CN117904674B - 一种pem电解水制氢多层控制***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种PEM电解水制氢多层控制***和方法。其中，***包括：所述感知执行模块用于采集各设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；各单槽控制单元用于根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；各模组控制模块用于根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；各***控制模块用于根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；所述远程控制模块用于根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略。本实施例能够实现单槽层面的多样化控制，并能根据设备状况更新控制策略。
Description
技术领域
本发明实施例涉及工业***控制领域，尤其涉及一种PEM电解水制氢多层控制***和方法。
背景技术
随着光伏、风电等新能源发电的快速发展，电解水制氢技术日益受到关注，被视为长周期、大规模储能的有效途径。在工业、建筑、交通等领域，氢的应用具有广阔的市场以及降碳脱碳的助力作用，加速了电解水制氢技术的推广应用。为了与光伏、风能等上游发电设备，以及与下游化工、冶金等应用领域更好地融合，单槽产氢量的提高、多槽或多***的串并联使用(即制氢工厂的大型化)、使用寿命的延长等方面是电解水制氢技术的发展趋势。
PEM(质子交换膜，Proton Exchange Membrane Fuel)电解水制氢，具有高流密度高、制氢能耗低、波动适应性强、响应速度快、无腐蚀性介质等特点，在近几年得到快速发展。但是，设备投资高、使用寿命短等不足之处，限制了PEM电解水制氢技术的发展和应用。其中，使用寿命的延长，相当于降低了设备投资，成为PEM制氢技术发展热点之一。这既需要通过研发新型催化材料、改进设备结构等方面实现，也需要通过优化控制策略实现。
一般地，控制策略及控制程序在PEM电解水制氢设备出厂时已设置好，在实际应用后不会根据现实情况得到优化升级，使得设备控制与应用现场实际情况的脱节，导致设备难以在最优情况下运行，其使用寿命难以得到提高。现有技术中的制氢***控制方法，例如专利CN116256978A、CN116516378B等，均不能解决上述技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种PEM电解水制氢多层控制***和方法，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种PEM电解水制氢多层控制***，用于控制至少一个制氢***，其中，各制氢***包括至少一个电解槽模组，各电解槽模组包括多个电解槽；所述多层控制***包括：感知执行模块、多个单槽控制单元、至少一个模组控制模块、至少一个***控制模块和远程控制模块，其中，
所述感知执行模块用于采集各设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；
各单槽控制单元用于根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；
各模组控制模块用于根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；
各***控制模块用于根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；
所述远程控制模块用于根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略；
其中，各电解槽需要调整时，如果在各单槽控制单元的调节能力内，由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制；如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制；如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制。
第二方面，本发明实施例提供了一种PEM电解水制氢多层控制方法，用于控制至少一个制氢***，其中，各制氢***包括至少一个电解槽模组，各电解槽模组包括多个电解槽；
所述方法包括：
