一種有序用電管理終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何明星，谷戰(zhàn)壘

（1.云南電網(wǎng)能源投資有限責(zé)任公司，云南昆明，650000；2.河南許繼儀表有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對能源的需求持續(xù)增長，由此給電力企業(yè)能源供應(yīng)帶來越來越大的挑戰(zhàn)[1-4]。為了解決能源安全和環(huán)境問題，響應(yīng)國家“碳中和、碳達(dá)峰”的任務(wù)目標(biāo)，各省電力企業(yè)都在開展智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，智能用電是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可極大提高電能質(zhì)量管理水平和利用效率[5-8]。

目前，低壓用戶側(cè)用電負(fù)荷日趨復(fù)雜，特別是西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力設(shè)施相對落后，季節(jié)性、時(shí)段性集中用電特征較為突出，時(shí)常出現(xiàn)過負(fù)荷用電、電壓拉低、異常斷電等現(xiàn)象。為避免由于居民用電、農(nóng)業(yè)灌溉用電、工業(yè)用電等用電類型的不確定性及用電負(fù)荷的劇烈變化對配電網(wǎng)造成沖擊，影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。急需在低壓用電側(cè)對用電設(shè)備進(jìn)行有序管理，使不同設(shè)備之間能夠協(xié)調(diào)有序運(yùn)行，降低由于季節(jié)性用電對配電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來的隱患，保證配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。研究有序用電管理技術(shù)，避免出現(xiàn)低電壓、異常斷電、線路故障等異常斷電的發(fā)生，有力提升農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、居民用電、企業(yè)用電質(zhì)量[9]。

近年來，有序用電技術(shù)受到電力企業(yè)的廣泛關(guān)注，本文針對有序用電管理技術(shù)，研制一種有序用電管理終端，制定有序用電策略算法。在臺變供電范圍內(nèi)，根據(jù)用戶的用電特征，不同用電設(shè)備之間相互配合，調(diào)節(jié)各自的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷平滑負(fù)荷曲線，構(gòu)建局部柔性供用電體系[10]。

1 有序用電管理終端體系架構(gòu)

有序用電管理終端硬件架構(gòu)由電源模塊、存儲模塊、顯示模塊、ATT7026主芯片、RS-485通信、寬帶載波等模塊組成。電源模塊是低功耗開關(guān)電源，輸出DC3.3V、DC5V、DC12V三路電源，為主芯片、RS-485通信、顯示模塊等提供電源。ATT7026主芯片具有豐富的外圍接口資源，主要包括存儲、串口通信、4G通信接口等組成。有序用電管理終端的硬件體系架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 有序用電管理終端的硬件架構(gòu)

1.1 電源模塊

電源模塊主要由開關(guān)電源LH16-10B、降壓芯片MP2316GJ和TLB117組成，開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為1路12V直流電源，12V直流電源為寬帶載波、4G通信模塊供電；降壓芯片MP2315將12V轉(zhuǎn)換為5V，5V直流電源為RS-485通信、顯示模塊供電。通過降壓芯片TLB117將5V電源轉(zhuǎn)換成DC3.3V電源，DC3.3V電源ATT7026、存儲單元、ESAM芯片供電。

1.2 主控CPU電路

有序用電管理終端的主控CPU模塊采用ATT7026芯片，該芯片具有計(jì)量、通信、數(shù)據(jù)處理等功能，運(yùn)行速率為32.768KHz，程序存儲器容量64KB。此處理器具有豐富的外圍接口資源，滿足有序用電管理終端的RS-485通信、4G通信、顯示接口需求，外圍電路由存儲芯片24LC512、ESAM、4G通信、顯示等組成，主CPU模塊詳細(xì)電路如下圖2所示。

圖2 主控CPU電路

2 有序用電管理終端功能設(shè)計(jì)

有序用電管理終端采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要由uC/OS-II操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動模塊、接口層、應(yīng)用功能層組成。uC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理、數(shù)據(jù)存儲管理、算法執(zhí)行管理等功能，底層驅(qū)動完成接口數(shù)據(jù)收發(fā)，接口層實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取與配置等功能。應(yīng)用功能主要開展檔案管理、交流采樣數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)采集、有序用電策略執(zhí)行等功能。有序用電管理終端軟件體系架構(gòu)，如下圖3所示。

圖3 有序用電管理終端軟件體系架構(gòu)

2.1 功能應(yīng)用

有序用電管理終端主要功能包括采集任務(wù)下發(fā)、電量數(shù)據(jù)采集、設(shè)備檔案管理、用戶檔案管理、有序用電策略執(zhí)行等功能。

2.1.1 采集任務(wù)下發(fā)

