新型的電力負(fù)荷控制與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　0 引言

本文著重給出了一種新型的電力負(fù)荷控制與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法在性能可靠、高精度、低功耗、小體積的基礎(chǔ)上，更能適應(yīng)負(fù)荷管理、電能分析、電量集抄、多種控制方式、優(yōu)化用電分析等功能需要，可滿足電力負(fù)荷側(cè)管理的各種應(yīng)用需求。

　　l 系統(tǒng)工作原理

　　圖1所示是本系統(tǒng)的工作原理框圖。本系統(tǒng)采用適合于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LPC2132FBD64作為主處理器;接口電路主要完成對脈沖量、開關(guān)量及模擬量的采集，主處理電路負(fù)責(zé)對其進(jìn)行運(yùn)算，以形成各種功率，電量，電表讀數(shù)、需量，電流、電壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后由主處理電路再根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及主站下發(fā)的工作參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)管理，同時(shí)將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過I2C總線送到顯示驅(qū)動(dòng)電路，再通過LCD液晶模塊進(jìn)行顯示。當(dāng)主站召測信息時(shí)，系統(tǒng)再將這些數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)回主站，與此同時(shí)，主處理板控制相應(yīng)的繼電器，以達(dá)到閉環(huán)控制和遙控的目的。本系統(tǒng)突出了模塊化設(shè)計(jì)，各部分功能相對獨(dú)立，并盡量避免了各模塊程序之間的交叉聯(lián)系。因而具有良好的伸縮性，可減少日后修改程序和維護(hù)程序的工作量，同時(shí)可提高程序的可讀性、可靠性和穩(wěn)定性，使遠(yuǎn)程升級(jí)和維護(hù)成為可能。

　　2 主要模塊功能

　　2.1 數(shù)據(jù)采集

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集首先是狀態(tài)量的采集。即實(shí)時(shí)采集位置狀態(tài)和其它狀態(tài)信息，在發(fā)生變位時(shí)記入內(nèi)存，并將其根據(jù)需要設(shè)定為等待主站查詢或主動(dòng)上報(bào)主站兩種模式。

　　其次就是電能表數(shù)據(jù)采集。通常終端可通過RS-485通訊接口，并按照設(shè)定的終端抄表日來采集、存儲(chǔ)電表的數(shù)據(jù)。每臺(tái)用電管理終端可以同時(shí)讀取多塊電度表。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則可存儲(chǔ)兩個(gè)抄表周期的電量(月末或抄表日零點(diǎn)數(shù)據(jù))，并可在主站召測時(shí)發(fā)送給主站，也可定時(shí)發(fā)送給主站。

　　交流模擬量采集指的是終端采用ATT7022B計(jì)量芯片來實(shí)時(shí)測量用戶側(cè)的三相電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、有功電能、無功電能等瞬時(shí)值，精度通常為0.5%。

　　2.2 負(fù)控功能

　　(1)功率定值控

　　功率定值控可分四種控制方式，以其優(yōu)先級(jí)由低到高分別為時(shí)段控、廠休控、營業(yè)報(bào)?？亍?dāng)前功率下浮控。終端可根據(jù)主站下發(fā)的功控時(shí)段、功率定值、定值浮動(dòng)系數(shù)、報(bào)警時(shí)間、控制輪次等指令進(jìn)行相應(yīng)的控制方式和控制參數(shù)的修改，并可通過音響告警通知客戶。在終端自動(dòng)執(zhí)行過程中，可在液晶上顯示定值、控制對象、執(zhí)行結(jié)果等。

　　(2)電能量定值控

　　電能量定值閉環(huán)控制可分為月電能量控制、購電能量(費(fèi))控制、催費(fèi)告警三種控制類型。

　　(3)遙控功能

　　終端接收到主站的跳閘控制命令后，將按設(shè)定的告警延遲時(shí)間和限電時(shí)間來控制被控負(fù)荷開關(guān);同時(shí)終端應(yīng)有音響告警通知客戶，并記錄跳閘時(shí)間、跳閘輪次、跳閘前功率、跳閘后2 min功率等，同時(shí)終端顯示屏應(yīng)顯示執(zhí)行結(jié)果。當(dāng)終端接收到主站的允許合閘控制命令后，由音響告警通知客戶，允許客戶合閘。當(dāng)終端接收到主站的允許/禁止通話和允許/禁止主動(dòng)上報(bào)命令時(shí)，終端將根據(jù)主站命令來控制通話并主動(dòng)上報(bào)系統(tǒng)。

　　2.3 無線通訊功能

　　本系統(tǒng)采用內(nèi)置GSM/GPRS模塊通訊方式(也可采用外接無線電臺(tái)通訊方式，用戶可以自行選擇)。GPRS作為一種新的通訊手段，在配電自動(dòng)化應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)。而基于GPRS通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個(gè)比較有應(yīng)用前景的實(shí)現(xiàn)方案。

　　2.4 諧波分析與報(bào)警功能

　　終端可根據(jù)電壓、電流諧波閥值對監(jiān)測點(diǎn)的電壓諧波、電流諧波進(jìn)行分析，并記錄分相2～19次諧波電壓含有率及總畸變率日最大值及發(fā)生時(shí)間，同時(shí)統(tǒng)計(jì)分相諧波越限數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)包括分相總畸變電壓含有率越限日累計(jì)時(shí)間、分相2～19次諧波電壓含有率越限日累計(jì)時(shí)間、分相總畸變電流越限日累計(jì)時(shí)間、分相2～19次諧波電流越限日累計(jì)時(shí)間等。當(dāng)用戶的諧波超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。

