CN104238466A - 基于物联云的智能用电用能系统平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网和云计算技术的智能用电用能系统平台。本发明的智能用电用能系统平台由用电侧系统、用能侧系统和云信息处理平台组成。用电侧系统采用RFID和ZigBee技术实现用电设备的监控和联动，包括本地控制终端和智能插座。用能侧系统基于微网技术和物联网技术进行家庭能源系统与电网之间电力流的科学管理和智能调度，包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源；云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。本发明实现了同“电力公司-分布式能源-物联网设备-设备间联动”全方位互动，兼容家庭能源系统可对分布式电源和储能装置进行科学管控，面向家庭物联网的云计算架构可为每一个用户量身打造出用电用能服务模式，而基于本地专家系统和后台云端的异步同步信息处理模式很好兼顾了事务处理的快速性和可靠性。

Description

基于物联云的智能用电用能系统平台

技术领域

本系统平台涉及一种基于物联网和云计算技术的智能用电用能系统平台，属自动化控制和信息管理技术领域。

背景技术

进入21世纪，节能减碳和提升能源效率成为全世界的共识，智能电网成为全球电力行业应对未来挑战的共同选择。同时，我国“十二五”规划也将物联网和云计算作为国家5大战略性新兴产业之一。物联网技术将进一步助于智能电网的实现，如电网与用户间的智能互动。纵观电力供应网络，在发、输、配和用电四个环节中，用电环节相对薄弱，严重影响电力系统的整体性能和效率。

目前智能用电系统控制家居设备是单一控制方式，联动控制程度不高。设备相互之间没有形成通信和互动。物联网的核心就是物与物之间的信息交互和友好互动。借助物联网技术可以很好地实现智能家居内的各种设备相互通讯和联动，即不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。这将实现全方位的互动，给用户带来最大程度的高效、节能、舒适与安全。

目前家庭物联网环境的研究更多针对前端感知层，然而物联网感知信息的价值提升和效能发挥，取决于后端感知信息的集成处理与系统管控等方面，即物联网长链的后台云计算服务。当前家庭物联网对于家庭环境的感知能力及控制能力都有限，只是按照固定预设模式，不能根据不同用户动态地生成人性化的服务。因此需要建设一个后端处理层，对采集的各种家庭物联网环境数据进行全面科学的分析及挖掘。而这就需要一种高效的通信管理策略，一个能容纳海量数据的存储平台以及一个强大的云计算平台。

传统的智能终端要实现所有计算控制和人机交互，直接与智能家居网交互，这样不能确保控制的可靠性，同时也限制了整个系统功能的扩展和升级。为了提高可靠性，目前智能终端的信息获取以及指令下达，都通过后台服务系统进行中转，而不是直接与用户户内网络(HAN)交互，则智能家居终端只用于信息的转发和相关协议间的转换，不能直接对亟待解决的信息进行快速响应。可见，目前的智能用电系统还不能很好地兼顾事务处理的可靠性和快速性。

目前新家居设备接入系统需要进行复杂的用户干预配置过程，扩展性不强，不能实现即插即用。若在UPnP关键技术的支撑下，各种智能家居设备可以自动、无需任何配置地接入系统。这个过程是全自动的，因此使用者无须进行任何干涉，能极大提高系统的可扩展性。

智能电网鼓励分布式新能源和储能装置接入配电网，这就要求智能用电用能系统能实现家庭能源的感知和管理。传统的家用发电和储能系统缺乏与电力公司、用户之间的友好互动，也没有针对储能装置提出实用的充放电策略以适应峰谷电价制度；无法实现与电网之间电能的双向流动，造成资源浪费；无法在电网停电或故障中保证智能家居系统的正常运行，可靠性较差。此外，目前微网中使用有线通信，灵活性差，也无法适应智能电网背景下的交互式通信、需求侧管理和实时电价等方面的要求。若将微网技术与物联网技术相结合可以有效做到优势互补，解决上述不足和缺陷。微网技术为用户提供高效、节能、灵活、可靠的用电环境，协助电网削峰填谷，同时利用物联网技术对智能家用微网系统进行实时监控。

发明内容

本发明的目的是融合物联网技术、云计算技术和微网技术提供一种智能用电用能系统，用于解决上述不足和缺陷，实现全方位互动，兼容家庭能源系统，每一个用户量身打造出用电用能服务模式，并且很好地兼顾事务处理的快速性和可靠性。

为达到上述目的，智能用电用能系统平台由用电侧系统、用能侧系统和云信息处理平台组成。用电侧系统包括本地控制终端和智能插座。用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源；云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

