CN101916093B - 一种能效管理终端及其组成的智能用电暨能效管理系统 - Google Patents
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Abstract
Description
一种能效管理终端及其组成的智能用电暨能效管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及用电能效管理，特别是涉及一种基于用电消费行为模型的能效管理终端及其组成的智能用电暨能效管理系统。
背景技术
[0002] 现有包括工商企业用户、小区居民住宅用户，以及政府及公共建筑用户在内的典型用电用户的电能使用关键指标数据，普遍存在获取效率低、信息粒度过大和时效性差的缺陷，而且，用户的用电行为随意性大，智能用电参与度差。所谓智能用电是通过建设支持双向实时通信的高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure,缩略为AMI),推动用户参与、构建双向互动的需求响应，提高用电水平和电能、资产利用率。与传统用电的区别是强调用户的参与，鼓励用户和电网之间的双向互动。用户从一个单纯的电力消费者变为电网运营的参与者，不仅可以根据自身的需求参与到用电的管理过程，还可以根据电网的实际运行状态对自身用电状态和分布式发电设备的运行状态进行调整，实现电网和用户的双赢。中国 和欧美发达国家通过建设AMI，建立基于智能电表和智能插座的物联网络，耗费了社会和公共事业的大量投入，却未能调动用户广泛参与智能用电。
[0003] 目前，国际上普遍用“能源效率”（energy efficiency)来替代上世纪70年代能源危机后提出的“节能”（energy conservation) —词。上世纪90年代，一种国际上倡导和推行的先进电力资源规划方法和管理技术——电力需求侧管理（Power Demand Side Management，缩略为DSM)介绍到中国，DSM通过采取有效的激励措施，引导电力用户改变用电方式，提高终端用电效率，在用电客户完成同样的电力需求同时减少电力消耗，减少发电成本，达到节能降耗的目的。基于DSM的能效管理系统又称能源效率综合管理系统，其基本功能如下：1)数据获取功能：所述数据包括用户的各个用电设备的电能量数据和非电能量数据，其中电能量数据包括电压、电流、有功功率消耗、无功功率消耗、功率因素；非电能量数据包括温度、湿度、发热量和工况；所述数据还包括电网实时运行数据：反映工业产品单位产出能耗的电网实时运行电价、电网频率、谐波；2)用户能源的调度和管理功能：根据用户的用电需求，向用户提供何种形式的能源，包括风能、太阳能转换的电能源或者直接从电网获取的电能源；3)电能质量监测、在线控制功能：包括通过控制智能终端调节负荷的用电效率，以节约用电；通过智能自动电压控制（Automatic Voltage Control,缩略为AVC) 在线调节系统的无功电压平衡，向用户提供高质量的电能；4)停电管理、故障定位功能：通过物联网络快速准确的探测和定位故障区域，实现电网自愈，降低电网遭受攻击时的脆弱性；5)资产管理和数据分析功能：通过物联网络和数据系统提高电力资产运营的效率。
[0004] 中国专利CN100501794C授权公告了东莞理工学院推出的《一种在线可视化能耗审计管理系统》，它包括电力需求侧能耗审计系统，电力需求侧能耗审计管理系统主要由以下部分组成：电能监控主站：主要功能是接收电能监测仪的数据并将其规则地进行存储供管理应用平台使用；电能监测仪：主要功能是采集电网的电能质量指标数据和负责与其它电能质量控制设备进行通信，将现场采集的数据进行存储和发送；数据通信通道：主要用于数据监控主站与电能监测仪间的通信，可采用内部计算机网、电话通信公网等；管理应用平台：主要功能是对数据监控主站的数据进行加工处理，实现电能可视化；电能监测仪将采集的信息通过数据通信通道发送到电能监控主站，由管理应用平台对信息进行加工处理并输出。本发明根据汇总的信息，提出电力需求侧配网整改方案，并按行业、产品、用电性质建设区镇、县市、地市、省市的多级能耗管理系统，具有应用效果较佳、使用方便等优点。但是，存在诸如采用传统的通信手段无法解决大量用电设备的通信、用电用户局限于工商企业用户，以及没有引导包括工商企业用户、小区居民住宅用户，以及政府及公共建筑用户在内的典型用电用户的用电消费行为，形成参与性更强、互动性更高、共同成长的智能用电的缺陷。能效管理系统大规模推广和应用在现阶段受到用户用电内部通信网络的建设缺乏有效的技术和标准，以及单纯的用电监测难以有效推动用户使用积极性的严重制约。
