CN111788754A - 电网系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种可以包括供电网络的至少一部分的系统。该系统还可以包括负载控制器，该负载控制器根据预编程负载曲线控制具有电流等级I1的电流流动从供电网络的至少一部分进入负载网络，该负载网络向一个或多个负载提供电力。该系统还可以包括保护系统，该保护系统响应于检测到与预编程负载曲线不一致的电流模式而将供电网络的至少一部分与负载控制器隔离。

Description

电网系统
本申请要求于2018年12月21日提交的美国非临时申请16/230,203的优先权，该美国非临时申请16/230,203要求于2018年1月5日提交的美国临时申请62/613,991以及于2018年1月23日提交的美国临时申请62/620,981的优先权的权益，所有这些申请通过引用整体并入。
背景技术
本公开涉及电网系统。尤其是，被设计为使用提供给连接到电网的系统的电流的缓慢变化率，并使用那些缓慢变化率来实现快速故障检测的电网系统。
传统上，电力是作为交流(AC)被分配给客户的，因为这是一种集中式电力生产方案中的简单且经济高效的方法。常规的交流(AC)电网系统使用具有近100年历史的技术。实现常规的交流电网系统的成本是基于诸如铜、钢、铝、木材和油之类的商品，这些商品的价格持续上涨。
光伏(PV)技术、电池技术和电力电子的成本和性能的快速改善促进了直流(DC)电网系统的发展，直流电网系统可以以比交流电网系统更低的成本来提供更好的效率、可靠性和安全性。可以从使用更低成本的商品的经济节省以及从更积极地使用已部署的设备来获得成本改善。
然而，由于涉及直流电网的控制和保护的挑战，直流电网系统发展缓慢。相对于交流系统，直流电网系统可以快速响应于负载/供电变化和故障情况。此特性与时变的供电和负载配置相结合，可能会导致直流电网系统经过专门设计并包含复杂的控制算法以维持稳定性。此外，直流配电网络上的故障状况可能会是安全性问题。例如，与交流配电网络不同，可能难以使用成本有效的手段来中断到直流系统故障的恒定直流电流。
通过设计以缓慢变化率工作的系统，可以将电感添加到系统中以降低电流的di/dt，这使得系统更加安全并且能够利用具有较低额定电流的硬件(例如，熔断器)进行操作。缓慢变化率还可以增强系统的稳定性，并实现电压信号传输技术的使用，否则在系统电压随机变化的系统上将难以实现电压信号传输技术的使用。
配电的可靠性对于电网操作者来说是优先事项。快速地检测、隔离配电系统中的故障并从故障中恢复的能力对于系统的可靠性至关重要。分布式资源的激增给系统操作带来了额外的约束，必须解决这些约束以维护和提高配电系统的可靠性。配电系统使用熔断器和保护继电器以在故障情况下隔离系统的不同部分。当熔断器因过电流而烧断时，必须派遣服务人员到现场更换熔断器，并为受断电影响的人员恢复电力服务。
可以安装和协调基于测量电流并在故障情况下断开连接的更先进的电子保护设备以比熔断器更早地进行响应并且允许在故障之后容易地恢复电力。这些电子保护设备可以包括故障距离估计、小波变换和差分电流。由于成本高昂，先进的方法主要用于较大的馈线，而熔断器则是用以保护较小的横向和架空线路(service drop)的优选方法。保护设备被定位为使受故障影响的客户的数量最小化。此外，在某些情况下，提供了冗余的配电路径，以便快速恢复电力同时使受故障影响的客户的数量最小化。
传统的故障检测方案包括一种平衡策略，该平衡策略允许系统通过电压变化对供电和负载性能之间的不完美匹配做出快速反应，该电压变化指示电压不平衡，并因此指示电流不平衡。传统系统必须容忍各种操作电流，从而使得即使在故障条件下，系统仍需要花费时间才能确定电流异常并构成故障。这些传统系统依靠大量的能量流向故障以启动保护措施，从而极有可能造成损坏和安全隐患。换句话说，常规的过电流保护由远高于线电流额定值的电流激活，而与负载在任何时刻所要求的电流无关。这是因为系统无法预测突然的负载变化并将其与故障电流区分开。
为了实现这些目标，系统可以通过有线或无线通信平台在供电网络和负载网络之间添加通信。有线通信平台通常需要专门安装用于通信的独立硬件。这些平台需要额外的设备，从而增加了系统成本。无线通信平台还需要将额外的硬件安装到系统中，并且可能不可靠。每当创建或添加新网络时，这两种系统都需要进行大量的重新设计，从而进一步增加了提供或更新电力网络的成本。
随着电力基础设施通过具有更多的分布式发电和存储而改变，需要新的技术来利用那些资源并增加配电系统的可靠性。这在直流配电系统中更为重要，在直流配电系统中不同的行为导致需要新颖的保护方法。例如，直流系统发生故障后的电流上升通常比交流系统要快得多，从而需要来自保护方法的更快的响应并且使保护的协调变得复杂。另外，由于大的系统电容会导致在重新通电期间产生大的涌入电流并可能导致谐振和设备损坏，因此直流配电系统中的电力恢复更加困难。
为了从直流配电系统向交流系统供电，可以使用逆变器。逆变器是将直流供电变换为交流供电的设备。逆变器通过使用开关操作来实现此目的，从而使电力以波状而不是直接路径流动。开关操作的范围可以从物理开关到利用半导体来操作开关的复杂电路。
逆变器产生的交流供电的波形也不同。这些交流供电可以是方波、正弦波或由逆变器的控制软件规定的任何其他形式的波。不同的应用可以容忍不同类型的电力信号。例如，复杂的电子设备对电力波的形状非常敏感，从而需要平滑的正弦波以防止损坏内部组件。大型电子设备，诸如冰箱和烤箱，可以承受更多的方波而不会损坏其组件。
电网必须担心故障。故障可能出于多种原因而是危险的，包括通过引起可能导致心室纤颤的电击伤而对故障区域内的人员造成的危险。存在若干种类型的故障，包括接地故障、高阻抗故障、相故障、极间故障、电弧故障、间歇性啄断(pecking)故障、由于中性线断开造成的电压不平衡。
传统上，使用外部GFI设备在变压器处检测GFI故障。该设备使交流供电的两个载流导体穿过一个公共电流互感器。两个电流都会在电流互感器铁芯中感应出磁场。当电流处于平衡流动状态(或无故障状态)时，相反的电流会感应出相互抵消的磁场，从而在电流互感器次级绕组上产生零输出电压。当发生接地故障时，少量电流会转入接地并在电流互感器中出现不平衡，从而生成可快速操作GFI断路器的次级电压。
发明内容
本申请公开了一种系统，其可以包括供电网络的至少一部分。该系统还可以包括负载控制器，其根据预编程负载曲线控制具有电流等级I1的电流流动从供电网络的至少一部分进入负载网络，该负载网络向一个或多个负载提供电力。该系统还可以包括保护系统，其响应于检测到与预编程负载曲线不一致的电流模式而将供电网络的至少一部分与负载控制器隔离。
本申请还公开了一种系统，其中，供电网络是直流网络。本申请还公开了一种系统，其中，供电网络是交流网络。系统还公开了供电网络可以包括维持供电网络的供电电压的供电控制器。
本申请还公开了一种系统，其中，供电网络还包括能量存储，其中，供电控制器使用能量存储来维持供电电压。系统还可以包括供电控制器被配置为改变供电电压来发送以预定电压或形状的通信脉冲。本申请还公开了一种系统，其中，负载控制器包括电压传感器、处理器以及存储器，其中存储器包括指令，该指令在由处理器运行时使处理器使用电压传感器从由供电网络提供的电力信号中提取通信脉冲。本申请还公开了一种系统，其中，存储器还包括在由处理器运行时处理通信脉冲以确定向负载控制器发出的命令的指令。
系统还可以包括处理器基于供电电压保持在预定电压处的时间长度来确定命令。系统还可以包括处理器基于去往或来自供电电压的电力信号的形状来确定命令。系统还可以包括处理器基于电力信号转换到预定电压的速率来确定命令。
系统还可以包括变更供电电压来发送通信脉冲包括：以比供电网络中的配电线路的正常瞬态更慢的速率将供电电压从初始等级改变为预定电压。
系统还可以包括处理器基于检测到供电电压到预定电压的改变处于设定的速率来确定通信脉冲的开始。
