感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，包括电网电压主动感知模块、微控制器和柔性负荷控制执行模块；柔性负荷控制执行模块包括：固态继电器模块、插座本体和红外遥控器，微控制器通过固态继电器模块控制插座本体的通电或断电。本发明还公开了一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的控制方法，微控制器通过电网电压主动感知模块实时监测电网电压数值，当电网电压下降时，微控制器能根据电网电压下降程度不同而柔性降低家居负荷。由于采用固态继电器进行调节，该柔性降低动作可在一毫秒时间内完成，从而第一时间有效辅助电网调度中心对电网的负荷调节，维持电网电压的稳定。
【专利说明】
感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，还涉及一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的控制方法，属于电力系统柔性负荷控制技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着环境污染问题的日益凸显和传统煤炭能源的日益减少，风能、太阳能等分布式清洁能源的比重越来越大，但是分布式清洁能源存在可控性差、间歇时间不定等不足，因而国家电网不断改善电网结构，由自给自足的区域电网转变为大型受端电网，该方式能够实现电力资源在全国范围内的调度，使得电能被有效配置。但是也面临着诸多新的问题，比如:跨区域电力输送通道因各种意外原因而突然停运，将直接对大受端电网的安全稳定运行造成较大的冲击。因此，如何在电网供电能力发生较大变化时有效快速地柔性调整用户负荷，最大幅度地维持电网电压和频率的稳定已成为迫切需要解决的新问题。因此，迫切需要充分利用基于用户负荷柔性化控制的技术，研究面向用户设备终端的新型自主柔性控制技术，为电力大范围互联下的电网稳定运行提供保障。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，解决现有技术中因电网供给有功功率不足导致电网频率下降、电网频率调控能力差的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，包括顺序连接的:电网电压主动感知模块、微控制器和柔性负荷控制执行模块;所述柔性负荷控制执行模块包括:固态继电器模块、插座本体和红外遥控器，所述微控制器通过固态继电器模块控制插座本体的通电或断电；所述红外遥控器与家用空调信号连接，所述插座本体与除家用空调外的其他家用负荷电连接；
所述电网电压主动感知模块实时监测电网电压，微控制器根据电网电压下降幅度判断是否切断插座本体的电力供应或者通过红外遥控器降低家用空调的用电功率。
[0005]所述电网电压主动感知模块包括顺序连接的:用于采集电网相电压的电压互感器、用于滤除谐波干扰的低通滤波器和用于将正弦交流信号转换为直流有效信号的真有效值转换模块；
电压互感器将电网信号转换为低压正弦信号，经低通滤波器滤除低压正弦信号中的谐波信号，输出至真有效值转换模块，真有效值转换模块低通滤波器输出的正弦交流信号转换为直流有效信号，并传送至微控制器。
[0006]所述低通滤波器采用集成运算放大器AD648搭建低通有源滤波器电路，有源低通滤波器的_3dB截止频率为63.7Hz。
[0007]所述微控制器采用AVR单片机。
[0008]所述其他家用负荷包括:纯阻性负荷和其他柔性负荷； 所述纯阻性负荷包括:电热取暖器、热水器、电热扇和电暖气；
所述其他柔性负荷包括:家庭照明负荷、电视机、DVD、家用音响；
所述微控制器通过输出PWM方波，以斩波调压的方式调节纯阻性负荷的负荷大小;通过控制固态继电器模块的通断电来控制其他柔性负荷是否接入电网。
[0009]本发明的另一目的在于提供一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的控制方法，当微控制器通过电网电压主动感知模块感知到电网电压低于额定电压的95%且大于90%时，所述微控制器通过红外遥控器柔性调节家用空调的设定温度和当前室温的差值，从而柔性降低家用空调负荷；同时，微控制器通过固态继电器模块柔性降低连接于插座本体上的纯阻性负荷；
