CN109687455A - 一种基于电网周波频率的智能用电控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电网周波频率的智能用电控制器，包括周波频率检测模块、电能计量模块、实时电价生成模块、电费计量模块、电池能量检测模块、人机交互模块、用电决策模块和充电控制模块；周波频率检测模块、电能计量模块分别连接至电网，周波频率检测模块与充电控制模块之间依次设置实时电价生成模块和用电决策模块；电能计量模块分别连接至人机交互模块和电费计量模块，实时电价生成模块还连接电费计量模块，电费计量模块连接至人机交互模块。本发明从用电侧进行电力调峰调频，调节容量大、速度快，有利于电网安全稳定运行；提升电网容纳风能、太阳能等接入的能力，有利于推动新能源的广泛应用；指导用户经济用电，具有良好的社会效益。

Description

一种基于电网周波频率的智能用电控制器

技术领域

本发明涉及一种智能用电控制器，尤其涉及一种基于电网周波频率的智能用电控制器，适用于电动汽车、电瓶车、电池储能等可间歇式充电的设备、仪器、装置。

背景技术

随着我国经济发展和产业结构调整，社会对电能的需求不断增长，用电结构也发生了很大变化。目前电力负荷主要由工业用电、商业用电、生活用电和其他用电几部分组成，统计数据表明近年来工业用电的绝对数量是增加的，但在电力负荷中所占的比例却是下降的，而商业用电和生活用电所占的比例不断增加，但两者用电量在一天中变化很大，使得电力负荷在一天中的峰谷差越来越大，以南方电网为例，预计2020年日负荷率(一天内最小负荷与最大负荷的比率)将达到0.598，导致电网调峰调频能力与客观上的调峰调频需求之间的矛盾十分尖锐。

2014年广东省电力设计研究院对南方电网2020年调峰调频电源需求进行预测，得出的结论为：南方电网系统需要的调峰调频容量为114506MW，全网火电机组提供的调峰容量为53727MW(按40％调峰深度计算)，在考虑风电等可再生能源的反调峰特性(7980MW)后，需要新增调峰调频电源容量为68761MW，缺口非常大。

当前，随着能源问题和环境问题的日益突出，对风能、太阳能等新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。然而，这些间歇式能源具有较强的波动性和随机性，造成了间歇式能源发电站出力的不确定性。对电网而言，大规模间歇式能源的接入对系统的调峰调频将会带来很大的困难。在目前调峰调频能力不足的背景下，全国出现了大规模的“弃风弃光”电量现象。根据国家能源局发布的《2016年风电并网运行情况》，全年“弃风”电量497亿千瓦时，超过三峡全年发电量的一半，全国平均“弃风”率达到17％，甘肃、新疆、吉林等地“弃风”率高达43％、38％和30％。2016年仅西北地区“弃光”电量就达70亿千瓦时，平均“弃光”率近20％，新疆、甘肃“弃光”率高达32％、30％，2017年一季度“弃光”电量27亿千瓦时，全国平均“弃光”率达到13％。

目前电网调峰调频的主要方法是从发电侧进行调节，如南方电网专门设立南方电网调峰调频发电公司，利用火电机组、抽水蓄能电站等对电力负荷进行调节，但大型火电机组的频繁启停带来磨损大、煤耗高、不安全、不经济等问题，而抽水蓄能电站的总装机量不足。由于调峰调频容量缺口巨大，仅从发电侧调节难以满足当前调峰调频需求，而且存在电站建设投资大、周期长、难以短时间内见效的问题。

本发明提出一种从用电侧进行电力负荷调节的方法，并给出一种基于电网周波频率的智能用电控制器。

周波频率是供电质量的重要指标之一，也是影响电网运行安全的关键参数。我国规定标准周波频率为50Hz，其偏差不得超过±0.5Hz。周波频率之变化，根本在于功率平衡：当发电机输出功率等于其全部负载功率时，周波频率不变；当发电机输出功率小于其负载功率时，周波频率会降低；当发电机输出功率大于其负载功率时，周波频率会升高。因此，当功率处于平衡状态时，负荷增大或减小，则平衡被打破，周波频率就会降低或升高，周波频率的动态变化反映了电力负荷的实时变化，二者存在明显的依赖关系。

本发明的核心思想就是利用电力负荷和周波频率的依赖关系，给出一种基于电网周波频率的实时电价方案，并提出相应的智能用电控制器，用于指导用户合理用电，尽量从用户端调节用电时间和用电量，减小电力负荷波动。本发明的大规模推广应用一方面起到对电网调峰调频的作用，另一方面可以容纳风电、太阳能等接入引起的电力波动，大力推动新能源的利用。