[0005] 此外，当今的物联网热潮正在带动一批电子产业的发展，比如物流管理、医疗电子、电力控制和智能家居等方面。物联网是集传感器技术、计算机技术和网络技术 为一体的综合性技术，但是，在现有成熟的嵌入式系统平台基础上结合应用传感单元扩展物联和感知的支持能力、且通过物联网中枢服务器应用处理和分析功能的智能用电暨能效管理系统尚未见有实际采用。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种基于用电消费行为模型的能效管理终端。
[0007] 本发明所要解决的另一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种基于用电消费行为模型的智能用电暨能效管理系统
[0008] 本发明的能效管理终端技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0009] 这种能效管理终端，包括微控制器，以及分别与所述微控制器连接的电能计量单元、IXD显示电路、FLASH、继电器开关电路、模拟/数字（Analog/Digital，缩略为A/D)转换器，以及通信模块；还包括数据采样装置，所述数据采样装置通过系统外部通讯接口、接口驱动电路与所述A/D转换器连接。
[0010] 这种能效管理终端的特点是：
[0011 ] 所述微控制器是植入ASIC芯片或者嵌入式芯片并嵌入在电网的用电设备中的微控制器，所述用电设备包括电力设备、用户的机器设备和家用电器。
[0012] 所述数据采样装置是应用传感单元，所述应用传感单元是温度传感器，红外线传感器，震动传感器，电流传感器，电压传感器，气敏传感器、温敏传感器中的至少一种，所述应用传感单元用于采样设定数据在用电消费过程中的时间序列，提供能效管理主站建立基础数据库和用电设备典型数学模型库。
[0013] 本发明的能效管理终端技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
[0014] 所述通信模块是物联网接口模块，所述物联网接口模块用于通过微功率无线信号组成微功率无线自组网。
[0015] 所述能效管理终端还包括两个低压差线性稳压器（Low Dropout regulator,缩略为LD0),能效管理终端的直流电源通过电磁兼容（Electromagnetic Compatibility,缩略为EMC)防护电路一路与LDOl连接后再连接至所述微控制器，另一路与LD02连接后再连接至所述物联网接口模块。所述LD01、LD02分别用于为微控制器、物联网接口模块提供直流稳压电源。
[0016] 本发明的智能用电暨能效管理系统技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0017] 这种智能用电暨能效管理系统，包括能效管理主站，所述能效管理主站包括至少一个管理应用平台以及与所述管理应用平台连接的基础数据库、模型库打印机、以太网交换机和路由器；还包括通信网络、接入通信网络的用户用电设备以及与所述用户用电设备连接的能效管理终端，所述能效管理主站的路由器接入通信网络，所述能效管理终端包括微控制器，以及分别与所述微控制器连接的电能计量单元、LCD显示电路、FLASH、继电器开关电路、A/D转换器，以及通信模块，还包括数据采样装置，所述数据采样装置通过系统外部通讯接口、接口驱动电路与所述A/D转换器连接。
[0018] 这种智能用电暨能效管理系统的特点是：、[0019] 设有基于用电消费行为的样本模型库，所述样本模型库与所述管理应用平台连接，用于提供大量的用电设备实时数据建模和模型识别，同一类用电消费行为对应一类用电消费行为模型。
[0020] 所述样本模型库是用电设备典型数学模型库，其中的用电设备典型数学模型，依据电能生产和消费相互关联且电网和用户双向互动，通过采样设定数据在用电消费过程中的时间序列，即采样多维度参数时间序列，分别建立呈现用电特征的模型，并为用户提供大量的用电设备数据。
[0021] 所述数据采样装置是应用传感单元，所述应用传感单元是温度传感器，红外线传感器，震动传感器，电流传感器，电压传感器，气敏传感器，温敏传感器中的至少一种，所述应用传感单元用于采样设定数据在用电消费过程中的时间序列，提供能效管理主站建立基础数据库和用电设备典型数学模型库。
[0022] 所述通信网络是实时双向的物联网，所述能效管理终端的应用传感单元通过对等方式与所述物联网的各种终端包括另外的能效管理终端建立通信，所述物联网是光纤网络、电力线载波、工业总线、通用分组无线业务（General Packet Radio Service,缩略为 GPRS)、码分多址数字无线业务（Code Division Multiple Access,缩略为CDMA),以及无线传感器网络（Wireless Sensors Network,缩略为WSN)中的至少一种，用于构建用户和用电设备、用户和电网之间的双向通道。
[0023] 本发明的智能用电暨能效管理系统技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
[0024] 所述用电设备典型数学模型的表现形式是矢量、符号串、曲线图的数学关系中的至少一种。
[0025] 所述用电设备典型数学模型的构建，依次有以下步骤：
[0026] I)由能效管理终端的数据采样装置按照用电消费过程的时间序列采样设定数据；
[0027] 2)由能效管理主站建立基础数据库和用电设备典型数学模型库；
[0028] 3)由能效管理主站实时监测用电设备消费行为；
[0029] 4)由管理应用平台提出用电设备消费优化方案；
[0030] 5)闭环控制，通过物联网、通信模块和管理应用平台进行实时的自动优化调节；[0031] 6)由管理应用平台通过模型库修正和完善用电设备典型数学模型。
[0032] 所述步骤I)的采样数据通过物联网传输至管理应用平台。
[0033] 所述步骤2)建立用电设备典型数学模型库的方法，是时间序列法、神经网络法、 人工智能法、小波分析法和组合建模法中的至少一种。
[0034] 所述时间序列法建立的时间序列模型，是二次滑动平均模型、一次指数平滑模型、 指数曲线模型和非齐次指数模型中的一种。
[0035] 所述步骤4)的消费优化方案，通过WEB方式发布数据、能效建议和节能效果比较， 用户可以通过WEB的方式查询到自身的能源消耗情况。
[0036] 本发明的智能用电暨能效管理系统技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
[0037] 所述用电设备典型数学模型库采样设定数据，包括用户的各个用电设备的电能量数据和非电能量数据，其中电能量数据包括电压、电流、有功功率消耗、无功功率消耗、功率因素；非电能量数据包括温度、湿度、发热量和工况；所述数据还包括电网实时运行数据： 反映工业产品单位产出能耗的电网实时运行电价、电网频率、谐波；所述数据通过为用电用户提供服务形成“电网云”计算模式。 [0038] 所述基础数据库包括用于研究某类问题的数据、方法以及相关知识的数据库、方法库和知识库；所述数据库是Mysql数据库、Mssql数据库、Sybase数据库、Oracle数据库中的一种。
[0039] 所述无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,缩略为WSN),是微功率无线自组网，包括ZigBee系统、美国仪表学会ISA 100标准的无线传感器网络、消费电子射频 (Radio Frequency for Consumer Electronics,缩略为 RF4CE)联盟协议标准的遥控制系统。
[0040] 优选的是，所述WSN是ZigBee联盟与Internet工程任务组（Internet Engineering Task Force,缩略为 IETF)组织合作开发的 ZigBee 智能能源（Smart Energy) 产品系列，包括 XBee (R)和 XBee-PRO (R) SE ZigBee 模块，以及 ConnectPort (TM) X2ESP 认证网关。
[0041 ] 所述用户用电设备包括配网柜、配网分支柜、动力柜和用户的各个用电设备，所述用户包括工商企业用户、小区居民住宅用户，以及政府及公共建筑用户在内的用电用户。
[0042] 所述用户用电设备连接的能效管理终端通过WSN相互连接，且与无线集中控制器连接，所述无线集中控制器通过光纤网络、电力线载波、工业总线、GPRS、CDMA与能效管理主站连接。所述用户用电设备将用电信息通过总线直接传输到能效管理终端，能效管理终端也接收由能效管理主站发送给无线集中控制器的上传信息并进行处理。
[0043] 本发明与现有技术对比的有益效果是：
[0044] 本发明不仅在用电现场建立物联网采集大量实时数据，而且进一步建立和分析用电设备典型数学模型库和行业电能典型数学模型库，通过模型分析和科学计算提取用电消费行为模型，采用用电消费行为模型引导用电消费行为，形成参与性更强、互动性更高、共同成长的智能用电暨能效管理系统，规范用户用电消费行为，改善不合理的用电习惯，为用户智能用电和分析节能空间，提高电能使用效率，提供智能用电暨能效管理科学指导。
[0045] 本发明是智能用电的一种实施方式，为用户提供用电信息，并让用户决定如何使用这些信息。从而选择更为便捷的自动控制，显著提高电网运作效率。当在用电负荷高峰期间，选择性关闭一些负荷，节省负荷开支，同时减少二氧化碳排放，提高用电设备用电效率， 实现节能低碳。
附图说明
[0046] 图I是是本发明能效管理终端具体实施方式的组成方框图；
[0047] 图2是本发明智能用电暨能效管理系统具体实施方式的系统方框图；
[0048] 图3是图2系统的一天24小时内电冰箱有功功率消耗的用电设备典型数学模型图。
具体实施方式 [0049] 下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
[0050] 一种如图1、2、3所示的智能用电暨能效管理系统，包括能效管理主站1，能效管理主站包括至少一个管理应用平台4以及与管理应用平台4连接的基础数据库2、模型库打印机5、以太网交换机6和路由器7 ;基础数据库2包括用于研究某类问题的数据、方法以及相关知识的数据库、方法库和知识库；还包括通信网络、接入通信网络的用户用电设备12以及与用户用电设备12连接的能效管理终端10，能效管理主站I的路由器7接入通信网络。 用户用电设备12包括电力设备、用户的机器设备和家用电器。具体包括配网柜、配网分支柜、动力柜和用户的各个用电设备，这些用户包括工商企业用户、小区居民住宅用户，以及政府及公共建筑用户在内的用电用户。
[0051] 能效管理终端10，包括植入ASIC芯片或者嵌入式芯片并嵌入在电网的用电设备 12中的微控制器，以及分别与述微控制器连接的电能计量单元、IXD显示电路、FLASH、继电器开关电路、A/D转换器，以及通信模块；还包括数据采样装置，数据采样装置通过系统外部通讯接口、接口驱动电路与A/D转换器连接。数据采样装置是是温度传感器，红外线传感器，震动传感器，电流传感器，电压传感器，气敏传感器、温敏传感器中的至少一种，用于采样设定数据在用电消费过程中的时间序列，提供能效管理主站I建立基础数据库2和用电设备典型数学模型库3。
[0052] 通信模块是物联网接口模块，用于通过微功率无线信号组成微功率无线自组网。 微功率无线自组网的四自特点是：1)自组织：网络中的节点之间发送信标，知晓相互的状态信息和网络拓扑结构，任何两节点中可能存在多条冗余通讯路径；2)自路由：网络中的节点通过分布式的计算，实时地选择具有最佳的数据可靠性和最小的功率消耗的最优路由路径，以实现数据读取的实时、双向、高速效果；3)自恢复：由自身故障或外部障碍发生解列的网络，能够自动恢复自组网络；4)自愈合：遇到新的障碍如脚手架、新设备或流动性车辆等，能够围绕这些设备重新组织网络。
[0053] 能效管理终端10还包括LDOl和LD02，能效管理终端10的直流电源通过EMC防护电路一路与LDOl连接后再连接至微控制器，另一路与LD02连接后再连接至物联网接口模块。LD01、LD02分别为微控制器、物联网接口模块提供直流稳压电源。
[0054] 能效管理终端10的基本功能，包括I)数据获取功能；2)用户能源的调度和管理功能；3)电能质量监测与在线控制功能；4)停电管理与故障定位功能；5)资产管理和数据分析功能。
[0055] 能效管理主站I是基于面向服务的体系构架（Service-Oriented Architecture, 缩略为SOA)的能效管理主站，利用现有的体系在使用统一接口的条件下提供服务。
[0056] 能效管理主站I以互联网（Internet)为核心，采用浏览器/服务器（BiOwser/ Server，缩略为B/S)或客户机/服务器（Client/Server，缩略为C/S)结构组建而成。采用 B/S结构的能效管理主站1，用户工作界面通过《«W浏览器实现，主要事务逻辑在服务器端实现，形成客户层、应用层和数据层的3层3-tier结构；采用C/S结构的能效管理主站1， 主要事务逻辑合理分配在客户机端和服务器端实现，以降低系统的通讯开销。
[0057] 智能用电暨能效管理系统 的重要特征之一是，设有基于用电消费行为的样本模型库3，样本模型库3与管理应用平台4连接，用于提供大量的用电设备实时数据，同一类用电消费行为对应一类用电消费行为模型，比如注塑机用电行为模型、电冰箱用电行为模型和钢铁行业用电行为模型。
[0058] 样本模型库3是用电设备典型数学模型库，其中的用电设备典型数学模型，依据电能生产和消费相互关联且电网和用户双向互动，通过采样设定数据在用电消费过程中的时间序列，即采样多维度参数时间序列，分别建立呈现用电特征的模型，作为用电消费行为的代表，用于描述和代替识别对象，并为用户提供大量的用电设备数据。分析智能用电消费行为模型可以规范用电行为，分析和改善用电行为，建立典型设备和典型行业的模型库，为用户用电和社会节电提供科学指导。
[0059] 用电设备典型数学模型的表现形式是矢量、符号串、曲线图和数学关系中的至少一种。例如关于一天24小时内电冰箱的有功功率消耗的用电设备典型数学模型，其表现形式是如图3所示的呈现脉冲状变化的曲线图，包括大幅度的短暂跳变，典型特征如下：
[0060] I)在除霜周期1，电冰箱会产生短时间的最高电能消耗574. 7瓦，一般安排在电能消耗低谷的晚间进行除霜，如果自动除霜出现在白天用电高峰电能消耗的高峰期间，由能效管理系统控制错峰暂停；
[0061] 2)在制冰周期2、3，电冰箱会分别产生瞬时的高电能消耗386. 7瓦、274. 8瓦，在用电高峰期间，由能效管理系统控制错峰暂停；
[0062] 3)由于出现关门不严或人为疏忽关门不严故障，电冰箱处于近两小时的长时间开门状态，在相应的压缩机非常规工作周期4，电冰箱会产生长时间的电能消耗149. 4瓦，由能效管理系统提醒消除非正常开门的故障，避免电冰箱大量消耗电能；
[0063] 4)在压缩机常规工作周期5、6，压缩机启动时的瞬时功率高于额定功率，是典型的感性设备。
[0064] 用电设备典型数学模型的构建，依次有以下步骤：
[0065] I)由能效管理终端10的数据采样装置按照用电消费过程的时间序列采样设定数据，采样数据通过物联网14传输至管理应用平台4 ；
[0066] 2)由能效管理主站I建立基础数据库和用电设备典型数学模型库；建库方法，是时间序列法、神经网络法、人工智能法、小波分析法和组合建模法中的至少一种，采用时间序列法建立的时间序列模型，是二次滑动平均模型、一次指数平滑模型、指数曲线模型和非齐次指数模型中的一种；
[0067] 3)由能效管理主站I实时监测用电设备消费行为；[0068] 4)由管理应用平台4提出用电设备消费优化方案，通过WEB方式发布数据、能效建议和节能效果比较，用户可以通过WEB的方式查询到自身的能源消耗情况；
[0069] 5)闭环控制，通过物联网14、通信模块和管理应用平台4进行实时的自动优化调节;
[0070] 6)由管理应用平台4通过模型库3修正和完善用电设备典型数学模型。
[0071] 用电设备典型数学模型库采样设定数据，包括用户的各个用电设备的电能量数据和非电能量数据，其中电能量数据包括电压、电流、有功功率消耗、无功功率消耗、功率因素；非电能量数据包括温度、湿度、发热量和工况；数据还包括电网实时运行数据：反映工业产品单位产出能耗的电网实时运行电价、电网频率、谐波；这些数据通过为用电用户提供服务形成“电网云”计算模式。
