用于储存/分布式能量设备的自适应孤立的系统和方法.pdf

当故障出现在能量分配网络中的时候，启动自适应孤立以提供能量给从网络上的初级能量源断开的用户。该用户被选择性地连接至分布在网络内的次级能量源。根据曲线来挑选所选择的用户，该曲线考虑了可从分布式资源获得的能量总量、修复故障的预期时间长度、用户的最近能量需求、以及分配给各用户的优先级。监视这些因素，并且在故障存在时间内动态地调整连接到分布式资源的所选择用户。

1.  一种用于在分配网络中的中断期间经由具有分布式能量源的能量分配网络给用户组供应能量的方法，包括如下步骤：
确定下述用户的组，其中经由所述网络到所述用户的能量分配已经被中断，并且所述用户有资格从一个或多个分布式能量源接收能量；
确定可以用来从所述一个或多个分布式能量源供应给所述用户组的能量总量；
基于来自所述一个或多个分布式能量源的可用能量的所述确定的总量以及描述所述组中用户的能量需求的数据来定义给所述组中用户的能量供应的曲线；
基于所述曲线来选择将被由所述一个或多个分布式能量源供应能量的所述组中的用户；以及
将所选择的用户连接到所述一个或多个分布式能量源，由此来在所述分配网络中的中断期间给所选择的用户供应能量。

2.  如权利要求1所述的方法，其中确定有资格接收能量的用户的步骤包括识别包含故障的所述分配网络的被隔离部分，并且确定由于所述被隔离部分而从所述分配网络上的能量源断开的用户。

3.  如权利要求2所述的方法，还包括发送命令给从所述分配网络断开的所述组中的用户的步骤，并且其中所述连接步骤包括发送第二命令给所选择的用户以重新连接到所述分配网络。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述组中用户的所述数据能量需求包括各用户的最近的能量消耗。

5.  如权利要求1所述的方法，其中描述所述组中用户的能量需求的所述数据包括在所述组中的各用户之中能量供应的各优先级。

6.  如权利要求1所述的方法，其中描述所述组中用户的能量需求的所述数据包括关于给所述组中各用户的能量供应中的中断的历史数据。

7.  如权利要求1所述的方法，其中所述曲线还基于所述分配网络中的中断的预期持续时间。

8.  如权利要求7所述的方法，还包括接收关于所述预期持续时间变化的信息，根据所述变化调整所述曲线，并且根据所调整的曲线来修改连接到所述分配网络的所述组中的所选择的用户。

9.  如权利要求1所述的方法，还包括当所述所选择的用户连接到分布式能量源时监视来自所述一个或多个分布式能量源的可用能量，并且根据可用能量的变化选择性地添加或去除用户到所选择的用户的步骤。

