JP2023513449A - 拡張可能な規則に基づくオブジェクト指向型電力システム制御方式 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2020年1月24日に出願された米国仮特許出願第62/965,459号明細書の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本開示は、電力システムに関する。より詳細には、本開示は、電力システム内の機械及び構成要素の調整された制御を行うためのシステム及び方法に関する。
一態様は、第1のソースオブジェクト、第2のソースオブジェクト、及び負荷母線オブジェクトを特定し、単線トポロジー上の第1のソースオブジェクト、第2のソースオブジェクト、及び負荷母線オブジェクトの位置を決定し、第1のソースオブジェクト、第2のソースオブジェクト、及び負荷母線オブジェクトの動作パラメータを受信し、単線トポロジーを使用して、第1のソースオブジェクトと負荷母線オブジェクトとの間に電気的に接続されたオブジェクトを含む第1の経路を定義し、単線トポロジーを使用して、第2のソースオブジェクトと負荷母線オブジェクトとの間に電気的に接続された全てのオブジェクトを含む第2の経路を定義し、そして第1の経路及び第2の経路の動作を制御するように構築された回路を含む装置に関する。
第1の経路と異なり第1の経路に平行であり、且つ
第3の経路に沿って第1のソースオブジェクトと負荷母線オブジェクトとの間に電気的に接続された全てのオブジェクトを含む、
第3の経路
を、単線トポロジーを使用して定義するように更に構築される。いくつかの態様では、第1の経路は、第1の優先値を定義し、第3の経路は、第1の優先値よりも高い第2の優先値を定義する。いくつかの態様では、第1の優先値は、第1の経路に含まれるスイッチオブジェクトの数に比例し、第2の優先値は、第3の経路に含まれるスイッチオブジェクトの数に比例する。いくつかの態様では、第1の経路及び第3の経路の一方のみは、移行時間後の連続使用中に同時に有効化される。
第1の発電設備(genset)と第1の発電設備スイッチとに関連付けられた第1の発電設備コントローラ、
第2の発電設備と第2の発電設備スイッチとに関連付けられた第2の発電設備コントローラ、
発電設備分岐母線を介して第1の発電設備スイッチと第2の発電設備スイッチとに結合された発電設備分岐スイッチに関連付けられた発電設備分岐スイッチコントローラ、
ユーティリティスイッチに関連付けられたユーティリティスイッチコントローラ、及び
発電設備分岐スイッチとユーティリティスイッチとに結合された負荷母線に関連付けられた負荷母線コントローラ
を含むシステムであって、
第1の発電設備と、第1の発電設備スイッチと、発電設備分岐母線と、発電設備分岐スイッチと、負荷母線とを含む、第1の経路、
第2の発電設備と、第2の発電設備スイッチと、発電設備分岐母線と、発電設備分岐スイッチと、負荷母線とを含む、第2の経路、及び
ユーティリティスイッチと負荷母線とを含む、第3の経路
を定義する経路テーブルを生成するように構築された、システム
に関する。システムは、第1の発電設備コントローラと発電設備分岐スイッチコントローラと負荷母線コントローラと通信することによって、第1の経路を選択的に有効化する。システムは、第2の発電設備コントローラと発電設備分岐スイッチコントローラと負荷母線コントローラと通信することによって、第2の経路を選択的に有効化する。システムは、ユーティリティスイッチコントローラ及び負荷母線コントローラと通信することによって、第3の経路を選択的に有効化する。
電力ルーティングのための方法、装置、及びシステムに関係する様々な概念、並びにそれらの方法、装置、及びシステムの実施態様のより詳細な説明が以下に続く。ある特定の例示的な態様を詳細に図示している図を次に参照する前に、本開示は、本説明に記載する又は図に図示する詳細又は方法に限定されないことを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、単なる説明のためのものにすぎず、限定的であるとみなされるべきではないことを理解されたい。
