CN109416260A - 供分布式发电设备使用的公用事业计量表 - Google Patents

供分布式发电设备使用的公用事业计量表 Download PDF

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Abstract

集成计量设备允许资源提供商控制分布式发电设备到资源配电网络或电网上的输出。集成计量设备可以包括通信模块、计量学模块、逆变器和调节器设备以及转换开关。资源提供商可以经由通信模块与集成计量设备通信，且可以控制逆变器和调节器设备或转换开关。计量学模块可以监视由分布式发电设备提供到电网的能量，且可以经由通信模块将与所生成的能量有关的信息发送到资源提供商。

Description

供分布式发电设备使用的公用事业计量表
相关申请
本申请要求2016年5月26日提交的、名称为Utility Meter for Use withDistributed Generation Device的、序列号为62/342,005的美国申请的优先权，该美国申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及公用事业计量表，并且具体涉及控制从分布式发电设备到资源配电网上的功率流动的集成公用事业计量设备。
背景技术
电气公用事业管理将功率递送到其客户的配电网。典型地，计量表位于客户的房屋处，该计量表对经由电网而递送到房屋的电进行测量和控制。计量表可以与通信模块组合，使得计量表可以与其他计量表以及与公用事业通信。通信模块可以经由RF、蜂窝、PLC或任何其他合适通信技术进行通信。
除了递送功率之外，电网还可以接受由客户房屋处的设备生成的功率，诸如由太阳能面板、风车、水轮机和发电机(在本文中共同被称为分布式发电设备)生成的功率。目前，用于将这些分布式发电设备连接到电网的设备与位于客户房屋处的公用事业计量表分离且不同。它们要求附加的安装和布线，并提高了到电网的连接的复杂度。公用事业可能不具有控制分布式发电设备或它们到电网的连接的能力，这使管理电网具有挑战性。
发明内容
一种集成计量设备将逆变器和调节器设备、转换开关、公用事业计量表以及分布式发电计量表的功能集成到单个设备中。集成计量设备包括通信模块、计量学模块、逆变器和调节器设备以及转换开关。分布式发电设备(诸如，太阳能面板或发电机)的输出连接到集成计量设备的输入。逆变器和调节器设备处理来自分布式发电设备的输出，使得它满足电网的要求。转换开关控制由分布式发电设备生成的能量到公用电网上的流动。
计量学模块可以包括单个计量设备或多个计量设备。计量学模块可以监视能量到电网和从电网的流动、监视由分布式发电设备提供的能量的特性并控制转换开关。通信模块可以经由网络接收包括用于控制逆变器和调节器、转换开关或计量学模块的指令的通信。通信模块可以将与集成计量设备的操作以及由计量学模块采取的测量相关的信息传输到网络上的其他设备或中央系统。
提及这些说明性的方面和特征不是为了限制或限定本发明，而是为了提供示例以协助对本申请中公开的发明构思的理解。本发明的其他方面、优势和特征将在查阅整个申请之后变得显而易见。
附图说明
图1图示了包括集成计量设备的计量设备的示例性网络。
图2图示了用于连接分布式发电设备的示例性集成计量设备。
图3图示了用于连接分布式发电设备的现有技术系统。
图4图示了到集成计量设备的示例性连接。
图5图示了用于现有技术系统计量表的连接。
具体实施方式
本发明提供了集成计量设备，该集成计量设备允许资源提供商控制分布式发电设备到资源配电网络或电网上的输出。集成计量设备可以包括通信模块和计量学模块，以及逆变器和调节器设备以及转换开关。资源提供商可以经由通信模块与集成计量设备通信，且可以控制逆变器和调节器设备或转换开关。计量学模块可以监视由分布式发电设备提供到电网的能量，并可以经由通信模块将与所生成的能量有关的信息发送到资源提供商。集成计量设备简化了现场布线，增强了安全性，提供了公用事业通信和控制的一个点，并防止了未经批准的分布式发电设备的欺骗性连接。
示例性操作环境
