CN108110894A - 一种基于宽带电力载波的智能插座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，包括宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块以及处理器模块，所述宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块分别于处理器模块连接。优点：本发明所涉及的一种基于宽带电力载波的智能插座能够与调度限电方案实现无缝对接，不仅能够较好的完成与电网系统的信息交互，还能实现对用户负荷的实时监测及基于监测信息的状态估计和智能控制。从而有力的保证了电网安全稳定运行和家庭能源的有效管理。

Description

一种基于宽带电力载波的智能插座
技术领域
本发明涉及一种基于宽带电力载波的智能插座，属于智能用电技术领域。
背景技术
进入21世纪，随着科技的进步和经济的发展，全球对电力能源的需求量也逐年递增，而且电力缺口有逐渐增大的趋势。电力负荷峰谷差进一步增大，各地对能源需求的增长远超电力生产能力的增长，供需双方的矛盾日益加深，同时很多新的问题一一出现，如煤炭资源紧张，电力需求量快速增长引起的电网容量不足及环境污染等。这些问题导致了在电力需求高峰时候频繁的功率限制和停电。传统应对方法如高峰时部分区域拉闸限电和启动备用发电机组不仅会增加发电的成本，给人民日常生活带来不便同时还会造成环境污染。除此之外，研究表明目前电力资产利用效率较低，仅20%的系统容量用于满足电力峰值需求，其运行时间仅占系统运行时间的5%。
随着人们生活水平的提高和住房条件的改善，城乡居民家用电器无论数量还是质量都在逐年提高，导致居民用电量增长非常明显，电力成了居民家庭中的主要能耗项目；同时，居民生活用电在全社会用电中占很大的比重。在智能用电技术高速发展和节能减排的背景下，研究用电响应模式，通过不同的响应模式实现家庭智能用电，增强居民的节约用电意识，引导居民节约、合理用电，现实、必要而又迫切。
同时，随着智能电网的发展，用户侧越来越受到重视，家庭能源管理是智能电网在居民侧的延伸，是智能电网领域的研究热点之一。研究表明，通过调整用户侧的负荷及用户自身配备储能设备的充放电来适应电网负荷和电价变化的自动化系统，可以更经济、更有效的达到节约能源、确保用户用电安全、减少用户电费支出、提高电网稳定性和安全性的目的。
此外，随着用户能源利用方式的变化，家用分布式发电、电动汽车等需求侧的电源将越来越多的接入电网，并对电网运行控制带来影响，例如：新型电源产生的额外电能送回电网所产生的双向潮流问题；电动汽车充电需要增加馈线的承载容量，还会导致严重的晚间用电高峰问题；分布式发电、需求响应及电动汽车引起的负荷曲线变化问题。因此，建设与用户友好互动的智能电网，为用户提供及时准确的用电信息，实现用户的自主选择，满足多元化客户需求，提升电网公司的服务质量，将是未来智能用电的发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于宽带电力载波的智能插座，为电网公司和电力用户之间提供了友好开放的双向交互的设备，在满足不影响居民正常生活的基础上，实现居民家庭参与电网需求侧响应，满足降低电力需求的“峰谷比”和电力资产投资额的需求，提高电力资产的利用效率，增强电力系统运行的安全性。满足了智能用电对营销管理和客户服务的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，包括宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块以及处理器模块，所述宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块分别于处理器模块连接；
所述宽带电力载波通信模块用于宽带电力载波通信，采用Greenvity通信公司的GV7013B , 该芯片是面向智能电网、智能能源管理、面向恶劣环境和高温的Hybrii-PLC，通过电力线和家庭智能网关通信；
所述电源通断控制模块包括手动和远程两种方式对该智能插座的电源进行通断控制，从而实现对连接该插座的用电设备的电源通断；
所述电量采集模块集成在该智能插座中，用于对连接智能插座的终端设备的电流、电压、功率、电量信息进行采集；
所述红外控制模块用于与具有红外控制功能的设备连接，实现对家电终端设备进行柔性控制，从而完成智能用电的个性化服务；
所述处理器模块用于该智能插座的电量计算，通过宽带电力载波通信模块实现计量数据上传。
进一步的，所述处理器模块集成32bit Cortex-M0的ARM，内部集成计量模块，外部具有多个串口和GPIO端口。
进一步的，所述宽带电力载波通信模块支持SPI、UART、GPIO多种通信方式。
