连接到电力负载的响应负载装置及控制电力负载的方法转让专利
申请号 : CN200480034530.2
文献号 : CN1883094B
文献日 : 2010-12-08
发明人 : 大卫·赫斯特
申请人 : 响应负载有限公司
摘要 :
本发明提供对从电网接收电力的电力负载的控制。检测并使用电网频率以确定电网的应力水平。高频率检测指示对于供应电网的电力来说负载太低，因此，电网处于低应力条件下。如果对于供应电网的电力来说负载太高则可能存在高应力条件。如果高和/或低应力状态被确定则阻止负载的功耗调节。如果危险的高和/或低应力条件被确定，则负载被阻止完全消耗功率，或负载被分别设为最大功耗状态。如果本装置与用以控制基于电网频率和变量的功耗的负载控制器相结合，其中对于特定的负载，变量被保持在受控限度内，则本发明的效果会增强。
权利要求 :
1.一种用于连接到电力负载的响应负载装置，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，所述变量的上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述装置包括：接收指示从电网向所述负载供电的干线电力频率的输入的设备；以及包括用于基于所述干线电力频率确定电网运行的应力水平的电网应力检测器的响应设备，所述响应设备还根据确定的应力水平控制所述负载的功耗，以及其中当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平的第一最大阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗增加和/或当需求短缺电网应力水平低于预定的瞬时应力水平的第一最小阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗减小。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置对发电短缺电网应力水平超出高于所述第一最大阈值的第二最大阈值进行响应，以阻止所述负载消耗功率。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置对需求短缺电网应力水平在低于所述第一最小阈值的第二最小阈值以下进行响应，以将所述负载的功耗增加至最大。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置对需求短缺电网应力水平在低于所述第一最小阈值的第二最小阈值以下进行响应，以将所述负载的功耗增加至最大。
5.如前述权利要求的任一项所述的装置，还包括：响应负载控制设备，用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载以维持变量在受控的上限和下限之内；所述响应负载控制设备包括：响应供应给电力负载的干线电力频率和所述负载的变量值，用于控制负载功耗的设备；
检测供应给电力负载的干线电力频率的设备；
检测所述负载的变量值的设备；以及
基于所检测频率确定电网瞬时应力水平的设备；
其特征在于，所述用于控制负载功耗的设备包括：
比较确定的瞬时应力水平和预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备，比较检测到的变量值与所述上限和下限的设备，
当所述确定的瞬时应力水平降至所述预定的瞬时应力水平的第一最小阈值以下，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于切断或减少向所述负载供电的设备，当所述确定的瞬时应力水平高于所述预定的瞬时应力水平的第一最大阈值，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于接通或增加向所述负载供电的设备，以及用于自动优化或调节预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备。
6.一种控制从电网接收电力的电力负载的方法，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，其特征在于，所述上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述方法包括以下步骤：从所述电力负载接收的电力频率来确定电网的应力水平；及
当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平的第一最大阈值时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗增加和/或当需求短缺应力水平降至预定的瞬时应力水平的第一最小阈值以下时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗减小。
7.如权利要求6所述的方法，还包括步骤：
当所述发电短缺电网应力水平超出大于所述第一最大阈值的第二最大阈值时，阻止所述电力负载消耗功率。
8.如权利要求6或7所述的方法，还包括步骤：
当所述需求短缺电网应力水平降至小于所述第一最小阈值的第二最小阈值以下时，最大化所述电力负载的功耗。
说明书 :
技术领域
本发明涉及用于控制消耗干线电力以响应干线供电需求改变的设备的装置。
背景技术
为了实现从发电机向用户安全可靠地分配电力这样的功能，交流电网需要具备维持供电(发电)和需求(负载)处于十分精确的平衡的控制系统。系统频率是使此控制得以实现的信号。系统频率通常是50Hz、60Hz或400Hz，其对系统的所有发电和负载进行同步，并根据不平衡情况而进行变化。如果负载太高，则系统频率降低，反之亦然。当负载持续变化时，尽管系统的机械惯量限制了频率改变的速度，系统频率同样随之波动。
整个系统的频率受到系统的发电和负载的全面混合的影响。负载多数是“阻性”的，比如电灯，这些负载根据负载点的电压而变化。这些类型的负载不直接响应系统频率的变化，除非那些变化也包括电压变化。
该系统也具有“同步”负载，比如电动机，其转速锁定在整个系统的频率。当系统频率下降时，实际上多数这种负载因为其运转变慢而减少所消耗的能量。因此，系统在处于重负荷时，具有固有的能力对需求进行响应，也因此，频率以有用的方式变化。
但是，当系统频率下降时，动力发电机也具有减少其输出的固有趋势。因此，这导致恶性循环，除非进行纠正，否则将导致运行不稳定。
监测这种趋势的方法是已知的，但是与此监测相关联的条件会是艰巨的。传统的频率控制方法是在发电机上装配调速器，因而，如果频率下降，调速器增加发电机的输出，如果频率升高，调速器减少发电机的输出。这种方法是有效的，但是相对较慢。对发电机来说可能需要数分钟时间才能充分增加其输出以响应频率的变化，并且在这段时间内频率被降低。所以，电网频率的相当宽范围而且不可预知的波动是典型的。
增加容量的裕度(headroom)包括产生通常不用的容量，这意味着发电机的运转不够高效。减少能量的裕度不是问题，但是当需求很低而且基荷电厂已经以最小容量运转时，问题会随之出现。
为了保持稳定性，整个系统需要能够以基本上与发电最大设想损耗相等的额外发送能量自动响应的电厂(在现实中，实际上考虑一些因素，例如，同步负载的行为，发电厂的行为和系统的总负载)。发电的最大可靠损耗通常被认为是最大单动力机组运转。在英格兰和威尔士，Sizewell B核电站通常是1.2GW，但是法国中继馈线也是两输入口，其中每输入口1GW。额外的能量必须在频率实际下降至控制限度以下之前可用。在英国，供电系统的惯量在限度被突破前提供大约10秒时间。严重损耗情形被认为是例外情况，并且认为超出正常1％的频率偏差限度范围是可接受的。保证容量可用是非常重要的，并且也是电力供应系统的全面运转中的主要考虑因素和复杂之处。通常解决该顾虑是通过签订合同支付发电机安装调速器的费用并在提出请求时接通调速器，和/或通过调度电厂使其仅部分负载。
维持系统频率的服务被称为响应，并且在所有的电网中，这是电网运营商的责任来保证整个系统具有充分可用响应以处理短期意外事故。除了支付发电机的费用以使他们的发电机可运行之外，通常还包括购买“裕度”，这样在必要时，发电机能够增加(或减少)输出。为了保证电网稳定性，必须要有足够的可用响应来补偿发电或负载的可能损耗。如果发电机(或发电机的传输线)发生故障并停止发电，通常在几秒之内，其它发电必须替代。如果负载突然停转(如电力击穿一个区域)，那么响应必须减少相等数量的发电。
如果可用响应不足够，频率不会稳定。如果频率超出限度，那么将损坏连接在电网上的多数设备。发电机将超速(并且最终爆炸)。电动机将过热或停转，并且其它设备将受到损坏。为了预防长期损坏，电网具有多种“频率灵敏继电器”以监视频率和其变化速度，如果超出预定限度，则断开电网的一部分或更多本地配电系统。例如，如果频率在下降，这些装置将逐渐断开国家区域的连接直到频率稳定。卸载通常在系统频率降至低于48.5Hz之前自动开始，也就是比受控限度小1.5％。
