CN109964380A - 用于创建动态纳电网和用于聚集电功率消耗方以参与能量市场的系统和方法 - Google Patents

Abstract

将家庭、企业或其他电功率消耗房屋的组进行聚集并且共同地控制来以足够量动态地减少负载，并且具有足够的速度和持续时间，作为市场参与者来参与能量市场，这包括作为尖峰负载发电厂进行参与。虽然针对单个房屋的所减少的电力消耗量通常很小，但仅几千个家庭或企业的聚集的总共所减少的消耗可能是大约几百千瓦。与可包括调光器的智能断路器结合的房屋功率控制器使得能够动态管理每个房屋中的各个负载。

Description

用于创建动态纳电网和用于聚集电功率消耗方以参与能量市 场的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及电力管理领域，并且更具体地涉及用于管理电功率消耗方的聚集（aggregation）以参与能量市场的系统和方法。

背景技术

在美国，电功率公用事业（utility）公司由联邦政府和州政府两者高度调控。一般而言，由这样的公司为它们供应的电力所收取的零售费率（rate）并非由公开市场设定。而是，零售费率由委员会或其他监管法庭通过正式的行政过程来设定，该行政过程考虑了当前和预测的未来需求、建立或获得对新供应源的使用权所产生的成本以及各种各样其他因素。批发费率通常基于独立系统运营商（ISO）市场，但并非在全部区域中都这样。

在电功率的受监管市场内，存在被称为“基本负载发电厂”、“负载跟随发电厂”和“尖峰负载发电厂”的发电设施。基本负载发电厂通常是大型、低成本的设施，其连续运转以满足给定服务区域中对电力的基本需求。顾名思义，负载跟随发电厂通常意图在需求（负载）较高时运转，而在需求较低时限制或缩减运转。尖峰负载发电厂（其通常被用来指代作为辅助服务市场的部分的10分钟和30分钟储量）通常意图仅间歇性地运转以满足服务区域中的峰值需求，或万一发生诸如发电厂故障之类的可能发生的事时满足需求。因此，尖峰负载发电厂实际上运转的需要可能出现在每年的仅几天，并且可能持续仅几个小时。

为了参与能量市场，规定要求设施生成最小输出功率水平（例如，100 kW），从而能够在来自电网运营商的请求之后的预先确定的时间段内在线产生该功率，并且保持在线长达预先确定的最小时间段。根据现行规定，尖峰负载发电厂被支付了针对它们供应的电力的额外费用费率。考虑到这样的工厂的极端间歇性的运转、它们必须维持准备就绪的状态、以及确保满足峰值需求而不中断的重要性，这是合理的。

最近，法院考虑了一个问题，即根据现行规定，市场参与者是否可以由减少给定服务区域中的电气负载的设施组成，由此减少电力消耗而不是生成附加的电力。法院以肯定的方式回答了该问题，因此创造了开发新设施的机会，这些新设施有资格参与全部已建立的能量市场，其包括但不限于辅助服务（10和30分钟储量、频率控制和监管）、实时市场、日前市场和远期容量市场，但其在减少消耗而不是增加产生的模型上运转。

另一个关注问题表现在配备太阳能（光伏或pv）板的家庭、企业或其他房屋（premises）中。绝大多数这样的装置是并网系统，这意味着由太阳能pv板生成的多余电力被往回发送到电力网，并且房屋所需的任何附加电力都由电网提供。由于反孤岛法，当电力网出故障时，全部并网系统都不再运转，即使太阳能pv板可以生成可以被用在房屋上的电力亦如此。近年来，孤岛式逆变器已经使得有可能继续使用太阳能pv板而仍然遵守反孤岛法。这些辅助逆变器与电池和关键负载面板相结合地工作，以便向家庭、企业或房屋提供对关键负载的有限电力。但是，关键负载是“固定的”，这是因为它们必须被事先选择，并且被连线（wire）到与主断路器面板分离的关键负载面板中。

发明内容

根据本发明的一个方面，将家庭、企业或其他电功率消耗房屋的组进行聚集并且共同地控制来以足够量动态地减少负载，并且具有足够的速度和持续时间，作为市场参与者来参与能量市场，这包括作为尖峰负载发电厂进行参与。虽然针对单个房屋的所减少的电力消耗量通常很小，但仅几千个家庭或企业的聚集的总共所减少的消耗可能是大约几百千瓦。通过推选成参与聚集，每个家庭、企业或其他房屋有助于实质性的持续节约工作，并且可以分享从提供商接收到的收入。类似地，当电力成本较低时，可以激活在峰值时段期间非活动的负载，从而节省在峰值时段期间运转那些负载的成本。

参与聚集的每个家庭、企业或其他房屋都被提供有房屋功率控制器和智能断路器，该智能断路器增大了常规断路器或保险丝。房屋功率控制器和智能断路器可以在建造期间安装或作为翻新来安装。房屋功率控制器可以包括：处理器；存储器；可以起作用以提供用户界面的显示器；用于智能断路器、主要电器、暖通空调（HVAC）系统、热水器的接口；以及用于太阳能、地热、微型水力发电或风力发电和逆变器、蓄电池、发电机、其他可再生电源、家庭自动化系统、调度器或用户控制设备的接口。房屋功率控制器还可以包括用于环境传感器（例如，温度、气压、电压、电流、运动检测器）和其他关注传感器的接口。房屋功率控制器还可以包括广域网（WAN）连接或其他合适的网络连接，以用于与聚集服务器或可以被远程定位的其他系统进行通信。

每个智能断路器能够被电学地致动，并且与能够被手动致动的常规断路器对接。每个智能断路器包括：功率计；用于与其他智能断路器和房屋功率控制器通信的无线收发器；断路器控制器；存储器和显示器。对于照明电路，智能断路器还包括调光器。存储器可以被用来暂时存储关于智能断路器的状态、电力消耗、运转历史等等的关注数据。有利地，可以按如下形状因子来构造智能断路器：该形状因子与主要电气装备制造商（例如，施耐德电气的Square D、通用电气公司、西门子公司、西门子公司的默里、ASEA Brown Boveri的Thomas＆Betts、以及伊顿公司的Crouse-Hinds）提供的断路器面板兼容（即，被适配成符合）。

因为智能断路器通常安装在金属断路器面板内部，所以通常存在对去往和来自断路器的无线通信的相当大的干扰。为了克服这样的干扰，可以在与智能断路器相关联的无线收发器当中建立无线网状网络。该无线网状网络使得由指定的网守（gatekeeper）无线收发器接收到的消息能够跨全部其他无线收发器进行传播，同时减少在与房屋功率控制器的通信中的拥塞。网守无线收发器负责将源自任何其他无线收发器的消息传输到房屋功率控制器，以及将从房屋功率控制器接收到的消息转发到一个或多个其他无线收发器。为了进一步减少干扰，网守无线收发器可以位于断路器面板中的孔附近。单独的孔、或者可能地与通过孔的接线（wire run）组合的孔可以使得能够在网守无线收发器与房屋功率控制器之间实现令人满意的无线通信。替换地，该孔可以容纳耦合到网守无线收发器的小天线。

通过其自己的无线收发器、无线网状网络和网守无线收发器，每个智能断路器可以向房屋功率控制器发送消息。这样的消息可以报告瞬时消耗的电力量、在给定时间段内消耗的平均电力、所消耗的电力量中的变化、状态信息、或其他关注数据。这样的数据在其被向前传递到聚集服务器或其他系统之前可以由房屋功率控制器暂时存储。

每个智能断路器还可以从房屋功率控制器接收消息。一种类型的消息引起断路器致动，由此使电路开路并且断开相关联的负载，或者使电路闭合并且将负载连接到线（电力网）源、可再生电源、备用发电机或能量存储设备，诸如在该房屋上的差压电池、电化学电池和化学能量存储系统（在下文中被称为后电池（after battery））。因此，本发明提供的一个优点在于，房屋内的关键负载不需要连线到单独的专用断路器面板，以便于在电力网停机时维持对那些负载的电力。

房屋还可以包括：AC-DC转换器，其输出耦合到具有功率因子控件的DC-AC逆变器，其进而耦合到可调光（dimmable）负载。转换器的输出（DC）耦合到逆变器，在该逆变器处可以结合对AC的反转来更改功率因子。经更改的功率因子使得可调光负载吸收的实际电力的量减少，由此提供对整体效率的进一步改善，以及有助于减少消耗，该消耗作为以市场参与者的身份的聚集的性能的部分。

