一種具有低頻切負荷功能的220V智能插座及其工作方法與流程

2023-08-09 06:14:26 2

本發明屬於電力系統低頻切負荷技術領域，尤其涉及一種具有低頻切負荷功能的220v智能插座及其工作方法。

背景技術：

在能源革命的推動下，風力發電、光伏發電等間歇性可再生能源發電的大量接入對電網運行特性造成了很大影響，配電網側電力系統動態行為愈加複雜，頻率穩定性更加難以控制。

低頻減載：當系統遭受大擾動時，往往會出現供、用電有功功率不平衡的情況，為防止電力系統出現頻率崩潰，當電力系統因發電和用電負荷的需求之間出現缺額而引起頻率下降時，按照事先整定的動作頻率值，依次將系統中預先安排好的一部分次要負荷切除，從而使系統有功功率重新趨於平衡，頻率得到回升。在我國，低頻減載動作一般分為5～6輪，第一輪的起動頻率整定在48.5～49.1hz，最後一輪為47.0～47.5hz。

現有的自動低頻減載裝置作為電力系統安全穩定自動控制的最後一道防線，當系統中出現有功功率缺額引起頻率下降時，根據頻率下降的程度，自動斷開一部分不重要的用戶，阻止頻率下降，以使頻率迅速恢復到正常值，保證重要用戶供電的可靠性。自動低頻減載裝置雖然能滿足頻率穩定性的控制要求，但是，裝置一般安裝於發電廠和變電站，用以監測多條支路，一旦出現問題，影響範圍很大，同時，由於複雜的結構和成本等原因，並沒有在220v低壓側安裝。

低壓側220v插座的通斷由安裝在用戶側的空氣開關控制，當發生嚴重過載或短路故障時，空氣開關主觸點斷開，進而使與空氣開關相連的各條支路插座斷開，實現控制和保護功能。因此，現有的220v插座並不能通過自動通斷而達到低頻切負荷的目的。

綜上所述，亟需一種具有低頻切負荷功能的220v智能插座，通過自動通斷而達到低頻切負荷的目的來保障用戶供電的可靠性。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種具有低頻切負荷功能的220v智能插座，該插座能在電網頻率下降嚴重時自動切掉負荷，達到保護用電設備的目的。

本發明的一種具有低頻切負荷功能的220v智能插座，包括：

電網單相電輸入接口，其用於採樣基於時鐘同步信號的電網交流電壓信號並依次經電壓互感器和a/d轉換模塊傳送至數位訊號處理器；所述數位訊號處理器與繼電器相連，所述繼電器與插孔金屬片相連；

所述數位訊號處理器被配置為：

讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值；

將實時頻率值與設定頻率值比較，進而向繼電器發出開閉控制信號來斷開或恢復插座電源的供電，以實現是否切負荷。

進一步的，所述數位訊號處理器還被配置為：

當實時頻率值等於或低於設定頻率值時，向繼電器發出斷開控制信號而斷開插座電源，完成切負荷；

當實時頻率值回升至設定頻率值以上時，經過預設時間延時後，向發出繼電器發出閉合控制信號，恢復插座電源的供電。

本發明的智能插座能夠在低壓側實時監測電力系統的頻率，在頻率下降較為嚴重時，斷開插座供電，切除負荷，很大程度上保護了用電設備。

進一步的，所述數位訊號處理器還被配置為：

當恢復插座電源的供電後，若實時頻率值高於設定頻率值時，繼電器不動作。

進一步的，所述數位訊號處理器還被配置為：

使用遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量，根據相位與電網頻率的關係，求得頻率偏差，並與標準頻率值相加，得到一次頻率估計值；

基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構；

對讀取的a/d轉換模塊最新採樣的電信號進行遞推離散傅立葉變換計算得到新的頻率偏差，並與一次頻率估計值相加，得到二次頻率估計值，即得到最終的電網實時頻率。

本發明採用基於遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量，進而得到一次頻率估計值；再基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構計算出電網頻率，極大提高了頻率計算的精確度，減小了裝置誤動作機率。

