一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法与流程

本发明涉及一种智能开关控制方法。特别是涉及一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法。

背景技术：

随着人们对生活水平质量要求日益提高以及新能源发电技术的日益普及，家庭微电网已成为现代电力中的一个重要单元。所谓微电网是指由分布式发电、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。家庭微电网则是以居民用户住宅为对象，光伏发电、风力发电以及储能装置等清洁能源与智能家居等用电设备构建微电网系统。

随着人们对生活水平质量要求日益提高以及新能源发电技术的日益普及，家庭微电网已成为现代电力中的一个重要单元。所谓微电网是指由分布式发电、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。家庭微电网则是以居民用户住宅为对象，光伏发电、风力发电以及储能装置等清洁能源与智能家居等用电设备构建微电网系统。

通常家庭微电网用户对电压、频率等电气量的要求较低，主要的用电问题集中于供电可靠性、电价信息与电费控制、用电信息即时查询、用电情况分析结果反馈、故障排除、与电网业务系统平台的双向互动等。对于部分含有分布式发电设备的用户来说，其用电诉求还包括分布式发电设备基本电气数据与相关信息，如功率、总发电量、上网电价、设备维护、故障排除等。

现有的家庭微电网系统构建过程中套用了大型工商业微电网模式，光伏发电、风力发电等新能源设备采用单独的接入模式，同时配置了复杂的微电网测控保护、模式控制、能量管理系统，尽管微电网并网运行效果良好，但微电网系统的工程量较大、造价较高，不符合家庭微电网实际情况。而传统的家庭开关同时，传统的微电网构建方法在数据传输上存在局限性，不能满足家庭用户对用电设备状态的即时查询与控制管理要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够保证市电正常供电和事故停电时家庭微电网的有效隔离的适用于家庭微电网的智能开关控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法，包括如下步骤：

1)总出线开关处实时检测市电的电压Us及电流Is，分支开关处实时检测各支路的电压U1，U2…Un及各支路的电流I1，I2…In；

2)将步骤1)中得到的电压电流数据传输到运算模块中，运算模块计算总出线有功功率Ps、无功功率Qs及各支路的有功功率P1，P2…Pn、无功功率Q1，Q2…Qn，并对当前电网状态进行分析；

3)运算模块通过检测市电电压Us判断电网状态是否正常，来控制总出线开关的分合，其中总出线开关闭合时为并网模式，总出线断开时为离网模式；通过对各支路有功功率P1，P2…Pn的分析，形成并网模式下各分支开关分合方式或离网模式下各分支开关分合方式；

4)待各开关动作完成后，返回步骤1)。

在进行步骤2)的同时，运算模块经通信模块将开关的实时状态，通过无线网络送入移动终端互动，帮助用户完成对家庭微电网的即时查询与控制管理；具体是通过无线网络将各支路采集的数据以及运算控制模块的用电能效分析结果上传至移动终端，使用户直接的掌握家庭用电状态；同时用户通过移动终端对家庭用电设备进行人工管理，根据个人需求及时关断或闭合对应支路的开关；

步骤2)所述的对当前电网状态进行分析，包括：

(1)对电压和电流信号进行离散化处理，电压和电流离散化公式为：

$U\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}u\left(n\right)W_N^{kn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\{\mathrm{Re}\[W_N^{kn}\]u\left(n\right)+j\mathrm{Im}\[W_N^{kn}\]u\left(n\right)\}$

式中u(n)是为在傅里叶变换周期内以采样频率对实测的电压离散化得到的一组序列值，可代表总出线开关处实时检测市电的电压Us或分支开关处实时检测各支路的电压U1，U2…Un在各采样内的幅值，N为傅里叶变换的周期，U(k)为对u(n)进行傅里叶变换值，为以n为周期的复指数序列，其中为该序列实部，为该序列虚部。

$I\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}i\left(n\right)W_N^{kn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\{\mathrm{Re}\[W_N^{kn}\]i\left(n\right)+j\mathrm{Im}\[W_N^{kn}\]i\left(n\right)\}$

