Система и способ переключения электрической системы на резервный источник питания при нарушении энергоснабжения
Изобретение относится к системе распределенного электропитания. Техническим результатом является обеспечение безопасного ввода в эксплуатацию местного генерирующего источника питания, согласования нагрузки с мощностью местного генерирующего источника питания, и обеспечение безопасного восстановления сетевого питания при восстановлении энергоснабжения. Предложено устройство (215) для управления электрической системой (200), содержащее: главный выключатель (220) с возможностью соединения с источником (205) питания общего пользования, выключатель (240) местного источника питания с возможностью соединения с местным генерирующим источником (245) питания, множество выключателей (230) ответвлений, каждый из которых выполнен для соединения с одной или более нагрузками (235), и компонент (250) управления. Компонент управления выполнен с возможностью при обнаружении нарушения энергоснабжения от источника питания общего пользования: обеспечивать размыкание главного выключателя; определять, какой один или более из указанного множества выключателей ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания; обеспечивать настройку выключателей ответвлений таким образом, чтобы только определенный один или более из указанного множества выключателей ответвлений находились в замкнутом состоянии, и обеспечивать включение местного генерирующего источника питания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на изобретение США № 62/045,864, поданной 04.09.214 и включенной в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к электрораспределительным системам, а в частности, к системе и способу переключения энергосистемы, например, коммунальной энергосистемы, на местный генерирующий источник питания при нарушении энергоснабжения от основного источника питания общего пользования, без использования устройства автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания или другого аналогичного устройства.
Уровень техники
Система распределенного электропитания, которую иногда именуют местным генерирующим источником или местным источником питания, представляет собой механизм производства электроэнергии малой мощности, используемый для создания резервного или оптимизированного традиционного устройства энергоснабжения. Системы распределенного электропитания содержат, например, по меньшей мере, фотоэлектрические (PV) модули (соединенные с преобразователями постоянного тока в переменный ток), ветряные энергетические установки (соединенные с преобразователями постоянного тока в переменный ток), энергетические установки, работающие на природном газе, резервные генераторы, накопители энергии, и источники бесперебойного питания.
При установке PV модулей, генераторов и/или других, рассмотренных выше, местных генерирующих источников питания на постоянное место, например в здании, отсутствует возможность производства электроэнергии при нарушении энергоснабжения, если только они не отключены от местной энергосети. Такое ограничение используют для предотвращения рекуперации энергии, вырабатываемой местным генерирующим источником питания, в электрическую сеть при нарушении энергоснабжения, т.е. условия, представляющего угрозу для рабочих, обслуживающих эту электрическую сеть.
Как правило, для решения этой задачи используют систему 100 (фиг. 1) и устройство автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания (ATS), обеспечивая безопасный переход к использованию местного генерирующего источника питания при нарушении энергоснабжения. Как известно в данной области техники, ATS - это электрический переключатель, обеспечивающий переключение нагрузки между двумя источниками питания. Как показано на фиг. 1, система 100 включает в себя источник 105 питания общего пользования, счетчик 110 расхода электроэнергии, и узел 115 нагрузки, соединенный со счетчиком 110 расхода электроэнергии, для получения питания от источника 105 питания общего пользования. Узел 115 нагрузки состоит из множества стандартных автоматических выключателей, включая стандартный главный автоматический выключатель 120, множества стандартных автоматических выключателей 125 ответвлений, и стандартного автоматического выключателя 130 местного источника питания (Local Energy Resource, LER) (представляющего собой стандартный автоматический выключатель, соединенный с местным генерирующим источником питания, который будет рассмотрен ниже). Как показано на фиг. 1, стандартные выключатели 125A и 125B ответвлений соединены с и обеспечивают защиту множества "некритических" нагрузок 130 (т.е. определенных заранее нагрузок, к которым не будет подводиться резервное питание при нарушении энергоснабжения). Другой стандартный выключатель ответвлений, обозначенный как 125C, соединен с ATS 135 (или, как вариант, с другим переключающим устройством, например, ручным переключателем). Выходной сигнал ATS 135 поступает на вспомогательный пульт 140, который, в свою очередь, питает, множество определенных "критических" нагрузок 145 (т.е. определенных заранее нагрузок, к которым будет подводиться резервное питание при нарушении энергоснабжения). Кроме того, система 100 содержит местный генерирующий источник 150 питания, которым может служить, например, по меньшей мере, PV модуль, соединенный с преобразователем, или любой другой соответствующий источник распределенного электропитания. Выходной сигнал местного генерирующего источника 150 питания поступает на ATS 135 и на разъединитель 155 сети. Таким образом, ATS 135 имеет два входа: для выходного сигнала стандартного выключателя 125C ответвлений и выходного сигнала местного генерирующего источника 150 питания, а также для одного выходного сигнала, который избирательно поступает на один из этих двух входов.
В нормальных условиях эксплуатации, при отсутствии аварии источника 105 питания общего пользования, устройство 135 автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания выполнено таким образом, что входной сигнал от стандартного выключателя 125 ответвлений суммируется с выходным сигналом, поступающим на вспомогательный пульт 140. Кроме того, при таких нормальных условиях, разъединитель 155 сети находится в замкнутом положении, обеспечивая подачу энергии от местного генерирующего источника 150 питания обратно к источнику 105 питания общего пользования. При нарушении энергоснабжения от источника 105 питания общего пользования, разъединитель 155 сети принимает разомкнутое положение и отсоединяет местный генерирующий источник 150 питания от узла 115 нагрузки и источника 105 питания общего пользования, обеспечивая, таким образом, защиту рабочих, обслуживающих местную энергосеть. При размыкании разъединителя 155 сети устройство 135 автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания обеспечивает переключение на схему, в которой входной сигнал, полученный от местного генерирующего источника 150 питания, суммируется с выходным сигналом, поступающим на вспомогательный пульт 140. В результате, при нарушении энергоснабжения, выбранные критические нагрузки 145 могут получать питание от местного генерирующего источника 150 питания.
