专利名称：用户侧电力管理系统和方法
技术领域：
本发明总地涉及一种在用户侧对电力公司所供电能的消耗进行管理的系统和方法，尤其涉及一种减少用户对来自电力公司的峰值电力需用量的系统和方法。更具体地说，本发明涉及检测电力公司用户的随机或其他峰值电力需用量并控制位于用户侧的电力辅助电源运行的一种设备和方法。另外，本发明涉及一种通过在非峰值电力需用量阶段在用户侧购买和储存电力并在高需用量阶段使用所储存的电力来转移载荷的设备和方法。
大量电力的用户通常以不均匀的速率消耗电力。这一点尤其适用于具有常间断负载的用户，即具有多件频繁停止和起动的设备的用户。可知这样的用户在其电力需用量中产生随机和累计的峰值。有这样一个例子，是具有约四个或更多不同冷藏系统的典型超市，每个冷藏系统有独立的控制装置，这些系统产生合成峰值负载的各分量。
许多工业制造设备、零售设施等等的一个典型日负载曲线由几个随机作用的负载构成，如
图1A-1D所示。图1A表示一二十四小时恒照明负载。图1B表示半随机间断负载。图1C表示半随机较长周期负载，图1D表示一合成理想化日负载曲线，示出整日随机出现的高度不确定的峰值。
尽管存在这种变化的电力需用量，仍要求电力公司在任意给定时间段内都要使发电容量超出最大的预计电能需用量。因此，电力公司必须使发电容量远大于平均电能需用量，以便满足这些随机且短期的需用量。产生和维持这种超量容量相当昂贵，并且显著地增加了提供电能的平均费用。
为了将提供超量发电容量的费用分摊给那些最需要这些容量的用户，也为了鼓励这些用户分散其对电力的需用量，一般把这些用户的电力公司税率表分成至少两部分。第一部分是一电能使用费用，它反映电力公司自身发电和输送电的费用。一般在一特定记帐阶段以每耗电1千瓦时所需的美分计算该费用。第二部分是一峰值需用量费用，它反映电力公司的主要费用，基于与用户在一预定需用量时间间隔期间所耗平均电能之差。将峰值需用量费用计为每千瓦实际峰值需用量所需的美分或美元。这些峰值需用量费用在整个特定记帐阶段占全部电力公司费用的百分数相当高。
由于电力公司增加了使用更大峰值需用量的费用，许多工业用电户已开始研究减小对电力公司的峰值电力需用量的方法。一种方法是减小峰值需用量。减小峰值需用量的做法是调整设备的使用顺序以便只允许一定数目的负载设备同时工作。该方法控制起来很昂贵并且限制了用户。
另一种方法是提高用户所用电力负载的效率。虽然该方法是一种主动的方法，但它在减小峰值需用量方面收效较小。而对用户支付其用电量费用的比例影响最大的正是这种峰值需用量。
第三种方法是用峰值发电机。峰值发电机是电力公司提供的在一天中峰值需用量部分期间使用的发电机。可将这些发电机放在极接近电力公司的用户现场。与峰值发电厂(发电机)有关的问题包括完工前投资高、负载周期低、环境问题严重和时间较长。
本发明的一个目的在于提供一种在用户侧管理电力的系统和方法。
本发明的另一目的在于提供一种设备，它通过可控地将来自一蓄电池的电能导向一特定的相对恒定且主要的用户负载如荧光灯照明从而转移通常从电力公司得到的峰值电力需用量，用以减小用户对电力公司的峰值电能需用量。
这种通过可控地将电能从一蓄电池导向一特定负载如荧光灯照明从而转移通常来自电力公司的峰值电能需用量来减小用户对电力公司的峰值电能需用量是格外重要的，表示出在控制具体用户负载的快速紧急需用量方面与现有技术间的主要偏差，具体用户负载可由直流电力供电，该直流电力与AC电力或转换为DC的AC电力是隔离的且不同的。
本发明还一目的在于提供一种用在一电力管理系统中的设备，该设备用来将AC电转换成一基于高效开关模式电源拓朴结构的DC直流电，该拓朴结构可将一蓄电池用作其内部电路的一部分。
本发明的再一目的在于提供一种设备，该设备响应电力管理系统检测到的峰值电力需用量的幅值，按比例地分配来自蓄电池装置的电能，该蓄电池装置用在一电力管理系统中。
本发明的又一目的在于提供一用户侧电力管理系统和方法，相对于其他方案来说，这种系统和方法可以自动和显著地提高用户在主要负载区如照明和其他电子负载中使用电能的效率。
根据本发明的一种形式，一用户侧电力管理系统包括一功率变送器，它有一个或多个传感器，接至进入电力公司的用户设备的电力线。该功率变送器检测用户设备获取的功率，并产生与所获取功率成正比的信号。
该系统还可包括一积分器，它接至功率变送器的输出端。该积分器按照与电力公司测量峰值耗电量基本相同的方式对来自变送器的信号在一预定积分阶段求平均值。积分器的输出信号供给一比较电路(或一差分放大电路，它实际上起一比较器的作用)的一个输入端，该比较电路也包括在该系统中。
比较电路的另一输入端接至一自动可调设定点电路或一手动可调设定点电路，这两个电路之一通过一适当的开关电路可耦合到该比较电路上。设定点电路为比较电路提供一阈值信号。