系统还可以包括发送通信脉冲还包括：通过以设定的速率从预定电压改变供电电压，来结束通信脉冲。系统还可以包括处理器基于检测到供电电压从预定电压的改变处于设定的速率来确定通信脉冲的结束。
系统还可以包括供电控制器还被配置为：如果在一时间段内未检测到对由通信脉冲通信的命令的预期响应，则通过重新发送通信脉冲来执行通信错误校正。
本申请还公开了一种系统，其中，负载控制器包括电压传感器、处理器以及存储器，其中存储器包括指令，该指令在由处理器运行时使处理器在电压传感器测量到不遵循由所述电源控制器设置的预期模式的、来自供电网络的供电电压时检测到故障。
系统还可以包括在负载网络中的能量存储，以及负载控制器控制电流流动包括：从能量存储中存储或汲取能量以保持所控制的电流流动与预编程负载曲线一致。
本申请还公开了一种系统，其中，能量存储包括存储控制器和能量存储设备，存储控制器控制从所述能量存储设备的能量的存储或汲取。系统还可以包括存储控制器与负载控制器通信，以基于存储在能量存储设备中的能量的量来调整预编程负载曲线上的位置。系统还可以被配置为，其中，能量存储设备包括电池。
系统还可以包括负载控制器响应于一个或多个负载的需求而改变预编程负载曲线上的等级。
本申请还公开了一种系统，其中，一个或多个负载包括建筑物。本申请还公开了一种系统，其中，一个或多个负载包括逆变器。
系统还可以包括逆变器包括：存储器；处理器；以及用于将直流电变换为交流电的电路。存储器存储设备包括指令，指令在由处理器运行时执行包括以下步骤的方法：接收逆变器的输出；针对多个时间点存储逆变器的输出；针对多个时间点分析逆变器的输出以检测一个或多个故障；确定检测到的故障中的一个或多个是否要求逆变器进入一个或多个保护模式；以及基于所述确定，发出命令以使逆变器进入一个或多个保护模式之一。
系统还可以包括保护系统包括限制故障电流的变化率的组件。
本申请还公开了一种系统，其中，所述组件是电感器。
本申请还公开了一种系统，其中，保护系统包括保护设备，保护设备包括：电流感测单元，其对电流进行测量；控制器，其将来自电流感测单元的电流测量与预定模式进行比较；以及快速开关(disconnect)，其从控制器接收信号，以在所测量的电流的模式与预定模式不一致时动作。
系统还可以包括来自电流感测单元的电流测量与预定模式进行比较包括：将电流测量的升降率与预定升降率进行比较。系统还可以被配置为，其中，将电流测量的升降率与预定升降率进行比较包括计算电流测量的导数。
本申请还公开了一种系统，其中快速开关包括固态设备。
系统还可以包括检测与预编程负载曲线不一致的电流模式是基于观察到的升降率。系统还可以包括检测与预编程负载曲线不一致的电流模式是基于电流模式的形状。系统还可以被配置为，其中，检测与预编程负载曲线不一致的电流模式是基于电流模式的等级。
本申请还公开了一种系统，其中，负载控制器是第一负载控制器，进入负载网络的电流等级I1是进入第一负载网络的第一电流等级I1，并且预编程负载曲线是第一预编程负载曲线。系统还可以包括第二负载控制器，其根据第二预编程负载曲线控制具有第二电流等级I2的电流流动从供电网络的至少一部分进入第二负载网络。本申请还公开了一种系统，其中，第一预编程负载曲线和第二预编程负载曲线是相同的。本申请还公开了一种系统，其中，第一预编程负载曲线和第二预编程负载曲线是不同的。系统还可以包括检测与预编程负载曲线不一致的电流模式包括：检测电流模式与第一预编程负载曲线和第二预编程负载曲线两者均不一致。
附图说明
图1是示出电网系统的示例的框图。
图2至图4是图1的直流电网系统的各种供电和负载控制器的预编程负载曲线。
图5是脉冲通信控制方案的示例。
图6是通信脉冲的示例。
图7是示出保护设备的示例的框图。
图8是示出智能逆变器故障检测系统的示例的示意图。
图9是示出软件功能的流程图。
图10是示出将控制单元集成到逆变器设备中的智能逆变器故障检测系统的示例的示意图。
图11是示出电网系统的示例的框图。
图12是示出电网系统的示例的框图。
图13是示出电网系统的示例的框图。
图14至图16是图1的直流电网系统的各种供电和负载控制器的预编程负载曲线。
图17是通信脉冲的示例。
具体实施方式
本公开描述了与电网系统有关的系统和技术，该系统和技术可以在维持稳定操作的同时比其他替代方案更早地检测和清除故障。通常，电网系统可以利用本地能量存储来限制负载需求的峰值。这实现了对电网中的负载曲线的稳定控制，然后可以根据预期负载曲线的变化将负载曲线用于故障检测。这种稳定的控制可以防止可能由于负载峰值(诸如，空调压缩机的循环)而造成的麻烦的跳闸。该技术在直流电网中具有提高的价值，在直流电网中系统的动态性会导致增加的故障检测和中断的复杂性。尽管如此，交流电网还可以通过提供故障的早期检测而受益，防止熔断器熔断或断路器跳闸，通过在故障后实现快速的电力恢复来提高可靠性，以及享有其他益处。
对于直流电网而言，可以实施所描述的系统和技术以便实现以下优势中的一个或多个。与交流电网系统相比，本说明书中描述的直流电网系统的实施例的成本更低且更加可靠。相对于交流电网系统，在本说明书中描述的直流电网系统的实施例提供了到诸如光伏系统之类的可再生直流能源的更容易的接口或连接。在本说明书中描述的直流电网系统的实施例在负载点处提供直流配置，这实现了电器和其他负载到直流的变换。直流电网系统的有效模块化配置可以允许更容易的地下安装以及更低的技术劳动量，并且需要更少的或完全不需要针对每个应用的定制。在本说明书中描述的直流电网系统的实施例本质上提供了直流电网的更加安全的操作，这可以归因于功率电子器件的开关速度和可编程负载性能结合分布式能量存储而实现。直流电网系统和相关联的模块化故障安全设计的实施例可以消除交流电网系统的许多组件的复杂性以及电力线频率的变化，这可以允许国际一致性。
为了促进有效的通信，本发明还包括脉冲信号通信平台，该脉冲信号通信平台允许网络通过发送脉冲信号进行通信，其中通过使用电压到指定的通信电压的缓慢上升和下降来将供应的电力的电压设置为通信电压，以指示脉冲是通信信号。
硬件
概况
图1是示出了电网系统100的示例的框图，该电网系统100可以在维持稳定的操作并向负载网络供电的同时检测并清除故障。例如，当电网是直流电网时，系统100可以被实现为独立的配电网络，其中电能由可再生和/或备用发电源和能量存储设备供应。直流电网系统100可以被配置为替代现有的交流电网系统的最后一英里(last mile)应用，并在降低峰值交流系统负载以及避免发电或线路容量增加的同时提供更好的可靠性。相对于通常被封闭或包含在建筑物内的典型直流应用，直流电网系统100可以长距离输送电能并且具有更高等级的公共暴露。通过利用能量存储设备的使用和电力控制器的可编程性，具有存储和受控流动的直流电网系统100可以提供在公共区域内和其周围安全地操作的配电系统。能量存储设备(例如，电池存储)的智能使用和电源控制器的可编程性可以克服常规的直流配电系统与系统稳定性和故障检测、故障清除和系统控制有关的局限性。
供电网络
直流电网系统100包括供电网络102和一个或多个负载网络，例如负载网络120和160。供电网络102通过具有各种可能的电压和配置的直流配电电路(未示出)与负载网络120和160连接。变换器在供电网络102以及负载网络120和160内，该变换器可以具有各种配置并且可以利用各种供电和负载成形算法以及预编程曲线进行操作，这将在下面更详细地描述。在图1所示的实施例中，示出了供电网络102以电流等级I1+I2+…+In向负载网络输送电能。尽管出于解释的目的而示出了一个供电网络102以及两个负载网络120和160，但是直流电网系统100可以包括一个以上的供电网络和/或一个或多个负载网络。在一些实施例中，负载网络可以变换并充当供电网络，这可以通过双向变换器、本地能源和/或本地能量存储来实现。在一些实施例中，可以为负载网络提供与源网络102中的保护设备110等效的保护系统，从而向负载网络赋予源网络的全部功能。
