CN103616880B - 智能用电网络的设计与实现方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种智能用电网络的设计与实现方法，属于智能电网技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，我国不断创下新的用电高峰，峰谷差日益变大，给电力系统运行带来了一 定的困难。电力需求响应为解决这些问题提出了新的思路。
[0003] 国内外在这方面进行了很多研究。在国外，Google公司推出了 Google PowerMeter，使用户从网页上实时获得自己家中或工作单位的用电情况。统计结果表明这 种实时的反馈使得电能使用最高下降了 11%。位于美国俄亥俄州的Oberl in Col lege做过一 个自动化的数据监控系统，该系统对宿舍内部的电能和水的使用提供实时的基于网络的反 馈。经过对照实验，发现引进反馈、教育和激励机制后，用电量减少了32%。由欧洲10国组成 的EcoGrid EU联盟在丹麦的Bornholm岛上实施"EcoGrid EU项目"。该项目创设"实时电力 市场"，通过住宅内的能量信息网关及控制器，实时收集以分为单位变化的市场价格信息并 做出判断，控制器将根据价格自动控制家电（热栗和电热设备)的运转状态。
[0004] 在国内，清华大学电机系电力系统国家重点实验室提出了用户侧能量管理系统 (U-EMS)的概念，并进而设计和实现了用户侧能量管理原型系统，实现电器设备的功率采 集、总用电量计算及电器设备的通断等基础功能。中国电力科学研究院设计了智能家庭能 源系统。该系统由一个家庭式的内部小型网络组成，主要包括智能电表、智能插座/开关、智 能交互终端三部分;各部分通过ZigBee网络进行无线通信;接入分布式能源系统及电动汽 车等设备，并对这些系统和设备进行计量。华北电网有限公司计量中心设计并实现了面向 电力用户的家庭综合能源管理系统，综合家庭能耗监测和能源优化管理，家用电器智能控 制，与用户双向互动等功能，构建了电网与用户能量流、信息流、业务流，实时互动的新型供 用电关系。
[0005] 建设靠且易用的系统，使电力用户方便、乐意且主动地参与到电力需求响应中是 发展的必然趋势。本文设计并初步实现了智能用电网络。硬件方面，通过智能插座、智能红 外控制器等设备，方便地将用户侧的各种电器接入网络;软件方面，自主设计开发了本地平 板客户端及手机客户端的Android应用程序，在实现电力用户与电网的互动上做出了初步 的尝试。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种智能用电网络的设计与实现方法，以便在对电器进行 监测控制的基础上感知电器的状态，实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0008] -种智能用电网络的设计与实现方法，具体包括：
[0009] (1)智能用电网络的功能设计：
[0010] 智能用电网络，是将用户侧的各种电器通过能量信息网关互连而形成的网络。基 于该网络，一方面实现对电器设备的监测与控制，并在此基础上感知电器的状态，实现用电 网络的安全、健康、舒适、节能运行；另一方面，实现协同的自动需求响应，进而参与电网的 优化运行。智能用电网络中的能量信息网关，既是智能电网与用电网络所辖电器的能量消 费接口，也是外部互联网与所辖电器间信息接口。
[0011] 依据上述定义，智能用电网络所必需的功能划分为基础功能、高级功能与互动功 能三部分。其中，基础功能主要负责"实现对电器设备的监测与控制"，称之为"用电SCADA"； 高级功能，主要是在识别电器运行状态基础上，实现当前用电网络的安全、健康、舒适、节能 运行，称之为"用电EMS"；互动功能，主要负责实现当前用电网络与外部电网互动。
[0012] (la)基础功能：
[0013] 智能用电网络的基础功能，是实现对电器设备的数据采集与监视控制 (Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)等，称之为"用电SCADA"。主要包 括：
[0014] 1)遥信：
