Гибкая система управления электрической нагрузкой и способ ее работы
Изобретение относится к системам регулирования потребления электроэнергии. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы за счет возможности устанавливать приоритеты снижения электрических нагрузок. Он достигается тем, что предложена компьютеризированная система управления нагрузками, которая включает в себя: главный центральный процессор, запоминающее устройство, множество управляемых релейных блоков, соединенных с множеством нагрузок при помощи множества локальных автоматических выключателей. Причем каждый релейный блок содержит: реле, датчик тока и электрическую линию, причем каждый датчик тока выполнен с возможностью передачи в главный центральный процессор данных относительно тока и причем главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на реле команд на основании сигнала, получаемого от источника электроэнергии, и на основании набора правил, причем этот набор правил включает в себя информацию о приоритетности нагрузок, так что каждое реле выключается или включается по команде от главного центрального процессора с прекращением или возобновлением подачи электроэнергии в каждую отдельную электрическую линию. При этом главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на каждое реле команд включения и выключения таким образом, чтобы общая потребляемая упомянутым множеством нагрузок мощность оставалась ниже некоторого порогового значения потребляемой мощности. 18 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область применения и предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к компьютеризированной системе контроля и регулирования потребления электроэнергии и, более конкретно, к гибкой системе и способу управления электроснабжением.
Известно, что многие энергосистемы общего пользования в мире страдают от дефицита электроэнергии в часы ее максимального потребления. Исторически сложилось так, что потребляемая мощность возрастает с каждым годом, особенно во время очень жарких и очень холодных месяцев, следствием чего является необходимость в постоянном увеличении генерирующих мощностей. Ослабление государственного регулирования отрасли электроэнергетики общего пользования вызвало повышенное внимание к проблемам перебоев в энергоснабжении и нестабильности тарифов и к тому, каким образом эти проблемы могут влиять на экономику и наш образ жизни. С целью способствования уменьшению нагрузки в пиковые периоды были предложены программы снижения потребления и более совершенные средства регулирования.
Электроснабжающие предприятия широко внедряют программы по управлению нагрузками (DSM), содействующие эффективному использованию энергии, уменьшению токсических выбросов в атмосферу и достижению финансовой эффективности как для поставщиков, так и для потребителей, главным образом, за счет отсрочки строительства новых электростанций. Эти программы содержат мероприятия по планированию, реализации и контролю деятельности электроснабжающих предприятий, для того чтобы потребители могли менять уровень и структуру потребления электроэнергии. Реализация этих мероприятий приносит пользу электроснабжающим предприятиям, потребителям и обществу в целом.
Одна из целей DSM - добиться снижения пиковых нагрузок. Электроснабжающие предприятия предлагают своим потребителям программы по снижению потребления, имеющие своей целью смещение потребления на периоды, не совпадающие с периодами пиковых нагрузок, используя финансовое стимулирование тех потребителей, которые переносят потребление на периоды времени, в которые производство или получение энергии обходится поставщику дешевле. Программы прямого регулирования потребления или отключения нагрузки предлагают потребителю некоторый месячный кредит за разрешение электроснабжающему предприятию прекращать подачу энергии на отдельные электроприборы или другие нагрузки в его доме в периоды пиковых нагрузок или при авариях. Потребитель заблаговременно, совместно с электроснабжающим предприятием, решает, какие электроприборы будут отключены во время пиковой нагрузки.
Как правило, электроснабжающее предприятие устанавливает выключатели последовательно с этими электроприборами, и когда потребление превышает заранее установленный уровень, электроснабжающее предприятие посылает выключателю команду отключить один или более электроприборов. Например, бытовой потребитель может разрешить электроснабжающему предприятию прекращать обслуживание домашнего кондиционера во время пиковой нагрузки. Но при этом может оказаться, что потребитель во время периода очень жаркой погоды хочет включить кондиционер, но не может этого сделать. Когда становится очевидным, что отключение нагрузки влияет на комфорт потребителя, многие потребители предпочитают отказаться от такой программы.
Другим недостатком таких систем является то, что часто потребителю оплачивается участие в такой программе независимо от того, действительно ли электроснабжающее предприятие осуществляло отключение. Размер вознаграждения не обязательно соответствует уменьшению потребления. Еще одним последствием такого подхода к отключению нагрузки является то, что электроснабжающее предприятие, передавая команду на отключение электроэнергии для электроприбора, не знает, имело ли в действительности место снижение потребляемой мощности.
Патенты США №6772052 и №7130719 раскрывают электронные системы регулирования энергопотребления потребителями электроэнергии. Эти системы содержат главное регулирующее устройство и один или более узлов, каждый из которых имеет локальный микропроцессор или блок управления и располагается вблизи нагрузки, которой касается регулирование. Когда главное регулирующее устройство получает сигнал от электрической компании, локальный блок отключает или регулирует мощность, потребляемую соответствующим устройством, в соответствии с заранее установленными правилами, которые учитывают уровень комфорта потребителя.
