CN1094545A - 特别是用于交流电源的功率消耗限制器 - Google Patents

Abstract

一种配电系统能限定所控制的负载从有限容量 的电源中获取的程度。每个被控制的负载经一个功 率消耗限制器被耦连到线路上。瞬时电流传感器产 生一个代表当前电流或功率使用值的信号。压控振 荡器输出脉冲被计数来对使用值积分，该计数与一个 最大配额相比较，然后，触发一个开关来把负载从线 路上解耦。一个时间计数器对线路上的AC周期计 数，用来对每个测量周期定时。在一个测量周期内达 到最大配额的被控制的负载在下一个测量周期开始 时由开关再次被耦合到线路上。

Description

本发明涉及到一种装置，该装置用来监视供给负载的电能，它包括在一个预定时间间隔上对功率消耗率积分的装置，如果从间隔开始以来所消耗的功率达到一个限额的话，该装置在间隔所剩时间上将负载与电源解耦（decouple）。

在电力配电系统中，对负载与电力线或电源的耦合（couple）进行控制是常见的。由一个或多个负载获取的电能可被测出，当条件被确认时，开关装置把负载与电源或线路解耦。这种类型的装置可用来保护电源、负载、发电系统和/或配电系统。

这样的保护装置可以响应到负载的瞬时电流，如果在负载或由该保护装置到负载的导线上的过电流条件表示出短路或类似故障时，该装置立即使负载解耦。该保护装置可选择地响应电源来的有效的电压，如果线路电压降到负载正常工作的范围以下，则立即将负载解耦。

保护装置还可以响应在一个较长期间上的条件。电路断路器常常具有独立操作的装置，用于响应负载的过电流平均值及过电流的瞬时值。例如用于传感平均电流的装置可以有一个双金属瞬动弹簧，该弹簧例如电阻性地随负载电流的作用而被加热，当负载电流产生的热量多于装置消散的热量时，时间长得足以加热该双金属到其触发温度时，操作一个机械断路器，该断路器用来把负载与线路解耦。这样的一种装置有效地响应负载电流强度的运行平均值。

例如，为了避免由于正常的暂态，例如起动一台电动机引起的高电流所导致的使负载解耦，最大的可许可瞬时电流高于最大的可许可的平均电流。另外，象由过载电动机引起的持续高平均电流能引起导线发热和其他问题，即使瞬时电流强度可以甚至未达到短路的电流强度，上述发热等问题也确实是危险的。为了正确地响应不同类型的预期事故状态，保护装置经常响应瞬时和平均电流强度。

还知道这样的保护装置，该装置常被用来保护发电系统，不致于在一个时间上带有过多的负载。如同时负载造成的破坏一样，使发电系统过载能破坏发电或配电装置。或甚至假设发电和配电装置未被破坏的话，过载在负载上导致电压降低，这可破坏负载（例如，处于一种“节约用电而降压的状态”（brown-out）。在用于广泛区域配电的系统上的负载管理在功能上类似于一个局部系统（例如，在一个单位管理负载），除非在该广泛区域配电系统的情况下，负载是大容量配电线路，而不是耦合到单个负载装置或较小的负载装置组的线路。

为处理负载超过发配电系统容量的可能性，众所周知，应测出由一些连接在发电系统和主要负载之间的特定导线获得的电流和/或电压强度。然后，将一些或全部导线与系统解耦，使得保留充足的电力用于其他负载。从发电和配电侧看，这称之为“甩负荷”。随着向负载供电的容量由于增加了发电量或减小了仍与系统保持耦合的负载获取的电流量而恢复时，负载单个地或成组地又被加回到系统上（即重新与线路耦合）。

涉及甩负荷的电力管理系统的实例，例如被公开在美国专利4，031，406、4，034，233和4，064，485中，上述发明专利均出自Leyde，以及公开在McMahon等人的美国专利4，090，088中。这些装置有赖于模拟或数字装置，并或多或少地复杂。其思想是决定有多少负载，或者哪一个负载要被甩掉或在条件允许时加上。这些负载能以其优先权分类，或者该判定基于电流量，该电流量是负载正在获取的或期望获取的。

前述的电力管理系统也将负载作为功率大小的函数。该功率大小是负载持续获取的功率。在一些诸如许多可选择的电能用户的情况下，电力的总量是受限制的。例如，可将一个可再生的电源接上为电池充电，可将一个可再生的电源接上为电池充电，在一给定的周期内该电源为电池充电到一预定的强度。在这样的情况下，在负载之中配给可用的电力是合理的，使得没有单独的用户或负载可以故意或无意地使用比其它所配给的限额更多的配额，因而在多个用户或负载之间分离电力。