当微控制器通过电网电压主动感知模块感知到电网电压低于额定电压的90%时，微控制器立即通过红外遥控器关闭家用空调负荷；同时通过固态继电器模块关断纯阻性负荷和其他柔性负荷。
[0010]与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是:
1、能够实时感知电网的供电电压，当电网有功功率不足而导致电网电压下降时，它能通过红外遥控器柔性降低家用空调负荷，能通过固态继电器模块柔性降低纯阻性负荷；
2、当电网电压下降幅度较大时，能通过固态继电器模块切掉其他柔性负荷，从而保证电网电压和频率的稳定，保证电网稳定运行，当电网电压恢复时，它能将柔性负荷逐步恢复到原始状态；
3、以插座的外在形式实现家居负荷柔性化控制，利于改造和推广应用，并且挖掘家居用电户参与电网稳定调节，实现柔性精细化负荷控制，提升电网的电压调控能力，保持电网运行的稳定。
【附图说明】
[0011]图1是本发明提供的感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的电路原理框图。
[0012]图2是图1中电网电压主动感知模块的电路图。
[0013]图3是图1中微控制器与柔性负荷控制执行模块的连接电路图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0015]如图1所示，一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，主要包括三部分:电网电压主动感知模块、微控制器和柔性负荷控制执行模块。
[0016]微控制器的核心控制器采用AVR单片机，AVR单片机的输入口为模拟信号输入口，输出口为开关量信号输出口。AVR单片机是ATmegal6单片机，该单片机是由意大利Atmel公司研制，是一款性能优越的8位精简指令集单片机，它内部集成有10位高精度模数转换器。
[0017]电网电压主动感知模块包括顺序连接的:电压互感器、低通滤波器和真有效值转换模块:电压互感器的感应端接入电阻，从而将单相交流电源的线电压信号转换为低压正弦信号；低压正弦信号输出至低通滤波器，低通滤波器滤除低压正弦信号中的谐波干扰后输出至真有效值转换模块，真有效值转换模块将滤除谐波干扰的低压正弦信号转换为直流有效值信号。
[0018]如图2所示，是电网电压主动感知模块的电路图。电网电压主动感知模块的输入是220V单相交流电源。220V单相交流电源首先进入电压互感器，电压互感器采用精密2mA/2mA电流型电压互感器。220V单相交流电通过电阻R3接入电压互感器Pl—次侧。电压互感器Pl的二次侧通过1.5千欧的电阻R4;220V交流电压经过电压互感器后转换为最高幅值为3V的低压正弦信号，该低压正弦信号进而传入低通滤波器。
[0019]低通滤波器是采用AD648运放、电阻R1、电阻R2、电容Cl搭建的有源低通滤波器，该有源低通滤波器的_3dB截止频率为63.7Hz。经过低通滤波器后，最高幅值为3V的正弦信号滤掉高次谐波干扰信号，只剩下频率为50Hz的基波正弦信号。该基波正弦信号进而传入真有效值转换模块中。
[0020]真有效值转换采用集成AD536芯片，AD536芯片是由美国AD公司研发的真有效值转直流值的单片集成电路。它可以计算最高300kHz的任何周期信号。利用外部的参考电压可以很方便地设置OdB电平，使其对应于从0.1V到2V之间的任何有效值。AD536芯片的引脚I接入经过低通滤波器后的50Hz的基波信号，引脚6输出50Hz的基波信号的电压有效值，并接入AVR单片机的PAO 口，PAO 口是AVR单片机的模数转换器输入口。引脚14和引脚3分别接± 15V电源，电容C2为滤波电容，用于减少有效值输出口的纹波。
[0021]单相交流电源除与电网电压主动感知模块电连接外，还与柔性负荷控制执行模块电连接，作为柔性负荷控制执行模块的供电电源。
