TWI702785B - 智慧電網整合系統及其電力資訊處理方法 - Google Patents

Abstract

一種智慧電網整合系統，其包含交流電網與至少一電源轉換裝置。電源轉換裝置包含控制單元與通訊單元。控制單元耦接通訊單元，且接收相應於交流電網的電壓大小的電壓訊號。控制單元將電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的基本波成分與具支配的複數個諧波成分生成為電壓運算訊號。通訊單元透過電流端口接收相應於流經電路節點的電流大小的電流訊號，且產生電流資訊訊號。通訊單元接收控制單元所傳送的電壓運算訊號，且計算電壓運算訊號與電流資訊訊號的乘積，以得到功率資訊。

Description

智慧電網整合系統及其電力資訊處理方法

本發明係有關一種電網系統及其電力資訊處理方法，尤指一種智慧電網整合系統及其電力資訊處理方法。

在現有技術之智慧電網的基礎設施中，電力公司需要在每個居家用戶或商業及工業用戶中安裝特定裝置以傳輸電表資料，以取代傳統藉由人力統計數據的成本。

然而，智慧電網仍有許多待改善之目標，例如確保穩定供電、提升配電安全與效能最為重要之議題。尤其，隨著再生能源的發展，未來電力系統勢必持續朝向分散式電源和微電網的發展，而電力資訊的需求與應用對於電力調節是很重要的一環。現有技術的智慧電網對於電力資訊(例如：電壓、電流以及功率等)資訊的需求與應用，至少需要有監控系統、電能轉換裝置以及量測裝置這三個獨立分開運作的部分，使所述智慧電網的運作達到彼此之間完善的協調。對於在佈建智慧電網的時候，由於具有裝置的數量較多，需要配置複雜的周邊線路，不僅造成安裝裝置的成本、維護裝置的人力與時間成本難以降低，更有可能因為密集的線路配置而提高電磁干擾的機率，進而造成傳輸功率的耗損。再者，電力資訊取得的即時性與正確性亦是智慧電網能否發揮最大功效的關鍵所在。

為此，如何設計出一種智慧電網整合系統及其電力資訊處理方法，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種智慧電網整合系統，提供電力資訊取得的即時性與正確性。

為達成前揭目的，本發明所提出的智慧電網整合系統，其包含交流電網與電性連接交流電網的至少一電源轉換裝置。各電源轉換裝置包含控制單元與通訊單元。控制單元耦接通訊單元，且接收相應於交流電網的電壓大小的電壓訊號。其中控制單元將電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的基本波成分與具支配的複數個諧波成分設定為電壓運算訊號。通訊單元透過電流端口接收相應於流經交流電網的電流大小的電流訊號，且產生電流資訊訊號。其中通訊單元接收控制單元所傳送的電壓運算訊號，且計算電壓運算訊號與電流資訊訊號的乘積，以得到功率資訊。

藉由所提出的智慧電網整合系統，能夠即時地、正確地取得電力資訊，提高智慧電網的功效。

本發明之目的在於提供一種智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，提供電力資訊取得的即時性與正確性。

為達成前揭目的，本發明所提出的智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，其包含：(a)、透過通訊單元接收交流電網的電流訊號，據以產生電流資訊訊號；(b)、透過控制單元接收交流電網的電壓訊號；(c)、控制單元將電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的基本波成分與具支配的複數個 諧波成分設定為電壓運算訊號，且傳送電壓運算訊號至通訊單元；以及(d)、通訊單元計算電壓運算訊號與電流資訊訊號的乘積，以得到功率資訊。

藉由所提出的智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，能夠即時地、正確地取得電力資訊，提高智慧電網的功效。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

