第一章电力负荷管理系统
1.1电力负荷管理系统概述
电力负荷管理，也叫电力负荷控制，其主要目标是改善电网负荷曲线形状，使其在负荷曲线上的反映更为均衡，简单地说就是削峰填谷，以达到电网运行的经济性、安全性和高效性，使电力的使用更科学合理。电力负荷管理技术是实现计划用电，节约用电和安全用电的技术手段，也是配网自动化、用电管理自动化的一个重要组成部分。电力负荷管理可以采用经济手段，按用户用电的最大需求量收费，或对峰谷的时段电量按不同电价收费，来刺激用户削峰填谷;也可采用技术手段，在高峰用电时，断开一部分可间断供电的负荷，以减少对电网的压力，可以将各用户的负荷按照改善负荷曲线的总要求，通过某种信道与装在用户处的电力负荷管理终端装置进行联系，对用户的可间断负荷以实时方式进行集中控制，达到控制到户，实现限电不拉路的目标。从而确保用电的平衡，保障电网安全经济地运行，落实计划用电政策，合理地分配、调度电力和科学地管理电力，为计量监测、营业抄收、线损管理等工作提供丰富的电网和用电参数。
1.1.2国外负荷控制技术的发展简史
对用电负荷进行控制的想法，是伴随着电力工业的产生和发展而出现的。1897年，约瑟夫•若丁取得了一项英国专利，用不同电价鼓励用户均衡用电。1913年，都德尔等三人提出了把ZOOHz/10V的电压叠加在供电网络上去控制路灯和热水器的方案，这是最早的音频控制方法。1931年，韦伯提出了用单一频率编码的专利，这是现在广泛采用的脉冲时间间隔码的先导。自上世纪40年代起，欧洲大陆各国己广泛地发展和应用了集中音频控制技术。日本上世纪60年代开始注意研究负荷控制技术，从欧洲引进制造技术，到70年代已广泛安装使用了音频脉冲控制装置。而美国，由于资源较丰富，开始并不重视负荷控制问题。后来在石油危机的冲击下，才认识到充分利用能源的重要性，开始大力研究负荷控制技术，在70年代中期，先引进了瑞士的音频脉冲控制装置，后来又开发了无线电负荷控制，配电载波负荷控制和工频电压波形畸变控制等多种方式，到1980年美国已经装备了170多个负荷控制系统。
到90年代初期，世界上己有几十个国家使用了各种电力负荷控制系统，先后安装的各类终端设备已达数千万台，可控负荷覆盖面占全世界发电总装机容量的10%以上，为世界各地的电网负荷的安全性、经济性产生了重要作用。
1.1.3我国负荷控制技术的发展情况
在我国，电力负荷控制技术起步较晚。以前，传统的电力负荷方法是采用行政、经济手段进行间接控制，这是针对我国缺电较严重的情况提出的，是用来解决供需矛盾，调整负荷曲线，保证电网安全经济运行的有效措施。但是，由于缺乏必要的技术手段，很多地方计划用电的政策得不到有力的贯彻与落实。出现了有电大家抢着用，一用就超，一超就拉路，由于拉路频繁，严重影响了工农业的正常生产和人民群众的日常生活。况且，缺乏技术手段的单纯间接控制，不能实现实时控制;不能实现微观控制用户用电，宏观拉平负荷曲线，所以由实时电力负荷波动带来的一系列问题依然存在。为此，必须用科学的技术手段，采用先进的负荷控制装置去装备供电系统，在计划用电过程中综合运用行政、经济和技术手段，才能使现有的发供电设备发挥更大的经济效益。
在计划用电和电力供需矛盾十分突出的情况下，在我国，电力负荷控制技术的研究和应用的问题开始引起重视。1977年底，我国开始了电力负荷控制技术的研究和应用工作，这过程大致可分为三个阶段。由1977年1986年为探索阶段:研究了国外电力负荷控制技术所采用的各种方法，并自行研制了音频、工频波形畸变、电力线载波和无线电控制等多种装置。同时由国外引进一批音频控制设备，安装在北京、上海、沈阳等地。由1987年至1989年是有组织的试点阶段:主要试点开发国产的音频和无线电负荷控制系统，分别在济南、石家庄和南通、郑州安装使用，都获得了成功。在试点成功的基础上，1989年底在郑州召开了全国计划用电会议，要求首先在全国直辖市省会城市和主要开放城市重点推广应用，然后在所有地(市)级城市中全面推广。从1990年开始进入了全面推广应用电力负荷控制系统阶段，至1996年上半年，全国已有约150个地(市)级城市供电系统规模不等地装备了负荷控制系统，还有少数县级城市也开展了这项工作。电力负荷管理系统通信规约的颁布，标志着“电力负荷管理系统”的初步形成。
经过数年的开发与应用，系统的技术突出了负荷管理的地位与作用，实用化的程度进一步提高，功能的拓展始终围绕电力企业经济效益的提高而展开。一般的系统都具有较好的开放性和可扩充性。由于系统本身是根据我国国情自主开发研制的，具有完善的“三遥”功能和“当地控制”功能，微机化的终端具有强大的数据采样和通信功能，微机网络技术的发展和应用，使负荷管理系统很方便地与其它电力自动化系统联网，实现数据的共享，因此该系统的软、硬件配置依然保持着较好的可扩充性。实践证明，在市场经济条件下，随着电力行业的改革不断深化，电力负荷管理系统的系统功能的进一步扩大应用对提升用电管理水平和营销管理水平起到积极推动作用。