本发明提供的另一个优点在于，当电力网启动并且可再生源在房屋上生成“剩余”电力时，可以动态地管理智能断路器，以连接附加的负载（例如，首先给可用电池和电动车充电，接着是游泳池加热器、辅助热水器等等）来消耗可用的“剩余”电力，而不是将这样的电力出售给公用事业公司，如果考虑到当时的情况是可能且有利的话。

本发明提供的又另一个优点在于，每个个体负载可以由房屋功率控制器动态地管理，以既改善房屋的整体效率，又使得房屋能够起到参与能量市场的聚集的部分的作用。

本发明提供的又另一个优点在于，可以在不需要单独的常规照明控制装备的情况下实行诸如照明控制（包括调光）之类的面向用户的功能。

本发明提供的又另一个优点在于，当房屋功率控制器结合智能断路器动态地管理房屋时，该房屋维持较高水平的功能，并且在电力网停机时充当其自己的纳电网（nano-grid）。相反地，当电力网启动时，本发明可以基于需要和定价结构通过管理负载来利用使用时间的定价。

一般而言，每个房屋功率控制器被编程成根据多个预先确定的方案来动态地管理房屋内的电力消耗。这样的电力管理方案可以包括：例如，在电力网启动时的“正常”方案、在电力网停机时的“紧急”方案、在环境条件有利于与房屋相关联的可再生电源时的“可再生有利”方案、在环境条件不利于可再生电源时的“可再生不利”方案，以及在房屋必须在参与独立系统运营商市场的聚集内运转时的“市场交易”方案等等，该独立系统运营商市场包括提供辅助服务（例如，作为尖峰负载发电厂来实行）。

当区域电网控制器或其他官方机构向聚集服务器发信号通知需要市场参与者来满足需求时，聚集服务器使用WAN来指示聚集内的房屋功率控制器启动它们的“市场交易”或相似的电力管理方案。作为响应，受到房屋所有者或其他官方机构发出的超控命令（overriding command）的影响，每个房屋功率控制器通过向智能断路器无线地发送适当的消息来继续动态地断开个体负载。所断开的负载可以针对该聚集起到市场参与者的作用的整个时间而保持断开，或者替换地，可以通过经授权的超控而被重新连接。一旦聚集服务器接收到该聚集不再需要起到市场参与者的作用的信号，该服务器就向房屋功率控制器发出消息，从而指示它们恢复其“正常”电力管理方案或另一个适当的方案。

房屋功率控制器还可以向用户发出关于电力管理相关事件的通知。例如，如果房屋配备有太阳能板，并且房屋功率控制器接收到针对阳光的天气预报，则可以向用户的电子邮件地址、移动电话或其他设备发送通知来提醒用户将电动车辆插上电源以充电、打开辅助热水器或采取其他动作，以充分地使用预期要由太阳能板生成的电力。附加地，在异常高的能量成本或非常低的预期产生期间，可以向用户发出通知，从而提醒他们采取措施来限制使用，诸如确保门窗关闭、减少照明需求、或使其他负载最小化。

附图说明

下面的发明描述涉及附图，其中：

图1是根据本发明的一个方面的电力网的示意图，其中将电力消耗房屋的组进行聚集并且共同地管理以参与能量市场；

图2是图1中所示的1类房屋的电功率控制系统的示意图；

图3是图1中所示的2类房屋的电功率控制系统的示意图；

图4是图1中所示的3类房屋的电功率控制系统的示意图；

图5是图2、3、4A和4B中所示的房屋功率控制器的框图；

图6A是用于两个15A/120VAC电路的智能断路器的框图；

图6B是用于包括两个调光器电路的两个15A/120VAC电路的智能断路器的框图；

图6C是图示了由图6B的调光器电路实行的类型的正弦波调光的电压-时间曲线图；

图6D是图示了切相调光的波形；

图7A和7B图示了填充有标准断路器的断路器面板，该标准断路器与具有调光器的智能断路器配对；

图7C是图示了断路器面板内的网守收发器、以及将网守收发器与跟智能断路器相关联的无线收发器互连的无线网状网络的示意图；

图7D是图示了可以作为用于控制智能断路器的房屋功率控制器的替换方案使用或除了该房屋功率控制器之外可以使用照明控制小键盘的示意图；

图8是包括功率监测能力的网守收发器的框图；

图9是图示了在聚集正在提供辅助服务时，图1中所示的聚集服务器的高层级运转的流程图；

图10是图示了图2、3、4A和4B中所示的房屋功率控制器与智能断路器之间的通信的流程图；

图11A-11H是图示了由用于1类、2类和3类房屋中的每一个的房屋功率控制器实行的高层级控制方法的流程图；

图12A是房屋功率控制器管理HVAC负载的流程图：

图12B是图示了在图12A的流程图中处理的示例性参考点和条件的电力成本-温度曲线图；

图13A是房屋功率控制器管理可调光（照明）负载的流程图；

图13B是图示了在图13A的流程图中处理的示例性参考点和条件的电力成本-光强度曲线图；

图14是房屋功率控制器管理功率因子可控负载的流程图；

图15是房屋功率控制器管理不可调光负载的流程图；

图16是房屋功率控制器管理转移负载（diversion load）的流程图；

图17A是房屋功率控制器管理电动车辆负载的流程图；

图17B是电力成本-对电动车辆电池充电所需的行程时间份额的曲线图；

图17C是电力成本-空闲充电水平曲线图；

图18A是房屋功率控制器计算虚拟能量价格的流程图；

图18B是图示了图18A中引用的示例性供应成本传递函数的曲线图；以及

图19是图示了用户通知的示例的流程图。

具体实施方式

图1示出了电力网100的一部分，其包括与独立系统运营商（ISO）或区域传输组织（RTO）相关联的区域电网控制器102。区域电网控制器102具有与下述各项中的每一个的双向通信链路104，即公用事业规模间歇发电（风力涡轮机）厂106、传统基本负载（核）厂108、传统尖峰（燃气涡轮机）厂110和聚集服务器112。聚集服务器112具有与广域网（WAN）116的双向通信114，该广域网116进而具有与作为聚集118的部分的每个房屋的双向通信。

形成聚集118的房屋可以被分类成三类中的一类。1类房屋是下述房屋：它们不包括任何太阳能或其他可再生电源（统称为“可再生源”），也不包括能够存储大量电力的任何电池，但可以包括备用发电机，该备用发电机可以用于当电力网100不可用时为房屋中的一些房屋或全部房屋供电。当电力网100可用时，1类房屋通常仅从电力网100（单向地）汲取电力。

2类房屋是下述房屋，它们包括至少一个可再生源并且可能地包括备用发电机，但不包括大容量电池。当可再生源离线或不足以满足房屋的需求时，2类房屋从电力网100汲取电力，但是当存在剩余时可以向电力网100输送电力。因此，2类房屋的特征在于双向功率流动。

3类房屋是下述房屋，它们包括至少一个可再生源以及一个或多个大容量电池，并且可能地包括备用发电机。与2类房屋相似，3类房屋可以取决于环境条件、房屋的需求和其他因素从电力网100汲取电力或向电力网100输送电力。如下面详细描述的，表示1类、2类和3类房屋的混合的聚集118可以作为单个实体来管理，该单个实体基于可能地与来自电池存储装置的产生相组合的减少的电力消耗的模型、作为能量市场参与者来实行。

图2示出了1类房屋200，例如，其可以表示单个家庭住宅，该单个家庭住宅不包括任何可再生源或大容量电池，但是可以包括备用发电机228。为了改进的清晰度和一致性，除非另行说明，之前介绍的元件（诸如WAN 116）应该遍及本说明书而保留先前指定的附图标记。房屋功率控制器202通过无线链路216与下述各项通信：能量控制模块（诸如，HVAC状态和控制模块（恒温器）204）、填充有智能断路器222的断路器面板206、填充有包括调光器226的智能断路器的子面板208、电动车辆（EV）充电控制器210和智能电器212。负载导线220将各个智能断路器222与EV充电控制器210、智能电器212、电热水器214以及其他非照明负载（未示出）连接起来。导线224经由面板206将照明元件（未示出）连接到各个智能断路器，其具有位于子面板208内的调光器226。

无线通信链路216可以利用蓝牙®、Wi-Fi或许多其他商业上可得的无线技术中的任何技术来实现。这样的无线通信链路大大减少了安装房屋功率控制器202的成本和所需的时间。替换地，如果特定房屋的设计或在特定房屋中使用的材料对于无线通信不是传导性的，则可以通过在房屋功率控制器202以及图2中示出的其他设备上添加适当的接口来使用有线通信链路（例如，以太网）。