图1图示了用于集成计量设备的示例性操作环境。网络100(诸如无线网状网络)包括许多节点102-116、120。每个节点102-116可以包括用于测量客户房屋处的资源消耗的计量学模块。节点还可以包括用于使用RF、蜂窝、PLC或任何其他合适通信技术在网络上进行通信的通信模块。节点108、112、116中的一些可以与集成计量设备相关联，该集成计量设备除了测量消耗和在网络上进行通信之外还控制由分布式发电设备132、134、136生成的资源到公用电网(未示出)上的进入。一个示例是电能到电网上的进入。图1图示了节点120可以经由网络140进一步与其他设备通信。在一个实现方式中，节点120与头端系统150通信。
集成计量设备
图2图示了供公用电网使用的示例性集成计量设备200。集成计量设备200将客户的房屋连接到电网，且还将分布式发电设备230(诸如，太阳能面板阵列)连接到电网。集成计量设备将逆变器和调节器设备、转换开关、公用事业计量表以及分布式发电计量表的功能集成到单个设备中。
分布式发电设备230的输出连接到集成计量设备200的输入。该输出可以直接连接到集成计量设备，或可以连接到在电气计量表插座中提供的分离连接器，集成计量表连接到该分离连接器。例如，分布式发电设备的输出可以是来自太阳能面板阵列的DC逆变器输出或来自AC发电机的AC输出。集成计量表被设计成使得分布式发电设备的输出可以在集成计量表被安装并适当固定之后连接。
图4图示了包括用于连接分布式发电设备的端子410、412和用于连接到客户房屋或负载的端子414、416的示例性集成计量设备的部分。端子402和410连接到公用电网。图4中示出的集成计量设备与ANSI Form 2S计量表(诸如图5中示出)类似，但是它包括用于连接到分布式发电设备的附加端子和电路。要注意的是，图4未将集成计量设备的所有部件都图示出。
集成计量设备的逆变器和调节器设备208处理来自分布式发电设备的输出，使得它满足电网的要求。例如，逆变器和调节器设备可以将DC输出转换成AC，调整输出的相位或调节输出电压以满足电网的要求。逆变器和调节器设备208的输出被提供到转换开关210。转换开关210将分布式发电设备的输出连接到公用电网。在供电中断的情况下，转换开关还防止来自分布式发电设备的反馈功率进入电网。在供电中断期间，反馈功率可能对由于故障的线路而恢复功率的公用事业工人呈现安全性危险。尽管图2图示了转换开关位于逆变器和调节器设备与电网之间，但是它可以位于其他地方，只要它控制从分布式发电设备到电网上的能量流动即可。
集成计量设备包括提供计量功能的计量学模块204。示例性计量功能包括：监视由分布式发电设备提供到公用电网的能量；监视由房屋使用的能量；以及监视被递送到公用电网或从公用电网接收到的净能量。计量学模块可以包括单个计量设备或多个计量设备。包括与由分布式发电设备生成的能量有关的信息的计量信息可以经由通信模块而被提供到公用事业，或被显示在计量表的输出设备(诸如，显示设备)上。计量学模块还可以监视由分布式发电设备或公用电网提供的能量的特性，包括但不限于瓦特数、VAR或VA、谐波或总谐波失真。例如，图2图示了计量学模块监视转换开关210的输出。计量学模块可以经由开关控制206来控制转换开关。例如，如果计量学模块检测到公用事业功率的损耗，则计量学模块可以控制转换开关以防止来自分布式发电设备的功率进入电网。
计量学模块还可以控制逆变器和调节器设备的部件。示例性动作包括以下内容。如果计量学模块感测到过压或欠压状况，则计量学模块可以升高或降低来自逆变器的输出电压以控制电压。如果计量学模块感测到电压处于可配置界限以上或以下，则计量学模块可以从电网断开。如果电压处于针对客户负载的可配置界限以上或以下，则计量学模块还可以断开该负载。计量学模块可以使用针对由分布式发电设备供给的安培数的可配置界限，使得如果由分布式发电设备供给的安培数超过用于对电网或负载进行供给的界限，则计量学设备可以限制安培数或关闭分布式发电设备。
