基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統及方法與流程
本發明涉及空調、能源與信息技術領域，特別涉及一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統及方法。
背景技術：
目前的中央空調主機臺數控制往往由運行管理人員根據經驗確定，手動控制相應機組的啟停。一方面，運行管理人員根據經驗確定的運行臺數難以保證是最優的運行工況，可能帶來了能耗過大的問題，存在進一步優化節能的潛力。另一方面，運行管理人員的手動控制，調節時間難以及時精確，往往存在調節不及時造成能耗浪費的問題。為了解決這些問題，目前已經有一些相關技術著眼于中央空調主機運行的自動控制。例如，專利《中央空調系統及其控制系統和控制方法》(申請號cn201610831851.x)，公開了一種空調系統的控制方法，由一個或多個系統設備集成所有設備控制器從而構成智能系統，將中央空調系統的控制系統的訂單式開發方式改進為標準化、通用化的開發方式。專利《一種設備群控系統》(申請號cn201610248083.5)，實現了一種基于主從控制器的分布式控制方式的設備群控系統，通過在設備群控系統中設置多個控制器(主+從)對系統中的設備群進行協調控制，緩解了集中控制方式中單個控制器的工作壓力，提升群控系統的運行穩定性及可靠性。專利《一種中央空調冷站自動控制系統》(申請號cn201610575485.6)，通過與冷站設備等數量的本地控制器、與本地控制器等數量的上位機等構成一個自動控制系統，通過安裝冷站設備的物理連接拓撲進行上位機連接，可自動建立中央空調冷站自動控制系統的連接拓撲。專利《空調主機增減機控制方法、裝置和空調系統》(申請號cn201510053981.0)，通過中央空調主機的制冷/制熱量及運行功率的計算模型以及空調末端的實際負荷需求q0，分別計算出單臺主機的制冷/制熱量平分負荷q0/i時所對應中央空調主機運行總功率最小的組合即為最優的中央空調主機運行臺數組合。
然而，目前已有的相關技術中，并沒有解決多臺不同容量中央空調主機的優化運行臺數的問題，沒有給出最優運行臺數下各臺中央空調主機的最優供冷量，并且都是采用集中式系統的方式進行控制，不能實現控制設備的自組織、即插即用，不利于減少控制系統配置所需的人工成本。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
為此，本發明的一個目的在于提出一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統，該系統能夠實現中央空調主機控制系統的自組網、控制設備的即插即用，采用分布式計算方法，通過迭代計算，快速求解拉格朗日法變換后的中央空調主機運行臺數優化問題。
本發明的另一個目的在于提出一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法。
為了實現上述目的，本發明第一方面的實施例提出了一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統，包括：一個或多個中央空調主機智能控制器，用于實現所控中央空調主機的本地控制器與能源站控制網絡間的通信，以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務；一個或多個智能傳感器，用于將所測冷凍水流量和溫度的數值發送給能源站控制網絡，以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務；一個或多個智能執行器，用于將中央空調主機的運行狀態、變頻調速器的頻率發送給能源站控制網絡，并接收能源站控制網絡的動作指令并調節中央空調主機的啟停和變頻調速器的頻率、以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務。
另外，根據本發明上述實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統還可以具有如下附加的技術特征：
在一些示例中，所述多個中央空調主機智能控制器之間以無線通信方式互連，形成無中心、扁平化的對等網絡，以實現多個中央空調主機智能控制器的自組網、控制設備的即插即用、分布式計算的功能。
在一些示例中，所述中央空調主機的臺數優化問題以所有中央空調主機總能耗最小為優化目標，通過拉格朗日法求解該優化問題。
在一些示例中，所述中央空調主機智能控制器用于采用分布式計算的方式，迭代求解優化問題，得到最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。
在一些示例中，所述智能執行器用于根據優化控制問題的求解結果，控制相應中央空調主機的啟停，調節運行中央空調主機的冷凍水流量，使得每臺中央空調主機的制冷/熱量滿足最優制冷/熱量的要求。
