提供和管理具有靈活負荷優先化的高可用性電力基礎設施的系統和方法

2023-07-22 09:40:31 2

專利名稱：：提供和管理具有靈活負荷優先化的高可用性電力基礎設施的系統和方法
技術領域：
：本發明總體上涉及電力系統，更具體地，涉及用於提供和管理具有靈活負荷優先化的高可用性電力^ftlli殳施的系統和方法。
背景技術：
：近年來，電力行業已經在承受加速增長的需求的負擔，所述需求對大皿發電和輸電系統的安全造成威脅。結果，用戶常常會遭受容量受限("電壓降低(brownouts)")和服務中斷("斷電(blackouts)")的問題。即使在正常的非高峰狀態下，現代電力系統提供服務也僅有99.9%的可靠性，il^示對一個典型用戶而言每年大約有9小時的斷電。顯然，在資訊時代，這一服務水平是無法滿足要求的，它會對數據處理中心、呼叫中心、電信交換設施、緊急服務、醫院以及其他關鍵性應用帶來重大威脅。例如，在以每秒60個周期供電的情況下，兩個周期的"打嗝(hiccup)"往往會使大多數計算機和伺服器頻繁地重新啟動或鎖定。如果沒有即時和適當的供電用於計算機、通信系統、防衛與安全系統，對恐怖分子襲擊和自然災害進行適當的響應^^艮困難。在2001年9月11日的襲擊之前，對供電中斷的考慮主要集中在設備故障、極端天氣條件和事故等的危險性上。而在其後，人們已日益關注電源系統被故意襲擊的可能性。近來發生的其他事件進一步強調了確保我們的電力系統安全的重要，性。通常可接受的對電力服務的滿意度是必須具有至少99.9999%的可用性，或者^4目當於每年斷電32秒。不幸的是，特別是由於供電質量隨著負荷增加受到負面影響這一事實，電力行業達到這些比較高的水平越來越困難。在可預見的將來，從當前電力行業輸電和配電^設施獲得所希望的可用度事實上是不可能的。對這些問題的一個典型的解決方案涉及對分布式發電單元("DG")或由電池供電的不間斷電源(UPS)系統的本地部署。因為信息、安全、防衛、以及通信等系統往往是廣泛地散布在單個房屋內，因此，通常遵循下述兩種途徑之一。首先，可以部署一臺大的DG或UPS單元以滿足整個建築中的電負荷。或者，可在建築物的不同部分安裝多個DG或UPS系統，這樣，每個單元服務於建築物中的一個特定的部分。DG或UPS系統的部署其自身通常表現為業務決策。採用這些解決方案的用戶事實上是在現場發電以代替從本地電力公司購買電力，且冒著承擔因電力質量不佳而造成的生產停止的風險。不幸的是，對於許多用戶，購買支持所有建築物負荷或廣泛分布的關鍵負荷集合的本地電力系統是極其昂貴的。圖1中所示現有系統100試圖在涉及高優先權負荷的場合降低應急供電和4^發電的成本。具體地，公用電力線101經由常規的J^設施線路102向用戶供電，而且還與UPS103相連。UPS103從公用電力線101接收"常規"電力並經由高優先;k^設施104提供可靠的、高可用性的電源。相應地，用戶可選擇將低優先權或者"常規"負荷(圖中未示出)連接到常規優先權線路102，而把高優先權設備或負荷105-107連接到高可用性^ftji殳施104。如圖1中所示，現有技術系統使用一個配電系統用於高優先級負荷，使用另一個用於常規負荷。連接到高可用性配電線路的設備所享受的可靠性能高於連接到常規線路的設備，因為前者是由UPS或DG系統支持的。儘管如此，高優先權負荷不管位於何地都得到冗餘的配電基礎設施的支持。
發明內容本發明提供一種電力J^設施，它能夠根據優先權系統來控制電力線和與^目連的設備的電力分配和電力可用性。在一個示例性實施例中，由高可用性供電單元(例如UPS、DG等)供應的高可用性電力"幹線"或電路選擇性地向一個或多個靈活優先權電力線(總稱為"電力支線")饋送電力。每條靈活優先權電力線可服務於單個設備、多個設備或整個場地。可遙控開關或電源控制設備將幹線連接到一條或多條靈活優先權線路。例如，在正常運行狀態下，開關可能是閉合的，從而向其相應的靈活優先權線路提供高可用性電力。在發生特定事件時，控制器可向開關傳送信號，所述開關斷開該電路，從而切斷向其靈活優先權線路的高可用性供電。在本發明的一個實施例中，可才艮據可用的電力、與其他開關的相互作用和/或所連接設備的相對重要性(例如保密性、通信、安全性、防護等)，關於每個開關的相對優先權將所述每個開關進行分級。