[0015]智能用电网络将智能插座采集到的开关信息，远距离传输到云端服务器，并进一 步通过移动终端反馈给用户。
[0016] 2)遥测：
[0017] 智能用电网络将智能插座采集到的电器的电压、电流、有功功率、无功功率等实时 运行参数，使用一定的通信技术与数据处理技术，通过互联网远距离传输到云端服务器及 移动终端。
[0018] 3)遥控：
[0019] 智能用电网络实现对电器的远程开关控制。远程开关控制指令从移动终端或云端 服务器发出，通过能量信息网关实现信息交互后传达给智能插座，从而实现对电器的远程 开关控制。
[0020] 4)遥调：
[0021] 智能用电网络实现对电器的工作状态的远程调节。对于空调等电器，远程调节指 令从移动终端或云端服务器发出，通过能量信息网关实现信息交互后传达给智能红外控制 器，从而实现对电器工作状态的远程调节。
[0022] 5)历史数据存储：
[0023] 智能用电网络储存和查看历史数据。储存的历史数据包括实时采集的电器设备的 开关状态、有功功率、无功功率、电压、电流信息等，并进行压缩处理。另外，储存的历史数据 还包括根据上述基本信息得到的能耗信息、电费信息等。
[0024] 6)统计：
[0025] 智能用电网络根据储存的历史数据进行统计与分析。针对某一用户或某一区域用 户，对其使用的电器的工作时间、工作状态等参数进行长期统计分析，得到用户的日常电器 使用习惯、电器使用能效状况等，并进一步给出节能建议及负荷响应策略等。统计分析还综 合不同区域的数据，针对同一类电器的功率、电压等参数进行长期统计分析，得出不同品牌 电器的能耗比等。
[0026] (lb)高级功能：
[0027] 智能用电网络的高级功能，是指在用电SCADA基础上，通过电器运行状态的自识 另IJ、自切换，实现智能用电网络的安全、健康、舒适、节能运行。其中，安全运行，包括两重含 义，第一是指在运行中确保用电者的人身和财产安全，第二是指在运行中确保电器自身的 安全;健康运行，主要指用电网络的运行，应尽量有利于使用者的身体健康，如通过恰当安 排电器的运行方式，尽量避免"空调病"、饮水机反复烧开等;舒适运行，则指用电网络的运 行，一方面，要尽量去提高使用者的舒适度，为使用者创造舒适的工作生活环境;另一方面 要用电网络在使用时要尽量简洁、自然，让使用者更为省心、省力；节能运行，则是指在安 全、健康、舒适的前提下，尽量减少能源消耗，降低温室气体的排放。电力系统能量管理系统 (EMS)是构筑在SCADA基础上的高级应用，而上述这些功能，是建筑在用电SCADA基础上的高 级应用，称之为"用电EMS"。
[0028] 要实现上述功能，首先要根据电器设备的特性，对其运行状态进行精细划分。一般 而言，每一个电器工作状态均划分为正常态与故障态;而正常态又划分为:微功耗休眠、待 机、无效运行、有效运行与异常运行等诸多状态。进一步，还针对电器设备类型，对其工作状 态进行划分，如空调的工作状态划分为开机、关机、制冷、制热、保温、通风、除湿等多个状 ίέτ 〇
[0029] 其次，要在电器设备运行过程中自识别其运行状态。亦即，智能用电网络需具有一 定的"感知"能力，自主判断连入该网络的电器设备处于何种工作状态下。这种判断，一方面 基于对该电器设备的不间断的测量，测量数据包括有功、功率因数、电压、电流、频率等量； 另一方面，也利用智能用电网络中其他传感器所获得的信息，如气温、湿度、是否有人在家 等信息。基于以上信息，针对特定电器的用电特性，利用数据挖掘、模式识别等技术，就根据 电器设备的实时功率与功率曲线，判断该电器设备当前的运行状态。
[0030] 最后，在"运行状态自识别"的基础上，就通过制定策略来实行"运行状态自切换"， 以实现智能用电网络的安全、健康、舒适、节能运行。在进行"运行状态自切换"时，需要考虑 到电器的具体运行状态、具体运行约束(如一天中空调的开关次数、空调两次开关的间隔时 间）以及主人的偏好设置等。
[0031] (lc)互动功能
[0032] 智能用电网络的作用，对内是实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，对外则 是实现协同的自动需求响应，并进而参与电网的优化运行。
