面向電力需求響應的變頻空調嵌入式控制器設計

周 陽，韓繼祥，關朋忠，姜燦燦

（濟寧市規劃設計研究院，山東 濟寧 272000）

空調是一種潛力巨大的電力需求側響應資源，在夏季負荷高峰期時可占尖峰負荷的30%～40%[1]，而變頻空調因其節能省電、智能舒適的優點已成為市場主流。因此對變頻空調群組的智能化控制研究十分有必要。通過智能化控制，可以削減空調能耗，緩解電力負荷高峰壓力，實現電網安全經濟運行。

近年來以嵌入式控制為代表的智能控制技術得到快速發展，并在眾多領域廣泛應用，如VRV 空調控制系統、汽車混合動力系統、數控系統、電網自動化系統和智能家居系統等[2-6]。

本文搭建了面向電力系統需求側響應的變頻空調嵌入式控制平臺，主要功能是為調度中心和變頻空調設備建立通信連接，計算變頻空調機組的需求響應能力，并根據調度中心的控制策略計算變頻空調的削減目標，下發對變頻空調的控制措施。

1 嵌入式控制器硬件平臺搭建

1.1 硬件選型

綜合考慮性能、成本、開發資源等多種因素，嵌入式控制器采用Compute Module 3（CM3）核心計算模塊進行擴展開發。

CM3 是由英國樹莓派非盈利組織在2017 年推出的樹莓派核心計算模塊，搭載了64 位Broadcom BCM2837 應用處理器，其核心為ARM Cortex-A53 四核處理器，運行頻率高達1.2 GHz，擁有1 GB 的LPDDR2 RAM，支持Windows IoT 和Linux。CM3 的體積很小，能夠適配各種硬件，非常適用于工業領域。

1.2 硬件設計

整個控制器功能集成在單個PCB 電路板上，電路板采用雙層PCB 電路設計，由CPU 模組接口模塊、供電部分電路、USB 轉4 路UART 電路、指示燈及輸入按鍵電路、USB 接口100 M 以太網電路、RS485 及RS232電路和USB1 路轉4 路電路構成。

CPU 模組接口模塊采用SODIMM144 接口將CPU管腳資源引出，包括供電引腳、配置引腳、USB2.0 引腳、GPIO 接口和I2C 接口等。其原理圖如圖1 所示。

圖1 核心網關原理圖

供電部分電路支持12 V 轉5 V 電路3 A，5 V 轉3.3 V 電路800 mA。其原理圖如圖2 所示。

圖2 供電部分電路圖

USB 轉4 路UART 電路采用FT4232 芯片，支持RS485 方向控制引腳，支持Linux 通用驅動。

USB 接口100 M 以太網電路采用RTL8152 芯片，實現USB 轉100 M 以太網接口功能。支持自動方向檢測，采用網絡變壓器RJ45 集成模塊。

4 路RS485 轉換電路采用sp485 芯片，其主要特性為高擺率、抗干擾和支持最高1～10 Mbps 波特率。RS232 轉換電路采用sp3232 芯片，3.3 V 供電提供RXD/TXD 全雙工通信。

基于以上設計，本文采用的控制器的主要特性如下：①4 核A53@1.2 G，16/32 G 固態存儲；②外擴4 路RS485 接口，1 路RJ45 以太網接口，及其他擴展接口；③支持WiFi AP/STA 模式。

控制器實物圖如圖3 所示。

圖3 嵌入式控制器

2 嵌入式控制器軟件設計

本文使用嵌入式Linux 系統開發工具eclipse，完成了數據轉換模塊、單機控制策略模塊等程序的設計。

2.1 數據轉換模塊設計

選擇無線連接的方式對空調進行控制，但由于空調機系統采用Modbus-RTU 協議RS485 介質傳輸，并不支持通過WiFi 或以太網方式傳輸。故而需要將WiFi 采集器透傳模塊（終端層）上傳的Modbus-RTU 數據包轉換為Modbus-TCP 格式。針對上述需求，在網關上設計了一套協議轉換服務功能用于Modbus-RTU 協議與Modbus-TCP 協議的轉換。數據轉換的流程如下。

