CN111953294B - 基于物联网的台区备电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的台区备电系统，其技术方案要点是，它包括：台区中心，多个太阳能备电系统，多个负载区域。其中台区中心与电网连接，将电网电能供给负载区域。本方案能够在雨天自动感知风向，将太阳能板调整到最优角度，利用雨水冲刷污物，结构简单，效果好。本发明通过简单的多个长度不同的管排布，可以精确测量太阳光方向，不需要复杂结构，也不需要精密的检测电路。使得太阳能板能准确对准太阳，提高电能产生效率。本发明能够根据台区内充电桩使用情况进行动态调配太阳能备电系统的接入，提高效率，且保证调入的备电系统数量较少，避免对电网较大的冲击，提高网络健康性。

Description

基于物联网的台区备电系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能领域，特别涉及利用太阳能进行台区备电领域。

背景技术

电力系统中季节性用电、时段性用电的台区很多，为了降低铁损、铜埙及其他损耗，在不用电时这些台区的跌落保险处于断开状态，以至于现场采集终端、电能表因无电源而导致电力用户用电采集系统无法实现数据采集，严重制约电力公司采集成功率的提升和同期线损的准确核算。针对现有问题，本系统提供了一种利用光伏发电、蓄电池储能的特性作为辅助电源，在负载需要备用电源时，实时投入，保证用电负载能长期稳定的运行,从而有效提高采集成功率、同期线损准确率,降低集中器离线率。

但是对于台区的太阳能系统而言，由于其不可能像大规模光伏发电厂一样布置大面积的太阳能板，而只能在台区内多位置、小面积地布置一个或多个较小太阳能板，因此必须保证太阳能板转换效率，否则备电系统将无法正常为负载提供足够电能。特别是，由于台区太阳能系统无法像光伏发电厂一样将太阳能板安装在日照时间长的区域。因此，至少存在以下问题需要解决：①需要定期清洗太阳能板，以提高能量转换效率；②需要在进行光伏发电时，对准太阳，充分利用阳光。

现有技术中虽然有一些太阳能板清洗装置，但大多数需要额外复杂的结构(例如清洗机器人)，成本较高，不适用于台区使用。台区需要在有限空间内设置太阳能板，且布置的太阳能板尺寸较小，分布位置较多。每个太阳能板弄一套专门的清洗结构成本高、结构复杂。现有技术中也有使用雨水清洗的方案，但均先收集雨水，再进行喷射，额外增加了结构的复杂性。

同样道理，现有技术中也有光线追踪技术，用于调整太阳能板的位置。但要么采用复杂的检测机构，成本高，不适用于台区这种小太阳能板和多点布局的情况；要么使用太阳能板产生的电流进行反馈控制，但控制精度较差，且需要复杂的电路结构，也不适用于台区备电系统。

另外，有些台区管辖的范围随机动态用电的特点非常明显，例如对于大型的电动车停车场，由于车辆进出充电导致用电需求随机变化较大，这与工厂区的基本恒定用电和居民区的日夜性、季节性用电特点不同。每辆汽车短时间(一小时)内充电电量需求较大，且汽车随机进入，这使得该台区的用电需求难以准确预测，造成对电网的冲击和使用的不便。为此，急需解决类似大负载、动态随机的用电需求。

发明内容

一种基于物联网的台区备电系统，包括台区中心，多个太阳能备电系统，多个负载区域。其中台区中心与电网连接，将电网电能供给负载区域。

所述多个负载区域包括固定负载区域、和充电桩区域；

充电桩区域包括多个充电桩，每个充电桩设置充电桩功率输出监测模块；

固定负载区域设置固定负载区域功率监测装置；

每个太阳能备电系统具有功率输出监测模块，用于监测此时该备电系统能够实时提供的最大功率；

太阳能备电系统功率输出监测模块、固定负载区域功率监测装置、充电桩功率输出监测模块分别与台区中心的控制单元连接，将各个系统的功率信息输出至控制单元中，用于进行台区电能的调配，具体方式为：