导致的区域停电是不加区别的，因为重点应用例如医院和列车电缆，和次要负载例如路灯或民用电力，同时停电。
另一方面，如果频率在上升，其它装置将断开与发电机的连接。
这些工作必须自动进行，因为对电网和电力设备的损害会发生在故障出现的亚秒级内。任何人为干涉都太慢了。电网运营商经常优先安排大负载的工业用户，因此，在次要设备必须与更大区域断开连接之前就已被断开。
在某些情况下会发生连锁故障。如果失去负载，频率上升，那么发电被切断，因此负载再次超过发电，并且失去更多的负载。如果控制系统是不足够的，大规模停电将在第一次故障的几秒内发生，并且我们已经在最近的美国东海岸停电中看到这种情况。更一般地，如我们在伦敦所见，故障限于更小的区域内。
一旦大规模停电发生，恢复起来很慢。为了启动发电机，通常要求发电机具有一些用于启动的可用功率。如果没有可用功率，则发电机无法启动。所以电网系统具有被称为“黑启动”的服务，由此，即使当电网的其余部分停用时，发电的子系统具有启动和继续发电的容量。电网运营商具有预先规划的恢复发电和负载的次序。这些保证了有限的初始供电首先用于提供通信和控制，然后 启动更大的发电机，其后逐渐连接负载以匹配增加的可用发电。黑启动的完整过程是令人忧虑的过程。黑启动是非常少有的事件，除非处于确实的危机中否则不能实施。在黑启动中牵扯到的每个人都处于严峻的压力下，且系统运行相当超出其正常工作范围(有时超出设计范围)。添加负载或发电的每一步对系统都是一次冲击，并且在冲击发生后，电网需要花费数秒或数分钟时间来进行稳定。明智的审慎会建议进行微调。这不可避免使总体过程慢下来，对仍然必须重连接的用户来说延长了停电。
整个系统的频率受到系统的发电和负载的全面混合的影响。负载多数是“阻性”的，比如电灯，这些负载根据负载点的电压而变化。这些类型的负载不直接响应系统频率的变化，除非那些变化也包括电压变化。
该系统也具有“同步”负载，比如电动机，其转速锁定在整个系统的频率。当系统频率下降时，实际上多数这种负载因为其运转变慢而减少所消耗的能量。因此，系统在处于重负荷时，具有固有的能力对需求进行响应，也因此，频率以有用的方式变化。
但是，当系统频率下降时，动力发电机也具有减少其输出的固有趋势。因此，这导致恶性循环，除非进行纠正，否则将导致运行不稳定。
监测这种趋势的方法是已知的，但是与此监测相关联的条件会是艰巨的。传统的频率控制方法是在发电机上装配调速器，因而，如果频率下降，调速器增加发电机的输出，如果频率升高，调速器减少发电机的输出。这种方法是有效的，但是相对较慢。对发电机来说可能需要数分钟时间才能充分增加其输出以响应频率的变化，并且在这段时间内频率被降低。所以，电网频率的相当宽范围而且不可预知的波动是典型的。
增加容量的裕度(headroom)包括产生通常不用的容量，这意味着发电机的运转不够高效。减少能量的裕度不是问题，但是当需求很低而且基荷电厂已经以最小容量运转时，问题会随之出现。
为了保持稳定性，整个系统需要能够以基本上与发电最大设想损耗相等的额外发送能量自动响应的电厂(在现实中，实际上考虑一些因素，例如，同步负载的行为，发电厂的行为和系统的总负载)。发电的最大可靠损耗通常被认为是最大单动力机组运转。在英格兰和威尔士，Sizewell B核电站通常是1.2GW，但是法国中继馈线也是两输入口，其中每输入口1GW。额外的能量必须在频率实际下降至控制限度以下之前可用。在英国，供电系统的惯量在限度被突破前提供大约10秒时间。严重损耗情形被认为是例外情况，并且认为超出正常1％的频率偏差限度范围是可接受的。保证容量可用是非常重要的，并且也是电力供应系统的全面运转中的主要考虑因素和复杂之处。通常解决该顾虑是通过签订合同支付发电机安装调速器的费用并在提出请求时接通调速器，和/或通过调度电厂使其仅部分负载。
维持系统频率的服务被称为响应，并且在所有的电网中，这是电网运营商的责任来保证整个系统具有充分可用响应以处理短期意外事故。除了支付发电机的费用以使他们的发电机可运行之外，通常还包括购买“裕度”，这样在必要时，发电机能够增加(或减少)输出。为了保证电网稳定性，必须要有足够的可用响应来补偿发电或负载的可能损耗。如果发电机(或发电机的传输线)发生故障并停止发电，通常在几秒之内，其它发电必须替代。如果负载突然停转(如电力击穿一个区域)，那么响应必须减少相等数量的发电。
如果可用响应不足够，频率不会稳定。如果频率超出限度，那么将损坏连接在电网上的多数设备。发电机将超速(并且最终爆炸)。电动机将过热或停转，并且其它设备将受到损坏。为了预防长期损坏，电网具有多种“频率灵敏继电器”以监视频率和其变化速度，如果超出预定限度，则断开电网的一部分或更多本地配电系统。例如，如果频率在下降，这些装置将逐渐断开国家区域的连接直到频率稳定。卸载通常在系统频率降至低于48.5Hz之前自动开始，也就是比受控限度小1.5％。
导致的区域停电是不加区别的，因为重点应用例如医院和列车电缆，和次要负载例如路灯或民用电力，同时停电。
另一方面，如果频率在上升，其它装置将断开与发电机的连接。
这些工作必须自动进行，因为对电网和电力设备的损害会发生在故障出现的亚秒级内。任何人为干涉都太慢了。电网运营商经常优先安排大负载的工业用户，因此，在次要设备必须与更大区域断开连接之前就已被断开。
在某些情况下会发生连锁故障。如果失去负载，频率上升，那么发电被切断，因此负载再次超过发电，并且失去更多的负载。如果控制系统是不足够的，大规模停电将在第一次故障的几秒内发生，并且我们已经在最近的美国东海岸停电中看到这种情况。更一般地，如我们在伦敦所见，故障限于更小的区域内。
一旦大规模停电发生，恢复起来很慢。为了启动发电机，通常要求发电机具有一些用于启动的可用功率。如果没有可用功率，则发电机无法启动。所以电网系统具有被称为“黑启动”的服务，由此，即使当电网的其余部分停用时，发电的子系统具有启动和继续发电的容量。电网运营商具有预先规划的恢复发电和负载的次序。这些保证了有限的初始供电首先用于提供通信和控制，然后 启动更大的发电机，其后逐渐连接负载以匹配增加的可用发电。黑启动的完整过程是令人忧虑的过程。黑启动是非常少有的事件，除非处于确实的危机中否则不能实施。在黑启动中牵扯到的每个人都处于严峻的压力下，且系统运行相当超出其正常工作范围(有时超出设计范围)。添加负载或发电的每一步对系统都是一次冲击，并且在冲击发生后，电网需要花费数秒或数分钟时间来进行稳定。明智的审慎会建议进行微调。这不可避免使总体过程慢下来，对仍然必须重连接的用户来说延长了停电。
发明内容
本发明目的在于：
1.增强响应服务，在危机发生前和危机中稳定电网，使之更具弹性、更可靠；
2.使得对于危机发生时所失去的负载的识别力更强，从而基础服务(例如医院，列车和地铁)更有可能不受影响；
3.在危机时最小化停电的范围，从而小区域受到影响，而大区域持续有电；
4.缓和在黑启动过程中对系统的冲击。更多的负载和区域能够更迅速地重新连接，从而加速了恢复。
如果以渐次的长期的方式提出，通过将本发明装置嵌入在代替的电器中，所有这些能够以非常低的投资成本实现。很多也能够在更短期内实现，但是翻新成本更高或者现有设备将提前报废。
因此，本发明提出了响应负载装置，适用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载，所述装置包括：接收指示供应给系统的干线电力频率的输入的设备；以及对其进行响应的设备，用于确定电网运行的应力水平，根据确定的应力水平控制所述负载的功耗，以及当应力水平超出预定最大阈值和/或降至预定最小阈值之下时阻止功耗调节。
较佳地，当发电短缺(低频)电网应力水平超出第一最大阈值时，所述装置响应系统频率以阻止负载功耗增加，或当需求短缺(高频)电网应力水平处于第一最小阈值以下时，所述装置响应系统频率以阻止负载功耗减少。
本发明提供一种用于连接到电力负载的响应负载装置，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，所述变量的上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述装置包括：接收指示从电网向所述负载供电的干线电力频率的输入的设备；以及包括用于基于所述干线电力频率确定电网运行的应力水平的电网应力检测器的响应设备，所述响应设备还根据确定的应力水平控制所述负载的功耗，以及其中当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平第一最大阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗增加和/或当需求短缺电网应力水平低于预定的瞬时应力水平第一最小阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗减小。
通过使所述装置对系统发电短缺(低频)电网应力水平超出高于第一最大阈值的第二最大阈值值进行响应，以阻止负载消耗功率，可以进一步改善所述装置的“响应”。同样，或二者择一地，通过使所述装置对需求短缺(高频)电网应力水平处于低于第一最小阈值的第二最小阈值以下进行响应，将负载功耗增加至最大。