供电网络102可以包括产生电力的电源108。电源108可包括例如采用太阳能电池板阵列产生直流电的光伏(PV)系统、采用水轮机产生直流电的水力发电系统、采用风轮机产生直流电的风电场、分布式天然矿物燃料发电系统、电池电源和/或通过整流器的交流电网。电源108可以包括主电源(例如，光伏系统)和备用电源(例如，水力发电系统、风电场、分布式天然矿物燃料发电系统、其他直流电网系统和/或通过整流器的交流电网)。在一些实施方式中，电源108还包括一个或多个适当大小的电池。
供电网络102可以包括源控制器106和保护设备110，其可以是独立设备或另一设备(例如，供电控制器)的一部分。在一些实施方式中，源控制器106包括电荷控制器，该电荷控制器调节将电流添加到电源108或从电源108汲取电流的速率以调节网络电压。源控制器106可以包括最大功率点跟踪器(MPPT)，该最大功率点跟踪器(MPPT)优化了电源108内的多个电源之间的匹配。在一些实施方式中，电源108包括交流系统或足够大小的附加直流网络(例如，交流电网系统)。源控制器106可以包括电力逆变器，该电力逆变器变换负载网络中的过量的直流电力以将交流电力供应回足够大小的交流系统。在这样的实施方式中，系统可以在足够大小的交流系统以外的供电处利用存储进行操作。源控制器106和电源108可以是单个集成单元或两个或更多个分开的单元。保护设备110可以是电力变换器，诸如直流到直流变换器。保护设备110可以与源控制器集成在一起，其可以是独立的，或者可以沿着网络分布若干个保护设备。
供电网络102可以采用电源108中的备用电源来以可预测的等级供电。供电网络可以充当负载网络120和160的电压源。供电控制器可以确保供电网络中的电压受控和/或其可以确保维持电压恒定或升降(ramp)并且按照预编程负载曲线所需的任何电流等级。在这种情况下，负载曲线可以是电压曲线。维持电压曲线所需的电流量是可预测的，因此提供电压曲线所需的电流的小变化指示网络故障。类似地，保护设备110可以监视电流的变化率和/或电流等级以确定何时发生网络故障。使用多种技术测量变化率。例如，可以使用计算电流信号导数的算法来对其进行测量。可替代地，可以使用一个或多个用于测量电流的变化率的电路来对其进行测量。
电源108可以允许独立的负载网络，以根据预编程负载曲线控制来自供电网络102的具有等级In的电流流动。例如，电源108可以在峰值电力消耗时段、低电力产生时段和/或非预期电力需求期间提供流过保护设备110的至少一部分的附加直流电力。另外，电源108可以在高电力产生时段期间和/或在低电力消耗时段期间接收由供电网络102中的其他元件提供的过量的直流电力，并且电源108还可以从负载网络120和160接收电力。
在一些实施例中，诸如图11中的实施例，供电网络1102可以被概括为在供电网络1102和负载网络之间具有保护设备1110。供电网络1102可以以与以上针对供电网络102所述的方式相似的方式操作。
在一些实施例中，例如图12中的实施例，供电网络1202包括电力供应1204、存储控制器1206、能量存储1208和电源控制器1210。电力供应1204和能量存储1208可以以与以上针对电源108描述的方式相似的方式操作。类似地，存储控制器1206可以以与以上针对源控制器106所述的方式类似的方式进行操作。另外，供电控制器1210可以与能量存储1208协调以补充来自电力供应1204的电力并将供电电压维持在期望的等级。电源控制器1210可以包含以与本文针对保护设备110和700所述的方式类似的方式操作的保护设备。供电控制器1210还可以执行本领域中已知的其他功能，以调节电力、电压和在供电网络1202与负载网络1220和1260之间流动的电流。
负载网络
负载网络120可以包括存储控制器126、能量存储单元128和负载控制器130。在一些实施方式中，存储控制器126是可选的。在一些实施方式中，能量存储单元128包括一个或多个适当大小的电池，并且存储控制器126包括电荷控制器，该电荷控制器控制向能量存储单元128添加电流或从能量存储单元128汲取电流的速率。负载控制器1130可以使用存储控制器126将负载网络120中的变化率限制得足够缓慢，以使得该变化能够与在系统的正常操作期间发生的其他瞬态区别开。使用的变化率可以取决于系统的能力。存储控制器126和能量存储单元128可以是单个集成单元或两个或更多个分开的单元。负载控制器130可以是电力变换器，例如直流到直流变换器。存储控制器126还可以与负载控制器130通信以基于存储在能量存储单元128中的能量的量来调整在预编程负载曲线上的位置。以这种方式，存储控制器126可以操作为防止能量存储单元128被完全充电或放电，这将抑制负载控制器130保持由负载网络120汲取的电流符合预编程负载曲线的能力。负载控制器130还可以连接到一个或多个其他设备，诸如光伏电源、发电机等。
负载网络120可以采用能量存储单元128和负载控制器130来将电力流动维持在稳定等级。能量存储单元128可以基于预编程负载曲线根据来自负载控制器130的命令来补充电流流动以维持进入负载网络120的电流等级I1。例如，能量存储单元128可以在峰值电力消耗时段、低电力供应时段和/或非预期电力需求期间向负载140提供额外的直流电力。负载140可以是单个负载或多个负载。能量存储单元128还可接收提供给负载网络120的、未被负载140使用的过量的直流电力。在一些实施方式中，负载控制器130向供电网络102请求电力以提供恒定的低电力流动用于除了满足负载140的需求之外还对能量存储单元128进行充电。例如，可以使用细流(trickle)充电或其他合适的技术。通常，供电网络102的各种能力(例如，电力供应、控制器和能量存储设备)和负载网络120的各种能力(例如，控制器和能量存储设备)允许流过系统的电流尽可能地恒定和低。在其他实施方式中，如图13所示，诸如光伏发电机或常规发电机之类的其他电源1234和1274可以连接到负载网络。图13类似于图12，但是电源1234和1274已添加到负载网络。
类似地，负载网络160可以包括存储控制器166、能量存储单元168和负载控制器170。在一些实施方式中，存储控制器166可以是可选的。在一些实施方式中，能量存储单元168包括一个或多个适当大小的电池，并且存储控制器166包括电荷控制器，该电荷控制器限制电流被添加到能量存储单元168或从能量存储单元168汲取电流的速率。存储控制器126将负载网络160中的变化率限制得足够缓慢，以使得该变化可以与在系统的正常操作期间(诸如，当添加或打开设备时)发生的其他瞬态区分开。使用的变化率将取决于系统的能力。存储控制器166和能量存储单元168可以是单个集成单元或两个或更多个分开的单元。负载控制器170可以是电力变换器，例如直流到直流变换器。负载网络160也可以连接到一个或多个其他设备，例如光伏电、发电机等。
负载网络160可以采用能量存储单元168以将电力流动维持在稳定等级。能量存储单元168可以是电池或其他存储能量的部件。能量存储单元168可以基于预编程负载曲线根据来自负载控制器170的命令来补充电流流动以维持进入负载网络120的电流等级I2。例如，能量存储单元168可以在峰值电力消耗时段、低电力供应时段和/或非预期电力需求期间向负载180提供额外的直流电力。能量存储单元168还可接收提供给负载网络160的、未被负载180使用的过量的直流电力。在一些实施方式中，负载控制器170可以向供电网络102请求电力以提供恒定的低电力流动用于除了满足负载180的需求之外还对能量存储单元168进行充电。另外，在一些实施方式中，能量存储单元168还可以向供电网络102供电。通常，供电网络102的各种能力(例如，电力供应、控制器和能量存储设备)和负载网络120的各种能力(例如，控制器和能量存储设备)允许跨系统的流动尽可能地恒定和低。
