Regulace spotřeby 15' maxima - implementace algoritmů

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra měření

Diplomová práce

Regulace spotřeby 15' maxima - implementace algoritmů

Vedoucí práce: Ing. Petr Bubák

Autor práce: Bc. Petr Janků Studijní obor: Inteligentní budovy Ročník:

2012

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma "Regulace spotřeby 15' maxima implementace algoritmů" vypracoval pod vedením vedoucího diplomové práce samostatně za použití v práci uvedených pramenů a literatury. Dále prohlašuji, že tato diplomová práce nebyla využita k získání jiného nebo stejného titulu.

Datum

................................................. podpis

iii

Na tomto místě bych rád poděkoval Ing. Petru Bubákovi za vedení diplomové práce a také za jeho podporu, trpělivost, rady, inspiraci a diskuze nejen při vypracování této diplomové práce. Rovněž patří můj dík rodině a přítelkyni za podporu při studiu a tvorbu potřebného zázemí.

iv

NÁZEV: Regulace spotřeby 15' maxima - implementace algoritmů AUTOR: Bc. Petr Janků KATEDRA: Katedra měření VEDOUCÍ PRÁCE: Ing. Petr Bubák

ABSTRAKT: Diplomová práce se zabývá návrhem a realizací algoritmů pro regulaci spotřeby elektrické energie. V úvodní části je zpracován popis a důvody k regulaci spotřeby 15' maxima. Dále je provedena teoretická analýza algoritmů použitých v regulátorechspotřeby 15 minutového maxima. Praktickou částí této diplomové práce je návrh a implementace jednotlivých algoritmů v softwaru CASE Suite společnosti SAUTERAutomation spol. s r.o. Jedná se o implementaci algoritmů hladinových, kompenzačních, trendových a kombinovaných, které jsou využity v regulátoru. Dále je součástí práce návrh testů jednotlivých algoritmů včetně jejich testování, grafického zobrazení a prezentace výsledků měření. V závěru této diplomové práce jsou zhodnoceny algoritmy a možnost jejich přínosu, který v budoucnu přispěje ke snížení finančních nákladů podniků, které využívající tohoto řešení.

KLÍČOVÁ SLOVA: Regulace, spotřeba, čtvrthodinové maximum, trendový algoritmus, kombinační algoritmus

v

TITLE: Control of consumption of 15 minutes maximum - Implementation of Algorithms AUTHOR: Bc. Petr Janků DEPARTMENT: Department of measurement SUPERVISOR: Ing.PetrBubák

ABSTRACT: The thesis is about to design and implement algorithms for the control of electricity consumption. In the introductory part there is processed a description and justification for regulating ofmaximumconsumption in 15 minutes. There isalso carried out a theoretical analysis of algorithmsused to regulate consumption in 15 minutes. The practical part of this thesis is the design and implementation of algorithms in the CASE Suite software of SAUTERAutomation company. This is an implementation of the level, compensatory, tendency and combined algorithms, which are used in the controller. Further, there is a part of the thesiscontaininga creation of the testsfor the individual algorithms including their graphic display and measurement results. The conclusion contains the evaluationof the algorithms and their benefits, which in the future will contribute to the cost reduction of those enterprises using this solution.

KEYWORDS: Regulation, consumption, fifteen-minute maximum, trend algorithm, combination algorith

vi

Obsah 1.

Úvod ............................................................................................................................... 3 Proč regulovat spotřebu elektrické energie? ...................................................................... 3 Aktuální stav ...................................................................................................................... 4

2.

Princip regulace .............................................................................................................. 5 Měření výkonu a činné elektrické práce ............................................................................ 5 Měření 15-ti minutového intervalu .................................................................................... 6 Penalizace za překročení sjednaného technického maxima............................................... 6 Regulace odběru ................................................................................................................ 7 Typy ovládaných spotřebičů a způsob jejich ovládání ...................................................... 8

3.

Algoritmy regulace ....................................................................................................... 10 Hladinový algoritmus ...................................................................................................... 11 Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce .................................................... 11 Hladinový algoritmus s vyhodnocením příkonu .......................................................... 12 Kompenzační algoritmus ................................................................................................. 13 Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti ................................................................ 14 Trendový algoritmus (predikční) ..................................................................................... 15 Kombinovaný algoritmus ................................................................................................ 17 Doplňující podmínky.................................................................................................... 18

4.

Aktivní vs. pasivní regulace spotřeby .......................................................................... 20

5.

CASE Suite .................................................................................................................. 21

6.

Modulární automatizační stanice ................................................................................. 23 BACnet ............................................................................................................................ 24

7.

Návrh algoritmů v programu CASE Suite ................................................................... 25 Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce ........................................................ 25 Hladinový algoritmus s vyhodnocením výkonu .............................................................. 27 Kompenzační algoritmus ................................................................................................. 31 Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti ................................................................ 34 Trendový algoritmus ........................................................................................................ 38 Kombinovaný algoritmus ................................................................................................ 41

1

Další bloky programu: ..................................................................................................... 45 Synchronizovaný časovač ............................................................................................ 45 Blok výpočtu okamžité spotřeby .................................................................................. 54 8.

Pokyny k programu ...................................................................................................... 59

9.

Testování algoritmů...................................................................................................... 63 Ověření funkčnosti ........................................................................................................... 65 Celková spotřeba bez regulátoru .................................................................................. 66 Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce .................................................... 66 Hladinový algoritmus s vyhodnocením výkonu........................................................... 67 Kompenzační algoritmus.............................................................................................. 69 Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti ............................................................ 69 Trendový algoritmus .................................................................................................... 70 Kombinovaný algoritmus ............................................................................................. 71 Vyhodnocení algoritmů ................................................................................................... 71 Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce .................................................... 71 Hladinový algoritmus vyhodnocením výkonu ............................................................. 72 Kompenzační algoritmus.............................................................................................. 73 Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti ............................................................ 74 Trendový algoritmus .................................................................................................... 75 Kombinovaný algoritmus ............................................................................................. 75

10.

Závěr ......................................................................................................................... 76

11.

Citovaná literatura .................................................................................................... 78

12.

Seznam příloh na CD................................................................................................ 79

13.

Seznam obrázků........................................................................................................ 80

2

1. Úvod Proč regulovat spotřebu elektrické energie? Zvyšování nákladů na odběr elektrické energie v ČR i ve světě má negativní vliv na ekonomiku společností a podniků. Velké elektrárny, jaderné i tepelné, se velmi těžko regulují. Z toho plyne, že je nepříznivé, pokud dochází k velkým výkyvům v odběru. Pokud dojde při maximálním zatížení k odběrovým špičkám, může dojít k ovlivnění stability provozu distribuční sítě a změnám parametrů dodávky elektrické energie. To může vést až k odpojení celých oblastí, což se v minulosti často stávalo nejen u nás v České republice, ale i ve světě (např. událost "blackoutu" v Kalifornii, kdy v létěpřed několika lety,vlivem nedostatku výkonu způsobeného velkým odběrem klimatizačních zařízení, došlo k vypnutí elektrické energie v celém státě). Naproti tomu existují doby minimálního odběru, kdy je přebytek elektrické energie. Z výše uvedených faktů je zřejmé, že vhodným řešením této situace je regulace na straně spotřeby. Rozvodné sítě se snaží motivovat odběratele k plánovanému, plynulému a rovnoměrnému odběru elektrické energie. Pro každého odběratele je stanoveno několik tarifů, které jsou smluvně dohodnuty. Cena za odběr se v průběhu dne mění právě podle smluvených časových plánů jednotlivých tarifů. To slouží jako podklad pro dlouhodobé plánování dodávky elektrické energie dodavatelům energie. Pro "střední třídu" velkoodběratelů je požadováno dodržení rovnoměrné spotřeby v "pásmu vysokého tarifu". Tj. doba, která odpovídá ranním a odpoledním směnám většiny provozů. Sledovaný časový úsek je z provozních důvodů stanoven na 15 minut (čtvrthodinu). Za tento sledovaný úsek smí odběratel odebrat pouze takové množství elektrického příkonu, které odpovídá 15-ti minutovémumaximu (technickému maximu) sjednanému ve smlouvě s rozvodnými závody. Uvnitř intervalu může mít spotřeba (odebíraný výkon) libovolný průběh, ale celková činná práce nesmí překročit čtvrthodinové (technické) maximum. Podle (TecoInfo - firemní občasník) Dodržování smluvních hodnot ve spotřebě elektrické energie a nepřekračování odběrových diagramů 15 minutového maxima je jedním z nejdůležitějších úsporných opatření. Za nedodržení čtvrthodinového maxima je odběratel tvrdě penalizován. Každý provozovatel se snaží tyto smluvní hodnoty nepřekračovat a to buď rozložením energetické náročnosti

3

společnosti (časový plán spouštění/vypínání daných spotřebičů,...) nebo instalací vhodných regulátorů. Smyslem regulátoru je omezení výkonových špiček (a tím snížení sjednaného technického maxima a snížení měsíčních plateb za elektrickou energii) pomocí automatického odpojování spotřebičů (skupin spotřebičů) nebo omezováním jejich spotřeby (např. snížením otáček ventilátoru,...).V krajních případech

je signalizována

žádost o ruční zásah. Finanční úspory, které jsou získány vhodnou volbou a použitím kvalitního regulátoru bývají překvapivě vysoké (ročnědesítky až stovky tisíc Kč) a návratnost investice do pořízení regulátorů je obvykle v řádech měsíců. Přidanou hodnotou je soubor informací o spotřebě elektrické energie a o jejím průběhu.

Aktuální stav Tomuto tématu se věnuje několik kvalitních prací a článků. Je to především článek z časopisu ELEKTRO (12/2008) od pana Františka Majdy nazvaný "Čtvrthodinové maximum", který se zabývá obecnou problematikou regulace spotřeby elektrické energie. Dále text z občasníku TecoInfo a učební text Regulace spotřeby, kde jsou vysvětleny principy

regulace.

Všechny

zmíněné

dokumenty

jsou

dostupné

na

stránkách

www.edumat.cz. Jelikož se jedná o relativně nové odvětví v oboru regulace spotřeby elektrické energie, knižní publikace zatím nejsou k dostání (existují výjimky, např. Ročenka elektro 96, se kterou jsem neměl možnost se seznámit). Všechny tyto práce se zabývajípouze teorií. Doposud se regulátory spotřeby realizovaly jako samostatná hardwarová řešení. V posledních letech se začínají společnosti zabývající se automatizací budov zajímat o tuto problematiku. Mým cílem je vytvořit podobný regulátor spotřeby, s tím rozdílem, že řešení bude implementováno do automatizačních stanic společnosti SAUTERAutomation. Poté bude možné nabídnout regulaci spotřeby (EMAX) již jako součást řešení automatizace bez dalších obvodů. Jedná se o softwarové řešení, tudíž nebude zapotřebí další hardware. Součástí celého regulátoru (programu) bude i možnost volby typu algoritmu pro regulaci. To obnáší potřebu návrhu všech typů algoritmů.

4

2. Princip regulace Jak již bylo uvedeno, nelze dovolit libovolné odebírání činné práce v průběhu dne. Proto dodavatelé elektrické energie zavádějí měření výkonu ve sledovaných časových intervalech –15-ti minutových maximech. Tím jsou spotřebitelé nuceni odebírat elektrickou práci při menším příkonu po delší čas. To vede ke snížení okamžitého odebíraného výkonu a zároveň snížení okamžitého vyráběného výkonu v elektrárně. Poznámka: Při rovnoměrném odběru po dobu 24 hodin by byla potřeba instalovaného výkonu elektráren třetinová. I ztráty na vedení by byly menší. To je však ideální situace, která z fyziologického hlediska člověka není možná (spánek,...) [(Majda, 12/2008)].

Dodržování hodnoty smluvního technického maxima má velký vliv na ekonomiku odběratele elektrické energie. Kvalitní regulátor spotřeby elektřiny je v řadě případů schopen snížit původní hodnoty smluvního technického maxima podniku. Regulátor snímá impulsy spotřeby z impulzního elektroměru a synchronizační časové impulsy ze soustavy rozvodných závodů. Na základě jejich vyhodnocení dochází k výpočtu povolené zátěže do konce čtvrthodiny. Porovnáním tohoto údaje s nastavenými úrovněmi vypínacích hladin (zákazníkem modifikovatelná hodnota) reguluje odběr postupným vypínáním a připínáním zátěží. Regulátory umožňují výrazně snížit náklady za elektrickou energii snížením současného odběru odpínáním vybraných zátěží, odstraněním rizika penalizace za překročení sjednaných odběrů a optimalizací regulačního režimu. Dále umožňují přechod do výhodnější sazby za odběr elektrické energie. Obsahují statistické funkce a paměť hodnot, které slouží pro analýzu odběru za dané období a umožňují provést následná rozhodnutí vedoucí ke snížení a optimalizaci nákladů za elektrickou energii. Provádí se predikce vybraných odběrů, což umožňuje v předstihu reagovat na vzniklou situaci.

Měření výkonu a činné elektrické práce Regulátory nejčastěji měří činnou elektrickou práci čítáním impulsů spotřeby z elektroměrů. Množství elektrické energie je určeno součtem impulsů vynásobených konstantami elektroměru (váhou impulsu - kolik [kWh] představuje jeden impuls). Z takto získané činné el. práce můžeme vydělením délkou časového intervalu získat průměrný

5

výkon za daný časový interval. Obvykle se měří průměrný el. výkon po dobu několika desítek sekund (typický příklad - regulátor pracující na principu hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu). Nejmenší průměrný výkon lze stanovit za dobu mezi jednotlivými impulsy spotřeby. Některé regulátory používají pro práci s průměrným výkonem přímé připojení k elektroměru (připojují se fázové vodiče, nulový vodič a vývody měřících transformátorů). Impulsy spotřeby by měly minimálně jednou za konkrétní časový interval přijít. Pokud impuls nepřijde, je regulátorem tento stav vyhodnocen jako chybový a signalizuje vzniklou poruchu obsluze nebo operátorovi (porucha vzniklá například přerušením datového vodiče).

