近年来，电力行业已经在承受加速增长的需求的负担，所述需求对 大规模发电和输电系统的安全造成威胁。结果，用户常常会遭受容量受限 (“电压降低(brownouts)”)和服务中断(“断电(blackouts)”)的问题。
即使在正常的非高峰状态下，现代电力系统提供服务也仅有99.9％ 的可靠性，这表示对一个典型用户而言每年大约有9小时的断电。显然， 在信息时代，这一服务水平是无法满足要求的，它会对数据处理中心、呼 叫中心、电信交换设施、紧急服务、医院以及其他关键性应用带来重大威 胁。例如，在以每秒60个周期供电的情况下，两个周期的“打嗝(hiccup)” 往往会使大多数计算机和服务器频繁地重新启动或锁定。
如果没有即时和适当的供电用于计算机、通信系统、防卫与安全系 统，对恐怖分子袭击和自然灾害进行适当的响应会很困难。在2001年9 月11日的袭击之前，对供电中断的考虑主要集中在设备故障、极端天气 条件和事故等的危险性上。而在其后，人们已日益关注电源系统被故意袭 击的可能性。近来发生的其他事件进一步强调了确保我们的电力系统安全 的重要性。
通常可接受的对电力服务的满意度是必须具有至少99.9999％的可 用性，或者说相当于每年断电32秒。不幸的是，特别是由于供电质量随 着负荷增加受到负面影响这一事实，电力行业达到这些比较高的水平越来 越困难。在可预见的将来，从当前电力行业输电和配电基础设施获得所希 望的可用度事实上是不可能的。
对这些问题的一个典型的解决方案涉及对分布式发电单元(“DG”) 或由电池供电的不间断电源(UPS)系统的本地部署。因为信息、安全、 防卫、以及通信等系统往往是广泛地散布在单个房屋内，因此，通常遵循 下述两种途径之一。首先，可以部署一台大的DG或UPS单元以满足整 个建筑中的电负荷。或者，可在建筑物的不同部分安装多个DG或UPS 系统，这样，每个单元服务于建筑物中的一个特定的部分。
DG或UPS系统的部署其自身通常表现为业务决策。采用这些解决 方案的用户事实上是在现场发电以代替从本地电力公司购买电力，且冒着 承担因电力质量不佳而造成的生产停止的风险。不幸的是，对于许多用户， 购买支持所有建筑物负荷或广泛分布的关键负荷集合的本地电力系统是 极其昂贵的。
图1中所示现有系统100试图在涉及高优先权负荷的场合降低应急 供电和本地发电的成本。具体地，公用电力线101经由常规的基础设施线 路102向用户供电，而且还与UPS 103相连。UPS 103从公用电力线101 接收“常规”电力并经由高优先权基础设施104提供可靠的、高可用性的 电源。相应地，用户可选择将低优先权或者“常规”负荷(图中未示出) 连接到常规优先权线路102，而把高优先权设备或负荷105-107连接到高 可用性基础设施104。
如图1中所示，现有技术系统使用一个配电系统用于高优先级负荷， 使用另一个用于常规负荷。连接到高可用性配电线路的设备所享受的可靠 性能高于连接到常规线路的设备，因为前者是由UPS或DG系统支持的。 尽管如此，高优先权负荷不管位于何地都得到冗余的配电基础设施的支 持。

本发明提供一种电力基础设施，它能够根据优先权系统来控制电力 线和与之相连的设备的电力分配和电力可用性。在一个示例性实施例中， 由高可用性供电单元(例如UPS、DG等)供应的高可用性电力“干线” 或电路选择性地向一个或多个灵活优先权电力线(总称为“电力支线”) 馈送电力。每条灵活优先权电力线可服务于单个设备、多个设备或整个场 地。可遥控开关或电源控制设备将干线连接到一条或多条灵活优先权线 路。例如，在正常运行状态下，开关可能是闭合的，从而向其相应的灵活 优先权线路提供高可用性电力。在发生特定事件时，控制器可向开关传送 信号，所述开关断开该电路，从而切断向其灵活优先权线路的高可用性供 电。
在本发明的一个实施例中，可根据可用的电力、与其他开关的相互 作用和/或所连接设备的相对重要性(例如保密性、通信、安全性、防护 等)，关于每个开关的相对优先权将所述每个开关进行分级。每个开关可 提供有关所有电源和负荷的信息，还可在建筑物或区域内提供动态“岛屿 化”或智能的、交互式“微网格”的创建。开关可由单个可编程控制器(例 如计算机)经由例如通信网络进行遥控。在另一个实施例中，可控开关可 直接被嵌入那些直接与电力干线连接的设备中。
以上相当粗略地概括了本发明的某些特点和技术优点，以便可以更 好地理解下文中的详细描述。下文中将描述其他特点和优点。借助本说明， 本领域的普通技术人员将会容易地认识到，这里公开的具体实施例可用作 修改或设计其他用于实现本发明同样目的的结构的基础。这些等效的结构 不脱离所附权利要求中提出的本发明的精神和范围。以下结合附图给出的 描述将会使读者更好地理解这里描述的若干发明性特点。然而，应当明确 理解的是，这些附图只是为了演示和描述的目的，并不是为了限制本发明。