在一些实施例中，诸如图11中的实施例，负载网络可以被概括为具有隔离设备1132和1172、负载控制器1130和1170、能量存储1128和1168以及负载1140和1180。这些设备中的每一个都可以以与以上针对隔离设备132和172、负载控制器130和170、能量存储128和168以及负载140和180所述的方式相似的方式分别操作。在图11中未示出的是电力逆变器122和162以及存储控制器126和166的等同物。在一些实施例中，负载可以是直流供电的，从而需要直流/直流变换器来代替所提到的逆变器122和162。如本文所述，一些实施例可以包括这些特征而其他则没有。类似于对图1中的这些特征的描述，基于图11中的负载网络的一些实施例可以包括以类似于上述方式的方式操作的电力逆变器或存储控制器。
在一些实施例中，例如图12中的实施例，负载网络1220和1260包括隔离设备1232和1272、负载控制器1230和1270、电力逆变器1222和1262、存储控制器1226和1266、能量存储1228和1268以及负载1240和1280。这些设备中的每一个都可以以与以上针对隔离设备132和172、负载控制器130和170、电力逆变器122和162、存储控制器126和166、能量存储128和168以及负载140和180所述的方式相似的方式分别操作。
连接供电网络和负载网络
在具有许多负载网络的系统中，可以为每个负载网络指派一个用于接入供电网络的优先级，以便并非所有负载都同时在增加需求。可以使用例如耦合供电网络和负载网络的令牌环通信和/或在每个负载网络处的嵌入式感测和激活方法来实现此网络管理，该嵌入式感测和激活方法感测系统上的电压变化并监视系统上的活动以确定负载网络转变为激活。在负载网络正在等待接入供电网络时，负载网络可能会接入本地能量存储。在具有许多供电网络的系统中，可以对供电网络进行类似的配置，以使并非所有供电都同时供电。
在图1所示的实施例中，负载网络120为负载140提供服务。负载140可以包括建筑物或其他结构的负载，该建筑物或其他结构通常包括例如照明、通风风扇、电器和其他电子设备。负载140也可以是建筑物本身。在一些实施方式中，负载140可以包括电动车辆充电器。另外，负载140可以包括直流负载，诸如部署在负载点(例如，在电动车辆充电器处)、或烤箱或热泵处的电池。如果负载140包括交流负载，则负载网络120可以包括电力逆变器122，该电力逆变器122将由供电网络102提供的直流电力变换为用于交流负载的交流电力。本文所述的受控流动和保护技术还可适用于终端负载可变的高能耗应用。特别地，可以在安装电池以服务于单个电器的家庭或企业内部使用类似的受控直流配电来消除随机负载变化，从而使系统类似于所描述的网络100的较小版本。这允许家庭或企业中的更高能耗应用使用本说明书中描述的类似的直流电力控制和保护技术。类似地，本说明书中描述的脉冲通信也可以包含在这些较小的实施方式中，例如，当网络原理被应用于单个电器时。
类似于负载网络120，负载网络160服务于负载180。负载180可以包括建筑物或其他结构的负载，该建筑物或其他结构通常包括例如照明、通风风扇、电器和其他电子设备。负载140也可以是建筑物本身。在一些实施方式中，负载180可以包括电动车辆充电器。另外，负载180可以包括直流负载，诸如部署在负载点(例如，在电动车辆充电器处)、或烤箱或热泵处的电池。如果负载180包括交流负载，则负载网络160可以包括电力逆变器162，该电力逆变器162将由供电网络102提供的直流电力变换为用于交流负载的交流电力。本文所述的受控流动和保护技术还可适用于终端负载可变的高能耗应用。如前所述，可以在将电池安装在电器等级处的家庭或企业内部使用类似的受控直流配电来消除随机负载变化。这允许家庭或企业内的更高能耗应用使用本说明书中描述的类似的直流电力控制和保护技术。
如先前所解释的，可以对供电控制器106进行编程以通过根据由预编程负载曲线200所指定的最大负载等级和升降率向负载网络120和160供应电流来维持系统电压。负载控制器130和170可以是恒定电流设备，其根据由预编程负载曲线300和400指定的相应的负载水平和升降率向供电网络102请求电流。可以利用成形并匹配于在负载控制器130和170中编程的累积负载性能的供电性能对保护设备110进行编程，从而得到类似于200的受限负载曲线。参照图2至图4，可以将预编程最大负载曲线200在特定电流等级(例如，3安培和9安培)之间的部分进行比较，并将其与包括由负载网络120的负载控制器130使用的电流I1并且遵循预编程负载曲线300的、测量的负载曲线进行匹配。3安培和9安培的值是示例性的，取决于特定应用和条件，其他的值可能是更恰当的。可以将最大预编程负载曲线200在特定负载等级0和3之间的部分进行比较，并将其与包括由负载网络160的负载控制器170使用的电流I2并且遵循预编程负载曲线400的、测量的负载曲线进行匹配。预编程预期曲线200可以考虑I1和I2两者同时改变的条件。该策略可以增强系统的性能，并且可以提供对故障状况做出更快反应的保护系统。
负载曲线
负载的控制被设计为使用负载网络中的能量存储来管理负载或到负载网络的供电变化。这允许负载控制器通过电流等级和升降率来维持已知的电流，该电流等级和升降率被称为预编程到网络中的负载曲线。这些预编程负载曲线允许保护元件或设备通过电流和/或电压来感测系统处于可接受的操作条件内。例如，可以基于来自每个负载网络的预编程负载曲线来确定最坏情况的升降率和/或电流等级。通过在系统上施加限制或升降波形，系统可以确保相对较小的变化率。
供电网络(第一)预编程负载曲线
图2和图14示出了预编程最坏情况预期负载曲线200的示例，保护设备110可以使用其与来自供电网络102的测量的电力流动进行比较。预编程负载曲线200表示在非故障操作下不应超过的负载网络120和160的预期总使用量。预编程负载曲线200指定用于向负载网络120和160提供电流的遵循特定升降率和策略性电流范围(也称为特定负载等级)的协议。预期预编程负载曲线独立于由被调节的电源108提供的随机电流。可以通过补偿负载网络的需求波动来部分地由电源108管理由供电网络供应的电流。当到达或来自负载网络的电流被管理和预测时，可以精确地维持系统电压，并且可以预先估计波动。
控制网络上的电压和电流变化可以允许网络快速确定电压或电流变化比设计的变化更快或更慢。感知到这些异常可以使网络能够检测到许多问题，包括传统的故障检测系统无法检测到的不良连接或电弧故障。例如，保护设备110可以被编程为通过比较供应的电流与一个或多个指定的预期负载曲线200来响应供电等级的变化。
负载网络(第二)预编程负载曲线
图3和图15示出了可由负载控制器130用来从供电网络102汲取电流的预编程负载曲线300的示例。预编程负载曲线300是基于负载140的使用量并且随特定的升降率通过特定的安培(amp)增量而变化。预编程负载曲线300指定用于从供电网络102接收电流的、遵循特定的升降率并且在某些情况下遵循战略性电流设定点(也称为特定的负载等级)的协议，其可以独立于由电源108提供的和负载140所需的随机电流。负载控制器130可以是恒定电流设备，使得当负载需要改变电力时，该电力由能量存储单元128提供或吸收，从而使供电网络可以升降至新的适当的设定点。能量存储单元128结合存储控制器可以通过补偿负载140所需的电力的波动来减小负载网络所需的电流的变化。另外，能量存储单元128可以在时间t1和t2之间提供负载所需的电力，在此期间负载控制器130不向供电网络102请求电流。当从供电网络102到负载网络120的电流被管理和可预测时，可以精确地维持系统电压并提高稳定性。
负载控制器130可以在其各个设定点上充当恒定电流负载。例如，负载控制器130可以被配置为在宽范围的直流网络电压上向供电网络102请求6安培。随着其他负载上升，系统上的电压下降，这通常会增加所有的负载电流。为了维持到负载的恒定电力，当从能量存储单元128提取到负载140的附加电力时，电流可以保持恒定。在该系统设计中，负载被视为恒定电流或已知的到新设定点的升降电流。可以通过感测参数集合的处理来确定负载控制器130从供电网络102汲取的实际电流，该参数集合诸如负载140的汲取、能量存储单元128的电荷状态以及一天的时间。在某些情况下，负载控制器130可以从供电网络102请求高电流供应，因为其执行了一项用于满足负载需求，并在预期系统可能不能够以高等级输送电流的将来时间将电池电荷恢复到高等级的策略。