备用发电机228通过导线230耦合到转换开关232。转换开关232通过导线234耦合到断路器面板206。转换开关232通过导线218还耦合到公用事业公司计量表（未示出）。当电力网100停机时，转换开关232移动到图2中所示的方位，这使得备用发电机228能够向由房屋功率控制器202管理的关键负载供电，如下面描述的那样。此处再次地，在电力网100仍然停机时，可以在房屋功率控制器202的指导下有利地断开非关键负载。

一般而言，房屋功率控制器202负责管理房屋200中的电力消耗。在其他特征和能力当中，房屋功率控制器202负责动态地致动各个智能断路器222、226以断开各个负载，由此减少房屋200的电力消耗，并且有助于聚集，作为能量市场参与者来实行该聚集。如下面详细描述的，出于冗余、负载共享等等的目的，给定房屋中可以存在多于一个房屋功率控制器202。

图3示出了2类房屋300，例如，其可以表示单个家庭住宅，该单个家庭住宅包括太阳能板阵列（可再生源）302和逆变器304以及备用发电机228，但不包括大容量电池。逆变器304通过导线306耦合到断路器面板206。除了将DC转换成AC之外，逆变器304还可以包括内部断开（internal disconnect），该内部断开起作用来在电力网100（图1）停机并且备用发电机228有效时隔离可再生源302。替换地，可以在逆变器304与断路器面板206之间提供单独的断开（未示出）。

全部其他元件基本上类似于图2中所示的元件，其中具有两个明显的例外。首先，考虑到存在可再生源302，房屋300可以在有利的环境条件下生成比其消耗的更多的电力，在这种情况下，可以经由公用事业公司计量表（未示出）将多余电力输送到电力网100。其次，如下面详细描述的，对房屋功率控制器202进行的编程必须考虑可再生源302和逆变器304。

图4示出了3类房屋400，其中可再生源302连同蓄电池/充电控制器402、EV汽车电池/独立电池403和太阳能/电池逆变器404一起呈现。蓄电池/充电控制器402耦合到汽车电池/独立电池403并对其充电，该汽车电池/独立电池403进而耦合到逆变器404。逆变器404起作用来将可再生源302或汽车电池/独立电池403的DC输出转换成AC，该AC由导线406提供给面板206。

当电力网100停机时，转换开关232进行运转以将面板206与电力网100（图1）断开，这使得可再生源302、蓄电池充电控制器402和逆变器404（或替换地，备用发电机228）能够对通过导线408连接到特定智能断路器222的关键负载供电。相反地，为了在电力网100停机时节省功率，可以通过响应于从房屋功率控制器202接收到的一个或多个消息来致动它们相应的智能断路器222，从而断开诸如EV充电控制器210、智能电器212和电热水器214之类的非关键负载。

还示出的是AC-DC转换器410，其输出耦合到具有功率因子控件的DC-AC逆变器412，该DC-AC逆变器412进而耦合到可调光负载414。AC-DC转换器410和具有功率因子控件的DC-AC逆变器412通过无线通信链路216与房屋功率控制器202通信。如下面详细描述的，与逆变器412组合的转换器410可以被用来有利地更改功率因子，以便减少可调光负载414吸收的实际电力的量。

图5是房屋功率控制器202的框图。控制器板500（其可以基于商品嵌入式系统）包括1GB的双倍数据速率存储器502、32GB的闪速存储器504、处理器505和16GB的微型SDHC卡506。复位按钮508耦合到GPIO接口509。控制器板500还包括：USB/迷你USB接口510、以太网接口512、I2C接口514、1-Wire接口532、耦合到Wi-Fi模块524的SPI接口516、四个UART接口518（其中一个耦合到蓝牙®模块522）、以及耦合到LCD TFT触摸屏526的RGB接口520。三维跟踪和手势控制器528耦合到触摸屏526和投射电容式触摸控制器530，该投射电容式触摸控制器530进而耦合到I2C接口514。

如上面结合图2、3和4所描述的，房屋功率控制器202可以使用Wi-Fi模块524或蓝牙®模块522与给定房屋内的智能断路器222和其他设备进行无线通信。触摸屏526可以被用来在屏幕上显示图标、按钮、控件、消息、状态信息、菜单或其他期望的用户界面元素（未示出），以使得用户能够配置和运转房屋功率控制器202。例如，触摸屏526可以被用来：创建、修改或选择电力管理方案；创建、修改或选择预定计划；获得关于各种系统组件的状态信息；连接或断开各个智能断路器；超控或禁用房屋功率控制器202的当前运转；以及以其他方式配置、修改和运转房屋功率控制器202。替换地，用户可以使用智能电话、平板设备或包括适当的应用和无线网络连接的其他设备来无线地运转房屋功率控制器202。此外，房屋功率控制器202可以与家庭自动化系统集成并且由家庭自动化系统控制。

图6A是如图2、3和4中所示的智能断路器222的框图。如示出的，智能断路器222支持两个15A/120VAC电路。具有板载蓝牙®收发器的处理器用作断路器控制器600。断路器控制器600可以利用Rigado BMD-200模块或相似的商业上可得的组件来实现。断路器控制器600耦合到串行线调试（SWD）连接器626、4D调试连接器628、GPIO扩展器610、嵌入式图形控制器604和功率测量数字信号处理器（DSP）608。功率测量DSP 608还耦合到电压感测线638和电流感测线640。

LCD 602和16GB 微型SD卡耦合到嵌入式图形控制器604。一对继电器630分别耦合在一对螺丝端子620与一对霍尔效应传感器618之间。一对螺丝端子620中的每一个用作与能够被手动致动的常规15A/120VAC断路器（未示出）的连接点，该常规15A/120VAC断路器诸如电弧故障断路器。在替换方案中，继电器可以被体现为致动机械开关，以在提供足够的安全性时消除对常规断路器的需要。一对螺丝端子622中的每一个用作与期望负载（未示出）的连接点。AC至DC电源624输出+12VDC和+3.3VDC以对智能断路器226供电。作为在所感测的电压和电流接近零时使用功率测量DSP 608来输出脉冲的替换方案，过零检测电路628可以被用来生成方波输出信号，该过零检测电路628耦合到断路器控制器600。

断路器控制器600使用其板载蓝牙®连接与其他断路器控制器通信，以在全部断路器控制器当中建立无线网状网络。网状网络的存在有利地使得断路器面板内的单个断路器控制器、或替换地指定的网守收发器能够与房屋功率控制器（图2）进行通信，并且将这样的通信传播到全部其他断路器控制器。替换地，可以使用Zigbee、Z波或其他合适的技术来建立无线网状网络。

LCD 602可以被用来显示各种各样的信息（例如，断路器的当前状态、断路器的配置、瞬时电力消耗、断路器的标识符（诸如其区域）、以及诊断代码）。微型SD卡606可以被用来存储电力消耗数据和其他关注数据，直到当这样的数据被转发到房屋功率控制器202或者作为陈旧数据被丢弃时的预定时间为止。

功率测量DSP 608能够为连接到螺丝端子622的每个负载单独地计算瞬时电力消耗、以及在指定时间段内的平均电力消耗、和尖峰电力消耗，除了其他值以外。功率测量DSP608还可以被配置成在电流和电压接近零时输出脉冲（在耦合到断路器控制器600的专用引脚ZX0、ZX1上）。

通过知道何时发生电流和电压的过零，断路器控制器600确保仅在发生过零的情况下同时切换继电器630（即，智能断路器222打开或关闭）。这有利地减少了电弧放电并且趋于延长继电器630的服务寿命。

除了用Rigado BMD-300模块代替断路器控制器600之外，可以使用图6A中所示的组件来实现适用于单个30A/220VAC电路的智能断路器。

图6B是如图2、3和4中所示的具有调光器226的智能断路器的框图。大多数组件与图6A中所示的组件相同。然而，代替继电器630，具有调光器226的智能断路器包括：隔离电路632，该隔离电路632耦合在GPIO扩展器610与两对氮化镓高电子迁移率（GaN HEMT）晶体管636之间，这两对晶体管636与它们相应的控件634共同起到调光器的作用。每对晶体管636耦合到功率测量DSP 608以及霍尔效应传感器618中的一个。常规的调光器利用基于硅的场效应晶体管（FET）或TRIAC，其两者都具有比GaN HEMT组件更高的导通电阻（R_on）。因此，常规的调光器必须为给定量的电流耗散更多的热，这在具有紧密封装的组件的断路器面板中是有问题的并且可能并不安全。为了有效地散热，常规的调光器需要大的散热器（heatsink），这些散热器不能良好地适合或根本不适合常规的断路器面板。通过使用针对调光器的GaN HEMT组件有利地实现了散热方面的显著减少，而不需要庞大的散热器，由此使得能够在给定区域中安全地封装更多电路。

