CN103855807B - 一种可实现家庭智能电网管理的系统、方法及执行模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种执行单元及家庭智能电网管理系统，执行单元将每一个用电器负载的用电情况实时传输给控制服务器，使管理系统能够实时获取每一个用电器负载的用电情况，并利用电力公司数据库进行存储，还可通过人机交互终端实现用户对用电器负载用电数据的实时查询及远距离监控，能够实现用户对家庭用电设备的智能化管理。本发明在控制服务器设置了优化调度功能，能根据非照明用电器的实时用电情况、预设条件以及用户的需求，对非照明用电器进行智能优化管理。

Description

一种可实现家庭智能电网管理的系统、方法及执行模块

技术领域

本发明涉及智能电网中的电能管理调度技术、电力载波通讯技术、网络数据库技术，具体涉及一种家庭电网智能管理系统。

背景技术

智能电网是指：电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

智能家居是指：以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事物的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现节能环保的居住环境。

而目前智能家居的电网在使用过程中，存在以下缺陷：

1、没有专业的服务平台对电网电力运行进行专业管理，特别是在夏季的用电高峰期，电能供应严重不足，电力线路、变压器故障频发，对电力使用进行优化调度更加迫切。

2、不能智能判断、排除故障；

3、不能实施查询电网运行参数、电费；

4、不能按需求智能管理家庭用电设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、控制方便、功能强大、易于实现综合调度的家庭智能化电网管理系统，其主要通过现场执行模块与控制服务器，和人机交互终端进行数据传输，方便电力公司在用电高峰期优化调度电力运行，用户远程控制、监视家用电器，并具有查询家用电器历史工作情况功能。

为实现本发明目的，本发明首先提供了一种执行模块，该执行模块安装在电力用户家庭中，用以实现用电器负载的现场控制，其特征在于包括：

电源输入接口，连接电力传输线；

电源输出接口，连接用电器负载；

电压测量仪器，与电源输入接口连接，测量输入电压并传给MCU控制单元；

电流测量仪器，连接在负载回路中，测量负载电流并传给MCU控制单元；

手动控制开关FS和网络控制开关NS，连接在负载回路中，控制负载通断；

UPS电源模块，与电源输入接口连接，将输入电源进行转换后给执行模块的各个单元供电；

PLC通信单元，与电力传输线连接，同时与MCU控制单元连接，实现执行模块与家庭智能电网管理服务器之间的信息传递；

MCU控制单元，处理各种输入信息，并通过PLC通信单元与家庭智能电网管理服务器进行数据交换，同时实现对用电器负载的控制。

本发明进一步提供了包括有上述执行单元的家庭智能电网管理系统，该系统还包括耦合器、控制服务器、电力公司数据库、互联网、人机交互终端；每个用电器负载配备一个执行模块，以实现各个用电器负载的现场控制；耦合器利用通信编码和耦合技术实现执行模块和控制服务器之间实时信号的双向传输，所述控制服务器实现实时信号的处理并通过互联网与电力公司数据库进行数据交换，并响应用户的要求实现对非照明电器的优化调度；所述电力公司数据库用以存储电力用户家庭中每一个执行模块的历史数据和实时数据，人机交互终端通过互联网实现用户与控制服务器的信息交流。

所述家庭智能电网管理系统的优化调度方法具体如下：

用电高峰期，控制服务器时刻检测每一个执行模块所返回的实时电流值i_i，如果该实时电流值i_i接近正常工作电流值并且该执行模块所接负载为非照明设备，则将该执行模块纳入优化调度组成员，具体按如下方法进行优化调度：

1)所有组员按序进行编号，为组员0，组员1…组员N-1，并保存到数组Number[N]中，初始化调度次数n，设置调度最大次数N_max＝k×N，其中N为组员总数，k为一次优化调度最大全局遍历次数；

2)估算系统实时功率，如果系统功率充足，功率缺额标志lack=0，结束流程；如果系统存在功率缺额，功率缺额标志lack=1，执行第3）步；

3)判断调度次数n是否超过设定最大值N_max，如果n≤N_max，执行第4）步；否则请求下一次调度，返回执行第1）步；

4)判断组员i是否使能调度，如果组员i未使能调度，调度使能位enable[i]=0，不做任何操作；如果组员i使能调度，调度使能位enable[i]=1，执行第5）步；调度使能位enable[i]由用户通过客户端设置，任意组员i的调度使能状态由调度使能状态检测中断模块采集，并传送至控制服务器；

5)判断控制量的实际偏差值是否处于用户允许范围，如果|x_ireal-x_iset|≤x_idelta，执行第6）步调度关机操作，否则执行第6）步调度开机操作；控制量的期望值x_iset和允许偏差值x_idelta由用户通过客户端设置，传感器单元检测所需控制量x_ireal并通过传感器测量中断模块传送至控制服务器；

