JP2008301701A - 配電制御方法及び電力管理デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
電気エネルギを供給するための改良した装置および方法を提供する。
【解決手段】
配電制御方法であって、
配電システムから負荷に電気エネルギを印加するステップと、
前記配電システムの前記電気エネルギの電気的特性を監視するステップと、
前記監視を活用し、複数の異なる瞬間に前記負荷に印加される前記電気配電システムの電気エネルギ量を調整するステップと、
を含んでおり、前記調整ステップはそれぞれの異なる瞬間に複数の異なる時間長で前記電気エネルギ量を調整するステップを含んでいることを特徴とするものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、配電制御方法、電気エネルギ需要監視方法、電力管理デバイスに関するものである。

電気エネルギの消費並びに電気エネルギへの依存は、増大しつつある。電気エネルギの利用は、生活のほとんどあらゆる面において偏在している。ビジネス、エンタテイメント、通信等は、基礎となる動作のため電気エネルギに大きく依存している。配電のシステムまたはグリッドは、電気エネルギを、家庭、事業所、製造設備、病院等に供給している。しかし、このようなシステムは通常、信頼性があるが、多くのシステムでは、使用している配電システムの故障に備えてバックアップ電源を用いている。

ある配電システムは、常時変化する動的システムであって、稼働は、発電と負荷とのバランスが関係することが多い。この電気エネルギの電圧の周波数は、電気エネルギの発生と、この配電システムに結合した負荷による電気エネルギの使用との間の変動のインジケータとして使用することができる。例えば、需要が発生を超えると、配電システムにおける電気エネルギの周波数は低下し、逆に、過大な電気エネルギが利用可能となると、その周波数は上昇する。ある所与の２４時間期間に渡って、エネルギの余剰と不足をバランスさせることによって、平均の周波数が６０Ｈｚまたはその他の所望の周波数となるようにすることが望まれている。

通常、配電システムの状態の制御は、このシステムに結合した発電機の動作を制御することによって実施されている。例えば、需要増大の時点においては、発電機の出力を増大させること、および他の発電機をオンラインにすることの一方または双方によって、電気エネルギ供給を補助することができる。加えて、電気エネルギに対する需要における予期しないかなりの変動に対応するため、瞬時予備電力を利用することもできる。瞬時予備電力を設けることは、コストがかさみ、しかもその時間のほとんどで使用されない。

ある配電アプローチは、需要側管理（Demand Side Management(DSM)）を利用することによってピーク負荷を削減するように設計されている。このＤＳＭ技術は、直接負荷制御を含み、これにおいて、公益企業は、状態により正当化される特定の負荷を削減する能力を備えている。これら構成においては、公益企業は、削減（例えば、ピーク使用期間中）が望まれるとき、特定の負荷に対し制御信号を同報通信することができる。

他の配電アプローチは、外部のフレキシブルＡＣ送電システム（Flexible AC Transmission System (FACTS)）を使用して基幹送電回廊を安定化させることにより、送電システムの動的性能を向上させようと試みている。静止型無効電力補償装置（Static-Var Compensation (SVC)）やサイリスタ制御直列コンデンサ（Thyristor-Controlled Series Capacitors (TSCSs)）のようなＦＡＣＴＳデバイスは、安定性の増強を提供するように設計されていて、これにより送電設備が、それらの究極の熱容量に近いレベルに装荷されるようにする。これらデバイスは、無効電力を供給して電圧をサポートしたり、あるいは調整を提供して電気機械的動揺をダンプしたりするようにできる。

公益企業は、配電動作を管理するため、分配ポイント（例えば、変電所（substation）および開閉所（switchyard）の一方または双方）で他のデバイスを使用することができる。例示的な管理デバイスは、不足周波数リレーおよび不足電圧リレーを備えている。これらデバイスは、グリッドがトラブル状態にあるとき近隣全体を“停電（black out）”させて、停電させた顧客へ電力を再供給する前にグリッドが復旧できるようにする。

配電システム内における電力潮流の動揺は、公益企業にとって重要問題である。ある技術では、大きな電力潮流コントローラを高容量の送電線内で利用し、これにより電力潮流の動揺を低減または最小限にする。これらデバイスは、通常は比較的高価であり、また公益企業によるかなりの投資を必要とするものである。

本発明の種々の形態では、電気エネルギを供給するための改良した装置および方法を提供する。

本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の１つの形態によれば、配電制御方法は、配電システムから電気エネルギを提供し、前記電気エネルギを負荷に印加し、前記電気エネルギの電気的特性に対応するスレッショルドの複数の異なった値を複数の時点において提供し、前記スレッショルドの前記値のうちの１つをそれぞれの時点においてトリガする前記電気エネルギの電気的特性に応答して、前記負荷に印加する前記電気エネルギの量を調節すること、を含む。

本発明の別の形態によれば、配電制御方法は、配電システムから電気エネルギを提供し、前記電気エネルギを負荷に印加し、前記配電システムの前記電気エネルギの電気的特性に対応するスレッショルドの値をランダムに選択し、前記スレッショルドの前記値をトリガする前記電気エネルギの電気的特性に応答して、前記負荷に印加する前記電気エネルギの量を調節すること、を含む。

本発明の別の形態によれば、配電制御方法は、制御回路を使用して配電システムから電気エネルギを受け、前記制御回路を使用して前記配電システムの電気エネルギを負荷に印加し、前記制御回路を使用して前記受けた電気エネルギの電気的特性を監視し、前記監視に応答して複数の時点において前記印加を調節すること、を含み、前記調節が、前記のそれぞれの時点において複数の異なった時間長の間調節することを含む。

本発明のさらに別の形態によれば、配電制御方法は、配電システムから電気エネルギを提供し、前記配電システムに結合した複数の負荷に対し前記電気エネルギを印加し、前記複数の負荷にそれぞれ結合された複数の電力管理デバイスを含む電力管理システムを提供し、前記電力管理システムを使用して、前記配電システムの前記電気エネルギの電気的特性を制御すること、を含む。

