【电力期刊】分布式发电环境下的嵌入式电力负荷管理系统设计与实.pdf

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1、第2 7 卷第 10期 2 叨 7年 1 0月 电 力 自 动 化 议 备E 忱t d cP o 树 e r A u l“n a ti 曲 E q u i p rn e n tV o 1 2 7N o 注0 O c 于 _2 0()7函分 布 式 发 电 环 境 下 的 嵌 人 式 电 力 负荷管理系统设计与实现装 纬，2，邓 卫.2，孔 力，齐智平，盛鸽，2(1.中国科学院 电工 研究所，北京 l lX 刃 8。;2.中国科学院 研究生院，北京 1 00080)摘要:把分布式电源作为一个可控负荷，通过设计新型嵌入式管理终端，将传统的电力负荷管理终端和新的分布式电源监控相结合，把分布式电源纳入

2、配电网自动化系统的负荷管理，并实现分布式电源和负荷的本地监控。设计并完成嵌入式管理终端和本地监控中心的软硬件开发:接入点测控单元以D S PT I S 3 20F 2 4 07 为核心，实现对接入点的遥测、遥信、遥控、网络通信等功能;嵌入式管理终端以A T91 R M 9200 处理器为核心，包括下层通信、上层通信、负荷管理、远方抄表、电能量分析、发电管理、分布式电源接入点管理等功能模决;本地监控中心软件分为前1处理、实时数据服务、历史数据库以及人机交互界面。通过搭建实脸测试平台证明该系统满足可靠、规范的通信、控制管理，与现有系统兼容等需求。关键词:分布式电 源;负荷管理终端;嵌入式系 统;以

3、太网;A R M平台中图分类号，T M73文献标识码:B文章编号:1 兀一 石 训7 比007)10一 0083一04 随着分布式电源(D G)渗透人低压配网，配电网自动化管理系统T，一 5 同时也需要对分布式电源进行监控。对于配电网中大部分的分布式电源而言，其目的主要是能量联供、削峰，保证重要负荷供电等，其容量通常均小于本地负荷。在此，在现有电力负荷管理系统基础上，提出一种在分布式电源环境下的嵌人式电力负荷管理系统。把分布式电源作为一个可控负荷，通过设计新型嵌入式管理终端，将传统的电 力负荷管理终端和分布式电 源监控相结合，同时管理负荷和电源，将其纳人配网自动化系统的负荷管理，并且实现分布式

4、电源和负荷的本地监控。设计并完成嵌人式管理终端和本地监控中心的软硬件开收 稿 日 期:2 田陌 一 12 一 2。;修回 日期 二2 即7 一 04 一 0 2基金项 目:国家高枝术研 究发展 计划(863)(2 1洲 拓 A A0 5 2246)发，利用已有的数字电能表和断路器等成熟产品和通信模块，完成整个嵌人式电力负荷管理系统平台的建立，验证了系统的可行性和有效性。1 总体设计方案 系统结构分为3层，如图 1 所示，从上至下分别为系统管理层、现场管理层和现场设备层。Ll 系统管理层 系统管理层包括远方的配网自动化中心和现场的本地监控中心(如楼宇自动化中心、工厂 自动化中心等)。配网自动化系

5、统对配网管理的主要任务包括配网运行管理、运行计划、维修管理以及用户管理控制。在带有分布式电源设备的配网，配网自动化系统除实现传统的运行管理之外，需要对分布 De v e l o P me nt o ffl 时 b l efaulta naly s issoft w a 比 s ystem G u I X u n，Q I N GSo雌2，F E N GH anZ，Q I A NQ in g q u an，(1.S outhw e s t 石 画 o ng U niv e rsi ty，C 掖n g d u6 1(X)3 1，C h i n a;2.C ri dC 0 r 侧 才 a l l o

6、nof s ic h u a n，C h e n g d u6 1(X2 1，C h i n a)A b s t r a c t:A i 而n gat thewea k n e s sof c urre nt p o w e Tsys 比 1 llfa u li a n a l”i ssoft w are，suc ha smu l li一v e 玛io nc 袱 i s t e nce，d ata介r lll a td l s u nity，讹ak g r a P ll i cc 即abi l ity，i ll e x t e n si ble己9 明山m l iL r a。，a n d凹 o

