CN114616736A - 能量管理***和方法 - Google Patents

Abstract

一种能量管理***与自动化***交互操作，以提供对家庭或其他环境中基本上所有耗电、发电和电力存储设备的集成控制。能量管理***提供可配置的能量管理场景，其中一个或多个值——各自表示期望的操作条件——与家庭、商业或其他环境的一些或所有负载相关联。可以针对不同的环境条件配置不同的能量管理场景，所述不同的环境条件除其他之外尤其包括季节、星期几、一天中的时间、电网状态、电池条件和发电机条件。

Description

能量管理***和方法

发明背景

发明领域。

本发明总体上涉及电力领域，并且更具体地涉及用于结合家庭自动化环境管理电力消耗的***和方法。

背景信息

电力公用事业故障期间的电力管理通常是固定的或随意的，并且在管理对负载的可用辅助电力方面通常缺乏灵活性。通常，关键负载是预先确定的并且被硬连线到发电机，而没有在需求出现时自动或手动将电力重新分配给其他负载的能力。

因此，在当本地电网不可用时向负载提供灵活的电力分配方面存在价值。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种能量管理***与自动化***交互操作，以提供对家庭或其他环境中基本上所有耗电、发电和电力存储设备的集成控制。能量管理***提供可配置的能量管理场景，其中一个或多个值——各自表示期望的操作条件——与家庭、商业或其他环境的一些或所有负载相关联。与给定负载相关联的值本质上可以是二元的（例如，开/关）、绝对的（例如，温度）或相对的（例如，最大速度或亮度的50%）。用户或安装者可以配置对应于不同环境条件的不同能量管理场景，所述环境条件除其他之外还包括季节、星期几、一天中的时间、电网状态、电池充电状态和发电机条件。

根据本发明的另一方面，被认为是关键负载的负载（即，即使在电网关断或紧急条件下也应当保持供电的负载）可以被分配反映该负载与其他负载相比的相对重要性的排名。使用排名以及其他标准（诸如电池条件、发电机条件、环境温度、一天中的时间等），能量管理***可以动态地管理负载以得到最佳的整体效果。例如，诸如包含冷冻食品的冷冻机之类的负载通常将被分配高排名。假设存在来自电池或其他可获得的替代源的足够电力，能量管理***可被配置为给冷冻机连同其他高排名负载（例如，安全***）供电，而不给诸如洗衣机或洗碗机之类的较低排名负载供电。

根据本发明的另一方面，如果没有足够的电力可用于供应所有最高排名的负载，则能量管理***可配置为向下选择那些负载的子集（或者甚至单个负载）。替代地，能量管理***可配置为通过动态管理最高排名的负载来节省可用电力。例如，能量管理***可以被配置为间歇地给冷冻机供电，从而在维持足够冷的温度以保存食物的同时节省能量。

根据本发明的另一方面，一旦配置了能量管理场景，最初与给定负载相关联的值就可以通过用户输入动态地改变。例如，包括变速吊扇作为负载的能量管理场景可以配置有表示最大风扇速度的50%的值。通过用户输入设备、诸如运行适当应用的智能电话，用户可以命令能量管理***增加或降低吊扇的速度。以类似的方式，用户一般而言可以命令改变包括在能量管理场景中的任何负载。

根据本发明的另一方面，可以恢复能量管理场景，使得可以恢复公用事业断电之前的初始条件，从而撤销动作。主要是场景中包括的每个负载返回到场景激活之前存在的基本相同的操作状态。

附图说明

下面的发明描述参考了附图，其中：

图1是根据本发明实施例构造的能量管理***的框图；

图2是图示了用于与图1的能量管理***一起使用的能量管理场景的配置的流程图；

图3A-3C是描绘图1的能量管理***的不同操作状态的用户接口的屏幕表示；

图4是描绘图1的能量管理***响应于电网故障的操作的流程图；和

图5是图示了用户输入设备可以如何用于在能量管理场景中命令改变负载的操作状态的框图。

具体实施方式

图1示出了能量管理***100的框图。广域网（WAN）102支持与用户控制设备104、自动化主机108、动态负载管理器110和面板桥控制器120的双向（有线或无线）通信。不间断电源（UPS）106向自动化主机108和动态负载管理器110提供电力。类似地，UPS 118向面板桥控制器120和智能能量监视器122提供电力。自动化主机108和动态负载管理器110两者都支持与用户控制设备112的双向通信。