可以使用传统的切相调光技术来实现调光功能，如图6D中所示。利用切相调光技术，断路器控制器600必须能够以120 Hz的频率开启和断开GaN HEMT晶体管636。可以通过在线波形的适当的前沿或后沿附近切换该晶体管来实现正向和反向切相调光。替换地，可以使用脉冲宽度调制调光技术（有时被称为正弦波调光），如图6C中图示的。利用正弦波调光技术，GaN HEMT晶体管636必须以与切相调光相比高得多的频率（例如，大约100 kHZ或更高）来切换，并且使用低通滤波器来从输出正弦波中去除更高频率（即，具有小于该更高频率的截止频率），并且允许线频率在具有小衰减的情况下通过。为了确保断路器控制器600可以在具有足够速度的情况下发信号通知晶体管636，可能有必要绕过GPIO扩展器610并将断路器控制器600（的GPIO）直接连接到隔离电路632。另一个替换方案将是脉冲宽度调制驱动器（诸如Fairchild Semiconductor FL77944MX），其将模拟或数字输入信号转换成脉冲宽度调制输出信号。

现在转到图7A和7B，断路器面板700被填充有：具有调光器226的智能断路器，每个调光器226分别通过一对导线704连接到一对20A标准（即，常规的）断路器702；以及负载1和2（未示出）。在替换方案中，智能断路器可以连接到被体现为断路器面板700的汇流条（busbar）的一对导线，从而消除了对常规断路器702的使用。每对标准断路器702安装在其连接到的具有调光器226的智能断路器上面并且与其邻近。显示器602安装在具有调光器226的每个智能断路器的正面上。在具有调光器226的每个智能断路器内的断路器控制器600可以通过无线链路216与房屋控制器202直接通信，或者替换地可以通过网状网络间接地通信。

图7C示出了断路器面板706，其被填充有具有调光器226的智能断路器。为了改进清楚性，省略了通常填充具有226的智能断路器之间的空间的标准断路器。主断路器718常规地位于断路器面板706的顶部或底部附近。主断路器718起作用来利用主导线218连接/断开全部标准断路器（未示出）和具有调光器226的智能断路器，该主导线218通过位于断路器面板706的顶部边缘中的孔708。主导线218与公用事业电力计量表（未示出）连接。在具有调光器226的全部智能断路器和耦合到天线716的网守收发器712当中建立无线网状网络714。

由于对无线通信的干扰通常由（金属）断路器面板706引起，因此可以为网守收发器712分配独有的责任，以用于通过无线通信链路216与房屋功率控制器202（图2）通信。从断路器面板突出的天线716有助于克服干扰，如同将网守收发器712定位在孔708附近一样。此外，如果特定环境产生过多干扰，则可以为网守收发器712选择替换的通信技术，而不影响具有调光器226的智能断路器。例如，可以为网守收发器712提供蓝牙®连接以参与网状网络714，但也可以向网守收发器712提供射频（RF）收发器、光学收发器、红外（IR）收发器或隔离的有线链路，以用于与房屋功率控制器202通信。

网守收发器712还可以包括用于测量主导线218处的总电力消耗（或剩余）的功率监测功能。电流互感器（transformer）710耦合到每个主导线218，并耦合到网守收发器712。如在图8中可以最佳地看到的，网守收发器712可以包括许多与智能断路器222（图6A）相同的组件。此外，蓝牙®低能耗模块800提供了用于参与网状网络714以及与房屋功率控制器202通信的功能。功率测量DSP 608耦合到电流互感器710（电流感测线）以及电源624（电压感测线），因此使得能够计算主导线218处的总电力消耗（或剩余）。

图7D图示了下述房屋：其中可以作为房屋功率控制器202的替换方案使用或除了该房屋功率控制器202之外可以使用照明控制小键盘，以通过智能断路器222或具有调光器226的智能断路器来实行面向用户的功能。从许多供应商商业上可得的无线照明控制小键盘722可以位于房屋内的各种地方中来控制灯724或其他照明元件（未示出）。灯724分别通过导线728连接到具有调光器226的智能断路器。

一般而言，每个无线照明控制小键盘722通常包括处理器、微控制器等等，它们能够运行由如本文中所述的房屋功率控制器202运行的相同软件中的一些或全部软件。此外，每个无线照明控制小键盘722通常包括：无线网络连接，诸如Wi-Fi或蓝牙®。利用这样的网络连接，小键盘722可以建立与智能断路器222或具有调光器226的智能断路器的无线通信链路730。因此，任何无线照明控制小键盘722可以被用作房屋功率控制器202的替换方案或与其结合地使用，以打开或关闭灯724（或其他照明负载）以及使这样的灯变暗。

图9图示了聚集服务器112（图1）的高层级运转。在步骤900处，聚集服务器112从区域电网控制器ISO/RTO 102接收消息以进行供电。接下来，在步骤902处，聚集服务器112通过与跟该聚集内的每个房屋相关联的房屋功率控制器202进行通信，以继续确定在聚集118内有多少负载减少和电池存储可用。基于在步骤902期间收集的信息，聚集服务器112在步骤904处继续，以基于房屋的类、负载规格和地理位置（例如，特定房屋的简档）给特定房屋和负载排出优先级。

接下来，在步骤906处，聚集服务器112向聚集118内的每个房屋功率控制器202传输消息，以运行其“市场交易”电力管理方案。一般而言，当给定的房屋功率控制器202运行其“市场交易”方案时，这将使得房屋中的特定负载“脱落”或断开（通过致动相关联的智能断路器），并且对于包括具有显著存储容量的电池的3类房屋而言，还可能导致连接这样的电池以向电力网供电。接下来，在步骤908处，聚集服务器112遵循ISO市场规则来实现需求响应减少曲线。

图10图示了房屋功率控制器202（图5）与智能断路器222（图6A）或具有调光器226（图6B）的智能断路器之间的示例性通信。在步骤1000处，每个智能断路器222和226处于复位关闭状态，接着在步骤1002处初始化每个这样的智能断路器。在步骤1004处，每个初始化的智能断路器222和226等待来自房屋功率控制器202的查询。当接收到查询时（例如，通过无线链路216），在查询中包含的地址与跟接收到该查询的智能断路器222、226相关联的地址之间做出比较。如果地址不匹配，则智能断路器222、226继续在步骤1004处等待另一个查询。如果地址匹配，则在步骤1008处做出关于该查询是否包括控制命令的确定。如果是，则智能断路器222、226设置其继电器630（图6A）或调光器634、636（图6B）以匹配接收到的控制命令，并在步骤1012处向房屋功率控制器202发送确认。在运转期间，智能断路器以预先确定的间隔将负载的瞬时电力消耗传输到房屋功率控制器。

替换地，在步骤1008处，如果该确定指示没有接收到控制命令，则智能断路器222、226在步骤1014处检查其功率读取状态。如果该状态与最后已知状态相比已经改变（如在步骤1016处所确定的那样），则智能断路器222、226将其功率读数发送到房屋功率控制器1018，并且随后在步骤1020处等待来自房屋功率控制器的确认。如果在步骤1016处未发现功率读取状态中的改变，则在步骤1022处，智能断路器222、226向房屋功率控制器发送没有改变的指示1022，并且随后在步骤1024处等待来自房屋功率控制器的确认。

图11A-11H图示了由1类、2类和3类房屋中的每一个的房屋功率控制器202实行的高层级控制方法。该方法在步骤1100处开始，接着是步骤1101，在该步骤1101处，房屋功率控制器202开始搜索（例如，使用无线发现服务）该房屋内的另一个控制器202。接下来是步骤1103处的延迟。接下来，在步骤1105处，做出是否发现了广播房屋功率控制器的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1107，其中存在的仅有房屋功率控制器202开始广播。接着是第一判定步骤1102，其确定房屋功率控制器202所位于的房屋（系统）是否是1类房屋。如果是，则控制流程前进到步骤1104，并前进到图11。如果否，则判定步骤1106确定房屋是否是2类房屋，并且如果是，则控制流程前进到步骤1108（图11C）。如果否，则判定步骤1110确定房屋是否是3类房屋，并且如果是，则控制流程前进到步骤1112（图11D）。

如果在步骤1110处，做出房屋不是3类房屋的确定，则控制流程前进到步骤1109，在该步骤1109处，针对当前的虚拟能量价格做出房屋功率控制器202的查询。在本说明书中使用术语“虚拟能量价格”来指代下述值：该值用作针对能量的相对稀缺性或充足性的代理（proxy）。与给定房屋内的负载或源相关的每个动作与针对虚拟能量价格的阈值或缩放因子相关联。在其最简单的表述方式中，基于虚拟能量价格的系统可以实现能够进行离散和平滑过渡（即，能够平滑地过渡和离散地过渡电力消耗或生成）两者以及基于时间使用（例如，使用的新近度（recency））来选择负载的负载或源的优先级列表。在更复杂的实现方式中，这样的系统可以对能量市场的全部动态进行建模。