Несмотря на эффективность рассмотренной выше системы 100, она создает дополнительные расходы и обеспечивает сложность коммунальной электрической системы. Кроме того, система 100 ограничена выбором заранее размера и схемы, в зависимости от заданных характеристик нагрузки, а именно характеристик отдельных, заранее определенных нагрузок, получающих, при нарушении энергоснабжения, питание от местного генерирующего источника 150. Следует понимать, что при этом исключается какая-либо гибкость при выборе нагрузок, получающих питание от местного генерирующего источника 150.
Раскрытие сущности изобретения
В одном примере осуществления изобретения предложено устройство для управления электрической системой. Устройство содержит главный выключатель, выполненный с возможностью соединения с источником питания общего пользования, выключатель местного источника питания, выполненный с возможностью соединения с местным генерирующим источником питания, множество выключателей ответвлений, каждый из которых соединен, по меньшей мере, с одной нагрузкой, а также компонент управления. Компонент управления выполнен таким образом, что при нарушении энергоснабжения от источника питания общего пользования: он обеспечивает размыкание главного выключателя; определяет, по меньшей мере, один выключатель ответвлений, на который будет подаваться резервное питание от местного генерирующего источника питания; обеспечивает замыкание, по меньшей мере, одного определенного выключателя ответвлений и включение местного генерирующего источника питания.
В другом примере осуществления изобретения, предложен способ управления электрической системой, содержащей главный выключатель, который входит в состав узла нагрузки и соединен с источником питания общего пользования, выключатель местного источника питания, который также входит в состав узла нагрузки и соединен с местным генерирующим источником питания, а также множество выключателей ответвлений, входящих в состав узла нагрузки, каждый из которых соединен, по меньшей мере, с одной нагрузкой. Способ состоит в том, что при нарушении энергоснабжения узла нагрузки от источника питания общего пользования размыкают главный выключатель путем подачи на него первого коммуникативного сообщения, определяют, по меньшей мере, один выключатель ответвлений, получающий резервное питание от местного генерирующего источника питания, замыкают, по меньшей мере, один определенный выключатель ответвлений путем подачи второго коммуникативного сообщения на выключатели ответвлений, не получающие резервного питания, а также включают местный генерирующий источник питания путем подачи на него третьего коммуникативного сообщения.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания сущности настоящего изобретения ниже приведено подробное описание предпочтительных примеров осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана принципиальная схема известной системы, в которой использовано устройство автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания, обеспечивающее, при нарушении энергоснабжения, безопасный переход к использованию местного генерирующего источника питания;
на фиг. 2 показана принципиальная схема системы, которая при нарушении энергоснабжения обеспечивает безопасный переход к использованию местного генерирующего источника питания, согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 показана структурная схема, иллюстрирующая способы управления системой, изображенной на фиг. 2, согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4-7 показаны чертежи типового выключателя, используемого для реализации устройства, изображенного на фиг. 2, и способа, изображенного на фиг. 3.
Осуществление изобретения
Если явно не указано иное, то встречающиеся в настоящем описании фразы, характеризующие направление, например, левый, правый, вперед, назад, верхний, нижний и их производные, относятся к ориентации элементов, показанных на чертежах, и не являются ограничительными признаками формулы изобретения.
Для целей настоящего изобретения, термин "множество" подразумевает один или целое число большее одного (т.е. несколько).
Для целей настоящего изобретения, утверждение, что, по меньшей мере, два элемента "соединены" между собой подразумевает, что элементы соединены друг с другом непосредственно, или, по меньшей мере, через один промежуточный элемент.
Для целей настоящего изобретения, под термином "компонент" понимают объект, относящийся к компьютеру, например, аппаратное оборудование, сочетание аппаратных и программных средств, программный продукт или исполняемое программное обеспечение. Например, компонентом может служить, помимо прочего, выполняемая процессором операция, сам процессор, объект, исполняемая программа, поток вычислений, программа и/или компьютер. В качестве примера компонентом может служить приложение, исполняемое процессором или сервером, либо сам процессор или сервер. По меньшей мере, один компонент может быть включен в процесс или поток вычислений; компонент может быть размещен на одном компьютере/процессоре и/или распределен между двумя или более компьютерами/процессорами.