進一步的，所述繼電器為雙刀單擲繼電器；所述雙刀單擲繼電器是插座的開關，用以控制火線與零線的通斷。

本發明還提供了具有低頻切負荷功能的220v智能插座的工作方法。

本發明的具有低頻切負荷功能的220v智能插座的工作方法，包括：

電網單相電輸入接口採樣基於時鐘同步信號的電網交流電壓信號並依次經電壓互感器和a/d轉換模塊傳送至數位訊號處理器；

數位訊號處理器讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值；將實時頻率值與設定頻率值比較，進而向繼電器發出開閉控制信號來斷開或恢復插座電源的供電，以實現是否切負荷。

進一步的，在將實時頻率值與設定頻率值比較的過程中，當實時頻率值等於或低於設定頻率值時，向繼電器發出斷開控制信號而斷開插座電源，完成切負荷；

當實時頻率值回升至設定頻率值以上時，經過預設時間延時後，向發出繼電器發出閉合控制信號，恢復插座電源的供電。

進一步的，當恢復插座電源的供電後，若實時頻率值高於設定頻率值時，繼電器不動作。

進一步的，數位訊號處理器讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值的具體過程為：

計算當前電信號的電壓相量，根據相位與電網頻率的關係，求得頻率偏差，並與標準頻率值相加，得到一次頻率估計值；

基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構；

對讀取的a/d轉換模塊最新採樣的電信號進行遞推離散傅立葉變換計算得到新的頻率偏差，並與一次頻率估計值相加，得到二次頻率估計值，即得到最終的電網實時頻率。

進一步的，使用遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明智能插座能夠在低壓側實時監測電力系統的頻率，並在插座中添加繼電器，當電網頻率低於設定值時，頻率監測模塊發出信號動作於繼電器觸點，使插座斷電，實現低頻切負荷。並在頻率回升到設定值之上且經過一定延時後恢復插座電源供電，很大程度上保護了用電設備。

(2)本發明採用基於遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量，進而得到一次頻率估計值；再基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構計算出電網頻率，極大提高了頻率計算的精確度，減小了裝置誤動作機率。

(3)相對於由複雜硬體結構組成的專用低頻減載裝置，本發明將低頻減載功能集中於220v插座內，節省了空間且降低了成本，適於在220v側廣泛安裝，與高壓側自動低頻減載裝置相配合，為提高電力系統頻率穩定性提供了保障。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明智能插座的硬體結構圖；

圖2是數位訊號處理器主程序流程圖；

圖3是頻率計算流程圖；

圖4是重構流程圖；

圖5是定時器中斷處理流程圖。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

圖1是本發明智能插座的硬體結構圖。

如圖1所示，本發明的一種具有低頻切負荷功能的220v智能插座，包括：

電網單相電輸入接口，其用於採樣基於時鐘同步信號的電網交流電壓信號並依次經電壓互感器和a/d轉換模塊傳送至數位訊號處理器；所述數位訊號處理器與繼電器相連，所述繼電器與插孔金屬片相連；

所述數位訊號處理器被配置為：

讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值；

將實時頻率值與設定頻率值比較，進而向繼電器發出開閉控制信號來斷開或恢復插座電源的供電，以實現是否切負荷。

本發明的具有低頻切負荷功能的220v智能插座，還包括電源模塊、驅動晶片和顯示屏。

其中，電源模塊為各晶片提供所需直流電源。例如：電源模塊為各晶片提供5v直流電源。

電網單相電輸入接口既作為電源模塊的輸入端，又作為採樣信號的輸入接口。電網單相電輸入接口用於接入單相交流電信號，額定輸入信號為220v。

在本實施例中，a/d轉換模塊採用ad轉換晶片來實現。

電壓互感器將接入的交流電壓變換成適合接入ad轉換晶片的交流電壓。

ad轉換晶片將電壓互感器輸出的電壓信號轉換成數位訊號並將數位訊號存儲在晶片內，完成對電壓的採樣，數位訊號處理器以並行方式讀取ad轉換晶片存儲的數位訊號。本發明選用型號為ad7606的ad晶片，為8通道16位真雙極性模數轉換晶片，內置模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器，可對輸入交流信號進行良好的濾波。

