CN106463961B - 频率响应 - Google Patents

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Abstract

描述的是用于控制电力网中的电网频率的控制系统和方法。由监测装置(120)在电网中的一个或多个预定义位置处监测电网频率，并且进行是否已满足与监测频率相关的一个或多个条件的确定。基于该确定而开启控制时间段，将在控制时间段期间控制一个或多个预定义位置中的一个或多个位置处的电网频率。确定与该控制时间段期间的电网频率中的变动相关的一个或多个变动特性。发送控制指令，该控制指令包括用来控制至和/或来自第一多个电力单元(119)中的各电力单元的电力流以控制监测频率的指令。控制指令基于与电力单元相关的配置文件信息和确定出的一个或多个变动特性而生成。

Description

频率响应
技术领域
本发明涉及电力网中的电网频率的控制。
背景技术
自20世纪中叶全球范围内的大型电力网的交流(AC)电的频率的标准化以来，电力消费者已能够享受一致且可靠的电力服务，从而确保电器设备的安全和可重复使用。例如，在英联邦，将标准化的标称电网频率设定为50Hz。为提高电网频率的可靠性，电网运营商提供围绕标称电网频率的频率范围，在该标称频率外，它们会向服务供应商或消费者确保电网频率不会偏离。例如，使用50Hz的标称英联邦电网频率，电网运营商可定如下目标：电网频率不应超出50±0.5Hz(或标称频率的±1％)的范围之外。
电网频率主要依赖于由附接于电网的电力发电机所产生的电的频率。大容量发电机可(例如)由并入在线圈内旋转的磁极的从动块体组成。该块体例如可由作用在涡轮机上的蒸汽驱动，其中，蒸汽例如通过燃烧化石燃料而产生。考虑到与发电机相关联的磁极的数量，所产生的电的频率与发电机的旋转速度成比例。例如，具有以1000RPM旋转的6个磁极的发电机将产生频率为50Hz的电。在发电的其它示例中，例如生成直流(DC)电的那些，诸如太阳能板，可采用逆变器以向电网提供某一频率，例如标称电网频率的交流电。
在电力的供应和消耗是平衡的电网中，发电机的转速例如可以被设置为精确地产生具有标称电网频率的电网频率。然而，如果电力平衡发生变化，例如需求突然增加，则响应于此变化，例如用于涡轮机的给定驱动的发电机的转速可减小。因此，所生成的电力的频率可下降，并因此电网频率可下降。这种情况可通过向发电机的涡轮机施加更大驱动来矫正，但是这会花费相当多的时间，或在发电机以全容量工作的情况下不可行。例如，在电站或互连器突然从电网断开时，也会出现突然的电力不平衡。在电力需求突然减少的情况下，发电机可降低其电力输出以便使电网频率相应返回到标称频率。同样地，由于需求减少或(例如)如果当损失互连器时该互连器正从电网输出电力，这两种情况影响电力平衡，可能存在发电机的转速增加并因此致使所产生的电的频率及因此电网频率增大。
解决非期望的频率变化的现有方法是以降低的容量运行发电机，例如，发电机的电力输出可被设置在发电机的总输出容量的95％。例如，如果电力平衡存在变化，从而产生电网频率的变化，这些发电机可以通过在几秒或数十秒内相应地提供增加或减少的电力输出来作出响应。
然而，在预期的可能相对少见的事件中，以降低的电力输出电平运行发电机组是不经济的。此外，发电机能够依其提供响应的速度可能不足以将电网频率保持在指定的范围内，例如针对特别突然的事件、针对涉及特别大的频率变化的事件或针对发生在相对小的电网(诸如与岛国诸如英联邦或新西兰相关联的小电网)中的事件。突然变化后约第一秒内所提供的响应可对减少与电网频率从标称值的偏差相关联的负面效果(例如损坏大型电机)具有最大的影响。
解决电网频率的变化的另外方法是布置装置(诸如用户设备)来监测在他们的位置处的电网频率并根据预定的标准对电网频率的变化做出反应。例如，响应于频率突然下降，可减少电力的消耗以便抵消此类变化。WO2011085477A1提供此方法的示例。然而，这些方法是不灵活的，因为它们局限于对电力平衡的局部变化产生局部响应。此外，大量局部实施响应提供的集体响应是不确定的，并可能(例如)导致集体过度响应。
本文所述的本发明的实施例的目标是至少减缓现有技术中的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于电力网中的控制系统，电根据电网频率而在电网中流动，其中，电力网连接至分布式的多个电力单元中的一个或多个，电力单元均布置成消耗来自电力网的电力和/或向电力网提供电力，使得所述电力单元提供和/或消耗的电力的变化导致该电力网中的电力流的变化，从而改变该电力单元对电网频率的贡献，该控制系统包括：
处理装置；以及
通信装置，
其中，该处理装置被配置成：
监测该电力网中的一个或多个预定义位置处的电网频率；
确定已满足与该监测频率相关的一个或多个条件；
基于该确定而开启控制时间段，将在该控制时间段期间控制在一个或多个预定义位置中的一个或多个处的电网频率；
基于该监测，确定与在所述控制时间段期间的电网频率变动相关的一个或多个变动特性；
经由通信装置向分布式多个电力单元中的第一多个电力单元发送控制指令，该控制指令包括用于控制至和/或来自第一多个电力单元中的各者的电力流以便控制该监测频率的指令，其中，该控制指令基于下列各项生成：
与分布式多个电力单元相关的配置文件信息，该配置文件信息包含与第一多个电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性相关的信息；以及
所确定的一个或多个变动特性，
使得第一多个电力单元在所述时间段期间向电网频率提供时变贡献(time-varying contribution)。
在一些实施例中，第一多个电力单元基于配置文件信息从分布式多个电力单元选择出。
在一些实施例中，响应于已满足与监测频率相关的一个或多个条件的确定，选择待包含在第一多个电力单元中的电力单元。
在一些实施例中，控制系统相应地包括存储配置文件信息的数据存储器。
在一些实施例中，数据存储器被配置成存储与一组或多组电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性相关的配置文件信息，其中，组由第一多个分布式的电力单元中的至少一些电力单元形成。
在一些实施例中，一组或多组电力单元由具有共同或类似电力等级、响应时间特性、电网位置和/或地理位置中的一个或多个的电力单元组成。
在一些实施例中，一个或多个电力消耗和/或提供特性与提供容量、消耗容量、特性响应时间、特性响应函数、提供或消耗状态以及可用状态中的一个或多个相关。
在一些实施例中，控制系统包括用于执行与电网频率相关的一个或多个测量的一个或多个测量装置，并且其中，所确定的一个或多个变动特性从一个或多个测量中导出。
在一些实施例中，控制系统被配置成从一个或多个远端测量装置接收已满足与监测频率相关的一个或多个条件的一个或多个指示，并且已满足与监测频率相关的一个或多个条件的确定至少部分基于该条件。
在一些实施例中，已满足一个或多个条件的确定包括：将与监测频率相关联的一个或多个值和一个或多个阈值比较。
在一些实施例中，该确定包括评估一个或多个值是否位于一个或多个范围内，其中，一个或多个范围中的各个范围被定义为位于该阈值中的两个阈值之间，并且其中，在一个或多个值中的一个或多个位于该一个或多个范围中的一个或多个之外时，满足该一个或多个条件。
在一些实施例中，一个或多个值之一与电网频率的预测值相关。
在一些实施例中，预测值基于预测过程生成，该过程包括：
定义与监测频率相关联的一系列值，并
基于与监测频率相关联的该系列值确定多项式函数。
在一些实施例中，一个或多个变动特性基于电网频率的变动的预测来确定。
在一些实施例中，电网频率的预测包括：
定义与至少一个频率特性相关联的一系列值，并且
基于与至少一个频率特性相关联的该系列值来确定多项式函数。
在一些实施例中，该处理装置进一步被配置成：
定义与在第一时间段期间的第一频率特性相关联的第一系列值和与在后面的第二时间段期间的第一频率特性相关联的第二系列值；
基于所述第一系列值而确定具有第一组系数的第一多项式函数和基于所述第二系列值而确定具有第二组系数的第二多项式函数。
在一些实施例中，控制指令基于第一组系数和第二组系数之间的差值来生成。
在一些实施例中，已满足一个或多个条件的确定包括评估在第一组系数和第二组系数之间的差值。
在一些实施例中，已满足一个或多个条件的确定进一步包括：在第一组系数中的多个系数之一与第二组系数中的多个系数之一之间的差值低于或高于预定阈值和/或在预定范围内的确定。