10.  如权利要求1所述的方法，还包括响应于所述中断已经停止的指示，将所选择的用户从所述分布式能量源断开，并且将所选择的用户连接到所述分配网络的步骤。

用于储存/分布式能量设备的自适应孤立的系统和方法
技术领域
[0001]本发明总体上涉及管理具有储存/分布式能量设备的能量分配网的系统和方法。
背景技术
[0002]在零售配电系统中，储存/分布式能量设备(例如，柴油发电机、NaS电池等)通常可用作两个主要目的。当批发电价格处于它们的最高水平时它们提供能量用于在高峰值消耗期间进行调峰。当正常电源被中断或缺乏时它们还提供改良的可靠性。
发明内容
[0003]自适应孤立处理器协调并结合储存/分布式能量设备与配电系统中的馈线以给受配电系统中的中断影响的用户提供电力。
附图说明
[0004]图1是在配电线之一中存在故障的能量分配网络的示意图；
[0005]图2是根据本发明的示例性实施例的能量分配网络组件的更详细的示意图；
[0006]图3A-3C包括分配网络组件建立孤立条件的操作的流程图；
[0007]图4A和4B包括分配网络组件保持孤立条件的操作的流程图；以及
[0008]图5是分配网络在孤立之后返回正常状态的操作的流程图。
具体实施方式
[0009]出于简单和说明性的目的，通过主要参考其示例性实施例来描述本发明的原理。然而，本领域普通技术人员将易于想到相同的原理同样地适用于许多类型的自适应孤立情况。
[0010]本发明的实施例包括软件和硬件控制系统，该系统协调并结合储存/分布式能量设备与馈线负载，该馈线负载在配电系统中服务。在本发明的实施例中，自适应孤立处理器被配置为执行自适应孤立处理。
[0011]集中式软件程序可用于与场所负载管理设备相结合以自动化并增强具有馈电线的储存/分布式能量设备的操作，所述储存/分布式能量设备为馈电线提供服务。场所负载管理设备(控制器和传感器)可以被置于单独的场所和装置中以监控与受控负载的操作有关的条件。在操作范例下(paradigm)自适应孤立处理器可以进行服务，该服务包括，尤其是：(1)调峰(pead shaving)和(2)用于提高馈电线可靠性的局部恢复。
[0012]当批发市场价处于其最高水平时，通常在高配电系统压力的时刻期间启动调峰。在这些时间段期间，在任何给定馈电线或电气子系统上的压力(热的、电的、机械的等)很可能高于正常值。在峰值情况期间主动提供容量的储存/分布式能量设备通常是在支持可靠性目的的馈电线很可能处于最大压力的时候而这样做。在调峰操作情况下，自适应孤立处理器监控跨越馈电线的各用户负载，并将那些负载限制到临界水平以防止在储存/分布式能量设备不可用于为负载提供额外功率的期间内由于热应力导致的断电。
[0013]储存/分布式能量设备的另一个作用是在缺少正常电源期间将储存的能量传递给配电馈电线的一部分。根据到馈电线路的任何部分的服务中断，该公用设施的保护和控制系统操作以隔离该馈电线的故障段。
[0014]如果储存/分布式能量设备位于受中断影响的区域内，则自适应孤立处理器设置孤岛(island)并服务于负载。自适应孤立处理器与位于用户场所的设备一起工作以使孤立处理与储存/分布式能量设备功率调节系统(PCS)以及储存/分布式能量设备本身协调。
[0015]在其它功能性区域中，自适应孤立处理器监控跨越馈电线的各负载并相对于条件参数来限制那些负载。这些条件参数包括(1)馈电线断电的预测长度，和(2)可用于在任何给定时间放电的储存能量的可用水平。自适应孤立处理器可以采用比较算法(其根据馈电线上的总计有效负载来估计这些条件参数)来确定断电恢复过程中的动态放电算法。
[0016]自适应孤立处理器给电力设施提供管理能力以通过调峰和部分馈电线恢复来优化储存/分布式能量设备的值。典型地，存在自适应孤立处理的主要阶段，其尤其包括(1)建立孤立；(2)保持自适应孤立；和(3)支持正常电源时停止自适应孤立。这些阶段管理用于储存/分布式能量设备的自适应孤立处理器的功能组件和特性，以提供端到端的自适应孤立功能。
[0017]图1中举例说明了可以应用自适应孤立过程的情况的示例。在发电厂10中产生的电功率借助于传输线14被传送到配电网络中的多个变电站12。每一变电站具有相关联的馈线16，经由该馈线将电功率传送到由该变电站服务的地理区域内的各用户场所。在图1的图示中，每一个单独的用户由仪表18表示，该仪表测量由该用户消耗的电功率的数量。