其中，顯示屏選用液晶顯示屏為例：液晶顯示屏能夠實時顯示電網頻率和時間等信息。液晶顯示模塊選用12864液晶顯示屏，用以實時顯示頻率動態信息。

數位訊號處理器主要完成頻率的計算、繼電器動作信號的發出、液晶顯示屏的控制，除此之外，數位訊號處理器還要處理gps發出的秒中斷信號、ad晶片的採樣中斷信號，是整個智能插座的核心晶片。本發明選用ti公司型號為tms320f28335的32位浮點型dsp，具有成本低、功耗小、性能高、外設集成度高等優點，可滿足本發明的需求。

驅動晶片用於將數位訊號處理器輸出的信號進行放大，提供雙刀單擲繼電器線圈所需的大電流，進而驅動繼電器觸點動作，本發明選擇達林頓電晶體組驅動晶片。

繼電器為雙刀單擲繼電器；所述雙刀單擲繼電器是插座的開關，用以控制火線與零線的通斷。雙刀單擲繼電器作為開關量輸出電路的重要元件，本發明將其用於控制智能插座中火線和零線的通斷，具體選擇的觸點類型為常閉。

其中，數位訊號處理器主程序流程圖如圖2所示，包括：各模塊初始化、等待時鐘同步信號、控制ad晶片完成模數轉換、讀取ad數據並進行頻率計算、將計算值與設定值49.5hz比較並決定是否切負荷。

頻率計算流程圖如圖3所示。設頻率更新次數為cal_num且cal_num初始值為0，設當前頻率估計值為fold且fold初始值為50hz，該頻率下的每周波採樣個數為n，具體的頻率計算步驟如下：

(1)設採樣序列為v[m+n]，m+n為採樣序列長度，m、n均為正整數。

(2)運用遞推離散傅立葉相量分析法由v[m+n]計算出相位序列θ[m]，相位序列長度為m。

(3)運用下列公式

δθ(n)＝θ(n)-θ(0)，n＝0，1，......，m-1

計算得到相位差序列δθ[m]，相位差序列長度為m；

(4)設相位差是一個定常二次方程δθ(k)＝a0+a1k+a2k2，a0、a1、a2

為常數係數，運用下列公式

簡寫為δθ＝xa

計算得到係數矩陣a＝[xtx]-1xtδθ，其

(5)計算頻率偏差其中k＝m；

(6)最新頻率估計值為fnew＝fold+δf；

(7)fold＝fnew；

(8)頻率更新次數加1，即cal_num＝cal_num+1。如果cal_num等於2，則結束頻率計算，計算結果為最新頻率估計值fnew，如果cal_num小於2，則進入步驟(9)。

(9)以最新頻率估計值fnew為基礎，對採樣序列進行波形的自適應重構，得到最新頻率估計值fnew對應的採樣序列為v[m+n]。

(10)返回步驟(2)繼續計算。

上述頻率計算步驟中用到的採樣序列自適應重構方法的流程圖如圖4所示，具體方法如下：

(1)設α是新頻率fnew下兩個採樣點的相位間隔，即fnew是最新頻率估計值，fold是前一頻率估計值。

(2)計算變量

(3)設當前的採樣序列為vold，要計算的新的採樣序列為vnew；

(4)設i＝0，計算相位間隔係數resampleindex取值為不大於的最大整數；

(5)設z1＝vold(resampleindex)，z2＝vold(resampleindex+1)，即z1和z2分別是採樣序列vold的第resampleindex和resampleindex+1個元素；