7、 n，s o l u t io n sa reP mpoE e da nd a石 u ha ll a l y s is的n w a 比syst e mi sd e v e】。P e dc o m b i 此d机thC+t e m-p l at e L I r 日 r i。，(S T L p 0 RT，B oo s t)a nd dss i，钾tt e m s.h s 卯n c ivlea l ld二hi t e c tu reare e，1卫“i at e da n dthek e yt ec卜 n o l吧e soffi v ec o 肥s u b 叮s te伽 ared i 即u“e di

8、 nd e ta i l:t h ep ro 释 ohje c ti n日 u b 卿 s te m ofb ack 脚u nd。h o dfau lt o c o r d s，t h eU n do al g o ri t h m i nn exi b l es l b s y stem of w a v ed i叩1叮 a n dc o n t耐，t h e3 od a l a罗 n e r a t io n以 即ri th minZ D&3 Dd y 皿而canal y ss u b 叮 st 翻，t h e俪tfo rmu lap 扔i n gal 吕。r l th mi ns e c

9、 o n d 衅 a n a y s i s I D E(I n te g r a te dD e v elop m ent E n v iro n ment)s u b s y s tem，出 1(I th eo LE aut 山 1 O ti o ni na u 加 mat ic罗n e n ll jo l l andman 哪m e nt s ub叮s te m offaultanal y s isre p ri s.Theanalysi sfun c t i o ns andthe ire ffec t iv e n e，Of th es y s te m are 颐 v en.Key

10、，o r ds:肠 u l trec o 司;S T L P()RT;B oost;p r O x yobj 忱t;U n d o;3 Dan司 y s i。万方数据由电 力自 动化饭各第 2 7卷量大，要求强实时性和高可靠性，因此在现场设备层的各个 D G控制器、接口测控单元与现场管理层之间的通信方式选用C A N总线方式。C AN总线是一种高可靠性、分布式实时控制的串行通信网络，目 前已广泛用于工厂、楼宇以 及变电站自 动化等方面 洛 11。目前的数字电能表通常通过 R S 一 4 85 通信接口实现抄表，各大公司的保护开关通常也可通过基于M odbu。协议的R S 一 4 85总线进行通

11、信，故现场设备层的数字电能表、保护开关与现场管理层之间通过R S 一 485 通信实现集中抄表和负荷控制等功能。圈 1 系统设计方 案 F ig 注s y s 比 口5 如e t u re式电源进行监控，实现在配网维修、故障、扰动等情况下分布式电源的切除，在具备并网条件的情况下允许分布式电源并网，并实现对分布式电源发电计划的制定和优化等功能。而本地控制中心主要任务是实时监控分布式电源运行情况，在分布式电源本身发生故障等情况迅速将其切除，保证分布式电源安全运行;同时调节本地电能质量，并根据发电计划与本地的热、冷等供应协调运行等 飞1.2 现场管理层 现场管理层由嵌人式用户管理终端组成，嵌人式用户

12、管理终端是底层数字电能量表与顶层管理中心的连接枢纽与桥梁。它一方面负责接收管理层控制中心指令，另一方面负责指令的处理、编码、发送及各种电力负荷控制算法的执行等;同时，终端通过申口连接数字电能量表，实现对其所控节点的电能量采集，并通过网络送到系统管理层服务器。终端扩展人机接口，当上层网络出现问题时，可直接对嵌人式终端进行设置和控制。同时，交换机还可将各种故障信息传给监控中心，以便维修人员检修设备咚 一 代1 3现场设备层 现场设备层包括数字电能量表、分布式电源及其控制器、分布式电源接人点测控单元以及保护开关等。数字电能量表实现对用户端计量，以R S 一 4 85通信的方式抄表，能统计电压越限时间