虽然用于任何适宜电器时，所述装置将提供“响应”优势，但如果所述装置和响应负载控制器结合起来，则收益更大，其中所述响应负载控制器基于系统频率和例如对于特定电器保持在受控限度内的温度变量，用来控制功耗。这样，根据最佳实施例，本发明提出了响应负载控制装置，适用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载，以维持在受控限度内的变量，所述装置还包括响应负载控制设备，用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载以维持变量在受控的上限和下限之内，所述响应负载控制设备包括对供应给电力负载的干线电力频率和所述负载的变量值进行响应来控制负载功耗的设备；检测供应给电力负载的干线电力频率的设备；检测所述负载的变量值的设备；以及基于所检测的频率确定电网瞬时应力水平的设备。其中所述用于控制功耗的设备包括比较确定的瞬时应力水平和预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备；比较检测到的变量和所述上限和下限的设备；当所述确定的瞬时应力水平降至所述预定的瞬时应力水平的第一最小阈值以下，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于切断或减少向负载供电的设备；当所述确定的瞬时应力水平高于预定的瞬时应力水平的第一最大阈值，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于接通或增加向负载供电的设备；以及用于自动优化或调节预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备；还包括当确定的应力水平超出预定的最大阈值和/或降至预定最小的阈值之下时，阻止功耗调节的设备。
本发明还提供一种控制从电网接收电力的电力负载的方法，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，其特征在于，所述上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述方法包括以下步骤：从所述电力负载接收的电力频率来确定电网的应力水平；及当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平第一最大阈值时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗增加和/或当需求短缺应力水平降至预定的瞬时应力水平第一最小阈值以下时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗减小。
本发明建立在如专利GB2361118所述的“响应负载”系统之上。“响应负载”系统是对由麻省理工学院教授佛瑞德·施韦皮(Fred Schweppe)发明的、如美国专利4,317,049所描述的“频率自适应、电力能源重调度”的增强和扩展。
“响应负载”通过使得大量的消耗设备“监听”系统频率，并且对这些设备的行为进行缓和以助于电网稳定，来进行工作。许多负载以工作循环运转，用以保持受控变量在定义的限度内。冰箱、冷柜、空调和灌装泵是此类设备的例子，并且对于它们的工作循环的多数来说，它们对于是否运行具有判断力。也就是说，如果冰箱的电动机在运行，通常电动机要暂时位于切断位置，这样做对其目的没有损害(冰箱温度将处于其所需限度内)。
与电器关联的“响应负载”控制器充分利用了这种判断力，并且将系统频率作为什么时候接通或切断的指南(除了受控温度之外)。
电网中足够数量的响应负载装置带来了以下效果的出现：
-系统频率得到更加细微的控制。频率的短期波动更小，并且发生在更小的频率限度内；
-电网能够吸收供电和需求间更大的短期(半小时左右)不平衡，不会偏移出频率限度；
-对于供电需求不平衡的程度来说，系统频率变成更加清楚和更为有用的信号。
能够容忍短期不平衡的时期依赖于提供响应负载的装置特性。这些冷却装置的热惯量用于推迟需求，并且实际上存储电力。在短时期内，冷却的热力物质的平均温度轻微升高，并且当再次实现平衡时得到恢复。冰箱和冷柜具有相当高的内部热惯量，因此能够将需求推迟一段时间(甚至几个小时)。
但是，在冷却(或加热)的空间内，以及包含空调的建筑物的构造内，空调的热惯量是很大的。
在许多电网中，空调是峰值功率中很重要的一部分，使空调进行响应能够对电网提供显著利益。实际上，这是“响应负载”传递的关键经济价值。通常来说，经济利益将反映在响应负载空调用户的一些社会或经济利益上，多半以更低成本电器的方式或更低电力税的方式。回报可能不过是提供公益的良好公民形象。实际上，大多数响应负载空调也将包括频率敏感继电器，如果电网频率降至临界线以下并超过一个短时间时，该继电器将切断所有的负载。切断阈值设定为在临界线以上的某个层级在此层级部分传输或配电系统断开连接。这对于传输和配电网络的频率敏感继电器具有相似作用，但是在其影响上更具有识别力。面对黑暗(以及其它危急的电力中断，像列车停电)或者空调停电之间的选择，多数有理性的人将选择空调停电。
实际上，市场能很好地对这种识别力进行定价。那些愿意支付更高电力税的人能够对设置更低的切断频率进行额外支付。关键的公共服务能够分配最低的切断频率。
当空调在提供响应时，房间或空间的平均温度不时变化对一些用户来说是可察觉的。如果用户通过调高空调的温度调节装置来反应，那么响应带来的所有经济利益就不存在了。实际上，情况可能弄得更糟糕，并且用户会已经获得了响应负载的经济回报，但是没有被传递这种服务。本发明的一个目的是阻止这种“博弈”。
本发明的效果是，举例来说，当电网处于应力时，阻止用户“调高”空调等电器。实际上，在危机期间和灾后时期，温度设定点变为固定(或者仅朝着“电网友好”方向可变)。
当电网不处于应力时，温度调节装置可自由调节。希望“调高”空调或冰箱温度调节装置的用户可以随意进行此操作。在电网上此举的影响是需求上的短期增长，同时实现了新的设定以及之后反映更大损耗的功耗边际增长。这没有损伤危机出现时提供响应的能力，因为它是由温度变化实现，而不是由绝对值实现。除非受到阻止，用户通过断开他们的电器然后再重连接，可以试图绕开这种控制。如果使用基本响应负载系统，它将采用改变的温度调节装置读数，这样响应负载的益处就失去了。
本发明的控制器将检测这样的重连接，并且缓和重连接后的电器的行为，仅当检测到电网是稳定的且不处于危机时，才允许该电器运行。
当跨越广阔区域的供电在停电后重连接时，重连接也将出现，并且一个区域的服务得到恢复。因为对电网来说这是个困难时期，在此事件中消耗负载所需的行为与用户所需的阻止博弈的行为一样，因此，当前的装置也提供“黑启动辅助”或称BSA。
像这样的一套响应负载装置的所有者或管理员可以拥有关于该装置预期行为的专门知识。这可以允许他们预计在趸售交易中对于他们来说有价值的电网的未来状态。这种类型交易有可能增强市场流通和价值，而不是发明所阻止的“搭便车”。
本发明具有多种可能的实现，且本发明通常但并非必须地，集成到与响应负载装置和任何频率敏感继电器一样的电子产品中。
现在参考附图，仅通过实例来描述最佳实施例。
1.增强响应服务，在危机发生前和危机中稳定电网，使之更具弹性、更可靠；
2.使得对于危机发生时所失去的负载的识别力更强，从而基础服务(例如医院，列车和地铁)更有可能不受影响；
3.在危机时最小化停电的范围，从而小区域受到影响，而大区域持续有电；
4.缓和在黑启动过程中对系统的冲击。更多的负载和区域能够更迅速地重新连接，从而加速了恢复。
如果以渐次的长期的方式提出，通过将本发明装置嵌入在代替的电器中，所有这些能够以非常低的投资成本实现。很多也能够在更短期内实现，但是翻新成本更高或者现有设备将提前报废。
因此，本发明提出了响应负载装置，适用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载，所述装置包括：接收指示供应给系统的干线电力频率的输入的设备；以及对其进行响应的设备，用于确定电网运行的应力水平，根据确定的应力水平控制所述负载的功耗，以及当应力水平超出预定最大阈值和/或降至预定最小阈值之下时阻止功耗调节。
较佳地，当发电短缺(低频)电网应力水平超出第一最大阈值时，所述装置响应系统频率以阻止负载功耗增加，或当需求短缺(高频)电网应力水平处于第一最小阈值以下时，所述装置响应系统频率以阻止负载功耗减少。
本发明提供一种用于连接到电力负载的响应负载装置，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，所述变量的上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述装置包括：接收指示从电网向所述负载供电的干线电力频率的输入的设备；以及包括用于基于所述干线电力频率确定电网运行的应力水平的电网应力检测器的响应设备，所述响应设备还根据确定的应力水平控制所述负载的功耗，以及其中当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平第一最大阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗增加和/或当需求短缺电网应力水平低于预定的瞬时应力水平第一最小阈值时所述响应设备阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述负载的功耗减小。