根據本發明實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，即采用無中心分布式網絡系統架構，實現中央空調主機控制系統的自組網、控制設備的即插即用，通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，并通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。該系統獨立于設備底層控制回路，具有利用無中心扁平化網絡技術、分布式并行計算、能耗最小化優化運行等特征。
為了實現上述目的，本發明第二方面的實施例提出了一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法，包括以下步驟：s1：中央空調主機的臺數優化問題以所有中央空調主機總能耗最小為優化目標，通過拉格朗日法求解該優化問題；s2：中央空調主機智能控制器采用分布式計算的方式，迭代求解優化問題，得到最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量；s3：智能執行器根據優化控制問題的求解結果，控制相應中央空調主機的啟停，調節運行中央空調主機的冷凍水流量，使得每臺中央空調主機的制冷/熱量滿足最優制冷/熱量的要求。
另外，根據本發明上述實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法還可以具有如下附加的技術特征：
在一些示例中，在所述s1中，所述中央空調主機的臺數優化問題的定義如式(1)所示：
其中，i＝1,2,…,n，n是中央空調主機的總臺數，pi是第i臺中央空調主機在制冷/熱量為qi的條件下的耗電功率，qi,min及qi,max分別表示第i臺中央空調主機的最小及最大制冷/熱量，q0是空調負荷需求。
在一些示例中，在所述s2中，通過拉格朗日法對所述優化問題的函數進行變形，變形后的優化問題如式(2)所示：
其中，λ為拉格朗日乘子，式(2)取得極小值的條件是式(2)中的目標函數對所有變量取偏導數等于0時，即各個中央空調主機的滿足式(3)時，總能耗取得最小值，則將式(3)化簡得到式(4)，具體為：
在一些示例中，所述s2進一步包括：采用分布式算法迭代求解滿足式(4)的各個qi值，具體包括：
s21：中央空調主機智能節點組合c中的任意一個智能節點v獲知空調負荷需求q0，由該計算節點作為主計算節點在c中發起生成樹，連接其他所有智能節點；
s22：智能節點v設0＝1，發起第k次迭代，將k-1沿生成樹發送給所有智能節點，其中，k≥1；
s23：每個智能節點接收到k-1，求解式(4)得到當前對應的制冷/制熱量qi；
s24：每個智能節點將qi延生成樹傳遞和計算，最終結果匯集到主智能節點v；
s25：主智能節點v判斷是否收斂，其中，
如果|∑qi-q0|<ε，則停止計算，輸出制冷/熱量分配結果{qi}，其中，ε為迭代完成要求的精度；
如果|∑qi-q0|≥ε，則按照公式(5)更新拉格朗日乘子，并返回步驟s22，其中，所述公式(5)為：
λk＝λk-1-γ(q0-∑qi,k)(5)。
在一些示例中，在所述s1之前，還包括：多個中央空調主機智能控制器之間以通信方式互連，形成無中心、扁平化的對等網絡。
根據本發明實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，即采用無中心分布式網絡系統架構，實現中央空調主機控制系統的自組網、控制設備的即插即用，通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，并通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。該方法獨立于設備底層控制回路，具有利用無中心扁平化網絡技術、分布式并行計算、能耗最小化優化運行等特征。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統的結構框圖；
圖2是根據本發明另一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統的結構示意圖；
圖3是根據本發明一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法的流程圖；
圖4是根據本發明另一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法的詳細流程圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統及方法。
