用于使用能量存储单元来输送和分配系统负载的快速作用的分布式电力系统的制作方法

专利名称：用于使用能量存储单元来输送和分配系统负载的快速作用的分布式电力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及公用事业公司(utility)高峰需求管理领域，用于减少停 电(blackout)、电压不足(brownout)和其它公用事业电力系统风险，以及 用于提供持续的电力、增加的可靠性以及附加的储备容量余量，而无需昂 贵且不利于环境的附加的输送、分配或发电资源。
背景技术：
电是特殊的商品，因为其不易存储，且通常从其产生到消费仅有极短 的时间。由于这些原因，因此电的成本高度依赖于由在使用时负载的变化 所引起的发电、输送以及分配系统约束。
电力产业受到电需求负载可变性的阻碍，电需求负载可变性在关键时 期可导致电力消耗高峰，这危胁发电和输送系统的完整性。这些紧急情形 可导致受限制的容量事件(即电压不足)和/或中断(即停电)。
通常，当增加新的发电站(或其它辅助服务设备)以满足需求时，本 地用户变得依赖于该"必须运行"系统资源的工作。辅助服务设备分类成计 划设备(容量，能量)，系统控制和调度(dispatch)设备，无功电源和电压 控制i殳备(reactive supply and voltage control device )，能量不均l^i殳备，
运行储备、调整和频率响应设备。而且，这些系统资源的存在经常在本地 区之外产生不期望的失真，这对较大系统的其它部分可产生巨大的拥塞效 应。再者，这会产生多米诺效应，重复地要求更多本地化的"必须运行"
发电机以及其它减轻系统i殳备(mitigating system device)来满足高峰需 求。让所述系统的任何部分在必须运行条件下工作可进一步推进市场价格 以^S^行操纵(emission manipulation )。
然而对于这种威胁，传统的反应是建设更大的发电、输送及分配系统 容量，这种行为已变得代价高昂，从而导致在研究更加快速、经济且有利 于环境的方案方面的实现滞后。目前，实现更大负载均衡(高峰降低)的 过程包^i殳计用于影响消费者电力消耗的可变费率鼓励及抑制措施。尽管 不太成功，但是这些努力被设计用于避免高峰并填补消耗低点。通过建设 小的发电单元以满足基本负载增长和作为调峰电站的实践，该过程还被扩 大。
同样，单独的独立电力生产产业已经得到^A,增加了供应侧发电和 辅助能源服务的混合。有助于电力服务网络的元件数量已变得复杂并且带 来自身的一组电力管理问题。尽管对更多电力的寻求是显然的，但最重要 的是管理近期即将上线的许多较小系统的手段。该趋势的一个示例是强调 可再生的但通常零星存在的源，比如太阳能和风力农场，其进一步增加了 能源以及能量传递管理过程的复杂性。
图1示出了典型的市售不间断电源10。 UPSi史备12以在线方式连接 到电网11和负载13上。许多UPS系统使用可替代、可充电的内部电池， 如果电网电源扰动或中断，则从该电池向负栽提供大量不间断电力。对于 电池型UPS,如果电网电源在电池电力^ ^前未恢复，则负栽将经受 电力中断。大多数UPS系统还包括数据端口 14，可利用软件对该端口进 行配置，以便有序地关断负载。在电网扰动或中断期间，从UPS到负载 的关断指令是响应于不再能支持所附着的负载的电池。从完全被充电到关 断指令的时间是UPS系统的最大"运行时间"。
UPS的"运行时间"取决于电池容量(或针对非电池系统的燃料供应) 以及所附着负载的能量消耗速率。对于电池型UPS系统，UPS系统包括
电池充电器， 一旦电网电力恢复，则使内部电池返回到已充电状态。完全
放电的电池典型地需要2-6小时来达到卯％的容量。在决定购买时，运行 时间是决定因素，因此对于正确地确定UPS系统的整个生命周期是很关 键的。对于电池型UPS系统，电池是运行时间降级的主要根源，因此其被设计成易于替换。UPS电池在正常情况下通常持续4-6年。我们知道在 i午多商业电池型UPS系统上见到的电池水平指示器是非常不准确的，例 如其指示可用的运行时间有几小时，而实际上可能仅有几分钟。

发明内容
本发明涉及包括电力管理系统的系统和方法，该电力管理系统被设计 成通过经由广域通信网络来远程控制电力被管理的站点，从而补偿在大范 围的电力网络上的负载不均衡。本发明的实施例加强了所安装的多种较小 远程电源，以支持在电需求高峰或者要求选择辅助服务期间给定的电力负 载。
本发明的实施例能够管理多种可用电能的源。这通过监视矩阵以及特 殊的高速计算分析来完成，从而控制远程UPS电源。因此，本发明的实 施例控制巨大阵列的较小电源单元，以便减小负载不均衡的危害，而无需 安装附加的发电机。这导致更为有效且可靠地执行电服务系统，其使用更 少的昂贵的"必须运行，，设备。