能量存储***（ESS）现场控制器114支持与自动化主机108、动态负载管理器110以及ESS 116的双向通信。如本领域技术人员将理解的，ESS可以包括控制***来调节能量存储装置的再充电以及能量的输送。断路器面板124与ESS 116、一个或多个逆变器128、自动转换开关132和负载126耦合。断路器面板124支持与面板桥控制器120和智能能量监视器122的双向通信。太阳能电池阵列130耦合到逆变器128。本地电网134和发电机136耦合到自动转换开关132。值得注意的是，智能断路器可以在一个或多个面板中实现，使得与桥控制器和智能能量监视器通信的智能组件可以位于第一面板中，并且停止（中断）电流的直接实际电力中断器可以位于第二面板中，以满足条例遵从性。

WAN 102可以用专用广域网、互联网或提供具有必要带宽、安全性和兼容性的网络连接性以使能实现与用户控制设备104和112的通信的其他网络来实现。用户控制设备104和112可以用智能电话、平板计算机、计算机或运行与能量管理***100兼容的用户控制应用（未示出）的任何数量的其他商业可用设备来实现。如本文所使用的，用户控制设备104和112可以指代通用电子设备，其各自具有处理器，该处理器执行软件、包括通用操作***，并且操控在具有用于存储软件和数据结构的位置的存储器（例如，永久或易失性存储器）中维护的数据结构。在一个或多个实施例中，诸如平板计算机（例如，诸如运行iOS® 操作***的iPad® 平板计算机之类的计算机）和智能电话（例如，运行iOS® 操作***的iPhone®智能电话或运行Android® 操作***的Android® 智能电话）之类的设备被认为是用户控制设备。此外，每个用户控制设备104和112可以包括显示屏（例如，触敏显示屏）并且可以执行应用，例如控制应用，其向用户呈现用户接口（UI），并且例如通过WAN 102向自动化主机108中继控制命令。控制应用可以利用控制软件开发工具包，除了其他功能性之外，该工具包还提供了用于查询自动化主机108的配置数据库以及与主机108的场景引擎交互的方法，这在本文中进一步描述。

在实施例中，动态负载管理器110和自动化主机108被配置为管理能量管理***100中的功耗和/或其他高级控制功能。为此，动态负载管理器110和自动化主机108可以包括处理器，该处理器被配置为执行软件并操控存储器（例如，永久或易失性存储器）中维护的数据结构，该存储器具有用于存储软件和数据结构的位置。数据结构可以包括配置数据库（例如，被结构化为诸如结构化查询语言数据库的关系数据库），其可以利用逻辑表示来描述能量管理***100及其设备的配置，以及维护其他类型的信息。动态负载管理器110和自动化主机108还可以包括接口，所述接口包含与UPS 106、微电网控制器114、用户控制设备104和112、面板桥控制器120和智能能量监视器122连接和通信所需的机械、电气和信令电路。自动化主机108可以基于商业上可从Savant Systems，LLC获得的主机来实现。动态负载管理器110可以以类似于上面并入的申请号15/706，145中描述的“房屋电力控制器”的方式来实现。虽然例如被图示为单独的设备，但是由动态负载管理器110执行的一些或所有功能可以由自动化主机108执行。

微电网控制器114可以基于商业上可从ELM FieldSight，LLC获得的微电网站点控制器来实现。ESS 116可以表示一个或多个商业上可获得的大容量电池（未示出）或其他商业上可获得的能量存储设备。在其他特征和能力中，动态负载管理器110被配置为管理微电网控制器114，以从ESS 116向能量管理***100的组件动态地提供电力（根据需要）。