На фиг. 2 показана электрораспределительная система 200 согласно одному неограничительному примеру осуществления настоящего изобретения. Согласно подробному описанию, система 200 включает в себя комплекс управляемых (а в примере осуществления изобретения еще и измерительных) выключателей, включая главный выключатель и комплект выключателей ответвлений, расположенных за главным выключателем. В системе 200 реализован способ управления (который показан и подробно рассмотрен на фиг. 3), обеспечивающий, при нарушении энергоснабжения, безопасный ввод в эксплуатацию местного генерирующего источника питания, в частности, например, PV модуля, соединенного с преобразователем, без использования ATS, например ATS 135, изображенного на фиг. 1, или аналогичного коммутирующего устройства. Как подробно рассмотрено в примере осуществления изобретения, согласно предложенному способу при нарушении энергоснабжения от источника питания, отсоединяют группу нагрузок, соединенную с местной энергосетью, обеспечивают безопасный ввод в эксплуатацию на необходимый срок местного генерирующего источника питания, согласовывают нагрузку с мощностью местного генерирующего источника питания, и обеспечивают безопасное восстановление сетевого питания при восстановлении энергоснабжения. Для согласования нагрузки с мощностью, генерируемой местным источником питания, при реализации способа используют компонент управления, обеспечивающий управление нагрузкой (т.е. соединение нагрузки с местным генерирующим источником питания путем замыкания соответствующих выключателей), таким образом, что нагрузка не превышает фактической мощности местного генерирующего источника питания. В некоторых случаях при реализации способа может быть использована синхронизация множества местных генерирующих источников питания при их наличии и/или синхронизация по фазе с сетевой мощностью для плавной или "blinkless" (мгновенной) передачи мощности. Согласно подробному описанию, реализацию этого способа управления обеспечивают посредством непосредственного управления выключателями в системе 200, а не за счет использования традиционного механизма переключения, например, ATS. Размыкание главного выключателя обеспечивает возможность отсоединения от сети группы нагрузок, соединенной с местной энергосетью, а замыкание и размыкание множества выключателей разветвлений обеспечивает уравнивание нагрузки для согласования с мощностью местного генерирующего источника питания. Другими словами, можно обеспечить управление потребляемой мощностью нагрузки, таким образом, чтобы она не превышала мощности местного генерирующего источника питания. На практике, система 200 выполнена с возможностью динамичного определения мощности, вырабатываемой местным источником питания (местным генерирующим источником 245 питания рассматриваемым в настоящем описании) и последующей координации с другими выключателями (выключателями 230 ответвлений, рассматриваемыми в настоящем описании) для обеспечения замыкания только тех выключателей, которые получают питание от местного генерирующего источника питания без перегрузки.
В неограничительном примере осуществления настоящего изобретения каждый управляемый выключатель, используемый в рассматриваемой системе 200, представляет собой выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, подробное описание которого приведено в заявках на патент США №№ 2014/0211345 и 2014/0214218, права на которые принадлежат патентообладателю настоящего изобретения, а описания включены в настоящую заявку посредством ссылки во всей их полноте. Однако следует понимать, что выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии использован в системе 200 исключительно в иллюстративных целях и не является ограничительным признаком, поскольку возможно также использование управляемых выключателей другого типа. Например, по меньшей мере, один управляемый выключатель, используемый в системе 200, может представлять собой выключатель со встроенной логикой, описание которого приведено в заявке на патент США № 14/264,409, озаглавленной “Микросеть, выполненная с возможностью определения режима перегрузки и принятия соответствующих корректирующих действий”, права на которую принадлежат патентообладателю настоящей заявки на изобретение и которая включена в настоящую заявку посредством ссылки, или выключатель с дистанционным управлением, имеющий вторую пару разъемных контактов, соединенных последовательно с главными разъемными контактами (см. например описания патентов США №№ 5,301,083; 5,373,411; 6,477,022; и 6,507,255).
На фиг. 4 схематично показан типовой выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, который обладает следующими четырьмя функциональными возможностями: (1) защита цепи, в т.ч. защита традиционной термомагнитной цепи, защита от короткого замыкания, защита от перегрузки, защита от замыканий на землю, защита от дуговых коротких замыканий, и/или другие виды необходимых защит;
(2) учет энергопотребления в сетях ответвлений, в т.ч. учет электроэнергии, производимой сетью электропитания (±0,2%) и показаний с привязкой ко времени;
(3) дистанционное управление управляемыми контактами, в т.ч. релейное управление замыканием/размыканием, независимо от размыкающего механизма выключателя;
(4) проводные и/или беспроводные системы связи, в т.ч. обеспечивающие возможность передачи и приема управляющей информации и информации о состоянии датчика, дублирование систем связи при нарушении энергоснабжения и, дополнительно, средства/сигналы управления нагрузкой, обеспечивающие контроль за подключенными нагрузками конкретного типа (например, выключатель устройства питания электротранспортного средства (EVSE), обеспечивающий прямую зарядку электротранспортного средства (EV), HVAC выключатель, обеспечивающий непосредственное и независимое управление вентилятором, компрессором и нагревательным элементом путем замыкания и размыкания контуров или путем низковольтной передачи сигналов, по существу, исключающий необходимость использования регулирующего термостата, а также выключатель освещения, обладающий способностью регулирования яркости; рассматриваемый в настоящем описании выключатель 240 местного источника питания служит другим примером использования средств управления нагрузкой, обеспечивающих включение и отключение, по мере необходимости, местного генерирующего источника питания). В примере осуществления настоящего изобретения, контроль за выполнением функций (2)-(4) обеспечивается микроконтроллером 401, которым может служить, например, по меньшей мере, микропроцессор или любое другое соответствующее устройство для обработки данных. Кроме того, несмотря на то, что в примере осуществления настоящего изобретения микроконтроллер 401 не осуществляет контроля за выполнением функции (1), следует понимать, что в других примерах осуществления изобретения микроконтроллер 401 может осуществлять контроль за выполнением функции (1). Также, в рассматриваемом примере осуществления изобретения, выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии имеет управляемый микропроцессором 401 индикатор (обозначенный (5)), отображающий информацию, например, относительно неисправных состояний и/или тока, проходящего через выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии.
Прежде чем приступить к подробному описанию отдельных элементов или операций системы 200 согласно примеру осуществления настоящего изобретения, необходимо рассмотреть приведенное ниже, со ссылкой на фиг. 5, 6 и 7, подробное описание выключателя 400 цепи автомата по продажи электроэнергии в соответствии с заявками на патент США №№ 2014/0211345 и 2014/0214218.
Выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии может выставлять потребителям счета за потребляемую через него электроэнергию. Например, в функциональном блоке измерений 402 (фиг. 5) используют логическую схему 404 (фиг. 5 и 6), обеспечивающую сохранение показаний с привязкой ко времени 406 в длительно хранимой базе данных 408 в запоминающем устройстве 410. Функциональный блок измерений 402 и логическая схема 404 расположены внутри корпуса выключателя 400 цепи автомата по продажи электроэнергии. Значения энергии 406 при определенных временных метках могут быть "отмечены" как принадлежащие группе отдельных потребителей, что обеспечивает доставку электроэнергии каждому конкретному потребителю из этой группы. Например, при подключенной электрической нагрузке 412 (показанной на чертеже штрих-пунктирной линией), энергия может быть направлена соответствующим образом в определенную сеть электропитания (например, в электрическую нагрузку 412 (показанную на фиг. 5 штрихпунктирной линией) через входы 414,416).
При готовности источника питания, например, энергосистемы 418 общего пользования (показанной на фиг. 5 и 6 штрихпунктирной линией), обеспечивающего подачу питания на силовой контакт 420 выключателя, (например, от линии под напряжением или токопроводящей шины (не показана) и нейтральный вывод 422 (например, на нейтральную шину (не показана)) приборной панели или узла нагрузки (не показан), выставить счет потребителю, он может выполнить это действие различными способами через систему связи, проходящую через порт расширения 424 (фиг. 6), или, в некоторых случаях, через встроенный беспроводной интерфейс (например, по меньшей мере, Wi-Fi; BlueTooth). Одним из примеров способа могут служить "показания“ полной энергии в момент их снятия с главного выключателя (не показан, но который может быть, по существу, таким же или подобным выключателю 400, за исключением наличия относительно большого значения номинального тока) соответствующей приборной панели или узла нагрузки (не показан). Значение "показания" сравнивают со значением "показания", например, предыдущего месяца, и выставляют счет на оплату разницы между этими показаниями.
Как вариант, энергосистема 418 общего пользования может загрузить базу 408 данных каждого выключателя, например, 400, в ее полноте, запросить значения 406 энергии, если это уместно, а затем загрузить соответствующую структуру тарифов, используя временные метки, дополнительные схемы, и некоторые метки распределения.
На фиг. 5-7 приведен пример управляемого выключателя 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, который, как будет рассмотрено ниже, может содержать дополнительный носитель информации и/или множество различных модулей расширения 426.
Со ссылкой на фиг. 5, типовой выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии может содержать множество дополнительных модулей 426 расширения. Электрическая цепь переменного тока, проходящая через выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии от источника 418 питания к нагрузке 412, содержит функциональный блок 428 термомагнитной защиты, функциональный блок 402 измерений и управляемые разъемные контакты 430. Преобразователь 432 переменного напряжения в постоянное обеспечивает подачу мощности постоянного тока, например, в логическую схему 404 и цепь 434 связи. Как вариант, источник 432 постоянного тока может быть расположен снаружи выключателя 400 цепи автомата по продажи электроэнергии и обеспечивает подачу на него мощности постоянного тока. Множество дополнительных модулей 426 расширения могут обеспечить выполнение специальной логической функции и/или функции ввода - вывода и образуют цепь 436 связи. Дополнительные функции 438,440 программного обеспечения дистанционного управления могут, в некоторых случаях, обеспечивать связь с цепями 434,436 связи.
На фиг. 6 более подробно рассмотрен типовой выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, содержащий внешний ручной привод 442, взаимодействующий с функциональным блоком 428 термомагнитного отключения, обеспечивая размыкание, замыкание и/или возврат в исходное положение соответствующих разъемных контактов 429 (фиг. 7), ОК индикатор (индикатор подтверждения ввода данных) 444, управляемый логической схемой 404, а также кнопку 446 test/reset, обеспечивающую ввод данных в логическую схему 404.
В этом примере, присутствуют линия под напряжением и нейтраль (нейтральный провод), проходящие через выключатель 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, а также соответствующие датчики 448,449 тока, датчики 450,451 напряжения, и разъемные контакты 430A, 430B каждой электрической линии или силового проводника. На вход схемы 452 измерения мощности функционального блока 402 измерений поступают данные датчиков 448,449 тока и датчиков 450,451 напряжения, а на выходе получают соответствующие значения мощности, поступающие в логическую схему 404, функция 454 таймер/часы которой обеспечивает ввод соответствующих значений 406 энергии с меткой времени в базу 408 данных запоминающего устройства 410. Датчики 448,449 тока могут иметь последовательное соединение с соответствующими разъемными контактами 430A, 430B и могут быть выполнены в виде трансформаторов тока, соединенных с питающим проводами, или в виде других соответствующих устройств для измерения тока. Датчики 450,451 напряжения 450,451 могут быть соединены с соответствующими питающими проводами, иметь последовательное соединение с соответствующими разъемными контактами 430A, 430B, и могут быть выполнены в виде трансформаторов напряжения или других соответствующих устройств для измерения напряжения.
