（电力系统及其自动化专业论文）电力需求侧综合管理终端的研究与设计.pdf

a b s t r a c t p o w e rd e m a n ds i d e m a n a g e m e n tt e r m i n a l , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n r e a l i z i n gt h ed e m a n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) a n dr e l i e v i n gt h ec o n f l i c to fs u p p l y i n g a n dd e m a n d ，i st h e i n t e l l i g e n ta c q u i s i t i o n & e x e c u t i v e t e r m i n a ld e v i c eo ft h e e l e c t r o e n e r g yd a t aa c q u i r ea n dm a n a g e m e n ts y s t e m t h ei n t e g r a t i o no fp o w e rl o a d m a n a g e m e n ts y s t e ma n dd i s t r i b u t i o nd i s p a t c ha u t o m a t i o ns y s t e m ，p r o m o t e st h e m o d e m i z a t i o no fp o w e rg r i dm a n a g e m e n t ，a n di m p r o v e st h ep r a t i c a ll e v e lo f p o w e r d i s p a t c ha u t o m a t i o na n dp o w e rm a r k e t i n gm a n a g e m e n t s m o d e m l z a t i o n b a s e do nt h ed e m a n d sa n a l y s i so fp o w e rd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，t h ed e s i g n o fp o w e rd e m a n ds i d em a n a g e m e n tt e r m i n a l ，w h i c hi sb a s e do nt h ea r m7 p r o c e s s o r ，i sp r e s e n t e da n dd c j l o n s t r a t e d t i c o 、。：t a l l d e s i g no l l h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sc a r r i e do u t w h a ti sm o r e ，t h em e t h o do fd e s i g n i n g ，t h ec o m p o n e n to f h a r d w a r ea n dt h ef r a m eo fs o f t w a r ea r e e x p l a i n e d i n d e t a i l ，a n ds o m ec i r c u i t d i a g r a m sa n ds o f t w a r ef l o wc h a r t sa r eg i v e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef u n c t i o n so ft h ed e m a n ds i d em a n a g e m e n tt e r m i n a la t f n - s t ，a n dt h e ne x p l a i n st h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dd e s i g nc o n t e n to fh a r d w a r e m o d u l e si nd e t a i l ，i n c l u d i n ga r mc o r em o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，m o d u l e ，d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h i sp a p e rd e s i g n st h e w h o l ef r a m e w o r ko f s o f t w a r e ，a n dd i v i d e st h ew h o l es o f t w a r ei n t os o m ef u n c t i o n m e d u l e s c o n c r e t e l y ，t h