为了更完全地理解本发明，现在参考下列附图，其中：
图1显示现有技术配电系统的框图；
图2显示根据本发明实施例的提供和管理具有灵活的负荷优先化的 高可用性电力基础设施的系统框图；
图3显示根据本发明实施例的具有故障保护的可遥控开关的电路图；
图4显示根据本发明实施例的具有故障保护和可控的超控电路 (override circuit)的可遥控开关的电路图；以及
图5显示适于实现本发明实施例的可编程计算机的框图。

图2显示根据本发明实施例的提供和管理具有灵活的负荷优先化的 高可用性电力基础设施的系统200的框图。公用电力线101向UPS 103供 电。这样，UPS 103从公用电力线101接收“常规”供电，并经由高可用 性干线201提供可靠的高可用性电源。在可替换的实施例中，可以使用任 何电源(例如DG单元)来替代UPS 103，或者除了UPS 103之外还可使 用任何电源。多个灵活优先权分支或线路206-208经由遥控开关203-205 连接到干线201。开关控制与监测中心202或者直接连线、通过无线，或 者通过经由电网传送的信号连接到每个开关203-205。此外，开关控制与 监测中心202可从干线201接收它自己运行所需的电力。
在一个实施例中，在正常运行状态下，可遥控开关203-205保持闭合， 从而允许电流从干线201流入灵活优先权线路206-208。每个灵活优先权 线路可以有与其相关联的优先权级。例如，可以将不同的优先权配置 (priority profile)编入每个开关203-205，或使其与每个开关203-205相 关联。这样，当开关206-208中的一个接收到来自开关控制与监测中心202 的优先权配置高于该开关的优先权配置的信号时，该开关断开，由此切断 向其相应的灵活优先权线路的高可用性供电。在这些情况下，每个灵活优 先权线路206-207可由公用电力线101支持，以向与之连接的较低优先权 的负荷提供常规电力。附加地或者可替换地，系统200可被设计成，例如 当燃料供应或电池储备达到临界水平时对减少的DG或UPS 103输出做 出响应。
尽管开关203-205被示为通/断开关，它们也可以是可控的功率限制 装置，例如可变限流器等。当使用功率控制设备代替开关203-205时，系 统200能够控制分配给每个灵活优先权线路的最大功率消耗。由此，系统 200不是完全切断低优先权线路，而是根据它们各自的优先权配置或者与 它们各自的优先权配置成比例地向每条线路(或设备)分配变化的功率量。
在本申请中，通篇使用术语“高或较高优先权负荷或设备”来标识 那些因其运行的相对重要性而必须优先得到电力供应的负载，(在需要时) 宁可损害对“低或较低优先权负荷或设备”的供电。如图2中所示，高优 先权设备209直接连接于干线201。较低优先权设备(图中未示出)可连 接到灵活优先权线路206-208之一，这取决于它们的重要性级别。在系统 200的一个实施例中，第一灵活优先权线路206的优先权高于第二灵活优 先权线路207，而第二灵活优先权线路207的优先权高于第三灵活优先权 线路205。
仍参考图2，第二优先权设备210经由内部开关211连接到干线201， 从而使它到干线201的通路可经由开关控制与监测中心控制。在这种情况 下，内部开关211可被嵌入设备210的电力输入电路，并可操作来无线地 或经由电力线与开关控制与监测中心通信。如本领域普通技术人员借助本 说明将会容易地理解的那样，系统200可以被添加到例如在图1中描述的 现存的基础设施上，以便有利地提供灵活的负荷优先化以及这里描述的其 他好处。
现在转到图3，图3显示根据本发明实施例的具有故障保护的可遥控 开关的电路图300。在这个实施例中，开关300可用作图2中显示的开关 203-205和/或211中的任何一个，并且可操作地将干线201连接到灵活优 先权线路206-208和/或设备210。示例开关300包括4个拨动开关(toggle switch)(S1-S4)、2个主控开关(MS1和MS2)以及3个电流传感器 (CS1-CS3)。开关300还包括开关控制模块301。开关控制模块301可包 括用于与开关控制与监测中心202交换信号的通信单元(图中未示出)以 及控制拨动开关S1-S4的操作的控制器。
