响应电网变电站的制作方法

专利名称：响应电网变电站的制作方法
技术领域：
本发明涉及供电网，特别地，涉及对电网中同步部分进行连接的变电站。
现代的电网内在是不稳定的。在大多数情况下和大多数时间里，内在的不稳定性可以由各种控制动作遏制和控制，因此对我们大多数人来说在大多数时间里电灯能保持开着。
不幸的是，设备的故障确实会发生。如果在电网的配置中并未预见和规划到故障可能性，则它会引起电网行为及电流量随之发生改变，而这样的改变接下来会引起更多的连锁故障。各种控制策略和动作被设计用来最小化这类连锁故障的可能性，并在它们确实发生时最小化它们的程度。还没有已知的控制策略可以对这类连锁故障的发生，或其潜在的程度提供保证。尽管良好做法的有效执行可以使其可能性很微小，并缩短停电的时间，但电网的全局故障和所有供电停电仍然有可能。2003年秋，我们看到了此内在不稳定性在四次重大停电中造成的后果。美国的一次大规模停电，伦敦的一次较短但影响重大的故障。斯堪的纳维亚南部的一次大故障，及意大利的一次停电。
内在的不稳定性由进行电网设计的电的基本特征引起-传输的有效瞬时性。电以光速的某个分数通过电线。虽然各种设备会延迟效应的传播，但效应仍然传播得比任何状态或如果控制是要对实际事件做出反应时所需的控制数据更快。
-电网的同步。传输的瞬时性允许将电网的所有组件锁定或同步到单个电网频率。对此作为核心的交流电(或A/C)也是许多使A/C成为所有电网根本基础的特征的基础。
是A/C使得电力工业的创建者能够长距离传输电力，并大规模发电使得早期的技术更加有效。A/C可以变换为非常高的电压以便进行有效的长距离传输，然后变换回对工业用或家用安全而有用的低电压。随后的演变到现在已产生了电网，所有电网都同步到相同的共有频率，以及形成了输电服务的分级结构(从而电压也是这样)。分级结构的每个等级通过变电站与较低和较高的等级链接。
变电站主要由与转换或变换电压的变压器互连的开关组成。总的来说，变压器设计为提供两种服务之一●“升压”变压器，使得发电时的低电压变换为长距离高容量输电网络的高电压，或●配电变压器，它将高电压转换为适用于更局部网络的低电压。在到达欧洲目前的家用和办公室用标准230伏之前，通常存在几个配电电压等级。
电网通常是基于电力从高电压电网向下通过分级结构流到本地需求的假设而设计的。大型发电机将提供电力，并被假定为通常经由升压变压器将它们的电力馈入最高电压等级。
在电网中，电根据网络的物理属性流动，且两个点之间的任何或所有电力路径都可以输送电，虽然有时在途中对其电压进行变换。在对网络、电的源和汇，及开关的配置具有足够知识时，可以对流量建模从而以合理的精度预测流量。
存在通过电压和无功电力的主动或被动控制来影响结果流量的装置。此控制可通过发电机(调整发电机组的电压和电力定相)、变压器(通过绕组的选择)，通过电力变换器(最初是电动发电机组但目前更常见的是静态变换器或STATCONS)，甚至通过对传输电路的审慎选择来执行。
电网管理者在特定组件发生故障从而发生非自愿的网络重配置的情况下花很大功夫预测流量，并使用这些预测来定义并设置能容忍组件故障的配置。取决于规划和安全目标，这些配置通常设计为从任何单个可能发生的故障避免严重的中断。在故障确实发生时，重新规划及手动切换以恢复安全等级成为具有高优先级的事务，使得系统能够再次应对单个的故障。
此重新规划严重依赖于对实际所发生的情况的正确理解。此理解经常只能通过间接方式获得，取决于反馈给规划者和操作者的状态信号的范围。这种状态信号总是比它们所测量的效应要慢，并且可能不精确和不可靠，从而难以或不可能从这样的间接测量中确定根本原因--实际故障。这促使自动预测并因此使控制过慢，以至于不能防止连锁故障。
由于可因不适当的电流量引起的对基础架构的潜在损害对设备来说是灾难性的，因此有自动保护设在设备保护的倾向，且这最容易通过断开和停机来实现--从而导致停电。
潜在停电的规模延伸至整个电网。只要电网由A/C互连，所有部分中的流量就会受所有其它部分影响。如果一个部分断开，则这会影响余下部分，且配置常常会随之不适于新的情况。因此触发进一步的过载及故障。
在作为整体的同步电网中，频率扮演中心控制的角色。它指示发电量和负载之间的平衡。如果发电量过多，则频率升高，而如果发电量过少，则频率下降。电网管理者的传统角色是确保有控制在起作用，这通常通过发电机进行，从而发电量根据频率而改变。即，如果频率升高，则发电机减少输出，反之亦然。一种可选且更好的管理频率的方法是让以工作循环运转的负载设备，如冰箱，来根据频率调整其工作循环。英国专利GB2361118号描述了这样的一种系统。此控制被称为响应，并且是电网管理者的关键当务之急以确保有足够的对需求的正常随机改变以及异常事件如故障进行响应。
当故障使得电网部分失电或与电网的其它或多个其它部分分离(这称为孤岛)时，这通常意味着余下部分的供电(发电量)和需求(负载)不平衡。如果没有足够的响应可用，此不平衡将反映在频率的改变中。如果频率偏移其中心设置过远，则更多的保护继电器将打开，而电网的更多部分将失电。
如果响应未在电网上适当地平衡，那么这会导致在互连电网不同部分的点或电路(即变电站)处电流量增加，且这常常是连锁中下一个故障的起因。
如果电网的两个部分断开，则这两个部分的频率将趋于不同，且两个部分中的A/C定相将偏移。如果在电网的两个部分之间还有任何互连(即使它们处在电压分级结构中相当不同的等级上)，此相位差将在它们的结合处导致不可预测(且通常非常有害)的行为。稍后的重新连接也必须仅在两个相位一致时发生，且必须有足够的容量来输送保持两个重新连接的部分继续同步所需的流量。这是困难的，且在各个开关变电站处还需要附加的专门设备。
直到最近，电网控制者才形成习惯将系统作为单个电网和单个频率进行管理，并关闭(且具有自动控制系统来关闭)可能通过从“单个”电网中分离而形成的任何分离的孤岛中的所有发电量和负载。更近期以来，允许分离的孤岛保持分离而可能带来的可靠性益处已受到认可，且在努力形成允许分离的孤岛继续保留的控制系统。无疑，分布式发电的更高密度使得单孤岛控制哲学不那么适用了。
在不同的频率上工作的电网可以互连，而这通常通过长距离DC电路来实现。这些通过将来自一个电网的A/C转换为DC，短距离或长距离输送DC，并将DC转换回按照接收电网的频率的A/C来工作。最近，在电子学中为实现这一点已取得很大的进步，使得半导体(晶体管和二极管等等)能够承载越来越大的电流。这是一个发展良好的领域，所谓的“数据变压器”和电力变换器可用于多种用途并具有多种大小。
大部分DC互联被设计为允许电力朝任一方向流动，一般这样才能使一个电网上的峰值负载可以部分地通过来自另一个电网的电力来满足，其中另一个电网的峰值位于不同时间。如果距离很长则这会十分有用。长距离DC输电线被用于连接分离的N个美国电网，而英国电网和欧洲大陆电网之间的跨海峡链接被充分使用(虽然主要是从法国输入电力)。
电力变换器也是很多发电和耗电设备中日益重要的组件。例如，很多风力涡轮都包括电力电子器件来调整它们对电网的作用。
变电站存在于有输电和配电分级结构的不同等级之间连接的任何地方。在顶部是最高的电压等级-输电网络-在英国这以400kV工作。其他国家使用不同的电压。大部分大型发电站都在此等级通过升压变压器将电力注入到电网中。这会在全国各地将电力输送到电网变电站。在大部分国家中，输电网具有多个电压等级-在英国，低电压电网是275kV-且电网变电站将为此网络变换电力。
在每个等级，电网至少在理论上可以划分为通过更高等级的网络互连的多个分离的网络。因此分离的275kV网络可以在国家的不同部分中运行。在实践中，这样的网络通常也具有直接连接。
高电压输电网络经由变电站以低电压向配电网络供应电力，通常电压会进一步降低。电网供电点(GSP)通常也是计量传输的点，且可能存在当前输送电力的基础结构的所有权的改变。
多个配电网络可以从单个GSP馈得电，且将电力输送到多个电力消耗点，这同样是通过一系列由变电站互连的低电压网络。