Měření 15-ti minutového intervalu Pro regulátory spotřeby je důležité, aby délka jejich intervalu, za který vyhodnocuje regulátor svoje maximum, byla stejně dlouhá, jako délka intervalu dodavatele, za který vyhodnocuje své čtvrthodinové maximum - tzn. 15 minut regulátoru musí být stejně dlouhých jako 15 minut dodavatele. Zároveň 15 minut regulátoru musí být spouštěno ve stejný okamžik, jako je spouštěno 15 minut dodavatele. Perioda 15 minut regulátoru musí být synchronní s periodou 15-ti minut dodavatele. A to i za cenu, že regulátor může zajistit přesnější měření času než dodavatel. Proto každý regulátor spotřeby přijímá synchronizační impuls pro synchronizaci vnitřního algoritmu. Dodavatel odměřuje 15 minut mechanickým časovým spínačem nebo elektronicky (možnost korigování vzdáleně po rozvodné síti - HDO). Kvalitní regulátor by měl obsahovat vlastní generátor 15-ti minut pro případ výpadku synchronizačního impulsu od dodavatele (tato porucha je dále zpracována a nahlášena jako chyba obsluze).

Penalizace za překročení sjednaného technického maxima Odběratel, který překročí nasmlouvané technické maximum během 15 minut, platí penále za překročení. Tato částka je za každou překročenou kWh podstatně větší než cena za normální kWh (obvykle je to 5x až 10x více než cena běžné kWh). Proto se někteří odběratelé proti tomu „pojistí“ proti tomuto navýšením hodnoty technického maxima tak, aby nedošlo v žádném okamžiku k překročení stanoveného technického maxima. Důležité je zmínit, že platba odběratele za elektřinu je složena ze dvou částí: platba za nasmlouvané technické maximum (hodnota v kW) a platba za odebrané kWh.

6

Např.: Cena za 1kW 15-ti minutového maxima (cena 1kW technického maxima) je 100 Kč. Technické maximum se sjedná na 50 kW. Platba za technické maximum je tedy 5000 Kč/měsíc. Cena odebrané kWh je 2 Kč, za sledovaný měsíc byl odběr 10000 kWh. Cena za odběr/měsíc je 20 000 Kč. Celková platba bude tedy 5000 + 20 000 = 25 000 Kč (z toho průměrná cena 1kWh = 2,5 Kč). Pokud odběratel překročí během 15-ti minutového intervalu technické maximum, každá kWh navíc bude zpoplatněna několikanásobně vyšší částkou než běžná kWh. Pokud si odběratel nasmlouvá technické maximum dostatečně velké a při provozu se k této hodnotě ani nepřiblíží, bude po celý rok platit každý měsíc zbytečně vysokou částku za nasmlouvané technické maximum. Ve výsledku by se mohlo stát, že platba za překročení technického maxima pouze v jednom měsíci bude nižší než platba za zbytečně vysoké nasmlouvané technické maximum po dobu 12 měsíců. Hodnota nasmlouvaného technického maxima je důležitým parametrem ve snížení celkové platby za odebranou elektrickou energii.

Regulace odběru Cílem je zajistit rovnoměrný odběr elektrické energie bez velkých výkyvů. Metody „zrovnoměrnění“ odběru: - organizace práce Tj. aby docházelo k zapínání a vypínání strojů v takovém pořadí, aby odběr byl rovnoměrný (řízeno člověkem, popř. automatizační stanicí). Dále používání některých strojů mimo ranní špičky. Dalším způsobem je odsun spouštění strojů s vyšší spotřebou do pásma po ukončení pracovní směny, kdy je odběr menší a výkonu dostatek. Tento způsob však není vždy ekonomicky vhodný, např. příplatky za přesčasy, nedostatečný počet pracovníků obsluhy,... - technické prostředky Technickými prostředky jsou myšleny regulátory 15-ti minutového (čtvrthodinového) maxima. Hlídá se odebíraný výkon a činná práce. Při přiblížení se k technickému maximu dojde k odpojení celého provozu nebo části spotřebičů podle typu algoritmu. Dochází k omezování výkonu vybraných spotřebičů.

7

- aktivní regulace spotřeby Odběr lze z "vnějšího" hlediska snížit spouštění jiných energetických zdrojů: záskokových generátorů, malých vodních elektráren, atd. uvnitř objektu podniku. V budoucnu jistě najde své uplatnění tento způsob.(dělení podle [(Učební texty - Regulace spotřeby, 2007)]) Někdy je součástí regulačního cyklu člověk. Důvody jsou spíše subjektivní (konzervatismus, nedůvěra v techniku, strach riskovat, obava o ztrátu pozice,technická závada atd.). Člověk je zařazen do ovládacího řetězce s konkrétním zaměřením na určený spotřebič nebo skupinu spotřebičů. Regulátor sdělí potřebu omezit spotřebu a odpovědná osoba může přijmout nebo odmítnou požadavek. Z tohoto způsobu plyne, že kvalita regulace bude přímo závislá na kvalifikaci obsluhující osoby, na jejích pravomocích a schopnostech rozhodovat a riskovat.

Typy ovládaných spotřebičů a způsob jejich ovládání Poměr regulovatelných spotřebičů k neregulovatelným by měl být alespoň 1:3. Čím větší bude poměr regulovatelných spotřebičů, tím lépe. Krajní udávaná hodnota je 1:4. (podle [(TecoInfo - firemní občasník)]) Spotřebiče, které jsou vhodné pro automatické odpojování/spouštění (regulaci), jsou ty, které mají dlouhou časovou konstantu, a na jejich funkčnost nemá krátkodobé odpojení žádný významný vliv. Patří sem spotřebiče typu: vzduchotechnika, klimatizace, bojlery, topné kabely, elektrické vytápění, ventilátory, kompresory, čerpadla, dopravníky atd.). Naopak spotřebiče, u kterých je nepřípustné automatické odpínání a připínání jsou např.: soustruhy, frézy, pily, výtahy, atd. U těchto spotřebičů je možné, za účasti obsluhy, ovládat jejich výkon. Např. pro velké motory není vhodné časté zapínání a vypínání, protože zapínání takových zařízení je spojené s velkou energetickou ztrátou, avšak lze snížit jejich výkon (to už záleží na konkrétním typu zařízení a na způsobu provozu - závisí na projektantovi). Způsoby ovládání spotřebičů: - Dvoupolohově (zapnout/vypnout); platí pro zařízení, u kterých není možný jiný způsob regulace, a zároveň umožňují tento způsob regulace,

8

- spojitě; například použitím frekvenčního měniče lze plynule měnit výkon ventilátorů a čerpadel, jas osvětlení, zpomalení pásového dopravníku, omezení dodávky určité suroviny, atd., - vícestupňově; odpojení části osvětlení (konkrétní sekce), odpojení části topidel ze soustavy vytápění nebo podlahového vytápění, nastavení jiné rychlosti na pásovém dopravníku, změna výkonů chladících zařízeníatd. . Vždy však existuje větší část spotřebičů, která nemůže být ovládána a ani nemůže být zahrnuta do regulačního procesu. Sem spadá především bezpečnostní osvětlení, kancelářská technika a různé spotřebiče nezahrnuté do seznamu výše. Spotřeba těchto zařízení vždy tvoří nedílnou součást celkové spotřeby a do procesu vnáší prvek náhodnosti.[(TecoInfo - firemní občasník)]

9

3. Algoritmy regulace Jedná se o komplexní sadu akcí a zásahů vedoucí k hlídání a případnému omezení spotřeby elektrické energie daného objektu (spínání/odepínání skupin spotřebičů s danou prioritou). Algoritmy jsou nespojité. Vždy je potřeba počkat určitý čas, aby došlo k projevení se předchozího zásahu. Celková spotřeba daného objektu je určena spotřebou jednotlivých hladin spotřebičů. Každé hladině odpovídá jedna skupina spotřebičů. Odpojování jednotlivých hladin spotřebičů probíhá postupně v krocích. Tato diskretizace má za následek nejen dostatek času pro vyhodnocení předchozího účinku, ale také slouží k omezení rychlého střídání aktivit jednotlivých skupin spotřebičů (omezuje časté odpojování a připojování jednotlivých skupiny). Interval pro vyhodnocení bývá řádově v desítkách sekund (běžně 30 sekund). Ale vhodně navržený algoritmus musí umožňovat změnu tohoto intervalu. Při návrhu a nastavení algoritmu se vychází z několika podmínek. Nejdůležitější je nastavení maximální spotřeby za danou periodu (typicky 15 minut - 900 sekund). Sjednané technické maximum spotřeby (sjednává se s dodavatelem elektrické energie) nesmí být nikdy překročeno.Protože je možné, že i nejkvalitnější regulátor nezajistí dodržení maxima za všech okolností, je nutné, aby regulátory pracovaly s hodnotou maximální spotřeby, která je menší než sjednané technické maximum (nutné nastavit regulátor s rezervou). To je dané délkou intervalu vyhodnocení předchozího zásahu (např. v posledním intervalu před koncem 15-ti minutové periody dojde ke spuštění nějakého spotřebiče, prudce vzroste odběr proudu a než doběhne zbytek periody, spotřeba vzroste nad nastavené maximum). Proto je nutné nastavit regulátor s rezervou. Velikost této rezervy je závislá především na charakteru odběru spotřebičů v jednotlivých hladinách a na jednotlivých typech regulátorů. S přiřazováním spotřebičů k jednotlivým hladinám souvisí i znalost technologických celků v budově/objektu. Regulátory lze rozdělit do jednotlivých kategorií: 

Regulátory spotřeby pracující na principu hladinového algoritmu;

10



regulátory spotřeby pracující na principu kompenzačního algoritmu;



regulátory spotřeby pracující na principu kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti;



regulátory spotřeby pracující na principu trendového algoritmu (tzv. předvídavý);



regulátory spotřeby kombinované, kombinující vlastnosti výše zmíněných regulátorů; (Dělení podle (Učební texty - Regulace spotřeby, 2007))

Hladinový algoritmus Téměř všechny regulátory pracují s hladinovým algoritmem jako s bezpečnostní pojistkou, kdy se po překročení maxima odpojí všechny kanály. Pro regulátory tohoto typu je typické pevné přiřazení nastavení výstupů algoritmů k jednotlivým hladinám sledované veličiny spotřeby. Např.1.výstup se aktivuje při dosažení 20% nastavené maximální spotřeby, 2.výstup se aktivuje po dosažení 40% nastavené maximální spotřeby atd. Obvykle je ovládán jeden kanál se spotřebiči, další kanály jsou určené pro výstrahu. Nicméně to není podmínkou a závisí to na určených podmínkách majitele/správce objektu a posléze na připojení výstupů regulátorů buď ke skupině spotřebičů, nebo výstražným zařízením. Rozlišujeme dva typy hladinových algoritmů: –

algoritmus s vyhodnocením činné práce

–

algoritmus s vyhodnocením výkonu

Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce Tento algoritmus vyhodnocuje činnou práci od začátku 15-ti minutového intervalu. Má pevné přiřazení rozhodujících hladin ke konkrétním úrovním sledované činné práce. Tento algoritmus se vyznačuje tím, že po odpojení hladiny zůstává tato hladina odpojená až do konce intervalu (15-ti minut). Popsaný algoritmus lze považovat za zvláštní případ dvoupolohové regulace. Hladinový algoritmus vyhodnocující odebíranou činnou elektrickou práci má statický charakter s pevným přiřazením výstupů k nastaveným rozhodovacím hladinám regulace.

11

120

kWh

Sjednané technické maximum

100

odpojení - 3.hladina odpojení - 2.hladina 80

odpojení - 6.hladina

odpojení - 1.hladina

odpojení - 5.hladina

60

odpojení - 4.hladina

40

20

0

Perioda 15 minut

K1

K2

K3

K4

K5

K6 ...

Spotřeba 15min

1.hladina - 50%

2.hladina - 60%

3.hladina - 70%

4.hladina - 80%

5.hladina - 90%

6.hladina - 100%

Technické maximum

Spotřeba 15 min

krok

Obrázek 1 - Ukázka principu hladinového algoritmu s vyhodnocením činné práce Např. Překročí-li spotřeba (činná práce [kWh]) první úroveň, je dána první výstraha (např. světelná signalizace), po překročení druhé úrovně se vyhodnotí druhá výstraha (např. akustická), na třetí úrovni se odpojí výstupní kanál. Nastavení výstupů je konstantní po celý čtvrthodinový interval, po kterém se vrací do původního stavu.

Hladinový algoritmus s vyhodnocením příkonu Aktuální průměrný výkon je u tohoto algoritmu počítán od minulého kroku. Naměřená práce během jednoho kroku je x kWh. Doba trvání jednoho kroku je např.30s. Poté se příkon získá podílem naměřené práce během jednoho kroku a dobou trvání jednoho kroku. V každém kroku se takto vypočítá příkon a porovnává se se stanovenými hladinami pro odpínání skupin spotřebičů. Tento algoritmus (s vyhodnocením příkonu) je přísnější než algoritmus s vyhodnocením práce. Používá se jako omezovač výkonu. Zatímco hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce umožňoval krátkodobě odebírat vysoký výkon, tento algoritmus to neumožňuje. Výhodou tohoto algoritmu je, že při poklesu odběru je možné odpojené spotřebiče zase zapnout.

12

120

kW

Sjednané technické maximum

100

odpojení - 4.hladina 80

odpojení - 5.hladina

odpojení - 2.hladina

odpojení - 4.hladina

60

odpojení - 3.hladina připojení - 4.hladina odpojení - 2.hladina

40

připojení - 2.hladina 20

odpojení - 1.hladina Perioda 15 minut

0

K1 K2

krok

K3 K4 K5 K6 ... Spotřeba 15min

1.hladina - 50%

2.hladina - 60%

3.hladina - 70%

4.hladina - 80%

5.hladina - 90%

6.hladina - 100%

Technické maximum

Obrázek 2 - Ukázka principu hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu Z ukázky průběhu spotřeby je zřejmé odpojování a znovu připojování skupin spotřebičů v závislosti na průběhu průměrného výkonu za dobu trvání jednoho intervalu.