图4和图16示出可由负载控制器170用来管理进入负载网络160的电力流动的预编程负载曲线400的示例。预编程负载曲线400是基于负载180的使用量并且随特定的升降率通过特定的安培(amp)增量而变化。此外，基于负载140和180的需求，预编程负载曲线400可以与预编程负载曲线300相同或不同。预编程负载曲线300指定用于从供电网络102接收电流的、遵循特定的升降率并且在某些情况下遵循战略性电流设定点(也称为特定的负载等级)的协议，其可以独立于由电源108提供的和负载180所需的随机电流。负载控制器170可以是恒定电流设备，使得当负载需要改变电力时，该电力由能量存储单元168提供或吸收，从而使供电网络可以升降至新的适当的设定点。能量存储单元168结合存储控制器166可以通过补偿负载180所需的电力的波动来管理负载网络160所接收的电流的变化。另外，能量存储单元168可以在时间t3和t4之间提供负载180所需的电力，在此期间负载控制器170不向供电网络102请求电流。当从保护设备110到负载网络160的电流被管理和可预测时，可以精确地维持系统电压。
负载控制器170可以在其各个设定点上充当恒定电流负载。例如，负载控制器170可以被配置为在宽范围的直流网络电压上向供电网络102请求3安培。随着其他负载上升，系统上的电压下降，这通常会增加所有的负载电流。在该系统设计中，负载被视为恒定电流或已知的到新设定点的升降电流。可以通过感测各种参数的算法来确定负载控制器170从供电网络102汲取的实际电流，该参数诸如负载18的汲取、能量存储单元168的电荷状态以及一天的时间。在某些情况下，负载控制器170可以从供电网络102请求高电流供应，因为其执行了一项用于满足负载需求，并在预期系统可能不能够以高等级输送电流的将来时间将电池电荷恢复到高等级的策略。
脉冲信号通信平台
为了在供电网络和负载网络之间进行通信，供电网络可以使用受控电压脉冲，其中该电压的升降率、等级或两者的组合(即，变化的波形)被用于触发负载网络中的特定事件，诸如打开或关闭硬件、调整功耗或限制发电量。脉冲还可以传达其他信息，诸如天气数据、系统设定点和其他消息。通过利用已经存在的电力线，脉冲信号通信平台可以减少对额外设备的需求，并提高通信平台的可靠性。只要正在传输电力，系统就可以通信。在一种可能的即插即用控制方案中，命令没有寻址到系统上的特定元件，而是广播给所有基于广播消息做出响应的元件。这种控制方案的一个示例在图5中示出。可替代地，可以使用一系列脉冲来发送设备特定的命令。例如，第一脉冲或脉冲集合可以寻址该设备，随后是一个或多个附加脉冲以将命令或信息传送给所标识的设备。也可以使用将通信标识为设备特定的或广播通信的初始脉冲。
为了发送脉冲，供电网络可以使用诸如供电控制器106之类的调节元件，以将电力线中的电压从初始等级缓慢地增加到负载网络已知的、指示电压变化是一个信息的预定电压或通信电压。尽管本文的示例使用电压增加作为示例，但是也可以使用电压降低。然后，负载网络使用非调节元件来接收和解码通信电压。非调节元件可以包括保护设备110、负载控制器130和170，或诸如允许非调节元件接收并测量电压变化的电压传感器之类的分立设备。例如，在负载控制器130和170中可以包括接收和解码脉冲所需的电压传感器、(一个或多个)处理器和(一个或多个)存储设备。在接收和测量这些变化之后，非调节元件使用预编程指令集合对信号进行解码。
在一个实施例中，可以使用持续时间为数百毫秒或几秒的慢脉冲来发送通信。通过使用慢脉冲而不是高频信号，可以消除来自电力变换设备的干扰以及由于长传输线效应而产生的谐振和延迟。此外，低频脉冲的使用使得能够以高频脉冲无法实现的长距离来发送信息。这些慢脉冲可以是比系统正常操作(诸如启动或连接设备)慢的任何值。例如，较慢的脉冲可以比正常操作慢10倍或慢100倍，这取决于系统可靠地控制供电到负载的正常操作的能力。
在一个实施例中，对信号进行解码包括测量将电压设置为通信电压的时间。在该实施例中，系统停留在通信电压上的不同时间长度将指示不同的命令或消息。例如，一个时间长度可能意指打开或关闭设备，第二时间长度可能指示负载网络限制功耗。类似地，命令或消息也可以通过电压或电流中的脉冲的波形或通过电压或电流的升降率进行通信。
其他状况，诸如故障，也可能导致电压达到通信电压。为了防止非调节元件将这些变化解释为消息，供电网络可以以设定的速率逐渐增加电压，以指示该电压变化是通信。此过程也被称为电压的缓慢上升。类似地，供电网络可以逐渐将电压降低到正常等级，以指示消息已结束。此过程也称为缓慢下降。图6示出了具有缓慢上升和下降的通信脉冲的一个示例。图17示出了具有缓慢的上升和下降的通信脉冲的另一示例。除了脉冲持续时间外，上升和下降速率本身(尽管缓慢)还可以改变并被用于传达信息。
脉冲通信平台还可包括纠错。例如，如果从通信开始的某个时间段内未发生预期响应，则可以通过重新发送命令的元件(诸如供电控制器)来主动纠正检测错误。
尽管上面已经描述了从供电网络到负载网络进行通信的脉冲通信平台，但是其他配置也是可能的。例如，负载网络可以通过在I1到In上施加电流脉冲来与供电网络进行通信，只要系统正在传输电力，就可以使用脉冲通信网络在通过电力线连接的任何网络或设备之间进行通信。
故障检测
检测故障
为了进行故障保护，供电网络102包括保护设备110。在其他实施例中，保护设备110可以位于负载网络内，诸如在负载控制器130和170内。保护设备可以在供电控制器内部或外部。可以沿着配电线放置多个保护设备，以允许对线路进行分段并协调故障检测。保护设备110可以包括固态继电器或其他类型的合适的电隔离器。当检测到故障条件时，保护设备110进行操作以隔离负载网络120和160，移除存储在配电线路中的能量，关闭其他变换器或关闭其他能源。
特别地，平衡策略允许系统100通过超过精细指定阈值的电压变化或电流变化对供电和预期负载性能之间的不完美匹配做出快速反应。电压变化指示不平衡，并因此指示电流不平衡。传统系统必须容忍宽范围的操作电流，从而使得即使在故障条件下，系统仍需要花费时间才能确定电流异常并构成故障。在本说明书中描述的系统的一些实施例假定，除了预期的非常窄范围的电流等级、变化和波形之外的任何其他电流等级、变化和波形都构成故障并且更快地跳闸。可以基于与由预编程负载曲线确定的电流等级、波形和/或升降率的偏差的阈值的不一致来触发保护。该偏差的阈值可以基于每条独立的负载曲线来确定，也可以基于偏差的阈值被系统中一个以上或全部的负载网络预编程负载曲线所超过的时间来确定。之所以能够实现，是因为系统消除了随机电流变化以调节电流等级，从而允许为绝对电流等级保护设置精细的公差。另外，由于系统控制变化率或电流和电压，以及变化的波形(或升降率和波形)这些值，因此变化率和变化的波形可用于确定故障。例如，尽管经典保护系统在经过一段时间延迟后检测到在超过负载的150％的偏差时会触发故障，但是当前系统可能能够针对较小的偏差(诸如，超过负载的5％)来触发故障保护方案。另外，当前系统可能能够立即触发故障。
清除故障并重新通电
在指定的频带之外的任何偏差的情况下(其指示电力供应或电力需求不符合对应的预编程负载曲线)，可以激活保护设备110以使系统断电。可替代地，保护设备110可以通过向其他设备发送信号以跳闸来使系统断电。可以使用启用或禁用电流流动的半导体开关或继电器来实现保护设备110。当在某些短时间段内失去供电网络电压时，负载网络隔离132和172打开。然后，保护设备110可以在没有连接负载的情况下重新使系统100通电。