本发明的实施例可涉及大型电网以及微电网，比如到校园以及各个家 庭和建筑物的电网。例如，未连接到电网但有风力或太阳能(光电)发电 机来给住宅供电的家庭可以使用本发明的实施例在风或阳光有异常减弱 时给关键系统(例如，计算机、安全设施、冰箱等)供电。在该上下文中， "电网(grid)"为家用布线网络。
本发明的实施例利用存储在不间断电源(UPS)系统内的能量以补偿 电网上的高峰电力问题，所述系统目前用于保证关键电设备的连续操作。 这种电源确保可用，并且其成本对于它们在线路中断期间维持电力流所体 现的价值来说是合理的。然而，除了在罕见的线路电源(line power)故 障期间有必要之外，这种系统很少用来提供电力，从而浪费了可更为经常 地应用于重要的负载均衡功能的有价值的存储资源。本发明的实施例通过 以各种形式控制这种存储来利用这种潜能。
本发明的实施例涉及集成电力管理和UPS (不间断电源)系统。该 集成电力管理和UPS系统提供两个功能。第一功能是标准的UPS功能， 即当AC电网电力不可用时，提供电力给附着的负载。第二功能是针对电 网补偿(gridoffset),利用远程控制提供负载和本地电力管理功能。电网 补偿是使用UPS设备来除去(off-load)或者减少通常由电网提供的电力
的情形，无论该电力是从本地还是从远端源供应，从而提供电网补偿支持
而没有设备负载电力供应中断。换句话说，电网补偿是使用UPSiMi:行 本地负载(从而减少了对电网的需求)和/或向电网拔 洪电力的情况。应
注意，容量典型地以VA或伏特乘安培来表达，可用于电网补偿的容量不 能大于UPS的有效运行时间，其中UPS的有效运行时间由电池大小和/ 或UPS的燃料量确定。电网补偿是可能的，因为结4殳备负载的电力由电 网AC电力和从本地UPS能量源供应的本地电力来支持。另外，当电池 作为电源时，对于何时或多少电网AC电力用于补充本地UPS能量电源， 负栽和电力供应管理完全受制，以避免由于UPS电池再充电而产生新的 负载尖峰。
本发明的实施例使电网补偿小于UPS的可用运行时间，因此UPS系 统中总是有一些电力可用。如果电网补偿支持等于储^l^运行时间，则对于 应急事件，例如实际的电力中断，没有UPS容量可用。这是有问题的， 因为UPS系统的最初意图就是针对应急事件。这样，在针对意外的电网 中断执行电网补偿后，可能立刻就没有可用的UPS电池电力了。因此， 本发明的实施例在UPS中保持应急储备电力可用，使得电网补偿运行时 间减去应急储备时间等于电网补偿支持时间，或者(RT-CRT=GOST )。 本发明的实施例允许电网管理者和/或UPS最终用户有能力选择分配多少 应急储备容量用于紧急情况。
本发明的实施例还允许电网补偿量与运行时间的可编程折中、可编程 的应急储备量以及在电网补偿、运行时间和应急储备之间以任何组合的可 编程折中。
本发明的实施例允许改进现有系统，将所安装的UPS系统转换成电 力管理和UPS系统。
本发明实施例的一个特征是即时响应。
本发明实施例的一个特征是准确且动态地测量UPS负载和储备时间。
本发明实施例的另 一特征是提供准确且可靠的方法来确定实际运行 时间而无需接入UPS内部，这与集成到UPS中的通常不准确的指示器不 同。
本发明实施例的又一特征是避免有害的需求高峰，否则可能导致电压 不足或中断。
本发明实施例的又另一特征是减少对更高成本"必须运行"发电机的 依赖。
本发明实施例的又另 一特征是提供可靠的低成本辅助服务选择。
本发明实施例的又另 一特征是允许本地不间断电源设备来满足其预 期的工作需求。
以上相当宽泛地描述了本发明的特征和技术优势，以便随后对本发明 的详细描述更易于理解。本发明的附加特征和优势将在下文中描述，其构 成了本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应理解，所公开的构思
其它结构的M。本领域的技术人员还应意识i'J,这种等同构造不背离所 附权利要求书所提及的本发明的精神和范围。被认为是本发明特点的新颖 性特征，关于其组织和操作方法以及进一步的目的和优势，当结合附图考 虑时从以下描述中将得到更好地理解。然而，很容易理解，每个图仅是为 了图示和描述的目的而提供，并非意在作为对本发明的限制的定义。


为了更彻底地理解本发明，现在参考以下结合附图的描述。其中
图l描述了现有技术的不间断电源；
图2A-2C描述了本发明实施例的配置示例；
图3描述了包括ON/OFF开关的本发明一个实施例的配置示例；
图4描述了包括可变开关的本发明一个实施例的配置示例；
图5描述了包括并行旁路子系统的本发明一个实施例的配置示例；
图6描述了包括可编程电源充电器的本发明一个实施例的配置示例；
图7描述了包括延续电力单元(carry-over power unit)的本发明一 个实施例的配置示例；
图8描述了包括图3-7中各方面的本发明一个实施例的配置示例。
具体实施例方式