面板桥控制器120和智能能量监视器122可以以类似于申请号15/706，145中描述的“看门人收发器”的方式来实现。断路器面板124可以以类似于申请号15/706，145中描述的方式使用常规断路器和“智能断路器”的组合来实现。在实施例中，面板桥控制器120和智能能量监视器122被配置为通过WAN 102与自动化主机108或其他无线设备（诸如用户控制设备104）交换（传输和接收）消息，以控制断路器面板124中的断路器的操作。

UPS 106和118、逆变器128、太阳能电池阵列130、自动转换开关132和发电机136可以各自用来自各种来源的商业可获得装备实现。在实施例中，逆变器128被配置为将DC转换成AC，并且可以包括内部断连装置，该内部断连装置起作用来在电力断连时隔离太阳能电池阵列130。替代地，可以在逆变器128和断路器面板124之间提供单独的断连装置或AC组合器总线（未示出）。自动转换开关132被配置为使得发电机136和/或本地电网134能够经由断路器面板124向负载126供应电力。负载126表示家庭或其他环境的耗电负载（例如，设备、电器等）。本地电网134表示由公用事业运营的本地电网。

一般而言，能量管理***100操作以管理家庭或其他环境中基本上所有的耗电（例如，负载126）、发电（例如，太阳能电池阵列130、本地电网134、发电机136）和电力存储（例如，ESS 116）设备。为了便于这样的管理，在能量管理***100的自动化主机108上执行的软件可以包括场景引擎506（图5），该场景引擎506与服务请求处置器502和配置数据库508协作，以创建和提供可配置的能量管理场景，该能量管理场景指定一个或多个负载的期望操作条件，如本文进一步描述的。说明性地，能量管理场景可以体现为宏或计算指令，其被配置为以预定义的方式控制服务或设备的集合。在一个或多个实施例中，能量管理场景可以维持在组织为场景对象的数据结构中，场景对象由在能量管理***上执行的场景引擎506使用。每个能量管理场景可以通过捕获服务或设备的当前操作状态（例如，使用捕获命令）来定义，以构建一组当前***状态，该组当前***状态被组织为被创建（例如，使用创建命令）并持久存储在配置数据库中的相应场景对象。

图2是示出了用于配置供能量管理***100执行的能量管理场景200的方法的流程图。在步骤202处，能量管理场景的配置通过例如创建能量管理场景的场景对象开始。接下来，在步骤204处，名称与负载相关联，该负载将被包括在能量管理场景的场景对象中。在实施例中，属性（诸如名称、关键排名、指示器、设定点、负载组、负载图标、自动化服务）与负载的关联可以通过将属性存储在场景对象中以用于根据能量管理场景进行处理来实现。这随后是步骤206，其中至少一个值与步骤204中指名的负载相关联。该值表示能量管理场景的场景对象内的相关联负载的期望操作条件。因此，该值本质上可以是二进制的（例如，开/关）、绝对的（例如，温度）或相对的（例如，最大速度或亮度的50%）。

接下来，在步骤208处，将关键性排名与步骤204中指名的负载相关联。一般而言，在没有足够的可用电力来为能量管理场景中包括的所有负载供电或完全供电的条件下，关键性排名越高，负载将被给予的优先级就越高。这随后是步骤210，其中指示器和设定点可以与步骤204中指名的负载相关联。该指示器表示负载是否是间歇供电的候选，并且如果是，则设定点可以用作确定多么频繁地向负载供应电力的参考。作为间歇供电的候选的负载示例是冰箱、冷冻机、水泵、热水器、泳池泵和泳池加热器。

接下来，在步骤212，在步骤204中指名的负载可以与负载组（例如，照明、HVAC）相关联。在步骤214处，在步骤204中指名的负载可以与负载图标相关联。负载组和图标在用户接口显示和整体操作方面提供了更大的便利和易用性。

在步骤216处，在步骤204中指名的负载可以与由自动化主机108（图1）控制的一个或多个自动化服务相关联。这样的关联可以用于通知自动化主机108给定负载是否处于支持特定自动化服务所必需的操作条件下。例如，如果自动化服务要求开启特定的电视，则在步骤216处的关联可以通知自动化主机108连接到电视的电源插座是否通电。