[0033]智能用电网络为电力用户提供对应的接口，供用户选择是否接入电网，参与电力 需求响应，帮助电网优化运行，从而参与负荷预测、保证电网低损耗运行等。
[0034] 电力需求响应主要包括基于电价的需求响应和基于激励的需求响应。基于电价的 需求响应主要包括分时电价、实时电价等。基于激励的需求响应包括中断负荷、紧急需求响 应等。
[0035] 智能用电网络针对这两种需求响应，设计不同的方案，使电器自动参与需求响应。 如对于充电类电器(电动汽车等），根据分时电价曲线，将充电时间避开电价高的时间区间。 对于空调、冰箱等具有热惯性的电器，根据分时电价曲线来调整功率，比如在电价低的时候 采取预冷措施，在电价高的时候短暂断电或者将功率调低。对中断类的响应，先与用户签订 合同，当需要削峰的时候，自动将用户家中断开的电器(如空调、热水器等）暂时断开，用户 同时获得一定的补偿。
[0036] 智能用电网络使电器自动参与需求响应，不仅避免了用户自己进行上述繁琐的设 置，还帮助用户获取最优的执行方案，从而使用户在省心、省力的基础上，实现利益最大化， 同时，也帮助电网实现削峰填谷、优化运行与节能减排。
[0037] 基于上述功能设计的一种智能用电网络的设计与实现方法，具体包括硬件部分和 软件实现两部分，其中：
[0038] (1)硬件部分，主要包括智能插座、智能红外控制器、能量信息网关、云端服务器、 客户端这五部分。智能插座、智能红外控制器通过能量信息网关与云端服务器连接，客户端 与云端服务器采用无线连接，各部件功能和过程如下：
[0039] 1)智能插座：智能插座中内置了ZigBee芯片，实现遥控、遥测和遥信的功能。具体 来说，通过ZigBee信号控制该智能插座的开关，并获得返回值，判断控制是否成功;测量接 入智能插座的电器的功率、当前智能插座的电压与电流;通过ZigBee信号向能量信息网关 传输的参数包括:智能插座的开关状态，当前接入该智能插座的电器的功率，当前智能插座 电压、电流等。
[0040] 2)智能红外控制器：智能红外控制器中内置了ZigBee芯片。能量信息网关通过 ZigBee信号对其发出控制信号，并获得返回值，判断信号发出是否成功。智能红外控制器 中，存储一定量的红外码，并且通过ZigBee信号，上传和下载红外指令。
[0041] 3)能量信息网关：能量信息网关由Android平板和ZigBee协调器组成。Android平 板与ZigBee协调器通过串口进行通讯。Android平板中，安装了特定的Android应用程序，一 方面，向串口发送数据，ZigBee协调器接收数据，并以ZigBee信号的形式向智能插座和智能 红外控制器发送。同理，Android应用程序向ZigBee协调器发送查询数据的请求，ZigBee协 调器就发送查询数据的指令，并将接收到的来自智能插座和智能红外控制器的信息传入 Android平板，实现了信息的双向流通。同时，能量信息网关还担负着与云端服务器通讯的 任务。Android平板通过Wi-Fi与云端服务器连接，从而接收来自云端服务器的数据。
[0042] 4)云端服务器：云端服务器为移动终端和能量信息网关的连接中枢，同时也发挥 云端服务器的优势，完成对电器设备信息的海量统计和分析，以及对地区电能使用情况的 计算与优化。
[0043] 5)移动终端:移动终端为用户的智能手机或平板等随身设备，用户下载安装移动 客户端。这样，就能够随时在联网的地方使用移动客户端来查看家中的电器状态，并进行远 程控制。
[0044]上述智能用电网络的控制系统划分成两个层次。第一个层次，是以每个住宅或楼 宇中的每个楼层为单位构成的本地子系统。本地子系统的中枢为本地能量信息网关，网关 通过ZigBee信号与智能插座和智能红外通讯，实现对用电器进行开关、红外控制，并且实时 掌握用电器的开关状态、功率、电压电流等信息。第二个层次，是由每个子系统构成的大系 统。本地能量信息网关通过互联网联接到云端服务器，移动终端通过互联网访问到云端服 务器及本地子系统，实现智能用电网络的基础功能、高级功能与互动功能。
[0045] (2)智能用电网络的软件实现：