在一些实施例中，频率特性与交流电压的频率、交流电流的频率、在电力网中流动的电力的频率、频率的变化率、和交流电流的周期中的一个或多个相关。
在一些实施例中，发送控制指令包括：
发送第一组的一个或多个控制指令，并且
继发送第一组的一个或多个控制指令之后，发送一个或多个其他组的一个或多个控制指令。
在一些实施例中，响应于基于继发送第一组的一个或多个控制指令之后监测电网频率而确定出已满足一个或多个其他条件，来生成一个或多个其他组的一个或多个控制指令中的至少一者。
在一些实施例中，一个或多个其他条件包括与监测频率特性相关的一个或多个值低于或高于预定阈值和/或在预定的值的范围内。
在一些实施例中，其他组的一个或多个控制指令中的至少一者被发送给分布式的多个电力单元中的第二多个电力单元，其中，第二多个电力单元不同于第一多个电力单元。
在一些实施例中，处理装置被配置成基于配置文件信息生成控制时间表(controlinstruction)并基于该控制时间表发送控制指令，该控制时间表指定控制至和/或来自第一多个电力单元的电力流的一个或多个时间。
在一些实施例中，控制时间表根据监测电网频率的期望时间配置文件来生成。
在一些实施例中，控制指令包括下列项中的一个或多个：用来切断、接通、增加或减少电力提供、增加或减少电力消耗、改变某一时间内的电力提供和/或消耗、根据指定的时间配置文件改变电力提供和/或消耗的指令。
根据本发明的第二方面，提供一种控制电力网中的电的频率的方法，电根据电网频率而在电网中流动，其中，电力网连接至分布式的多个电力单元中的一个或多个，电力单元均被配置成消耗来自电力网的电力和/或向电力网提供电力，使得由所述电力单元的提供和/或消耗的电力的变化导致电力网中的电力流的变化，从而改变该电力单元对电网频率的贡献，该方法包括：
监测电力网中的一个或多个预定义位置处的电网频率；
确定已满足与监测频率相关的一个或多个条件；
基于该确定，开启控制时间段，将在该控制时间段期间控制一个或多个预定义位置处中的一个或多个的电网频率；
基于该监测，确定与在所述控制时间段期间的电网频率的变动相关的一个或多个变动特性；
经由通信装置向分布式多个电力单元的第一多个电力单元发送控制指令，该控制指令包括控制至和/或来自第一多个电力单元中的每者的电力流以便控制监测频率的指令，
其中，该控制指令基于下列项生成：
与分布式多个电力单元相关的配置文件信息，该配置文件信息包含与第一多个电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性相关的信息；以及
所确定的一个或多个变动特性，
使得第一多个电力单元在所述时间段期间对电网频率提供时变贡献。
根据本发明的第三方面，提供一种包括一组指令的计算机程序，该组指令在处理单元上运行时，使该处理单元执行根据第二方面的方法。
根据本发明的第四方面，提供一种具有一组指令存储在其上面的计算机可读介质，该组指令在处理单元上运行时，使该处理单元执行根据第二方面的方法。
附图说明
图1为示出本发明可在其中实施的同步电力网的示意图；
图2a为示出用于与本发明一起使用的电力单元控制器的示例性实施例的示意图；
图2b为示出用于与本发明一起使用的电力单元控制器的示例性实施例的示意图；
图3为示出用于与本发明一起使用的控制节点的示例性实施例的示意图；
图4为示出本发明可在其中实施的示例性网络的示意图；
图5为示出根据本发明的实施例而执行的步骤的流程图；
图6a为示出电网频率的值的示例性预测的监测电网频率对时间的示例性曲线图；
图6b为示出电网频率的值的示例性预测的监测电网频率对时间的示例性曲线图；
图6c为示出电网频率的值的示例性预测的监测电网频率对时间的示例性曲线图；
图7a为示出针对监测频率而定义的一系列间隔的示意图；
图7b为示出检测频率如何能够用多项式函数来拟合的示意图；
图7c为示出检测频率如何能够用多项式函数来拟合的示意图；
图7d为示出检测频率如何能够用多项式函数来拟合的示意图；
图7e为示出检测频率如何能够用多项式函数来拟合的示意图；
图7f为示出检测频率如何能够用多项式函数来拟合的示意图；
图8a为在三种不同情形下的监测电网频率对时间的示例性曲线图；
图8b为示出根据本发明的实施例所生成的示例性控制时间表的示意图；
图8c为示出根据本发明的实施例所生成的示例性控制时间表的示意图。
具体实施方式
将电从供应商(诸如电站)供应到消费者(诸如家庭住户和企业)，通常经由配电网或电力网而发生。图1示出本发明的实施例可在其中实施的示例性电力网100，其包括输电网102和配电网104。
输电网102被连接到发电机106，其可以是例如核电站或燃气电厂，输电网102通过电力线路(诸如架空电力线路)将大量的电能以非常高的电压(通常为数百kV的量级)从该发电机传输到配电网104。
输电网102经由变压器108被链接到配电网104，该变压器将电力提供转换为较低的电压(通常为50kV的量级)以用于在配电网104中分配。
配电网104经由变电站110连接(该变电站进一步包括用于将电力转换为较低电压的变压器)至局域网络，局域网络向连接到电力网100的电力消耗装置提供电力。局域网络可包含家庭消费者的网络，诸如城市网络112，其向私人住宅113内的家用电器供电，家用电器汲取相对少量的约几kW量级的电力。私人住宅113也可使用光伏装置115提供相对少量的电力以供住宅中的电器消耗或用于向电网供应电力。局域网络也可包含工业厂房，诸如工厂114，其中在工业厂房内运行的较大设备汲取约几kW到数MW量级的电力。局域网络也可包含较小发电机，诸如向电力网供电的风力发电场116的网络。
虽然为简洁起见，只有一个输电网102和一个配电网104在图1中示出，但是在实际中，典型的输电网102向多个配电网104供应电力以及一个输电网102也可被互连到一个或多个其它输电网102。
电力作为交流电(AC)在电力网中流动，该电力以可被称为电网频率(通常为50或60Hz，这取决于国家)的系统频率流动。电力网100以同步频率操作，使得该频率与电网的各点处的频率大致相同。
电力网100可包含一个或多个直流电流(DC)互连件(interconnect)117，其在电力网100和其它电力网之间提供直流电连接。通常，DC互连件117连接到电力网100的通常高压输电网102。DC电流互连件117提供在各种电力网之间的DC链路，使得电力网100定义以不受其它电力网的电网频率的变化影响的给定同步电网频率操作的区域。例如，英联邦输电网经由DC互连件连接到欧洲大陆的同步电网。
电力网100也包含电力单元119，其可消耗电力网100的电力或向该电力网提供电力。各电力单元119具有与其相关联的装置，其用于控制来自相关联电力单元119的电力的提供和/或消耗(在本文中，被称为“电力单元控制器”(PUC)118)相关联。
电力网100也包含采用测量装置120的形式的测量系统，该测量装置120被配置成测量电网的同步操作频率(在下文中，被称为电网频率)。
电力单元控制器118可单独设置给和/或被安装在电力单元119上。被安装在电力单元上的电力单元控制器的优点在于，该PUC接着可呈专用装置的形式，其中，存储在专用装置中的信息专用于其安装在上面的电力单元，因此减少PUC为可编程的需求，并因此降低与提供可编程功能(例如，用户界面)相关联的成本。然而，电力单元控制器被单独提供给电力单元的优点在于，PUC可以采用通用可编程装置的形式并且适用于任何电力单元，因此增加灵活性。
电力单元119可包含发电机106、在住宅113或工业厂房114中的设备和/或小型发电机，诸如风力涡轮机116或太阳能板115。
电力单元控制器118可与多个电力单元119相关联。例如，在风力发电场116中，虽然在风力发电场中存在许多涡轮机，但所有的涡轮机的电力输出经由至电网的单个连接被供应给电网，在此情况下，可仅存在与单个连接相关联的一个电力单元控制器118。
虽然为简单起见，仅有七个电力单元控制器118在图1中示出，但是应理解，实际上，电力网100可包括数百或数千个此类装置。此外，应理解，虽然为简单起见，仅有三个测量装置120在图1中示出，但是实际上，许多测量装置120可在相同的同步电力网100中运行，如下面参考图4所详述。
