智能电力负荷控制与监测系统设计

      0 引言

　　通过智能电力负荷控制与监测系统可对智能配电设备的数字化信息进行采集和处理，实现配电站少人或无人值守，为制定电力系统规划设计和电力生产计划提供决策依据。本文着重给出了一种新型的电力负荷控制与监测系统的设计方法。该方法在性能可靠、高精度、低功耗、小体积的基础上，更能适应负荷管理、电能分析、电量集抄、多种控制方式、优化用电分析等功能需要，可满足电力负荷侧管理的各种应用需求。

　　l 系统工作原理

　　图1所示是本系统的工作原理框图。本系统采用适合于嵌入式系统设计的LPC2132FBD64作为主处理器；接口电路主要完成对脉冲量、开关量及模拟量的采集，主处理电路负责对其进行运算，以形成各种功率，电量，电表读数、需量，电流、电压等实时数据。然后由主处理电路再根据这些实时数据以及主站下发的工作参数进行闭环管理，同时将这些实时数据通过I2C总线送到显示驱动电路，再通过LCD液晶模块进行显示。当主站召测信息时，系统再将这些数据通过GPRS发回主站，与此同时，主处理板控制相应的继电器，以达到闭环控制和遥控的目的。本系统突出了模块化设计，各部分功能相对独立，并尽量避免了各模块程序之间的交叉联系。因而具有良好的伸缩性，可减少日后修改程序和维护程序的工作量，同时可提高程序的可读性、可靠性和稳定性，使远程升级和维护成为可能。

　　2 主要模块功能

　　2．1 数据采集

　　本系统的数据采集首先是状态量的采集。即实时采集位置状态和其它状态信息，在发生变位时记入内存，并将其根据需要设定为等待主站查询或主动上报主站两种模式。

　　其次就是电能表数据采集。通常终端可通过RS-485通讯接口，并按照设定的终端抄表日来采集、存储电表的数据。每台用电管理终端可以同时读取多块电度表。数据存储则可存储两个抄表周期的电量(月末或抄表日零点数据)，并可在主站召测时发送给主站，也可定时发送给主站。

　　交流模拟量采集指的是终端采用ATT7022B计量芯片来实时测量用户侧的三相电压、电流、有功、无功、功率因数、有功电能、无功电能等瞬时值，精度通常为0．5％。

　　2．2 负控功能

　　(1)功率定值控

　　功率定值控可分四种控制方式，以其优先级由低到高分别为时段控、厂休控、营业报停控、当前功率下浮控。终端可根据主站下发的功控时段、功率定值、定值浮动系数、报警时间、控制轮次等指令进行相应的控制方式和控制参数的修改，并可通过音响告警通知客户。在终端自动执行过程中，可在液晶上显示定值、控制对象、执行结果等。

　　(2)电能量定值控

　　电能量定值闭环控制可分为月电能量控制、购电能量(费)控制、催费告警三种控制类型。

　　(3)遥控功能

　　终端接收到主站的跳闸控制命令后，将按设定的告警延迟时间和限电时间来控制被控负荷开关；同时终端应有音响告警通知客户，并记录跳闸时间、跳闸轮次、跳闸前功率、跳闸后2 min功率等，同时终端显示屏应显示执行结果。当终端接收到主站的允许合闸控制命令后，由音响告警通知客户，允许客户合闸。当终端接收到主站的允许／禁止通话和允许／禁止主动上报命令时，终端将根据主站命令来控制通话并主动上报系统。

　　2．3 无线通讯功能

　　本系统采用内置GSM／GPRS模块通讯方式(也可采用外接无线电台通讯方式，用户可以自行选择)。GPRS作为一种新的通讯手段，在配电自动化应用中有很多优点。而基于GPRS通信的配电变压器综合管理系统是一个比较有应用前景的实现方案。

　　2．4 谐波分析与报警功能

　　终端可根据电压、电流谐波阀值对监测点的电压谐波、电流谐波进行分析，并记录分相2～19次谐波电压含有率及总畸变率日最大值及发生时间，同时统计分相谐波越限数据。其数据包括分相总畸变电压含有率越限日累计时间、分相2～19次谐波电压含有率越限日累计时间、分相总畸变电流越限日累计时间、分相2～19次谐波电流越限日累计时间等。当用户的谐波超标时，系统将自动报警。