通过使所述装置对系统发电短缺(低频)电网应力水平超出高于第一最大阈值的第二最大阈值值进行响应，以阻止负载消耗功率，可以进一步改善所述装置的“响应”。同样，或二者择一地，通过使所述装置对需求短缺(高频)电网应力水平处于低于第一最小阈值的第二最小阈值以下进行响应，将负载功耗增加至最大。
虽然用于任何适宜电器时，所述装置将提供“响应”优势，但如果所述装置和响应负载控制器结合起来，则收益更大，其中所述响应负载控制器基于系统频率和例如对于特定电器保持在受控限度内的温度变量，用来控制功耗。这样，根据最佳实施例，本发明提出了响应负载控制装置，适用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载，以维持在受控限度内的变量，所述装置还包括响应负载控制设备，用于连接到消耗间歇或可变电能的电力负载以维持变量在受控的上限和下限之内，所述响应负载控制设备包括对供应给电力负载的干线电力频率和所述负载的变量值进行响应来控制负载功耗的设备；检测供应给电力负载的干线电力频率的设备；检测所述负载的变量值的设备；以及基于所检测的频率确定电网瞬时应力水平的设备。其中所述用于控制功耗的设备包括比较确定的瞬时应力水平和预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备；比较检测到的变量和所述上限和下限的设备；当所述确定的瞬时应力水平降至所述预定的瞬时应力水平的第一最小阈值以下，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于切断或减少向负载供电的设备；当所述确定的瞬时应力水平高于预定的瞬时应力水平的第一最大阈值，并且所述变量在所述上限和下限定义的范围之内时，用于接通或增加向负载供电的设备；以及用于自动优化或调节预定的瞬时应力水平的第一最大阈值和第一最小阈值的设备；还包括当确定的应力水平超出预定的最大阈值和/或降至预定最小的阈值之下时，阻止功耗调节的设备。
本发明还提供一种控制从电网接收电力的电力负载的方法，所述电力负载消耗间歇或可变电能来维持变量处于所述变量的上限和下限之间，其特征在于，所述上限和下限得自所述变量的设定点及围绕所述变量的设定点进行定义，所述方法包括以下步骤：从所述电力负载接收的电力频率来确定电网的应力水平；及当发电短缺电网应力水平超出预定的瞬时应力水平第一最大阈值时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗增加和/或当需求短缺应力水平降至预定的瞬时应力水平第一最小阈值以下时阻止所述设定点的值的增大或减小造成所述电力负载的功耗减小。
本发明建立在如专利GB2361118所述的“响应负载”系统之上。“响应负载”系统是对由麻省理工学院教授佛瑞德·施韦皮(Fred Schweppe)发明的、如美国专利4,317,049所描述的“频率自适应、电力能源重调度”的增强和扩展。
“响应负载”通过使得大量的消耗设备“监听”系统频率，并且对这些设备的行为进行缓和以助于电网稳定，来进行工作。许多负载以工作循环运转，用以保持受控变量在定义的限度内。冰箱、冷柜、空调和灌装泵是此类设备的例子，并且对于它们的工作循环的多数来说，它们对于是否运行具有判断力。也就是说，如果冰箱的电动机在运行，通常电动机要暂时位于切断位置，这样做对其目的没有损害(冰箱温度将处于其所需限度内)。
与电器关联的“响应负载”控制器充分利用了这种判断力，并且将系统频率作为什么时候接通或切断的指南(除了受控温度之外)。
电网中足够数量的响应负载装置带来了以下效果的出现：
-系统频率得到更加细微的控制。频率的短期波动更小，并且发生在更小的频率限度内；
-电网能够吸收供电和需求间更大的短期(半小时左右)不平衡，不会偏移出频率限度；
-对于供电需求不平衡的程度来说，系统频率变成更加清楚和更为有用的信号。
能够容忍短期不平衡的时期依赖于提供响应负载的装置特性。这些冷却装置的热惯量用于推迟需求，并且实际上存储电力。在短时期内，冷却的热力物质的平均温度轻微升高，并且当再次实现平衡时得到恢复。冰箱和冷柜具有相当高的内部热惯量，因此能够将需求推迟一段时间(甚至几个小时)。
但是，在冷却(或加热)的空间内，以及包含空调的建筑物的构造内，空调的热惯量是很大的。
在许多电网中，空调是峰值功率中很重要的一部分，使空调进行响应能够对电网提供显著利益。实际上，这是“响应负载”传递的关键经济价值。通常来说，经济利益将反映在响应负载空调用户的一些社会或经济利益上，多半以更低成本电器的方式或更低电力税的方式。回报可能不过是提供公益的良好公民形象。实际上，大多数响应负载空调也将包括频率敏感继电器，如果电网频率降至临界线以下并超过一个短时间时，该继电器将切断所有的负载。切断阈值设定为在临界线以上的某个层级在此层级部分传输或配电系统断开连接。这对于传输和配电网络的频率敏感继电器具有相似作用，但是在其影响上更具有识别力。面对黑暗(以及其它危急的电力中断，像列车停电)或者空调停电之间的选择，多数有理性的人将选择空调停电。
实际上，市场能很好地对这种识别力进行定价。那些愿意支付更高电力税的人能够对设置更低的切断频率进行额外支付。关键的公共服务能够分配最低的切断频率。
当空调在提供响应时，房间或空间的平均温度不时变化对一些用户来说是可察觉的。如果用户通过调高空调的温度调节装置来反应，那么响应带来的所有经济利益就不存在了。实际上，情况可能弄得更糟糕，并且用户会已经获得了响应负载的经济回报，但是没有被传递这种服务。本发明的一个目的是阻止这种“博弈”。
本发明的效果是，举例来说，当电网处于应力时，阻止用户“调高”空调等电器。实际上，在危机期间和灾后时期，温度设定点变为固定(或者仅朝着“电网友好”方向可变)。
当电网不处于应力时，温度调节装置可自由调节。希望“调高”空调或冰箱温度调节装置的用户可以随意进行此操作。在电网上此举的影响是需求上的短期增长，同时实现了新的设定以及之后反映更大损耗的功耗边际增长。这没有损伤危机出现时提供响应的能力，因为它是由温度变化实现，而不是由绝对值实现。除非受到阻止，用户通过断开他们的电器然后再重连接，可以试图绕开这种控制。如果使用基本响应负载系统，它将采用改变的温度调节装置读数，这样响应负载的益处就失去了。
本发明的控制器将检测这样的重连接，并且缓和重连接后的电器的行为，仅当检测到电网是稳定的且不处于危机时，才允许该电器运行。
当跨越广阔区域的供电在停电后重连接时，重连接也将出现，并且一个区域的服务得到恢复。因为对电网来说这是个困难时期，在此事件中消耗负载所需的行为与用户所需的阻止博弈的行为一样，因此，当前的装置也提供“黑启动辅助”或称BSA。
像这样的一套响应负载装置的所有者或管理员可以拥有关于该装置预期行为的专门知识。这可以允许他们预计在趸售交易中对于他们来说有价值的电网的未来状态。这种类型交易有可能增强市场流通和价值，而不是发明所阻止的“搭便车”。
本发明具有多种可能的实现，且本发明通常但并非必须地，集成到与响应负载装置和任何频率敏感继电器一样的电子产品中。
现在参考附图，仅通过实例来描述最佳实施例。
附图说明
图1是根据本发明的系统框图；
图2是图1的电网应力检测器的框图。
图2是图1的电网应力检测器的框图。
具体实施方式
参考图1，最佳实施例包括以进入的电网频率作为输入的电网应力检测器(11)。它的输出是传递到响应负载或其它功耗控制器的一个(组)信号，指示电网的应力状态。
其中的设备也包括功耗控制器，在大多数最佳实施例中，它是接收并反应所进入的信号的增强响应负载控制器(下面进一步描述)。
从电网应力检测器传递到增强响应负载控制器的这个(组)信号包括：
1.零负载。这指示电网被发现处于严重超载应力状态，并且不应施加负载。
2.设定点处无增加，因此负载无增加。这指示电网处于短期应力下，因此所述电器应当承担需求延迟角色，以及正在进行的其热存储的平均减少。
3.无应力施加。所述装置应当以正常方式提供响应负载。
4.设定点处无减少，因此负载无减少。这指示电网过度供给，并且需求的增加是电网友好的。
5.最大负载。这指示电网处于严重负载不足，并且任何可用的额外消耗会有助于电网稳定。
这些信号可以是作为分别信号的输入，或较佳地结合成一个单独的模拟信号(或一个相等的数字信号)，以指示欠载或过载应力程度，从而对响应负载行为进行更好的控制。
电网应力检测器的一个实现如图2所示。本实施例用以使输入干线的测量频率服从多种测试，每一个由比较器执行。
a.是极限控制限度内的频率。否则，触发相关的零负载或最大负载延迟继电器。
b.是由带有低或高频率偏移的周期指示的以发电不足或过剩运行的电网。若如此则依据阈值触发相关延迟继电器。