[0018]为了在配电系统中发生故障时提供协调保护，每一馈线包括多个沿其长度间隔设置的自动开关20。自动开关是一种形式的断路器，其具有在因故障被断开之后自动闭合的能力。图1图解说明了一示例，在该示例中，在第二自动开关20b和第三自动开关20c之间已经发生配电线中的故障(在此情况下为中断)。当该故障发生时，为了保护用户免受该故障的任何不利后果(例如，功率急变)以及保护断线附近的任何人员或财产，每一个自动开关自动断开以中断电流。此后，开关以协调方式重新闭合，并且如果不再检测到故障则保持闭合以使馈线的相关段又通上电流。然而，如果仍然检测到故障，则开关将再次断开。
[0019]通过开关的协调断开和闭合，包含故障的馈线部分可以被隔离。在图1的示例中，开关的断开和闭合将最终导致第二开关20b和第三开关20c保持断开而所有其它开关被重新闭合的情况。在此情况下，位于第二开关20b上游的所有用户能够接收经由变电站(substation)传送的正常电力。尽管第三开关20c下游的馈线段不包含任何故障，但由于故障段的介入，因此连接至那些段的用户没有电力。
[0020]除了作为电功率源的发电厂10之外，配电网络包括多个分布式能量源22。这些分布式源可以采用各种形式，例如，电池，燃料-燃烧发电机，风轮机等。出于解释的目的，本发明的实施例在此后将参照使用电池作为分布式能量源加以描述。然而，可理解的是，本发明的原理同样地适用于其它形式的分布式能量源。
[0021]同样出于解释的目的，单个分布式能量源被显示为连接至馈线的每一段。然而，可理解的是，多个这种分布式能量源可以连接至任何给定段。同样地，某些段可能不具有直接连接至它们的任何分布式源，因此必须与一个或多个其它段共享能量源。
[0022]在包括分布式能量源的功率分配网络中，被称为″孤立(islanding)″的过程能用来在诸如图1中所描述的故障条件期间部分地恢复能量分配。特别地，一旦馈线的故障部分已经被隔离，通过在故障段的任一端断开开关，位于故障段下游的分布式能量源可以被激活以给与那些下游段相关联的用户供电。换言之，是被隔离的故障的下游的段形成用户的“孤岛”，该用户被从发电厂10切断并且由连接至该孤岛的分布式电源对其供电。
[0023]图2是图解说明与孤立处理器相关联的组件以及它们到功率分配网络的连接的示意性框图。该网络的常规组件包括监控应用程序和数据采集功能(SCA-DA)，用于分配网络的总的控制。配电系统还包括分配自动化和断电管理系统(DA/OMS)，用于在调峰和断电管理期间执行专门的操作。例如，DA控制自动开关20。
[0024]配电系统的其它常规组件可包括具有相关联的数据库的地理信息系统(GIS)，以及也具有相关联的数据库的用户信息系统(CIS)。这两个系统提供与分配网络的组件的地理位置和由分配网络服务的用户相关的信息。仪表数据管理系统(MDM)将从用户仪表检索到的数据存储到数据库中。自动化仪表基础结构(AMI)与仪表通信，并且为它们发送命令以断开和闭合它们与馈线的各连接。
[0025]孤立处理器包括用于与这些现有系统的每一个通信的适当的接口。该处理器还与分布式能量源(DER)通信。DER包括分布式能量源22(例如电池)，以及相关联的管理组件，其确定例如能量源的当前可用容量。DER还包括与监视器/控制器通信的功率调节系统(PCS)，以有选择地将分布式能量源连接到馈线，并且监视由连接至馈线的被供电设备表示的负载。借助于包括图形用户界面(HMI/GUI)的基于浏览器的人机界面来提供对孤立处理器的操作的控制。
[0026]图3、图4和图5的流程图中描述了在断电期间由孤立处理器结合功率分配网络的其他组件执行的操作。图3A-3C描述了在从正常电力供应情形(其中沿馈线的所有用户从发电厂10接收电力)转变为孤立情形的期间发生的操作。在正常运行期间，功率分配网络的常规组件以它们的已知方式操作，并且孤立处理器空闲。在此期间，功率调节系统(PCS)用于保持电池22处于充电状态。当在步骤30检测到断电情形的时候，在步骤32，通过以常规方式断开和闭合自动开关，断电管理系统运行以隔离故障。一旦馈线的有故障段已经被隔离，断电管理系统在步骤34发送命令到孤立处理器，以触发孤立过程。随同该命令，断电管理系统还发送关于馈线的被隔离部分的信息。
