一种分布式多泵并联系统的节能控制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109059194 A(43)申请公布日 2018.12.21

(21)申请号 2018105819.6(22)申请日 2018.06.08

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区100084信箱82

分箱清华大学专利办公室(72)发明人 赵千川　王雪涛　杨文　王奕凡　(74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限

公司 11245

代理人 徐宁　刘美丽(51)Int.Cl.

F24F 11/46(2018.01)F24F 11/62(2018.01)F24F 11/(2018.01)F24F 11/85(2018.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图4页

CN 109059194 A()发明名称

一种分布式多泵并联系统的节能控制方法(57)摘要

本发明涉及一种分布式多泵并联系统的节能控制方法，包括：初始化智能控制节点，设定执行参数；发起调节的智能控制节点随机生成一定数量的转速比样本点并与执行参数进行比对，确定水泵的工作状态以及转速比样本点的取舍情况，并将计算结果传递给邻居节点；邻居节点根据接收到的信息进行反馈，确定转速比样本点的取舍情况，如果该节点不存在下一个节点则结束本轮迭代，并进行下一轮迭代过程，如果该邻居智能控制节点存在下一个邻居智能控制节点，则将转速比样本点及相应计算结果传递给下一个邻居智能控制节点；当所有智能控制节点的计算轮数大于约定的轮数时，迭代结束，所有智能控制节点根据当前最优转速比信息，调节变频器输出频率控制相应水泵。

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1.一种分布式多泵并联系统的节能控制方法，所述分布式多泵并联系统包括若干水泵、变频器和智能控制节点，每一所述水泵通过一所述变频器连接一所述智能控制节点，各所述智能控制节点之间通过有线或无线的方式进行通信；其特征在于包括以下内容：

步骤1)：初始化所有智能控制节点，并设定执行参数；步骤2)：智能控制节点随机生成一定数量的转速比样本点并与设定的执行参数进行比对，确定水泵的工作状态以及转速比样本点的取舍情况，发起调节的智能控制节点将转速比样本点及相应计算结果传递给邻居智能控制节点；

步骤3)：邻居智能控制节点根据接收到的信息进行反馈，并与执行参数进行比对，确定该智能控制节点的转速比样本点的取舍情况，如果该邻居智能控制节点不存在下一个邻居智能控制节点则结束本轮迭代，并进行下一轮的迭代过程，如果该邻居智能控制节点存在下一个邻居智能控制节点，则将转速比样本点及相应计算结果传递给下一个邻居智能控制节点；

步骤4)：当所有智能控制节点的计算轮数大于约定的轮数时，迭代结束，所有智能控制节点根据当前最优转速比信息，调节变频器输出频率控制相应水泵。

2.根据权利要求1所述的分布式多泵并联系统的节能控制方法，其特征在于，执行参数包括每一智能控制节点对应水泵的性能曲线数据、转速比取值范围以及总流量和扬程设定值、邻居智能控制节点数目、约定的计算轮数、总能耗上界和最优转速比。

3.根据权利要求2所述的分布式多泵并联系统的节能控制方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：

A1、所有智能控制节点随机生成一定数目的转速比样本点，并根据预设的转速比的取值范围对转速样本点进行判断，当转速比样本点均不满足转速比取值范围要求时，则取零，表示该智能控制节点所对应控制的水泵关闭，否则进入A2；

A2、智能控制节点通过水泵特性曲线，计算各个转速比样本点的对应水泵流量和能耗；A3、发起调节的智能控制节点将本地生成的转速比样本点以及与该转速比样本点对应的流量和、能耗和及取舍标志信息，传递给邻居智能控制节点。

4.根据权利要求2所述的分布式多泵并联系统的节能控制方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程为：

B1、邻居智能控制节点根据收到的信息，判断自己邻居数目是否大于一，若是则执行操作B2，否则执行操作B3；

B2、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，计算本地流量与上一个智能控制节点传递过来的流量和进行求和，判断是否满足总流量约束，若满足总流量约束则计算相应的能耗，并判断能耗和是否超过当前总能耗上界，若是则舍弃该转速比样本，该邻居智能控制节点将本地的转速比，对应的流量和、能耗和及取舍标志传递给下一个邻居智能控制节点，同时，该智能控制节点重新生成一定数目的转速比样本点，并相应计算流量和能耗，计算轮数加1，进入步骤B1；