图2A描述了本发明一个实施例的配置。在图2A中，多个电力受管理站点(PMS)连接到AC电网电源21。应注意，每个源21可包括不同 电网、电网的不同部分、电网的同一部分或其组合。每个PMS24还通过 网络25 (其可以是广域网)连接到电网控制设施26。每个PMS 24可代 表家庭、学校、商业场所、其它电力消费者或处在这些场所之一的部件。 应注意， 一个场所可具有多于一个的部件。每个PMS24包括负载管理和 电力管理系统22以及i殳备负载23。管理系统,负载23的需求以;5Lfc PMS 24处可用的UPS电力量，并将该信息定期或连续地发送到电网控制 设施26。 UPS管理系统20用于减少从公用事业公司到负载23的AC电 力需求。这通it^公用事业公司或电网控制中心26发送负载减少请求或 命令来实现。在一个实施例中，PMS24可基于本地电源的状态和/或本地 用户准则来决定是否顺从该要求。在另一实施例中，PMS顺从设施26发 出的命令。在任何情况下，当已经到达本地电源的应急储备时，PMS 24 可重新掩^与电网的连接。
图2B描述了图2A的管理系统22的一个实施例。系统22包括AC 电网供应负载控制器221，其接通或断开与电网电源的连接。控制器221 还监视电网的状态。电力导向器223对电力从电网还是本地能源222传递 到负载做出裁定。当电网由于停电或电压不足而变得不够用时，导向器 223将电力从本地源222路由到负载。本地源222可以是电池或发电机。 如果源222是电池，则导向器可将电力从电网路由到源222来对电池重新 充电。
图2C针对适合于现有系统的PMS描述了本发明的一个实施例。电 力管理系统230耦接在电网源21和现有UPS 220之间。系统230包括远 程控制开关231,其切断到UPS 220的电力，从而模拟对UPS的电网中 断。UPS 220通常通过自动地从电池或发电机切换到备用电源来进行响 应。当UPS运行时间变低时，来自电池或发电机的备用电源将基于由授 权的公用事业公司、即设施26远程发出的电网补偿命令或响应内部UPS 请求来接合AC电网电源。备^ AC电源的内部UPS请求源自于"捕获" 用于从UPS数据端口有序地关断负载的UPS命令。关断信号仅短暂延迟 一个足以重新掩^AC电源并反转关断命令的时间。在AC电源不可用的 情况下，延迟设备默认到通常闭合的位置，而关断正常进行。在UPS数 据端口不可用的情况下，传递输出检测器或输出计233可以与电源检测器 或输入计234以及嵌入式软件程序协同使用，以便准确地确定何时重新接 合AC电源。测量接口 232从输出计233和输入计234接收数据，并将数 据提供M入式软件。类似地，通信接口 235将PMS 230 (包括嵌入式软件)连接到网络25。设备负载接口 236接收有关UPS 220和负载23的状 态的数据，并将该数据提供M入式软件。所述嵌入式软件可驻留在接口 231中或者另一部件(未示出)上。
图2A-2C的实施例可通过链接到PMS设备24和230的特定交互式 通信网络25来控制。这些设4^f吏得任一给定的不间断电源设备按照指示 快速地上线或下线。这些系统能够精确地定位和转移电负载高峰，该高峰 与在其控制下的远程受控电源的数量和电力大小成比例。
本发明的实施例可监视能量存储单元或UPS以及负载。PMS的部件 可确定附着于UPS的所附着的最大负载，其被称为锁存高P艮(latched high limit )。部件还可确定附着于UPS的最小负载，其被称为锁存低限。所述 最大值和最小值可经由显示器或打印机被记录并提供给PMS最终用户。 部件还可以将UPS负载与UPS输出相关联，以便确定非稳定状态或自供 电运行时间。换句话说，所述部件可确定UPS能够向连接到它的负载供 电而无需来自电网的足够输入供电的有效工作时间。
本发明的另 一实施例提供带有超控开关(override switch)的PMS， 其允许PMS最终用户手动地连接先前断开的ESU，以避免负载的关断。 超控开关还可由用户或电网控制设施来远程激活。部件可跟踪超控 (override)的数量和时间。电网控制设施也可以跟踪超控的数量和时间。 超控数据可以显示给用户。与超控相关的历史数据可用于预测将有多少用 户超控的概率(随机分析)以及超控将应用于何种功能或服务。这对于能 源服务提供商是有用的，并且能够结合其它历史数据，比如日期、天气、 湿度等，以进一步提高分析和风险回避的可靠性。
实施例可允许聚合多个UPS内可用的电力量。换句话说，多个UPS
以合计起来。为此，部件可跟踪和显示多个UPS内可用的电力量。
本发明的实施例可允许确定电网的电力质量。位于电网控制设施的部 件可跟踪并显示本地电网电力质量(例如，下跌(sag)、尖头信号(blip)、 电压问题、频率问题、简单波形分析等)，以便将服务/处理/设备停机时间 与特定的电力质量事件相关联。
图3描述了本发明的另一实施例的配置300。图3的系统31利用 ON/OFF开关317来断开AC电源30，并模拟本地化停电情况。在该实 施例中，负载33仅由UPS32中的能量存储器322的容量或者AC源30来支持。该实施例仅提供两种(2)工作情形，即100%电网补偿或0%电 网补偿。应注意，UPS电池充电慢，因此当AC电力恢复时，对电池充电 需要有附加的电力消耗。当与该类型的其它系统聚合时，该附加的消耗可 加剧高峰电网电需求。同样，由于针对系统31的ON/OFF需求，应急储 备异常难以执行。
