CN108336597A - 一种智能插座及其测控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能插座及测控方法，包括测控保护模块以及分别与测控保护模块连接的电源接口模块、逆变模块、直流变换模块、无线充电模块和储能模块；通过测控保护模块用于监测其余各模块的输入输出信号；当检测到异常信号时，执行切断相应模块和/或切换供电模块。本发明的智能插座同时兼有无线充电的功能，可以为电子设备充电；而且还提供交流接口和直流接口，用于不同种类负荷的供电、储能设备的接入。

Description

一种智能插座及其测控方法
技术领域
本发明属于插座设计领域，具体涉及到一种用于用户负荷接入与控制的智能插座及测控方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，负荷种类的增多，单一的交流供电已不能满足负荷的需求。对直流负荷或包含直流环节的负荷供电一般要经过一级或多级电能变换，变换器可以与负荷独立(如电动汽车充电桩)，也包含于负荷内部(如变频器)。目前的插座是直接从电网引线，变换器往往是负荷的附属品，增加了负荷成本和体积。
用户对电能质量的要求越来越高，大量非线性负荷的接入会对电网电能质量产生不利影响，比如谐波电流污染、功率因数低等。目前的插座会把电网电能情况如实反映到负荷，若电网电能出现问题，可能会影响负荷的正常工作。
同时，能源危机和环境污染日益严重，未来配电网正向着以“分布式能源+互联网”为特征的能源互联网发展，进入以电网***为核心，以太阳能、风能等清洁能源代替化石能源，因地制宜发展分布式发电的时代。用户小型分布式电源的接入与控制成为亟待解决的问题。
因此，为克服上述缺陷，本发明提供了一种用于用户负荷接入与控制的智能插座及测控方法。
发明内容
为了解决现有插座中所存在的上述不足，同时为了满足负荷和未来配电网发展趋势的要求，本发明提供了一种用于用户负荷接入与控制的智能插座及测控方法，旨在解决能量管理、交直流负荷的供电、分布式电源的接入与控制等问题，还兼有无线充电的功能。
本发明的技术方案如下：
一种智能插座，其改进之处在于，包括测控保护模块以及分别与测控保护模块连接的电源接口模块、逆变模块、直流变换模块、无线充电模块和储能模块；
所述电源接口模块，用于为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述逆变模块，用于将直流电转化为交流电，并传至交流端口；
所述直流变换模块，用于将直流电转化为另一等级的直流电，传至直流端口；
所述无线充电模块，用于通过无线充电端口为外部充电设备提供稳定的直流电；
所述储能模块，用于存储能源，并为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述测控保护模块用于监测其余各模块的输入输出信号；当检测到异常信号时，执行切断相应模块和/或切换供电模块。
优选地，所述测控保护模块包括供电单元、传感器、DSP芯片、驱动电路和保护报警电路；
所述传感器，用于测量智能插座中除测控保护模块以外其余各模块的输入输出信号，并传至所述DSP芯片；
所述DSP芯片，用于检测异常信号；用于对所述其余各模块的输入输出信号进行PWM整流处理，并产生PWM控制信号；
所述驱动电路，用于将所述PWM控制信号转化为驱动信号，驱动所述其余各模块中的开关管全桥电路输出稳定的直流电压；
所述保护报警电路，用于当DSP芯片检测到所述其余各模块的异常信号时，发出故障报警信号并切断发生故障的相应模块；和/或发出停电报警信号并控制储能模块为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电。
优选地，所述智能插座还包括与储能模块连接的扩展储能模块，用于与储能模块联合供电。
优选地，所述电源接口模块包括电能变换电路和滤波器；
所述电能变换电路包括开关管全桥电路和电感，所述滤波器包括滤波电容；
所述开关管全桥电路的输入端正极连接有电感、输出端的正负极之间连接有滤波电容。
优选地，所述逆变模块包括逆变电路、滤波器和交流端口；
所述逆变电路包括开关管全桥电路，所述滤波器包括滤波电感和滤波电容；
所述开关管全桥电路的输出端连接有交流端口，所述开关管全球电路与交流端口之前设有滤波电感和滤波电容。
优选地，所述直流变换模块包括直流/直流变换电路、滤波器和直流端口；
所述直流/直流变换电路包括两个开关管全桥电路、谐振电感、谐振电容和高频变压器，所述滤波器包括滤波电容；
所述高频变压器的一次侧连接开关管全桥电路的输出端、二次侧连接另一开关管全桥电路的输入端，所述开关管全桥电路的输出端正极依次连接有谐振电感和谐振电容，所述另一开关管全桥电路的输出端依次连接有滤波电容和直流端口。
优选地，所述无线充电模块包括发射电路、发射线圈、导磁材料和无线充电端口；