式中i(n)是为在傅里叶变换周期内以采样频率对实测的电压离散化得到的一组序列值，可代表总出线开关处实时检测市电的电压Is或分支开关处实时检测各支路的电压I1，I2…In在各采样内的幅值，N为傅里叶变换的周期，I(k)为对i(n)进行傅里叶变换值，为以n为周期的复指数序列，其中为该序列实部，为该序列虚部。

(2)设定离散傅里叶变换的周期和迭代时间，分别计算N点不同频率下的有功功率和无功功率，有功功率和无功功率计算公式为：

式中P(k)为有功功率值，Q(k)为无功功率值，为电压相角，ψ_i(k)为电流相角；

(3)计算功率误差，从而精确得出家庭微电网各电器支路的发、用电量，用于能效分析及运行控制，功率误差计算公式为：

式中err为功率计算误差，式中下表为k＝0，1，2，3时的电压、电流、相角、功率等计算值。

步骤3)所述的运算模块通过检测市电电压Us判断电网状态是否正常，来控制总出线开关的分合，包括：

(1)判断市电电压是否正常，根据我国国家标准220V电压波动范围为-7％～+10％，因此，当204.6≤Us≤242V时，继续下步判断，否则断开总出线开关；

(3)判断市电频率是否正常，根据我国国家标准50Hz频率波动范围为-0.5～+0.5Hz，因此，当49.5≤fs≤50.5Hz时，继续下步判断，否则断开总出线开关；

(4)判断市电相角是否正常，根据我国国家标准同期并网偏差范围为20°，因此，当-20°≤θs≤20°时，认为电网正常，闭合并网开关，否则断开总出线开关；

(5)根据总出线开关状态，当总出线开关断开时形成开关状态0，对应离网状态；当总出线开关闭合时形成开关状1，对应并网状态；

(6)保持开关状态，返回步骤1)。

步骤3)所述的并网模式下各分支开关分合方式包括：

首先定义各支路开关对应的负荷类型，即将总体控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，对应为光伏发电功率Ppv，储能支路功率Pbat，所带电器设备负荷；

各支路负荷根据类型分为三类不可转移负荷Pbz、可转移负荷Pkz、其他负荷Pqt；

并网模式下各分支开关分合方式具体包括：

(1)闭合光伏支路开关，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算光伏发电功率Ppv；

(2)闭合全部不可转移负荷支路开关，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算不可转移负荷Pbz；

(3)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz时，表示光伏发电充足，此时再次判断是否能够依次闭合可转移负荷，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(4)依次闭合可转移负荷支路开关，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算可转移负荷Pkz；

(5)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz+Pkz时，表示光伏发电充足，此时再次判断是否能够依次闭合其他负荷，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(6)判断家庭内是否还有其他负荷支路，当存在时依次闭合其他负荷支路开关，计算可转移负荷Pqt，否则其他负荷Pqt＝0；

(7)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz+Pkz+Pqt时，表示光伏发电充足，闭合储能支路，通过电池充电，满足功率差额，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(8)判断光伏和储能的总功率是否满足负荷需求，当Ppv+Pbat≥Pbz+Pkz+Pqt时，表示家庭微网光储发电充足，此时通过总出线开关向电网售电，运算模块计算总售电量；当Ppv+Pbat＜Pbz+Pkz+Pqt时，表示家庭微网光储发电不足，此时通过总出线开关向电网购电，运算模块计算总购电量；

(9)保持开关状态，返回步骤1)。

步骤3)所述的离网模式下各分支开关分合方式包括：

首先定义各支路开关对应的负荷类型，即将总体控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，对应为光伏发电功率Ppv，储能支路功率Pbat，所带电器设备负荷；

各支路负荷根据类型分为三类不可转移负荷Pbz、可转移负荷Pkz、其他负荷Pqt；其中对于不可转移负荷Pbz必须保证不间断供电，可转移负荷Pkz和其他负荷Pqt可根据实际情况选择是否投入；