(1)当P0>Q0+Q1+Q2+…+Qm时，太阳能备电系统不向台区提供电能；其中m为在用的m个充电桩，m<n。

(2)当P0<Q0+Q1+Q2+…+Qm时，计算功率差额P’＝Q0+Q1+Q2+…+Qm-P0，其中m为在用的m个充电桩，m<n。将各个空闲的太阳能备电系统此时的功率进行从小到大排序得到P1、P2…Pn，将P’与P1、P2…Pn依次比较：

①当P’≤Pn时，

当P’＝P_i时，此时将P_i对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

当P_i+1>P’>P_i时，计算P’-P_i的值，并将P’-P_i与P1、P2…P_i-1依次比较，选择恰好大于P’-P_i的太阳能备电系统，即P_j>P’-P_i>P_j-1。根据计算结果，将P_i和P_j对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

②当P1+P2+…+Pn≥P’>Pn时，从大到小依次选择P_n、P_n-1…P_n-k，使得P_n+P_n-1+…+P_n-k≥P’>P_n+P_n-1+…+P_n-k+1。此时将P_n、P_n-1…P_n-k对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

③当P’>P1+P2+…+Pn时，此时太阳能备电系统已经不能提供足够功率，此时将向停车场报警，并关闭剩余充电桩。

其中Q0为固定负载区域功率，Qn为每个充电桩的充电功率，台区中心能提供的额定电能功率为P0，每个太阳能备电系统能够提供的电能功率为Pn。

每个太阳能备电系统包括太阳能板、储能电池、功率监测模块、通讯模块、清理模块、自动追踪模块、控制模块。

每个太阳能备电系统的自动追踪模块，用于实时追踪太阳光线方向，并将信息发送至控制模块，控制模块根据上述信息的计算结果控制太阳能板转动，保证正对准太阳光照射方向。

自动追踪模块包括承载板、多个光线方向检测单元和计算模块，其中承载板与太阳能电池板平行安装，多个光线方向检测单元在承载板上沿太阳能电池板的横纵方向呈十字交叉排布，每个光线方向检测单元均包括管和探测器，探测器位于管的底面，且与管底面平行。

每个太阳能备电系统的清理模块，包括风向风速检测装置，用来根据风向，使得太阳能板对准风吹来的方向，使得雨水能够以特定角度冲刷太阳能板。

一种基于物联网的台区备电系统的台区备电系统接入方法。

发明点及技术效果

1、能够在雨天自动感知风向，将太阳能板调整到最优角度，利用雨水冲刷污物，结构简单，效果好。

2、通过简单的多个长度不同的管排布，可以精确测量太阳光方向，不需要复杂结构，也不需要精密的检测电路。使得太阳能板能准确对准太阳，提高电能产生效率。

3、能够根据台区内充电桩使用情况进行动态调配太阳能备电系统的接入，提高效率，且保证调入的备电系统数量较少，避免对电网较大的冲击，提高网络健康性。

本发明的发明点包括但不限于以上，具体以实施例记载的技术内容为准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是供电系统示意图；

图2是太阳能备电系统部分结构示意图；

图3是自动追踪原理示意图；

图4是自动追踪原理示意图；

图5是自动追踪装置示意图；

具体实施方式

物联网台区供电系统

物联网台区供电系统包括台区中心1、多个太阳能备电系统2、多个负载区域。其中台区中心与电网连接，将电网电能供给负载区域。通常台区中心能够供给的最大功率额定。多个太阳能备电系统与台区中心连接，用于根据台区中心控制将额外的补充电能功率提供给供电网络中，以供给负载区域。

每个太阳能备电系统具有功率输出监测模块，用于监测此时该备电系统能够实时提供的最大功率。

负载区域通常包括以下几种类型：工业区域，商业区域，居民区域。这些区域用电功率各有特点。例如工业区域用电功率相对恒定，商业区域和居民区域用电功率时间性、季节性较强。对于这些用电负载的用电需求监测和预测已经有很多现有技术，可以直接使用。对于以上区域，本发明统称为固定负载区域4。对于固定负载区域，可以设置功率监测装置，用于监测该区域的实时电能消耗功率。