比较电路对来自积分器的信号和设定点电路的阈值信号进行比较，若积分器的输出信号大于或等于该阈值信号，则比较电路至少产生一种幅值的输出信号；若积分器的输出信号小于该阈值信号，则比较电路至少产生另一种幅值的输出信号。
本发明的电力管理系统还包括一AC-DC变换器，它优选为一开关型电源。该电源有一控制输入端，来自比较(或差分放大)电路的输出信号提供给该控制输入端。该开关电源接收至少一部分由电力公司供给用户设备的AC电力，并在其输出端将该部分电力转换为DC电力。
来自开关型电源的DC电力供给一隔离与分配电路和一储能装置如一蓄电池。根据设备的耗电量以及系统功率变送器检测到的耗电量，该隔离与分配电路控制来自DC电源或蓄电池或按比例地取自二者的电力，并将这些电力供给一负载。
根据以下结合附图所读到的对本发明说明性实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点会很明显。
图1A是电力需用量与一假想用户设备恒照明负载的时间之间的曲线图。
图1B是电力需用量与一假想用户设备半随机间断负载的时间之间的曲线图。
图1C是电力需用量与一假想用户设备半随机较长周期负载的时间之间的曲线图。
图1D是电力需用量与一假想用户设备的时间之间的曲线图，表示这样一个设备的合成理想化日负载曲线。
图2是根据本发明构成的一用户侧电力管理系统的原理图，表示它与用户设备现有电力线之间的接口。
图3是根据本发明构成的另一电力管理系统的原理图。
图4是一电力需用量与时间的曲线图，它在许多方面与图1D类似，表示通过采用本发明的系统与方法限制负载的结果。
图5是一在许多方面类似于图4的电力需用量与时间的曲线图，表示本发明的电力管理系统在一假想用户设备中工作的该设备的日负载曲线。
参见附图中的图2，可知，根据本发明构成的用户侧电力管理系统可便于与用户设备的现有电力线互连，用以监视用户的负载需用量。为便于理解本发明，图2表示出来自电力公司并由用户设备接收的三相电力线(即，标记有代表每一相的L1、L2与L3的线)和一中线(即N)。该三相电力线L1、L2和L3与中线N由一用户设备的主配电盘2接收。主配电盘2在整个设备中分配电能，许多情况下它将电能供给一照明配电盘4，该照明配电盘4如其名称所指，将电能分配给该设备中的各个照明电路。即，主配电盘2通常在整个用户设备中敷设电力公司的三相电力线，这样就将电力分配给用户设备所用的各个负载，如图1A-1C所示，有三种非常普通的AC电力负载，它们需要用在公共或电力设备中产生的AC电能来供电，并从图示的用户设备中接出，它们是一照明负载(见图1A)、半随机间断负载(见图1B)和半随机较长周期负载(见图1C)。这样，三相电力线L1、L2和L3以及中线N从主配电盘2的电力公司方接入，并从主配电盘2输出作为该配电盘用户侧的AC电力线，从而与需要用电力公司发出的电力来供电的组合负载相连，如图1A-1C所示。
通常，主配电盘2与照明配电盘4通过一条或多条包括一条中线8的电力线6互连，但对本发明来说，如图2中虚线所示，主配电盘与照明配电盘之间的互连线是断开的。应理解，与由AC电向照明负载整体或部分供电的情况不同，只有在照明负载无法由直流电单独供电的情况下，才需在主配电盘2和照明配电盘4之间的互连线的断开处引入逆变器1。在电力公司可能根本无法输送任何AC电的情况下，必须用逆变器1提供全部AC电，这在某种程度上是不可以的。
根据本发明，电力管理系统包括一功率变送器10。该功率变送器10与一个或多个电压或电流传感器12相连，每个传感器耦合到各相电力线上。功率变送器10实时测量用户设备所消耗的来自电力公司的电能，并产生一与该测量值对应的输出信号。功率变送器10所产生的输出信号在幅值上与用户设备所耗电力成正比。例如，输出信号可以用电压表示，其范围从0～+10或-10伏，对应于0～100千瓦的功耗。可用于本发明电力管理系统的合适功率变送器10为RochesterInstrument Systems,Inc.生产的零件号为PCE-20的产品。
来自功率变送器10的输出信号最好供给一积分电路14。该积分电路14对功率变送器产生的实时功率测量值求平均。积分电路14模拟电力公司用来平均其用户峰值电力需用量的一个类似积分电路的工作。
积分电路14能够以各种方法构成，如图2所示，包括采用带有一反馈电容18和一输入电阻20的运算放大器16。选择电容18和电阻20的值以产生一期望积分时间。图2所示积分电路14产生一负增益；因此，若采用这样一个电路，则它可耦合到功率变送器的0～-10V输出端以产生一正输出电压信号，该信号随着从电力公司获取并由传感器12检测到的功率变化而变化。
本发明的电力管理系统还包括一比较电路，该比较电路的优选形式为一差分放大电路21。积分电路14的输出供给差分放大电路21的第一输入端。差分放大电路21的第二输入端接至一开关电路22，该开关电路22在图2中功能性地表示为一单刀双掷开关22a。