c.是在正常控制限度内的频率。否则，触发合适的无增加或无减少延迟继电器。
d.是变化限度的正常速度内的频率改变。否则，触发合适的无增加或无减少延迟继电器。
延迟继电器是一旦被触发则在设定状态停留一段预定周期的装置。所以如果零负载延迟继电器被触发，则零负载输出信号在设定状态停留一段预定周期。
可以应用各种设定使用限度的方法。极限控制限度可由条例设定，或可从电网运营商处“购买”。其它限度最好使用在一段可通过的周期内经历的极限函数来计算。
尽管GB-2361118的“响应负载”装置已经描述了最佳实施例的使用，这仅是一个最佳实施例。本发明的装置可单独使用，或与其它控制装置结合使用。
在最佳实施例中，本装置与例如GB 2361118所述的响应负载控制器相结合。选择传感器限度(SLP，SLN，SHN， SHF)以匹配受控电器的要求，且传感器限度可以与正常设定点控制器7同样的方式进行改变。例如，在冰箱中，它们源于温度调节装置控制。
得到了正常和频率响应限度之间的区别，因此负载响应一段合理的时期。对于低频响应，这是本装置的“工作循环”。此外，设定了正常和频率响应限度之间的区别，因此当频率响应时，本装置将保持断或通状态一段合理的时期。通常来说，当电器不受干扰，例如冰箱门打开时，这段时期大约是10到15分钟。
明显地，电器对于频率变化以及由此总的供电系统需求变化的响应越强，系统的数值就越大。
较佳地选择频率限度(FLR，FLN，FHN， FHR)，这样，随着标称频率的偏移变得更大，许多响应装置将以精确受控方式逐渐响应。频率限度分布选择的最佳方案不需要相同的低频和高频偏移，将依赖于控制特定电力系统的最需特性，所述特定电力系统上连接多个此种装置，并且随着装置数量和网络总特性的改变而改变。
较佳地，选择频率限度分布，这样，标称频率的偏移程度提供单调递增的理论上线性的、恢复系统平衡所需的能量数量的指示。
较佳地，当频率抵达其它控制限度并且需要引入其它储备时，响应应当全部“用尽”。
控制限度可以具有偏斜正态分布，或类似分布，以匹配可用储备的方式实现。
特定装置的限度应当较佳地反映该装置的“工作循环”。高频和低频响应应当反映不同需要和重视不同类型响应。
也可以调节限度以考虑受控变量的当前状态，这样，到达正常通断点的装置比其它装置有优势。这将产生的结果是最小化了装置的通断操作次数。
通过监视所述装置第一次接通时的干线频率，以及选择最接近检测信号的 标准频率(例如50Hz，60Hz或400Hz)作为中心频率，可以选择标称频率或中心频率。
实现每个特定装置的频率限度的方法有多种。
适当分布的限度可以预先编进要连接到系统的多个装置中。
这样，不同的装置具有时间上静态的响应特性。
或者，可以使用随机化，这样单独的设备以随机方式起反应，并匹配总的分布要求。这保证与带响应装置相关联的任何缺点随机分布在多个装置之间。
随机化参数可以在给定周期内根据频率变化而调整。例如，最高和最低系统频率可以每小时或以其它测量周期进行记录。例如每天，最近的测量周期的最近的极限值可以和前几天以相等测量周期记录的极限值做比较。
如果极限值更大，可以根据差值的比例增加历史极限值。该比例选作对于上和下频率限度不同的参数。选择的比例可以是之前使用比例积分导数(PID)控制技术进行的频率测量的更复杂的函数。例如，简单的比例数值0.25是调节过去一周左右经历的限度的数字。
如果测量当天极限值更小，可以根据差值的比例减少历史极限值。如同增加极限值，参数设定限度改变的数量。在当天，对于每个小时或其它这样的测量周期，可以有单独的限度。没有必要做时钟同步，因为每个装置将为选择的测量周期进行优化。
在电力故障后，所有的每小时(或测量周期)限度将设定成平均值。
较佳地，只要受控装置还在使用，所述装置将继续提供响应。这实质上意味着提供的响应服务在安装响应负载控制器时已支付，并且实际上将是与整个系统代理人的资本购置或长期合同协议。
但是，得不到这样的代理人或愿意支付合适费用的人。例如，如果代理人在限定的时期内被赋予特权，并且如果代理人变动，新代理人没有动机支付正在进行的响应服务，但是继续接受收益。
因此，控制装置有选择地包含监视一个或多个射频信号的控制接收机。这些信号可以是包含数字控制信号调制的BBC 198KHz长波传输信号；称为“蓝牙”的短距离数字控制信号；全球定位系统信号调制或相似的卫星传输信号调制(比如，测地卫星或铱卫星)；或设计用于与仪器通信且被多个仪器读数器使用的信号。
控制接收机预加载一系列对控制所述装置的权限是秘密的内部标识符。惟有控制权限能够构建所述装置可以识别的信号，这样，这些标识符作为密钥来解密收到的信号。识别特定信号的多数装置依赖预测的响应市场的本质和需要，并且依赖监视的广播信号的覆盖范围。预计BBC长波信号将启用或停用少数10MW级的响应。
如果响应负载装置得不到加密保护，电力系统可能被停用大量响应的信号的敌对广播所动摇，因此，这种可能性产生了加密信号的需要。
如上所述，本发明的响应负载控制装置可与任何消耗间歇或可变电能以维持受控限度内变量的装置一起使用。这些装置包括但不限于，民用和工业冰箱和深冻冰箱；民用、商用和工业应用空调机组；泵存储系统的泵，包括水箱和其它电源柜；电加热器，比如，民用浸入式加热器，洗衣机和洗碗机中的加热器；或者存储加热器(尽管这些仅在一天的特定时间内有用处)。
所述响应负载控制器的形式可以是编程成以所述模式工作的可编程逻辑控制器(PLC)。但是，所述控制器也能够使用离散逻辑构成或以单集成电路构成。
所述电路包含频率计产生与干线的测量频率成比例的信号，并作为所述控制装置的输入。
中心频率检测器产生指示所述控制器旨在支持的基本频率或标称频率的中心频率信号。该检测器较佳地从标准50Hz、60Hz或400Hz频率产生信号，当负载接通后从中选择最接近检测频率的信号。
所述高频范围检测器处理在一组采样周期内系统的输入频率，以获得所述中心频率之上的频率范围，并且所述控制器在这个频率段是启用的。输出是最大频率在此频率始终尝试高频控制，以及最小频率低于此频率始终不会尝试高频控制。低频范围监测器处理在一组采样周期内的输入频率，以获得中心频率以下的频率范围，并且所述控制器在这个频率段是启用的。输出是最小频率在此频率始终尝试低频控制，以及最大频率高于此频率始终不尝试低频控制。
启动电压检测器在所述装置首次接通瞬间测量电压。这和任何固定参数无关，并且实际上是非控的。因此，它是一个能够充当随机范围选择器的触发器的合理可靠的随机信号源。
正常的随机范围选择器产生在逻辑范围0-1内的随机信号，随机信号的分布，例如，可参照正态分布或其它类似统计分布。一个实施例使用一个单随机范围选择器。但是，两个选择器可能更合适，一个用于高频，另一个用于低频，它们具有不同的分布，或具有正态分布的不同偏斜。
高频限度选择器处理最小或最大频率值以及随机信号来产生控制限度FHR和FHN。这保证在多个装置中设定的限度以最大化控制收益进行分布。
低频限度选择器处理低频限度信号以及随机信号来产生控制限度SLR和SLN。这保证在多个装置中设定的限度以最大化控制收益进行分布。
传感器检测系统想要控制的参数级别。
传感器设定点控制用于调节所述控制器要控制的中心点，并且形成参数限度信号SLF、SLN、SHN和SHF。
当超出各种限度信号时，传感器限度比较器采集传感器限度信号，并且将 其与实际的传感器信号进行比较，以产生分别指示的逻辑信号。
主比较器执行逻辑操作来比较指示是否频率和传感器限度信号已超出的输入逻辑信号，并且产生通/断信号。
电气开关用于接通或切断负载。
本发明提供的改进提供了在响应负载控制框架内的进一步控制，因而阻止如上所述的博弈或跳过响应特征。这样来适用或增强控制器，从而使用了频率范围的进一步分割。
更详细地，参考图1，响应负载控制器包括频率计1，高频和低频限度检测器2、3，主比较器4，电气开关5，传感器限度比较器6，设定点控制器7，传感器8，以及高频和低频范围检测器9、10。
电网频率由频率计1检测。频率读数回馈到低频限度检测器2和高频限度检测器3。这些检测器决定频率是超出高频限度还是低于低频限度。
传感器限度比较器比较传感器读数和电器的传感器设定点控制值。
主比较器比较如上所述的这些数值。
主比较器4的输出控制电器的功耗，和/或又如上所述根据比较结果切断电器。
本发明通过集成了电网应力检测器11，对系统进行了改进。参考图2，对电网应力检测器11进行详细描述。
频率计1检测电干线12的频率。连接检测器13检测设备是否与干线连接。
接下来，本发明提供根据从频率计1测量的频率来决定系统应力水平的装置。如上所述，使用所述应力水平数值向响应负载控制系统发送信号，因此，在响应负载控制器的响应范围内，当电网处于应力高强度时，对电器进行控制使它的功耗不会增加，和/或当电网未充分利用即具有非常低的应力水平时，功耗不会减少。在最佳实施例中，当应力水平检测器确定电网应力水平极高即处于最大值时，其向响应负载控制器提供指示应当切断电器即不应消耗任何功率。反过来，当电网的利用极低即应力水平极低时(最小值)，电网应力检测器向响应负载控制器提供信号以保证电器以最大负载工作，即从系统消耗最大功率。