図2に示すように、電力システム30の構成要素は、オブジェクトとして特定される。電力システムは概して、ソースオブジェクト、母線オブジェクト、スイッチオブジェクト、負荷オブジェクト、変圧器オブジェクトの5つのオブジェクトタイプを含む。電力システム30は、変圧器オブジェクトを含まないが、本文書において後に説明する他の電力システムは、変圧器オブジェクトを含む。電力システム30内では、各構成要素は、オブジェクトID、オブジェクト名、オブジェクトタイプ、及びオブジェクトサブタイプを用いて特定される。オブジェクトID及びオブジェクト名は、構成要素を特定するためにコントローラ(例えば、発電設備コントローラ66及びスイッチコントローラ70)によって使用される。オブジェクトタイプは、オブジェクトのどのパラメータが設定可能であるかを定義する。
電力システム74内の各ソースオブジェクト78(例えば、ユーティリティ34及び発電設備42)は、ソース状態98、容量マネージャ102、シンクロナイザ106、負荷分担110、ソース選択114、ソース優先順位付け118、及びグリッド並列化制御122機能を含む、7つのソース機能を定義する。いくつかの態様では、より多くの機能又はより少ない機能が、各ソースオブジェクトに含まれ得る。いくつかの態様では、使用しない機能が、制御方式において無効化され得るか、又はカスタム機能が追加され得る。
-個々のソース容量はどれくらいか?いくつかのソースオブジェクトは、バッテリ、ソーラアレイ、風力源などの、動的なものであり得る。
-現在のオンラインの総容量はどれくらいか?
-現在の総負荷はどれくらいか?
-現在のオンラインの予備容量(総容量-負荷)はどれくらいか?
-所望のレベルの予備容量はどれくらいか?
-任意の1つのソースの予期しない損失に対する保護が必要であるか?2つのソース?
-グリッドが接続されている場合、系統電力の設定値はどれくらいか?
-大きな負荷ステップが生じるという通知があるか?その負荷はどれくらいか?
-ソース容量の大きな損失(例えば、ソースの出力レベルの低下、太陽光流入の減少、風速の低下、又はバッテリ放電の制限)が生じるという通知があるか?
-ソースを意図的にオフラインにする必要があるか(例えば、点検のために)?
-これがブラックスタートである場合、最初にどれくらいの容量を加えるべきか?全てを?選択されたソースを?
-再生可能資源からの寄与を最大化するためにシステムを実行する。
-サービスのために全ての機械が同時に稼働することのないように、システムを実行する。
-全ての機械がほぼ等量の損耗を維持するようにシステムを実行する。
-資産の耐用年数を最大化するためにシステムを実行する。
-運用コストを最小限に抑えるためにシステムを実行する。
-外部最適化アルゴリズムによって設定された動的優先順位付けに基づいてシステムを実行する。
電力システム30内の各母線オブジェクト82(例えば、ユーティリティソース母線38、発電設備ソース母線46、及び負荷母線62)は、母線状態126、経路状態130、ルータ134、故障母線アクセス138、及びシステムルーティングテーブル142機能を含む、5つの母線機能を定義する。いくつかの態様では、より多くの機能又はより少ない機能が、各母線オブジェクトに含まれ得る。いくつかの態様では、使用しない機能が、制御方式において無効化され得るか、又はカスタム機能が追加され得る。
電力システム74内の各スイッチオブジェクト86(例えば、ユーティリティスイッチ50及び発電設備スイッチ54)は、スイッチ状態146、同期チェック150、及びスイッチ動作処理154機能を含む、3つのスイッチ機能を定義する。いくつかの態様では、より多くの機能又はより少ない機能が、各スイッチオブジェクト86に含まれ得る。いくつかの態様では、使用しない機能が、制御方式において無効化され得るか、又はカスタム機能が追加され得る。
電力システム74内の各負荷オブジェクト90(例えば、負荷58)は、負荷状態機能158、負荷減衰機能162、負荷追加/制限機能166、及び高感度負荷切断機能170を含む、4つの負荷機能を定義する。いくつかの態様では、より多くの機能又はより少ない機能が、各負荷オブジェクト90に含まれ得る。いくつかの態様では、使用しない機能が、制御方式において無効化され得るか、又はカスタム機能が追加され得る。