所述发射电路将电源接口模块输出的直流电转化为高频交流电，再经过发射线圈和导磁材料产生交互磁场为***无线充电端口的电子设备充电；
所述发射电路包括开关管全桥电路。
优选地，所述储能模块包括：电压变换电路、储能设备、外储能接口；
所述电压变换电路包括开关管全桥电路，用于使储能设备的电压等级与电源接口模块的输出直流电压等级匹配；
所述储能设备，用于在电网正常工作时存储能源，当电网停电时为逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述外储能接口，作为扩展储能模块的接口。
优选地，所述异常信号包括：输入输出电压过压/欠压、输入输出电流过大/过小、温度过高/过低和故障信号。
所述输入输出电压过压/欠压为：当超过预设电压最高值时，发出输入和/或输出电压过压的信号，当低于预设电压最低值时，发出输入和/或输出电压欠压的信号；
所述输入输出电流过大/过小为：当超过预设电流最高值时，发出输入和/或输出电流过大的信号，当低于预设电流最低值时，发出输入和/或输出电流过小的信号；
所述温度过高/过低为：当温度超过预设温度最高值或最低值时，发出温度过高或过低的信号；
所述故障信号：可以依次实际工况发生的故障，发出相应的故障信号。
优选地，所述输入输出信号包括：除测控保护模块以外的各模块的输入输出直流电压值和输入输出电流值。
本发明的另一目的在于提出一种如上智能插座的测控方法，其改进之处在于，包括：
当电网正常供电时，通过智能插座的电源接口模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
当电网停电时，通过智能插座的测控保护模块控制储能模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电，并发出停电报警信号；
当智能插座的测控保护模块监测到其余任一或多个模块出现异常信号时，切断出现异常信号的模块，并发出故障报警信号；
所述逆变模块通过交流端口向外部设备提供稳定的交流电，所述直流变换模块和无线充电模块分别通过直流端口和无线充电端口向外部设备提供稳定的直流电。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的智能插座由于同时设置电源接口模块和储能模块，可以实现电网停电时，由智能插座内部的测控保护模块切换成储能模块继续为插座内部其他模块供电，因此停电时该智能插座仍可以继续使用，同时该智能插座可以用于不同种类负荷的供电以及储能设备的接入；
本发明的智能插座通过测控保护模块监测其余各模块的状态，当某个或某些模块发生异常产生异常信号时，则切断相应模块，可以有效保护智能插座的正常模块不受影响。
本发明的智能插座采用PWM整流技术处理各模块的输入输出信号，不仅能够保证智能插座输出稳定的直流电，还能减小谐波电流污染。
附图说明
图1是本发明的智能插座的总体结构示意图；
图2是本发明的智能插座的电源接口模块的结构示意图；
图3是本发明的智能插座的逆变模块的结构示意图；
图4是本发明的智能插座的直流变换模块的结构示意图；
图5是本发明的智能插座的无线充电模块的结构示意图；
图6是本发明的智能插座的储能模块的结构示意图；
图7是本发明的智能插座的测控保护模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提出了一种用于用户负荷接入与控制的智能插座及测控方法，可以提供交流接口和直流接口给不同种类负荷供电，可以控制能量流动方向，提高电能质量，同时兼有无线充电的功能，可以为电子设备充电；本发明主要针对的是用户负荷种类较多的情况，比如家庭、小型车间等，并随着配电网和直流负荷的发展，本发明提供的智能插座将有更广泛的应用；同时有提高电能质量的作用。
一种用于用户负荷接入与控制的智能插座，如图1所示，虚线框中为本发明提供的智能插座的实施例，由电源接口模块、逆变模块、直流变换模块、无线充电模块、储能模块和测控保护模块组成。
电源接口模块和储能模块通过一根导线互联，储能模块可以作为负荷，消耗外网提供的能量，同时也可以作为电源可以为电网提供清洁能源，用于缓解能源危机，逆变模块、直流变换模块、无线充电模块通过两根母线分别与电源模块和储能模块相连。测控保护模块通过公共母线连接各个模块，用于检测整个智能插座电路的正常运行。
对于电源接口模块，如图2所示，电源接口模块由网侧电感、开关管全桥电路、输出电容组成。为作图方便此处的开关管选取为IGBT，视实际情况也可以为其他类型开关管。考虑普通家用的情况，输入电网电压为单向电压，根据需要可换为三相电压。采用PWM整流的方式，将测控保护模块实时测量的网侧电压、电流和输出直流电压的值，送入测控保护模块计算分析，发出相应的PWM到开关管全桥电路的控制端，保证输出直流电压稳定和输入侧单位功率整流。电源接口模块的输出也可以与储能设备连接，通过控制输入电流实现功率的双向流动。