13、和电压合格率，及时发现计量故障如电量飞走、停走、超差及时钟异常、电池欠压等信息。分布式电源控制器根据管理层指令控制分布式电源同步并网，并根据给定的控制模式和控制参考值实现对分布式电源的控制。分布式电源的一次能源形式多样，包括太阳能、风能、天然气等，因此分布式电源控制器并不尽相同。分布式电源并网运行需要符合并网标准，目前国际通行的有IEE E1547 标准，因此需通过测控单元监控分布式电源并网 接人点，确 认分 布式电 源接入点 符合标准。L 4 网络分层 围绕嵌入式终端形成了2层网络。a.现场管理层与系统管理层之间的网络层。现场管理层的嵌人式管理终端采用标准TCP/IP 工业以 太网协议实现与

14、本地监控中心之间的通信，并连接至专用光纤网络与远方配网自动化中心通信。b.现场设备层与现场管理层之间的网络层。由于各控制器互相之间可能有相当距离.且各节点数据2 硬件设计21 接入点测控单元 接人点测控单元以 Tl公司 D S PT 乓 IS 320F2 4 0 7为核心叫，实现对接人点的遥测、遥信、遥控、网络通信等功能。其硬件框图如图2所示 C AN总 线 图 2接入点 洲控 单元硬件框 图F i g.Z H 肚 d 粕 re b lo c kd i a g r 目 11】Of d a ta 此 q u is iti o na 耐 咖 山 闷u n i t 遥测采用交流采样，通过A D 6

15、76 完成人 D转换。由于AD 676为单路输人，因此配置模拟多路开关芯片A D G 5 2 6用于通道切换。与保护开关等的RS 一 485通信通过 R S 一 4 8 5模块转接至 D S P的RS 一 2 3 2串口上。与嵌人式管理终端的C A N通信接 口由C AN收发器P C 8 5 C 2 5 0完成。2 2嵌入式管理终端 嵌人式管理终端以A 恤d公司的 A 叨I RM 9 2 印处理器为核心 其硬件结构框图如图 3 所示。A 叨IRM 9200 基于AR M v4T架构，它拥有 32 位 以 太网图 3嵌入 式管理 终端硬件框 圈r ig 3H a rd 呼b 阮kd ia a m

16、o，e ln L e d d e dl n a ll a 只 毗 址 ten l 云 朋】万方数据第 10 期裴玮 等:分布式 发电环境下 的嵌人式 电力负荷管 理系统设 计与实 现雷高性能 A R M和 16位高代码密度 Thlu ll】2套指令集，具备16K B yte 数据缓存和16K B y te指令缓存。最多可支持与 巧个外设如AD C、D A C、LCD控制器、C A N控制器 与传感器进行通信。它内嵌与 IEE E802 3标准兼容的以太网MA C，具有 10/l00bit/s的数据吞吐能力，可选全双工或半双工2种操作侧。以太 网 P l l Y芯片 D Mgl6lE负责 物理层

17、和M A C 层数据的转换，主要实现功能有连接检测、自协商、全/半双工设置、C RC 检测等。网络隔离变压器 H R1 6 06 负责信号传输、杂波抑制以及高电压隔离等作用，以保护数据传输的安全。C A N总线接口主 要 由 C A N收 发 器 TJA 1 050和 C A N 控制 器MC P25lO组成。传输速度高，最大可达 I Mbit/s，输人范围宽，抗电磁干扰性能好。R S 一 485 总线接口 采用 R S 一 4 85 收发器 S P34 85E P完成;人机接口选择8 x 8键盘输人和液晶屏显示形式。圈 4 嵌 入 式 管 理 终 端 主 程 序 流 程 图纯 4M a in

18、e mh 献d 闭n o w c h a d 川川 块r，.I n a】陀 唱r sml l 旧m a l l a g e l l l e 川3 软件设 计3.1 接入点测控单元 软件流程包括一个主程序和一个中断程序。主程序执行系统初始化后进人中断等待。数据采集子程序在定时器的 控制时序下进行。采集信息包括电流、电 压、频率等，在每个采样中断中计算功率因数、谐波含量等，通过C A N总线发送嵌人式管理终端。完成采集和计算后，检查C A N邮箱是否有上层管理中心的下行控制命令，如有则根据命令，通过R s 一 4 85接口控制开关分合，以切除或并人分布式电源。3 2嵌入式终端软件设计 嵌人式管理终