Kompenzační algoritmus Činná práce se v tomto algoritmu měří od začátku periody (15 minut). Tato naměřená činná práce je porovnávána s ideálním průběhem spotřeby (lineární spotřeba). Jedná se o přímku, která v čase 0 s nulovou spotřebou, spojuje maximální spotřebu regulátoru v čase 15 minut. Činná práce, představená touto přímkou, má po celou dobu periody konstantní hodnotu příkonu (hodnota odpovídá technickému maximu). Pokud je činná práce, měřená od začátku periody, větší než činná práce daná přímkou ideálního průběhu spotřeby, omezí se spotřeba odpojením první hladiny. Pokud je spotřeba i nadále vyšší než lineární ideální spotřeba, dojde v dalším kroku k odpojení další hladiny. Pokud je odběr stále větší než ideální spotřeba, stejným způsobem se odpojují další kanály. Pokud dojde k poklesu spotřeby pod ideální spotřebu, znovu se postupně připojí předtím

13

odpojené hladiny. Připojují se zpět v pořadí, ve kterém byly odpojovány. Která hladina byla poslední odpojena, ta bude připojena první. 120

kWh

Sjednané technické maximum

100

Maximum regulátoru odpojení - 3.hladina

odpojení - 4.,5.,6.hladina

připojení -2.hladina

80

odpojení - 2.hladina

připojení - 3.hladina

60

připojení -4.hladina odpojení - 1.hladina

připojení - 5.hladina připojení - 6.hladina

40

20

Perioda 15 minut 0

K1

K2

K3

K4

K5 K6 ...

Spotřeba 15min

Technické maximum

Spotřeba 15 min

ideální spotřeba

Ideální spotřeba

Max.regulátoru

krok

Obrázek 3 - Ukázka principu kompenzačního algoritmu Při srovnání kompenzačního algoritmu a hladinového algoritmu s vyhodnocením příkonu se může zdát, že se jedná o ty samé algoritmy. Rozdíl je ten, že u hladinového algoritmu se výkon vypočítává během jednoho kroku, a u kompenzačního algoritmu se vypočítává výkon v postupně prodlužujícím se intervalu od počátku periody 15-ti minut.

Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti Tento algoritmus vychází z výše popsaného kompenzačního algoritmu. Algoritmus obsahuje dvě přímky představující "fiktivní" spotřebu - odpínací a zapínací. Odpínací přímku spotřeby získáme podobně jako přímku ideální spotřeby s tím rozdílem, že na začátku periody spotřeba určená odpínací přímkou je nenulová. S časem lineárně roste až dosáhne maximální spotřeby regulátoru na konci periody (15 minut). Podobným způsobem získáme zapínací přímku. Až do času x (několik kroků) je spotřeba určena touto přímkou

14

nulová a posléze lineárně roste až k maximální spotřebě na konci periody (15 minut). Těmito dvěma přímkami je vymezené pásmo necitlivosti. Na začátku periody je pásmo necitlivosti široké a ke konci periody se zužuje. Jednotlivé hladiny spotřebičů se odpínají na hranici pásma necitlivosti určené odpínací přímkou (odběr je větší než odběr reprezentovaný odpínací přímkou) a znovu se připojují na hranici pásma necitlivosti určené zapínací přímkou (odběr je menší než odběr reprezentovaný zapínací přímkou). Výhoda tohoto algoritmu je v lepší stabilitě. Průběh spotřeby je klidnější (nedohází k tak častým výkyvům). Další důležitou vlastností tohoto algoritmu je zajištění alespoň krátké doby běhu pro všechny hladiny spotřebičů (nejsou na začátku "čtvrthodiny" zbytečně odpojovány). 120

kWh

Sjednané technické maximum

100

Maximum regulátoru 80

odpojení - 2.hladina

odpojení - 3.hladina odpojení - 4.hladina připojení -2.hladina

odpojení - 1.hladina 60

připojení - 3.hladina 40

připojení - 4.hladina 20

Perioda 15 minut 0

K1

K2

K3

K4

K5 K6 ...

Spotřeba 15min

Technické maximum

Spotřeba 15 min

ideální spotřeba

Ideální spotřeba

Max.regulátoru

Odpínací přímka

Zapínací přímka

krok

Obrázek 4 - Ukázka principu kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti

Trendový algoritmus (predikční) O připojeni nebo odpojení výstupního kanálu (skupiny spotřebičů) se nerozhoduje podle současné spotřeby, ale podle jejího trendu. Tj. podle spotřeby na konci 15-ti minutové

15

periody, vypočítané ze současného příkonu. Vytvoří se tečna k průběhu okamžité spotřeby v daném čase a na základě této tečny se dopočítá spotřeba na konci intervalu. Existují různé varianty tohoto algoritmu, lišící se způsobem výpočtu průměrného výkonu a způsobem rozhodování. Predikční algoritmy lze hodnotit jako kvalitnější. Jako přednost se uvádí jejich předvídavý charakter a z něho plynoucí předvídavost. Přednosti trendového algoritmu se projeví pouze tehdy, pokud známe charakter odběru spotřeby v jednotlivých skupinách spotřebičů. Je-li spotřeba v kanálech těžko předvídatelná, jsou výsledky predikačních algoritmů srovnatelné s výsledky kompenzačních algoritmů. (podle lit.[ (TecoInfo - firemní občasník)]) 120

kWh

Sjednané technické maximum

Maximum regulátoru 100

6.krok - odpoj.4.hladina 80

5.krok - odpoj.3.hladina 4.krok - odpoj.2.hladina

7.krok - připoj.4.hladina

60

8.krok - připoj.3.hladina

3.krok - 1.hladina

9.krok - připoj.2.hladina 40

20

Perioda 15 minut 0

K1

K2

K3

K4

K5 K6 ...

Spotřeba 15min

Technické maximum

Spotřeba 15 min

ideální spotřeba

Ideální spotřeba

Max.regulátoru

krok

Obrázek 5 - Ukázka principu trendového algoritmu Ze zobrazeného grafu principu trendového algoritmu vyplývá, že k odpojování hladin dochází tehdy, pokud sklon přímky, která vznikla aproximací dvou hodnot spotřeb jdoucích po sobě s intervalem jednoho kroku je větší, než sklon přímky znázorňující průběh ideální spotřeby (konstantní maximální příkon). To však není pravda. Může nastat okamžik (hlavně u konce periody), kdy je spotřeba podstatně menší než činná práce 16

technického maxima. Najednou dojde k prudkému nárůstu spotřeby, což by mohlo být vyhodnoceno jako požadavek na odpojení hladiny spotřebičů, protože by sklon okamžité spotřeby v danou chvíli byl větší než sklon lineární spotřeby. Avšak spotřeba by s aktuálním trendem nedosáhla technického maxima.

Kombinovaný algoritmus Nejkvalitnější regulátory pracují obvykle s tzv. kombinovanými regulátory. Takový regulátor v sobě kombinuje vlastnosti jednotlivých, výše popsaných algoritmů. Na počátku periody je pásmo bez regulace, všechny kanály jsou povoleny (určeno pásmem necitlivosti kombinačního algoritmu). Dále je odběr regulován klasickým kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti. Ke konci periody je aktivní trendový algoritmus jako ochrana před prudkým nárůstem spotřeby. Po celou dobu je aktivní hladinový algoritmus, který slouží jako pojistka před překročením maximální spotřeby (to se může stát náhlým připojením spotřebiče s velkým proudovým odběrem ke konci čtvrthodinové periody).

17

120

kWh

Sjednané technické maximum

100

Maximum regulátoru 80

60

odpojení - 2.hladina

odpojení - 3.hladina odpojení - 4.hladina

odpojení - 1.hladina

připojení - 4.hladina připojení - 3.hladina

40

připojení - 2.hladina 20

Perioda 15 minut 0 K1

K2

K3

K4

Pásmo necitlivosti

krok

K5 K6 ...

Trendový

Kompenzační režim

Spotřeba 15min

Technické maximum

Spotřeba 15 min

ideální spotřeba

Ideální spotřeba

Max.regulátoru

Odpínací přímka

Zapínací přímka

Obrázek 6 - Ukázka principu kombinovaného algoritmu Kvalita regulátoru se projeví zejména v krizových okamžicích, v řešení limitních stavů, v promyšlenosti přechodů mezi algoritmy a v komplexnosti parametrizace.

Doplňující podmínky Vždy budou existovat podmínky, na které se bude muset myslet při návrhu a implementaci algoritmu(ů). Ať už je to doba, po kterou musí být odpojený spotřebič odpojený, nebo změna priority ve zpětném připojování jednotlivých kanálů, nebo třeba interval mezi okamžiky odpínání a zapínání. Vždy je důležité daný regulátor nastavit a přizpůsobit podmínkám tak, aby nedošlo k překročení technického maxima, ale zároveň nebyla snížena životnost některých zařízení a aby jejich odpojení nemělo vliv na hlavní činnost podniku. Pro některé velkoodběratele se vyplatí využívat tarif s několika pásmy během dne (nízký, vysoký a špičkový). V závislosti na momentálně aktivním pásmu se bude měnit velikost technického maxima (kvůli změnám v ceně). Někdy je ekonomicky zajímavější

18

zaplatit penále za nedodržení technického maxima a vytěžit z produkce možné maximum, jindy je třeba hledat optimální energetické řešení. To už závisí na managementu jednotlivých podniků a na případných tvůrcích konkrétních řešení regulací spotřeby. Řešení daného problému regulace spotřeby 15-ti minutového maxima je vždy složitý úkol a vyžaduje nejen precizní znalost regulátoru, ale také zkušenosti s činností objektu/podniku, kde bude regulátor provozován.

19

4. Aktivní vs. pasivní regulace spotřeby Dosud byla uvažována regulace spotřeby pouze jako omezování příkonu spotřebičů (pasivní regulace). Regulovat lze také aktivně např. spouštěním energetických zdrojů, záskokových generátorů (diesel agregátů), kogeneračních jednotek, vodních elektráren, fotovoltaických panelů atd.. Tato úloha je však samostatnou problematikou, která vyžaduje mnohem více znalostí, než zvládají standardní regulátory. Aktivní regulace spotřeby není zatím příliš rozšířená, ale jistě má své místo v budoucnosti regulace spotřeby. Obzvlášť pro některé velké podniky by bylo výhodné ubírat se touto cestou (především využití fotovoltaických systémů pro snižování spotřeby).

20

5. CASE Suite Jednotlivé

algoritmy byly zpracovány ve

firemním

softwaru

společnosti

SAUTER,

CASE Suite, především v části CASE Engine. Aplikace CASE Suite obsahuje všechny CASE programy (CASE Offer, CASE Builder, CASE Engine, CASE Tools). Soubor programů CASE Suite slouží pro kompletní zpracování zakázky, od

kalkulace,

přes

technické

zpracování

projektu, až po zprovoznění a údržbu. Je vhodný pro návrh systémů řízení provozu budov i pro malé instalace. Jednou zadané údaje, jako například materiál firmy Sauter nebo jiných výrobců, služby, datové body, provozní prostředky a jejich funkce, jsou k dispozici pro další zpracování ve všech aplikacích CASE Suite. Soubor aplikací CASE Suite obsahuje tyto programy: CASE Offer - Program CASE Offer slouží pro podporu prodejních aktivit. Je určen pro smysluplnou a rychlou tvorbu cenové kalkulace a nabídky. Po získání zakázky jsou data z kalkulace jsou předána k technickému zpracování projektu. CASE Builder - Program CASE Builder byl vytvořen pro racionální technické zpracování

O společnosti SAUTER: SAUTER je společnost střední velikosti. Jedná se o rodinnou společnost. Působí po celém světě s více než 1800 spolupracovníky. Výsledkem jejich práce jsou komplexní řešení pro budovy v jejich celém životním cyklu. Společnost sídlí ve Švýcarsku. Její hlavní sídlo je v Basileji, kde se soustředí výzkum, vývoj i výroba. Toto blízké uspořádání umožňuje společnosti stabilně vysokou kvalitu produktů. Historie společnosti sahá do roku 1910, kdy ji založil Fritz Sauter (výroba časových spínačů a spínacích hodin). V roce 1920 se společnost transformuje na akciovou společnost a za 5 let expanduje do Německa. Dnes má firma zastoupení ve více než 40 státech a patří k nejvýznamnějším výrobcům regulačních a řídících systémů v oblasti topení, chlazení, větrání a klimatizace. V březnu roku 1991 byla v Praze založena dceřiná společnost SAUTER Automation, která dnes nabízí výrobky z produkce firmy Fr. Sauter AG, včetně širokého spektra služeb přímo. (podle lit. [ (Sauter, 2012)])

projektu. Díky rozsáhlé knihovně lze pomocí

21

programu CASE Builder velice efektivně vytvářet podklady pro projektování a realizaci, které je možné přizpůsobit specifickým požadavkům daného projektu. CASE Engine - Pomocí editoru CASE Engine a integrovaných knihoven lze velice rychle vytvořit uživatelský program pro automatizační stanice (AS). Program CASE Engine umožní vytvářet funkční plány a parametrizovat automatizační stanice. Regulačně-technické algoritmy jsou graficky zobrazeny a tím je umožněna jejich snadná kontrola. Programování na základě normy IEC61131-3 (FBD) usnadňuje již tak jednoduché ovládání. CASE Engine umožňuje také zpracování projektu skupinou osob. Přístup do společné databáze projektu zajistí, že všichni členové skupiny mají ve stejném čase k dispozici stejné informace (simultánní zpracování). ([ (Sauter, 2012)])

22

6. Modulární automatizační stanice Pro ladění a zkoušení algoritmů jsem používal automatizační stanici ecos500, později automatizační stanici modu525, která navíc obsahovala webový server. Důležitou vlastností této řady automatizačních stanic je komunikace pomocí protokolu BACnet.

Funkční

moduly v

řadě

ecos500

a

ecos502

umožňují

energeticky

optimalizovanou regulaci jednotlivých místností, včetně ovládání světel a žaluzií, čímž zajišťují minimální spotřebu energie. Automatizační stanice slouží především pro udržování nastavených teplot, ovládání osvětlení, žaluzií a pod. Dále může být použita pro integraci zařízení od jiných výrobců pomocí komunikačního rozhraní BACnet/IP. Vlastnosti stanice ecos500: (převzato z katalogového listu) 

Součást systémové rodiny SAUTER EY-modulo 5.



Komunikace BACnet/IP (EN ISO 16484-5).



