电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法

摘要

本发明提供了一种电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法，包括：建立电机设备及集群系统的能耗计算模型；对所述能耗计算模型中的能耗参数进行校正，获取校正后的能耗参数；计算电机设备及系统能耗，并利用节能措施灵敏度分析方法进行设备及系统节能措施灵敏度分析，对节能措施效果进行评估。本发明实现了对电机设备及集群系统构建能耗计算模型，并得到电机设备及集群系统准确能耗参数，从而避免运用标准公式计算时导致的误差，实现了提高计算电机设备及集群系统能耗的准确性。同时，设计一种针对电机设备及系统节能措施评估方法，实现对节能措施效果进行预测，降低节能投资风险，提高节能改造效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法。

背景技术

电机设备及集群系统能耗计算与评估用于设备性能检测、系统工况监测，企业整体用能情况等多个方面，其计算的准确度与能耗水平评估能力直接影响到用能系统的整体运行安全性与经济性。

现有的能耗计算与评估方法中，采用实时监测手段时，电机设备及系统能耗监测主要采用实时测量电机设备输入与输出情况，从而计算实时情况下的能耗水平，但数据监测能力有限，且无法建立准确的设备及系统能耗模型；基于铭牌参数与实测参数构建的设备能耗计算模型，进行能耗计算和评估，但随着设备使用时长的增加，其性能往往达不到铭牌性能条件，存在能耗计算与评估不准确的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法，实现对电机设备及集群系统建立准确的能耗计算模型，能够准确地用于电机设备及集群系统的能耗计算，并提高计算能耗与评估的准确性。同时，利用电机设备及系统节能措施灵敏度分析方法对设备及系统进行节能改造效果评估，降低投资风险，提高节能改造效率。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种电机设备及集群系统的能耗计算方法，包括：

建立电机设备及集群系统的能耗计算模型；

对所述能耗计算模型中的能耗参数进行校正，获取校正后的能耗参数；

采用在所述能耗计算模型中输入所述校正后的能耗参数的方式，结合实测运行数据，计算获得电机设备及集群系统的能耗。

进一步的，所述建立电机设备及集群系统的能耗计算模型的步骤，包括：

获取电机设备及集群系统的可变损耗参数；

根据能耗参数以及功率平衡关系构建电机设备及集群系统的能耗计算模型。

进一步的，所述获取电机设备及集群系统的可变损耗参数的步骤，包括：

采用下式计算电机设备可变损耗：

其中，β为电机设备负载率，P_N为电机设备额定功率，η_N为电机设备额定效率，ΔP_b为电机设备不变损耗；

采用下式计算集群系统可变损耗：

其中，β_j为第j台电机设备的负载率，P_jN为第j台电机设备的额定功率，η_jN为第j台电机设备的额定效率，ΔP_jb为第j台电机设备的不变损耗。

进一步的，根据能耗参数以及功率平衡关系构建电机设备及集群系统的能耗计算模型的步骤，包括：

建立功率平衡关系模型：

P₁＝ΔP+P₂

其中，P₁为电机设备的输入功率；P₂为电机设备的输出功率；ΔP为电机设备损耗功率，ΔP＝ΔP_a+ΔP_b，ΔP_a为可变损耗，ΔP_b为不变损耗；

根据功率平衡关系模型以及可变损耗的计算公式，建立：

电机设备的能耗计算模型：

其中，P₁为电机设备的输入功率，β为电机设备负载率，P_N为电机设备额定功率，η_N为电机设备额定效率，ΔP_b为电机设备不变损耗，P₂为电机设备的输出功率；

集群系统的能耗计算模型：

其中，P_T为集群系统的输入功率，β_j为第j台电机设备的负载率，P_jN为第j台电机设备的额定功率，η_jN为第j台电机设备的额定效率，ΔP_jb为第j台电机设备的不变损耗，P_j2为第j台电机设备的输出功率，P₂'为集群系统的额外输出功率。