根据本发明，检测出加到负载上的负载电流，并在一个预定的时间周期上积分。例如一天，与那个负载的功率的预定最大配额相比较。如果在该周期结束之前达到该最大值，负载则自动地从线路上解耦。本发明还提供了这样一种可能性，即在线路上停电期间暂停积分。利用这种方法，能有效地分享可再生的电源，不会使系统遭受过载、电压水平或类似指标的下降，上述可再生电源可以不具有提供给用户和负载所有正当需求的能力。

本发明的目的是在多个负载中合理地分享存储在一个电源中的电力，该电源具有有限的可再生的容量。

本发明的另一个目的是把单个用户或负载的功率消耗限制在每个测量周期预定的最大值，使任何在本测量周期内达到其最大值的负载解耦，直到一个新的测量周期开始。

本发明的进一步的目的是产生一个代表从线路上加给负载的电流的信号，在整个连续的重复时间周期上对该信号积分，与最大值比较积分后的总值，从达到最大值的任何周期的剩余时间中使负载解耦。

本发明的另外一个目的是产生一个具有一个频率的信号，该频率取决于施加给交流电负载的RMS电流或功率，在重复的周期内对该信号的周期计数，来对每个周期中负载的电流消耗积分，如果在一个新的周期开始时计数复位之前，计数达到一个最大值，则切断给负载的电流。

这些和其他目的由一个配电系统来实现，该系统限制负载可用能源程度为具有限定的发电量的电源的程度。在重复的测量周期内测量并积分一个被控制负载的使用量。在测量周期结束以前达到最大配额的负载将从该周期的剩余时间中甩掉，在下一个周期开始时加回来，借此，在负载之中配给可用的能量。每个要控制的负载均经过一个功率消耗限制器耦合到线路上，该限制器换接来自线路的电功率。一个瞬时电流传感器产生一个代表目前电流使用值的信号，最好是通过一个压控振荡器（VCO），该压振荡器具有一个代表使用值的输出频率。VCO输出上的周期被计数来对使用值积分，例如，通过计数器溢出（即，计数过其最大值再从零开始计数）的达到，把总值与一个预定的最大值相比较。然后，一个三端双向可控硅开关元件、继电器、并联跳闸断路器或类似开关被触发，使所控制的负载与线路解耦。一个时间计数器对线路上的AC周期计数，用来确定重复的测量周期，借此，一个在第一测量周期内达到预定最大值的被控制的负载被开关装置在下一个测量周期开始时再次耦合到线路上。

根据本发明的进一步的实施例，还可以监测有功功率，方法是把瞬时电压和电流的值相乘，乘积作为给VCO和计数器电路的输入来耦合。该乘法技术使基于RMS电流的积分更精确，该电流假设为具有高功率因数的合理的线性负载（对于典型的居住区负载这是一种合理假设）。

本发明可用硬件实现或至少部分地用软件实现，例如，使用耦合到一台微处理机上的模数转换器，来完成所述的累计装置和/或乘法功能。

在附图中表示了目前优选的本发明的实施例。应当理解的是本发明不局限于作为实例表示和讨论的明确的实施例，附图如下：

图1是一电路原理方框图，它表示根据本发明的一种功率限制器，设置该功率限制器来累加施加到负载上的总电流。

图2是相应于图1的电路原理框图，它表示响应施加到负载上的功率的另一实施例。

图3是一原理性方框图，它表示根据本发明的用于有限容量能源的电力配电系统，该系统包括图1和/或2所示的功率限制器。

图1和2表示了功率消耗限制器20的两个实施例，用来控制从线路24馈给负载26的功率。图3表示该功率消耗限制器20是怎样并入系统中的，该系统是从电源30到多个负载26、32的配电系统。在每个附图中相同的标号用来指示相同的对应元件。

负载通过功率限制器20耦合到线路24上，该功率限制器20不控制负载26的电流量或功率消耗率。代替的是，该装置监测总功率，该总功率是在监测的当前周期内通过单个负载26的功率，并对已经达到最大配额的任何负载解耦。因此，通过使负载26在一定时间内提取与负载26所吸收的功率值相反的功率，来限制负载26利用能源30的程度，因而限制了负载超载使用系统电能的情况。