　　2．5 事件记录及重要事件上报功能

　　终端可记录上电、掉电、编程、校时、需量清零、断相、过压、失压、失流、逆相序、超负荷、三相电流不平衡、CT一次短路、CT二次短路、CT二次开路、计量箱开门等事件的发生时间、状态、数据、事件类型及相关情况。并按照发生的时间顺序分为一般事件和重要事件两个队列分别进行记录，每个队列记录的最大长度为255条，队列则按先进先出方式刷新。

　　对于主站设置的重要事件(如功控跳闸、电控跳闸、遥控跳闸、重要参数变更等)，当事件发生后，终端可实时刷新重要事件计数器的内容、作好记录，并通过ACD置位直接主动上报事件记录。

      2．6 负荷曲线及历史数据的存储及上报功能

　　日负荷曲线数据每15分钟采集，每天96个数据，通常保存最近10天的数据(包括有功、无功、电压、电流等数据)；并能根据设置上报主站。系统终端具有主动上报功能，它可以将数据上报，也可以被动上报(等待主站对数据进行招测)，同时可实现对历史数据的查询功能。

　　2．7 抄表测试功能

　　为了方便用户知道和终端相连的电能表是否能够通信成功，也可以通过液晶屏和按键配合设置不同的表地址和通信速率来进行手动抄表。

　　3 交流模拟量采集模块的软硬件实现

　　3．1 交流模拟量采集模块的硬件电路

　　系统通过电压互感器和电流互感器后，可对采集到的用电设备的三相交流电压值，三相交流电流值进行处理，再送入ATT7022B芯片进行测量和计算。图2所示是本系统的电压和电流采集电路。

　　ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。ATT7022B芯片的外围电路如图3所示。ATT7022B片内集成了7路16位的ADC，采用双端差分信号输入。最大输入电压是1．5 V，而可以输入最大的正弦信号有效值是1V。实际应用中，可以将电压通道Un对应到ADC的输入选在0．5 V左有，而电流通道，Ib时的ADC输入选在O．1V左右。计量模块主要是对电压、电流采样通道采集的数据进行高通滤波和移相滤波或相位校正进行计算，以得到所需要的参数量(包括电压、电流有效值、功率、频率、相位角等三相参数)，并将这些参数存入相应的寄存器中，然后通过SPI口将参数传输给MC-U。

　　3．2 ATT7022B与微处理器的数据传输软件流程

　　图4所示是基于ATT7022B的SPI通讯流程。本程序主要是完成ATT7022B的初始化工作。并根据LPC2132FBD64的查询命令向其发送数据或修改ATT7022B寄存器中的参数。如果遇到异常情况，则由终端自动向监控中心发报警信息。

　　ATT7022B与微处理器之间的数据传输是由LPC2132FBD64向SPI接口的DIN端送入8位命令字启动的。命令分为读取命令和写入命令两类，可通过命令字的最高位来区分。若最高位为1。则命令为写命令，若最高位为0，则为读命令。

　　通过读取命令，LPC2132FBD64可读出ATT7022B中的各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能获得各相电流、电压的有效值以及功率因数、相角、频率等参数。

　　写入命令即校表命令的相应程序，主要完成对ATT7022B的参数精度修正。ATT7022B必须经过参数精度修正后才能保证采集结果达到系统的精度要求。

　　4 系统性能测试

　　本产品现已通过了现场试验及专家鉴定，各项性能均可达标。数据采集功能测试结果和计量中心测试结果的误差在O．2％以内。负控功能经过了500次测验，没有误操作发生。其可靠性和稳定性方面，除了液晶的工作温度在-20～70度外，其他所有器件的工作温度都在-40～85度，能够应对多种恶劣环境。

　　5 结束语

　　本系统可以实时、精确地测量电网的电能质量数据信息，随时获取实时详细的电能质量监测报告，并可直接对用电设置进行管理和控制。故可以有效地改善用电负荷的曲线形状，使负荷曲线趋于平坦，减少峰谷差，实现电力负荷在一定时空的最佳分布，同时也可以提高用户和电网的负荷率，从而提高发、供、用电设备的利用率，达到电网的安全和经济运行。由于负荷控制与监测系统的广泛应用是电力企业自动化技术发展的趋势，因此，该系统对当前电力企业的电力资源的开发、以及电力企业的经济、供用电秩序调整都有着十分重要的意义。