实质上，本发明提供的改进包括合并如上所述并由图2详细说明的电网应力检测器。对于每个电器，已知的响应负载系统具有阈值频率。当电网频率低于下限时，电器被切断或设定消耗更小的功率。通过本发明提出的扩展，所述装置也有相关的应力水平阈值，超出该阈值电器的“设定点”被固定且/或功耗不能进行调节。
较佳的电网应力检测器布置如图2所示。
系统频率提供给极限高频限度检测器15和极限低频限度检测器16，加速时钟比较器18和减速时钟比较器21，中心频率交叉检测器19和20，高频限度检 测器23和低频限度检测器24，以及升频限度检测器26和降频限度检测器27。
如果极限高频限度检测器确定电网频率高于最大应力水平值，则运作以关闭最大负载延迟继电器14，并且向冲突解决逻辑模块28发送适当信号，该冲突解决逻辑模块28向响应负载控制器29输出“最大负载”信号。频率测试限度可以是对所述装置固定的参数FHGC(电网危机高频)。或者，FHCG可被信号FHmax 调制。从高频范围检测器9接收FHmax，因此，综合稳定性将影响电网应力的确定点。
在信号从极限高频限度检测器输入之后，最大负载延迟继电器14设定输出信号达一段固定的时间。这保证一旦检测到指示高应力水平的信号，该信号被维持足够长时间以让响应负载装置起反应，并且避免反复的短期开关。
如果极限低频限度检测器16确定频率计1的频率低于最低阈值，其触发向冲突解决模块28提供相应信号的零负载延迟继电器17，该冲突解决模块28向增强响应负载控制器输出“零负载”信号。频率测试限度可以是对所述装置固定的参数FLGC(电网危机低频)。或者，FLGC可被信号FLmin调制。从低频范围检测器10接收FLmin，因此，综合稳定性将影响电网应力的确定点。
在信号从极限低频限度检测器输入之后，零负载延迟继电器17设定输出信号达一段固定的时间。这保证一旦检测到指示高应力水平的信号，该信号被维持足够长时间以让响应负载装置起反应，并且避免反复的短期开关。
如果频率级别没有超出最大和/或最小级别，但是由高频和低频限度检测器23和24确定以超出上或下应力水平阈值，触发无减少延迟继电器22和无增加延迟继电器25中适当的一个，以向冲突解决箱28提供相应的“无减少”或“无增加”信号，该冲突解决箱28接下来向响应负载控制器29传递相应信号。
高频限度可以是参数FHGS(高频电网应力)，或通过得自高频范围检测器9的信号FHmax，从FHGS获得。这保证即使是非常短的但是重要的频率偏移用于电网应力检测。低频限度可以是参数FLGS(低频电网应力)，或通过得自低频范围检测器10的信号FLmin，从FLGS获得。
无增加延迟继电器25由输入信号触发，并且在延迟周期内保持输出信号“无增加”不变。这保证任何指示电网应力的短暂信号可以保存一段最小时间，从而无需过多的开关即可为响应负载控制器留出起反应的时间。
升频限度检测器26比较频率信号的变化速度和参数FDIGS(电网应力的频率增量增加)。如果超出了限度，那么将触发信号传递到无增加延迟继电器25。这保证不管绝对值是多少，频率的快速变化也能用作电网应力的指示器。
冲突解决逻辑28保证仅一个单独信号被传递到增强响应负载控制器。冲突解决的一个实施例是以优先次序处理输入信号，并且保证仅传递最高优先级信号。
也可基于时钟频率比较确定应力水平。这部分检测器依赖于这样的事实，即电网应力可由电网频率偏离其中心点(正常是50Hz，60Hz或400Hz)的程度随着时间的积分来指示。这样，电网频率低于或高于中心频率的时间越长，以及越是高于或低于中心频率，则应力越大。
图2所示的应力检测器的最佳实施例，通过测量主频率驱动的时钟变化大小或与更精确时钟的差异大小，来实行这种结合。这样，例如，长时间内时钟会出现1秒钟的偏移只是轻微低于中心频率，或者短时间内相对中心频率的较长偏移。如果此时钟移位与以秒给定的参数做比较，这给出了一种对电网应力水平的便捷测量(以时间为单位)。
该积分要求起始点，有用的起始点是频率跨过中心频率的时候。这样，当频率通过低于中心频率到达高于中心频率时，偏移(高频应力)重设为零，并且积分测量开始。相类似地，对于低频应力，频率通过高于中心频率到达低于中心频率，时钟重设并且积分再次开始。
所述积分在图2所示的系统中，通过中心频率交叉检测器(19，20)，加速时钟比较器18和减速时钟比较器21来执行。
4个参数可被使用：
CHGS-电网应力的时钟高频。这是在指示电网应力之前高频时钟比较器允许的偏移。
CHGC-电网危机的时钟高频。这是在指示电网危机之前高频时钟比较器允许的偏移，如果能够安全进行，需要立即使用所有可选负载。
CLGS-电网应力的时钟低频。这是指示电网应力之前低频时钟比较器允许的偏移。
CLGC-电网危机的时钟低频。这是指示电网危机之前，低频时钟比较器允许的偏移，需要立即移走所有可选负载。
这些参数的最佳设置可以根据电网的最广泛稳定性，并因而可由上述响应负载控制器的高频和低频范围检测器检测的高频的变化历史进行调整。通过分析频率历史，这些装置获得高频和低频限度，在这些限度内响应负载是启用的。因此，最大高频限度(FHmax)可用于改变CHGS和CHGC。当电网更加稳定以及因此FHmax更低时，CHGS和CHGC也可以更低。同样也适用于低频参数。
响应读数传递到中心频率交叉检测器19。当频率跨过低于中心频率来到高于中心频率时，其向加速时钟比较器18发送复位信号。加速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CHGS和CHGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FHmax来调制。当超出限度时，适当信号被传递到最大负载延迟继电器或无减少延迟继电器。
频率读数也被传递到另一个中心频率交叉检测器20。当频率跨过低于中心频率来到高于中心频率时，其向加速时钟比较器18发送复位信号。加速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CHGS和CHGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FHmax来调制。当超出限度时，适当信号被传递到最大负载延迟继电器或无减少延迟继电器。
频率读数也被传递到另一个中心频率交叉检测器20。当频率跨过高于中心频率来到低于中心频率时，其向减速时钟比较器21发送复位信号。减速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CLGS和CLGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FLmin来调制。当超出限度时，将适当信号传递到零负载延迟继电器17或无增加延迟继电器25。
无减少延迟继电器22由输入信号触发，并且在延迟周期内保持输出信号“无减少”不变。这保证任何指示电网应力的短暂信号可以保存一段最小时间，从而无需过多的开关即可为响应负载控制器留出起反应的时间。
得自加速时钟参数18和/或减速时钟参数21的信号以适当的方式触发继电器14、22、17或25，并且向冲突解决逻辑模块28提供适当信号，其中，冲突解决逻辑模块28向响应负载控制器提供适当信号。
这样，如上所述，响应负载控制器可用于这样的装置中，它们从干线系统消耗间歇负载或可变负载从而将内部变量维持在受控限度内。多个装置以这种方式受控并使用适当的控制限度，整个系统频率可以得到稳定，并提供如上所述的收益。借助这种装置，消费者可参与并实践一些对系统响应的控制，其中系统提供如下优势，即当系统需求为高时，系统响应不是无区别的，而是根据响应值和电源供电对于消费者重要性进行优化，这一点由消费者确定。响应负载控制的效果是受控变量分布的范围略微变宽，并且根据所述装置性质，“消费者端”能够决定是否这是可接受的。
当然，如上面提到的，电网应力检测响应负载设备不需要被并入上述的响应负载控制器中。本发明是依靠电网应力水平控制电器是否可消耗功率的系统，它可以构成更简单的不具有上述额外负载响应优势的系统。例如，本发明可以电网应力检测器的形式实现，测量电网频率，基于测量频率确定电网应力水平，以及如果应力水平高于和/或低于预定阈值时阻止电器功耗调整。这样，任何装备这种装置的电器能够受控而切断，或当电网处于高应力时，因此电器不能被调高。如果没有上述的响应负载控制器，这不依赖于电器的特定参数值，举例来说，对于冰箱，温度和不同的电器不会具有不同的设定点。这会对贸易提供更小的范围，但是，就电网应力水平响应来说这仍很明显具有多种优势。
其中的设备也包括功耗控制器，在大多数最佳实施例中，它是接收并反应所进入的信号的增强响应负载控制器(下面进一步描述)。
从电网应力检测器传递到增强响应负载控制器的这个(组)信号包括：
1.零负载。这指示电网被发现处于严重超载应力状态，并且不应施加负载。
2.设定点处无增加，因此负载无增加。这指示电网处于短期应力下，因此所述电器应当承担需求延迟角色，以及正在进行的其热存储的平均减少。
3.无应力施加。所述装置应当以正常方式提供响应负载。
4.设定点处无减少，因此负载无减少。这指示电网过度供给，并且需求的增加是电网友好的。