[0022]柔性负荷控制执行模块包括固态继电器模块、插座本体以及红外遥控器。红外遥控器连接到AVR单片机的输出口，AVR单片机通过发射红外遥控信号来调节空调负荷。固态继电器模块包含6个固态继电器，6个固态继电器的一次端都接入到单相交流电源中，6个固态继电器作为开关控制6路单相交流电源的通断，该6路单相交流电源分别接到插座本体的6个插座孔中。插座本体的6个插座孔中，有3个插座口为A口，用于调节纯阻性负荷，另外3个插孔为B口，用于控制其他柔性负荷。固态继电器模块的控制端连接到AVR单片机的输出口。
[0023]如图3所示，是微控制器与柔性负荷控制执行模块的连接电路图。红外遥控器的控制端连接到AVR单片机的PBO口，六路固态继电器的控制端分别通过其驱动电路连接到AVR单片机的PBl?PB6口，由于六路固态继电器的电路完全相同，故图3中只列了六路固态继电器中的第一路固态继电器和第四路固态继电器。红外遥控器用于柔性调节空调负荷。固态继电器模块用于纯阻性负荷的柔性控制和其他柔性负荷的通断控制。
[0024]红外遥控器主要由ATmegal6单片机的PBO口控制。红外遥控器的核心器件是红外发射管DSl。红外发射管DSl可以发出波长为940纳米的红外光信号。本发明采用8050三极管Ql组成功率放大电路驱动红外发射管DSl J2V的电源电压经过R5限流后通过三极管的开断作用控制红外发射管DSl。红外遥控信号采用38.5KHZ方波信号对红外光进行调制。微控制器中集成有多种不同品牌的家用空调遥控协议，从而可以控制不同品牌，不同型号的家用空调控制。
[0025]固态继电器模块用于纯阻性负荷的柔性控制以及其他柔性负荷的通断控制。固态继电器是采用场效应管或者可控硅来实现快速断开和闭合的继电器。本发明采用PWM脉宽调制技术，通过固态继电器的快速开关功能，实现对家居中纯阻性负荷的柔性控制。纯阻性负荷如电热取暖器、热水器、电热扇和电暖气等。图3中只列出了第一路固态继电器的电路原理图。第一路固态继电器连接到插座本体的插孔A，用于实现对纯阻性负荷的柔性控制。PAl 口经过电阻R7接入三极管Q2的基极，三极管Q2实现了PD3 口控制信号的功率放大，进而控制固态继电器Kl的二次端，进而控制固态继电器Kl 一次端的开合。通过HVM脉宽调制技术，通过对220V交流电源的斩波作用，柔性降低每个20ms正弦周期内的电源接通时间宽度，进而降低交流电源的电压有效值，从而实现了对纯阻性负荷的功率控制。
[0026]固态继电器模块也可以用于控制除家用空调之外的其他柔性负荷的通断。其他柔性负荷是指家居中不能被线性柔性控制，但是也不是非刚需负荷，包括:家庭照明负荷、电视机、DVD、家用音响等。当电网电压下降时，可选择性切掉柔性负荷。图3中列出了第四路固态继电器电路原理图，第四路固态继电器连接到插座本体的插孔B，用于实现对其他柔性负荷的通断控制。AVR单片机的PB4 口由三极管Q3进行功率放大，进而控制交流电磁继电器K2的二次控制端，电磁继电器K2的一次端接到220V交流电源中。220V交流电经过电磁继电器K2的一次触点接到插座本体中，室内柔性负荷接入到插座中。当PB4为低电平时，三极管Q3截止，电磁继电器K2线圈失电，从而电磁继电器K2—次端触点断开，柔性负荷切掉。当PB4为高电平时，三极管Q3饱和导通，电磁继电器K2线圈得电，从而电磁继电器K2—次端触点闭合，其他柔性负荷恢复接入。
[0027]本发明还公开了一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的控制方法，微控制器通过电网电压主动感知模块实时监测电网电压数值，当电网电压下降时，微控制器能根据电网电压下降程度不同而立即柔性降低家居负荷。由于采用固态继电器进行调节，该柔性降低动作可在一毫秒时间内完成，从而第一时间有效辅助电网调度中心对电网的负荷调节，维持电网电压的稳定。