e ne x p l a i n st h er e a l i z a t i o no fp u l s ea c q u i s i t i o n ，m e t e rd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，a n ds oo n i nt h ee n d ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e ds t a t e m e n t o f t h ed e s i g no f e m b e d d e dg p r sc o m m u n i c a t i o na n de l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y ，a n dm a i n l y e x p l a i n st h er e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ；m e a s u r em o d u l e ；a r m ；e l e c t r i ce n e r g y q u a l i t y ；g p r s n l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得国网电力科学研究院或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 一日 期： 论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论 文的公布( 包括刊登) 授权国网电力科学研究院科教中心办理。 研究生签名：导师签名： 国网电力科学研究院硕士论文 第一章绪论 1 1 研究的意义 根据国家电网公司“十一五一电力营销发展规划的总体目标，为了加快 营销计量、抄表、收费标准化建设和国家电网公司信息化建设，进一步提升国家 电网公司集约化、精益化和标准化管理水平，必须全面建设用电信息采集系统。 实现国家电网公司系统范围内电力用户的“全覆盖、全采集、全预付费 ，将有 效改变长期以来无法及时、完整、准确掌控电力用户信息的局面，满足国家电网 公司系统各层面、各专业对于电力用户信息的迫切需求，对推动国家电网公司在 现代化管理方面实现历史性跨越具有重要意义。电力用户用电信息采集系统的建 设也是适应居民阶梯电价的全面实行，保证社会安全、可靠、有序用电的技术手 段，对于国家电网公司履行社会职责，进一步提升服务能力，树立优质服务品牌 具有重要作用。电力需求侧综合管理终端是电力用户用电信息采集系统必不可少 的一个重要组成部分。 电力需求侧综合管理终端是适用于l o k v 配电专变公变变压器，实现集负 荷管理终端功能、电表计量终端功能、无功补偿功能、配变监测功能于一体的新 型的“四合一综合管理终端。实现技术思路是基于电能标准计量功能基础上， 同时实现1 0k v 变压器台区负荷管理、无功补偿和配变监测功能。符合科技规 划中开展用电营销管理系统和配变自动化系统基础信息采集功能的整合研究课 题。 电力配电网主要包括l o k v 及以下电压等级的配电线路、配电变压器、大用 户及中低压用户。目前，我国电力企业要求在公变变压器侧需要同时安装电能表、 配变监测终端、电能质量监测终端，无功补偿装置；在专变大用户侧安装电能表、 负荷管理终端、电能质量监测终端，以实现电能采集、电量计费、负荷管理、线 损分析、电能质量分析、无功自动补偿等功能。这些终端为各自系统发挥了重要 作用，但是对同一个测量点安装多个功能相近采集监控终端，数据信息相互之间 不共享，造成的重复投资、功能重叠、应用效率低、维护改造困难的弊端逐渐显 现，满足不了电力企业信息化建设和现代化企业管理的要求。因此电力需求侧综 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 合管理终端的开发，将克服以上弊病，极大提高终端设备的利用率，减轻了电力 企业二次设备基础建设投资成本。同时，电能信息通过同一终端采集、计算，保 证了数据的唯一性，为电量计费与线损分析等提供了可靠的数据来源。因此，电 力需求侧综合管理终端的开发对提高配电网经济运行水平、实现营销自动化具有 十分重要的意义n 射。 电力需求侧综合管理终端，精确采集配电线路、配电变压器、电力大用户的 用电信息和电网数据，完成电能量数据的准确采集和准确抄收。同时能够准确计 算、统计、分析，可以就地实行负荷控制、无功补偿等控制功能，能够将实时数 据、历史数据、越限事件等及时上报相应系统主站。可以辅助系统主站准确分析 出购电侧、供电侧、售电侧、用电侧的电网电量信息及用电信息，及时分析当前 负荷缺口、线损、谐波、无功功率、供电情况，进行负荷管理、线损管理、电能 质量管理、防窃电等有效措施。避免电力企业和电力用广的经济损失，维护本地 电网安全、可靠地运行，为本地经济发展提供优质可靠的电能资源眩3 。 通过本项目的实施，可以实现电能采集量和质的统一。通过对现场采集终端 功能的整合，使终端更具有更高的性价比，更强的功能拓展性，为采集终端的管 理和维护带来了便利。