所述感知执行模块采集各设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；
各单槽控制单元根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；
各模组控制模块根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；
各***控制模块根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；
所述远程控制模块根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略；
其中，各电解槽需要调整时，如果在各单槽控制单元的调节能力内，由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制；如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制；如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制。
本发明实施例提供了一种基于远程智能互联的PEM电解水制氢***，为每个电解槽设置独立的单槽控制单元，能够在一定范围内单独控制槽的运行状态，延长电解槽的使用寿命；同时，优先通过单槽调整使模组内各电解槽的剩余寿命保持平衡，延缓整个模组的寿命衰减，必要时再启动模组控制模块对多个电解槽进行调控，尽量避免模组调整对其它电解槽带来大幅度影响；***层级的调整类似，通过上述逐层控制逻辑能够实现多样化精准调整。此外，随着制氢设备运行时间的增加，本实施例可以分析设备性能的变化趋势，必要时通过远程控制模块对各级控制策略持续不断的优化、升级，使得制氢设备在不同应用条件、不同时间阶段运行在相对优选状态，实现设备的远程运行维护，延长设备的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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是本发明实施例提供的一种多层控制***与至少一个制氢***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种多层控制***与至少一个制氢***的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种多层控制流程图；
图4是本发明实施例提供的一种***远程升级的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种动态时间规划中电解槽数据之间的对应关系示意图；
图6是本发明实施例提供的一种PEM电解水制氢多层控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如背景技术所述，一般地，PEM电解水制氢设备的控制策略及控制程序在设备出厂时已设置好，在实际应用后不会根据现实情况得到优化升级，使得设备控制与应用现场实际情况的脱节，导致设备难以在最优情况下运行，其使用寿命难以得到提高。在运行一段时间后，组成制氢工厂的PEM多个槽、多个制氢***，性能可能发生很大的差异，单一的控制策略已不能适用于每台设备。有鉴于此，本实施例提供一种PEM电解水制氢多层控制***，用于控制至少一个制氢***，其中，各制氢***包括至少一个电解槽模组，各电解槽模组包括多个电解槽。该控制***能够根据运行数据对各电解槽、各电解槽模组和各制氢***进行差异化控制，并在必要更新控制策略，使各设备(包括各电解槽、各电解槽模组、各制氢***)运行在相对较优的工作状态，使用寿命得到延长，整体制氢工厂性能得到优化。
实施例1
图1和图2是本发明实施例提供的多层控制***与至少一个制氢***的结构示意图，结合图1、图2，所述多层控制***包括：感知执行模块(图中未显示)、多个单槽控制单元、至少一个模组控制模块、至少一个***控制模块、数据传输模块和远程控制模块。
所述感知执行模块用于采集各设备(包括电解槽、电解槽模组和制氢***和其它设备)的运行数据和执行控制策略，所述感知执行模块包括温度传感器、压力传感器、流量计、氢探测器、液位计、电导率传感器、电能传感器等各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元等各类执行器；电能管理控制单元可以是AC/DC(Alternating Current/Direct Current，交流/直流)变换器、DC/DC(Direct Current/Direct Current，直流/直流)变换器、功率分配器、电流控制器等的一种或几种。实际应用中，感知执行模块中的各器件可以设置在电解槽层级，也可以设置在模组层级、***层级，还可以三个层级共用一个感知执行，本实施例不作具体限制。