1）使用Node.js 的net 組件建立TCP-server 服務，供系統層調用。

2）使用Node.js 的net 組件建立TCP-client 組件，用于連接WiFi 采集器。

3）TCP-server 接收到的Modbus-TCP 讀寫指令，將TCP 包轉換為RTU 包；并通過TCP-client 接口發送到WiFi 采集器。

4）TCP-client 接收到的Modbus-RTU 返回數據，將RTU 包轉換為TCP 包，并通過TCP-server 接口發送到系統層使用。

5）加入網絡斷連重連等糾錯機制。

程序流程圖如圖4 所示。

圖4 C/S 通信流程圖

2.2 單機控制策略模塊設計

控制器一方面將受控負荷的運行狀態信息存儲至數據庫后上傳至調度中心，另一方面接收并解析調度中心下發的常規控制指令、削峰策略及控制策略，然后下發控制指令至終端層寄存器。本模塊功能由一個定時器實現，定時器的時間周期由策略控制界面中設定的受控周期決定。在總受控時長（控制周期×受控點數）內周期性地調用單機控制回調函數，回調函數的執行步驟如下。

1）遍歷變頻空調功率削減目標數組。

2）判斷當前受控次數是否大于最大受控次數，是則進入溫度控制，否則進入步驟3）。

3）判斷功率削減目標（繪制的負荷曲線與目標功率之差）是否大于0，是則進入步驟4），否則進入常規溫度控制模式。

4）將功率削減目標代入功率削減目標與運行功率擬合的一次函數關系中，計算得出該受控周期需要下發的運行功率百分比。

5）將運行功率百分比push 至指令下發隊列。

6）產生log-sys 數據條目，記錄控制數據并插入數據庫中的log-sys 數據集。

7）功率削減目標數組指針加1，空調受控次數加1，返回步驟1）。

本文采用不考慮用戶舒適度的單機控制策略，該策略的目標為通過調節變頻空調機組在每個受控周期內的運行功率使負荷曲線變得平緩，主要思想為在削減目標最大值所在受控周期內變頻空調以最低功率Pmin運行；當削減目標為0 時，變頻空調以參與需求響應前的穩定功率P*運行；其余受控周期內變頻空調的下發功率Pset由削減目標與下發功率的函數關系決定，該函數關系式如下

式中：Preduce[i]為第i 個受控周期內的削減目標，考慮到每臺空調的最大和最小運行功率可能存在差異，因此本文以最大功率為基準，采用運行功率百分比的形式計算并下發變頻空調的限制功率，即當變頻空調的限制功率等于最大功率時，下發的功率控制指令為100%。功率控制指令計算公式為

策略示意圖如圖5 所示。

圖5 單機控制策略示意圖

3 實驗結果

選擇變頻空調機組KFR-75LW-T08SBp-A2 作為終端受控單元，搭建變頻空調需求響應實驗平臺（圖6）。

圖6 變頻空調電力需求響應測試平臺

具體測試步驟如下：進入調度中心，輸入目標功率、受控周期、最大受控次數、舒適溫度上下限值及控制曲線和單機削峰控制策略等參數，運行單機削峰控制策略。

空調正常運行功率在1 750 W 左右，進入受控時段后空調功率曲線隨著目標削減功率的增大而減小，且空調功率曲線在目標削減功率最大時削減至最小，因此可得出該空調響應了調控策略，實現了需求響應目標，測試結果如圖7 所示。

圖7 單機需求響應實驗結果

4 結論

本文設計了基于變頻空調參與電力系統需求響應控制需求的嵌入式控制器，測試結果表明，變頻空調可以有序合理地削減自身負荷，驗證了本文所搭建的智能化平臺在變頻空調接入電力系統需求響應的有效性。