更具体地说，开关电路的“刀”臂24接至差分放大电路21的第二输入端。开关电路22的一端极26接至一自动可调设定点电路28，而开关电路22的另一端极30接至一手动可调设定点电路32。
自动与手动可调设定点电路28、32通过开关电路22向差分放大电路21的第二输入端提供一电压形式的阈值信号。如将要提到的那样，该阈值信号代表一功率级，在该功率级处，构成电力管理系统一部分的DC辅助电源如一蓄电池34用来向用户设备中的一个或多个各种负载供电。
各种手动可调设定点电路可用于本发明。一个例子是电位器36，它连接在正负电压之间或电压V1与地之间，其滑臂接至开关电路22的端极30。这种电路向差分放大电路21提供一阈值电压。在对用户耗能曲线进行分析之后，设定点电路32会得到调整。如图2所示，设定该阈值电压以使用户日电力需用量的任何偶然或经常发生的(即，每天非随机时间)峰值全部或部分地由该电力管理系统的辅助DC电源提供。
自动可调设定点电路28将会定期地在预定时间间隔例如每日或每月期间得到并存储实际峰值电力需用量的最大值，并产生一基于该电路计算出的“流动平均数”的阈值信号。该阈值信号通过开关电路22供给差分放大电路21的输入端。自动设定点电路28将根据用某种算法计算的用户峰值电力需用量的流动平均数自动调整该阈值信号。这样一种电路的实例公开于授予Phillip Alenduff等人的US专利第4,731,547号中，其公开的内容在此引入作为参考。
如其名称所指，比较(或更好的是差分放大)电路21把设定点电路28、32之一所提供的阈值信号与来自积分电路14的输出信号作比较，其中由开关电路22选择设定点电路28、32中的一个，输出信号代表在预定积分周期期间所平均的取自电力公司的功率。若来自积分电路14的输出信号在幅值上大于阈值信号，即，表示正在消耗过量或峰值电能，则如将提到的那样，差分放大电路21将检测这一现象并产生一比例输出信号，该比例输出信号与用来控制构成电力管理系统一部分的AC-DC变换器或开关模式类型电源38的信号相兼容。
适用于本发明的差分放大电路21的一种形式是具有一反馈电阻42和一输入电阻44的运算放大器40，阈值信号通过输入电阻44提供给运算放大器40的反相输入端，而来自积分电路14的输出信号提供给第二输入电阻43的一端，第二输入电阻43的另一端接至运算放大器的同相输入端并经另一电阻45接地。若第一输入电阻44和反馈电阻42的值分别与第二输入电阻43和接地电阻45的值相等，则来自差分放大电路21的输出信号将是与积分电路的输出信号与阈值信号的电压电平之间的差值与反馈电阻42和第一输入电阻44的阻值之比的乘积相等的一个电压电平。因此，来自差分放大电路21的输出信号最好是随来自积分电路14的输出信号与设定点阈值信号电平之间的差值按比例变化的一个电压电平。
如将要更详细描述的那样，许多AC-DC电源比例于到达其控制信号输入端的电压而调整其输出电压电平，并工作于正控制信号电压下，例如对于125伏～110伏的输出，调整值为0伏～10伏。为防止差分放大电路21的输出信号出现负电压漂移，例如，当积分电路的输出信号电平低于设定点阈值信号电平时，可向运算放大器40的相应电源端提供一正电源电压，而使负电源端接地。另一方法是，当积分电路14的输出信号小于设定点阈值信号电平时，可接入一二极管(图中未示)，该二极管的正极接地而其负极接运算放大器40的输出端，从而将差分放大器的输出信号箝位到OV。
若不用提供一连续可变输出信号的差分放大电路21，该输出信号与阈值信号和积分电路的输出信号之间的差成正比，则可采用如一运算放大器形式的简单比较器。积分器的输出信号和阈值信号供给比较器的两输入端，而比较器的输出信号供给AC-DC变换器38的控制输入端。当积分电路的输出信号大于阈值信号时，比较器的输出信号将处于第一状态以发信号给AC-DC变换器38，使其产生第一输出电压电平。当积分电路的输出信号小于或等于阈值信号时，比较器的输出信号将处于第二状态以发信号给AC-DC变换器38，使其产生第二输出电压电平。
如前所述，本发明的电力管理系统包括一AC-DC变换电路38。变换电路38优选为一开关型电源，众所周知它稳定性好且效率高。最初供给照明配电盘4的主配电盘2之电力线6与中线8这时供给开关电源38的AC输入端。比较器或差分放大电路21的输出信号供给该电源的控制输入端。开关电源38把供给它的AC电变换为一DC电压与电流，从而起动用户设备的一特殊负载或多个负载，例如如图2所示的荧光灯照明负载46。可用于本发明的电力管理系统合适的AC-DC开关电源38是位于Connecticut的Techni Power Corp.,a PenrilCompany所生产的零件号2678644的产品。对于更大电力管理需用量来说，可并联连接几个电源，所有这些电源由比较器或差分放大电路21控制。无论使用那一种AC-DC变换器38，比较器或差分放大电路21都用来提供适当的控制信号以便随需要改变变换器的输出。