各电解制氢模组包括多个电解槽和一共用辅助设备，包括水箱、水泵、换热器、氢气纯化装置等。各电解槽分别对应一个单槽控制单元，单槽控制单元用于分析感知执行模块的数据，并针对单一电解槽进行调节控制，例如调节电流、水量等参数。
各电解槽模组分别对应一个模组控制模块，模组控制模块用于分析感知执行模块的数据，并对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制。
各制氢***分别对应一个***控制模块，***控制模块用于存储数据并进行***层面的调节控制，包括数据库和***控制单元。其中，所述数据库内存储有各电解槽、各电解槽模组和***的属性数据和运行数据，所述***控制单元用于对单一制氢***进行调节控制。
数据传输模块用于将***控制模块储存的数据发送至远程控制模块，传输方式可以为云服务、以太网等方式。所述远程控制模块用于根据所述运行数据提出各电解槽、各电解槽模组和各制氢***中至少之一的控制策略，并将所述控制策略更新至对应的各单槽控制单元、模组控制模块和***控制模块。
基于以上功能模块，所述多级***能够根据单槽的运行数据，实现单槽层面的个性化精准控制，其控制流程如图3所示。首先，所述感知模块采集数据后发送至各单槽控制单元，各单槽控制单元根据控制策略判断对应电解槽的运行状态是否需要调整，如需要调整是否超出自身的调节能力。如果未超出各单槽控制单元的调节能力，则由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制。如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，则各单槽控制单元将数据发送至由各电解槽所属的模组控制模块，由各模组控制模块根据控制策略进行计算分析，并发送控制信号给感知执行模块和共用辅助设备，进行模组层级的调节控制。如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块根据控制策略进行计算分析，并发送控制信号给感知执行模块，进行***层级的调节控制。
更具体的，本实施例进行控制调整的目的是延长大部分电解槽的使用寿命，并使同一模组内各电解槽的剩余寿命趋于一致(尽可能减小差异)，减少各电解槽模组内报废的电解槽数量，从而延长电解槽乃至各制氢***的使用寿命。基于这样的目的，在一具体实施方式中，所述控制***的多层控制流程可以包括如下过程：
任一电解槽的单槽控制单元根据所述电解槽的运行数据，预测所述电解槽的剩余寿命，如果所述剩余寿命小于当前预期的剩余寿命，则通过水流调节阀减小所述电解槽的水流量，和/或通过电能管理控制单元减小所述电解槽的电流。水流量和/或电流减小后，电解槽的工作强度减低，能够延缓剩余寿命的衰减速度。其中，电解槽剩余寿命的预测方法可以采用任一现有技术，也可以由用户根据对电解槽性能要求进行个性化设定，本实施例不作具体限制。
此外，在模组内总的水流量不变的情况下，当某一电解槽的水流量减小时，其余电解槽的水流量会有一定幅度的增加，因此单槽控制单元能够减小的水流量应控制在一定范围内，避免对其它电解槽造成过大影响；电流控制类似，单槽单元能够减小的电流应控制在一定范围内，两个控制范围均可以预先设定，均属于单槽控制策略的一部分。可选的，可以根据单槽控制对其它槽的综合影响，来判断当前控制是否超出了单槽的调节范围。示例性的，如果单槽调整后，对剩余槽的水流或电流的平均影响幅度小于临界值(例如5％)，则认为此时减小的水流量或电流量在所述一定范围内(即未超出单槽的调节范围)。与单纯约束单槽水流量或电流减小的最大阈值相比，该方式可以避免单槽参数波动引发的频繁调节，减少模组控制的频率，同时减少参数频繁变化对设备寿命的损耗。经过一定时间的单槽调整后，如果陆续发现所述电解槽所在的电解槽模组内有多个电解槽的剩余寿命均小于当前预期的剩余寿命，或在所述单槽控制单元可调控的最小水流量和最小电流下，所述电解槽的剩余寿命仍小于预期的剩余寿命，则所述电解槽模组对应的模组控制模块对模组总的水流量和/或总的电流和/或水电导率进行调节控制，和/或对电解槽之间的水流量分配和/或电流分配进行控制，以延长模组内各电解槽的剩余寿命并使各电解槽的寿命趋于一致。可选的，默认情况下，同一模组内总的水流量和电流在电解槽之间是平均分配的，模组控制模块可以通过共用辅助设备调整模组内各电解槽的电流和/或水流量分配，为剩余寿命更长的电解槽分配更大的电流和/或水流量，为剩余寿命更短的电解槽分配更小的电流和/或水流量，以减小各电解槽的寿命差异程度，减少模组内同时报废的电解槽数量，从而实现在模组制氢总量不变的前提下，延长模组的整体使用寿命。