进一步的，所述宽带电力载波通信模块内设有宽带PLC，用于与家庭智能网关交换数据。
进一步的，所述电源通断控制模块主要包括微型继电器和驱动电路，实现对该插座的电源的通断控制。
进一步的，所述宏发继电器HF115-L5-HS3L2TF作为电源通断控制的执行结构，支持手动和远程控制两种方式，该继电器具有磁保持功能。
进一步的，所述红外自学习模块主要包括红外自学习检测模块和红外发射模块，所述红外发射模块的接收头接收红外脉冲信号传输给红外自学习检测模块进行解调，将红外自学习检测模块解调出的遥控编码脉冲直接连入处理器ARM的中断脚和定时脚，由处理器存储各种操作的红外信号的脉冲宽度和序列组成；根据需要调用不同的脉冲，从而实现对家电的灵活控制。
进一步的，所述红外自学习检测模块采用集成芯片Cx20106。
进一步的，所述智能插座采用现有电力网络，采用宽带电力载波实现智能插座的远程通断控制及用电信息统计，家庭能源管理中心通过电力线对智能插座发送通断指令或查询终端设备的电量信息。
进一步的，所述电量采集模块信息采集，电量精度达到0.2级；电流，电压精度达到0.1%，功率精度达到0.5%。
本发明所达到的有益效果：
本发明所涉及的一种基于宽带电力载波的智能插座能够与调度限电方案实现无缝对接，不仅能够较好的完成与电网系统的信息交互，还能实现对用户负荷的实时监测及基于监测信息的状态估计和智能控制。从而有力的保证了电网安全稳定运行和家庭能源的有效管理。其主要效果如下:
（1）削峰填谷，支持需求响应在居民侧的实施
居民用户侧是通过实施需求响应来削减电力峰值需求的最大潜在领域，通过此方法可以实现需求响应在众多居民用户中得到实施，激励引导用户在系统用电高峰或者系统稳定性受到威胁时减少用电负荷，在用电低谷时段增加用电，从而保护电力系统供电可靠性并提高系统的资源利用率，使电力系统的运行的经济性和安全性得到进一步的提高。另一方面，此方法还可以控制居民家用电器对电力公司发布的动态电价信号进行合适的响应和优化控制，达到降低用户用电费用和节能减排的目的。
（2）家电柔性控制，提高居民的智能用电能力
利用该智能插座可以实现用户对空调、热水器等设备的自动控制，根据用户需求进行空调温度自动调节及热水器的远程开关。
附图说明
图1基于宽带电力载波的智能插座原理框图；
图2为基于宽带电力载波的智能插座通断控制原理图；
图3为基于宽带电力载波的智能插座的红外自学习原理图；
图4为T0、T1与红外编码信号脉宽的对应关系。
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明的基于一种基于宽带电力载波的智能插座，由宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块、处理器五个环节组成。
本设计选用了RN8213作为主要处理器，该芯片为集成32bit Cortex-M0的ARM，内部集成了计量模块，外部具有5个串口和多个GPIO。
为了减少通信布线，避免通信死区(相对于无线)采用宽带电力载波作为主要通信方式，选用Greenvity通讯的宽带电力载波芯片GV7013,该芯片通信速率可以达到9.8Mbps,通信接口支持SPI、UART、GPIO等多种方式。在本设计采用紧凑性宽带电力载波设计，未采用目前市面通用的PLC模块，将GV7013和智能插座的主芯片RN8213紧密结合，将PLC的交流调理和智能插座电源模块一体设计，减少模块间的互联，提高了产品的可靠性。
本设计选用宏发继电器HF115-L5-HS3L2TF作为电源通断控制的执行结构，支持手动和远程控制两种方式。该继电器具有磁保持功能，如图2在设计采用Relay-Reset和Relay-Set经过光耦分别控制继电器的动作和复归引脚。本设计中Relay-Reset/Relay-Set是处理的通用输出I/O，R2作为限流电阻，R4作为限压电阻，三极管BC817作用是增强信号的驱动电流以及实现处理器电源和继电器电源的隔离。连接在继电器1-2和2-3之间的二极管1N4148，控制信号释放时为线圈提供一个能量释放通道。接点监视采用光耦PS2505实现交流电源通断监视，PS2505可以检测交流信号的双向光藕，当电源处于断开状态时，则光耦输出为0；当电源处于接通状态时，则光耦输出为1。结合用电信息可以判断连接终端的工作情况。
如图3所示，本设计中利用处理器对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测量的数据回放，本设计中仅关心发射信号波形中的高低电平的宽度，不管其如何编码，因此做到了真正的自学习遥控器。