本発明の追加の形態によれば、電気エネルギ需要監視方法は、配電システムから電気エネルギを提供し、前記配電システムに結合した複数の負荷に対し前記電気エネルギを印加し、前記電気エネルギの電気的特性を監視し、前記監視に応答して、前記負荷のうちの少なくとも１つに印加する前記電気エネルギの量を調節し、前記監視に応答して、前記配電システムの前記電気エネルギの不足量を計算すること、を含む。

本発明の別の形態によれば、配電制御方法は、配電システムを使用して電気エネルギを提供し、電力管理デバイスを使用して、前記電気エネルギを負荷に印加し、前記配電システム内の電力動揺を検出し、前記電力管理デバイスを使用しかつ前記検出に応答して前記負荷に印加する電気エネルギの量を調節すること、を含む。

本発明のさらに別の形態によれば、電力管理デバイスは、配電システムから電気エネルギを受けるように構成したインターフェースと、制御回路であって、前記電力管理デバイスと結合した負荷に提供される前記電気エネルギの量を制御し、前記電気エネルギの電気的特性に対応するスレッショルドに対する複数の異なった値に複数の時点においてアクセスし、前記スレッショルドに関して前記電気エネルギの前記電気的特性を監視し、前記スレッショルドの前記値のうちのそれぞれの１つをトリガする前記電気エネルギの前記電気的特性に応答して前記負荷に提供される前記電気エネルギの前記量を調節するように構成された、前記の制御回路と、を備える。

本発明のさらに別の形態によれば、電力管理デバイスは、配電システムから電気エネルギを受けるように構成したインターフェースと、制御回路であって、前記電力管理デバイスと結合した負荷に提供される前記電気エネルギの量を制御し、前記配電システム内における電力動揺を検出し、前記電力動揺の前記検出に応答して前記負荷に提供される前記電気エネルギの量を調節するように構成された、前記の制御回路と、を備える。

図１を参照すると、これには、説明に役立つ１つの例示の実施形態にしたがって構成した配電システム１０を示している。システム１０は、任意の適当な電気エネルギ送出システムを備え、これは、電源から顧客または消費者に対し、居住用の、商業用の、産業用の、あるいは他の電気エネルギを送出するように構成されている。この専用の例示的システム１０は、電気エネルギ源１２，分配グリッド１４，および例示の電力管理システム１５を備え、そして電力管理システム１５は、複数の電力管理デバイス１６を備えている。複数の負荷１８は、配電システム１０に結合して示しており、そしてこれらは、電源１２から供給される電気エネルギを生じるように構成されている。システム１０は、ある種の実施形態（例えば、電力管理動作が全体的にあるいは部分的に負荷自身によって実施される構成）においては負荷１８を含むことができる。

電源１２は、負荷１８による消費のため、電気エネルギを供給するように構成されている。電源１２は、１つまたはそれより多い発電機または電気エネルギを供給するように構成された他の構造として配置することができる。発電機は、電気エネルギの使用にしたがって、個々にオンラインまたはオフラインにしたり、あるいはその出力を調節したりするようにできる。１つの例示の実現例においては、電源１２は、交流の電気エネルギを６０Ｈｚのシステム周波数で供給するように配置されている。システム周波数は、システム電圧の周波数である。

分配グリッド１４は、電気エネルギを電源１２から消費のための適当な目的地へと伝導するように動作する。１実施形態においては、分配グリッド１４は、複数の異なった電圧分配線および変圧器で構成することができ、これらは、離れた地理的場所の間の相当な距離にわたって電気エネルギを伝導するように構成されている。分配グリッド１４は、一例においては、顧客の負荷１８による使用のため、１２０／２４０ＶＡＣ（居住用），１２０／２０８ＶＡＣ（商業用），２７７／４８０ＶＡＣ（産業用）、あるいはその他の適当な電圧の例示的な電圧で電気エネルギを供給することができる。

電力管理デバイス１６は、以下に説明するように、電源１２からそれぞれの負荷１８へ電気エネルギを選択的に印加するように構成されている。例示的に示すこの実現例においては、図示した負荷１８はすべて、関連の電力管理デバイス１６を備えている。他の構成においては、それら負荷１８のうちのいくつかだけが、関連の電力管理デバイス１６を有するようにできる。

電力管理デバイス１６は、電源１２から供給される電気エネルギの少なくとも１つの特性を監視するように構成されている。１実施形態においては、電力管理デバイス１６は、電気エネルギのシステム周波数を監視し、そしてこの監視に応答して、個々の負荷１８に供給する電気エネルギの量を調節するように動作する。例えば、１つの稼働できる実現例においては、電力管理デバイス１６は、電源１２が供給する電気エネルギのシステム周波数における低下の検出に応答して、個々の負荷１８へ供給する電気エネルギの量を減少させることができる。

この例示の実施形態においては、電力管理デバイス１６は、負荷１８から離れたものとして図示している。他の可能な実施形態では、電力管理デバイス１６は、個々の負荷１８の近くに配置することもでき、個々の負荷１８に対し物理的に隣接して配置したり、負荷１８内に埋め込んだり（例えば、負荷１８のハウジング内に電力管理デバイス１６を設ける）等をすることができる。また、本文に記述の電力管理動作（あるいは以下に説明する制御回路の他の動作）を、負荷自身の制御回路であって負荷に対する動作を制御するように構成されたものを使って実現することが可能である。これらの実現例は、例示的なものであり、他の実現例または動作も可能である。

負荷１８は、供給される電気エネルギを消費する任意の構成を有することができる。また、負荷１８は、器具、モータ、あるいは利用機器としても参照することができる。加えて、負荷１８のうちの１つあるいはそれ以上は、複数の異なった内部負荷で構成することができる。このような負荷１８による電気エネルギの消費は、１つの内部負荷をターンオフする一方で別の内部負荷を給電された状態に維持することによって調節することができる。例えば、ある所与の器具に関して、処理を実現する制御負荷（例えば３−５ボルトの回路）と、例示的なモータ、加熱コイル等を含むより高い電圧の負荷とが存在することがある。例示的な電力管理動作の間において、内部負荷のうちの１つに印加する電気エネルギの量を調節する一方で、内部負荷のうちの別の１つに対しフルの量の電気エネルギを提供し続けることが望まれることがある。あるいは、すべての内部負荷に対し電力を減少させるか、あるいはそれらへの電力をすべて一緒に停止させることができる。所与の負荷１８内で消費される電気エネルギを調節する他の方法を利用することもできる。