通过开展精益计量、负荷控制管理、线损分析管理、变损 分析管理、电能质量监测和治理、防窃电等工作，为配电网的安全经济运行和精 益化管理提供强有力的技术支持，提高供电企业的管理水平，本项目的实施将产 生巨大的社会效益与经济效益嘲嘲。 1 2 国内外研究现状 电力需求侧管理( d s m ) 是七十年代的美国环境保护基金会最先提出了新概 念，并进一步实行了”电力需求侧管理( d s m ) ”计划，并进一步把电力需求侧管 理技术引入能源规划中，即把需求侧减少电能消耗量和降低高峰电力负荷需求 量，也视为一种”新的资源”参与电力规划统筹研究。这种不局限于发电资源侧， 同时兼顾电力需求侧统筹规划的新方法称为综合资源规划( i r p ) 。 从7 0 年代起，美国电科院和制造企业联合开发了载波电力负荷管理系统， 它的特点：l 、它是双向系统；2 、载波信号发射率功率小；3 、便于安装调试，由 于它是一个双向系统，所以扩大了应用范罔和功能，有增加了远方集中抄收、电 2 国网电力科学研究院硕士论文 压监视，并用于2 0 k v 或6 k y 配网调度自动化系统中。 美国先后开发了无线点负荷控制、配电线载波控制和工频电压波形畸变控制 等多种方式。发达国家使用这项技术主要目的是改善电网的负荷曲线、削峰填谷、 提高电网运行经济型、安全性和设备投资的效益。电力负荷控制技术在国际上已 成为一项具有大量使用经验的成熟的使用技术。国外的注意力正从一般的负荷控 制转向配电自动化电力需求侧管理和对电力市场的技术支持。 国外电子表发展很快。芬兰、瑞典、挪威等北欧国家和西欧国家，目前全部 完成了工商用户电能表的1 0 0 电子化；意大利也从2 0 0 5 年开始逐步把感应表更 新为自动抄表的电子表；高端产品，如高精度关口表等产品被一些著名厂商如西 门子、a b b 等占有，此类产品价格高，利润也相当可观。 国际上电能表体现先进的技术水平有：l 高精度、长寿命计量；2 高速率实 施测量：3 开放式、高速率通信技术使用；4 三相电能专用芯片；5 谐波功率电 能计量标准。 在国外工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看 待，各国均在加强有关电能质量问题的研究，己得出不少理论成果，并提出一系 列综合检测控制和管理方法。现在，众多公司相继开发出各种电能质量监测设备， 典型的有日本日置公司( h i o k i ) 开发的3 1 9 3 系列电能质量分析仪、谐波测试分 析仪，美国福禄克公司生产的f l u k e4 3 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电 力公司( u n i p o w e r ) 开发的u 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪等，它们均采用硬件d s p 技术对电信号进行分析处理。 国内，自2 0 世纪8 0 年代中国开始引入电力需求侧管理以来，负荷管理作为电 力需求侧管理的一个重要组成部分也得到了大力发展，从最初的单向控制到双向 采集和控制，从单纯的遥控功能发展到集遥控、遥信、遥测等多项功能于一体的 较为完善的用户侧网络，它为推动d s m 迈向现代高效提供了强大的技术支持。 8 0 年代中期，开始在试点城市采用双向无线负荷监控系统。试验表明，此 项技术基本适用于当时的应用需求，达到预定的目的。为此，电力工业部亦把此 项技术的推广应用作为供电企业的必备条件之一，从8 0 年代末期到9 0 年代，全 国各供电企业迅速建立无线电力负荷监控系统，通过对主要电力用户用电情况的 实时监测，掌握供电网负荷变化情况，进行负荷分析、预测、线损管理、电量抄 收、催交电费、更好的管好电网，同时为用户提供优质服务。负荷管理系统已经 发展成为运用通信、计算机、自动控制等技术对电力负荷进行监控管理的综合性 3 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 系统，目前负荷管理系统已经成为电力企业营销工作的重要组成部分。负荷管理 系统的监控对象是大中型专用变压器用户( 3 1 5 千伏安及以上) 。 三相多功能电能表向多应用领域拓展，近几年，电力系统不断扩展三相多功 能表应用领域主要是：从用电计量计费到配电变压器、变电站的经济管理和用电 需求侧管理的计量；从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络线交换电 量的计费；从3 1 5 千伏安及以上大工业用户计费扩大到1 0 0 千伏安及以上商业、 非工业、普通工业的计费h 】。 目前，在国内的实际情况是致力于电能质量监测装置研究的科研单位还不 多，对于电能质量各项指标的测量还处在专门测量阶段，没有形成对于电能质量 的长期连续监测。现有的检测设备功能也比较单一，目前国内广泛使用统计型电 压表监测电压的质量水平，这些电压监测仪只能监测电压的合格率，需要人工到 现场，费时费力，缺乏统计分析功能；而对于谐波和电压波动、闪变的测试则用 便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流，这 种电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量 误差大、效率低等缺陷。 