在操作中，开关S1-S4保持相同的状态(即它们或者全部断开或者 全部闭合)。开关S1-S4的状态由开关控制模块301控制。主控开关MS1 和MS2可用于性能和可靠性测试，以及不管拨动开关S1-S4的状态如何 都通过迫使开关300或断开或闭合来提供正常状态超控功能。在图3所示 实施例中，主控开关MS1和MS2由人工操作。图4显示替选电路400， 其具有遥控超控模块401，用于遥控主控开关MS1和MS2。在替选实施 例(未示出)中，遥控超控模块401的功能可在开关控制模块301中实现。
下面给出的表I显示在各种S1-S4开关故障的情况下开关300和/或 400的总体功能：

表I 总体功能
上述参考图3和图4描述的实施例允许除了提供附加的故障保护之 外，在服务期间测试拨动开关S1-S4的功能。可预先制定服务中 (in-service)的测试计划。例如，开关控制与监测中心202可向开关控制 中心301发送“断开S4”命令以触发开关S1。如果S1按命令断开，则 电流传感器CS3向开关控制中心301报告电流增大，开关控制中心301 则向开关控制与监测中心202发送响应消息。电流传感器CS1-CS3还可 向开关控制与监测中心202报告能量使用状况，用于能量管理或任何其他 目的。
下面给出的表II显示基于拨动开关(S1-S4)状态的电流传感器 (CS1-CS3)状态：


表II 基于拨动开关状态的电流传感器状态
现在转到图5，图5显示根据本发明的实施例适于实现图2所示开关 控制与监测中心202的可编程计算机500的框图。中央处理单元(“CPU”) 501与系统总线502耦合。中央处理单元(“CPU”)501可以是任何通用 CPU。当然，本发明的实施例不受CPU 501的体系结构的限制，只要CPU 501支持这里所描述的发明性操作。总线502与随机存取存储器(“RAM”) 503耦合，后者可以是SRAM、DRAM或SDRAM。ROM 504也与总线 502耦合，ROM 504可以是PROM、EPROM或EEPROM。
总线502还与输入/输出(“I/O”)控制器卡505、通信适配器卡511、 用户接口卡508以及显示卡509耦合。I/O适配器卡505将存储设备506 (如一个或多个硬盘驱动器、CD驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器)连 接到计算机系统500。I/O适配器505还与打印设备(未示出)相连，所 述打印设备将允许系统打印输出诸如文件、照片、文章之类的信息。所述 打印设备可以是打印机(例如点阵、激光或其他类型打印机)、传真机、 扫描仪或复印机。通信卡511适用于将计算机系统500耦合于网络512， 所述网络512可以是一个或多个电话网、局域网(“LAN”)和/或广域网 (“WAN”)、以太网和/或因特网。用户接口卡508将用户输入设备(如键 盘513、指示设备507等)连接到计算机系统500。显示卡509由CPU 501 驱动以控制在显示设备510上的显示。
在一个实施例中，计算机500使用通信适配器511经由网络512向 开关203-205发送指令。或者，计算机500可包括遥控开关接口514，所 述接口可操作来经由总线515与图2所示的遥控开关203-205和/或211 交换消息、信号或指令。总线515可包括任何介质，如电源线(例如干线 201)、光纤、无线介质(即空气)、任何其他介质(例如双绞线、同轴电 缆等)。遥控开关接口514可包括例如具有能与开关控制模块301和/或401 通信的输入和输出(模拟或数字)通道的数据采集卡。
在操作中，计算机500与每个可遥控开关203-205和/或211单独地 或成组地进行通信。从计算机500发出命令消息以根据可遥控开关的优先 权配置来断开或闭合这些开关。在一个非限定性实例中，“优先权3”命 令使优先权配置为3或更低(即“优先权3”、“优先权4”、“优先权5” 等)的开关全部断开，而不影响具有较高优先权配置(即“优先权1”和 “优先权2”)的开关的操作。如果由于某种原因，可遥控开关203-205 中的任何一个均不能正确地响应来自计算机500的命令，则故障开关经由 总线515(或网络512)向计算机500报告这个问题。
在本发明的一个实施例中，计算机500执行允许用户监测和管理高 可用性基础设施的软件。例如，该软件可具有展现该基础设施的框图的图 形用户界面(GUI)，如图2中显示的框图。用户可使用该GUI向基础设 施的每个开关分配优先权配置。该软件还周期性地或根据请求或当达到临 界状态的时候(例如检测到故障开关)提供警报和报告。
用户可向开关203-205和/或211中的每一个分配优先权配置，例如 为了实现优化目标，如使运行时间、可用的DG燃料供应、UPS电池储 备、用于总体改善电负荷管理的峰值负荷缓解等方面实现最佳化。用户还 可以使用以自然语言定义的一套操作，以根据各自的要求和优先权来管理 和控制开关203-205和/或211。
