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KR102610662B1 - 동적 나노 그리드들을 생성하고 에너지 시장에 참여하도록 전기 전력 소비자들을 집성하기 위한 시스템 및 방법들 - Google Patents

동적 나노 그리드들을 생성하고 에너지 시장에 참여하도록 전기 전력 소비자들을 집성하기 위한 시스템 및 방법들 Download PDF

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KR102610662B1
KR102610662B1 KR1020197007634A KR20197007634A KR102610662B1 KR 102610662 B1 KR102610662 B1 KR 102610662B1 KR 1020197007634 A KR1020197007634 A KR 1020197007634A KR 20197007634 A KR20197007634 A KR 20197007634A KR 102610662 B1 KR102610662 B1 KR 102610662B1
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KR
South Korea
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power
control flow
circuit breaker
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Active
Application number
KR1020197007634A
Other languages
English (en)
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KR20190046877A (ko
Inventor
로버트 피. 마돈나
시에그마 케이 에슈홀즈
안나 이. 드메오
윌리엄 에이치. 딜런
Original Assignee
사반트 시스템즈, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 사반트 시스템즈, 인크. filed Critical 사반트 시스템즈, 인크.
Priority to KR1020237041643A priority Critical patent/KR102723836B1/ko
Publication of KR20190046877A publication Critical patent/KR20190046877A/ko
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Publication of KR102610662B1 publication Critical patent/KR102610662B1/ko
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Abstract

홈들, 사업체들, 또는 다른 전기 전력 소비 구내들의 그룹은 집성되고 공통 제어되어 충분하게 부하들을 동적으로 감소시키고, 충분한 신속도 및 지속기간을 가지고, 피킹 전력 플랜트로서 참여하는 것을 포함하여 에너지 시장들에서의 시장 참여자로서 참여한다. 단일 구내에 대해 감소된 전력 소비의 양은 통상적으로 매우 작지만, 단지 수천 개의 홈 또는 사업체의 집성의 총 감소된 소비는 대략 수백 킬로와트일 수 있다. 조광기들을 포함할 수 있는 지능형 회로 차단기들과 함께 구내 전력 제어기는 각각의 구내에서 개별 부하들의 동적 관리를 가능하게 한다.

Description

동적 나노 그리드들을 생성하고 에너지 시장에 참여하도록 전기 전력 소비자들을 집성하기 위한 시스템 및 방법들
본 발명은 일반적으로 전력 관리 분야에 관한 것이며, 더 구체적으로는 에너지 시장에 참여하도록 전력 소비자들의 집성(aggregation)을 관리하는 시스템 및 방법들에 관한 것이다.
미국에서, 전력 유틸리티 기업들은 연방 및 주 정부 둘 다에 의해 고도로 규제된다. 일반적으로, 그들이 공급하는 전력에 대해 이러한 회사들에 의해 과금되는 소매 요금들은 공개 시장에 의해 설정되지 않는다. 대신에, 소매 요금들은 현재 및 예측된 장래의 수요, 새로운 공급원들에 대한 액세스를 구축하거나 획득하기 위해 초래되는 비용들, 및 다양한 다른 팩터들을 고려하는 공식적, 관리 프로세스를 통해 위원회 또는 다른 규제 재판소에 의해 설정된다. 도매 요금들은 종종 독립 시스템 운영자(ISO) 시장에 기초하지만, 모든 지역에서 그러한 것은 아니다.
전력을 위한 규제된 시장 내에서, "기저 부하 전력 플랜트들(base load power plants)", "전력 플랜트들에 뒤따르는 부하" 및 "피킹 전력 플랜트들(peaking power plants)"로서 알려진 전력 발전 설비들(power generating facilities)이 있다. 기저 부하 전력 플랜트들은 주어진 서비스 영역에서의 전력에 대한 기저 수요를 충족시키기 위해 연속적으로 동작하는 통상적으로 크고 비용이 낮은 설비들이다. 전력 플랜트들에 뒤따르는 부하는, 명칭이 암시하는 대로, 일반적으로 수요(부하들)가 높을 때 동작하도록 의도되지만, 수요가 낮을 때 동작을 제한하거나 또는 단축시킨다. 보조 서비스 시장의 일부인 10분 및 30분 예비력(reserve)을 지칭하기 위해 종종 사용되는 피킹 전력 플랜트들은 일반적으로, 서비스 영역에서의 피크 수요를 충족시키기 위해 간헐적으로만 동작하거나, 또는 전력 플랜트 고장과 같은 우발 상황의 경우에 수요를 충족시키도록 의도된다. 따라서, 피킹 전력 플랜트가 실제로 동작할 필요성은 매년 몇 일에만 발생할 수 있고, 몇 시간 동안에만 지속될 수 있다.
에너지 시장에 참여하기 위해, 설비는 최소 출력 전력 레벨(예를 들어, 100 kW)을 생성하기 위해 요구되는 규정에 의해, 그리드 운영자로부터의 요청에 후속하여 미리 결정된 시간 기간 내에 그 전력을 온라인으로 가져올 수 있고, 미리 결정된 최소 시간 기간 동안 온라인으로 유지된다. 일반적인 규정들에 따르면, 피킹 전력 플랜트들은 이들이 공급하는 전력에 대해 프리미엄 요금을 지불받는다. 이것은 그러한 플랜트들의 매우 간헐적인 동작, 그것들이 유지해야 하는 준비성의 상태, 및 중단 없이 피크 요구가 만족되는 것을 보장하는 것의 중요성을 고려하여 정당화될 수 있다.
최근에, 의회는, 일반적인 규정들 하에서, 시장 참여자가 주어진 서비스 영역에서의 전기 부하들을 감소시키는 설비로 구성될 수 있음으로써, 추가 전력을 생성하는 것과는 대조적으로 전력 소비를 감소시키는지에 대한 질문을 고려했다. 의회는 이 질문에 긍정으로 답하였고, 따라서 보조 서비스들(10 및 30분 예비력, 주파수 제어, 및 규정), 실시간 시장, 하루전 시장(day-ahead market), 및 선도 용량 시장(forward capacity market)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 확립된 에너지 시장들 모두에 참여할 자격이 있는 새로운 설비들을 개발할 기회를 생성하지만, 이 설비들은 감소된 소비 및 증가되지 않은 생산 모델에 대해 동작한다.
또 다른 관심 문제는 태양(광기전 또는 pv) 패널-장착된 홈(home)들, 사업체들, 또는 다른 구내들에서 나타난다. 이러한 설비들의 대다수는 그리드-타이(grid-tie) 시스템들이며, 이는 태양 pv 패널들에 의해 생성된 초과 전력이 전력 그리드로 다시 전송되고, 구내에 의해 필요한 임의의 추가 전력이 그리드에 의해 공급된다는 것을 의미한다. 단독운전 방지(anti-islanding) 법들 때문에, 모든 그리드-타입 시스템은, 태양 pv 패널들이 구내에 사용될 수 있는 전력을 생성할 수 있더라도, 전력 그리드가 다운(down)될 때 더 이상 동작하지 않을 수 있다. 최근에, 단독운전 인버터들은 여전히 단독운전 방지 법들을 따르면서 태양 pv 패널들을 계속 이용하는 것을 가능하게 하였다. 이러한 2차 인버터들은 임계 부하들에 대한 제한된 전력을 홈들, 사업체들 또는 구내들에 공급하기 위해 배터리들 및 임계 부하 패널과 함께 작용한다. 그러나, 임계 부하들은 "고정"되는데, 그 이유는 이들이 미리 선택되어야 하고 메인 회로 차단기 패널로부터 분리된 임계 부하 패널 내로 배선되기 때문이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 홈들, 사업체들, 또는 다른 전기 전력 소비 구내들의 그룹은 집성되고 공통 제어되어 충분하게 부하들을 동적으로 감소시키고, 충분한 신속도 및 지속기간을 가지고, 피킹 전력 플랜트로서 참여하는 것을 포함하여 에너지 시장들에서의 시장 참여자로서 참여한다. 단일 구내에 대해 감소된 전력 소비의 양은 통상적으로 매우 작지만, 단지 수천 개의 홈 또는 사업체의 집성의 총 감소된 소비는 대략 수백 킬로와트일 수 있다. 집성에 참여하기로 선택함으로써, 각각의 홈, 사업체 또는 다른 구내는 실질적인 진행중인 보존 노력에 기여하고, 제공자로부터 수신되는 수익을 공유할 수 있다. 유사하게, 전력 비용이 낮을 때, 피크 기간들 동안 비활성화되는 부하들이 활성화되어, 피크 기간 동안 그러한 부하들을 동작시키는 비용을 절감할 수 있다.
집성 내에 참여하는 각각의 홈, 사업체 또는 다른 구내들은 종래의 회로 차단기들 또는 퓨즈들을 보강하는 지능형 회로 차단기들 및 구내 전력 제어기를 구비한다. 구내 전력 제어기 및 지능형 회로 차단기들은 구성 동안 또는 개량으로서 설치될 수 있다. 구내 전력 제어기는 메모리, 프로세서, 사용자 인터페이스를 제공하도록 기능할 수 있는 디스플레이, 지능형 회로 차단기들, 주요 어플라이언스들, 난방, 환기 및 공기 컨디셔닝(HVAC) 시스템들, 온수기들에 대한 인터페이스들뿐만 아니라, 태양, 지열, 마이크로-하이드로(micro-hydro), 또는 풍력 발전 및 인버터들, 스토리지 배터리들, 발전기들, 다른 재생가능 전원들, 홈 자동화 시스템들, 스케줄러들 또는 사용자 제어 디바이스들에 대한 인터페이스들을 포함할 수 있다. 구내 전력 제어기는 환경 센서들(예를 들어, 온도, 기압, 전압, 전류, 움직임 검출기들) 및 다른 관심 센서들에 대한 인터페이스들을 또한 포함할 수 있다. 구내 전력 제어기는 또한 원격 위치될 수 있는 집성 서버 또는 다른 시스템들과 통신하기 위한 광역 네트워크(WAN) 접속성 또는 다른 적합한 네트워크 접속성을 포함할 수 있다.
각각의 지능형 회로 차단기는 전기적으로 작동되고 있을 수 있고, 수동으로 작동되고 있을 수 있는 종래의 회로 차단기와 인터페이스한다. 각각의 지능형 회로 차단기는 전력 미터(meter), 다른 지능형 회로 차단기들과 통신하기 위한 무선 송수신기, 및 구내 전력 제어기, 차단기 제어기, 메모리, 및 디스플레이를 포함한다. 조명 회로들의 경우, 지능형 회로 차단기는 또한 조광기를 포함한다. 메모리는 지능형 회로 차단기의 상태, 전력 소비, 동작 이력 등에 관한 관심 데이터를 일시적으로 저장하기 위해 사용될 수 있다. 지능형 회로 차단기들은 유리하게는 전기 장비의 주요 제조업체들에 의해 제공되는 회로 차단기 패널들(예를 들어, Schneider Electric, General Electric Company, Siemens AG에 의한 Square D, Siemens AG, Thomas & Betts of ASEA Brown Boveri에 의한 Murray, 및 Eaton에 의한 Crouse-Hinds)과 호환되는(즉, 꼭 맞도록 적응되는) 폼 팩터(form factor)로 구성될 수 있다.