圖1是根據本發明一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統的結構框圖。如圖1所示，該系統1000包括：一個或多個中央空調主機智能控制器100、一個或多個智能傳感器200和一個或多個智能執行器300。
其中，一個或多個中央空調主機智能控制器100，作為分布式計算節點和通信節點，用于實現所控中央空調主機的本地控制器與能源站控制網絡間的通信，以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務。
一個或多個智能傳感器200，作為分布式計算節點和通信節點，用于將所測冷凍水流量和溫度的數值發送給能源站控制網絡，以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務。具體地，一個或多個智能傳感器200例如通過無線通信方式將所測冷凍水流量和溫度的數值發送給能源站控制網絡。
一個或多個智能執行器300，作為分布式計算節點和通信節點，用于將中央空調主機的運行狀態、變頻調速器的頻率發送給能源站控制網絡，并接收能源站控制網絡的動作指令并調節中央空調主機的啟停和變頻調速器的頻率，以及通過分布式計算與其它節點協同完成優化控制計算任務。具體地，一個或多個智能執行器300例如通過無線通信方式將中央空調主機的運行狀態、變頻調速器的頻率發送給能源站控制網絡，并以無線通信方式接收能源站控制網絡的動作指令并調節中央空調主機的啟停和變頻調速器的頻率。
在本發明的一個實施例中，多個中央空調主機智能控制器100之間以無線通信方式互連，形成無中心、扁平化的對等網絡，以實現多個中央空調主機智能控制器100的自組網、控制設備的即插即用、分布式計算的功能。
在本發明的一個實施例中，中央空調主機的臺數優化問題以所有中央空調主機總能耗最小為優化目標，通過拉格朗日法求解該優化問題。
在本發明的一個實施例中，中央空調主機智能控制器100用于采用分布式計算的方式，迭代求解優化問題，得到最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。
在本發明的一個實施例中，智能執行器300用于根據優化控制問題的求解結果，控制相應中央空調主機的啟停，調節運行中央空調主機的冷凍水流量，使得每臺中央空調主機的制冷/熱量滿足最優制冷/熱量的要求。
綜上，該系統1000通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量，實現了控制設備的自組織、即插即用，減少了控制系統配置所需的人工成本。
作為具體的實施例，例如圖2所示，為本發明一個具體實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統整體結構示意圖。如圖2所示，該系統主要包括圖中虛線框中的部分，即對應于中央空調主機1、n的智能節點(即智能控制器)201、202，智能節點201、202分別與中央空調主機自帶的本地控制器203、204通過485總線相連，以進行信息交互；對應于水泵1、n的智能節點(智能執行器)205、206分別與水泵變頻調速器207、208通過485總線相連，以進行信息交互；對應于供水溫度智能傳感器(智能傳感器)1、n的節點209、210，用于分別測量中央空調主機1、n的供水溫度；回水溫度智能傳感器節點211，用于測量中央空調的回水溫度；對應于供水流量智能傳感器(智能傳感器)1、n的節點212、213，用于分別測量中央空調主機1、n的供水流量；無線路由器214用于組成控制系統的無線通信網絡，從而自動分配各個智能節點地址，實現自組網，建成無中心扁平化網絡。
綜上，根據本發明實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制系統，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，即采用無中心分布式網絡系統架構，實現中央空調主機控制系統的自組網、控制設備的即插即用，通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，并通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。該系統獨立于設備底層控制回路，具有利用無中心扁平化網絡技術、分布式并行計算、能耗最小化優化運行等特征。
本發明的進一步實施例還提出了一種基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法。
圖3是根據本發明一個實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法的流程圖。如圖3所示，該方法包括以下步驟：
步驟s1：中央空調主機的臺數優化問題以所有中央空調主機總能耗最小為優化目標，通過拉格朗日法求解該優化問題。該步驟即優化問題定的定義，即對中央空調主機運行臺數優化的問題進行定義，并給出約束條件。