[0027]响应于该命令的接收，在步骤36孤立处理器发送请求对分布式能量储存系统进行控制的消息。在步骤38该控制被允许。一旦控制已经被传递到孤立处理器，在步骤40，它发送请求给地理信息系统，以获得关于馈线被隔离段的位置的信息。该信息由GIS在步骤42提供。此外作为响应，孤立处理器在步骤44发布后续请求给用户信息系统，以获得关于受故障影响的用户的信息。所请求的用户信息由CIS在步骤46提供，并且当接收该信息时在步骤48孤立处理器确定那些目前没有电服务的用户。在图1的示例中，所有是第三自动开关20c的下游的用户将被识别。然后，在步骤50，孤立处理器发送请求给自动化仪表基础结构，以发送″断开″命令给每个没有电力的用户的仪表。在步骤52，该命令由AMI发送给仪表。作为此动作的结果，每个单独的用户场所被从馈线断开。
[0028]在步骤54，孤立处理器发送消息给分布式能量源，请求可从分布式能量源获得的能量数量，该分布式能量源连接到被隔离段的馈线下游。该数据由DER在步骤56提供。然后，在步骤58，孤立处理器请求关于在断电时每个被识别用户的最新负载信息(即功耗)的信息。该数据由仪表数据管理系统在步骤60提供。响应于该数据的接收，孤立处理器在步骤62发送消息给用户信息系统，请求缺乏服务的用户的优先级和他们近来的断电历史。分配给用户的优先级可以基于多种因素。一个该因素可以是设施类别。例如，医院和第一应答(first-responder)机构(诸如警察局和消防站)相对于商业和住宅建筑通常具有最高优先级。优先级也可以基于用户场所中的负载的类型。例如，储存易腐货物的仓库可以被给予比居住单元更高的优先级。这种请求信息由CIS在步骤64提供。
[0029]基于接收到的信息，孤立处理器在步骤66定义各用户负载将被激活的顺序。该顺序基于所接收到的优先级信息，以及其它商业规则。在确定负载顺序的过程中，孤立处理器还尽力平衡在供电的不同阶段当中的负载。
[0030]基于所定义的顺序，在步骤68孤立处理器选择可由可用分布式能量源支持的放电曲线(profile)。该曲线可以基于与所估计的断电持续时间相关的信息。例如，当检查故障时，服务技术人员可以估计将会花费大约一个小时来修复故障。这种估计经由人机界面输入并且此外作为响应，孤立处理器计算可由分布式能量源供应一个小时的负载的曲线。该曲线可以包括具有较低优先级的用户，以及最高优先级的用户。相反，如果服务技术人员最初不能提供修复时间的估计，则可以选择具有较小总计负载的不同曲线，以使来自于分布式能量源的可用能量能够在较长的时间期间内传播开，在该在后曲线中，只有最高优先级用户可以在孤立操作期间接收电力。
[0031]在步骤70，孤立处理器根据所选择的曲线定义电力将被恢复到的用户组和/或单独的用户设备。在定义了这些组之后，在步骤72对可用能量是否足以在所估计的断电持续时间内给它们提供电力作出决定。例如，商业规则可能要求分布式能量源提供电力给所有医院和警察局。如果可用能量不足以满足该目标，则可能作出放弃孤立过程的决定。如果做出这样的决定，则孤立处理器在步骤74发送消息给断电管理系统，以通知它孤立不再发生。另一方面，如果作出存在足够的可用能量来实施孤立的决定，则在步骤76发送请求给网络调度器，以阻止被断开以隔离故障的自动开关的操作。通常，一旦故障已经被清除，则自动开关被立即断开以为整个馈线恢复电力。然而，虽然实施了孤立，但是电力依然由分布式能量源供应。在这种情况期间闭合开关可导致对设备的无法预料的电涌和/或破坏。在步骤76所发送的请求强制开关在孤立期间保持断开，从而使得来自于分布式能量源的电力不流入隔离区。
[0032]在步骤78，孤立处理器发送消息给DER，请求分布式能量源连接到功率分配网的馈线。一旦建立连接，DER在步骤80发送对该效果的回执。孤立处理器则开始为在步骤70定义的组恢复电力。在步骤82中，孤立处理器发送消息给AMI，请求它发送″闭合(Close)″命令给所定义的组中的仪表。这些消息互相间隔，由此错开所述组的成员使它们的电力恢复的时间。如果所定义的所有的组同时被激活，则在分布式能量源上产生的电流需量可能超过它能够处理的量。然而，通过错开闭合消息，则由激活引起的电涌可以被分布式能量源调和。响应于这些消息，AMI在步骤84发送适当的″闭合(Close)″命令给所识别用户的各仪表。