Однако подобные системы очень сложны, дорогостоящи и, соответственно, неудобны для установки и обслуживания. Эти системы могут содержать большое количество микропроцессоров, соответствующее количеству регулируемых нагрузок, что, в результате, приводит к сложному взаимодействию между микропроцессорами. Кроме того, каждый узел устанавливается отдельно, и в результате система начинает занимать все больше места в помещениях потребителя.
Узел может быть установлен внутри нагрузки, но это влечет за собой несанкционированные действия с электронным оборудованием устройства и может привести к аннулированию гарантийных обязательств. Узел, размещенный вне нагрузки, подвержен неумышленным повреждениям и воздействию окружающей среды. Кроме того, в уже построенных жилых домах такие узлы обычно находятся на виду, что выглядит неэстетично, и потребитель вынужден их как-то маскировать. В результате, по причине стоимости и различных неудобств, такие системы оказываются очень непрактичными.
Таким образом, существует необходимость в простых и недорогих системе и способе, которые уменьшают энергопотребление в периоды пиковых нагрузок, не ухудшая при этом комфорт потребителя. Важным преимуществом такой системы была бы ее простая установка и обслуживание и почти полное исключение воздействия окружающей среды и возможных повреждений. Еще одним преимуществом такой системы была бы гибкость, которая позволила бы потребителю настраивать условия и устанавливать приоритеты снижения потребления в соответствии с его текущими потребностями без участия электроснабжающего предприятия.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с идеями настоящего изобретения предлагается компьютеризированная система управления нагрузками для контроля и регулирования потребления электроэнергии потребителем, имеющим множество нагрузок, которая включает в себя: (а) главный центральный процессор, соединенный с источником электроэнергии и выполненный с возможностью получения сигнала от него; (b) запоминающее устройство, соединенное с главным центральным процессором; (с) множество управляемых релейных блоков, соединенных с множеством нагрузок при помощи множества локальных автоматических выключателей, причем каждый релейный блок из этого множества содержит: (i) реле, реагирующее на команды главного центрального процессора; (ii) датчик тока, электрически соединенный с реле, причем реле и датчик тока электрически соединены с главным центральным процессором, и (iii) электрическую линию, первый конец которой соединяет источник электроэнергии с релейным блоком, а второй конец соединен с локальным автоматическим выключателем, соединенным с по меньшей мере одной нагрузкой; причем каждый датчик тока выполнен с возможностью передачи в главный центральный процессор данных относительно тока, проходящего через отдельный локальный автоматический выключатель из множества локальных автоматических выключателей, и главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на реле команд на основании сигнала, полученного от источника электроэнергии, и на основании набора правил, предоставленных главному центральному процессору, причем этот набор правил включает в себя информацию о приоритетности нагрузок, так что каждое реле выключается или включается по команде от главного центрального процессора с прекращением или возобновлением подачи электроэнергии в каждую отдельную электрическую линию.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается компьютеризированная система управления нагрузками для контроля и регулирования потребления электроэнергии потребителем, имеющим множество нагрузок, которая включает в себя: (а) главный центральный процессор, выполненный с возможностью соединения с источником электроэнергии и возможностью получения сигнала от него; (b) запоминающее устройство, соединенное с главным центральным процессором; (с) множество управляемых релейных блоков для соединения с множеством нагрузок при помощи множества локальных автоматических выключателей, причем каждый блок содержит: (i) реле, реагирующее на команды главного центрального процессора; (ii) датчик тока, электрически соединенный с реле, причем реле и датчик тока электрически соединены с главным центральным процессором, и (iii) электрическую линию, первый конец которой выполнен с возможностью соединения реле и датчика тока с источником электроэнергии, а второй конец выполнен с возможностью соединения с локальным автоматическим выключателем, соединенным с по меньшей мере одной нагрузкой; причем каждый датчик тока выполнен с возможностью, когда система управления нагрузками соединена с источником электроэнергии и нагрузками, передачи в главный центральный процессор данных относительно тока, проходящего через отдельный локальный автоматический выключатель из множества локальных автоматических выключателей; причем главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на реле команд на основании сигнала, полученного от источника электроэнергии, и на основании набора правил, предоставленных главному центральному процессору, причем этот набор правил включает в себя информацию о приоритетности нагрузок, так что каждое реле выключается или включается по команде от главного центрального процессора с прекращением или возобновлением подачи электроэнергии в каждую отдельную электрическую линию, при этом релейные блоки непосредственно реагируют на команды главного центрального процессора.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается компьютеризированная система управления нагрузками для контроля и регулирования потребления электроэнергии потребителем, имеющим множество нагрузок, при этом данная система включает в себя: (а) главный центральный процессор, выполненный с возможностью соединения с источником электроэнергии и возможностью получения сигнала от него; (b) запоминающее устройство, соединенное с главным центральным процессором; (с) множество управляемых релейных блоков для соединения с множеством нагрузок при помощи множества локальных автоматических выключателей, причем каждый блок содержит: (i) реле, реагирующее на команды главного центрального процессора; (ii) датчик тока, электрически соединенный с реле, причем реле и датчик тока электрически соединены с главным центральным процессором, и (iii) электрическую линию, первый конец которой выполнен с возможностью соединения реле и датчика тока с источником электроэнергии, а второй конец выполнен с возможностью соединения с локальным автоматическим выключателем, соединенным с по меньшей мере одной нагрузкой; причем каждый датчик тока выполнен с возможностью, когда система управления нагрузками соединена с источником электроэнергии и нагрузками, передачи в главный центральный процессор данных относительно тока, проходящего через отдельный локальный автоматический выключатель из множества локальных автоматических выключателей, и при этом главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на реле команд на основании сигнала, полученного от источника электроэнергии, и на основании набора правил, предоставленных главному центральному процессору, причем этот набор правил включает в себя предоставленную потребителем информацию о приоритетности нагрузок, так что каждое реле выключается или включается по команде от главного центрального процессора с прекращением или возобновлением подачи электроэнергии в каждую отдельную электрическую линию.