如果经所述模组控制模块调节，所述电解槽模组内多个电解槽的剩余寿命仍小于预期的剩余寿命，则所述电解槽模组所属的***控制模块对电解槽模组之间的水流量分配和/或电流分配进行控制，为性能更好的电解槽模组分配更大的电流和/或水流量，为性能弱的电解槽模组分配更小的电流和/或水流量，示例性的，电解槽模组内需要调整的电解槽数量多，或平均剩余寿命越长，则认为该电解槽的性能越好。如果所述电解槽模组内已有多个电解槽报废(例如已有一半的电解槽均报废)，则所述电解槽模组所属的***控制模块停止向所述电解槽模组供水供电。
进一步的，远程控制模块中可以部署有大数据、机器学习、人工智能等多种数据处理方法，远程控制模块能够利用这些方法对各级制氢设备的运行数据进行分析处理，提供适合当前运行状态的控制策略，并通过远程更新的方式下发到各级制氢设备，使各级制氢设备运行在相对更优的工作状态下，以延长制氢***的整体寿命。示例性的，单槽控制策略可以包括以下至少之一：根据单槽的剩余使用寿命调整水流量和/或电流的策略，比如以剩余寿命为横坐标、以水流量和/或电流为纵坐标的阶梯函数等；模组控制策略可以包括以下至少之一：模组总的水流量、总的电流、水电导率，以及模组内各单槽的水流量分配方式和电流分配方式，包括分配比例、轮换模式等；***控制策略可以包括以下至少之一：***总的水流量、总的电流，以及***内各模组的水流量分配方式和电流分配方式等，包括分配比例、轮换模式等。当然，除此之外，各级控制策略中还可以包括其它参数、阈值、模式等，本实施例不作具体限制。
当制氢***中的某一部分需要远程更新控制策略时，可以由***操作人员人工选择，通过***控制模块把选定时间内储存的数据发送给远程控制模块；远程控制模块通过大数据等方法计算分析得出控制策略后，通过数据传输模块反馈给***控制模块，完成控制策略远程升级。在一具体实施方式中，上述远程升级的流程如图4所示，***控制模块将任一电解槽的运行数据发送至远程控制模块，远程控制模块根据所述运行数据预测所述电解槽的变化趋势，并根据所述变化趋势匹配新的控制策略。然后，远程控制模块为所述新的控制策略添加***标签、单槽标签和模组标签，并封装为控制程序升级包发送至所述电解槽所属的制氢***，其中，所述***标签用于标识该程序升级包是否为***升级包，1代表***升级包，0代表非***升级包；所述单槽标签用于标识该程序升级包是否为单槽升级包以及哪个电解槽的升级包，0代表非单槽升级包，非0值代表所述任一电解槽在模组中的编号；所述模组标签用于标识该程序升级包是否为模组升级包以及哪个模组的升级包，0代表非模组升级包，非0值代表所述任一电解槽所在的模组在制氢***中的编号。***控制模块接收控制程序升级包后，根据***标签判断是否为***控制程序升级包；若是，则***控制模块安装升级包完成升级；若不是，则根据模组标签将升级包发送至对应的模组控制模块。模组控制模块根据模组标签，判断是否是模组控制程序升级包；若是，则模组控制模块安装升级包完成升级；若不是，则根据单槽标签将升级包发送至单槽控制模块，单槽控制模块接收安装升级包完成升级。
此外，远程控制模块还可以在图3所示的多级控制均未达到预期效果时，根据设备情况更新控制策略，作为多级控制的补充。在一具体实施方式中，任一制氢***运行平稳后，所述制氢***内各电解槽模组和各电解槽在调整前的剩余寿命，以及所述制氢***内各级控制单元和控制模块在调整后的控制策略，会成套存储于所述远程控制模块的策略库内。示例性的，当任一制氢***需要进行单槽控制、模组控制、***控制中的至少一种控制时，可以将此时制氢***内各电解槽模组和各电解槽的剩余寿命和其它运行数据成套存储于所述远程控制模块的策略库内；在该制氢***经过所述单槽控制、模组控制、***控制中的至少一种控制运行平稳后，再将平稳状态下所述制氢***内各级控制单元和控制模块的控制策略成套存储于所述远程控制模块的策略库内；由上述调整前的剩余寿命和其它运行数据组合，以及平稳后的控制策略组合，共同构成一套数据-策略组合。或者，在任一电解槽模组需要进行单槽控制和/或模组控制时，将此时模组内的模组控制模块和电解槽控制单元的剩余寿命和其它运行数据成套存储于所述远程控制模块的策略库内；在该电解槽模组经过所述单槽控制和/或模组控制运行平稳后，再将所述电解槽模组内的模组控制模块和电解槽控制单元的控制策略成套存储于所述远程控制模块的策略库内；由上述调整前的剩余寿命和其它运行数据组合，以及平稳后的控制策略组合，共同构成一套数据-策略组合。