１実施形態においては、図示した負荷１８は、１つ以上の顧客場所における負荷に対応している。負荷１８は、電源１２から任意の適当な電気コネクタ（例えば、壁付きコンセント）を介して受ける電気エネルギを消費するように構成することができる。１実施形態においては、システム１０の電気エネルギの監視と負荷１８の稼働モードの制御との一方または双方は、顧客場所（例えば、負荷１８に近似）の制御回路（例えば、以下に説明するデバイス１６の制御回路２４）によって実現することができる。電力管理動作を実現するための例示的な電力管理動作と例示的な制御回路の追加の詳細は、同時係属の米国特許出願（「電気器具エネルギ消費制御方法および電気エネルギ消費システム」と題し、クライアント・ドケット番号が１２５８５−Ｅで、発明者として、Jeff Dagle, Michael Kinter-Meyer, David W. Winiarski, David P. Chassin, Robert G. Pratt, Anne Marie Borbely Bartis, およびMatt Donnellyが掲載されている）に記載されており、その教示内容を援用する。

図２を参照すると、これには、負荷に供給する電気エネルギの量を調節するように構成されたデバイス１６の例示の配置を示している。図示したこのデバイス１６は、インターフェース２０、電力変圧器２２、周波数条件付け回路２３、制御回路２４、クロック２６、およびリレー２８を備えている。

インターフェース２０は、配電システム１０の分配グリッド１４と結合しそして電気エネルギを受けるように構成されている。インターフェース２０は、個々の負荷１８の電力要求に対応したサイズおよび構成を有するようにできる。

電力変圧器２２は、インターフェース２０と結合し、そして電力管理デバイス１６内での処理のため電気エネルギを変圧するように構成されている。例示的な１つの実現例においては、電力変圧器は、分配グリッド１４から受けた電気エネルギの電圧を低下させ、そしてほぼ３０ＶＡＣの電圧の電気エネルギを出力するように構成されている。

１つの可能な実現例における周波数条件付け回路２３は、最初は、受けた正弦波の交流の電気エネルギを、この正弦波の波形のゼロ交差を示す矩形波に変換するように構成される。例えば、周波数条件付け回路２３は、この条件付け回路２３の高速増幅器に８ＶＡＣの正弦波を供給する分圧器を備え、そして±５ＶＡＣの矩形波を供給するように構成することができる。周波数条件付け回路２３は、加えて、その±５ＶＡＣの矩形波を受けるように構成された電圧クリッピング回路を備え、そしてグリッド１４からの電気エネルギの正のゼロ交差事象を表す立ち上がりエッジと、グリッド１４からの電気エネルギの負のゼロ交差事象を表す立ち下がりエッジのあるパルス波を供給する（尚、図示していないが、例示の周波数条件付け回路２３の分圧器、高速増幅器、電圧クリッピング回路は、直列に配置することができる）。したがって、パルス波のそれらエッジは、ＡＣ波形のそれぞれのゼロ交差に対応する。周波数条件付け回路２３は、それら分圧器、増幅器およびクリッピング回路のうちの１つ、２つまたはそのすべてに追加の条件付け回路（図示せず）を備えて、ノイズの対応する小さな電圧変動をフィルタリングすることもできる。周波数条件付け回路２３について、他の構成も可能である。

制御回路２４は、受けた電気エネルギを監視し、そして電力管理デバイス１６および負荷１８の一方または双方の動作を制御して、配電システム１０の動作を所望の範囲内に維持するように構成されている。１実施形態においては、制御回路２４は、所望のプログラミングを実現するように構成した回路を備えることができる。例えば、制御回路２４は、ソフトウェアおよびファームウェアの命令の一方または双方を例えば含む実行可能命令を実行するように構成されたプロセッサまたは他の構造として実現することができる。１つの配置においては、適当なプログラミングを制御回路２４のメモリ２５内に格納することができる。制御回路２４の他の例示的な実施形態は、ハードウェア・ロジック、ＰＧＡ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣまたは他の構造を含む。制御回路２４のこれら例は、説明のためのものであり、他の構成も可能である。

少なくとも１つの構成においては、電力管理システム１５と電力管理デバイス１６とは、配電システム１０の電力管理動作を実現するように構成される。デバイス１６の制御回路２４は、一例においては、システム１０の電気エネルギを監視し、そしてその監視に応答して電力管理動作の実施および制御の一方または双方を行うように構成されている。例示の電力管理動作には、デバイス１６を使用して個々の負荷１８へ供給される電気エネルギの量を調節することが含まれる。

例えば、制御回路２４は、個々の負荷１８のコントローラ３０に対し制御信号を出して、電力管理動作を実現することができる。この制御信号は、負荷１８に対し命令して、より少ない電気エネルギを消費する動作モードに入らせることができる。

代替として、あるいはコントローラ３０への制御信号の印加に加えて、制御回路２４は、リレー２８を制御して、負荷１８に印加する電気エネルギの量を調節することができる。例えば、制御回路２８は、リレー２８を制御して、これにより負荷１８へ通す電気エネルギを、停止させるかあるいはその量を減少させることができる。制御回路２４の例示の監視および制御についての追加の詳細は、以下で説明する。さらに、配電システム１０の電気エネルギの監視に応答してデバイス１６により他の電力管理動作を利用することもできる。

配電システム１０の電気エネルギのシステム周波数の所望の公称値（例えば６０Ｈｚ）からの偏差を最小限にすることが望ましい。このような偏差を最小限にするため、種々の補正活動を引き受けることができる。１つの配置においては、システム周波数偏差状態を補正しようとして、電源１２の発電機の出力を調節したり、あるいは電源１２内において追加の発電機をオンラインにあるいはオフラインにすることができる。