Stanice

pro

automatizaci

místností; až pro 4 místnosti, resp. 4

Obrázek 7 - ecos500

funkční osy. 

Časové programy a kalendář.



Programovaní/parametrizování pomocí PC s programem CASE Suite



Knihovna modulů pro regulaci a řízení.

Vlastnosti

stanice

modu525:

(převzato

z

katalogového listu): 

Modulární automatizační stanice.



Komunikace BACnet/IP (EN ISO 16484-5).



Integrovaný webový server.



Programování/parametrizování pomocí PC s CASE Suite (dle IEC 61131-3). Obrázek 8 - modu525 23



Knihovna modulů pro regulaci a řízení.



Časové programy a kalendář.



Záznam dat (historická databanka).

Hlavním důvodem pro využití těchto automatizačních stanic je jejich schopnost rychlého načítání dat ze vstupů (desítky ms) a přítomnost webového serveru pro zobrazení naměřených hodnot (pouze stanice modu525). (převzato z datasheetů ke stanicím).

BACnet BACnet je standardní komunikační protokol pro sítě automatizace a řízení budov (Building Automation and Control Networks) vyvinutý americkým sdružením ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) pro vytápění, větrání, řízení podmínek vzduchu, přístupové systémy, požární systémy… . Hlavním cílem bylo vytvořit protokol, který by umožňoval integraci systémů různých výrobců, primárně určených pro automatizaci budov. Bacnet SAUTER pracuje na způsobu Ethernetu. BACnet se sestává ze specifikace objektů (datových bodů) a modelu služeb, protokolu síťové vrstvy a výběru různých přenosových technologiích sítě vhodných pro různé velikosti a schopnosti systémů. Síť BACnet pro automatizaci budov může mít až 4'194'305 účastníků (Devices).

24

7. Návrh algoritmů v programu CASE Suite Při navrhování se vycházelo z již hotové samostatné karty regulace spotřeby 15' maxima společnosti SAUTER Automation. Tato karta obsahovala 6 výstupů pro odpojování skupin spotřebičů. Pro zachování kompatibility byl počet výstupů převzat do této práce.

Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce Tento algoritmus pracuje na principu porovnávání okamžité spotřeby (kWh) s rozhodovacími úrovněmi. Ty jsou zadány procentuálně a vypočítávají se z technického maximálního výkonu (po výpočtu z technické maximální činné práce). Jednotlivé kanály se odpojují po překročení dané rozhodovací úrovně okamžitou spotřebou. Odpojování se provádí vždy po časovém intervalu, který je nastaven v obvodu "Vzorkování". Tento algoritmus neumožňuje opětovné připojení odpojených kanálů (skupin spotřebičů). Algoritmus se skládá z následujících bloků: "% → desetinná", "Výpočet hladin", "Porovnání spotřeby" a "Odpoj./Připoj.".

25

Blok

"%→desetinná"

převádí

zadané

procentuální hodnoty jednotlivých hladin na desetinná čísla. Desetinné číslo určuje, jakou část z technické maximální činné práce (vypočítáno

z

technického

maxima),

představují dané rozhodovací úrovně. Tímto způsobem se získají porovnávané hladiny s přiřazenou činnou prací. S těmito úrovněmi se v následujícím bloku "Porovnání spotřeby" porovnává okamžitá spotřeba (kWh). Pokud je okamžitá spotřeba větší než první rozhodovací úroveň, nastaví se na výstupu požadavek pro odpojení 1. hladiny. Pokud je okamžitá spotřeba větší než druhá rozhodovací spotřeba, nastaví se na výstupu požadavek na odpojení 2. hladiny atd. Tímto způsobem se na výstupu v, závislosti na okamžité spotřebě, nastavují požadavky na odpojení daných hladin. V posledním bloku "Odpoj./Připoj." se provádí samotné odpojování jednotlivých hladin. Pokud je na výstupu předchozího bloku požadavek na odpojení 1. hladiny, dojde k nastavení vstupu synchronního RS klopného obvodu do logické 1. K zápisu do "paměťového modulu" RS obvodu dojde s příchodem hodinového impulsu (po dobu trvání impulsu). Tento hodinový impuls se vytváří v obvodu "Vzorkování - diskretizace". Pokud je s příchodem hodinového impulsu požadavek na odpojení první hladiny, dojde k nastavení logické 1 na výstupu prvního RS synchronního Obrázek 9 - Schéma hladinového algoritmu s vyhodnocením činné práce 26

klopného obvodu (dále jen RS KO). Pokud je na výstupu předchozího bloku požadavek na odpojení další hladiny, k nastavení vstupu "S" 2. RS KO dojde jenom tehdy, pokud je již výstup předchozího RS KO sepnut (logická 1). Pokud je logická 1 na vstupu S 2. RS KO i s příchodem hodinového impulsu, dojde k nastavení výstupu 2. RS KO na logickou 1. Tímto způsobem může dojít k odpojení až všech hladin. Tento algoritmus neumožňuje opětovné připojování skupin spotřebičů během periody. Reset se provádí s příchodem synchronizačního impulsu. Pro zaručení, že doopravdy dojde ke znovu připojení hladin spotřebičů, je synchronizační signál prodloužen blokem R_TRIG, který má po dobu 1 sekundy na výstupu logickou 1.

Obrázek 10 - Postupné odpojování/připojování hladin

Hladinový algoritmus s vyhodnocením výkonu Tento algoritmus se od předchozího liší možností opětovného připojení odpojených skupin spotřebičů. Liší se tím, že akční zásahy jsou prováděny na základě vyhodnocení okamžitého průměrného výkonu (nikoliv okamžité činné práce). To umožňuje opětovné připojování skupin spotřebičů.

27

Pozn.: Regulátory s tímto algoritmem se používají pro omezení výkonu daného objektu/části objektu, protože výkon nikdy nepřesáhne sjednané technické maximum.

Bloky "%→desetinné" a "Výpočet hladin" se chovají stejně jako ty samé bloky v hladinovém algoritmu s vyhodnocením činné práce (proto se o nich nebudu dále zmiňovat). Výše zmíněný rozdíl mezi hladinovými algoritmy je ve výpočtu průměrného výkonu za dobu periody. Ten se zde vypočítá tak, že s příchodem vzorkovacího signálu se uloží hodnota okamžité spotřeby do posuvného registru. S příchodem dalšího vzorkovacího signálu se uloží další hodnota okamžité spotřeby na původní pozici první hodnoty. První hodnota se posune na druhou pozici paměťového registru. Odečte se menší hodnota od větší hodnoty okamžitého výkonu. Výsledek této operace se vydělí dobou periody mezi jednotlivými vzorky. Takto získáme průměrný výkon za čas daný periodou vzorkovacího obvodu.

Obrázek 11 - Schéma bloku "Průměrný výkon" Poznámka: Blok A-B realizuje operaci odčítání A-B a na výstupu má rozdíl B od A.

Pro uložení vzorků slouží blok SFT_R. Tento blok je zajímavý tím, že umožňuje činnost v několika režimech a konfiguracích (to ho předurčuje k využití v různých obvodech). Obvod má tři vstupy: In, ShftEn a Offset, a až 32 výstupů + 1 výstup určující střední počtu

hodnotu z daného vzorků.

V

obvodu

výpočtu okamžité spotřeby pracuje v konfiguraci dvou vstupů, "In" a "ShftEn", a dvou výstupů. Na vstup In je Obrázek 12 - Průběh na vstupu a výstupu bloku R_TRIG 28

přivedena

okamžitá

spotřeba

(činná práce) a na vstup ShftEn je přiveden vzorkovací impuls. Po dobu co je na vstupu ShftEn logická 1 dochází k uložení vstupní hodnoty na výstup 1 a k posunu předchozího výstupu na další výstup. Abychom zajistili posun pouze o jednu pozici, je obvod

na

dovybaven

vstup blokem

ShftEn R_TRIG,

který generuje pouze pulz při výskytu logického signálu na vstupu (viz. obrázek 12).

Postupné

odpojování

a/nebo

připojování skupin spotřebičů je realizováno podobně jako u hladinového

algoritmu

s

vyhodnocením činné práce. K nastavení RS obvodu do logické 1 dojde, pokud je na vstupu S logická "1". "0" se na výstup zapíše, pokud je na vstupu R logická 1 (zápis se provádí s příchodem impulsu).

hodinového Logika

nastavení

vstupu S do logické 1 závisí na stavu vstupu S1 až S6, získaných z předchozího bloku, a na stavu výstupu předchozího klopného Obrázek 13 - Schéma hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu

29

RS obvodu (pokud je na výstupu RS KO logická 1 - může dojít k nastavení vstupu S na logickou 1). Logika pro nastavení vstupu R do logické 1 je závislá na vstupních R 1 až R6 a na stavu výstupu následujícího klopného RS obvodu (pokud je na výstupu RS KO logická 0 (výstup Qneg logická 1) - může dojít k nastavení vstupu R na logickou 1).

Obrázek 14 - Logika odpojování/připojování skupin spotřebičů 30

Kompenzační algoritmus Princip algoritmu: Porovnává se okamžitá spotřeba s ideální lineární spotřebou. V případě, že je okamžitá spotřeba větší než lineární, dojde k vyslání požadavku na odpojení hladiny spotřebičů. S příchodem vzorkovacího impulsu dojde k odpojení hladiny. Pokud je okamžitá spotřeba menší než lineární spotřeba, dojde k vyslání požadavku na znovu připojení hladin spotřebičů. Vzorkovacím impulsem dochází k postupnému odpojování / připojování skupin spotřebičů Pozn.1: První se odpojí první hladina. Pozn.2: První se připojí posledníodpojená hladina.

Lineární spotřeba se vypočítá podle rovnice přímky y=ax+q; y  ax  q kde : a  tg 

jmenovité _ max ; Perioda

xt q0

x představuje uplynulý čas.

Obrázek 15 - Schéma kompenzačního algoritmu

y je ideální rovnoměrná spotřeba (proměnná v čase), která by v čase 15 minut dosáhla spotřeby odpovídající jmenovité maximální spotřebě.

31

Výpočet lineární spotřeby v programu je realizován pomocí bloků DIV (tzv. dělička), kde je vstupní "Jmenovité maximum" vyděleno "Periodou" a výstup je vynásobený "uplynulým časem" z periody (přesně podle rovnice přímky).

Obrázek 16 - Blokové schéma výpočtu lineární spotřeby Výstup z lineární spotřeby je veden do komparátoru, kde je porovnáván s okamžitou spotřebou. Pokud je okamžitá spotřeba větší než ideální lineární spotřeba, dojde k nastavení výstupního bitu "ok. spotř.>lin. spotř." do stavu logická 1. Pokud je okamžitá spotřeba menší než lineární spotřeba, dojde k nastavení bitu NASTAV do stavu logická 1. Tyto stavy jsou dále vyhodnocovány obvodem pro nastavení odpojení / připojení hladin spotřebičů ("Odpoj./Připoj."). Blok "Odpoj./Připoj." zařizuje odpojování a připojování daných hladin podle stavu okamžité spotřeby. Jeho činnost je podobná, jako u hladinových algoritmů, s tím rozdílem, že blok má pouze 2 vstupy (NASTAV a RESET) + hodinový impuls. Pokud je na vstupu NASTAV logická 1 (okamžitá spotřeba je větší než lineární), dojde k nastavení logické 1 na vstup S klopného RS obvodu "Paměť 1". Pokud se tento stav nezmění do příchodu hodinového impulsu, zapíše se do "Paměti 1" logická 1. Tím je nastaven bit pro odpojení první hladiny (skupiny spotřebičů). Pokud je i nadále spotřeba větší než okamžitá, vstup NASTAV je stále v logické 1. Nastavení vstupu S klopného obvodu RS "Paměť 2" je svázáno podmínkou AND se vstupem NASTAV a výstupem předešlé hladiny. Pokud je na obojím nastavena logická 1, dojde k nastavení vstupu S "Pamět 2" na logickou 1. Pokud se tento stav nezmění do příchodu hodinového impulsu, dojde k zapsání logické 1 do "Pamět 2". Stejným způsobem může dojít k postupnému odpojení až všech hladin.

32

Obrázek 17 - Logika odpojování/připojování kompenzačního algoritmu Zpětné připojování skupin spotřebičů se provádí následujícím způsobem: Okamžitá spotřeba klesla pod spotřebu lineární (ideální rovnoměrnou). Vstup nastav se nastavil do logické 0 a vstup RESET se nastaví do logické 1. Jako první se znovu připojí poslední odpojená hladina (provede se nastavením vstupu R do logické 1 a s hodinovým impulsem se provede reset paměti na logickou 0). Nastavení vstupu R je svázáno podmínkou AND tak, že musí být nastaven vstup RESET do logické 1 a výstup následující hladiny nesmí být aktivní (musí být logická 0 na výstupu). Pokud je tato podmínka splněna, nastaví se vstup R bloku "Paměť" na logickou 1 a s příchodem hodinového impulsu se zapíše logická 0 na výstup "Pamět". Stejným způsobem se připojují další odpojené hladiny. Při změnách požadavků na odpojení a připojení jednotlivých hladin se vždy pokračuje v odpojování/připojování od hladiny, která byla naposledy měněna.

33

RESET NASTAV Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17

Krok

Obrázek 18 - Způsob odpojování/připojování výstupů v závislosti na vstupech NASTAV / RESET

Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti Tento algoritmus je variantou kompenzačního algoritmu. Liší se tím, že okamžitá spotřeba není porovnávána s lineární spotřebou, ale porovnává se se spotřebou podle dvou přímek (představujících spotřebu). Tyto dvě přímky vymezují pásmo necitlivosti. Horní přímka je přímka odpínací a dolní přímka je přímka zapínací. Při překročení spotřeby určenou odpínací přímkou, dojde k vyslání požadavku na odpojení hladiny spotřebičů. Poté pokud spotřeba klesne až pod spotřebu určenou zapínací přímkou, dojde k připojení dříve odpojené skupiny spotřebičů. V programu má algoritmus následující strukturu (od konce): Blok "Odpoj./Připoj." slouží k postupnému odpojování/připojování jednotlivých hladin podle předem určené logiky (nejdříve se odpojí hladina s nejnižší prioritou, poté až když je odpojena, může být odpojena další hladina atd.; nejdříve se připojí poslední odpojená hladina, další hladina se může odpojit až poté, když je hladina s vyšší prioritou již odpojená). Blok je stejný jako tentýž blok v kompenzačním algoritmu.