然而，随着新技术的出现，电动汽车停车场、电动汽车集中充电站、或电动汽车换电站等用电区域对电网系统提出了新的需求。例如每辆汽车短时间(一小时)内充电功率需求较大，且汽车随机进入，这使得该区域的用电需求难以准确预测，造成对电网的冲击和使用的不便。对于该区域，本发明称为充电桩区域3(换电站也可以看成更大功率的充电桩)。在充电桩区域中，每个充电桩31设置功率输出监测模块，用于监测每个充电桩实时消耗的电能功率，即充电功率。虽然每个充电桩的最大功率是恒定的，但是不同品牌的汽车进行充电时，需求功率不同，实际每个充电桩的充电的功率也是不同的。

备电系统功率输出监测模块、固定负载区域功率监测装置、充电桩功率输出监测模块分别与台区中心的控制单元连接，将各个系统的功率信息输出至控制单元中，用于进行台区电能的调配。上述检测装置和检测模块分别通过各自的通讯模块将信息传输至控制单元中。本系统采用通讯模块包括4G、5G模块。

供电系统方法

台区中心能提供的额定电能功率为P0，每个太阳能备电系统能够提供的电能功率为Pn，由于不同位置太阳能利用率不同，因此不同备电系统能够提供的功率Pn并不相同。

对于台区中心服务的区域而言，通常包括一些用电量较为固定，或周期性较为明显的负载。例如工厂，每天的用电量比较平稳且固定，而居民区则根据季节和时间的变化周期性变化。对于这些用电负载的用电需求监测和预测已经有很多现有技术，可以直接使用。将这些负载区域在某一时间段内或某一时刻可以称为固定负载。假设该时刻台区范围内固定负载功率为Q0。

对于台区内的大型电动汽车停车场，虽然每个充电桩的最大功率是恒定的，但是不同品牌的汽车进行充电时，需求功率不同，实际每个充电桩的充电的功率也是不同的。假设每个充电桩的充电功率为Qn。

(1)当P0>Q0+Q1+Q2+…+Qm时，备电系统不向台区提供电能；其中m为在用的m个充电桩，m<n。

(2)当P0<Q0+Q1+Q2+…+Qm时，计算功率差额P’＝Q0+Q1+Q2+…+Qm-P0，其中m为在用的m个充电桩，m<n。将各个空闲的备电系统此时的功率进行从小到大排序得到P1、P2…Pn，将P’与P1、P2…Pn依次比较：

①当P’≤Pn时，

当P’＝P_i时，此时将P_i对应的备电系统调入台区电网中；

当P_i+1>P’>P_i时，计算P’-P_i的值，并将P’-P_i与P1、P2…P_i-1依次比较，选择恰好大于P’-P_i的备电系统，即P_j>P’-P_i>P_j-1。根据计算结果，将P_i和P_j对应的备电系统调入台区电网中；

②当P1+P2+…+Pn≥P’>Pn时，从大到小依次选择P_n、P_n-1…P_n-k，使得P_n+P_n-1+…+P_n-k≥P’>P_n+P_n-1+…+P_n-k+1。此时将P_n、P_n-1…P_n-k对应的备电系统调入台区电网中；

③当P’>P1+P2+…+Pn时，此时备电系统已经不能提供足够功率，此时将向停车场报警，并关闭剩余充电桩。

利用上述方法，可以保证备电系统满足停车场动态的充电需求，同时保证每次调用最少的备电系统，保证备电系统的适应性。再有其他突发用电需求时，能够更加灵活的加入电网中。特别适合台区这种小范围、波动较大的场合。是本发明的发明点之一。