图1的电力网也包含本发明的控制系统的示例性实施例：如在下面参考图3所详述的控制节点(CN)130，该控制节点与一个或多个电力单元控制器118和一个或多个测量装置120(示例性通信装置在图1中通过天线示意性表示)通信，并可以向电力单元控制器118发送控制指令以影响与控制器118相关联的电力单元119的电力消耗和/或提供的变化。在控制电网中的电力单元的电力提供和/或消耗时，可抵消在所测频率中呈现的该电网中的电力不平衡。例如，如果发电机突然从电网中丢失(lost，损失)，则将存在提供不足，具有给定驱动的旋转的发电机的转速将响应于负载的相对增加而下降，如此产生的电的频率将相应下降，并因此电网频率也将下降。然而，如果控制电力单元以减少它们的消耗或增加它们的供应，则例如可缓解发电机所遭遇的负载的相对增加，并且电力提供和消耗的不平衡可得以改善，从而减小对电网频率的影响。
图2a示出连接到电力单元119的示例性电力单元控制器(PUC)118的示意图，该电力单元自身被连接到同步电力网100。在该示例性实施例中，PUC 118包括输入/输出通信接口(I/O)202、处理器204和数据存储器208。PUC 118被配置为控制与其相关联的电力单元119的操作。I/O接口202被配置成经由固定或无线通信网络而接收信息，例如表示来自CN130的控制指令的信息，该固定或无线通信网络可包含全球移动通信系统(GSM)、通用移动电信系统(UMTS)、长期演进(LTE)、固定无线接入(诸如IEEE 802.16WiMax)和无线网络(诸如IEEE 802.11WiFi)中的一个或多个。示例性通信装置在图2a中通过连接到I/O 202的天线203示意性表示。通信网络可由固定和无线通信装置的混合物组成。通信网络可包括网状网络，例如ZigBee网状网络。例如，在包括此网状网络的通信网络中，CN 130可经由该网中的一个或多个其它PUC 118与第一PUC 118通信。通信网络可包括多个网状网络，例如，各自向例如连接到固定通信网络的PUC 118附近的PUC 118分配控制指令。
在I/O接口202接收的信息可由处理器204处理并被存储在数据存储器208中。
处理器204可被配置成将所接收的信息转换为关联的电力单元119能够解译并实施的控制指令，如下面所述。
数据存储器208可存储涉及与其相关联的电力单元119的配置文件信息。该信息可例如包括与关联电力单元119的标识号、单元可用状态、单元地理或电网位置指示、单元控制历史、与单元的使用相关联的补偿率或单元的计划使用的时间表相关的信息。配置文件信息也可包含涉及与PUC 118相关联的电力单元119的一个或多个电力消耗和/或提供特性的信息，该信息可包括提供容量、消耗容量、特性响应时间、特性响应函数或者供应或消耗状态。
可将存储在数据存储器208中的信息传送至PUC 118和/或自PUC 118传送该信息，例如，经由I/O 202而自CN 130传送该信息和/或将该信息传送至CN 130。双向通信的能力可能是有利的，因为存储在PUC 118的数据存储器208中的配置文件信息的变化(例如可用状态的变化)可被传送至CN 130，CN 130可以接着更新其所存储的配置文件信息。相反，除了PUC从CN接收控制指令之外，该CN也可向PUC传送配置文件信息，使得PUC可更新其记录，例如关于标识号或组分配的配置文件信息。
考虑到存储在数据存储器208中的信息，处理器可解译在I/O 202处接收到的通用控制指令，并实施专用于电力单元119的电力单元119的控制。例如，通用控制指令可由PUC118的I/O 202接收以产生“具有位置指示器Y的X等级的电力单元将消耗减少至你消耗容量的Z％”，并且由PUC 118根据在数据存储器208中的信息来根据需要实施或其实未实施。
特定控制指令可被发送给特定PUC 118的I/O 202并由其接收，并且处理器可在没有参考存储在数据存储器中的配置文件信息的情况下实施该指令。例如，此可采用包含(例如)标头的广播消息的形式，该标头(例如)通过使用对各电力单元或电力单元组唯一的标识号而指定指令意欲用于其的电力单元，并且各电力单元或电力单元组仅对其标头包含其唯一或组标识号的控制指令作出响应。广播消息可能是有利的，因为所需的CN和PUC之间的通信带宽可相对较窄，因为需要广播相对少量的单独指令。在通过其它方式(例如通过现有计算机网络)的通信在(例如)远端位置中较昂贵或不可行的情形下，广播也会是有利的。
特定控制指令也可采用被明确地发送给各电力单元的控制指令的形式，例如，各电力单元可具有其自己的互联网协议(IP)地址，并且可将特定的控制指令发送给与控制指令意欲用于其的电力单元相关联的特定IP地址。将明确地被发送的特定控制指令发送至各PUC的优点在于：其减少PUC监听并解译控制指令的需求，并且可利用具有相对大的带宽的现有的分组交换网络。用于接收特定控制指令的通信信道也可被用于PUC与CN通信，例如发送其配置文件信息的更新。
图2b示出PUC 118'的替代示例性实施例，其包括连接到天线203'的输入/输出通信接口202'、处理器204'、数据存储器208'和电力调节器206'。在该实施例中，电力单元119经由电力调节器206'被连接到同步电力网100。除下列情况外，PUC 118'可以与图2a的PUC118以大体相同的方式操作：并非处理器204控制关联电力单元119的操作以产生来自和/或至电网100的电力消耗和/或提供，而是PUC 118'的处理器204'控制电力调节器206'，该电力调节器被配置成调节可用于供电力单元119消耗的电力和/或提供至可由电力单元119使用的电力的电网100的电力。例如，PUC 118'可在消费者装置的插头中实施，并且可调节例如能够由该装置汲取的最大电力。
PUC 118'的该替代实施例可有利于不具有内部控制电路(例如变压器)的或具有控制电路(其没有与外部控制电路接口连接或对控制指令或信令作出响应的装置)(例如，旧的家用加热电器，诸如恒温控制加热元件等)的电力单元，其中，经由控制电路控制电力单元是昂贵的或困难的，或者其中控制在某些点共用到电网的单个共用电连接的一组电力装置(例如，单个装宅的所有电器)很方便。
本发明的控制系统的示例为控制节点130，其在下面参考图3来详述。
图3为控制节点(CN)130的示例性实施例的示意图，该控制节点130包括采用输入/输出通信接口(I/O)302的形式的通信装置、采用处理器304的形式的处理装置和数据存储器306。在该示例性实施例中，CN 130通信连接到测量装置120，该测量装置120被配置测量同步电力网100的电网频率。示例性通信装置在图3中通过连接到I/O 302的天线303示意性表示。
测量装置120可被并入CN 130中。
测量装置120可在CN 130的远端。可存在不止一个通信连接到CN 130的测量装置120，并且不同的测量装置120可具有不同的地理或电网位置并且可测量与电网频率相关的不同局部特性。
可存在相对于电网100而操作的多于一个的CN 130，并且各测量装置120可通信连接至各CN 130。
测量装置120可为能够足够精确地检测或测量电力网的同步区域内的电网频率的任何装置。
与电网频率相关的时间段可被用作电网频率的量度。例如，为电压跨0V的时间之间的时间段的半周期的测量可被用作电网频率的量度。
在一些实施例中，可确定对应于完成半个周期(或完整周期)所花费时间的倒数的瞬时电网频率。频率数据可被均衡并数字滤波以去除例如涉及噪声的频率分量。
测量装置120可包括被配置以高于电网频率的频率采样电压的电压检测器以及被配置将采样电压转换为数字电压信号的模数转换器。例如，电压检测器可被配置为每周期采样电压1000次。数字电压信号可接着被处理以高精确度(在毫秒的范围内)地确定电压跨过0V的次数。
测量装置120可包括被配置以高于电网频率的频率采样电流的电流检测器，以及被配置为将采样的电流转换为数字电流信号的模数转换器，该数字电流信号可接着被处理以高精确度地(例如在毫秒的范围内)确定电流跨过0V的次数或与电流波形相关联的其它特性。
测量装置120可包括电压检测器和电流检测器两者。测量电压和电流两者跨过0V的次数允许测量装置120确定电压和电流的相对相位的变化，从而允许测量装置120补偿电网的同步区域中的无功功率的变化。这继而允许频率的更精确测量(或与频率有关的特性)。
在图3所示的实施例中，由测量装置120所测量的电网频率被传送至CN 130的处理器304，并且可被存储在数据存储器130中。
处理器304可被配置为使用由测量装置120所传送的电网频率量度来确定与电网频率有关的特性，例如，电网频率的频率、电网频率的变化率(即，其相对于时间的一阶导数)或电网频率的变化的曲率(即，其相对于时间的二阶导数)。这些特性可被存储在数据存储器306中。