通过挑选具有与公共能量市场上典型的相同的单位和数量级的量，用户有可能一次指定他或她的优先级，并且按照实际美元来计。在其中房屋为能量支付市场费率的情况下，电力网是可用的，并且市场费率由聚集服务器112提供，这对用户特别有意义。在其他情况下，将要计算虚拟能量价格来实行有效管理系统资源所需的动作，并且将与公共市场上的能量成本没有任何关系。

作为对计算虚拟能量价格的替换方案，可以实现状态机，其访问查找表或其他数据结构来获得作为对于本文中所述目的的合适参考或代理的值。

接下来，在步骤1111处，做出虚拟能量价格是否高于通知阈值的确定。如果否，则控制流程循环到步骤1102。如果是，这意味着应该发送用户通知，控制流程前进到步骤1113（图18）。

再次参考步骤1105，如果发现（第二）广播房屋功率控制器202，则控制流程前进到步骤1115，其中在所发现的（主）房屋功率控制器202与（次级）房屋功率控制器202之间建立无线通信，从而实行该步骤。接下来，在步骤1117处，次级房屋功率控制器202从附着于其的任何传感器进行测量。接着，在步骤1119处，次级房屋功率控制器202收集用户输入。接下来，在步骤1121处，次级房屋功率控制器202尝试将其传感器测量结果和用户动作传输到主房屋功率控制器202。

在步骤1123处，做出所尝试的到主房屋功率控制器的传输是否失败的确定。如果是，则控制流程循环到步骤1101。如果否（意味着传输成功），则控制流程前进到步骤1125，在该步骤1125处，次级房屋功率控制器202尝试从主房屋功率控制器202读取系统状态和未决命令。接下来，在步骤1127处，做出所尝试的读取是否失败的确定。如果是，则控制流程循环到步骤1101。如果否（意味着读取成功），则控制流程前进到步骤1129，在该步骤1129处，次级房屋功率控制器202根据先前读取的系统状态来更新其用户界面，并执行新命令。如果该传输在步骤1121处失败，或者接收在步骤1125处失败，则假设主房屋功率控制器202已被去除、断电或发生故障，并且在步骤1101处实行新控制器的推选。以这种方式，可以在给定的房屋内运转多个冗余的房屋功率控制器202。

现在参考图11C（1类房屋），房屋功率控制器202在步骤1114处确定公共电力网100（图1）是否可用。如果否，则在步骤1126做出（备用）发电机228（图2）是否可用的确定。如果没有发电机可用，则控制流程返回到图11A。如果备用发电机228可用，则房屋功率控制器202在步骤1128处确定备用发电机是否开着。如果否，则房屋功率控制器202在步骤1130处打开发电机，在这之后，控制流程返回到图11A。如果在步骤1128处，房屋功率控制器202确定发电机开着，则控制流程前进到步骤1132（图17A）以建立虚拟能量价格，然后前进到步骤1124（图11H）。

如果在步骤1114处，房屋功率控制器202确定公共电力网100可用，则控制流程前进到步骤1116处的能量价格数据是否可用的确定。能量价格数据可以由聚集服务器112或其他外部源经由WAN116提供给房屋功率控制器202。如果能量价格数据可用，则控制流程前进到步骤1124（图11H）。如果能量价格数据不可用，则控制流程前进到步骤1118，以确定房屋功率控制器202是否已从聚集服务器112接收到聚集118正在充当或准备充当能量市场中的参与者的显式命令（消息）。这样的命令意味着房屋功率控件202必须准备减少房屋上的负载，以便使聚集118满足能量市场参与者的监管要求。假设接收到这样的命令，则控制流程前进到步骤1120，在该步骤1120处，房屋功率控制器202模拟房屋电力消耗以找到虚拟能量价格，该虚拟能量价格将满足聚集118作为市场参与者进行实行的要求。

如果在确定步骤1118处，没有从聚集服务器112接收到显式命令（意味着当前不需要聚集118作为市场参与者进行实行），则控制流程前进到步骤1122，在该步骤1122处，将虚拟能量价格设置成默认值，并且然后前进到步骤1124（图11H）。

现在转到图11C（包括至少一个可再生源和备用发电机但不包括大容量电池的2类房屋），房屋功率控制器202在步骤1133处确定公共电力网100（图1）是否可用。如果否，则控制流程前进到步骤1134，在该步骤1134处，做出孤岛逆变器/产生是否可用的确定。如果否，则控制流程返回到图11A。如果是，则在步骤1132处，控制流程前进以计算虚拟能量价格（图17A）。接下来，在步骤1138处，房屋功率控制器202将所计算的虚拟能量价格与预先确定的备用发电机开阈值进行比较。如果所计算的虚拟能量价格大于备用发电机开阈值（意味着运行备用发电机是经济的），则流量控制在步骤1140处确定发电机的最小关闭时间是否已经过去。如果是，则房屋功率控制器202在步骤1142处打开（非可再生源）备用发电机，接着控制流程前进到步骤1124（图11H）。

如果在步骤1138处，所计算的虚拟能量价格小于或等于备用发电机开阈值，或者在步骤1140处，备用发电机的最小关闭时间尚未过去，则控制流程前进到步骤1144，其中房屋功率控制器202确定所计算的虚拟能量价格是否小于发电机关阈值。应该注意的是，备用发电机的开和关阈值是不同的，以增加滞后作用（hysteresis）并且避免备用发电机循环开和关的情况。如果所计算的虚拟能量价格小于发电机关阈值，则房屋功率控制器202接下来在步骤1146处确定发电机最小开启时间是否已经过去，并且如果是，则在步骤1148处继续以关闭发电机。如果在步骤1144处，所计算的虚拟能量价格不小于发电机关阈值（即，它们在滞环内相等），或者在步骤1146处，发电机最小开启时间尚未过去，则控制流程前进到步骤1124。

再次参考步骤1133，如果公共电力网100可用，则控制流程前进到步骤1150，其中做出服务于房屋的公用事业公司是否为净电力产生付钱的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1152，其中房屋功率控制器202对当日的房屋上电力产生进行预报，接着是步骤1154，在该步骤1154处，将虚拟能量价格设置成公用事业公司收取的费率。

接下来，在步骤1156处，房屋功率控制器202使用虚拟能量价格和预报来模拟房屋电力消耗。如果基于该模拟，预期在接下来的24小时内没有净电力产生（即，全部房屋上的电力产生将被消耗），则控制流程前进到步骤1124（图11H）。替换地，如果在步骤1158处，预期在接下来的24小时内有净电力产生，则在步骤1160处降低虚拟能量价格（即，因为预期针对该房屋有电力剩余，因此降低了虚拟能量价格）。在步骤1162处，做出（降低的）虚拟能量价格是否处于最小值的确定。如果否，则控制流程循环通过步骤1156、1158、1160和1162，从而迭代地减小虚拟能量价格直到其达到最小值为止，由此使得控制流程能够前进到步骤1124。

再次参考步骤1150，如果服务于房屋的公用事业公司为净电力产生付钱，则控制流程前进到步骤1164，在步骤1164处，做出能量价格数据是否可用的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1124。如果否，则在步骤1166处做出是否从聚集服务器112接收到显式命令（消息）的确定。如果否，这意味着当前不需要聚集118作为市场参与者进行实行，则控制流程前进到步骤1170，在该步骤1170处，将虚拟能量价格设置成默认值，并且然后到前进步骤1124。如果在步骤1166处，从聚集服务器112接收到命令（意味着需要聚集118作为市场参与者进行实行，并且房屋功率控制器202需要减少负载），则在步骤1168处，房屋功率控制器202模拟房屋电力消耗，以找到满足聚集118作为市场参与者进行实行的要求的虚拟价格。

现在参考图11F和11G（包括至少一个可再生源以及一个或多个大容量电池和备用发电机的3类房屋），房屋功率控制器202在步骤1172处确定公共电力网100（图1）是否可用。如果否，则控制流程前进到步骤1174，其中房屋功率控制器202使用虚拟能量价格来模拟房屋电力消耗。与步骤1174分支并行地实行步骤1191，其中电池充电/放电在电池容量大于最小充电状态时遵循负载/供应。在步骤1176处，做出预期在接下来的24小时内是否有电池耗尽的确定。如果不清楚在接下来的24小时中是否将发生电池耗尽，则控制流程前进到步骤1124（图11H）。