지능형 회로 차단기들은 통상적으로 금속 차단기 패널 내부에 설치되기 때문에, 전형적으로 차단기들로의 그리고 그로부터의 무선 통신과의 상당한 간섭이 있다. 이러한 간섭을 극복하기 위해, 지능형 회로 차단기들과 연관된 무선 송수신기들 사이에 무선 메쉬 네트워크가 확립될 수 있다. 무선 메쉬 네트워크는 지정된 게이트키퍼 무선 송수신기에 의해 수신된 메시지들이 다른 무선 송수신기들 모두에 걸쳐 전파되는 것을 가능하게 하면서 구내 전력 제어기와 통신하는 혼잡을 감소시킨다. 게이트키퍼 무선 송수신기는 다른 무선 송수신기들 중 임의의 것으로부터 발신되는 메시지들을 구내 전력 제어기에 송신하는 것뿐만 아니라, 구내 전력 제어기로부터 수신된 메시지들을 다른 무선 송수신기들 중 하나 이상에 중계하는 것을 담당한다. 간섭을 더 감소시키기 위해, 게이트키퍼 무선 송수신기는 차단기 패널 내의 개구에 근접하여 위치할 수 있다. 개구는 단독으로, 또는 가능하게는 개구를 통과하는 와이어 런(wire run)들과 조합하여, 게이트키퍼 무선 송수신기 및 구내 전력 제어기 사이의 만족스러운 무선 통신을 가능하게 할 수 있다. 대안적으로, 개구는 게이트키퍼 무선 송수신기에 결합되는 작은 안테나를 수용할 수 있다.
그 자신의 무선 송수신기, 무선 메쉬 네트워크, 및 게이트키퍼 무선 송수신기를 통해, 각각의 지능형 회로 차단기는 메시지들을 구내 전력 제어기에 전송할 수 있다. 이러한 메시지들은 순간적으로 소비되고 있는 전력의 양, 주어진 시간 기간에 걸쳐 소비되는 평균 전력, 소비되는 전력의 양의 변화, 상태 정보, 또는 다른 관심 데이터를 보고할 수 있다. 이러한 데이터는 집성 서버 또는 다른 시스템에 전달되기 전에 구내 전력 제어기에 의해 일시적으로 저장될 수 있다.
각각의 지능형 회로 차단기는 또한 구내 전력 제어기로부터 메시지들을 수신할 수 있다. 하나의 타입의 메시지는 회로 차단기가 작동하게 하고, 그에 의해 회로를 개방하고, 연관된 부하를 접속해제하거나, 또는 회로를 폐쇄하고, 부하를 라인(전력 그리드) 소스, 재생가능 전원, 백업 발전기, 또는 구내 상의 차압 셀, 전기 화학 배터리 및 화학 에너지 스토리지 시스템(이하에서 애프터 배터리(after battery))와 같은 에너지 스토리지 디바이스에 접속시킨다. 따라서, 본 발명에 의해 제공되는 하나의 이점은, 전력 그리드가 다운될 때 그러한 부하들에 전력을 유지하기 위해 구내 내의 임계 부하들이 별개의 전용 회로 차단기 패널에 대해 배선될 필요가 없다는 것이다.
구내는 또한 역률 제어를 갖는 DC-AC 인버터에 그 출력이 결합되는 AC-DC 컨버터를 포함할 수 있고, 이는 이어서 조도조절가능(dimmable) 부하들에 결합된다. 컨버터의 출력(DC)은 인버터에 결합되며, 이 인버터에서는 AC에 대한 반전과 함께 역률이 변경될 수 있다. 변경된 역률은 조도조절가능 부하들에 의해 흡수되는 실제 전력의 양의 감소를 야기하고, 그에 의해 전체 효율에 대한 추가적인 개선뿐만 아니라 시장 참여자로서 집성의 성능의 일부로서 소비의 감소에 기여하는 것을 제공한다.
본 발명에 의해 제공되는 또 다른 이점은, 전력 그리드가 업(up)될 때, 재생가능 소스가 구내에 "잉여" 전력을 생성하고 있을 때, 일반적인 상황을 고려해볼 때 가능하고 유리하다면, 유틸리티 기업에 그러한 전력을 판매하는 것과 반대로, 가용 "잉여" 전력을 소비하기 위해 지능형 회로 차단기들이 추가적인 부하들(예를 들어, 먼저 충전 가용 배터리들 및 전기 차량들, 이어서 수영장 히터, 보조 온수기 등)에 접속하도록 동적으로 관리될 수 있다는 점이다.
본 발명에 의해 제공되는 또 다른 이점은, 각각의 개별 부하가 구내 전력 제어기에 의해 동적으로 관리되어, 구내의 전체 효율을 모두 개선하고, 구내가 에너지 시장에 참여하는 집성의 일부로서 기능할 수 있게 한다는 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 또 다른 이점은 조광을 포함하는 조명 제어와 같은 사용자-지향 기능들이 별개의 종래의 조명 제어 장비에 대한 필요 없이 수행될 수 있다는 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 또 다른 이점은, 구내가 지능형 회로 차단기들과 함께 구내 전력 제어기에 의해 동적으로 관리될 때, 더 높은 레벨의 기능을 유지하고, 전력 그리드가 다운될 때 그 자신의 나노-그리드로서 작용한다는 것이다. 반대로, 전력 그리드가 업될 때, 본 발명은 수요 및 가격 구조에 기초하여 부하들을 관리하는 것에 의해 계시별 요금제(time-of-use pricing)를 이용할 수 있다.
일반적으로, 각각의 구내 전력 제어기는 복수의 사전 결정된 시나리오에 따라 구내 내의 전력 소비를 동적으로 관리하도록 프로그래밍된다. 이러한 전력 관리 시나리오는, 예를 들어, 전력 그리드가 업될 때의 "정상" 시나리오, 전력 그리드가 다운될 때의 "응급" 시나리오, 구내와 연관된 재생가능 전원에 대해 환경 조건들이 양호할 때의 " 재생가능 양호" 시나리오, 재생가능 전원에 대해 환경 조건이 양호하지 않을 때의 " 재생가능 양호하지 않은" 시나리오, 및 보조 서비스들(예를 들어, 피킹 전력 플랜트로서 수행하는 것)을 제공하는 것 등을 포함하는 독립 시스템 운영자 시장에 참여하고 있는 집성 내에서 구내가 기능해야 할 때의 "시장 거래" 시나리오를 포함할 수 있다.
지역 그리드 제어기 또는 다른 기관이 집성 서버에게 시장 참여자가 수요를 충족시킬 필요가 있다는 것을 시그널링할 때, 집성 서버는 집성 내의 구내 전력 제어기들에게 그들의 "시장 거래" 또는 유사한 전력 관리 시나리오들을 개시하도록 지시하기 위해 WAN을 사용한다. 이에 응답하여, 각각의 구내 전력 제어기는, 구내 소유자 또는 다른 기관에 의해 발행된 오버라이딩(overriding) 커맨드에 종속하여, 적절한 메시지들을 지능형 회로 차단기들에 무선으로 전송함으로써 개별 부하들을 동적으로 접속해제하도록 진행한다. 접속해제된 부하들은 집성이 시장 참여자로서 기능하고 있는 전체 시간 동안 접속해제된 채로 남아 있을 수 있거나, 대안으로서 인가된 오버라이드(overriding)에 의해 재접속될 수 있다. 집성 서버가 집성이 더 이상 시장 참여자로서 기능할 필요가 없다는 신호를 수신하면, 서버는 그 "정상" 전력 관리 시나리오들 또는 다른 적절한 시나리오를 재개하도록 그들에게 지시하는 메시지를 구내 전력 제어기에 대해 발행한다.
구내 전력 제어기는 또한 전력 관리-관련 이벤트들에 관한 통지들을 사용자들에 대해 발행할 수 있다. 예를 들어, 구내가 태양 패널들을 구비하고 구내 전력 제어기가 햇빛에 대한 기상 예보를 수신하는 경우, 사용자의 이메일 주소, 모바일 폰, 또는 다른 디바이스에 통지가 전송되어, 충전하기 위해 전기 차량을 플러그 인하거나, 보조 온수기를 턴온하거나, 또는 태양 패널들에 의해 생성될 것으로 예상되는 전력을 완전히 사용하도록 다른 액션을 취하도록 사용자에게 상기시킬 수 있다. 추가로, 비정상적으로 높은 에너지 비용, 또는 매우 낮게 예상되는 생산 기간들 동안, 통지들이 사용자들에게 발행되어, 창문들 및 문들이 폐쇄되거나, 조명 수요들이 감소되거나, 또는 다른 부하들이 최소화되는 것을 보장하는 것과 같이, 사용을 제한하기 위한 조치들을 취하도록 사용자들에게 상기시킬 수 있다.
이하의 본 발명 설명은 첨부 도면들을 참조한다:
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 전력 소비 구내들의 그룹이 집성되고 일반적으로 에너지 시장들에 참여하도록 관리되는 전력 그리드의 개략도이다;
도 2는 도 1에 도시된 클래스 1 구내에 대한 전력 제어 시스템의 개략도이다;
도 3은 도 1에 도시된 클래스 2 구내에 대한 전력 제어 시스템의 개략도이다;
도 4는 도 1에 도시된 클래스 3 구내에 대한 전력 제어 시스템의 개략도이다;
도 5는 도 2, 도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 구내 전력 제어기의 블록도이다;
도 6a는 2개의 15A/120VAC 회로에 대한 지능형 회로 차단기의 블록도이다;
도 6b는 2개의 조광기 회로를 포함하는 2개의 15A/120VAC 회로에 대한 지능형 회로 차단기의 블록도이다;
도 6c는 도 6b의 조광기 회로들에 의해 수행되는 타입의 사인파 조광을 예시하는 전압-시간 그래프이다;
도 6d는 컷 위상 조광을 나타내는 파형이다;
도 7a 및 도 7b는 조광기들을 갖는 지능형 회로 차단기들과 페어링되는 표준 회로 차단기들로 채워진 회로 차단기 패널을 예시한다;
도 7c는 회로 차단기 패널 내의 게이트키퍼 송수신기, 및 지능형 회로 차단기들과 연관된 무선 송수신기들과 게이트키퍼 송수신기를 상호접속시키는 무선 메쉬 네트워크를 도시하는 개략도이다;
도 7d는 지능형 회로 차단기들을 제어하기 위한 구내 전력 제어기에 대해 대안적으로 또는 추가적으로 사용될 수 있는 조명 제어 키패드들을 나타내는 개략도이다;
도 8은 전력 모니터링 능력을 포함하는 게이트키퍼 송수신기의 블록도이다;
도 9는 집성이 보조 서비스를 제공하고 있을 때 도 1에 도시된 집성 서버의 하이 레벨 동작을 나타내는 흐름도이다;
도 10은 도 2, 도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 구내 전력 제어기와 지능형 회로 차단기들 사이의 통신을 도시하는 흐름도이다;
도 11a-11h는 클래스 1, 2 및 3 구내 각각에 대해 구내 전력 제어기에 의해 수행되는 하이 레벨 제어 방법들을 나타내는 흐름도이다;
도 12a는 HVAC 부하를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다:
도 12b는 도 12a의 흐름도에서 다루어지는 기준 및 조건들의 예시적인 포인트들을 나타내는 전력 비용-온도 그래프이다;
도 13a는 조도조절가능(조명) 부하를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 13b는 도 13a의 흐름도에서 다루어지는 기준 및 조건들의 예시적인 포인트들을 나타내는 전력 비용-광 강도 그래프이다;
도 14는 역률 제어가능 부하를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 15는 비-조도조절가능 부하를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 16은 전환 부하(diversion load)를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 17a는 전기 차량 부하를 관리하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 17b는 전력 비용-전기 차량 배터리를 충전하기 위해 요구되는, 트립하기 위한 시간의 부분이다;
도 17c는 전력 비용-유휴 충전 레벨 그래프이다;
도 18a는 가상 에너지 가격을 계산하는 구내 전력 제어기에 대한 흐름도이다;
도 18b는 도 18a에서 참조된 예시적인 공급 비용 전달 함수를 도시하는 그래프이다; 및
도 19는 사용자 통지들의 예들을 나타내는 흐름도이다.
