与发电机联用的负载切断控制模块的制作方法

与发电机联用的负载切断控制模块的制作方法
【专利摘要】一种用于与由发电机供电的电力系统联用的负载管理设备，该负载管理设备选择性地添加和切断发电机上的负载以防止发电机过载。负载管理设备在学习模式期间学习各个负载的负载曲线，且执行一个或多个负载切断过程以控制哪些电力负载正在加载发电机。
【专利说明】与发电机联用的负载切断控制模块

【技术领域】
[0001]本发明总体涉及负载管理系统，尤其涉及用于当发电机将电功率供给到电力系统时(例如，当通常可用的公用电源被中断或者由于其他原因不可用时)，自动地添加和切断发电机上的电力负载的设备。

【背景技术】
[0002]发电机具有广泛的应用。通常，发电机以待机模式操作，在待机模式中，通过公用电源所提供的电功率被监控，使得如果来自公用电源的商用电功率停用或者由于其他原因被中断一定的时段，则发电机的引擎自动或者由用户手动地启动，使发电机提供应急电功率或者备用电功率。更具体地，引擎驱动交流发电机，提供电流以通常通过专用的配电面板(即，转换面板)对所选择的被连接到发电机的电力负载("电路")供电。
[0003]当通过交流发电机所生成的电功率达到用户期望的预定的电压和频率时，转换开关将由用户利用的负载从商用输电线转换到发电机。发电机然后将电功率供给到所选择的负载，这些负载通常被视为关键负载，例如，HVAC设备、冰箱、照明设备、油池泵、井泵、和医疗设备(如果适用的话)。
[0004]美国国家电气规范的2008版本(NEC 2008)要求增大额定发电机输出与发电机上最大可能载荷的比值。因此，为了满足NEC规定的供给/负荷要求，与以前所需的发电机相t匕，当今需要更大的发电机，或者必须限制连接到发电机的负载。更大的发电机通常在购置成本和操作成本上更昂贵、具有更大的物理占用空间、且噪声更大。例如，当发电机用来对住宅提供应急功率或者备用功率时，通常期望掩盖或者通过其他方式淡化发电机的外观。类似地，许多房主协会(homeower’s associat1n)具有噪音排放规格,这最终限制可以使用的发电机的尺寸。因而，通常需要体积较小的发电机。然而，降低发电机的物理尺寸通常会导致发电机的额定功率输出的降低，这会限制在公用电源中断期间由发电机供电的电力负载的数量。然而，甚至当公用电源不可用时，许多用户更愿意对尽可能多的电力负载供电。采用NEC 2008，可连接到发电机的负载的数量进一步受到限制。
[0005]工程师在设计较小的发电机而不牺牲功率输出所面对的挑战之一是:当发电机用来在公用电源中断或故障期间将电功率供给到连接到发电机的负载时，防止发电机的过载。一个解决方案需要电工通过转换面板仅硬线化(hardwire)发电机能够支持的那些负载。因此，对于该传统的有线方法，如果发电机的尺寸被设计成供给200安培(Amp)的输出，例如，连接到发电机的电力负载通过转换面板的总的电流消耗会被限制到约200Amp。NEC2008允许用户使他们的监控的功率使用例如持续30天作为用于峰值功率使用的记录。该数据然后可以用来选择合适尺寸的发电机。然而，该过程通常是昂贵的且通常将导致用户需要或者要求更大尺寸的发电机。
[0006]另一类型的解决方案是使用控制模块，例如，在第2007/0222295号美国公开所描述的控制模块，其基于在发电机上产生的要求来添加或者切断负载。采用该基于微处理器的模块，如果给定的负载被关闭或者以其他方式没有对发电机加载，则控制模块将负载添加在发电机上。类似地，如果联机负载的电流消耗超过发电机的额定输出或者过载条件的一些其他代表值，则控制模块将命令信号提供到一个或多个远程可控开关以切断(在电学上断开连接)一个或多个电力负载，直到在发电机上的负荷匹配于或者低于发电机的额定输出。多个负载通常被划分优先级，通过划分优先级设置添加或者切断负载的次序，即，远程可控开关被切换。在该方面，如果将新的负载添加到待由发电机供电的负载，则负载必须被重新划分优先级。该重新划分优先级通常需要电工对负载如何连接到转换面板或者改变远程可控开关和负载的关联性进行重新布线，使得控制模块以正确的次序连接负载和与负载断开连接。