对于逆变模块，如图3所示，逆变模块由开关管全桥电路、输出滤波电感电容组成。为作图方便此处的开关管选取为IGBT，视实际情况也可以为其他类型开关管。将电源接口模块输出的稳定的直流电压作为逆变模块的输入电压，采用SPWM调制技术，将测控保护模块实时测量输出交流电压的有效值，送入测控保护模块计算分析，通过改变调制比控制输出电压。
对于直流变换模块如图4所示，直流变换模块由开关管全桥电路1、谐振电感、谐振电容、高频变压器、开关管全桥电路2、输出电容组成。为作图方便此处的开关管选取为IGBT和二极管，视实际情况也可以为其他类型开关管。将电源接口模块输出的稳定的直流电压作为直流变换模块的输入电压，先经过开关管全桥电路逆变为高频交流电，再经过谐振电感、电容和高频变压器变压，最后经过二极管全桥不控整流输出直流电，并用大电容滤波，输出恒定直流电压。采用定占空比、调频的控制策略，将测控保护模块实时测量的输出直流电压的值，送入测控保护模块计算分析，通过改变驱动信号的频率调节输出电压，根据不同负荷提供不同等级的直流电压。
对于无线充电模块如图5所示，无线充电模块由发射电路、发射线圈、导磁材料和无线充电端口组成。发射电路的作用是将电源接口模块输出的直流电转化为高频交流电，可通过开关管全桥电路逆变实现；高频交流电经过线圈和导磁材料产生交互磁场，为放在充电平台的手机、手提电脑等电子设备充电。
对于储能模块如图6所示，储能模块由电压变换电路、储能设备和外扩储能接口组成。电压变换电路是使储能设备(如蓄电池)的电压等级与电源接口模块的输出直流电压等级匹配。电压变换电路可以是斩波电路，也可以是类似图4的直流变换电路；储能设备可以在输入交流电或DGs断电时提供电能，并可扩展外部储能。
对于测控保护模块如图7所示，测控保护模块由供电单元、传感器、通信线路、DSP芯片、驱动电路和保护报警电路组成。供电单元可由专门的电源设备构成，为各个电气元件的正常工作提供电能；传感器用于测量各个模块的输入输出信号，并由通信线路传递给DSP芯片进行数据处理，存储和控制信号的产生，其中DSP芯片型号可选为TMS320F28335，具备浮点运算内核，能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行的时间和存储空间，具有成本低、功耗小、外设集成度高、数据和程序存储量大、A/D转换更精确快速等优点，同时具备发送PWM控制信号的功能；驱动电路由驱动芯片及***电路构成，将DSP芯片发出的PWM控制信号转换成驱动信号，用于驱动各个模块的开关管；保护报警电路可以在电网停电由储能模块供电时及时发出停电报警信号，也可以在DSP芯片检测到不正常信号时发出错误报警信号，并及时切断电路。
基于与上述智能插座同一发明构思，本实施例中还提出一种如上智能插座的测控方法，包括如下步骤：
当电网正常供电时，通过智能插座的电源接口模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
当电网停电时，通过智能插座的测控保护模块控制储能模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电，并发出停电报警信号；
当智能插座的测控保护模块监测到其余任一或多个模块出现异常信号时，切断出现异常信号的模块，并发出故障报警信号；
逆变模块通过交流端口向外部设备提供稳定的交流电，直流变换模块和无线充电模块分别通过直流端口和无线充电端口向外部设备提供稳定的直流电。
可选地，基于测控保护模块的传感器，检测各模块的输入输出信号；
电流信号通过DSP芯片进行数据处理，并产生存储和PWM控制信号；
基于驱动电路，将PWM控制信号转换为驱动信号，驱动各模块的开关管。
各模块的输入输出信号通过DSP芯片进行数据处理并产生存储和PWM控制信号，可以包括如下；
基于通信线路，获取所述信号；
对所述信号进行数据处理，若检测到不正常信号，并立马将所述不正常信号传输给保护报警电路；
依据数据处理结果产生存储和PWM控制信号。
基于驱动电路，将所述PWM控制信号转换为驱动信号，驱动各模块的开关管可以包括：
基于所述驱动信号，控制输出电压的稳定和能量流动方向。
控制输出电压的稳定可以包括：保证电源接口模块输出稳定的直流电压、改变逆变模块的调制比控制输出电压和通过改变驱动信号的频率调节直流变换模块的输出电压。
控制能量流动方向可以包括通过如下步骤实现：
当时所述电源接口模块出现断电的时，发出断电报警；
基于报警信息，控制储能模块向所述电源接口模块提供能量。
采用本实施例技术方案的智能插座，与现有插座相比，可以提供交流接口和直流接口，可以用于不同种类负荷的供电、储能设备的接入；通过电力电子技术，控制能量流动方向，既可以从电网或分布式电源取电，也可以在停电时由储能设备供电，同时发出停电报警信号，实现不间断供电的功能；通过合理的控制策略(即PWM整流技术)，可以控制网侧功率因数和减小谐波电流污染；同时兼有无线充电的功能，可以为电子设备充电。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种智能插座，其特征在于，包括测控保护模块以及分别与测控保护模块连接的电源接口模块、逆变模块、直流变换模块、无线充电模块和储能模块；