本発明の種々の形態によれば、電力管理デバイス１６は、電気エネルギの発生と消費をバランスさせ、そして電気エネルギのシステム周波数を所望の範囲内に維持しようとして、電力管理動作を引き受けることができる。例えば、１つの配置においては、制御回路２４は、グリッド１４が供給する電気エネルギの少なくとも１つの電気的特性（例えば、記述した例におけるシステム周波数）を監視し、そしてこの監視に応答して負荷１８が消費する電気エネルギの量を調節する。

このシステム周波数の例示の監視は、図示した配置内のクロック２６を使用して実現することができる。例えば、クロック２６は、基準クロック信号（例えば、７．２ＭＨｚ信号）を制御回路２４に供給する。制御回路２４は、周波数条件付け回路２３からの受けたパルス波形のパルスに対応するクロック信号のパルスの数をカウントするように構成されている。例えば、制御回路２４は、そのパルス波形の立ち上がりエッジ間においてクロック信号のパルスの数をカウントすることができる。パルスのこのカウントした数は、受けた電気エネルギのシステム周波数に対応している。

さらに、制御回路２４は、電力管理動作をトリガすることができる比較動作のための制限スレッショルド（shed threshold）の値にアクセスするように構成されている。制御回路２４は、クロック・パルスの上記カウントした数を、制限スレッショルドの値と比較して、受けた電気エネルギのシステム周波数を制限スレッショルドの値を比較する。後述のように、監視は、電力管理デバイス１６の電力管理動作の制御をトリガすることができ、それには、例えば、グリッド１４から個々の負荷１８への電気エネルギの供給を調節したりあるいはそれを停止させたりすることが含まれる。

ある種の配置においては、電力管理動作を実施するように構成された多くの電力管理デバイス１６は、所与のグリッド１４に結合することができ、そして通常それらに同時に結合される。デバイス１６のすべてまたはかなりの数が電力調節動作を同時に実現するように構成された場合には、厳しいストレスが導入されることになる。

１つの形態によれば、電力管理デバイス１６は、電力管理動作を異なった時点に実施して、デバイス１６のそのような調節の影響をより長い期間に分散させることにより、電力調節動作の結果としての電源１２およびグリッド１４へのストレスを回避したりあるいは最小限にしたりするように構成されている。１実施形態においては、電力管理デバイス１６は、異なった規準に応答して電力調節動作を実施するように構成されている。１実施形態では、デバイス１６は、電力管理動作のトリガを制御するため、制限スレッショルドの異なった値を備えるように構成することができる。異なった値の制限スレッショルドの利用により、デバイス１６は、記述した例における電気エネルギのシステム周波数の異なった値に応答してトリガして、電力管理動作の影響を拡散させる。

例示の実施形態によれば、電気エネルギのシステム周波数が第１の値（例えば５９．９５Ｈｚ）に達した場合、この第１の値を備えるように構成されたすべてのデバイス１６は、電力管理動作を実施する。その後、システム周波数が第２の値（例えば５９．９３Ｈｚ）に低下し続けた場合、第２の値を備えるように構成されたすべてのデバイスは、電力管理動作を実施する。この例示の方法は、追加のデバイス１６に対して制限スレッショルドの追加の異なった値を利用して、電力管理動作の影響あるいは不都合をより長い時間に拡散させることができる。

上述の例によれば、公称システム周波数に最も近い値でトリガするように構成されたデバイス１６は、電力管理動作を最初にトリガすることになる。ある電力管理動作（例えば、電気エネルギの印加の低減または停止）は、関連する負荷１８の動作に逆のインパクトを与えることがある。

追加の例示の形態によれば、個々の電力管理デバイス１６を構成して、比較動作のため制限スレッショルドのための複数の異なった値を異なった時点で利用することにより、デバイス１６のうちの１つ以上が、デバイス１６の他のものよりも電力管理動作に対しより頻繁に影響を受け易くなるのを回避するかあるいはそれを最小限にすることが望ましい。したがって、デバイス１６による個々の制限スレッショルドの異なった値の利用は、１つの実現例においては、電力管理の不都合を関連するユーザに対し公平に分散することを提供する。

１実施形態においては、電力管理デバイス１６は、制限スレッショルドの値を異なった時点において変化させて、その制限スレッショルドのための複数の異なった値を提供するように個々に構成されている。後述の例示の形態においては、電力管理デバイス１６は、異なった時点でその個々の値をランダムに割り当てる。個々のデバイス１６によるこのランダムな割り当ては、制限スレッショルドに対する値を上側境界値と下側境界値との間で提供し、これは、個々の周波数を制御し、その周波数において、電力管理動作がシステム周波数に応答して実施される。その上側境界値をクリティカルな周波数または値より下のポイントにセットして、配電システム１０のシステム周波数の平常の動作変動に応答してあまりにも頻繁にデバイスがトリガするのを回避することが望ましいことがある。北米の西部グリッド（western grid of North America）を一例として使うと、クリティカル値に対応する上側境界値は、５９．９５Ｈｚとすることができる。このクリティカル値は、システムからシステムへと変化することがあり、また１年の異なった時点においても変化することがある。

下側境界値のセットは、電力管理デバイス１６のすべてが、システム周波数がその下側境界値に低下した場合にトリガされる限り、電力管理デバイス１６のトリガの上側境界値からの所望の範囲または分布を確立する。１つの実現例においては、下側境界値は、上側境界値と下側境界値との間に少なくとも０．０１Ｈｚで場合によっては０．０５Ｈｚの分布範囲を提供するように選択される。他の実施形態においては、他の範囲を提供することもできる。

上側境界値と下側境界値との間における個々のデバイス１６の制限スレッショルドに対する値を割り当てるため、統計的な分布を利用することもできる。ランダム化の１つの実現例には、デバイス１６のパワーアップ時に個々の制限スレッショルドの値を割り当てることが含まれ、これにより、現在の電力管理デバイス１６間で制限スレッショルド値の均一な分布を提供する。パワーアップは、デバイス１６の制御回路２４への動作エネルギの供給を含むことができる。