[0046] 智能用电网络主要的软件部分包括本地平板及手机客户端，均使用Android平台 开发。用到的相关技术有:基于Android平台对USB接口设备的扩展支持，实现平板与串口之 间相互通信;基于Android平台的Broadcast广播机制，实现模块之间的解親与无缝通讯，保 证了系统结构的稳定性;基于Android平台的Content Provider数据存储技术，设计了适合 智能用电网络的数据库结构。
[0047] 系统的软件架构分为四层，分别为界面、算法、接口及数据。界面层主要包括智能 生活、绿色生活、系统设置三部分。其中智能生活部分主要提供电器的监测与控制功能，绿 色生活部分包括实现电器的安全、健康、节能运行等，系统设置即包括软件的各项设置。算 法层用来处理节能、需求响应、用电安全及控制指令逻辑等部分的实现方法。接口层包括平 板通过串口与协调器中的ZigBee模块通信，也包括平板通过Wi-Fi网络与云端服务器进行 通信。数据层存储了电器运行的历史数据、节能数据、电器红外遥控的红外码及系统的房 间、电器设备等系统结构数据。
[0048] 该发明的有益效果在于:本发明技术在对电器进行监测控制的基础上感知电器的 状态，实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，并进一步实现电网协同需求响应，参与 电网的优化运行。该网络搭建简单，功能丰富，界面友好。该智能用电网络兼顾了电力用户 和电网的利益需求，是电力需求响应发展的一个行实现方向。
附图说明
[0049] 图1是本发明实施例中智能用电网络架构图。
[0050] 图2是本发明实施例中软件分层结构图。
[0051] 图3是本发明实施例中智能用电网络本地客户端截图。
[0052]图4是本发明实施例中智能用电网络手机客户端截图。
[0053]图5是本发明实施例中笔记本电脑运行功率曲线图。
[0054] 图6是本发明实施例中空调运行功率曲线图。
具体实施方式
[0055] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发 明。
[0056] 实施例
[0057] -种智能用电网络的设计与实现方法，具体包括硬件部分和软件实现两部分，其 中：
[0058] (1)硬件部分，主要包括智能插座、智能红外控制器、能量信息网关、云端服务器、 客户端这五部分。整个系统的架构见图1，智能插座、智能红外控制器通过能量信息网关与 云端服务器连接，客户端与云端服务器采用无线连接，各部件功能和过程如下：
[0059] 1)智能插座：智能插座中内置了ZigBee芯片，实现遥控、遥测和遥信的功能。具体 来说，通过ZigBee信号控制该智能插座的开关，并获得返回值，判断控制是否成功;测量接 入智能插座的电器的功率、当前智能插座的电压与电流;通过ZigBee信号向能量信息网关 传输的参数包括:智能插座的开关状态，当前接入该智能插座的电器的功率，当前智能插座 电压、电流等。
[0060] 2)智能红外控制器：智能红外控制器中内置了ZigBee芯片。能量信息网关通过 ZigBee信号对其发出控制信号，并获得返回值，判断信号发出是否成功。智能红外控制器 中，存储一定量的红外码，并且通过ZigBee信号，上传和下载红外指令。
[0061] 3)能量信息网关：能量信息网关由Android平板和ZigBee协调器组成。Android平 板与ZigBee协调器通过串口进行通讯。Android平板中，安装了特定的Android应用程序，一 方面，向串口发送数据，ZigBee协调器接收数据，并以ZigBee信号的形式向智能插座和智能 红外控制器发送。同理，Android应用程序向ZigBee协调器发送查询数据的请求，ZigBee协 调器就发送查询数据的指令，并将接收到的来自智能插座和智能红外控制器的信息传入 Android平板，实现了信息的双向流通。同时，能量信息网关还担负着与云端服务器通讯的 任务。Android平板通过Wi-Fi与云端服务器连接，从而接收来自云端服务器的数据。
[0062] 4)云端服务器：云端服务器为移动终端和能量信息网关的连接中枢，同时也发挥 云端服务器的优势，完成对电器设备信息的海量统计和分析，以及对地区电能使用情况的 计算与优化。
