電力供應(yīng)負載管理控制系統(tǒng)的設(shè)計和測試

李彥

摘要：隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對于電力的需求也急劇增加，其中許多地方的電力消耗要高于其發(fā)電量，從而造成局部的電力短缺。而目前解決電力短缺最為有效方法是對電力進行有效的管理，通常對電力的管理有兩種常用的方法，包括電力供應(yīng)管理（SSM）和電力消耗管理（DSM）兩種方法。作者提出一種基于SSM的自動控制系統(tǒng)，其能夠?qū)€體消耗的功率進行自動調(diào)節(jié)和監(jiān)控電力的過度使用，以最大程度上減少負載功率超過額度需求的運行情況。該控制系統(tǒng)的設(shè)計包括軟件和硬件兩個部分，然后在實驗室條件下對其進行實驗測試，其結(jié)果表明了該裝置在電能管理領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：電力供應(yīng)管理；負載管理；自動控制；電力需求

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）35-0130-03

我國的電力需求正隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展而急劇增加，并造成巨大的電力供應(yīng)缺口[1-2]。通過許多的研究表明，對電能的高效使用和轉(zhuǎn)換可在很大程度上克服我國目前電力供應(yīng)的不足，因此針對供電方和需求方進行電力管理對國民經(jīng)濟的發(fā)展顯得尤為重要[3-5]。其中，電力供應(yīng)管理（Supply Side Management，SSM）主要涉及電力的生產(chǎn)、輸送和分配等環(huán)節(jié)的有效管理，以及對各種電力資源的生產(chǎn)和載荷的管理；而電力需求管理（Demand Side management，DSM）則主要涵蓋用戶負載的參數(shù)，如電氣設(shè)備的效率、高峰期功率最大值及最大變化量等。電力供應(yīng)系統(tǒng)通常由發(fā)電單元、遠距離高壓輸送線路、變電站和配電站等部分組成，Mohamed & Khan等人通過電力供應(yīng)管理的直接負載控制、中斷負載控制以及使用時間三種方式，對用戶端電力管理進行了有效的評估[6]。此外，考慮到高峰期的電力需求量要遠高于其他的非峰值時間，同時電力的供應(yīng)量、輸送和配電網(wǎng)絡(luò)也受到限制，因此將負載載荷從高峰期到非高峰期進行轉(zhuǎn)移或者卸載是負載管理最有效的解決方法。其中，分布式中斷卸載也是一種較為有效的負載管理方法，通過將不同用戶負載分為可中斷和不可中斷兩個部分，該中斷卸載方式可對用戶端的負載進行有效的管理。分布式中斷卸載的主要工作原理為：當電力供應(yīng)處于峰值負載時，則對可中斷部分載荷進行減載，從而實現(xiàn)電力供應(yīng)小于電力需求情況下的電力供應(yīng)管理。例如，Banerjee等人根據(jù)美國電力管理的經(jīng)驗對印度電力部門的載荷管理進行了分析[7]，結(jié)果表明對農(nóng)用水泵及商業(yè)空調(diào)的直接載荷控制可更加有效地幫助印度對其國家電力系統(tǒng)中用戶負載的管理。

本文考慮到基于數(shù)字功率計的微控制器已經(jīng)被廣泛用于監(jiān)控不同時間的電力消耗量和最大電能需求量，并且這類的監(jiān)控容易實現(xiàn)對個體用戶耗電量的實時測量，故通過對個體用戶耗電量的測量可有效提高電力監(jiān)控和計量的精度和效率[8， 9]。除此之外，當電力供應(yīng)處于局部供不應(yīng)求的狀況時，極易造成電網(wǎng)中電壓和頻率的波動，最終導(dǎo)致整個電網(wǎng)的不穩(wěn)定，嚴重時甚至?xí)痣娋W(wǎng)的損壞，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。