도 1은 독립 시스템 운영자(ISO) 또는 지역 송신 기구(RTO)와 연관된 지역 그리드 제어기(102)를 포함하는 전력 그리드(100)의 일부를 도시한다. 지역 그리드 제어기(102)는 유틸리티 스케일 간헐적 발전(풍력 터빈) 플랜트(106), 전통적인 기저 부하(핵) 플랜트(108), 전통적인 피킹(가스 터빈) 플랜트(110), 및 집성 서버(112) 각각과 양방향 통신 링크(104)를 갖는다. 집성 서버(112)는 광역 네트워크(WAN)(116)와의 양방향 통신(114)을 가지며, 이어서 이는 집성(118)의 일부인 각각의 구내와의 양방향 통신을 갖는다.
집성(118)을 형성하는 구내는 3개의 클래스 중 하나로 분류될 수 있다. 클래스 1의 구내는 임의의 태양 또는 다른 재생가능 전력 소스(총괄하여, "재생가능 소스")도 포함하지 않고 전력의 상당한 양을 저장할 수 있는 어떠한 배터리도 포함하지 않는 것들이지만, 전력 그리드(100)가 가용하지 않을 때 구내의 일부 또는 전부에 전력을 서빙할 수 있는 백업 발전기를 포함할 수 있다. 전력 그리드(100)가 가용할 때, 클래스 1 구내는 단지 정상적으로 전력 그리드(100)로부터 (단방향으로) 전력을 인출한다.
클래스 2 구내는 적어도 하나의 재생가능 소스 및 가능하게는 백업 발전기를 포함하지만, 상당한 용량의 배터리를 포함하지 않는 것들이다. 클래스 2 구내는 재생가능 소스가 구내의 요구를 충족시키기에 불충분하거나 오프라인일 때 전력 그리드(100)로부터 전력을 인출하지만, 잉여가 존재할 때 전력 그리드(100)에 전력을 전달할 수 있다. 따라서, 클래스 2 구내는 양방향 전력 흐름을 특징으로 한다.
클래스 3의 구내는 적어도 하나의 재생가능 소스뿐만 아니라 상당한 용량의 하나 이상의 배터리, 및 아마도 백업 발전기를 포함하는 것들이다. 클래스 2 구내와 같이, 클래스 3 구내는 환경 조건들, 구내 수요 및 다른 팩터에 따라 전력 그리드(100)로부터 전력을 인출하거나 전력 그리드(100)에 전력을 전달할 수 있다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 클래스 1, 2 및 3의 구내들의 혼합을 나타내는 집성(118)은 아마도 배터리 스토리지로부터의 생산과 조합하여, 감소된 전력 소비의 모델에 기초하여 에너지 시장 참여자로서 수행되는 단일 엔티티로서 관리될 수 있다.
도 2는, 예를 들어, 상당한 용량의 임의의 재생가능 소스 또는 배터리를 포함하지 않는 단일 가족 홈을 나타낼 수 있는 클래스 1 구내(200)를 나타내지만, 백업 발전기(228)를 포함할 수 있다. 개선된 명확성 및 일관성을 위해, WAN(116)과 같이 일찍이 도입된 요소는 달리 언급되지 않는 한 본 명세서 전체에 걸쳐 이전에 할당된 참조 번호를 유지할 것이다. 구내 전력 제어기(202)는 HVAC 상태 및 제어 모듈들(서모스탯)(204)과 같은 에너지 제어 모듈들, 지능형 회로 차단기들(222)로 채워진 회로 차단기 패널(206), 조광기들(226)을 포함하는 지능형 회로 차단기들로 채워진 서브-패널(208), 전기 차량(EV) 충전 제어기(210), 및 스마트 어플라이언스(212)와 무선 링크들(216)을 통해 통신한다. 부하 전도체들(220)은 개별 지능형 회로 차단기들(222)을 EV 충전 제어기(210), 스마트 어플라이언스(212), 전기 온수기(214), 및 다른 비조명 부하들(도시되지 않음)과 접속시킨다. 전도체들(224)은 패널(206)을 통해 조명(도시되지 않음)을, 서브패널(208) 내에 위치한 조광기들(226)을 갖는 개별 지능형 회로 차단기들에 접속시킨다.
무선 통신 링크들(216)은 블루투스®, Wi-Fi, 또는 다수의 다른 상업적 가용 무선 기술 중 임의의 기술로 구현될 수 있다. 이러한 무선 통신 링크들은 구내 전력 제어기(202)의 설치를 위해 요구되는 비용 및 시간을 크게 감소시킨다. 대안적으로, 특정 구내에서 사용되는 재료들 또는 설계가 무선 통신에 도움이 되지 않는 경우, 유선 통신 링크들(예를 들어, 이더넷)은 구내 전력 제어기(202)뿐만 아니라 도 2에 도시된 다른 디바이스들에 대한 적절한 인터페이스들의 추가에 의해 사용될 수 있다.
백업 발전기(228)는 전도체(230)에 의해 트랜스퍼 스위치(232)에 결합된다. 트랜스퍼 스위치(232)는 도전체(234)에 의해 회로 차단기 패널(206)에 결합된다. 트랜스퍼 스위치(232)는 또한 전도체(218)에 의해 유틸리티 기업 미터(도시되지 않음)에 결합된다. 전력 그리드(100)가 다운될 때, 트랜스퍼 스위치(232)는 도 2에 도시된 위치로 이동하며, 이는 백업 발전기(228)가 후술되는 바와 같이 구내 전력 제어기(202)에 의해 관리되는 임계 부하들에 전력을 공급할 수 있게 한다. 여기서 다시, 비-임계 부하들은 전력 그리드(100)가 다운으로 유지되는 동안 구내 전력 제어기(202)의 지시 하에 유리하게 접속해제될 수 있다.
일반적으로, 구내 전력 제어기(202)는 구내(200)에서 전력 소비를 관리하는 것을 담당한다. 다른 특징들 및 능력들 중에서, 구내 전력 제어기(202)는 개별 부하들을 접속해제시키기 위해 개별 지능형 회로 차단기들(222, 226)을 동적으로 작동시키는 것을 담당하고, 그에 의해 구내(200)의 전력 소비를 감소시키고 에너지 시장 참여자로서 수행하고 있는 집성에 기여한다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 리던던시, 부하 공유 등을 목적으로 주어진 구내에 둘 이상의 구내 전력 제어기(202)가 존재할 수 있다.
도 3은, 예를 들어, 태양 패널 어레이(재생가능 소스)(302) 및 인버터(304), 및 백업 발전기(228)를 포함하는 단일 가족 홈을 나타낼 수 있는 클래스 2 구내(300)를 도시하지만, 상당한 용량의 배터리를 포함하지 않는다. 인버터(304)는 도전체(306)에 의해 회로 차단기 패널(206)에 결합된다. DC를 AC로 변환하는 것에 더하여, 인버터(304)는 전력 그리드(100)(도 1)가 다운되고 백업 발전기(228)가 활성일 때 재생가능 소스(302)를 격리하도록 기능하는 내부 디스커넥트(disconnect)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 인버터(304)와 회로 차단기 패널(206) 사이에 별개의 디스커넥트(도시되지 않음)가 제공될 수 있다.
모든 다른 요소는 2개의 주목할만한 예외를 갖는 도 2에 도시된 것들과 실질적으로 유사하다. 첫째, 재생가능 소스(302)의 존재를 고려하면, 구내(300)는 양호한 환경 조건 하에서 그것이 소비하는 것보다 더 많은 전력을 생성할 수 있으며, 이 경우 초과 전력은 유틸리티 기업 미터(도시되지 않음)를 통해 전력 그리드(100)에 전달될 수 있다. 둘째, 구내 전력 제어기(202)의 프로그래밍은, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 재생가능 소스(302) 및 인버터(304)를 고려해야 한다.
도 4는 재생가능 소스(302)가 스토리지 배터리/충전 제어기(402), EV 자동차 배터리/독립형 배터리(403), 및 태양/배터리 인버터(404)와 함께 존재하는 클래스 3 구내(400)를 도시한다. 스토리지 배터리/충전 제어기(402)는 자동차 배터리/독립형 배터리(403)에 결합되어 충전되고, 이어서 이는 인버터(404)에 결합된다. 인버터(404)는 재생가능 소스(302) 또는 자동차 배터리/독립형 배터리(403)에 의해 출력되는 DC를, 전도체(406)에 의해 패널(206)에 공급되는 AC로 변환하는 기능을 한다.
트랜스퍼 스위치(232)는 전력 그리드(100)가 다운될 때 전력 그리드(100)(도 1)로부터 패널(206)을 접속해제하도록 동작하고, 이는 재생가능 소스(302), 스토리지 배터리 충전 제어기(402), 및 인버터(404)(또는, 대안적으로, 백업 발전기(228))가 전도체들(408)에 의해 특정 지능형 회로 차단기들(222)에 접속된 임계 부하들에 전력을 공급하는 것을 가능하게 한다. 반대로, 전력 그리드(100)가 다운되는 동안 전력을 보존하기 위해, EV 충전 제어기(210), 스마트 어플라이언스(212), 및 전기 온수기(214)와 같은 비-임계 부하들은 구내 전력 제어기(202)로부터 수신된 하나 이상의 메시지에 응답하여 그들 각각의 지능형 회로 차단기들(222)을 작동시킴으로써 접속해제될 수 있다.