具體地，在步驟s1中，中央空調主機的臺數優化問題的定義如式(1)所示：
其中，i＝1,2,…,n，n是中央空調主機的總臺數，pi是第i臺中央空調主機在制冷/熱量為qi的條件下的耗電功率，qi,min及qi,max分別表示第i臺中央空調主機的最小及最大制冷/熱量，q0是空調負荷需求。
步驟s2：中央空調主機智能控制器采用分布式計算的方式，迭代求解優化問題，得到最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。該步驟即拉格朗日變換過程。拉格朗日變換是對優化問題的函數進行變形，便于迭代計算求解。
具體地，在步驟s2中，通過拉格朗日法對優化問題的函數進行變形，變形后的優化問題如式(2)所示：
其中，λ為拉格朗日乘子，式(2)取得極小值的條件是式(2)中的目標函數對所有變量取偏導數等于0時，即各個中央空調主機的滿足式(3)時，總能耗取得最小值，則將式(3)化簡得到式(4)，具體為：
基于此，步驟s2進一步包括：分布式迭代求解計算過程。即采用分布式算法迭代求解滿足式(4)的各個qi值，具體包括：
s21：中央空調主機智能節點組合c中的任意一個智能節點v獲知空調負荷需求q0，由該計算節點作為主計算節點在c中發起生成樹，連接其他所有智能節點。
s22：智能節點v設0＝1，發起第k次迭代，將k-1沿生成樹發送給所有智能節點，其中，k≥1。
s23：每個智能節點接收到k-1，求解上述公式(4)得到當前對應的制冷/制熱量qi。
s24：每個智能節點將qi延生成樹傳遞和計算，最終結果匯集到主智能節點v。
s25：主智能節點v判斷是否收斂，其中，
如果|∑qi-q0|<ε，則停止計算，輸出制冷/熱量分配結果{qi}，其中，ε為迭代完成要求的精度；
如果|σqi-q0|≥ε，則按照公式(5)更新拉格朗日乘子，并返回步驟s22，其中，公式(5)為：
λk＝λk-1-γ(q0-∑qi,k)(5)。
步驟s3：智能執行器根據優化控制問題的求解結果，控制相應中央空調主機的啟停，調節運行中央空調主機的冷凍水流量，使得每臺中央空調主機的制冷/熱量滿足最優制冷/熱量的要求。
在本發明的一個實施例中，在步驟s1之前，還包括：多個中央空調主機智能控制器之間以通信方式互連，形成無中心、扁平化的對等網絡。
綜上，本發明的方法通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量，實現了控制設備的自組織、即插即用，減少了控制系統配置所需的人工成本。
作為具體的實施例，例如圖4所示，為本發明一個具體實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法的詳細流程圖。如圖4所示，該方法的整體流程包括以下步驟：
步驟1：系統啟動后，各個智能節點自動尋址，自動組網，形成無中心扁平化對等網絡。
步驟2：按照參數優化的時間周期，例如以1小時為優化參數設置周期，判斷當前時刻是否達到參數優化計算時間。如果沒有達到優化時刻，則不進行任何操作。如果達到優化時刻，則隨機選定定一個中央空調主機的智能節點為主節點，與能源站控制系統通信，獲取此刻的空調負荷值q0，并生成所有中央空調主機智能節點集的拓撲結構樹，并設置拉格朗日乘子的初始值λ0＝1，發起優化計算。
步驟3：將λk-1傳遞給各個中央空調主機的智能節點，發起第k步(k≥1)迭代計算。每個中央空調主機的智能節點分別求解方程
步驟4：主智能節點判斷迭代計算是否收斂。
若|∑qi-q0|≥ε，則按照式λk＝λk-1-γ(q0-∑qi,k)更新拉格朗日乘子，并返回步驟3。
若|∑qi-q0|<ε，則迭代計算完成，停止計算，輸出制冷/熱量分配結果{qi}。
步驟5：各個中央空調冷機的智能節點根據各自的qi值，通過485總線與各個設備的本地控制器通信，發生相應的動作指令，執行相應的調節動作。如果qi＝0，則停止第i臺中央空調主機及其對應的空調水泵。如果qi≠0，則啟動第i臺中央空調主機，并按照
步驟6：上述流程完成后，等待下一個優化周期的開始時刻，重復進行優化流程的操作。
根據本發明實施例的基于分布式計算的中央空調主機優化運行控制方法，由每臺中央空調主機的智能控制節點構成，各個智能控制節點構成無中心分布式計算網絡，即采用無中心分布式網絡系統架構，實現中央空調主機控制系統的自組網、控制設備的即插即用，通過拉格朗日法求解中央空調主機運行臺數優化問題，并通過無中心分布式計算的方法，得到優化問題的解，即最優的中央空調主機運行臺數和每臺中央空調主機的制冷/熱量。該方法獨立于設備底層控制回路，具有利用無中心扁平化網絡技術、分布式并行計算、能耗最小化優化運行等特征。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同限定。
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