5.最大负载。这指示电网处于严重负载不足，并且任何可用的额外消耗会有助于电网稳定。
这些信号可以是作为分别信号的输入，或较佳地结合成一个单独的模拟信号(或一个相等的数字信号)，以指示欠载或过载应力程度，从而对响应负载行为进行更好的控制。
电网应力检测器的一个实现如图2所示。本实施例用以使输入干线的测量频率服从多种测试，每一个由比较器执行。
a.是极限控制限度内的频率。否则，触发相关的零负载或最大负载延迟继电器。
b.是由带有低或高频率偏移的周期指示的以发电不足或过剩运行的电网。若如此则依据阈值触发相关延迟继电器。
c.是在正常控制限度内的频率。否则，触发合适的无增加或无减少延迟继电器。
d.是变化限度的正常速度内的频率改变。否则，触发合适的无增加或无减少延迟继电器。
延迟继电器是一旦被触发则在设定状态停留一段预定周期的装置。所以如果零负载延迟继电器被触发，则零负载输出信号在设定状态停留一段预定周期。
可以应用各种设定使用限度的方法。极限控制限度可由条例设定，或可从电网运营商处“购买”。其它限度最好使用在一段可通过的周期内经历的极限函数来计算。
尽管GB-2361118的“响应负载”装置已经描述了最佳实施例的使用，这仅是一个最佳实施例。本发明的装置可单独使用，或与其它控制装置结合使用。
在最佳实施例中，本装置与例如GB 2361118所述的响应负载控制器相结合。选择传感器限度(SLP，SLN，SHN， SHF)以匹配受控电器的要求，且传感器限度可以与正常设定点控制器7同样的方式进行改变。例如，在冰箱中，它们源于温度调节装置控制。
得到了正常和频率响应限度之间的区别，因此负载响应一段合理的时期。对于低频响应，这是本装置的“工作循环”。此外，设定了正常和频率响应限度之间的区别，因此当频率响应时，本装置将保持断或通状态一段合理的时期。通常来说，当电器不受干扰，例如冰箱门打开时，这段时期大约是10到15分钟。
明显地，电器对于频率变化以及由此总的供电系统需求变化的响应越强，系统的数值就越大。
较佳地选择频率限度(FLR，FLN，FHN， FHR)，这样，随着标称频率的偏移变得更大，许多响应装置将以精确受控方式逐渐响应。频率限度分布选择的最佳方案不需要相同的低频和高频偏移，将依赖于控制特定电力系统的最需特性，所述特定电力系统上连接多个此种装置，并且随着装置数量和网络总特性的改变而改变。
较佳地，选择频率限度分布，这样，标称频率的偏移程度提供单调递增的理论上线性的、恢复系统平衡所需的能量数量的指示。
较佳地，当频率抵达其它控制限度并且需要引入其它储备时，响应应当全部“用尽”。
控制限度可以具有偏斜正态分布，或类似分布，以匹配可用储备的方式实现。
特定装置的限度应当较佳地反映该装置的“工作循环”。高频和低频响应应当反映不同需要和重视不同类型响应。
也可以调节限度以考虑受控变量的当前状态，这样，到达正常通断点的装置比其它装置有优势。这将产生的结果是最小化了装置的通断操作次数。
通过监视所述装置第一次接通时的干线频率，以及选择最接近检测信号的 标准频率(例如50Hz，60Hz或400Hz)作为中心频率，可以选择标称频率或中心频率。
实现每个特定装置的频率限度的方法有多种。
适当分布的限度可以预先编进要连接到系统的多个装置中。
这样，不同的装置具有时间上静态的响应特性。
或者，可以使用随机化，这样单独的设备以随机方式起反应，并匹配总的分布要求。这保证与带响应装置相关联的任何缺点随机分布在多个装置之间。
随机化参数可以在给定周期内根据频率变化而调整。例如，最高和最低系统频率可以每小时或以其它测量周期进行记录。例如每天，最近的测量周期的最近的极限值可以和前几天以相等测量周期记录的极限值做比较。
如果极限值更大，可以根据差值的比例增加历史极限值。该比例选作对于上和下频率限度不同的参数。选择的比例可以是之前使用比例积分导数(PID)控制技术进行的频率测量的更复杂的函数。例如，简单的比例数值0.25是调节过去一周左右经历的限度的数字。
如果测量当天极限值更小，可以根据差值的比例减少历史极限值。如同增加极限值，参数设定限度改变的数量。在当天，对于每个小时或其它这样的测量周期，可以有单独的限度。没有必要做时钟同步，因为每个装置将为选择的测量周期进行优化。
在电力故障后，所有的每小时(或测量周期)限度将设定成平均值。
较佳地，只要受控装置还在使用，所述装置将继续提供响应。这实质上意味着提供的响应服务在安装响应负载控制器时已支付，并且实际上将是与整个系统代理人的资本购置或长期合同协议。
但是，得不到这样的代理人或愿意支付合适费用的人。例如，如果代理人在限定的时期内被赋予特权，并且如果代理人变动，新代理人没有动机支付正在进行的响应服务，但是继续接受收益。
因此，控制装置有选择地包含监视一个或多个射频信号的控制接收机。这些信号可以是包含数字控制信号调制的BBC 198KHz长波传输信号；称为“蓝牙”的短距离数字控制信号；全球定位系统信号调制或相似的卫星传输信号调制(比如，测地卫星或铱卫星)；或设计用于与仪器通信且被多个仪器读数器使用的信号。
控制接收机预加载一系列对控制所述装置的权限是秘密的内部标识符。惟有控制权限能够构建所述装置可以识别的信号，这样，这些标识符作为密钥来解密收到的信号。识别特定信号的多数装置依赖预测的响应市场的本质和需要，并且依赖监视的广播信号的覆盖范围。预计BBC长波信号将启用或停用少数10MW级的响应。
如果响应负载装置得不到加密保护，电力系统可能被停用大量响应的信号的敌对广播所动摇，因此，这种可能性产生了加密信号的需要。
如上所述，本发明的响应负载控制装置可与任何消耗间歇或可变电能以维持受控限度内变量的装置一起使用。这些装置包括但不限于，民用和工业冰箱和深冻冰箱；民用、商用和工业应用空调机组；泵存储系统的泵，包括水箱和其它电源柜；电加热器，比如，民用浸入式加热器，洗衣机和洗碗机中的加热器；或者存储加热器(尽管这些仅在一天的特定时间内有用处)。
所述响应负载控制器的形式可以是编程成以所述模式工作的可编程逻辑控制器(PLC)。但是，所述控制器也能够使用离散逻辑构成或以单集成电路构成。
所述电路包含频率计产生与干线的测量频率成比例的信号，并作为所述控制装置的输入。
中心频率检测器产生指示所述控制器旨在支持的基本频率或标称频率的中心频率信号。该检测器较佳地从标准50Hz、60Hz或400Hz频率产生信号，当负载接通后从中选择最接近检测频率的信号。
所述高频范围检测器处理在一组采样周期内系统的输入频率，以获得所述中心频率之上的频率范围，并且所述控制器在这个频率段是启用的。输出是最大频率在此频率始终尝试高频控制，以及最小频率低于此频率始终不会尝试高频控制。低频范围监测器处理在一组采样周期内的输入频率，以获得中心频率以下的频率范围，并且所述控制器在这个频率段是启用的。输出是最小频率在此频率始终尝试低频控制，以及最大频率高于此频率始终不尝试低频控制。
启动电压检测器在所述装置首次接通瞬间测量电压。这和任何固定参数无关，并且实际上是非控的。因此，它是一个能够充当随机范围选择器的触发器的合理可靠的随机信号源。
正常的随机范围选择器产生在逻辑范围0-1内的随机信号，随机信号的分布，例如，可参照正态分布或其它类似统计分布。一个实施例使用一个单随机范围选择器。但是，两个选择器可能更合适，一个用于高频，另一个用于低频，它们具有不同的分布，或具有正态分布的不同偏斜。
高频限度选择器处理最小或最大频率值以及随机信号来产生控制限度FHR和FHN。这保证在多个装置中设定的限度以最大化控制收益进行分布。
低频限度选择器处理低频限度信号以及随机信号来产生控制限度SLR和SLN。这保证在多个装置中设定的限度以最大化控制收益进行分布。
传感器检测系统想要控制的参数级别。
传感器设定点控制用于调节所述控制器要控制的中心点，并且形成参数限度信号SLF、SLN、SHN和SHF。
当超出各种限度信号时，传感器限度比较器采集传感器限度信号，并且将 其与实际的传感器信号进行比较，以产生分别指示的逻辑信号。
主比较器执行逻辑操作来比较指示是否频率和传感器限度信号已超出的输入逻辑信号，并且产生通/断信号。
电气开关用于接通或切断负载。
本发明提供的改进提供了在响应负载控制框架内的进一步控制，因而阻止如上所述的博弈或跳过响应特征。这样来适用或增强控制器，从而使用了频率范围的进一步分割。
更详细地，参考图1，响应负载控制器包括频率计1，高频和低频限度检测器2、3，主比较器4，电气开关5，传感器限度比较器6，设定点控制器7，传感器8，以及高频和低频范围检测器9、10。
电网频率由频率计1检测。频率读数回馈到低频限度检测器2和高频限度检测器3。这些检测器决定频率是超出高频限度还是低于低频限度。
传感器限度比较器比较传感器读数和电器的传感器设定点控制值。
主比较器比较如上所述的这些数值。
主比较器4的输出控制电器的功耗，和/或又如上所述根据比较结果切断电器。
本发明通过集成了电网应力检测器11，对系统进行了改进。参考图2，对电网应力检测器11进行详细描述。
频率计1检测电干线12的频率。连接检测器13检测设备是否与干线连接。