В соответствии с другими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления компьютеризированная система управления нагрузками полностью расположена между главным автоматическим выключателем, соединенным с источником электроэнергии, и локальными автоматическими выключателями.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор, запоминающее устройство и релейные блоки размещены в одном корпусе.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи источнику электроэнергии информации, касающейся потребляемой электроэнергии.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления упомянутая информация основана на данных, предоставляемых каждым датчиком тока.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления упомянутая информация касается электроэнергии, сэкономленной в процессе управления нагрузками.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор выполнен с возможностью отображения информации о приоритетности нагрузок для включения и выключения релейных блоков.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор выполнен с возможностью получения от пользователя исходных данных, касающихся очередности и условий для включения и выключения реле.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления система управления нагрузками дополнительно включает в себя: (d) датчик тока, соединенный с источником электроэнергии и центральным процессором, для измерения полного тока, проходящего через нагрузки, как функции времени, и для предоставления центральному процессору данных, касающихся тока.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на каждое реле команд включения и выключения таким образом, чтобы общая потребляемая множеством нагрузок мощность оставалась ниже некоторого порогового значения потребляемой мощности.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления главный центральный процессор регулирует порядок выключения и включения реле на основании правил, предварительно запрограммированных в главном центральном процессоре, причем эти правила включают в себя следующее: (I) главный центральный процессор включает по меньшей мере первое реле для того, чтобы отключить подачу электроэнергии на по меньшей мере одну из нагрузок, соответствующую самому низкому приоритету потребителя.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления до выполнения (I) главный центральный процессор определяет на основании ранее накопленных данных о токе, протекающем через первое реле, что отключение электроэнергии позволит уменьшить общую потребляемую мощность до уровня ниже упомянутого порогового значения потребляемой мощности.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления правила дополнительно включают в себя следующее: (II) главный центральный процессор в существенной степени непрерывно измеряет потребляемую мощность в каждой электрической линии, и, когда наблюдается уменьшение общей потребляемой мощности, главный центральный процессор определяет, что по меньшей мере одно отдельное реле может быть выключено без превышения упомянутого порогового значения потребляемой мощности, и затем дает команду отдельному реле на выключение для возобновления подачи электроэнергии через это отдельное реле.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления правила дополнительно включают в себя следующее: (III) после того как по меньшей мере одно реле выключится, главный центральный процессор проверяет, чтобы общая потребляемая мощность все еще оставалась ниже упомянутого порогового значения потребляемой мощности.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления правила дополнительно включают в себя следующее: (IV) если главный центральный процессор определяет, что общая потребляемая мощность превышает упомянутое пороговое значение, то главный центральный процессор включает реле с самым низким приоритетом.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления правила дополнительно включают в себя следующее: (V) выждав заранее определенное время, главный центральный процессор делает повторную попытку выключения реле с самым низким приоритетом.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления между источником электроэнергии и нагрузками расположен только один главный центральный процессор.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления релейные блоки непосредственно реагируют на команды главного центрального процессора.
В соответствии с прочими особенностями описываемых предпочтительных вариантов осуществления по меньшей мере один из релейных блоков соединен или выполнен с возможностью соединения с по меньшей мере двумя электроприборами.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описывается здесь со ссылками на прилагаемые чертежи только в качестве примера. Следует подчеркнуть, что эти подробные чертежи приведены только с целью описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в качестве примера и представлены с целью обеспечения лучшего и наиболее быстрого понимания описания идей и концептуальных аспектов настоящего изобретения. В связи с этим не делается попыток показать конструктивные особенности настоящего изобретения более детально, чем это необходимо для принципиального понимания настоящего изобретения. Приведенное описание с чертежами обеспечивает понимание специалистами возможностей воплощения на практике настоящего изобретения в нескольких формах.