本发明的系统31用于协同来自中央控制i殳施38的信息和指示来解 释、检测以及控制高峰电需求。中央控制设施38指示替选电源32上线， 以便根据需要向电负载33供电，并确保足够的能量存储器322可以使用 一賴:预定的时间。
UPS 32是结合了替选电源比如蓄电池或燃料支持的发电机来支持电 负载的一种系统。其检测线路电源何时不可用，并在线路电源故障情况下 自动提供替选电源上线来支持电负载。UPS 32使得备用电源连接到电负 栽。同样，其还检测电源何时恢复。
受保护的电负载33是由电力系统供电并受UPS32保护以免受中断电 力影响的一个或多个电负载。
网络连接36包括能够在多种设备之间传递双向信息的任何适当的长 距离电子通信网络。
ON/OFF电源断续器317能够使支持不间断电源单元的线路电源被 接通和断开。这通常利用双刀双掷型(其中单相电路的两侧同时切换)电 -机械开关或继电器型接触器在正弦波的零交叉处完成。在该实施例中， ON/OFF电源断续器317用于模拟电力中断情况或者根据需要恢复电力。 其使得UPS32上线或下线以支持其负栽。在故障时，其自动地接通(通 常关闭)。
能量存储器322是可被转换成电能的任何能量源存储，其作为相对于 来自电网的线路电源的替选电源，包括但不限于可再充电的电^储器、 带有燃料源的燃料电池、旋转飞轮(spinning flywheel )、工作流电池或者 使用烃类燃料源的引擎发电机，其中能量存储在燃料的化学属性中。
用于电池型UPS系统的电池充电器321是UPS32的一个部件，并对 电池型能量存储器322进行再充电。
测量接口 318是UPS管理系统31的部件，其允许系统外部的操作变 量被量化并被转换成数字信息以便进行处理。该部件在接收和发送模式下 都能够大批的解释数据。该部件还可以接受来自于UPS 32数据端口的"关断，，信息，以便UPS管理系统重新#^ AC电源以向电负载33供电以及 给UPS电池322重新充电。通常指定用于负载的关断信息被瞬间延迟， 以使ON/OFF开关317闭合，从而备^AC线路电源。掩^ AC线路电 源使得UPS 32重置回正常工作状态，清除关断命令并对UPS电池322 重新充电。在AC电源故障的情况下，测量接口 318恢复为通常闭合的电 路，并自动地发送任何以及全部关断命令而无延迟。测量接口 318还接收 来自于微处理器312的指示。
通信接口 316是双向数字通信部件，该部件将所处理的信息转换成与 微处理器312兼容并且还与网络连接36的W巨离通信功能的通信协iM目 兼容的信息。
控制接口 310是这样的部件,其接受来自于电源检测器311的电信息， 并对作为模拟电力中断的机构的开关设备317进行激励，以便促使UPS 32 使用其存储器322代替全部的线路电源。控制接口 310接收来自于微处理 器312的指示。
电源检测器311是这样的部件，其确定并数字化各种与电有关的测量 值，所述测量值包括但不限于电压、电流、功率、频率、阻抗以及运行时 间。电源检测器311附着于UPS管理系统31的输入侧，但不影响UPS 32 或负栽33的正常操作。
微处理器312是能够处理信息并根据存储于存储器313的程序中的指 令而作出决策的数字微型计算机。该微处理器在该系统中作为关键的定义 存储器使用的角色。
程序存储器313包含用于微处理器312的作为UPS管理系统31的操 作的一部分的程序指令。该存储器可以是非易失的，但能够通过来自于中 央控制器38或其它命令源例如系统客户的指示性命令来改变。
处理存储器314是这样的存储器，其可以是动态的，并保存有临时信 息，作为微处理器312的计算处理功能的一部分。
负载接口 315是这样的部件，其接受来自于传递输出检测器34的电 信息以便UPS管理系统确定电池状况、储备容量以及负载状况。其促使 UPS管理系统31经由ON/OFF开关317重新掩^ AC电源以供电，并将 UPS 32重置回正常工作模式，以及允许电池充电器321对UPS电池322 充电。其接收来自于微处理器312的指示。
传递输出检测器316是这样的部件，其确定并数字化各种与电有关的测量值，所述测量值包括但不限于在负载33处的电压、电流、功率、频 率、阻抗以及运行时间。其附着于负载33的输入侧，并且不影响UPS32 或负载33的正常操作。
聚合网关317是这样的部件，其允许多个本地UPS管理系统31共享 一个网络连接36，并提供本地聚合以解除广域网36通信瓶颈。其还提供 在其指示下的全部UPS管理系统的协调交互。其与每个UPS管理系统31、 中央控制器38以及系统软件37共同工作。网关317对于具有多个UMS31 且每个UMS 31与不同的UPS 32以及负载33相关联的位置是有用的。