[0028]当微控制器通过电网电压主动感知模块感知到电网电压低于额定电压的95%且大于90%时，微控制器立即通过红外遥控器柔性调节设定温度和当前温度的差值，从而柔性降低空调负荷大小。AVR单片机通过I3BO 口输出红外遥控器命令信号，该信号经过三极管Ql放大后，由红外发光管DSl发出。该命令信号柔性调整设定温度，根据当前电网电压下降程度柔性调节空调设定温度和当前室内温度的差值，从而柔性调节空调负荷大小。同时，AVR单片机根据电网电压下降程度，控制PB I 口输出不同占空比的PWM方波，该方波通过固态继电器Kl的斩波作用，控制正弦交流电源在一个周期内的不同时刻进行通断，从而改变正弦交流电的有效值。电网电压下降程度线性对应纯阻性负荷的供电电压有效值。
[0029]当微控制器通过电网电压感知模块感知到电网电压低于额定电压的90%时，微控制器立即通过红外发射管DSl发出命令信号，关闭空调负荷。立即通过固态继电器模块关断纯阻性负荷和其他柔性负荷，从而使得家居负荷降低到最小，保证电网供电电压的稳定性。
[0030]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，其特征在于，包括顺序连接的:电网电压主动感知模块、微控制器和柔性负荷控制执行模块;所述柔性负荷控制执行模块包括:固态继电器模块、插座本体和红外遥控器，所述微控制器通过固态继电器模块控制插座本体的通电或断电；所述红外遥控器与家用空调信号连接，所述插座本体与除家用空调外的其他家用负荷电连接； 所述电网电压主动感知模块实时监测电网电压，微控制器根据电网电压下降幅度判断是否切断插座本体的电力供应或者通过红外遥控器降低家用空调的用电功率。2.根据权利要求1所述的感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，其特征在于: 所述电网电压主动感知模块包括顺序连接的:用于采集电网相电压的电压互感器、用于滤除谐波干扰的低通滤波器和用于将正弦交流信号转换为直流有效信号的真有效值转换丰吴块； 电压互感器将电网信号转换为低压正弦信号，经低通滤波器滤除低压正弦信号中的谐波信号，输出至真有效值转换模块，真有效值转换模块低通滤波器输出的正弦交流信号转换为直流有效信号，并传送至微控制器。3.根据权利要求2所述的感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，其特征在于:所述低通滤波器采用集成运算放大器AD648搭建低通有源滤波器电路，有源低通滤波器的-3dB截止频率为63.7Hz。4.根据权利要求1所述的感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，其特征在于:所述微控制器采用AVR单片机。5.根据权利要求1所述的感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器，其特征在于:所述其他家用负荷包括:纯阻性负荷和其他柔性负荷； 所述纯阻性负荷包括:电热取暖器、热水器、电热扇和电暖气； 所述其他柔性负荷包括:家庭照明负荷、电视机、DVD、家用音响； 所述微控制器通过输出PWM方波，以斩波调压的方式调节纯阻性负荷的负荷大小;通过控制固态继电器模块的通断电来控制其他柔性负荷是否接入电网。6.一种感知电网电压下降的柔性负荷自主控制器的控制方法，其特征在于: 当微控制器通过电网电压主动感知模块感知到电网电压低于额定电压的95%且大于90%时，所述微控制器通过红外遥控器柔性调节家用空调的设定温度和当前室温的差值，从而柔性降低家用空调负荷；同时，微控制器通过固态继电器模块柔性降低连接于插座本体上的纯阻性负荷； 当微控制器通过电网电压主动感知模块感知到电网电压低于额定电压的90%时，微控制器立即通过红外遥控器关闭家用空调负荷；同时通过固态继电器模块关断纯阻性负荷和其他柔性负荷。
【文档编号】H02J3/14GK105958500SQ201610431854
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】陈亮, 贾萌萌, 袁晓冬, 袁宇波, 李虎成
【申请人】国网江苏省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司