綜上所述，本文設(shè)計了一種基于PIC微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)以從電力供應(yīng)的角度自動調(diào)節(jié)個體用戶的負載功率，并充分利用PIC微控制器的優(yōu)異性能、功率效率和設(shè)計的柔性。在第1.1節(jié)中，將詳細敘述控制裝置的硬件體系架構(gòu)，并對裝置中各個組成單元的功能進行介紹；在第1.2節(jié)中，將重點介紹控制裝置的軟件架構(gòu)，并對控制程序的流程圖進行敘述；在第2節(jié)中，根據(jù)設(shè)計的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)搭建實驗用的自動控制裝置，然后通過實驗測試驗證的有效性；本文的第3節(jié)則對本文設(shè)計的自動控制裝置進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)開發(fā)

基于微控制器控制單元的體系架構(gòu)如圖1所示，由電壓/電流傳感單元、微控制器、精密整流器、取樣保持電路、蜂鳴器、繼電器和LCD顯示器等部分組成[10-13]，且該整個控制系統(tǒng)均采用230V/50Hz的AC電源。其中電流傳感器用來檢測信號的電流，該信號經(jīng)放大后輸入到精密整流電路；同時利用降壓器檢測信號的電壓，并且降壓器輸出的電壓經(jīng)過精密整流電路后輸入取樣保持電路；整流電路和取樣保持電路的輸出均為模擬量，并通過為控制器中的ADC部分轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。此外，微控制器可同時檢測電壓和電流，并且當電壓和電流值超過設(shè)定值時，電子開關(guān)將自動關(guān)閉，這就意味著整個電力供應(yīng)系統(tǒng)將關(guān)閉；在經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間后，微控制器將重新判斷電壓和電流的設(shè)定值，如果電流小于或等于設(shè)定值，負載將被重新接通，反之則繼續(xù)保持切斷狀態(tài)。

1.1 控制單元硬件體系架構(gòu)

基于數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，電力消耗被電流/電壓傳感器和微控制器等限定，以避免耗電量超過規(guī)定的需求量。其中數(shù)字控制系統(tǒng)可分為電壓傳感器、電流傳感器、放大電路、整流電路、采樣保持電路、微控制器、繼電器控制單元、顯示單元和電源九個部分組成，且這九個部分硬件的詳細描述如下：

放大電路：由于電流傳感器輸出的電壓很?。é蘓），為了使其達到可使用的電壓水平，故本文采用運算放大器（LM324）對輸出電壓進行放大，其放大比接近于7。

精密整流電路：考慮到信號極低的電壓、電流和功率，本文的精密整流電路采用小信號整流器，其可對極低峰值的信號進行整流。

采樣保持電路：鑒于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）需要穩(wěn)定的信號以實現(xiàn)精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換，故采樣保持（S/H）電路的主要目的在于為AD轉(zhuǎn)換器提供充裕的轉(zhuǎn)換時間。對于快速變化的模擬信號，S/H電路的主要作用在于對ADC輸入端的信號進行周期性地采樣，并保持每一個采樣信號的振幅。

微控制器（PIC16F877A）：微控制器是一種低成本可編程的單片機，由微處理器、存儲器和輸入/輸出接口等部分組成，被廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。通過整流和S/H電路得到的電壓及電流從微控制器的PIN2和PIN3輸入，并利用其內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

繼電器控制單元和蜂鳴系統(tǒng)：一個6V的繼電器被用于實現(xiàn)連接負載的開關(guān)轉(zhuǎn)換。如果電路的功率在預(yù)先設(shè)定值以內(nèi)，繼電器將不會發(fā)生反應(yīng)，當功率接近預(yù)設(shè)極限值時，與微控制器PIN21連接的蜂鳴器將連續(xù)間歇性的嗶嗶聲以警示用戶，而但功率超過預(yù)設(shè)極限值時，繼電器立即將負載從電源上斷開，并且繼電器在預(yù)設(shè)時間（10秒）內(nèi)一直保持斷開狀態(tài)作為一種懲罰措施。在此期間，繼電器繼續(xù)對負載的狀態(tài)進行監(jiān)控，如果負載功率仍然超過預(yù)設(shè)限定值，繼電器在下一個預(yù)設(shè)時間內(nèi)將繼續(xù)保持斷開狀態(tài)，直至負載功率恢復(fù)到預(yù)設(shè)限定值以內(nèi)，繼電器才會接通并使系統(tǒng)正常運行。