所述本地控制终端包括实时数据库、专家系统模块、ZigBee/UPnP软件桥、ZigBee主协调器、RS485接口和以太网通讯接口。

所述专家系统模块由知识库、数据库和推理机3部分组成，数据库选自实时数据库相应片段，知识库存储本地的经验性知识，推理机根据推理策略去决策。专家系统和后台云服务进行定期通讯，对专家系统中的知识库和推理机的推理策略进行在线升级，保证决策的正确性和可靠性。

所述ZigBee主协调器负责网络的发起、参数的设定、信息管理及维护等功能。ZigBee主协调器选择一个信道和网络标识符(PAN ID)进行自组网。一旦组网完成后，主协调器就以路由器节点的角色运行，允许RFD终端节点的加入和退出以及同RFD终端节点通信。

所述RS485接口同智能电表通讯，建立智能终端和智能电表的双向互动，以太网通讯接口接入Internet互联网，同云后台服务中心建立通信。

所述智能插座包括ZigBee节点和晶闸管控制模块，ZigBee节点同本地控制终端的ZigBee主协调器建立双向通信，发送用电设备的信息和接收控制信息。晶闸管控制模块实现周波通断和调压控制，实现对不同用电设备的通断控制、调压型和调功型的强度控制。

所述用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源。

所述ZigBee监控节点对分布式微网系统设备进行信息的监测和指令的控制。包括对储能装置的电量状态和运行状态，分布式电源的发电功率和运行状态。同时发送控制信息，如逆变器的功率通断和幅值控制，储能装置充放电控制器的充放电指令。

所述云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

所述数据同步异步接入层主要包括同步消息模块和异步消息模块，主要负责智能终端与云系统的通信管理及消息处理，还对消息的预处理以方便数据存储层的存储和进一步的应用。其中异步消息部分是基于JMS异步消息服务，接受本地智能终端发来的非异常性及非指令性消息。而同步消息处理部分则是基于MINA框架的消息通信管理，先在智能终端与云端之间建立合法会话，然后传送异常性及指令性消息，并实时调用云后台分析，返回操作决策，保证消息的实时处理。

所述数据分布式存储层主要包括核心数据库、业务辅助数据库、文件系统等。其中核心数据库采用HBase数据，负责系统主要元数据的存储；业务辅助数据库则可以采用Oracle等关系数据库来辅助系统的业务快速处理；文件系统采用HDFS分布式文件系统。

所述数据并行处理层主要包括并行数据处理算法模块、用户模式评估模块、数据存取模块等。并行数据处理算法模块为数据分析、数据挖掘的各种任务提供并行算法，主要包含一些基于云计算并行计算MapReduce的算法库；用户模式评估模块对产生的模式进行评估，符合用户要求的结果存入领域知识库，领域知识库可以辅助业务控制逻辑指导数据处理过程；数据存取模块根据不同的需要从数据存储层调取数据或者写入数据。

本发明的智能用电用能系统平台融合物联网技术、云计算技术和微网技术，实现同“电力公司-分布式能源-物联网设备-设备间联动”全方位互动，兼容家庭能源系统可对分布式电源和储能装置进行科学管控，面向家庭物联网的云计算架构可为每一个用户量身打造出用电用能服务模式，基于本地专家系统和后台云端的异步同步信息处理模式很好兼顾了事务处理的快速性和可靠性。全方位互动，兼容家庭能源系统，每一个用户量身打造出用电用能服务模式，并且很好地兼顾事务处理的快速性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的智能用电用能系统平台结构框图。

图2为本发明的实时数据库的数据结构。

图3为本发明的ZigBee/UPnP软件桥的结构图。

图4为本发明的MapReduce处理流程的流程图。

图5为本发明的云信息处理平台结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

智能用电用能系统平台融合物联网技术、云计算技术和微网技术为用户提供智能、舒适、安全、经济、高效的用电用能系统。本发明的智能用电用能系统平台由用电侧系统、用能侧系统和云信息处理平台组成。

如图1为本实施例的智能用电用能系统平台结构框图。本发明的用电侧系统包括本地控制终端和智能插座。用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源；云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

本实施例的本地控制终端包括实时数据库、专家系统模块、ZigBee/UPnP软件桥、ZigBee主协调器、RS485接口和以太网通讯接口。

进一步地，实时数据库的数据结构是由数据库文件头、对象、双对象句柄数组以及位图页表组成。头信息是内存数据库文件的控制信息，位于起始地址；对象句柄组是一个地址数组，存储的是每个对象在共享内存中的相对地址，这2个数组互为备份；系统通过页表在用户存储区内进行内存块的申请和释放。图2给出了本实时数据库的数据结构。