目前，在需求侧信息管理领域，存在着电能量采集与计费系统、配变监测 系统、负荷管理系统、低压用户集抄系统等多各系统并存的格局。这些系统虽然 在不同时期、不同领域发挥了重要作用，但资源浪费、功能重叠、应用效率低的 弊端逐渐显现，满足不了国家电网公司“s g l 8 6 ”信息化建设和集团化运作、集 约化运行、精细化管理、标准化生产( “四化”) 管理要求。本项目研发的需求侧 “四合一”装置是集成现有电力需求侧负荷管理功能、电能计量、配变监测功能、 无功补偿等功能为一体的新型电力需求侧综合监控管理终端，同时满足电能量采 集需求，是电力需求侧管理终端功能集大成者。 通过该项目的实施，可以充分整合管理需求、功能需求和电能信息采集资 源，推进电力需求侧监控和运行管理系统一体化建设进程，实现对购电侧、供电 侧、配电侧、售电侧和用电侧等环节的信息实时采集、统计、分析、监控、管理， 提高数据的利用效率。 该项目综合对需求侧电网、大用户和低压居民用电的各种实时运行数据的 采集和分析功能应用，使供电企业快速、真实、精确地了解各个供电区域和各种 电力用户实际的供电情况、电能质量、负荷情况、电量、无功功率等信息，是实 国网电力科学研究院硕士论文 现实时监控需求侧电网电能质量，提高电力用户供电可靠性，实现需求侧供电线 路谐波治理、节能降损、无功补偿，提高供电企业工作效率，为其智能决策提供 准确依据的有效技术措施和技术手段陋删。 1 3 本论文所做的工作 电力需求侧管理综合终端是为了提高配电网经济运行水平，适应营销自动化 技术的发展要求而开发研制的新型智能设备，是对现有线路台区采集和管理终 端的功能进行整合和拓展。该终端可以通过灵活多样的通信方式和组网方式与营 销自动化主站进行信息交互，可广泛用于电力需求侧管理与服务领域，实现电力 用户电能的监测、控制和管理。 本文在研究分析了电力需求侧综合管理系统发展的基础上，参考了前人研究 成果，采用了即将公布的d l t 6 9 8 电能信息采集与管理系统功能规范，对本课题 的电力需求侧综合管理终端进行了功能、硬件和软件设计。 ( 1 ) 参与基于a r m 7 的需求侧管理综合终端整体设计方案，研究”四合一功能 的整合方式，力求既满足新的d l t 6 9 8 电能信息采集与管理系统通信规约，又具有 较低的成本。 ( 2 ) 研究电力需求侧综合管理终端g p r s 通信模块硬件与软件的设计，以及通信 协议d l t 6 4 5 的构成和r s 4 8 5 抄读电表的流程。 ( 3 ) 研究电能质量监测模块，研究电能质量管理理论算法。 ( 4 ) 对研制的原理样机进行功能和性能的测试，进行型式试验，验证其可行。 5 国网电力科学研究院硕士论文 第二章电力需求侧综合管理终端功能需求 电力需求侧综合管理终端是为了提高配电网经济运行能力，适应营销自动化 技术的发展要求，对现有线路、台区数据采集和信息管理终端的功能进行整合和 拓展的新型综合性自动化终端，是用电信息采集系统必不可少的一部分。该终端 是集电能计量、负荷管理、配变监测、无功补偿为一体的采集和信息管理装置。 主要实现电能量计量、负荷计算、功率电量负荷控制，电能质量分析、谐波分 析、供电可靠性分析，无功补偿等功能，该终端可以通过灵活多样的通信方式和 组网方式与营销自动化主站进行数据、信息交互。 2 1 用电信息采集系统模式 电力用户用电信息采集系统将以不同的技术模式，分别实现对各类采集点用 电信息集中采集和实时监控，达到对所有电力用户信息的采集的“全覆盖 ，实 现预付费管理的“全覆盖”。 电力需求侧综合管理终端是指电力用电信息采集系统中负责各信息采集点 的电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令的 设备。电力需求侧综合管理终端按应用场所可分为厂站采集终端、专变采集终端、 公变采集终端和低压集中抄表终端( 包括低压集中器、低压采集器) 等类型。 需求侧综合监控与管理系统从设计层次上来说分为三层：数据采集层、数据 管理层和应用功能层。用电信息采集系统系统结构示意图2 - 1 如下： 7 电力需求倒综管理终端研究与# 图21 电力用户用电信息采集系统全覆盖采集示意图 数据采集层包括：需求侧综合监控与管理终端、通讯通道和数据采集服务器， 完成将设备的运行信息数据采集并传送到主站系统。数据管理层完成对数据的处 理、存储和查询功能。麻用功能层由调度监控子系统、配网自动化系统配变监 测子系统、电能量采集了系统、负荷控制管理于系统和调度轴助管理子系统所组 成。 此结构将终端装置采集的各种数据，通过通讯网络在主站系统进行集中，最 终以一个软件平台形成一套先进、可靠的综合监控和管理系统，以使各子系统在 发生联系的过程中良好的互动运行。 2 2 电力需求侧综合管理终端应用方案 电力- 后求侧管理是倡导和推行的一种先进的资源规划方法和管理技术。它通 过引导电力客户改变用屯打，、提供终端用电效率，达到优化资源配置改善和 保护环境，实现电力成率最小化的川电管理手段，是促进电力t 业与翻民经济、 目h 自科 研究院目l * 立 j l f = 会协调发展的一项系统1 = 程，是国家能源战略的重要组成部分。 电力蔫求侧管理主要包括电力负荷调荷的技术手段和经济手段，节能和能源 替代和新能源廊用三个方面。 实现配电变压器台区的全覆盖、全采集是实现电力需求侧管理的基础。