На фиг. 7 показана однолинейная схема типового выключателя 400 цепи автомата по продажи электроэнергии. Несмотря на наличие одной фазы (например, линии под напряжением и нейтрали (нейтрального провода)), настоящее изобретение применимо к выключателям цепи автомата по продажи электроэнергии, имеющим любое количество фаз или полюсов. Линию под напряжением получают посредством неразъемного соединения 420 с токопроводящей шиной (не показана). Электрический ток проходит через первый отключающий элемент 429 функционального блока 428 термомагнитной защиты от перегрузки и далее, через группу управляемых разъемных контактов 430 (в данном примере показана только одна группа контактов линии под напряжением), к выводу нагрузки 414. Первый трансформатор тока (СТ) 448 обеспечивает возможность измерения тока и обнаружения короткого замыкания на землю с помощью уставок, настраиваемых на расцепление. Путь обратного тока от нагрузки 412 (фиг. 5) проходит от вывода 416 нейтрали нагрузки обратно к нейтральному выводу 422, обеспечивающему электрическое соединение, например, с нейтральной шиной приборной панели или узла нагрузки (не показана). Второй трансформатор тока 449 обеспечивает возможность измерения тока и обнаружения короткого замыкания на землю с помощью уставок, настраиваемых на расцепление. Выводы трансформаторов тока 448,449 являются входами логической схемы 404, которая управляет разъемными контактами 430. Источник питания 432 получает питание от линии под напряжением и нейтрального провода. Цепь связи логической схемы 434 также подведена к месту подключения 456 системы связи порта расширения 424 (фиг. 6).
Ниже со ссылкой на фиг. 2 приведено описание элементов системы 200 согласно неограничительному примеру осуществления настоящего изобретения. Система 200 включает в себя источник 205 питания общего пользования, соединенный со счетчиком 210 расхода электроэнергии. Соединение узла 215 нагрузки с выходом счетчика 210 расхода электроэнергии обеспечивает возможность получения питания от местной энергосети источника 205 питания общего пользования. Узел 215 нагрузки состоит из главного выключателя 220, соединенного со счетчиком 210 расхода электроэнергии. В других примерах осуществления изобретения, счетчик 210 расхода электроэнергии может быть исключен, а узел 215 нагрузки соединен непосредственно с источником 205 питания общего пользования. Как будет показано ниже, в любых таких примерах осуществления изобретения, функция измерения может вместо этого обеспечиваться главным выключателем 220.
Кроме того, узел 215 нагрузки содержит главную систему шин 225 и множество, соединенных с ней, выключателей 230 ответвлений. Как показано на фиг. 2, каждый выключатель 230 ответвлений соединен с соответствующей нагрузкой или нагрузками 235. В показанном примере осуществления, узел 215 нагрузки обеспечивает питание специализированных цепей, т.е. каждый выключатель 230 ответвлений обеспечивает питание и соединен с одной нагрузкой 235 (однако, каждая нагрузка 235 не обязательно является специализированной цепью). Следует, однако, понимать, что это приведено исключительно для примера, и в пределах объема настоящего изобретения могут использоваться другие схемы, содержащие неспециализированные цепи и/или сочетание специализированных и неспециализированных цепей. Кроме того, узел 215 нагрузки содержит выключатель 240 местного источника питания, соединенный с местным генерирующим источником 245 питания. Местным генерирующим источником 245 питания может служить распределенный источник питания любого типа, например, по меньшей мере, распределенный источник питания, в котором использованы PV модуль, генератор, ветряной двигатель, турбина, использующая природный газ или аккумуляторная батарея.
В приведенном неограничительном примере осуществления настоящего изобретения в качестве главного выключателя 220, выключателей 230 ответвлений, и выключателя 240 местного источника питания выбраны выключатели 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, подробное описание которых приведено в другом месте настоящего документа. Таким образом, согласно настоящему описанию каждый из этих выключателей обладает функцией защиты, функцией измерений в сетях ответвлений, функцией дистанционного управления и функцией связи (фиг. 4).
Кроме того, как показано на фиг. 2, узел 215 нагрузки содержит компонент 250 управления. Согласно настоящему описанию компонент 250 управления выполнен с возможностью управления работой системы 200, и, в частности выполнен и запрограммирован с возможностью реализации способа управления, проиллюстрированного на фиг. 3, подробное описание которого будет приведено ниже. Компонент 250 управления может быть расположен в любом месте внутри узла 215 нагрузки, например, внутри главного выключателя 220, выключателей 230 ответвлений, выключателя 240 местного источника питания, или может быть рассредоточен между множеством узлов и размещен, по меньшей мере, на одном таком узле. В другом примере осуществления изобретения, компонент управления может быть выполнен в виде вычислительного устройства, имеющего процессор и программируемое запоминающее устройство, используемое в узле 215 нагрузки. Согласно настоящему описанию в еще одном примере осуществления изобретения, компонент управления может быть расположен на удалении от узла 250 нагрузки, тем не менее, имея связь с ним и обеспечивая управление. В примере осуществления настоящего изобретения, приведенном для иллюстративных целей, компонент 250 управления образует часть главного выключателя 220, обеспечивая возможность работы главного выключателя 220 в качестве управляющего устройства узла 215 нагрузки.