接下来，本发明提供根据从频率计1测量的频率来决定系统应力水平的装置。如上所述，使用所述应力水平数值向响应负载控制系统发送信号，因此，在响应负载控制器的响应范围内，当电网处于应力高强度时，对电器进行控制使它的功耗不会增加，和/或当电网未充分利用即具有非常低的应力水平时，功耗不会减少。在最佳实施例中，当应力水平检测器确定电网应力水平极高即处于最大值时，其向响应负载控制器提供指示应当切断电器即不应消耗任何功率。反过来，当电网的利用极低即应力水平极低时(最小值)，电网应力检测器向响应负载控制器提供信号以保证电器以最大负载工作，即从系统消耗最大功率。
实质上，本发明提供的改进包括合并如上所述并由图2详细说明的电网应力检测器。对于每个电器，已知的响应负载系统具有阈值频率。当电网频率低于下限时，电器被切断或设定消耗更小的功率。通过本发明提出的扩展，所述装置也有相关的应力水平阈值，超出该阈值电器的“设定点”被固定且/或功耗不能进行调节。
较佳的电网应力检测器布置如图2所示。
系统频率提供给极限高频限度检测器15和极限低频限度检测器16，加速时钟比较器18和减速时钟比较器21，中心频率交叉检测器19和20，高频限度检 测器23和低频限度检测器24，以及升频限度检测器26和降频限度检测器27。
如果极限高频限度检测器确定电网频率高于最大应力水平值，则运作以关闭最大负载延迟继电器14，并且向冲突解决逻辑模块28发送适当信号，该冲突解决逻辑模块28向响应负载控制器29输出“最大负载”信号。频率测试限度可以是对所述装置固定的参数FHGC(电网危机高频)。或者，FHCG可被信号FHmax 调制。从高频范围检测器9接收FHmax，因此，综合稳定性将影响电网应力的确定点。
在信号从极限高频限度检测器输入之后，最大负载延迟继电器14设定输出信号达一段固定的时间。这保证一旦检测到指示高应力水平的信号，该信号被维持足够长时间以让响应负载装置起反应，并且避免反复的短期开关。
如果极限低频限度检测器16确定频率计1的频率低于最低阈值，其触发向冲突解决模块28提供相应信号的零负载延迟继电器17，该冲突解决模块28向增强响应负载控制器输出“零负载”信号。频率测试限度可以是对所述装置固定的参数FLGC(电网危机低频)。或者，FLGC可被信号FLmin调制。从低频范围检测器10接收FLmin，因此，综合稳定性将影响电网应力的确定点。
在信号从极限低频限度检测器输入之后，零负载延迟继电器17设定输出信号达一段固定的时间。这保证一旦检测到指示高应力水平的信号，该信号被维持足够长时间以让响应负载装置起反应，并且避免反复的短期开关。
如果频率级别没有超出最大和/或最小级别，但是由高频和低频限度检测器23和24确定以超出上或下应力水平阈值，触发无减少延迟继电器22和无增加延迟继电器25中适当的一个，以向冲突解决箱28提供相应的“无减少”或“无增加”信号，该冲突解决箱28接下来向响应负载控制器29传递相应信号。
高频限度可以是参数FHGS(高频电网应力)，或通过得自高频范围检测器9的信号FHmax，从FHGS获得。这保证即使是非常短的但是重要的频率偏移用于电网应力检测。低频限度可以是参数FLGS(低频电网应力)，或通过得自低频范围检测器10的信号FLmin，从FLGS获得。
无增加延迟继电器25由输入信号触发，并且在延迟周期内保持输出信号“无增加”不变。这保证任何指示电网应力的短暂信号可以保存一段最小时间，从而无需过多的开关即可为响应负载控制器留出起反应的时间。
升频限度检测器26比较频率信号的变化速度和参数FDIGS(电网应力的频率增量增加)。如果超出了限度，那么将触发信号传递到无增加延迟继电器25。这保证不管绝对值是多少，频率的快速变化也能用作电网应力的指示器。
冲突解决逻辑28保证仅一个单独信号被传递到增强响应负载控制器。冲突解决的一个实施例是以优先次序处理输入信号，并且保证仅传递最高优先级信号。
也可基于时钟频率比较确定应力水平。这部分检测器依赖于这样的事实，即电网应力可由电网频率偏离其中心点(正常是50Hz，60Hz或400Hz)的程度随着时间的积分来指示。这样，电网频率低于或高于中心频率的时间越长，以及越是高于或低于中心频率，则应力越大。
图2所示的应力检测器的最佳实施例，通过测量主频率驱动的时钟变化大小或与更精确时钟的差异大小，来实行这种结合。这样，例如，长时间内时钟会出现1秒钟的偏移只是轻微低于中心频率，或者短时间内相对中心频率的较长偏移。如果此时钟移位与以秒给定的参数做比较，这给出了一种对电网应力水平的便捷测量(以时间为单位)。
该积分要求起始点，有用的起始点是频率跨过中心频率的时候。这样，当频率通过低于中心频率到达高于中心频率时，偏移(高频应力)重设为零，并且积分测量开始。相类似地，对于低频应力，频率通过高于中心频率到达低于中心频率，时钟重设并且积分再次开始。
所述积分在图2所示的系统中，通过中心频率交叉检测器(19，20)，加速时钟比较器18和减速时钟比较器21来执行。
4个参数可被使用：
CHGS-电网应力的时钟高频。这是在指示电网应力之前高频时钟比较器允许的偏移。
CHGC-电网危机的时钟高频。这是在指示电网危机之前高频时钟比较器允许的偏移，如果能够安全进行，需要立即使用所有可选负载。
CLGS-电网应力的时钟低频。这是指示电网应力之前低频时钟比较器允许的偏移。
CLGC-电网危机的时钟低频。这是指示电网危机之前，低频时钟比较器允许的偏移，需要立即移走所有可选负载。
这些参数的最佳设置可以根据电网的最广泛稳定性，并因而可由上述响应负载控制器的高频和低频范围检测器检测的高频的变化历史进行调整。通过分析频率历史，这些装置获得高频和低频限度，在这些限度内响应负载是启用的。因此，最大高频限度(FHmax)可用于改变CHGS和CHGC。当电网更加稳定以及因此FHmax更低时，CHGS和CHGC也可以更低。同样也适用于低频参数。
响应读数传递到中心频率交叉检测器19。当频率跨过低于中心频率来到高于中心频率时，其向加速时钟比较器18发送复位信号。加速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CHGS和CHGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FHmax来调制。当超出限度时，适当信号被传递到最大负载延迟继电器或无减少延迟继电器。
频率读数也被传递到另一个中心频率交叉检测器20。当频率跨过低于中心频率来到高于中心频率时，其向加速时钟比较器18发送复位信号。加速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CHGS和CHGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FHmax来调制。当超出限度时，适当信号被传递到最大负载延迟继电器或无减少延迟继电器。
频率读数也被传递到另一个中心频率交叉检测器20。当频率跨过高于中心频率来到低于中心频率时，其向减速时钟比较器21发送复位信号。减速时钟比较器结合了频率偏移，从而提供了很好的电网应力指示。实行此便利的方法是比较复位以来参考时钟和得自频率的时钟的差别。该差别然后与确定电网应力水平的参数CLGS和CLGC相比较。这些限度可以由频率范围信号FLmin来调制。当超出限度时，将适当信号传递到零负载延迟继电器17或无增加延迟继电器25。
无减少延迟继电器22由输入信号触发，并且在延迟周期内保持输出信号“无减少”不变。这保证任何指示电网应力的短暂信号可以保存一段最小时间，从而无需过多的开关即可为响应负载控制器留出起反应的时间。
得自加速时钟参数18和/或减速时钟参数21的信号以适当的方式触发继电器14、22、17或25，并且向冲突解决逻辑模块28提供适当信号，其中，冲突解决逻辑模块28向响应负载控制器提供适当信号。
这样，如上所述，响应负载控制器可用于这样的装置中，它们从干线系统消耗间歇负载或可变负载从而将内部变量维持在受控限度内。多个装置以这种方式受控并使用适当的控制限度，整个系统频率可以得到稳定，并提供如上所述的收益。借助这种装置，消费者可参与并实践一些对系统响应的控制，其中系统提供如下优势，即当系统需求为高时，系统响应不是无区别的，而是根据响应值和电源供电对于消费者重要性进行优化，这一点由消费者确定。响应负载控制的效果是受控变量分布的范围略微变宽，并且根据所述装置性质，“消费者端”能够决定是否这是可接受的。
当然，如上面提到的，电网应力检测响应负载设备不需要被并入上述的响应负载控制器中。本发明是依靠电网应力水平控制电器是否可消耗功率的系统，它可以构成更简单的不具有上述额外负载响应优势的系统。例如，本发明可以电网应力检测器的形式实现，测量电网频率，基于测量频率确定电网应力水平，以及如果应力水平高于和/或低于预定阈值时阻止电器功耗调整。这样，任何装备这种装置的电器能够受控而切断，或当电网处于高应力时，因此电器不能被调高。如果没有上述的响应负载控制器，这不依赖于电器的特定参数值，举例来说，对于冰箱，温度和不同的电器不会具有不同的设定点。这会对贸易提供更小的范围，但是，就电网应力水平响应来说这仍很明显具有多种优势。