19、端功能主要分为计量计费和控制2大部分，包括以下功能模块:下层通信、上层通信、负荷管理、远方抄表、电能量分析、发电管理、分布式电源接人点管理等。软件由系统层和应用层组成。系统层工作包括对嵌人式操作系统内 核的移植，再对内 核扩展形成一个简单、高效的操作系统14 川。系统层采用免费、成熟的Unux操作系统内核为基础进行移植扩展，即通过设计驱动程序模块、操作系统的A PI 函数、系统任务、任务调度模块等对操作系统内核进行扩展。应用层设计是在操作系统的基础上完成终端功能模块。各种功能的实现采用多线程，每个任务分配为一个或数个线程并发执行。嵌人式管理终端主程序流程图如图4所示。功能模块完 成的基础是网络

20、通信的实现，通常配网自 动化中心的S C A D A系统更新时间约为3 一 105，与终端采用问 答式规约，其实现与普通的 管理终端基本一致。而对本地监控而言，要求强实时性，故采用循环传输模式，数据发送的主 动权在嵌人式管理终端，通信分为 2 个管道:数据流管道和管理管道。管理管道为嵌人式管理终端与本地监控中心之间 管理命令、配置信息等的双向 传输通道，并对前后台 并发命令进行冲突和优先级比较。数据流管道为嵌人式管理终端与本地监控中心的单向管道。通过该管道，嵌人式管理终端按设定频率向中心发送实时监测数据。嵌人式管理终端作为数据流管道的客户端管理管道的服务器端;本地监控中心作为数据流管道的服务器

21、端，管理管道的客户端。建立顺序为先建立管理管道，再建立数据流管道。3 3本地监控中心设计 本地监控中心的主控软件通过 V C+编写，软件分为前置处理、实时数据服务、历史数据库以及人机交互界面4个部分。各部分之间的接口作为单独的组件从系统中分离，通过D LL 动态链接库实现。实时数据库的实现使用内 存映射文件技术解决，使用C re at e FI le M aPp in g()函数建立内存文件映射对象。历史数据库选择Mio ro soft 的S Q LServ er数据库。本地监控中心服务器可接收下层嵌人式用电管理终端传来的抄表数据，管理者可查询区域内任意用户的详细用电清单，并检查非正常用电情况

22、。在分布式电源管理上，根据分布式电 源控制器、接人点测控单元的数据以及远方配网自动化中心命令实现对分布式电源管理4 实验测试平台 实验测试平台总体结构示意图如图 1 所示。实验测试平台包括2个普通负载和 1台逆变型分布式电 源，通过3 个断路器保护，并人实验室38o v母线。2个普通负载的用电数据通过数字电能表测量，并通过RS 一485总线上传至嵌入式终端。接人点电压、电流、功率因数等由接人点测控单元测量，通过C A N总线与嵌人式终端通信。嵌人式终端将抄表数据、保护数据、分布式电源数据以及接入点数据等上传至本地监控中心，本地监控中心分析数据.对分布式电源的状态进行控制。5结语 提出的分布式电

23、源环境下的嵌人式电力负荷管理系统通过采用基于人 R M的嵌人式负荷管理终端万方数据由电 力 自 动 化 谈 备第 2 7 卷以R S 一 4 8 5和 C AN总线通信方式统一管理本地负荷、分布式电 源以及并网接人点 既能满足本地监控实时性需求，同时也能将分布式电源纳人配电网自动化系统的管理。通过搭建实验测试平台证明该系统完全有能力满足可靠、规范的通信、控制管理，能很好与现有系统兼容，并符合电力系统需求。参考文献:【1 陈 堂，赵祖康.配电 系统 及其白 动化技 术【M l，北京:中国电 力出 版社.2 少 刀 2 1 刘建，倪建立 配 电网自 动化新 技术【M 北 京;中国 水利 水电出 版

24、社 浮 J时.3 B Uc H H O 比 B，鱿H LU毗 K 州CU.E n e 卿 卿 祝d in击 5-切加 ti。户由 正 俪 p 竺 an 二c /2。巧 任 E Ep 训、，肠多。-口 g S H 竺比 ty晓n 种】M e e ti n 呼 M o 盯 晚 吐，C a na d a:仁 s n 门.2，洲 j:1 一 2 4 以ss E 几RRH.P M 以只M o ro 罗da oonc e 禅 u d，lu 石 on c /2(.M I E E E 3 5 th l 加e r 曰 e cl ro n 比 5 印e c i ali 就，C o l血 沈.A 以 h e 盯侥y