B3、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，由约束条件和上一个智能控制节点传递过来的流量和，计算本地的流量和转速比，若转速比满足转速比范围要求则计算能耗，否则舍弃，判断能耗和是否小于当前总能耗，若是则保留，选取其中最小的更新总能耗上界，并更新当前各个水泵最优转速比取值，将能耗上界、当前最优转速比以及新的转速比样本、流

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量、能耗、取舍标志发送给邻居智能控制节点，计算轮数加2；

B4、当所有智能控制节点的计算轮数小于预定轮数时，智能控制节点重新生成一定数量的转速比样本点，进入步骤B1重新计算各个转速比样本点所对应的流量和能耗进入下一次迭代。

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一种分布式多泵并联系统的节能控制方法

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技术领域

[0001]本发明是关于一种分布式多泵并联系统的节能控制方法，涉及建筑节能技术领域。

背景技术

[0002]在公共建筑领域中，人们对环境提出了越来越高的要求，使得空调系统能耗所占的比重也逐步增高，其中空调能耗的15％～30％消耗在水泵运作上。在空调水系统中，普遍存在多泵并联的情况，对多泵并联会存在一个总流量和扬程设定值需求，如果并联水泵的流量分配不合理，则能量消耗总量相当可观。现有的控制模式普遍采用主从控制模式，这种控制模式存在着鲁棒性能差，安装调试复杂等问题，不利于优化各台水泵转速，使得水泵实际工况处于非合理工况，而且现有分布式多泵并联系统的节能控制方法不是很成熟，这些因素增加了多泵并联系统的总能耗。总之，在空调水系统中，存在着水泵运行不合理，造成资源浪费的实际问题。

[0003]现有技术公开的并联水泵系统控制方法大多数是基于集中式控制架构，只有极少数是采用分布式的控制模式。例如，申请号为201510314137.9名称是“基于无中心网络的水泵系统、水泵控制器及控制方法”的发明专利，通过采用调节效率预期的方法来改变流量分配，这种方法存在着适用性差，求解过程复杂等缺点。发明内容

[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种分配快速且稳定可靠的分布式多泵并联系统的节能控制方法。

[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种分布式多泵并联系统的节能控制方法，所述分布式多泵并联系统包括若干水泵、变频器和智能控制节点，每一所述水泵通过一所述变频器连接一所述智能控制节点，各所述智能控制节点之间通过有线或无线的方式进行通信；其特征在于包括以下内容：[0006]步骤1)：初始化所有智能控制节点，并设定执行参数；[0007]步骤2)：智能控制节点随机生成一定数量的转速比样本点并与设定的执行参数进行比对，确定水泵的工作状态以及转速比样本点的取舍情况，发起调节的智能控制节点将转速比样本点及相应计算结果传递给邻居智能控制节点；[0008]步骤3)：邻居智能控制节点根据接收到的信息进行反馈，并与执行参数进行比对，确定该智能控制节点的转速比样本点的取舍情况，如果该邻居智能控制节点不存在下一个邻居智能控制节点则结束本轮迭代，并进行下一轮迭代过程，如果该邻居智能控制节点存在下一个邻居智能控制节点，则将转速比样本点及相应计算结果传递给下一个邻居智能控制节点；

[0009]步骤4)：当所有的智能控制节点的计算轮数大于约定的轮数时，迭代结束，所有智能控制节点根据当前最优转速比信息，调节变频器输出频率控制相应水泵。

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进一步地，执行参数包括每一智能控制节点对应水泵的性能曲线数据、转速比取

值范围以及总流量和扬程设定值、邻居智能控制节点数目、约定的计算轮数、总能耗上界和最优转速比。

[0011]进一步地，所述步骤2)的具体过程为：[0012]A1、智能控制节点随机生成一定数目的转速比样本点，并根据预设的转速比的取值范围对转速样本点进行判断，当转速比样本点不满足转速比取值范围要求时，则取零，表示该智能控制节点所对应控制的水泵关闭，否则进入A2；[0013]A2、智能控制节点通过水泵特性曲线，计算各个转速比样本点的对应水泵流量和能耗；