根据图1的实施例，该电路累加得到的总电流对于具有高功率因数的线性负载，该总电流大约正比于总功率，设置对负载26的功率配额，使得电源30产生的电压不由于负载而下降。在根据图2的实施例中，该电路以电流和电压的积来累加总功率，并能在比图1更宽范围、电压及负载特性上以高精度来断开电路。

未达到其配额的负载26保持与线路24的不确定地连接。较高电流（和/或功率）的负载26比低电流的负载更早地达到其配额。在重复的测量周期内测量使用值并积分。在任何测量周期的结束之前达到其配额的负载26在该周期的剩余部分被甩掉，并在下一个测量周期的开始时被加回来，借此，来对负载26配给可用的能源。这种配给可以是或可以不是相同的。某些负载26可以被设定为接收比其他负载更多的功率。

参见图3，每个被控制的负载26经过一个功率消耗限制器20被耦合到线路24上，上述功率消耗限制器换接来自线路24的电功率。不是系统上的所有负载都必须加以控制，如果需要的话，也可耦合一个或多个不用控制的负载32到线路上。例如，一种已知为低电流的恒定负载，或者也许为一高优权的负载，这种高优先权的负载既使其他负载不供电，它也必须供电。这样的负载32无需经功率限制器20，而是直接被耦合到线路24上。但是其他负载26被限制来配给可用的功率。

本发明特别适用于低容量的可再生的由多个负载26、32享用的能源。标号为34的一台发电机可工作地与动力源30设置在一起，该发电机34用来从动力源30中收集动力进行存贮。例如，一台风力发电机、废热发电装置、太阳能收集装置或类似装置被耦合来对电池36充电，电池36由负载26、32放电、动力源可在一天内间或地工作，这一时间相同或不同于负载26、32工作的时间，在所示的实施例中，设有两个电池组36。在任何给定时间上，能把电池组36中的一个耦合到发电机34上，而另一个与配电系统40耦合，设置一个用来在电池组36之间循环的开关网络42。

电力配电系统40可以供给直流电或交流电。在作为例子表示的实施例中，通过一个变换器44把电池的电力转变成交流电。显而易见，对于使用适当的DC开关元件或其它类似元件来代替所示的交流装置的直流配电系统来讲，上述系统也能容易地被加以采用。

图1表示了一个单个的功率限制电路20，是用于交流工作环境的。一个瞬时电流传感器52产生一个代表当前电流使用值的信号，尤其是通过一个压控振荡器54，该振荡器具有代表当前使用值的输出频率。借助记数器56对压控振荡器（VCO）的输出的周期计数，来对使用值积分。总计数与一个预定的最高值比较，例如，利用计数器56的溢出来达到。然后，触发一个三端双向可控硅开关元件58，或一个继电器或类似的开关，使被控制的负载26从线路24上断开或触耦。在直流电源的情况下，使用能强迫分断类型的开关器件象继电器或晶体三极管。为了确定重复的测量周期，一个定时计数器60对线路上的交流周期计数，借此，在第一测量周期内达到预定最大值的一个被控制的负载26通过开关装置70被重新耦合到线路24上，该开关装置包括触发器72、触发电路74和三端双向可控硅开关元件58。这种重新连接出现在下一个测量周期的开始之时。

通过象电流互感器62这样的传感装置检测瞬时电流大小，该互感器被耦合在线路24和负载26之间，上述传感装置也可为一种低阻值电阻。在所示的交流实施例中，电流信号被加到一个绝对值电路64，如全波整流电路和滤波电路，来产生一个电压信号，该电压信号随电流的绝对值而改变，上述电流是由负载26从线路24上得到的。如果电源是直流，则用一个直流电流传感器来替代电流互感器62。

在根据图2的实施例中，在以不仅仅响应电流大小，而且响应功率大小，从电流互感器62中产生的电流信号利用乘法器电路65与横跨线路的瞬时电压相乘，乘法器电路的输出被耦合到VCO，从而产生一个代表由负载得到的瞬时功率的变频信号。

对电流或功率值积分或累加，积分后的总量与最大配额阀值相对比。如图1中所示，该累加装置可包括压控振荡器（VCO）54，该振荡器由绝对值电路64产生的电压信号控制。VCO54以脉冲系列的形式产生一输出信号，该信号具有这样的频率，该频率可与瞬时电流值的函数成正比地变化。最好，该频率（即每单位时间的脉冲数）正比于VCO输入电压，以及施加到负载26的电流的绝对值。