发明内容

本发明提出一种基于电网周波频率的智能用电控制器，通过从用电侧引导用户合理用电，解决电力负荷调节能力不足、难以容纳新能源大规模接入等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于电网周波频率的智能用电控制器，包括周波频率检测模块、电能计量模块、实时电价生成模块、电费计量模块、电池能量检测模块、人机交互模块、用电决策模块和充电控制模块；

周波频率检测模块、电能计量模块分别连接至电网，周波频率检测模块与充电控制模块之间依次设置实时电价生成模块和用电决策模块；电能计量模块分别连接至人机交互模块和电费计量模块，实时电价生成模块还连接电费计量模块，电费计量模块连接至人机交互模块，人机交互模块还与用电决策模块和电池能量检测模块连接，充电检测模块和电池能量检测模块分别与用电设备相连。

作为优选方式，用户通过人机交互模块对用电需求进行设置，用电决策模块根据人机交互模块传送的用电需求、电池能量检测模块检测到的电池能量以及实时电价生成模块提供的实时电价信息自动判断何时用电，并生成指令由充电控制模块执行；

电费计量模块根据实时电价(实时电价生成模块提供)和用电量(电能计量模块提供)计算电费，其中实时电价是根据检测的电网周波频率由实时电价生成模块实时更新，用电量由电能计量模块给出。

作为优选方式，周波频率检测模块用于实时检测电网的周波频率，包括信号取样、数据采集和存储、周波频率分析部分；

电能计量模块用于实时准确测量用电量，采用电压分压网络或电压互感器进行电压采样，采用高热稳定性锰铜片或电流互感器进行电流采样，采用高精度电能测量芯片结合外围电路进行电能计量，包括有功、无功和视在电能的计量，可实现电压有效值、电流有效值、功率因数测量。

实时电价生成模块利用周波频率与电力负荷之间的依赖关系，根据周波频率信息生成实时电价；

电费计量模块用于计算任意时间段内的电费，并在人机交互界面显示，某一时间段内的电费为该时间段内用电量和实时电价的乘积。

用电决策模块用于自动判断用电设备何时接入充电和退出充电，并将指令传递给充电控制模块，决策考虑的因素包括实时电价、电池能量和剩余时间三个因素。

电池能量检测模块用于检测用电设备的电池能量状态；

人机交互模块包括参数设置和状态显示两部分功能，用户可通过人机交互模块设置充电参数；

充电控制模块根据用电决策模块的指令，使用电设备接入充电或退出充电。

作为优选方式，周波频率分析过程如下：

(1)对电压信号进行采样，采样频率为f_s，采样信号为x(n)，n＝1,2,…N，频率分辨力为

(2)对采样信号序列x(n)进行N点FFT(快速傅里叶变换)运算，得到信号的频域形式X(k),k＝1,2…N，并进一步计算幅值谱序列X_A(k)；

(3)构造新的幅值谱序列X₁(k)，其表达式为：

(4)搜索幅值谱序列X₁(k)，找出最大值(记为X₁(m))及其对应的位置(记为k＝m)；

(5)比较最大值左右两侧临近谱线X₁(m+1)和X₁(m-1)，假设X₁(m+1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

假设X₁(m-1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

作为优选方式，实时电价生成模块：根据基础电价和周波频率信息生成实时电价，具体的实时电价P的生成方法如下：

P＝P_b+P_f(Δf)+P_r(fr)

其中P_b为基础电价，与周波频率无关；

P_f(Δf)为频率电价，取决于电网周波频率f与标准周波频率f₀的差值Δf(Δf＝f-f₀，中国电网标准周波频率为50Hz)，P_f(Δf)表达式为：

P_r(fr)为频率波动电价，与一段时间内的电网周波频率波动幅度有关，波动幅度用频率的均方差fr表示，同时设置一个波动死区(0，r)，即在小幅波动时Pr(fr)为零，设置一个波动电价上限d，P_r(fr)表达式为：

作为优选方式，电费计量模块根据用电量和实时电价计算电费：假设电价更新周期为Δt，t_i时刻的电价为P_x，(0～t_i)时间内的用电量为Q_i，则(0～t_i)时间内的电费为式中n取最接近t_i/Δt的整数。