25、 名 9 二.，2(.又:4 2 8 5 一 4 2 如 5 A B U 一 S H A R K HSll R M A R K v 人 RT 甲，e t 目.M l c l邓 n ds d l沥-阮亡记 朋 滋 比 邵 刀 e 口“即田 王&“.J泪 呷 too，U K;vK 乃，d 日 沁 口 能 for Cl i ll.te以田 1侣 eR h，2 以】56 伙 o M ASH n 已 ve loP t，血.叫 io n.d fi el dte sti 鸣。即te 甲 ri 漪 一 明 妞 晚 di 面 加t司 懊 e 们“川 lo n 朋e rgy .g e m e ni 叮 批m R

26、.W 的】俪 d，H U 肠，U SA 侣 U.5.N at i 创 曰 R e n e 研 ableE ne 卿 恤-肠口【“y，2 003 7 K 日 O POS KI B.R e l i司 l e，】渭 。.di s 晰 b 吹 d邵 n e 橄 lon/u li ty ”叫 e m 吮 祀 on 瞅 tl n .N 翻 Y o tk，U sA U 月.N at 咖 吐 跳能w-曲卜E l记，邑:1 目 加 rato 可，2 001【8 路小俊，吴在 军，郑建 勇，等.基子A R M平台 及嵌人式 实时操作 系 统的通 信管理 机仁 J .电力自 动化 设备，2 005，2 (匀 46

27、一 4 9.L U掐a o 一 J 即 w Uz 苗 一 Jun.z H E N GJi 朋一”n g，e t 目 C 叫mu n ic a t i叨 n 旧 仙，men l u n it 城 d o n R Mp L ll 厢 l a n d e“洲 沈 d e d B T O 5 【J IE I 既 仕 j P 匕 脚 er A u lomatio n E o 1 Jlp 砒n t，2 5，25(5):46 一 49.9 间靖 李扬，金 伟 新蜜电力 负荷管 理终端的 设计与实 现【J 电 力需 求侧管 理，2 朋5，7(4):3 5 一 3 嗽 z Ho U五 叱，u y 田g JI N

28、W e i.De3 i，an 时 日 锐 tri cl加 知 e，卜 班 日n 团 坦，川 e 川 te 咖 以 J .1 加“D s M Z。57(4):3 5 一 3 9l 0 周明.理场 总线控 制 M l.北 京 中 国电力 出版社 2 1幻 2.1 1 韩玮 李峡 刘文中、低 压电气智能 终端设备在 火力发电厂的 应用 J.电力自 动 化设备 2 O 1，2 6(l 0)70一 7 3.八 N 砚 飞，U 加 U UW云 门力 p p l盛 砚2砚 礴 M V日 司 计 加d-11，n t e l自，对 c 已 咖naj d e“ce i n俪。l fu elp，p l.肠 J l.

29、E I沈 颐 cl 州 r 亮 u1 0 n l日 1 E 甲 i p 砒献，2 O 1 玉。26(1 0 卜 7 0 7 3【12 1 刘和 平，严利平，张学 锋，等 T M s 3 2 O 1 正 卫 中 五 DsP 结构 原 理 与 应用【M .北京:北京 航空航天 大学出 版栓.2(，日.13 朱义 君 杨育 红，赵 凯，等.A l，1 系 列A R M微控制器体 系结构 与开 发 实 例仁 M 了.北京:北京航 天航空 大学出 版社，2 05【14 李伯成.微型计 弃机嵌人式系统 设计 M西安 西安 电子 科 技大 学 出 版社 2 1洲 知.1，刘峥 嵘，张智超，许镇 山.嵌人式