VCO输出脉冲由一个安培-秒计数器56计数，借此对该电流积分。假定线路上的交流电压和负载功率因数是恒定的，电流的积分将正比于持续供给负载26的功率。如果电压变化，从中吸收功率的电池组36（图3）放电，电流的积分保持一个良好的近似值。因为所有负载26经受同样的电压变化，所以这是特别准确的，并且甚至以可变化的电压，也可利用电流的比较性分配实现负载26之间的均衡分配功率。

安培-秒计数器56是一个对使用值积分的计数器。在该使用值计数器56中保存的计数位数可多可少。例如，利用中间计数器级（未示出）对VCO输出倒计数到若干二进制的倍数，或计数器56可对VCO输出的每个周期计数。

在图2的另一实施例中，该累加装置包括VCO54，它由乘法器电路65产生的电压信号控制。VCO54以脉冲系列的形式产生一个输出信号，该信号具有这样的频率，该频率随瞬时功率值的函数正比地变化。尤其是，该频率正比VCO输入电压和供给负载26的功率值的绝对值。该乘法器输出还产生一符号值，该符号值随瞬时功率的极性变化。

借助一瓦特-秒计数器57对VCO输出脉冲计数。瞬时功率为正之时正计数，瞬时功率为负之时倒计数，借此对功率值积分并计算出无功负载和类似负载。该瓦特-秒计数器57是一个可以图1中安培-秒计数器56相比拟的对使用值积分的计数器，但它提供更加精确的负载所用功率使用值的数值。

使用值计数器对电流或功率检测信号积分生成一个总值，比较器装置66把该总值与一个预定的最大值比较，并在达到最大值时产生一个输出，用来触发将负载26从线路24上解耦的操作。在图示的实施例中，计数器56在计数达到其最大值时，产生一个溢出信号，借此构成一个数字比较器，该比较器的输出在计数器56的最大计数上是准确的。也可能提供一种这样的数字比较器，在计数达到比计数器的最大计数低一些数时产生输出脉冲，这种计数或许可利用从电路板的跨接线（jumper）或类似装置上向比较器输入来置位，或者利用一门电路网络（未示出）来置位。相类似，可由计数器56的最有效位输出来产生该输出，在这种情况下，计数器56在可能使用的同样位数的一半的计数上产生输出。

计数器56或其他比较器装置的溢出输出被耦合来控制开关装置70，该开关装置位于线路24和负载26之间。如图1和2所示，一个触发器72在测量周期开始时被置零位，之后由比较器66的输出复位。触发器72的输出控制一个触发电路74，该触发电路接至三端双向可控硅开关元件58或类似开关的栅极输入端，上述开关元件实际上对线路24到负载26的连接进行开关。当该触发器确有输出时，在一个测量周期的开始，该三端双向可控硅开关元件58导通，负载26被耦合到线路24上，由对电流或功率信号积分确定达到最大使用值时，通过计数器56的溢出输出对触发器72复位，触发电路74使三湍双向可控硅开关元件栅极输入改变状态。在电力线的下一个AC周期的开始时，三端双向可控硅开关元件58处于不导通状态，负载26从线路24上解耦。

可以利用上述电路持续地供给负载26预定量的功率，然后，不定地对负载26解耦。但是在所示实施例中，持续的功率限制是在象一天间隔这样的周期上重复地构成的。该测量周期对应这样的周期，在这样的周期中，如图3所示电池组36已完成变换。

设置定时装置来重复地对使用值计数器56或其他累加装置复位，该定时装置用来确定重复测量周期的长度。因此，在下一个测量周期的开始时，由开关装置70使负载26再次耦合到线路24上，该负载在第一测量周期内达到了预定的最大使用值。设置第二计数器60用来测时。最好第二计数器对电力线24上的周期数计数，以电力线的交流频率用作为时间信号。通过一个过零检测器76把计数器60耦合到电力线24上，该过零检测器在交流电力信号的每个过零处（即每周期两次）产生一个脉冲，用来递增时间计数。在直流电源的情况下，能以一独立的振荡器替代过零检测器76产生时间或时钟信号。如同使用值计数器56一样，时间信号可由中间级倒计数，而不是提供时间计数器60足够的分辨率（足够的位数），来在测量周期上对所有过零计数（例如60Hz每天10，368，000）。时间计数器60的溢出输出被耦合到使用值计数器56的复位输入端，从而在一个测量周期的结束和下一个周期的开始对使用值计数置“0”。时间计数器60的溢出输出还耦合到触发器72的置“1”输入端，从而使负载26经触发电路74和三端双向可控硅开关元件58重新耦合到线路24上。