开关DC电源38的输出电压可与其接收到的控制信号成正比进行调整。例如，该电源可选择或设计成使得供给电源控制输入端的0～10伏控制电压反向调整电源的DC输出电压125～110伏。如将更详细描述的那样，对AC-DC电源38输出电压的控制是本电力管理系统一个重要方面，因其会使照明或其他负载能受来自电力公司或辅助DC电源如蓄电池34的电力驱动，辅助DC电源置于用户设备端。
把来自AC-DC电源38的DC输出电压供给一电源隔离与分配电路48，并供给在本发明优选形式中为一蓄电池34的第二DC电源。更具体地说，电源38的正端接至电源隔离与分配电路48的输入端，电源隔离与分配电路的一个输出端接至与照明配电盘4相连接的电力线6上，而电源隔离与分配电路的另一输出端接至蓄电池34的正极端。电源38的负输出端接至蓄电池34的负极输出端，并且接至与照明配电盘4相连的中线8上。以这种方式连接，AC-DC电池38就不只向用户的照明或其他负载46提供DC电，而且还在低电力需用量时对蓄电池充电。
在本发明一优选形式中，电源隔离与分配电路48基本由一组三个互连二极管50、52和54组成。第三二极管54的正极接至电源38的正输出端，其负极接至蓄电池34的正极端。第二二极管52的正极接至蓄电池34的正极端，其负极接至电源隔离与分配电路48的第一输出端，该输出端与接到照明配电盘4上的电力线6相连。第一二极管50的正极接至电源38的正输出端，其负极接至第二二极管52的负极以及电源隔离与分配电路48的第一输出端。
电源隔离与分配电路的二极管在蓄电池34与AC-DC电源38之间形成隔离，并设置一较大的“不灵敏区”或隔离区以使蓄电池能接入电路，从而向照明或其它负载46供电，或与该电路隔离。用于电源隔离与分配电路的二极管50至54优选高功率硅二极管。
电源隔离与分配电路48、电源38和蓄电池34工作于以下方式。假定例如蓄电池34为124伏DC,AC-DC电源的输出为125伏DC，那么就使第一与第三二极管50、54正向偏置，假定二极管压降为0.7伏则使电力分配电路的第一与第二输出端电压均为124.3伏。第二二极管52基本上反偏截止。这时DC电源38向照明或其他负载46供电，同时也向蓄电池34供电以便对其充电。这种情况发生于无峰值电力需用量期间。
若例如AC-DC电源的输出下降到123伏，那么就使电源隔离与分配电路的第一与第三二极管50、54反偏，而第二二极管52正偏。在这种情况下，蓄电池34向照明或其他负载供电。这种情况发生于峰值电力需用量期间。蓄电池34供给负载的电量基本上等于用户从电力公司获取的电量，该电量超出设定点阈值量，低于负载上限量。
例如，假定用户需用量为750千瓦，设定点阈值量设定在800千瓦，本发明电力管理系统控制的照明负载为100千瓦。由于用户需用量低于峰值设定点阈值量，所以用户的照明负载可完全由电力公司通过AC-DC变换器供电，且在这些情况下可对蓄电池再充电。这可认为是电力管理系统的第一工作模式。
现假定用户需用量增大到850千瓦，即超出管理系统中设定的800千瓦设定点阈值量50千瓦。在这种情况下，该系统控制的照明负载将通过AC-DC变换器38从电力公司获取50千瓦电量，而且从蓄电池获得50千瓦电量。这样，电力公司和蓄电池按比例地共担电量，从而向照明或其他负载供电。这可以认为是该系统的第二工作模式。
若用户需用量增大到1000千瓦，即超出阈值量200千瓦，则照明负载将完全由蓄电池供电，而不由电力公司供电。这可认为是该系统的第三“不间断”工作模式。
蓄电池34优选由串联连接的十个12伏DC蓄电池构成。适于使用的一种蓄电池是GNB.Inc生产的一种密封的、免维护的铅酸AbsolyteTM系列蓄电池。
现描述本发明电力管理系统的工作。如图1D所示，一偶然或经常出现的峰值电力需用量由功率变送器10检测。功率变送器的输出信号电压电平增大，在一预定积分阶段由积分电路14平均该电压电平的增加量。积分电路的输出信号也因此增大幅值。若积分电路14的输出信号电平大于接至该系统的设定点电路28或32的阈值信号电平，则比较器或差分放大电路21会检测到这一点，向AC-DC电源38提供一适当的输出信号以减小电源输出电压，使其低于蓄电池34的电势。由于蓄电池电势大于电源电压，所以向负载供给来自蓄电池34的电。
若对电力公司的电力需用量减小，则相应减小功率变送器10和积分电路14的输出信号幅值。若积分电路的输出信号落到或低于设定点电路28、32设定的阈值电平，则比较器或差分放大电路21检测到这一点，向开关电源38的控制输入端提供一适当信号以增大电源的输出电压电平。若电源的输出电压电平大于蓄电池34的当前或“现场(spot)”电势，则负载再次完全由电源供电，且电流流过蓄电池，直到蓄电池完全充电为止。在这种模式下，无电流从蓄电池流到负载。
