基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統的製作方法

2023-06-12 06:03:31

基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，包括電網頻率採集模塊、DSP控制器、控制輸出模塊，控制輸出模塊包括：柔性負荷控制器和無線信號發送模塊，柔性負荷控制器用於插座通電或斷電控制；無線信號發送模塊用於具備無線控制功能的電力負荷的調節控制。本實用新型工作時，根據電網的實時供電頻率調節電力負荷的用電功率或者決定是否切斷電力負荷的電源。本實用新型實現了柔性精細化電力負荷自主控制，顯著提高了電網的頻率調控能力，保障針對特高壓直流雙極閉鎖等嚴重故障情況下的電網彈性恢復能力，適用於家居電器的柔性化自主控制。
【專利說明】
基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，屬於電力系統技術 領域。
【背景技術】
[0002]在由自給自足的區域電網轉變為大型受端電網後，電網運行特性將發生根本性改 變，面臨著諸多新的技術問題，尤其是跨區域交直流送電通道因設備、外破、災害、故障閉鎖 等原因而停運的風險，特別是在大功率輸送期間的突然停運，將直接對大受端電網的安全 穩定運行造成較大的衝擊。如何在特高壓交直流輸電通道停運時有效快速地調整負荷，最 大幅度地減少對用戶的停電影響已成為電網新的運行格局下亟待解決的重要問題。因此， 迫切需要充分利用基於用戶智能互動的負荷精細化控制技術，研究面向用戶設備終端的新 型自主柔性控制技術，為特高壓大區域互聯背景下的江蘇電網安全運行提供堅強技術保 障。
[0003 ]近年來，由於電動汽車、分布式微網系統等具有與電網雙向互動能力的新型負荷 的發展，使得柔性負荷這一新型調度模式備受關注。柔性負荷能夠根據電網的供電功率在 指定區間內或者不同時間段內自動調整自身用電量的負荷，柔性負荷是未來電網調度的研 究熱點。而目前的營銷負控屬於粗放式控制，控制範圍內，所有的負荷都實施中斷，不區分 具體的用電設備類型和重要用戶。由於用戶在之前已經與營銷籤訂了可中斷負荷合同，可 以獲得相應的經濟補償或者價格激勵。
[0004] 電網頻率與有功功率平衡有著較為直接的關係，當需求有功功率等於供給有功功 率時，電網頻率保持不變，當需求有功功率大於供給有功功率時，電網頻率下降，反之上升。 針對這一特性，
【申請人】研究了一種通過感知電網頻率下降實現柔性負荷自主控制的控制系 統及控制方法，以提升電網的頻率調控能力。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的在於提供一種基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，解決現 有技術中因電網供給有功功率不足導致電網頻率下降、電網頻率調控能力差的技術問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案是:基於電網頻率的柔性負 荷自主控制系統，包括電網頻率採集模塊、DSP控制器、控制輸出模塊和人機互動模塊;所述 電網頻率採集模塊的輸出端與DSP控制器的輸入端連接，所述控制輸出模塊的輸入端與DSP 的輸出端連接，所述人機互動模塊與DSP控制器雙向信號連接；
[0007]所述控制輸出模塊包括:柔性負荷控制器和無線信號發送模塊，所述柔性負荷控 制器通過控制插座的通電或斷電，實現通過插座取電的電力負荷的通電或斷電；所述無線 信號發送模塊通過發送無線調節信號，實現具備無線控制功能的電力負荷的調節控制；
[0008]電網頻率採集模塊實時採集電網頻率，DSP控制器根據電網頻率進行比較判斷，選 擇對應的負荷柔性控制策略或者通過人機互動模塊輸出報警，控制輸出模塊根據DSP輸出 的控制策略對各電力負荷進行用電功率控制。
[0009] 所述柔性負荷控制器包括固態繼電器，所述固態繼電器的一次端接至220V交流電 中，220V交流電經過固態繼電器連接插座；固態繼電器的二次控制端通過三極體Q2接入DSP 控制器的10 口；