또한, 출력이 역률 제어(412)가 있는 DC-AC 인버터에 결합되는 AC-DC 컨버터(410)가 도시되어 있으며, 이어서 이는 조도조절가능 부하들(414)에 결합된다. AC-DC 컨버터(410) 및 역률 제어(412)가 있는 DC-AC 인버터는 무선 통신 링크들(216)을 통해 구내 전력 제어기(202)와 통신한다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 변환기(410)는, 인버터(412)와 조합하여, 조도조절가능 부하들(414)에 의해 흡수되는 실제 전력의 양을 감소시키기 위해 역률을 유리하게 변경하기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 구내 전력 제어기(202)의 블록도이다. 상품 임베디드 시스템에 기초할 수 있는 제어기 보드(500)는 더블 데이터 레이트 메모리 1GB(502), 플래시 메모리 32GB(504), 프로세서(505), 및 16GB microSDHC 카드(506)를 포함한다. 리셋 버튼(508)은 GPIO 인터페이스(509)에 결합된다. 제어기 보드(500)는 또한 USB/미니 USB 인터페이스(510), 이더넷 인터페이스(512), I2C 인터페이스(514), 1-와이어 인터페이스(532), Wi-Fi 모듈(524)에 결합된 SPI 인터페이스(516), 4개의 UART 인터페이스(518)(그 중 하나가 블루투스® 모듈(522)에 결합됨), 및 LCD TFT 터치스크린(526)에 결합된 RGB 인터페이스(520)를 포함한다. 3차원 추적 및 제스처 제어기(528)는 터치스크린(526) 및 투사된 용량성 터치 제어기(530)에 결합되고, 이어서 이는 I2C 인터페이스(514)에 결합된다.
도 2, 도 3 및 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 구내 전력 제어기(202)는 Wi-Fi 모듈(524) 또는 블루투스® 모듈(522)을 이용하여 주어진 구내 내의 지능형 회로 차단기들(222) 및 다른 디바이스들과 무선으로 통신할 수 있다. 터치스크린(526)은 사용자가 구내 전력 제어기(202)를 구성 및 동작시킬 수 있게 하기 위해 아이콘들, 버튼들, 제어들, 메시지들, 상태 정보, 메뉴들 또는 다른 원하는 사용자 인터페이스 요소들(도시되지 않음)을 스크린 상에 디스플레이하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 터치스크린(526)은 전력 관리 시나리오를 생성, 수정, 또는 선택하고; 스케줄을 생성, 수정, 또는 선택하고; 다양한 시스템 컴포넌트들에 관한 상태 정보를 획득하고; 개별 지능형 회로 차단기들을 접속 또는 접속해제하고; 구내 전력 제어기(202)의 현재 동작을 오버라이드 또는 디스에이블하고; 다른 방식으로 구내 전력 제어기(202)를 구성, 수정, 및 동작시키기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 사용자는 적절한 애플리케이션 및 무선 네트워크 접속성을 포함하는 스마트폰, 태블릿, 또는 다른 디바이스를 이용하여 구내 전력 제어기(202)를 무선으로 동작시킬 수 있다. 또한, 구내 전력 제어기(202)는 홈 자동화 시스템에 의해 제어되고 이와 통합될 수 있다.
도 6a는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 지능형 회로 차단기(222)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 지능형 회로 차단기(222)는 2개의 15A/120VAC 회로를 지원한다. 온보드 블루투스® 송수신기를 갖는 프로세서는 차단기 제어기(600)의 역할을 한다. 차단기 제어기(600)는 Rigado BMD-200 모듈 또는 유사한 상업적 가용 컴포넌트로 구현될 수 있다. 차단기 제어기(600)는 시리얼 와이어 디버그(SWD) 커넥터(626), 4D 디버그 커넥터(628), GPIO 익스팬더(610), 임베디드 그래픽 제어기(604), 및 전력 측정 디지털 신호 프로세서(DSP)(608)에 결합된다. 전력 측정 DSP(608)는 또한 전압 감지 라인들(638) 및 전류 감지 라인들(640)에 결합된다.
LCD(602) 및 16GB microSD 카드는 임베디드 그래픽 제어기(604)에 결합된다. 한 쌍의 계전기(630)가 한 쌍의 스크류 터미널(620)과 한 쌍의 홀 효과 센서(618) 사이에 각각 결합되어 있다. 한 쌍의 스크류 터미널(620) 각각은, 수동으로 작동될 수 있는 아크 결함 차단기와 같은, 종래의 15A/120VAC 회로 차단기(도시되지 않음)로의 접속 지점으로서 역할을 한다. 대안적으로, 계전기들은 적절한 안전성을 제공하면서 종래의 회로 차단기의 필요성을 제거하기 위해 작동된 기계적 스위치로서 구현될 수 있다. 한 쌍의 스크류 터미널(622) 각각은 원하는 부하(도시되지 않음)로의 접속 지점으로서 역할을 한다. AC-DC 전원(624)은 지능형 회로 차단기(226)에 전력공급하기 위해 +12VDC 및 +3.3VDC를 출력한다. 감지된 전압 및 전류가 0에 가까울 때 펄스들을 출력하기 위해 전력 측정 DSP(608)를 사용하는 것에 대한 대안으로서, 차단기 제어기(600)에 결합되는 직사각형파 출력 신호를 생성하기 위해 제로 크로스 검출 회로(628)가 사용될 수 있다.
차단기 제어기(600)는, 그 온보드 블루투스® 접속성을 이용하여, 모든 차단기 제어기 중에서 무선 메쉬 네트워크를 확립하기 위해 다른 차단기 제어기들과 통신한다. 메쉬 네트워크의 존재는 유리하게는, 차단기 패널 또는 대안적으로, 지정된 게이트키퍼 송수신기 내의 단일 차단기 제어기가, 구내 전력 제어기(도 2)와의 통신을 수행하고, 이러한 통신을 모든 다른 차단기 제어기에 전파하는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 무선 메쉬 네트워크는 지그비(Zigbee), Z-웨이브 또는 다른 적절한 기술들을 이용하여 확립될 수 있다.
LCD(602)는 다양한 정보(예를 들어, 회로 차단기의 현재 상태, 회로 차단기의 구성, 순시 전력 소비, 회로 차단기의 식별자, 예컨대 구역, 및 진단 코드들)를 디스플레이하기 위해 사용될 수 있다. MicroSD 카드(606)는 이러한 데이터가 구내 전력 제어기(202)로 포워딩되거나 오래된 채로 폐기될 때의 스케줄링된 시간까지 전력 소비 데이터 및 다른 관심 데이터를 저장하기 위해 사용될 수 있다.
전력 측정 DSP(608)는 다른 값들 중에서, 스크류 단자들(622)에 접속된 각각의 부하에 대해 개별적으로 순시 전력 소비뿐만 아니라 특정 시간 기간에 걸친 평균 전력 소비 및 피크 전력 소비를 계산할 수 있다. 전력 측정 DSP(608)는 전류와 전압이 0에 가까울 때 (차단기 제어기(600)에 결합되는 전용 핀들 ZX0, ZX1 상의) 펄스들을 출력하도록 또한 구성될 수 있다.
전류 및 전압의 제로 크로싱들이 발생하고 있는 것을 아는 것에 의해, 차단기 제어기(600)는 제로 크로싱의 발생과 동시에 계전기들(630)이 단지 스위칭되는 것(즉, 지능형 회로 차단기(222)가 개방되거나 폐쇄됨)을 보장한다. 이것은 유리하게 아킹(arcing)을 감소시키고, 계전기들(630)의 서비스 수명들을 연장하는 경향이 있다.
단일 30A/220VAC 회로에 적합한 지능형 회로 차단기는, 차단기 제어기(600)에 대한 Rigado BMD-300 모듈을 대체하는 것을 제외하고는, 도 6a에 도시된 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수 있다.
도 6b는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기의 블록도이다. 대부분의 컴포넌트들은 도 6a에 도시된 것들과 동일하다. 그러나, 계전기(630) 대신에, 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기는 GPIO 익스팬더(610)와, 그들 각각의 제어들(634)과 함께 조광기들로서 기능하는 GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility) 트랜지스터들(636)의 2쌍 사이에 결합되는 격리 회로(632)를 포함한다. 트랜지스터들(636)의 각각의 쌍은 홀 효과 센서들(618) 중 하나뿐만 아니라 전력 측정 DSP(608)에 결합된다. 종래의 조광기들은 실리콘-기반 전계 효과 트랜지스터(FET)들 또는 TRIAC들을 이용하며, 이들 모두는 GaN HEMT 컴포넌트들보다 더 높은 온 저항(Ron)을 갖는다. 따라서, 종래의 조광기들은 주어진 전류의 양에 대해 더 많은 열을 소산시켜야 하며, 이는 엄격하게 패킹된 컴포넌트들을 갖는 회로 차단기 패널에서 문제가 되고 잠재적으로 위험하다. 열을 효과적으로 소산시키기 위해, 종래의 조광기들은 종래의 차단기 패널들에서 전혀 맞지 않거나 또는 잘 맞지 않는 큰 히트 싱크들을 요구한다. 조광기들에 대한 GaN HEMT 컴포넌트들을 사용함으로써, 부피가 큰 히트 싱크들에 대한 필요성 없이 열 소산의 상당한 감소가 유리하게 달성되며, 그에 의해 더 많은 회로들이 주어진 영역에 안전하게 패킹될 수 있게 한다.
조광 기능은 도 6d에 예시된 바와 같이, 전통적인 컷 위상 조광 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 컷 위상 조광 기술을 이용하면, 차단기 제어기(600)는 120Hz 주파수에서 GaN HEMT 트랜지스터들(636)을 스위칭 온 및 오프할 수 있어야 한다. 순방향 및 역방향 컷-위상 조광은 라인 파형의 적절한 선단 또는 후단 에지 근처에서 트랜지스터들을 스위칭함으로써 구현될 수 있다. 대안적으로, 때때로 사인파 조광이라고 지칭하는 펄스 폭 변조 조광 기술이 도 6c에 예시된 바와 같이 사용될 수 있다. 사인파 조광 기술을 이용하면, GaN HEMT 트랜지스터들(636)은 컷 위상 조광에 비해 훨씬 더 높은 주파수(예를 들어, 대략 100kHZ 또는 그 이상)에서 스위칭되어야 하고, 출력된 사인파로부터 더 높은 주파수를 제거하기 위해 저역 통과 필터를 이용하고 라인 주파수가 거의 감쇠 없이 통과할 수 있게 한다. 차단기 제어기(600)가 충분한 속도로 트랜지스터들(636)에 시그널링할 수 있는 것을 보장하기 위해, GPIO 익스팬더(610)를 바이패스하고 차단기 제어기(600)(의 GPIO)를 격리 회로(632)에 직접 접속시킬 필요가 있을 수 있다. 또 다른 대안은 아날로그 또는 디지털 입력 신호를 펄스폭 변조 출력 신호로 변환하는, 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor) FL77944MX와 같은 펄스 와이드 변조 드라이버일 것이다.
이제 도 7a 및 도 7b로 되돌아가면, 회로 차단기 패널(700)은 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기들로 채워지며, 이들 각각은 한 쌍의 도전체(704)에 의해 각각 한 쌍의 20A 표준(즉, 종래의) 회로 차단기들(702), 및 부하들(1 및 2)(도시되지 않음)에 접속된다. 대안적으로, 지능형 회로 차단기들은 종래의 회로 차단기들(702)의 사용을 제거하는 회로 차단기 패널(700)의 버스 바로서 구현되는 한 쌍의 전도체에 접속될 수 있다. 표준 회로 차단기들(702)의 각각의 쌍은 그것이 접속되는 조광기(226)를 갖는 지능형 회로 차단기에 인접하여 위에 장착된다. 디스플레이(602)는 조광기(226)를 갖는 각각의 지능형 회로 차단기의 전면에 장착된다. 조광기(226)를 갖는 각각의 지능형 회로 차단기 내의 차단기 제어기(600)는 구내 제어기(202)와 무선 링크(216)를 통해 직접 통신할 수 있거나, 대안적으로 메쉬 네트워크를 통해 간접적으로 통신할 수 있다.