[0063] 5)移动终端:移动终端为用户的智能手机或平板等随身设备，用户下载安装移动 客户端。这样，就能够随时在联网的地方使用移动客户端来查看家中的电器状态，并进行远 程控制。
[0064]上述智能用电网络的控制系统划分成两个层次。第一个层次，是以每个住宅或楼 宇中的每个楼层为单位构成的本地子系统。本地子系统的中枢为本地能量信息网关，网关 通过ZigBee信号与智能插座和智能红外通讯，实现对用电器进行开关、红外控制，并且实时 掌握用电器的开关状态、功率、电压电流等信息。第二个层次，是由每个子系统构成的大系 统。本地能量信息网关通过互联网联接到云端服务器，移动终端通过互联网访问到云端服 务器及本地子系统，实现智能用电网络的基础功能、高级功能与互动功能。
[0065] (2)智能用电网络的软件实现：
[0066] 智能用电网络主要的软件部分包括本地平板及手机客户端，均使用Android平台 开发。用到的相关技术有:基于Android平台对USB接口设备的扩展支持，实现平板与串口之 间相互通信;基于Android平台的Broadcast广播机制，实现模块之间的解親与无缝通讯，保 证了系统结构的稳定性;基于Android平台的Content Provider数据存储技术，设计了适合 智能用电网络的数据库结构。
[0067]智能用电网络的软件架构如图2所示。系统的软件架构分为四层，分别为界面、算 法、接口及数据。界面层主要包括智能生活、绿色生活、系统设置三部分。其中智能生活部分 主要提供电器的监测与控制功能，绿色生活部分包括实现电器的安全、健康、节能运行等， 系统设置即包括软件的各项设置。算法层用来处理节能、需求响应、用电安全及控制指令逻 辑等部分的实现方法。接口层包括平板通过串口与协调器中的ZigBee模块通信，也包括平 板通过Wi-Fi网络与云端服务器进行通信。数据层存储了电器运行的历史数据、节能数据、 电器红外遥控的红外码及系统的房间、电器设备等系统结构数据。
[0068] 本地客户端及手机客户端的部分截图如图3所示。图3是本地客户端截图，主要用 于本地能平板，图4是手机客户端截图。
[0069] 利用上述技术，本发明设计有小型的智能用电网络已经在清华大学紫荆公寓宿舍 区搭建成功并试运行。清华大学紫荆公寓每个宿舍有一台空调，一台饮水机，四个充电台灯 和四台笔记本电脑。以班级为单位，将附近的几个宿舍作为一个子系统，由一个本地能量信 息网关控制。每层楼有三到四个子系统。能量信息网关包括平板和连接在平板上的方盒协 调器。协调器与平板通过串口通信，与智能插座通过ZigBee信号通信，台灯连接在智能插座 上，从而接入到网络之中。智能用电网络的搭建过程十分简单，只需要将电器设备连接到智 能插座上，将智能插座连接到墙上的插座即。智能红外控制器用于控制空调等需要红外控 制的电器，需要对着电器的红外接收器，并提供USB供电。系统运行状态良好。将测得的不同 电器设备的功率数值导出，即得到相应功率曲线。
[0070] 图5为针对某台笔记本电脑测量得到的功率曲线，具体时间段对应的电脑使用状 态如表1。另外，经测量，如果电脑处于休眠状态，则待机功耗仍有1瓦左右。从表1中的数据 看出，笔记本电脑的睡眠功耗巨大，因此，有必要对其进行节能处理。
[0071] 图6为针对某台空调测量得到的从下午14时到夜晚21时的功率曲线。功率曲线的y 轴表示功率，单位为瓦。从图6中看出，空调交替运行于最大功率和低功率下，原因在于当室 内温度达到临界阈值时，空调不再制热或制冷，而进入待机状态。因此，如果空调温度设置 过低，空调会一直运行于高功率状态下，不仅浪费能耗，还对人体健康不利，此时调高温度 至合适的值，不仅节约电能，还保障了使用者的健康。智能用电网络提供诸如此类的最优设 置建议，帮助使用者在了解电器能耗的基础上，实现安全、健康、舒适、节能的用电。
[0072] 表1笔记本电脑的使用状态与时间对应关系
[0073]
T0074]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发 明的保护范围。
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