[0010] 當DSP控制器的10 口為高電平時，三極體Q2飽和導通，固態繼電器一次端閉合，插 座通電；當DSP控制器的10口為低電平時，三極體Q2截止，從而固態繼電器一次端斷開，插座 斷電。
[0011]所述無線信號發送模塊為全方向萬能紅外遙控器，包括多個紅外信號發射管，各 紅外發射管通過各自的紅外發射管驅動電路分別與DSP控制器連接。
[0012] 所述具備無線控制功能的電力負荷包括:空調和電視機。
[0013] 所述人機互動模塊包括:液晶觸控螢幕和語音模塊，當電網頻率下降至需要調整負 荷用電功率時，語音模塊輸出語音播報警示，同時，液晶觸控螢幕以文字提示的方式向用戶徵 求自主控制權限；自主控制權限開放後，再次檢測到電網頻率下降時，人機互動模塊將不再 向用戶徵求控制權限，而是自主調整負荷用電功率；當電網頻率超過設定的電網頻率上限 時，DSP控制器通過語音模塊輸出電網頻率過高報警信息。
[0014] 所述電網頻率採集模塊包括單相交流電頻率採集模塊和三相交流電頻率採集模 塊;單相交流電頻率採集模塊將輸入的單相正弦交流電信號轉換為同頻率的方波信號，並 接入DSP控制器的方波捕獲口；三相交流電頻率採集模塊將電網A、B、C三相正弦輸入信號轉 換為單極性差分信號。
[0015] 與現有技術相比，本實用新型所產生的有益效果是:實時感知電網頻率，根據電網 頻率對電力負荷進行分級控制，實現柔性精細化電力負荷自主控制;採用語音模塊和液晶 觸控螢幕進行人機互動，在保證控制系統與用戶進行正常信息交互的情況下，提高用戶體驗； 能夠有效解決因電網供給有功功率不足導致電網頻率下降的技術問題，顯著提高電網的頻 率調控能力，保障針對特高壓直流雙極閉鎖等嚴重故障情況下的電網彈性恢復能力。本實 用新型適用於普通家居電器的柔性化自主控制。
【附圖說明】

[0016] 圖1是本實用新型提供的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統的結構框圖。
[0017] 圖2是圖1中單相交流電頻率採集模塊的電路原理圖。
[0018] 圖3為圖1中三相交流電頻率採集模塊中A相交流電頻率採集的電路原理圖。
[0019 ]圖4為圖1中控制輸出模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本 實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。
[0021] 如圖1所示，是本實用新型提供的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統的結構 框圖，包括：電網頻率採集模塊、DSP控制器、控制輸出模塊和人機互動模塊。電網頻率採集 模塊的輸出端與DSP控制器的輸入端連接，控制輸出模塊的輸入端與DSP的輸出端連接，人 機交互模塊與DSP控制器雙向信號連接。
[0022] 電網頻率採集模塊通過電壓互感器連接到電網系統，並將電壓互感器信號進行調 理以供DSP控制器感知電網頻率。電網頻率採集模塊包括單相交流電頻率採集模塊和三相 交流電頻率採集模塊。單相交流電頻率採集模塊將輸入的單相正弦轉換為同頻率的方波信 號，並接入DSP控制器的方波捕獲口。三相交流電頻率採集模塊將電網A、B、C三相正弦交流 電輸入信號轉換為單極性差分信號。
[0023] 如圖2所示，是單相交流電頻率採集模塊的電路原理圖，包括順序串聯的第一電壓 互感器、第一低通濾波器和過零檢測電路。第一電壓互感器採用精密2mA/2mA電壓互感器， 220V單相交流電通過160千歐的電阻R7接至第一電壓互感器的一次側，第一電壓互感器的 二次側通過1.5千歐的電阻R13將220V單相交流電信號轉為幅值為3V的正弦信號。第一低通 濾波器是採用AD648運放、電阻R8、電阻R1、電容C1搭建的有源低通濾波器，第一低通濾波器 的-3dB截止頻率為63.7Hz。