【发明内容】

[0007]本发明旨在与由发电机供电的电力系统联用的负载管理设备，该负载管理设备选择性地添加和切断在发电机上的负载以防止发电机过载。负载管理设备在学习模式期间学习各个负载的负载曲线且执行一个或多个负载切断过程以控制哪个电力负载加载到发电机。基于预置的偏好顺序，负载管理设备不需要添加或切断负载。在该方面，负载管理设备不限于当新负载被添加到电力系统时要求熟练的专业人员(例如，持证电工)重新布线的预布线布置。
[0008]本发明可以体现在与住宅、办公大楼等连接的功率管理模块和发电机中。在该实施方式中，功率管理模块包括第一输入，所述第一输入接收来自所述发电机可用的电功率的电源值，和至少一个第二输入，所述至少一个第二输入接收用于所述多个电力负载的电力负荷值。该模块还具有处理器，所述处理器被编程用以适应性地添加和切断接收来自所述发电机的电功率的负载，以保持发电机上的载荷在所述电源值处或者低于所述电源值。
[0009]本发明还体现在用于控制通过多个电力负载放置在发电机上的载荷的负载管理设备中。该设备包括适于测量发电机的电流输出的电流传感装置和可操作用以将所述多个电力负载可切换地连接到所述发电机的多个远程可控开关装置。控制器被编程用以将开关信号提供到所述远程可控开关装置，以将所述电力负载单独地连接到所述发电机，使得由所述所连接的电力负载所放置于所述发电机上的总载荷不超过预置的过载值。另外，所述控制器还被编程用以添加或切断电力负载，使得所述预置的过载值不被超过且所述发电机上的所述总载荷基本上处于预置的效率值。
[0010]本发明还可以体现在管理发电机上的电功率消耗的方法中。在一个实施方式中，该方法包括:基于通过多个电力负载的各个电力负载放置在公用电源上的电力载荷，对所述多个电力负载单独地划分优先级，所述公用电源通常将电功率供给到所述多个电力负载。该方法还包括在所述公用电源中断时，将所述多个电力负载电连接到所述发电机，使得所述发电机能够将电功率供给到所述多个电力负载。以及，如果在所述发电机上的载荷超过预置的载荷值，则将所述多个电力负载与所述发电机电隔离，然后基于来自所述多个电力负载的优先级划分的偏好次序，将所述多个电力负载单独地重新连接到所述发电机。在该方面，所述多个电力负载以所述偏好次序被重新连接，直到作为所连接的所述电力负载的所述电力负载产生的载荷达到所述预置的载荷值。
[0011]从以下具体说明和附图，本发明的其他目的、特征和优点对于本领域的技术人员将变得明显。然而，应该理解，尽管指出了本发明的优选实施方式，然而【具体实施方式】和特定实施例通过例证而非限制的方式给出。在本发明的范围内可以做出多种变化和变型而不脱离其精神，且本发明包括所有这样的变型。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]附图示出执行本发明当前所构思的最佳方式。
[0013]在附图中:
[0014]图1是在公用电源的中断期间将电功率供给到电力系统的备用电源系统或者紧急电源系统的示意图；
[0015]图2是用于使用根据本发明的实施方式的图1的电源系统的负载管理设备的示意图；和
[0016]图3和图4是列举根据本发明的一个实施方式的负载管理过程的步骤的流程图。

【具体实施方式】
[0017]图1示出用于将发电机12与位于建筑物16(例如，住宅)的内部中的主配电面板或者负载中心14互相连接的电源进线布置10。在图1的电源进线布置中，转换开关18被安装成与主面板14相邻，且借助由在主面板14和转换开关18之间延伸的导管20所封闭的一系列导线与主面板14互相连接。
[0018]第一导管22从发电机12延伸到转换开关18。第二导管24从公用电源26延伸到转换开关18。第一导管22和第二导管24以常规的方式连接到转换开关18，因此本文不再进一步阐述。
[0019]在优选的实施方式中，在公用电源中断时，使发电机12自动运行。在该方面，用户不需要手动启动发电机12以开始备用电功率的供给。如本领域中所已知的，当公用电源中断时，转换开关18将信号发送到发电机12，使发电机12启动。