　　2.5 事件記錄及重要事件上報(bào)功能

　　終端可記錄上電、掉電、編程、校時(shí)、需量清零、斷相、過壓、失壓、失流、逆相序、超負(fù)荷、三相電流不平衡、CT一次短路、CT二次短路、CT二次開路、計(jì)量箱開門等事件的發(fā)生時(shí)間、狀態(tài)、數(shù)據(jù)、事件類型及相關(guān)情況。并按照發(fā)生的時(shí)間順序分為一般事件和重要事件兩個(gè)隊(duì)列分別進(jìn)行記錄，每個(gè)隊(duì)列記錄的最大長度為255條，隊(duì)列則按先進(jìn)先出方式刷新。

　　對于主站設(shè)置的重要事件(如功控跳閘、電控跳閘、遙控跳閘、重要參數(shù)變更等)，當(dāng)事件發(fā)生后，終端可實(shí)時(shí)刷新重要事件計(jì)數(shù)器的內(nèi)容、作好記錄，并通過ACD置位直接主動(dòng)上報(bào)事件記錄。

　　2.6 負(fù)荷曲線及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及上報(bào)功能

　　日負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)每15分鐘采集，每天96個(gè)數(shù)據(jù)，通常保存最近10天的數(shù)據(jù)(包括有功、無功、電壓、電流等數(shù)據(jù));并能根據(jù)設(shè)置上報(bào)主站。系統(tǒng)終端具有主動(dòng)上報(bào)功能，它可以將數(shù)據(jù)上報(bào)，也可以被動(dòng)上報(bào)(等待主站對數(shù)據(jù)進(jìn)行招測)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。

　　2.7 抄表測試功能

　　為了方便用戶知道和終端相連的電能表是否能夠通信成功，也可以通過液晶屏和按鍵配合設(shè)置不同的表地址和通信速率來進(jìn)行手動(dòng)抄表。

　　3 交流模擬量采集模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　3.1 交流模擬量采集模塊的硬件電路

　　系統(tǒng)通過電壓互感器和電流互感器后，可對采集到的用電設(shè)備的三相交流電壓值，三相交流電流值進(jìn)行處理，再送入ATT7022B芯片進(jìn)行測量和計(jì)算。圖2所示是本系統(tǒng)的電壓和電流采集電路。

　　ATT7022B能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。ATT7022B芯片的外圍電路如圖3所示。ATT7022B片內(nèi)集成了7路16位的ADC，采用雙端差分信號(hào)輸入。最大輸入電壓是1.5 V，而可以輸入最大的正弦信號(hào)有效值是1V。實(shí)際應(yīng)用中，可以將電壓通道Un對應(yīng)到ADC的輸入選在0.5 V左有，而電流通道，Ib時(shí)的ADC輸入選在O.1V左右。計(jì)量模塊主要是對電壓、電流采樣通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波和移相濾波或相位校正進(jìn)行計(jì)算，以得到所需要的參數(shù)量(包括電壓、電流有效值、功率、頻率、相位角等三相參數(shù))，并將這些參數(shù)存入相應(yīng)的寄存器中，然后通過SPI口將參數(shù)傳輸給MC-U。

　　3.2 ATT7022B與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸軟件流程

　　圖4所示是基于ATT7022B的SPI通訊流程。本程序主要是完成ATT7022B的初始化工作。并根據(jù)LPC2132FBD64的查詢命令向其發(fā)送數(shù)據(jù)或修改ATT7022B寄存器中的參數(shù)。如果遇到異常情況，則由終端自動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)報(bào)警信息。

　　ATT7022B與微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸是由LPC2132FBD64向SPI接口的DIN端送入8位命令字啟動(dòng)的。命令分為讀取命令和寫入命令兩類，可通過命令字的最高位來區(qū)分。若最高位為1。則命令為寫命令，若最高位為0，則為讀命令。

　　通過讀取命令，LPC2132FBD64可讀出ATT7022B中的各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能獲得各相電流、電壓的有效值以及功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。

　　寫入命令即校表命令的相應(yīng)程序，主要完成對ATT7022B的參數(shù)精度修正。ATT7022B必須經(jīng)過參數(shù)精度修正后才能保證采集結(jié)果達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。

　　4 系統(tǒng)性能測試

　　本產(chǎn)品現(xiàn)已通過了現(xiàn)場試驗(yàn)及專家鑒定，各項(xiàng)性能均可達(dá)標(biāo)。數(shù)據(jù)采集功能測試結(jié)果和計(jì)量中心測試結(jié)果的誤差在O.2%以內(nèi)。負(fù)控功能經(jīng)過了500次測驗(yàn)，沒有誤操作發(fā)生。其可靠性和穩(wěn)定性方面，除了液晶的工作溫度在-20～70度外，其他所有器件的工作溫度都在-40～85度，能夠應(yīng)對多種惡劣環(huán)境。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、精確地測量電網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，隨時(shí)獲取實(shí)時(shí)詳細(xì)的電能質(zhì)量監(jiān)測報(bào)告，并可直接對用電設(shè)置進(jìn)行管理和控制。故可以有效地改善用電負(fù)荷的曲線形狀，使負(fù)荷曲線趨于平坦，減少峰谷差，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷在一定時(shí)空的最佳分布，同時(shí)也可以提高用戶和電網(wǎng)的負(fù)荷率，從而提高發(fā)、供、用電設(shè)備的利用率，達(dá)到電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于負(fù)荷控制與監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用是電力企業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢，因此，該系統(tǒng)對當(dāng)前電力企業(yè)的電力資源的開發(fā)、以及電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)、供用電秩序調(diào)整都有著十分重要的意義。