面向電力需求響應(yīng)的變頻空調(diào)嵌入式控制器設(shè)計

周 陽，韓繼祥，關(guān)朋忠，姜燦燦

（濟(jì)寧市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟(jì)寧 272000）

空調(diào)是一種潛力巨大的電力需求側(cè)響應(yīng)資源，在夏季負(fù)荷高峰期時可占尖峰負(fù)荷的30%～40%[1]，而變頻空調(diào)因其節(jié)能省電、智能舒適的優(yōu)點(diǎn)已成為市場主流。因此對變頻空調(diào)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(diào)能耗，緩解電力負(fù)荷高峰壓力，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

近年來以嵌入式控制為代表的智能控制技術(shù)得到快速發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如VRV 空調(diào)控制系統(tǒng)、汽車混合動力系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電網(wǎng)自動化系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)等[2-6]。

本文搭建了面向電力系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)的變頻空調(diào)嵌入式控制平臺，主要功能是為調(diào)度中心和變頻空調(diào)設(shè)備建立通信連接，計算變頻空調(diào)機(jī)組的需求響應(yīng)能力，并根據(jù)調(diào)度中心的控制策略計算變頻空調(diào)的削減目標(biāo)，下發(fā)對變頻空調(diào)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(fā)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(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)。

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(yīng)用處理器，其核心為ARM Cortex-A53 四核處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)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(yè)領(lǐng)域。

1.2 硬件設(shè)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(shè)計，由CPU 模組接口模塊、供電部分電路、USB 轉(zhuǎn)4 路UART 電路、指示燈及輸入按鍵電路、USB 接口100 M 以太網(wǎng)電路、RS485 及RS232電路和USB1 路轉(zhuǎn)4 路電路構(gòu)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(wǎng)關(guān)原理圖

供電部分電路支持12 V 轉(zhuǎn)5 V 電路3 A，5 V 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動。

USB 接口100 M 以太網(wǎng)電路采用RTL8152 芯片，實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)100 M 以太網(wǎng)接口功能。支持自動方向檢測，采用網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ45 集成模塊。

4 路RS485 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(tài)存儲；②外擴(kuò)4 路RS485 接口，1 路RJ45 以太網(wǎng)接口，及其他擴(kuò)展接口；③支持WiFi AP/STA 模式。

控制器實(shí)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(shè)計

本文使用嵌入式Linux 系統(tǒng)開發(fā)工具eclipse，完成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、單機(jī)控制策略模塊等程序的設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

選擇無線連接的方式對空調(diào)進(jìn)行控制，但由于空調(diào)機(jī)系統(tǒng)采用Modbus-RTU 協(xié)議RS485 介質(zhì)傳輸，并不支持通過WiFi 或以太網(wǎng)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(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為Modbus-TCP 格式。針對上述需求，在網(wǎng)關(guān)上設(shè)計了一套協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)功能用于Modbus-RTU 協(xié)議與Modbus-TCP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的流程如下。

1）使用Node.js 的net 組件建立TCP-server 服務(wù)，供系統(tǒng)層調(diào)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(zhuǎn)換為RTU 包；并通過TCP-client 接口發(fā)送到WiFi 采集器。

4）TCP-client 接收到的Modbus-RTU 返回數(shù)據(jù)，將RTU 包轉(zhuǎn)換為TCP 包，并通過TCP-server 接口發(fā)送到系統(tǒng)層使用。

5）加入網(wǎng)絡(luò)斷連重連等糾錯機(jī)制。

程序流程圖如圖4 所示。

圖4 C/S 通信流程圖

2.2 單機(jī)控制策略模塊設(shè)計

控制器一方面將受控負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)信息存儲至數(shù)據(jù)庫后上傳至調(diào)度中心，另一方面接收并解析調(diào)度中心下發(fā)的常規(guī)控制指令、削峰策略及控制策略，然后下發(fā)控制指令至終端層寄存器。本模塊功能由一個定時器實(shí)現(xiàn)，定時器的時間周期由策略控制界面中設(shè)定的受控周期決定。在總受控時長（控制周期×受控點(diǎn)數(shù)）內(nèi)周期性地調(diào)用單機(jī)控制回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行步驟如下。

1）遍歷變頻空調(diào)功率削減目標(biāo)數(shù)組。

2）判斷當(dāng)前受控次數(shù)是否大于最大受控次數(shù)，是則進(jìn)入溫度控制，否則進(jìn)入步驟3）。

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

4）將功率削減目標(biāo)代入功率削減目標(biāo)與運(yùn)行功率擬合的一次函數(shù)關(guān)系中，計算得出該受控周期需要下發(fā)的運(yùn)行功率百分比。

5）將運(yùn)行功率百分比push 至指令下發(fā)隊列。

6）產(chǎn)生log-sys 數(shù)據(jù)條目，記錄控制數(shù)據(jù)并插入數(shù)據(jù)庫中的log-sys 數(shù)據(jù)集。

7）功率削減目標(biāo)數(shù)組指針加1，空調(diào)受控次數(shù)加1，返回步驟1）。

本文采用不考慮用戶舒適度的單機(jī)控制策略，該策略的目標(biāo)為通過調(diào)節(jié)變頻空調(diào)機(jī)組在每個受控周期內(nèi)的運(yùn)行功率使負(fù)荷曲線變得平緩，主要思想為在削減目標(biāo)最大值所在受控周期內(nèi)變頻空調(diào)以最低功率Pmin運(yùn)行；當(dāng)削減目標(biāo)為0 時，變頻空調(diào)以參與需求響應(yīng)前的穩(wěn)定功率P*運(yùn)行；其余受控周期內(nèi)變頻空調(diào)的下發(fā)功率Pset由削減目標(biāo)與下發(fā)功率的函數(shù)關(guān)系決定，該函數(shù)關(guān)系式如下

式中：Preduce[i]為第i 個受控周期內(nèi)的削減目標(biāo)，考慮到每臺空調(diào)的最大和最小運(yùn)行功率可能存在差異，因此本文以最大功率為基準(zhǔn)，采用運(yùn)行功率百分比的形式計算并下發(fā)變頻空調(diào)的限制功率，即當(dāng)變頻空調(diào)的限制功率等于最大功率時，下發(fā)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(jī)控制策略示意圖

3 實(shí)驗結(jié)果

選擇變頻空調(diào)機(jī)組KFR-75LW-T08SBp-A2 作為終端受控單元，搭建變頻空調(diào)需求響應(yīng)實(shí)驗平臺（圖6）。

圖6 變頻空調(diào)電力需求響應(yīng)測試平臺

具體測試步驟如下：進(jìn)入調(diào)度中心，輸入目標(biāo)功率、受控周期、最大受控次數(shù)、舒適溫度上下限值及控制曲線和單機(jī)削峰控制策略等參數(shù)，運(yùn)行單機(jī)削峰控制策略。

空調(diào)正常運(yùn)行功率在1 750 W 左右，進(jìn)入受控時段后空調(diào)功率曲線隨著目標(biāo)削減功率的增大而減小，且空調(diào)功率曲線在目標(biāo)削減功率最大時削減至最小，因此可得出該空調(diào)響應(yīng)了調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了需求響應(yīng)目標(biāo)，測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 單機(jī)需求響應(yīng)實(shí)驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于變頻空調(diào)參與電力系統(tǒng)需求響應(yīng)控制需求的嵌入式控制器，測試結(jié)果表明，變頻空調(diào)可以有序合理地削減自身負(fù)荷，驗證了本文所搭建的智能化平臺在變頻空調(diào)接入電力系統(tǒng)需求響應(yīng)的有效性。