在一些实施例中，测量装置120包括例如采用处理器的形式的处理装置，以及测量装置120的处理器可被配置以确定与电网频率有关的特性。这可能是有利的，因为这可减少需要测量装置所传送的信息量，并且也因为其可减少对CN的处理器施加的负担，即支持所测频率的分布式处理。
如图3所示的CN的示例性实施例的数据存储器306可含有关于连接到同步电力网100的电力单元119的配置文件信息。该配置文件信息可包括可被存储在如上所述的图2a所示的PUC 118的示例性实施例的数据存储器208中的一些或全部的配置文件信息。存储在数据存储器306中的配置文件信息也可包括连接到电网的电力单元119的通信细节。数据存储器306也可含有与电力单元组有关的配置文件信息。例如，组信息可包括为该组成员的电力单元的标识、由该组所产生的集体电力消耗和/或提供特性以及该组的集体特性响应时间或特性响应函数。该组可由相类似的电力单元形成，例如由具有共同或类似电力等级的电力单元形成。组可例如由最大运行功耗在1-10kW的范围内的电力单元形成。组也可例如由具有共同或类似响应时间特性、电网位置、地理位置、按时间/天/周/月/季度/年和/或最后贡献计的可用性、或任何其它特征的电力单元形成。对电力单元分组并且使组具有集体属性的信息可能有利于生成控制指令，因为这可减少个别地识别可用于产生一给定的集体响应的每一个电力单元的需要，并减少生成针对每一个个别电力单元的单独控制指令的需要。
数据存储器306可位于CN 130的远端，并且可分布于例如关联的PUC 118的数据存储器208中，并且处理器304可改为经由I/O 302提取一些信息，例如用于处理的配置文件信息。这可减少CN的存储需求并减少在系统中的存储信息的冗余。I/O 302可经由任何固定或无线通信装置与PUC 118的I/O 202通信，该通信的示例在上面参考图2a的PUC 118的I/O202已给出。也可存在与CN 130通信的一个或多个集中化大容量的数据存储器，其存储系统的电力单元的全部配置文件信息。这对于备份目的可能是有利的并且相比许多小的数据存储器而言是存储大量的信息的更加节省成本的方式。
处理器304被配置为基于与在一个或多个测量装置120处所测得的电网频率相关的变动特性并基于与电力单元119有关的配置文件信息，生成经由I/O 302发送给与电力单元119相关联的PUC 118中的一个或多个的控制指令。
图4为根据本发明的实施例的在示例性网络中的控制节点130的示例性实施方案的示意图。示例性网络进一步包括电力单元119a至119g以及测量装置120a至120c，各电力单元与对应的电力单元控制器(PUC)118a至118g相关联。CN 130通过通信链路401通信耦接至PUC 118a至118g中的每者和测量装置120a至120c中的每者，通信链路401由任何固定或无线通信装置，例如上面参考图2a所述的那些通信装置所提供。测量装置(例如，120a)可与一些电力单元(例如，119a和119b)位于相同或类似的地理或电网位置和/或位于远离任何电力单元的位置。
在如图4所示的示例性实施方案中，控制节点130从测量装置120接收电网频率的测量结果、基于所测得的频率并基于电力单元119a至119g的配置文件信息生成控制指令，并且向PUC 118a至118g中的一个或多个发送控制指令以便控制关联电力单元119a至119g的电力提供和/或电力消耗。协调来自集中化控制节点的电网频率的控制具有相较于(例如)不协调地局部控制局部电力单元的多个优点。例如，集中化控制能够响应于电网频率的局部、区域和/或全电网变化而协调全电网范围的响应，并允许有所有受控电力单元的集体响应的概观。所提供的响应可被协调成时变的，使得不同的电力单元在控制时间段期间的不同时间做出不同的贡献以提高灵活性并允许考虑在控制时间段期间电网频率的变动(例如，电网频率从标称值的偏差增加或减少)的定制响应。这种变动可根据下面所述的技术或基于在控制时间段期间正在进行的电网频率的监测而事先确定。可(例如)考虑一个或多个变动特性的变化，例如以从标称频率的增大的偏差或偏差率作为动态响应)而以交错的方式实施不同电力单元的控制。
图5为概述根据本发明的实施例的用于控制电力单元提供对电网频率的贡献的示例性过程的流程图。这可响应于诸如电网频率的突然变化的事件来完成，以便例如提供将电网频率操控至预期或标称值的贡献。
在步骤502中，监测在电网中的一个或多个预定义位置处的电网频率。该监测可包括在CN 130处接收由一个或多个测量装置120在一个或多个预定义位置处进行的电网频率测量的结果，如上面参考图3所述。测量的结果可被传送至CN 130的处理器304。处理器304可处理与所测得的频率相关联的值并将其存储在数据存储器306中。在不止一个位置测量电网频率能够建立频率行为的全电网图像，并因此允许协调最有效的响应，例如在一个区域中所产生的大的电网频率变化可能仅需要通过在相关区域中的响应来补偿，但是在此区域中的变化可指示其它区域所需的响应。例如，如果在低电网惯性的位置测得大的电网频率的变化，则可指示具有高惯性的电网的不同远端区域可即时经受显著的频率变化，并且可例如通知来自高惯性位置的测量分析：在此高惯性位置检测到的任何频率变化(而不是噪声)可能是由于真实的频率变化所造成。
在步骤504中，CN 130的处理器确定是否已满足与监测电网频率相关的一个或多个条件。这些条件可为与是否开启控制电力单元以便将电网频率恢复到标称值的控制时间段有关的条件。
处理器可被配置成通过比较与监测频率相关联的一个或多个值和阈值来确定步骤504的条件已得到满足且当跨过阈值时满足该条件。阈值可被存储在CN 130的数据存储器306中，和或例如经由I/O 302被传送至CN 130的处理器302以用于进行比较。阈值可例如被设定在由电网运营商设置的所测电网频率的标称频率的可接受变动的限制内，例如对于50Hz的标称值设定为49.5Hz，并且在所测得的频率越过(例如低于49.5Hz，)时，则阈值被越过并且条件得以满足。
处理器可被配置成通过评估监测频率是否位于值的范围内来确定已满足条件，该范围由两个阈值界定，并且在频率位于该范围之外时，该条件得以满足。例如，该范围可被设置为50±0.5Hz，并且在所监测频率位于此范围之外时，该条件得以满足。多个范围可被用于确定频率变化的严重程度，例如，如果被监测频率超出第一范围，例如50±0.2Hz，则频率变化为“低严重程度”并且仅实施适于“低严重程度”变化的响应。然而，例如，如果监测频率超出第二范围，例如50±0.4Hz，则频率变化为“高严重程度”并且实施适于“高严重程度”变化的响应，其例如可视情况涉及更多的电力单元或电力消耗和/或提供的更大的受控变化。
在一些实施例中，为了减少响应于电网频率的变化所花费的时间，局部测量的频率特性可被分析以支持电网频率的明显变化的早期识别。此分析可例如基于从测量装置120收集的数据在CN 130的处理器302执行，如下面所述。该分析可通过将数学函数，诸如多项式外推函数和/或二次曲线外推函数拟合至一系列监测频率值(例如，在观察窗中的一系列时间处绘制的)来执行。这可能涉及使用“滑动窗”方法将函数拟合至监测频率的覆盖第一观察窗的第一系列值。接着该窗被移动以将该函数拟合至监测频率的覆盖后面的第二窗的第二系列值。
在步骤504中已满足与监测频率相关的一个或多个条件的肯定确定之后，在步骤506中开启控制时间段，将在控制时间段期间控制在一个或多个预定义监测位置中的一个或多个位置处的电网频率。
控制时间段可为无限的，例如，开始于该控制时间段的开启处，且继续直到已确定监测频率已越过阈值或返回到频率范围内的时间，例如，该控制时间段可在监测频率返回以位于标称电网频率附近的范围，例如50±0.5Hz内结束。
例如，如果预先确定可接受或可期望仅在(例如)高达5分钟的最大组合持续时间内(在该时间之后，例如无法以此方式经济地实现控制)实现电力单元的电力消耗和/或提供的控制，则控制时间段可为预定义长度。
在步骤502至506之后，在步骤508中，基于电网频率的监测，确定与所述控制时间段期间的电网频率的变动相关的一个或多个变动特性。
在一些实施例中，CN的处理器304被配置为确定一个或多个变动特性。
该一个或多个变动特性可源于监测频率，并且可基于例如下面所述的数学技术和或基于在控制时间段期间的电网频率的连续监测而事先被确定。该一个或多个变动特性可包含在控制时间段期间的频率的变动(例如标称值的偏差的变动)的指示和/或频率变动的“形状”的表示。