6)调度开机操作：当组员i于关机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i开机，返回正常开机信号，并将组员i重新纳入组员，执行第7）步；调度关机操作：当组员i处于开机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i关机，并将组员i暂时从优化调度组去除；保持对组员i控制量x_ireal持续采集；

7)将组员i地址自增一次，调度次数n自增一次，返回第2）步，重复执行第2）步～第7）步。

本发明通过在电力用户家庭现场为每一个用电器负载配备一个执行单元，可以手动或网络控制用电器负载通断，执行单元将每一个用电器负载的用电情况实时传输给控制服务器，使管理系统能够实时获取每一个用电器负载的用电情况，并利用电力公司数据库进行存储，还可通过人机交互终端实现用户对用电器负载用电数据的实时查询及远距离监控，能够实现用户对家庭用电设备的智能化管理。由于本发明的执行单元能够获取单个用电器负载的用电数据，通过控制服务器能计算出任意时段每一执行模块的耗电量，因此也特别适用于合租人群。本发明在控制服务器设置了优化调度功能，能根据非照明用电器的实时用电情况、预设条件以及用户的需求，对非照明用电器进行智能优化管理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图1是家庭智能电网管理系统结构示意图；

附图2是执行单元结构示意图；

附图3是优化调度方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明

如图1所示，本发明的家庭智能电网管理系统，它包括有执行模块、耦合器、控制服务器、电力公司数据库、互联网、人机交互终端。

每个用电器负载配备一个执行模块，以实现各个用电器负载的现场控制。耦合器利用通信编码和耦合技术实现执行模块和控制服务器之间实时信号的双向传输。电力公司数据库用以存储电力用户家庭中每一个执行模块的历史数据和实时数据，包括：各执行单元当前1-2月电压u(t)、电流i(t)；开关机状态；室内温度、湿度、空气质量；噪声分贝数等。根据权限级别，电力公司数据库中保存的所有参数均可访问。人机交互终端通过互联网实现用户与控制服务器的信息交流。

使用时，人机交互终端需安装客户端，用户通过客户端对家用电器进行类型定义、使能和初始化，客户端设有各家用电器用电查询通道、远程开关机功能。控制服务器判断某执行模块是否开机成功以对应电流返回值为准，如果连续3次开机失败，控制服务器将开机失败信息返回客户端。

人机交互终端利用互联网通过控制服务器与执行模块进行数据传输，用户在人机交互终端的软件界面选择控制命令或查询指令，该命令通过互联网传输至控制服务器。控制服务器根据特定指令访问并操作电力数据库，与电力公司数据库进行数据交换，进行科学计算、逻辑分析后向人机交互终端返回准确信息。还响应用户的需求实现对非照明电器的优化调度。

任何一台电器，被赋予权限的用户可以通过人机交互终端定义或者修改设备类型（如空调、空气净化器、电视、冰箱、照明设备等）、正常工作电流值正常工作电流上限U_i、正常工作电流下限L_i、开路电流上限U_ioff等，并保存在电力公司数据库中。

如图2所示，执行模块安装在电力用户家庭中，用以实现用电器负载的现场控制，它包括：

单相线输入接口L1和中性线输入接口N1，地线接口E，单相线输出接口L2，中性线输出接口N2，电压测量仪器，电流测量仪器，采用单刀双掷开关的手动控制开关FS，采用单刀双掷继电器的网络控制开关NS，PLC通信单元，UPS电源单元，MCU控制单元。单相线输入接口L1、中性线输入接口N1、地线接口E构成电源输入接口，与电力传输线连接，单相线输入接口L1、中性线输入接口N1、地线接口E分别连接电力线中的单相电线、中性电线、接地线。单相线输出接口L2，中性线输出接口N2构成电源输出接口，与用电器负载连接。

UPS电源模块连接在单相线输入接口L1、中性线输入接口N1之间，为执行模块的各个单元提供工作电源。UPS电源模块可选用美国POWERINTERGRATION公司的TOPSWITVH-GX系列芯片TOP244Y。电压测量仪器连接在单相线输入接口L1、中性线输入接口N1之间并与MCU控制单元连接，用于测量输入电压并传给MCU控制单元。手动控制开关FS和网络控制开关NS连接单向负载。电流测量仪器串联在单相负载的回路中并与MCU控制单元连接，用于测量负载电流并传给MCU控制单元。PLC通信单元一端通过耦合电容与电力传输线连接，另一端接MCU控制单元，用于实现执行模块与智能电网管理系统之间的信息传递；MCU单元是执行模块的核心，通过信号调理、A/D转换和编码等手段处理各种输入信息，再通过PLC单元将信号传达至控制服务器。