Ниже, со ссылкой на фиг. 3, приведено описание способа управления согласно примеру осуществления настоящего изобретения. Реализацию способа начинают с выполнения шага 300, согласно которому обнаруживают нарушение энергоснабжения от источника 205 питания общего пользования. В примере осуществления настоящего изобретения, эту неисправность определяют с помощью главного выключателя 220, посредством определения падения напряжения источника 205 питания общего пользования ниже определенного заданного значения. Далее выполняют шаг 305, согласно которому компонент 250 управления размыкает главный выключатель 220, обеспечивая отсоединение узла 215 нагрузки и местного генерирующего источника 245 питания от магистральной сети источника 205 питания общего пользования. Затем выполняют шаг 310, согласно которому компонент управления обеспечивает размыкание выключателя 240 местного источника питания путем подачи на него управляющего сигнала (через соответствующее проводное или беспроводное соединение). Как вариант, порядок выполнения шагов 305 и 310 может быть изменен таким образом, что сначала выполняют шаг 310, а затем выполняют шаг 305. Затем, выполняют шаг 315, согласно которому компонент 250 управления определяет, какие из выключателей 230 ответвлений не должны получать резервное питание от местного генерирующего источника 245 питания. Этот шаг может быть выполнен несколькими способами и включает в себя определение, какие выключатели будут получать резервное питание, а какие нет, на основе, по меньшей мере, одного из сохраненных и/или измеренных параметров и/или функций. Например, компонент 250 управления может быть запрограммирован на выбор определенных заданных нагрузок 235, на которые должно поступать резервное питание при нарушении энергоснабжения (т.е. “критических нагрузок”), и таким образом, на этапе выполнения шага 315 будут определены нагрузки 235, не являющиеся “критическими". Программирование и определение “критических нагрузок” в данной конкретной разработке могут быть выполнены коммунальной службой и или местным пользователем узла 215 нагрузки, и таким образом этот аспект настоящего изобретения создает большую гибкость (маневренность) в обеспечении резервным питанием, за счет возможности динамического управления нагрузкой при нарушении энергоснабжения. Программирование и определение “критических нагрузок” также выполняют в соответствии с приоритетом, таким образом, что при нарушении энергоснабжения, нагрузки 235, на которые будет подано резервное питание, выбирают, исходя из располагаемой мощности согласно заданному приоритету. Как вариант, компонент 250 управления можно запрограммировать с возможностью динамического выбора тех нагрузок 235, на которые будет подаваться резервное питание, исходя из заданных параметров времени суток и/или даты, причем некоторые нагрузки, на которые будет подаваться резервное питание, могут быть определены на основе текущего состояния этих параметров.
Кроме того, существует также большое количество дополнительных вариантов схем управления. Например, в одном варианте схемы управления, каждая нагрузка 235 определена заранее как "критическая" или "некритическая", а компонент 250 управления выполнен с возможностью согласования своих действий с данными, измеренными соответствующим выключателем ответвлений, например, 230, обеспечивая рабочее состояние максимально возможного количества "критических" нагрузок без перенапряжения/перегрузки местного генерирующего источника 245 питания (т.е. без превышения нагрузочной способности источника питания). В другом варианте схемы управления каждой нагрузке 235 присвоен соответствующий уровень приоритета, где, за наивысший уровень принята, например, “1” и т.п. Далее, компонент 250 управления согласовывает свои действия с данными, измеренными соответствующими выключателями 230 ответвлений, обеспечивая рабочее состояние максимально возможного количества нагрузок 235 с наивысшим приоритетом без перенапряжения/перегрузки местного генерирующего источника 245 питания. Таким образом, схема по первому, рассмотренному выше, примеру, по существу, представляет собой, пример второй схемы управления с двумя приоритетными уровнями. В еще одной схеме управления, для каждой нагрузки 235 установлены соответствующий приоритет и предпочтительное “время работы". Далее компонент 250 управления согласовывает свои действия с измеренными данными и данными времени, обеспечивая рабочее состояние максимально возможного количества нагрузок 235 с наивысшим приоритетом и заданным временем работы, по окончании которого соответствующие выключатели ответвлений других нагрузок 235 с меньшим уровнем приоритета будут находиться в замкнутом положении. В еще одной схеме управления, компонент 250 управления может использовать любую из вышеупомянутых схем с “корректируемым потребителем" компонентом, согласно которой потребитель может выбирать какой конкретно из выключателей 230 ответвлений должен быть замкнут или разомкнут.
После выполнения шага 315, приступают к выполнению шага 320, согласно которому компонент 250 управления обеспечивает размыкание выключателей 230B ответвлений, выбранных при выполнении шага 315. Далее, при выполнении шага 325, компонент 250 управления подает сигнал на местный генерирующий источник 245 питания (посредством соответствующего проводного и/или беспроводного соединения между этими элементами), обеспечивающий подключение источника 245. Затем выполняют шаг 330, согласно которому компонент 250 управления обеспечивает замыкание выключателя 240 местного источника питания путем подачи на него сигнала (через соответствующее проводное или беспроводное соединение этих элементов). После выполнения шага 330, приступают к выполнению шага 335, согласно которому работу системы 200 обеспечивает местный генерирующий источник 245, питающий любую нагрузку 235, которая не была выбрана при выполнении операции 315.