На Фиг.1 показана блок-схема предпочтительного варианта осуществления гибкой системы управления электрическими нагрузками в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.2 показан характерный график потребления электроэнергии во времени в помещении потребителя, показывающий управление нагрузками в соответствии с настоящим изобретением при меняющихся условиях и электрических нагрузках.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Один из аспектов настоящего изобретения представляет гибкую централизованную систему управления электрическими нагрузками. Принцип действия этой гибкой централизованной системы управления электрическими нагрузками в соответствии с настоящим изобретением может быть лучше понят со ссылками на чертежи и сопровождающее описание.
Прежде чем приступить к подробному описанию по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения, следует понять, что настоящее изобретение не ограничивается в своем применении теми деталями конструкции и размещением компонентов, которые излагаются в последующем описании или иллюстрируются на чертежах. Настоящее изобретение не исключает других вариантов осуществления или применения на практике. Также следует понимать, что терминология и формулировки, применяемые здесь, используются в целях описания и не должны рассматриваться в качестве ограничения.
Если теперь обратиться к чертежам, то на Фиг.1 изображена блок-схема предпочтительного варианта осуществления гибкой системы 10 управления электрическими нагрузками в соответствии с настоящим изобретением. Система 10 выполнена с возможностью включения между электрической линией переменного тока от источника электроэнергии и множеством нагрузок потребителя. Термин "источник электроэнергии", применяемый здесь и затем в формуле изобретения, означает электроснабжающее предприятие (например, имеющее электрораспределительную сеть), или генератор для обеспечения электроэнергией по меньшей мере одного потребителя электроэнергии, или аккумуляторную батарею, или другой аккумулятор энергии для обеспечения потребителя электроэнергией.
Как правило, система 10 устанавливается между главным автоматическим выключателем 110 и по меньшей мере одним локальным автоматическим выключателем, которые, как правило, имеются в любом доме или помещении, где устанавливается система 10. На Фиг.1 в качестве примера показаны локальные автоматические выключатели 100: 100а, 100b, 100с, 100d и 100е. Каждый локальный автоматический выключатель из автоматических выключателей 100 соединен с по меньшей мере одной электрической нагрузкой.
На Фиг.1 в качестве примера автоматический выключатель 100а электрически соединен с нагрузками L1, L2 и L3, автоматический выключатель 100b электрически соединен с нагрузкой L4, автоматический выключатель 100с электрически соединен с нагрузкой L5, автоматический выключатель 100d электрически соединен с нагрузкой L6 и автоматический выключатель 100е электрически соединен с нагрузками L7 и L8.
Нагрузки L1-L8 представляют собой электрические нагрузки в помещениях потребителя и могут являть собой бытовые электроприборы, розетки общего назначения, осветительные, нагревательные и охлаждающие устройства, электрические устройства плавательного бассейна и любые другие устройства, использующие электроэнергию.
Каждое реле 90а-90е из множества реле 90 электрически соединено с датчиками 80а-80е тока из множества датчиков 80, которые непрерывно измеряют ток, проходящий через нагрузки, соединенные с соответствующими локальными автоматическими выключателями. На Фиг.1 показано в качестве примера, что датчик 80а измеряет общий ток, протекающий к нагрузкам LI, L2 и L3 через автоматический выключатель 100а.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения датчик 130 тока измеряет общий ток, подаваемый на все нагрузки помещения. Датчик 130 тока выполнен с возможностью электрического подключения к входящей электрической линии переменного тока до разветвления линии к автоматическим выключателям 100. Датчик 130 тока также электрически соединен с главным центральным процессором ЦП 30. Датчик 130 тока необходим, когда не все автоматические выключатели 100 контролируются и регулируются (управляются).
Датчики 80 непрерывно или через короткие дискретные интервалы времени посылают данные измерения через по меньшей мере одну информационную линию 70, как правило, аналоговую линию, на центральный процессор, такой как главный ЦП 30.
Термин "главный ЦП" или "главный центральный процессор", используемый в описании изобретения и в формуле изобретения, означает центральный процессор, электрически расположенный между главным автоматическим выключателем на электрическом вводе от поставщика электроэнергии или электроснабжающего предприятия и локальными автоматическими выключателями, которые электрически соединены с контролируемыми и регулируемыми нагрузками. Как правило, в качестве главного ЦП 30 применяется один отдельный ЦП.
Когда главный ЦП 30 выявляет необходимость уменьшения подачи электроэнергии, то главный ЦП 30 использует данные от датчиков 80, просматривает приоритеты в системе и посылает соответствующие команды через линию связи или линию передачи команд 75 для выключения и включения множества реле 90 в заданном порядке и в заданные интервалы времени в соответствии с алгоритмом, предварительно запрограммированным в главном ЦП 30. Предварительно запрограммированный в главном ЦП 30 алгоритм описан более подробно ниже.