变动特性可包含拟合至观察窗中的监测频率的多项式函数的一个或多个系数或未来一指定时间的监测频率的预测值，如下面参考图6a至图6c所述。
变动特性可包含：在拟合成第一观察窗中的第一系列值的第一多项式函数的一个或多个系数与拟合成在后面的第二观察窗中的第二系列值的第二多项式函数的一个或多个系数，或甚至拟合成在进一步后面的观察窗中的进一步系列值的进一步多项式函数的一个或多个进一步系数之间的一个或多个差值，如下面参考图7a至图7f所详述。
应理解，变动特性可在控制时间段期间改变，并因此在图5中的步骤508的一个或多个变动特性的确定在该控制时间段期间可连续发生或间隔地发生。在该控制时间段期间所确定的变动特性可包含能够描述在该控制时间段中的监测频率的变动的本质的任何特性。例如，监测频率是否或是否可能下降或上升、下降或上升多少、以什么速率下降或上升、根据什么函数形式下降或上升、何时和如何必须或可能停止下降或上升、以及何时和如何必须满足或可能满足结束控制时间段的条件，所有这些可通过监测频率的连续或间歇分析来确定，如上面参考步骤502至506所述。
基于在508中确定的一个或多个变动特性并基于与连接到电网100的分布式多个电力单元119相关的配置文件信息，可生成用于控制第一多个电力单元的电力消耗和/或提供的控制指令，如在图5的步骤510中所表示。控制指令可被生成以便抵消如在步骤508中所确定的变动特性所指示的电网频率的变动。
在一些实施例中，控制指令由CN 130的处理器304生成。控制指令可与步骤502至508同步生成或在该步骤502至508之后生成。在控制指令与步骤502至508同步生成的一些实施例中，控制指令可例如仅被激励作为(例如)经授权以仅在确定已满足步骤504的一个或多个条件时才被发送的控制指令。
在图5的步骤512中，在步骤510中所生成的控制指令被发送给第一多个电力单元，该电力单元从而被控制以在控制时间段期间对电网频率提供时变的贡献。控制指令经由CN130的I/O 302被发送给与各电力单元相关联的PUC 118的I/O 202。
在示例性实施例中，处理器304被配置为进行电网频率的预测并基于电网频率的预测值是否已越过阈值或位于频率范围之外来确定是否已满足条件。根据电网频率的预测值来确定是否已满足条件的处理在下面参考图6a至图6c来描述。
图6a至图6c示出电网频率f对时间t的示例性示意曲线图，其中，在各情况中，监测频率由实曲线“E”表示，并且其中，电网频率的预测值由黑星表示。在图6a至图6c中的每一个的时间轴上的“0”表示存在于各情况中的象征值(notional)，并且图6a至图6c中的每一个连续表示监测频率和在相继后续时间的预测频率的曲线。在这些示例中正常操作的假设标称电网频率为50Hz，并且频率的假设“可接受范围”为±0.5Hz。然而，应理解，标称电网频率可以为被选择为标称操作值的同步电力网的任何频率，并且电网频率的“可接受范围”可以为期望电网频率被保持在内的任何范围。
图6a为该序列中的最早期曲线图，并且示出所记录的监测频率“E”直到存在于时间“0”处的象征值接近50Hz。观察窗被定义在两个时间“A”和“B”之间，其中时间“B”被定义为存在于“0”的象征值，以及时间“A”被定义为从点“B”过去(比方说1秒)的设置时间。多项式拟合过程(例如，基于最小二乘法拟合)被应用于在观察窗中记录的监测频率。例如，该过程可确定观察窗中的函数f＝at2+bt+c的系数a、b和c，其导致监测频率自函数的最小总偏离。一旦确定用于观察窗的系数，则可通过解算t＝C(比方说C＝2秒)时的方程式f而可预测在将来的某一指定时间t＝0+C的电网频率，即，将拟合成观察窗的监测频率的函数外推至将来时间。在图6a中，在该观察窗中所拟合的函数很大程度上是线性的，并且此函数至时间“C”的外推产生由实星表示的预测频率。在图6a中的拟合函数具有小的梯度，并因此预测频率位于范围50+/-0.5Hz内，并因此例如图6a中的预测频率位于范围50+/-0.5Hz之外的条件还未满足。
除了时间已前移，已绘出进一步的监测频率“Ε”"以及被定义在“A'”和“Β'”之间的观察窗已前移之外，图6b所示与图6a相同。上述的多项式拟合过程现被再次应用于包含在该稍后的观察窗中的监测频率。由图6b中的虚线D'表示的针对观察窗所拟合的函数f'＝a't2+b't+c'具有一定曲率但梯度较小，这反映了监测频率在观察窗结束时下降的事实。在时间C’处的频率的预测解t＝C’时的f’来进行，其中，比方说C’＝2秒，并且此预测值在图6b中由实星表示。再者，预测频率并不位于范围50+/-0.5Hz之外，并因此，例如图6b中，预测频率位于范围50+/-0.5Hz之外的条件未满足。
除了时间已进一步前移，绘出更进一步的监测频率“Ε"”以及被定义在“A"”和“Β"”之间的观察窗已进一步前移之外，图6c所示与图6b相同。上述的多项式拟合过程现被再次应用于包含在此更后面的观察窗中的监测频率。由图6c中的虚线D"表示的被拟合用于观察窗的函数f"＝a"t2+b"t+c"具有一定曲率但更可观的梯度，这反映了监测频率在被定义在“A"”和“B"”之间的几乎整个观察窗中下降的事实。在时间C"处的频率的预测通过解t＝C"时的f"来进行，其中，比方说C’＝2秒，并且此预测值在图6c中由实星表示。在这里，预测频率位于范围50+/-0.5Hz之外，并因此例如，图6c中，预测频率位于范围50+/-0.5Hz之外的条件得以满足，并因此，例如电力单元可以受到控制的控制时间段可被开启。
在另外的示例性实施例中，处理器被配置为通过比较被拟合成一个或多个连续观察窗中的监测频率的一个或多个函数的系数来确定是否已满足条件，该示例性实施例现在参考图7a至图7f来描述。
图7a至图7f示出频率随着时间t的变动，其中，监测频率的值用二阶多项式函数来拟合。二阶多项式函数的函数形式为at2+bt+c，并且定义函数形式的参数为系数a、b和c。再者，多项式函数被拟合成连续的各观察窗的监测频率，其中，出于拟合目的，“t＝0”被相继重新定义为各连续观察窗内的一致点。
图7a示出在被标记为1至10的10个观察窗的时间段期间的所测频率特性。可以看出，在10个观察窗的过程中，存在监测频率的变化。具体地，监测频率在观察窗1、2和3期间是稳定的，并接着在观察窗4中的值开始减小。监测频率的变化率缓慢增加到观察窗6的最大变化率并接着该变化率减少直到观察窗10。
图7b至图7f示出二阶多项式函数到如图7a所示的监测频率的拟合。
在观察窗2期间(图7b)，监测频率是稳定的，使得拟合的多项式函数简化为梯度接近零的线性函数。
在观察窗4期间(图7c)，频率特性开始下降。在该窗中，监测频率可利用描述反抛物线(如虚曲线所指示)的多项式函数来最佳拟合。此反抛物线可例如通过系数“a”的负值来表征。在窗5期间(图7d)，监测频率的变化率(下降率)增加。因此，例如，窗5的监测频率(图7d)可利用描述在窗内具有较陡梯度的较尖的反抛物线的多项式来最佳拟合。此较陡梯度可例如通过系数“b”的大小的增大来表征。
在窗6期间(图7e)，监测频率进一步简化，但是以实质上单调的方式，并因此可利用线性函数来最佳拟合。线性函数具有系数a＝0，其也标记监测频率的象征性函数形式的拐点。
在窗8期间(图7f)，监测频率穿过拐点并且监测频率的变化率减小。因此，监测频率可利用非反抛物线来最佳拟合。此非反抛物线可例如通过系数“a”的正值来表征。从上述的示例可以看出，通过比较拟合成一个观察窗的监测频率值的多项式函数的系数和针对后一观察窗的系数，例如，可以检测呈拟合函数的形式的显著变化，诸如监测频率开始减小(或实际上增大)(通过检测系数具有非零的值)、监测频率的变化率的变化(通过检测系数的大小的变化)和监测频率的转折点或拐点(通过检测一个或多个系数的符号的变化)。因此，在此实施例中，已满足一个或多个条件的确定可包括：确定在连续观察窗中的一个或多个系数之间的差值和确定该差值的大小和/或符号是否位于一个或多个范围内并且在一个或多个差值位于一个或多个范围之外时，满足条件。
此外，可通过确定多项式函数的系数如何在时间间隔之间改变，外推频率特性有可能的改变量。通常，可随着检测频率接近转折点(图7e)，而准确地估计频率特性的总减弱(或增强)；这通常与频率特性开始减弱之后的一时间(约500毫秒)对应，该时间可为比达到阈值所花的时间明显更短的时间框(例如，约几秒)。
在上述实施例中，可以将不同的权重给予不同观察窗中的监测频率，使得例如最大的权重被给予最近的观察窗中的监测频率。此加权过程可以充当滤波器，因为其可以减小监测频率的杂散分量(假性分量)对确定拟合函数的系数时的影响。