接下来，在步骤220处，进行是否有另一负载要包括在能量管理场景的场景对象中的确定。如果是，则该方法返回到步骤204。如果不是，则能量管理场景配置完成222。

使用方法200，可以配置各种能量管理场景来解决不同的条件。对于典型的环境，存在四个能源管理场景，它们一起可以解决大多数环境条件：“正常”、“省钱”、“关键负载”和“孤岛”。顾名思义，“正常”能量管理场景可以在电力可容易从本地电网获得、人们存在于家庭或其他环境中并且没有检测到紧急条件时是活动的。一般而言，当“正常”场景活动时，负载不由能量管理***100动态管理。

可以通过利用大多数电力公用事业使用的分时定价（例如，高峰定价比对非高峰定价）来降低公用事业成本。在“省钱”能量管理场景中，取决于ESS 116的状态（例如，电池条件），能量管理***100可以在高峰定价期间使用来自ESS 116的电力来供应负载。相反，本地电网134可以用于在非高峰定价期间给负载供电（并给ESS 116中的电池充电）。

在本地电网134（图1）关断的情况下，“关键负载”能量管理场景可能是适当的。在该场景中，使用来自ESS 116、太阳能电池阵列130和发电机136的可用电力，仅具有最高关键性排名的负载（即，指定负载）被供电。这样的负载可以通常包括安全***、冰箱和冷冻机，以及用于安全的最小照明。通过断路器面板124中的智能断路器的动作，具有较低关键性排名的其他负载（即，未指定的负载）被断连，并且不被供电。可以针对不同的季节或其他变化的条件配置不同的“关键负载”能量管理场景。

“孤岛”能量管理场景适用于当用户自愿从本地电网134断连同时继续使用专门来自ESS 116、太阳能电池阵列130和发电机136的电力为所有负载供电的情景。

图3A示出了用于控制能量管理***100的用户接口的屏幕表示300。屏幕表示300可以显示在例如用户控制设备104、112（图1）的触敏显示器上。如图3A中所示，电网可用性状态302提供了本地电网134可用于供应电力的视觉指示。此外，电网附接状态308提供了自动转换开关132处于将本地电网134和断路器面板124连接——这又为负载126供电——的位置的视觉指示。用户可以通过按压按钮304来激活先前配置的“正常”能量管理场景。替代地，用户可以通过按压按钮306来激活先前配置的“省钱”能量管理场景。作为另外的替代，用户可以通过按压按钮310来激活先前配置的“孤岛”能量管理场景。

如图3B中所示，在按压按钮310之后，屏幕表示320示出“孤岛”能量管理场景是活动的，并且电网附接状态312提供断路器面板124现在与本地电网134断连的视觉指示（即使根据电网可用性状态302本地电网134是可用的）。

图3C示出了屏幕表示322，其中电网可用性状态302指示本地电网134不可用。用户可以通过按压按钮314来激活先前配置的“关键负载”能量管理场景。发电机状态316指示发电机136（图1）关闭。电池充电状态（SOC）指示器318示出剩余的电池电荷和在当前负载水平下剩余的电力小时数的估计。

图4图示了用于能量管理***100响应电网故障的方法400。虽然电网故障在图4中被示为触发事件，但是应当理解，能量管理***100一般而言可以被灵活地配置为在运行时期间对其他电网相关事件或可以由***100或与***100通信的其他设备检测到的其他事件（例如，操作状态的改变）做出响应。在步骤402处，能量管理***100确定本地电网134可用并且通过自动转换开关132连接到断路器面板124。接下来，在步骤404处，进行本地电网134是否已经发生故障并关断的检查。如果是，则方法400前进到步骤406，并且进行能量管理***100的配置的改变是否适当的确定。如果将不进行配置方面的改变，则方法400前进到步骤408，其中在用户控制设备104、112上显示类似于图3C的屏幕表示322的屏幕表示。如果将进行配置方面的改变，则方法400前进到下面讨论的步骤430。

接下来，在步骤410处，通过屏幕提示，询问用户是否激活“关键负载”能量管理场景。如果不是，则方法400前进到步骤412，并且能量管理***100保持在“正常”能量管理场景中。如果是，则方法400前进到下面讨论的步骤430。