每個開關可提供有關所有電源和負荷的信息，還可在建築物或區域內^:供動態"島嶼化"或智能的、交互式"微網格"的創建。開關可由單個可編程控制器(例如計算機)經由例如通信網絡進行遙控。在另一個實施例中，可控開關可直接被^那些直接與電力幹線連接的設備中。以上相當粗略地概括了本發明的某些特點和技術優點，以便可以更好地理解下文中的詳細描述。下文中將描述其他特點和優點。藉助本說明，本領域的普通技術人員將會容易地認識到，這裡公開的具體實施例可用作修改或設計其他用於實現本發明同樣目的的結構的^5出。這些等效的結構不脫離所附權利要求中提出的本發明的精神和範圍。以下結合附圖給出的描述將會使讀者更好地理解這裡描述的若干發明性特點。然而，應當明確理解的是，這些附圖只是為了演示和描述的目的，並不是為了限制本發明。為了更完全地理解本發明，現在參考下列附圖，其中圖l顯示現有技術配電系統的框圖2顯示根據本發明實施例的提供和管理具有靈活的負荷優先化的高可用性電力^i史施的系統框圖3顯示根據本發明實施例的具有故障保護的可遙控開關的電路圖4顯示根據本發明實施例的具有故障保護和可控的超控電路(overridecircuit)的可遙控開關的電路圖；以及圖5顯示適於實現本發明實施例的可編程計算機的框圖。具體實施例方式圖2顯示根據本發明實施例的提供和管理具有靈活的負荷優先化的高可用性電力^fib設施的系統200的框圖。公用電力線101向UPS103供電。這樣，UPS103從公用電力線101接收"常規"供電，並經由高可用性幹線201提供可靠的高可用性電源。在可替換的實施例中，可以4吏用任何電源(例如DG單元)來替代UPS103,或者除了UPS103之外還可使用任何電源。多個靈活優先權分支或線路206-208經由遙控開關203-205連接到幹線201。開關控制與監測中心202或者直接連線、通過無線，或者通過經由電網傳送的信號連接到每個開關203-205。此外，開關控制與監測中心202可從幹線201接收它自己運行所需的電力。在一個實施例中，在正常運行狀態下，可遙控開關203-205保持閉合，從而允許電流從幹線201流入靈活優先權線路206-208。每個靈活優先權線路可以有與其相關聯的優先權級。例如，可以將不同的優先權配置(priorityprofile)編入^每個開關203-205，或4吏其與每個開關203-205相關聯。這樣，當開關206-208中的一個接收到來自開關控制與監測中心202的優先權配置高於該開關的優先權配置的信號時，該開關斷開，由此切斷向其相應的靈活優先權線路的高可用性供電。在這些情況下，每個靈活優先權線路206-207可由公用電力線101支持，以向與之連接的較低優先權的負荷提供常規電力。附加地或者可替換地，系統200可被設計成，例如當燃料供應或電池儲備達到臨界水平時對減少的DG或UPS103輸出做出響應。儘管開關203-205被示為通/斷開關，它們也可以是可控的功率限制裝置，例如可變限流器等。當使用功率控制設^f戈替開關203-205時，系統200能夠控制分配給每個靈活優先權線路的最大功率消耗。由此，系統200不是完全切斷低優先權線路，而是根據它們各自的優先權配置或者與它們各自的優先權配置成比例地向每條線路(或設備)分配變化的功率量。在本申請中，通篇使用術語"高或較高優先權負荷或設備"來標識那些因其運行的相對重要性而必須優先得到電力供應的負載，(在需要時)寧可損害對"低或較低優先權負荷或設備"的供電。如圖2中所示，高優先權設備209直接連接於幹線201。較低優先權設備(圖中未示出)可連接到靈活優先權線路206-208之一，這取決於它們的重要性級別。在系統200的一個實施例中，第一靈活優先權線路206的優先權高於第二靈活優先權線路207，而第二靈活優先權線路207的優先權高於第三靈活優先權線路205。仍參考圖2，第二優先權設備210經由內部開關211連接到幹線201，從而使它到幹線201的通路可經由開關控制與監測中心控制。在這種情況下，內部開關211可被嵌入設備210的電力輸入電路，並可操作來無線地或經由電力線與開關控制與監測中心通信。如本領域普通技術人員藉助本說明將會容易地理解的那樣，系統200可以被添加到例如在圖1中描述的現存的^fife設施上，以便有利地提供靈活的負荷優先化以及這裡描述的其他好處。現在轉到圖3，圖3顯示根據本發明實施例的具有故障保護的可遙控開關的電路圖300。