電力システム74内の各変圧器オブジェクト94は、比率174、巻線型178、X/R比182、及び定格186機能を含む、4つの変圧器機能を定義する。いくつかの態様では、より多くの機能又はより少ない機能が、各変圧器オブジェクト94に含まれ得る。いくつかの態様では、使用しない機能が、制御方式において無効化され得るか、又はカスタム機能が追加され得る。変圧器オブジェクト94は、その現在の状態を判定して通信することに責任を負い得る。多くの態様では、変圧器オブジェクト94は、直接制御動作を有しない。電力システム性能は、変圧器オブジェクト94の位置を(電気的に)知ることと、変圧器オブジェクト94の仕様を知ることで利益を得る。例えば、同期化/同期チェックは、Δ-Yの30度シフトのために変圧器オブジェクト94について知ることを望み得る。変圧器タイプの指定によって、+30又は-30の決定が自動的に行われる。同期化/同期チェックはまた、電圧整合のために変圧比機能174を知ることを望む。電力潮流管理は、ソースパスに異なるX/Rがある場合には負荷分担のバランスをより良好に保つために、X/R比機能182について知ることを望み得る。
上述したオブジェクトに基づく抽象化は、任意の電力システムアーキテクチャに適用することができる。図4は、図1に示す電力システム30よりも多くの構成要素/オブジェクトを含む電力システム190を示している。電力システム190における各オブジェクトのオブジェクトID、オブジェクト名、オブジェクトタイプ、及びオブジェクトサブタイプが図5に示されている。電力システム190は、ユーティリティ194、第1の発電設備198、第2の発電設備202、及び第3の発電設備206を含む、4つのソースオブジェクトを含む。
電力システム190は、多数の相互接続されたオブジェクトを含み、電力がソースオブジェクトから負荷オブジェクトに流れることができる通路又は経路を提供する。図6に示すように、システムルーティングテーブル(例えば、母線オブジェクトのシステムルーティングテーブル機能142によって作成される)は、所与の電力システムのための負荷母線と個々のソースとの間の全ての可能な経路をリスト化する。使用可能属性は、経路を使用不可にすることを可能にする設定である。経路ID属性は、負荷母線識別子とソース識別子との組み合わせである。経路優先度は、負荷母線からソースへの経路が2つ以上あるときに使用される設定である。経路優先度は、経路上のスイッチの数から導出されたデフォルト値を有するが、ユーザによって変更可能であり得る。例えば、スイッチが多いほど、優先度が低くなる。
本開示による電力システムの動作によって、システムアーキテクチャにおける別個のオブジェクトが特定され、システムの動作を制御するための権限は、電力システムの種々のコントローラに分散させることができる。分散制御の詳細については、以下で更に詳述する。図9は、上述した経路を制御するための経路レベル機能を使用してソースオブジェクトから負荷母線オブジェクトへの電力供給を制御するための高レベル論理方式440を示している。本明細書で使用される場合、「経路レベル機能」という語句は、電力システムの調整された機能性を達成するために電力システムのオブジェクトによって実施される機能を指す。各オブジェクトの経路レベル機能については、以下で更に詳述する。概して、ソースマネージャは、どのソースを負荷母線に接続すべきかを負荷母線ルータに示す役割を担う。負荷母線ルータは、指定されたソースへの経路を有効化及び無効化する。スイッチ動作処理機能は、有効又は無効である経路に応じて開くか、閉じるか、又は何もしないかをスイッチごとに決定する。以下の説明では、電力システムの制御を実施するように相互作用する機能ブロック(例えば、経路レベル機能)に言及する。
図10に示すように、コントローラ508は、制御方式440において電力システムによって使用されるコントローラを表す。コントローラ508は、電力システムにおける少なくとも1つの他のコントローラとは別個であるか、又はそれに含まれ得る。以下で更に述べるように、本明細書で考慮される制御分散方式は、計算能力、冗長性、及び一般的な制御計算を単一のコントローラ回路内で実行すること又は電力システム内の多数のコントローラ間で共有することを可能にする。コントローラ508の機能及び構造については、図10においてより詳細に説明する。