其中，运行平稳的判定条件可以由***操作人员预先设定，例如制氢***或电解槽模组内部各部分的剩余寿命差异保持在设定范围内，和/或运行超过设定时间未发生***层级或模组层级难以调控的情况等。这样，随着用户数量的增加，策略库中会存储大量比较优异的控制策略，基于该策略库，当某一电解槽需要调整时，如果经电解槽控制单元、模组控制模块以及***控制模块调节后仍未达到预期效果，可以由***控制模块将该电解槽及其所在的模组内所有电解槽的剩余寿命和其它运行数据发送至远程控制模块，由所述远程控制模块从策略库中匹配与该电解槽的单槽情况和模组情况均相似的模组或制氢***，参考该模组或制氢***在平稳状态下的整套控制策略，重新进行设备控制。具体来说，该过程可以包括如下步骤：
步骤一、所述远程控制模块可以从所述策略库内匹配与该电解槽的剩余寿命相似的多个电解槽。为了便于区分和描述，本实施例将需要调整的电解槽称为第一电解槽，将此处匹配得到的策略库中的多个电解槽称为第二电解槽。可选的，可以在策略库中寻找与第一电解槽的寿命差异在设定范围内的多个电解槽作为多个第二电解槽。
步骤二、远程控制模块根据各第二电解槽所在模组内各电解槽剩余寿命的分布情况选取最优第二电解槽，并将所述最优第二电解槽平稳后的控制策略更新至所述第一电解槽对应的单槽控制模块。此处需要区分的是，步骤一和步骤二中剩余寿命和控制策略的时间点并不相同，其中，剩余寿命为第一电解槽和第二电解槽调整前的剩余寿命，代表了调整前电解设备情况；而控制策略为第二电解槽平稳后的控制策略，即参考的是能够使***运行平稳的控制策略。下文中提及的剩余寿命和控制策略的时间点与此处相同，将不再赘述。
可选的，首先，分别将所述第一电解槽和各第二电解槽所在模组内的各电解槽按照剩余寿命排序，为了便于区分和描述，可以将第一电解槽所在的模组称为第一模组，将第二电解槽所在的模组称为第二模组，各第二电解槽分别对应一个第二模组，则第一模组中的所有电解槽按照剩余寿命从大到小的顺序排序后，得到序列A＝{a1,a2,a3…,an1}，其中，n1为第一模组中的电解槽数量，a1,a2,a3…,an1分别为n1个电解槽的剩余寿命；任一第二模组中的所有电解槽按照剩余寿命从大到小的顺序排序后，得到序列B＝{b1,b2,b3…,bn2}，其中，n2为第二模组中的电解槽数量，b1,b2,b3…,bn2分别为n2个电解槽的剩余寿命。
然后，分别计算所述第一电解槽所在序列A与各第二电解槽所在序列B的相似度，选取相似度最高的第二电解槽作为最优第二电解槽。各序列的数值分布反映了电解槽模组内各电解槽剩余寿命的差异情况，A、B两个序列的相似度反映了第一模组内各电解槽剩余寿命的差异情况，与第二模组内各电解槽剩余寿命的差异情况的相似度，序列相似度越高，表明两个模组内各电解槽寿命的分布规律越相似，则第二模组内平稳后的各级控制策略对第一模组越具有参考价值。具体的，针对任一第二电解槽，根据所述第一电解槽和第二电解槽分别在各自序列中的位置，计算序列相似度的过程可以包括以下两种可选实施方式：
第一种可选实施方式，当所述第一电解槽与第二电解槽所在的序列长度相同，且在各自序列中的位置相同时，表明两个模组中的电解槽个数相同，且第一电解槽与第二电解槽的剩余寿命在两个模组中的地位相似，可以直接利用均方差计算所述两个序列中各相同位置处的电解槽剩余寿命差值，将各差值平方的均值作为所述两个序列的相似度。以序列A＝{a1,a2,a3…,an1}和B＝{b1,b2,b3…,bn2}为例，相似度的计算公式如下：
第二种可选实施方式，当所述第一电解槽与第二电解槽所在的序列长度不同，或在各自序列中位置不同时，表明两个模组中的电解槽个数不同，或第一电解槽与第二电解槽的剩余寿命在两个模组中的地位不同，这时两个模组中电解槽性能分布情况差异较大，不宜直接利用均方差计算序列相似度，可以采用动态时间规划方法计算两个序列的相似度。动态时间规划方法可以在序列长度不同时计算序列整体形态的差异，本实施例将该方法应用在电解槽序列中，目的是关注模组内的各电解槽寿命的整体分布情况，当整体分布相近时，该第二模组内平稳后的电解槽控制策略对第一模组仍是具有参考价值的。但动态时间规划方法中两个序列(相当于两条曲线)的点并非按照排列顺序一一对应，在最终得到的序列距离中，第一电解槽可能对应第二模组中的多个相似电解槽，示例性的，假设图5中的两条实线分别代表两个序列，虚线代表点之间的对应关系，则两个模组的电解槽之间可能存在一对多或多对一的关系，其中，图5仅用于说明该对应关系，并不代表对电解槽性能的实际分布情况的约束。因此本实施例在动态时间规划方法的执行过程中记录第二模组中与第一电解槽对应的至少一个相似电解槽，如果这些相似电解槽中包括所述第二电解槽，表明此时的第一电解槽与第二电解槽的运行状态相似，第一电解槽在第一模组内的地位与第二电解槽在第二模组内的地位也可以类比，两种条件同时满足，则第二电解槽平稳后的控制策略对第一电解槽具有参考价值，可以保留该相似度参与到后续的选优操作。如果这些相似电解槽中不包括所述第二电解槽，说明上述两种条件无法同时满足，这时第二电解槽平稳后的控制策略对第一电解槽的参考价值有待商榷，则将所述相似度置为0，在后续的选优操作中会首先被淘汰。