第二章电力负荷管理终端的组成部分
2.1电力负荷管理终端的组成部分
电力负荷管理终端一般都由以下几个单元组成:主控单元、通信单元、输入输出单元、显示单元、交流采样单元、电源单元。传统的设计方式一般为集中式，即终端以单颗MCU为核心，扩展相应外围电路，实现各种功能。集中控制式的终端原理框图如图2-1所示。
主控单元:以MCU为核心，外扩程序运行Flash、程序升级Flash(用于远程升级时的程序存放)和RAM组成最小系统。并根据需要，以并行总线方式，扩展RTC、NVRAM(非易失性存储器)、语音芯片等资源。终端其他单元包括输入输出单元、交流采样单元、显示单元等，均通过并行数据总线方式，与主控单元连接，为此，主控单元上还需要采用CPLD进行地址译码分配，增加总线驱动器以起到总线驱动和隔离的作用，尽量减少外部干扰的影响。主控单元的功能主要集中在数据采集及存储、远程和当地负荷控制、数据通信和处理、语音提示、主站通信规约处理，并协调其他模块间工作，其功能相对集中，可以说是终端的大脑，该模块对于终端而言必不可少。
第三章 模块化电力负荷管理终端..................... 22-40
3.1 通讯总线的比较和选择.................... 22-26
3.2 CAN总线的硬件设计 ....................26-27
3.3 CAN总线传输协议设计 ....................27-34
3.4 分布式电源技术 ....................34-35
3.5 主控模块中的关键技术.................... 35-39
3.6 本章小结 ....................39-40
第四章 模块化电力负荷管理终端设计.................... 40-61
4.1 终端性能指标.................... 40
4.2 终端硬件总体设计.................... 40-41
4.3 终端主控模块设计.................... 41-45
4.4 显示模块设计.................... 45-49
4.5 控制输出模块设计.................... 49-51
4.6 脉冲/状态量输入模块设计.................... 51-52
4.7 抄表模块设计.................... 52
4.8 交流采样模块设计 ....................52-56
4.9 通信模块设计.................... 56-57
4.10 分布式电源设计.................... 57-58
4.11 终端可靠性设计.................... 58-60
4.12 小结.................... 60-61
第五章 终端测试记录.................... 61-67
5.1 CAN总线传输性能测试记录.................... 61
5.2 Nand Flash文件系统测试.................... 61-62
5.3 整机测试记录 ....................62-66
5.4 测试结论.................... 66-67
结论
采用基于模块化的设计方法进行电力负荷管理终端的设计开发，解决了集中控制式终端扩展不便、终端可靠性差的同时，实现了各个功能模块的智能化，通过采用标准总线接口和分布式电源设计，使终端的可扩展性大大增强，实现了产品功能的灵活配置，能满足市场需求的快速变化，同时可以提升终端的可靠性和稳定性，这些通过样机的研制，己经证明了。当然，这样的设计，单从硬件成本考虑，由于每个模块都要有单独的MCU和供电系统，导致终端设计变得复杂并带来成本上升，不适用于低附加值的产品设计。模块化设计也造成了同一终端内有多套嵌入式软件，软件的开发必须要由团队完成，软件的复杂度增加，开发周期被拉长。
本课题历时近两年时间，在此期间内，该课题历经了产品定义、方案设计、样机设计等几个阶段，最终完成了样机的设计并基本实现了最初的设计目标。在具体设计实现时，采用了CAN总线、分布式电源、基于NandFlash下微文件系统的海量存储、ARM7嵌入式系统和多信道兼容设计等先进技术，然而，让笔者颇为遗憾的是，由于整个课题研发周期较长，在其中市场情况发生了很大的变化，该型样机至今尚未实现批量化生产，未能创造良好的经济和社会效益，同时，由于市场因素，样机中的各模块也仅实现了某一种功能模块，并未将所有的功能模块全部开发完成;受限于终端的体积和结构限制，无法实现模块的最大限度拓展，只能在机箱结构允许范围内实现模块化。
参考文献
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