення відхилень температури від заданих значень. Цей процес супроводжується вимірюванням електричної потужності контрольованої мережі. Якщо на деякому інтервалі часу потужність перевищує допустиме значення, то на наступному інтервалі здійснюється відключення нагрівальних пристроїв у такій послідовності, що першими відключаються електронагрівачі в тих зонах, температура яких найбільше перевищує або найменше відрізняється від заданого значення. Недоліком даного рішення є централізоване управління групою електронагрівальних пристроїв, які включаються та виключаються при досягненні заданих централізовано температур контрольованих середовищ. Це не дозволяє повною мірою вирішити проблему автоматичного розподілу електричної енергії між електричними нагрівачами, які забезпечують заданий розподіл температур в контрольованих зонах обігріву при максимально повному використанні електричної потужності, рівень обмеження якої випадковим чином змінюється у часі. По-перше, при двопозиційному централізованому регулюванні температури декількох контрольованих середовищ (два та більше) з використанням у зворотному зв'язку як команди на переключення нагрівачів температур самих середовищ при обмеженні допустимої електричної потужності на рівні, меншому, ніж сумарна встановлена потужність нагрівачів, можливі або великі коливання температур середовищ, або регулярні перевищення допустимої електричної потужності на контрольованому інтервалі часу, оскільки в законі керування використовується значення потужності, яка споживається нагрівачами всієї групи, без врахувань стану окремого нагрівача. По-друге, рішення, яке розглядається, не дозволяє використовувати як нагрівачі серійні електричні пристрої, в яких задане значення температури встановлюється децентралізовано, вбудованими в нагрівач терморегуляторами релейного типу і які не потребують окремих 1 UA 121870 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 термовимірювальних пристроїв, адаптованих для передачі даних на блок управління групою нагрівачів. По-третє, недоліком централізованого керування є неможливість підтримання температур контрольованих середовищ у автономному режимі при виході з ладу блока управління, загального для всієї групи нагрівачів. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача удосконалення способу та системи для його реалізації шляхом децентралізації автоматичного розподілу електричної енергії між електричними нагрівачами, що здійснюють двопозиційне регулювання температур в контрольованих зонах обігріву, завдяки введенню нових елементів, зв'язків між ними та нових алгоритмів роботи. Рішення, яке пропонується, забезпечує рівномірний збалансований згідно з заданими температурними циклограмами нагрів контрольованих середовищ з використанням електричної потужності, рівень обмеження якої випадковим чином змінюється у часі, без перевищень встановлених лімітів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі управління групою електричних нагрівальних пристроїв, що включає підключення електронагрівальних пристроїв до мережі електропостачання з можливістю керування роботою електронагрівальних пристроїв мережевим контролером, використовуючи температурно-часові циклограми, які представляють задані зміни температур контрольованих середовищ, і також результати порівняння поточних температур середовищ з заданими та встановленого допустимого граничного навантаження з поточним рівнем енергоспоживання керованою групою електронагрівальних пристроїв, згідно з корисною моделлю, попередньо за допомогою введених відповідних інтелектуальних пристроївсмартконів визначають і безперервно формують потреби в електричній електроенергії і локальні ранги пріоритетів на отримання енергії, що встановлюють на рівні початкового значення при включенні, які усереднюють як поточний рівень енергоспоживання керованої групи в процесі обміну інформацією з мережевим контролером, результати цього усереднення за допомогою відповідного смарткона порівнюють з кожним локальним рангом пріоритету електронагрівального пристрою, а результат порівнянь використовують в прийманні рішення про децентралізоване підключення до мережі електропостачання або відключення (від неї) кожного керованого електронагрівача з урахуванням допустимих граничних навантажень останніх за умови досягнення такої рівноваги в системі, коли залишок потужності в мережі