步骤三、第一电解槽的控制策略更新后，所述单槽控制模块根据新的控制策略对所述第一电解槽进行调节控制；如果调整后仍未达到预期效果，则按照剩余寿命从大到小的顺序，依次将第二模组内其余各电解槽平稳后的单槽控制策略更新至第一模组内其余各电解槽的单槽控制模块；当更新控制策略的电解槽达到设定数量时，停止继续更新单槽控制策略，直接更新第一模组的控制策略。仍以电解槽的剩余寿命序列A＝{a1,a2,a3…,an1}和B＝{b1,b2,b3…,bn2}为例，假设其中an1对应第一电解槽，bn2对应第二电解槽，将bn2对应的平稳后的单槽控制策略更新至an1对应的单槽控制单元后，如果仍未达到预期效果，则按照剩余寿命从大到小的顺序，依次将b1对应的平稳后的单槽控制策略更新至a1对应的电解槽，将b2对应的平稳后的单槽控制策略更新至a2对应的电解槽，…，以此类推，直到更新策略的电解槽数量达到设定阈值，例如3个，这时放弃继续更新单槽控制策略，直接将第二模组平稳后的模组控制策略更新至第一模组的模组控制模块。为了保持模组内各电解槽的剩余寿命相似，通常将模组内剩余寿命较短的电解槽的水流量或电流分配给剩余寿命较长的电解槽，以此平衡各槽的剩余寿命，所以本实施例优先选取剩余生命更长的电解槽与第一电解槽一起进行单槽层面的配合调控，如果仍不能达到预期效果，再进行模组层面的整体调控，实现逐层策略更新。
综上所述，本实施例提供了一种基于远程智能互联的PEM电解水制氢***，为每个电解槽设置独立的单槽控制单元，能够在一定范围内单独控制槽的运行状态，延长电解槽的使用寿命；同时，优先通过单槽调整使模组内各电解槽的剩余寿命保持平衡，延缓整个模组的寿命衰减，必要时再启动模组控制模块对多个电解槽进行调控，尽量避免模组调整对其它电解槽带来大幅度影响；***层级的调整类似，通过上述逐层控制逻辑能够实现多样化精准调整。此外，随着制氢设备运行时间的增加，本实施例可以分析设备性能的变化趋势，必要时通过远程控制模块对各级控制策略持续不断的优化、升级，使得制氢设备在不同应用条件、不同时间阶段运行在相对优选状态，实现设备的远程运行维护，延长设备的使用寿命。特别的，当多级控制均未达到预期效果时，远程控制模块还可以根据单槽状态相似且模组整体状态相似的原则，从策略库内匹配具有参考价值的控制策略，作为多级控制的补充，进一步提高制氢***的自我调控能力。
实施例2
基于图1和图2的控制***，还可以通过以下方式调节设备参数：
方式一、根据电解槽剩余寿命，调节电解槽的水流、电导率和电流中的至少之一。
具体的，如果所述剩余寿命相较于当前预期的寿命缩短x％，可以通过以下方式的至少之一调节设备参数：
1)通过电解槽的阀门开度的调节减少水流量减小y％；
2)通过共用辅助设备的阀门开度和泵转速的调节将所述电解槽的水电导率减小y％；
3)通过电能管理控制单元将所述电解槽的电流减小y％。
其中，当5<x≤10时，y＝x；当10<x≤20时，y＝kx，1.0＜k≤1.2；当20<x≤30，y＝kx，1.2＜k≤1.5。
方式二、根据电解的实测电压，调节电解槽的水流、电导率和电流中的至少之一。
具体的，如果电解槽的实测电压相较于初始值升高x％，可以通过以下方式的至少之一调节设备参数：
1)通过电解槽的阀门开度的调节减少水流量减小y％；
2)通过共用辅助设备的阀门开度和泵转速的调节将所述电解槽的水电导率减小y％；
3)通过电能管理控制单元将所述电解槽的电流减小y％；
其中，当1＜x≤5时，y＝x；当5＜x≤10时，y＝kx，1.0＜k≤1.1；当10＜x≤15时，y＝kx，1.1＜k≤1.4。
图6是本发明实施例提供的一种PEM电解水制氢多层控制方法的流程图，由上述多层控制***中的各部分配合执行。如图6所示，该方法具体包括：
S110、所述感知执行模块采集各电解设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；
S120、各单槽控制单元根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；