コントローラは、典型的には、1つの機械用に専用化される。場合により、コントローラは、複数の機械をサポートし得る。本明細書で考慮される1つの概念は、電力システムにおける各電力システムオブジェクトインスタンスが、コントローラ、典型的には、オブジェクトに最も直接関連付けられた(すなわち、オブジェクトに関連付けられたいくつかのIOを有する)コントローラによって「所有」されることである。場合により、オブジェクトは、多数のコントローラで実行されるコピー又は複製制御であって、主制御を必要とする機能に対して分散制御の流動主モデルを使用して冗長性を提供するコピー又は複製制御を伴う。
上述した電力システムのコントローラにおいてオブジェクトを実現するために、異なる方法を使用することができる。本開示における電力システムオブジェクトは、電力システム制御のレベルで動作するそのオブジェクトに関係する機能性のためのコンテナである。
上述した電力システムは、試運転の容易さ及び信頼性を向上させる洗練された制御方式を実施するためにオブジェクト間の通信及び協調をもたらす、オブジェクトに基づくフレームワークで動作する。このセクションでは、上述した電力システムのフレームワーク内で実施できる種々の制御方式について述べる。
本開示における分散制御は、電力システム全体の動作について単一のコントローラに依存しない制御方式を指す。つまり、単一のコントローラが失われることによって、電力システムの退縮運転が生じる可能性があるが、電力システムが完全に動作不能になることはない。図21~図25は、ロバストで冗長化された分散制御電力システムを、オブジェクトに基づく手法と共に、構築できる3つの分散制御方式を描いている。
図21に示すように、流動主制御方式684は、各々が特定のシステム機能を実施することが可能な多数のコントローラ688を含むが、その機能は、任意の所与の時点で1つの「頭脳」又は動作コントローラによってのみ実施する必要があるようなものである。つまり、事実上個々のタスク又は機能に対してのみである場合、集中制御と呼ばれ得る形式が存在する。現時点で機能を実施する役割の動作コントローラは、主コントローラ692と呼ばれる。可能であるが、現時点で有効な主コントローラ692ではない、他のコントローラ688は、参加コントローラと呼ばれる。主コントローラ692が故障した場合又はさもなければ電力システムに対する主コントローラ692の任務を果たすことができない場合はいつでも、参加コントローラの1つが、シームレスに介入して主コントローラ692の役割を引き継ぐ。この挙動は、主コントローラが、その機能を実施できる任意のコントローラ688に流動できるという点で、流動主として説明される。
いくつかの電力システム機能は、主/参加よりもむしろ、完全分散制御モデルに適している。図23に示すように、完全分散制御方式696では、特定のシステム機能を実施する全てのコントローラ700は、同等のものである。コントローラ700を完全に分散させる1つの特徴は、各コントローラ700が、流動主制御方式684における主コントローラの場合のように他のコントローラに対する動作も決定するのではなく、それ自体の行うべき動作を決定することである。完全分散制御方式696は、自己決定手法と呼ばれることもある。
流動主制御方式684及び完全分散制御方式696は、多くのシナリオにおいて電力システム制御への一点コントローラの障害の影響を低減するが、単一のコントローラが失われることによって電力システムの機能に大きな影響が生じる可能性が依然としてある。図25に示すように、冗長化流動主方式704は、各々が主コントローラ712として機能することが可能である、多数のコントローラ708を含む。加えて、冗長コントローラ716は、電力システムトポロジーにおける重要な位置に設置される。次いで、現時点でどのコントローラ708又は冗長コントローラ716が主コントローラ712として機能しているかを判別するために、流動主制御方式684と同様の方式が使用される。
次に図17に戻ると、電力システム190'は、流動主タイプの機能として構成される負荷母線ルータ機能を含む母線オブジェクトを含む。ユーティリティスイッチコントローラ306'、負荷母線コントローラ314'、及び発電設備分岐スイッチコントローラ310'は全て、負荷母線258'を「所有」するか又は負荷母線258'を割り当てられ、それゆえ、それらのいずれかは、負荷母線258'の負荷母線ルータ機能のための主コントローラとすることができる。最低のIDを有するコントローラを主コントローラであると選択する方式を使用して、ユーティリティスイッチコントローラ306'が主コントローラであると特定される。