各个配电网络可以从多个GSP获得它们的电力，从而消除它们对任何单个供电点的依赖(以及从而确保它们不受任何单个故障损害)。这总是意味着在高电压输电网络之外存在着某种类型的电力路径，电力可以通过这些路径在不同的GSP之间流动。这些多个电力路径是进行将尽可能多的网络同步到单个电网频率这个需求的特性之一。
网络控制假设一般是电力从高电压网络流到低电压网络，这反映了大电力电站实现最大功效的概念。更近期以来，将电力馈入配电网络的较小的发电机已变得有吸引力。来自此“嵌入式发电”的电力通常假设为在它所连接的配电网络内被消耗掉，其效果仅仅是减少来自高电压网络的流量。然而，随着在网络中的任何等级安装更多的分布式发电，这有时会产生比在配电网络内所消耗的更多的电力，从而使得到更高等级电网的输出成为必需。
这使得电网控制问题比简单的单向电流量更加复杂且可能更不稳定。应如何控制嵌入式发电，且应如何决定从配电网络往上到达输电网络的电流量？在这些网络中的任何一个出现故障时应当做什么，及如何最小化这些故障？本发明试图解决上述问题。
本发明在第一方面提供连接两个在不同频率和/或电压等级上工作的电网部分的变电站，所述变电站包括监视指示两个电网部分可用和/或所需电力的参数的装置，及用于控制两个电网部分之间的电流量来响应两个电网部分的参数的响应流量控制装置。
较佳地，电网部分中的一个或两者的参数包括该一个或两个电网部分的频率。
较佳地，电网部分位于电网分级结构中的不同等级，如输电网络和配电网络，或配电网络和家用电器。变电站可以位于电网的任何两个部分之间。
频率等级提供对电网部分或网络的“应力”指示。测量值可以是例如绝对频率值或与在电网部分未处于应力下时的“正常”工作频率的频率偏移。
因为电网部分可以在不同的频率上工作且可以具有不匹配的A/C相位，所以可以提供匹配A/C相位或使它们保持近可能接近的装置。这可以是例如开关的形式，如在详细说明中描述的那样。
根据另一个较佳的方面，电网部分中的一个或两者的参数包括指示电网部分中的一个或两者可用和所需的电力之间的不平衡的信号。
管理单元调节电网部分或“域”内的响应。它还可以包含关于在特定的工作频率上整个电网部分的电力价值的信息。
较佳的响应变电站通过允许将电网-输电和配电网络-划分为多个频率域来解决上述控制问题。这提供这样的控制哲学允许不同的频率域以自稳定的方式彼此交互，最小化干扰的影响，并对变电站和功率通量的管理提供受控(且经济)的模型。
响应变电站控制器的控制哲学和原理以及架构和结构在选择应用的分级结构中的任何等级上都是相同的。这可以应用在从国家电网输电网络到配电网络之间，或从本地郊区配电网络到单个家庭或办公室之间进行互连的时候。
虽然，在较佳的安排中，本发明响应于处理同步电网中的不平衡，本发明还可以作为交易工具来应用。
相应地，在另一个较佳的方面，电网部分中的一个或两者的参数包括指示电网部分中的一个或两者的电力价值的价值参数。
价值参数可以(但不一定)是每个电网部分准备对电力支付或收取的价格。该价格可以取决于电网部分的频率或“应力”等级而变化。
根据第二实施例，本发明提供供电网系统，该系统包括由根据所述第一方面的变电站连接的两个电网部分，其中每个电网部分包括一个或多个负载及用于提供所述参数的管理单元。
在供电网系统的一个较佳方面，所述管理单元用于根据相应电网部分的频率调节所述一个或多个负载的电力消耗。
在一个最佳实施例中，本发明的这些方面与本发明的第一方面组合使用，从而根据连接的电网部分的频率或“应力”等级及电网部分在该频率上的电力价值来控制电流量。
本创新概念的最佳应用是在包括如上定义的响应变电站，并与如在英国专利GB2361118号中描述的响应负载设备结合的响应电网系统中。
仅作为示例，现参考附图描述较佳实施例

图1示出具有输电和配电分级结构的不同等级之间的变电站的电网系统的示意图；图2示出根据本发明的响应变电站的框图；图3示出用在本发明的较佳实施例中的电网应力检测器的框图；图4示出用在本发明的较佳实施例中的响应流量控制器的框图5示出变电站流量控制器的框图；图6示出变电站测量控制器的框图；图7示出管理中心的框图。
首先参考图1，现描述本发明和较佳实施例背后的一般概念。
如上所述，电网由通过变电站连接的等级或网络的分级结构组成。
在顶部是最高电压等级-输电网络-这在英国以400kV工作。其他国家使用不同的电压。大部分大型发电站都在此等级通过升压变压器将电力注入到电网中。这会在全国各地将电力输送到电网变电站。在大部分国家中，输电网具有多个电压等级-在英国，低电压电网是275kV-且电网变电站将为此网络变换电力。
在每个等级上，电网至少在理论上可以划分为通过更高等级的网络互连的多个分离的网络。因此分离的275kV网络可以在国家的不同部分中运行。在实践中，这样的网络通常也具有直接连接。
高电压输电网络经由变电站以低电压向配电网络供应电力，通常电压会进一步降低。电网供电点(GSP)通常也是计量传输的点，且可能存在当前输送电力的基础结构的所有权的改变。
多个配电网络可以从单个GSP馈得电，且将电力输送到多个电力消耗点，这同样是通过一系列由变电站互连的低电压网络。
响应变电站的核心是同步网络的紧急特性，即网络上的所有设备都同步到单个频率，且该频率根据网络上供应和需求的不平衡而变化。该频率是给所有参与者的有关网络状态的信号，且由某些参与者用于调整其行为来提供稳定性的信号。
该信号是有噪声的，并根据需求和供应的瞬间改变连续上下波动。为了最小化该波动的程度，并从而使得信号更加清晰，使电网的范围尽可能大是有用的，这样使得统计上平滑了分布在较大总体上的各个波动。这是倾向于更大的电网的一个驱动因素。
然而，如果提供了足够响应(理想的是以响应负载设备的形式-即根据电网频率调整其消耗，并因此帮助实现更均匀的平衡的较小工作循环设备)，则频率信号的稳定性可以在小得多的域内实现。通过响应负载设备，也可以更长久地容忍不平衡而不干扰域的稳定性，并从而提供采取深思熟虑的动作以修复不平衡的机会。
在这些较小的域内，仍存在这样的需要●在域内生成或多或少的电力；●在域内消耗或多或少的电力；或●从其它域输入电力或向其它域输出电力。
需求量无论是否已在网络或电网部分之内通过响应负载设备的工作而减少，都可以直接通过来自该域选择的中心或控制频率(如，50Hz或60Hz)的频率偏移导出。知道了“正常”需求后，瞬间短缺的程度(例如，kW)是来自控制频率(Hz)的频率偏离以及反映响应负载的程度和本质及它所带来的热惰性的参数的函数。如果此偏离持续一段时间，则延迟的需求量(例如，kWh)可以通过对上一次达到其所需点以来的频率偏离积分以及反映响应负载的关键参数来直接导出。在实践中，这可以通过测量由频率驱动的时钟偏离精确的时钟有多远来测量。
由于有关网络的“正常”需求的知识并不快速改变，所以可以迅速导出并传递给所有可以调整其消耗或发电行为的参与者(无论是自动的还是人)的就是参数。虽然它随着日期和星期改变，但它通常是较为可预测的，且因此可以在实时之前传播给各参与者。
当存在不平衡时，参与者可以知道不平衡的程度并决定他们如何进行反应。频率域的管理可以通过例如事先发布他们准备支付(或收取)的价格来修正指定水平的不平衡来影响这些决定。例如，当短缺超过(例如)5MWh的时候，他们可以宣布他们将准备对(在计量期内)超额供应的电力支付每MWh 50美元。短缺可以迅速以时钟延迟的秒数而不是MWh来表达。在此上下文中，超额供应的电力正好等于未消耗的电力。
因此所有参与者都可以设置他们的控制系统以根据他们的价格敏感性对此信号进行反应。高耗电设备(如热水器或蓄热器)可以设置为只在没有短缺时耗电，从而避免超额成本。具有备份或峰值发电机的那些参与者可以设置其系统在价格阈值超过其成本时将电力注入到电网中。发电机可以增加或减少其输出来反映成本中的改变。
同样，响应变电站可以选择增加还是减少流入或流出它们所连接的其它网络的电力。它们控制对域的输入和输出的一部分。