30、I j n u 二应用开发 详解【M.北 京:机械工 业出版 杜，2 口 片.(责 任编辑:李育燕)作者简 介:装伟(1 982 一)男，江西南丰人，博士研究生，研究方向为含分布式能源的电力系统分 析和徽型电网E MS(王 抽 1 1曲:伴i w ei m 苗 1 _ie e ac c n);邓卫(1 9 8 3 一)，男 湖 南永 州人，博士 研究 生，研 究 才向为分布 式发 电系统数据分析 与通 信;孔力(1 9 5 8 一).男 湖 北武汉人，中国科学院 电工研 究所所长，研 究员，博士研究 生导师，主要从 事断能 源发电、分 布式能源 方向研究;齐智平(l9 58 一)，女，北 京人

31、，中 国 科 学 院电 工研 究所 前沿部主任，研究员，博士研究生导师，主要从事分布式储能与控制 方向研究 导 盛 鹤(1978 一)，男，江西景德镇人，博士研究生，研究方向为徽 型电 网电压德定 凸 D esi g na n di mP l e me nla 口 o nof e mbed d e dP o we rl o a dma nag 细 e n t s ys t em u n d e r d i s t r i b u te dg e nera t i o n p E I W e i，D E N G琪 飞 1，k o N G“，Q IZhi 一 p in g，S H E N Ghn，

32、2 (ll n s ti tu teofE l e c 币 c aJE n 乡 n e e d 略，C h i n e seA c ade 铆 o f scie n c e，B e ij i n gl 00o 8 0，C h i n a;2.Gradu at esch o o l，C h i n e g eA c ade 哪 Of s c i e n c e，B e ij i n g1 0 008 0，C h i 服)A 加t raCt:A nemL e dd色 dm a ll昭e m e o t te rmi n 己i s d e s i驴e d，w h i c hre g a rd s t

33、h ed i s t ri bute d罗n e ra ti on a，c o n l r o l1 a b l el o a dt oi n t e g r ateth ed is tri b u t e d罗n e ratio n in to l o a d mal1 a g e men tof d i s tri L u t i o nau t oma t io ns y s t e man dre al i z el o c alfo rs u p e rv i s io nofd iat 石 h u t e dg e n e rati o nandlo a d.The吕。ft w a

34、 re朋 db a r d w are ofe mLe d d e dm an 邓e ment te rmi n ala nd lOCa lc o l d l I c e n t 跄are d e v e l叩e d，仆ed a ta朗四i s i t io na 耐 c o n tmlu n it诫e sD S PT M S 3 2 0LF 2 4 O 7a sit 3哪i nP m e e s s o rt oace o mPl i s hremo l em et 面n g 0 比幻 罗:jn g，如 ote c 叨之功 1，肥卫 讯 刀法c 姗切 u n j 姗“砚 and叨on.几己翻

35、h 妇 d e d功 a n a 邵-me nt te 丽i n al tak e s A T 91 R M9 2 刃 a s it s 呻 n p 概 e s s or怕 即c o m p li s h c o m mu n ic a t io n，l o a dm a n 卿m e n t，re mote毗te ri n g，p owe re n e r 留 朋a ly s i s，9 即 e ra t io n 昭e m e nt，ands oo n.The胶alc o n t rol c en晚 s o n 切 a r.1oc o m p d s e dof俪nt一 e n dp ro

36、ce s s i n 吕，比 al一 t i m ed at ase rv i c e，h is to 叮d at aba o ean dh u tnan一 m a c h i n ein l e rfac e.At e s t p la lr l Il i se s t a b li s h e da n dth ete s tre s u l t sv e n 行th a lt h ed e 3 ig nm e e l sthed e m a n d oof r e li able a n dn o 助a t ive c oxnmu n i c a t i o n，c o nt rola

37、n d血n 昭e 毗nt，b e i 叱c o m p at i b lew ith e x is t e n ts y s t e m-T I山 P rOJe ct 肠皿p 卯d e d勿 t he 比一 T e c hR 砚 沈 a l c ba nd l知业1O p m e nt P r lg r 咖 o f以俪(溺3)(2 00叙A日 巴 2 本 场).K e ywor ds:d i s t ri b u te dg e n e ra t i o n;lo a d a 名 e m e ntt e rmi n 日;e m b o d d e d盯 s t e m;E l h erne t;A R Mp l a l fo rm万方数据