如果在接下来的24小时内将发生电池耗尽，则控制流程前进到步骤1178，在该步骤1178处，虚拟能量价格增加（即，因为预报了针对该房屋的电力稀缺性，所以虚拟能量价格增加）。接下来，在步骤1180处，做出（增加的）虚拟能量价格是否大于发电机开阈值的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1124。如果是，则控制流程前进到步骤1182并且打开（非可再生源）发电机，倘若它关闭着并且最小关闭时间已经过去，则接着前进到步骤1124。

再次参考步骤1176，如果没有预期在接下来的24小时内有电池耗尽，则控制流程前进到步骤1184，在该步骤1184处，做出预测在接下来的24小时内是否有电池超限（overrun）的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1124。如果是，则控制流程前进到步骤1186并且虚拟能量价格降低，从而再次表示针对该房屋的预期电力剩余。接下来，在步骤1188处，做出虚拟能量价格是否小于发电机关阈值的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1124。如果是，则在步骤1190处，房屋功率控制器202关闭发电机，假设它开着并且最小运行时间已经过去。

再次参考步骤1172，如果公共电力网100可用，则控制流程前进到步骤1192，其中房屋功率控制器202在预期时间-成本曲线上实行前瞻（look ahead）。接下来，在步骤1194处，做出预期时间-成本曲线上的下一个峰值是正还是负的确定。如果预期为负峰值，则控制流程前进到步骤1196，在该步骤1196处，做出如果现在开始充电是否将在充电循环期间产生最小成本的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1124。如果是，则控制流程前进到步骤1198，其中房屋功率控制器202使得电池能够开始充电，接着前进到步骤1124。

如果在步骤1194处预期为正峰值，则控制流程前进到步骤1200，在该步骤1200处，做出下述确定：如果电池现在开始放电，则销售收入减去购买成本，与电池效率的乘积是否大于最小循环利益（gain）（即，放电是否将产生最小利益以证明装备上的磨损）。如果是，则控制流程前进到步骤1205，其中做出下述确定：如果电池现在开始放电，则买卖效率是否大于最小循环利益。如果是，则控制流程前进到步骤1204，并且开始电池放电。如果否，则控制流程前进到步骤1202，其中做出是否从聚集服务器112接收到作为市场参与者进行实行的显式命令（消息）的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1204以开始电池放电。如果否，则控制流程前进到步骤1124。

图11H在步骤1124处与图11C、11E和11G中的每一个逻辑地连接，接着是在步骤1206处关于在房屋功率控制器202的控制下是否仍有要处理的（一个或多个）任何负载的确定。如果否，则控制流程返回到在该点处调用了图11H的方法的点。如果是，则控制流程前进到步骤1208，该步骤1208是所考虑的负载是否是HVAC系统的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1220（图12A）。如果否，则在步骤1210处做出负载是否是可调光的确定，并且如果是，则控制流程前进到步骤1222（图13A）。

如果负载不是可调光的，则在步骤1211处做出负载是否属于下述类型的确定：针对该类型，可以控制功率因子（PF）来减少由负载吸收的实际电力的量。如果是，则控制流程前进到步骤1213（图14）。如果否，则控制流程前进到步骤1212，其中做出负载是否是不可调光的确定，并且如果是，则控制流程前进到步骤1224（图15）。如果否，则在步骤1214处做出负载是否是转移负载的确定，并且如果是，则控制流程前进到步骤1226（图16）。如果否，则在步骤1216处做出负载是否是电动车辆的确定，并且如果是，则控制流程前进到步骤1228（图17A）。在步骤1218处，确定负载是非管理负载，但是仍然可以测量其电力消耗（例如，通过负载连接到的智能断路器）。

图12A图示了房屋功率控制器来管理HVAC负载的方法。在步骤1230处，房屋功率控制器202测量房屋内的区域温度。例如，可以使用与房屋功率控制器202对接的温度传感器进行这样的测量，如上面讨论的那样。接下来，在步骤1232处，如果它不是已经可用的，则针对全局虚拟能量价格进行查询，该全局虚拟能量价格可能已经通过前述逻辑进行计算。使用所测量的温度和所计算的全局虚拟能量价格，在图12B的曲线图上定位一点，并且在步骤1236处，做出该点是否高于该曲线图的成本-温度曲线D（例如，由图12B中的附图标记G指示的点）的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1238，其指示能量使用不合理并且不采取任何动作，接着返回到图11H（即，HVAC负载未被激活）。

另一方面，如果在步骤1236处，确定该点低于成本-温度曲线D（例如，由图12B中的附图标记E或H指示的任一个点），则控制流程前进到步骤1240，在该步骤1240处，做出HVAC最小运行时间（MRT）是否将使区域温度越过用户定义的设置点（由图12B中的附图标记A指示）的确定。如果是，这意味着HVAC系统的最小运行时间将使温度过度地增加或降低，则控制流程返回到图11H。

如果HVAC系统的最小运行时间将不使区域温度越过用户定义的设置点，则在步骤1242处，做出HVAC系统的最小关闭时间是否已经过去的确定。如果否，这意味着过快以至于无法再次运行HVAC系统，则控制流程再次返回到图11H。如果是，则控制流程前进到步骤1244，在该步骤1244处，房屋功率控制器202计算将在遵循任何系统约束的同时在曲线D上方移动关注点的轨迹。可接受的轨迹将使关注点在至少HVAC系统的最小关闭时间的持续时间内保持在曲线D上方。接着是步骤1246，在该步骤1246处，针对在步骤1244中计算的轨迹的持续时间来安排HVAC系统运转。

图13A图示了房屋功率控制器202管理可调光（照明）负载（例如，设置其功率水平）的方法。在步骤1222之后（从图11H），控制流程前进到步骤1300，在该步骤1300处，针对全局虚拟能量价格进行查询，如上文讨论的那样。接下来，在步骤1302处，房屋功率控制器202在成本-光强度曲线上找到（一个或多个）最近的点（由图13B中的附图标记C指示）。接着在步骤1304处，确定在步骤1302处是否返回了多于一个最近的点。如果否，则控制流程前进到步骤1308，在该步骤1308处，单个最近（标量）的点随后在步骤1310中乘以用户设置的强度值，从而产生最终照明强度。替换地，在步骤1304处，如果返回了多于一个最近的点，则控制流程前进到步骤1306，在步骤1306处，使用三次插值来求解出单个所插值的最近的点，然后将其用在步骤1310的乘法中。控制流程在步骤1310之后返回到图11H。

图14图示了房屋功率控制器202管理负载的方法，可以控制该负载的功率因子（PF）以便减少由负载消耗的实际电力的量。在步骤1213之后，控制流程前进到步骤1215，在步骤1215处，房屋功率控制器202初始化功率因子控制器，该功率因子控制器例如可以由AC-DC转换器410和具有功率因子控件的DC-AC逆变器412的组合来表示（图4）。接下来，在步骤1217处，房屋功率控制器202检查功率读取状态和负载的当前PF。接下来，在步骤1219处，通过查找来确定负载可以处置的最小PF。在步骤1221处，根据最小PF来进行设置（减少的PF），由此减少由负载消耗的实际电力的量。控制流程在步骤1221之后返回到图11H。

图15图示了房屋功率控制器202管理不可调光负载的方法。在步骤1224之后，控制流程前进到步骤1400，在步骤1400处，呈现了针对全局虚拟能量价格的查询，如上文讨论的那样。在步骤1402处，做出全局虚拟能量价格是否高于用户设置阈值的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1404，在步骤1404处，做出关注的不可调光负载的最小开启时间是否已经过去的确定。如果是，则在步骤1406处，断开不可调光负载（即，房屋功率控制器202致动了被连接到该负载的智能断路器），并且设置（最小关闭时间）定时器，接着返回到图11E。替换地，在步骤1404处，如果关注的不可调光负载的最小开启时间尚未过去，则控制流程返回到图11H。

如果在步骤1402处，全局虚拟能量价格不高于用户设置阈值，则控制流程前进到步骤1408，在步骤1408处，做出全局虚拟能量价格是否低于用户设置阈值的确定。如果否，则控制流程返回到图11H。如果是，则控制流程前进到步骤1410，在步骤1410处，做出不可调光负载的最小关闭时间是否已经过去的确定。如果否，则控制流程返回到图11H。如果是，则在步骤1412处，连接不可调光负载，并且设置（最小开启时间）定时器，接着返回到图11H。

图16图示了房屋功率控制器202来管理转移负载的方法。在步骤1226之后，控制流程前进到步骤1500，在步骤1500处，进行针对全局虚拟能量价格的查询，如上文讨论的那样。接下来，在步骤1501处，做出负载当前是否连接到系统的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1503，在步骤1503处，做出虚拟能量价格是否低于用户通知阈值的确定。如果否，则控制流程返回到图11E。如果是，则控制流程前进到步骤1113（图19）。