S130、各模组控制模块根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；
S140、各***控制模块根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；
S150、所述远程控制模块根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略；
其中，各电解槽需要调整时，如果在各单槽控制单元的调节能力内，由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制；如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制；如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制。
需要说明的是，本实施例与上述***实施例基于相同的发明构思，上述任一***实施例中的具体限定，均适用于本方法实施例，并能实现与***实施例相同的有益效果，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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。
Claims (10)
1.一种PEM电解水制氢多层控制***，其特征在于，用于控制至少一个制氢***，其中，各制氢***包括至少一个电解槽模组，各电解槽模组包括多个电解槽；所述多层控制***包括：感知执行模块、多个单槽控制单元、至少一个模组控制模块、至少一个***控制模块和远程控制模块，其中，
所述感知执行模块用于采集各设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；
各单槽控制单元用于根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；
各模组控制模块用于根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；
各***控制模块用于根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；
所述远程控制模块用于根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略；
其中，各电解槽需要调整时，如果在各单槽控制单元的调节能力内，由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制；如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制；如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制。
2.根据权利要求1所述的多层控制***，其特征在于，所述各单槽控制单元通过如下方式对单一电解槽进行调节控制：
任一电解槽的单槽控制单元根据所述电解槽的运行数据，预测所述电解槽的剩余寿命，如果所述剩余寿命小于当前预期的剩余寿命，则通过水流调节阀减小所述电解槽的水流量，和/或通过电能管理控制单元减小所述电解槽的电流，以延长所述电解槽的剩余寿命。
3.根据权利要求2所述的多层控制***，其特征在于，所述如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制，包括：
如果所述电解槽所在的电解槽模组内有多个电解槽的剩余寿命均小于当前预期的剩余寿命，或在所述单槽控制单元可调控的最小水流量和最小电流下，所述电解槽的剩余寿命仍小于预期的剩余寿命，则所述电解槽模组对应的模组控制模块对模组总的电流和/或水电导率和/或总的水流量进行调节控制，和/或对电解槽之间的水流量分配和/或电流分配进行调节控制，以延长模组内各电解槽的剩余寿命并使各电解槽的寿命趋于一致。
4.根据权利要求3所述的多层控制***，其特征在于，所述如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制，包括：
如果经所述模组控制模块调节，所述电解槽模组内多个电解槽的剩余寿命仍小于预期的剩余寿命，则所述电解槽模组所属的***控制模块对电解槽模组之间的电流分配和/或水流量分配进行调节控制；
如果所述电解槽模组内已有多个电解槽报废，则所述电解槽模组所属的***控制模块停止向所述电解槽模组供水供电。