离网模式下各分支开关分合方式具体包括：

(1)判断储能荷电状态，当储能荷电状态≥30％时，说明储能电池可保证离网下正常供电，此时闭合储能支路开关；

(2)闭合不可转移负荷支路开关，储能系统放电；

(3)判断微网中是否有可转移负荷或其他负荷，若有则依次闭合负荷支路，并检验电池电量是否充足下一步，否则返回步骤1)；

当储能SOC<30％时，断开可转移负荷和其他负荷支路开关，保障不可转移负荷不间断供电，返回步骤1)；

(4)在第(1)步中若检测到储能SOC<30％时，检测光伏发电功率Ppv。

当光伏发电功率不大于储能充电功率时，即Ppv≤Pbat_max时，闭合光伏支路开关为储能充电，即Ppv当电池SOC>80％时，说明电池已达上限，此时断开光伏支路开关，返回步骤1)；

当光伏发电功率大于储能充电功率时，即Ppv>Pbat_max时，闭合光伏支路开关为储能充电，同时检测负荷支路功率，当光伏仍有功率剩余即Ppv-Pbz-Pkz>Pbat_max时，则关断光伏支路停止充电，否则保持开关状态不变，返回步骤1)。

本发明的一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法，能够保证市电正常供电和事故停电时家庭微电网的有效隔离，通过内部控制策略实现并网和离网运行时各类电器设备的电能最佳利用，提高能效水平。同时，通过智能开关通信单元，能满足用户对家庭用电设备的即时查询与在线管理，提高系统运行经济效益。

附图说明

图1是典型的家庭微电网系统结构；

图2是本发明适用于家庭微电网的智能开关控制方对应的开关基本构成示意图；

图3是本发明适用于家庭微电网的智能开关控制方总体控制流程图；

图4是本发明中对当前电网状态进行分析的流程图；

图5是本发明中运算模块通过检测市电电压Us判断电网状态是否正常的流程图；

图6是本发明中并网模式下各分支开关分合方式的流程图；

图7是本发明中离网模式下各分支开关分合方式的流程图；

图8是本发明中本发明无线通信方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法做出详细说明。

本发明的一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法，适用于采用220V接入的智能家庭微电网，提出一种适应于家庭微电网的智能开关控制方法，具体包括功率检测、并网运行、离网运行、分合控制等功能的实现方法。

本发明方法所涉及的智能开关的控制方法能够保证市电正常供电和事故停电时家庭微电网的有效隔离，通过内部控制策略实现并网和离网运行时各类电器设备的电能最佳利用，提高能效水平。同时，通过智能开关通信单元，能满足用户对家庭用电设备的即时查询与在线管理，提高系统运行经济效益。

图1为典型的家庭微电网系统结构，家庭微电网中包含分布式光伏发电设备，小容量储能设备，以及电视、冰箱、空调、照明等用电设备，各设备均接入到微网母线中，然后经过公共连接点(PCC)与市电相连。正常运行时，家庭微电网由市电单相220V供电维持电器设备运行，光伏为自发自用模式运行，储能系统作为备用电源。市电故障时，家庭微电网的PCC节点断开，储能装置维持电压频率，由光伏和负荷平衡来维持重要设备不间断供电。其中，红框内为本发明适用于家庭微电网的智能开关控制方法应用的开关范围。

图2本发明的一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法对应的开关基本构成示意图，其中①对应总出线开关为与单相220V市电的连接开关点，③对应各分支开关为系统出线，可接入光伏等新能源发电设备，储能设备，以及家庭用电设备。家庭用电设备可以根据负荷性质接入到不同的开关中，形成照明回路、电视机回路、空调回路、冰箱回路等单独供电分支回路。各分支回路中可以单独计量本回路的电流、功率及电量信息。在总出线开关与分支开关之间的②对应系统运算及通信模块，能实现对采集到各回路数据进行分析，形成最佳的系统运行方式，并通过通信模块上传至移动终端，同时能接收移动终端的控制指令。此外，集成在②中的④为并、离网指示灯，能显示家庭微电网当前的运行状态。

如图3所示，本发明的一种适用于家庭微电网的智能开关控制方法，包括如下步骤：

1)总出线开关处实时检测市电的电压Us及电流Is，分支开关处实时检测各支路的电压U1，U2…Un及各支路的电流I1，I2…In；

2)将步骤1)中得到的电压电流数据传输到运算模块中，运算模块计算总出线有功功率Ps、无功功率Qs及各支路的有功功率P1，P2…Pn、无功功率Q1，Q2…Qn，并对当前电网状态进行分析；