С главным ЦП 30 соединено запоминающее устройство 60, которое, в числе прочего, сохраняет данные о величинах тока, проходящего через автоматические выключатели 100 на нагрузки, текущие положения и имевшие место режимы работы множества реле 90, а также приоритеты и условия управления нагрузками, которые заданы потребителем. Запоминающее устройство 60 может также хранить историю рассчитанного снижения потребляемой мощности, достигнутого системой 10.
Термин "самый низкий приоритет", используемый в описании изобретения и в формуле изобретения, относящийся к электрической линии потребителя, относится к той электрической линии, которую потребитель при требовании уменьшить нагрузку желает отключить первой. Термин "самый высокий приоритет", используемый в описании изобретения и в формуле изобретения, относящийся к электрической линии потребителя, относится к той электрической линии, которую потребитель при требовании уменьшить нагрузку желает отключить последней.
Приемник или приемопередатчик 20, также подключенный и электрически соединенный с главным ЦП 30, выполнен с возможностью получения информации от электроснабжающего предприятия (или, в более широком смысле, от источника электроэнергии) и, предпочтительно, отправки информации электроснабжающему предприятию. Полученная информация может содержать требования об управлении нагрузками. Отправленная информация может содержать представляющие интерес для электроснабжающего предприятия данные о снижении потребляемой мощности и данные о потребляемой мощности. Приемопередатчик 20 может получать и отправлять сигналы по проводам или с помощью беспроводного модема, радиочастотной сигнализации или любой другой альтернативной технологии, известной специалистам.
Приемопередатчик 20 может быть также сконструирован таким образом, чтобы получать от потребителя информацию о приоритетности. Ввод данных от потребителя обсуждается более подробно ниже.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления датчик 120 выявляет падение частоты электросети или другие сигналы входящей электрической линии переменного тока и посылает эти сигналы, или соответствующие данные, на главный ЦП 30. Датчик 120 выполнен с возможностью электрического соединения с входящей электрической линией переменного тока и электрически соединен с главным ЦП 30.
Как правило, гибкое уменьшение нагрузки начинается, когда приемопередатчик 20 получает сигнал от электроснабжающего предприятия с требованием уменьшить потребление на конкретно заданную или не заданную конкретно величину. Конкретное требование может содержать абсолютное количество, процент от текущего потребления, процент от номинальной мощности или процент от среднего потребления. Главный ЦП 30, с помощью предварительно запрограммированного в нем алгоритма, включает и выключает множество реле 90 для достижения требуемого уменьшения потребления, пока приемопередатчик 20 не получит другой сигнал, сигнализирующий об окончании необходимости уменьшения потребляемой мощности. В это время главный ЦП 30 возвращает множество реле 90 в их прежние положения, в которых они находились до требования об уменьшении потребления.
В альтернативном варианте уменьшение потребления в системе 10 может быть инициировано главным ЦП 30, когда датчик 120 при измерении получает значение частоты ниже заранее установленного порогового значения частоты. Частота в электрической линии падает, когда имеет место максимум потребления электроэнергии и электрическая сеть работает в "напряженном" режиме. В качестве альтернативы, датчик 120 может выявлять любой другой заранее установленный сигнал от электроснабжающего предприятия, подаваемый на входящую электрическую линию переменного тока, который означает, что необходимо уменьшить потребляемую мощность. Уменьшение нагрузки (потребления) продолжается до тех пор, пока датчик 120 не покажет, что частота электрической линии превышает заранее установленное пороговое значение, или до тех пор, пока датчик 120 не определит, что необходимость в уменьшении потребления электроэнергии отпала, или по получению любого другого заранее установленного сигнала, поступающего от электроснабжающего предприятия на входящую электрическую линию переменного тока. После получения такой информации от датчика 120 главный ЦП 30 возвращает множество реле 90 в их прежние положения, в которых они находились до требования уменьшить потребление.
В случае аварийной ситуации, когда нет времени для гибкого управления нагрузками, приемопередатчик 20 может получить требование немедленного снижения потребления до тех пор, пока не восстановится стабильность электрической сети. Система 10 может автоматически включить некоторые или все реле. Такие действия могут помочь предотвратить выход из строя электрической сети и дают возможность электроснабжающему предприятию быстрее устранить повреждение.
Потребитель электроэнергии вводит свои предпочтения в предварительно программируемый алгоритм в главном ЦП 30, используя устройство ввода 40, электрически соединенное с главным ЦП 30, и потребитель видит свои предпочтения на дисплее 50, также соединенном с главным ЦП 30. Потребитель решает, какие автоматические выключатели и при каких условиях он хочет отключить, когда возникает необходимость в уменьшении потребления электроэнергии. Внутренние электрические сети обычно прокладываются так, что каждый автоматический выключатель отвечает за определенную зону или за сходные типы нагрузок. Большие электрические нагрузки, которые связаны с такими электроприборами, как нагреватели, кондиционеры, оборудование для бассейна, стиральные машины, сушильные машины и т.п., обычно имеют свои собственные автоматические выключатели. Клиент может изменить свои приоритеты и условия в любое время.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, если система 100 электрически соединена со всеми электрическими цепями, ответвляющимися от главного автоматического выключателя 110, то нет необходимости в датчике 130 тока, измеряющем общий ток, проходящий через все нагрузки, поскольку главный ЦП 30 может получать общий ток, суммируя текущие значения множества датчиков 80.