在感测到电压时，负载网络120和160中的隔离设备132和172可以通过控制信号或通过嵌入式算法按顺序关闭。如果保护设备关闭并且系统100检测到不平衡时，则保护设备110可以跳闸，并且保护设备关闭序列可以再次启动，但是这次故障分段通过嵌入式逻辑来保持隔离。
在一个实施例中，可以对负载网络中的负载控制器130和170进行编程，以延迟负载网络和供电网络之间的电力交换的开始。如上所述，该延迟在无负载情况下为线路的简单且低电流的重新通电提供了足够的时间，并且还使系统能够轻松识别故障是否已被清除。当负载网络在重新通电延迟期间不消耗电力时，保护设备110可以检测到故障已经消除。然而，当负载网络在重新通电延迟期间确实消耗了故障电流时，保护设备110可以检测到故障尚未消除。
在重新通电期间，可以清除系统100，而不会对供电网络102造成影响(这是由于在负载网络断开连接的情况下维持电力的电源108)，并且不会对负载网络120和160造成影响(这是由于在负载网络120和160中的一个或两者都从供电网络102断开连接的情况下向相应的负载140和180供电的相应的能量存储单元128)。换句话说，电源可以继续运行从而将其电力供应给其他的元件，而负载网络120和160可以通过将存储在相应的能量存储单元128和168中的电力供应到各个负载140和180来继续运行。
保护设备
图7示出了连接到主线路712和负载网络或产消器(prosumer)714的保护设备700的框图。负载网络120和160集成了能量存储，并且在许多情况下集成了可再生能源，从而使得通过保护设备所需的或提供的电流的变化是受限的并且是已知的。
保护设备并入了可以检测电流和/或电压的感测单元702，从而以高带宽测量流向负载网络120和160的电流。设备需要高带宽以允许其检测频率高于正常操作期间的频率的电流或电流的瞬变。可以将电流测量值发送到控制器704(该控制器704可以包括处理器和存储器)，该控制器704计算电流的导数，该电流的导数表示电流的变化率。可以用由di/dt限制器718监视的指示正常操作的最大电流升降率来对控制器704进行编程。控制器704可基于测量将所计算的电流变化率或电流变化的导数与最大电流升降率进行比较。如果测量的变化率在正常范围之外，则控制器704可以打开快速开关706，诸如基于半导体器件或固态继电器的快速开关706，并中断电流流动。控制器704还可以激活低的电流，缓慢响应通电设备，诸如通电设备(例如，继电器或半导体)708，以使先前故障的线路通电。在其他实施例中，通电继电器708可以可替代地是半导体或本领域中已知的其他器件。流过通电继电器708的电流可以由电流限制设备710(例如，电阻器)进行限制。取决于在通电设备708被激活时流过电流传感器702的电流，控制器704可以确定故障是否已被清除。
控制器704可以将通信平台与外部控制器合并，该外部控制器能够改变用于正常和异常的电流变化率的设置。可以自动地编程、手动发起或通过通信链路来远程发起线路的重新通电。故障电流升降限制设备710可以是可以与快速开关706串联插入的电感器，以限制故障电流或电压的变化率。在系统中添加电感器与电流逻辑背道而驰，该电流逻辑试图消除电感，因为电感限制了变化率。然而，在所公开的系统中，系统被设计为保持低变化率。因此，可以引入电感器来减缓通常在直流线路故障期间发生的快速电流尖峰。这允许采用熔断器和其他具有较低额定电流的保护机制，它们相比于较高电流的替代方案而言通常更加便宜和安全。设备中还可以包含经典的过电流保护，以提供额外的保护或在保护失败时做出响应。
智能逆变器
在另一个实施例中，网络包括智能逆变器，该智能逆变器通过提高操作速度并增加可以检测和清除的故障的数量和类型来保护从逆变器交流输出供电的设备，这些故障包括不会损坏逆变器但是可能会导致外部设备损坏或针对用户的不安全条件的故障。所描述的智能逆变器系统检测和/或测量逆变器的交流输出以分析是否已发生故障，并且然后可以控制逆变器和电网中的其他设备以保护电网及其上连接的任何设备免受由于故障造成的损坏。
在一个实施例中，智能逆变器包括处理器和存储设备，其可以执行必要的分析以对电流进行分析并在发生故障时关闭逆变器。在另一个实施例中，逆变器可以连接到具有处理器和存储设备的控制单元。控制单元执行必要的分析以分析电流并关闭逆变器。这两个实施例还可以与电网网络中的其他设备通信，诸如断路器或熔断器盒，以在发生故障时触发其他电网保护协议。
逆变器
在工业中已知若干种形式的逆变器。本发明可以利用添加到逆变器的控制单元来监视逆变器的输出并在检测到故障时控制逆变器。
图8是示出可以在该系统中使用的逆变器802的示例的图。逆变器的其他配置也是已知的并且可以实现本发明。逆变器802包括用于接收直流供电的输入804。直流供电流向开关806，该开关806在至少两个路径之间交替以使直流能量流动。这两个路径流到磁性组件808以感应交流供电流动。该交流供电流动是具有典型的交流供电特性(诸如，电流和电压)的滤波器810的输出，可以在逆变器802内或在流动离开逆变器802时对该交流供电特性进行测量。
开关806可以采用本领域已知的若干种形式。例如，机电版本允许开关806连接到两个触点，其中开关806被弹簧朝着一个触点偏置。电磁体连接到第一触点，并将开关拉向第二触点。当开关806到达第二触点时，电磁体的电流被中断并且电磁体关断，从而允许弹簧将开关806移回第一触点。这允许开关806在两个触点之间快速交替，从而通过两个路径输送流动以产生交流供电。也可以使用本领域已知的开关806的其他配置。例如，半导体开关、晶体管开关、晶闸管开关等。
上面的描述产生了方波，但是一些负载网络将需要平滑的正弦波形。在另一个实施例中，逆变器802还可以包括允许逆变器以平滑的正弦波或本领域已知的其他波形来产生交流供电的硬件。为了产生这种平滑的正弦波形，逆变器可以包括电容器、电感器、低通滤波器、谐振滤波器、整流器、反并联二极管以及本领域已知的其他器件。该相同的硬件也可以用于产生其他波形，诸如本领域中已知的修正正弦波。
控制单元
在一个实施例中，控制单元812包括(一个或多个)处理器814和(一个或多个)存储器存储设备816。(一个或多个)存储器存储设备816存储将由(一个或多个)处理器814执行的指令和执行这些指令所需的数据，诸如电网正常操作的参数以及表示已发生故障的条件。
(一个或多个)处理器814可以实现为被设计为执行所公开的方法的功能的一个或多个已知的或定制的处理设备，诸如能够同时运行并行处理的单核或多核处理器。例如，(一个或多个)处理器814可以配置有虚拟处理技术。(一个或多个)处理器814可以实现虚拟机技术，包括Java虚拟机，或其他已知技术，以提供用于执行、控制、运行、操纵、存储等多个软件处理、应用、程序等的能力。本领域普通技术人员将理解，可以实现提供本文公开的能力的其他类型的处理器布置。
(一个或多个)存储器存储设备816可以包括使(一个或多个)处理器814能够运行程序的指令，诸如一个或多个操作系统、服务器应用、通信处理以及已知在计算机系统上可用的任何其他类型的应用或软件。(一个或多个)存储器存储设备816可以以易失性或非易失性、磁、半导体、带、光学、可移动、不可移动，或另一类型的存储设备或有形(即，非暂时性)计算机可读介质来实现。
在一些实施例中，(一个或多个)存储器存储设备816包括指令，该指令在由(一个或多个)处理器814运行时，执行与本文公开的功能一致的一个或多个过程。与所公开的实施例一致的方法、系统和制品不限于被配置为执行专用任务的单独的程序或计算机。
图9是示出了根据所公开的实施例的由(一个或多个)处理器814执行的示例性故障检测过程900的步骤的流程图。然而，流程图所示的步骤仅是示例性的，并且可以添加或删除一个或多个步骤以实施故障检测过程900。另外，可以以允许系统检测故障的任何顺序来执行这些步骤。
在步骤910，控制单元812从逆变器802接收输出。该输出可以是电流或电压。可替代地，来自逆变器的输出可以是来自逆变器的电流或电压的测量值。