過零檢測電路將幅值為3V的正弦信號轉為同頻率的方波信號， 3V的正弦信號首先通過二極體D1進行半波整流，此時原正弦信號只剩下正半周部分，變成 半波正弦信號，該半波正弦信號進而通過電壓比較器LM339和1. IV參考電壓進行比較。1. IV 參考電壓由電阻R15、R16分壓而得。電壓比較器LM339的功能是：當半波正弦信號的電壓高 於1. IV時，電壓比較器LM339輸出低電平；當半波正弦信號的電壓低於1. IV時，電壓比較器 LM339輸出高電平。這樣，220V單相交流電就轉換為同頻率的方波信號，該方波信號接入DSP 控制器的輸入捕獲單元。輸入捕獲單元採用DSP事件管理器EVA的捕獲單元CAP1，並選定時 器T1作為CAP1的時間基準，T1工作在連續遞增計數模式。並設定捕獲單元CAP1捕獲方波信 號的上升沿。捕獲前要清中斷標誌位，開捕獲中斷。通過兩次捕獲中斷觸發的時間間隔即可 得到該方波信號的頻率，即220V單相交流電的頻率。
[0024] 三相交流電頻率採集模塊包括三組第二電壓互感器、三組第二低通濾波器和三組 差分轉換電路，三組第二電壓互感器分別用於測量A相、B相、C相的交流電信號，三組第二低 通濾波電路分別對三相交流電信號進行低通濾波，最後連接至差分轉換電路。下面以A相交 流電為例，對三相交流電頻率採集模塊作進一步的詳細描述。
[0025] 第二電壓互感器與前述的第一電壓互感器的電路結構完全相同，第二低通濾波器 與前述的第一低通濾波器的電路結構完全相同。A相交流電經過第二電壓互感器和第二低 通濾波器後轉為幅值為3V的正弦交流信號，該正弦交流信號是雙極性的，即信號電壓有正 有負。由於DSP控制器的AD轉換模塊不能接入負電壓，故將該正弦交流信號進而通過差分轉 換電路轉換為單極性差分正弦信號。單極性差分正弦信號的原理機制如下：S+和S-輸出口 的電壓分別都是正電壓，但是S+和S-的差值是正弦信號。差分信號能夠有效的降低共模噪 聲，提尚?目號?目噪比。
[0026]差分轉換電路包括運算放大器U3,運算放大器U3的正極輸入端串聯電阻R9後與第 二低通濾波電路的輸出端電連接，負極輸入端串聯電阻R14後接地。運算放大器U3的正極輸 出端串聯電阻R12後、負極輸出端串聯電阻R10後分別與DSP控制器的AD轉換接口連接。運算 放大器U3的正極輸入端和負極輸出端之間還串聯有電容C3，正極輸入端還串聯電阻R3後與 電阻R10和DSP控制器的電接點電連接。運算放大器U3的負極輸入端和正極輸出端之間還串 聯有電容C4,負極輸入端還串聯電阻R17後與電阻R12和DSP控制器的電接點電連接。運算放 大器U3選用的是0ΡΑ1632,由於DSP控制器的AD轉換模塊最高電壓為3V，因此，0ΡΑ1632的共 模電壓輸入口給1.5V的參考電壓，從而保證差分運放輸出端電壓以1.5V共模電壓為中心對 稱。差分轉換電路的正弦信號輸入幅值是±3V，為了防止電壓浪湧信號燒壞AD採集模塊，本 實用新型配置差分轉換電路的差分轉換增益為2/3,即電阻R3與電阻R9的比值。這樣幅值為 3V的正弦信號經過差分轉換電路變為幅值為2V的差分正弦信號，從而保證差分轉換後的信 號能夠完全在DSP控制器的AD轉換模塊的量程範圍內。幅值為2V的差分正弦信號連接到DSP 控制器的ADC1 口和ADC2 口，DSP控制器將ADC2通道的AD值減去ADC2通道的AD值即得到幅值 為2V，並與A相交流電輸入同頻率的正弦信號。
[0027]同理，B相交流電輸入連接到DSP控制器的ADC3 口和ADC4 口； C相交流電輸入連接到 DSP控制器的ADC5 口和ADC6 口。B相和C相通道的電路原理與A相完全相同。
[0028]控制輸出模塊包括:柔性負荷控制器和無線信號發送模塊。柔性負荷控制器通過 控制插座的通電或斷電，實現通過插座取電的電力負荷的通電或斷電，通過插座取電的電 力負荷主要指照明負荷。無線信號發送模塊優選全方向萬能紅外遙控器，通過發送無線紅 外信號，實現具備無線控制功能的電力負荷的調節控制，此處具備無線控制功能的電力負 荷包括空調、電視機。