本发明另一种形式的电力管理系统示意性表示于图3中。功率变送器10接至如图2所示的一条或多条用户电力线，其输出端接至构成一同相缓冲放大器的运算放大器60的同相输入端。缓冲放大器60的输出端接至一差分放大电路的一侧，该差分放大电路包括一运算放大器40、第一输入电阻43和另一电阻45，第一输入电阻43接在缓冲放大器的输出端与运算放大器40的同相输入端之间，另一电阻45接在该运算放大器40的同相输入端与地之间。差分放大器包括接至运算放大器40反相输入端的另一输入电阻44、接在该运算放大器的输出端与反相输入端之间的一反馈电阻42和与该反馈电阻并联的一反馈电容62。象前述实施例中反馈电阻42与接地电阻45优选为等值一样，输入电阻43、44优选为等值。反馈电容62设置成使差分放大器的响应时间放慢。
一手动设定点阈值电路包括一电位器36，电位器36的两个相对管脚接在一正电压与地之间，其滑臂接至构成一同相缓冲放大器的运算放大器64的同相输入端。缓冲放大器64的输出端接至差分放大器的另一输入电阻44。
差分放大器的输出端接至一电压-电流变换器上，该电压-电流变换器包括一NPN晶体管66、接在差分放大器的输出端与晶体管66的基极之间的电阻68以及共同连接在晶体管射极与地之间的射极电阻70和串联二极管72。晶体管66的集电极接至一固定电阻74的一端以及多圈电位器76的一端与滑臂上，多圈电位器76的另一端接地。固定电阻74的另一端接至如Texas Instruments生产的零件号为TL783C的串联调节器78的整定输入端，还接至另一固定电阻80的一端，该另一固定电阻80的另一端接至调节器78的输出(OUT)端。
如前述的实施例中那样，该电力管理系统包括一含上述调节器78的AC-DC变换器；由两个二极管82、84组成的全波整流电路；以及由两个旁路电容90、92和一串联扼流圈或电感线圈94组成的传统π型滤波电路，该滤波电路接至整流电路的输出端。滤波电路的输出端接至固定电阻96的一个管脚上，固定电阻96的另一管脚接至调节器78的输入端(IN)并通过一基极电阻100接至PNP晶体管98的基极上。晶体管98的发射极接至滤波电路的输出端，集电极接至NPN功率晶体管102的基极。可采用的合适功率晶体管102是TexasInstruments生产的零件号为TIPL762晶体管。当然，要根据该系统的功率要求选择功率晶体管。功率晶体管102的集电极接至其驱动的晶体管98的发射极和滤波电路的输出端，而功率晶体管102的发射极接至调节器78的输出端。晶体管98与102及其相关元件构成一电流升压电路。
图3所示电力管理系统还包括一隔离与分配电路，如上述图2所示实施例中那样，该电路由三个互连第一、第二和第三二极管50、52和54组成。调节器78的输出端接至第一与第三二极管50、54的正极。第二二极管52的正极和第三二极管54的负极接至用于本电力管理系统的蓄电池34正极端，第二与第三二极管52、54的负极接至由本系统供电的负载46上。
图3所示电力管理系统工作于以下方式。当从电力公司获得的电量使功率变送器10的输出电平低于设定点阈值电平时，电压-电流变换器的晶体管66截止。这有效地增大了电阻分压网络的下管脚电阻值，该电阻分压网络由包括上管脚的电阻80、多个电阻74的组合以及多圈电位器76的并联连接限定；还增大了电压-电流变换器的电阻值，该变换器包括网络的下管脚。在这种情况下，第一二极管50的正极电压将大于第二二极管52的正极电压，第二二极管52的正极电压是蓄电池34的电压。第一二极管50导通而第二二极管52反偏，从而使来自电力公司的电通过AC-DC变换器，即全波整流电路、滤波器和电流升压电路供给负载46。
当电力管理系统的功率变送器10所检测到用户获取的电力公司的电增大时，缓冲放大器60的输出信号将超出阈值信号缓冲放大器64的输出信号幅值。据此，差分放大器产生一正电压输出信号，该信号使电压-电流变换器的晶体管66导通使电流流过。这有效地降低了电阻分压网络的下管脚电阻值，相应地又降低了第一二极管50的正极电压。若第一二极管50的正极电压降低到第二二极管52的正偏工作点，则电流从蓄电池34流到负载。若从电力公司获取少量电量，则功率变送器10的输出电压降低，该输出电压影响差分放大器的输出电压和通过电压-电流变换器晶体管66的集电极获取的电流。这就将第一二极管50的正极电压变为一按比例分担来自蓄电池和来自电力公司电量的工作点。这样，该电力管理系统充当一有反馈且有自调节能力的伺服系统。