进一步的，对所述能耗计算模型中的能耗参数进行校正的步骤，包括：

在MATLAB中建立能耗计算模型，获取所述能耗计算模型的能耗参数；

采用最小二乘参数辨识算法对所述能耗参数进行拟合测试，获取进行拟合测试后的能耗参数。

进一步的，所述能耗参数包括：电机设备准确额定效率和电机设备不变损耗。

另一方面，本发明提供了一种电机设备及集群系统的节能措施评估方法，包括：

根据采用节能措施前后的电机设备及集群系统的能耗计算节能措施灵敏度；

根据所述电机设备及集群系统的能耗和所述节能措施灵敏度对节能措施进行评估；

其中，采用上述的电机设备及集群系统的能耗计算方法计算节能措施前后的电机设备及集群系统的能耗。

进一步的，所述根据采用节能措施前后的电机设备及集群系统的能耗计算节能措施灵敏度的步骤，包括：

采用下式计算节能措施灵敏度：

其中，ΔP_m为实施节能措施后的节能量；P_a为实施节能措施前的电机设备及集群系统的能耗；P_r为实施节能措施后的电机设备及集群系统的能耗；M为实施节能措施投入的费用。

进一步的，所述根据所述电机设备及集群系统的能耗和所述节能措施灵敏度对节能措施进行评估的步骤，包括：

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)≤0，则k₁，k₂中较大值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

其中，ΔP_m1为实施第一种节能措施后的节能量，ΔP_m2为实施第二种节能措施后的节能量，M₁为实施第一种节能措施投入的费用，M₂为实施第二种节能措施投入的费用，k₁为第一种节能措施灵敏度，k₂为第二种节能措施灵敏度。

进一步的，所述根据所述电机设备及集群系统的能耗和所述节能措施灵敏度对节能措施进行评估的步骤，还包括：

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)＞0，且在预设时间之内，则k₁，k₂中较大值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)＞0，且在预设时间之外，则k₁，k₂中较小值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

其中，ΔP_m1为实施第一种节能措施后的节能量，ΔP_m2为实施第二种节能措施后的节能量，M₁为实施第一种节能措施投入的费用，M₂为实施第二种节能措施投入的费用，k₁为第一种节能措施灵敏度，k₂为第二种节能措施灵敏度；

采用下式计算所述预设时间：

ΔP_m1·C_N·T-M₁＝ΔP_m2·C_N·T-M₂；

其中，C_N为电价，T为预设时间。

由上述技术方案可知，本发明所述的电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法，对电机设备及集群系统构建能耗计算模型，并得到电机设备及集群系统准确能耗参数，从而避免运用标准公式计算时导致的误差，实现了提高计算电机设备及集群系统能耗的准确性。同时，利用电机设备及系统节能措施灵敏度分析方法对设备及系统进行节能改造效果评估，降低投资风险，提高节能改造效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种电机设备及集群系统的能耗计算方法的流程示意图；

图2是本发明的一种电机设备及集群系统的能耗计算方法中步骤S101的流程图；

图3是本发明的一种电机设备及集群系统的能耗计算方法中集群系统拓扑结构示意图；

图4是本发明的一种电机设备及集群系统的节能措施评估方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电机设备及集群系统能耗计算与评估的准确度与能耗水平评估能力直接影响到用能系统的整体运行安全性与经济性，采用实时监测手段时，存在数据监测能力有限且无法建立准确的设备及系统能耗模型的问题；基于铭牌参数与实测参数构建的设备能耗计算模型，进行能耗计算和评估，但随着设备使用时长的增加，其性能往往达不到铭牌性能条件造成能耗计算与评估不准确。为解决上述技术问题，本发明提供一种电机设备及集群系统的能耗计算和节能措施评估方法。

实施例一

本发明实施例提供一种电机设备及集群系统的能耗计算方法，参见图1，包括：

S101：建立电机设备及集群系统的能耗计算模型；

在本步骤中，分别建立电机设备的能耗计算模型和集群系统的能耗计算模型，两种能耗计算模型中的参数为待确定的辨识参数。

S102：对所述能耗计算模型中的能耗参数进行校正，获取校正后的能耗参数；

在本步骤中，电机设备因长年使用或维修不当等情况，造成设备能耗参数与铭牌参数偏离，产生误差，这种误差的大小取决于电机设备的性能偏离程度，即额定效率与不变损耗的偏离程度。当针对设备进行能耗预测或者负载预测时，会产生相应偏差；集群系统的能耗影响因素为各台电机设备的负载率、不变损耗、可变损耗与铭牌值，集群系统能耗计算偏差情况与电机设备能耗计算偏差情况类似，对于系统内每台电机设备能耗计算的误差，最终反映在整个集群系统中，造成系统能耗计算与能耗预测的不准确，同时对系统节能效果评价造成困难，所以需要对电机设备及集群能耗计算模型中的能耗参数进行校正。