再次参考步骤1501，如果确定负载当前被连接，则控制流程前进到步骤1502，在步骤1502处，做出虚拟能量价格是否高于用户设置阈值的确定。如果是，则在步骤1504处确定转移负载的最小开启时间是否已经过去。如果最小开启时间尚未过去，则控制流程返回到图11H。如果最小开启时间已经过去，则在步骤1506处，断开转移负载并设置（最小关闭时间）定时器，接着返回到图11H。

如果在步骤1502处，虚拟能量价格不高于用户设置阈值，则控制流程前进到步骤1508，在步骤1508处，做出虚拟能量价格是否低于用户设置阈值的确定。如果否，则控制流程返回到图11H。如果虚拟能量价格低于用户设置阈值，则控制流程前进到步骤1510，在步骤1510处，做出转移负载的最小关闭时间是否已经过去的确定。如果否，则控制流程返回到图11H。如果是，则在返回到图11H之前，在步骤1512处，房屋功率控制器202连接转移负载并设置（最小开启时间）定时器。

图17A图示了房屋功率控制器管理电动车辆负载的充电的方法。在步骤1228之后，在步骤1599处做出负载是否正确连接到系统（即，电动车辆是否正确连接到其充电控制器）的确定。如果否，则控制流程前进到步骤1601，在步骤1601处，做出虚拟能量价格是否低于通知阈值的确定。如果否，则控制流程返回到图11H。如果是，则控制流程前进到步骤1113（图19）。

如果在步骤1599处确定负载正确连接到系统，则控制流程前进到步骤1600，以确定用户是否已请求充电循环。如果是，则控制流程前进到步骤1610，其中电动车辆开始充电，接着返回到图11H。如果否，则控制流程前进到步骤1602，其中做出是否在接下来的24小时内安排了行程的确定。如果没有安排行程，则控制流程前进到步骤1606，在该步骤1606处，做出全局虚拟能量价格是否低于由图17C中的附图标记C表示的空闲充电水平-成本曲线的确定。如果全局虚拟能量价格低于空闲水平-成本曲线，则控制流程再次前进到步骤1610以开始充电。如果否，则控制流程前进到步骤1608，在步骤1608处，做出电动车辆电池充电循环是否将覆盖由公共电力网（PPG）供应的最小能量价格时期的确定。如果是，则控制流程再次前进到步骤1610以开始充电。如果否，则控制流程返回到图11H。如果在步骤1602处确定在接下来的24小时内安排了行程，则控制流程前进到步骤1604，在步骤1604处，做出如下确定：全局虚拟能量价格是否低于由图17B中的附图标记C表示的针对行程时间的充电绝望（desperation）-成本曲线。如果是，则控制流程再次前进到步骤1610以开始充电。如果否，则控制流程前进到步骤1606，如上文描述的那样。

图18A图示了用于计算给定房屋的全局虚拟能量价格的方法。在步骤1700处，做出对房屋的总瞬时电力生成容量的测量。也就是说，做出对房屋生成的总能量的测量，该房屋包括可再生源和非可再生发电机，并且可供使用。接下来，在步骤1702处，通过管理和非管理负载来做出对房屋内的总瞬时能量需求的测量。然后，控制流程前进到步骤1704，其中做出对房屋当前需要的总瞬时电力生成容量的分数的计算。接下来，在步骤1706处，使用由图18B中的附图标记C表示的供应成本传递函数来设置全局虚拟能量价格。也就是说，所计算的总瞬时电力生成容量的分数沿着图18B的水平轴线定位，该水平轴线进而被用来定位（在传递函数C上的）对应点，该对应点的纵坐标是全局虚拟能量价格。

图19图示了发出关于给定房屋的用户通知的方法。在步骤1113之后，控制流程前进到步骤1800，在该步骤1800处，房屋功率控制器202访问来自呼叫者（caller）的当前通知上下文。接下来，在步骤1802处，做出先前是否在节流窗口（throttling window）内向用户发送了该通知或相似通知的确定。如果是，则控制流程返回到调用了该方法的先前的点。如果否，则控制流程前进到步骤1804，在该步骤1804处，做出是否可从房屋网状网络访问用户移动设备的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1812，在该步骤1812处，通过房屋网状网络向用户的移动电话发送通知，接着返回。

如果在步骤1804处，用户的移动电话不可访问，则控制流程前进到步骤1806，在该步骤1806中，做出用户是否请求了移动推送通知的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1814，在步骤1814处，向聚集服务器112发送对推送通知事件的请求。如果否，则控制流程前进到步骤1808，在步骤1808处，做出用户是否已经提供了用以在其接收通知的电子邮件地址的确定。如果是，则控制流程前进到步骤1816，在步骤1816处，向聚集服务器112发送对电子邮件通知事件的请求，接着是步骤1810，在步骤1810处，在房屋功率控制器202的显示器526（图5）上显示消息，接着返回。

前述描述已经涉及了本发明的具体实施例。然而，将显而易见的是，在达成它们的优点中的一些或全部的情况下，可以对所描述的实施例做出其它变型和修改。例如，明确地预期本发明的教导可以被实现为软件（包括具有在计算机上执行的程序指令的计算机可读介质）、硬件、固件或其组合。因此，本说明书应仅通过示例的方式来理解，而不应以其它方式限制本发明的范围。因此，所附权利要求的目标是要覆盖如落在发明的真实精神和范围内的全部这样的变型和修改。

Claims (41)

1.一种系统，其包括：

一个或多个能量控制模块，其被适配成控制对房屋处的一个或多个负载的电功率；

功率控制器，其连接到网络和所述一个或多个能量控制模块，每个能量控制模块能够由所述功率控制器致动，所述功率控制器被配置成：

使用经由所述网络根据当前公用事业能量价格和所述一个或多个能量控制模块获得的数据来计算虚拟能量价格；

将所选负载与虚拟能量价格阈值相关联；

模拟所述所选负载在一时段内的电能消耗；

确定所述虚拟能量价格是否超过所述所选负载在所述时段期间的虚拟能量价格阈值；以及

响应于确定所述虚拟能量价格超过所述所选负载的虚拟能量价格阈值，启动控制所述所选负载的能量控制模块的致动以减少功率。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

接收命令以减少来自充当能量市场中的参与者的聚集服务器的电力消耗。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

基于用户指定的优先级来实现所述一个或多个负载的优先级列表，每个负载可确定为可调光负载和离散功率负载中的一个。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

基于所述虚拟能量价格来确定所述房屋的测量温度是否低于针对所述所选负载的成本-温度曲线，其中所述所选负载是暖通空调（HVAC）负载；以及

响应于确定所述房屋的测量温度低于所述成本-温度曲线，维持对所述所选负载的电力。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

找到用以在所述成本-温度曲线上方移动所述测量温度的轨迹；以及

针对所述轨迹的持续时间安排所述HVAC负载的运转。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

基于所述虚拟能量价格在针对所述所选负载的成本-强度曲线上找到最近的点，其中所述所选负载是可调光的；

通过将用户设置的强度值乘以所找到的最近的点来确定所述所选负载的照明强度值；以及

设置所述所选负载与所述照明强度值相对应的功率水平。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

实行三次插值来求解出所述成本-强度曲线上的最近的点。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述功率控制器进一步被配置成：

确定所述虚拟能量价格是否低于针对所述所选负载的绝望-成本曲线，其中所述所选负载是电动车辆电池；以及

响应于确定所述虚拟能量价格低于所述绝望-成本曲线，对所述电动车辆电池充电。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述能量控制模块包括照明控制器、暖通空调（HVAC）控制器、智能电器和电动车辆充电控制器中的一个。

10.一种系统，其包括：

一个或多个断路器，其被适配成控制对房屋处的一个或多个负载的电功率；

功率控制器，其连接到网络和所述一个或多个断路器，每个断路器能够由所述功率控制器致动，所述功率控制器被配置成：

计算虚拟能量价格；

将所选负载与缩放因子相关联；

模拟所述负载在一时段内的电能消耗；

确定所述虚拟能量价格是否超过在所述时段期间的由所述所选负载的缩放因子缩放的虚拟能量价格；以及

响应于确定所述虚拟能量价格超过由所述缩放因子缩放的虚拟能量价格，启动控制所述所选负载的断路器的致动以减少功率。

11.一种方法，其包括：

计算虚拟能量价格；

使用一个或多个断路器来控制对房屋处的一个或多个负载的电功率；

将所选负载与虚拟能量价格阈值相关联；

模拟所述所选负载在一时段内的电能消耗；

确定所述虚拟能量价格是否超过所述所选负载在所述时段期间的虚拟能量价格阈值；以及

响应于确定所述虚拟能量价格超过所述所选负载的虚拟能量价格阈值，启动控制所述所选负载的断路器的致动以减少功率。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