作为优选方式，用电决策模块综合考虑实时电价、电池能量和剩余时间三个因素，通过用电决策算法决定何时接入充电、何时退出充电。

作为优选方式，用电决策算法的原则是实时电价越低、电池剩余电量越少、剩余时间越短，则越倾向于接入，反之则倾向于退出；据此给出算法如下：

(1)根据用电设备剩余电量Q预估连续充电至满电所需的时间T₀；

(2)根据用户设置的期望完成充电的时间，计算剩余时间T；

(3)当剩余时间不足，即T≤T₀时，用电设备接入充电；否则进入第四步；

(4)计算过去若干天的平均电价并与实时电价P进行比较，当时，用电设备接入充电；

(5)重复(1)～(4)直至充电完成。

作为优选方式，人机交互模块参数设置为用户提供两种充电模式：一种是直充模式，一般是在急需用电的情况下使用，不管当前电价如何立刻进入充电状态；

另一种充电模式是节能模式，选择节能模式时弹出对话框需要用户设置期望的充电完成时间，智能用电控制器根据实时电价和剩余时间自主决策何时进入充电状态。

作为优选方式，人机交互模块通过触摸屏显示充电状态、电池电量、电池电压、实时电价、用电量、电费信息。

本发明的有益效果是：

(1)从用电侧进行调峰调频，调节容量大、速度快，有利于电网安全稳定运行。

(2)提升电网容纳风能、太阳能等接入的能力，有利于推动新能源的广泛应用。

(3)指导用户经济用电，具有良好的社会效益。

附图说明

图1为系统组成及原理示意图；

图2为电能计量模块示意图；

图3为P_f(Δf)函数关系；

图4为P_r(fr)函数关系；

图5为人机交互界面。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于电网周波频率的智能用电控制器，包括周波频率检测模块、电能计量模块、实时电价生成模块、电费计量模块、电池能量检测模块、人机交互模块、用电决策模块和充电控制模块；

周波频率检测模块、电能计量模块分别连接至电网，周波频率检测模块与充电控制模块之间依次设置实时电价生成模块和用电决策模块；电能计量模块分别连接至人机交互模块和电费计量模块，实时电价生成模块还连接电费计量模块，电费计量模块连接至人机交互模块，人机交互模块还与用电决策模块和电池能量检测模块连接，充电检测模块和电池能量检测模块分别与用电设备相连。

在一个优选实施例中，用户通过人机交互模块对用电需求进行设置，用电决策模块根据人机交互模块传送的用电需求、电池能量检测模块检测到的电池能量以及实时电价生成模块提供的实时电价信息自动判断何时用电，并生成指令由充电控制模块执行；

电费计量模块根据实时电价(实时电价生成模块提供)和用电量(电能计量模块提供)计算电费，其中实时电价是根据检测的电网周波频率根据由实时电价生成模块实时更新，用电量由电能计量模块给出。

在一个优选实施例中，周波频率检测模块用于实时检测电网的周波频率，包括信号取样、数据采集和存储、周波频率分析部分；其中信号取样是对电网电压信号进行阻抗变换和缩放处理，数据采集和存储对电压信号进行模数转换并存储，周波频率分析是基于存储数据采用软件算法精确计算电网周波频率；

其中周波频率分析的精度是关键，采用快速傅里叶变换算法计算周波频率，并通过加窗和插值方法提高计算精度，确保频率计算误差小于0.01Hz，满足GB/T 15945-1995《电能质量-电力系统频率允许偏差》中规定的误差要求。

电能计量模块用于实时准确测量用电量，采用电压分压网络或电压互感器进行电压采样，采用高热稳定性锰铜片或电流互感器进行电流采样，采用高精度电能测量芯片结合外围电路(外围电路包括信号处理电路、通信接口电路、电源模块电路)进行电能计量。电能计量的具体过程：采用高精度电能测量芯片对采样电压和电流信号进行处理，转换成与电能成正比的脉冲输出，再通过单片机进行处理和存储，把脉冲转换为用电量并输出，如图2所示。可实现有功、无功和视在电能的计量，并可测量电压有效值、电流有效值、功率因数。

实时电价生成模块利用周波频率与电力负荷之间的依赖关系，根据周波频率信息生成实时电价，其基本原理为：实时电价取决于一段时间内的周波频率及其波动量大小，比如当周波频率小于标准周波频率时，表明电力负荷重，此时不宜再接入新的负载，相应地制定较高的电价，不鼓励用电；而当周波频率大于标准周波频率，且波动较小时，表明电力负荷轻且较稳定，此时可容纳新的负载接入，相应地制定较低的电价，鼓励用电。