(6)計算vnew的第i個元素，

(7)令i＝i+1，如果i等於m+n，則計算結束，得到了新的採樣序列vnew[m+n]。如果i小於m+n，返回步驟(4)；

如圖5所示，對定時器中斷處理流程圖，包括：初始化各中斷寄存器和定時器、設定定時時間為30秒、啟動定時器、響應定時器中斷。

本發明智能插座能夠在低壓側實時監測電力系統的頻率，並在插座中添加繼電器，當電網頻率低於設定值時，頻率監測模塊發出信號動作於繼電器觸點，使插座斷電，實現低頻切負荷。並在頻率回升到設定值之上且經過一定延時後恢復插座電源供電，很大程度上保護了用電設備。

本發明採用基於遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量，進而得到一次頻率估計值；再基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構計算出電網頻率，極大提高了頻率計算的精確度，減小了裝置誤動作機率。

相對於由複雜硬體結構組成的專用低頻減載裝置，本發明將低頻減載功能集中於220v插座內，節省了空間且降低了成本，適於在220v側廣泛安裝，與高壓側自動低頻減載裝置相配合，為提高電力系統頻率穩定性提供了保障。

本發明還提供了具有低頻切負荷功能的220v智能插座的工作方法。

本發明的具有低頻切負荷功能的220v智能插座的工作方法，包括：

步驟1：電網單相電輸入接口採樣基於時鐘同步信號的電網交流電壓信號並依次經電壓互感器和a/d轉換模塊傳送至數位訊號處理器；

步驟2：數位訊號處理器讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值；將實時頻率值與設定頻率值比較，進而向繼電器發出開閉控制信號來斷開或恢復插座電源的供電，以實現是否切負荷。

其中，在步驟2中，數位訊號處理器讀取a/d轉換模塊採樣的電信號，並計算電網的實時頻率值的具體過程為：

步驟2.1：計算當前電信號的電壓相量，根據相位與電網頻率的關係，求得頻率偏差，並與標準頻率值相加，得到一次頻率估計值；

具體地，使用遞推離散傅立葉變換算法計算當前電信號的電壓相量。

步驟2.2：基於一次頻率估計值，對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構。

具體地，對對讀取的a/d轉換模塊採樣的電信號進行自適應重構的具體方法為：

(2-2-1)設α是新頻率fnew下兩個採樣點的相位間隔，即fnew是最新頻率估計值，fold是前一頻率估計值。

(2-2-2)計算變量

(2-2-3)設當前的採樣序列為vold，要計算的新的採樣序列為vnew；

(2-2-4)設i＝0，計算相位間隔係數resampleindex取值為不大於的最大整數；

(2-2-5)設z1＝vold(resampleindex)，z2＝vold(resampleindex+1)，即z1和z2分別是採樣序列vold的第resampleindex和resampleindex+1個元素；

(2-2-6)計算vnew的第i個元素，

(2-2-7)設m+n為採樣序列長度，令i＝i+1，如果i等於m+n，則計算結束，得到了新的採樣序列vnew[m+n]。如果i小於m+n。

步驟2.3：對讀取的a/d轉換模塊最新採樣的電信號進行遞推離散傅立葉變換計算得到新的頻率偏差，並與一次頻率估計值相加，得到二次頻率估計值，即得到最終的電網實時頻率。

在步驟2中，在將實時頻率值與設定頻率值比較的過程中，當實時頻率值等於或低於設定頻率值時，向繼電器發出斷開控制信號而斷開插座電源，完成切負荷；

當實時頻率值回升至設定頻率值以上時，經過預設時間延時後，向發出繼電器發出閉合控制信號，恢復插座電源的供電。

當恢復插座電源的供電後，若實時頻率值高於設定頻率值時，繼電器不動作。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。