特别的，当充电桩区域当前所需功率恰好是某一个或多个备电系统提供的功率时，即P’＝P_i，或P’＝P_i+P_j，或P’＝P_n+P_n-1+…+P_n-k如果此时再有汽车进入停车场进行充电，会造成短时间电网负载高于供给，虽然根据上述调配方法会增加额外的备电系统，可以快速弥补当前电网功率的不足。但依然会有一个功率不足的时间段，这个时间段内，整个台区的负载都会受到影响，电网安全性也会受到影响。为避免这种情况发生，在停车场入口设置动态功率预测装置，该装置包括图像采集装置、充电预约装置、控制模块和通讯模块。其中图像采集装置用于对入口车辆进行拍照，识别车型，并根据车型判断其充电的最高功率；充电预约装置接收车辆充电预约请求，例如可以为与用户手机或车辆连接的RFID、NFC、4G/5G模块等。因此，当车辆进入停车场时，如果用户进行了充电预约，则图像采集装置拍摄其图像，并根据图像判断其车型及对应的充电最大功率，并通过通讯模块将该功率值发送至台区中心控制单元，从而判断是否需要加入新的备电系统。通过这种方式，可以避免电网负载过大造成冲击，也是发明点之一。

此外，充电桩充电功率监测模块还用于监测充电完成时间，并将该信息发送至台区中心的控制单元，用于在进行充电功率计算时，使用T0时间后的功率值。例如，在T0时间后(通常为1分钟)，X编号的充电桩将充满并停止使用，也就是说在进行台区中心电网最大功率P0与台区所有负载Q0、Q1、Q2…Qm进行比较，及P’计算时，将Qx从中去掉，不予考虑。这样也可以避免未及时考虑即将停止的充电桩，而导致过多地将备电系统接入电网中，一方面造成浪费，同时也会导致控制单元不断动作，备电系统频繁接入断开导致的故障率提高。因此也是发明点之一。

太阳能备电系统

太阳能备电系统包括太阳能板21、储能电池、功率监测模块、通讯模块、清理模块、自动追踪模块、控制模块。

其中太阳能板用于接收太阳光，并将其转换成电能，并在储能电池中存储。太阳能板包括转动装置22，可以水平转动以及俯仰转动。当然，从优选情况下，也可以选择万向节，从而使得太阳能板转动更加灵活。一方面可以实现太阳光的追踪，另一方面可以在下雨时选择恰当角度进行太阳能板清洗冲刷，具体实现方式下面将详细描述。

储能电池用于储存太阳能板产生的电能，并在需要时根据控制模块的调度将电能通过电网系统提供给负载。

功率监测模块与储能电池连接，用于实时监测储能电池能够向台区电网提供的电能功率信息。功率监测模块将功率信息发送至通讯模块，并通过无线网络发送至台区中心的控制单元。

通讯模块用于接收功率监测模块的功率信息，将其发送至台区中心的控制单元；并接收台区中心的控制单元发送的控制信号，并将控制信号发送至备电系统的控制模块，使得控制模块控制备电系统接入台区电网中，为台区范围内的负载提供电能。

清理模块，用于清理太阳能板上的污物，保证太阳能板接收光能的效率。通常可以设置自动刷头，用来自动刷洗太阳能板。但为了清晰更加干净，且节约能源，可以利用雨水进行清洗。此时清理模块包括风向风速检测装置，用来根据风向，使得太阳能板对准风吹来的方向，使得雨水能够以特定角度冲刷太阳能板，具体方法下面将详述。

自动追踪模块23，用于实时追踪太阳光线方向，并将信息发送至控制模块，控制模块根据上述信息的计算结果控制太阳能板转动，保证正对准太阳光照射方向。

控制模块，用于与上述各个模块连接，控制功率信息发送、控制信号接收、太阳能板转动等，实现备电系统各种信息的计算和分析、各项功能的调度和完成。

太阳能板清理方法

通常太阳能板清理都是人工进行，费时费力。也有一些使用清洗机器人的方式，但成本较高，只适用于大面积发电厂，而不适用于台区太阳能备电系统。本发明利用雨水进行冲刷，成本低效果好。

在下雨时，备电系统检测风速和风向。根据风向，使得太阳能板对准风吹来的方向。根据风速，通过查表获得雨水下落方向与竖直方向的夹角b。此时系统检测到太阳能板与竖直方向的夹角a。计算a+b与阈值Q的比较，若a+b>Q，则说明雨水下落方向与太阳能板夹角过大，不利于污物向下冲刷，甚至会将污物更牢固地粘贴在太阳能板上。若a+b<Q，则说明雨水下落方向与太阳能板夹角过小，虽然有利于污物排出，但雨水冲击太阳能板的力度不够，不能冲刷掉顽固的污物。