електропостачання, яка не використовується, виявляється менше потужності будь-якого з електронагрівальних пристроїв, що не підключений, а також відповідає рангу пріоритету електронагрівального пристрою, що формують у вигляді монотонної функції часу, значення якої безперервно зростає. Спосіб, згідно з корисною моделлю, відрізняється тим, що початкове значення рангу пріоритету електронагрівального пристрою визначається за умови найменшого відхилення сталих температур в контрольованих приміщеннях від заданого розподілу температур пропорційно різниці між поточною та заданою температурами контрольованого середовища. Спосіб, згідно з корисною моделлю, відрізняється тим, що потреба в електричній потужності локального електричного нагрівального пристрою визначається шляхом розпізнавання величини його активного опору в момент часу, що передує підключенню до мережі електроживлення, а саме пристрій, підключений до мережі електропостачання, розпізнається як електронагрівальний в тому разі, коли реактивна складова його повного імпедансу відрізняється від нуля не більше, ніж на величину допустимої похибки вимірювання імпедансу. Система управління групою електричних нагрівальних пристроїв включає підключені до силової мережі ланцюги живлення відповідних електричних нагрівачів з термовимірювальними пристроями та мережевий мікропроцесорний контролер, що має блоки вимірювання струму і напруги силової мережі, і відрізняється тим, що введено процесор для підсумовування запитів на отримання електроенергії по каналу зв'язку через порт введення-виведення процесора, з яким з'єднаний першою групою входів і виходів приймач-передавач інформації по силовій мережі, а другою групою входів і виходів підключено до пристрою сполучення його з фазним і нульовим проводами силової мережі та з введеними інтелектуальними пристроямисмартконами, кожен з яких має модуль вимірювання сили струму, а перший порт введеннявиведення дискретних сигналів процесора підключено до першої групи входів і виходів приймача-передавача інформації по силовій мережі, друга група входів і виходів якого підключена через пристрій сполучення до фазного і нульового проводів силової мережі, при тому другий порт введення-виведення дискретних сигналів процесора підключений до блока розпізнавання навантаження. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де зображено: структурна схема системи децентралізованого управління електричними нагрівальними пристроями (фіг. 1), функціональні 2 UA 121870 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 схеми системи децентралізованого управління електричними нагрівальними пристроями (фіг. 2, 3) алгоритм прийняття рішення смартконом відносно підключення або відключення керованого ним нагрівача (фіг. 4), графіки зміни в часі рангів пріоритету в отриманні енергії локальними електронагрівачами (фіг. 5). Мережевий контролер 6, у складі якого є процесор 7, який містить необхідні елементи для обчислення і оперативного зберігання величини потужності, яка може бути розподілена між електронагрівачами без перевищення допустимого рівня граничного навантаження силової мережі. Процесор 7 також містить необхідні елементи для підсумовування запитів на отримання електроенергії, що надходять по каналу зв'язку через порт введення-виведення процесора. У складі центрального контролера також є блок вимірювання напруги 8 силової мережі і блок вимірювання величини струму 9, який протікає по ній. Порт введення-виведення процесора підключений до першої групи входів-виходів приймача-передавача 10, призначеного для прийому і передачі сигналів по силовій мережі. Друга група входів-виходів приймачапередавача 10 підключена до пристрою 11, який здійснює сполучення приймача-передавача 10 з фазним і нульовим проводами силової мережі. Смарткони 3, які керують підключенням до мережі електропостачання та відключенням електронагрівачів, містять процесор 14, перший аналоговий вхід якого підключено до виходу модуля вимірювання сили струму 12 в ланцюзі електронагрівача 2. Перший порт введеннявиведення дискретних сигналів процесора 14 підключено до першої групи входів і виходів приймача-передавача 15 інформації по силовій мережі, друга група входів і виходів якого підключена через пристрій сполучення 16 до фазного і нульового проводів силової мережі, а другий порт введення-виведення дискретних сигналів процесора 