先に述べたように、１つのデバイス１６の制御回路２４は、メモリ２５を含むことができ、そしてメモリ２５を利用することによって、デバイス１６のパワーアップ時において制限スレッショルドに対し個々の値をランダムに割り当てることができる。例えば、メモリ２５は、プログラマブル・ゲート・アレイ（ＰＧＡ）メモリまたはスタティック・ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）で構成することができる。パワーアップ時、このような構成のメモリは、電気ノイズから生ずるランダムな数で初期化される。したがって、メモリ２５の一部を使用して、パワーアップ時において制限スレッショルドに対する値をセットすることができる。この後、制御回路２４は、このランダムに発生された数をメモリからアクセスし、そしてシステム周波数監視動作の間におけるクロック２６からのカウントした値に対する比較目的のためのオフセットとして、そのアクセスした数を使用する（したがって制限スレッショルドをセットする）ことができる。１つの例においては、所与のデバイス１６に対するそのランダムに発生された数は、上側境界値から減算することによってそのデバイス１６に対する個々の制限スレッショルドを定めるようにすることができる。このランダムに発生されるオフセットは、トリガ値が下側境界値を超えないように選ぶ。１つの配置では、ビット値当たり制限スレッショルドの０．００１Ｈｚオフセットを提供する。したがって、上側境界値と下側境界値との間に０．０５Ｈｚの範囲を希望する場合、可能な５０の異なったビット値を利用する。この制限スレッショルドの値の変化を実現するため、他の方法も可能である。

制限スレッショルドの値は、何らかの間隔で、あるいはパワーアップ動作以外の状態に応答して更新したりあるいは変化させることができる。例えば、１つの可能な実施形態においては、制御回路２４は、所望の時点でメモリ２５を再初期化してランダムに発生された値をリセットすることができる。制御回路２４または他の構造の作動に応答した再初期化は、新たなパワーアップ動作が実行されない有意な時間をデバイス１６が経るような状態（例えば、デバイス１６が長い時間の間給電される状態）において望ましい場合がある。他の実施形態では、制限スレッショルドは、デバイス１６に対して固定される。

制限スレッショルドがトリガされることに応答しての電力管理動作の実施に続いて、制御回路２４は、システム１０の電気エネルギの監視を続行して、平常の（例えば消費の増加する）動作に戻る適当な時点を判定する。１実施形態においては、復旧スレッショルドを使用して、負荷１８に関する平常の電力消費動作の再開を制御することができる。１つの配置によれば、制限スレッショルドに対する値を復旧スレッショルドとして使用して、平常動作をいつ再開するかを（例えば、システム周波数が制限スレッショルドの値より上に上昇したことに応答して）判定する。別の実施形態では、ヒステリシス値を使って復旧スレッショルドの値を定めることができる。

次に図３を参照すると、これには電力管理デバイス１６の例示的な状態を、システム周波数、例示的な制限スレッショルド、復旧スレッショルドに関して示している。制限スレッショルドはＴＨ１として示し、復旧スレッショルドはＴＨ２として示している。公称のシステム周波数は、６０Ｈｚとすることができる。ヒステリシス値は、ＴＨ１とＴＨ２との間の差として示している。１つの形態においては、このヒステリシスを利用することにより、グリッドの不安定性の継続した状態における再開動作を最小限にする。

状態０においては、電力管理デバイス１６は、平常の電力消費モードにあり、このモードでは、デバイス１６は、所望の電気エネルギをそれぞれの負荷１８に供給する。ＴＨ１をトリガする（例えば、ＴＨ１より下に低下する）システム周波数の検出に続いて、デバイス１６は状態１に入り、この状態では、電気エネルギが負荷１８に印加されることも、減少した量の電気エネルギが印加されることもない。状態１の間において、制御回路２４は、システム周波数を復旧スレッショルドに関して監視する。システム周波数がその復旧スレッショルドより上に上昇したとき、配電システム１０の状態は復旧しつつあり、そしてデバイス１６は状態３に入る。

状態３においては、遅延タイマをトリガして、個々のデバイス１６を平常の動作モードに戻すための遅延期間を確立することができる。１実施形態においては、この遅延の長さは、異なった種々のデバイス１６に対しては異なっている。１つの形態においては、デバイスが復旧または再開の動作を異なった時点で実行して、多くのデバイス１６が同時に消費を復旧することに応答して同時の相当な負荷変動を最小限にすることが望ましい。したがって、異なった種々のデバイス１６は、異なった遅延時間を有し、これは、復旧スレッショルドＴＨ２をトリガするシステム周波数に応答してトリガされる。この遅延時間は、個々のデバイス１６が、ＴＨ２のトリガに応答してカウントされ、そしてその後、個々の遅延時間の後に、個々の負荷１８を復旧させることができる。

１実施形態においては、所与の個々のデバイス１６のための遅延量は、異なった時点で変化する。例えば、遅延時間は、異なった時点においてランダムに発生することができる。この遅延は、１つの例においては、上述のメモリ２５からの値を使用して算出するようにできる。上記例において説明したのと同じように、ランダムな数を、可能な５０個またはこれより多い異なったランダムな数からメモリ２５により発生させることができる。制御回路２４は、このランダムに発生された数を利用して、このランダムに発生された数の大きさに対応する遅延長さを秒単位で提供するようにできる。ＴＨ２より上に上昇したシステム周波数の検出に続き、制御回路２４は、状態３の間において（例えば、待機モードにおいて）その個々の遅延時間をカウントし、そしてその後、負荷復旧とＴＨ１に関するシステム周波数の監視とを含む状態０に戻るようにできる。この制限スレッショルドに対する値と負荷復旧前の遅延時間との一方または両方の値を変化させるため、他の方法も可能である。例えば、この変化は、循環するある数の値により、あるいはランダムな発生を含まない他のメカニズムにより実施することもできる。

