0 引言

本文著重給出了一種新型的電力負荷控制與監測系統的設計方法。該方法在性能可靠、高精度、低功耗、小體積的基礎上，更能適應負荷管理、電能分析、電量集抄、多種控制方式、優化用電分析等功能需要，可滿足電力負荷側管理的各種應用需求。

　　l 系統工作原理

　　圖1所示是本系統的工作原理框圖。本系統采用適合于嵌入式系統設計的LPC2132FBD64作為主處理器;接口電路主要完成對脈沖量、開關量及模擬量的采集，主處理電路負責對其進行運算，以形成各種功率，電量，電表讀數、需量，電流、電壓等實時數據。然后由主處理電路再根據這些實時數據以及主站下發的工作參數進行閉環管理，同時將這些實時數據通過I2C總線送到顯示驅動電路，再通過LCD液晶模塊進行顯示。當主站召測信息時，系統再將這些數據通過GPRS發回主站，與此同時，主處理板控制相應的繼電器，以達到閉環控制和遙控的目的。本系統突出了模塊化設計，各部分功能相對獨立，并盡量避免了各模塊程序之間的交叉聯系。因而具有良好的伸縮性，可減少日后修改程序和維護程序的工作量，同時可提高程序的可讀性、可靠性和穩定性，使遠程升級和維護成為可能。

　　2 主要模塊功能

　　2.1 數據采集

　　本系統的數據采集首先是狀態量的采集。即實時采集位置狀態和其它狀態信息，在發生變位時記入內存，并將其根據需要設定為等待主站查詢或主動上報主站兩種模式。

　　其次就是電能表數據采集。通常終端可通過RS-485通訊接口，并按照設定的終端抄表日來采集、存儲電表的數據。每臺用電管理終端可以同時讀取多塊電度表。數據存儲則可存儲兩個抄表周期的電量(月末或抄表日零點數據)，并可在主站召測時發送給主站，也可定時發送給主站。

　　交流模擬量采集指的是終端采用ATT7022B計量芯片來實時測量用戶側的三相電壓、電流、有功、無功、功率因數、有功電能、無功電能等瞬時值，精度通常為0.5%。

　　2.2 負控功能

　　(1)功率定值控

　　功率定值控可分四種控制方式，以其優先級由低到高分別為時段控、廠休控、營業報停控、當前功率下浮控。終端可根據主站下發的功控時段、功率定值、定值浮動系數、報警時間、控制輪次等指令進行相應的控制方式和控制參數的修改，并可通過音響告警通知客戶。在終端自動執行過程中，可在液晶上顯示定值、控制對象、執行結果等。

　　(2)電能量定值控

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

　　(3)遙控功能

　　終端接收到主站的跳閘控制命令后，將按設定的告警延遲時間和限電時間來控制被控負荷開關;同時終端應有音響告警通知客戶，并記錄跳閘時間、跳閘輪次、跳閘前功率、跳閘后2 min功率等，同時終端顯示屏應顯示執行結果。當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。當終端接收到主站的允許/禁止通話和允許/禁止主動上報命令時，終端將根據主站命令來控制通話并主動上報系統。

　　2.3 無線通訊功能

　　本系統采用內置GSM/GPRS模塊通訊方式(也可采用外接無線電臺通訊方式，用戶可以自行選擇)。GPRS作為一種新的通訊手段，在配電自動化應用中有很多優點。而基于GPRS通信的配電變壓器綜合管理系統是一個比較有應用前景的實現方案。

　　2.4 諧波分析與報警功能

　　終端可根據電壓、電流諧波閥值對監測點的電壓諧波、電流諧波進行分析，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生時間，同時統計分相諧波越限數據。其數據包括分相總畸變電壓含有率越限日累計時間、分相2～19次諧波電壓含有率越限日累計時間、分相總畸變電流越限日累計時間、分相2～19次諧波電流越限日累計時間等。當用戶的諧波超標時，系統將自動報警。