通过 对配电台区运行状况的信息化，实现发、输、配、用负荷联动。为电m 运行的集 约化和精益化提供了重要技术保障。 鼍半蠹 l ”r 。 一囊 图22 电力需求侧综台管理终端应用方案 本方案中如图22 用广配置i 台配电变压器，安装1 台电力需求侧综合 管理终端，并安装1 套测晕c t ，安装两个负荷开关。 选择电力需求侧综合管理终端作为该用户的控制和采集终端，该终端通过本 地r s 一4 8 f i 接口采集多功能电表的信息，通过交流采样的接入计算j ；i j 广的用电信 息，并作为功率控制的依据。终端的遥控和遥信与负荷开关的跳闸线圈和辅助触 点连接，实现对开关的控制和监测。终端采用g p r s 无线公网与主站连接，实现 对用户的远程监视和控制。用_ f l l 通过终端的，半= 地窖广接口可以获得实时用电信 昏。q 导用户合理用电。 电力需求侧综合管理终端突破性地将电能计量、负荷管理、变压器脑测、无 功 h 偿功能融为体。实现r 配电变压器台区电能“量”和“质”的综合监测和 治理，为实现配电变j k 器安牟，经济、高效运行提供了晕受的技术保障。 ，人 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 2 3 电力需求侧综合管理终端思想提出 新一代集计量、配变监测、负荷控制、无功补偿为一体的电力需求侧综合管 理终端的研制，目标实现一台终端完成一个配变台区所有量( 包括电能量、模拟 量、谐波、无功、直流量等) 的采集，为配变台区采集终端的配置提供较高的性 价比。 “电力需求侧用户综合管理终端”主要是针对用电信息采集系统研制符合相 关技术规范的终端设备，并具备各种通信手段。形成： ( 1 ) 适用于配供电网的专变、公变等配变计量和考核用的三相多功能电能表功 能。 ( 2 ) 适用于专变的负荷控制管理终端。 ( 3 ) 适用于公变的配变监测终端。 ( 4 ) 适合各类配变变压器特性的无功补偿设备，研制各种不同原理的电压无功 控制设备。 在保证配电监测点实现“量”的计量的前提下，又实现了对配电监测点“质 的检测，为配营销自动化的建设提供了全面的信息采集。资源整合如图2 3 所示： 荀区 营销自动化主站 ；毯愁 j，、 电力 l 电能表入； 电力 需求需求 侧管 r 公变监测l 侧管 理终 终端n 理终 端 r 无功补偿- 一，； 蛸 【 器 j ； 图2 3 电力需求侧综合管理终端资源整合图 ( 1 ) 通信规约： 终端与主站的通信规约采用d l t 6 9 8 4 1 主站与电能信息采集终端通信协 议；终端与电能表的数据通信规约应支持d l t 6 4 5 2 0 0 7 。 ( 2 ) 接口设计 上行接口： 天线接口：用于g p r s c d m a 等远程无线信道； 下行接口： r s 4 8 5 接口：2 路； 1 0 国网电力科学研究院硕士论文 本地接口： 1 ) k s 2 3 2 接口：1 个； 2 ) 红外接口：1 个调制型红外接口。 输入输出接口： 4 路遥信接口、4 路遥控接口、4 路脉冲。 2 4 电力需求侧综合管理终端功能嘲忉 电力需求侧综合管理终端具有电能计量功能、负荷管理、配变监测和无功补 偿等功能，其功能结构图如2 4 所示。 1 采集功能 相关功能列表如下： 图2 4 电力需求侧综合管理终端功能图 序号功能名称功能描述 l 采集任务编制根据不同业务对采集数据的要求编制采集任务。 根据编制好的自动任务，通过远程技术手段，按照要求自动 2 自动任务执行 下发采集指令，获取终端或最测设备的数据。 根据接收到的实时数据采集要求，通过远程技术手段，自动 3 实时召测 下发采集指令，实时召测终端或最测设备的数据。 对采集的数据的合理性、有效性进行检查，并提供有效的数 4 数据检查 据检查审核的辅助工具。 5 数据查询对采集到的各项数据提供查询功能，并支持图表形式展现。 6 数据上传调用营销系统接口，将已审核数据上传至营销系统。 对采集任务的执行质量进行检查，统计数据采集成功率、采 7采集质最统计 集完整率。 2 负荷控制功能 相关功能列表如下： 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 根据有序用电方案管理或安全生产管理要求，编制限电控制 l 限电方案编制 方案。 根据编制好的限电控制方案，通过远程控制的技术手段下发 2 负荷控制限电控制参数到控制终端，限制用电负荷。包括控制投入和 控制解除。 3 营业报停控营业报停控指令的接受和报停控参数的下发。 通过向终端下发保电投入命令，使得用户控制开关在设置的 4 终端保电保电持续时间内不受终端控制。向终端下发保电解除命令， 使用户控制开关处于正常受控状态。 通过向终端下发剔除投入命令，使终端处于剔除状态，终端 对除剔除、对时命令以外的任何广播命令和组地址命令均不 5 终端剔除 响应。向终端下发剔除解除命令，则使处于剔除状态的终端 返同正常工作状态。 根据要求，编制相应的采集点分组，对需要下发组地址的下 6 群组管理 发组地址到终端。 负控方案执行 7 负控方案执行统计分析和效果评估。 查看 3 电能量计量功能 相关功能列表如下： 序号功能名称功能描述 计量 计量多时段的单向或双向有功电能，单向或四象限无功 l 电能，并存储其数据。