一种有序用电管理终端设计与应用

何明星，谷战垒

（1.云南电网能源投资有限责任公司，云南昆明，650000；2.河南许继仪表有限公司，河南许昌，461000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，人们对能源的需求持续增长，由此给电力企业能源供应带来越来越大的挑战[1-4]。为了解决能源安全和环境问题，响应国家“碳中和、碳达峰”的任务目标，各省电力企业都在开展智能电网的关键技术研究，智能用电是智能电网建设的关键环节，可极大提高电能质量管理水平和利用效率[5-8]。

目前，低压用户侧用电负荷日趋复杂，特别是西部偏远地区，电力设施相对落后，季节性、时段性集中用电特征较为突出，时常出现过负荷用电、电压拉低、异常断电等现象。为避免由于居民用电、农业灌溉用电、工业用电等用电类型的不确定性及用电负荷的剧烈变化对配电网造成冲击，影响配电网的稳定运行。急需在低压用电侧对用电设备进行有序管理，使不同设备之间能够协调有序运行，降低由于季节性用电对配电网安全运行带来的隐患，保证配电网安全可靠运行。研究有序用电管理技术，避免出现低电压、异常断电、线路故障等异常断电的发生，有力提升农村偏远地区农业灌溉、居民用电、企业用电质量[9]。

近年来，有序用电技术受到电力企业的广泛关注，本文针对有序用电管理技术，研制一种有序用电管理终端，制定有序用电策略算法。在台变供电范围内，根据用户的用电特征，不同用电设备之间相互配合，调节各自的运行状态，实现削峰填谷平滑负荷曲线，构建局部柔性供用电体系[10]。

1 有序用电管理终端体系架构

有序用电管理终端硬件架构由电源模块、存储模块、显示模块、ATT7026主芯片、RS-485通信、宽带载波等模块组成。电源模块是低功耗开关电源，输出DC3.3V、DC5V、DC12V三路电源，为主芯片、RS-485通信、显示模块等提供电源。ATT7026主芯片具有丰富的外围接口资源，主要包括存储、串口通信、4G通信接口等组成。有序用电管理终端的硬件体系架构如下图1所示。

图1 有序用电管理终端的硬件架构

1.1 电源模块

电源模块主要由开关电源LH16-10B、降压芯片MP2316GJ和TLB117组成，开关电源将交流电转换为1路12V直流电源，12V直流电源为宽带载波、4G通信模块供电；降压芯片MP2315将12V转换为5V，5V直流电源为RS-485通信、显示模块供电。通过降压芯片TLB117将5V电源转换成DC3.3V电源，DC3.3V电源ATT7026、存储单元、ESAM芯片供电。

1.2 主控CPU电路

有序用电管理终端的主控CPU模块采用ATT7026芯片，该芯片具有计量、通信、数据处理等功能，运行速率为32.768KHz，程序存储器容量64KB。此处理器具有丰富的外围接口资源，满足有序用电管理终端的RS-485通信、4G通信、显示接口需求，外围电路由存储芯片24LC512、ESAM、4G通信、显示等组成，主CPU模块详细电路如下图2所示。

图2 主控CPU电路

2 有序用电管理终端功能设计

有序用电管理终端采用模块化设计思想，主要由uC/OS-II操作系统、底层驱动模块、接口层、应用功能层组成。uC/OS-II操作系统进行任务调度管理、数据存储管理、算法执行管理等功能，底层驱动完成接口数据收发，接口层实现参数读取与配置等功能。应用功能主要开展档案管理、交流采样数据、用电数据采集、有序用电策略执行等功能。有序用电管理终端软件体系架构，如下图3所示。

图3 有序用电管理终端软件体系架构

2.1 功能应用

有序用电管理终端主要功能包括采集任务下发、电量数据采集、设备档案管理、用户档案管理、有序用电策略执行等功能。

2.1.1 采集任务下发

有序用电管理终端具有采集任务下发功能，可以人工下发采集任务，通过人工按键的方式，将任务下发到有序用电管理终端，同时设置采集数据项、数据上报方式、采集速率等内容。也可以通过主站远程下发采集任务项，对于有序用电管理终端批量安装时，通过主站批量下发采集任务，有序用电管理终端收到主站下发的采集任务后，终端能够自动存储采集人并执行。

2.1.2 电量数据采集

有序用电管理终端具有全量数据采集的功能，对于智能电表的所有数据项，都能够通过有序用电管理终端采集。其中，电量数据、负荷功率数据是核心的数据项，用户在用电的过程中，有序用电管理终端能够采集用户的月冻结电量、日冻结电量等数据、台区总负荷，为电费核算、营销对账、有序用电策略执行提供数据支撑。

2.1.3 档案管理

档案管理是有序用电管理终端的基本功能，根据主站下发或者本地加载的设备档案、用户档案，终端能够本地存储和管理。用户正常用电时，终端能自动识别用户信息是否合法，便于用户档案的管理和用电设备的管理。

2.2 有序用电策略算法

有序用电策略分析，为解决台区变压器负荷超限问题，开展有序用电算法研究，制定科学有效的有序用电方案，解决电力企业电能质量地下的问题。此有序用电策略通过系统下发用电策略，当台区变压器实际用电负荷Ps小于额度负荷的80%时，用户可以正常用电；当台区变压器用电负荷Ps大于80%时，台区有序用电管理终端自动执行用电策略，同时不再允许新用户用电。系统自动统计客户用电时长，并进行分组排序，本台区所有客户分组实施限制用电时长策略，用电时长以4个小时为一个周期，每组用电时长为4个小时，大于4个小时系统自动下发拉闸指令，短信通知下一组用电指令，周期性依次类推。

其中，公式1中的Ps为每个台区变压器的所有用户负载功率之和，其中P1i居民负载功率、P2i为农业灌溉负载功率、P3i为工业负载功率、P4i为公共照明负载功率。

其中公式2中的Pt为有序用电系统优化后的总用电负荷，α为居民负载功率P1i的调整系数，β为农业灌溉负载功率P2i的调整系数，χ为工业负载功率P3i的调整系数，δ为公共照明负载功率P4i的调整系数。由于不同种类用电负载的功率值会有差异，通过两个小时的运行后，系统自动生成调整系数α、β、χ、δ，对于新增的负载，按照上述系数进行调整。

其中，公式3中的ξ为分组系数，Pz为台区变压器额定功率，Pt为台区变压器的所有负载功率之和。

当ξ小于1时，允许用户自由用电。当ξ大于1时，执行有序用电策略，将本台区变压器下面的所有负载进行分组。

其中，公式4中的Z为总的有序用电组数，Yi为每一组的总用电负载之和，对于ξ存在余数时，余数部分与第一组排号靠前的用户重新分组。

3 结束语

本文介绍了一种有序用电管理终端设计与应用方案，包括终端的硬件设计、软件设计、有序用电策略算法介绍等内容。根据电力企业标准规范，开展性能实验和功能实验，满足相关标准的实验要求。根据农田排灌、居民用电、工业用电季节性、时段性特征要求，协调不同用电设备之间的相互配合，调节各自运行状态，实现轮流使用，有序用电的策略要求，构建局部柔性供用电体系。有效改善电网企业营商环境，得到很好的推广应用。