10:電源轉換裝置

20:交流電網

30:負載

40:電流量測單元

100:管理中心

101:直流輸入端口

102:交流輸出端口

103:電流端口

104:通訊端口

11:電源轉換單元

12:控制單元

13:通訊單元

14:電壓量測器

15:電流量測器

16:開關繼電器

17:監控單元

111:直流轉換器

112:逆變器

Vdc:直流電源

Vac:交流電源

Sv:電壓訊號

圖1：為本發明智慧電網整合系統之第一實施例的方塊圖。

圖2：為本發明智慧電網整合系統之第二實施例的方塊圖。

圖3：為本發明智慧電網整合系統的電源轉換裝置之第一實施例的方塊圖。

圖4：為本發明智慧電網整合系統的電源轉換裝置之第二實施例的方塊圖。

圖5：為本發明電力資訊處理方法的流程圖。

圖6：為本發明電力資訊處理方法的操作示意圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖1所示，其係為本發明智慧電網整合系統之第一實施例的方塊圖。所述智慧電網整合系統包含交流電網20與電性連接交流電網20的至少一電源轉換裝置10，用以對負載30或交流電網20供電。其中，負載30可用以表示家用負載或一般其它負載，負載30也不限定只能消耗功率，例如當負載30為電動車充電設備時，電動車電池的電能亦可反向向交流電網20提供電能。此外，所述交流電網20可以是供應市電電力的交流電網。電源轉換裝置10包含複數個端口，例如直流輸入端口101、交流輸出端口102、電流端口103以及通訊端口104。其中，直流輸入端口101可不限為一個，可依需求具有多個輸入端口以連接多個直流電源Vdc。

電源轉換裝置10透過直流輸入端口101接收直流電源Vdc，且轉換直流電源Vdc為交流電源Vac，經由交流輸出端口102輸出交流電源Vac，以供應負載30或併入交流電網20。其中，直流電源Vdc可包含再生電源或再生電源與可充電電池組合使用的直流電源。具體地，再生電源可以是太陽能、風力、水力、地熱、潮汐等環保再生能源所轉換產生的再生電源，然不以此為限制本發明。可充電電池可以是鋰電池、鎳氫電池等可重複充放電使用的二次電池，然不以此為限制本發明。

以上述再生電源與可充電電池組合使用為例說明。再生電源可以作為對電源轉換裝置10供電，亦可將多餘的電能輸入至可充電電池中儲存，使可充電電池作為備用電源，嗣特殊狀況供電之需求，例如再生電源無法正常供電或不足以提供完備電力時，可充電電池則將電能透過直流輸入端口101輸入至電源轉換裝置10，對電源轉換裝置10提供備援供電。

智慧電網整合系統更包含電流量測單元40。電流量測單元40耦接交流電網20與電源轉換裝置10的電流端口103之間。在本實施例中，電流量測單元40可為比流器(Current Transformer,CT)或霍爾感測器(Hall Sensor)，用以量 測流經交流電網20的總電流，且將大的線路總電流轉換為適合電源轉換裝置10接收與處理的較小電流訊號，進而透過電流端口103輸入至電源轉換裝置10。此處電流訊號不限定為電流形式，應可理解此處電流訊號根據量測裝置的不同可為電壓或電流的形式，只要能反映電流資訊即可。此外，電流量測單元40可不限制裝設在用以量測流經交流電網20的總電流之位置，電流量測單元40亦可以裝設在不同電路節點以量測該路徑的電流大小。是以，根據電流量測單元40所裝設的位置不同，其所量測到的電流不同，電源轉換裝置10計算所得功率的資訊也可以應用於不同需求。

再者，智慧電網整合系統進一步與管理中心100進行通訊。其中，管理中心100可為民營或國營的電力公司或電力事業機構，然不以此為限制本發明。智慧電網整合系統透過電源轉換裝置10的通訊端口104以無線或有線的通訊方式將功率資訊(亦可包含電流與電壓資訊)傳送至管理中心100，供管理中心100進行電力調度或電力管理之依據，實現智慧電網之電力資訊的掌握、整合與管理，容後說明。

請參見圖2所示，其係為本發明智慧電網整合系統之第二實施例的方塊圖。圖2所示的第二實施例與圖1所示的第一實施例最主要的差異在於。智慧電網整合系統中具有複數個電源轉換裝置10。當電能系統具有較大功率需求，例如設置的再生能源可提供較大電能的應用情況，則可透過並聯耦接兩個以上的電源轉換裝置10以供應負載30或併入交流電網20。雖然具有複數個電源轉換裝置10，但電流量測單元40可以設置於交流電網20的輸入端，且將量測的電流訊號僅連接到其中一台電源轉換裝置10，該電源轉換裝置10處理後，經由通訊端口104傳送至管理中心100，管理中心100即可知道目前該區域的電能狀態。另外，其他的單元配置與功能實質上與圖1相同，因此不再加以贅述。