도 7c는 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기로 채워진 회로 차단기 패널(706)을 도시한다. 개선된 명료화를 위해, 보통은 지능형 회로 차단기들 사이의 공간들을 226으로 채울 표준 회로 차단기들이 생략된다. 메인 차단기(718)는 통상적으로 회로 차단기 패널(706)의 상부 또는 하부 근처에 위치한다. 메인 차단기(718)는 회로 차단기 패널(706)의 상부 에지에 위치하는 개구(708)를 통과하는 메인 전도체들(218)을 갖는 조광기들(226)과 지능형 회로 차단기들 및 표준 회로 차단기들(도시되지 않음) 모두를 접속/접속해제하도록 기능한다. 메인 전도체들(218)은 유틸리티 전력 미터(도시되지 않음)와 접속한다. 무선 메쉬 네트워크(714)는 조광기들(226) 및 안테나(716)에 결합된 게이트키퍼 송수신기(712)를 갖는 지능형 회로 차단기들 모두 사이에서 확립된다.
전형적으로 (금속) 회로 차단기 패널(706)에 의해 야기되는 무선 통신과의 간섭으로 인해, 게이트키퍼 송수신기(712)는 무선 통신 링크(216)를 통해 구내 전력 제어기(202)(도 2)와 통신하기 위한 독점적 책임을 할당받을 수 있다. 회로 차단기 패널로부터 돌출되는 안테나(716)는, 개구(708)에 근접하여 게이트키퍼 송수신기(712)를 위치지정하는 것처럼 간섭을 극복하는 것을 돕는다. 또한, 특정 환경이 과도한 간섭을 생성하는 경우, 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기들에 영향을 주지 않고 게이트키퍼 송수신기(712)에 대해 대안적인 통신 기술이 선택될 수 있다. 예를 들어, 게이트키퍼 송수신기(712)는 메쉬 네트워크(714)에 참여하기 위해 블루투스 접속성을 구비할 수 있지만, 무선 주파수(RF) 송수신기, 광 송수신기, 적외선(IR) 송수신기, 또는 구내 전력 제어기(202)와 통신하기 위한 격리된 와이어 링크를 또한 구비할 수 있다.
게이트키퍼 송수신기(712)는 또한 메인 도전체들(218)에서 총 전력 소비(또는 잉여)를 측정하기 위한 전력 모니터링 기능을 포함할 수 있다. 변류기(710)는 각각의 메인 전도체(218) 및 게이트키퍼 송수신기(712)에 결합된다. 도 8에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 게이트키퍼 송수신기(712)는 지능형 회로 차단기(222)(도 6a)와 동일한 컴포넌트들 중 다수를 포함할 수 있다. 또한, 블루투스® 저에너지 모듈(800)은 메쉬 네트워크(714)에 참여하는 기능뿐만 아니라 구내 전력 제어기(202)와 통신하는 기능을 제공한다. 전력 측정 DSP(608)는 변류기들(710)(전류 감지 라인)뿐만 아니라 전원(624)(전압 감지 라인들)에 결합되어서, 메인 전도체들(218)에서의 총 전력 소비(또는 잉여)의 계산을 가능하게 한다.
도 7d는 지능형 회로 차단기들(222) 또는 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기들을 통해 사용자 지향 기능들을 수행하기 위해 구내 전력 제어기(202)에 부가하여 또는 대안으로서 조명 제어 키 패드들이 사용될 수 있는 구내를 나타낸다. 다수의 벤더로부터 상업적으로 가용한 무선 조명 제어 키패드들(722)은 램프들(724) 또는 다른 조명(도시되지 않음)을 제어하기 위해 구내 내의 다양한 장소들에 위치될 수 있다. 램프들(724)은 전도체들(728)에 의해 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기들에 각각 접속된다.
일반적으로, 각각의 무선 조명 제어 키패드(722)는 통상적으로 본 명세서에 설명된 바와 같은 구내 전력 제어기(202)에 의해 실행되는 동일 소프트웨어의 일부 또는 전부를 실행할 수 있는 프로세서, 마이크로제어기 등을 포함한다. 또한, 각각의 무선 조명 제어 키패드(722)는 통상적으로 Wi-Fi 또는 블루투스®와 같은 무선 네트워크 접속성을 포함한다. 이러한 네트워크 접속성을 이용하여, 키패드들(722)은 지능형 회로 차단기들(222) 또는 조광기들(226)을 갖는 지능형 회로 차단기들과 무선 통신 링크들(730)을 확립할 수 있다. 따라서, 무선 조명 제어 키패드들(722) 중 임의의 것은 램프들(724)(또는 다른 조명 부하들)을 턴온 또는 턴오프할 뿐만 아니라 그러한 램프들을 조광하는 구내 전력 제어기(202)에 대한 대안으로서, 또는 이와 함께 사용될 수 있다.
도 9는 집성 서버(112)(도 1)의 하이 레벨 동작들을 도시한다. 단계 900에서, 집성 서버(112)는 전력을 공급하기 위해 영역 그리드 제어기 ISO/RTO(102)로부터 메시지를 수신한다. 다음으로, 단계 902에서, 집성 서버(112)는 집성 내의 각각의 구내와 연관된 구내 전력 제어기(202)와 통신함으로써 집성(118) 내에서 얼마나 많은 부하 감소 및 배터리 스토리지가 가용한지를 결정하도록 진행한다. 단계 902 동안 수집된 정보에 기초하여, 집성 서버(112)는 단계 904에서 구내, 부하 사양들, 및 지리적 위치들(예를 들어, 특정 구내의 프로파일)의 클래스에 기초하여 특정 구내 및 부하들을 우선순위화하도록 진행한다.
다음으로, 단계 906에서, 집성 서버(112)는 집성(118) 내의 각각의 구내 전력 제어기(202)에 메시지를 송신하여 그의 "시장 거래" 전력 관리 시나리오를 실행한다. 일반적으로, 주어진 구내 전력 제어기(202)가 그의 "시장 거래" 시나리오를 실행할 때, 이것은 (연관된 지능형 회로 차단기들을 작동시키는 것에 의해) 구내에서의 특정 부하들이 "쉐딩(shed)"되거나 접속해제되게 할 것이고, 상당한 스토리지 용량을 갖는 배터리들을 포함하는 클래스 3 구내에 대해, 전력 그리드에 대해 전력을 공급하기 위한 그러한 배터리들의 접속을 또한 야기할 수 있다. 다음으로, 단계 908에서, 집성 서버(112)는 수요 응답 감소 곡선을 구현하기 위해 ISO 시장 규칙을 따른다.
도 10은 구내 전력 제어기(202)(도 5)와 지능형 회로 차단기들(222)(도 6a) 또는 조광기(226)(도 6b)를 갖는 지능형 회로 차단기들 사이의 예시적인 통신들을 도시한다. 단계 1000에서, 각각의 지능형 회로 차단기(222 및 226)는 리셋 오프 상태에 있고, 이어서 단계 1002에서 각각의 그러한 지능형 회로 차단기의 초기화가 이어진다. 단계 1004에서, 각각의 초기화된 지능형 회로 차단기(222 및 226)는 구내 전력 제어기(202)로부터의 질의를 대기한다. 질의가 (예를 들어, 무선 링크(216)를 통해) 수신될 때, 질의에 포함된 어드레스와 질의를 수신한 지능형 회로 차단기(222, 226)와 연관된 어드레스 사이에 비교가 이루어진다. 어드레스들이 일치하지 않는 경우, 지능형 회로 차단기(222, 226)는 계속해서 단계 1004에서 다른 질의를 대기한다. 어드레스들이 일치하는 경우, 단계 1008에서, 질의가 제어 커맨드를 포함하는지에 대한 결정이 이루어진다. 그러한 경우, 지능형 회로 차단기(222, 226)는 수신된 제어 커맨드와 일치하도록 그의 계전기들(630)(도 6a) 또는 조광기들(634, 636)(도 6b)을 설정하고, 단계 1012에서 구내 전력 제어기(202)에 확인응답을 전송한다. 동작 동안, 지능형 회로 차단기는 미리 결정된 간격들로 부하의 순시 전력 소비를 구내 전력 제어기로 송신한다.
대안적으로, 단계 1008에서, 결정이 제어 커맨드가 수신되지 않았다는 것을 표시하면, 지능형 회로 차단기(222, 226)는 단계 1014에서 그의 전력 판독 상태를 체크한다. 단계 1016에서 결정된 바와 같이, 그 상태가 최종 알려진 상태에 비해 변경되었다면, 지능형 회로 차단기(222, 226)는 그의 전력 판독을 구내 전력 제어기(1018)에 전송하고, 후속하여 단계 1020에서 구내 전력 제어기로부터의 확인응답을 대기한다. 단계 1016에서, 전력 판독 상태의 변경이 발견되지 않은 경우, 단계 1022에서, 지능형 회로 차단기(222, 226)는 구내 전력 제어기(1022)에 변경 없음의 표시를 전송하고, 후속하여 단계 1024에서 구내 전력 제어기로부터의 확인응답을 대기한다.
도 11a-11h는 클래스 1, 2 및 3 구내 각각에 대해 구내 전력 제어기(202)에 의해 수행되는 하이 레벨 제어 방법들을 나타낸다. 방법들은 단계 1100에서 시작하고, 이어서 구내 전력 제어기(202)가 구내에서 다른 제어기(202)를 검색하는 것(예를 들어, 무선 발견 서비스를 사용함)을 시작하는 단계 1101가 이어진다. 단계 1103에서의 지연이 이어진다. 다음으로, 단계 1105에서, 방송 구내 전력 제어기가 발견되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1107로 진행하고, 여기서, 현재 유일한 구내 전력 제어기(202)가 방송을 시작한다. 구내 전력 제어기(202)가 위치하는 구내(시스템)가 클래스 1 구내인지를 결정하는 제1 결정 단계 1102가 이어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1104로 진행하고 도 11b로 진행한다. 그렇지 않다면, 결정 단계 1106은 구내가 클래스 2 구내인지를 결정하고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1108(도 11c)로 진행한다. 그렇지 않다면, 결정 단계 1110은 구내가 클래스 3 구내인지를 결정하고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1112(도 11d)로 진행한다.
단계 1110에서, 구내가 클래스 3개의 구내가 아니라는 결정이 이루어지면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)의 질의가 현재 가상 에너지 가격에 대해 행해지는 단계 1109로 진행한다. "가상 에너지 가격"이라는 용어는 본 명세서에서 에너지의 상대적인 부족 또는 풍부함에 대한 프록시로서 역할을 하는 값을 지칭하기 위해 사용된다. 주어진 구내 내의 부하 또는 소스에 관련된 각각의 액션은 가상 에너지 가격에 대한 임계값 또는 스케일링 팩터와 연관된다. 가장 간단한 공식화에서, 가상 에너지 가격에 기초한 시스템은 이산적 및 매끄러운 전이들 둘 다 가능한(즉, 전력 소비 또는 생성을 매끄럽게 전이 및 이산적으로 전이할 수 있는) 부하 또는 소스들의 우선순위 리스트뿐만 아니라 시간적 사용(예를 들어, 최신 사용)에 기초한 부하들의 선택을 구현할 수 있다. 더 정교한 구현에서, 이러한 시스템은 에너지 시장의 전체 다이나미즘(full dynamism)을 모델링할 수 있다.