响应变电站具有进一步的复杂性，因为它们必须考虑其它网络的状态。然而，其它网络也有其自身的频率域，且因此有其自身的有关不平衡程度的信号。它将有其自身的管理，及对该域发布的价格集合。响应变电站可以使用该价格比较来决定是否改变通过它的流量。如果一个网络上的价格高，而另一个网络上的价格低，则它增加从低价格侧到高价格侧的流量(或从另一方向减少流量)。
流量中的这些改变将可能只以较小方式改变每个网络上的不平衡，从而改变所伴随的频率。这会接着将两侧上的设备移动到其价格曲线上的不同的点，从而继续调整其行为。
在其中考虑电力“价值”的本发明的方面或实施例中，这较佳地以价格来衡量。价格是用于表示以稳定电网的方式对发电和耗电行为进行调整的方便和非常有力的方式。它也可以提供反映出通常存在于参与者之间的经济和商业关系的基本经济学原理来鼓励此行为。但是价格不一定是财政上的。在某些电网中，例如在工业区内，传递给响应变电站和响应设备的“价格”可以反映复杂的控制优化分析的结果，而价格不过是用来管理各设备的协调的便利参数。
在大部分国家中，电力在较短的时间段上在趸售等级上计量，在英国该时间段是每半小时。趸售交易指定价格以及要在每半小时中供应的电力，且这可以迅速用于通过响应变电站设置缺省流量(假设在任一个电网上都没有不平衡时的流量)。响应于不平衡的该缺省流量的偏离并不在基础交易中设置，且频率域的管理所缓和的正是这些价格。
因此，在价格在控制电流量中起作用时，应该有响应变电站对其相应电网所作贡献(或从中减少)的度量。这可以是这样用于控制流量的信号将可接受作为计量记录，但是响应变电站也可以包括测量计来记录电流量。这些测量计馈入响应变电站控制器，后者然后用价格乘以流量与缺省值的差，该差通过频率信号计算得出，并累加应付给频率域或电网部分管理或应从中收取的值。
当然，域(或电网部分)管理将保持瞬间价格的记录，且也将知道在计量时间段上通过响应变电站的总功率通量。这些需要与响应变电站的价格要求一致。仍然有响应变电站将为使流动的电力符合电网的最好利益且为其自身的收益而进行“博弈”的可能性。(例如，通过流动低价格的超额电力并减少高价格的流量)。假设价格和不平衡有不可预测性，这将在博弈不成时导致测量计读数不一致，或收益机会损失。然而，控制器的计量方面可能需要由外部校验器进行控制和管理。
每个电网也都应该有“中心”价格。这是电网在其中心频率上工作时电流量改变的价格，且市场套汇通常将确保两侧的价格相同。如果某个响应变电站看到一个电网上的低频率，则将附加的电力输入其中可能对于输出电网的频率不是很重要，但是该电力不可能是免费的。
故障模式会发生，其中约定的电力并不流动，且这可以作为需要以由输出电网管理系统指示的(可变的)价格支付的等价反向流量来处理。
当存在故障时，将故障归因于一侧或另一侧，并具有与故障归因相关的价格差异是有帮助的。如果响应变电站是正常的并准备好输出，却没有电力可用，则输出系统不应接收其“输出”的完全价值。另一方面，如果输入响应变电站或电网不能接收流量，则应扣除其无意的“输出”。
每个电网管理都必须导出其自身的价格公式，以用于将电网频率不平衡信号转换为它应向其电网上的响应变电站支付(或收取)的价值。这是复杂的分析和市场运用(在本发明的范围之外)，且需要设计为向参与者(包括需求参与者)给出有关供应的安全性价值的适当信号。
存在切合实际的商业模式，通过这些模式成批的电网上的响应变电站可以由不同的组织拥有和/或工作，且这些组织中的每个都可以有他们自己的电网管理系统。这些电网管理系统可以发布仅向电网上对应的响应变电站提供的价格。为了保持电网稳定性电网管理系统之间的某种程度的协调是合乎需要的，但是响应电网的内在稳定性可以使之变得不必要。
一个示例是英国二级零售电力市场的一种可能的演变，这需要竞争的供应商在每个本地电网上都具有他们自己的基础结构，其形式是他们自己的响应变电站，电力通过响应变电站流动来满足他们的客户的需要，每个客户都具有与供应商电网管理系统通信的其自身的家用响应变电站。
在这样的情况下，可能让多个响应变电站控制器-控制和定价逻辑-专用于每个供应商，但是让电流量集成到电力控制器的单个物理集合中。每个响应变电站控制器所需的流量累加得到总的电流量，且所计量的流量成比例地归因于每个控制器。
这样的“虚拟”响应变电站是配电网络的所有者可以用来向竞争的供应商提供服务的一种方法。
大部分时间和大部分情况下，短暂地偏离平衡，及因此的中心频率的短期变化并没有商业或工程上的后果。短期变化通过适当总体的响应负载设备，即使在较小的电网中也能得到平滑。
响应负载的关键益处之一是它有能力让电网吸收大的波动，如大电站的失电，或主要输电线的失电，而对电网的工作只有最小的影响。该影响分散在大量总体的设备上，给出了用于纠正控制或市场反应的时间。
在同步电网上的这些事件之后，通过A/C变电站的电流量将非常快速地改变，某些流量增加，而某些(特别是馈入具有高密度的响应负载设备的区域的那些)流量减少。
如果网络只由响应于价格或“价值”参数的响应变电站连接，则在其上发生主要故障的网络将遭受频率的急剧下降(或上升)，但是通过与其连接的变电站的电流量将保持不变，直到价格机制介入，且响应变电站开始修改它们的流量以反应频率的改变，从而改变它们的其它电网的频率，从而在这些网络上带来响应(和响应负载)。
在某些情况下，这可能过于慢并且可能适合让响应变电站立即修改其流量以响应其所连接的网络一侧或另一侧上频率的快速改变。其中发生重大故障的频率域可能(至少初始地)具有大发电量的优势，并因此只能慢速地响应频率的改变。那么该域需要获得对其它网络，特别是其中理想情况下响应负载比较集中的配电网络上的可用响应的访问。
一种可能性是使用响应变电站的“响应传递”工作模式，其中控制是尝试并将两个频率锁定在一起。因此响应变电站调整其流量来努力保持两个频率尽可能地接近，改变流量来立即响应任一个电网上的频率改变。以此模式工作，直到整体电网上的应力超过某个阈值，且响应变电站回到价格敏感流量。
这可以以响应变电站内的A/C开关来实现，该开关在“响应传递”工作中关闭，但在达到电网应力阈值时打开。然后它将在恢复了稳定性(且两个网络同相)时再次关闭。这种可能性被包括到响应变电站架构中。
这样的工作确实会引起有关处理约定的缺省流量与响应行为引发的实际流量之间(不可避免的)流量差别的复杂情况。这可以通过约定的支付来处理以覆盖各种变化。
电网会遭受故障事件，如输电线的故障或变电站的故障。
如果故障使得对某电网的供应丢失，或来自该电网的需求丢失，则该丢失对频率的影响将取决于进入或来自该电网的总电流量中由出故障的系统输送的比例。按通常的情况，如果进入该电网的流量由两个变电站输送，则一个变电站的流量丢失将代表进入该电网的电流量的约50％。
对当前的一代同步电网来说，来自一个变电站的这种电流量丢失将在瞬间传递到另一个。在有关2003年8月东北部停电的听证会上提交给众议院能源和商务委员会(House Energy and Commerce Committee)的声明中，“当某个元件出错时，现有的功率通量根据物理学定律在瞬间重新分配到电网的其它元件上，而不管州界或输电设施的所有权。”如果响应变电站在使用中，则重新分配将不会在瞬间发生，且电网的行为将取决于可用响应的深度。如果改变显著大于可用响应，电网将产生连锁反应以至停电。
然而，存在一段较短的时间，其中频率将快速下降，但仍然在限度之内。如果此改变速率由有能力在所需方向上快速改变其电流量的响应变电站检测到，则可以避免连锁反应。
响应变电站还可以检测到对电压比频率有更多直接影响的故障。
提供这样的快速流量改变可能具有比流走的电力的任何可能的价值高得多的经济价值，从而至少在短时间内暂停用于控制流量的基于价格的机制，并相反地奖励事件恢复动作是合理的。
这样的事件恢复动作通常将被预先编程到响应变电站中，且任何基于价格的奖励也可被预先编程。
这是通过让响应变电站的流量决策器元件具有“事件恢复”模式来实现的。
如果不能实现这样的检测和流量改变速度，则可能需要将通过任何一个响应变电站进入或流出任何电网的流量限制到近似于电网上总的可用响应。
