电力负荷管理系统的设计与实现

摘要：本文在分析了电力负荷管理系统目前所面临现状的基础上，围绕构建符合现代化智能电网要求的新型电力负荷关系系统展开了研究。

关键词：电力负荷；系统；设计

中图分类号：TM7文献标识码： A

一、电力负荷管理系统结构与原理

（一）系统结构

电力负荷管理系统由嵌入式中央处理器模块(ARM9)、采样模块(AD73360)、系统负荷控制模块、电表抄表规约控制模块(GDW130一DLT645)、GPRS通信模块(MC55)及电源模块构成，总体结构框图如图1。

图1电力负荷管理系统总体结构框图

（二）系统工作原理

系统上电后，先进行各个模块的自检，工作流程如图2：

图2电力负荷管理启动工作流程图

二、硬件系统总体设计

（一）采样应用电路设计

电力负荷管理系统对工作环境的要求苛刻，系统对电磁兼容性的抗干扰性要求又严格，由此，对整个系统的供电模块提出了较高要求。同时，据电磁兼容性指标说明，系统电源在仅有一相供电输入的情况下也必须正常工作，且供电的三相电源要相隔离，所以选用了线性稳压电源。电源的工作框图如图3：

图3线性稳压电源结构框图

据上图所示，AC220V的交流电经过线性三相变压器降压成为15V的低压交流电，再经过整流桥的整流直接变成17V的半波电压，再通过开关电源LM2576由交流转化为9V的直流直接给主板供电，同时还产生底板所需的低压信号，9V电压经过7805转化成5V电压，此电压在经过SPXI117转化成3.3V低压信号。

（二）GPRS通信接口设计

1、GPRS接口硬件设计

GPRS模块由微控制器、无线通信模块、SIM卡卡座、扩展数据存储器等部分组成。本文设计中，无线通信模块采用SIEMENS公司基于GSM/GPRS的三频无线模块MC55，该模块可工作于900MHz、1800MHZ，其内嵌TCP/IP协议，开发过程中无需对模块编写通信协议，大大加快产品的开发进度。

2、GPRS接口驱动程序设计

53C2440属于片上系统，MCU芯片本身具备串口总线、GPIO总线、USB总线、触摸屏接口等设备的控制器。这样，在相关设备的驱动开发时可借鉴Linux系统中己有的设备驱动程序。但是，在硬件设计时，由于PCB走线的需要，不可能完全按照标准的布局设计设备，在电力负荷管理系统中，根据需求特点设计使用了不同的RS232、Flash、SDRAM、USB-Host接口芯片等。这就要求在开发驱动程序的时必须依照硬件设计图来修改Linux内核，以适应具体平台。在本系统中，据无线通信模块GPRS的硬件设计要求，选取53C2440的串口l作为标准RS232端口(串口0作为Linux控制台调试终端)，所以需要把53C2440的TXDI、RXDI引出并与GPRS模块的通信总线相连，GND也采用共地的方式进行连接。根据以上设计思路，需要在原有Linux内核的基础上添加UARTI驱动。串口驱动主要完成53C2440基本的寄存器设置工作，在系统态抽象出设备的接口(Open，Ioctr1，Read，Write，Close)，在用户态中为上层调用提供接口函数。驱动程序主要实现了底层串口寄存器的设置、串口初始化流程和串口的读写功能的实现。