电费计量模块用于计算任意时间段内的电费，并在人机交互界面显示，某一时间段内的电费为该时间段内用电量和实时电价的乘积。

用电决策模块用于自动判断用电设备何时接入充电和退出充电，并将指令传递给充电控制模块，决策考虑的因素包括实时电价、电池能量和剩余时间三个因素，其中实时电价由实时电价生成模块提供，电池能量由电池能量检测模块提供或通过数据接口由其他外部设备提供，剩余时间根据用户设置的充电完成时间进行计算获得。根据上述三个因素，采用优化算法决定何时接入充电、何时退出充电。

电池能量检测模块用于检测用电设备的电池能量状态，包括电压和电量，为用电决策模块提供基础信息。可通过两种方式实现，一是通过接口与电池自身的能量管理系统交互，获取电池能量状态信息，二是通过增加外部测量元件，测量电池能量状态。优选地采用第一种方法。

人机交互模块包括参数设置和状态显示两部分功能，用户可通过人机交互模块设置充电参数，包括充电模式选择和期望的充电完成时间，充电状态、电池电量、实时电价、用电量、电费信息在人机交互界面显示。

充电控制模块根据用电决策模块的指令，使用电设备接入充电或退出充电。

在一个优选实施例中，周波频率分析过程如下：

(1)对电压信号进行采样，采样频率为f_s，采样信号为x(n)，n＝1,2,…N，频率分辨力为

(2)对采样信号序列x(n)进行N点FFT(快速傅里叶变换)运算，得到信号的频域形式X(k),k＝1,2…N，并进一步计算幅值谱序列X_A(k)；

(3)构造新的幅值谱序列X₁(k)，其表达式为：

(4)搜索幅值谱序列X₁(k)，找出最大值(记为X₁(m))及其对应的位置(记为k＝m)；

(5)比较最大值左右两侧临近谱线X₁(m+1)和X₁(m-1)，假设X₁(m+1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

假设X₁(m-1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

在一个优选实施例中，实时电价生成模块：根据基础电价和周波频率信息生成实时电价，具体的实时电价P的生成方法如下：

P＝P_b+P_f(Δf)+P_r(fr)

其中P_b为基础电价，与周波频率无关；

P_f(Δf)为频率电价，取决于电网周波频率f与标准周波频率f₀的差值Δf(Δf＝f-f₀，中国电网标准周波频率为50Hz)，P_f(Δf)表达式为：

P_f(Δf)函数关系如图3所示。

P_r(fr)为频率波动电价，与一段时间内的电网周波频率波动幅度有关，波动幅度用频率的均方差fr表示，同时设置一个波动死区(0，r)，即在小幅波动时P_r(fr)为零，设置一个波动电价上限d，P_r(fr)表达式为：

P_r(f_r)函数关系如图4所示。

在一个优选实施例中，电费计量模块根据用电量和实时电价计算电费：假设电价更新周期为Δt，t_i时刻的电价为P_i，(0～t_i)时间内的用电量为Q_i，则(0～t_i)时间内的电费为式中n取最接近t_i/Δt的整数。

在一个优选实施例中，用电决策模块综合考虑实时电价、电池能量和剩余时间三个因素，通过用电决策算法决定何时接入充电、何时退出充电。

在一个优选实施例中，用电决策算法的原则是实时电价越低、电池剩余电量越少、剩余时间越短，则越倾向于接入，反之则倾向于退出；据此给出一种算法例子如下：

(1)根据用电设备剩余电量Q预估连续充电至满电所需的时间T₀；

(2)根据用户设置的期望完成充电的时间，计算剩余时间T；

(3)当剩余时间不足，即T≤T₀时，用电设备接入充电；否则进入第四步；

(4)计算过去若干天的平均电价并与实时电价P进行比较，当时，用电设备接入充电；

(5)重复(1)～(4)直至充电完成。

在一个优选实施例中，

人机交互模块参数设置为用户提供两种充电模式：一种是直充模式，一般是在急需用电的情况下使用，不管当前电价如何立刻进入充电状态；

另一种充电模式是节能模式，选择节能模式时弹出对话框需要用户设置期望的充电完成时间，智能用电控制器根据实时电价和剩余时间自主决策何时进入充电状态。

在一个优选实施例中，人机交互模块通过触摸屏显示充电状态、电池电量、电池电压、实时电价、用电量、电费信息信息，如图5所示，人机交互模块的交互界面包括四个部分：用户设置、充电状态显示、电量电费计量和电池能量状态，其中用户设置包括直充模式、节能模式和设置期望完成的时间，充电状态显示包括正在充电和等待充电，电量电费计量包括总电费、用电量和实时电价，电池能量状态包括电压和电量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于：包括周波频率检测模块、电能计量模块、实时电价生成模块、电费计量模块、电池能量检测模块、人机交互模块、用电决策模块和充电控制模块；