追加の例示的な動作形態は、タイムアウト動作を提供する。例えば、システム周波数が、非常に長い時間の間、制限スレッショルドより下に留まるようにすることも可能である。関連する負荷を、過度に長い時間に渡って制限することは、受け入れられるものではないことがある。１つの実施形態においては、制御回路２４は、タイムアウト時間に関して状態１にある間の時間長を監視するように構成される。この時間長がタイムアウト時間を超えたとき、制御回路２４は、状態２に入ってその遅延時間に続き負荷復旧動作を開始させるか、あるいはこの代わりとして、直接に即座に負荷１８を復旧させることに進むことができる。他の実施形態においては、ユーザは、インターフェースあるいは他の適当なデバイス（図示せず）を介してコマンドを入力して制御回路２４に命令することにより、この負荷制限動作をバイパスすることもできる。

図４を参照すると、これには、制御回路２４が実行する例示の方法を示しており、これは、電気エネルギの例示的な監視と電力管理動作を図示している。これより多いまたは少ないステップあるいは代替のステップを含む他の方法も可能である。

ステップＳ１０において、制御回路は、制限スレッショルドを決めるように構成されている。１つの構成においては、この制限スレッショルドは、メモリからのランダムに発生された数を使用して算出する。

ステップＳ１２において、制御回路は、所望の量の電気エネルギを関連した負荷に印加してその負荷の適切な動作を与える平常動作モード内で、電力管理デバイスを提供するように構成される。

ステップＳ１４において、制御回路は、配電システムの電気エネルギの監視動作を実施させ、これには、関連するクロックからのクロック値と、周波数条件付け回路からのデータ値（例えば、前述のパルス波）とを得て、配電システムの電気エネルギの電気特性を判定することが含まれる（例えば、この制御回路は、システム値を計算するようにできる）。

ステップＳ１６では、制御回路は、その計算したシステム周波数を制限スレッショルドと比較して、電力管理動作が望まれるかどうかを判定する（例えば、システム周波数が上側境界値より下に低下したことに応答して行う）。

ステップＳ１６の条件が否定の場合、制御回路はステップＳ１４に戻り、電気的特性の監視を続ける。ステップＳ１６の条件が肯定の場合、制御回路はステップＳ１８に進んで、例示的な電力管理動作を実施する。この記述例においては、制御回路は、関連する負荷の電力消費量を調節する。制御回路は、負荷が消費する電気エネルギの量を減少させるかあるいはそれへの電気エネルギを停止させる負荷制限動作を実施することができる。ステップＳ１８は、電力管理デバイスが状態１の動作モードに状態０から入ることに対応する。

ステップＳ２０では、制御回路は、更新されたクロックとデータ値とを得ることにより、配電システムの電気エネルギの電気的特性の監視を続ける。
ステップＳ２２では、制御回路は、配電システムの動作が受け入れ可能なレベルに戻ったかどうか判定する。ステップＳ２２は、制御回路がシステム周波数を復旧スレッショルドと比較することで構成することができる。

ステップＳ２２の条件が否定の場合、制御回路は、ステップＳ２０に戻って、監視動作の続行のため更新されたデータを得る。ステップ２２の条件が肯定の場合、制御回路は、ステップＳ２４に進んで、所望の遅延時間をカウントする。この遅延時間は、ランダムに計算したり、あるいは変化させたりもしくは固定とすることができる。ステップＳ２２からステップＳ２４へ進むことは、電力管理デバイスの状態が状態２から状態３に変化することに対応する。

遅延時間のカウントに続き、制御回路は、ステップＳ２６において負荷を復旧させるように動作し、これにおいては、個々の負荷へ印加する電気エネルギの量を増加させることができる。

図１に関して上述したように、電力管理システム１５は、図示した例示の構成においては複数の電力管理デバイス１６を使って実現することができる。電力管理システム１５は、取り付けられた負荷１８を使って消費される電気エネルギの量を制御することにより配電システム１０の動作を管理するシステムとして考えることもできる。電力管理システム１５の動作は、十分な数の電力管理デバイス１６を使って実施された場合、あるいは配電システム１０に結合された負荷全体の十分な量がデバイス１６により制御される場合、配電システム１０の電気エネルギの電気的特性を制御するのに利用することができる。例えば、システム１０の負荷のほぼ３パーセントまたはそれ以上の制御は、システム動作における知覚可能な変化を提供できる、と思われる。

本文に記述の例示的な電力管理デバイス１６は、配電システム１０の電気エネルギのシステム周波数を監視し、そしてこの監視に応答して電力管理動作を実施するように構成される。システム１５の電力管理デバイス１６は、デバイス１６が充分な量設けられた場合、電気エネルギの電気的特性を制御するために使用することができる。この記述例においては、電力管理デバイス１６は、システム周波数が所望の公称周波数から十分にそれたことに応答して、負荷制限動作を自動的に実施する。デバイス１６を十分な量使用した場合、デバイス１６の負荷制限動作の集合的効果は、公称システム周波数の受け入れ可能な偏差範囲内にシステム周波数を自動的に復帰させることができる。先に述べたように、公称システム周波数からのシステム周波数の偏差は、電気エネルギの発生と消費との間の不釣り合いを表している。電気エネルギの消費が発生よりも多い場合、システム周波数は、所望の公称周波数に対して低下する。したがって、システム周波数監視動作に応答してデバイス１６を使用する自動的な負荷制限操作は、所与の時点における消費と発生の不釣り合いを低減し、そしてシステム周波数は、電源１２における動作の変更なしで、システム周波数が受け入れ可能範囲内へ戻り始める。

上述のように、電力管理デバイス１６を複数の規定したルールにしたがって構成して、説明例における負荷制限動作および負荷復旧動作を実現する。記述実施形態は、配電システム１０の電気エネルギの監視に応答して負荷の制限および復旧を制御するルールを与える。上述したように、デバイス１６の例示的なルールは、デバイス１６のそれぞれのスレッショルド値をトリガする電気エネルギの電気的特性に応答して個々の負荷１８への電気エネルギの印加を低減するかあるいはそれを停止させる。

ここに記述した例示的なルールにしたがって構成した十分な量のデバイス１６を利用すると、システム１５の創発的振る舞い（emergent behavior）が生じ、これにおいては、明確な共通ルールに従うデバイス１６が、一緒に動作するこれらデバイス１６の集合的なグループとしての振る舞いを変化させ（例えば、システム１０内の電気エネルギの電気的特性における変化に対応してシステム１０の振る舞いを変化させ）、したがって１つの配置例においては、個々のデバイス１６は自律的でシステム１５の目標を記憶していない。

上側境界値と下側境界値を設けることは、監視対象の個々の電気的特性に対して、システム１０の所望の動作範囲を定めることになる。上側と下側の境界値を備えて構成したシステム１５の十分な数のデバイス１６の動作は、配電システム１０の動作をその所望動作範囲内に維持することができる。

システム１０において十分な数のデバイス１６を利用すると、追加の形態によれば、システム周波数情報を使用して、各時点における電気エネルギ発生の不足量の大きさ（供給を受けていない負荷とも呼ぶ）を判定あるいは概算することが可能である。例えば、既知の電力消費量をもつ負荷１８にデバイス１６が関連している場合（したがって、負荷制限動作がデバイス１６により実施されるシステム周波数のおよその値も分かっている）、さまざまな時点においてシステム周波数に対応する電気エネルギ不足量を概算することが可能である。言い換えれば、システム周波数が所与の値を有していて、多数のデバイス１６およびこれに関連する負荷１８が制限動作モード状態にあることが個々のトリガ・スレッショルド範囲により分かっている場合（制限モードにある負荷のその数は、システム周波数と個々のトリガ・スレッショルドとにより求められ、したがってそれら負荷により消費されるあるいは制限される関連の電気エネルギの量は既知である）、システム１０に対して不足の電気エネルギ量を計算することが可能である。加えて、その時点における電気エネルギの現行の価格、並びに供給と需要の曲線を使用することにより、不足量が電源１２の出力を増加させることによって供給される場合、電気エネルギの価格を概算あるいは推定することが可能となる。したがって、システム周波数を利用して、供給を受けていない負荷が電源１２の電気エネルギ出力の増加によって供給を受けるべきとした場合、様々な時点におけるその供給を受けていない負荷の量およびおよその価格情報を判定あるいは概算することができる。

上述のように、本文に記述のシステム１５の例示的な形態は、不都合さのユーザに対する公平な分配を生成するためそれぞれのスレッショルドを変化させるデバイス１６を提供する。さらに、本文に記述の例示的なルールにより構成された十分な数のデバイス１６の利用は、創発的振る舞いをもたらす。

追加の形態によれば、デバイス１６を含む電力管理システム１５を利用して、配電システム１０内の電力潮流動揺を回避するかあるいはそれを最小限にすることができる。詳しくは、供給と需要の条件がシステム１０の不十分な送電回廊を介しての電力伝送を指図するとき、動作上の問題が起きることがある。このような例示的な状況においては、システム１０のある地理的領域における１つ以上の発電ユニットから別の地理的領域における別の１組の発電機への電力の不安定な伝送が発生することがある。電力のこれら不安定な伝送は、それ自身、動揺という形で現れる。この現象は、しばしば、動的不安定性または小信号不安定性と呼ばれる。この形態の不安定さは、システム・オペレータに送電システムの容量を制限させて、送出電力のコストを上昇させることがある。過酷な場合においては、この不安定さは、広い範囲で停電を生じさせることがある。

電力動揺は、送電回廊を通しての電力潮流を監視することによりあるいはシステム周波数を監視することにより検出することができる。例えば、システム周波数の時系列のプロットを見たとき、未熟な観察者にさえも小さな動揺が明かな場合がある。これら動揺は大きさが成長するにつれ、これらは、安定な電力システム運用に対しより深刻な脅威となり得る。

追加の形態によれば、電力管理デバイス１６は、電力動揺を検出し、そしてこの電力動揺を問題が起きる前に最小限にするかあるいは取り除くように構成することができる。図５を参照すると、これには、１実施形態による、制御回路２４により実行可能の例示的な方法を示しており、これにより電力動揺を検出しそしてこの検出に応答して補正活動を実施する。これより多いあるいは少ないステップもしくは代替のステップを含む他の方法も可能である。

ステップＳ４０においては、制御回路は、システム周波数を複数の時点において得る。システム周波数を判定する１つの例示的な方法は、前述した。システム周波数の監視を使用することにより、個々の動揺周波数をもちまたシステム１０の異なった種々の地理的部分の中間の電力潮流に対応する電力動揺を検出することができる。制御回路は、システム周波数における動揺（例えば、システム周波数は、５９Ｈｚと６１Ｈｚの間で１−３Ｈｚの例示的な動揺周波数で振動）を検出することでその動揺周波数（例えば１−３Ｈｚ）を検出することができる。

ステップＳ４２では、制御回路は、記述した例においては、システム周波数データのデシメートを行って、フーリエ解析に対し修正可能なサンプル・レートにする。例えば、データは、およそ１００Ｈｚのサンプリング・レートで提供し、そして２０Ｈｚにデシメートすることができる。デシメーションは、受けたデータの分解能を、電力動揺が発生すると予測されるおよその対象とする範囲に増加させる（例えば、０−５Ｈｚ）。

ステップＳ４４においては、制御回路は、そのデータにローパスフィルタリングを行ってシステム運用およびサンプリングの一方または双方に関連したノイズを含む無関係のデータを除去する。この記述例における対象とする１−３Ｈｚのデータに関しては、このローパスフィルタリングを実現する制御回路は、５Ｈｚの−３ｄＢポイントを有し得る。他の実施形態においては、他の範囲の情報を処理することもできる。このローパスフィルタリングからの出力は、動揺周波数コンポーネントを含む。

ステップＳ４６では、制御回路は、フーリエ処理を実施して、対象とする周波数での電力動揺の大きさに関する情報を発生する。例示のフーリエ処理には、高速フーリエ変換（本説明例に示す）、離散フーリエ変換、連続フーリエ変換が含まれる。処理としてその他のタイプのものも可能である。

ステップＳ４８では、制御回路は、電力動揺の大きさが動揺スレッショルドを超えたかどうか判定する。１つの例においては、１パーセントのダンピングに対応する動揺スレッショルドを使用することができる。パーセント・ダンピングは、当該取引において一般に使用される動揺の大きさの尺度とすることができる。

ステップＳ４８の条件が否定の場合、制御回路は、ステップＳ４０に戻って、電力動揺監視を続行することができる。ステップＳ４８の条件が肯定の場合、制御回路は、ステップＳ５０に進んで、適当な補正活動を行うことができる。示したように、例示的な補正活動には、関連する負荷の電気的需要を負荷制限動作および負荷調整動作の一方または双方を介して調節することが含まれ得る。

詳細には、制御回路２４は、１つの形態においては、配電システム１０の動的な構成に応答して成長することがある電力動揺（例えば、電力動揺は、ある構成の配電システム１０のある特定の時点における共振周波数に一致する）の大きさを低減しようとして、補正活動を実施するように構成されている。

１つの例示的な補正活動には、前述したように負荷制限操作が含まれる。例えば、デバイス１６に結合した個々の負荷１８が消費する電力の量を、減少させたりあるいは全くその電力を停止させることができる。電力動揺の大きさは、システム１０の共振条件を除去する負荷制限操作の結果として受け入れ可能なレベルに低減することができる。特に、電力動揺の監視に応答して１つ以上のデバイス１６が所要量の負荷を制限する場合、システム１０の共振周波数を十分な程度、部分的にまたは全体的に変化させることができる。さらに、需要を単に減少させることにより、システム１０は、受けるストレスが少なくなり、そして発生している電力動揺は、さらに手段を講じなくても安定となることがある。あるいは代わりとして、需要のこの減少は、システム・オペレータによる人間の介在のための“時間を買う”ことによって何らかの内在する問題を修正することができる。通常、人間のオペレータは、システム１０を再構成して、本文に記述の調節動作に続き電力動揺を緩和することができる。安定化に続き、例えばタイマを使って、負荷１８を手動であるいは自動で動作に戻すことができる。

別の例示的な配置においては、個々のデバイス１６が負荷１８に印加する電気エネルギの量は、電力動揺にしたがって調整して、その動揺をダンプしまたその動揺の大きさを受け入れ可能なレベルに減少させようとすることができる。例えば、制御回路２４は、システム周波数が増加中か減少中かを監視することにより、電力潮流の方向を判定することができる。その後、制御回路２４は、負荷１８の調整を動揺周波数と同期させることができる。例えば、電力潮流動揺がシステム１０の第１の地理的部分からシステム１０の第２の地理的部分へスイングしている場合、この電力動揺をダンプしようとして、第１地理的場所におけるデバイス１６を負荷復旧動作モードから負荷制限動作モードへ変化させ、かつ第２地理的場所におけるデバイス１６を負荷制限動作モードから負荷復旧動作モードへ変化させることができる。システム１０内の電力動揺の監視およびその低減の一方または両方のため、他の実施形態も可能である。

法令に従い、本発明について構造および方法の特徴に関して多少なりとも具体的に記述した。しかし、理解されるべきであるが、本発明は図示し記述したこの具体的な特徴に限定されるものではないが、それは、ここに開示した手段は本発明を実施に移すための例示の形態を構成しているに過ぎないからである。

図１は、１実施形態による例示の配電システムの機能ブロック図である。 図２は、１実施形態による例示の電力管理デバイスの機能ブロック図。 図３は、１実施形態による電力管理の複数の例示の動作状態の説明図。 図４は、１実施形態による、電気エネルギを負荷に印加する例示の制御方法を示すフローチャート。 図５は、１実施形態による、電気エネルギを負荷に印加する別の例示の制御方法を示すフローチャート。

Claims (14)

1. 配電制御方法であって、
   配電システムから負荷に電気エネルギを印加するステップと、
   前記配電システムの前記電気エネルギの電気的特性を監視するステップと、
   前記監視を活用し、複数の異なる瞬間に前記負荷に印加される前記電気配電システムの電気エネルギ量を調整するステップと、
   を含んでおり、前記調整ステップはそれぞれの異なる瞬間に複数の異なる時間長で前記電気エネルギ量を調整するステップを含んでいることを特徴とする配電制御方法。
2. 監視ステップは電気エネルギの周波数を監視するステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 異なる時間長をランダムに選択するステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 監視ステップおよび調整ステップは制御回路を使用した監視ステップおよび調整ステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 負荷は制御回路を含んでいることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 調整ステップは閾値を発生させる電気的特性に対応する調整ステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 異なる瞬間の調整ステップとは異なる瞬間に配電システムから実質的に一定量の電気エネルギを負荷に印加するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 調整ステップは実質的に一定量の電気エネルギと較べて負荷に印加される電気エネルギ量を低減させるステップを含んでおり、本方法は、
   調整ステップの時間を監視するステップと、
   タイムアウトを超える時間に対応して前記負荷に印加される電気エネルギ量を増加させるステップと、
   をさらに含んでいることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 電力管理デバイスであって、
   配電システムから電気エネルギを受領するように設計されたインターフェースと、
   前記配電システムの電気エネルギの電気特性を監視し、該監視に対応して複数の異なる瞬間に負荷に印加される前記配電システムの電気エネルギ量を調整するように設計された制御回路と、
   を含んでおり、前記制御回路はそれぞれの異なる瞬間に複数の異なる時間長で前記負荷に印加される電気エネルギ量の調整を制御するように設計されていることを特徴とする電気管理デバイス。
10. 制御回路は電気エネルギの周波数を含んだ電気特性を監視するように設計されていることを特徴とする請求項９記載のデバイス。
11. 制御回路は閾値以下に降下する電気エネルギの周波数に対応して電気エネルギ量を調整するように設計されていることを特徴とする請求項１０記載のデバイス。
12. 制御回路はランダムな時間長を含んだ異なる時間長で負荷に印加される電気エネルギ量の調整を制御するように設計されていることを特徴とする請求項９記載のデバイス。
13. 制御回路は電気エネルギ量を低減させることを含んだ電気エネルギ量の調整を制御するように設計されていることを特徴とする請求項９記載のデバイス。
14. 制御回路は異なる瞬間以外の瞬間に負荷に対する配電システムの実質的一定量である電気エネルギの印加を制御するように設計されていることを特徴とする請求項９記載のデバイス。

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