用于装置20的电力由电路的线路侧提供，并经过直流供电装置80。但是，一旦停电的话，存在这样的可能，即使用值计数器56和时间计数器60中的计数被复位，导致已达到其最大的额之后被解耦的负载26再次被耦合到线路24上。为了防止聪明的用户利用切断电力线使计数复位来损坏功率限制器20的工作，加入一个不间断电源82，该电源具有足够充分的容量，从而在电力线损坏期间保持使用值和时间计数器56、60中的计数。出于这个目的，最好在该功率限制器20中包括一个小的长效电池84，该电池用阻塞二极管86耦合到直流供电装置80的输出。电池84也可是一种保再充电的电池。该电池耦合到一个充电电路上（未示出）。实施例所示的电池电压多少低于直流供电装置80的输出值，这样由于阻塞二极管86的作用，在线路正常馈电时，没有电流从电池84中取出。

当线路停电时，下一个测量周期的开始将延迟一个相应的时间，在线路24上不存在过零时，时间计数暂停。当电力恢复时，目前的测量周期继续。一旦由于负载26之间的线路断开，失去电力（即较近端的负载仍保持连接而较远端的负载已掉电），这种情况下，每个耦合到负载26上的功率限制器20变得不同步，并因此在不同的测量周期上工作。同样，功率限制器20可在不同的时间安装，因此从初始就是异步的，再次同步这些功率限制器20是可能的，例如通过提供一装置，该装置用来对一个复位信号编码，该信号以比交流电更高的频率强加在电力线24上，作为替换方式来对使用值计数器56和时间计数器60复位。但是，如果每个功率限制器20在随机周期上工作（尤其是如果数量很大的话）因为从电源上获取必要的平均电流保持更恒定则不是最优的。如果所有处于同等的话，在公共的测量周期开始要从电网获得更多电流，接近结束获得的电流越小，因为更多的负载达到其配额已被甩掉。

Claims (8)

1、一种用来从一条线路上对至少一个负载的馈电功率进行开关的功率消耗限制器，其特征在于：

传感装置可产生一个表示从线路上加给负载的当前的电流值的信号；

累加装置，可对所述信号积分产生一个总值；

比较器装置，可操作地把该总值与一个预定的最大值相比较；

开关装置，耦合在线路和负载之间并耦合到比较器装置，该开关装置响应比较器装置，当总值达到预定的最大值时把负载从线路上甩掉。

2、根据权利要求1的功率消耗限制器，其特征在于时间装置可操作地重复对该累加装置复位，它用来确定重复的测量周期，借此在第一测量周期内达到预定最大值的负载在下一个测量周期开始时由开关装置再次耦合到线路上。

3、根据权利要求1的功率消耗限制器，其中累加装置一般由线路上馈电，其特征在于在线路上的电力消失时用于维持累计装置的总值的装置。

4、根据权利要求1的功率消耗限制器，其特征在于传感装置包括一个瞬时电流传感器，该传感器耦合到一个可控的振荡器上，该振荡器用来产生代表从线路加到负载上的当前的电流值的信号，该信号具有正比于当前电流值的频率，并且其中累加装置包括一个计数器，该计数器被耦合到一个信号上，它可操作地计数该信号的周期，从而对所述信号积分产生一个总值。

5、根据权利要求1的功率消耗限制器，其特征在于该传感装置包括一个与负载串联的瞬时电流传感器，和与该负载并联的瞬时电压传感器，所述的传感器被一个乘法器电路耦合到一个可控制的振荡器，用来产生这样的信号，该信号代表从线路上馈给负载的瞬时功率值，该信号具有与瞬时功率值成正比的频率，其中累加装置包括一个计数器，该计数器被耦合到一个信号上，它可操作地计数该信号的周期，来对所述信号积分产生总值。

6、根据权利要求4的功率消耗限制器，其特征在于比较器装置包括计数器的溢出输出，基于计数器的溢出所述预定最大值被达到。

7、根据权利要求2的功率消耗限制器，其特征在于电力是交流，进一步包括一个时间计数器，它能可操作地对线路上的周期计数，该时间计数器在达到周期的最大计数时被耦合来使累加装置复位，借以确定重复的测量周期。

8、根据权利要求7的功率消耗限制器，其特征在于周期的预定计数等于时间计数器的溢出计数，它出现从最大计数变到零时，借助在重复测量周期的开始时将时间计数器置“0”。

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