Claims (21)
- 非一時的コンピュータ可読媒体であって、
電力システムの回路によって実行されたときに、経路を有効化及び無効化する機能を前記電力システムに実施させる、前記非一時的コンピュータ可読媒体に含まれたコンピュータ実行可能命令
を有し、前記機能が、
複数のソースオブジェクトを決定することであって、各々が、ソース機能を含み且つ単線トポロジー上の位置を割り振られる、ことと、
1つ又は複数のスイッチオブジェクトを決定することであって、各々が、スイッチ機能を含み且つ前記単線トポロジー上の位置を割り振られる、ことと、
1つ又は複数の母線オブジェクトを決定することであって、各々が、母線機能を含み且つ前記単線トポロジー上の位置を割り振られる、ことと、
1つ又は複数の負荷オブジェクトを決定することであって、各々が、負荷機能を含み且つ前記単線トポロジー上の位置を割り振られる、ことと、
各オブジェクトを複数のコントローラのうちの1つに割り当てることであって、前記コントローラの各々が、前記システムの操作を提供するために、前記ソース機能、前記スイッチ機能、前記母線機能、及び前記負荷機能を協調的に実施するように構築される、ことと
を含む、前記非一時的コンピュータ可読媒体。 - 前記ソース機能が、
ソース状態機能、
容量マネージャ機能、
シンクロナイザ機能、
負荷分担機能、
ソース選択機能、
ソース優先順位付け機能、及び
グリッド並列化機能
のうちの1つ又は複数を含み、
前記スイッチ機能が、
スイッチ状態機能、
同期チェック機能、及び
スイッチ動作処理機能
のうちの1つ又は複数を含み、
前記母線機能が、
母線状態機能、
ルータ機能、
システムルーティングテーブル機能、
経路状態機能、及び
故障母線アクセス機能
のうちの1つ又は複数を含み、且つ
前記負荷機能が、
負荷状態機能、
負荷減衰機能、
負荷追加/制限機能、及び
高感度負荷切断機能
のうちの1つ又は複数を含む、
請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。 - 1つ又は複数の変圧器オブジェクトを決定することであって、各々が、変圧器機能を含み且つ前記単線トポロジー上の位置を割り振られる、こと
を更に含む、請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。 - 前記ソース機能、前記スイッチ機能、前記母線機能、及び前記負荷機能の各々が、利用可能なアルゴリズムのリストを含み、
前記複数のコントローラが、オブジェクトタイプと前記単線トポロジー上の位置とに基づいて、利用可能なアルゴリズムの前記リストのサブセットを利用する、
請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。 - 前記サブセットが、利用可能な全てのアルゴリズムを含む、請求項4記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。
- 各機能が、前記単線トポロジー内の前記関連するオブジェクトの動作を定義するように構成される、請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。
- 前記複数のコントローラが、前記複数のコントローラの各々に共通のソフトウェアを使用して前記ソース機能、前記スイッチ機能、前記母線機能、及び前記負荷機能を実行するように構築される、請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。
- 各機能が、前記オブジェクトの仕様と前記単線トポロジー上の前記位置とに基づいて自動的に構成される、請求項1記載のコンピュータ実行可能命令を有する非一時的コンピュータ可読媒体。
- ソース状態機能とシンクロナイザ機能とを含むソースオブジェクト、
母線状態機能と経路状態機能とルータ機能とルーティングテーブル機能とを含む母線オブジェクト、
スイッチ状態機能とスイッチ動作処理機能とを含むスイッチオブジェクト、及び
負荷状態機能と負荷追加/制限機能とを含む負荷オブジェクト