因此，在a+b>Q时，调整太阳能板与竖直方向的夹角a，使其逐渐减小，最终使得a+b＝Q；在a+b<Q时，调整太阳能板与竖直方向的夹角a，使其逐渐减大，最终使得a+b＝Q。

经过大量实验，特别是对于太阳能板所能沾染的污物情况，优选10°<Q<25°。当然，该值也可以根据每次冲刷后，太阳能电池电能产生效率进行调整。特别是，可以记录每次冲刷完毕后太阳能电池板能量效率增加值与Q值，经过多次记录，找到该位置设备最佳Q值。这是因为不同安装位置、不同区域，污物类型略有不同，每次雨水强度和风速也有区别，单一的Q值并不能完全满足最优化选择。因此，通过查记录表，即可选择最佳Q值。该方法也是本发明的发明点之一。

对于风速与雨水下落方向与竖直方向的夹角b的关系，可以通过实现标定，例如多次采集不同风速条件下夹角b的值，并制定成标定表，供后续使用。

当然，在实践中发现，雨水下落的速度并不完全是固定的，特别是在短期内(例如10s)雨水下落速度会受到风速的干扰而快速变化。因此如果完全按照上述调整方法，会导致太阳能板反复调整，带来调整负担。因此，在实际采集时，可以间隔一定时间进行风速采集，例如间隔30s进行风速采集，根据10分钟采集情况，列出风速的分布情况，将风速分布的中位数作为当前风速，查表获得雨水下落方向与竖直方向的夹角b。

太阳能板自动追踪模块

当太阳光直射在太阳能板上时，单位面积接收到的光能量最多，此时太阳能板发电效率最高，能够在有限的时间内提供更多的电能。目前也有一些对准系统，通常采用太能能电池电流、电量的反馈；还有一些采用透镜进行聚焦，根据聚焦光斑位置判断太阳能板的方向；或是采用多个位置的光电传感器，根据相互之间的差值判断太阳能板的方向。以上方式要么需要复杂的结构，要么需要复杂的算法，且，准确度也较为有限。

自动追踪模块包括承载板234、多个光线方向检测单元230、231、232和计算模块。其中承载板与太阳能电池板平行安装，多个光线方向检测单元在承载板上沿太阳能电池板的横纵方向呈十字交叉排布。每个光线方向检测单元均包括管2301、2311、2321和探测器2302、2312、2322，探测器位于管的底面，且与其底面平行。位于十字交叉中心的光线方向检测单元的管长度为L，紧邻它的横纵方向的光线方向检测单元的管长度为2/3L，紧邻这些光线方向检测单元的光线方向检测单元的管长度为1/3L。也就是说，光线方向检测单元以十字交叉点为中心向横纵方向排布的管长度依次降低。所有光线方向检测单元的管的底面均在同一平面内上，且平行于承载板。

当光线垂直入射光线方向检测单元的管中时，光线在探测器平面上留下圆形光斑。当光线斜入射时，光线在探测器平面上留下两段圆弧拼成的光斑(管下表面、上表面边缘形成的光斑圆弧)，且原来圆形光斑的圆弧(管上表面边缘形成的光斑圆弧)向光线倾斜方向移动一定位移，如图3所示。光斑大小、形状及圆弧位移大小与当前太阳光斜入射角度和管长度有关，位移方向与太阳光斜入射方向有关。因此，当3个不同长度的管直线排布时，在它们各自探测器平面上圆弧移动不同距离。如果将三个光斑2303、2313、2323的图像合并在同一个图上，则根据三个圆弧(管上表面边缘形成的光斑圆弧)移动的方向可以准确判断光线斜入射方向。具体可以采用如下方法：在图像上求该圆弧的所有切线的法线，三者法线重合的方向即为移动方向，也就是光线斜入射方向。利用上述方法，判断横纵两个方向上光线斜入射的方向，即可获得光线真实斜入射至太阳能板的方向。控制模块控制太阳能板根据上述方向进行水平转动和俯仰转动(对应太阳能板的横纵方向)，并在转动过程中，实时利用上述方法获取新的方向信息，进行反馈控制，从而最终使得每个光线方向检测单元的探测器均接收到圆形光斑，此时即调整到位。在转动过程中自动追踪模块与太阳能板同步转动。