請參見圖3所示，其係為本發明智慧電網整合系統的電源轉換裝置之第一實施例的方塊圖。圖3所示的電源轉換裝置10包含電源轉換單元11、控制單元12、通訊單元13、電壓量測器14、電流量測器15、開關繼電器16以及監控單元17。在本實施例中，電源轉換單元11包含直流轉換器111與串聯耦接直流轉換器111的逆變器112。直流轉換器111可以是直流對直流轉換器(DC-to-DC converter)，透過直流輸入端口101接收直流電源Vdc，且對直流電源Vdc的電壓大小進行轉換，例如升壓或降壓直流電源Vdc。逆變器112接收升壓或降壓直流電源Vdc，且將其轉換為交流電源Vac。在某些應用中，亦可省略直流轉換器111，由逆變器112直接接收直流電源Vdc，且將其轉換為交流電源Vac。

控制單元12提供電源轉換裝置10主要的控制功能，例如電源轉換單元11的控制，可能包含鎖相(Phase-Locked)控制或電壓電流控制等，一般會使用性能較高的微控制器或數位訊號處理器搭配周邊電路來實現控制單元12。

電流量測器15耦接於電源轉換單元11與開關繼電器16之間，且耦接控制單元12，用以量測電源轉換裝置10的輸出電流，並且，將量測的電流資訊傳送至控制單元12。開關繼電器16串聯耦接於電流量測器15與交流輸出端口102之間，用以確認電源轉換裝置10可以正常輸出轉換後的交流電壓Vac時，才被控制(例如由控制單元12所控制)導通投入，使輸出的交流電源Vac併入交流電網20。因為電流量測器15與開關繼電器16於同一個電流路徑上，其設置位置亦可交換。

電壓量測器14耦接電源轉換單元11與控制單元12，用以量測交流電源Vac的電壓大小，並且，將量測的電壓資訊傳送至控制單元12。因為併入交流電網20的原因，電壓量測器14所直接量測逆變器112輸出的交流電源Vac的電壓大小，幾乎可視為是量測到交流電網20的交流電壓，電壓量測器14根據所量測到的電壓大小輸出相應的電壓訊號Sv至控制單元12，使控制單元12 所接收到的電壓訊號Sv即相應於交流電網20的電壓大小的電壓資訊。附帶一提，電流量測單元40設置於電源轉換裝置10外部，且透過電流端口103輸入至電源轉換裝置10有其特殊功效。如圖3所示，電流量測器15僅能量測電源轉換裝置10的輸出電流，若同時存在負載30的情況下(如一般家用負載)，電流量測單元40可設置於靠近交流電網20以獲得總合成電流的資訊。

通訊單元13耦接控制單元12、監控單元17、電流端口103以及通訊端口104。電流量測單元40所量測流經交流電網20的總電流透過電流端口103輸入至通訊單元13。通訊單元13可包含類比數位轉換器，接收該電流相關的類比小訊號，且轉換該類比小訊號為數位電流資訊訊號。通訊單元13於本實施例主要負責通訊，不需要進行複雜運算與控制，一般可使用性能較控制單元12低的微控制器搭配周邊電路來實現。再者，通訊單元13進一步將交流電網20的電壓大小與電流大小所計算得到的功率資訊透過通訊端口104以有線或無線的形式對外傳送至管理中心100，容後詳述。

請參見圖4所示，其係為本發明智慧電網整合系統的電源轉換裝置之第二實施例的方塊圖。圖4所示的第二實施例與圖3所示的第一實施例最主要的差異在於監控單元17非整合於電源轉換裝置10內，而是監控單元17通訊連結於通訊端口104與管理中心100之間。透過監控單元17對資料處理或暫存，使得通訊單元13所計算得到的功率資訊透過通訊端口104先傳送至監控單元17暫存或處理，再經監控單元17以有線或無線的形式傳送至管理中心100。

以下，對於實現智慧電網之功率資訊的運算、處理與整合的具體實施方式加以詳細說明。請參見圖5與圖6，其係分別為本發明電力資訊處理方法的流程圖與操作示意圖。所述智慧電網整合系統之電力資訊處理方法包含步驟為：透過通訊單元13接收交流電網20的電流訊號，據以產生電流資訊訊號(S10)。透過控制單元12接收交流電網20的電壓訊號(S20)。其中，控制單元12 與通訊單元13係設置於電源轉換裝置10內，且兩者係為訊號耦接，可以相互通訊。附帶一提，步驟(S10)與步驟(S20)的順序不限於步驟(S10)在前，步驟(S20)在後，亦即控制單元接收交流電網的電壓訊號(S20)可早於通訊單元接收交流電網的電流訊號(S10)或同時接收，重點是只要能保留取樣時間點就可以。

