电力功率传递系统的数字化分配方法

摘要

本发明涉及一种电力功率传递系统的数字化分配方法。该方法建立了数字化功率传递体系，该体系包括数字功率源、数字功率分配器和数字负载，数字功率源先根据设计容量限定输出功率限额，数字功率分配器根据设计容量限定分配功率限额，数字化负载申请的功率获得分配器的批准后方可上电。该方法使负载行为可预知，避免了功率系统过载发生，使功率系统更加稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力功率传递系统的分配方法，特别是数字化分配方法。

背景技术

现有的电力功率系统(后简称功率系统)中的传递载体为单一的功率传递载体，由于功率载体阻抗特性的复杂性，难以进行可靠的数据交换，因此决定了功率系统是一个开环的、难以预知的不可靠系统。为了对该系统进行监测，需要额外建立一套数据通讯网络和大量的传感设备，成本代价高昂。

在一个开环的功率传递系统中，负载随时可以接入，也随时可以撤出。功率源无法确知下一步的功率输出值，仅能根据经验值进行预测，因此无法进行精确控制。不能精确控制在某种意义上就造成了电网系统巨大的浪费。开环的功率传递系统也无法防避风险。对于功率源而言负载行为完全不可知。随时接入的负载可能导致功率源过载，导致电压降低而影响其它负载的正常工作，也可能导致保险器件动作，从而导致功率系统的短时失效。功率系统现有的这种开环传递特点决定了无法从源头上避免上述故障的发生。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决负载上电过程的不可预知性，提供负载的可预测性；并为电网提供一个信息通道，为电器的联网和电器智能化提供可行性。

本发明将传统的单一功率传递载体改造为功率信息复合载体，电力线中不仅有功率传输载体，还有信息传输载体，这样功率系统同时也是一个信息系统。依托该信息系统，制订了一整套功率预分配的传递方案，负载只有在发出功率申请并获得批准后方能运行。这样，负载的接入与撤出都是可知的，都是获得许可的行为。如果负载的接入将导致功率系统过载，那么这样的行为就不被许可，负载将无法上电。负载的准入制将确保功率系统的稳定。

负载的准入制对传统电网是一个巨大的革命。传统的一个电炉、一台空调如何实现负载准入呢？答案是对其进行数字化改造。然而千差万别、数以亿计的负载又如何的实现数字化改造呢？在负载中加入一个微控制器，微控制器中存储有负载的功率需求，负载上电时微控制器发送功率请求信息。在传统的配电箱中也加入微处理器，对功率请求信息进行回复。负载得到批准后，微处理器启动负载的功率单元，这样电炉上电、空调也开机了。由于越来越多的家用电器采用了微处理器，实现负载准入只需对其程序进行小改动即可。

功率传递系统的数字化分配方法为供电系统中各环节制定了一套行为规范，各环节的行为被限定在这套行为规范中。限定行为不是通过主电路的器件行为来实现的，而是通过符合规范的设计行为来实现的，数字化功率传递为功率系统建立了一整套软规范措施，提高了功率系统的可观测性和可靠性。

本发明建立了数字化功率传递体系各部分的层次标准，数字化功率传递体系包括以下基本单元：数字功率源、数字功率分配器(功率分配器分为多级)和数字负载。数字功率源先根据设计容量限定输出功率限额，数字功率分配器根据设计容量限定分配功率限额，数字化负载申请的功率获得分配器的批准后方可上电。

数字功率源：电功率能量来源，根据设计容量限定功率限额；数字管理部分对电压电流进行实时检测，实时计算使用功率及功率余量，提供显示接口，并实施对下级功率分配器和负载的管理；表现形式为变压器、发电机、蓄电池等。

数字功率分配器：在数字功率传递网中为传输节点，一方面从数字功率源中获得功率定额，另一方面处理数字负载的功率需求，其传输的功率通常由自身的功率能力确定，类似目前的配电箱。

数字负载：在负载上加装数字功率管理功能，设定负载的功率容量需求，并根据负载的工作模式设定多种规格的功率需求；负载在工作前发送所需功率需求，只有获得许可后才能工作；工作模式将发生明显变化前发送自身的电压电流值。数字负载与传统负载的区别在于只有功率需求获得许可下才能工作，其工作状况是受控的。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明使负载行为可预知，当负载的接入会导致功率系统过载，则负载无法上电，这样避免了功率系统过载发生，使功率系统更加稳定；在功率系统中增加了信息通道，可以使电器联网，方便了人们生活；也有利于推动电器智能化，推动电器产业升级。