14 підключений до блока розпізнавання навантаження 13, вихід якого через керований процесором комутатор 17, подає тестовий сигнал на електронагрівач, а вхід контролює рівень тестового сигналу, що знімається з електронагрівача. Комутатор 10 за допомогою контактного або безконтактного вихідного пристрою замикає ланцюг подачі струму на електронагрівач 2 по команді, що надходить від процесора 14. При цьому канал подачі тестового сигналу відключається. Ланцюг подачі струму на електронагрівач 2 розмикається вбудованим терморегулятором електрообігрівача. При цьому комутатор 17 також розмикає ланцюг подачі струму на електронагрівач 2 і підключає канал подачі до нього тестового сигналу. Тестовий сигнал може подаватися двічі, спочатку на одній частоті, а потім на інший. На вході блока розпізнавання навантаження 13 його контрольована амплітуда матиме різні за величиною значення, якщо імпеданс навантаження має реактивну складову. Якщо ж навантаження активне, то амплітуди сигналів різної частоти будуть рівні один одному. Навантаження розпізнається як електронагрівач в останньому випадку. Результат цього розпізнавання використовується для блокування автоматичних відключень такого роду обладнання, як, наприклад, холодильник, комп'ютер, телевізор і т.п. Якщо ж навантаження розпізнається як електронагрівач, то шляхом порівняння величини амплітуди тестового сигналу з записаними в пам'яті смарткона 3 значеннями, розпізнається номінальна потужність електронагрівача. З метою обмеження розповсюдження високочастотного сигналу, що використовується для обміну інформацією пристроїв системи, в складі центрального контролера 6 є загороджувальний фільтр 18, включений через вимикач 19 між зовнішньою мережею живлення і мережею 5, до якої підключено електрообладнання контрольованого об'єкта. Спосіб управління групою нагрівачів здійснюється наступним чином: рішення про переключення кожного з силових виходів 1, до яких приєднані електронагрівачі 2, приймається відповідним інтелектуальним пристроєм-смартконом 3 на підставі інформації, отриманої від усіх інших смартконів 3, об'єднаних з даним в інтелектуальну мережу, а також з використанням інформації про рівень обмеження потужності контрольованого об'єкта і про поточний стан його енергоспоживання, що залежить як від сумарної потужності включених в даний момент часу електронагрівачів 2, так і від випадкової величини сумарної потужності включених в даний момент часу електроприладів 4. Це досягається тим, що смарткони 3, керуючи окремими електронагрівачами 2, обмінюючись інформацією, наприклад, по силовій мережі електропостачання 5, повідомляють мережевому контролеру 6, який веде облік споживаної електроенергії і зберігає допустимі граничні навантаження контрольованої мережі електропостачання 5, свої потреби в електричній енергії wi та ранг пріоритету в отриманні енергії λі, а мережевий контролер 6 усереднює отримані від смартконів 3 дані та повідомляє їм результати усереднення. На основі цих даних кожен смарткон 3 приймає рішення про підключення (або відключення) до мережі електропостачання відповідного електронагрівача 2, керуючись алгоритмом поведінки при розподілі електричної енергії між електронагрівальними пристроями, згідно з рангами їх пріоритетів (фіг. 4), який з одного боку забезпечує обмеження 3 UA 121870 U 5 сумарної потужності, споживаної електронагрівачами 2 на рівні, що не перевищує допустиме граничне навантаження мережі живлення нагрівачів, а з другого призводить до встановлення в системі рівноваги по типу рівноваги Неша, при якій невикористаний залишок потужності в мережі електропостачання не перевершує потужності будь-якого з непідключених електронагрівачів. Процес прийняття рішення смартконами 3 включає порівняння локального рангу пріоритету λі електронагрівача 2 з результатом усереднення локальних рангів усіх нагрівачів 10 15 20 25 30   w /  w i i i та перевірку локального рішення на адекватність наявності надлишку або недоліку електричної потужності в мережі живлення 5 електронагрівачів 2. Тільки ті смарткони 3, які відповідають вищевказаній перевірці, приймають остаточне рішення відносно підключення або відключення керованих ними електронагрівачів 2. Всі інші повертаються до процесу прийняття рішення. При цьому після прийняття остаточних рішень усіма смартконами в системі досягається рівновага по типу рівноваги Неша, при