[0029]如圖4所示，為控制輸出模塊的電路原理圖。柔性負荷控制器包括固態繼電器K1， DSP控制器的10 口 GPI0A1通過8050三極體Q2進行功率放大，進而控制交流固態繼電器K1的 二次控制端，固態繼電器的一次端接到220V交流電中，220V交流電經過固態繼電器K1接到 插座中，室內照明負荷通過插座取電。當GPI0A1為高電平時，三極體Q2飽和導通，從而固態 繼電器一次端閉合，插座有電，照明負荷點亮。當GPI0A1為低電平時，三極體Q2截止，從而固 態繼電器一次端斷開，插座斷電，照明負荷熄滅。
[0030] 全方向萬能紅外遙控器的核心器件是紅外信號發射管DS1，紅外信號發射管DS1可 以發出波長為940納米的紅外光。由於DSP控制器的10口GPI0A0驅動能力有限，故此處採用 8050三極體Q1組成功率放大電路驅動紅外信號發射管DSU12V的電源電壓經過R18限流後 通過三極體Q1的開斷作用控制紅外信號發射管DS1。紅外遙控信號採用38.5KHZ方波信號對 紅外光進行調製。DSP控制器中集成有不同品牌的家用空調、電視的遙控協議，從而可以控 制不同品牌，不同型號的家用空調或電視。為了保證該紅外遙控信號的全方向發射，本實用 新型設置了 8個相同的紅外信號發射管DS1，從而使得信號能夠全向發射。
[0031] 人機互動模塊包括:液晶觸控螢幕和語音模塊，當電網頻率下降至需要調整負荷用 電功率時，語音模塊輸出語音播報警示，同時，液晶觸控螢幕以文字提示的方式向用戶徵求自 主控制權限；自主控制權限開放後，再次檢測到電網頻率下降時，人機互動模塊將不再向用 戶徵求控制權限，而是自主調整負荷用電功率；當電網頻率超過設定的電網頻率上限時， DSP控制器通過語音模塊輸出電網頻率過高報警信息。
[0032] 基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統的控制方法，根據電網的實時供電頻率調 節電力負荷的用電功率或者決定是否切斷電力負荷的電源：當電網實時供電頻率超出設定 電網正常工作頻率上限值時，輸出報警；
[0033] 當電網實時供電頻率低於設定電網正常工作頻率下限值且高於電網頻率下限極 值時，降低電力負荷用電功率或者切斷電力負荷電源；當電網實時供電頻率低於電網頻率 下限極值時，切斷除照明負荷外的所有電力負荷。
[0034] 對於家居電器的柔性化控制，電力負荷包括照明負荷、空調和電視機，空調作為家 用電器的大功率電力負荷，是柔性自主調節控制的關鍵，具體控制方法如下：
[0035]步驟一:實時採集電網信號，計算電網頻率，具體方法如下：
[0036]對於單相交流電信號，通過電壓互感器採集單相正弦電壓信號，依次經低通濾波 器、過零檢測電路，轉換為同頻率的方波信號，方波信號接入DSP控制器的輸入捕獲單元，輸 入捕獲單元採集DSP事件管理器EVA的捕獲單元CAP1，並選定時器T1作為CAP1的時間基準， 定時器T1工作在連續遞增計數模式;並設定捕獲單元CAP1捕獲方波信號的上升沿;捕獲前 要清中斷標誌位，開捕獲中斷;通過兩次捕獲中斷觸發的時間間隔即可得到該方波信號的 頻率，即為單相交流電信號的頻率；
[0037]對於三相交流電信號，通過電壓互感器分別採集各相正弦電壓信號，將各相正弦 電壓信號分別經過低通濾波器、差分轉換電路，轉換為單極性差分模擬信號，DSP控制器通 過模數轉換將三相電壓的單極性差分模擬信號轉換為數位訊號，通過如下方法計算獲得三 相交流電的實時供電頻率：
[0038]設三相交流電實時電壓的表達式分別為：
[0043]則三相電壓幅值：
：其中:w為電網角頻率；
[0044]則取第k次和k-Ι次的採樣值計算電網頻率如下：
[0046]其中，Ts為DSP控制器的採樣周期，k為》2的正整數。
[0047]步驟二:比較判斷，控制策略輸出：
[0048]當電網頻率多50.5Hz時，DSP控制器通過控制語音模塊輸出電網頻率過高報警信 息；
[0049] 當49.8Hz彡電網頻率<50.0Hz時，電網頻率屬正常範圍，不做任何調整；