进一步地，专家系统模块由知识库、数据库和推理机3部分组成，数据库选自实时数据库相应片段，知识库存储本地的经验性知识，推理机根据推理策略去决策。专家系统和后台云服务进行定期通讯，对专家系统中的知识库和推理机的推理策略进行在线升级，保证决策的正确性和可靠性。

进一步地，如图3所示，ZigBee/UPnP软件桥是在ZigBee网络和UPnP网络间架设起具有UPnP协议栈的嵌入式软件。ZigBee/UPnP软件桥通过串口连接ZigBee网络的核心设备FFD，通过FFD获取ZigBee-RFD节点信息，并实现对ZigBee-RFD节点的控制。通过和认证和匹配服务模块连接，实现对ZigBee-RFD节点可自动、无需任何配置地接入系统。这个过程是全自动的，使用者无须进行任何干涉。采用ZigBee无线组网和UPnP即插即用技术将ZigBee网络与UPnP标准相结合，让每一个ZigBee结点都成为UPnP设备，构成混合型智能家庭网络，则既能发挥家庭ZigBee设备的灵活、无线控制的优点，又能实现设备的即插即用便利性。

本实施例的全方位互动包括物联网设备间互动、同电力公司互动、同分布式电源互动和同设备间互动。

进一步地，物联网设备间是指家居内的各种物联网设备能相互通讯和联动，而不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。具体步骤如下：

步骤一，各ZigBee精简型RFD节点监测自身状态，并且实时上传信息至主协调器。

步骤二，实时存储刷新模块将物联网设备的信息进行存储，并与专家系统知识库进行分析匹配，判断是否满足联动条件。若满足，进入步骤三；否则，返回步骤一。

步骤三，选择进入离线或在线决策模式进行执行。调用离线和在线决策流程即可。

步骤四，生成联动指令，然后将联动指令转码编制为控制帧，并且根据ZigBee协议中的AES/CCM算法对控制帧加密。

步骤五，查询映射表，将联动指令发送至相应的ZigBee精简型(RFD)终端节点。然后对相应的物联网设备进行控制。

步骤六，返回联动回复，完成一轮物联网设备间互动。

进一步地，用户同电力公司互动是指智能终端与智能电表间互动。智能电表和智能终端通过RS485总线进行通信，智能终端从智能电表接收用户侧的实时用电信息和电网侧的信息。电网侧信息是通过智能电表的双向交互式通信模块从电力公司获得，包括浮动电价(实时电价，阶梯电价)和用户感兴趣的电网服务信息(如停电计划)等。而用户侧信息是来自智能电表的双向计量模块信息，包括用电信息、损耗分析、分布式电源以及储能装置运行状态等。通过智能终端人机界面进行操作，用户可以将家庭用电需求通过智能电表发送至电力公司主机站。通过智能终端的图文并茂的显示界面，用户可以查询近期和历史数据，并作对比分析，做到明白消费，有计划地用电，进而促进用户养成节能减排的习惯。

进一步地，用户同分布式电源互动是指智能终端与能量系统间互动。能量系统的实时运行状态信息将通过Zigbee装置传送至智能终端，主要为发电系统的发电功率信息、储能装置的SOC信息和公共连接点(PCC)状态信息等，智能终端将对其进行统计和运算，并做好必要备份。同时，智能终端再结合智能电表提供的电价信息、服务信息等，确定系统运行状态和相应控制策略，对能量系统进行科学指导与管理。如在峰电价状态，应尽量使用本地电力，仅在必要时(如储能系统SOC过低)使用市电，并且可将多余的电能倒送回电网，在帮助用户获得盈利的同时缓解峰时电网用电压力。通过智能终端与能量系统的互动，实现了能量系统与电网电力的联合可靠供电、分布式发电和储能装置的智能调度以及系统和电网之间的电力双向流动等功能。此外，在储能装置等的控制策略中，根据其实际的安装容量，可科学设置与之对应的合理的阈值信息，从而使系统更灵活与实用。