を含む、単線トポロジー、並びに
前記ソースオブジェクトと前記母線オブジェクトと前記スイッチオブジェクトと前記負荷オブジェクトとの調整によって前記単線トポロジー上の経路を有効化及び無効化するように構築されたルータ機能を含む、経路制御システム
を含む、システム。 - 前記ソース状態機能が、前記ソースオブジェクトの現在の動作状態を特定し、
前記シンクロナイザ機能が、前記ソースオブジェクトの周波数、電圧、及び位相差を制御するように構築され、
前記ルータ機能が、前記ソース状態機能に少なくとも部分的に基づいて経路を有効化及び無効化する、
請求項9記載のシステム。 - 前記母線状態機能が、前記母線オブジェクトの電気状態を決定し、前記母線状態機能の出力が、前記スイッチ動作処理機能及び前記負荷追加/制限機能に提供され、
経路を有効化又は無効化できるように、前記経路状態機能が、利用可能な各経路の状態を特定し、
前記ルーティングテーブル機能が、前記単線トポロジー上に存在する前記利用可能な経路を定義し、
前記ルータ機能が、前記母線状態機能と前記経路状態機能と前記ルーティングテーブルとに少なくとも部分的に基づいて経路を有効化及び無効化する、
請求項9記載のシステム。 - 前記スイッチ状態機能が、前記スイッチオブジェクトの位置を特定し、
前記スイッチ動作処理機能が、スイッチオブジェクトの作動を制御し、
前記ルータ機能が、経路の有効化及び無効化を実施するために、前記スイッチ状態機能に少なくとも部分的に基づいて前記スイッチ動作処理機能に命令を提供する、
請求項9記載のシステム。 - 前記負荷状態機能が、前記負荷オブジェクトの状態を、通電、停電、故障、又は減衰中と特定し、
前記負荷追加/制限機能が、利用可能な電源と比較して負荷需要が高いか低いかを判定し、
前記ルータ機能が、前記負荷状態機能と前記負荷追加/制限機能とに少なくとも部分的に基づいて経路を有効化及び無効化する、
請求項9記載のシステム。 - 前記ソースオブジェクト、前記母線オブジェクト、前記スイッチオブジェクト、及び前記負荷オブジェクトが、前記単線トポロジー上の仮想オブジェクトとして存在し、且つ、前記ソースオブジェクト、前記母線オブジェクト、前記スイッチオブジェクト、及び前記負荷オブジェクトのパラメータが、ユーザインターフェースを介して入力されることができる、請求項9記載のシステム。
- 前記経路制御システムが、流動主制御方式又は完全分散制御方式のうちの一方を含む、請求項9記載のシステム。
- 単線トポロジー上の電力システムにおける機械を特定する工程と、
経路レベル制御システムにおいてオブジェクトを生成する工程であって、各オブジェクトが、特定された機械に関連付けられる、工程と、
各オブジェクトのパラメータを投入する工程であって、前記パラメータが、前記関連する機械の動作要件を含む、工程と、
前記単線トポロジー上に各オブジェクトを位置させる工程と、
オブジェクトを電気的に接続する経路を定義する工程と、
経路を有効化及び無効化することによって前記機械の動作を制御する工程であって、経路の前記有効化及び無効化が、前記オブジェクトの前記投入されたパラメータに従って達成される、工程と
を含む、方法。 - 各オブジェクトが、前記単線トポロジー内の前記オブジェクトの動作を定義する機能を含む、請求項16記載の方法。
- 前記オブジェクトが、ソースオブジェクト、変圧器オブジェクト、母線オブジェクト、スイッチオブジェクト、及び負荷オブジェクトを含むオブジェクトタイプについて選択される、請求項17記載の方法。
- 前記経路レベル制御システムにおいてオブジェクトを生成する工程が、オブジェクトを選択し、ソフトウェアツールを用いて前記単線トポロジーを投入することを含む、請求項16記載の方法。
- オブジェクトを生成する工程が、前記ソフトウェアツール内のオブジェクトパレットライブラリからオブジェクトを選択することを更に含む、請求項19記載の方法。
- 前記経路レベル制御システムが、オブジェクトに関連付けられた複数のコントローラを含み、
動作を制御する工程が、前記複数のコントローラ間の流動主制御方式及び完全分散制御方式のうちの一方を使用して前記オブジェクトの機能を調整することを含む、
請求項16記載の方法。
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