[0050] 當49.0Hz <電網頻率< 49.8Hz時，已進入電網事故頻率，電網運行總持續時間不 得超過30分鐘，因此自主柔性負荷控制器監測低於49.8Hz持續5分鐘後，將自主調整空調負 荷，通過全方向萬能紅外遙控器將空調設定溫度調整，保證空調設定溫度與環境溫度差最 尚為8°C;
[0051 ] 當48.5Hz<電網頻率<49.0Hz時，自主調整空調負荷，通過全方向萬能紅外遙控 器將空調設定溫度調整，保證空調設定溫度與環境溫度差最高為5°C;
[0052] 當電網頻率<48.5Hz時，僅為照明負荷供電，切斷包括空調、電視機在內的其餘電 力負荷。
[0053] 以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應視為本實用新型的保護範圍。
【主權項】
1. 基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，包括電網頻率採集模塊、DSP 控制器、控制輸出模塊和人機互動模塊;所述電網頻率採集模塊的輸出端與DSP控制器的輸 入端連接，所述控制輸出模塊的輸入端與DSP的輸出端連接，所述人機互動模塊與DSP控制 器雙向信號連接； 所述控制輸出模塊包括:柔性負荷控制器和無線信號發送模塊，所述柔性負荷控制器 通過控制插座的通電或斷電，實現通過插座取電的電力負荷的通電或斷電；所述無線信號 發送模塊通過發送無線調節信號，實現具備無線控制功能的電力負荷的調節控制； 電網頻率採集模塊實時採集電網頻率，DSP控制器根據電網頻率進行比較判斷，選擇對 應的負荷柔性控制策略或者通過人機互動模塊輸出報警，控制輸出模塊根據DSP輸出的控 制策略對各電力負荷進行用電功率控制。2. 根據權利要求1所述的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，所述柔 性負荷控制器包括固態繼電器，所述固態繼電器的一次端接至220V交流電中，220V交流電 經過固態繼電器連接插座；固態繼電器的二次控制端通過三極體Q2接入DSP控制器的10口； 當DSP控制器的10口為高電平時，三極體Q2飽和導通，固態繼電器一次端閉合，插座通 電；當DSP控制器的10口為低電平時，三極體Q2截止，從而固態繼電器一次端斷開，插座斷 電。3. 根據權利要求1所述的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，所述無 線信號發送模塊為全方向萬能紅外遙控器，包括多個紅外信號發射管，各紅外發射管通過 各自的紅外發射管驅動電路分別與DSP控制器連接。4. 根據權利要求3所述的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，所述具 備無線控制功能的電力負荷包括:空調和電視機。5. 根據權利要求1所述的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，所述人 機交互模塊包括:液晶觸控螢幕和語音模塊，當電網頻率下降至需要調整負荷用電功率時，語 音模塊輸出語音播報警示，同時，液晶觸控螢幕以文字提示的方式向用戶徵求自主控制權限； 自主控制權限開放後，再次檢測到電網頻率下降時，人機互動模塊將不再向用戶徵求控制 權限，而是自主調整負荷用電功率；當電網頻率超過設定的電網頻率上限時，DSP控制器通 過語音模塊輸出電網頻率過高報警信息。6. 根據權利要求1所述的基於電網頻率的柔性負荷自主控制系統，其特徵在於，所述電 網頻率採集模塊包括單相交流電頻率採集模塊和三相交流電頻率採集模塊； 單相交流電頻率採集模塊將輸入的單相正弦交流電信號轉換為同頻率的方波信號，並 接入DSP控制器的方波捕獲口；三相交流電頻率採集模塊將電網A、B、C三相正弦輸入信號轉 換為單極性差分信號。
【文檔編號】H02J3/14GK205724908SQ201620596153
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】陳亮, 賈萌萌, 袁曉冬, 袁宇波, 李虎成
【申請人】國網江蘇省電力公司電力科學研究院, 國家電網公司