공공 에너지 시장에서 통상적인 것과 동일한 단위들 및 자릿수를 갖는 수량을 선택함으로써, 사용자가 그 자신의 우선순위들을 한 번 지정하고 실제 달러들 면에서 지정할 수 있다. 구내가 에너지에 대한 시장 요금을 지불하고, 전력 그리드가 가용하고, 시장 요금이 집성 서버(112)에 의해 제공되는 경우에, 이것은 특히 사용자에게 의미가 있을 것이다. 다른 경우들에서, 가상 에너지 가격은 시스템 자원들의 효과적인 관리에 필요한 액션들을 수행하도록 계산될 것이고, 공공 시장에서의 에너지 비용들에 대해 어떠한 관계도 갖지 않을 것이다.
가상 에너지 가격을 계산하는 것에 대한 대안으로서, 룩업 테이블 또는 다른 데이터 구조에 액세스하여 본 명세서에 설명된 목적들에 적합한 기준 또는 프록시인 값을 획득하는 상태 머신이 구현될 수 있다.
다음으로, 단계 1111에서, 가상 에너지 가격이 통지 임계값 위인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1102로 루프한다. 그렇다면, 사용자 통지가 전송되어야 한다는 것을 의미하고, 제어 흐름은 단계 1113(도 18)로 진행한다.
다시 단계 1105를 참조하면, (제2) 방송 구내 전력 제어기(202)가 발견되었다면, 제어 흐름은 단계 1115로 진행하고, 여기서 이 단계를 수행하는 (종속) 구내 전력 제어기(202)와 발견된(마스터) 구내 전력 제어기(202) 사이에서 무선 통신이 확립된다. 다음으로, 단계 1117에서, 종속 구내 전력 제어기(202)는 그것에 부착된 임의의 센서들로부터 측정들을 취한다. 단계 1119에서, 종속 구내 전력 제어기(202)에 의해 사용자 입력을 수집하는 것이 이어진다. 다음으로, 단계 1121에서, 종속 구내 전력 제어기(202)는 그의 센서 측정들 및 사용자 액션들을 마스터 구내 전력 제어기(202)에 송신하려고 시도한다.
단계 1123에서, 마스터 구내 전력 제어기로의 시도된 송신이 실패했는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1101로 루프한다. 그렇지 않다면(송신이 성공적이었다는 것을 의미함), 제어 흐름은 종속 구내 전력 제어기(202)가 마스터 구내 전력 제어기(202)로부터 시스템 상태 및 펜딩(pending) 커맨드들을 판독하려고 시도하는 단계 1125로 진행한다. 다음으로, 단계 1127에서, 시도된 판독이 실패했는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1101로 루프한다. 그렇지 않다면(판독이 성공적이었다는 것을 의미함), 제어 흐름은 종속 구내 전력 제어기(202)가 이전에 판독된 시스템 상태에 따라 그의 사용자 인터페이스를 업데이트하고, 새로운 커맨드들을 실행하는 단계 1129로 진행한다. 단계 1121에서 송신이 실패했거나, 또는 단계 1125에서 수신이 실패했던 경우, 마스터 구내 전력 제어기(202)가 제거되거나, 전력차단되거나, 전력장애인 것으로 가정하고, 새로운 제어기에 대한 선택이 단계 1101에서 수행된다. 이러한 방식으로, 다수의 중복 구내 전력 제어기들(202)이 주어진 구내 내에서 동작될 수 있다.
이제 도 11c(클래스 1 구내)를 참조하면, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1114에서 공공 전력 그리드(100)(도 1)가 가용한지를 결정한다. 그렇지 않다면, 단계 1126에서 (백업) 발전기(228)(도 2)가 가용한지가 결정된다. 어떠한 발전기도 가용하지 않으면, 제어 흐름은 도 11a로 리턴한다. 백업 발전기(228)가 가용하다면, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1128에서 백업 발전기가 온인지를 결정한다. 그렇지 않다면, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1130에서 발전기를 턴온하고, 그 후에 제어 흐름은 도 11a로 리턴한다. 단계 1128에서, 구내 전력 제어기(202)가 발전기가 온이라고 결정하면, 제어 흐름은 단계 1132(도 17a)로 진행하여 가상 에너지 가격을 확립하고, 이어서 단계 1124(도 11h)로 진행한다.
단계 1114에서, 구내 전력 제어기(202)가 공공 전력 그리드(100)가 가용한 것으로 결정하면, 제어 흐름은 단계 1116에서 에너지 가격 데이터가 가용한지에 대한 결정으로 진행한다. 에너지 가격 데이터는 WAN(116)을 통해 집성 서버(112) 또는 다른 외부 소스에 의해 구내 전력 제어기(202)에 공급될 수 있다. 에너지 가격 데이터가 가용한 경우, 제어 흐름은 단계 1124(도 11h)로 진행한다. 에너지 가격 데이터가 가용하지 않은 경우, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 집성(118)이 에너지 시장에서 참여자로서 동작하도록 준비하거나 동작하고 있다는, 집성 서버(112)로부터의 명시적 커맨드(메시지)를 수신하였는지를 결정하기 위해 단계 1118로 진행한다. 이러한 커맨드는 구내 전력 제어(202)가 집성(118)이 에너지 시장 참여자의 규정 요건들을 충족하기 위해 구내에서의 부하들을 감소시킬 준비를 해야 한다는 것을 의미한다. 이러한 커맨드가 수신되었다고 가정하면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 구내 전력 소비를 시뮬레이션하여 시장 참여자로서 수행하는 집성(118)의 요건들을 충족시킬 가상 에너지 가격을 찾는 단계 1120으로 진행한다.
결정 단계 1118에서, 집성 서버(112)로부터 명시적 커맨드가 수신되지 않았다면(집성(118)이 현재 시장 참여자로서 수행할 필요가 없다는 것을 의미함), 제어 흐름은 가상 에너지 가격이 디폴트 값으로 설정되는 단계 1122로 진행하고, 이어서 단계 1124(도 11h)로 진행한다.
이제 도 11c(적어도 하나의 재생가능 소스 및 백업 발전기를 포함하지만, 상당한 용량의 배터리를 포함하지 않는 클래스 2 구내)로 되돌아가면, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1133에서 공공 전력 그리드(100)(도 1)가 가용한지를 결정한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1134로 진행하고, 여기서 단독운전 인버터/생산이 가용한지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11a로 리턴한다. 그렇다면, 단계 1132에서, 제어 흐름은 가상 에너지 가격을 계산하기 위해 진행한다(도 17a). 다음으로, 단계 1138에서, 구내 전력 제어기(202)는 계산된 가상 에너지 가격을 미리 결정된 백업 발전기 온 임계값과 비교한다. 계산된 가상 에너지 가격이 백업 발전기 온 임계값보다 크면(백업 발전기를 실행하는 것이 경제적이라는 것을 의미함), 흐름 제어는 단계 1140에서 발전기 최소 오프 시간이 경과했는지를 결정한다. 그러한 경우, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1142에서 (비-재생가능 소스) 백업 발전기를 턴온하고, 이어서 제어 흐름은 단계 1124(도 11h)로 진행한다.
단계 1138에서, 계산된 가상 에너지 가격이 백업 발전기 온 임계값보다 작거나 같거나, 단계 1140에서 백업 발전기의 최소 오프 시간이 아직 경과하지 않은 경우, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 계산된 가상 에너지 가격이 발전기 오프 임계값보다 작은지를 결정하는 단계 1144로 진행한다. 백업 발전기 온 및 오프 임계값들은 백업 발전기가 사이클 온 및 사이클 오프하고 있는 조건을 회피하고 히스테리시스(hysteresis)를 추가하기 위해 상이하다는 점에 유의해야 한다. 계산된 가상 에너지 가격이 발전기 오프 임계값보다 작은 경우, 구내 전력 제어기(202)는 그 다음에 단계 1146에서 발전기 최소 온 시간이 경과했는지를 결정하고, 만약 그렇다면, 단계 1148에서 발전기를 턴오프하도록 진행한다. 단계 1144에서, 계산된 가상 에너지 가격이 발전기 오프 임계값보다 작지 않은 경우(즉, 그것들이 히스테리시스 대역 내에서 동일함), 또는 단계 1146에서, 발전기 최소 온 시간이 아직 경과하지 않은 경우, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다.
다시 단계 1133을 참조하면, 공공 전력 그리드(100)가 가용하다면, 제어 흐름은 단계 1150으로 진행하고, 여기서 구내를 서빙하는 유틸리티 기업이 전력의 순생산에 대해 지불하는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 현재 일자의 온-구내 전력 생산의 예측을 행하는 단계 1152로 진행하고, 이어서 가상 에너지 가격이 유틸리티 기업에 의해 과금되는 요금으로 설정되는 단계 1154가 이어진다.
다음으로, 단계 1156에서, 구내 전력 제어기(202)는 가상 에너지 가격 및 예측을 이용하여 구내 전력 소비를 시뮬레이션한다. 시뮬레이션에 기초하여, 다음 24 시간 동안 전력의 순생산이 예상되지 않는 경우(즉, 모든 온-구내 전력 생산이 소비될 것임), 제어 흐름은 단계 1124(도 11h)로 진행한다. 대안적으로, 단계 1158에서, 다음 24 시간 동안 전력 순생산이 예상되는 경우, 단계 1160에서 가상 에너지 가격이 감소된다(즉, 구내에 대해 전력 잉여가 예상되기 때문에 가상 에너지 가격이 감소됨). 단계 1162에서 (감소된) 가상 에너지 가격이 최소인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계들 1156, 1158, 1160 및 1162를 통해 반복적으로 루프하여 가상 에너지 가격을 그것이 최소에 도달할 때까지 반복적으로 감소시켜서, 제어 흐름이 단계 1124로 진행할 수 있게 한다.
다시 단계 1150을 참조하면, 구내를 서빙하는 유틸리티 기업이 순 전력 생산에 대해 지불하면, 제어 흐름은 단계 1164로 진행하고, 여기서 에너지 가격 데이터가 가용한지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다. 그렇지 않은 경우, 단계 1166에서, 명시적 커맨드(메시지)가 집성 서버(112)로부터 수신되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않은 경우, 집성(118)이 현재 시장 참여자로서 수행하도록 요구되지 않는 것을 의미하고, 제어 흐름은 가상 에너지 가격이 디폴트 값으로 설정되는 단계 1170으로 진행하고, 이어서 단계 1124로 진행한다. 단계 1166에서, 집성 서버(112)로부터 커맨드가 수신되었다면(집성(118)이 시장 참여자로서 수행하도록 요구되지 않고 구내 전력 제어기(202)가 부하들을 감소시킬 필요가 있음을 의미함), 단계 1168에서 구내 전력 제어기(202)는 구내 전력 소비를 시뮬레이션하여 시장 참여자로서 수행하는 집성(118)의 요건들을 충족시키는 가상 가격을 찾는다.