[0020]现参考图2，本发明提供了用于与发电机12和转换开关18联用的负载管理设备28。可以添加到现有的电源进线布置10的负载管理设备28包括:控制模块30、远程可控断路器32、和电流传感器34。在一个实施方式中，电流传感器34是电流互感器。电流传感器34提供电流信号，当发电机将功率提供到功率转换开关18时，该电流信号正比于由发电机12所提供的功率输出的AC电流，且当公用电源将电功率输送到功率转换开关18时，该电流信号正比于通过公用电源26所提供的功率输出的AC电流。如本领域中所已知的，转换开关18在发电机12和公用电源26之间切换负载中心14的连接。对于典型的住宅安装，转换开关18是200Amp的开关，且带有添加到转换开关18的负载侧的电流传感器34。当发电机12将电功率输送到功率转换开关18的电路(“电力负载”)时，电流传感器34测量在发电机12上的电流消耗。
[0021]远程可控断路器32通过连接线36与控制模块30通信连接，该连接线36可以是用来传输控制信号的任何常规传输导线。可替选地，远程可控断路器32和控制模块30可分别包括无线通信装置(例如，发射器、接收器和天线等)，用于将控制信号无线发送到远程可控断路器32。
[0022]远程可控断路器32优选是代替负载中心14的常规断路器的模制外壳式断路器。在该方面，断路器32与所选择的电路38可操作地关联且除了提供切换之外，还提供电路保护功能。
[0023]在一个实施方式中，对于各个电路38，存在远程可控断路器32。可替选地，如图2中所示，所选择的电路40可以不具有与其关联的远程可控断路器32。在这样的实施方式中，具有常规断路器42的电路40不是借助从控制模块30所接收的命令来选择性地连接发电机12或者与发电机12断开连接。因此，这些电路会总是能使负荷施加在发电机12上，除非它们的断路器42已经被手动切换到关闭(OFF)位置。可以构思，这些“非可切换的”电路将用于那些电路(其中，例如，在公用电源中断期间，房主总是需要由发电机12供电)，例如，医疗器械、HVAC系统、安防系统、油池泵等。可以理解，例如，远程可控断路器32的数量随着每次安装而变化且必须符合通过由美国电气规范(Nat1nal Electrical Code)所需的负荷计算要求。
[0024]可以构思:当公用电源或者发电机将功率输送到功率转换开关时，可以获取电流信息。在该方面，在本发明的一个实施方式中，当公用电源将电功率提供到电源进线箱时，控制模块30周期性地执行学习循环。而在一个优选的学习方式中构思多种类型的学习过程时，控制模块30控制远程可控断路器32以将它们的相应电路38首先与公用电源隔离。此后，控制模块30每次使各个负载返回联机一次。各个电路38被再次连接到公用电源且允许实现稳定状态。一旦实现稳定状态，即，在公用电源上的电流消耗已经稳定，则控制模块30读取电流传感器34的输出且在存储器(未示出)中将所连接的负载的电流值存储为负载的负载曲线。负载然后再次与公用电源隔离。该过程然后重复用于各个远程可控负载直到各个负载的负载曲线被存储。优选地，反复地执行学习模式使得负载曲线被例行更新以解释在单独的电路中的载荷特性的变化。
[0025]如下文更全面地阐述，本发明限制需要控制在发电机12上的负载的添加和切断的输入数量。在一个优选的实施方式中，通过控制模块30来添加和切断负载所需的信息是各个负载的负载曲线、用于发电机12的输出、以及用于发电机12的额定功率。还可以构思:控制模块30可以被编程用以基于发电机12的额定输出确定发电机12的最佳负荷值(即，最大的效率值)。例如，尽管发电机12可以规定为支持200Amp的消耗，然而控制模块30可以以一定百分比(例如，额定输出的80%)设置最佳值，因此，对于该实施例，将在发电机12上的稳态负荷限制到160Amp的消耗。
[0026]现参考图3，现将阐述在公用电源失去时控制模块30的操作。应该理解，控制模块30可以被编程用以在公用电源失去时不同地操作。
[0027]在所示出的过程44中，在框46处，当公用电源失去时，控制模块30首先打开所有的远程可控断路器32。在观测到预置的延迟周期48之后，在框50处，控制模块30然后启动发电机12。在发电机12已经预热且实现相对的稳态操作之后，在框52处，转换开关18转换负载(即，负载中心14)以接收来自发电机12的电功率。控制模块30然后在框54处读取电流传感器34的输出以在框56处确定来自发电机12可用的电功率。如果编程做到这一点，控制模块30然后从框54处可用的电功率读数确定对于发电机12的负荷效率值。然而，可以理解，控制模块30可以被不同地编程且因此将发电机12的负荷限制在可用的功率级别或者一些其他的导出值。例如，可以构思:控制模块30可包括加载有数据的存储器(未示出)，该数据例如为提供在最佳发电机效率与对于所用的特定的模拟发电机的可用的发电机输出或者开销。因此，可以构思:控制模块30的存储器可以预加载用于各个型号的发电机的性能曲线或者数据。
[0028]一旦发电机12上的载荷限值在框54或者框56处被计算、导出或者以其他方式确定，则然后使控制模块30开始使远程可控负载联机，即，加载发电机12。可以理解，如果负载中心14配备有常规的断路器42，则当公用电源不可用且发电机12运行时，那些负载(即，分支电路)被自动地连接到发电机12。因此，当过程44使控制模块30开始使远程可控负载联机时，控制模块30必须考虑在发电机12上已有的联机负载。
[0029]在优选的实施方式中，远程可控负载每次被联机一个负载，使得控制模块30可以确定各个负载在发电机12上的影响。控制模块使负载联机的次序可以被改变以适应用户偏好或者可以是自适应的。例如，在一个实施方式中，基于在存储器中所存储的负载曲线，控制模块30依次使负载先于较小的负载与较大的负载联机。可替选地，用户可以期望先于较大的负载与较小的负载联机。
[0030]在自适应系统中，使控制模块30确定负载的组合，其最大化来自发电机12的可用功率。因此，在该实施方式中，过程44使控制模块30在框58处对所有已知的负载核查负载曲线，然后在框60处对负载的各个组合一起重复地分组以确定使哪个负载联机。应该理解，可以进行各种数据分析以确定考虑对于控制模块30的各种组合。此外，可以构思:负载可以基于用户偏好被分配加权因子，例如，使得用户所期望的负载被给予优先处理。还可以构思:其他加权因子可以被分配到各个负载。例如，季节信息或者日时信息可以用来对负载加权以具有较高的优先级。因此，例如，包括家用AC单元的负载可以在夏季月份中的白天期间可以更大幅度地加权。
[0031]在框60处已经确定被认为优化发电机12上的载荷的负载组合之后，通过将合适的控制信号提供到对应的远程可控断路器32，在框62处，控制模块30然后以组合添加第一负载。在框64处，控制模块30然后读取电流传感器34的输出。在框66处，控制模块30然后确定另外的发电机开销是否可用。如果是可用68，则控制模块30回到框62且以分组添加下一个负载。过程44然后经过框64和框66直到另外的发电机开销是不可用的。因此，当另外的发电机开销不可用时70，控制模块30回到框64且维持现状直到另外的发电机开销变得可用。
[0032]因此，可以理解，当控制模块30命令远程可控断路器32依次使远程可控负载联机时，控制模块30继续读取电流传感器34的输出使得被联机的负载的数量或者组合可以根据发电机12的输出的变化来调整。
[0033]现参考图4，在远程控制电路38加载到发电机12的任何时刻，通过控制模块30来执行切断过程72。切断过程72被设计成发电机12的输出出现下降的任何时刻，切断负载。在该方面，在框74处，切断过程72开始读取电流传感器34的输出。在框76处，控制模块30然后确定在发电机12上的载荷是否超过在框56处所确定的负荷效率值。如果是(直线78)，则控制模块30然后将命令信号发送到远程可控断路器32之一以移动到打开(OPEN)或者OFF位置，以便使对应的电路38与发电机电隔离。在优选的实施方式中，最后添加的负载是在过载条件下切断的第一负载；然而，可以理解，本发明不限于此且其他方案可以用来确定切断负载的次序，例如，基于负荷值切断负载。如果负荷值不超过效率值(直线82)，则该过程回到框74。然而，如果负载在框80处被切断，则过程72使控制模块30回到框74且重新确定发电机12上的负荷是否超过负荷效率值(框76)。如果仍然是这样，则在框80处，另一负载必须被切断。该循环持续直到发电机12上的负荷低于负荷效率值。
[0034]还可以构思，控制模块30在学习模式期间可以确定多种组合以连接到发电机12，其中，控制模块30从公用电源26与负载的各种组合选择性地连接/断开连接。这些“组合”负载曲线然后可以存储在存储器中(未示出)且用来控制哪个负载被联机，公用电源从而变得不可用。
[0035]再次简略地参考图3，可以理解，如果控制模块30被编程用以根据发电机12的可用电功率得出负荷效率值，则控制模块根据发电机12的输出的变化反复更新负荷效率值。因此，例如，如果发电机12的可用输出应该下降或上升，则控制模块30确定新的负荷效率值且采用更新值执行过程44的其他步骤。
[0036]可以构思:控制模块30可以与自动控制负载(例如，恒温控制的AC单元)进行通信连接，使得控制模块30基于该负载的操作状态可以使负载联机或者切断负载。因此，例如，如果含有恒温控制的家用AC单元的负载最初被连接到发电机12且运行以对住宅提供冷却空气，然后通过如恒温器(未示出)的命令被关闭，则控制模块30接收来自恒温器的信号(通过输电线或者通过无线通信)，其通知控制模块30:AC已经被暂时关闭。控制模块30然后添加新的负载以补偿发电机12上负荷的降低。然而，为了确保当恒温器使AC单元再次运行时发电机12不过载，当恒温器指示AC恢复操作时控制模块30接收来自恒温器的信号。在收到这样的信号时，控制模块30从发电机12切断负载。在一个实施方式中，控制模块30以最后打开/首先关闭(last on/first off)的方式切断负载。当然，本发明并不受这样的限制，且可以根据不同的方案切断负载。
[0037]在一个实施方式中，控制模块30容纳在较小尺寸的外壳(未示出)内，这允许其牢固地安装到用户的配电面板(例如，转换面板18)。控制模块30可具有其本身的电池(未示出)或者可以关闭发电机12的电池(未示出)。
[0038]如上文所指出的，在本发明的一个实施方式中，基于发电机12的输出，控制模块30确定添加和切断哪些负载。在该方面，可以理解，本发明提供了一种不依赖于发电机12的尺寸的负载管理系统。该负载管理系统适于发电机的瞬时输出且确定对于发电机上各个负载的负载曲线。因此，当新负载被添加到系统时，控制模块30在学习模式期间将学习对于新负载的负载曲线，然后将新负载视为与系统上的其他负载相同。在该方面，与当新负载添加到系统时要求重新布线和/或优先级变化的其他负载管理系统不同，本发明适于新负载而不要求重新布线或者重新排序。
[0039]本发明可以做出多种变化和变型而不脱离其精神。根据所附的权利要求书，这些变化的范围将变得明显。
【权利要求】
1.一种管理发电机上的电功率消耗的方法，包括: 基于通过多个电力负载的各个电力负载放置在公用电源上的电力载荷，对所述多个电力负载单独地划分优先级，所述公用电源通常将电功率供给到所述多个电力负载； 在所述公用电源中断时，将所述多个电力负载电连接到所述发电机，使得所述发电机能够将电功率供给到所述多个电力负载；以及 如果在所述发电机上的载荷超过预置的载荷值，则将所述多个电力负载与所述发电机电隔离，然后基于来自所述多个电力负载的优先级划分的偏好次序，将所述多个电力负载单独地重新连接到所述发电机，其中所述多个电力负载以所述偏好次序被重新连接，直到作为所连接的所述电力负载的所述电力负载产生的载荷达到所述预置的载荷值。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述多个电力负载以阶梯式偏好次序被重新连接使得每次将一个电力负载重新电连接到所述发电机。
3.如权利要求1所述的方法，还包括基于来自所述发电机的可用电功率，设定所述预置的载荷值。
4.如权利要求3所述的方法，还包括监控所述发电机的功率输出值且响应于可用电功率的变化而调整所述预置的载荷值。
5.如权利要求1所述的方法，其中对所述多个电力负载划分优先级还包括:识别关键负载以及对所述关键负载排序，使得所述偏好次序首先使关键负载先于非关键负载重新连接到所述发电机。
6.如权利要求5所述的方法，其中关键负载包括对AC单元、制冷单元和医疗设备中的至少一个提供电功率的电路。
7.如权利要求1所述的方法，还包括当所述多个电力负载由所述公用电源供给电功率时，再次反复地对所述多个电力负载重新划分优先级。
8.一种用于控制通过多个电力负载放置在发电机上的载荷的负载切断设备，其中各个电力负载具有负载曲线，所述设备包括: 电流传感装置，所述电流传感装置适于测量发电机的电流输出； 多个远程可控开关装置，所述多个远程可控开关装置可操作用以将所述多个电力负载可切换地连接到所述发电机；和 控制器，所述控制器被编程用以将开关信号提供到所述远程可控开关装置，以将所述电力负载单独地连接到所述发电机，使得由所述所连接的电力负载所放置于所述发电机上的总载荷不超过预置的过载值，且其中所述控制器还被编程用以添加或切断电力负载，使得所述预置的过载值不被超过且所述发电机上的所述总载荷基本上处于预置的效率值。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述控制器是具有可执行代码的可编程装置，所述可执行代码使所述控制器从所述发电机的可用功率值确定哪个电力负载电连接到所述发电机。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述控制器被编程用以从所述发电机的额定功率输出确定所述预置的过载值。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述控制器被编程用以在失去公用电源时使所有的负载与所述发电机电隔离，此后基于所学习的所述多个电力负载的负载曲线，以阶梯方式将所述电力负载重新连接到所述发电机。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述控制器被编程用以执行学习模式，其中，所述多个电力负载的所述负载曲线被学习，以及其中当所述公用电源将电功率输送到所述多个电力负载时，执行所述学习模式。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述控制器还被编程用以以预定的时间间隔反复执行所述学习模式。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述控制器还被编程用以周期性地从所述公用电源添加和切断负载且确定具有接近于所述预置的效率值的联合功率消耗的所述电力负载的一个或多个组合。
15.—种用于管理放置在发电机上的负载的功率管理模块,该发电机正在对多个通常由公用电源供电的电力负载供给电功率，所述模块包括: 第一输入，所述第一输入接收来自所述发电机可用的电功率的电源值； 至少一个第二输入，所述至少一个第二输入接收用于所述多个电力负载的电力负荷值；和 处理器，所述处理器被编程用以适应性地添加和切断接收来自所述发电机的电功率的负载，以保持发电机上的载荷在所述电源值处或者低于所述电源值。
16.如权利要求15所述的功率管理模块,其中所述第一输入包括测量所述发电机的电流输出的电流互感器。
17.如权利要求16所述的功率管理模块，其中所述处理器还被编程用以学习所述多个电力负载的各个电力负载的负载曲线，且其中所述处理器被编程用以当公用电源对所述多个电力负载提供电功率时，学习所述负载曲线。
18.如权利要求17所述的功率管理模块，其中当将新的电力负载添加到所述多个电力负载时，所述处理器还被编程用以学习所述新的电力负载的负载曲线。
19.如权利要求15所述的功率管理模块，还包括多个远程可控开关，其中各个开关被可通信地连接到所述处理器且可操作用以选择性连接电力负载到所述发电机和使电力负载与所述发电机断开连接。
【文档编号】H02J9/06GK104272556SQ201380020686
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2012年4月17日
【发明者】弗朗西斯·X·威德尔, 雅各布·J·托马斯, 史蒂文·J·威尔考克斯, 格雷格·维斯施塔特, 卡迈恩·福特 申请人:杰耐瑞克动力系统公司