在一个实施例中提供下列一套操作：(a)永不断开；(b)在失去公 用电力供给后瞬时断开；(c)在失去公用电力供给后n秒断开；(d)永不 接通正受到公用供电质量或电力缺失(瞬时公用电压降低或断电)威胁的 设备；(e)当单位电价超过给定值时断开；(f)根据公用供电命令响应信 号而断开；(g)根据分级优化信号改变(复位)遥控开关优先权，所述分 级优化信号包括燃料可用性、占用水平、安全威胁、通信需求等。
使用上述示例性操作器，可向每个开关分配例如1至5级的优先权 配置。例如，当用户希望一个开关永不断开时，则向该开关分配“优先级 1”。用户可向不能接通受到公用供电质量或供电缺失威胁的设备的开关分 配“优先级2”。当用户想在失去供电或在单位电价超过预设极限(例如 $200.00)2分钟后断开该开关，则可向该开关分配“优先级3”。当用户 想在失去供电或在单位电价超过$100.00达30秒后断开该开关，则可向该 开关分配“优先级4”。用户可向以下开关分配“优先级5”：所述开关在 失去供电或在单位电价超过$50.00后应立即断开。
用户可以任意地向每个开关或开关组分配优先级。此外，用户可以 创建、修改或定义优先级可基于的操作。附加地或替选地，开关控制与监 测中心202可被编程，以通过在无需用户更多输入的情况下调节开关 203-205和/或211的优先权配置，监测它们的操作状况来实现最优化。
上述功能和/或算法可以例如在软件中实现或被实施为软件和人工过 程的组合。软件可包含存储在计算机可读介质上的计算机可执行的指令， 所述计算机可读介质例如为存储器或其他类型的存储设备。此外，功能可 对应于模块，所述模块可以是软件、硬件、固件或它们的任意组合。多项 功能可按期望在一个或多个模块中完成，而所描述的实施例仅仅是举例而 已。软件可在数字信号处理器、微处理器、ASIC或其他类型处理器或控 制器上执行。
特别是鉴于上述情况，本领域普通技术人员将会容易地理解，本发明 与现有技术相比有许多优点。例如，如图1所示的现有技术系统需要两个 昂贵的单独配电线路。而且，设计两个单独的配电线路需要长期的计划而 且几乎没有在将来进行改变的灵活性。此外，因为常规配电线路通常与高 优先权线路一起走线，不熟练的用户往往将常规负荷连接到高优先权线 路，从而压垮DG和UPS单元，由此降低了高优先权基础设施的质量。 反过来，高优先权负荷也可能无意中被连接到常规线路，从而将重要设备 置于危险之中。
与此同时，本发明的系统和方法允许使用灵活的供电优先权原则来 供电，这些原则避免了对冗余电力线的需要。本发明还允许使用小的、经 济的DG和UPS系统来满足信息、安全、防卫以及电信业界的很高的要 求。此外，本发明成功地解决了在紧急状态下对公共设施至关重要的可靠 供电的需求；本发明还避免了可能会导致断电或服务中断的有害的需求高 峰；降低了电网运行中所涉及的安全危险；改善了电网可靠性和效率；还 减小了对高成本的“必须运行的(must-run)”发电机的依赖。如本领域 普通技术人员借助本公开的说明将会容易理解的那样，根据本发明的系统 还可以有利地适合于现存的基础设施，从而允许标准电力线支持灵活的高 可用性的电力基础设施。
尽管这里已经详细地描述了本发明的某些实施例以及它们的优点， 但应该理解，可以做出各种改变、替换和变换而不离开所附权利要求定义 的本发明的精神和范围。再有，本发明的范围并不限于这里描述的过程、 机器、制造、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员根据 本说明将会容易地理解，根据本发明，也可使用现有的和今后将会开发出 来的基本上实现这里描述的相应实施例的同样功能或达到基本相同的结 果的其他过程、机器、制造、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意 欲在其范围内包括这样的过程、机器、制造、装置、方法或步骤。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年2月6日提交的发明名称为“DISTRIBUTED SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING LOADS TO MEET ELECTRIC POWER AVAILABILITY AND POWER QUALITY(管理负 荷以满足电力可用性和电力质量的分布式系统和方法)”的序列号为 60/765,770的美国临时申请的优先权，所述申请的公开内容通过引用结合 于此。