5.根据权利要求1所述的多层控制***，其特征在于，如果电解槽的剩余寿命相较于当前预期的寿命缩短x%，则通过阀门开度和泵转速的调节将所述电解槽的水电导率减小y%，和/或通过电能管理控制单元将所述电解槽的电流减小y%，和/或通过阀门开度的调节将所述电解槽的水流减小y%，其中，当5<x≤10时，y=x；当10<x≤20时，y=kx，1.0＜k≤1.2；当20<x≤30，y=kx，1.2＜k≤1.5；或
如果电解槽的实测电压相较于初始值升高x%，则通过阀门开度和泵转速的调节将所述电解槽的水电导率减小y%，和/或通过电能管理控制单元将所述电解槽的电流减小y%，和/或通过阀门开度的调节将所述电解槽的水流减小y%，其中，当1＜x≤5时，y=x；当5＜x≤10时，y=kx，1.0＜k≤1.1；当10＜x≤15时，y=kx，1.1＜k≤1.4。
6.根据权利要求1所述的多层控制***，其特征在于，任一制氢***运行平稳后，所述制氢***内各电解槽模组和各电解槽在调整前的剩余寿命，以及所述制氢***内各级控制单元和控制模块平稳后的控制策略，成套存储于所述远程控制模块的策略库内；
在所述如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制之后，还包括：
如果所述***控制模块调节后未达到预期效果，所述远程控制模块从所述策略库内匹配与需要调整的第一电解槽的剩余寿命差异在设定范围内的多个第二电解槽，并根据各第二电解槽所在模组内各电解槽剩余寿命的分布情况选取最优第二电解槽，将所述最优第二电解槽平稳后的控制策略更新至所述第一电解槽对应的单槽控制模块；
所述单槽控制模块根据新的控制策略，对所述第一电解槽进行调节控制；如果仍未达到预期效果，按照剩余寿命从大到小的顺序依次将最优第二电解槽所在模组内其余各电解槽平稳后的单槽控制策略更新至所述第一电解槽所在模组内其余各电解槽的单槽控制模块；
当策略更新的电解槽达到设定数量时，停止更新单槽控制策略，改为更新所述第一电解槽所在模组的控制策略。
7.根据权利要求6所述的多层控制***，其特征在于，所述根据各第二电解槽所在模组内各电解槽剩余寿命的分布情况选取最优第二电解槽，包括：
分别将所述第一电解槽和各第二电解槽所在模组内的各电解槽按照剩余寿命排序；
根据所述第一电解槽和各第二电解槽分别在各自序列中的位置，分别计算所述第一电解槽所在序列与各第二电解槽所在序列的相似度，所述相似度反映了所述第一电解槽所在模组内各电解槽剩余寿命的差异情况，与各第二电解槽所在模组内各电解槽剩余寿命的差异情况的相似度；
选取相似度最高的第二电解槽作为最优第二电解槽。
8.根据权利要求7所述的多层控制***，其特征在于，所述根据所述第一电解槽和各第二电解槽分别在各自序列中的位置，分别计算所述第一电解槽所在序列与各第二电解槽所在序列的相似度，包括：
如果所述第一电解槽与任一第二电解槽所在的序列长度相同，且在各自序列中的位置相同，根据两个序列中各相同位置处的电解槽剩余寿命差值，计算所述两个序列的相似度；
否则，采用动态时间规划方法计算两个序列的相似度。
9.根据权利要求1所述的多层控制***，其特征在于，所述远程控制模块通过如下方式更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略：
所述远程控制模块根据任一电解槽的运行数据，预测所述电解槽的变化趋势，并根据所述变化趋势匹配新的控制策略，添加***标签、单槽标签和模组标签后共同发送至所述电解槽所属的制氢***；
所述制氢***根据所述***标签、单槽标签和模组标签，将所述新的控制策略发送至所述电解槽的单槽控制单元。
10.一种PEM电解水制氢多层控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任一所述的多层控制***；
所述方法包括：
所述感知执行模块采集各设备的运行数据，所述感知执行模块包括各类传感器及相应的调节阀，以及电能管理控制单元；
各单槽控制单元根据所述运行数据，对单一电解槽进行调节控制；
各模组控制模块根据所述运行数据，对单一模组内的至少一个电解槽和/或共用辅助设备进行调节控制；
各***控制模块根据所述运行数据，对单一制氢***进行调节控制；
所述远程控制模块根据所述运行数据更新各单槽控制单元、各模组控制模块和各***控制模块中至少之一的控制策略；
其中，各电解槽需要调整时，如果在各单槽控制单元的调节能力内，由各单槽控制单元对各电解槽进行调节控制；如果超出各单槽控制单元的调节能力，或各单槽控制单元调节后未达到预期，由各电解槽所属的模组控制模块进行调节控制；如果各模组控制模块调节后未达到预期，由各模组控制模块所属的***控制模块进行调节控制。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |