面向电力需求响应的变频空调嵌入式控制器设计

2023-08-28韩继祥关朋忠姜灿灿

科技创新与应用 2023年24期

周阳，韩继祥，关朋忠，姜灿灿

（济宁市规划设计研究院，山东济宁 272000）

空调是一种潜力巨大的电力需求侧响应资源，在夏季负荷高峰期时可占尖峰负荷的30%～40%[1]，而变频空调因其节能省电、智能舒适的优点已成为市场主流。因此对变频空调群组的智能化控制研究十分有必要。通过智能化控制，可以削减空调能耗，缓解电力负荷高峰压力，实现电网安全经济运行。

近年来以嵌入式控制为代表的智能控制技术得到快速发展，并在众多领域广泛应用，如VRV 空调控制系统、汽车混合动力系统、数控系统、电网自动化系统和智能家居系统等[2-6]。

本文搭建了面向电力系统需求侧响应的变频空调嵌入式控制平台，主要功能是为调度中心和变频空调设备建立通信连接，计算变频空调机组的需求响应能力，并根据调度中心的控制策略计算变频空调的削减目标，下发对变频空调的控制措施。

1 嵌入式控制器硬件平台搭建

1.1 硬件选型

综合考虑性能、成本、开发资源等多种因素，嵌入式控制器采用Compute Module 3（CM3）核心计算模块进行扩展开发。

CM3 是由英国树莓派非盈利组织在2017 年推出的树莓派核心计算模块，搭载了64 位Broadcom BCM2837 应用处理器，其核心为ARM Cortex-A53 四核处理器，运行频率高达1.2 GHz，拥有1 GB 的LPDDR2 RAM，支持Windows IoT 和Linux。CM3 的体积很小，能够适配各种硬件，非常适用于工业领域。

1.2 硬件设计

整个控制器功能集成在单个PCB 电路板上，电路板采用双层PCB 电路设计，由CPU 模组接口模块、供电部分电路、USB 转4 路UART 电路、指示灯及输入按键电路、USB 接口100 M 以太网电路、RS485 及RS232电路和USB1 路转4 路电路构成。

CPU 模组接口模块采用SODIMM144 接口将CPU管脚资源引出，包括供电引脚、配置引脚、USB2.0 引脚、GPIO 接口和I2C 接口等。其原理图如图1 所示。

图1 核心网关原理图

供电部分电路支持12 V 转5 V 电路3 A，5 V 转3.3 V 电路800 mA。其原理图如图2 所示。

图2 供电部分电路图

USB 转4 路UART 电路采用FT4232 芯片，支持RS485 方向控制引脚，支持Linux 通用驱动。

USB 接口100 M 以太网电路采用RTL8152 芯片，实现USB 转100 M 以太网接口功能。支持自动方向检测，采用网络变压器RJ45 集成模块。

4 路RS485 转换电路采用sp485 芯片，其主要特性为高摆率、抗干扰和支持最高1～10 Mbps 波特率。RS232 转换电路采用sp3232 芯片，3.3 V 供电提供RXD/TXD 全双工通信。

基于以上设计，本文采用的控制器的主要特性如下：①4 核A53@1.2 G，16/32 G 固态存储；②外扩4 路RS485 接口，1 路RJ45 以太网接口，及其他扩展接口；③支持WiFi AP/STA 模式。

控制器实物图如图3 所示。

图3 嵌入式控制器

2 嵌入式控制器软件设计

本文使用嵌入式Linux 系统开发工具eclipse，完成了数据转换模块、单机控制策略模块等程序的设计。

2.1 数据转换模块设计

选择无线连接的方式对空调进行控制，但由于空调机系统采用Modbus-RTU 协议RS485 介质传输，并不支持通过WiFi 或以太网方式传输。故而需要将WiFi 采集器透传模块（终端层）上传的Modbus-RTU 数据包转换为Modbus-TCP 格式。针对上述需求，在网关上设计了一套协议转换服务功能用于Modbus-RTU 协议与Modbus-TCP 协议的转换。数据转换的流程如下。

1）使用Node.js 的net 组件建立TCP-server 服务，供系统层调用。

2）使用Node.js 的net 组件建立TCP-client 组件，用于连接WiFi 采集器。

3）TCP-server 接收到的Modbus-TCP 读写指令，将TCP 包转换为RTU 包；并通过TCP-client 接口发送到WiFi 采集器。

4）TCP-client 接收到的Modbus-RTU 返回数据，将RTU 包转换为TCP 包，并通过TCP-server 接口发送到系统层使用。

5）加入网络断连重连等纠错机制。

程序流程图如图4 所示。

图4 C/S 通信流程图

2.2 单机控制策略模块设计

控制器一方面将受控负荷的运行状态信息存储至数据库后上传至调度中心，另一方面接收并解析调度中心下发的常规控制指令、削峰策略及控制策略，然后下发控制指令至终端层寄存器。本模块功能由一个定时器实现，定时器的时间周期由策略控制界面中设定的受控周期决定。在总受控时长（控制周期×受控点数）内周期性地调用单机控制回调函数，回调函数的执行步骤如下。

1）遍历变频空调功率削减目标数组。

2）判断当前受控次数是否大于最大受控次数，是则进入温度控制，否则进入步骤3）。

3）判断功率削减目标（绘制的负荷曲线与目标功率之差）是否大于0，是则进入步骤4），否则进入常规温度控制模式。

4）将功率削减目标代入功率削减目标与运行功率拟合的一次函数关系中，计算得出该受控周期需要下发的运行功率百分比。

5）将运行功率百分比push 至指令下发队列。

6）产生log-sys 数据条目，记录控制数据并插入数据库中的log-sys 数据集。

7）功率削减目标数组指针加1，空调受控次数加1，返回步骤1）。

本文采用不考虑用户舒适度的单机控制策略，该策略的目标为通过调节变频空调机组在每个受控周期内的运行功率使负荷曲线变得平缓，主要思想为在削减目标最大值所在受控周期内变频空调以最低功率Pmin运行；当削减目标为0 时，变频空调以参与需求响应前的稳定功率P*运行；其余受控周期内变频空调的下发功率Pset由削减目标与下发功率的函数关系决定，该函数关系式如下

式中：Preduce[i]为第i 个受控周期内的削减目标，考虑到每台空调的最大和最小运行功率可能存在差异，因此本文以最大功率为基准，采用运行功率百分比的形式计算并下发变频空调的限制功率，即当变频空调的限制功率等于最大功率时，下发的功率控制指令为100%。功率控制指令计算公式为

策略示意图如图5 所示。