在步骤414处，进行电池SOC是否小于20%的确定。如果不是，则方法400循环到步骤412。如果是，则方法400前进到步骤416，在步骤416处，屏幕提示建议用户，在没有超控的情况下，能量管理***100将很快激活“关键负载”能量管理场景，以节省剩余的电池电力。如果发生用户超控，方法400循环到步骤412，并继续给所有负载供电。

如果在步骤416处没有用户超控，则方法400前进到步骤430，并激活“关键负载”能量管理场景。接下来，在步骤432处，进行用户是否已经请求关闭或开启负载的确定。如果不是，则方法400循环到步骤430。如果是，则方法400前进到步骤434，其中进行用户请求的负载是否超过能量预算的确定。如果是，则在步骤440处拒绝用户的请求。如果不是，则在步骤436处进行所请求的负载是否在预定的过去时间段内改变了状态的确定。如果是，则在步骤440处拒绝用户的请求。如果不是，则在步骤438处准许用户的请求。

回到步骤404，如果进行了本地电网134已经关断的确定，则方法400前进到步骤418，其中进行用户是否按压按钮（即，图3A的按钮310）来选择“孤岛”能量管理场景的确定。如果不是，则方法400循环到步骤402。如果是，则方法400前进到步骤420，其中类似于图3B的屏幕表示320的屏幕表示被显示在用户控制设备104、112上。接下来，在步骤422处，进行本地电网134是否仍然不可用的确定。如果是，则方法400循环到步骤406。如果不是，则方法400前进到步骤424，以确定用户是否按压按钮（即，图3A的按钮310）来停用“孤岛”能量管理场景。如果是，则方法400循环到步骤402。如果不是，则方法400前进到步骤426以确定电池SOC是否小于20%。如果不是，则方法400循环到步骤420。如果是，则方法400循环到步骤402。

图5是图示了用于在能量管理场景中通过改变与负载相关联的值来改变负载的操作状态的方法的框图。与作为能量管理场景的一部分的负载相关的服务请求500通常由用户对用户控制设备104、112（图1）的输入生成。服务请求500可以表示各种各样可能的动作中的任何一种，所述动作除其他之外还包括恒温器温度改变或灯亮度改变。

自动化主机108的服务请求处置器502接收服务请求500，该服务请求处置器502识别服务请求与能量管理场景中的负载相关。作为响应，服务请求处置器502向场景引擎506发出请求504，以执行特定的能量管理场景。进而，场景引擎506从先前存储场景对象的配置数据库508中获取服务请求500所涉及的能量管理场景的场景对象。接下来，场景引擎506获取当前***状态510，其包括每个负载的当前操作状态，每个负载是场景引擎506正在执行的能量管理场景的场景对象的一部分。

基于当前***状态510（对于具有本质上相对的相关联值的负载）或伴随服务请求500的值（对于具有本质上绝对的相关联值的负载），场景引擎506生成一个或多个服务请求512，当服务请求512被传送到服务请求处置器502并由服务请求处置器502处理时，将实现用户意图的负载操作条件的改变。例如，假设用户通过用户控制设备104、112录入伴随服务请求500的新的期望温度（即，与智能恒温器相关联的新的绝对值）。响应于服务请求500而生成的服务请求512将直接或间接地命令智能恒温器达到新的期望温度。

前面的描述针对本发明的具体实施例。然而，将清楚的是，可以在得到所描述的实施例的一些或全部优点的情况下对它们进行其他变型和修改。例如，明确设想到，本发明的教导可以实现为软件——包括具有在计算机上执行的程序指令的计算机可读介质、硬件、固件或其组合。因此，该描述将仅作为举例进行考虑，并不以其他方式限制本发明的范围。因此，所附权利要求的目的是覆盖所有这样的落入本发明的真实精神和范围内的变型和修改。

Claims (20)