进一步地，用户同设备间互动是指智能终端与智能插座间互动。智能插座可实时感知用电设备的状态，并将感知信息通过ZigBee无线通信发给智能终端。然后通过专家系统提供的离线决策或云计算服务提供的在线决策分析出控制模式，最后将控制信息发送至相应的智能插座。例如，当连接电视的智能插座监测到电视开启，会向智能终端发送电视的状态信息。智能终端通过匹配专家系统(或云计算在线)分析出联动方式，即灯光控制器应与电视配合，然后智能终端将调暗灯光的指令通过ZigBee无线发送至灯光控制器，最后灯光控制器进行控制灯光亮度。这个过程完全是自动的，用户无需过问。在这联动的过程中，实现了自动节能，并提供给用户便捷舒适的生活体验。还比如电动窗会随着空调的开启而自动紧闭，互动流程思想同上。

本实施例的用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源。

进一步地，控制平台是通过外围接口接收与发送数据。根据自身存储模块存储的数据及程序做出判断形成控制指令，完成系统的运行控制。主要控制程序有光伏发电控制、储能控制电池控制、公共连接点(PCC)开关控制等。

进一步地，ZigBee监控节点对分布式微网系统设备进行信息的监测和指令的控制。包括对储能装置的电量状态和运行状态，分布式电源的发电功率和运行状态。同时发送控制信息，如逆变器的功率通断和幅值控制，储能装置充放电控制器的充放电指令。

本实施例的云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘。

进一步地，云信息处理平台的数据存储基于HBase数据库开发家庭物联网环境数据存储模型，开发出适合智能家居物联网的HomeTable，其能提供高容错、高吞吐量的数据访问，HomeTable的数据模型见表1。每一个HomeTable都是一个稀疏的、分布式的多维有序图，按行键值、列键值和时间戳建立索引。表的每个行都是动态分区，每一个分区称为Tablet，是调整数据分布和负载均衡的最小单位。HomeTable的列组是将多个相关列并为一小组，以提高存取和读取的效率。通过Tablet和列组两大特性提高访问效率和伸缩性。HomeTable的时间戳的类型是64位整数，通过时间戳来进行实时信息的更新，以实现实时状态的监测。

表1 HomeTable的数据模型

进一步地，本实施例的MapReduce处理流程的流程图见图4，步骤如下：

1.首先对输入数据源进行切片；

2.master调度worker执行map任务；

3.worker读取输入源片段；

4.worker执行map任务，将任务输出保存在本地；

5.master调度worker执行reduce任务，reduce worker读取map任务的输出文件；

6.执行reduce任务，将任务输出保存到HDFS。

针对家庭物联网环境的要求，开发出本实施例的云信息处理平台结构如图5所示，主要包括数据接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

进一步地，数据同步异步接入层主要包括同步消息模块和异步消息模块，主要负责智能终端与云系统的通信管理及消息处理，还对消息的预处理以方便数据存储层的存储和进一步的应用。其中异步消息部分是基于JMS异步消息服务，接受本地智能终端发来的非异常性及非指令性消息。而同步消息处理部分则是基于MINA框架的消息通信管理，先在智能终端与云端之间建立合法会话，然后传送异常性及指令性消息，并实时调用云后台分析，返回操作决策，保证消息的实时处理。

进一步地，数据分布式存储层主要包括核心数据库、业务辅助数据库、文件系统等。其中核心数据库采用HBase数据，负责系统主要元数据的存储；业务辅助数据库则可以采用Oracle等关系数据库来辅助系统的业务快速处理；文件系统采用HDFS分布式文件系统。

进一步地，数据并行处理层主要包括并行数据处理算法模块、用户模式评估模块、数据存取模块等。并行数据处理算法模块为数据分析、数据挖掘的各种任务提供并行算法，主要包含一些基于云计算并行计算MapReduce的算法库；用户模式评估模块对产生的模式进行评估，符合用户要求的结果存入领域知识库，领域知识库可以辅助业务控制逻辑指导数据处理过程；数据存取模块根据不同的需要从数据存储层调取数据或者写入数据。

本实施例的基于本地专家系统和后台云端的异步同步信息决策流程，具体步骤如下：

步骤一，根据专家系统分析出该事务的要求，即要求实时性还是可靠性。比如，烟感报警器在检测烟雾浓度超标后，火灾报警事务的实时性更加重要，并且由于该紧急事务处理的流程较为固定，则按照专家系统离线决策的结果可靠性也很高。又比如，远程控制物联网设备，由于物联网设备多样性以及考虑到安全性，所以远程控制事务的可靠性更加重要。