响应变电站有机会通过其电力电子器件影响无功电力在它所连接的两个电网上的电压和传输。这样的影响本质上比所涉及的电网更加局部，但也受到使用电网管理中心设置的参数的有功局部反馈控制。实现此影响的策略超出了本说明书的范围。然而，响应变电站通常能够向电网提供电压控制和价值的无功负载服务，而不会对响应变电站服务造成不当损害。
响应电网应极少停电。当它们停电时，响应变电站为快速恢复提供支持。两个概念是黑启动(Black Start)的关键
●特殊电网危机电网频率的使用。这使用单独的低电网频率，该频率仅在危机和启动期间使用。这通常比正常使用的电网频率低10％，且将是在电网第一次通电时使用的频率。
●黑启动响应变电站的指定。这是一个变电站，当它看到未通电的电网，但从它的其它电网有可用电力时，负责首先对该电网通电。总的来说，响应电网将只有一个黑启动响应变电站。然而，由于这产生了一个可能性，即如果该单个黑启动响应变电站发生故障，或它本身没看到在它的其它电网上有电力，则停电的电网未被重新通电，所以也可以有优先系统，该系统通过协议(protocol)，可以使用或不使用互联网(internet)，来决定哪个电网将首先动作。也可以有反馈用于检测是否出现多个未同步电源的冲突。当这发生时，可以应用指数补偿的以太网技术来做出决定。
这两个概念允许电网上的响应变电站使用定价机制(最初可能使用特殊的定价表/参数)渐进地流动更多电力，直至接近正常的电网频率，且可以再次消耗负载。这将在操作上比预先规划的手动操作快得多。
响应变电站的关键角色在于电网内，以及整体电网的部分之间的流量管理。然而，即使响应变电站的一侧缩减为简单和基本的发电或耗电设备，该概念和设备也是有用的。只要●对响应设备来说，与其适当的电网管理中心进行通信(可能通过互联网)，并从而具有对初期流量和价格的访问，是经济上切合实际的；●该设备可以结合对电网管理可接受的测量计；及●该设备可以对其行为执行某些控制，则响应变电站可以存在于家庭、炊具、洗衣机、加热器、锅炉、热电联产厂、微型发电、风轮涡轮或潮汐涡轮，甚至光电阵列内。事实上，变电站可以存在于广泛的智能设备中。
现参考图2，现更详细地描述响应变电站的较佳实施例。
图2示出了响应变电站的可能的实施例。该实施例提供和控制两个电网之间的电流量，这两个电网称为电网A1和电网B2。为了说明的目的，假设电网A在响应电网分级结构上比电网B更高，并因此可能以更高的电压工作。
当确实如此时，通过(可选的)升降压变压器3达到更高的电压，该变压器将响应变电站的内部工作电压转换为电网A电压。然后电网A(可选地通过变压器3的降压服务)连接到AC-DC电力变换器(A到B)4，该电力变换器在电力从电网A流出时将电力转换为DC然后控制流量的多少。
电网A还(可选地通过变压器3的升压服务)连接到DC-AC电力变换器(B到A)5。当电力流入电网A时，DC-AC变换器控制电力的电压和定相。
电网B2类似地进行连接，但是通常不需要升降压变换器。它连接到AC-DC电力变换器(B到A)6，该电力变换器在电力从电网B流出时将AC转换为DC并控制流量的量。电网B还连接到DC-AC电力变换器(A到B)7，该电力变换器在电力流入电网B时控制电力的电压和定相。
这些电力变换器合起来是能够控制在电网A和B之间的任一方向上流动的电量并称为响应电力变换器的电力电子器件一个实施例。
电力变换器通常具有影响或直接控制在它们连接到电网的点处的电压的性能。必要的电压控制系统和相关的参数通常嵌入到响应变电站内，但这超出了本说明书的范围。
也在下文中(图4)进一步说明的响应流量控制器8决定了有多少电力要流动，并相应地控制响应电力变换器。在较佳实施例中，它通过使用不时地由管理中心发布和传达的价格、参数和政策来进行。本发明的变电站根据与其连接的电网部分中的一个或两者上的条件控制电流量。这可以是频率(响应于不平衡)和/或某些其它参数，如每个电网部分准备对电力支付或收取的价格。在较佳实施例中，频率和价格两者都要考虑。电网A管理中心9发布有关电网A的价格信息。电网B管理中心10发布对应于每个电网的信息，且变电站管理中心21发布指令响应变电站的信息。这些中心可以(但不一定)有不同的所有者。图6示出这些中心如何彼此链接。
这些中心使用包括互联网13的常规通信技术链接到响应变电站，且这可以通过无线互联网接入14实现。这些通信将由各种常规加密技术保护来确保它们之间的通信对非授权或恶意的消息是安全的。
一个关键特征是响应流量控制器和各种管理中心之间的通信对响应变电站的工作来说不需要是实时的。即使通信在较长时间内(甚至无限地)不可用，响应变电站也将继续工作并提供其服务。这通过取得并反应于来自与每个电网关联的一个或多个电网应力检测器的信号来进行。因此电网A具有至少一个电网A应力检测器11，而电网B具有至少一个电网B应力检测器12。这些设备可以是相同的并在下文中进一步描述(见图3)。电网应力检测器还可以监视可以改变响应流量控制器的工作模式的各种阈值。
多个电网应力检测器可以在电网中的任一个或两者处于危机时，及在黑启动期间起作用。在这些时候，定义仅用于对电网通电的危机工作模式可能是有用的。在正常工作中，只需要一个电网应力检测器，且即使在危机中也不是所有响应变电站都需要额外的性能。
通过比较两个电网A和B的电网应力状态，响应流量控制器依据它们所处的应力来决定在电网之间流动的电量以此方式来支持两个电网的稳定性。有关这如何进行的更详细的描述在下文中给出(见图4)。
电流量的改变对两个电网都具有经济上的意义。因此响应变电站结合测量系统来记录功率通量并将其转换为交易。这采取记录流量的测量计的形式A到B的DC测量计15，及B到A的DC测量计16。测量计读数的处理在下文中进一步说明(见图6)。
电网B可以非常小，可能是单个家庭，或产品或工厂内的配电系统。因此可适于在低压DC母线18上分配电力，并使该母线上的电压由DC-DC电力变换器17形成。
如果电网B较小，则适于直接通过响应流量控制器执行设备和电器的控制而无论它们是否由A/C电网馈电。该信号19替换本质上以电网B频率输送的信号，并从而控制电网B设备的耗电。
例如，一个电器也可以是电网部分，虽然是非常简单的一个电网部分。如图2所示，可以使用从流量控制器8到电器的直接信号19，使得可以不使用电力变换器操作并仅使用电网A的价格来指导该电器。在一种形式中，电器可以使用来自电网A的A/C向例如其电动机和/或其加热器等等馈电。到电器的流量可以由电网A应力(或价格)组合电网B(电器)的固定参数来控制。电网B的固定参数形式的一个示例可以是电器上可以设置为“紧急”或“便宜”的按钮组。
在某些情况下，可能需要减少使用响应电力变换器的时间，并让两个电网A和B的正常工作完全同步。当这是所需并且有用时，AC开关和相位检测器20可以配合。这提供两个电网之间的电力路径，从而保持它们完全同步，而不使用响应电力变换器。然而，当同步使得两个电网中的一个或两者面临风险的情况发生时，响应流量控制器可以指令开关打开，强制任何电流量通过响应电力变换器，并使得电流量完全处在响应流量控制器的控制下。当响应流量控制器再次确定需要直接A/C电流量时，它将在下一次检测到两个电网相位同步时指令AC开关和相位检测器20关闭。现参考图3描述上述电网应力检测器的较佳实施例。
图3示出将有关电网的信号馈入响应流量控制器的电网应力检测器的可能实施例。
输入来自电网22，该电网对频率测量计23馈电。频率测量计23然后将频率测量值馈入一组并联的设备，在电网频率高于标称中心频率时涉及一个集合，而在电网频率低于标称中心频率时涉及对应的集合。
高于中心频率的电网频率涉及中心频率交叉检测器24，该检测器在电网频率从低于标称中心电网频率到高于标称中心电网频率变化的任何时候创建触发信号。标称中心电网频率NCGF A或NCGF B是从响应流量控制器内传递给它的参数。触发信号被传递给加速时钟比较器25，该比较器使用该信号来将其输出重置为0并锁定时钟比较的开始。此后直到被重置，加速时钟比较器25比较由电网频率驱动的时钟与由NCGF驱动的时钟，而两个时钟之间的差别是电网过剩信号26其被传递给响应流量控制器8。