在這個實施例中，開關300可用作圖2中顯示的開關203-205和/或211中的任何一個，並且可^Mt地將幹線201連接到靈活優先權線路206-208和/或設備210。示例開關300包括4個撥動開關(toggleswitch)(Sl-S4)、2個主控開關(MS1和MS2)以及3個電流傳感器(CS1-CS3)。開關300還包括開關控制模塊301。開關控制模塊301可包括用於與開關控制與監測中心202交換信號的通信單元(圖中未示出)以及控制撥動開關Sl-S4的操作的控制器。在操作中，開關Sl-S4保持相同的狀態(即它們或者全部斷開或者全部閉合)。開關S1-S4的狀態由開關控制模塊301控制。主控開關MS1和MS2可用於性能和可靠性測試，以及不管撥動開關Sl-S4的狀態如何都通過迫使開關300或斷開或閉合來提供正常狀態超控功能。在圖3所示實施例中，主控開關MS1和MS2由人工操作。圖4顯示替選電路400，其具有遙控超控模塊401，用於遙控主控開關MS1和MS2。在替選實施例(未示出)中，遙控超控模塊401的功能可在開關控制模塊301中實現。下面給出的表I顯示在各種Sl-S4開關故障的情況下開關300和/或400的總體功能tableseeoriginaldocumentpage10表I總體功能上述參考圖3和圖4描述的實施例允許除了提供附加的故障保護之外，在服務期間測試撥動開關Sl-S4的功能。可預先制定服務中(in-service)的測試計劃。例如，開關控制與監測中心202可向開關控制中心301發送"斷開S4"命令以觸發開關Sl。如果Sl^令斷開，則電流傳感器CS3向開關控制中心301才艮告電流增大，開關控制中心301則向開關控制與監測中心202發送響應消息。電流傳感器CS1-CS3還可向開關控制與監測中心202報告能量使用狀況，用於能量管理或任何其他目的。下面給出的表II顯示基於撥動開關(Sl-S4)狀態的電流傳感器(CS1-CS3)狀態tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage11表II基於撥動開關狀態的電流傳感器狀態現在轉到圖5，圖5顯示根據本發明的實施例適於實現圖2所示開關控制與監測中心202的可編程計算機500的框圖。中央處理單元("CPU")501與系統總線502耦合。中央處理單元("CPU")501可以是任何通用CPU。當然，本發明的實施例不受CPU501的體系結構的限制，只要CPU501支持這裡所描述的發明性操作。總線502與隨M取存儲器("RAM")503耦合，後者可以是SRAM、DRAM或SDRAM。ROM504也與總線502耦合，ROM504可以是PROM、EPROM或EEPROM。總線502還與輸V輸出("I/O")控制器卡505、通信適配器卡511、用戶接口卡508以及顯示卡509耦合。I/O適配器卡505將存^i殳備506(如一個或多個硬碟驅動器、CD驅動器、軟盤驅動器、磁帶驅動器)連接到計算機系統500。I/O適配器505還與列印設備(未示出)相連，所述列印設備將允許系統列印輸出諸如文件、照片、文章之類的信息。所述列印設備可以是印表機(例如點陣、雷射或其他類型印表機)、傳真機、掃描儀或複印機。通信卡511適用於將計算機系統500耦合於網絡512，所述網絡512可以是一個或多個電話網、區域網("LAN")和/或廣域網("WAN")、乙太網和/或網際網路。用戶接口卡508將用戶輸入i殳備(如鍵盤513、指示設備507等)連接到計算機系統500。顯示卡509由CPU501驅動以控制在顯示i殳備510上的顯示。在一個實施例中，計算機500使用通信適配器511經由網絡512向開關203-205發送指令。或者，計算機500可包括遙控開關接口514，所述接口可操作來經由總線515與圖2所示的遙控開關203-205和/或211交換消息、信號或指令。總線515可包括任何介質，如電源線(例如幹線201)、光纖、無線介質(即空氣)、任何其他^h質(例如雙絞線、同軸電纜等)。遙控開關接口514可包括例如具有能與開關控制模塊301和/或401通信的輸入和輸出(模擬或數字)通道的數據採集卡。在操作中，計算機500與每個可遙控開關203-205和/或211單獨地或成組地進行通信。