此拟合过程可基于监测频率至其它函数形式，例如指数函数、幂函数或例如任何阶的多项式的拟合。
该条件可参考测量装置120的局部区域中的电网惯性的测量结果来设置。例如，对于来自具有相对大惯性的电网的区域的测量结果，可将其条件被满足的频率范围设定为相对小，因为对于电力平衡的给定突然变化，其对具有相对大的惯性的区域的电网频率的影响将是相对小的。
现将参考图8a至图8c更详细描述在图5的步骤510中的控制指令的生成以及由图5的步骤512的向电力单元发送控制指令致使的电力单元的控制所产生的对电网频率的贡献。
图8a示出在三种不同假设情形“A”、“B”和“C”中的监测频率对时间的假设曲线图，其通过被标记为1至5的特定时间点划分为多个间隔。
在图8a的情形“A”中的1处，在电网的监测区域中存在电力提供的突然丧失，并因此电网频率下降。在情形“A”中，没有响应于突然丧失而采取动作，即未部署文中所述的本发明，并因此虽然电网以逐步放缓的下滑速率在一新的较低电网频率处接近一平衡，但电网频率继续下降，通过2至5并且刚好在4之前，下降到低于49.5Hz的电网频率的假设的可接受下限。在解决此情形的常规方法中，可以是在1之后的几秒钟或数十秒内，在电网中的另一较大发电机增加其电力提供，以便使电网频率返回到其标称值。然而，此时，电网频率已在关于标称值的假设的可接受范围外花费了(例如)数十秒。
在图8a的情形B中，情形A的相同突然电力不平衡发生在1处，并且频率在1和2之间以相同的方式开始下降。然而在此情形中，根据本发明的实施例的控制时间段被开启。通过在2之前监测频率的分析(例如，如上面所述)，CN 130确定出已满足条件，并且该控制时间段应被开启，并且该控制时间段在2处被开启。此外，在此示例性情形中，表征电网频率必须及可能随着时间变动的方式的频率特性源于在1和2之间的监测频率的分析(例如，使用上述参考图6a至图6c和图7a至图7f的方法)。这些频率特性例如与监测的局部区域中的惯性特性组合以确定例如与在1和2之间的频率变化相关联的电力不平衡的幅度，并因此计算需要被控制以便补偿该不平衡的电力提供和/或消耗的大小和持续时间。
在示例性情形B中的2处，CN 130的处理器304也从数据存储器306读出电力单元119的配置文件信息。处理器可例如接着对电力单元119筛选以便仅进一步考虑配置文件信息指示可供控制的电力单元，并且对于此示例，例如，为目前消耗电力的电力消耗单元或目前未以满容量提供电力的电力提供单元。该处理器可接着基于例如进一步的配置文件信息，诸如电力消耗和/或提供容量，而对筛选后剩下的各个电力单元计算需要被发送给各电力单元的控制指令，以便提供足以补偿所计算的不平衡的组合响应。可以(例如)存在可以提供足够响应(例如，可传送响应的足够大小以及速度)的电力单元或电力单元组。此组由图8b中的区块804表示，该图为示出电力单元的示例性控制时间表的示意图，该控制时间表与情形B相关联。由区块804表示的该组可包括，例如具有非常短的响应时间的但是有限提供容量的电力提供单元，例如仅可以在短时间段内终止的工业或商业过程。
在2处，控制指令被生成并被发送给由区块804表示的组。可存在由图8b的区块802表示的短时间段，其为由区块804表示的电力单元响应控制指令所花的时间，该短时间段持续直到3。
作为由区块804表示的电力单元组的控制的结果，在图8a中的情形B的监测频率在3处终止下降并缓慢增加。然而，可为电力单元组804只可以提供有限时间段的响应，例如，由于对工业过程的中断的持续时间的限制，该有限时间段短于确定(例如)开始储备发电(其将系统发电/消耗带入平衡，以便将电网频率恢复到在标称频率附近的可接受范围内)所需的时间。另外或可替代地，可能不期望电力单元组804在延长时间段内提供响应，因为这例如会导致电力单元的用户的不方便。
从配置文件信息已确定在2处的此情景之后，例如特性响应时间或由区块804表示的电力单元的时间可用性的最大时间长度的指示，CN 130的处理器304也在2处生成用于由图8b中的区块808表示的第二电力单元或第二电力单元组的控制指令并发送该控制指令。由区块808表示的组具有用于由块806表示的对控制指令作出响应的时间段，例如由于单元中的相对缓慢的控制电路，该时间段为中间长度，并因此仅在与由区块804表示的组相关联的响应终止前不长的4处开始对响应作出贡献。
由区块808表示的电力单元组可包括，例如恰好相对缓慢地对控制指令作出响应的制冷单元，并且该制冷单元已在它们的配置文件信息中指定它们可在有限的时间量内切断，例如以维持足够的总制冷水平。由区块804表示的电力单元的控制影响图8a的示例性情形B的监测频率，其中，其频率在4和5之间被保持在稳定的水平。
然而，如上所述，也可以是，区块808的电力单元的控制的长度也被限制，并且组的控制在5之后终止。在2处从区块808的电力单元的配置文件信息已确定此情形，CN 130的处理器304还生成用于由图8b中的区块812表示的第三电力单元或第三电力单元组的控制指令。此组具有用于对控制指令810作出响应的时间段，例如由于组成该组的柴油发电机的相对长的运行时间，该时间段为相对长的时间，并因此仅在与区块808相关联的响应终止前的不久的5处开始对响应做出贡献。
区块812的单元的控制影响在图8a中的示例性情形B的监测频率，其中，该频率增加越过5并返回到50Hz的标称频率。区块812的电力单元的控制可继续(由区块812的虚端部分表示)直到确定(为将频率维持在接近标称值)控制不再是必要的。也可以是，如果确定监测频率已返回到在标称频率附近的频率的可接受范围内，则控制时间段终止，并且如果实际上该控制时间段的终止导致被确定为足以开启另外的控制时间段的监测频率的变化，则另外的控制将被实施。
在图8a的情形C中，监测频率变化、控制时间段的开启、频率特性的确定以及控制指令的生成如同情形B一样发生，并且如图8c中的控制区块的前三行所示，生成并被执行与图8b相同的初始控制时间表。然而，在情形C中，块804'的电力单元的控制并未阻止监测频率在3之后继续下降。然而，CN 130在控制指令在2处生成并被发送之后继续监测电网频率，并在2和4之间的时间间隔期间(例如根据此时间段期间导出的频率特性的分析)确定已满足一个或多个其他条件：监测频率仍下降并且需要生成并发送进一步的控制指令。因此，CN130的处理器304计算补偿在2和4之间确定的频率下降所需的额外的电力消耗和/或提供控制。CN 130的处理器304接着可进一步检索连接到电网100的分布式多个电力单元的配置文件信息，进一步筛选并选择用于进一步控制的电力单元并生成进一步的控制指令以实现根据需要所进一步计算的补偿。这些控制指令在5处被发送给由在图8c的示例性控制时间表中表示为区块816的组。可存在由区块814表示的用于电力单元对控制指令做出响应的短的时间段。
通过区块816的电力单元的控制所提供的额外响应被反映在图8a的情形C中，在4和5之间的时间间隔的频率停止下降并开始上升时的监测频率的示例性曲线图中。在情形C中，区块816的电力单元的额外贡献在5之后不久终止，但是自区块812'的电力单元在5处开始的响应足以使监测频率返回到标称值附近。在情形C中的控制时间段可被终止并以与上述情形B相同的方式重新开始。
电力单元可以此方式被聚集并被控制以提供对电网频率变化的动态的、良好限定的和连续响应，从而将电网频率恢复到标称值。
控制指令的生成可被限制，使得在控制时间段期间从控制电力单元所产生的组合电力提供和/或消耗符合预定义时间的配置文件。该配置文件可例如由电网运营商预定义，以便限制例如由太快的响应所引起的对电气装置的损坏。
定义预定义时间配置文件的参数可由系统操作员定义为例如静态参数。参数和/或时间配置文件可专用于电网的局部区域或地区，被定义以仅对特定时间窗(例如在1天或1周中的某些时间处)有效，并且对于给定的频率特性的确定也是灵活的，例如对某些严重程度的监测频率变化的确定的响应较少限制性。
以产生预定义时间配置文件的控制指令可例如在满足与监测频率相关的任何条件之前生成。例如，生成控制指令的图5中的步骤510可包括，例如从数据存储器，例如CN130的数据存储器306中检索用于一组预定义电力单元的一组预定义控制指令。
该组预生成的控制指令在被发送时，可例如提升预定义的时间响应。可存在考虑不同的预定义时间配置文件的不同组预生成控制指令，该时间配置文件例如由一个或多个参数定义，如上所述。