[0072] 基础数据库包括用于研究某类问题的数据、方法以及相关知识的数据库、方法库和知识库，是Mysql数据库、Mssql数据库、Sybase数据库、Oracle数据库中的一种。
[0073] 智能用电暨能效管理系统的重要特征之二是，通信网络是实时双向的物联网14， 能效管理终端10的应用传感单元通过对等方式与物联网14的各种终端包括另外的能效管理终端10建立通信。物联网14是光纤网络、电力线载波、工业总线、通用分组无线业务 (General Packet Radio Service,缩略为 GPRS)、码分多址数字无线业务（Code Division Multiple Access,缩略为 CDMA),以及无线传感器网络（Wireless Sensors Network,缩略为WSN)中的至少一种，用于构建用户和用电设备12、用户和电网之间的双向通道，有效解决了现有用户能效管理系统内部通信网络的不足，将信息通信技术、数据和智能用电应用作为服务通过物联网14提供给包括工商企业用户、小区居民住宅用户，以及政府及公共建筑用户在内的典型用电用户。
[0074] 无线传感器网络11 (WirelessSensorNetworks,缩略为WSN),是微功率无线自组网，采用ZigBee联盟与IETF组织合作开发的ZigBee智能能源产品系列，包括XBee(R)和 XBee-PRO (R) SE ZigBee模块，以及ConnectPort (TM) X2 ESP认证网关，利用本地IP将互联网连接无缝集成，ConnectPort X2ESP网关通过宽带或蜂窝网在用户的家庭局域网络（Home Area Network,缩略为HAN)和能源服务门户（Energy Service Portal,缩略为ESP)之间建立起连接。
[0075] 用户用电设备12连接的能效管理终端10通过WSN 11相互连接，且与无线集中控制器9连接，无线集中控制器9通过光纤网络、电力线载波、工业总线、GPRS、CDMA 13与能效管理主站I连接。用户用电设备12将用电信息通过总线直接传输到能效管理终端10，能效管理终端10也接收由能效管理主站I发送给无线集中控制器9的上传信息并进行处理。
[0076] 本发明具体实施方式涉及的基于用电设备典型数学模型的软件系统的总体架构包括：1)数据信息层，包括用户用电设备能耗及能效管理基础数据、能效项目实施前后数据、国内外能效标准、能效管理典型案例数据与信息；2)模型工具层，包括能效分析评估工具、能效项目技术经济评价工具、数据挖掘工具、模型库和知识库管理系统；3)功能应用层，包括能效数据信息管理、用户能源审计、用户能效评估、能效项目方案及评价、节能技术库管理和综合信息查询。
[0077] 本发明具体实施方式实施智能用电暨能效管理包括以下步骤： [0078] I)对用电用户进行能源诊断与审计，包括分析节能空间；[0079] 2)设计能效方案，进行管理培训，包括制定能效培训计划；
[0080] 3)部署用电设备监测装置，包括安装硬件设施；
[0081] 4)部署现场物联网络，包括物联网络、通信模块和能效管理服务客户端的连接；
[0082] 5)部署能效管理主站，用于进行智能化操作及能效管理；
[0083] 6)系统运行，包括在能效管理主站正常运行硬、软件设施，进行可视化管理、能效评估、技术培训以及长期服务；
[0084] 7)将所获信息数据进行分析，并构建基础数据库和基于用电消费行为的样本模型库即用电设备典型数学模型库；
[0085] 8)根据步骤7)的基础数据库和用电设备典型数学模型库所分析的数据结果进行运行成本分析和模式识别；
[0086] 9)提出优化方案和措施； [0087] 10)远程在线调整，无需人工安装节能设备或增加监测点，即可完成优化方案和措施后，返回步骤6)，或者人工安装节能设备或增加监测点，完成优化方案和措施后，返回步骤6)。
[0088] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
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