一種有序用電管理終端設計與應用

何明星，谷戰壘

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

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，人們對能源的需求持續增長，由此給電力企業能源供應帶來越來越大的挑戰[1-4]。為了解決能源安全和環境問題，響應國家“碳中和、碳達峰”的任務目標，各省電力企業都在開展智能電網的關鍵技術研究，智能用電是智能電網建設的關鍵環節，可極大提高電能質量管理水平和利用效率[5-8]。

目前，低壓用戶側用電負荷日趨復雜，特別是西部偏遠地區，電力設施相對落后，季節性、時段性集中用電特征較為突出，時常出現過負荷用電、電壓拉低、異常斷電等現象。為避免由于居民用電、農業灌溉用電、工業用電等用電類型的不確定性及用電負荷的劇烈變化對配電網造成沖擊，影響配電網的穩定運行。急需在低壓用電側對用電設備進行有序管理，使不同設備之間能夠協調有序運行，降低由于季節性用電對配電網安全運行帶來的隱患，保證配電網安全可靠運行。研究有序用電管理技術，避免出現低電壓、異常斷電、線路故障等異常斷電的發生，有力提升農村偏遠地區農業灌溉、居民用電、企業用電質量[9]。

近年來，有序用電技術受到電力企業的廣泛關注，本文針對有序用電管理技術，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，根據用戶的用電特征，不同用電設備之間相互配合，調節各自的運行狀態，實現削峰填谷平滑負荷曲線，構建局部柔性供用電體系[10]。

1 有序用電管理終端體系架構

有序用電管理終端硬件架構由電源模塊、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如下圖1所示。

圖1 有序用電管理終端的硬件架構

1.1 電源模塊

電源模塊主要由開關電源LH16-10B、降壓芯片MP2316GJ和TLB117組成，開關電源將交流電轉換為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，該芯片具有計量、通信、數據處理等功能，運行速率為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計

有序用電管理終端采用模塊化設計思想，主要由uC/OS-II操作系統、底層驅動模塊、接口層、應用功能層組成。uC/OS-II操作系統進行任務調度管理、數據存儲管理、算法執行管理等功能，底層驅動完成接口數據收發，接口層實現參數讀取與配置等功能。應用功能主要開展檔案管理、交流采樣數據、用電數據采集、有序用電策略執行等功能。有序用電管理終端軟件體系架構，如下圖3所示。

圖3 有序用電管理終端軟件體系架構

2.1 功能應用

有序用電管理終端主要功能包括采集任務下發、電量數據采集、設備檔案管理、用戶檔案管理、有序用電策略執行等功能。

2.1.1 采集任務下發

有序用電管理終端具有采集任務下發功能，可以人工下發采集任務，通過人工按鍵的方式，將任務下發到有序用電管理終端，同時設置采集數據項、數據上報方式、采集速率等內容。也可以通過主站遠程下發采集任務項，對于有序用電管理終端批量安裝時，通過主站批量下發采集任務，有序用電管理終端收到主站下發的采集任務后，終端能夠自動存儲采集人并執行。

2.1.2 電量數據采集

有序用電管理終端具有全量數據采集的功能，對于智能電表的所有數據項，都能夠通過有序用電管理終端采集。其中，電量數據、負荷功率數據是核心的數據項，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電量、日凍結電量等數據、臺區總負荷，為電費核算、營銷對賬、有序用電策略執行提供數據支撐。

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，根據主站下發或者本地加載的設備檔案、用戶檔案，終端能夠本地存儲和管理。用戶正常用電時，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，為解決臺區變壓器負荷超限問題，開展有序用電算法研究，制定科學有效的有序用電方案，解決電力企業電能質量地下的問題。此有序用電策略通過系統下發用電策略，當臺區變壓器實際用電負荷Ps小于額度負荷的80%時，用戶可以正常用電；當臺區變壓器用電負荷Ps大于80%時，臺區有序用電管理終端自動執行用電策略，同時不再允許新用戶用電。系統自動統計客戶用電時長，并進行分組排序，本臺區所有客戶分組實施限制用電時長策略，用電時長以4個小時為一個周期，每組用電時長為4個小時，大于4個小時系統自動下發拉閘指令，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為每個臺區變壓器的所有用戶負載功率之和，其中P1i居民負載功率、P2i為農業灌溉負載功率、P3i為工業負載功率、P4i為公共照明負載功率。

其中公式2中的Pt為有序用電系統優化后的總用電負荷，α為居民負載功率P1i的調整系數，β為農業灌溉負載功率P2i的調整系數，χ為工業負載功率P3i的調整系數，δ為公共照明負載功率P4i的調整系數。由于不同種類用電負載的功率值會有差異，通過兩個小時的運行后，系統自動生成調整系數α、β、χ、δ，對于新增的負載，按照上述系數進行調整。

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

當ξ小于1時，允許用戶自由用電。當ξ大于1時，執行有序用電策略，將本臺區變壓器下面的所有負載進行分組。

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

3 結束語

本文介紹了一種有序用電管理終端設計與應用方案，包括終端的硬件設計、軟件設計、有序用電策略算法介紹等內容。根據電力企業標準規范，開展性能實驗和功能實驗，滿足相關標準的實驗要求。根據農田排灌、居民用電、工業用電季節性、時段性特征要求，協調不同用電設備之間的相互配合，調節各自運行狀態，實現輪流使用，有序用電的策略要求，構建局部柔性供用電體系。有效改善電網企業營商環境，得到很好的推廣應用。