本模块分红外自学习检测和红外发射两部分，红外检测选用了专用集成芯片Cx20106。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ; 2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。 3脚：该脚与地之间连接检波电容4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。6脚：该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式。8脚：电源正极，4.5～5V。
将CX20106解调出的遥控编码脉冲out直接连入处理器RN8213的INT0和T0脚，定时器T0和T1都初始化为定时工作方式1，T0的GATE位置位。每次外部中断首先停止定时，记录T0、T1的计数值，然后将T0、T1的计数值清零，并重新启动定时。T0的值即为高电平脉宽，T1～T0的值为低电平脉宽。T0、T1与红外编码信号脉宽的对应关系如图4所示，
用户可以根据需求进行灵活设备设置，实现家电设备的个性化定制。该部分设计具有执行学习、预存编码、模拟发射等部分组成。如图所示，通过接收器获取家电设备的开关、升温、降温等操作的脉冲序列，在接收到远程控制命令后通过红外发射相应的脉冲序列。
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。

Claims (10)

1.一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，包括宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块以及处理器模块，所述宽带电力载波通信模块、电源通断控制模块、电量采集模块、红外自学习模块分别于处理器模块连接；
所述宽带电力载波通信模块用于宽带电力载波通信；
所述电源通断控制模块包括手动和远程两种方式对该智能插座的电源进行通断控制，从而实现对连接该插座的用电设备的电源通断；
所述电量采集模块集成在该智能插座中，用于对连接智能插座的终端设备的电流、电压、功率、电量信息进行采集；
所述红外控制模块用于与具有红外控制功能的设备连接，实现对家电终端设备进行柔性控制，从而完成智能用电的个性化服务；
所述处理器模块用于该智能插座的电量计算，通过宽带电力载波通信模块实现计量数据上传。
2. 根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述处理器模块集成32bit Cortex-M0的ARM，内部集成计量模块，外部具有多个串口和GPIO端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述宽带电力载波通信模块支持SPI、UART、GPIO多种通信方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述宽带电力载波通信模块内设有宽带PLC，用于与家庭智能网关交换数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述电源通断控制模块主要包括微型继电器和驱动电路，实现对该插座的电源的通断控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述宏发继电器HF115-L5-HS3L2TF作为电源通断控制的执行结构，支持手动和远程控制两种方式，该继电器具有磁保持功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述红外自学习模块主要包括红外自学习检测模块和红外发射模块，所述红外发射模块的接收头接收红外脉冲信号传输给红外自学习检测模块进行解调，将红外自学习检测模块解调出的遥控编码脉冲直接连入处理器ARM的中断脚和定时脚，由处理器存储各种操作的红外信号的脉冲宽度和序列组成；根据需要调用不同的脉冲，从而实现对家电的灵活控制。
8.根据权利要求7所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述红外自学习检测模块采用集成芯片Cx20106。
9.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述智能插座采用现有电力网络，采用宽带电力载波实现智能插座的远程通断控制及用电信息统计，家庭能源管理中心通过电力线对智能插座发送通断指令或查询终端设备的电量信息。
10.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力载波的智能插座，其特征是，所述电量采集模块信息采集，电量精度达到0.2级；电流，电压精度达到0.1%，功率精度达到0.5%。
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