이제 도 11f 및 도 11g(적어도 하나의 재생가능 소스뿐만 아니라 상당한 용량의 하나 이상의 배터리, 및 백업 발전기를 포함하는 클래스 3 구내)를 참조하면, 구내 전력 제어기(202)는 단계 1172에서, 공공 전력 그리드(100)(도 1)가 가용한지를 결정한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 가상 에너지 가격을 이용하여 구내 전력 소비를 시뮬레이션하는 단계 1174로 진행한다. 단계 1174 분기와 병행하여, 배터리 용량이 최소 충전 상태보다 큰 동안 배터리 충전/방전이 부하/공급을 따르는 단계 1191이 수행된다. 단계 1176에서, 다음 24 시간 내에 배터리 소진이 예상되는지에 대한 결정이 이루어진다. 다음 24시간 내에 배터리 소진이 발생할 것인지가 불명확하다면, 제어 흐름은 단계 1124(도 11h)로 진행한다.
배터리 소진이 다음 24 시간 내에 발생할 것이라면, 제어 흐름은 가상 에너지 가격이 증가되는(즉, 전력 부족이 구내에 대해 예측되기 때문에, 가상 에너지 가격이 증가됨) 단계 1178로 진행한다. 다음으로, 단계 1180에서, (증가된) 가상 에너지 가격이 발전기 온 임계값보다 큰지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1182로 진행하고, (비-재생가능 소스) 발전기가 그것이 오프되었고 최소 오프 시간이 경과하였다면 턴온되고, 이어서 단계 1124로 진행한다.
다시 단계 1176을 참조하면, 배터리 소진이 다음 24 시간 내에 예상되지 않는 경우, 제어 흐름은 단계 1184로 진행하고, 여기서 배터리 오버런(overrun)이 다음 24 시간 내에 예측되는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1186으로 진행하고, 가상 에너지 가격이 감소되어, 다시 구내에 대한 예상된 전력 잉여를 나타낸다. 다음으로, 단계 1188에서, 가상 에너지 가격이 발전기 오프 임계값보다 작은지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다. 그러한 경우, 단계 1190에서, 구내 전력 제어기(202)는, 발전기가 온이고 최소 실행 시간이 경과했다고 가정하면 발전기를 턴오프한다.
다시 단계 1172를 참조하면, 공공 전력 그리드(100)가 가용하다면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 예상된 시간-비용 곡선에 대해 예견을 수행하는 단계 1192로 진행한다. 다음으로, 단계 1194에서, 예상된 비용-곡선 상의 다음 피크가 포지티브인지 또는 네거티브인지에 대한 결정이 이루어진다. 네거티브 피크가 예상되는 경우, 제어 흐름은 단계 1196으로 진행하고, 여기서 지금 충전이 시작된다면, 충전 사이클 동안 최소의 비용이 발생될 것인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 배터리가 충전을 시작할 수 있게 하는 단계 1198로 진행하고, 이어서 단계 1124로 진행한다.
단계 1194에서, 포지티브 피크가 예상되는 경우, 제어 흐름은 단계 1200으로 진행하고, 여기서 지금 배터리 방전이 시작된다면, 판매 수익 마이너스 매수 비용과 배터리 효율의 곱이 최소 사이클 이득보다 큰지(즉, 방전이 최소 이득을 산출하여 장비에 대한 마모를 정당화할 것인가)에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1205로 진행하고, 여기서 지금 배터리 방전이 시작된다면, 판매-매수 효율이 최소 사이클 이득보다 큰지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1204로 진행하고 배터리 방전이 시작된다. 그렇지 않은 경우, 제어 흐름은 단계 1202로 진행하고, 여기서 시장 참여자로서 수행하도록 집성 서버(112)로부터 명시적 커맨드(메시지)가 수신되었는지에 대한 판정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1204로 진행하여 배터리 방전을 시작한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1124로 진행한다.
도 11h는 단계 1124에서 도 11c, 도 11e 및 도 11g 각각과 논리적으로 연결되고, 단계 1206에서, 구내 전력 제어기(202)의 제어 하에 있는 임의의 부하(들)가 처리되도록 남아 있는지에 대한 결정이 이어진다. 그렇지 않은 경우, 제어 흐름은 도 11h의 방법이 호출되었던 포인트로 리턴한다. 그렇다면, 제어 흐름은 고려 중인 부하가 HVAC 시스템인지에 대한 결정인 단계 1208로 진행한다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1220(도 12a)으로 진행한다. 그렇지 않다면, 단계 1210에서 부하가 조도조절가능한지에 대한 결정이 이루어지고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1222(도 13a)로 진행한다.
부하가 조도조절가능하지 않은 경우, 단계 1211에서, 부하가, 부하가 흡수하는 실제 전력의 양을 감소시키도록 역률(PF)이 제어될 수 있는 타입인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1213(도 14)으로 진행한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1212로 진행하고, 여기서 부하가 비-조도조절가능인지에 대한 결정이 이루어지고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1224(도 15)로 진행한다. 그렇지 않다면, 단계 1214에서, 부하가 전환 부하인지에 대한 결정이 이루어지고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1226(도 16)으로 진행한다. 그렇지 않다면, 단계 1216에서 부하가 전기 차량인지에 대한 결정이 이루어지고, 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1228(도 17a)로 진행한다. 단계 1218에서, 부하는 비-관리형 부하인 것으로 결정되지만, (예를 들어, 부하가 접속되는 지능형 회로 차단기에 의해) 그 전력 소비가 여전히 측정될 수 있다.
도 12a는 구내 전력 제어기가 HVAC 부하를 관리하는 방법을 나타낸다. 단계 1230에서, 구내 전력 제어기(202)는 구내 내의 구역 온도를 측정한다. 그러한 측정은 예를 들어 전술한 바와 같이 구내 전력 제어기(202)와 인터페이스된 온도 센서를 이용하여 이루어질 수 있다. 다음으로, 단계 1232에서, 그것이 이미 가용하지 않으면, 글로벌 가상 에너지 가격에 대한 질의가 행해지고, 이는 선행하는 논리를 통해 계산되었을 수 있다. 측정된 온도 및 계산된 글로벌 가상 에너지 가격을 이용하여, 도 12b의 그래프에 포인트가 위치하고, 단계 1236에서, 포인트가 그 그래프의 비용-온도 곡선 D 위에 있는지(예를 들어, 도 12b에서 참조 문자 G에 의해 표시되는 포인트)에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 에너지 사용이 정당화되지 않고 어떠한 액션도 취해지지 않는 것을 나타내는 단계 1238로 진행하고, 도 11h의 리턴으로 이어진다(즉, HVAC 부하가 활성화되지 않는다).
한편, 단계 1236에서, 포인트가 비용-온도 곡선 D 보다 낮다고(예를 들어, 도 12b에서 참조 문자들 E 또는 H에 의해 표시된 포인트들 중 어느 하나) 결정되면, 제어 흐름은 단계 1240으로 진행하고, 여기서 HVAC 최소 실행 시간(MRT)이 구역 온도로 하여금 (도 12b에서 참조 문자 A로 표시된) 사용자 정의 설정 포인트와 교차하게 할 것인지에 대한 결정이 이루어진다. 그러한 경우, HVAC 시스템의 최소 실행 시간이 온도가 과도하게 증가 또는 감소하게 할 것이라는 것을 의미하고, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다.
HVAC 시스템의 최소 실행 시간이 구역 온도가 사용자 정의 설정 포인트와 교차하게 하지 않을 것이라면, 단계 1242에서, HVAC 시스템에 대한 최소 오프 시간이 경과했는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, HVAC 시스템을 다시 실행하기에는 너무 일찍이라는 것을 의미하면, 제어 흐름은 다시 도 11h로 리턴한다. 그러한 경우, 제어 흐름은 구내 전력 제어기(202)가 임의의 시스템 제약들을 따르면서 곡선 D보다 위의 관심 포인트를 이동시킬 궤적을 계산하는 단계 1244로 진행한다. 허용가능한 궤적은 적어도 HVAC 시스템에 대한 최소 오프 시간의 지속기간 동안 관심 포인트가 곡선 D 위로 유지되게 할 것이다. 이어서, 단계 1244에서 계산된 궤적의 지속기간 동안 HVAC 시스템 동작이 스케줄링되는 단계 1246이 이어진다.
도 13a는 구내 전력 제어기(202)가 조도조절가능(조명) 부하를 관리(예를 들어, 그 전력 레벨을 설정)하기 위한 방법을 나타낸다. (도 11h로부터의) 단계 1222 이후에, 제어 흐름은 전술한 바와 같이 글로벌 가상 에너지 가격에 대한 질의가 행해지는 단계 1300으로 진행한다. 다음으로, 단계 1302에서, 구내 전력 제어기(202)는 비용-광 강도 곡선 상의 가장 가까운 포인트(들)(도 13b의 참조 문자 C로 표시됨)를 찾는다. 단계 1302에서의 하나보다 많은 가장 가까운 포인트가 리턴되었는지에 대한 결정이 단계 1304에서 이어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1308로 진행하고, 여기서 단일의 가장 가까운(스칼라) 포인트는 후속하여 단계 1310에서, 최종 조명 강도를 산출하는 사용자-설정 강도 값과 곱해진다. 대안적으로, 단계 1304에서, 하나보다 많은 가장 가까운 포인트가 리턴되었다면, 제어 흐름은 그 후 단계 1310의 곱셈에서 사용되는 단일의 보간된 가장 가까운 포인트를 분석하기 위해 큐빅 보간이 사용되는 단계 1306으로 진행한다. 제어 흐름은 단계 1310 이후에 도 11h로 리턴한다.
도 14는 구내 전력 제어기(202)가 부하에 의해 소비되는 실제 전력의 양을 감소시키기 위해 그 역률(PF)이 제어될 수 있는 부하를 관리하기 위한 방법을 예시한다. 단계 1213에 후속하여, 제어 흐름은, 구내 전력 제어기(202)가, 예를 들어, AC-DC 컨버터(410)와 역률 제어가 있는 DC-AC 인버터(412)(도 4)의 조합에 의해 표현될 수 있는 역률 제어기를 초기화하는 단계 1215로 진행한다. 다음으로, 단계 1217에서, 구내 전력 제어기(202)는 부하에 대한 전류 PF 및 전력 판독 상태를 체크한다. 이것은 단계 1219에서 부하가 처리할 수 있는 최소 PF를 결정하기 위한 룩업으로 이어진다. 단계 1221에서, (감소된 PF)는 최소 PF에 따라 설정되고, 그에 의해 부하에 의해 소비되는 실제 전력의 양을 감소시킨다. 제어 흐름은 단계 1221 이후에 도 11h로 리턴한다.