在步骤920，(一个或多个)存储设备816在多个时间点存储来自逆变器802的输出。这允许(一个或多个)处理器814存取足以确定和分析输出如何随时间改变的数据。例如，(一个或多个)处理器814可以确定一分钟内电流的绝对值，或者一分钟内电流改变的速率或者在不同点处测量的电流之间的差。
在步骤930，(一个或多个)处理器814分析来自逆变器802的输出以确定是否已发生故障。该系统可以检测多种类型的故障，包括GFI、过电流、不平衡电压(中性线开路)和电弧故障。
作为一个示例，可以通过使用电压或电流来分析离开逆变器802的电力流动来检测GFI故障。可以通过分析逆变器连接到负载140或160的点处的电力流动来检测GFI故障。在此示例中，接地故障导致电流从逆变器802经由故障流向地并通过逆变器802的接地端子返回。在正常的而非故障的条件下，流过地的电流为零，并且流过端子的电流的代数和应为零。但是，当发生接地故障时，总和会偏离零。如果逆变器802在所有电力线中都设有电流传感器，如图8所示，可以将测量的电流相加(Itotal＝IA+In+IB)，并且如果结果从零漂移，则系统可以确定在输出线路中存在接地故障。可替代地，逆变器802可以通过残差(residual)电流传感器接收电流测量，该残差电流传感器物理地测量三个电流的总和，并且该传感器的输出可以用于确定是否存在接地故障。
作为另一个示例，可以使用逆变器硬件检测外部电弧故障。传统上，交流电弧故障检测器设置在逆变器外部，并使用与用于逆变器电力控制的传感器分开的传感器。逆变器802可以如本文所述的通过输出来测量电力信号。然后，控制单元812可以利用本领域已知的内部算法来应用信号处理，以基于那些测量(诸如电流测量)来识别外部电弧故障。
作为另一示例，逆变器802可以检测逆变器802与负载之间的中性线开路故障。在一些实施例中，逆变器802可以产生分相电力信号，该分相电力信号提供两个相位相差180度的正弦电压。这些可以包括公共点或中性线，该公共点或中性线允许将一些负载逐线放置，以使它们接收两倍的相电压或接收相电压，而其他负载则被连接。这些类型的系统在住宅应用中十分常见。在该实施例中，逆变器802独立地调节两相中的每相的电压并且维持180度相移以产生分相。使用分相配置有时会导致中性线导体损坏，造成中性线开路故障，并可能在相线和中性线之间连接的某些负载中产生过电压。
在一些实施例中，逆变器可用于检测中性线开路故障。分相系统的一个特性是流经两条线路的电流通常相同或平衡。在这种情况下，逆变器802的电流测量可以读取中性线中的零电流。但是，中性线中的零读数也可能是由于中性线开路故障。如果逆变器设置有中性线电流传感器，并且电流变为零(In＝0)，则控制单元812中的(一个或多个)处理器814可以命令逆变器802在两相之间的电压的幅值或相位上产生小的偏差(例如，VAn>VBn)。在这种情况下，一相中的电压现在与另一相上的电压略有不同，或者相角不完全是180度，这使得先前平衡的负载失去平衡，并通过中性线产生电流。然后，控制单元812可以验证中性线连接仍然完好无损。如果电压偏差没有产生可测量的中性线电流，则控制单元可以确定存在中性线开路故障。
在其他实施例中，不必测量中性线电流。可替代地，可以将中性线电流计算为两相电流的代数和(In＝IA+IB)。在该实施例中，本文中描述的逆变器802然后可以使用该计算值来代替测量值以检测开路中性故障。
在步骤940，(一个或多个)处理器814确定是否进入存储在(一个或多个)存储设备816上的保护模式之一。(一个或多个)存储设备816可以存储用于保护网络的一个或多个保护模式。这些保护模式之一可以是关闭逆变器802的开关操作，从而停止交流电流的流动。其他保护模式可以包括使断路器跳闸以停止交流电流的流动或使熔断器盒烧断熔断器。
在步骤950，(一个或多个)处理器814向适当的设备发出命令，以进入为保护电网系统100而选择的保护模式。例如，这些命令可以被发送给逆变器802、断路器或熔断器盒。
在一个实施例中，控制单元包括测量逆变器802的交流供电的传感器。该传感器可以测量交流供电的电流、电压和/或任何其他相关特性。
逆变器与控制单元合并在一起
图10是示出另一个实施例的框图，在该实施例中包括(一个或多个)处理器1002、(一个或多个)存储器存储设备1004和通信平台1006的控制单元被并入到逆变器1000中。在该实施例中，逆变器1000和控制单元两者以与上述逆变器802和控制单元812相同的方式操作。
优势/用途
该技术不同于依赖于流向故障的大量能量流动来发起保护动作的传统方法。而是，该技术使用电流流动的可预测性来模拟多端子差分电流保护方案。偏离预编程负载曲线的任何电流流动都指示与预期的预测电压或电流曲线不符的系统电压或电流。由于电流受限的有功电源不会为跳闸断路器或熔断器提供电流，因此在常规电网系统中可能无法检测到高电阻故障和在线电弧。故障条件与本发明的实施例中的预期电流和电压曲线不一致，并因此系统100将跳闸并隔离问题。相对于常规电力系统和其他直流电力技术，该故障检测方法提供了对故障条件的更快响应，具有更好的可靠性、更少的损坏和更高的安全性，而无需与电网系统100的其他组件进行通信并且无需在远程终端处通过额外的电流测量设备进行电流感测。
为了改善整个系统100的经济性和安全性，可以将负载电池及其电力逆变器配置为替代负载网络处的传统计量和主板保护。本发明的实施例通过使用电流感测电路和固态继电器来代替传统的面板断路器，从而利用电力逆变器的高开关速度。当检测到故障情况时，电力逆变器立即被禁用，并且通过断开继电器来隔离适当的电路，因此电力逆变器可以安全地恢复服务。使用这种设计可以提高整个系统接地故障保护的安全性。
存在将本发明的原理应用于范围从设备级电力控制到单个建筑物电力控制、到整个电网控制的系统的附加实施例。配置为使用存储或其他电源来消除对跨网络随机流动的需求的任何系统都可以实现所公开的原理。例如，当系统安装在家庭中且负载完全是直流时，能量存储可以在家庭内分布并由直流控制器使用足够低的电压来供应，以消除接地设备的需要，从而显著地降低安装成本。基于以太网供电(power over Ethernet)的概念和上述向具有存储的负载网络恒定供电的技术的基础上，系统可以在每台消耗超过100瓦峰值(或其他标准等级)的电器上合并小型能量存储。如果电器在较低负载下持续运行(例如，带有过大的电动机和压缩机的冰箱，如果其循环并仅运行一半时间)，或者如果专用能量储存以恒定的低电量充电并且从设备运行时汲取电力，则电器可以更加高效。
以上已经详细描述了一些实施方式，并且各种修改是可能的。例如，在电源的特性是可预测的且一致的实施方式中，供电网络可以不包括作为电力缓冲器的存储控制器和能量存储单元。类似地，在负载的特性是可预测的且一致的实施方式中，负载网络可以不包括作为电力缓冲器的存储控制器和能量存储单元。尽管所描述的实施方式集中于直流系统，但是这些实施方式也可以应用于交流系统。
尽管本说明书包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而应被解释为对可以是特定于特定实施例的特征的描述。本说明书中的在单独的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此进行保护，但是在某些情况下，可以从组合中切除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且可以将所要求保护的组合用于子组合或子组合的变体。

Claims (38)

1.一种系统，包括：
供电网络的至少一部分；
负载控制器，其根据预编程负载曲线控制具有电流等级I1的电流流动从所述供电网络的至少一部分进入负载网络，所述负载网络向一个或多个负载提供电力；以及
保护系统，其响应于检测到与所述预编程负载曲线不一致的电流模式而将所述供电网络的至少一部分与所述负载控制器隔离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述供电网络是直流网络。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述供电网络是交流网络。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述供电网络包括维持所述供电网络的供电电压的供电控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述供电网络还包括能量存储，其中，所述供电控制器使用所述能量存储来维持所述供电电压。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述供电控制器被配置为变更所述供电电压来发送以预定电压或形状的通信脉冲。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述负载控制器包括：
电压传感器，
处理器，以及
存储器，其中所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述处理器使用所述电压传感器从由所述供电网络提供的电力信号中提取所述通信脉冲。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述存储器还包括在由所述处理器运行时处理所述通信脉冲以确定向所述负载控制器发出的命令的指令。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器基于所述供电电压保持在所述预定电压处的时间长度来确定所述命令。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器基于去往或来自所述供电电压的所述电力信号的形状来确定所述命令。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器基于所述电力信号转换到所述预定电压的速率来确定所述命令。
12.根据权利要求6所述的系统，其中变更所述供电电压来发送所述通信脉冲包括：以比所述供电网络中的配电线路的正常瞬态更慢的速率将所述供电电压从初始等级改变为所述预定电压。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理器基于检测到所述供电电压到所述预定电压的改变处于设定的速率来确定所述通信脉冲的开始。
14.根据权利要求6所述的系统，其中，发送所述通信脉冲还包括：通过以设定的速率从所述预定电压改变所述供电电压来结束所述通信脉冲。
15.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理器基于检测到所述供电电压从所述预定电压的改变处于设定的速率来确定所述通信脉冲的结束。
16.根据权利要求6所述的系统，其中，所述供电控制器还被配置为：如果在一时间段内未检测到对由所述通信脉冲通信的命令的预期响应，则通过重新发送所述通信脉冲来执行通信错误校正。
17.根据权利要求4所述的系统，其中，所述负载控制器包括：
电压传感器，
处理器，以及
存储器，其中所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器运行时使所述处理器在所述电压传感器测量到不遵循由所述电源控制器设置的预期模式的、来自所述供电网络的供电电压时检测到故障。
18.根据权利要求1所述的系统，其中
所述系统还包括在所述负载网络中的能量存储，以及
所述负载控制器控制所述电流流动包括：从所述能量存储中存储或汲取能量以保持所控制的电流流动与所述预编程负载曲线一致。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述能量存储包括存储控制器和能量存储设备，所述存储控制器控制从所述能量存储设备的能量的存储或汲取。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述存储控制器与所述负载控制器通信，以基于存储在所述能量存储设备中的能量的量来调整所述预编程负载曲线上的位置。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述能量存储设备包括电池。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载控制器响应于所述一个或多个负载的需求而改变所述预编程负载曲线上的等级。
23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个负载包括建筑物。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个负载包括逆变器。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述逆变器包括：
存储器；
处理器；以及
用于将直流电力变换为交流电力的电路，
其中，所述存储器存储设备包括指令，所述指令在由所述处理器运行时执行包括以下步骤的方法：
接收所述逆变器的输出；
针对多个时间点存储所述逆变器的输出；
针对多个时间点分析所述逆变器的输出以检测一个或多个故障；
确定检测到的故障中的一个或多个是否要求所述逆变器进入一个或多个保护模式；以及
基于所述确定，发出命令以使所述逆变器进入一个或多个保护模式之一。
26.根据权利要求2所述的系统，其中，所述保护系统包括限制故障电流的变化率的组件。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述组件是电感器。
28.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护系统包括保护设备，所述保护设备包括：
电流感测单元，其对电流进行测量；
控制器，其将来自所述电流感测单元的电流测量与预定模式进行比较；以及
快速开关，其从所述控制器接收信号，以在所测量的电流的模式与所述预定模式不一致时动作。
29.根据权利要求28所述的系统，其中将来自所述电流感测单元的电流测量与预定模式进行比较包括：将所述电流测量的升降率与预定升降率进行比较。
30.根据权利要求29所述的系统，其中将所述电流测量的升降率与预定升降率进行比较包括计算所述电流测量的导数。
31.根据权利要求28所述的系统，其中所述快速开关包括固定状态设备。
32.根据权利要求1所述的系统，其中，检测与所述预编程负载曲线不一致的电流模式是基于观察到的升降率。
33.根据权利要求1所述的系统，其中，检测与所述预编程负载曲线不一致的电流模式是基于所述电流模式的形状。
34.根据权利要求1所述的系统，其中，检测与所述预编程负载曲线不一致的电流模式是基于所述电流模式的等级。
35.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载控制器是第一负载控制器，进入所述负载网络的电流等级I1是进入第一负载网络的第一电流等级I1，并且所述预编程负载曲线是第一预编程负载曲线，所述系统还包括：
第二负载控制器，其根据第二预编程负载曲线控制具有第二电流等级I2的电流流动从所述供电网络的至少一部分进入第二负载网络。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述第一预编程负载曲线和所述第二预编程负载曲线是相同的。
37.根据权利要求35所述的系统，其中，所述第一预编程负载曲线和所述第二预编程负载曲线是不同的。
38.根据权利要求35所述的系统，其中，检测与所述预编程负载曲线不一致的电流模式包括：检测所述电流模式与所述第一预编程负载曲线和所述第二预编程负载曲线两者均不一致。
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