中央控制器38是通过通信网络连接到电力公司的动态数据库的中央 计算系统。其集中地接收电网上电厂以及其它发电站的工作状况。该中央 系统配名^有可从Optimal Technologies International 乂〉司获得的多个复杂 的注册了商标的软件(AskOT， AEMPFAST, SUREFAST等)，所述软件 包含能够通过使用很大的实时数据库来作出决策从而优化电力的一定程
度的智能。中央控制器38能够快速地评估发电设施以;M目应输送设施的
电源工作状况。其还具有快速决策以及通过网络连接36与相关联的UPS 管理i史备31进行双向通信的能力。
系统软件37包括这类软件，比如可从Optimal Technologies International公司获得的软件，所述软件具有监视、评估、优化复杂的电 力消耗模式和趋势并进行分级，从而将控制信息提供给各个UPS管理设 备，使得各个UPS管理设备可以采取行动以使附加的电能量源以及其它 适当的辅助设备上线。该系统可应用到来自于无论小的建筑物还是大的国 家电网的要求负栽均衡支持的任何电力服务，从而形成电力行业宽范围的 保护系统。该软件应与快速响应程序协同工作以控制远程电源，从而有效 地减少在高峰需求时期使用的电力。这样通过利用改进的需求响应策略以 及附加的关键控制功能来更充分地利用现有资源，从而建立更为稳定和高 效的电网。
受监视的电力产业39是落入本实施例的监视和控制功能范围内所有 电力生产者和运营者的受影响领域。
图4描述了本发明另一实施例的配置400。该配置400类似于图3的 配置300。共同的元件有同样的标识符。
在该实施例中，使用了能够进行ON、 OFF操作并将调整的电力输出 到UPS的可变开关410来代替ON/OFF开关。调整也可以平滑地执行或 通过ON/OFF持续时间来执行。例如，对于ON/OFF比率为3的情况， 针对该位置，所述公用事业公司将看到平均25%的负载下降，并且UPS 电网补偿将持续1.25倍长的时间。
平滑调整的电力输出可用于分割从AC电源30提供的电力量，但仅 可能用于UPS系统，该UPS系统在较低电力输入时能够继续工作(例如， 对其电池充电)。例如，AC电源调整到连续地供应50%的UPS负载，意 味着UPS电池将提供另外50%，并且因此将持续两倍长的时间。公用电 网运营者调整因此能够被用于维持电网补偿，以满足期望的时间分配一一 尽管在补偿量减少的情况下。应注意，该特征是有用的，原因是大多电网 补偿合同要求一个小时或更长的时间块(time block),很少的UPS系统 在全负载时能够可靠地提供这样的时间块。
动态执行的经调整的切换还能够提供应急储备，并仍然满足合同时间 块承诺。例如，最终用户可能希望总是有最小25%的储备容量用于紧急 情况。实际补偿被减小25%，但继续提供价值。
图4包括可变开关410，其能够使支持不间断电源单元的线路电力断 开、接通或者以部分i殳置被调整。该开关在本实施例中用于模拟部分电力 中断情况(0到100%)或者按照需求恢复电力。该开关还使不间断电源 32使用部分UPS输出(储备容量或运行时间)来支持其负载。当故障时， 所述开关自动地将满电力接通到UPS电路。
图5描述了本发明的另一实施例的配置500。该配置500和图3和4 的配置300和400相似。共同的元件具有同样的标识符。
如图5所示，该实施例对图4的配置增加了并行旁路子系统，其允许 可变(经调整的)AC源电力直接向负载供电。在需要来自于UPS的部分 电力但UPS的设计使得难以通过UPS提供部分AC源电力的情况下，这 个实施例的操作是有用的。
实施例的并行旁路系统对在图4中已经描述过的部分使用三个附加 的部件。这些部件包括可变开关511、电源开关52以及电力导向器53, 且允许经调整的电源旁路UPS单元并直接给负载供电。
该实施例的操作允许向任何电池型UPS提供ON/OFF或平滑调整的 电力，也允许向任何负载提供ON/OFF或平滑调整的电力。为负载供电 所需的和/或UPS需要的ON/OFF和平滑调整的电力的任意组合可以在旁 路电路和UPS电漆t间分开。与图4的实施例的操作一样，该实施例的 操作能够用于区分AC电源提供的电力量。
该实施例包括电源开关52以将UPS32与负载33完全隔离。当电源 开关52用于隔离负载与UPS时，可变开关510可接通，以将电源322充 电到任何期望的水平，包括由最终用户确定的应急储备需求。
可变开关511启动并行UPS旁路电路，并能够使支持负栽的线路电 源被断开、接通或以部分设置被平滑地调整。可变开关511类似于可变开 关410进行工作。其在这个实施例中用于模拟部分电力中断情形(0到 100% )或根据需要恢复电力。其使不间断电源32不使用、使用全部或部 分UPS输出(储备容量或运行时间)来支持其负载33。当故障时，其自 动切断到旁路电路的电力。
电源开关52使负载与UPS隔离。其在这个实施例中用于确保^ UPS的所有AC电力仅用于UPS和电池充电器需求。在该模式中UPS系 统不提供AC源电力。当故障时，其自动闭合到负载的连接。