S103：采用在所述能耗计算模型中输入所述校正后的能耗参数的方式，获得电机设备及集群系统的能耗。

在本步骤中，在电机设备及集群系统的能耗计算模型中输入校正后的能耗参数，根据能耗计算模型的映射关系输出计算结果，该结果即为电机设备及集群系统的能耗。

从上述描述可知，本实施例提供的电机设备及集群系统的能耗计算方法，通过对耗能计算模型中的能耗参数进行校正，实现了提高计算电机设备及集群系统的能耗的准确性。

本发明实施例还提供一种可选的建立电机设备及集群系统的能耗计算模型的方法，参见图2，包括：

S1011：获取电机设备及集群系统的可变损耗参数；

在本步骤中，可变损耗参数采用下式计算：

ΔP_a＝β²ΔP_aN；

其中，β为电机设备负载率，ΔP_aN为电机设备额定可变损耗。

上述公式中的额定可变损耗采用下式计算：

其中，P_N为电机设备额定功率，η_N为电机设备额定效率，ΔP_b为电机设备不变损耗；

则，电机设备可变损耗：

其中，β为电机设备负载率，P_N为电机设备额定功率，η_N为电机设备额定效率，ΔP_b为电机设备不变损耗；

集群系统可变损耗：

其中，β_j为第j台电机设备的负载率，P_jN为第j台电机设备的额定功率，η_jN为第j台电机设备的额定效率，ΔP_jb为第j台电机设备的不变损耗。

S1012：根据可变损耗参数以及功率平衡关系构建电机设备及集群系统的能耗计算模型。

在本步骤中，对电机设备及集群系统基于功率平衡关系进行模型构建；

对于电机设备，采用下式：

P₁＝ΔP+P₂；

其中，P₁为电机设备的输入功率；P₂为电机设备的输出功率；ΔP为电机设备损耗功率，ΔP＝ΔP_a+ΔP_b，ΔP_a为可变损耗，ΔP_b为不变损耗。

根据电机损耗由可变损耗与不变损耗构成，有公式

P₁＝ΔP_a+ΔP_b+P₂

其中，ΔP_a为可变损耗，ΔP_b为不变损耗。

根据步骤S1011中可变损耗的计算方法，得出电机设备的能耗计算模型：

其中，P₁为电机设备的输入功率，β为电机设备负载率，P_N为电机设备额定功率，η_N为电机设备额定效率，ΔP_b为电机设备不变损耗，P₂为电机设备的输出功率；

参见图3，集群系统的能耗影响因素为各台电机设备的能耗，对于电机设备的能耗计算，终端反应在整个集群系统中，所以集群系统的能耗则为各台电机设备能耗的综合。

则集群系统能耗公式为：

其中，n为负载数量，P_T为主测量点有功功率，ΔP_T为系统总损耗，P_j2为系统中第j台电机输出功率，P₂'为系统额外输出功率。

将电机设备的能耗计算公式代入集群系统能耗公式，则集群系统的能耗计算模型：

其中，P_T为集群系统的输入功率，β_j为第j台电机设备的负载率，P_jN为第j台电机设备的额定功率，η_jN为第j台电机设备的额定效率，ΔP_jb为第j台电机设备的不变损耗，P_j2为第j台电机设备的输出功率，P₂'为集群系统的额外输出功率。

对集群系统的能耗计算模型进行优化，排除过拟合现象，则有：

其中，ΔP_b总为集群系统总不变损耗。

上述公式进行整理，获得最终的集群系统的能耗计算模型：

从上述描述可知，本发明实施例提供的能耗计算模型的方法，实现了建立准确的电机设备及集群系统的能耗计算模型。

本发明实施例还提供一种能耗计算模型中的能耗参数进行校正的方法，包括：

在MATLAB中建立能耗计算模型，获取所述能耗计算模型的能耗参数；

采用最小二乘参数辨识算法对所述能耗参数进行拟合测试，获取进行拟合测试后的能耗参数。

进一步的，所述能耗参数包括：电机设备负载率和电机设备不变损耗。

从上述描述可知，本发明实施例提供的能耗参数进行校正的方法，通过采集输入功率与输出功率数据，结合辨识算法，实现了计算出设备准确的不变损耗与额定效率，建立设备准确的能效计算公式。