Шаг 340 заключается в определении, удалось ли восстановить энергоснабжение источника 205 питания общего пользования. В случае отрицательного ответа, возвращаются к выполнению шага 335. В этот момент, потребитель узла 215 нагрузки может изменить конфигурацию системы, путем изменения выбора замкнутых (разомкнутых) выключателей 230 ответвлений, а, следовательно, и нагрузок 235, которые получают питание при использовании компонентов 250 управления. Например, если при нарушении энергоснабжения, потребитель принимает решение о необходимости нагрузки 235, первоначально определенной как "некритическая" или обладающая низким уровнем приоритета, этот контур замыкают, и, в случае надобности, размыкают другой контур с более низким приоритетом, предотвращая, тем самым, перегрузку местного генерирующего источника 240 питания (как будет указано ниже). Если потребитель приходит к решению о необходимости перезарядки EV, который был первоначально определен как "некритический", он может временно отключить устройство кондиционирования воздуха, обеспечивая, тем самым, возможность зарядки EV. Затем, после достаточной зарядки EV, потребитель может принять решение об отключении EVSE и подключении вновь устройства кондиционирования воздуха. За счет этого потребитель приобретает значительную дополнительную гибкость и устойчивость, которые не могут предложить обычные системы. Тем не менее, следует проявлять осторожность при управлении/согласовании подключенных нагрузок 235, во избежание перегрузки местного генерирующего источника 245 питания, а также размыкания цепи подпитки или ее перегрузки до критической точки (критического значения). В примере осуществления настоящего изобретения, компонент 250 управления включает в себя средство управления, способствующее управлению и согласованию нагрузок 235 для предотвращения перегрузки местного генерирующего источника 245 питания. Например, до внесения каких-либо изменений, компонент 250 управления может анализировать данные измерений и определять влияние этих изменений на нагрузку, а также предотвратить любые изменения, которые могут привести к перегрузке. В случае же положительного ответа при выполнении шага 340, переходят к выполнению шага 345, согласно которому компонент 250 управления обеспечивает размыкание выключателя 240 местного источника питания. Затем, при выполнении шага 350, компонент 250 управления обеспечивает отключение местного генерирующего источника 245 питания. После этого, при выполнении шага 355, компонент 250 управления обеспечивает замыкание главного выключателя 220. Далее выполняют шаг 360, согласно которому компонент управления обеспечивает замыкание всех выключателей 230 ответвлений путем подачи одного или более сигналов на эти выключатели 230 (через соответствующее проводное или беспроводное соединение этих элементов). Как вариант, порядок выполнения шагов 355 и 360 может быть изменен таким образом, что сначала выполняют шаг 360, а затем выполняют шаг 355. В заключение, при выполнении шага 365, компонент 250 управления обеспечивает подключение местного генерирующего источника 245 питания для переключения его на резервный источник 205 питания общего пользования после устранения нарушения энергоснабжения.
Следовательно, рассмотренный выше и показанный на фиг. 3 способ создает безопасный механизм переключения, при нарушении энергоснабжения, на резервное питание через местный генерирующий источник питания, и обратно, после устранения нарушения энергоснабжения, который не требует дорогостоящего, сложного и не допускающего изменений механизма переключения, такого как ATS (фиг. 1).
Несмотря на то, что система 200, показанная на фиг. 2 и способ, описание которого приведено со ссылкой на фиг. 3, включают в себя только один местный генерирующий источник 245 питания, следует понимать, что настоящее изобретение может также использоваться в системах, содержащих множество местных генерирующих источников 245 питания и множество выключателей 240 местного источника питания. В таком варианте, использование предложенного способа в компоненте 250 управления 250, будет обеспечивать возможность синхронизации между собой множества местных генерирующих источников 245 питания. В одном примере осуществления настоящего изобретения, один местный генерирующий источник 245 питания может быть использован как "сеть питания" и соединен с главной токопроводящей шиной 225. В этом случае этот местный генерирующий источник 245 питания обеспечивает смягчающее напряжение для синхронизации других местных генерирующих источников 245 питания. В другом варианте примера осуществления изобретения, компонент 250 управления получает метаданные о местном генерирующем источнике 245 питания, например, метеоданные для конструкций, использующих энергию солнца, или данные о расходе топлива для генераторов, причем данные измерений, полученные от выключателей 230 ответвлений, могут использоваться для прогнозирования "остаточного срока службы", т.е. как долго местный генерирующий источник 245 питания может обеспечивать энергией соединенные с ним нагрузки 235. Решения по вопросам управления нагрузкой могут быть более грамотными при дополнительном использовании метаданных, позволяющих получить важные статистические данные, в том числе, например, относительно "остаточного срока службы".
В еще одном варианте примера осуществления изобретения, местный генерирующий источник 245 питания , показанный на фиг. 2, может быть установлен не в месте нахождения заказчика, например, здании, а скорее предназначаться для группы потребителей в пределах электрораспределительной системы (например, "соседний" местный генерирующий источник питания). Местным генерирующим источником 245 питания может служить местный аккумулятор энергии (например, батарея), выполненный с возможностью обслуживания множества потребителей в определенном районе при нарушении энергоснабжения. Согласно описанию, при такой конфигурации, один или множество потребителей могут иметь узел 215 нагрузки, выключатель 240 местного источника питания которого соединен с этим "соседним" местным генерирующим источником 245 питания. Таким образом, каждый потребитель, обладающий узлом 215 нагрузки такого типа, имеет возможность выбирать, какие нагрузки 235 будут получать резервное питание от "соседнего" местного генерирующего источника 245 питания при нарушении энергоснабжения. Кроме того, так как, согласно описанию, в примере осуществления настоящего изобретения главный выключатель 220, выключатель 240 местного источника питания и выключатели 230 ответвлений являются выключателями 400 цепи автомата по продажи электроэнергии, выполняющими функцию учета энергопотребления, то предприятие, обслуживающее "соседний" местный генерирующий источник 245 питания, имеет возможность выставлять потребителям счета за использованную электроэнергию. В одном примере, потребители имеют возможность неограниченного использования, в этом случае они оплачивают всю потребляемую энергию. В другом примере осуществления изобретения, потребители могут заказать (и оплатить) определенное количество резервного питания на случай нарушения энергоснабжения, и их доступ к "соседнему" местному генерирующему источнику будет ограничен количеством мощности, покрываемой их подписным взносом (т.е. выключатель 240 местного источника питания будет разомкнут, как только будет использовано заказанное количество мощности). В этом случае, согласно описанию, потребитель может изъявить желание активно управлять нагрузками 235 узла 215 нагрузки для нормирования электроэнергии, к которой они имеют доступ.
Хотя настоящее изобретение раскрыто на примере конкретных вариантов реализации изобретения, специалистами в данной области могут быть внесены многочисленные модификации и изменения. Определенные конкретные рассмотренные аспекты и примеры осуществления изобретения приведены исключительно для иллюстрации его использования и не ограничивают его объема, который со всей полнотой сформулирован в приведенной ниже формуле изобретения.