（四）存储接口设计

图4 53C2440内SDI主机控制器结构图

如上图所示，SDI主机控制器是使用1个串行时钟线与5条数据线同步进行

信息移位和采样。传输频率通过设定SDIPRE寄存器的相应位的设定来控制，可修改频率来调节波特率数据寄存器的值。各主要寄存器主要有以下作用：

(1)SDICON：控制寄存器，完成SD卡基础配置，包括大小端，中断允许等；

(2)SDIPRE：波特率预定标器寄存器，对SDCLK的配置；

(3)SDICmdArg：指令参数寄存器，指令的参数存放在这里；

(4)SDIRSP0-3：反映SD的状态

(5)SDIBSize：模块大小寄存器。

(6)SDIDatCon：数据控制寄存器，配置几线传输，数据发送方向，方式；

三、软件系统总体设计

（一）采样参数算法计算

1、有功功率、无功功率的计算：

有/无功率是计算一分钟功率来实现的具体计算公式为分路P(Q)=3600×((kv×ki)/kp)×(n/t。

其中：Kv为电压互感器变比，即主控站下发的PT。

Ki为电流互感器变比，即主控站下发的CT。

Kp为脉冲电度表脉冲常数，即主控站下发的K。

n约为1min内出现的脉冲数。

t为n个脉冲出现的时间(单位为秒，在计算中精确到20ms)。

2、电表实时数的计算

电表实时数=上一分钟电表实时数+n/kp，n为该分钟内出现的脉冲数，余数累计到下一分钟，根据KP值来确定电表实时数的精度，如KP能够整除100，电表实时数精确到0.01，如KP能够整除50，电表实时数精确到0.02，如KP能够整除10，电表实时数精确到0.1。

3、电量的计算

电量分日月电量计算，日电量=((kv×ki)/kp)×n。n为今日出现的脉冲数；

月电量计算公式与月电量相同，只是n为本月出现的脉冲数。

4、需量的计算

D=(Pi-14+Pi-13+……Pi-1+Pi)/15(kw)

其中：Pi为第1min的功率值。

5.、平均功率的计算

月平均功率以Pa代表平均有功功率，Qa代表平均无功功率。

Pa=Ep/T Qa=Eq/T

其中：计算日平均功率时T为24，计算月平均功率时T为当月实际小时数。

Ep/Eq为日/月有/无功电量。

6、平均负荷率的计算

日月负荷率以LF代表

LF=(Pa/Pmax)X100%

其中：PmaX为日/月最大需量

（二）傅里叶计量算法性能测试

交流采样结果的准确性是负荷管理终端性能的一个重要指标，一方面，它与硬件设计电路中所选的PT、CT变比的精度有关。同时，也取决于交流采样模块软件所采用的算法。为验证电力所设计的电力负荷管理系统的交流采样精度，采用继电保护测试仪所输出标准信号源进行实验。所有测量仪表的基本误差不大于被测量准确度等级的1/4，所有标准表的基本误差不大于被测量准确度等级的1/10，这样保证了测试源的正确性和稳定性。在准备测试之前，信号源和电量输入回路连接好，同时接上标准表计，通电30min后进行试验。

（三）数据显示模块

（1）测量值显示

a)电能值显示位数为8位：即整数6位，小数2位，单位为kwh(kvarh)；需量值显示位数为6位：即整数2位，小数4位；单位为kw；位数采用全显方式；

b)失压时间及电池使用时一间显示位数为整数8位，单位为M(分钟)；

c)电压值显示位数为整数3位，小数2位，单位为V；

d)电流值显示位数为整数3位，小数2位，单位为A；

e)功率因数值显示位数为整数1位，小数3位；

（2）日期时间显示

日期显示年月日，时间显示方式为hh：mm：ss(时、分、秒)。

（3）象限实时显示

象限显示应以测量平面的数轴表示电压向量U(固定在竖轴)，瞬时的电流向量用来表示当前电能的输送，相对于电压向量U具有相位角小，按顺时针一方

向定义为I、11、111、IV四个象限，如图5：

图5主显示界面图

2、模块应用设计

本设计中采用128x64点阵LCD，分4行显示数据信息:

(1)显示图形数据区，如信号强度，GPRS上线，当前费率，当前显示象限；

(2)显示菜一单数据区，如正(反)，总(尖)(峰)(平)(谷)，有功(无功)，电量；，电压，表号，日期，时间；

(3)显示实时数据区，显示菜单对应的实时数据，及kWh(kVarh)(V)(A)相应单位；

(4)显示报警数据区，显示电压(电流)越限，功率异常，相序异常，不平衡度丢失等相关报警信息。

结语

总之，大力开发便于扩展、易于维护和更新的新型电力负荷控制系统，能够在用电现场的使用中取得的一定成果，并带来了良好的经济效益和社会效应。

参考文献：

[1]谭雄前,尹海琦.浅述电力负荷管理系统在电力企业的应用[J]. 科技与企业,2011,10:24-25.

[2]王海燕.一种基于GPRS技术的电力负荷管理系统设计[J]. 低压电器,2011,21:31-34.