1.一种用于控制房屋能量管理***的方法，包括：

通过确定房屋能量管理***的配置从正常配置的改变是否适当来响应本地电网故障，其中房屋的负载不受能量管理***管理；

响应于确定从正常配置的改变不适当，向用户显示房屋的当前负载的运行时容量；和

响应于确定将配置改变为关键，当能量管理***批准关闭用户请求的负载时，交互式地更新房屋的当前负载的运行时容量的显示，其中当（i）相应负载超过能量预算和（ii）相应负载在预定的过去时间段内改变状态中的一个或多个时，拒绝批准关闭每个负载。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

响应于确定为负载供电的能量存储容量小于20%，向用户显示在没有超控的情况下到关键的配置改变。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

响应于用户没有超控，关闭未指定的负载。

4.根据权利要求3所述的方法，其中防止用户开启未指定的负载。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

响应于当本地电网可用时确定改变配置以节省能量，在本地电网的高峰定价期间从能量存储***供应房屋的一个或多个负载。

6.根据权利要求1所述的方法，其中根据关键性排名来管理一个或多个负载。

7.根据权利要求6所述的方法，其中根据关键性排名管理的一个或多个负载进一步包括：

基于与根据关键性排名来管理的所述一个或多个负载中的第一负载相关联的设定点，间歇地向所述第一负载供应电力。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将自动化服务与第一负载相关联，以通知房屋能量管理***第一负载是否处于支持自动化服务的操作条件下。

9.根据权利要求8所述的方法，其中自动化服务控制向第一负载供应电的电源插座。

10.根据权利要求1所述的方法，其中供应给一个或多个负载的电力由与房屋能量管理***通信的智能断路器控制。

11.一种***，包括：

具有处理器和存储器的房屋能量管理***，所述处理器被配置为：

通过确定房屋能量管理***的配置从正常到关键的改变是否适当来响应本地电网故障，其中房屋的负载在正常配置中不受管理，并且其中房屋的负载在关键配置中由能量管理***管理；和

响应于确定从正常配置到关键配置的改变是适当的，向用户显示房屋的当前负载的运行时容量，并且当能量管理***批准关闭用户请求的负载时，交互式地更新房屋的当前负载的运行时容量的显示，其中当（i）相应负载超过能量预算和（ii）相应负载在预定的过去时间段内改变状态中的一个或多个时，拒绝批准关闭每个负载。

12.根据权利要求11所述的***，其中，所述能量管理***的处理器进一步被配置为与用户控制设备通信，以显示房屋的当前负载的负载的运行时容量。

13.根据权利要求12所述的***，其中，所述能量管理***的处理器进一步被配置为响应于确定从正常配置到关键配置的改变是适当的，关闭未指定的负载。

14.根据权利要求13所述的***，其中，所述能量管理***的处理器进一步被配置为防止用户开启未指定的负载。

15.根据权利要求11所述的***，其中，所述能量管理***的处理器进一步被配置为根据关键性排名来管理一个或多个负载。

16.根据权利要求15所述的***，其中，被配置为根据关键性排名来管理所述一个或多个负载的所述能量管理***的处理器进一步被配置为：

基于与根据关键性排名来管理的所述一个或多个负载中的第一负载相关联的设定点，间歇地向所述第一负载供应电力。

17.根据权利要求11所述的***，其中，所述能量管理***的处理器进一步被配置为：

将自动化服务与第一负载相关联，以通知房屋能量管理***第一负载是否处于支持自动化服务的操作条件下。

18.根据权利要求8所述的***，其中自动化服务控制向第一负载供应电的电源插座。

19.根据权利要求1所述的***，其中供应给一个或多个负载的电力由与房屋能量管理***通信的智能断路器控制。

20.一种具有程序指令的非暂时性计算机可读介质***，所述程序指令被配置为：

通过确定房屋能量管理***的配置从正常的改变是否适当来响应本地电网故障，其中房屋的负载在正常配置中不受能量管理***管理；

响应于确定从正常配置的改变不适当，向用户显示房屋的当前负载的运行时容量；和

响应于确定将配置改变为关键，当能量管理***批准关闭用户请求的负载时，交互式地更新房屋的当前负载的运行时容量的显示，其中当（i）相应负载超过能量预算和（ii）相应负载在预定的过去时间段内改变状态中的一个或多个时，拒绝批准关闭每个负载。

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