周波频率检测模块、电能计量模块分别连接至电网，周波频率检测模块与充电控制模块之间依次设置实时电价生成模块和用电决策模块；电能计量模块分别连接至人机交互模块和电费计量模块，实时电价生成模块还连接电费计量模块，电费计量模块连接至人机交互模块，人机交互模块还与用电决策模块和电池能量检测模块连接，充电检测模块和电池能量检测模块分别与用电设备相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于：

周波频率检测模块用于实时检测电网的周波频率，至少包括信号取样、数据采集和存储、周波频率分析部分；

电能计量模块用于实时准确测量用电量，采用电压分压网络或电压互感器进行电压采样，采用高热稳定性锰铜片或电流互感器进行电流采样，采用高精度电能测量芯片结合外围电路进行电能计量；

实时电价生成模块利用周波频率与电力负荷之间的依赖关系，根据周波频率信息生成实时电价；

电费计量模块用于计算任意时间段内的电费，并在人机交互界面显示，某一时间段内的电费为该时间段内用电量和实时电价的乘积；

用电决策模块用于自动判断用电设备何时接入充电和退出充电，并将指令传递给充电控制模块，决策考虑的因素包括实时电价、电池能量和剩余时间三个因素；

电池能量检测模块用于检测用电设备的电池能量状态；

人机交互模块包括参数设置和状态显示两部分功能，用户可通过人机交互模块设置充电参数；

充电控制模块根据用电决策模块的指令，使用电设备接入充电或退出充电。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于，周波频率分析过程如下：

(1)对电压信号进行采样，采样频率为f_s，采样信号为x(n)，n＝1,2,…N，频率分辨力为

(2)对采样信号序列x(n)进行N点FFT运算，得到信号的频域形式X(k),k＝1,2…N，并进一步计算幅值谱序列X_A(k)；

(3)构造新的幅值谱序列X₁(k)，其表达式为：

(4)搜索幅值谱序列X₁(k)，找出最大值，记为X₁(m)及其对应的位置，记为k＝m；

(5)比较最大值左右两侧临近谱线X₁(m+1)和X₁(m-1)，假设X₁(m+1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

假设X₁(m-1)较大，计算幅值最大的两头谱线的比值进一步计算电网周波频率f，其表达式为：

4.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于，实时电价生成模块：根据基础电价和周波频率信息生成实时电价，具体的实时电价P的生成方法如下：

P＝P_b+P_f(Δf)+P_r(fr)

其中P_b为基础电价，与周波频率无关；

P_f(Δf)为频率电价，取决于电网周波频率f与标准周波频率f₀的差值Δf(Δf＝f-f₀)，P_f(Δf)表达式为：

P_r(fr)为频率波动电价，与一段时间内的电网周波频率波动幅度有关，波动幅度用频率的均方差fr表示，同时设置一个波动死区(0，r)，即在小幅波动时P_r(fr)为零，设置一个波动电价上限d，P_r(fr)表达式为：

5.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于，电费计量模块根据用电量和实时电价计算电费：假设电价更新周期为Δt，t_i时刻的电价为P_i，(0～t_i)时间内的用电量为Q_i，则(0～t_i)时间内的电费为式中n取最接近t_i/Δt的整数。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于，用电决策模块综合考虑实时电价、电池能量和剩余时间三个因素，通过用电决策算法决定何时接入充电、何时退出充电。

7.根据权利要求6所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于：用电决策算法的原则是实时电价越低、电池剩余电量越少、剩余时间越短，则越倾向于接入，反之则倾向于退出；据此给出一种算法例子如下：

(1)根据用电设备剩余电量Q预估连续充电至满电所需的时间T₀；

(2)根据用户设置的期望完成充电的时间，计算剩余时间T；

(3)当剩余时间不足，即T≤T₀时，用电设备接入充电；否则进入第四步；

(4)计算过去若干天的平均电价并与实时电价P进行比较，当时，用电设备接入充电；

(5)重复(1)～(4)直至充电完成。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于：

人机交互模块参数设置为用户提供两种充电模式：一种是直充模式，一般是在急需用电的情况下使用，不管当前电价如何立刻进入充电状态；

另一种充电模式是节能模式，选择节能模式时弹出对话框需要用户设置期望的充电完成时间，智能用电控制器根据实时电价和剩余时间自主决策何时进入充电状态。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于电网周波频率的智能用电控制器，其特征在于：人机交互模块通过触摸屏显示充电状态、电池电量、电池电压、实时电价、用电量、电费信息。