该信号是最后一次看到NCGF以来所连接的电网的累积过剩发电的函数。低于NCGF的电网频率涉及另外的中心频率交叉检测器27，该检测器在NCGF从高于NCGF到低于NCGF变化的任何时候产生触发信号。NCGF同如上所述。触发信号被传递给减速时钟比较器28，该比较器使用该信号来将其输出重置为0并锁定时钟比较的开始。此后直到重置，减速时钟比较器28比较由电网频率驱动的时钟与由NCGF驱动的时钟，而两个时钟之间的差别是电网短缺信号29其被传递给响应流量控制器8。
此信号与所连接的电网自从最后一次看到NCGF以来的累积发电短缺(等价于需求过剩)直接成比例。
一种可能的简化是具有单个中心频率交叉控制器并将相同的触发信号馈入两个时钟比较器。从而电网过剩和电网短缺信号两者将在看到NCGF时被重置。
另一种选择是还保持进行中的电网过剩信号，从而保持对短时间历史记录的知晓。
输出在功能上与电网过剩或电网短缺自重置点以来的累积有关，关于这个关键特征的其它实施例是可能的。重置点可以是越过NCGF的电网频率，或，为了避免在频率非常接近NCGF时的频率重置，它可以是有关越过NCGF的历史的更复杂的函数。
以上所述的电网应力检测器可以向“纯粹”的响应流量控制器提供做出有关电网之间的流量的最优决定所需的一切。为了在转换阶段期间有更多的配置选择，电网应力检测器还可以包括更多元件来检测电网应力，该电网应力可用于决定响应流量控制器的工作模式。
再次，这些被划分为在电网频率高于NCGF时涉及的元件，及用于电网频率低于NCGF时的另一个集合。
高频限度检测器30比较测量的频率与(作为图4的流量政策参数53的部分)由从响应流量控制器传递的参数33定义的限度。存在两个频率限度定义电网频率在该频率处将电网视为处于高频率应力下的FHGC，及定义电网频率在该频率处将电网视为处于高频率危机中的FHMax。升频限度检测器31比较电网频率的改变速率与限度FDIGS。这定义了在将电网视为处于低频率应力下之前电网频率可以增加的最大速率(德耳塔Delta)。
在超出了这些限度中的任何一个时，电网应力报警信号34被传递给响应流量控制器，然后响应流量控制器相应地改变其模式。
低频限度检测器35比较测量的频率与(作为图4的流量政策参数53的部分)由从响应流量控制器传递的参数33a定义的限度。存在两个频率限度定义电网频率在该频率处将电网视为处在低频率应力下的FLGC，及定义电网频率在该频率处将电网视为处在低频率危机中的FLMin。降频限度检测器36比较电网频率的改变速率与限度FDRGS。这定义了在将电网视为处于低频率应力下之前电网频率可以减少的最大速率(德耳塔)。
当超出这些限度中的任何一个时，电网应力报警信号37被传递给响应流量控制器，然后响应流量控制器相应地改变其模式。
在某些情况下，可能需要电网应力检测器通过从频率测量计得到的测量值为自已确定NCGF和其它参数。这是电网中心频率和参数检测器39的功能。
电网中心频率和参数检测器有三个主要功能1.当电网第一次通电，且因此电网频率第一次可测量时，电网中心频率和参数检测器使用头几个读数来决定NCGF是多少。因此，如果从电网管理中心没有得到NCGF，响应变电站仍然可以提供有用的功能。
2.如果电网能够以两个或更多NCGF工作，则电网中心频率和参数检测器将选择哪个是当前的NCGF，并从而决定电网工作的模式。例如，存在低于在正常工作中使用的频率，但在电网危机或黑启动情况下使用的电网危机频率。当电网在此模式中工作且因此以该低频率作为NCGF时，电流量可以完整地保留用于电网生存和恢复，并防止电力的所有其它使用。中心频率和参数检测器还决定电网频率何时已达到某个点在该点上响应变电站可能工作更加正常，并将NCGF切换为正常中心频率。
3.在正常工作中，电网中心频率和参数检测器使用它接收到的频率读数来构建电网频率及其正常变化的历史。用于缺省情况的各种参数然后可以从该历史中导出，在该缺省情况中可靠的参数对响应变电站是不可用的。例如，FHGC、FHMax、FDIGC、FLGC、FLMin和FDRGC都可以使用所经历的变化的缺省比例通过对一段时间上的频率变化的分析来导出。
当连接(图4的)流量决策器48工作时，电网中心频率和参数决策器可以评估对通过响应变电站的电流量中的特定改变的频率有多大影响。当实现了电流量中的扰动阶跃变化时，频率改变。通过比较两个在较短时间上改变的参数，可以导出电网的电力需求的某些指示。这在随后可用于导出图4中的缺省流量政策参数53，及缺省的定价参数。即使在缺少电网管理中心或与电网管理中心的通信时，这也可以向响应变电站给出稳定的控制电流量的方法。
现将参考图4和5描述响应流量控制器的较佳实施例。
响应流量控制器负责决定通过响应变电站的电流量应该如何。每个响应变电站都将具有单个变电站流量控制器40(亦参见图5)。这使用来自一个或多个流量决策器48的输入来控制响应电力变换器。多个流量决策器(和相关逻辑)将允许响应变电站的所有者向响应电网中的其他参与者销售响应变电站的部分容量，从而允许市场活动影响电网行为。实际上，单个响应变电站可以充当若干个虚拟响应变电站。
响应流量控制器通过导出和比较电网A和电网B两个电网上提供的价格来工作。每个电网都有其自身的定价表和参数，其自身的电网应力检测器及其自身的当前价格计算器。
电网A定价表和参数41和电网A应力检测器42馈入电网A当前价格计算器43。这使用来自电网A应力检测器的电网过剩或电网短缺信号来计算或导出电网A(在电网处于短缺时)准备对增加的流量支付价格，或它将购买减少的流量的价格。
此计算的一个实施例是使用电网过剩(或电网短缺)信号来从电网A定价表/参数的条目集合中选择条目。可选实施例可以在对电网过剩信号的算术操作中使用一个或多个参数来导出价格信号。
其它实施例也可以依据各种情况对用于价格计算的定价表/参数做出选择。例如，可以有定价表/参数的缺省集合，如果与电网管理中心的通信丢失，及信息已超时，则将使用该集合。还可以有关于在一天，一周，或较长时间段内的不同测量周期的定价数据的不同集合。测量周期是形成用于约定电流量及其价格的基础的时间段。在英国，这是半个小时，但其他国家和/或其它电网可以使用不同的时间段。实施例的选择将取决于具体的响应变电站的设计目标。其它实施例也可以使用来自电网应力检测器的信息来导出反映响应流量控制器在时间上的经历的参数，从而提供基本的可工作参数集合以在响应变电站和电网管理中心没有通信时使用。
电网B很明确是并联的，并具有一组电网B定价表/参数44和电网B应力检测器45和电网B当前价格计算器46。电网A当前价格和电网B当前价格馈入价格比较器。这比较两个价格以及由此改变电流量的当前价值。这被馈入流量决策器48。流量决策器使用从各种源对其可用的信息来决定应有多少电流量流动。这些源是电网A频率49和电网B频率50，有关来自变电站测量控制器51(和图6)的当前流量的信息，来自电网A应力检测器42和电网B应力检测器45的每个电网的状态，来自价格比较器的定价和相对定价信息，及若干参数，流量政策参数53和响应政策参数。
在流量决策器48的一个实施例中，它首先决定它所处的模式，其可能是●正常模式。在此模式中，有关改变电流量的决定是从流量政策参数和价格导出的。这是较佳的模式，并且如果支配其它模式的条件不起作用，则将用该模式工作。
●响应传递模式。在此模式中(在某些实施例中这是可选的)，有关改变电流量的决定基于电网A频率的改变，从而电网B上可用的响应被传递给电网A。在某些实施例中，该模式可以通过使用图2的AC开关和相位检测器20来实现。如果任一个电网都不在应力下(如电网应力检测器42和45所确定的)，且在响应政策参数53内设置了响应传递标志，则该模式起作用。如果电网经受应力或进入危机，如电网应力检测器所确定的，则流量决策器将回到正常模式，且需要的话将打开AC开关和相位检测器20。