一组特定的预生成控制指令可基于一个或多个变动特性来检索。例如，通过使用上面关于图5至图8c所述的方法，可确定变动特性表示在某一位置的频率变化事件被分类为“高的严重程度”。在此情况下，例如已预生成以提供对此位置的“高的严重程度”事件的响应的一组控制指令可例如从CN 130的数据存储器306检索并被发送给所定义的PUC 118。
频率变动可例如基于所确定的变动特性以及例如在测量变动的时间和/或位置处的电网惯性而被给予数值分级。例如，产生或预测可能产生电网频率的相对快速下降或相对大幅下降或两者的组合的变动可通过比方说评为'-10'级，而相对缓慢的增加或相对小的幅值或两者的变动可通过比方说评为'+2'级。可存在比方说20个不同组的预生成控制指令(即-10至-1和+1至+10)，每组控制指令被定义为，在被发送时以产生与预定严重程度的变动等级成正比的响应。例如，如果变动具有下降到比方说等级'-7'的变动特性，则已预生成的对应的被标记为'-7'的预生成控制指令可被检索和发送，以提供用于等级为'-7'的频率变动的成比例的响应。这可允许更快速的响应，因为减化了在控制时间段开启时或控制时间段开启之后以下的计算水平：响应中包含哪些电力单元以及什么控制指令应被发送以便产生足够响应。
可以为，例如，在基于电网频率的后续监测生成进一步的控制指令并将其发送之前，一组预生成的控制指令被发送给所定义的电力单元以作为对所确定的变动特性的变化的初始响应。例如，被发送给由图8c中的区块804'、808'和812'表示的组的控制指令可被预生成并响应于在1和2之间的监测频率变化在2和3之间被检索。响应于电网频率的后续监测，可接着在点4处生成控制指令并将该控制指令发送给由图8c中的区块816表示的电力单元组。
控制指令的生成也可并入有关在特定时间在电网中的特定位置的电网惯性的信息。例如，如果在特定时间、特定电网位置处具有比方说低惯性，则响应于明显的频率变化，控制指令可被生成以便控制电力单元以尽可能提供适当快速的响应，例如通过选择能够提供最快速响应的电力单元。然而，如果确定在某一时间的电网区域具有，比方说高惯性，则可考虑生成用于快速响应的电力单元的控制指令是重要性较低的控制指令的生成。
为增加协调响应的控制的精确度和水平，除了CN 130的处理器304在生成控制指令时使用与电力单元相关联的特性响应时间之外，处理器304还可使用可进一步形成配置文件信息的一部分的电力单元的特性响应函数。特性响应函数不仅与特性响应时间(例如，如区块802针对图8b的区块804的电力单元所示)相关，且响应于接收给出的控制指令，与电力单元的电力消耗和/或电力提供的变化的函数形式相关。例如，图8b的区块802表示时间，在该时间之后，区块804的电力单元可以响应于接收控制指令来提供给定的提供水平。然而，在一些实施例中，区块802可表示一些时间函数，该时间函数表征在实现控制指令中指定的电力提供之前，由电力单元提供电力的方式。可替代地，特性响应函数可由描述参数化函数形式的参数表示。例如，机械发电机的电力提供可通过运行时间段来初始表征，例如，其可通过参数化函数P(t)＝A-BeCt来表征，其中，P(t)为在时间t的功率输出，以及A、B和C为描述函数的参数。在另一示例中，柴油发电机可在其提供电力之前通过使用启动电机初始消耗电力，并因此可通过不同的函数形式来表征。在另一示例中，缓慢的控制电路可产生从电力单元输出零电力的时间段，并因此特性响应函数可通过例如参数化时间偏移来反映这点。特性响应函数也可表示所测得的或适当的响应，其包括电力单元的响应的代表性数据点，并因此不必通过函数形式或与其相关联的参数表征。
生成并被发送给一组电力单元，例如由图8b中的区块804表示的电力单元的控制指令可包括下列指令：切断、接通、增加或减少电力提供、增加或减少电力消耗、改变某一时间内的电力提供和/或消耗以及根据指定时间配置文件改变电力提供和/或消耗。为了高精度地实现整个响应的预定义时间配置文件，区块804的控制指令可包含根据参数化函数，例如根据P(t)＝A-BeCt增加电力提供的指令，其中，P(t)为在时间t的功率输出，以及A、B和C为表征函数的参数。控制指令可例如仅包含函数的参数，或CN 130和PUC 118两者已知的预定义函数形式的标识符。应理解，在必要时，可定义并参数化其它函数形式以产生电力单元的电力提供和/或消耗的预期时间响应。
在一些实施例中，控制系统的控制装置可包括分布式的多个处理器，例如包括来自一个或多个CN、一个或多个PUC以及一个或多个测量装置120的处理器。由上述处理器中的任一者执行的上述计算、确定、推导中的任一者或任何其它此类动作可通过本文所述的各种实施例的处理器中的任一者或使用其的任何组合来实施。作为示例，例如由图5的步骤502表示的电网频率的监测以及例如由图5的步骤504表示的已满足与监测频率相关的条件的确定，可使用频率被测量所在的测量装置的处理器来实现。测量装置可接着向CN 130传送已满足条件的细节，以及CN 130的处理器304和通信装置I/O 302可接着执行由图5的506至512表示的步骤。在另外的实施例中，测量装置的处理器可开启例如由图5的步骤506所表示的控制时间段并向CN 130传送该控制时间段的细节。分布式的处理功能可减少对CN的处理器的要求并因此节省这些元件的成本。分布式的处理功能也可允许在不同处理器之间的负荷均衡以最有效使用系统的处理器并且也避免任何处理器的过负荷以及此将产生的响应的关联延迟。
应理解，上述涉及响应于电网频率的一定下降而对电力单元的控制的任何示例性实施例可同样适用于响应于电网频率的一定增加而对电力单元的控制。例如，可以为例如由于被设置成定时器的路灯的电力消耗的突然关联下降而存在的需求的突然下降。也可存在例如由于发电机或发电机组的管理不当或错误控制或例如允许许多风力发电场和太阳能电池板向电网提供高容量电力的非常晴朗和多风的时期所产生的供电的突然可能增加。在这些情况下，可能存在比电力需求更多的会导致电网频率的可能突然增加的供电。这种频率的增加会使或被确定可能使电网频率超出在标称电网频率附近的预期频率范围，并因此上面参考示例性实施例所详述的控制系统可用于使被监测频率返回到或接近其标称值。以与上面所详述的相同方式，这可涉及向提供电力的电力单元发送控制指令以停止或减少它们的供应和/或向消耗电力的电力单元发送控制指令以保持或增加它们的消耗。如上面所详述，在任何情况下，控制指令基于电力单元的配置文件信息并基于所确定的变动特性来生成。因此，应容易理解，本发明的实施例可被应用于本质上增加和下降的电网频率的变化。
应理解，关于任一实施例所述的任何特征可被单独使用或与所述的其它特征组合使用，并且也可结合任何其它实施例的一个或多个特征或任何其它实施例的任何组合来使用。此外，上面未描述的等价物和更改也可在不脱离本发明的范围的情况下被采用，本发明的范围在附属权利要求中被限定。

Claims (29)

1.一种用于电力网中的控制系统，电根据电网频率在所述电力网中流动，其中，所述电力网连接至分布式的多个电力单元中的一个或多个电力单元，所述分布式的多个电力单元均被配置成消耗来自所述电力网的电力和/或将电力提供至所述电力网，使得所述电力单元的电力提供和/或消耗的变化导致所述电力网中的电力流的变化，从而改变所述电力单元对所述电网频率的贡献，所述控制系统包括：
处理装置；以及
通信装置，
其中，所述处理装置被配置成：
监测所述电力网中的一个或多个预定义位置处的电网频率；
确定已满足与所监测的频率相关的一个或多个条件；
基于所述确定而开启控制时间段，将在所述控制时间段期间控制所述一个或多个预定义位置中的一个或多个位置处的所述电网频率；
基于所述监测，确定在所述控制时间段期间所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性；
经由所述通信装置将控制指令发送至所述分布式的多个电力单元中的第一多个电力单元，所述控制指令为用来控制至和/或来自所述第一多个电力单元中的各电力单元的电力流以便控制所监测的频率的指令，
其中，所述控制指令基于下列项生成：
配置文件信息，与所述分布式的多个电力单元相关，所述配置文件信息包含所述第一多个电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性；以及
确定出的所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性，