所述电源接口模块，用于为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述逆变模块，用于将直流电转化为交流电，并传至交流端口；
所述直流变换模块，用于将直流电转化为另一等级的直流电，传至直流端口；
所述无线充电模块，用于通过无线充电端口为外部充电设备提供稳定的直流电；
所述储能模块，用于存储能源，并为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述测控保护模块用于监测其余各模块的输入输出信号；当检测到异常信号时，执行切断相应模块和/或切换供电模块。
2.如权利要求1所述的智能插座，其特征在于，所述测控保护模块包括供电单元、传感器、DSP芯片、驱动电路和保护报警电路；
所述传感器，用于测量智能插座中除测控保护模块以外其余各模块的输入输出信号，并传至所述DSP芯片；
所述DSP芯片，用于检测异常信号；用于对所述其余各模块的输入输出信号进行PWM整流处理，并产生PWM控制信号；
所述驱动电路，用于将所述PWM控制信号转化为驱动信号，驱动所述其余各模块中的开关管全桥电路输出稳定的直流电压；
所述保护报警电路，用于当DSP芯片检测到所述其余各模块的异常信号时，发出故障报警信号并切断发生故障的相应模块；和/或发出停电报警信号并控制储能模块为所述逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电。
3.如权利要求1或2所述的智能插座，其特征在于，所述智能插座还包括与储能模块连接的扩展储能模块，用于与储能模块联合供电。
4.如权利要求1-3任一所述的智能插座，其特征在于，所述电源接口模块包括电能变换电路和滤波器；
所述电能变换电路包括开关管全桥电路和电感，所述滤波器包括滤波电容；
所述开关管全桥电路的输入端正极连接有电感、输出端的正负极之间连接有滤波电容。
5.如权利要求1-3任一所述的智能插座，其特征在于，所述逆变模块包括逆变电路、滤波器和交流端口；
所述逆变电路包括开关管全桥电路，所述滤波器包括滤波电感和滤波电容；
所述开关管全桥电路的输出端连接有交流端口，所述开关管全球电路与交流端口之前设有滤波电感和滤波电容。
6.如权利要求1-3任一所述的智能插座，其特征在于，所述直流变换模块包括直流/直流变换电路、滤波器和直流端口；
所述直流/直流变换电路包括两个开关管全桥电路、谐振电感、谐振电容和高频变压器，所述滤波器包括滤波电容；
所述高频变压器的一次侧连接开关管全桥电路的输出端、二次侧连接另一开关管全桥电路的输入端，所述开关管全桥电路的输出端正极依次连接有谐振电感和谐振电容，所述另一开关管全桥电路的输出端依次连接有滤波电容和直流端口。
7.如权利要求1-3任一所述的智能插座，其特征在于，所述无线充电模块包括发射电路、发射线圈、导磁材料和无线充电端口；
所述发射电路将电源接口模块输出的直流电转化为高频交流电，再经过发射线圈和导磁材料产生交互磁场为***无线充电端口的电子设备充电；
所述发射电路包括开关管全桥电路。
8.如权利要求1-3任一所述的智能插座，其特征在于，所述储能模块包括：电压变换电路、储能设备、外储能接口；
所述电压变换电路包括开关管全桥电路，用于使储能设备的电压等级与电源接口模块的输出直流电压等级匹配；
所述储能设备，用于在电网正常工作时存储能源，当电网停电时为逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
所述外储能接口，作为扩展储能模块的接口。
9.如权利要求1或2所述的智能插座，其特征在于，所述异常信号包括：输入输出电压过压/欠压、输入输出电流过大/过小、温度过高/过低和故障信号。
10.如权利要求1或2所述的智能插座，其特征在于，所述输入输出信号包括：除测控保护模块以外的各模块的输入输出直流电压值和输入输出电流值。
11.一种如权利要求1-10任一所述智能插座的测控方法，其特征在于，包括：
当电网正常供电时，通过智能插座的电源接口模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电；
当电网停电时，通过智能插座的测控保护模块控制储能模块向逆变模块、直流变换模块和无线充电模块供电，并发出停电报警信号；
当智能插座的测控保护模块监测到其余任一或多个模块出现异常信号时，切断出现异常信号的模块，并发出故障报警信号；
所述逆变模块通过交流端口向外部设备提供稳定的交流电，所述直流变换模块和无线充电模块分别通过直流端口和无线充电端口向外部设备提供稳定的直流电。
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