然後，控制單元12將電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的一基本波成分與具支配的複數個諧波成分設定為電壓運算訊號，且傳送電壓運算訊號至通訊單元13(S30)。在步驟(S30)中，控制單元12係以傅立葉轉換(Fourier transform)或快速傅立葉轉換(Fast Fourier transform)對電壓訊號進行時域頻域轉換，以解析成所述複數個頻域成分。舉例來說，電壓訊號經傅立葉轉換後，解析成一個基本波成分以及相當多(例如40、50階)基本波的整數倍頻率的諧波，例如二次諧波成分、三次諧波成分、四次諧波成分…，換言之，透過傅立葉轉換將構成電壓訊號的頻域成分解析出來。

進一步地，控制單元12將基本波成分與具支配(dominant)的複數個諧波成分(例如二次諧波成分至五次諧波成分，或二次諧波成分至七次諧波成分)設定為電壓運算訊號。所述”具支配”的諧波成分係指構成所述電壓訊號相對重要的諧波成分，通常為諧波成分中較為低頻的成分，例如所舉例的二次諧波成分至五次諧波成分，或二次諧波成分至七次諧波成分。以二次諧波成分至七次諧波成分為例，在合成電壓運算訊號時，八次諧波成分以上的諧波成分則不予以考慮，所得到電壓運算訊號對應真實的電壓訊號相差甚小，因此，僅考慮具支配的諧波成分的電壓運算訊號即可相當程度地表現出真實的電壓訊號。

控制單元12將經運算產生電壓運算訊號傳送至通訊單元13，以供通訊單元13計算電壓運算訊號與電流資訊訊號的乘積，得到功率資訊(S40)。也就是說，電流資訊訊號代表流經交流電網20的電流大小的訊號，而電壓運算 訊號代表交流電網20的電壓大小的訊號，因此將兩者相乘之後所得到功率值即為交流電網20與電源轉換裝置10之間功率潮流(power flow)大小與方向的資訊。

值得一提，若電流量測單元40所量測電流透過電流端口103直接控制單元12所處理，由於電氣法規規定外部使用者若有觸摸到電氣之虞，則需要一般兩倍安全距離(SELV)，這會導致電路板可用空間被壓縮而造成電路佈線困難。在本發明中，連接外部的訊號只會到通訊單元13，不會到控制單元12。而因取得的交流電網20的電流大小係為通訊單元13所處理，所取得的交流電網20的電壓大小係為控制單元12所處理，也由於電流訊號與電壓訊號在不同的單元中處理，因此當電壓訊號再經由控制單元12傳送至通訊單元13所計算出來的即時功率值，將會因傳輸延遲(transmission delay)的緣故而有所偏差。因此，為能夠將傳輸延遲所造成的影響弱化(最小化)，因此將電壓訊號由控制單元12傳送至通訊單元13的龐大資料量有效地縮減，亦即透過壓縮電壓訊號的資料量，縮短電壓訊號傳送至通訊單元13的時間，以降低傳輸延遲的影響，使得通訊單元13所計算出來的即時功率值更為貼近當時情況。故此，透過上述將基本波成分與具支配的複數個諧波成分設定為電壓運算訊號，再傳送至通訊單元13進行功率資訊的計算，可大幅地降低電壓訊號的資料量。

最後，經通訊單元13所計算出的功率資訊，透過通訊端口104，以有線或無線的形式對外與管理中心100通訊連結，將功率資訊和電流資訊訊號傳送至管理中心100(S50)，供管理中心100進行電力調度或電力管理之依據，實現智慧電網之電力資訊的掌握、整合與管理。

綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：

1、本發明的電源轉換裝置，包括整合多個端口以及電力監控功能、電力轉換功能、電力量測功能的電路，能夠實現在一個單體模組之下，同時擁有 電力監控功能、電力轉換功能以及電力量測功能，通過將共有電路整合，能夠達到節省人力與時間、簡化周邊線路、降低電磁干擾以及降低硬體成本之目的。

2、透過控制單元對電壓訊號資料量的縮減，以縮短電壓訊號傳送至通訊單元的時間，降低傳輸延遲的影響，使得通訊單元所計算出來的功率值更為即時。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10:電源轉換裝置

20:交流電網

30:負載

40:電流量測單元

100:管理中心

Vdc:直流電源

Vac:交流電源

101:直流輸入端口

102:交流輸出端口

103:電流端口

104:通訊端口

Claims (15)