[0033]一旦用户的电力已经被恢复，孤立处理器就在步骤86发送消息给AMI，请求它通知这些用户中的每一个它们目前由分布式能量源(例如电池)供给电力，响应于该信息，用户可有选择地禁止某些不急需的负载，由此来降低分布式能量源上的需量。在步骤88，AMI发送所请求的信息给用户。在步骤90，该数据还被用户信息系统记录。此时，到孤立操作的转变已经完成。
[0034]此后，孤立处理器进入孤岛保持模式，其在图4A和图4B的流程图中加以描述。在步骤100，孤立处理器周期性地请求关于每个被恢复的用户的负载信息。该信息在步骤102由AMI系统来提供，并且该信息使得孤立处理器能够监视分布式能量源上的负载。在步骤104，孤立处理器请求关于可从分布式能量源获得的剩余能量的数量的数据。DER在步骤106用该信息响应。在步骤108接收与故障相关的参数的任何改变。例如，如果服务技术人员确定故障可以被更迅速地修复，或可能花费较长时间进行修复，则对孤岛的存在期的更新估计经由人机界面输入。基于更新的负载信息、可用能量和所估计的孤岛存在期，在步骤110，按照可应用的商业规则，孤立处理器调整其电力被分布式能量源恢复的用户。
[0035]如果分布式能量源上的可用能量的数量跌至预定级别，或者如果存在源的状况的突变(例如，电池正在放电)，则在步骤112，DER可发送用于负载缩减的请求。响应于该请求，孤立处理器在步骤114发送请求给AMI，以命令那些具有最低优先级的用户从配电网断开。
[0036]一旦来自分布式能量源的可用能量已经被完全地消耗(例如，电池被完全地放电)，DER就在步骤116发送消息。响应于该消息，在步骤118孤立处理器发送询问给断电管理系统，并且在步骤120断电管理系统回复指示是否已经恢复电力。如果电力已经恢复，则在步骤122孤立处理器启动程序以返回到正常电力。另一方面，如果电力还没有被恢复，则在步骤124孤立处理器发布请求，以将当前消耗的分布式能量源从功率分配网断开。在步骤126，DER将分布式能量源从馈线断开。在步骤128，孤立处理器请求AMI系统命令受影响的用户的所有仪表将用户场所重新连接到馈线。在步骤130，孤立处理器通知调度器关于自动开关的阻止可以被去除。此时，系统已经回到了正常的断电状况，并且孤立处理器等待电力已经被恢复的消息。
[0037]在孤立之后用于使系统返回到正常运行的过程在图5的流程图中加以描述。一旦故障已经被纠正并且配电可以恢复正常，在步骤140断电管理系统发送请求给孤立处理器，以确定是否仍然在实施孤立。在步骤142，孤立处理器响应于该请求，并且在步骤144断电管理系统确定状态。如果不再实施孤立，则在步骤146断电管理系统请求孤立处理器释放对分布式能量源的控制。反之，如果仍然实施孤立，则断电管理系统在步骤148发送消息，请求孤立处理器终止该状况。响应于该请求，孤立处理器在步骤150发送消息给DER，以从功率分配网断开。在步骤152它还发送请求给AMI，以命令受影响的用户的所有仪表闭合它们到馈线的连接。然后，在步骤154孤立处理器通知调度器关于闭合开关的阻止可以被去除。在步骤156执行适当的内务处理，例如，计算各种与断电和孤立过程有关的信息，并登录到数据库中。此后，在步骤158孤立处理器释放对DER的控制，并且在步骤160功率调节系统恢复对分布式能量源的控制。
[0038]动态的负载调节和被孤立的负载切断通过直接负载控制管理算法的结合和使用成为可能。合在一起，这些算法被标识为需求调度系统。该需求调度系统可以包括多个主要组件：企业管理平台、通信中枢(以太网、BPL、专用点对点(Tl或帧中继)、iDen无线、CDMA无线、GPRS无线、WiFi和WiMax)、无线电通信聚集器、场所控制器和场所传感器。场所控制器和传感器与企业管理通过聚集器和通信中枢进行通信。控制器和传感器可以与一个或多个聚集器无线地通信，诸如经由无线电信号。场所传感器监视所关心的条件，诸如场所或设备的温度。