电力导向器53针对来自旁路电路和UPS系统的电力的频率差异和其 它关键电力因素进行同步。其隔离并确保旁#供的电力或UPS提供的 电力不能反馈进任意一个电源线。其确gUPS和从旁路电#应到负 载的电力的百分比正好等于负载所需电力的100%。其利用控制Jl馈回路 来动态地执行其功能。当故障时，其自动将来自UPS电路的全部(100% ) 电力导向负载。
图6描述了本发明的另一实施例的配置600。该配置600分别和图3 到5的配置300、 400以及500相似。共同的元件具有同样的标识符。
如图6所示，该实施例包括向图4的配置400增加可编程电池充电器 61，并使用图5的配置500的可变开关511通过UPS电池连接器适配器 620直接对UPS电池322充电。
当电池连接器可接入且UPS设计将不提供部分AC电力且仅仅能够 在利用全部或不用AC电力情况下工作时，和/或当UPS设计将提供部分 AC电力但UPS电池充电器321不提供时，本实施例是有用的。在本实施 例中，UPS电池能够被单独充电。储备电池容量通过该模式得到加强， 而不影响UPS的功能性。
在图6中，可变开关511启动能够支持可编程电池充电器的并行旁路 电路。可编程电池充电器能够不用、利用全部或平滑调整的电力被供电。 其类似于可变开关410地进行工作。在这个实施例中，其用于对UPS电
池322单独充电。当故障时，其自动关断到旁路电路的电力。
可编程电池充电器61对UPS电池单独充电。当故障时，其自动与 UPS电池断开连接。
UPS电池连接器适配器620提供对UPS电池的接入以便单独充电。 当故障时，其自动与UPS电池断开连接。
图7描述了本发明的另一实施例的配置700。该配置700分别和图3 到6的配置300、 400、 500以及600相似。共同的元件具有同样的标识符。
如图7所示，该实施例包括延续电力单元71和到图5的旁路电路的 电源开关52。
这个实施例包括延续电力单元71，其用于在从通过旁路电i^应的 任何电力转变到UPS供电期间，提供足以供应100%负载的AC电力的瞬 时脉冲(instantaneous burst )。脉冲电力通常由小电池或旋转飞轮提供， 且仅仅在从旁5g^应的电力切换到UPS供应的电力期间需要，以避免任 何到负载的中断。从负载33的角度考虑，它也预防旁路电路上的电力质 量问题。电力质量问题可以包括电压浪涌、电压尖峰、电压下跌以及频率 偏离。除要求短时间以及由此要求小电源以将全部负载转移到UPS夕卜， 延续电力单元71可以非常类似于小的UPS。
续电力单元71用于防止当负载正通过旁路电路获得电力并且有AC 电源中断(停电)时的负载中断。在这些情况下，从旁路电路到UPS电 路的转变是非常重要的。在这些情况下，UPS可能不能立刻转变成供应 100%受保护的电力以支持负载。转变周期也可以依赖所使用的UPS的类 型而变化。例如，电池型UPS可能具有以亳秒计的转变周期，而燃料激 励的UPS系统可能需要多达60秒以向负载供电。
电源开关52使负载与延续电力单元隔离。在本发明中，该电源开关 52用于确保延续电力单元与负载的完全隔离。它允许延续电力单元被快 速隔离以^更再充电。在该模式中，延续电力单元不提供AC源电力。当故 障时，其自动地断开与负载的连接。
图8描述了本发明的另一实施例的配置800。该配置800分别和图3 到7的配置300、 400、 500、 600以及700相似。共同的元件具有同样的 标识符。
如图8所示，该实施例分别包含图3到7的配置300、 400、 500、 600 以及700的所有特征。
该实施例是在具有实时电源负载监视和控制能力的中央自动控制系 统的控制下的分布式电服务电源的系统。该系统能够评估大批受监视的发 电单元的大范围运行状况，以便整个集成的电源服务系统的整体性能实现1)最大的可靠性2)利用最优负载管理作为其主要生效参数的更小成本, 以及3 )为最终用户提供选择多少应急储备以分配用于紧急情况的能力。 本发明的优选实施例是这个系统的子集，其中，以上能力的证明是通iW" 特定电源组的监视和控制来实现的，该特定电源组通常用于在常规中央电 源服务故障的情况下确保连续服务。
本发明的实施例允许其以最小成本在多个电源中实现最大负载均衡 的目标，且仍符合最终用户需求。
针对这种实现的过程包括能够通过接口 316和网络36对大批大的和 小的产生电力的电源进行网络监视的中央控制设施38，较大的产生电力 的电源能够进行电力的生产和输送(例如电力产业)，较小的产生电力的 电源可以是能量存储器322。中央控制设施38应当具有用于交互式监视、 控制和网络通信的高速计算设备(计算机)和软件，所述高速计算设备和 软件能够针对相对于其在线生产和备用容量来评估所监视电力产业域39 的整体状况，以实现满足需求和适当的辅助服务需求的实时工作性能。在 该系统中包括和处理了电力传输系统的性能。