从以上描述可知，本发明的电力管理系统易于用在有很少或没有重接线的用户设备中。由于主配电盘2通常接至第二照明配电盘4，所以可断开两者之间的互连线，接入电力管理系统。而且，占某些电力公司用户总负载近40％的荧光灯照明是一与电力管理系统一起工作的特别有吸引力的负载。该照明负载在一天内保持完全恒定状态，因此可易于优化用以运行这样一个负载的电力管理系统参数。另外，许多目前且日渐增多的用于荧光灯照明的电子镇流器工作于直流(DC)或交流(AC)状态下。若电子镇流或磁镇流的荧光灯照明由电力管理系统控制并由AC供电，这可通过用一逆变器110来完成，该逆变器110连于电源隔离与分配电路48的输出端(及AC-DC变换器38的负端)和照明配电盘4之间，如图2中虚线所示。因此，荧光灯和其他照明极适于与本发明电力管理系统一起工作。
本发明的电力管理系统用来从用户电力线中去除随机或经常出现的峰值负载，如图4所示，对用户的主要经济利益是避免需用量费用，图4用虚线表示消除用户对电力公司需用量的这些峰值。而且，电力管理系统可以使载荷转移，这是对电力公司最有利的。如图5所示，阈值量可由系统调节设定以去除和转移这些需用量负载。
典型用户负载曲线由图5中实线表示，曲线中有一峰值发生在下午1:00或其左右。在该峰值期间，电力管理系统自动启动以减少所耗电力公司的电力。在这段时间内，如图5中字母D所示，蓄电池34主要在放电，用以向照明或其他负载供电。这样把用户负载曲线减小到图5中虚线所示的曲线。
在低电力需用量期间，如上所述，电力管理系统对蓄电池34充电。蓄电池充电阶段由图5中字母C表示。该负载转移也可在预定时间进行。如图2所示，可断开开关电路22与差分放大电路21之间的连接，如虚线所示，在二者之间加入一继电器或开关电路112。继电器或开关电路112功能性地表示为一单刀双掷开关112a，其刀臂114接至差分放大电路21上，而其一个端极116接至开关电路22的刀臂24上。另一端极118可接至一电压源V上，该电压源V的幅值低于积分电路14的输出信号幅值，或低于要进行负载转移期间所预料的功率变送器10的输出信号幅值。
定时电路120耦合到继电器或开关电路112上以控制该电路，以便在预定时间内由继电器或开关电路112断开开关电路22与差分放大电路21之间的连接，电压V通过继电器或开关电路112加到差分放大电路21上。由于将电压V选定为低于积分电路14和功率变送器10的输出电压，所以差分放大电路21的输出信号保证AC-DC变换电路38的输出电压低于蓄电池34的电势。因此，蓄电池在定时器120控制的编程“开”时间段内向所选负载提供预定电能。
一外部控制输入端122还可接至继电器112上以使一外部控制信号能在要进行负载转移时开关继电器。该控制输入端可接至一调制解调器124，但这并不是必须的，调制解调器124位于用户侧，以便例如当通过将一信号传送给调制解调器124以控制继电器112进行用户侧负载转移时，电力公司可自行遥控。
由于电力公司收取峰值耗电的额外费用，所以从电力公司中去除偶然或经常发生的峰值负载可显著降低用户承担的电力费用。
由于蓄电池仅在峰值电力需用量偶然发生阶段才使用，所以可使蓄电池的放电控制深度和充放电周期很小。由此延长了蓄电池的寿命。
应指出的是，可用其他类型的二次电源，如一电力发电机或光电池装置。这些装置可用以代替蓄电池34或可适当接入电力管理系统以代替或补偿蓄电池。
虽然在此参照附图描述了本发明的图示实施例，不过可以理解本发明并不限于那些明确的实施例，在不脱离本发明的范围或实质的情况下，本领域的普通技术人员可在其间进行各种其他改变与修改。
权利要求
1．一种电力管理系统，包括以下组合AC电气连接装置，包括接收来自一电力公司的AC电能的AC输入导线；和AC电气负载装置，接至用来在电力管理系统内将AC电力分配给多个与其相连的电气负载的输入导线上；以及至少一个DC负载装置，与电力管理系统相连，所述电力管理系统，包括至少两个DC电源设备，包括专用于DC负载装置的一个AC-DC第一电源装置，它接至AC输入导线，用来转换AC电能以构成第一DC电源装置；和至少一个直流电源装置，它也专用于所述DC负载装置并由一直流源组成，直流源和第一DC电源装置相互隔离，且每个都能向所述DC负载装置提供驱动该装置所需的所有电量，以及与第一DC电源装置、直流电源装置和DC负载装置互连的电路装置，工作于三种模式之一1)一种模式是第一DC电源装置向一个DC负载装置提供所有电量；2)一种模式是第一DC电源装置和直流电源装置共同向一个DC负载装置供电；3)一种模式是直流电源装置向一个DC负载装置提供所有电量。
2．如权利要求1所述的电力管理系统，其中电路装置具有控向二极管阵列的形式，包括相对于直流电源装置的输出电平改变第一DC电源装置输出电平的装置。
3．如权利要求1所述的电力管理系统，其中一个DC负载装置是一荧光灯照明负载，直流电源装置具有蓄电池装置或光电池装置的形式。