实施例二

本发明实施例提供一种电机设备及集群系统的节能措施评估方法，参见图4，包括：

S201：根据采用节能措施前后的电机设备及集群系统的能耗计算节能措施灵敏度；

在本步骤中，若电机设备准确额定效率η_N′不能满足GB18613-2006标准中性能要求，考虑对设备进行淘汰处理，对未被淘汰处理的电机设备进行节能措施改造。采用上述实施例一中的电机设备及集群系统的能耗计算方法对采用节能措施前后的电机设备及集群系统进行任意负载条件下能耗进行计算，为节能改造方式提供依据，进行电机设备及集群系统的能耗特性分析。

S202：根据所述电机设备及集群系统的能耗和所述节能措施灵敏度对节能措施进行评估；

在本步骤中，在进行节能措施评估中，参考“基期能耗——影响因素”模型法，对节能措施前时期定义为基期，对节能措施实施后时期定义为统计报告期。在一个典型工作周期内，保证系统负荷容量相同时，有节能量计算公式：

E_s＝E_r-E_a；

其中，E_s为系统节能量，E_r为统计报告期能耗，E_a为基期能耗。

系统基期能耗计算方式可通过收集当前集群系统在一个典型工作周期内的总输入功率值进行计算，有公式

E_a＝∫_TP_Tdt；

其中，T为一个典型工作周期。

系统统计报告期能耗计算方式，通过基期数据对系统进行参数辨识，得到辨识结果构建准确系统能耗计算模型，在采取相应节能措施，如更换电机设备、实施负载容量合理分配等情况时，进行系统能耗计算，预测节能后的系统能耗情况，有公式

最终，进行系统节能量计算，有公式

从上述描述可知，本发明实施例提供一种电机设备及集群系统的节能措施评估方法，实现了对于集群系统节能改造能耗预测，准确地计算集群系统其节能量，在对多种节能措施进行节能量预测后，对系统进行节能改造效果评估，选择系统节能量较大、运行与改造较为经济的节能措施进行系统节能改造。

本发明提供一种根据电机设备及集群系统的能耗和节能措施灵敏度对节能措施进行评估的方法，包括：

采用下式计算节能措施灵敏度：

其中，ΔP_m为实施节能措施后的节能量；P_a为实施节能措施前的电机设备及集群系统的能耗；P_r为实施节能措施后的电机设备及集群系统的能耗；M为实施节能措施投入的费用。

在本步骤中，将节能措施灵敏度定义为系统节能改造节电功率与总投入费用的比值，其结果能反映对于电机系统实施某一节能改造措施的投入回馈情况，可直观用于判断某一节能改造措施的可行性。

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)≤0，则k₁，k₂中较大值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

其中，ΔP_m1为实施第一种节能措施后的节能量，ΔP_m2为实施第二种节能措施后的节能量，M₁为实施第一种节能措施投入的费用，M₂为实施第二种节能措施投入的费用，k₁为第一种节能措施灵敏度，k₂为第二种节能措施灵敏度。

所述根据所述电机设备及集群系统的能耗和所述节能措施灵敏度对节能措施进行评估的步骤，还包括：

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)＞0，且在预设时间之内，则k₁，k₂中较大值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

若(ΔP_m1-ΔP_m2)(M₁-M₂)＞0，且在预设时间之外，则k₁，k₂中较小值对应的节能措施的节能效果比较小值对应的节能措施的节能效果更为优异；

其中，ΔP_m1为实施第一种节能措施后的节能量，ΔP_m2为实施第二种节能措施后的节能量，M₁为实施第一种节能措施投入的费用，M₂为实施第二种节能措施投入的费用，k₁为第一种节能措施灵敏度，k₂为第二种节能措施灵敏度；

采用下式计算所述预设时间：

ΔP_m1·C_N·T-M₁＝ΔP_m2·C_N·T-M₂；

其中，C_N为电价，T为预设时间。

通过上述描述可知，本发明实施例提供的方法。结合节能改造灵敏度分析与经济效益分析方法对节能效果进行评估，有助于设备及系统节能措施的选择与实施。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。