使得所述第一多个电力单元在所述控制时间段期间提供对所述电网频率的时变贡献。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，基于所述配置文件信息从所述分布式的多个电力单元中选择所述第一多个电力单元。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，响应于已满足与所监测的频率相关的所述一个或多个条件的所述确定而选择包含于所述第一多个电力单元中的电力单元。
4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，包括：存储所述配置文件信息的数据存储器。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述数据存储器被配置成存储与一组或多组电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性相关的配置文件信息，其中，所述组由分布式电力单元中的所述第一多个电力单元中的至少一些电力单元形成。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述一组或多组电力单元由具有下列一项或多项的电力单元组成：共同或类似的电力等级、响应时间特性、电网位置和地理位置。
7.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，所述一个或多个电力消耗和/或提供特性与下列一项或多项相关：提供容量、消耗容量、特性响应时间、特性响应函数、提供或消耗状态和可用状态。
8.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统包括用于执行与电网频率相关的一个或多个测量的一个或多个测量装置，并且其中，确定出的所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性从所述一个或多个测量中导出。
9.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统被配置成从一个或多个远端测量装置接收已满足与所监测的频率相关的所述一个或多个条件的一个或多个指示，并且至少部分基于所述条件来确定已满足与所监测的频率相关的一个或多个条件。
10.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，已满足所述一个或多个条件的所述确定包括：将与所监测的频率相关联的一个或多个值与一个或多个阈值进行比较。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述确定包括：评估所述一个或多个值是否位于一个或多个范围内，其中，将所述一个或多个范围中的各范围定义为位于所述阈值中的两个阈值之间，并且其中，当所述一个或多个值中的一个或多个位于所述一个或多个范围中的一个或多个外时，满足所述一个或多个条件。
12.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述一个或多个值之一与电网频率的预测值相关。
13.根据权利要求12所述的控制系统，其中，基于预测过程而产生所述预测值，所述过程包括：
定义与所监测的频率相关联的一系列值，并且
基于与所监测的频率相关联的所述一系列值来确定多项式函数。
14.根据权利要求1所述的控制系统，其中，基于电网频率的变动的预测来确定所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性。
15.根据权利要求14所述的控制系统，其中，所述电网频率的预测包括：
定义与至少一个频率特性相关联的一系列值，并且
基于与所述至少一个频率特性相关联的所述一系列值来确定多项式函数。
16.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述处理装置进一步被配置成：
定义与第一时间段期间的第一频率特性相关联的第一系列值和与后面的第二时间段期间的所述第一频率特性相关联的第二系列值；
基于所述第一系列值来确定具有第一组系数的第一多项式函数并且基于所述第二系列值来确定具有第二组系数的第二多项式函数。
17.根据权利要求16所述的控制系统，其中，基于所述第一组系数与所述第二组系数之间的差值来生成所述控制指令。
18.根据权利要求17所述的控制系统，其中，已满足所述一个或多个条件的所述确定包括：评估所述第一组系数与所述第二组系数之间的差值。
19.根据权利要求18所述的控制系统，其中，已满足所述一个或多个条件的所述确定进一步包括：确定所述第一组系数中的系数之一与所述第二组系数中的系数之一之间的差值低于或高于预定阈值和/或在预定范围内。
20.根据权利要求15至权利要求19中的任一项所述的控制系统，其中，
所述频率特性与下列的一项或多项相关：交流电压的频率、交流电流的频率、所述电力网中流动的电力的频率、频率的变化率和交流电流的周期。
21.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，发送所述控制指令包括：
发送第一组的一个或多个控制指令，以及
继发送所述第一组的一个或多个控制指令后，发送一个或多个其他组的一个或多个控制指令。
22.根据权利要求21所述的控制系统，其中，响应于基于继发送所述第一组的一个或多个控制指令之后的所述电网频率的监测而作出的已满足一个或多个其他条件的确定，来生成所述一个或多个其他组的一个或多个控制指令中的至少一组。
23.根据权利要求22所述的控制系统，其中，所述一个或多个其他条件包括：与所监测的频率特性相关的一个或多个值低于或高于预定阈值和/或在值的预定范围内。
24.根据权利要求21所述的控制系统，其中，所述其他组的一个或多个控制指令中的至少一组被发送至所述分布式的多个多个电力单元中的第二多个电力单元，其中，所述第二多个电力单元不同于所述第一多个电力单元。
25.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，所述处理装置被配置成基于所述配置文件信息生成控制时间表并且基于所述控制时间表发送所述控制指令，所述控制时间表指定控制至和/或来自所述第一多个电力单元的电力流的一个或多个时间。
26.根据权利要求25所述的控制系统，其中，根据所监测的电网频率的期望时间配置文件来生成所述控制时间表。
27.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制指令包括下列中的一项或多项：用来切断、接通、增加或减少电力提供、增加或减少电力消耗、改变某一时间内的电力提供和/或消耗、根据指定时间配置文件改变电力提供和/或消耗的指令。
28.一种控制电力网中的电的频率的方法，电根据电网频率在所述电力网中流动，其中，所述电力网连接至分布式的多个电力单元中的一个或多个电力单元，所述分布式的多个电力单元均被配置成消耗来自所述电力网的电力和/或将电力提供至所述电力网，使得所述电力单元的电力提供和/或消耗的变化导致所述电力网中的电力流的变化，从而改变所述电力单元对所述电网频率的贡献，所述方法包括：
监测所述电力网中的一个或多个预定义位置处的电网频率；
确定已满足与所监测的频率相关的一个或多个条件；
基于所述确定而开启控制时间段，将在所述控制时间段期间控制所述一个或多个预定义位置中的一个或多个位置处的所述电网频率；
基于所述监测来确定在所述控制时间段期间所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性；
经由通信装置将控制指令发送至所述分布式的多个电力单元中的第一多个电力单元，所述控制指令为用来控制至和/或来自所述第一多个电力单元中的各电力单元的电力流以便控制所监测的频率的指令，
其中，所述控制指令基于下列项生成：
配置文件信息，与所述分布式的多个电力单元相关，所述配置文件信息包含所述第一多个电力单元的一个或多个电力消耗和/或提供特性；以及
确定出的所述电网频率的随时间变动的一个或多个特性，
使得所述第一多个电力单元在所述控制时间段期间提供对所述电网频率的时变贡献。
29.一种计算机可读介质，具有一组指令存储在其上，所述一组指令在处理单元上被执行时，使所述处理单元执行权利要求28所述的方法。
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