[0014]A3、发起调节的智能控制节点将本地生成的转速比样本点以及与该转速比样本点对应的流量和、能耗和及取舍标志信息，传递给邻居智能控制节点。[0015]进一步地，所述步骤3)的具体过程为：[0016]B1、邻居智能控制节点根据收到的信息，判断自己邻居数目是否大于一，若是则执行操作B2，否则执行操作B3；[0017]B2、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，计算本地流量与上一个智能控制节点传递过来的流量和进行求和，判断是否满足总流量约束，若满足总流量约束则计算相应的能耗，并判断能耗和是否超过当前总能耗上界，若是则舍弃该转速比样本，该邻居智能控制节点将本地的转速比，对应的流量和、能耗和及取舍标志传递给下一个邻居智能控制节点，同时，该智能控制节点重新生成一定数目的转速比样本点，并相应计算流量和能耗，计算轮数加1，进入步骤B1；[0018]B3、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，由约束条件和上一个智能控制节点传递过来的流量和，计算本地的流量和转速比，若转速比满足转速比范围要求则计算能耗，否则舍弃，判断能耗和是否小于当前总能耗，若是则保留，选取其中最小的更新总能耗上界，并更新当前各个水泵最优转速比取值，将能耗上界、当前最优转速比以及新的转速比样本、流量、能耗、取舍标志发送给邻居智能控制节点，计算轮数加2；[0019]B4、当所有智能控制节点的计算轮数小于预定轮数时，智能控制节点重新生成一定数量的转速比样本点，进入步骤B1重新计算各个转速比样本点所对应的流量和能耗进入下一次迭代。

[0020]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的分布式多泵并联系统包括若干水泵、变频器和智能控制节点，每一水泵均通过变频器连接智能控制节点，各智能控制节点之间通过有线或无线的方式进行通信，由于采用分布式控制模式，增强了系统的可靠性；且各个智能控制节点自组织，互协作，算法相同，使得系统扩展更加便捷，且本发明保证了优化结果满足系统总的扬程和流量需求，并且总能耗最小。2、本发明的智能控制节点采用随机生成转速比样本点的方法，实现流量的分配，避免了对各种组合方案的讨论，从而达到快速分配、稳定可靠的效果。3、本发明的控制模式打破了传统的主从架构，不存在中心控制节点，是一种分布式控制架构，每个智能控制节点的获取信息并进行计算和通信，各个智能控制节点无需知道到达任意节点的路径，只需要将本地计算的信息传递给邻居智能控制节点即可，由于不存在对邻居智能控制节点的依赖，当邻居智能控制节点出现故障、通信线路损坏等情况，仍能保证系统的正常运行，增强系统适应拓扑变化的能力。

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附图说明

[0021]图1是本发明的分布式多泵并联系统的结构示意图；

[0022]图2是本发明的分布式多泵并联系统的节能控制方法流程示意图；[0023]图3是本发明实施例的并联水泵系统控制算法逻辑示意图；[0024]图4是本发明实施例中水泵特性曲线示意图；