可以理解，除了上述内容，还包括一些常规结构和常规方法，由于这些内容都是公知的，不再赘述。但这并不意味着本发明不存在这些结构和方法。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种基于物联网的台区备电系统，其特征在于：台区中心，多个太阳能备电系统，多个负载区域； 其中台区中心与电网连接，将电网电能供给负载区域；

所述多个负载区域包括固定负载区域、和充电桩区域；

充电桩区域包括多个充电桩，每个充电桩设置充电桩功率输出监测模块；

固定负载区域设置固定负载区域功率监测装置；

每个太阳能备电系统具有功率输出监测模块，用于监测此时该备电系统能够实时提供的最大功率；

太阳能备电系统功率输出监测模块、固定负载区域功率监测装置、充电桩功率输出监测模块分别与台区中心的控制单元连接，将各个系统的功率信息输出至控制单元中，用于进行台区电能的调配，具体方式为：

（1）当P0> Q0+Q1+Q2+…+Qm时，太阳能备电系统不向台区提供电能；其中m为在用的m个充电桩，m<k；

（2）当P0< Q0+Q1+Q2+…+Qm时，计算功率差额P’=Q0+Q1+Q2+…+Qm-P0，其中m为在用的m个充电桩，m<k；将各个空闲的太阳能备电系统此时的功率进行从小到大排序得到P1、P2…Pn，将P’与P1、P2…Pn依次比较：

①当P’≤Pn时，

当P’=P_i时，此时将P_i对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

当P_i+1>P’>P_i时，计算P’-P_i的值，并将P’-P_i与P1、P2…P_i-1依次比较，选择恰好大于P’-P_i的太阳能备电系统，即P_j>P’-P_i>P_j-1；根据计算结果，将P_i和P_j对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

②当P1+P2+…+Pn≥P’>Pn时，从大到小依次选择P_n、P_n-1…P_n-k，使得P_n+P_n-1+…+P_n-k≥P’>P_n+P_n-1+…+P_n-k+1；此时将P_n、P_n-1…P_n-k对应的太阳能备电系统调入台区电网中；

③当P’ >P1+P2+…+Pn时，此时太阳能备电系统已经不能提供足够功率，此时将向停车场报警，并关闭剩余充电桩；

其中Q0为固定负载区域功率， Qk为每个充电桩的充电功率，台区中心能提供的额定电能功率为P0，每个太阳能备电系统能够提供的电能功率为Pn。

2.如权利要求1所述的台区备电系统，其特征在于：每个太阳能备电系统包括太阳能板、储能电池、功率输出监测模块、通讯模块、清理模块、自动追踪模块、控制模块。

3.如权利要求2所述的台区备电系统，其特征在于：每个太阳能备电系统的自动追踪模块，用于实时追踪太阳光线方向，并将信息发送至控制模块，控制模块根据上述信息的计算结果控制太阳能板转动，保证正对准太阳光照射方向。

4.如权利要求3所述的台区备电系统，其特征在于：自动追踪模块包括承载板、多个光线方向检测单元和计算模块，其中承载板与太阳能板平行安装，多个光线方向检测单元在承载板上沿太阳能板的横纵方向呈十字交叉排布，每个光线方向检测单元均包括管和探测器，探测器位于管的底面，且与管底面平行。

5.如权利要求2所述的台区备电系统，其特征在于：每个太阳能备电系统的清理模块，包括风向风速检测装置，用来根据风向，使得太阳能板对准风吹来的方向，使得雨水能够以特定角度冲刷太阳能板。

6.一种基于物联网的台区备电系统的台区备电系统接入方法，其特征在于：使用权利要求1-4所述的台区备电系统。

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