电力供应负载管理控制系统的设计

摘要：随着我国经济的快速增长，对于电力的需求也急剧增加，其中许多地方的电力消耗要高于其发电量，从而造成局部的电力短缺。而目前解决电力短缺最为有效方法是对电力进行有效的管理，通常对电力的管理有两种常用的方法，包括电力供应管理(SSM)和电力消耗管理(DSM)两种方法。作者提出一种基于SSM的自动控制系统，其能够对个体消耗的功率进行自动调节和监控电力的过度使用，以最大程度上减少负载功率超过额度需求的运行情况。该控制系统的设计包括软件和硬件两个部分，然后在实验室条件下对其进行实验测试，其结果表明了该装置在电能管理领域的巨大应用潜力。

关键词：电力供应管理；负载管理；自动控制；电力需求

中图分类号：TP3文献标识码：B文章编号：1001-9227（2015）11-0126-03

作者简介：王建芳（1978-），女，甘肃天水人，学士，讲师，主要研究方向为软件开发、自动控制及应用

0引言

我国的电力需求正随着经济的快速发展而急剧增加，并造成巨大的电力供应缺口[1-2]。通过许多的研究表明，对电能的高效使用和转换可在很大程度上克服我国目前电力供应的不足，因此针对供电方和需求方进行电力管理对国民经济的发展显得尤为重要[3-5]。其中，电力供应管理(SupplySideManagement，SSM)主要涉及电力的生产、输送和分配等环节的有效管理，以及对各种电力资源的生产和载荷的管理；而电力需求管理(DemandSidemanagement，DSM)则主要涵盖用户负载的参数，如电气设备的效率、高峰期功率最大值及最大变化量等。电力供应系统通常由发电单元、远距离高压输送线路、变电站和配电站等部分组成，Mohamed&Khan等人通过电力供应管理的直接负载控制、中断负载控制以及使用时间三种方式，对用户端电力管理进行了有效的评估[6]。

此外，考虑到高峰期的电力需求量要远高于其他的非峰值时间，同时电力的供应量、输送和配电网络也受到限制，因此将负载载荷从高峰期到非高峰期进行转移或者卸载是负载管理最有效的解决方法。其中，分布式中断卸载也是一种较为有效的负载管理方法，通过将不同用户负载分为可中断和不可中断两个部分，该中断卸载方式可对用户端的负载进行有效的管理。分布式中断卸载的主要工作原理为：当电力供应处于峰值负载时，则对可中断部分载荷进行减载，从而实现电力供应小于电力需求情况下的电力供应管理。例如，Banerjee等人根据美国电力管理的的经验对印度电力部门的载荷管理进行了分析[7]，结果表明对农用水泵及商业空调的直接载荷控制可更加有效地帮助印度对其国家电力系统中用户负载的管理。本文考虑到基于数字功率计的微控制器已经被广泛用于监控不同时间的电力消耗量和最大电能需求量，并且这类的监控容易实现对个体用户耗电量的实时测量，故通过对个体用户耗电量的测量可有效提高电力监控和计量的精度和效率。

除此之外，当电力供应处于局部供不应求的状况时，极易造成电网中电压和频率的波动，最终导致整个电网的不稳定，严重时甚至会引起电网的损坏，从而造成巨大的经济损失。综上所述，本文设计了一种基于PIC微控制器的数字控制系统以从电力供应的角度自动调节个体用户的负载功率，并充分利用PIC微控制器的优异性能、功率效率和设计的柔性。在第2.1节中，将详细叙述控制装置的硬件体系架构，并对装置中各个组成单元的功能进行介绍；在第2.2节中，将重点介绍控制装置的软件架构，并对控制程序的流程图进行叙述；在第3节中，根据设计的硬件和软件体系结构搭建实验用的自动控制装置，然后通过实验测试验证的有效性；本文的第4节则对本文设计的自动控制装置进行总结。

1系统体系架构开发

基于微控制器控制单元的体系架构，由电压/电流传感单元、微控制器、精密整流器、取样保持电路、蜂鸣器、继电器和LCD显示器等部分组成[10-13]，且该整个控制系统均采用230V/50Hz的AC电源。其中电流传感器用来检测信号的电流，该信号经放大后输入到精密整流电路；同时利用降压器检测信号的电压，并且降压器输出的电压经过精密整流电路后输入取样保持电路；整流电路和取样保持电路的输出均为模拟量，并通过为控制器中的ADC部分转换为数字量。此外，微控制器可同时检测电压和电流，并且当电压和电流值超过设定值时，电子开关将自动关闭，这就意味着整个电力供应系统将关闭；在经过预设的时间后，微控制器将重新判断电压和电流的设定值，如果电流小于或等于设定值，负载将被重新接通，反之则继续保持切断状态。

1.1控制单元硬件体系架构

基于数字控制系统的硬件体系结构中，电力消耗被电流/电压传感器和微控制器等限定，以避免耗电量超过规定的需求量。其中数字控制系统可分为电压传感器、电流传感器、放大电路、整流电路、采样保持电路、微控制器、继电器控制单元、显示单元和电源九个部分组成，且这九个部分硬件的详细描述如下：