　　2.5 事件記錄及重要事件上報功能

　　終端可記錄上電、掉電、編程、校時、需量清零、斷相、過壓、失壓、失流、逆相序、超負荷、三相電流不平衡、CT一次短路、CT二次短路、CT二次開路、計量箱開門等事件的發生時間、狀態、數據、事件類型及相關情況。并按照發生的時間順序分為一般事件和重要事件兩個隊列分別進行記錄，每個隊列記錄的最大長度為255條，隊列則按先進先出方式刷新。

　　對于主站設置的重要事件(如功控跳閘、電控跳閘、遙控跳閘、重要參數變更等)，當事件發生后，終端可實時刷新重要事件計數器的內容、作好記錄，并通過ACD置位直接主動上報事件記錄。

　　2.6 負荷曲線及歷史數據的存儲及上報功能

　　日負荷曲線數據每15分鐘采集，每天96個數據，通常保存最近10天的數據(包括有功、無功、電壓、電流等數據);并能根據設置上報主站。系統終端具有主動上報功能，它可以將數據上報，也可以被動上報(等待主站對數據進行招測)，同時可實現對歷史數據的查詢功能。

　　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置不同的表地址和通信速率來進行手動抄表。

　　3 交流模擬量采集模塊的軟硬件實現

　　3.1 交流模擬量采集模塊的硬件電路

　　系統通過電壓互感器和電流互感器后，可對采集到的用電設備的三相交流電壓值，三相交流電流值進行處理，再送入ATT7022B芯片進行測量和計算。圖2所示是本系統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，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數。ATT7022B芯片的外圍電路如圖3所示。ATT7022B片內集成了7路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入。最大輸入電壓是1.5 V，而可以輸入最大的正弦信號有效值是1V。實際應用中，可以將電壓通道Un對應到ADC的輸入選在0.5 V左有，而電流通道，Ib時的ADC輸入選在O.1V左右。計量模塊主要是對電壓、電流采樣通道采集的數據進行高通濾波和移相濾波或相位校正進行計算，以得到所需要的參數量(包括電壓、電流有效值、功率、頻率、相位角等三相參數)，并將這些參數存入相應的寄存器中，然后通過SPI口將參數傳輸給MC-U。

　　3.2 ATT7022B與微處理器的數據傳輸軟件流程

　　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LPC2132FBD64的查詢命令向其發送數據或修改ATT7022B寄存器中的參數。如果遇到異常情況，則由終端自動向監控中心發報警信息。

　　ATT7022B與微處理器之間的數據傳輸是由LPC2132FBD64向SPI接口的DIN端送入8位命令字啟動的。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，同時還能獲得各相電流、電壓的有效值以及功率因數、相角、頻率等參數。

　　寫入命令即校表命令的相應程序，主要完成對ATT7022B的參數精度修正。ATT7022B必須經過參數精度修正后才能保證采集結果達到系統的精度要求。

　　4 系統性能測試

　　本產品現已通過了現場試驗及專家鑒定，各項性能均可達標。數據采集功能測試結果和計量中心測試結果的誤差在O.2%以內。負控功能經過了500次測驗，沒有誤操作發生。其可靠性和穩定性方面，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，能夠應對多種惡劣環境。

　　5 結束語

　　本系統可以實時、精確地測量電網的電能質量數據信息，隨時獲取實時詳細的電能質量監測報告，并可直接對用電設置進行管理和控制。故可以有效地改善用電負荷的曲線形狀，使負荷曲線趨于平坦，減少峰谷差，實現電力負荷在一定時空的最佳分布，同時也可以提高用戶和電網的負荷率，從而提高發、供、用電設備的利用率，達到電網的安全和經濟運行。由于負荷控制與監測系統的廣泛應用是電力企業自動化技術發展的趨勢，因此，該系統對當前電力企業的電力資源的開發、以及電力企業的經濟、供用電秩序調整都有著十分重要的意義。