Используемый в описании изобретения и в формуле изобретения термин "гибкое управление нагрузками" означает по отношению к такой системе, как система 100, что главный ЦП непосредственно реагирует на приоритеты и предпочтения, которые введены потребителем электроэнергии или клиентом.
Если теперь обратиться к Фиг.2, то на ней можно видеть приведенный в качестве примера график потребляемой мощности потребителем во времени, показывающий, как система, соответствующая настоящему изобретению, управляет нагрузками потребителя при меняющихся электрических нагрузках на сеть. Когда система 100 гибкого управления нагрузками получает команду или указание на снижение потребляемой мощности во время максимальных нагрузок, система регулирует нагрузки так, чтобы потребляемая мощность не превышала порогового значения 200 в течение любого существенного периода времени. Пороговое значение 200 потребляемой мощности может определяться различным образом, включая абсолютную потребляемую мощность, процентное отношение к текущему потреблению, процентное отношение к номинальной мощности нагрузок потребителя, процентное отношение к средней потребляемой мощности или посредством другого параметра или комбинации параметров.
В момент времени Т1 по меньшей мере одна дополнительная нагрузка начинает получать электроэнергию от источника электроэнергии, и соответственно возрастает потребляемая мощность. В момент времени Т2 потребляемая мощность немного снижается, в то время как в момент времени Т3 имеет место дополнительный рост потребляемой мощности. В момент времени Т4 система 100 получает требование снизить потребляемую мощность в помещениях до порогового значения 200 потребляемой мощности. На основании алгоритмов, предварительно запрограммированных в главном ЦП 30, и на основании предпочтений и приоритетов потребителя, заранее введенных в главный ЦП 30, главный ЦП 30 решает, какие реле следует включить, и дает команды соответствующим реле. Впоследствии главный ЦП 30 дает команды реле с целью удержать потребляемую мощность ниже порогового значения 200.
Главный ЦП 30 постоянно следит за током в каждой электрической линии множества датчиков 80 и, факультативно, за общим током, проходящим по основной электрической линии (измеряемым датчиком 130), с тем, чтобы регулировать потребляемую мощность в любой заданный момент времени. В момент времени Т5 главный ЦП 30 выявляет падение общего тока в помещениях, что обычно является следствием того, что отключаются одна или более нагрузок. В результате главный ЦП 30 определяет, в соответствии с предпочтениями и приоритетами потребителя в отношении нагрузок, какое (одно или более) из множества реле 90 должно быть выключено. Затем ЦП 30 рассчитывает, на основании накопленных данных по потребляемой мощности через соответствующие электрические линии (например, о потреблении непосредственно перед предыдущим отключением или о средней по времени потребляемой мощности за предварительно определенный промежуток времени), какая линия, или линии, могут быть снова подключены к источнику электроэнергии без превышения общей потребляемой мощности порогового значения 200. В момент времени Т6 реле, соответствующее самому низкому приоритету потребителя (как установлено главным ЦП 30), выключается, но реальная нагрузка оказывается выше, чем ожидалось, так что общая потребляемая мощность превышает пороговое значение 200. Соответственно, главный ЦП 30 включает выключенное последним реле с тем, чтобы потребляемая мощность вернулась (в момент времени Т6') к значению ниже порогового значения 200 потребляемой мощности. Затем главный ЦП 30 определяет, можно ли выключить реле, следующее по мере повышения приоритета. Также система 100 будет повторно пытаться выключить включенное реле, имеющее самый низкий приоритет потребителя, через заранее установленный интервал времени (например, 30 мин), если это реле не будет уже снова выключено. В момент времени Т7 соответствующие реле выключаются, и общая потребляемая мощность остается при этом ниже порогового значения 200.
В момент времени Т8 главный ЦП 30 обнаруживает еще одно падение потребления электроэнергии из-за того, что одна или более нагрузок отключены, поэтому в момент времени Т9 главный ЦП 30 может подсоединить дополнительные нагрузки, выключая другое (или другие) реле. ЦП 30 решает вопрос о выключении реле, основываясь на разнице между. В момент времени Т10 главный ЦП 30 получает требование завершить уменьшение потребления и соответственно переводит все реле множества 90 в положения, в которых они находились перед первоначальным требованием уменьшить потребление.