执行单元还可以根据用户需要和家用电器设备特殊需求装设传感器单元和/或遥控器单元。传感器单元为满足用户检测屋内温度、湿度、噪声、光强、空气质量等特殊需要选装部件，用于检测环境信息（温度、湿度、噪声、光强、空气质量等）并传给MCU控制单元处理，例如温度计、湿度计等传感器。遥控器单元为需遥控电器如空调、热水器、DVD、录像机、微波炉等的选装部件，可以采用特定频段的红外发射器，用于响应MCU控制单元的指令实现对用电器的遥控。

每个MCU单元占据一个独一无二的编码地址，该地址为控制服务器识别每一台物理设备提供依据。

控制服务器内置默认优化调度程序段，对于非照明电器，当用户通过人机交互终端使能优化调度功能后，控制服务器可以对相应某一台家用电器执行调度功能。优化调度算法根据电力公司优化目标可进行升级更新。如图3所示，控制服务器实现优化调度的具体方式如下：

用电高峰期，控制服务器时刻检测每一个执行模块所返回的实时电流值i_i，如果该实时电流值i_i接近正常工作电流值并且该执行模块所接负载为非照明设备，则将该执行模块纳入优化调度组成员（以下简称组员）。

1)对所有组员进行编号，为组员0，组员1…组员N-1，并保存到数组Number[N]中。初始化调度次数n，设置调度最大次数N_max＝k×N，其中N为组员总数，k为一次优化调度最大全局遍历次数，即一次优化调度操作中一个执行模块的最大开关机次数。

2)估算系统实时功率，如果系统功率充足，功率缺额标志lack=0，结束流程；如果系统存在功率缺额，功率缺额标志lack=1，执行第3）步。

其中，有功缺额由频率判断，如果频率低于50Hz（根据实际情况预设），缺有功。无功缺额由电压判断，如果电压低于220V（根据实际情况预设），缺无功。

3)判断调度次数n是否超过设定最大值N_max，如果n≤N_max，执行第4）步；否则请求下一次调度，返回执行第1）步；

4)判断组员i是否使能调度，如果组员i未使能调度，调度使能位enable[i]=0，不做任何操作；如果组员i使能调度，调度使能位enable[i]=1，执行第5）步；调度使能位enable[i]由用户通过客户端设置，任意组员i的调度使能状态由调度使能状态检测中断模块（EnableInterrupt）采集，并传送至控制服务器；

5)判断控制量的实际偏差值是否处于用户允许范围，如果|x_ireal-x_iset|≤x_idelta，执行第6）步调度关机操作，否则执行第6）步调度开机操作；控制量的期望值x_iset和允许偏差值x_idelta由用户通过客户端设置，传感器单元检测所需控制量x_ireal（如加湿器的控制量为湿度、空调或取暖器的控制量为温度等，不同用电器所需控制量不同）通过传感器测量中断模块（DetectionInterrupt）传送至控制服务器；

6)调度开机操作：当组员i处于关机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i开机，返回正常开机信号，并将组员i重新纳入组员，执行第7）步；调度关机操作：当组员i处于开机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i关机，并将组员i暂时从优化调度组去除，保持对组员i控制量x_ireal持续采集；如果组员i处于欠压故障或过流故障状态，控制服务器将故障类型返回给人机交互终端，并暂时将组员i从优化调度组去除，等待用户现场处理，保持对组员i控制量x_ireal持续采集。

开、关机操作的具体定义以组员i返回的实时电流值i_i为准。组员i的工作状态根据工作状态函数state[i]的返回值确定，组员i工作状态函数state[i]定义如下：

其中，

i_i，组员i的实时电流值，由执行模块检测；

组员i正常工作电流值，由用户预设；

U_ioff，组员i开路电流上限，由用户预设；

L_i，组员i正常工作电流下限，由用户预设；

U_i，组员i正常工作电流上限，由用户预设。

7)将组员i地址自增一次，调度次数n自增一次，返回第2）步，重复执行第2）步～第7）步。

电力公司控制服务器保存2-3月每一执行模块所接电器的用电数据u(t)、i(t)，根据目前电力公司已具备的内置分时电价曲线Ra(t)，控制服务器能计算出任意时段每一执行模块的耗电量和电费 $\mathrm{Cost}(t_2-t_1)={\∫}_{t_1}^{t_2}u\left(t\right)\·i\left(t\right)\·\mathrm{Ra}\left(t\right)\mathrm{dt},$ 对于合租群体，是一大福音。