集成计量设备还包括通信模块202。通信模块可以与网络上的另一设备(诸如，相邻计量表或收集器)通信。通信模块可以将与由分布式发电设备提供到公用电网的能量、由房屋使用的能量、被递送到公用电网或从公用电网接收到的净能量、设备的状态有关的信息或其他信息传输到公用事业或网络上的其他设备。通信模块可以经由网络从公用事业接收包括用于控制逆变器和调节器、转换开关或计量学模块的指令的通信。在一个示例中，头端系统将指令发送到通信模块，并且通信模块控制逆变器、调节器或开关部件以控制由分布式发电设备提供到电网的功率。
通信模块可以控制逆变器和调节器设备。在一些实例中，该控制基于由通信模块接收到的指令。由通信模块接收到的示例性指令包括以下各项：
·设置调节器配置(指定调节器最小和最大输出电压、最大输出电流界限、最小电网电压以及打开转换开关之前的持续时间)
·得到调节器配置
·得到调节器状态(调节器逆变器输入电压、电网输出电压、操作健康状态、电压和电流界限状态、转换开关状态)
·得到调节器事件历史
·清除调节器事件历史
·分布式能量响应(DER)事件——将回到电网上的电流限制到预定义DER界限。通信模块可以通信到调节器、以及通信到房屋上的本地智能负载控制开关、或通信到组成本地微电网的一组负载控制开关和其他逆变器，以将回到电网上的能量限制在预定义DER界限内。
集成计量设备的通信模块和计量学模块可以包括一个或多个处理设备和存储器。处理设备可以执行存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令或访问存储在计算机可读介质上的信息，以执行本文中所描述的操作。尽管通信模块和计量学模块在图2中被示为分离的模块，但是这些模块可以被组合或者可以与集成计量设备的其他部件组合。集成计量设备的其他实现方式可以使用与图2中所图示的那些模块和部件相比不同或附加的模块和部件。例如，在一个实现方式中，计量学模块包括三个计量设备。一个计量设备与逆变器和调节器设备相关联，第二计量设备与房屋负载相关联，并且第三计量设备是测量被递送到公用电网/从公用电网接收到的NET能量(例如，在逆变器和调节器设备处测量的能量与由房屋负载消耗的能量之间的差)的NET计量设备。每个计量设备可以提供电压、电流、瓦特小时、伏安、无功伏安或其他所测量的参数。在一些实现方式中，逆变器和调节器设备可以取决于分布式发电设备的类型而包括仅逆变器或仅调节器。
通信模块和计量学模块可以经由有线或无线连接来控制集成计量设备的其他部件。
集成计量设备的壳体可以提供增强的热管理，这是由于逆变器和调节器部件可以比传统公用事业计量表的部件耗散更多的热量。传统公用事业计量表的壳体典型地使用塑料或玻璃，其为不良热导体。集成计量设备的壳体可以包括金属，且可以包括金属鳍片(fin)以处置附加热量。在一个示例中，壳体包括铝鳍片。
通过控制位于房屋处的部件来远程控制由分布式发电设备提供的功率的能力是相比于现有技术的改进。图3图示了包括两个计量表的现有技术系统。公用事业计量表300连接在公用电网与客户房屋之间，并且分离的分布式发电计量表320连接在分布式发电设备与公用事业计量表之间。
分布式发电设备330的输出连接到逆变器和调节器设备308。逆变器和调节器设备308的输出连接到转换开关310。转换开关还连接到分布式发电计量表320。逆变器和调节器设备308的控制可以是有线的或无线的，且可以包括控制设备内的部件以满足电压和电流设置点和界限。分布式发电计量表320的输出连接到公用事业计量表300的房屋侧。公用事业计量表300连接到公用电网和房屋。
头端系统不能与图3的逆变器和调节器设备通信。尽管头端系统可以将指令发送到位于公用事业计量表300中的通信模块，但是通信模块不能提供指令或以其他方式控制逆变器和调节器设备或转换开关。图3中示出的配置要求更多的物理空间，且一般由于针对更多装备和附加劳动的需要而更加昂贵。还存在篡改或不适当布线的更大风险。
尽管本主题已经关于其具体方面而被详细地描述，但是将领会的是，本领域技术人员在获得对前述内容的理解时可以容易地产生对这种方面的更改、变型以及等同物。相应地，应当理解的是，已经出于示例而不是限制的目的呈现了本公开，并且本公开不排除包括如将对本领域普通技术人员来说显而易见的对本主题的这种修改、变型和/或增加。