●黑启动模式。如果设置了流量政策参数53中的黑启动优先标志，则该模式从危机模式中发生。然后由流量决策器执行响应变电站的一般行为，如对黑启动所述。黑启动模式的一个子集是在电网以黑启动频率工作的时候。“黑启动频率”是低于电网的正常频率并在恢复期间使用的电网频率。可以有与此模式关联的定价表/参数的集合，且可以在响应工作中使用类似的定价机制。在一个实施例中，这将工作以升高频率，直到它达到该NCGF的FHmax。这通常比黑启动频率高5％。当电网频率达到该点时，电网应力检测器将切换其检测到的中心频率，且频率决策器将转至应力模式。当用黑启动频率工作时，只有一个流量决策器是起作用的，但在它将要转至应力或正常模式时，定价表被设置为鼓励频率朝向其最高频率移动。
●危机模式。该模式出现在任一(或两个)电网失电或任一电网频率降至低于为该电网设置的正常NCGF而设置的FLMin的任何时候。在该模式中，流量决策器将首先采取动作对来自继续存在的电网的任何流量最小化或使其归零。如果设置了黑启动优先标志，则它将转至黑启动模式。否则它将保持危机模式，直到电网频率离开其危机水平，那时它将转至应力模式。在危机模式中，只有单个缺省的流量决策器是起作用的。
●应力模式。该模式不需要在所有实施例中实现，如果用于与响应变电站连接的任何一个电网的电网应力检测器实施例包括电网应力警报，则该模式出现。该模式通常以和正常模式相同的方式运转，但各实施例可以使用不同的定价表/参数。在有多个虚拟响应变电站时，该模式可以用于禁用除一个之外的其它所有虚拟响应变电站，并对定价表的特定集合使用单个流量决策器。
●事件恢复模式。该模式不需要在所有实施例中实现，该模式在来自电网应力检测器，主要是电网频率改变速率检测器的报警信号指示电网上的重大故障事件时出现。警报也因检测到的电压改变而出现，但这超出了本说明书的范围。当这样的事件发生时，响应变电站将根据预先编程的事件恢复动作尽可能快地改变电流量。流量改变量可以是现有流量的某种预置函数，或可以是简单的阶跃改变。改变不一定是因故障丢失的电流量的准确替换，但基本上在正确的方向上移动。一旦此改变发生，响应变电站就可以转至应力模式并从那里回到正常工作。
进入事件恢复模式将产生特殊的价值事件来对可靠性增强而不是所流动的电力提供奖励。这些模式中的几个使用“定价”信息来决定电流量，虽然有定价和政策参数源的某些变化，且在某些实施例中，有对所使用的电网应力检测器的选择。
工作的一般模式是●在缺乏任何其它条件时，将流量设置为作为流量政策参数中的一个参数的约定流量。如果没有最新的约定流量可用，则将选择等价的缺省流量。无论选择这些中的哪一个都被称为正常流量。
●如果设置了响应传递模式，则流量决策器将准备按照与电网A频率与NCGF的偏离成比例的量来改变流量。响应政策参数54内称为下垂(Droop)的一个参数被用于乘以频率变化以得到对正常流量的变化。这具有使电网B中的响应对电网A可用的效果。“下垂”是用于将电网频率与NCGF的偏离百分比转换为电流量在该模式中的改变百分比的参数。
●流量的任何改变都受限于限度。两个最大值，AtoBFlowMax和BtoAFlowMax，是流量政策参数53，并定义在每个方向上对流量决策器可用的最大流量。对每个方向，增加或减少的最大速率AtoBFlowDI、AtoBFlowDR、BtoAFlowDI和BtoAFlowDR被用于限制流量改变速率。这些是流量政策参数53。
●在正常模式中，流量决策器将选择做出“可盈利”的电流量改变。即，如果价格比较器确定一个电网“更便宜”，则流量决策器将增加从“更便宜”的电网到更“昂贵”的电网的电流量。此增加将受限于上述限度，但也将受限于价值限度ValueMin，从而非常低价值的改变将被忽略，还受限于价格驱动的改变速率限度PriceD，从而响应于价格信号的改变速率可以比其它改变速率限度更低。这些参数可以被设置来抑制朝向流量振荡的任何倾向。流量决策器还会考虑实际电流量，这由图6中进一步描述的变电站测量控制器51向它提供。总的来说，由流量决策器决定的电流量将由响应变电站输送，但可能存在其中未实现所需流量的情况。在某些实施例中，流量决策器可以选择通过考虑这样的偏差来调整其决定。
流量决策器还将其流量决定传递给流量价值计算器52。这将考虑增加的流量和来自价格比较器的价格来记录与流量改变关联的价值，并根据需要尽量频繁地计算。流量价值计算器52还可以根据实际流量而非由流量决策器48指示的流量调整价值。该信息被传递给变电站测量控制器52，请见图6。
各种操作由几组参数来调节。这些参数是流量政策参数53，该参数已在上文中说明且其调整有关电流量的决定；响应政策参数，该参数在如上所述的响应传递模式中工作时调整有关电流量的决定；及变电站政策参数，该参数调整由下文中所述的变电站流量控制器做出的决定。
这些参数的缺省集合可以是“内建的”，从而确保即使在最极端的通信故障中也有可用的集合，但在正常操作中，通信管理56将提供来自适当的管理中心的消息以便更新所使用的集合，并向管理中心提供管理和微调电网和响应变电站的机制。总的来说，流量政策参数53将由“虚拟”响应变电站的所有者的变电站管理中心设置。响应政策参数54和变电站政策参数55将由物理响应变电站的所有者设置。
每个物理响应变电站都具有单个变电站流量控制器，如图5所示。
电力变换器控制器58负责控制包括响应电力控制器的各种电力变换器。它可以控制这些变换器的频率和相位行为。它从流量累加器和限制器57接收对所需的电流量定义的信号。这接受来自响应变电站内的一个或多个流量决策器48的信号，并累加它们来定义所有流量决策器集体所需的总电流量。可能让不同的流量决策器控制不同方向上的电流量，在此情况流量累加器和限制器将权衡这些流量来产生净流量。
流量累加器和限制器57还可以检测流量决策器的模式，并选择以只接受来自其中之一的输入。任何流量检测器在黑启动模式中都将取得优先权，且所有其它流量决策器都将被忽略，直到黑启动模式改变。在某些实施例中，流量累加器和限制器将只选择来自在危机或故障事件恢复模式中工作的流量决策器的输入。这目的在于允许响应变电站的所有者在发生电网危机或紧急情况时能够完全管理由响应变电站提供的服务。流量累加器和限制器57将对照变电站政策参数中设置的限度检查净的总电流量从电网A到电网B的最大电流量AtoBSSFlowMax；从电网B到电网A的最大电流量BtoASSFlowMax；从电网A到电网B的最大电力增加速率AtoBSSFlowDI；从电网A到电网B的最大电力减少速率AtoBSSFlowDR；从电网B到电网A的最大电力增加速率BtoABSSFlowDI；及从电网B到电网A的最大电力减少速率BtoASSFlowDR。注意，这些限度可以小于应用于虚拟响应变电站集合中的每个流量决策器的限度总和。可选地，设置BtoASSFlowMax的流量限度可以设置为0，从而电流量只可以从电网A流到电网B。当以此方式设置时，响应电力变换器的实施例可以更简单。
可选地，可以有电网应力最大流量的其它集合，每个都与其间允许这样的流量的最大时间关联。这也有益于帮助电网在其正常工作限度之外短时间生存。
电力变换器控制58还可以接收给出电网A电压等级60和电网B电压等级61的输入。这有两个目的第一，允许控制将流动的电力注入到接收电网中的定相和电压，从而使得电力变换器控制可能调整其输出以响应局部无功功率通量。第二，作为建立电网健康的另一信号。电力变换器控制还可以接收来自变电站测量控制器的输入。这充当控制器正常运行的确认，且如果需要的话，允许反馈控制。电力变换器还向电器19输出直接信号。这通常是通过DAN或内部通信网络，且因此可由家庭中的任何其它智能设备访问。(DAN是家庭局域网。这是由家庭内的设备用于交换信息的通信系统)。此信号的一种用途是向电器指示电力的当前价格是否低于对该电器设置的阈值。
如上所述，在较佳实施例中，应测量通过变电站的电流量，且应累积和保持电流量和价值流量的记录以用于系统的其它部分。现将参考图6描述用于控制结合到响应变电站中的任何测量计以提供这种测量的较佳的变电站测量控制器。
变电站测量控制器的目的在于控制结合到响应变电站中的任何测量计，以向响应变电站的其它部分提供测量，并累积和保持电流量和价值流量的记录。