如图4所示，所述的对当前电网状态进行分析，包括：

(1)对电压和电流信号进行离散化处理，电压和电流离散化公式为：

$U\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}u\left(n\right)W_N^{kn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}\{\mathrm{Re}\&lsqb;W_N^{kn}\&rsqb;u\left(n\right)+j\mathrm{Im}\&lsqb;W_N^{kn}\&rsqb;u\left(n\right)\}$

式中u(n)是为在傅里叶变换周期内以采样频率对实测的电压离散化得到的一组序列值，可代表总出线开关处实时检测市电的电压Us或分支开关处实时检测各支路的电压U1，U2…Un在各采样内的幅值，N为傅里叶变换的周期，U(k)为对u(n)进行傅里叶变换值，为以n为周期的复指数序列，其中为该序列实部，为该序列虚部；

$I\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}i\left(n\right)W_N^{kn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}\{\mathrm{Re}\&lsqb;W_N^{kn}\&rsqb;i\left(n\right)+j\mathrm{Im}\&lsqb;W_N^{kn}\&rsqb;i\left(n\right)\}$

式中i(n)是为在傅里叶变换周期内以采样频率对实测的电压离散化得到的一组序列值，可代表总出线开关处实时检测市电的电压Is或分支开关处实时检测各支路的电压I1，I2…In在各采样内的幅值，N为傅里叶变换的周期，I(k)为对i(n)进行傅里叶变换值，为以n为周期的复指数序列，其中为该序列实部，为该序列虚部；

(2)设定离散傅里叶变换的周期和迭代时间，分别计算N点不同频率下的有功功率和无功功率，有功功率和无功功率计算公式为：

式中P(k)为有功功率值，Q(k)为无功功率值，为电压相角，ψ_i(k)为电流相角；

(3)计算功率误差，从而精确得出家庭微电网各电器支路的发、用电量，用于能效分析及运行控制，功率误差计算公式为：

式中err为功率计算误差，式中下表为k＝0，1，2，3时的电压、电流、相角、功率等计算值。

在进行步骤2)的同时，运算模块经通信模块将开关的实时状态，通过无线网络送入移动终端互动，帮助用户完成对家庭微电网的即时查询与控制管理；如图8所示，是通过无线网络将各支路采集的数据以及运算控制模块的用电能效分析结果上传至移动终端，使用户直接的掌握家庭用电状态；同时用户通过移动终端对家庭用电设备进行人工管理，根据个人需求及时关断或闭合对应支路的开关；其具体通信方式为：

运算模块在并网模式、离网模式控制的同时，通过无线网络家庭微电网的运行状态及各支路的用电情况分析上传至移动终端；用户根据自身判断，下发用户指令，对家庭微网进行远程控制。

3)运算模块通过检测市电电压Us判断电网状态是否正常，来控制总出线开关的分合，其中总出线开关闭合时为并网模式，总出线断开时为离网模式；通过对各支路有功功率P1，P2…Pn的分析，形成并网模式下各分支开关分合方式或离网模式下各分支开关分合方式；

如图5所示，所述的运算模块通过检测市电电压Us判断电网状态是否正常，来控制总出线开关的分合，包括：

(1)判断市电电压是否正常，根据我国国家标准220V电压波动范围为-7％～+10％，因此，当204.6≤Us≤242V时，继续下步判断，否则断开总出线开关；

(3)判断市电频率是否正常，根据我国国家标准50Hz频率波动范围为-0.5～+0.5Hz，因此，当49.5≤fs≤50.5Hz时，继续下步判断，否则断开总出线开关；

(4)判断市电相角是否正常，根据我国国家标准同期并网偏差范围为20°，因此，当-20°≤θs≤20°时，认为电网正常，闭合并网开关，否则断开总出线开关；

(5)根据总出线开关状态，当总出线开关断开时形成开关状态0，对应离网状态；当总出线开关闭合时形成开关状1，对应并网状态；

(6)保持开关状态，返回步骤1)。

如图6所示，所述的并网模式下各分支开关分合方式包括：

首先定义各支路开关对应的负荷类型，即将总体控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，对应为光伏发电功率Ppv，储能支路功率Pbat，所带电器设备负荷；如电灯负荷Plight、冰箱负荷Pfridge、空调负荷Pair和热水器负荷Pheater等。