步骤二，判断调用哪种模式，调用的判据是事务处理要求实时响应还是可靠控制。若要求实时响应，进入步骤三；若要求可靠控制，进入步骤四。

步骤三，执行离线决策模式。首先将实时存储刷新模块的运行数据匹配专家系统的知识库数据，然后接收专家系统的分析结果，最后直接对控制信息进行响应。离线决策模式事务处理能力强，实时性强。

步骤四，执行在线决策模式。首先与云计算后台服务系统通信进行上传事务处理请求，然后云计算后台服务系统快速云计算分析出处理结果，最后接收后台服务系统在线智能的决策和控制。在线决策模式提高了事务处理的可靠性。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.基于物联云的智能用电用能系统，其特征在于，包括用电侧系统、用能侧系统和云信息处理平台组成。用电侧系统包括本地控制终端和智能插座。用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源；云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

2.根据权利要求1所述的智能用电用能系统，其特征在于，本地控制终端包括实时数据库、专家系统模块、ZigBee/UPnP软件桥、ZigBee主协调器、RS485接口和以太网通讯接口。RS485接口同智能电表通讯，建立智能终端和智能电表的双向互动，以太网通讯接口接入Intemet互联网，同云后台服务中心建立通信。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的智能用电用能系统，其特征在于，专家系统模块由知识库、数据库和推理机3部分组成，数据库选自实时数据库相应片段，知识库存储本地的经验性知识，推理机根据推理策略去决策。专家系统和后台云服务进行定期通讯，对专家系统中的知识库和推理机的推理策略进行在线升级，保证决策的正确性和可靠性。

4.根据权利要求1和权利要求2所述的智能用电用能系统，其特征在于，ZigBee主协调器负责网络的发起、参数的设定、信息管理及维护等功能。ZigBee主协调器选择一个信道和网络标识符(PAN ID)进行自组网。一旦组网完成后，主协调器就以路由器节点的角色运行，允许RFD终端节点的加入和退出以及同RFD终端节点通信。

5.根据权利要求1所述的智能用电用能系统，其特征在于，智能插座包括ZigBee节点和晶闸管控制模块，ZigBee节点同本地控制终端的ZigBee主协调器建立双向通信，发送用电设备的信息和接收控制信息。晶闸管控制模块实现周波通断和调压控制，实现对不同用电设备的通断控制、调压型和调功型的强度控制。

6.根据权利要求1所述的智能用电用能系统，其特征在于，用能侧系统包括控制平台、ZigBee监控节点、逆变器、充放电控制器、储能装置和分布式电源。ZigBee监控节点对分布式微网系统设备进行信息的监测和指令的控制，包括对储能装置的电量状态和运行状态，分布式电源的发电功率和运行状态。同时发送控制信息，如逆变器的功率通断和幅值控制，储能装置充放电控制器的充放电指令。

7.根据权利要求1所述的智能用电用能系统，其特征在于，云信息处理平台采用分布式存储系统HomeTable实现数据存储分区，MapReduce技术实现家庭物联网的数据分析及数据挖掘，包括数据同步异步接入层、数据分布式存储层和数据并行处理层。

8.根据权利要求1所述和权利要求7所述的智能用电用能系统，其特征在于，数据同步异步接入层主要包括同步消息模块和异步消息模块，主要负责智能终端与云系统的通信管理及消息处理，还对消息的预处理以方便数据存储层的存储和进一步的应用。其中异步消息部分是基于JMS异步消息服务，接受本地智能终端发来的非异常性及非指令性消息。而同步消息处理部分则是基于MINA框架的消息通信管理，先在智能终端与云端之间建立合法会话，然后传送异常性及指令性消息，并实时调用云后台分析，返回操作决策，保证消息的实时处理。

9.根据权利要求1所述和权利要求7所述的智能用电用能系统，其特征在于，数据分布式存储层主要包括核心数据库、业务辅助数据库、文件系统等。其中核心数据库采用HBase数据，负责系统主要元数据的存储；业务辅助数据库则可以采用Oracle等关系数据库来辅助系统的业务快速处理；文件系统采用HDFS分布式文件系统。

10.根据权利要求1所述和权利要求7所述的智能用电用能系统，其特征在于，数据并行处理层主要包括并行数据处理算法模块、用户模式评估模块、数据存取模块等。并行数据处理算法模块为数据分析、数据挖掘的各种任务提供并行算法，主要包含一些基于云计算并行计算MapReduce的算法库；用户模式评估模块对产生的模式进行评估，符合用户要求的结果存入领域知识库，领域知识库可以辅助业务控制逻辑指导数据处理过程；数据存取模块根据不同的需要从数据存储层调取数据或者写入数据。