在某些实施例中，变电站测量控制器可以和响应变电站的余下部分具有不同的管理和所有权。在某些商业模式中，这可以避免响应变电站所有者为商业利益篡改记录从而给出提供事实上尚未提供的电流量或服务的表象的可能性。
测量计控制63结合所需的任何控制来操作所选择的测量计并从其收集数据。它将结果读数传递给图5的变电站流量控制器58以用于管理流量。它还将这些读数传递给流量指定62。流量指定根据从关联的流量决策器做出的电流量需求中导出的比例向各个虚拟响应流量控制器分配净流量。每个电流量还被传递给对应的流量价值计算器，该计算器返回与电流量及与价值流量关联的记录。电流量记录64记录归因于每个虚拟响应变电站以及作为整体的物理响应变电站的流量。价值流量记录65记录通过当前价格和当前电流量计算出的价值。
然后使这些记录对通信管理可用，以便传递回电网管理中心。所有记录都可被传递回电网A和电网B两者相关联的电网管理中心，以向每一方提供校验他方的价值主张的能力。
在其中响应变电站控制器根据各种参数控制电流量的较佳实施例中，每个变电站都将接收来自与连接到该变电站的每个电网关联的管理中心以及变电站管理中心的信息。图7示出管理中心及其互联的示意图，且现将更详细地描述。
每个响应变电站都将从三个源接收信息1.关联的电网A管理中心9；2.关联的电网B管理中心10；及3.关联的变电站管理中心24。
在响应变电站设计为在家庭(或小型办公室)中使用时，它是家用响应变电站67。变电站管理中心也可以基于家庭，从而是家用变电站管理中心。然后它通常与其它家用管理服务集成。
在某些商业模式中，及对它们之间适当的协调，单个响应电网可以具有多个电网管理中心，其中每个电网管理中心都是电网上部分响应变电站或虚拟响应变电站的电网管理中心。例如，供应商可以对连接客户的每个电网都有电网管理中心，并在该电网上至少有一个响应变电站或虚拟响应变电站。
电网管理中心负责设置价格和约定在响应变电站内使用的流量的所有方面。从而它创建图4的电网定价表/参数41和44的集合，并确保它们对通信可用。为这样做，它们通常在积极交易电力的公司的运营管理下，且公司的客户和或供应商在电网分级结构中的所有等级上。该运营管理将选择电网定价表/参数的本质和结构来适合其自身的要求。
这些系统因此将经常与交易系统关联，且先前交易的结果是部分信息，可以从该信息中导出单个响应变电站期望的约定流量。电网管理系统通常还具有它们期望的需求和它们的配置的详细模式，以便最优化它们从可能的竞争电网流入的电力成本。
电网管理中心还负责从响应变电站的变电站测量控制器收集它们所涉及的电流量记录和价值流量记录。这些将馈入交易记帐和对帐系统以确保价值流量最终得到支付。这可以划分为单独的系统，以允许独立控制具有商业重要性的记录。
变电站管理中心负责使允许响应变电站或虚拟响应变电站最优化其行为的各种其它参数可用。可以有与电网上的每个物理响应变电站关联的变电站管理中心，且这些可以有管理电网在应力、危机或黑启动条件下的行为的附加责任。电网管理中心将需要与它们所控制的电网关联的仪器。这需要确保电网的频率行为以允许校验价值记录的方式被记录下来。电网应力检测器将是该仪器的组件。
总的来说用于多个电网的电网管理中心将集成到较大的中心中，而单个电网的电网管理中心只是整个系统的逻辑部分。
互联网65通常是响应变电站及其关联的管理中心之间的通信模式。该通信需要由加密技术完全保护以免恶意干扰，这可使用现有的技术。
家用响应变电站是专门调整用于家庭的响应变电站的实施例，其中可以不需要有AC电网，而是更直接地通过电器70执行控制。例如，家用响应变电站可以控制小型CHP系统或微型涡轮的电力输出，并指挥其中对何时运行具有判断力的耗电设备的行为。在可能的实施例中，家用响应变电站可以对家庭中的所有适用的电器提供响应负载控制。家庭中的设备之间的通信将使用多种技术。在此通用术语“家庭局域网”包含所有可用的技术，包括无线电，电缆，电源线载体。
如果受管理的电网是单个家庭，则电网管理中心功能中的很多会退化。对公共事业公司或供应商在约定下控制的家用系统来说这是很平常的，从而使住户不用详细理解操作。
如上所述，本发明的响应变电站可以在不同等级之间有用地结合在电网系统的所有不同部分中。可设想，通过修改整个电网使之在所有或很多等级上结合响应变电站同时还结合如GB 2361118描述的响应负载设备，电力在将来的使用可以变得更加有效。在下文中更详细地描述这样的一个响应电网。
响应变电站上下文和概念已在前面的部分中说明，而在此考察结合响应负载和响应变电站的电网变电站-响应电网-的行为，并说明所带来的益处。
邻域响应电网邻域响应电网是在某区域中的多个，可能所有，家庭和办公室(订户)所连接的一个电网。存在连接所有订户及一个或多个响应变电站的有线网络。
响应变电站在A侧连接到高电压电网，11kV(例如)，而在另一侧连接到230v的三相网络。单个家庭可以通过现有的计量装置，或通过家用响应变电站连接。订户可以在时间上在其家庭中使用响应负载设备，并将能够使用响应设备(如洗衣机)。具有家用响应变电站的那些家庭(响应家庭)也可以选择通过家用42V DC母线连接如计算机和光电阵列这样的设备。
响应家庭通常具有他们自己的家庭控制中心，其中结合了信息和管理服务以在他们的家庭和娱乐活动中支持他们。将以此担当响应家庭的电网控制中心。
响应家庭还可以具有发电设备，如分布式CHP系统、PV阵列，或甚至小型风力涡轮。邻域响应电网还将具有其自身的电网管理中心，这可能由公共事业供应商作为它所操作的多个电网管理中心中的一个来操作。公共事业供应商通常还将拥有邻域响应变电站。但是，电网管理中心和响应变电站可以迅速由订户或其他组织合作拥有，且供应商可以在邻域电网上具有竞争的响应变电站。
在正常操作中●邻域电网管理中心将协商为邻域从其响应变电站所连接的高压电网中购买期望需要的电力。
●每个测量时间段的期望电流量被传递给响应变电站。这可以在事先很好地完成，但也可以随着该时间段的临近而微调。关键点在于这不是时间关键的，且因此在原则上可以通过慢速或非常慢的通信链接完成。
●邻域响应变电站还将(从A和B电网管理中心)接收定义如果不平衡(且因此频率)发生变化则价格将如何改变的“定价表和参数”。B定价表和参数也对响应家庭中的响应变电站可用。再次，可以早早地事先发布“缺省”价格，并随着时间段临近进行微调。实现稳定的控制并不需要时间关键的通信。
●在正常操作中，邻域响应变电站将按照所协商的来流动电力。如果邻域电网不平衡，则响应负载设备将提供稳定性，且将使对所有设备可用的频率信号稳定。
●各种设备将使用频率(及所协商的价格)来做出其自身如何反应的决定。总的来说，它可能是最活跃的邻域响应变电站。
●如果响应变电站或其供电存在故障，则频率将下降。丢失的负载然后可以全部或部分地由其它响应变电站承担。如果这还不够，则频率将继续较低，且各种设备将沿着它们的定价曲线移动。最后，只有值高价的负载将保持连接，且所有其它负载都将被断开。
●如果故障代表进入或来自电网的总流量中大于可用响应的一个分数，则频率可能开始非常快速地下降。这样的故障事件可以非常快速地由其它响应变电站识别，且它们可以在基本的价格控制之外采取快速、预先编程的动作，这些动作将近似地补偿所检测到的事件。
●发生故障的响应变电站将不得不为收入损失对其电网进行补偿，而取得超额负载的响应变电站将不得不(以适当的价格)补偿电网。这些不一定是相等的，且总的来说将带来更高的电力成本(经济上适当的结果)。
●邻域响应变电站取得的流量会影响分级结构中下一个等级上的电网频率。我们现对其进行考察。
配电网络响应电网邻域响应电网自身由覆盖较大地理区域且将对很多邻域响应变电站馈电的电网以高电压馈电。
原则上，可以存在重叠和竞争的高电压电网。仅当需求(由频率指示)和价格(由竞争电网公布)适当时，邻域响应变电站才从其高电压电网流入电力。如果两个竞争的高等级电网的频率都处于其中心频率，则流量然后将来自发布最低价格的较高等级电网。但是，随着较高等级电网的频率独立地变化，实际的流量还将取决于定价表或变量的差别。