якій невикористаний залишок потужності в мережі електропостачання не перевершує потужності будь-якого з непідключених нагрівачів. Включення електронагрівача 2 відбувається по команді смарткона 3, а відключається електронагрівач 2 вбудованим терморегулятором при досягненні заданої температури. Як видно з фіг. 5, ранг пріоритету має тенденцію опинятися вище у тому електронагрівачі, який довше перебував у відключеному стані (на фіг. 5 це перший нагрівач). Цим досягається чергування їх включень і відключень, що необхідно для рівномірного розподілу енергії по всіх контрольованих середовищах. Початкове значення рангу пріоритету електронагрівача 2 може визначатися пропорційно різниці між поточною та заданою температурами контрольованого середовища. Це з одного боку сприяє мінімізації відхилення сталих температур в контрольованих середовищах від заданого розподілу температур, а з другого - не призводить до значних коливань температур середовищ, тому що при такому способі управління нагрівач переключається, не дочекавшись доки температура середовища досягне заданого значення. Спосіб забезпечує децентралізований автоматичний розподіл електричної енергії між електричними нагрівачами, що здійснюють заданий розподіл температур в контрольованих зонах обігріву при найбільш повному використанні електричної потужності, рівень обмеження якої випадковим чином змінюється у часі. Для реалізації способу запропоновано децентралізовану систему, в якій здійснюється цілеспрямована самоорганізація поведінки автоматичних пристроїв, які керують підключенням електричних нагрівачів до мережі електропостачання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 55 1. Спосіб управління електричними нагрівальними пристроями, що включає підключення електронагрівальних пристроїв до мережі електропостачання з можливістю керування роботою електронагрівальних пристроїв мережевим контролером, використовуючи температурно-часові циклограми, які представляють задані зміни температур контрольованих середовищ, і також результати порівняння поточних температур середовищ з заданими та встановленого допустимого граничного навантаження з поточним рівнем енергоспоживання керованою групою електронагрівальних пристроїв, який відрізняється тим, що попередньо за допомогою введених відповідних інтелектуальних пристроїв-смартконів визначають і безперервно формують потреби в електричній електроенергії і локальні ранги пріоритетів на отримання енергії, що встановлюють на рівні початкового значення при включенні, які усереднюють як поточний рівень енергоспоживання керованої групи в процесі обміну інформацією з мережевим контролером, результати цього усереднення за допомогою відповідного смарткону порівнюють з кожним локальним рангом пріоритету електронагрівального пристрою, а результат порівнянь використовують в прийманні рішення про децентралізоване підключення до мережі електропостачання або відключення (від неї) кожного керованого електронагрівача з урахуванням допустимих граничних навантажень останніх за умови досягнення такої рівноваги в системі, коли залишок потужності в мережі електропостачання, яка не використовується, виявляється менше потужності будь-якого з електронагрівальних пристроїв, що не підключений, а також відповідає рангу пріоритету електронагрівального пристрою, що формують у вигляді монотонної функції часу, значення якої безперервно зростає. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що початкове значення рангу пріоритету електронагрівального пристрою визначається за умови найменшого відхилення сталих температур в контрольованих приміщеннях від заданого розподілу температур пропорційно різниці між поточною та заданою температурами контрольованого середовища. 4 UA 121870 U 5 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що потреба в електричній потужності локального електричного нагрівального пристрою визначається шляхом розпізнавання величини його активного опору в момент часу, що передує підключенню до мережі електроживлення, а саме пристрій, підключений до мережі електропостачання, розпізнається як електронагрівальний в тому разі, коли реактивна складова його повного імпедансу відрізняється від нуля не більше, ніж на величину допустимої похибки вимірювання імпедансу. 5 UA 121870 U 6 UA 121870 U 7 UA 121870 U 8 UA 121870 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9