1. 一種智慧電網整合系統，包含：一交流電網；一負載；一電流量測單元，電性連接於該負載與該交流電網之間；及至少一電源轉換裝置，各該電源轉換裝置包含：一交流輸出端口，電性連接該負載且經由該電流量測單元電性連接該交流電網；一電源轉換單元，透過一直流輸入端口接收一直流電源，且轉換該直流電源為一交流電源，該交流電源透過該交流輸出端口傳送至該交流電網；一電壓量測器，量測該交流電源的電壓作為一電壓訊號，該電壓訊號係相應於該交流電網的電壓大小；一控制單元，接收該電壓訊號且將該電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的一基本波成分與具支配的複數個諧波成分設定為一電壓運算訊號；及一通訊單元，耦接該控制單元，且透過一電流端口接收該電流量測單元所量測相應於該交流電網的電流大小的一電流訊號，且產生一電流資訊訊號；其中該通訊單元接收該控制單元所傳送的該電壓運算訊號，且計算該電壓運算訊號與該電流資訊訊號的乘積，以得到一功率資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧電網整合系統，其中該通訊單元透過一通訊端口，將該功率資訊傳送至該電源轉換裝置外部的一管理中心。
3. 如申請專利範圍第2項所述之智慧電網整合系統，其中該電源轉換裝置更包含：一監控單元，耦接該控制單元與該通訊單元。
4. 如申請專利範圍第3項所述之智慧電網整合系統，其中該監控單元透過該通訊端口與該管理中心形成通訊連結。
5. 如申請專利範圍第2項所述之智慧電網整合系統，其中該通訊單元透過該通訊端口與該電源轉換裝置外部的一監控單元形成通訊連結。
6. 如申請專利範圍第5項所述之智慧電網整合系統，其中該監控單元與該管理中心形成通訊連結。
7. 如申請專利範圍第1項所述之智慧電網整合系統，其中該電流量測單元為一比流器或一霍爾感測器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之智慧電網整合系統，其中該通訊單元包含：一類比數位轉換器，接收該電流訊號，且轉換該電流訊號為該電流資訊訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述之智慧電網整合系統，其中該控制單元以傅立葉轉換或快速傅立葉轉換對該電壓訊號進行時域頻域轉換，以解析成所述複數個頻域成分。
10. 如申請專利範圍第1項所述之智慧電網整合系統，其中該至少一電源轉換裝置的數量為多個時，該些電源轉換裝置並聯耦接，且對該負載供電。
11. 一種智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，所述智慧電網整合系統包含一交流電網、一負載、一電流量測單元與一電源轉換裝置，該電流量測 單元電性連接於該負載與該交流電網之間，且該電源轉換裝置電性連接該負載且經由該電流量測單元電性連接該交流電網，該電力資訊處理方法包含：(a)、透過一通訊單元接收設置該電流量測單元所量測相應於一交流電網的電流大小的一電流訊號，據以產生一電流資訊訊號；(b)、透過一控制單元接收相應該交流電網的一電壓訊號，其中該電壓訊號係藉由該電源轉換裝置中的一電壓量測器量測；(c)、該控制單元將該電壓訊號解析成複數個頻域成分，將該些頻域成分中的一基本波成分與具支配的複數個諧波成分設定為一電壓運算訊號，且傳送該電壓運算訊號至該通訊單元；及(d)、該通訊單元計算該電壓運算訊號與該電流資訊訊號的乘積，以得到一功率資訊。
12. 如申請專利範圍第11項所述之智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，其中在步驟(d)之後包含：(e)、該通訊單元將該功率資訊傳送至外部的一管理中心。
13. 如申請專利範圍第12項所述之智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，其中該通訊單元透過一通訊端口與外部的一監控單元形成通訊連結，在步驟(e)中更包含：該通訊單元透過該通訊端口與該監控單元，將該功率資訊傳送至該管理中心。
14. 如申請專利範圍第12項所述之智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，其中在步驟(e)中更包含：該通訊單元將該電流資訊訊號傳送至該管理中心。
15. 如申請專利範圍第11項所述之智慧電網整合系統之電力資訊處理方法，其中在步驟(c)中包含：該控制單元以傅立葉轉換或快速傅立葉轉換對該電壓訊號進行時域頻域轉換，以解析成所述複數個頻域成分。

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