各支路负荷根据类型分为三类不可转移负荷Pbz、可转移负荷Pkz、其他负荷Pqt；其中：不可转移负荷Pbz包括电灯负荷Plight、冰箱负荷Pfridge等：

Pbz＝Plight+Pfridge

可转移负荷Pkz包括空调负荷Pair、热水器负荷Pheater等：

Pkz＝Pair+Pheater

其他负荷单独计算：

Pqt＝Σ其他支路

并网模式下各分支开关分合方式具体包括：

(1)闭合光伏支路开关，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算光伏发电功率Ppv；

(2)闭合全部不可转移负荷支路开关，如电灯、冰箱等，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算不可转移负荷Pbz；

(3)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz时，表示光伏发电充足，此时再次判断是否能够依次闭合可转移负荷，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(4)依次闭合可转移负荷支路开关，如空调、热水器等，利用步骤2)中的有功功率计算公式，计算可转移负荷Pkz；

(5)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz+Pkz时，表示光伏发电充足，此时再次判断是否能够依次闭合其他负荷，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(6)判断家庭内是否还有其他负荷支路，当存在时依次闭合其他负荷支路开关，计算可转移负荷Pqt，否则其他负荷Pqt＝0；

(7)判断光伏发电功率是否满足当前负荷需求，当Ppv≥Pbz+Pkz+Pqt时，表示光伏发电充足，闭合储能支路，通过电池充电，满足功率差额，进入下一步；否则闭合储能支路，通过电池放电，满足功率差额；

(8)判断光伏和储能的总功率是否满足负荷需求，当Ppv+Pbat≥Pbz+Pkz+Pqt时，表示家庭微网光储发电充足，此时通过总出线开关向电网售电，运算模块计算总售电量；当Ppv+Pbat＜Pbz+Pkz+Pqt时，表示家庭微网光储发电不足，此时通过总出线开关向电网购电，运算模块计算总购电量；

(9)保持开关状态，返回步骤1)。

如图7所示，所述的离网模式下各分支开关分合方式包括：

首先定义各支路开关对应的负荷类型，即将总体控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，对应为光伏发电功率Ppv，储能支路功率Pbat，所带电器设备负荷；如电灯负荷Plight、冰箱负荷Pfridge、空调负荷Pair和热水器负荷Pheater等。

各支路负荷根据类型分为三类不可转移负荷Pbz、可转移负荷Pkz、其他负荷Pqt；其中：不可转移负荷Pbz包括电灯负荷Plight、冰箱负荷Pfridge等：

Pbz＝Plight+Pfridge

可转移负荷Pkz包括空调负荷Pair、热水器负荷Pheater等：

Pkz＝Pair+Pheater

其他负荷单独计算：

Pqt＝Σ其他支路，其中对于不可转移负荷Pbz必须保证不间断供电，可转移负荷Pkz和其他负荷Pqt可根据实际情况选择是否投入；

离网模式下各分支开关分合方式具体包括：

(1)判断储能荷电状态(SOC)，当储能荷电状态≥30％时，说明储能电池可保证离网下正常供电，此时闭合储能支路开关；

(2)闭合不可转移负荷支路开关，储能系统放电；

(3)判断微网中是否有可转移负荷或其他负荷，若有则依次闭合负荷支路，并检验电池电量是否充足下一步，否则返回步骤1)；

当储能SOC<30％时，断开可转移负荷和其他负荷支路开关，保障不可转移负荷不间断供电，返回步骤1)；

(4)在第(1)步中若检测到储能SOC<30％时，检测光伏发电功率Ppv。

当光伏发电功率不大于储能充电功率时，即Ppv≤Pbat_max时，闭合光伏支路开关为储能充电，即Ppv当电池SOC>80％时，说明电池已达上限，此时断开光伏支路开关，返回步骤1)；

当光伏发电功率大于储能充电功率时，即Ppv>Pbat_max时，闭合光伏支路开关为储能充电，同时检测负荷支路功率，当光伏仍有功率剩余即Ppv-Pbz-Pkz>Pbat_max时，则关断光伏支路停止充电，否则保持开关状态不变，返回步骤1)。

4)待各开关动作完成后，返回步骤1)。