有序用電管理終端具有采集任務(wù)下發(fā)功能，可以人工下發(fā)采集任務(wù)，通過人工按鍵的方式，將任務(wù)下發(fā)到有序用電管理終端，同時(shí)設(shè)置采集數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)上報(bào)方式、采集速率等內(nèi)容。也可以通過主站遠(yuǎn)程下發(fā)采集任務(wù)項(xiàng)，對于有序用電管理終端批量安裝時(shí)，通過主站批量下發(fā)采集任務(wù)，有序用電管理終端收到主站下發(fā)的采集任務(wù)后，終端能夠自動存儲采集人并執(zhí)行。

2.1.2 電量數(shù)據(jù)采集

有序用電管理終端具有全量數(shù)據(jù)采集的功能，對于智能電表的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，都能夠通過有序用電管理終端采集。其中，電量數(shù)據(jù)、負(fù)荷功率數(shù)據(jù)是核心的數(shù)據(jù)項(xiàng)，用戶在用電的過程中，有序用電管理終端能夠采集用戶的月凍結(jié)電量、日凍結(jié)電量等數(shù)據(jù)、臺區(qū)總負(fù)荷，為電費(fèi)核算、營銷對賬、有序用電策略執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3 檔案管理

檔案管理是有序用電管理終端的基本功能，根據(jù)主站下發(fā)或者本地加載的設(shè)備檔案、用戶檔案，終端能夠本地存儲和管理。用戶正常用電時(shí)，終端能自動識別用戶信息是否合法，便于用戶檔案的管理和用電設(shè)備的管理。

2.2 有序用電策略算法

有序用電策略分析，為解決臺區(qū)變壓器負(fù)荷超限問題，開展有序用電算法研究，制定科學(xué)有效的有序用電方案，解決電力企業(yè)電能質(zhì)量地下的問題。此有序用電策略通過系統(tǒng)下發(fā)用電策略，當(dāng)臺區(qū)變壓器實(shí)際用電負(fù)荷Ps小于額度負(fù)荷的80%時(shí)，用戶可以正常用電；當(dāng)臺區(qū)變壓器用電負(fù)荷Ps大于80%時(shí)，臺區(qū)有序用電管理終端自動執(zhí)行用電策略，同時(shí)不再允許新用戶用電。系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)客戶用電時(shí)長，并進(jìn)行分組排序，本臺區(qū)所有客戶分組實(shí)施限制用電時(shí)長策略，用電時(shí)長以4個(gè)小時(shí)為一個(gè)周期，每組用電時(shí)長為4個(gè)小時(shí)，大于4個(gè)小時(shí)系統(tǒng)自動下發(fā)拉閘指令，短信通知下一組用電指令，周期性依次類推。

其中，公式1中的Ps為每個(gè)臺區(qū)變壓器的所有用戶負(fù)載功率之和，其中P1i居民負(fù)載功率、P2i為農(nóng)業(yè)灌溉負(fù)載功率、P3i為工業(yè)負(fù)載功率、P4i為公共照明負(fù)載功率。

其中公式2中的Pt為有序用電系統(tǒng)優(yōu)化后的總用電負(fù)荷，α為居民負(fù)載功率P1i的調(diào)整系數(shù)，β為農(nóng)業(yè)灌溉負(fù)載功率P2i的調(diào)整系數(shù)，χ為工業(yè)負(fù)載功率P3i的調(diào)整系數(shù)，δ為公共照明負(fù)載功率P4i的調(diào)整系數(shù)。由于不同種類用電負(fù)載的功率值會有差異，通過兩個(gè)小時(shí)的運(yùn)行后，系統(tǒng)自動生成調(diào)整系數(shù)α、β、χ、δ，對于新增的負(fù)載，按照上述系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

其中，公式3中的ξ為分組系數(shù)，Pz為臺區(qū)變壓器額定功率，Pt為臺區(qū)變壓器的所有負(fù)載功率之和。

當(dāng)ξ小于1時(shí)，允許用戶自由用電。當(dāng)ξ大于1時(shí)，執(zhí)行有序用電策略，將本臺區(qū)變壓器下面的所有負(fù)載進(jìn)行分組。

其中，公式4中的Z為總的有序用電組數(shù)，Yi為每一組的總用電負(fù)載之和，對于ξ存在余數(shù)時(shí)，余數(shù)部分與第一組排號靠前的用戶重新分組。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種有序用電管理終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案，包括終端的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、有序用電策略算法介紹等內(nèi)容。根據(jù)電力企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開展性能實(shí)驗(yàn)和功能實(shí)驗(yàn)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)農(nóng)田排灌、居民用電、工業(yè)用電季節(jié)性、時(shí)段性特征要求，協(xié)調(diào)不同用電設(shè)備之間的相互配合，調(diào)節(jié)各自運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輪流使用，有序用電的策略要求，構(gòu)建局部柔性供用電體系。有效改善電網(wǎng)企業(yè)營商環(huán)境，得到很好的推廣應(yīng)用。