[0025]图5是本发明实施例中并联水泵系统总能耗变化示意图。

具体实施方式

[0026]以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的。

[0027]本发明提供一种分布式多泵并联系统的实施结构以此为例，不限于此，其包括若干水泵1、智能控制节点2、变频器3，其中，水泵1、智能控制节点2和变频器3的数量均相同，具体数量不做限定，可以根据具体需要进行设置。每一水泵1均通过一变频器3连接一智能控制节点2。智能控制节点2之间通过有线或无线的方式进行通信，各个智能控制节点2之间彼此平等，相互协作形成分布式控制模式。每个智能控制节点2中预先存入相应离心式水泵的性能曲线数据(性能特征曲线可以采用真实数据拟合得到，或者厂家提供的参数，贴近实际运行工况)。当空调系统在某一时刻给定总的流量和扬程设定值时，各个智能控制节点2通过随机生成转速比样本点的方法，互相之间不断通信协作，优化各个水泵转速比取值不断迭代，降低系统总能耗，寻找最优的流量分配方案。当各台水泵的转速比趋于稳定时，调节变频器的输出频率，进而调节相应各个水泵的流量和扬程，满足系统总的需求，使得能耗趋于最小，实现节能的目标。如图1所示，本发明实施例提供的分布式多泵并联系统包括四个离心式水泵1，四个离心式水泵1并联连接水管的一端，水管的另一端连接并联冷机组4的一端，冷机组4的另一端连接供水管道，供水管道上设置有分水器，用于向各个空调箱提供冷冻水，并联连接的离心式水泵1还分别连接回水管道，回水管道上设置有集水器，分水器和集水器之间设置有旁通阀5，每个空调箱处设置有一个水阀6。[0028]如图2所示，本发明提供的分布式多泵并联系统的节能控制方法，包括以下内容：[0029]1、初始化所有智能控制节点，并设定执行参数；其中，执行参数包括每一智能控制节点对应水泵的性能曲线数据、转速比取值范围以及总流量和扬程设定值、邻居节点数目、约定的计算轮数、总能耗上界和最优转速比等信息。[0030]2、智能控制节点随机生成转速比样本点并进行相关计算，即：所有智能控制节点随机生成一定数量的转速比样本点并与设定的执行参数进行比对，确定水泵的工作状态以及转速比样本点的取舍情况，发起调节智能控制节点将转速比样本点及相应计算结果传递给邻居智能控制节点，具体为：[0031]A1、所有智能控制节点随机生成一定数目的转速比样本点，并根据预设的转速比的取值范围对转速样本点进行判断，当转速比样本点不满足转速比取值范围要求时，则取零，表示该智能控制节点所对应控制的水泵关闭，否则进入A2；[0032]A2、智能控制节点通过水泵特性曲线，计算满足取值范围的转速比对应的水泵流量和能耗；

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A3、发起调节的智能控制节点将本地生成的转速比样本点，对应的流量和、能耗

和、取舍标志等信息，传递给邻居智能控制节点。[0034]3、邻居智能控制节点根据接收到的信息进行反馈，并与执行参数进行比对，确定该智能控制节点的转速比样本点的取舍情况，如果该邻居智能控制节点不存在下一个邻居智能控制节点则结束本轮迭代，并进行下一轮的迭代过程，如果该邻居智能控制节点存在下一个邻居智能控制节点，则将转速比样本点及相应计算结果传递给下一个邻居智能控制节点，具体过程为：[0035]B1、邻居智能控制节点根据收到的信息，判断自己邻居数目是否大于一，若是则执行操作B2，否则执行操作B3；[0036]B2、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，计算本地流量与上一个智能控制节点传递过来的流量和进行求和，判断是否满足总流量约束，若满足总流量约束则计算相应的能耗，并判断能耗和是否超过当前总能耗上界，若是则舍弃该转速比样本，该邻居智能控制节点将本地的转速比，对应的流量和、能耗和、取舍标志等信息，传递给下一个邻居智能控制节点，同时，该智能控制节点重新生成一定数目的转速比样本点，并相应计算流量和能耗，计算轮数加1，进入步骤B1；[0037]B3、邻居智能控制节点根据收到的取舍标志，由约束条件和上一个智能控制节点传递过来的流量和，计算本地的流量和转速比，若转速比满足转速比范围要求则计算能耗，否则舍弃。判断能耗和是否小于当前总能耗，若是则保留，选取其中最小的更新总能耗上界，并更新当前各个水泵最优转速比取值，将能耗上界、当前最优转速比以及新的转速比样本、流量、能耗、取舍标志发送到邻居智能控制节点，计算轮数加2；[0038]B4、当所有的智能控制节点的计算轮数小于预定轮数时，智能控制节点重新生成一定数量的转速比样本点，进入步骤B1重新计算各个转速比样本点所对应的流量和能耗进入下一次迭代。[0039]4、当所有智能控制节点计算轮数大于约定的轮数时，所有智能控制节点根据当前最优转速比信息，调节变频器输出频率控制相应水泵进行工作。

[0040]下面通过具体实施例详细说明本发明的分布式多泵并联系统的节能控制方法的具体实现过程。

[0041]当空调系统中对于水泵系统总扬程和总流量的设定值发生变化，则分布式多泵并联系统中各个智能控制节点感知到此变化，会引起水泵系统新的一轮调节过程，各个智能控制节点之间相互协调，分配总流量到各个水泵，并优化系统总的能耗需求，具体过程为：