[0039]在一个实施例中，企业管理平台逐场所地连续监视遍及配置区域的系统负载利用及场所温度的状况。它例如通过基于IP的网络与位于远端的集线器设备通信。其它已知的通信形式可以被采用。诸如聚集器之类的集线器设备例如通过900MHz无线电或PLC/BPL链路连接到场所控制器。同样，其它已知的通信形式可以被采用。控制器与集线器相互作用，发送场所处的状况改变的消息。该消息可以作为异步消息来发送。所监视的状况改变包括受控设备的内部环境温度、电压和电流水平以及受控设备的状态(开/关、功率因数、负载曲线)。
[0040]企业平台基于预先建立的公用设施(或负载管理公司)监视和控制的标准或阈值来管理所测量的负载。为了调峰，该技术可以被应用在多级。系统需求极限函数允许公用设施跨越公用设施的整个电网或在一直到单个变压器或特定场所的电网的特定部分中选择系统需求的最大级。可以通过在关键情况下管理各场所负载来限制需求，并且可以跨越所有场所负载来应用需求以避免中断状况。当场所状况被持续监视时，有效测量的负载递增地并且动态地循环。功率循环是粒状的(granular)，其中特定公用设施规定了上部和下部设定点。这些设定点被中央系统不断地监视并且循环可以在单独的设备级上或者对整个负载区域执行。
[0041]在一个实施例中，企业平台保持潜在可中断负载的全系统的存量。这可以通过使系统周期性地(例如每5分钟)轮询所有需求控制器来实现，搜集信息包括1)环境温度，2)受控设备状态(开/关)和3)受控设备电压和电流。还可以采用由需求控制器定期自己报告。
[0042]一旦获得数据，就将该数据放在可由企业管理平台访问的数据库中，列出场所控制器ID、环境温度、设备状态(开/关)和电压及电流状态。然后将该数据与数据库中的其他信息(像物理地址、用户温度偏好和用户切断优先级)相关联。
[0043]当自适应孤立处理器要求缩减在受影响的服务区域中的负载需求时，系统开始基于设备优先级的预定义参数、用户优先级和分布式能量设备功率因数来切断负载，并且计算那些正在运行着的所有设备负载的累计总数，并将期望的减少量与该运行的累计总数进行比较。
[0044]系统基于优先级创建用户组，其设备负载合计为在单独的服务级别参数内待切断的负载的总量。当这些组已经被建立的时候，系统发送命令给各场所控制器以用信号通知控制器断开中继并且中断到受控设备的电力。然后控制器发送时间戳响应至系统以通知设备已经确实被中断。
[0045]通过将状态的该变化与由该设备使用的先前负载进行比较，系统精确地了解多少负载被切断以及何时被切断。
[0046]系统连续地监视需要被切断的负载、可用负载、和各服务参数。系统选择其总功率消耗与当前期望的需求缩减相匹配的下一个组/设备。然后发送命令给该组场所控制器。因此，负载的切断是在整个被管理的用户负载当中基于公用设施规定的设备优先级、用户和分布式能量设备功率因数来动态地轮换的。此过程继续直到网不再需要缩减为止。
[0047]优先级由多个因素来规定：受控设备(HVAC、热水器、水池泵，等)、用户优先权和用户偏好。所述受控设备可以表示在场所内耗费能量的任何东西。该公用设施可以设置何时考虑某些设备用于需求缩减的优先级并为每个设备设置优先级。该算法会系统地将每个设备分组到规定的优先级、并且从最低优先级到最高优先级来切断，直到所述需求缩减得以满足。该公用设施还可以基于它们的设备已经被操纵的时间量、全部中断时间量，等(这些可以是公用设施规定的标准)设置用户优先级。企业管理平台使用A/C压缩机负载产生可能的需求缩减的累积总数。
[0048]当系统峰值下降时，需要越来越少的中断，直到最后所有负载均被恢复到正常操作。这通过更新必须被调度的功率需求量来在中央负载调度器与企业管理平台之间不断地被传送。
[0049]作为可选择的实施例，自适应孤立处理器可以以不同级别的集成复杂性集成到配电系统中。集成越复杂，自适应孤立处理器对于在配电系统恢复期间延长能量寿命以服务于被孤立用户的管理能力就越粒状(granular)。复杂性级别尤其包括(1)在配电系统馈电线级别集成，(2)在用户级别集成，和(3)在单独的负载级别集成。在下面的表中更详细地描述了这些级别。