1. Устройство (215) для управления электрической системой (200), содержащее:
главный выключатель (220), выполненный с возможностью соединения с источником (205) питания общего пользования;
выключатель (240) местного источника питания, выполненный с возможностью соединения с местным генерирующим источником (245) питания;
по меньшей мере один выключатель (230) ответвлений, каждый из которых выполнен с возможностью соединения с одной или более нагрузками (235) и выполнения функции измерения энергопотребления для учета потребляемой через них энергии; и
компонент (250) управления, выполненный с возможностью при обнаружении нарушения энергоснабжения от источника питания общего пользования:
обеспечивать размыкание главного выключателя;
принимать данные энергопотребления, измеренные каждым из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений;
определять, какие один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника, по меньшей мере частично на основании полученных данных по энергопотреблению;
обеспечивать настройку выключателей ответвлений так, чтобы только определенные один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений находились в замкнутом состоянии; и
обеспечивать включение местного генерирующего источника питания.
2. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью обеспечивать размыкание выключателя местного источника питания перед определением того, какие один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника, и обеспечивать замыкание выключателя местного источника питания после включения местного генерирующего источника питания.
3. Устройство по п. 1, в котором главный выключатель, выключатель местного источника питания и каждый из выключателей ответвлений выполнены с возможностью дистанционного управления их управляемыми контактами, обмена информацией для передачи и получения данных, и возможностью защиты цепи, включая термомагнитную защиту цепи.
4. Устройство по п. 1, в котором компонент управления:
(i) является частью главного выключателя,
(ii) является частью выключателя местного источника питания или одного из выключателей ответвлений,
(iii) расположен на удалении от главного выключателя, выключателя местного источника питания и каждого из выключателей ответвлений, или
(iv) распределен между по меньшей мере двумя выключателями из группы, состоящей из главного выключателя, выключателя местного источника питания и по меньшей мере одного выключателя ответвлений.
5. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью обеспечения размыкания выключателя местного источника питания после размыкания главного выключателя и обеспечения замыкания выключателя местного источника питания после включения местного генерирующего источника питания.
6. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью при обнаружении восстановления энергоснабжения обеспечивать размыкание выключателя местного источника питания, отключение местного генерирующего источника питания, замыкание главного выключателя, замыкание всех из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений, и включение местного генерирующего источника.
7. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какие один или более из указанного множества выключателей ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, на основании полученных данных по энергопотреблению, а также сохраненных, заданных идентификационных данных некоторых из указанного множества выключателей ответвлений.
8. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какие один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, на основании полученных данных по энергопотреблению, а также сохраненных, заданных приоритетов указанных одной или более нагрузок.
9. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какие один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, на основании полученных данных по энергопотреблению, а также одного или более заданных параметров, измеренного, определенного или полученного компонентом управления.
10. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какие один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника, посредством выбора указанных одного или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений таким образом, чтобы требования по нагрузке через указанный один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений не превышали нагрузочной способности местного генерирующего источника питания при его включении.
11. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какой один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника, на основании полученных данных по энергопотреблению, а также сохраненного, заданного приоритета, присвоенного каждому из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений.
12. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен также с возможностью обеспечения получения резервного питания максимальным количеством выключателей ответвлений без превышения нагрузочной способности местного генерирующего источника питания при его включении, а указанный один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений, которые должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, определен на основании полученных данных по энергопотреблению, а также сохраненного, заданного приоритета, присвоенного каждому из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений.
13. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью определения, какой один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, на основании полученных данных по энергопотреблению, а также сохраненного, заданного приоритета и сохраненного, заданного времени работы, присвоенного каждому из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений.
14. Устройство по п. 1, в котором компонент управления выполнен с возможностью обеспечения изменения, во время нарушения энергоснабжения и после включения местного генерирующего источника питания, конфигурации электрической системы путем получения идентификационных данных тех из выключателей ответвлений, которые должны получать питание, и тех из выключателей ответвлений, которые не должны получать питание, и обеспечения, в ответ на получение этих данных, настройки выключателей ответвлений так, чтобы только определенные из выключателей ответвлений находились в замкнутом состоянии.
15. Способ управления электрической системой (200), содержащей главный выключатель (220), который входит в состав узла (215) нагрузки и соединен с источником (205) питания общего пользования, выключатель (240) местного источника питания, который входит в состав узла нагрузки и соединен с местным генерирующим источником (245) питания, и по меньшей мере один выключатель (230) ответвлений, которые входят в состав узла нагрузки и каждый из которых соединен с одной или более нагрузками (235) и выполнен с возможностью выполнения функции измерения энергопотребления для учета потребляемой через них энергии, согласно которому:
обнаруживают в узле нагрузки нарушение энергоснабжения от источника питания общего пользования;
в ответ на обнаружение нарушения энергоснабжения от источника питания, обеспечивают размыкание главного выключателя путем подачи на него первого коммуникативного сообщения;
принимают данные по энергопотреблению, измеренные каждым из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений;
определяют, какой один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений должны получать резервное питание от местного генерирующего источника питания, по меньшей мере частично на основании полученных данных по энергопотреблению;
обеспечивают настройку выключателей ответвлений так, чтобы только определенный один или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений находились в замкнутом состоянии, путем подачи второго коммуникативного сообщения на выключатели ответвлений, отличные от указанного одного или более из указанных по меньшей мере одного выключателя ответвлений, которые должны получать резервное питание, и
обеспечивают включение местного генерирующего источника питания путем подачи на него третьего коммуникативного сообщения.