В случае когда в системе 10 активируется уменьшение потребления, потребителю может быть компенсирована разница в потреблении мощности до и после снижения потребления. Прямая связь между сэкономленной мощностью и денежной компенсацией имеет то преимущество, что электроснабжающее предприятие оплачивает дополнительно полученную мощность, а не оплачивает программы абонентов на основе фиксированной цены, вне зависимости от того, требовалось или не требовалось электроснабжающему предприятию снизить потребляемую мощность. Кроме того, клиент, который получает компенсацию, которая пропорциональна достигнутому им снижению потребляемой мощности, получает дополнительный стимул, чтобы пытаться сэкономить еще больше.
Кроме того, потребителю будет удобнее в случае, когда он самостоятельно решает, какие нагрузки подлежат отключению, а не электроснабжающее предприятие решает вместо него. Также вероятность того, что потребитель продолжит свое участие в программе, будет выше в случае, если у него будет возможность менять свои установки в соответствии со своими текущими потребностями.
Гибкая система управления нагрузками, уменьшающая мощность, потребляемую потребителем, во время максимальных нагрузок, имеет преимущество по нескольким причинам. Потребитель сам выбирает параметры и приоритеты уменьшения потребления и может легко поменять их в любое время. Кроме того, потребитель вводит эти данные самостоятельно и может внести изменения в соответствии со своими изменившимися нуждами.
Еще одним преимуществом гибкой системы управления нагрузками является то, что предварительно запрограммированный алгоритм непрерывно контролирует ток, и, соответственно, выключает и включает множество реле 90 так, что мощность экономится с минимальными потерями удобства для потребителя. Постоянный или частый опрос датчиков тока 80 позволяет главному ЦП 30 в реальном времени переналаживать выключение и включение реле 90 при изменениях в потреблении энергии, так чтобы система, насколько это возможно, придерживалась приоритетов, установленных потребителем.
Кроме того, эта система относительно простая и недорогая, поскольку для нее требуется только один главный ЦП. Представленная настоящим изобретением система гибкого управления нагрузками содержит немного электронных компонентов и использует простые и надежные способы коммуникации. С помощью системы, представленной настоящим изобретением, можно избежать различных сложных и дорогостоящих коммуникаций между процессорами, как это имеет место в известных системах.
Термин "только один главный ЦП" и ему подобные, используемый в описании изобретения и в формуле изобретения относительно системы управления нагрузками, означает, что, кроме главного ЦП, расположенного между главным автоматическим выключателем 110 и локальными автоматическими выключателями 100, никаких дополнительных локальных ЦП, расположенных между локальными автоматическими выключателями 100 и нагрузками потребителя, нет.
Термин "непосредственно реагирующий на команды главного ЦП" и ему подобные, используемый в описании изобретения и в формуле изобретения относительно реле или релейного блока, означает, что реле или релейный блок управляется непосредственно командами главного ЦП, без помощи дополнительных ЦП, расположенных между главным ЦП и по меньшей мере одной нагрузкой, соединенной последовательно с реле или релейным блоком.
Подразумевается, что термин "потребляемая мощность" и ему подобные, используемый в описании изобретения и в формуле изобретения, включает в себя родственные параметры потребления энергии и потребления тока. Подобно этому подразумевается, что термин "пороговое значение потребляемой мощности" включает в себя порог потребления тока или точнее порог потребления тока за единицу времени.
Представленная настоящим изобретением гибкая система управления нагрузками предпочтительно расположена в одном месте, ее элементы не распределены по помещениям потребителя. Поэтому установка и обслуживание этой системы осуществляется легко и недорого. Кроме того, элементы этой системы гораздо меньше подвержены повреждениям, чем компоненты системы, которые присоединяются к различным нагрузкам или устанавливаются возле них.
Хотя настоящее изобретение описывается со ссылками на определенные варианты осуществления, ясно, что многие другие варианты, модификации и разновидности будут очевидны специалистам в этой области техники. Таким образом, это означает, что настоящее изобретение охватывает все подобные варианты, модификации и разновидности, которые соответствуют сущности прилагаемой формулы изобретения в широких пределах.
1. Компьютеризированная система управления нагрузками для контроля и регулирования потребления электроэнергии потребителем, имеющим множество нагрузок, которая включает в себя:
(a) главный центральный процессор, соединенный с источником электроэнергии и выполненный с возможностью получения сигнала от него;
(b) запоминающее устройство, соединенное с главным центральным процессором;
(c) множество управляемых релейных блоков, соединенных с множеством нагрузок при помощи множества локальных автоматических выключателей, причем каждый релейный блок из этого множества содержит:
(i) реле, реагирующее на команды главного центрального процессора;
(ii) датчик тока, электрически соединенный с упомянутым реле, причем реле и датчик тока электрически соединены с главным центральным процессором, и
(iii) электрическую линию, первый конец которой соединяет источник электроэнергии с релейным блоком, а второй конец соединен с локальным автоматическим выключателем, соединенным с по меньшей мере одной нагрузкой;
причем каждый датчик тока выполнен с возможностью передачи в главный центральный процессор данных относительно тока, проходящего через отдельный локальный автоматический выключатель из множества локальных автоматических выключателей,
и причем главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи на реле каждого из упомянутых релейных блоков команд на основании упомянутого сигнала, получаемого от источника электроэнергии, и на основании набора правил, предоставленных главному центральному процессору, причем этот набор правил включает в себя информацию о приоритетности нагрузок,
так что каждое реле выключается или включается по команде от главного центрального процессора с прекращением или возобновлением подачи электроэнергии в каждую отдельную электрическую линию;
причем главный центральных процессор выполнен с возможностью передачи на каждое реле команд включения и выключения таким образом, чтобы общая потребляемая упомянутым множеством нагрузок мощность оставалась ниже некоторого порогового значения потребляемой мощности.
2. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что между компьютеризированной системой управления нагрузками и ее соединением с источником электроэнергии включен главный автоматический выключатель, причем компьютеризированная система управления нагрузками полностью расположена между главным автоматическим выключателем и локальными автоматическими выключателями.
3. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор, упомянутое запоминающее устройство и упомянутые релейные блоки размещены в одном корпусе.
4. Система управления нагрузками по п.2, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор, упомянутое запоминающее устройство и упомянутые релейные блоки размещены в одном корпусе.
5. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор выполнен с возможностью передачи источнику электроэнергии информации, касающейся потребляемой мощности.
6. Система управления нагрузками по п.5, отличающаяся тем, что упомянутая информация основана на упомянутых данных, предоставляемых каждым упомянутым датчиком тока.
7. Система управления нагрузками по п.5, отличающаяся тем, что упомянутая информация касается электроэнергии, сэкономленной в процессе управления нагрузками.
8. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор выполнен с возможностью отображения упомянутой информации о приоритетности нагрузок для включения и выключения упомянутых релейных блоков.
9. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор выполнен с возможностью получения от пользователя исходных данных, касающихся очередности и условий для включения и выключения упомянутых реле.
10. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя:
(d) датчик тока, соединенный с упомянутым источником электроэнергии и упомянутым центральным процессором, для измерения полного тока, проходящего через нагрузки, как функции времени, и для предоставления центральному процессору данных, касающихся этого тока.
11. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый главный центральный процессор регулирует порядок выключения и включения упомянутых реле на основании правил, предварительно запрограммированных в главном центральном процессоре, причем эти правила включают в себя следующее:
(I) главный центральный процессор включает по меньшей мере первое из упомянутых реле для того, чтобы отключить подачу электроэнергии на по меньшей мере одну из упомянутых нагрузок, соответствующую самому низкому приоритету потребителя.
12. Система управления нагрузками по п.11, отличающаяся тем, что до выполнения (I) главный центральный процессор определяет на основании ранее накопленных данных о токе, протекающем через упомянутое первое реле, что отключение электроэнергии позволит уменьшить упомянутую общую потребляемую мощность до уровня ниже упомянутого порогового значения потребляемой мощности.
13. Система управления нагрузками по п.11, отличающаяся тем, что упомянутые правила дополнительно включают в себя следующее:
(II) главный центральный процессор в существенной степени непрерывно проверяет потребляемую мощность в каждой из упомянутых электрических линий и, когда наблюдается уменьшение упомянутой общей потребляемой мощности, главный центральный процессор определяет, что по меньшей мере одно конкретное реле из упомянутого множества релейных блоков может быть выключено без превышения упомянутого порогового значения потребляемой мощности, и затем дает команду упомянутому конкретному реле на выключение для возобновления подачи электроэнергии через это конкретное реле.
14. Система управления нагрузками по п.13, отличающаяся тем, что упомянутые правила дополнительно включают в себя следующее:
(III) после того как по меньшей мере одно такое конкретное реле выключится, главный центральный процессор проверяет, чтобы упомянутая общая потребляемая мощность все еще оставалась ниже упомянутого порогового значения потребляемой мощности.
15. Система управления нагрузками по п.13, отличающаяся тем, что упомянутые правила дополнительно включают в себя следующее:
(IV) если главный центральный процессор определяет, что упомянутая общая потребляемая мощность превышает упомянутое пороговое значение, то главный центральный процессор включает реле с самым низким приоритетом из упомянутых релейных блоков.
16. Система управления нагрузками по п.15, отличающаяся тем, что упомянутые правила дополнительно включают в себя следующее:
(V) выждав заранее определенное время, главный центральный процессор делает повторную попытку выключения упомянутого реле с самым низким приоритетом.
17. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что между упомянутым источником электроэнергии и упомянутыми нагрузками расположен только один упомянутый главный центральный процессор.
18. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые релейные блоки непосредственно реагируют на команды главного центрального процессора.
19. Система управления нагрузками по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из упомянутых релейных блоков соединен с по меньшей мере двумя электроприборами.