4．一种结合将AC电能供给多个耗电用户设备的电力公司，电力公司包括多个将AC电能输送给耗电用户设备的电导线；每个耗电用户设备有一接至电导线上的电气配电箱，负载导线从那里接出用以接至耗电用户电气负载上，一些电气负载导线接至一个是一特殊负载如一照明负载的耗电用户电气负载上，用户设备的一些电气负载导线接至产生DC功率的AC-DC主供电电源，在那里作为一直流源装置形式的单独的电源，与电力公司的电气导线相耦合的检测装置，用来实时地检测由所有耗电用户设备一起施加在电力公司上的过量AC电能，以及响应于检测装置以便对每个耗电用户设备的特殊负载进行供电的装置，供电方式为1)单独由相关耗电用户设备主电源的DC电源供电；2)由相关耗电用户设备DC电源的主电源和相关耗电用户设备的直流源一起按分担负载的方式供电；或3)单独由相关耗电用户设备的直流源供电。
5．如权利要求4所述的结合，其中检测装置产生一表示所有耗电用户设备对电力公司产生的电力需用量的可变输出信号，每个响应于检测装置的装置包括接收一参考信号并从检测装置接收可变输出信号的比较装置。
6．如权利要求5所述的结合，其中每个响应于检测装置的装置还包括二极管装置，该二极管装置接至一个DC电源装置的相关耗电设备主电源，接至一个相关的用户特殊负载，接至相关比较装置。
7．一种电力管理系统，包括以下组合AC电气连接装置，接收来自一电力公司的AC电能；AC电气负载装置，接至用来在电力管理系统内分配AC电力的AC电源上；和至少一个DC负载装置，在电力管理系统内，与电力公司的AC隔离并可由直流源单独供电；电力管理系统，包括向一个DC负载装置供电的两个电源装置，将转换后的DC电力供给DC负载装置的AC-DC第一电源装置；和至少一个由直流源装置组成的第二电源装置；检测装置，将AC-DC第一电源装置、第二电源装置和DC负载装置连接在一起，用来检测该管理系统对电力公司的电力需用量，并用来提供响应于电力需用量和第二电源装置的输出电平状态的可变输出信号，以便当响应于电力需用量的可变输出信号电平为高时，AC-DC第一电源装置向DC负载装置提供所有电力；当第二电源装置的输出电平为高时，DC第二电源装置向DC负载装置提供所有电力；以及当存在因电力需用量而出现的可变输出信号电平与第二电源装置的输出电平之间的相互波动时，AC-DC第一电源装置和第二电源装置变化地共同将电力供给DC负载装置。
8．如权利要求7所述的电力管理系统，其中DC负载是一荧光灯照明负载，检测装置包括一耦合到AC电力线的功率变送器和产生可变输出信号的差分放大装置。
9．一种电力管理系统，包括接收来自一电力公司AC电能的AC电气连接装置；接至在电力管理系统内分配AC电力的AC电源上的AC电气负载装置；和电力管理系统内的至少一个DC负载装置，它与电力公司的AC隔离，所述电力管理系统，包括专用于DC负载装置的两个DC电源装置；一AC-DC电路，转换来自电力公司的AC电力，用以提供一具有正、负引线的专用第一DC电源装置；和至少一个DC专用第二电源装置，由一具有正、负导线的直流源组成，检测装置，检测该管理系统对电力公司的电力需用量，用以产生一与电力需用量成正比的可变输出信号，控制装置，将专用第一电源装置的正、负引线与导线、专用第二电源装置和DC负载装置连接在一起，用以响应正负引线与导线间的相对电压电平及可变输出信号，以便当可变输出信号电平为高时，DC专用第二电源装置向DC负载装置提供所有电力；当直流源的正、负导线间的电压电平为高时，DC专用第一电源装置向DC负载装置提供所有电力；和当与电力需用量成正比的可变输出信号电平和正、负引线与导线间的电压电平相互有波动时，第一电源装置和第二电源装置变化地共同向所述DC负载装置供电。
10．如权利要求9所述的电力管理系统，其中检测装置包括一差分放大装置和一电源隔离与分配电路。
11．如权利要求10所述的电力管理系统，其中电源隔离与分配电路包括二极管阵列。
12．如权利要求9所述的电力管理系统，包括用来改变可变输出信号的设定点控制装置。
13．如权利要求12所述的电力管理系统，其中设定点控制装置还根据对电力公司的电力需用量控制可变输出信号的相对值。
14．一种与多个耗电设备共同操作一公共AC电力公司的方法，包括一下步骤a)根据各个耗电设备的电力需用量向它们提供来自电力公司的AC电力，实时监视每个设备的AC电力需用量以产生每个设备特有的AC电力需用量信号，其中这些AC电力需用量信号累加起来表示对电力公司的实时AC电力需用量，b)将步骤a)的AC电力转换成各个设备中的DC电力，用以从AC电力并取决于AC电力为每个设备提供一主DC电源。c)为每个设备提供一辅助DC电源，辅助DC电源与AC电源隔离，且可以是一蓄电池或直流源，d)根据步骤a)的监视控制步骤b)和c)的DC源，这样每个设备的两个DC电源工作于三种模式之一在第一模式下，电力公司基本上提供实时AC电力需用量处于峰值电力需用量限度之内的多个设备所耗的所有电力，和在充电状态下步骤b)中的主DC电源所耗的所有电力；在第二模式下，电力公司提供各个设备所耗的部分AC电力，电力公司的部分AC电力转换为辅助DC电力以向实时AC电力需用量仍处于峰值电力需用量限度内的各个设备提供步骤b)中的一些DC电力；在第三模式下，电力公司提供AC电力而每个主DC电源向其设备内提供最大量的辅助DC电力，AC电力需用量低于峰值电力需用量限度。