在故障条件下，这提供较深的反弹。邻域电网可以从任何在工作的电网流入电力，且因为分级结构中的每个等级都有相同的机会，所以流量将根据电网中的每个等级准备支付的价格来发生。如果电力稀缺，则频率下降将从分级结构往下连锁进行，价格将升高，且越来约多的设备将关闭。
当然，故障仍然会发生并且可能关闭分级结构中的一个电网。取决于所需的供电安全性，电网中的每个等级都可以有替换源。总的电力短缺将分散在整个系统中，但增加其输入的那些将支付更高的价格，而保持输出的那些将接收到更高的价格。
输电网络响应电网类似的行为发生在配电和输电分级结构中逐渐更高的等级。在每个等级，竞争都是可能的(虽然不一定是需要的)，且负载在多个单元上的冗余和/或分布可以在故障的情况下提供反弹。给定电网之间的套汇机会，如由响应于所发布的价格的响应变电站所缓和，则存在电网的不同子集之间和不同的输电路径之间的价格差异的机会。
在这些情况下，电网管理中心可以发布两个(或更多)适用于不同的响应变电站位置的价格集合。因此输电线一端的价格可以不同于另一端的价格，且可以调整依赖频率的定价表来鼓励既最优化输电线对其所有者的价值又最小化在设计范围之外操作的风险的流量行为。这样的市场行为确实使通过网络传递电流量且在一个地方输入并在另一个地方输出的电网得到市场定价的回报。可以在一天或某个时间段上变化的价格差异将盈利机会给予最有效地传递电力的电网，并给出鼓励在需求最大的地方发电的市场信号。
还存在输电网的不同部分以不同频率工作的机会，且在其中较低的频率可能带来改进的输电特性的某些长距离电路上这可能是最有用的。当然，极端情况下，这对应于DC输电。
与现有的电网相比，响应电网远不容易停电，并且通常能温文地降级，在停电之前给出用于纠正动作的时间，并保持通电以继续生存，即使在绝大多数需求和/或发电都已断开时也能这样。故障的程度通常也将小得多。
然而，存在其中单个响应电网，甚至多个响应电网完全失败的情况。这会让响应变电站连接到两者都未通电或停电的两个电网。在一个或另一个电网重新通电时，响应变电站如何行动？
显然，第一步是使用任何电力源来操作响应流量控制器和关联的电网应力检测器。通常，这些将是低耗电设备且可以由其自身的供电来保护。
一旦响应变电站控制系统运行，通常顺序如下1.将响应电力变换器设置为最安全的可能配置。这通常是阻止所有的电流量。
2.当电网应力检测器中的电网中心频率和参数检测器看到在其关联的电网上的频率时，它们将决定要使用的标称电网中心频率并将重置任何中心频率交叉检测器，从而重置所有时钟比较器。有关电网的信号将流入响应流量控制器。
3.可能在一个响应变电站中有多个响应流量控制器，但只有一个在电网危机或黑启动期间可以是起作用的，因此禁用除主要电网危机响应流量控制器之外的所有响应流量控制器，直到电网危机再次得到控制。
4.响应流量控制器在它识别出一个起作用和一个停用的电网时将使用其黑启动指定状态来决定是否采取任何动作。如果它被指定了黑启动职责，则它还决定它将对停用的电网通电的频率。对小型电网，这通常是正常NCGF，如50Hz或60Hz。它通常将选择使用比NCGF低一点的值流动，从而向它自己和电网上的其它响应变电站给出应用其定价机制来增加流量的机会，并向耗电设备给出保持关闭直到电网频率再次接近正常的机会。
5.对某些电网，响应变电站可以设置为采用较低的紧急电网频率，该频率设置为(如)比正常工作所用频率低10％。它使电网通电，并允许电网生存设备消耗电力，同时向所有响应变电站发信号，表明要使用黑启动模式。这防止除电网危机流量决策器之外的所有来影响电流量。
6.电网危机流量决策器使用正常定价机制，使用为此目的保留的特殊的定价表和参数。总的来说，设置这些以便增加进入电网的电流量，直到频率达到频率上限(比电网危机标称频率高5％)。在也是比通常使用的NCGF低5％的频率，电网应力检测器将识别新的NCGF，从而将起用正常流量控制模式，用其定价机制增加流量直到情况回复正常。
7.在这样的危机条件下，测量到的计量流量表示所供应的价值的一小部分，且合理的是短时间暂停正常计量，相反根据电网的生存进行奖励。
相连接的互联互联，如2003年8月遭受灾难性故障的北美东部互联，可以自身与其它互联相连接，且可以应用相同的响应变电站原理。
本节中呈现的以分级体系组织的单个自治电网的集合的远景，其中每个电网都具有弹性且每个电网都潜在地能够进行自包含的工作，将不会突然转向。事实上，最终的实现将花费很多年对现有变电站的渐进式增强，和对各个电网和响应变电站的渐进式实现。
此转换的规划提出了一些有趣的问题。现有的响应变电站技术在分级结构中的哪一个等级最节约成本？在家庭中，家用响应变电站在何处与测量计替换程序以及到测量计的某种形式的信道组合？在邻域等级上，响应变电站在何处可以提供增强的安全性并在局部等级的可靠性？在配电等级上，配电网络在何处变得难以管理，区域电网的自动稳定化可以在何处减少管理和控制问题？或在输电等级上，已为我们好好服务了50多年的技术在何处变得过时？总的来说，投资最好集中于形成单个的“孤岛”。最初，这些孤岛可以仅为增强在电网处于应力下时的可靠性而工作，但是随着电网管理定价的知识变得更多，这些孤岛可以实现其自身的“频率自由”，且一旦有一些孤岛存在，这些孤岛就可以被纳入它们自己的电网，并留下电网的余下部分进行划分。
同时位于分级结构中的多个等级上的渐进式实现是可能的，并在安装了它们的任何时候提供可靠性和财务奖励。
权利要求
1.一种电网系统的变电站，所述变电站连接在不同的频率和/或电压等级上工作的两个电网部分，所述变电站包括用于监视指示所述两个电网部分的可用电力和/或所需电力的参数的装置，及用于控制所述两个电网部分之间的电流量以响应所述两个电网部分的参数的响应流量控制装置。
2.如权利要求1所述的变电站，其特征在于，所述电网部分中的一个或两者的参数包括所述电网部分中的一个或两者的频率。
3.如权利要求2所述的变电站，其特征在于，将所述频率等级作为绝对频率值来监视。
4.如权利要求2所述的变电站，其特征在于，将所述频率作为与正常工作频率的频率偏移的度量来监视，所述正常工作频率是相应的电网部分未处于应力下时的频率。
5.如权利要求2至4中的任何一项所述的变电站，其特征在于，还包括用于调整所述两个电网部分之间的电流量以使所述两个电网部分的AC相位更接近以便彼此匹配的装置。
6.如权利要求5所述的变电站，其特征在于，所述用于使AC相位更接近以便彼此匹配的装置包括开关。
7.如权利要求1所述的变电站，其特征在于，所述电网部分中的一个或两者的参数包括指示所述电网部分中的一个或两者的可用电力与所需电力之间的不平衡的信号。
8.如权利要求1所述的变电站，其特征在于，所述电网部分中的一个或两者的参数包括指示所述电网部分中的一个或两者的电力价值的价值参数。
9.如权利要求8所述的变电站，其特征在于，所述价值参数包括货币价格价值。
10.如权利要求9所述的变电站，其特征在于，所述货币价格可取决于所述电网部分中的一个或所述电网部分中的两者的频率或应力等级而变化。
11.一种供电网系统，包括由任何前述权利要求所述的变电站连接的两个电网部分，其中每个电网部分都包括一个或多个负载和一个管理单元用于提供所述参数。
12.如权利要求11所述的供电网系统，其特征在于，所述管理单元用于取决于相应电网部分的频率调节所述一个或多个负载的电力消耗。
13.一种如上文中参考附图所述的变电站。
14.一种如上文中参考附图所述的供电网系统。
全文摘要
提供一种具有连接两个电网部分的变电站的电网系统，所述两个电网部分较佳地处在电网分级结构中的不同等级上，其中提供用于取决于网络中相应电网部分的应力等级控制两个部分之间的电流量的流量控制装置。
文档编号H02J3/04GK1902799SQ200480039752
公开日2007年1月24日 申请日期2004年11月4日 优先权日2003年11月7日
发明者大卫·赫斯特 申请人:响应负载有限公司