为了便于阐述，在图2A到2C以及图3到图8的每一个中都示出了 一个UPS管理设备31、 41、 51及其到一个远程电源32、 62的连接。作 为系统，其可以利用具有各自的指示控制的这些远程电源中的一个或多 个。在UPS管理设备31、 41、 51中，具有功能测量接口318，其能够解 释所需要的去往和来自不间断电源单元32的能量存储器322的模拟和数 字信息，以便确定该存储器的就绪状态，不管它是蓄电池还是用于发电机 组的燃料供应或者任何类似的普通蓄电(storage-to-electricity )转换设备， 包括在任何市售的固定(例如用于计算机和设备*)或移动(可附着到 公用事业公司电源系统的电动或混合车辆)不间断电源中可见的飞轮、电 容器或其它形式的可再充电电池。
测量接口 318还能够根据需要通过多通道连接来按要求测量电力消 耗以便计费。在该实施例中测量接口 318的主要用途是在采取动作以使用 所述能量存储器322来转移由中心控制设施38通过使用网络连接36的通 信，彈到的任何预期的或检测到的需求高峰之前和之后，监视存储器可 用性的数量当量。测量接口 318还用于管理负载关断令、管理延续电力单元71、管理可编程电池充电器61，以及与来自控制接口 310和负载接 口 315的适当信息协同工作。
UPS管理设备31、 41、 51用于通过模拟电力故障情况来控制该存储 器上线，其中信号从微处理器312通过控制接口 310，使得到不间断电源 单元32的电力通过ON/OFF开关317或可变开关410而被中断或减少。 所述不间断电源单元32使能量存储器322被使用以向受保护的电负载33 供电。所述能量存储器322用于提供交流电，该交流电力通过逆变器从能 量存储设备比如电池产生，或从到发电机的燃料产生，或者从将存储的能 量转换成电服务能量的任何类似过程产生。
中央控制设施38和UPS管理设备31、 41、 51共同执行部分功能， 其中软件37主要是快速分析大数据库以及输出指令，而设备31、 41、 51 用于测量和控制。如果根据UPS管理设备31、 41、 51的本地测量接口 318和/或计量数据来自于电源检测器311的控制接口 310和/或计量数据 来自于传递输出检测器34的负载接口 315,能量存储器运行时间具有满 足对电网负载转移(电网补偿)的渐增贡献的需求以及仍满足其用户确定 的应急储备需求的完整性和容量，则UPS管理设备31、 41、 51将只着手 使存储器上线。这种信息可用于中央控制设施38，从而使得中央控制设 施38可以在网络中的存储不足的情况下重新计算替选选项。微处理器312 利用来自于程序存储器313的本地指令使本地计算解释状态准备就绪。过 程存储器314通过提供动态数据交换作为312的基本部件。
应注意，这里所描述的任何功能都可以以硬件、软件和/或固件和/或 其任何组合的方式实施。当以软件实施时，本发明的元件本质上是执行必 要任务的代码段。程序或代码段可以存储在处理器可读介质中，或者通过 以载波实施的计算机数据信号或载波调制的信号而在传输介质上传送。 "处理器可读介质"可包括能够存储或传送信息的任何介质。处理器可读介 质的示例包括电子电路、半导体存^i殳备、ROM、闪存、可擦除ROM (EROM)、软盘、压缩盘CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF) 链路等。计算机数据信号可包括能够在传输介质比如电子网络通道、光纤、 空气、电磁、RF链路等上传播的任何信号。代码段可通过计算机网络比 如互联网、企业内部网等来下载。
所述处理器可以是任何通用CPU，比如Intel Pentium处理器。然而， 本发明不受限于处理器结构，只要该处理器支持这里所描述的创新性操作 即可。根据需要，程序存储器和/或处理可以是随机访问存储器(RAM),比如SRAM， DRAM或SDRAM,或者可以是只读存储器(ROM )，比 如PROM， EPROM或EEPROM。网络可以是电话网络、局域网(LAN) 和/或广域网(WAN)、以太网和/或互联网中的一个或多个。
本发明的实施例可以用于控制住宅、邻区、建筑物、建筑物群、城市 的一部分、州的一部分、国家的一部分、大陆的一部分。例如，住宅可以 有多个PMS系统， 一个用于每个计算机， 一个用于每个主要电器，而聚 合网关35将管理用于该住宅的所有PMS系统。该示例可以被扩大用于更 大的控制域。
本发明的不同实施例的各个部件置于一个盒子内，或者可以置于多个 盒子内。这些盒子可以靠*放置在一起，例如共同的场所或建筑物，或 者所述盒子还可以彼此远离并通过网络连接。
尽管已经详细描述了本发明及其优势，但是应理解在不背离由所附权 利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、 替代和改变。而且，本申请的范围并非意在受限于说明书中描述的过程、 设备、产品、合成物、装置、方法和步骤的具体实施例。本领域的普通技 术人员将从本发明的公开中容易地理解，根据本发明，可以利用目前存在 的或以后将会开发的、与这里所描述的对应实施例执行基4^目同的功能或 实现基4^目同的结果的过程、设备、产品、合成物、装置、方法或步骤。 因此，所附权利要求意欲将这些物质、装置、方法和步骤的处理、设备、 产品、合成物包括在其范围内过程、设备、产品、合成物、装置、方法或 步骤。