15．如权利要求14所述的方法，其中步骤d)包括建立多个设定点以变化地改变模式。
16．如权利要求15所述的方法，其中步骤b)中的主DC电源专用于一DC负载如一荧光灯照明负载，该DC负载可由DC电源供电，主DC电源和辅助DC电源与DC负载并联。
17．如权利要求16所述的方法，其中主DC电源和辅助DC电源是跨DC负载换向的二极管。
18．一种当在用户侧管理一耗电设备对电力公司产生的峰值电力需用量时，在该电力公司产生AC电力的方法，包括以下步骤ⅰ)在一电力公司产生AC电力并通过电气导线将其传输给耗电设备，ⅱ)在所述耗电设备中设置至少一个AC半随机间断的负载装置，ⅲ)将耗电设备的一些电气导线接至耗电设备中步骤ⅱ)的至少一个AC半随机间断负载装置上，ⅳ)在耗电设备内将步骤ⅰ)中产生的至少一些AC电力转换成直流电以产生一转变后的直流电源和一可变电平输出信号，该可变电平输出信号的输出电平响应于对步骤ⅰ)中的电力公司产生的AC电力作出的峰值电力需用量，ⅴ)在耗电设备中设置一内部直流电源，它产生直流，该直流与步骤ⅰ)中产生的AC电力和-或从步骤ⅳ)转变的直流电分离且不同，ⅵ)在耗电设备中设置至少一个内部直流负载装置，它消耗的电流或者是步骤ⅳ)中的转换直流，或者是步骤ⅴ)中的内部直流电源发出直流，或是消耗二者之和，以及ⅶ)根据步骤ⅳ)中的可变电平信号，通过可控地将电能从步骤ⅴ)引到步骤ⅵ)来减小用户设备对电力公司的峰值电力需用量，从而将对电力公司的峰值电力需用量转移到步骤ⅴ)的内部直流电源。
19．如权利要求18所述的方法，包括以下步骤a)将步骤ⅴ)的内部直流电源与步骤ⅵ)的至少一个内部直流负载装置用二极管隔离；和b)根据可变电平输出信号的电平，使一个强于另一个。
20．如权利要求19所述的方法，包括步骤c)在步骤ⅵ)的至少一个内部直流负载装置全部或部分不能由直流供电的情况下，将步骤ⅱ)中的转变直流电源转变回AC电力。
21．如权利要求18所述的方法，其中在一电力公司产生AC电力，同时，根据一个或多个耗电设备对电力公司产生的累积峰值电力需用量，在用户设备方管理电力，该方法还包括以下步骤A)在一电力公司产生AC电力并通过电气导线将其传输给多个耗电设备，B)在每个耗电设备内部设置至少一个AC半随机间断负载装置，C)将每个耗电设备的一些电气导线接至每个耗电设备内的至少一个AC半随机间断负载装置，D)将步骤ⅰ)产生的AC电力中至少一部分转变为每个耗电设备内的直流，用以提供一转变后的直流源和一表示相关耗电设备对电力公司产生的累积峰值电力需用量的可变电平信号，E)设置一内部直流电源，它与每个耗电设备相连，并产生与步骤A)中产生的AC电力和从步骤D)转变而来的直流电分开且不同的直流电，F)设置至少一个内部直流负载装置，它消耗的直流或者是来自步骤)的一转变直流，或是来自步骤E)的内部直流电源的直流电，或是二者之和，以及G)根据步骤D)的信号，通过使直流耗电量在步骤D)与步骤E)之间转移来在用户设备方管理一个或多个耗电设备对电力公司产生的累积峰值电力需用量。
全文摘要
一种用户侧电力管理系统,包括耦合到来自电力公司(L1、L2、L3和N)的电力线(12)上的一个功率变送器(10)。功率变送器(10)检测来自电力公司(L1、L2、L3和N)的随机峰值电力需用量,产生一与该需用量成正比的输出信号。该输出信号在时间上受到平均(14)并供给比较电路(21)。一预定阈值信号(28或32)也供给比较电路(21),两信号受到比较。一AC－DC变换器(38))或电源耦合到电力公司电力线(L1、L2、L3和N)上,在其输出端产生一DC电压。该DC电压的幅值由来自比较电路(21)的输出信号控制。还包括一电源隔离与分配电路(48)和一蓄电池(34)。该电源隔离与分配电路接在AC－DC变换器(38)和蓄电池(34)之间。该电力管理系统检测峰值电力需用量,将用户的一个特定负载(46)从由AC－DC变换器(38)供电转换为由蓄电池(34)供电。当无峰值电力需用量时,AC－DC变换器(38)向该特定负载(46)供电。
文档编号H02J3/28GK1217095SQ96180287
公开日1999年5月19日 申请日期1996年3月18日 优先权日1991年1月8日
发明者威廉G·威利姆 申请人:尼克斯特克电力系统公司, 威廉G·威利姆