34

Dva

komparátory

slouží

k

porovnávání okamžité spotřeby se spotřebou zapínací

určenou

odpínací

a

přímkou.

Pokud

je

okamžitá spotřeba větší než spotřeba určená odpínací přímkou, na výstupu komparátoru se objeví logická 1, která je dále vedena na blok "Odpoj./Připoj." na vstup NASTAV. Stejným způsobem pracuje druhý komparátor.

Ten

porovnává

okamžitou spotřebu se spotřebou určenou zapínací přímkou. Pokud okamžitá

spotřeba

klesne

pod

hodnotu spotřeby určené zapínací přímkou, dojde k nastavení výstupu komparátoru do logické 1. Signál z tohoto výstupu je dále veden na blok "Odpoj./Připoj." na vstup RESET. Bloky

"Odpínací

přímka"

a

"Zapínací přímka" jsou obvody, uvnitř

kterých

se

vypočítává

teoretická spotřeba pro odpojování (Odpínací přímka) a připojování (Zapínací přímka) spotřebičů.

Obrázek 19 - Schéma kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti 35

kWh Sjednané technické maximum

Posun y' Posun y

Maximum regulátoru

Posun x

krok Obrázek 20 - Princip výpočtu odpínací / zapínací přímky Matematicky lze odpínací přímku popsat následují rovnicí: y  ax  q kde : a  tg 

jmenovité _ max  Posun _ y ; Perioda

Pozn.: Posun_y je v programu "Necitlivost spotřeby".

xt q  Posun _ y y  spotreba

Obrázek 21 - Blokové schéma výpočtu spotřeby podle odpínací přímky V algoritmu se nejdříve vede signál "jmenovité maximum" a "necitlivost spotřeby" na rozdílový blok, kde se provede odečtení "necitlivosti spotřeby" od "jmenovitého maxima".

36

Signál je dále veden na děličku, kde se od signálu vydělí "Perioda" (15 minut) - tento signál nyní představuje směrnici rovnice. Takto získaný signál se vynásobí "uplynulým časem" a sečte se s "necitlivostí spotřeby" - posun rovnice. Takto se získala spotřeba určená odpínací přímkou. Posun po ose y (sklon odpínací přímky) je určen parametrem "necitlivost spotřeby" a lze si tento posun definovat. Zapínací přímka: Matematicky lze přímku popsat následují rovnicí:

y  ax  q

Pozn.: Posun_y je v programu "Necitlivost spotřeby".

kde : jmenovité _ max a  tg  Perioda  Posun _ x xt q  Posun _ y '

Posun_x je v programu "Necitlivost čas" Posun_y' je pomocná proměnná pro výpočet posunu rovnice.

y  spotreba Parametr "Posun_y'" je potřeba dopočítat (není přímo znám ze zadaných údajů). Lze ho vypočítat z podobnosti trojúhelníků (především poměru stran) a to následovně: jmenovité _ max Posun _ y '  Perioda  Posun _ x Posun _ x jmenovité _ max  Posun _ y '  Posun _ x Perioda  Posun _ x

Nyní můžeme sestavit výslednou rovnici spotřeby podle "zapínací přímky".

y

jmenovité _ max jmenovité _ max x Posun _ x Perioda  Posun _ x Perioda  Posun _ x

Obrázek 22 - Blokové schéma výpočtu spotřeby podle zapínací přímky

37

Nejprve se vypočítá směrnice přímky - provede se rozdíl "Necitlivost času" od "Periody" (v bloku "Rozdíl A-B")a tím se vydělí "Jmenovité maximum" (v bloku "DIV"). Tento signál se dále vynásobí "Uplynulým časem" (Blok "MUL"). Nyní se spočítá posun rovnice. To se provede tak, že se vynásobí již získaný signál z bloku "Směrnice" se signálem "Necitlivost času". Takto získaný posun se odečte od signálu z bloku MUL, který představuje součin sěmrnice s uplynulým časem. Tímto způsobem se získá spotřeba, jejíž průběh se bude měnit v závisloti na čase podle průběhu zapínací přímky.

Trendový algoritmus Princip trendového algoritmu spočívá v tom, že se z po sobě jdoucích vzorků spotřeby za určitý časový interval určí trend spotřeby. Pokud by spotřeba měla takovýto trend, zjistí se předpokládaná spotřeba na konci periody (15 minut). Pokud je tato předpokládaná spotřeba větší než technické maximum, dojde k nastavení požadavku na odpojení 1. skupiny spotřebičů. Pokud je předpokládaná spotřeba nižší než technické maximum, dojde k vyslání požadavku na znovu připojení skupiny spotřebičů (pokud již nějaká skupina byla odpojena). Pro určení trendu je potřeba uložit během časového intervalu dva vzorky okamžié spotřeby. Takto si můžeme představit dva body A [x1,y1], B[x2,y2], kde x1 a x2 je čas a y1 a y2 jsou dvě hodnoty spotřeby. Z těchto dvou bodů se určí rovnice přímky: y  kx  q

k se stanoví následovně:

a posun q se určí:

k

q

y 2  y1 x2  x1

(( x2 . y1 )  ( x1 . y 2 )) x 2  x1

x1...čas odběru prvního vzorku; y1...spotřeba při čase x1 x2...čas odběru druhého vzorku;y2...spotřeba při čase x2

38

Tato rovnice přímky se vypočítává vždy po nastaveném intervalu. Dosadí se do ní koncový bod 15 minut a určí se spotřeba daná touto rovnicí přímky. V programu je to řešeno následovně:

Obrázek 23 - Schéma trendového algoritmu 39

Bloky SFT_R ("X - Paměť dvou po sobě jsoucích vzorků času." a "Y - Paměť dvou po sobě jsoucích vzorků spotřeby") slouží pro načtení dvou po sobě jdoucích vzorků spotřeby a jejich času zaznamenání. Periodu jejich odčítání lze nakonfigurovat v bloku "_Vstupní hodnoty" (parametr "delta t - trendový"). Dále je z těchto vzorků dopočítaná hodnota směrnice rovnice přímky a posunu rovnice přímky.

Obrázek 24 - Schéma výpočtu směrnice K

Obrázek 25 - Schéma výpočtu posunu q Přesně podle rovnice pro výpočet k (směrnice) je sestaven algoritmus výpočtu k. Stejným způsobem se postupovalo při výpočtu q. V tuto chvíli se generuje v každém intervalu směrnice a posun přímky, který je vždy závislý na aktuální spotřebě. Dále je výstup bloku "K - Směrnice" vynásoben Periodou (to proto, že se porovnává předpokládaná spotřeba na konci periody) a sečten v bloku ADD s posunem q. Nyní se

40

porovnává v bloku CMP_R takto získána spotřeba na konci 15-ti minut s technickým maximem. Pokud je vypočtená spotřeba větší než technické maximum (činná práce určená technickým maximem), dojde k nastavení vstupu "NASTAV" bloku "Odpoj./Připoj." na logická 1. Pokud je vypočtená spotřeba menší, dojde k nastavení vstupu "RESET" bloku "Odpoj./Připoj." na logická 1. Blok "Odpoj./Připoj." má stejnou činnost jako v předchozích algoritmech - zajišťuje postupné odpojování / připojování jednotlivých hladin.

Kombinovaný algoritmus Kombinovaný algoritmus kombinuje výhody tří algoritmů - hladinový s vyhodnocením činné práce, kombinační s pásmem necitlivosti a trendový algoritmus. Při návrhu tohoto algoritmu se využily již vytvořené algoritmy. Tyto algoritmy se zmodifikovaly v bloku sloužícím pro odpojování hladin. Vzhledem k tomu, že bylo třeba zajistit, aby se odpojování hladin provádělo jenom tehdy, když je aktivní daný algoritmus, byl blok "Odpoj./Připoj." umístěn vně algoritmů (týká se kombinačního a trendového algoritmu). Výstupem kombinačního a trendového algoritmu je pouze požadavek na odpojení hladiny. Tyto požadavky jsou dále zpracovány logikou následovně: Při činnosti kombinačního algoritmu je aktivní "signál 1" z bloku "SET_ALG" (časovač určený pro výběr algoritmu podle požadavků ze vstupní hodnoty "%kombinační" - v tomto parametru se nastavuje procentuální hodnota od 0 do 100% a ta určuje, jakou část periody bude aktivní kombinační algoritmus; zbylou část bude aktivní trendový algoritmus). Tento signál je veden na 2 logické členy AND pro zaktivování požadavků z bloku "04 Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti". "Signál 2" je stejným způsobem veden na 2 logické členy AND pro zaktivování požadavků z bloku "05 - Trendový algoritmus". Výstupy z těchto členů jsou připojeny na 2 logické členy OR, kterými se vybírají požadavky od kombinačního nebo trendového algoritmu. Výstupy z logických bloků OR jsou připojeny na vstup bloku "Odpoj./Připoj." jehož činnost jsme si již popsali. Takto je realizovaná střídavá aktivace dvou algoritmů. Po celou dobu je aktivní hladinový algoritmus, který je stejný jako již zmíněný, ale s tím rozdílem, že se liší odpojovací část.

41

Obrázek 26 - Schéma odpojování hladin u hladinového algoritmu Pokud dojde k překročení spotřeby 6. hladiny okamžitou spotřebou, dojde k nastavení vstupu "S" všech RS klopných obvodů na logickou 1. S příchodem hodinového impulsu dojde k zápisu logické 1 na výstup všech pamětí, čímž se zrealizuje odpojení všech hladin najednou. Požadavky na odpojení hladin z hladinového algoritmu a dvou algoritmů (kombinační a trendový) jsou svedeny do bloku "6x OR", který obsahuje 6 logických členů OR pro výběr požadavku na odpojení konkrétní hladiny z daných algoritmů (buď hladinový algoritmus nebo kombinační s trendovým algoritmem). Algoritmus je ještě doplněn o již zmíněný obvod "SET_ALG". Ten slouží pro generování signálu (signál 1) logická 1 po dobu běhu kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti a signálu (signál 2) po dobu běhu trendového algoritmu.

42

Obrázek 27 - Schéma bloku SET_ALG Obvod obsahuje dva bloky T_TRIG, každý pro generování signálu logická 1 po stanovený čas. Doba běhu prvního T_TRIG bloku se vypočítá z maximální délky periody (tj. "Perioda" + "tolerance synchro"/2) a parametru "%kombinační" v bloku "Doba 1. alg.". Určí se jakou dobu poběží první T_TRIG. Výstupem tohoto časovače je "Signál 1", který zaktivuje kombinační algoritmus (výstup je aktivní po celou dobu běhu časovače, poté je vypnutý). Po uplynutí doby 1. časovače se zaktivuje 2. časovač (výstup "OutDlyd" se zaktivuje po doběhnutí prvního časovače a spustí druhý časovač). 2. časovač má nastavenou periodu na zbývající čas "čtvrthodiny" (včetně tolerance). Ten po celou dobu svého běhu má na výstupu "OutWp" logickou 1 - "Signál 2" (aktivace trendového algoritmu). Nikdy se nestane, aby byla logická 1 zároveň jak na výstupu 1.časovače, tak i 2.časovače. Tím je zajištěno střídání běhu obou algoritmů.

43

Obrázek 28 - Schéma kombinovaného algoritmu 44

Další bloky programu: Synchronizovaný časovač Je nutné, pokud dojde ke ztrátě synchronizačního impulsu, zaručit, aby algoritmus tuto událost vyhodnotil jako poruchu (nastavení logického bitu "Porucha synchronizace" na hodnotu 1) a generoval vlastní (interní) synchronizační impuls po předem stanovené periodě. Ideálně by měl externí synchronizační impuls přijít vždy jednou po 15-ti minutách. Odchylka od 15-ti minutové periody příchodu synchronizačního impulsu by neměla být větší než +/- 5 sekund (tuto hodnotu lze měnit). Pokud externí synchronizační impuls přijde dříve nebo později, dojde k vyhlášení chyby. S příchodem externího synchronizačního impulsu se spustí vnitřní časovač. Ten se skládá ze dvou obvodů. První obvod je časovač spouštěný náběžnou hranou (T_TRIG - označen "časovač 1") a druhý je časovač s odděleným resetovacím a spouštěcím signálem (T_PR). Druhý časovač se spustí po doběhnutí času prvního časovače. Následující průběhy zobrazují činnost jednotlivých časovačů:

Obrázek 29 - Funkční diagram časovače T_TRIG Obvod "synchronizovaného časovače" je spouštěn náběžnou hranou na vstup "Trg". Může být spuštěn kdykoli - buď v průběhu doby běhu nebo až následovně. Referenční čas nastavený na vstupu "Ti" se převezme vždy, když je časovač spuštěn. Výstup "Qp" je aktivní po celou dobu běhu časovače. Po uplynutí doby časovače se výstup "Qp" odepne a výstup "OutDlyd" se stane aktivní (zůstane aktivní, dokud nebude časovač znovu spuštěn).

45

Tyto dva výstupy se vzájemně doplňují. Reset není možný (časovač běží vždy do konce nebo je spuštěn znovu). Zbývající čas "TiRm" ukazuje zbývající čas do konce doby časovače.

Obrázek 30 - Funkční diagram časovače T_PR Časovač T_PR se liší od předchozího časovače tím, že používá oddělené signály pro spuštění a reset časovače. Časovač se spustí náběžnou hranou na vstup "PSet". Ten může být restartován pouze přes vstup "R" (reset - náběžnou hranou). Důležité je, že pokud přijde současně impuls na oba vstupy, reset má vyšší prioritu a časovač se nespustí. Referenční čas "Ti" (doba běhu časovače) je vždy převzat při spuštění časovače. Výstup "OutWp" je aktivní po celou dobu běhu časovače. Po uplynutí periody časovače dojde k odepnutí tohoto výstupu. Zároveň bude aktivní výstup "OutDlyd" jako signalizace, že časovač již doběhl. Příchod impulsu na vstup R způsobí, že dojde k odepnutí obou výstupů.