顯示單元：微控制器可以控制點陣液晶顯示器顯示相關(guān)字母數(shù)字的字符和符號。在本文中，LCD主要用于顯示負載的電壓、電流和功耗。

供電系統(tǒng)：電路中每一個部分的運行都需要合適的電源，本文中的微控制器、運算放大器、LCD和繼電器均采用±5V的直流電源。

1.2 控制單元軟件體系架構(gòu)

2 實驗測試與結(jié)果分析

在實驗室條件下（系統(tǒng)功率為500W）對該控制單元進行測試，先利用功率表對負載消耗的功率進行測量，并通過LCD顯示器進行顯示。電流傳感器和電壓傳感器的輸出利用數(shù)字存儲示波器（DSO）進行測量和校準，控制系統(tǒng)中負載的功率顯示如表1所示。由表1的結(jié)果可以看出，當負載功率超過500W時，控制單元切斷負載10秒（預(yù)設(shè)時間，可調(diào)），并發(fā)出連續(xù)的長報警聲。經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后再次檢測負載功率，如果在規(guī)定的功率內(nèi)，則控制單元會再次接通負載。當負載功率大于350W且小于500W時，控制單元會發(fā)出規(guī)律并且間歇性的報警聲，但當消耗功率小于350W時，控制單元將沒有任何的限制。此外，根據(jù)實驗測試的結(jié)果可以可以看出，該控制單元工作穩(wěn)定且反應(yīng)迅速，具有較高的實用價值。

5 結(jié)束語

本文提出一種能夠自動控制電力過度消耗的負載管理系統(tǒng)，即按照設(shè)定的功率需求研制電力供應(yīng)管理（SSM）裝置，并對其實際工作性能進行實驗測試。SSM裝置可為長期忍受能源短缺的國家進行可持續(xù)的能源保護和管理，并可利用相似的方法搭建性能更為優(yōu)異和復(fù)雜的SSM裝置，然后根據(jù)可用的功率將消耗負載控制在允許的范圍以內(nèi)，對于實現(xiàn)國家智能電網(wǎng)具有重大的意義。

參考文獻：

[1] 國家發(fā)改委宏觀經(jīng)濟研究院信息中心課題組. 經(jīng)濟增長對電力需求的影響（總報告）[J]. 經(jīng)濟研究參考， 2005， 78 ：4-25.

[2] 洪飛. 中國電力消費與經(jīng)濟增長的長期關(guān)系[D]. 重慶： 重慶大學(xué)，2012

[3] Kostkova K， Omelina L， Kycina P，et al. An introduction to load management[J]. Electric Power Systems Research， 2013， 95： 184-191，.

[4] 李永卓. 我國電力市場化進程中供應(yīng)鏈管理研究[D]. 北京： 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）， 2011.

[5] 沈娜，張會君. 新形勢下加強電力供應(yīng)鏈管理的抓手[J]. 中國商界：下半月， 2010（3）： 259.

[6] Mohamed A， Khan M T. A review of electrical energy management techniques： supply and consumer side （industries）[J]. Journal of Energy in Southern Africa， 2009（20）： 14-21，.

[7] Banerjee R. Load management in the Indian power sector using US experience[J]. Energy， 1998， 23： 961-972， .

[8] Haque M M， Hossain M K， Ali M M，et al. Microcontroller based single phase digital prepaid energy meter for improved metering and billing system[J]. International Journal of Power Electronics and Drive System， 2011（1）： 139-147.

[9] 趙章吉. 用單相功率表測量三相負載無功功率和功率因數(shù)[J]. 中國測試技術(shù)， 2003（5）： 40-39.

[10] Mazidi M A， McKinlay R， Causey D. PIC Microcontroller and Embedded Systems： Using assembly and C for PIC 18[J]. First Edition， Pearson， 2008（19）：38.

[11] 丁錦滔. PIC單片機C語言程序設(shè)計（1-15）[J]. 電子制作， 2010（4）：59-62.

[12] 成都 立本. PIC單片機C語言程序—實例1-10[N]. 電子報， 2007-07-15.

[13] 李永飚， 王景， 許娜. PIC單片機C語言程序設(shè)計探析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2013（15）：85.