接收命令以减少来自充当能量市场中的参与者的聚集服务器的电力消耗。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

基于用户指定的优先级来实现所述一个或多个负载的优先级列表，其中每个负载可确定为可调光负载和离散功率负载中的一个。

14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

基于所述虚拟能量价格来确定所述房屋的测量温度是否低于针对所述所选负载的成本-温度曲线，其中所述所选负载是暖通空调（HVAC）负载；以及

响应于确定所述房屋的测量温度低于所述成本-温度曲线，维持对所述所选负载的电力。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：

找到用以在所述成本-温度曲线上方移动所述测量温度的轨迹；以及

针对所述轨迹的持续时间安排所述HVAC负载的运转。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

基于所述虚拟能量价格在针对所述所选负载的成本-强度曲线上找到最近的点，其中所述所选负载是可调光的；

通过将用户设置的强度值乘以所找到的最近的点来确定所述所选负载的照明强度值；以及

设置所述所选负载与所述照明强度值相对应的功率水平。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：

实行三次插值来求解出所述成本-强度曲线上的最近的点。

18.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

确定所述虚拟能量价格是否低于针对所述所选负载的绝望-成本曲线，其中所述所选负载是电动车辆电池；以及

响应于确定所述虚拟能量价格低于所述绝望-成本曲线，对所述电动车辆电池充电。

19.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

响应于在所述时段期间、在所述房屋处的预期净电能产生，降低所述虚拟能量价格。

20.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

基于所述房屋的类和所述一个或多个负载的规格来给所述房屋排出优先级。

21.一种系统，其包括：

一个或多个能量控制模块，其控制对房屋处的一个或多个负载的电功率；

一个或多个能量存储设备，其耦合到所述一个或多个能量控制模块；

功率控制器，其连接到网络和所述一个或多个能量控制模块，每个能量控制模块能够由所述功率控制器致动，所述功率控制器被配置成：

获得较早时段内的较早的虚拟能量价格和较晚时段内的较晚的虚拟能量价格；

使用较晚的公用事业能量价格来模拟所述负载在所述较晚时段内的第一电能成本；

确定在所述较早时段内经由所述一个或多个能量存储设备对所述负载供电的第二电能成本是否小于所述第一电能成本，其中所述一个或多个能量存储设备以所述较早的虚拟能量成本在所述较早时段内被充电；以及

响应于确定所述第二电能成本小于所述第一电能成本，在所述较晚时段期间从所述一个或多个能量存储设备对所述负载供电。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述能量控制模块包括照明控制器、暖通空调（HVAC）控制器、智能电器、电动车辆充电控制器和断路器中的一个。

23.一种系统，其包括：

耦合到开关的处理器；

耦合到所述处理器的网络模块；

耦合到所述开关的负载端子；

耦合到所述开关的连接器，所述连接器被适配成符合与具有至少标称值的线电压的电气断路器面板兼容的线电源连接器；

耦合到所述负载端子和所述处理器的电流传感器，所述处理器被配置成：

使用所述电流传感器对传导到所述负载端子的电流进行采样；以及

响应于接收到关闭对所述负载端子的电力的命令，当电流接近零时去激活所述开关。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述开关是继电器、致动机械开关和晶体管中的一个。

25.如权利要求23所述的系统，进一步包括：

与所述开关串联连接的电弧故障断路器。

26.如权利要求23所述的系统，进一步包括：

耦合到所述负载端子和所述处理器的电压传感器，所述处理器进一步被配置成：

对所述负载端子处的电压进行采样，并计算所述负载的瞬时电力消耗。

27.一种系统，其包括：

耦合到开关的处理器；

耦合到所述处理器的无线网络模块；

耦合到所述开关的负载端子；

耦合到所述开关的连接器，所述连接器被适配成符合与具有至少标称值的线电压的电气断路器面板兼容的线电源连接器，所述处理器被配置成：

响应于接收到打开对所述负载端子的电力的命令，激活所述开关；以及

经由所述无线网络模块来在所述电气断路器面板内配置断路器的网。

28.如权利要求27所述的系统，进一步包括：

耦合到所述处理器的天线，所述天线从所述电气断路器面板突出。

29.如权利要求28所述的系统，进一步包括：

电流传感器，其耦合到所述处理器和所述电气断路器面板的主导线，所述处理器进一步被配置成：

计算所述电气断路器面板的总电力消耗。

30.一种系统，其包括：

耦合到晶体管的处理器；

耦合到所述处理器的网络模块；

耦合到所述晶体管的负载端子；

耦合到所述晶体管的连接器，所述连接器被适配成符合与具有至少标称值的线电压且具有线频率的电气断路器面板兼容的线电源连接器；

过零检测器，其耦合到所述负载终端和所述处理器，所述处理器被配置成：

响应于接收到调光命令，以所述线频率的倍数发信号通知所述晶体管，以使用所述过零检测器实行切相调光。

31.如权利要求30所述的系统，其中被配置成以所述线频率的倍数发信号通知所述晶体管的处理器进一步被配置成实行反向切相调光。

32.一种系统，其包括：

耦合到晶体管的处理器；

耦合到所述处理器的网络模块；

耦合到所述晶体管的负载端子；

耦合到所述晶体管的低通滤波器；

耦合到所述晶体管的连接器，所述连接器被适配成符合与具有至少标称值的线电压且具有线频率的电气断路器面板兼容的线电源连接器；

耦合到所述负载终端和所述处理器的过零检测器，所述处理器被配置成：

响应于接收到调光命令，使用脉冲宽度调制（PWM）频率发信号通知所述晶体管来以所述线频率实现正弦波调光，所述低通滤波器具有低于所述PWM频率的截止频率。

33.如权利要求33所述的系统，其中所述晶体管是氮化镓晶体管。

34.如权利要求33所述的系统，其中所述PWM频率至少为100 kHz。

35.一种方法，其包括：

由聚集服务器维持多个房屋处的负载的一个或多个简档，所述负载可由位于每个房屋处的功率控制器控制，所述聚集服务器充当能量市场参与者；

在所述聚集服务器处接收来自公用事业的指令，从而对所述多个房屋供电以减少电力消耗；以及

将命令传输到所述功率控制器，以使用耦合到所述公用事业和所述负载的能量控制模块来关闭对设定数量的预先确定的负载的电力。

36.如权利要求35所述的方法，其中所述能量控制模块包括照明控制器、暖通空调（HVAC）控制器、智能电器和电动车辆充电控制器中的一个。

37.一种系统，其包括：

耦合到开关的处理器；

耦合到所述处理器的显示器；

耦合到所述开关的负载端子；

耦合到所述开关的连接器，所述连接器被适配成符合与具有至少标称值的线电压的电气断路器面板兼容的线电源连接器，所述开关经由所述负载端子来传导电功率；

耦合到所述负载端子和所述处理器的传感器，所述处理器被配置成：

使用所述传感器来测量一时段内的在所述负载端子处的电流和在所述负载端子处的电压；

计算所述时段内的平均电力消耗量；以及

在所述显示器上显示所述平均电力消耗量。

38.如权利要求37所述的系统，其中所述处理器进一步被配置成显示所述开关的状态。

39.一种系统，其包括：

连接到断路器面板的功率控制器，所述断路器面板能够从公用事业和房屋生成源接收电力；

耦合到所述断路器面板的一个或多个能量控制模块，所述能量控制模块控制对房屋处的负载的电功率，每个能量控制模块能够由所述功率控制器致动，

响应于由所述公用事业提供到所述断路器面板的电力的关闭，所述功率控制器被配置成：

切换到所述房屋生成源以对所述断路器面板供电；

基于所述负载的暂时使用，从所述负载的优先级列表中选择负载；以及

启动所选负载的能量控制模块的致动来关闭电力。

40.一种系统，其包括：

耦合到开关的处理器；

耦合到所述处理器的无线网络模块；

耦合到所述开关的负载端子；

耦合到所述开关的连接器，所述连接器被适配成符合具有与至少标称值的线电压的电气断路器面板兼容的线电源连接器，所述开关经由所述负载端子来传导电功率，所述处理器被配置成：

经由所述无线网络模块从移动设备接收命令；以及

响应于接收到所述命令，减少由所述开关传导的电功率。

41.如权利要求39所述的系统，进一步包括：

与所述开关串联连接的电弧故障断路器。