附图说明

图1为数字功率接口示意图；

图2为数字功率传递载体示意图；

图3为数字化功率传递体系的结构图；

图4为负载上电的功率分配流程图；

图5为负载工作时的功率分配流程图；

图6为数字化功率负载的基本功能组成图；

图7为数字化功率负载的实现结构图；

图8为数字化功率源负载的基本功能组成图；

图9为数字化功率源负载的实现结构图；

图10为数字化功率分配器的基本功能组成图；

图11为数字化功率分配器的实现结构图。

具体实施方式

图1为数字功率接口示意图，数字功率接口包括插头和插座，其功率部分与通用的电源插接头一样，不同之处在于接地口改为与USB类似接口。该接口包括数字插头1和数字插座2，插头的外部为金属框，与地连接，内部有两个簧片；插座的内部也有两个簧片，当插头插入插座，则簧片相互接触。数字功率接口是实现功率和信息传递的通道。

图2为数字功率传递载体示意图，载体结构为一个外部绝缘层4包裹住两根功率电缆线3和一根带屏蔽的双绞线6，两跟电缆线的外围被内部绝缘层5包裹，双绞线的外围被接地的屏蔽层7包裹，这样屏蔽了功率电缆线对双绞线的干扰，保护了双绞线的通信。

图3为数字化功率传递体系的结构图，包括数字化功率源、数字化功率分配器和数字化功率负载。数字化功率源对传统功率源进行了数字化改造，数字化功率分配器对传统配电器进行了数字化改造，数字化功率负载对传统负载进行了数字化改造，从数字功率源到数字功率负载，需要经过数字化功率分配器，根据具体情况功率分配器可分为多级。

图4和图5为数字化功率分配流程，其中图4为负载上电的功率分配流程，图5为负载工作时的功率分配流程。数字化负载分为数字单元和功率单元，功率单元受数字单元控制。当负载上电时，首先是数字单元上电，数字单元上电启动后，向数字链路发送功率请求报文，报文中包含负载功率值。终端功率分配器接收功率请求后，进行功率余额核算，并根据需要向上级功率分配器发送申请。如在功率允许范围内，则回复功率批准报文，数字单元获得此报文后，启动功率单元。

数字化负载工作时，数字单元不断获得功率负载当前功率值，并定时向终端功率分配器发送报文；如功率单元功率需求增大，则数字单元同样需要发送申请。当数字化负载终止工作时，数字单元发送功率值为零的报文。

图6为数字化功率负载的基本功能组成图。数字化功率负载的运行受到当前电路功率的限制，如负载申请到的功率余额不够，则负载无法启动。负载启动后，需要加大功率，而电路中无余额分配，则负载无法运行到更大功率的状态点。从功率分配的观点而言，所有的功率都是申请到才能利用的，从这个意义而言，除非负载故障，电路的超负荷运行将不可能发生。

数字化功率负载的设计需要建立负载模型，根据负载的源边的接入情况分为变压器、整流型负载等。模型中还应包含负载的功率因数。对于可变负载，则在各个功率等级建立负载模型，在不同功率等级之间进行切换时均需要进行功率申请流程。

图7为数字化功率负载的实现结构图。在传统负载的基础上增加了信息部分，对于某些智能化程度较高的负载，则与其原有信息部分结合。信息部分主要包含一个微处理器控制系统，核心功能为功率控制和数字通信，完成数字功率传递协议流程。由于目前芯片技术的发展，其所有功能采用一片单片微控制器即可实现。

图8为数字化功率源的基本功能组成图，图9为数字化功率源的实现结构图。在传统功率源的基础上加入数字化控制管理。根据功率源的额定值，设定功率源的输出值。数字化功率源需要统计当前的实时功率，进行功率余额计算，回复功率分配器的功率申请。

图10为数字化功率分配器的基本功能组成图，图11为数字化功率分配器的实现结构图。数字化功率分配器在功率系统中起到承上启下的作用。一方面，从功率源或上级功率分配器中获得功率余额，另一方面，为负载分配功率余额。功率分配器本身也有传输功率设定。功率分配器具有两个数字接口，分别与负载和功率源通信。数字化功率分配器接收数字化负载的申请，并根据当前功率分配情况进行应答；功率分配器向数字功率源定时发送其所分配的功率值。数字化功率分配器可以通过通常的配电箱加上数字控制部分实现。采用一个微处理器加上必要的外围电路即可实现其功能。