從計算機500發出命令消息以根據可遙控開關的優先權配置來斷開或閉合這些開關。在一個非限定性實例中，"優先權3"命4^吏優先權配置為3或更低(即"優先權3"、"優先權4"、"優先權5"等)的開關全部斷開，而不影響具有較高優先權配置(即"優先權l"和"優先權2")的開關的操作。如果由於某種原因，可遙控開關203-205中的任何一個均不能正確地響應來自計算機500的命令，則故障開關經由總線515(或網絡512)向計算機500報告這個問題。在本發明的一個實施例中，計算機500執行允許用戶監測和管理高可用性^設施的軟體。例如，該軟體可具有展現該^設施的框圖的圖形用戶界面(GUI)，如圖2中顯示的框圖。用戶可使用該GUI向^ftfe設施的每個開關分配優先權配置。該軟體還周期性地或根據請求或當達到臨界狀態的時候(例如檢測到故障開關)提供警報和報告。用戶可向開關203-205和/或211中的每一個分配優先權配置，例如為了實現優化目標，如使運行時間、可用的DG燃料供應、UPS電池儲備、用於總體改善電負荷管理的峰值負荷緩解等方面實現最佳化。用戶還可以使用以自然語言定義的一套操作，以根據各自的要求和優先權來管理和控制開關203-205和/或211。在一個實施例中提供下列一套操作(a)永不斷開；(b)在失去公用電力供給後瞬時斷開；(c)在失去公用電力供給後n秒斷開；(d)永不接通正受到公用供電質量或電力缺失(瞬時公用電壓降低或斷電)威脅的設備；(e)當單位電價超過給定值時斷開；(f)根據公用供電命令響應信號而斷開；(g)根據分級優化信號改變(復位)遙控開關優先權，所述分級優化信號包括燃料可用性、佔用水平、安全威脅、通信需求等。使用上述示例性操作器，可向每個開關分配例如1至5級的優先權配置。例如，當用戶希望一個開關永不斷開時，則向該開關分配"優先級l"。用戶可向不能接通受到公用供電質量或供電缺失威脅的設備的開關分配"優先級2"。當用戶想在失去供電或在單位電價超過預i殳極限(例如$200.00)2分鐘後斷開該開關，則可向該開關分配"優先級3"。當用戶想在失去供電或在單位電價超過$100.00達30秒後斷開該開關，則可向該開關分配"優先級4"。用戶可向以下開關分配"優先級5":所述開關在失去供電或在單位電價超過$50.00後應立即斷開。用戶可以任意地向每個開關或開關組分配優先級。此外，用戶可以創建、修改或定義優先級可基於的操作。附加地或替選地，開關控制與監測中心202可被編程，以通過在無需用戶更多輸入的情況下調節開關203-205和/或211的優先權配置，監測它們的操作狀況來實現最優化。上述功能和/或算法可以例如在軟體中實現或被實施為軟體和人工過程的組合。軟體可包含存儲在計算機可讀介質上的計算機可執行的指令，所述計算機可讀介質例如為存儲器或其他類型的存^i史備。此外，功能可對應於模塊，所^塊可以是軟體、硬體、固件或它們的任意組合。多項功能可按期望在一個或多個模塊中完成，而所描述的實施例僅僅是舉例而已。軟體可在數位訊號處理器、微處理器、ASIC或其他類型處理器或控制器上執行。特別是鑑於上述情況，本領域普通技術人員將會容易地理解，本發明與現有技^M目比有許多優點。例如，如圖l所示的現有技術系統需要兩個昂貴的單獨配電線路。而且，設計兩個單獨的配電線路需要長期的計劃而且幾乎沒有在將來進行改變的靈活性。此外，因為常規配電線路通常與高優先權線路一起走線，不熟練的用戶往往將常規負荷連接到高優先權線路，從而壓絝DG和UPS單元，由此降低了高優先k^設施的質量。反過來，高優先權負荷也可能無意中被連接到常規線路，從而將重要設備置於危險之中。與此同時，本發明的系統和方法允許4吏用靈活的供電優先權原則來供電，這些原則避免了對冗餘電力線的需要。本發明還允許使用小的、經濟的DG和UPS系統來滿足信息、安全、防衛以及電信業界的很高的要求。此夕卜，本發明成功地解決了在緊急狀態下對公共設施至關重要的可靠供電的需求；本發明a免了可能會導致斷電或服務中斷的有害的需求高峰；降低了電網運行中所涉及的安全危險；改善了電網可靠性和效率；還減小了對高成本的"必須運行的(must-run)"發電機的依賴。如本領域普通技術人員藉助本公開的說明將會容易理解的那樣，根據本發明的系統還可以有利地適合於現存的^j設施，從而允許標準電力線支持靈活的高可用性的電力^設施。