（1）电压传感器（降压器，3V-0-3V）：交流电源通过一个变压器进行降压，并利用精密整流器进行整流，经分压器电路后最终输入微控制器。

（2）电流传感器（WCS27270）：本文采用基于霍尔效应的交流电流传感器，但通过霍尔效应获得的输出电压极小，需要额外的电子设备进行放大处理。

（3）放大电路：由于电流传感器输出的电压很小(μV)，为了使其达到可使用的电压水平，故本文采用运算放大器(LM324)对输出电压进行放大，其放大比接近于7。

（4）精密整流电路：考虑到信号极低的电压、电流和功率，本文的精密整流电路采用小信号整流器，其可对极低峰值的信号进行整流。

（5）采样保持电路：鉴于模拟数字转换器(ADC)需要稳定的信号以实现精确的模数转换，故采样保持（S/H）电路的主要目的在于为AD转换器提供充裕的转换时间。对于快速变化的模拟信号，S/H电路的主要作用在于对ADC输入端的信号进行周期性地采样，并保持每一个采样信号的振幅。

（6）微控制器(PIC16F877A)：微控制器是一种低成本可编程的单片机，由微处理器、存储器和输入/输出接口等部分组成，被广泛应用于自动控制领域。通过整流和S/H电路得到的电压及电流从微控制器的PIN2和PIN3输入，并利用其内置的AD转换器进行模数转换。

（7）继电器控制单元和蜂鸣系统：一个6V的继电器被用于实现连接负载的开关转换。如果电路的功率在预先设定值以内，继电器将不会发生反应，当功率接近预设极限值时，与微控制器PIN21连接的蜂鸣器将连续间歇性的哔哔声以警示用户，而但功率超过预设极限值时，继电器立即将负载从电源上断开，并且继电器需要在预设时间（本文设定为10秒）内一直保持断开状态作为一种惩罚机制。在此期间，继电器继续对负载的状态进行监控，如果负载功率仍然超过预设限定值，继电器在下一个预设时间内将继续保持断开状态，直至负载功率恢复到预设限定值以内，继电器才会接通并使系统正常运行。

（8）显示单元：微控制器可以控制点阵液晶显示器显示相关字母数字的字符和符号。在本文中，LCD主要用于显示负载的电压、电流和功耗。

（9）供电系统：电路中每一个部分的运行都需要合适的电源，本文中的微控制器、运算放大器、LCD和继电器均采用±5V的直流电源。

1.2控制单元软件体系架构

本文提出控制单元的软件采用C语言进行编译，其算法的流程图，控制单元控制算法步骤的详细叙述如下：

（1）开始；

（2）初始化；

（3）检测电压、电流及相位差，如功率因子；

（4）计算功率，P=VIcosΦ；

（5）显示电压、电流和功率；

（6）接通负载；

（7）判断功率是否大于额度功率；C1：如果负载功率大于额度功率，控制单元将发出长嘟嘟的报警声，并切断负载；在经过预设时间后，将再次判断负载功率，如果消耗的功率小于额度功率，控制单元将接通负载并转动第7步。C2：如果负载功率小于但接近额度功率，控制单元将在规定的时间间隔内发出短嘟嘟的报警声，并且负载保持接通状态；

（8）转到步骤3继续执行。

2实验测试与结果分析

首先，在实验室条件下(系统功率为500W)搭建实验测试平台对该控制单元进行测试，其中利用功率表对负载消耗的功率进行测量，并通过LCD显示器进行显示，然后将电流传感器和电压传感器的输出利用数字存储示波器(DSO)进行测量和校准；其次，在不同额定功率的条件对控制系统的工作性能进行测试，控制系统中负载的额定功率及显示功率、报警和开关状态的测试。当负载功率超过500W时，控制单元切断负载10秒(预设时间，可调)，即改善了电力系统的负载因数，并发出连续的长报警声。经过预设时间后再次检测负载功率，如果在规定的功率内，则控制单元会再次接通负载。当负载功率大于350W且小于500W时，控制单元会发出规律并且间歇性的报警声，但当消耗功率小于350W时，控制单元将没有任何的限制，并且上述自动控制单元的工作状态稳定且反应迅速。上述电力供应负载管理系统能够自动控制电力过度消耗，使其具有非常广泛应用范围，小到一个房间的电力供应，大到一个地区乃至国家的电力系统，均可应用上述控制系统实现对电力系统中负载的有效管理，具有很高的实际应用价值和重要的现实意义。例如，台湾地区电力系统经常采取的负载管理系统，其目的在于抑制夏季尖峰负载的快速增长，平衡系统尖、离峰负载，改善系统负载因数，虽然该系统尚未实现负载管理的自动控制，但是仍然能够达到了预期目标，最终有效缓解台湾地区电力供应紧张的局面[14]。综上所述，本文提出用于负载管理和电力供应的自动控制系统，可根据负载消耗和电力供应的情况判断供电系统的工作状态，并在负载过大时自动地间歇性断开部分负载，改善电力系统的负载系数，这对于确保电力系统安全稳定的运行、降低安全事故发生的概率以及实现电力供应负载管理系统的有效控制具有十分重要的意义。

3结论

本文提出一种能够自动控制电力过度消耗的负载管理系统，即按照设定的功率需求研制电力供应管理(SSM)装置，并对其实际工作性能进行实验测试。SSM装置可为长期忍受能源短缺的国家进行可持续的能源保护和管理，并可利用相似的方法搭建性能更为优异和复杂的SSM装置，然后根据可用的功率将消耗负载控制在允许的范围以内。具有如下的重要意义：1）可以有效维持电力系统运行的稳定性，提高电力系统的安全性，并能够确保电力系统其他用户负载安全稳定地工作；2）能够进行可持续的电能保护和管理，在一定程度上缓解部分地区和国家能源短缺的困境。总之，实现电力系统负载的自动管理，不仅能够获得巨大的生态、经济和社会等诸方面的效益，而且对于国家智能电网的实现同样具有重大的意义。

作者：王建芳 单位：兰州商学院陇桥学院