权利要求
1.一种用于管理负载的电力管理系统，包括到电源网络的连接；到备用电源的连接，其中所述备用电源连接在所述电源网络和所述负载之间；以及控制器，其使所述负载接收来自于所述电源网络的减小了一定量的电力，并使所述备用电源将所述量的电力提供给所述负载。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述控制器操作用于使所述负载 接收来自于所述电源网络的电力，该电力在所述电源网络上的电力消耗高 峰时期减小了一定量。
3. 如权利要求l所述的系统，还包括通信网络，其将所述电源网络和所述备用电源连接到所述控制器。
4. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络为互联网。
5. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络为所述电源网络。
6. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络为建筑物布线。
7. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络为广域网络。
8. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络为专有网络。
9. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络包括 至少一个陆地无线^L器銜洛。
10. 如权利要求3所述的系统，其中所述通信网络包括 至少一个非陆地卫星銜洛。
11. 如权利要求l所述的系统，其中所述备用电源为下述之一可再充蓄电池、液体或气体燃料往复式引擎发电机单元、液体或气体 燃料涡轮引擎发电机单元、燃料电池、流电池、飞轮以及其它可再充能量 存^i殳备。
12. 如权利要求l所述的系统，其中所述控制器按照如下之一操作 人工操作员；自动化的非人工操作员；以;5LA工和非人工操作员的组
13. 如权利要求l所述的系统，其中所述负载为下述之一 建筑物的计算机系统、照明系统、电子设备以及电负载。
14. 如权利要求l所述的系统，还包括 测量接口 ，其监视所述负载和所述电源网络。
15. 如权利要求13所述的系统，其中所述测量接口还用于能量服务 计费。
16. 如权利要求13所述的系统，其中所述测量接口还用于确定所述 备用电源的状况和容量。
17. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制器用于使所述备用电源 向所述负载提供所述量的电力，直到在所述备用电源中剩余最小量的电 力，然后，所述控制器使所述负载接收来自于且仅来自于所述电源网络的 电力。
18. 如权利要求15所述的系统，其中所述备用电源的最终用户确定 所述最小量。
19. 如权利要求l所述的系统，还包括用于确定所述负载的最大负载的装置；用于确定所述负载的最小负载的装置；以及用于将所述负载与所述备用电源的输出相关联以确定所述备用电源 的非稳态运行时间的装置。
20. 如权利要求l所述的系统，还包括超控开关，用于超控所述控制器，并使所述负载恢复成从所述电源网 络接收所有电力。
21. 如权利要求21所述的系统，还包括 用于跟踪所^控开关的4吏用的装置。
22. 如权利要求21所述的系统，其中所述控制器是多个控制器之一， 其中每个控制器与多个负载之一、多个备用电源之一以及多个电源网 一相关联。
23. 如权利要求22所述的系统，还包括用于聚合在所述多个备用电源中的一部分内的可用电力量的装置。
24. 如权利要求22所述的系统，还包括用于聚合可用时间的装置，在该可用时间内所述多个备用电源的一部 分能够向与其关联的负载供电。
25. 如权利要求l所述的系统，还包括 用于确定所述电源网络的电力质量的装置。
26. 如权利要求25所述的系统，其中所述装置跟踪多种电力状况中 的一种或多种，所述多种电力状况包括下跌、尖头信号、电压问题、频率问题以及波形问题。
全文摘要
一种电力负载管理系统，以及一种以受控方式使用多种远程电源的方法，使得聚合系统有能力补偿关键的电力公司高峰电需求时期，从而防止严重、有害的电力短缺和中断问题。
文档编号H02J3/14GK101199093SQ200680021066
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月16日 优先权日2005年6月17日
发明者罗兰·舍特勒, 詹姆士·德特默斯 申请人:最优许可公司