[0042]如图1～5所示，本实施例设置有S01、S02、S03、S04号四个智能控制节点，采用四个智能控制节点进行水泵工作的控制，每个智能控制节点的控制算法如图3所示，具体为：[0043]1、智能控制节点初始化操作，分别设定水泵曲线参数取值、转速比取值范围、总流量和扬程值，邻居节点数目，约定的计算轮数，总能耗上界和最优转速比等信息；[0044]2、发起调节的智能控制节点S01随机生成[0，1]均匀分布的20个转速比样本点，逐一判断各个转速比样本点是否小于

若是则取零，否则计算各个转速比样本点对应的流

量Qi和能耗Pi，具体为：

[0045]发起调节的智能控制节点S01号节点Qsum，Psum，并将自己的ω1、Qsum，1＝Q1、1＝P1，1

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(流量和)、Psum，P*(能耗上界)、ω*(最优转速比)及取舍信息发送给邻居智能控1(能耗和)、制节点S02号节点；当发起调节的智能控制节点的计算轮小于预定轮数时，智能控制节点S01号节点重新生成随机变量ω1的20个转速比样本点，根据上述过程重新计算各个转速比样本点所对应的流量和能耗，计算轮数加1，进入迭代过程；[0046]邻居智能控制节点S02号节点根据收到消息，由取舍标志决定计算流量和Qsum，2＝Q2+Qsum，判断是否满足总流量约束条件，若是则进一步计算能耗Psum，并判断是1，2＝P2+Psum，1，否小于总能耗∑Pi上界P*，更新取舍标志，将ω1、ω2、Qsum，Psum，2、2及取舍标志等信息发送给下一个邻居智能控制节点S03号节点；同时，邻居智能控制节点S02重新生成随机变量ω2的20个样本点，计算各个转速比的流量和能耗，计算轮数加1。[0047]邻居智能控制节点S03节点根据收到消息，由取舍标志决定计算流量和Qsum，3＝Q3+Qsum，判断是否满足总流量约束条件，若是则进一步计算能耗和Psum，并判断是2，3＝Q3+Qsum，3，否小于总能耗∑Pi上界P*，更新取舍标志，将ω1、ω2、ω3、Qsum，Psum，P*、ω*取舍标志等信3、3、息发送给下一个邻居智能控制节点S04号节点；同时，S03号节点号节点重新生成随机变量ω3的20个样本点，计算各个转速比的流量和能耗，计算轮数加1。[0048]邻居智能控制节点S04号节点收到消息后，由取舍标志计算Q4＝Q0-Qsum，ω4，判断3、ω4是否满足取值范围要求，若满足则计算P4、Psum，判断Psum，4＝P4+Psum，3，4是否小于总能耗∑

*

Pi上界P*，最后从所有满足约束的情况中选择最小的Psum，同4来更新上界总能耗∑Pi上界P，时更新对应的各个水泵当前最优转速比取值ω*。重新生成随机变量ω4的20个转速比样本点，Qsum，Psum，Qsum，Psum，P*、ω*发送给邻居智能控制4＝Q4、4＝P4,并将更新之后的信息ω4、4、4、节点S03号节点，计算轮数加2，依次迭代计算，S03、S02号节点的计算方法与前述相同，S01号节点的计算方法与前述S04号节点相同。[0049]3、如果智能控制节点小于约定的轮数，继续执行上述计算过程；如果发起调节的智能控制节点计算的轮数大于约定的轮数，则根据当前最优转速比，调节变频器输出频率来控制相应水泵进行工作。[0050]可选地，各台水泵的流量Qi和能耗值Pi不仅可以通过计算的方法得到，还可以通过在线学习的方式得到，记录水泵在各种工况下工作的数据，建立水泵的工作数据集，利用机器学习的方法获得水泵在给定工况下的工作状态。

[0051]上面已经展示和叙述了本发明的一个具体实施实例，可以理解的是，上述实施例是仅用于说明本发明，不能理解为对本发明的，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，但均不应排除在本发明的保护范围之外。

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图4

图5

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