儘管這裡已經詳細地描述了本發明的某些實施例以及它們的優點，但應該理解，可以做出各種改變、替換和變換而不離開所附權利要求定義的本發明的精神和範圍。再有，本發明的範圍並不限於這裡描述的過程、機器、製造、裝置、方法和步驟的特定實施例。本領域普通技術人員根據本說明將會容易地理解，根據本發明，也可使用現有的和今後將會開發出果的其他過程、機器、製造、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求意欲在其範圍內包括這樣的過程、機器、製造、裝置、方法或步驟。權利要求1.一種管理高可用性電力基礎設施的系統，所述系統包括至少一條高可用性電力幹線，用於向多個電力支線供電；以及與每條所述電力支線相關聯的開關，每個所述開關可操作用於根據被分配給每條所述相關聯的電力支線的優先權，有選擇地使所述相關聯的電力支線與所述高可用性電力幹線分離。2.根據權利要求l的系統，進一步包括監測中心，可操作用於與每個所述開關通信，以管理從所述高可用性電力幹線向每條所述電力支線的供電。3.根據權利要求2的系統，進一步包括至少一個電源，與>^用電力線連接用以建立所述高可用性電力幹線。4.根據權利要求3的系統，其中，所述電源選自包括以下單元的組分布式發電單元和供電單元。5.根據權利要求2的系統，其中，所述監測中心通it^L出包括優先級的命令來命令所述開關將所述相關聯的電力支線與所述高可用性電力幹線解耦合。6.根據權利要求5的系統，其中，每個所述開關監測與所^目關聯的電力支線連接的負荷。7.根據權利要求6的系統，其中，每個所述開關將監測數據傳送給所述監測中心。8.根據權利要求7的系統，其中，所述監測中心命令所述開關執行月良務中的測試。9.一種用於高可用性電力系統中的開關，所述開關包括與所述開關相關聯的優先權配置，所述開關可操作用於在收到優先權命令時基於所述開關優先權配置的等級使負荷與電力幹線解耦合。10.根據權利要求9的開關，進一步包括用於確定電力消耗的負荷監測設備。11.根據權利要求10的開關，進一步包括用於測試所述開關的^Mt的測試i殳備。12.根據權利要求ll的開關，進一步包括用於向監測中心傳送監測數據的通信設備。13.根據權利要求12的開關，其中，當所述優先權命令包含的優先級的值高於所述開關優先權配置時，所述開關使所述負荷與高可用性電力幹線解耦合。14.一種用於監測高可用性場地電網的計算機，所述計算機包括輸入部件，用於從多個源接收^lt數據，所述源中的一些源是被置於與電力幹線相連的電力支線上的開關；每個所述開關具有針對啟動的優先級；以及第一組例程，包括計算機可執行指令，用於向所述涉及優先級的開關發送通信信息。15.根據權利要求14的計算機，進一步包括第二組例程，包括計算機可執行指令，用於通過控制所述開關的操作優化所述電網中的電力分配。16.—種控制在與電網相連的多個i殳備之間的電力分配的方法，所述方法包括使所述多個設備中的每一個設備與優先權配置相關聯；以及才艮據所述，優先權配置，向至少一個所述，i殳M電。17.根據權利要求16的方法，進一步包括檢測所述電網中電力可用性的變化。18.根據權利要求17的方法，進一步包括根據所述檢測到的電力可用性變化以及所述優先權配置，控制向所述多個設備中的至少一個的電力分配。19.一種控制與多個電力支線相連的設備的功耗的系統，每個所述電力支線從高可用性幹線接收電力，所述系統包括用於至少部分地基於與每條所述電力支線相關聯的優先權配置來控制每條所述電力支線的電力可用性的裝置。20.根據權利要求19的系統，進一步包括用於檢測在所述高可用性幹線中電力可用性的變化的裝置；以及用於至少部分地基於所述檢測的變化來調節每條所述電力支線中的電力可用性的裝置.全文摘要本申請描述了提供和管理具有靈活負荷優先化的高可用性供電基礎設施的系統和方法。在一個實施例中，系統包括開關控制與監測中心，其監測和控制可遙控開關的分布式陣列，以根據優先級來優化高可用性基礎設施中的電力分配。高可用性包括電池存儲器和/或輔助發電設備。在另一個實施例中，軟體包完成供電質量分析、分級和優化，由此實現對整個本地和電網需求趨勢的評價。可實時進行負荷優先權的調整。文檔編號H01H19/64GK101410921SQ200780011376公開日2009年4月15日申請日期2007年2月5日優先權日2006年2月6日發明者羅蘭·舍特勒申請人:最優創新公司