Claims (19)

1.一种集成计量设备，包括：
电网接口；
房屋接口；
分布式发电设备接口；
调节器，连接到所述分布式发电设备接口；
转换开关，连接到所述调节器的输出并连接到所述电网接口；
计量学模块，用于测量从所述分布式发电设备递送到所述电网接口的能量和从所述电网接口递送到所述房屋接口的能量；以及
通信模块，被配置成经由外部网络接收用于控制所述调节器的指令。
2.如权利要求1所述的集成计量设备，进一步包括：
连接在所述分布式发电设备接口与所述调节器之间的逆变器。
3.如权利要求2所述的集成计量设备，其中所述通信模块进一步被配置成：接收用于控制所述逆变器的指令。
4.如权利要求1所述的集成计量设备，进一步包括：用于连接到电气计量表插座的插座接口。
5.如权利要求1所述的集成计量设备，进一步包括网络接口，其中所述通信模块进一步被配置成与所述计量学模块通信，并经由所述网络接口将分布式发电设备能量生成信息传送到远程系统。
6.如权利要求1所述的集成计量设备，其中所述通信模块进一步被配置成：接收控制所述转换开关以防止来自所述分布式发电设备的能量经过所述电网接口的指令。
7.如权利要求1所述的集成计量设备，进一步包括：包括金属鳍片的壳体。
8.如权利要求2所述的集成计量设备，其中所述计量学模块进一步被配置成：控制所述逆变器以控制所述逆变器的电压输出。
9.如权利要求1所述的集成计量设备，其中所述计量学模块进一步被配置成：将负载从所述房屋接口断开。
10.一种集成计量设备，包括：
电网接口；
房屋接口；
分布式发电设备接口；
网络接口；
逆变器，连接到所述分布式发电设备接口；
转换开关，连接到所述逆变器的输出并连接到所述电网接口；
计量学模块，用于测量从所述分布式发电设备递送到所述电网接口的能量和从所述电网接口递送到所述房屋接口的能量；以及
通信模块，连接到所述网络接口，所述通信模块被配置成经由外部网络接收用于控制所述逆变器或所述转换开关的指令。
11.如权利要求10所述的集成计量设备，进一步包括：
连接在所述分布式发电设备接口与所述逆变器之间的调节器。
12.如权利要求10所述的集成计量设备，进一步包括：
连接在所述逆变器与所述转换开关之间的调节器。
13.如权利要求11所述的集成计量设备，其中所述通信模块进一步被配置成经由所述网络接口接收用于控制所述调节器的指令。
14.如权利要求10所述的集成计量设备，进一步包括：用于连接到电气计量表插座的插座接口。
15.如权利要求10所述的集成计量设备，其中所述通信模块进一步被配置成：与所述计量学模块通信，并经由所述网络接口将从所述计量学模块接收到的信息传送到远程系统。
16.如权利要求10所述的集成计量设备，其中所述通信模块进一步被配置成：接收控制所述转换开关以防止由所述分布式发电设备生成的能量经过所述电网接口的指令。
17.如权利要求10所述的集成计量设备，进一步包括：包括金属鳍片的壳体。
18.如权利要求10所述的集成计量设备，其中所述计量学模块进一步被配置成：控制所述逆变器以控制所述逆变器的电压输出。
19.如权利要求10所述的集成计量设备，其中所述计量学模块进一步被配置成：将负载从所述房屋接口断开。
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