도 15는 구내 전력 제어기(202)가 비-조도조절가능 부하를 관리하기 위한 방법을 예시한다. 단계 1224 후에, 제어 흐름은 전술한 바와 같이, 글로벌 가상 에너지 가격에 대한 질의가 행해지는 단계 1400으로 진행한다. 단계 1402에서, 글로벌 가상 에너지 가격이 사용자 설정 임계값 위인지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1404로 진행하고, 여기서 관심 있는 비-조도조절가능 부하에 대한 최소 온 시간이 경과했는지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 단계 1406에서 비-조도조절가능 부하가 접속해제되고(즉, 구내 전력 제어기(202)가 해당 부하에 접속된 지능형 회로 차단기를 작동시키고), (최소 오프 시간) 타이머가 설정되고, 이어서 도 11e로 리턴한다. 대안적으로, 단계 1404에서, 관심 있는 비-조도조절가능 부하에 대한 최소 온 시간이 아직 경과되지 않았다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다.
단계 1402에서, 글로벌 가상 에너지 가격이 사용자-설정 임계값 위에 있지 않은 경우, 제어 흐름은 단계 1408로 진행하고, 여기서 글로벌 가상 에너지 가격이 사용자 설정 임계값 아래인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1410으로 진행하고, 여기서 비-조도조절가능 부하의 최소 오프 시간이 경과했는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 그렇다면, 비-조도조절가능 부하가 접속되고, (최소 온 타임) 타이머가 단계 1412에서 설정되고, 이어서 도 11h로 리턴한다.
도 16은 구내 전력 제어기(202)가 전환 부하를 관리하기 위한 방법을 나타낸다. 단계 1226 후에, 제어 흐름은 단계 1500으로 진행하고, 여기서 위에서 논의한 바와 같이, 글로벌 가상 에너지 가격에 대한 질의가 행해진다. 다음으로, 단계 1501에서, 부하가 현재 시스템에 접속되어 있는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1503로 진행하고, 여기서 가상 에너지 가격이 사용자 통지 임계값 아래인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11e로 리턴한다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1113(도 19)으로 진행한다.
다시 단계 1501을 참조하면, 부하가 현재 접속되어 있는 것으로 결정되면, 제어 흐름은 단계 1502로 진행하고, 여기서 가상 에너지 가격이 사용자-설정 임계값 위인지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 단계 1504에서 전환 부하의 최소 온 시간이 경과했는지에 대한 결정이 이루어진다. 최소 온 시간이 경과하지 않았다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 최소 온 시간이 경과했다면, 단계 1506에서 전환 부하가 접속해제되고, (최소 오프 시간) 타이머가 설정되며, 이어서 도 11h로 리턴한다.
단계 1502에서, 가상 에너지 가격이 사용자-설정 임계값 위에 있지 않은 경우, 제어 흐름은 단계 1508로 진행하고 여기서 가상 에너지 가격이 사용자-설정 임계값 아래인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 가상 에너지 가격이 사용자-설정 임계값 미만인 경우, 제어 흐름은 단계 1510으로 진행하고, 여기서 전환 부하의 최소 오프 시간이 경과했는지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 그렇다면, 구내 전력 제어기(202)는 도 11h로 리턴하기 전에 단계 1512에서 전환 부하를 접속시키고 (최소 온 타임) 타이머를 설정한다.
도 17a는 구내 전력 제어기가 전기 차량 부하의 충전을 관리하는 방법을 나타낸다. 단계 1228에 후속하여, 단계 1599에서 부하가 시스템에 올바르게 접속되어 있는지(즉, 전기 차량이 그의 충전 제어기에 정확하게 접속되었는지)에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1601로 진행하고, 여기서 가상 에너지 가격이 통지 임계값 아래인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1113(도 19)으로 진행한다.
단계 1599에서, 부하가 시스템에 정확하게 접속되어 있다고 결정되면, 제어 흐름은 단계 1600으로 진행하여 사용자가 충전 사이클을 요청했는지를 결정한다. 그러한 경우, 제어 흐름은 단계 1610으로 진행하고, 여기서 전기 차량이 충전을 시작하고, 이어서 도 11h로 리턴한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1602로 진행하고, 여기서 다음 24 시간 내에 트립이 스케줄링되는지에 대한 결정이 이루어진다. 트립이 스케줄링되지 않는 경우, 제어 흐름은 단계 1606으로 진행하고, 여기서 글로벌 가상 에너지 가격이 도 17c의 참조 문자 C로 표시된 유휴 충전 레벨-비용 곡선보다 낮은지에 대한 결정이 이루어진다. 글로벌 가상 에너지 가격이 유휴 레벨-비용 곡선보다 낮으면, 제어 흐름은 다시 단계 1610으로 진행하여 충전을 시작한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1608로 진행하고, 여기서 전기 차량 배터리 충전 사이클이 공공 전력 그리드(PPG)에 의해 공급되는 바와 같은 최소 에너지 가격 기간을 커버할 것인지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 다시 단계 1610으로 진행하여 충전을 시작한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 도 11h로 리턴한다. 단계 1602에서, 다음 24 시간 내에 트립이 스케줄링된다고 결정되면, 제어 흐름은 단계 1604로 진행하고, 여기서 글로벌 가상 에너지 가격이 트립하기 위한 시간에 대해, 도 17b의 참조 문자 C로 표시되는 충전 데스퍼레이션-비용 곡선(charge desperation-cost curve)보다 낮은지에 대한 결정이 이루어진다. 그렇다면, 제어 흐름은 다시 단계 1610으로 진행하여 충전을 시작한다. 그렇지 않은 경우, 제어 흐름은 전술한 바와 같이 단계 1606으로 진행한다.
도 18a는 주어진 구내에 대한 글로벌 가상 에너지 가격을 계산하기 위한 방법을 나타낸다. 단계 1700에서, 구내의 총 순시 전력 생성 용량에 대한 측정이 행해진다. 즉, 재생가능 소스들 및 비-재생가능 발전기들을 포함하는, 구내에 의해 생성되고 용도를 위해 가용한 총 에너지에 대한 측정이 행해진다. 다음으로, 단계 1702에서, 관리 부하 및 비관리 부하들에 의해 구내 내에서 총 순시 에너지 수요들에 대한 측정이 행해진다. 그 다음, 제어 흐름은 단계 1704로 진행하고, 여기서 구내에 의해 현재 요구되는 총 순시 전력 생성 용량의 분율에 대한 계산이 이루어진다. 다음으로, 단계 1706에서, 도 18b의 참조 문자 C로 표시된 공급 비용 전달 함수를 이용하여 글로벌 가상 에너지 가격이 설정된다. 즉, 총 순시 전력 생성 용량의 계산된 분율은 도 18b의 수평축을 따라 위치되고, 이어서 이는 그 좌표가 글로벌 가상 에너지 가격인 (전달 함수 C 상에서의) 대응 포인트에 위치지정하기 위해 사용된다.
도 19는 주어진 구내에 관한 사용자 통지들을 발행하는 방법을 나타낸다. 단계 1113 후에, 제어 흐름은 단계 1800으로 진행하고, 여기서 구내 전력 제어기(202)가 호출자로부터 현재 통지 컨텍스트에 액세스한다. 다음으로, 단계 1802에서, 이러한 또는 유사한 통지가 스로틀링 윈도우 내에서 사용자에게 이전에 전송되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 그러한 경우, 제어 흐름은 이 방법이 호출된 이전 포인트로 리턴한다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1804로 진행하고, 여기서 사용자 모바일 디바이스가 구내 메쉬 네트워크로부터 액세스 가능한지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1812로 진행하고, 여기서 통지가 구내 메쉬 네트워크를 통해 사용자의 모바일 폰에 전송되고, 이어서 리턴된다.
단계 1804에서, 사용자의 모바일 폰이 액세스가능하지 않은 경우, 제어 흐름은 단계 1806으로 진행하고, 여기서 사용자가 모바일 푸시 통지들을 요청했는지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1814로 진행하고, 여기서 푸시 통지 이벤트에 대한 요청이 집성 서버(112)에 전송된다. 그렇지 않다면, 제어 흐름은 단계 1808로 진행하고, 여기서 사용자가 통지들을 수신할 이메일 주소를 제공했다는 결정이 이루어진다. 만약 그렇다면, 제어 흐름은 단계 1816으로 진행하고, 여기서 이메일 통지 이벤트에 대한 요청이 집성 서버(112)에 전송되고, 단계 1810가 이어지고, 여기서 메시지가 구내 전력 제어기(202)의 디스플레이(526)(도 5) 상에 디스플레이되고, 이어서 리턴된다.
전술한 설명은 본 발명의 특정 실시예들에 관한 것이다. 그러나, 이들의 이점의 일부 또는 전부의 달성과 함께, 설명된 실시예들에 대한 다른 변형 및 수정이 행해질 수 있다는 점은 명확할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 교시는 컴퓨터, 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합 상에서 실행되는 프로그램 명령어들을 갖는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 소프트웨어로서 구현될 수 있다는 것이 명백히 고려된다. 따라서, 이러한 설명은 단지 예로서만 취해져야 하고, 본 발명의 범위를 다르게 제한하지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위의 목적은 본 발명의 충실한 사상 및 범위 내에 있으면서 이러한 변형 및 수정 모두를 커버하는 것이다.

Claims (41)

  1. 시스템으로서,
    스위치에 결합되는 프로세서;
    상기 프로세서에 결합되는 네트워크 모듈;
    상기 스위치에 결합되는 부하 단자;
    상기 스위치에 결합되는 커넥터 - 상기 커넥터는 적어도 공칭 값의 라인 전압을 갖는 구내의 전기 회로 차단기 패널과 호환가능한 라인 전력 커넥터로서 동작하도록 구성됨 -;
    상기 부하 단자 및 상기 프로세서에 결합되는 전류 센서를 포함하고, 상기 프로세서는,
    상기 전류 센서를 사용하여 상기 부하 단자에 전도되는 전류를 샘플링하고;
    상기 부하 단자로의 전력을 턴오프하라는 커맨드를 수신하는 것에 응답하여, 상기 부하 단자에 접속된 부하가 활성인 동안 상기 전도되는 전류의 제로 크로싱을 검출하기 위해 전류 샘플들의 값이 0에 가까울 때 제로 크로싱의 발생과 동시에 상기 스위치를 비활성화하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 계전기, 작동된 기계적 스위치, 또는 트랜지스터 중 하나인, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치와 인-라인으로 접속되는 아크 결함 회로 차단기를 추가로 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부하 단자 및 상기 프로세서에 결합되는 전압 센서를 추가로 포함하며, 상기 프로세서는,
    상기 부하 단자에서의 라인 전압을 샘플링하고, 상기 부하의 순시 전력 소비를 계산하도록 추가로 구성되는, 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스위치와 인-라인으로 접속되는 아크 결함 회로 차단기를 추가로 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 네트워크 모듈의 무선 송수신기를 통해 상기 전기 회로 차단기 패널 내의 회로 차단기들의 메쉬를 구성하도록 추가로 구성되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서에 결합되는 안테나를 추가로 포함하고, 상기 안테나는 상기 전기 회로 차단기 패널로부터 돌출되는, 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전류 센서는 상기 전기 회로 차단기 패널의 메인 전도체에 추가로 접속되고, 상기 프로세서는 상기 전기 회로 차단기 패널의 총 전력 소비를 계산하도록 추가로 구성되는, 시스템.
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