46

INT.SYNCHRO

PERIODA - TOLERANCE/2

TOLERANCE

Obrázek 31 - Zapojení dvou časovačů pro synchronizační impuls Dále je součástí tohoto synchronizovaného časovače blok pro převod [s] na [ms]. Tento blok v sobě obsahuje děličku 1000. Na vstupu časovače 1 (T_TRIG) je logický obvod OR, který slouží k výběru externího synchronizačního impulsu, nebo, v případě ztráty externího synchronizačního impulsu, impulsu generovaného po uplynutí doby časovače 2 na výstupu "OutDlyd" a zároveň uplyne doby na časovači 1 (aktivní výstup "OutDlyd"). Nyní je na výstupu logického obvodu OR vždy synchronizační impuls, který je generován buď externím synchronizačním impulsem nebo impulsem generovaným po uplynutí periody (+ tolerance) ve výše zmíněných časovačích. Tento interní synchronizační impuls slouží, mimo, jiné k resetu časovače 2. Interní synchronizační impulz se v bloku "INT.SYNCHRO" upraví pomocí funkčního bloku R_TRIG na pulz (převádí vstupní signál na vstupu Trg na pulz). Dále je součástí tohoto bloku obvod pro výpočet uplynulého času z periody ("Uplynulý čas"). Ten je použit při činnosti jednotlivých algoritmů.

47

Obrázek 32 - Blokové schéma výpočtu uplynulého času z periody Základem tohoto bloku je časovač T_TRIG, který se spouští interním synchronizačním impulsem. Na vstupu "Ti" je nastaven čas vypočítaný jako perioda + tolerance/2 (tolerance příchodu synchronizačního impulsu). Vždy s náběžnou hranou se spustí časovač na tuto nastavenou dobu. Na výstupu "TiRm" se zobrazuje zbývající čas do konce cyklu. Tento čas se odečte od času, který je nastaven na časovači. Tím získáme uplynulý čas. Dále je v bloku synchronizovaného časovače obvod pro hlášení ztráty synchronizačního impulzu - porucha synchronizace. Jeho činnost je následující: Pokud jsou výstupy "OutDlyd" časovače 1 a časovače 2 aktivní, nebo pokud je výstup "OutWp" časovače 1 aktivní a výstup "OutWp" časovače 2 odepnutý, objeví se na výstupu bloku "Podmínka pro nastavení bitu poruchy synchronizace" logická 1. Pokud je výstup "OutWp" časovače 1 odepnutý a výstup "OutWp" časovače 2 aktivní, objeví se na výstupu bloku "Podmínka vypnutí bitu porucha synchronizace" logická 1. Výstupy "Podmínka pro nastavení bitu poruchy synchronizace" a "Podmínka vypnutí bitu porucha synchronizace" jsou připojeny k synchronnímu RS klopnému obvodu. V průběhu celé periody se mění stavy jednotlivých výstupů v závislosti na nadefinovaných podmínkách. Bit poruchy synchronizace se nastaví až s příchodem hodinového impulsu "Interní synchronizační impuls". Tato "paměť" vytvořená z RS synchronního KO si uchová svůj stav až do 48

následujícího příchodu interního synchronizačního impulsu, kdy se stav RS obvodu nastaví podle stavů vstupů R a S a podle pravdivostní tabulky RS synchronního KO. (podle lit. [(Bokr & Jáneš, 1999)]) varianta

C

S

R

Q

Qneg

1

0

x

x

Qn-1

Qneqn-1

2

1

0

0

Qn-1

Qneqn-1

3

1

0

1

0

1

4

1

1

0

1

0

5

1

1

1

Neurčitý stav Neurčitý stav

Obrázek 33 - Pravdivostní tabulky synchronního RS klopného obvodu Nevýhodou tohoto klopného obvodu je, že má neurčitý stav. Do tohoto stavu se však obvod nedostane, protože jednotlivé podmínky pro R a S jsou vždy doplňkem druhé podmínky. Proto si můžeme dovolit tuto skutečnost neuvažovat. Další nevýhodou obvodu je, že reaguje na stavy vstupů R a S po celou dobu aktivního hodinového signálu. Proto je nutné zajistit, aby se synchronizační pulz choval jako impuls o délce 1 taktu.

49

Podmínka pro nastavení vstupu S ("porucha synchronizace") 1. Výstupy "OutDlyd" časovačů 1 a 2 jsou sepnuty (logická 1) (impuls později než je čas vymezený tolerančním pásmem ) nebo 2. Výstup "OutWp" časovače 1 je aktivní (log. 1) a výstup "OutWp" časovače 2 není aktivní (log. 0) (impuls přišel dříve než je čas vymezený tolerančním pásmem)

Podmínka pro nastavení vstupu R "porucha synchronizace" 1. Výstup "OutWp" časovače 1 není aktivní (log.0) a výstup "OutWp" časovače 2 je aktivní (log. 1) (impuls přišel v čase během tolerančního pásma)

Obrázek 34 - Podmínka pro nastavení bitu "Porucha synchronizace"

Níže je popsáno několik scénářů, které mohou nastat a následné chování obvodu:

50

SCÉNÁŘ 1: Perioda je nastavena na 900 sekund (15 minut). Tolerance synchronizace je nastavena na 10 sekund. Druhý synchronizační impuls přijde po 800 sekundách od posledního synchronizačního impulsu. CHOVÁNÍ OBVODU: S příchodem prvního impulzu se spustí časovač 1 a po dobu nastavenou na vstupu "Ti" (což je 855s; 900s - 5s) bude aktivní výstup "OutWp". Do této chvíle bude mít obvod pro nastavení poruchy synchronizace na svorkách S (nastavení poruchy) logickou 1 (na R bude logická 0). Jelikož druhý synchronizační impuls přišel dříve než za 855s, nedojde ke spuštění časovače 2 a vygeneruje se hodinový impulz, který zapíše stav bloku "Porucha synchronizace" - v tomto případě je na S logická 1, takže dojde k uložení logické 1 na výstup. SCÉNÁŘ 2: Perioda je nastavena na 900 sekund (15 minut). Tolerance synchronizace je nastavena na 10 sekund. Druhý synchronizační impuls přijde po 920 sekundách od posledního synchronizačního impulsu. CHOVÁNÍ OBVODU: S příchodem prvního impulzu se spustí obvod časovač 1 a po dobu nastavenou na vstupu "Ti" (což je 855s; 900s - 5s) bude aktivní výstup "OutWp". Do této chvíle bude obvod pro nastavení poruchy synchronizace mít na svorkách S (nastavení poruchy) logickou 1 (na R bude logická 0). Po uplynutí času časovače 1 se spustí pomocí výstupu "OutDlyd" časovač 2. Ten má nastavenou periodu na 10 sekund. V tuto chvíli má obvod pro nastavení poruchy synchronizace na svorkách S (nastavení poruchy) logickou 0 a na R logickou 1 (v tomto časovém okně se očekává příchod dalšího synchronizačního impulsu). Avšak jelikož synchronizační impuls nepřišel ani během periody časovače 2, dojde k nastavení bitu porucha synchronizace - na S (nastavení poruchy) logická 1 a na R logická 0. Zároveň se vygeneruje interní synchronizační impulz, kterým se zapíše stav do paměti "Porucha synchronizace", a zároveň se spustí znovu časovač 1. Celý cyklus se poté opakuje. Jelikož

51

víme, že impuls přijde za 920 sekund, dojde k příchodu impulzu během činnosti prvního časovače a chování bude stejné jako ve SCÉNÁŘI 1. SCÉNÁŘ 3: Poslední možností je, když je perioda nastavena na 900 sekund (15 minut). Tolerance synchronizace je nastavena na 10 sekund. Druhý synchronizační impuls přijde po 900 sekundách od posledního synchronizačního impulsu. CHOVÁNÍ OBVODU: S příchodem prvního impulzu se spustí časovač 1 a po dobu nastavenou na vstupu "Ti" (což je 855s; 900s - 5s) bude aktivní výstup "OutWp". Do této chvíle bude obvod pro nastavení bitu porucha synchronizace mít na svorkách S (nastavení poruchy) logickou 1 (na R bude logická 0). Po uplynutí času časovače 1 se spustí pomocí výstupu "OutDlyd" časovač 2. Ten má nastavenou periodu na 10 sekund. V tuto chvíli má obvod pro nastavení bitu porucha synchronizace na svorkách S (nastavení poruchy) logickou 0 a na R logickou 1 (v tomto časovém okně se očekává příchod dalšího synchronizačního impulsu). Nyní přijde synchronizační impuls.Dojde nastavení "paměti" Porucha synchronizace do stavu logické 0, časovač 2 se zresetuje a dojde ke spuštění časovače 1. Po celou dobu v jednotlivých scénářích se měří uplynulý čas potřebný pro řešení jednotlivých algoritmů regulace spotřeby.

52

Obrázek 35 - Blokové schéma synchronizovaného časovače

53

Blok výpočtu okamžité spotřeby Okamžitá spotřeba se počítá násobením součtu impulsů spotřeby a váhou impulsu. Tímto způsobem se vypočítá celková spotřeba. Aby se však získala spotřeba za 15 minut, použije se blok MIN_MAX_TIME, který v sobě uchovává nejnižší a nejvyšší hodnotu, která přišla na vstup tohoto bloku. Vždy po 15-ti minutách (periodě) je blok resetovaný tak, že dojde k uložení nové minimální hodnoty (původní maximální) a maximální hodnota se bude měnit s příchodem impulzů spotřeby. Okamžitá spotřeba se dále vypočítá jako rozdíl minimální a maximální hodnoty uložené v bloku MIN_MAX_TIME. Tato spotřeba se mění neustále od 0 až do, teoreticky, technického maxima. Pozn.: Vzhledem ke složitosti celého programu je potřeba zpozdit resetovací impuls (jedná se v podstatě o interní synchronizační impulz) o několik [ms] - defaultně je nastaveno na 200 ms.

Obrázek 36 - Schéma výpočtu okamžité spotřeby Dále program obsahuje blok "Vzorkování - diskretizace" pro generování hodinového impulsu, který slouží pro zapisování stavu vstupů synchronních RS klopných obvodů na jejich výstup. Pomocí délky periody se určuje doba, kterou mají jednotlivé algoritmy pro vyhodnocení účinků svého předchozího zásahu na okamžitou spotřebu. Řádově se nastavuje v desítkách sekund (výchozí hodnota - 30 sekund).

Obrázek 37 - Schéma diskretizačního obvodu

54

Pro generování impulsu jednou za určitou periodu je použita dvojice bloků T_SR, které umožňují sepnout výstup do logické 1 na určitou dobu, pokud je na vstupu logická 1. Na prvním T_SR je nastavena perioda vzorkování, druhý T_SR má nastavenou periodu na 0. Na negovaný výstup prvního T_SR je připojen blok R_TRIG, který převádí výskyt logické 1 na výstupu na pulz. Tento pulz je vzorkovací impuls. Dále program obsahuje blok pro výpočet celkové spotřeby. Ta se spočítá tak, že se impulsy spotřeby vynásobí váhou impulsu. Součástí programu je také blok, pomocí kterého se signalizuje ztráta dat - ztráta impulsů spotřeby (např. přerušený vodič). Ten pracuje na principu, že se za konkrétní časový úsek očekává příchod impulsu spotřeby. Pokud impuls nepřijde, nastaví se výstup bitu poruchového hlášení "Ztráta dat" do logické 1.

Obrázek 38 - Schéma kontroly ztráty dat (impulsů spotřeby) Pro kontrolu dat se využije paměťového bloku SFT_R, který zaznamenává několik po sobě jdoucích vzorků spotřeby. Podmínkou pro rozhodnutí, aby došlo k vyhlášení ztráty dat, je porovnání prvního a posledního vzorku. Pokud se tyto vzorky rovnají, dojde k nastavení vstupu "D" D-klopného obvodu na logickou 1 a s příchodem hodinového impulsu dojde k nastavení výstupu D-klopného obvodu do stavu logická 1. Pokud se vzorky nerovnají (tzn. impuls spotřeby přišel během časového intervalu), dojde k nastavení výstup D-klopného obvodu do stavu logická 0. Pomocí parametru "Čas kontroly spotřeby" se nastavuje interval pro kontrolu impulzů spotřeby.

55

Nedílnou součástí kvalitního regulátoru jsou i statistické informace týkající se spotřeby elektrické energie. Program umožňuje zaznamenat průměrnou hodnotu spotřeby 15-ti minut za 8 hodin, maximální hodnotu spotřeby 15-ti minut za 8 hodin a střední hodnotu. Dále si pamatuje maximální denní spotřebu za týden a maximální měsíční spotřebu za rok. Všem datovým bodům lze přidělit trend, který slouží k ukládání hodnot. Tyto hodnoty lze poté vyčíst pomocí webového serveru a zobrazit naměřené průběhy. Pro určení maximální, průměrné a střední 15-ti minutové spotřeby za 8 hodin slouží následující obvod:

Obrázek 39 - Schéma určení Průměrné, maximální a střední hodnoty spotřeby 15 minut za 8 hodin Okamžitá spotřeba je ukládána na konci každé periody do posuvného registru SFT_R. Ten si pamatuje až 32 hodnot, tedy 32 x 15 minut = 8 hodin. Zároveň lze použít výstup tohoto bloku "MEAN" pro určení střední hodnoty všech vstupů (střední hodnota spotřeby 15-ti minut za 8 hodin). Výstupy bloku SFT_R jsou připojeny na blok MAX, který ukládá maximální hodnotu spotřeby 15-ti minut během 8 hodin. Součtem hodnot na všech výstupech a po vydělení číslem 32 se získá průměrná hodnota spotřeby 15-ti minut během 8 hodin. K výpočtu denní a měsíční spotřeby a určení jejich maximálních hodnot slouží obvody popsané níže.

56

Pomocí bloku MIN_MAX_TIME se uloží maximální a minimální hodnota celkové spotřeby do posuvného registru (zdůrazňuji, že se jedná o celkovou spotřebu). Perioda resetu je nastavená pomocí bloku T_TRIG na 1 den (86400000 [ms]). Z maximální a minimální hodnoty se vypočítá denní spotřeba a vždy na konci periody se uloží denní spotřeba do posuvného registru SFT_R. Ten má 7 výstupů (7 dnů v týdnu). Pomocí bloku MAX se ze 7 výstupů bloku SFT_R vybere výstup, který má nejvyšší hodnotu a nastaví výstupní hodnotu "HDB MAX den za týden" na tuto hodnotu. Stejným způsobem se určí maximální měsíční spotřeba za rok. Rozdíl je v nastavené periodě - 2592000000 ms (30 dní) a počtu výstupů posuvného registru SFT_R - 12 výstupů (počet měsíců v roce). Maximální hodnota se poté uloží do výstupního bloku "HDB MAX Měsíc za Rok". Poznámka: Může se zdát jako nesmyslné použití časovačů s takto "extrémně" nastaveným časem pomocí milisekund, avšak jedinou možnou alternativou je blok "Clock", který umožňuje generovat výstupní impuls každou stanovenou hodinu (minutu/sekundu), ale maximální opakovací doba impulsu je 255 hodin 255 minut a 255 sekund, tedy necelých 11 dní.

57

Obrázek 40 - Schéma výpočtu maximální denní a měsíční spotřeby

58

8. Pokyny k programu Uživatelská část programu obsahuje pouze bloky "_Vstupní hodnoty" a "_Výstupní hodnoty". Ve _Vstupních hodnotách lze nastavit všechny parametry programu. Vzhledem k počtu datových bodů nebude uvedeno schéma tohoto bloku, ale bude uveden pouze název a slovní popis parametrů: V levé horní části okna je 6 BV (binary value) bloků sloužících pro zadání binární hodnoty. Tyto bloky jsou určené pro volbu použitého typu algoritmu v regulátoru. Může být nastaven pouze jeden, ostatní musí být nastaveny v logické 0 pro správnou činnost regulátoru. Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce Hladinový algoritmus s vyhodnocením výkonu Kompenzační algoritmus Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti Trendový algoritmus Kombinovaný algoritmus Dále jsou obsaženy AV (analog value) bloky pro nastavení analogových hodnot: EMAX Jmenovité maximum - zadává se technické maximu v [kW] (zadává se hodnota menší než smluvené technické maximum - rezerva) EMAX řídící funkce EMAX váha impulsu K1 - určuje hodnotu jednoho impulsu EMAX 900 sek. = 15 minut - délka periody, výchozí hodnota 15 minut Následující parametry slouží pro stanovení hladin, určených k odpojení skupin spotřebičů. Zadávají se v procentech (hladina 1
59

Hladina 1 - výchozí hodnota 50% Hladina 2 - výchozí hodnota 60% Hladina 3 - výchozí hodnota 70% Hladina 4 - výchozí hodnota 80% Hladina 5 - výchozí hodnota 90% Hladina 6 - výchozí hodnota 100% Další parametry: Vzorkování - perioda vzorkování - perioda odpojování jednotlivých hladin spotřebičů. Zadává se v sekundách. Musí být větší než 0. Tolerance synchronizace - toleranční pásmo u konce periody. Pro generování poruchy synchronizace musí přijít synchronizační impuls během času (perioda - tolerance synchronizace/2) nebo času (perioda + tolerance synchronizace). Přijde-li synchronizační impuls mezi časy vymezenými výše, dojde k synchronizaci a nastavení bitu porucha synchronizace na hodnotu logická 0. Zadává se v sekundách - výchozí hodnota 10 sekund. %kombinační - doba běhu kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti. Určuje se jako procentuální část z periody. Zadává se v procentech ( 0-100% ) V následujících 2 blocích se nastavuje pásmo necitlivosti kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti: Tolerance spotřeby - je hodnota spotřeby, která je počátečním bodem odpínací přímky (koncovým bodem je jmenovité maximum spotřeby na konci periody). Tolerance času - je hodnota času, která je počátečním bodem zapínací přímky (koncovým bodem je jmenovité maximum spotřeby na konci periody). delta t - trendový - tímto parametrem se určuje interval pro odběr dvou vzorků spotřeby, ze kterých se vypočítává trend spotřeby.

60

čas - ztráta dat - určuje dobu, po kterou nesmí přijít impuls spotřeby, aby mohla být vyhlášena porucha spotřeby dat. Perioda průměrný výkon - je interval pro výpočet průměrného výkonu hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu. Ve _Výstupních hodnotách lze odečíst veškeré stavy programu: Binární hodnoty: EMAX Porucha synchro - signalizuje ztrátu nebo poruchu synchronizačního impulsu. Pokud impuls přijde dříve než je vymezené toleranční pásmo příchodu synchronizačního impulsu, dojde k vyhlášení chyby. Pokud impuls nepřijde ani po čase určeném tolerančním pásmem, dojde také k vyhlášení chyby (nastavení výstupu do logická 1). EMAX Ztráta dat - signalizuje ztrátu impulsu spotřeby. Pokud impuls nepřijde během definované periody, dojde k vyhlášení poruchy Ztráta dat (nastavení logická 1). Binární výstupy: EMAX F1 - odpíná skupinu spotřebičů 1. EMAX F2 - odpíná skupinu spotřebičů 2. EMAX F3 - odpíná skupinu spotřebičů 3. EMAX F4 - odpíná skupinu spotřebičů 4. EMAX F5 - odpíná skupinu spotřebičů 5. EMAX F6 - odpíná skupinu spotřebičů 6. Analogové hodnoty: EMAX Okamžitá spotřeba - zde je zobrazena okamžitá spotřeba během 15-ti minutového intervalu. EMAX Čas do konce periody - zde je znázorněn zbývající čas do konce periody.

61

EMAX Celková spotřeba - zde je určená celková spotřeba. EMAX HDB Max 15 minut za 8 hodin - maximální hodnota 15-ti minutové spotřeby za posledních 8 hodin. EMAX HDB Max Den za Týden - maximální denní spotřeba za poslední týden. EMAX HDB Max Měsíc za rok - maximální měsíční spotřeba za poslední rok. EMAX HDB Průměrná spotřeba 15 minut za 8 hodin - průměrná 15-ti minutová spotřeba za posledních 8 hodin. EMAX HDB Střední hodnota spotřeby 15 minut za 8 hodin - střední hodnota 15-ti minutové spotřeby za posledních 8 hodin. Poznámka: Pro testovací účely lze využít přepínač BI v bloku _Synchro/Spotřeba → Generátor impulsů, který umožňuje přepnutí z externích impulsů spotřeby na interní impulsy spotřeby.

62

9. Testování algoritmů Pro testování algoritmů bylo zapotřebí nasimulovat chování 6 skupin spotřebičů a jejich spotřeby. Bylo zapotřebí, aby se jednotlivé generátory spotřeby daných hladin spotřebičů byly schopné odpojit podle požadavku na odpojení skupin spotřebičů z algoritmů regulace spotřeby. A zároveň bylo zapotřebí, aby bylo snadné měnit "jejich spotřebu" (množství impulzů představující spotřebu dané skupiny). Za tímto účelem vznikl následující obvod "Generátor impulsů". 1 skupina spotřebičů je jakoby vytvořena z jednoho bloku PLS. Parametrem "Ti" se nastavuje čas opakování pulzů. Výstup tohoto generátoru je svázán podmínkou bloku AND s výstupem

požadavku

na

odpojení

skupiny

spotřebičů. Výstup z bloku AND je dále veden na blok R_TRIG, který generuje pulz délky jednoho taktu. Tento pulz je připojen ke vstupu "Up" čítače CNT. Čítač umožňuje čítat dopředu i dozadu. Jeho omezení je v počtu čítaných stavů (65535). Poznámka: Proto jej třeba nelze využít pro čítání impulsů

Obrázek 41 - Časový průběh na výstupu generátorů pulzů PLS

spotřeby.

Na tomto čítači je načítána spotřeba jedné skupiny spotřebičů. Reset čítače je umožněn pomocí nastavení hodnoty 0 na vstup "PSetV" a s příchodem impulsu na vstup "PSet". Výstup z čítače je dále upraven pomocí bloku U_R, který převádí datový formát "undefined" na "reálné" číslo. Takto je vytvořeno 6 skupin spotřebičů, které generují impulsy spotřeby. Výstupy ze všech 6 čítačů jsou zapojeny do 6-ti násobného sčítacího bloku ADD. Výstup tohoto bloku představuje fiktivní spotřebu, která se chová stejně jako ta na vstupu celého programu "Impulsy množství spotřeby EL".

63

Obrázek 42 - Schéma generátoru impulsů představujících spotřebu jednotlivých skupin spotřebičů

64

Nastavení parametrů v bloku _Vstupní hodnoty: Před nastavením je potřeba se zamyslet nad nastavením technického maxima, periody, váhy impulsu, periody vzorkování a generováním spotřeby v jednotlivých skupinách spotřebičů. Předpokládejme, že technické maximum je nastaveno na 50 kW. Perioda bude standardních 15 minut (900 sekund). Technická maximální činná práce bude tedy 50kW.900s = 45000kWs (celková spotřeba se na konci převede do kWh, na které jsou všichni zvyklí). Periodu vzorkování nastavíme nejdříve na 30 sekund. S touto frekvencí se budou odpojovat/připojovat dané skupiny spotřebičů. Pokud by se nyní nastavila váha impulsu na 1, museli bychom pomocí generátoru impulsů vyrobit 45000 impulsů, aby spotřeba dosáhla technického maxima. Tenhle případ nás však nezajímá. Proto se bude generovat větší množství impulsů, nebo se zvýší váha impulsu. Při rovnoměrně rozložené spotřebě (každý kanál má stejnou spotřebu) a generováním impulsu po 1 sekundě je potřeba 5400 impulsů (15 minut = 900 sekund; 6 kanálů) pro dosažení technického maxima. Z výše uvedených parametrů je nejlepší zvolit čas generování impulsu 250 ms, čímž se dosáhne spotřeby 21600kWs (4 impulsy za sekundu/kanál; 6 kanálů; 900 sekund). Dále zvolíme váhu impulsu 3. Nyní již generátor spotřeby generuje spotřebu 64800kWs. Tato spotřeba je větší než technické maximum a na jejím průběhu bude patrný akční zásah (odpojování skupin spotřebičů) algoritmů.

Ověření funkčnosti Nastavení: Perioda = 900s, Technické maximu = 40kW (technická činná práce 36000kWs - bylo nutné hodnotu maxima upravit), perioda vzorkování 30s, váha impulsu = 3, "Ti" = 250ms (čas generování impulzů spotřeby) - rovnoměrná spotřeba. Pro naměření průběhů spotřeby se použije webový server automatizační stanice modu525. Ten nabízí online sledování stavů jednotlivých datových bodů, včetně ukládání jejich hodnot po celou dobu běhu programu. Nevýhodou tohoto vykreslování je nemožnost nastavení měřítka časové osy. Vzorky se ukládají 1x za minutu. To je pro demonstraci činnosti algoritmu dostačující, ale pro porovnání akčních zásahů je to již nevyhovující. Proto pro otestování činnosti algoritmů dojde k přepočítání nastavených hodnot a prodloužení periody na 45 minut. Spotřeba v jednotlivých kanálech se 3x zpomalí, tzn.

65

nastaví se čas generování impulsů z 250 ms na 750 ms. Těchto 45 minut bude jakoby představovat 15 minut normální periody. Poté již budou alespoň částečně vidět akční zásahy algoritmů. Abychom měli s čím porovnávat, musíme změřit průběh celkové spotřeby.

Celková spotřeba bez regulátoru kW.s

Obrázek 43 - Průběh spotřeby bez regulace Z grafu je patrné, že maximální spotřeba se pohybuje kolem 54000kWs (tj.15kWh), oproti předpokládané spotřebě 64800 kWs. Proto bylo sníženo technické maximum na 40 kW (36000kWs = 10kW.h).

Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce Dále probíhalo testování konkrétních algoritmů. Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce nepřesáhl technické maximum 36000kWs (10kWh). Z průběhu je vidět, že docházelo k postupnému odpojování skupin spotřebičů a nikoliv k jejich zpětnému připojování (růst spotřeby s časem klesá).

66

kW.s

Obrázek 44 - Průběh regulované okamžité spotřeby řízené hladinovým algoritmem s vyhodnocením činné práce

Hladinový algoritmus s vyhodnocením výkonu kW.s

Obrázek 45 - Průběh regulované okamžité spotřeby řízené hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu Na grafu výše je zobrazen průběh okamžité spotřeby s využitím hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu. Z grafu je patrné, že nedošlo k překročení technické maximální

67

činné práce [kW.h]. Tento algoritmus se však vyznačuje tím, že nedochází ani k překračování technického výkonu [kW]. To je zobrazeno na následujícím grafu.

Obrázek 46 - Průběh okamžitého výkonu řízeného hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu Na grafu průměrného výkonu za periodu (v tomto případě nastaveno 8s) je zřejmé, že nedochází k překračování technického maxima. Vzhledem k deterministickému určení spotřeby jednotlivých kanálů je průběh vyrovnaný (až na 2 maxima). V praxi však nelze odhadnout chování spotřeby jednotlivých kanálů a výsledný průběh by byl více "profilovaný". I přes to by však nemělo docházet k překročení technického maxima.

68

Kompenzační algoritmus kW.s

Obrázek 47 - Průběh okamžité spotřeby řízené kompenzačním algoritmem Z grafu je patrné, že ani zde nedochází k překračování technické maximální činné práce. Podle zvlnění růstu spotřeby lze vidět, že dochází ke střídavému odpojování a připojování jednotlivých kanálů v závislosti na porovnání okamžité spotřeby s lineární spotřebou.

Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti kW.s

Obrázek 48 - Průběh okamžité spotřeby řízené kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti 69

I zde je zřejmé, že nedochází k překročení technické maximální činné práce.

Trendový algoritmus kW.s

Obrázek 49 - Průběh okamžité spotřeby řízené trendovým algoritmem Při testování trendového algoritmu se ponechala v grafu část průběhu kombinačního algoritmu pro srovnání s trendovým algoritmem. Je vidět, že trendový algoritmus také nepřekročí s okamžitou spotřebou spotřebu technického maxima. V porovnání s kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti je vidět "hladší" průběh okamžité spotřeby.

70

Kombinovaný algoritmus kW.s

Obrázek 50 - Průběh okamžité spotřeby řízené kombinovaným algoritmem I tento algoritmus nepřekročil technické maximum. Z průběhu je zřejmý okamžik přepnutí kombinačního algoritmu na trendový algoritmus - "zvlněný" průběh okamžité spotřeby se změní v "hladký" průběh.

Vyhodnocení algoritmů Z výše provedených testů je prokazatelné, že všechny algoritmy pracují tak, že nepřekračují nastavenou hodnotu technického maxima za 15 minut. Pro bližší pozorování algoritmů ale tyto průběhy nejsou vhodné. Proto se provedlo ještě jednou to samé měření s tím rozdílem, že se prodloužila perioda na, již zmíněných, 45 minut. Tím dojde k roztažení sledovaného průběhu a bude možné pozorovat okamžiky akčních zásahů algoritmů. Maximální činná práce za 15 minut je nyní 108000kWs

Hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce Porovnávací hladiny: 54000, 64800, 75600, 86400, 97200, 108000 kWs

71

kW.s

Obrázek 51 - Okamžitá spotřeba řízená hladinovým algoritmem s vyhodnocením činné práce Na tomto průběhu lze již pozorovat akční zásahy algoritmu a odpojování skupin spotřebičů ve vypočtených porovnávacích hladinách. K odpojení poslední hladiny nedošlo během periody 45 minut.

Hladinový algoritmus vyhodnocením výkonu Porovnávací hladiny: 20, 24, 28, 32, 36, 40 kW kW.s

Obrázek 52 - Okamžitá spotřeba řízená hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu 72

Obrázek 53 - Okamžitý výkon řízený hladinovým algoritmem s vyhodnoc. výkonu Pro zobrazení průběhu průměrného výkonu není vhodné rovnoměrné rozložení spotřeby v jednotlivých kanálech. Zároveň není ideální vykreslovací frekvence webového serveru automatizační stanice (1 minuta). Očekával se průběh podobný teoretickému průběhu.

Kompenzační algoritmus kW.s

Obrázek 54 - Okamžitá spotřeba řízená kompenzačním algoritmem

73

Okamžitá spotřeba určená kompenzačním algoritmem je téměř lineární, její průběh kolísá kolem lineární spotřeby.

Kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti Aby byla umožněna činnost všech hladin spotřebičů alespoň po krátký časový úsek, byl kompenzační algoritmus vylepšen na kombinační s pásmem necitlivosti. kW.s

Obrázek 55 - Okamžitá spotřeba řízená kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti Z průběhu je patrné, že všechny kanály byly ze začátku připojeny a až cca po 20 minutách došlo k jejich odpojování. Cca 10 minut před koncem periody byly zase všechny zpět postupně připojeny.

74

Trendový algoritmus kW.s

Obrázek 56 - Okamžitá spotřeba řízená trendovým algoritmem Průběh spotřeby s tímto algoritmem je velmi vyrovnaný. Nedochází k překmitům a výkyvům.

Kombinovaný algoritmus kW.s

Obrázek 57 - Okamžitá spotřeba řízená kombinovaným algoritmem

75

10.

Závěr

Tato práce si vzala za cíl návrh a realizaci algoritmů regulace spotřeby elektrické energie 15-ti minutového maxima. V úvodu práce jsou popsány důvody k regulaci a teoretické řešení regulace. Hlavní náplní práce byl návrh algoritmů v programu CASE Suite společnosti Sauter a.s. . Z předmětu "Projekt 2" bylo převzato, modifikováno a vylepšeno řešení hladinového algoritmu s vyhodnocením činné práce.

Program nyní umožňuje

procentuální zadávání porovnávacích hladin (vypočítáno z technického maxima) k odepnutí skupin spotřebičů. Dále byl tento algoritmus doplněn hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu pracujícího na principu vyhodnocování aktuálního výkonu, který slouží jako omezovač výkonu. Algoritmus opět umožňuje procentuální zadávání odpojovacích hodnot. Dále byla vytvořena dvojice kompenzačních algoritmů kompenzační algoritmus a kombinační algoritmus s pásmem necitlivosti. Kombinační algoritmus obsahuje modifikovatelné parametry pro nastavení šířky pásma necitlivosti spotřeby. Nejsložitějším úkolem bylo navrhnutí trendového algoritmu. Ačkoliv je tento algoritmus považován za nejsložitější a nejlepší především za jeho předvídavou schopnost, řešení ukázalo, že algoritmus není tak složitý. Sloučením tří zmíněných skupin algoritmů se získal výsledný algoritmus, jehož výhoda spočívá v pásmu necitlivosti na počátku algoritmu, předvídavému charakteru na konci algoritmu a pojistnému charakteru hladinového algoritmu. Takto vznikl regulátor, který se svými parametry rovná drahým regulátorům spotřeby čtvrthodinového maxima. Výhodou je, že veškeré parametry jsou konfigurovatelné. Dále jsou součástí práce i "Pokyny k programu" (samostatná kapitola), kde je popsáno kompletní nastavení vstupních parametrů k jednotlivým algoritmům. Pro testování sloužil navrhnutý generátor impulzů spotřeby, který simuloval chování 6 skupin spotřebičů a umožňoval jejich odpojování/připojování v závislosti na požadavcích algoritmů. Z uvedených naměřených průběhů okamžité spotřeby je zřejmé, že všechny algoritmy pracovaly správně a žádný nepřekračoval hodnotu technického maxima (s ohledem na nastavenou rezervu). Při testování se ukázalo, že nejvhodnější by byl kombinační algoritmus (neplést s kombinovaným), a to vzhledem k jeho méně častému odpojování spotřebičů a možnosti běhu všech kanálů spotřebičů na počátku periody.

76

Kompenzační a trendový algoritmus často střídaly odpojování 2 až 3 skupin spotřebičů při rovnoměrném odběru. Z toho plyne, že nejlepší volbou je vytvoření regulátoru jako kombinaci kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti a trendového algoritmu. Po celou dobu běhu regulátoru je aktivní hladinový algoritmus s vyhodnocením činné práce, který jistí regulační cyklus v případě náhlého velkého odběru elektrické energie. Pro zobrazení výsledků měření se používal webový server automatizační stanice modu525. Jeho nevýhodou byla nemožnost nastavení rozlišení časové osy (pevně nastavena 1 minuta). Původně zamýšlená grafická nadstavba se nezrealizovala vzhledem k její ceně. Jiná grafická nadstavba, která by byla volně dostupná a jejíž činnost by nebyla licencována, není k dispozici. Z naměřených průběhů je patrné, že zobrazovací nástroj webového serveru není ideálním řešením pro bližší zkoumání průběhů spotřeby elektrické energie. Pro ověřovací a testovací účely je však dostačující Tato práce vedla k vytvoření regulátoru spotřeby elektrické energie 15-ti minutového maxima s kombinovaným algoritmem. Tento regulátor bude hlídat dodržování spotřeby elektrické energie určené technickým maximem, jehož případné překročení by bylo draze penalizováno rozvodnými závody. Využití tohoto regulátoru může vést ke snížení nákladů podniku na platbu za sjednané technické maximum a zároveň odebíranou elektrickou energii. Jistě by bylo do budoucna velice zajímavé otestovat funkčnost regulátoru na skutečné instalaci a případně zhodnotit vhodnost použití tohoto řešení.

77

11.

Citovaná literatura

Bokr, J., & Jáneš, V. (1999). Logické systémy. Praha: VYdavatelství ČVUT. Majda, F. (12/2008). Čtvrthodinové maximum. ELEKTRO , 26-28. Power System Control Technology1986Dentice-Hall International (UK) Prokeš, L. (nedatováno). Čtvrthodinové maximum - hlídání a regulace. Získáno Leden Květen 2012, z Luboš Prokeš - elektro: http://www.lubosprokes.cz/maximum.php Roadstrum, W., & D.H.Wolaver. (1994). Electrical engineering for all engineers. Sauter. (2012). firemní materiály. Praha. Načteno z sauter.cz: www.sauter.cz TecoInfo - firemní občasník. (nedatováno). Regulátory spotřeby. Získáno Leden - Květen 2012, z Ing. Luděk Kohout: http://www.edumat.cz/texty/spotreba_text.pdf Učební texty - Regulace spotřeby. (2007). Získáno Leden - Květen 2012, z Ing.Luděk Kohout: http://www.edumat.cz/texty/Regulace_spotreby.pdf

78

12.

Seznam příloh na CD

Složky: _Obrázky - Všechny obrázky použité v práci _Schémata z CASE Engine - kompletní dokumentace k programu _Projekt CASE Engine - kompletní projekt DP v programu CASE Engine _SAUTER literatura - použitá literatura společnosti SAUTER Samostatné soubory: Diplomová práce.pdf

79

13.

Seznam obrázků

Obrázek 1 - Ukázka principu hladinového algoritmu s vyhodnocením činné práce ........... 12 Obrázek 2 - Ukázka principu hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu ................. 13 Obrázek 3 - Ukázka principu kompenzačního algoritmu .................................................... 14 Obrázek 4 - Ukázka principu kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti ................... 15 Obrázek 5 - Ukázka principu trendového algoritmu ........................................................... 16 Obrázek 6 - Ukázka principu kombinovaného algoritmu ................................................... 18 Obrázek 7 - ecos500 ............................................................................................................ 23 Obrázek 8 - modu525 .......................................................................................................... 23 Obrázek 9 - Schéma hladinového algoritmu s vyhodnocením činné práce ......................... 26 Obrázek 10 - Postupné odpojování/připojování hladin ....................................................... 27 Obrázek 11 - Schéma bloku "Průměrný výkon" ................................................................. 28 Obrázek 12 - Průběh na vstupu a výstupu bloku R_TRIG .................................................. 28 Obrázek 13 - Schéma hladinového algoritmu s vyhodnocením výkonu ............................. 29 Obrázek 14 - Logika odpojování/připojování skupin spotřebičů ........................................ 30 Obrázek 15 - Schéma kompenzačního algoritmu ................................................................ 31 Obrázek 16 - Blokové schéma výpočtu lineární spotřeby ................................................... 32 Obrázek 17 - Logika odpojování/připojování kompenzačního algoritmu........................... 33 Obrázek 18 - Způsob odpojování/připojování výstupů v závislosti na vstupech NASTAV / RESET ................................................................................................................................. 34 Obrázek 19 - Schéma kombinačního algoritmu s pásmem necitlivosti .............................. 35 Obrázek 20 - Princip výpočtu odpínací / zapínací přímky .................................................. 36 Obrázek 21 - Blokové schéma výpočtu spotřeby podle odpínací přímky ........................... 36 Obrázek 22 - Blokové schéma výpočtu spotřeby podle zapínací přímky ........................... 37 Obrázek 23 - Schéma trendového algoritmu ....................................................................... 39 Obrázek 24 - Schéma výpočtu směrnice K ......................................................................... 40 Obrázek 25 - Schéma výpočtu posunu q ............................................................................. 40 Obrázek 26 - Schéma odpojování hladin u hladinového algoritmu .................................... 42 Obrázek 27 - Schéma bloku SET_ALG .............................................................................. 43 Obrázek 28 - Schéma kombinovaného algoritmu ............................................................... 44 Obrázek 29 - Funkční diagram časovače T_TRIG .............................................................. 45 Obrázek 30 - Funkční diagram časovače T_PR .................................................................. 46 Obrázek 31 - Zapojení dvou časovačů pro synchronizační impuls ..................................... 47 Obrázek 32 - Blokové schéma výpočtu uplynulého času z periody .................................... 48 Obrázek 33 - Pravdivostní tabulky synchronního RS klopného obvodu ............................ 49 Obrázek 34 - Podmínka pro nastavení bitu "Porucha synchronizace" ................................ 50 Obrázek 35 - Blokové schéma synchronizovaného časovače ............................................. 53 Obrázek 36 - Schéma výpočtu okamžité spotřeby .............................................................. 54 Obrázek 37 - Schéma diskretizačního obvodu .................................................................... 54 Obrázek 38 - Schéma kontroly ztráty dat (impulsů spotřeby) ............................................. 55

80

Obrázek 39 - Schéma určení Průměrné, maximální a střední hodnoty spotřeby 15 minut za 8 hodin ................................................................................................................................. 56 Obrázek 40 - Schéma výpočtu maximální denní a měsíční spotřeby .................................. 58 Obrázek 41 - Časový průběh na výstupu generátorů pulzů PLS ......................................... 63 Obrázek 42 - Schéma generátoru impulsů představujících spotřebu jednotlivých skupin spotřebičů ............................................................................................................................ 64 Obrázek 43 - Průběh spotřeby bez regulace ........................................................................ 66 Obrázek 44 - Průběh regulované okamžité spotřeby řízené hladinovým algoritmem s vyhodnocením činné práce .................................................................................................. 67 Obrázek 45 - Průběh regulované okamžité spotřeby řízené hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu ........................................................................................................ 67 Obrázek 46 - Průběh okamžitého výkonu řízeného hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu ........................................................................................................ 68 Obrázek 47 - Průběh okamžité spotřeby řízené kompenzačním algoritmem ...................... 69 Obrázek 48 - Průběh okamžité spotřeby řízené kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti ........................................................................................................................... 69 Obrázek 49 - Průběh okamžité spotřeby řízené trendovým algoritmem ............................. 70 Obrázek 50 - Průběh okamžité spotřeby řízené kombinovaným algoritmem ..................... 71 Obrázek 51 - Okamžitá spotřeba řízená hladinovým algoritmem s vyhodnocením činné práce..................................................................................................................................... 72 Obrázek 52 - Okamžitá spotřeba řízená hladinovým algoritmem s vyhodnocením výkonu ............................................................................................................................................. 72 Obrázek 53 - Okamžitý výkon řízený hladinovým algoritmem s vyhodnoc. výkonu ......... 73 Obrázek 54 - Okamžitá spotřeba řízená kompenzačním algoritmem.................................. 73 Obrázek 55 - Okamžitá spotřeba řízená kombinačním algoritmem s pásmem necitlivosti 74 Obrázek 56 - Okamžitá spotřeba řízená trendovým algoritmem ......................................... 75 Obrázek 57 - Okamžitá spotřeba řízená kombinovaným algoritmem ................................. 75

81