执行模块预留的传感器接口可输入-5V到5V的电压信号，接入的传感器类型由用户通过客户端定义（如温度、湿度等）并进行自校正。MCU控制单元中的传感器程序段预留了线性校正输入。以温度校正为例，MCU控制单元测量温度T_display与实时实际温度T_real的关系为：T_display＝K·T_real，K为MCU内部设定的计算比例参数值。输入实时温度显示为T₀，输入对应的实时准确温度T₁，得到校正后比例值为

Claims (3)

1.一种家庭智能电网管理系统的优化调度方法，所述家庭智能电网管理系统包括执行模块、耦合器、控制服务器、电力公司数据库、互联网、人机交互终端；每个用电器负载配备一个执行模块，以实现各个用电器负载的现场控制；耦合器利用通信编码和耦合技术实现执行模块和控制服务器之间实时信号的双向传输，所述控制服务器实现实时信号的处理并通过互联网与电力公司数据库进行数据交换，并响应用户的要求实现对非照明电器的优化调度；所述电力公司数据库用以存储电力用户家庭中每一个执行模块的历史数据和实时数据，人机交互终端通过互联网实现用户与控制服务器的信息交流；所述执行模块安装在电力用户家庭中，用以实现用电器负载的现场控制，包括：

电源输入接口，连接电力传输线；

电源输出接口，连接用电器负载；

电压测量仪器，与电源输入接口连接，测量输入电压并传给MCU控制单元；

电流测量仪器，连接在负载回路中，测量负载电流并传给MCU控制单元；

手动控制开关FS和网络控制开关NS，连接在负载回路中，控制负载通断；

UPS电源模块，与电源输入接口连接，将输入电源进行转换后给执行模块的各个单元供电；

PLC通信单元，与电力传输线连接，同时与MCU控制单元连接，实现执行模块与家庭智能电网管理服务器之间的信息传递；

MCU控制单元，处理各种输入信息，并通过PLC通信单元与家庭智能电网管理服务器进行数据交换，同时实现对用电器负载的控制；

其特征在于：

用电高峰期，控制服务器时刻检测每一个执行模块所返回的实时电流值i_i，如果该实时电流值i_i接近正常工作电流值并且该执行模块所接负载为非照明设备，则将该执行模块纳入优化调度组成员，具体按如下方法进行优化调度：

1)所有组员按序进行编号，为组员0，组员1…组员N-1，并保存到数组Number[N]中，初始化调度次数n，设置调度最大次数N_max＝k×N，其中N为组员总数，k为一次优化调度最大全局遍历次数；

2)估算系统实时功率，如果系统功率充足，功率缺额标志lack＝0，结束流程；如果系统存在功率缺额，功率缺额标志lack＝1，执行第3)步；

3)判断调度次数n是否超过设定最大值N_max，如果n≤N_max，执行第4)步；否则请求下一次调度，返回执行第1)步；

4)判断组员i是否使能调度，如果组员i未使能调度，调度使能位enable[i]＝0，不做任何操作；如果组员i使能调度，调度使能位enable[i]＝1，执行第5)步；调度使能位enable[i]由用户通过客户端设置，任意组员i的调度使能状态由调度使能状态检测中断模块采集，并传送至控制服务器；

5)判断控制量的实际偏差值是否处于用户允许范围，如果|x_ireal-x_iset|≤x_idelta，执行第6)步调度关机操作，否则执行第6)步调度开机操作；控制量的期望值x_iset和允许偏差值x_idelta由用户通过客户端设置，传感器单元检测所需控制量x_ireal并通过传感器测量中断模块传送至控制服务器；

6)调度开机操作：当组员i处于关机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i开机，返回正常开机信号，并将组员i重新纳入组员，执行第7)步；调度关机操作：当组员i处于开机状态时，控制服务器发出网络开关动作指令，组员i关机，并将组员i暂时从优化调度组去除，保持对组员i控制量x_ireal持续采集；

7)将组员i地址自增一次，调度次数n自增一次，返回第2)步，重复执行第2)步～第7)步。

2.如权利要求1所述的优化调度方法，其特征在于如果组员i处于欠压故障或过流故障状态，控制服务器将故障类型返回给人机交互终端，并暂时将组员i从优化调度组去除，等待用户现场处理，保持对组员i控制量x_ireal持续采集。

3.如权利要求1或2所述的优化调度方法，其特征在于开、关机操作的具体定义以组员i返回的实时电流值i_i为准，组员i的工作状态根据工作状态函数state[i]的返回值确定，组员i工作状态函数state[i]定义如下：

其中：

i_i，组员i的实时电流值，由执行模块检测；

组员i正常工作电流值，由用户预设；

U_ioff，组员i开路电流上限，由用户预设；

L_i，组员i正常工作电流下限，由用户预设；

U_i，组员i正常工作电流上限，由用户预设。