可以在指定的时间间隔内测量单向或 双向最大需量及其出现的日期和时间。 具有定时冻结、瞬时冻结、约定冻结的功能。至少能存 冻结 储总电能和各费率的电能数据，可以存储单向或双向最大需 2 量、各费率最大需量及其出现的日期和时间数据。能存多个 抄表( 结算) 周期的数据。电源失电后，所有存储的数据可 以保存。 ( 1 ) 记录线路失压、断相、失流事件发生、恢复的时刻以 及事件发生时刻的各相电压、电流、功率、功率因数和总电 事件记录 量等信息； 3 ( 2 ) 永久记录电表清零事件的电量信息； ( 3 ) 记录编程对时总次数以及最近编程对时的时刻； ( 4 ) 在三相全失压和辅助电源失电后，程序不混乱、所有数 据都不能丢失。电压恢复后，各项工作正常。 时间 具有日历、闰年、计时、时令制、季节、节假日自动转 4 换、对时功能。日历和时间的设置必须有防止非授权人操作 1 2 国网电力科学研究院硕士论文 的安全措施。 具有两套可以任意编程的费率和时段，并可在设定的时 间点起用另一套费率。 4 用电监测 相关功能列表如下： 序号功能名称功能描述 电能信息采集与管理系统通过对现场事件以及采集数据的 l 用电异常监测 分析，发现异常时及时给出告警信息，并启动异常处理流程。 电能质量作为供用电的重要指标，主要是通过电能信息采集 系统采集的电压、电流、功率因数、谐波、周波来评价客户、 2 用电质量监测 电网的电能质量状况，便于完善电网供电方案和客户调整用 电方式，提高电能质量。 重点用户( 台区) 3 针对重点客户( 台区) 提供用电情况跟踪、查询和分析功能。 监视 主站系统能够对终端侧发生的事件做出主动或被动响应，及 4 事件处理和查询 时处理终端事件。 5 运行管理 相关功能列表如下： 序号功能名称功能描述 l 权限管理管理系统的用户帐号及权限分配。 维护系统运行必须的电网结构、客户、采集点及相关参数、 2 档案管理 档案信息。 对系统使用的通信设备、路由参数等进行配置管理。 3 通信管理 对系统使用的公 c ) 9 ( g p r s c d m a ) 通信方式进行流量管理。 4 运行情况监测对系统中关键设备的运行_ t 况以及操作进行监测、记录。 1 3 国网电力科学研究院硕士论文 第三章电力需求侧综合管理终端硬件设计 电力需求侧综合管理终端的硬件部分，用于实现系统的数据采集、r s - 4 8 5 抄表、负荷控制、数据通信等功能。本章主要介绍电力需求侧管理终端的硬件构 成和工作原理，重点阐述终端计量模块的硬件设计，介绍电源管理、脉冲量采集 模块、通信等模块的功能实现，论述其硬、软件抗干扰和可靠性设计n 羽。 3 1 电力需求侧综合管理终端构成 根据装置的功能需求和输入、输出的分析，终端主处理器采用p h i l i p s 推出 的3 2 位高性能微处理器l p c 2 2 1 4 ，并外扩外部程序存储器和数据存储器，计量 部分采用单相电能专用计量芯片c s 5 4 6 3 实现电能的计量；控制部分采用磁保持 继电器控制负载的通断；实时时钟选用高精度集成晶体振荡器的r x - 8 0 2 5 精确计 时；f l a s h 存储器采用a t m e l 公司推出的小扇区、大容量的串行f l a s h 存储器 a t 4 9 d b l 6 1 d ，适合终端大量任务数据的存储；液晶采用1 6 0 1 6 0 点阵的t 6 9 6 3 c 点阵液晶模组，直观的显示电能量、通信状况及终端参数等。l p c 2 2 1 4 的接口框 图如3 - i 所示n 引。 图3 - l 微处理器l p c 2 2 1 4 接口框架 l p c 2 2 1 4 是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规 模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 1 4 的1 4 4 脚封装、极低的 功耗、多个3 2 位定时器、8 路l o 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断， 1 5 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。通过配置总线， l p c 2 2 1 4 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也 非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e m 以及其它各种类型的应用。 本系统中的电力需求侧综合管理终端即相当于协议转换器外加一个有数据存 储需求的设备。在利用l p c 2 2 1 4 的资源上，主要是利用它的两个1 6 c 5 5 0 工业标 准u a r t ，它们一个负责对上和主站通信，一个负责对下和各类终端进行通信。 从而保证了对上对下物理通道的隔离，满足了协议转换器的要求。 l p c 2 2 1 4 中u a r t 特性： 1 6 字节收发f i f o 寄存器位置符合5 5 0 工业标准 接收器f i f o 触发点可为1 ，4 ，8 和1 4 字节 内置波特率发生器 一 外部静态存储器控制器( e m c ) 是个a m b a a h b 从机模块，它为 a m b a a h b 系统总线和外部( 片外) 存储器器件提供了一个接口。该模块可同 时支持多达4 个单独配置的存储器组。每个存储器组都支持s r a m 、r o m 、f l a s h e p r o m 、b u r s t r o m 存储器或一些外部i o 器件。每个存储器组的总线宽度为8 、 1 6 或3 2 位。 e m c 的特性： 支持静态存储器映射器件，包括r a m 、r o m 、f l a s h 和一些外部i o 器件 在未锁定存储器子系统中可执行异步页模式读操作 可对突发模式r o m 器件中进行异步突发模式读访问 可对高达4 个存储器组进行单独配置，每个存储器组可包含多达1 6 m 字节 可对静态r a m 器件的读和写w a i t 状态( 高达3 2 个) 进行编程 可编程外部数据总线宽度( 8 、1 6 或3 2 位) e m c 的这些特性，为a r m 系统扩充存储容量提供了方便的途径，解决了 5 1 系统中扩充容量困难的问题。 3 2 电力需求侧综合管理终端电源管理 电源的可靠性决定了一个系统能否正常工作，良好的电源电路可以确保整个 系统长时间安全稳定的运行。 1 6 国网电力科学研究院硕士论文 l 遥控ll d 模担1i 计量模li 电池充i t a t t i l 挪分ii 拟部分ii 电电路i 黔蛄娩= l 娄溢卜卜卜h 硪翟配一j 数据采集任务( 交流模拟量、遥信、脉冲量) 4 8 5 读表任务 主站通讯任务 人机接口任务( 键盘、显示) 数据处理任务( 总加组、冻结、计算、统计等) 数据存储任务 事件记录任务 控制输出任务 主始l 抄袭i 本地1 人机f 事件l 数据i 负狂 规约i 规约l 规约j 界面i 处理1 分析i 算i 盍 文件i 运行i 通信1 数据1 1 存储 升级i 警理i 管理l 采集i l 管理 数据库蕾 理 图4 - 1 电力需求侧综合管理终端应用软件架构图 4 2 电力需求侧综合管理终端软件总体构成 经过对电力需求侧综合管理终端的功能规范进行分析，本章以d 坍6 9 8 4 1 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 和d l t6 4 5 等规约为基础设计了以下功能模块作为整个终端应用软件的核心： ( 1 ) 远程通信功能 1 ) 报文组拆：帧格式的组装、拆解 2 ) 认证功能：密匙算法、认证过程、认证报文处理 3 ) 参数类数据功能：参数类数据设置查询 4 ) 命令下发功能：主站控制命令处理、转发 5 ) 一类数据功能：一类数据的读取上报 6 ) 二类数据功能：二类数据的读取上报 7 ) 三类数据功能：三类数据的读取上报 8 ) 文件下载功能：远方下载文件的处理 9 ) 中继功能：中继报文的转发 ( 2 ) 主控和公共功能 1 ) 配置存储管理：配置参数的存储读取 2 ) 计算功能：按配置的计算参数进行计算 3 ) 数据存储管理：数据的存储、读取、周期管理、重点用户数据管理 4 ) 从机管理任务：转发中继报文 5 ) 多任务数据采集 6 ) 定时采集：定时采集管理和激活 7 ) 实时采集：实时采集管理和激活 8 ) 命令下发：命令下发管理和激活 ( 3 ) 本地通信功能 1 ) 报文组拆：帧格式的组装、拆解 2 ) 数据处理：数据解析处理 终端应用软件核心功能模块的构成如图3 所示。 目h 自力科学究r ml 文 图4 - 2 电力需求侧综合管理终端应用软件功能模块 4 3 电力需求侧综合管理终端工作流程 终端上电后，首先进行自榆和初始化，然后启动正常的t 作流程： ( 1 ) 根据配置定时对电能表进行数据采集，并对采集到的数据进行分析和存储； ( 2 ) 根据配置定时上传任务数掘，同时等待主站下发命令； ( 3 ) 随时对终端运行状态用户用电状态，遥信量输入进行监控，异常发生时， 记录异常时刻的数据并向主站发送告警命令； ( 4 ) 根据配置对线路负荷状态进行监控负荷过载时执行预定的控制方案，在 一定程序上保证供电的正常稳定： ( 5 ) 提供友好的用，、界丽，用于查询终端及电能表的配置参数及数据，并在满 足报警条件时，通过声光等方式进行报警提示。 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 4 4 接口设计 4 4 1 外部接口设计 图4 3 终端软件的对外接口 ( 1 ) 与远程通信收发软件的接口 接口功能为将通过各种远程通信收发软件接收到的来自主站的数据以字节 流的方式送给终端应用软件，或者将终端应用软件组织的传送到主站系统的数据 以字节流的方式传送给各种远程通信收发软件。终端应用软件完成与主站通信规 约相关的数据处理，接口以字节流的方式完成各种远程通信收发软件和终端应用 软件间的数据交互。 ( 2 ) 与本地通信收发软件的接口 接口功能为将通过各种本地通信收发软件接收到的来自电表的数据以字节 流的方式送给终端应用软件，或者将终端应用软件组织的发送到电表的的命令以 字节流的方式传送给各种本地通信收发软件。与远程通信接口类似，接口以字节 流的方式完成各种本地通信收发软件和终端应用软件间的数据交互。 ( 3 ) 与人机接口软件的接口 人机接口( 包括显示和键盘) 与终端应用软件按规定的索引方式及数据模型 完成数据交互。 ( 4 ) 与存储管理软件的接口 终端应用软件与存储管理( 存储器相关驱动等) 按规定的索引方式及数据模 型完成数据交互。 ( 5 ) 其他接口 国网电力科学研究院硕士论文 与控制、交直流模拟量采集、脉冲采集等部分的接口采用数据读写函数的形 式完成数据交互。 4 4 2 内部接口设计 ( 1 ) 主站通信和主控与公共部分接口 d l t6 9 8 4 1 协议处理部分的报文组拆功能模块解析出一类、二类和三类数 据采集命令，通过数据获取发送接口和主控与公共部分的数据存储与管理功能 模块；d l t6 9 8 4 1 协议处理部分的报文组拆功能模块解析出参数设置与查询命 令，通过参数设置查询接口与主控与公共部分的参数配置管理功能模块进行交 互；d l t6 9 8 4 1 协议处理部分的报文组拆功能模块解析出命令下发命令，然后 发送给多任务采集模块完成命令下发。 ( 2 ) 主控与公共部分和电表数据采集部分的接口 主控与公共部分的定时采集模块在定时时间点时，通过任务调用方式，调用 电表数据采集部分的d l t6 4 5 协议处理部分的报文组拆功能完成电能表数据采 集报文的组装，并进行下发；主控与公共部分的实时采集模块在采集频率到达时， 通过任务调用方式，调用电表数据采集部分的d l t6 4 5 协议处理部分的报文组 拆功能完成电能表数据采集报文的组装，并进行下发。 4 5 通用功能设计 4 5 1 远程通信功能 ( 1 ) 功能设计 本功能解析主站下发的d l t6 9 8 4 1 请求报文并进行处理，然后把处理结果 形成报文上报主站；当没有下发报文时，如果底层远程信道支持，根据需要主动 向主站发送登录、心跳、重要事件、级联终端上行报文。 ( 2 ) 流程设计 本功能通过各种通信方式的通信收发软件与远程主站通信，流程如图4 4 所 示。 3 9 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 4 5 2 主控和公用功能 4 5 2 1 多任务采集功能 图4 - 4 远程通信功能数据流程 ( 1 ) 功能设计： 多任务采集功能模块以独立的进程单独，主要负责数据测量点的定时采集任 务管理。模块运行后完成消息队列、共享内存、定时采集周期等初始化工作，生 成抄表队列和数据项队列，根据采集周期参数设定采集任务时间点，进入采集主 循环。主循环中判断当前时间是否到达采集任务时刻，若到达时间点，启动新一 轮抄表任务并发给d l t 6 4 5 通信模块执行抄表，在完成一轮循环采集后，由补 抄采集流程对采集失败的测量点进行补抄。在主循环里，程序实时监测主站通信 国网电力科学研究院硕士论文 模块下发的随时抄表任务和透传命令请求，模块接收到其他采集请求时，立即终 止当前的定时采集任务，将随时抄表和透传命令采集任务发送给d l r6 4 5 通信 模块。完成本采集周期所有工作后，查看测量点参数、任务周期等参数是否发生 变化，若有变化则重新初始化，开始下一个定时采集任务周期。 ( 2 ) 流程设计 4 5 2 2 基本计算功能 图4 5 多任务采集功能数据流程 ( 1 ) 功能设计 基本数据处理功能模块以独立的进程单独运行，负责测量点数据的异常分析 并产生相应事件。 模块运行后完成消息队列、共享内存、和测量点参数、任务参数等初始化工 作，进入主循环流程，等待冻结周期定时到后，读取测量点数据，分析数值是否 符合事件条件，满足事件条件则发送事件数据给上传通信模块，继续读取统计数 据，分析统计数据是否变化，若有变化则读取历史记录发送给远传通信模块上传 到主站。完成本周期所有数据处理工作后，查看测量点参数、事件判定条件、任 务周期等参数是否发生变化，若有变化则重新初始化，开始下一个数据处理定时 周期。 ( 2 ) 流程设计 4 1 电力需求侧综合管理终端的研究与设计 图4 - 6 基本计算功能数据流程 4 6 脉冲采集任务 定时采集任务实现每隔一段时间采集脉冲量、状态量和读取三相电能参数的 功能。对于状态量的采集，若规定时间到达，定时采集任务采集继电器状态，当 发生变位时将采集来的状态量记入内存，以待主站最近一次查询时向其发送该变 位信号或主动上报。另外，为了提高可靠性，所有的遥控输出、状态量输入时间 均需保存到存储器中以备查询。 对于脉冲量的采集，由于终端工作在户外，受各种干扰和出现抖动现象，导 致脉冲多计数和状态量误判等，所以系统在设计时，通过重复计数来消除抖动和 防误判现象。保证脉冲计数和状态的变化的准确性。终端以查询方式来对状态量 和脉冲量信息进行采集，其中在读完状态信息时，紧接着读取脉冲量信息，其中， 状态量信息的读取与脉冲量信息的读取过程是类似的，现主要介绍脉冲量读取过 程，在查询形式读取电能表输出的脉冲时，首先要保证脉冲宽度大于等于8 0 m s ， 在此使用变量n p u l s e s t a t e 记录脉冲的保持状态，变量n p u l s e b u f 的低四位 ( d 3 d 2 d 1 d o ) 来作为记录读取的脉冲的连续状态，其中，d 3 保存到接收到的最新 的状态，如此每当接收到一个新的状态前，先经过移位将旧的最近三次的状态保 国网电力科学研究院硕士论文 存至t j d 2 d 1 d o ，这样只要n p u l s e s t a t e 与d 2 d 1 d o 中的每一个都不相同时，说明一个 脉冲完或开始，d 3 d 2