CN104901307A - 一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法，基于多种网络协议，选择通信方式，实现各设备之间信息交互；利用智能监控设备进行监控；通过户用网关与智能监控设备及电网进行网络通信；管理服务器收集、分析智能监控设备信息，得出最优用能方案；具体包括家庭微电网用能管理终端、户用网关、智能插座、分布式电源接入一体化装置、温、湿度传感器、红外传感器、智能电表。本发明实现了多网络的融合互通、各设备之间信息交互、对家庭主要用能设备、分布式发电设备、房间环境信息的采集、与智能监控设备及电网信息服务平台的网络通信、用户与电网有效互动、电能高效管理和清洁可再生能源充分利用的目的。

Description

一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法
技术领域
本发明属于智能电网技术领域，尤其涉及一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法。
背景技术
随着智能电网研究、建设的不断深入，能够利用清洁可再生能源的分布式电源以及新能源汽车的应用越加广泛，并且随着其应用成本的不断降低，技术的不断成熟，低功率、小体积的分布式电源以及混合动力汽车正逐渐走进一般的家庭用户。传统的单一向电网购电的家庭用电模式转变形成了电能双向流动的微电网型用电模式。现有用能管理系统主要是针对传统家庭用户提出的，没有考虑电能双向流动情况下用户与电网互动的用能管理。研发出一套针对家庭微电网的用能互动管理系统，对于新条件下提高用户用能效率、降低用电成本、促进清洁可再生能源充分利用具有重要意义。
家庭用能互动管理系统的信号传输方式主要分有线和无线两种，有线网络信号传输稳定，但布线麻烦、扩展性差，无线网络则具有成本低、可灵活扩展的优势，却存在信号传输稳定性差的缺陷。目前，在家庭中应用的有线技术主要包括以太网和PLC(电力线载波)技术，无线技术主要可分为低功率无线技术、WIFI技术和ZigBee技术。
家庭用电智能管理系统，通过传感器的使用，实时监测室内人员情况、温度、湿度、光亮度等，通过预设电价与工作模式，可以有效管理家用电器，节约电能使用。一种基于智能交互设备实现家庭用电管理系统，包括主站层、通讯层及终端层，实现了用户用电的全方位可视化，可以为用户提供用电方案。
现有家庭用能互动管理系统主要是针对传统家庭用户设计提出的，单一接受来自电网的购电电价信息，没有考虑分布式电源接入后电能的双向流动，同时现有的家庭用能系统大多只支持与单一通信协议的智能插座、智能电器设备进行通信，而单一通信限制了用户选配智能通信设备的范围，不利于系统的推广应用。同时，特定的通信方式，使系统无法充分利用既有资源，存在系统建设成本高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法，旨在解决现有家庭用能互动管理系统单一接受来自电网的购电电价信息，没有考虑分布式电源接入后电能的双向流动，支持与单一通信协议的智能插座、智能电器设备进行通信，限制了用户选配智能通信设备范围，不利于系统推广应用，建设成本较高的问题。
本发明是这样实现的，一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理方法，该多网络混合的家庭微电网用能互动管理方法基于多种网络协议，依照各家用设备的特点，选择合适的通信方式，实现各设备之间信息交互；利用智能监控设备对用能设备、分布式电源设备和房间环境进行监控；通过户用网关与智能监控设备及电网进行网络通信；通过用能管理服务器收集、分析智能监控设备信息，得出最优用能方案；通过控制智能监控设备实现用能控制，并在移动终端与用户进行交互，最终实现家庭微电网环境下，用户与电网的有效互动、高效的用能管理和清洁可再生能源的充分利用。
本发明的另一目的在于提供一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，该多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统包括家庭微电网用能管理终端、户用网关、智能插座、分布式电源接入一体化装置、温、湿度传感器、红外传感器、智能电表；
家庭微电网用能管理终端，用于综合分析收集来的阶梯电价信息、购/售电政策信息，家用电器、电动汽车负荷需求情况，风机、光伏出力情况以及储能设备的运行状态，基于对分布式电源出力预测信息、户内环境信息、人员活动信息，按照用户预设需求，得出涵盖购/售电量、可中断用电设备开断、分布式电源出力以及储能运行状况的最优化家庭用能调度方案；
户用网关，与家庭微电网用能管理终端连接，用于整合不同模式的网络通信，并通过以太网与家庭微电网用能管理终端相连，实现信息的上传与控制指令的下放；
智能插座，通过Zigbee自组网连接户用网关，用于采集空调、热水器家用电器的通断状态、电压、电流、功率和用电量信息；
分布式电源接入一体化装置，通过PLC方式与户用网关连接，用于发送分布式电源的出力情况，并接收控制指令，进行相应运行方式的改变；将户用风机、光伏以及储能装置接入用户；
温、湿度传感器，与户用网关连接，用于采集家庭温、湿度信息；
红外传感器，与户用网关连接，用于收集房间内人员活动情况信息；
智能电表，与分布式电源接入一体化装置连接，用于将市电引入用户，同时以PLC方式与户用网关相连，实现双向计量和提供电价信息。
进一步，家庭微电网用能互动管理系统根据家庭微电网用能管理系统各组成设备的功能不同，划分为三层：采集层、通讯层、应用层；
采集层包括：湿温度传感器、红外线传感器；智能插座；智能电表；分布式电源接入一体化装置；
通讯层包括：Zigbee通信设备；低功率无线通信设备；PLC通信设备；以太网通信设备；WIFI通信设备；
应用层包括：家庭微电网用能管理终端；多媒体人机互换设备；智能控制终端。
进一步，户用网关包括电源模块、Zigbee通信模块、以太网通信模块、PLC通信模块、低功率无线通信模块和CPU模块；
电源模块为AC电源，功能是给户用网关提供电能；CPU模块与各个通信模块、电源模块相连，功能为汇总、处理各个通信模块收集来的信息，并控制向各个通信模块发送信息，协调控制各个通信模块的工作；Zigbee通信模块为户用网关与智能插座的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，利用Zigbee协议的自组网功能实现智能插座与户用网关之间的上下行通信，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；PLC通信模块为电源接入一体化装置、智能电表与户用网关的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，支持PLC协议，实现彼此之间的信息互通，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；低功率无线通信模块为温湿度传感器、红外传感器与户用网关的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，支持无线传输协议，实现彼此之间的通信，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；以太网通信模块在CPU的控制下，通过协议转换接口，接收来自其他通信模块的信息，并作为通信接口，基于以太网协议，与家庭微电网用能管理终端实现实时信息互通。
智能插座通过Zigbee通信模块连接户用网关，电源接入一体化装置和智能电表通过PLC通信模块连接户用网关，家庭微电网用能管理终端通过以太网通信模块连接户用网关，温、湿度传感器5和红外线传感器通过低功率无线通信模块连接户用网关。
进一步，分布式电源接入一体化装置包括逆变器模块、控制模块、PLC通信模块和计量模块；
逆变器模块连接计量模块，计量模块连接PLC通信模块，PLC通信模块连接控制模块。
逆变器模块通过将风机、光伏发出的直流电转换为交流电，实现分布式电源接入户用配电网；控制模块通过接受来自家庭微电网用能管理终端的控制信息，实现对风机、光伏工作状态的实时控制；PLC通信模块作为一体化接入装置与户用网关的通信接口，基于PLC通信协议，实现信息互通。
进一步，户用网关的以太网模块连接无线路由器，在家庭内部组建WIFI局域网，实现用电信息在电视、电脑、平板、手机多媒体终端的人机交互，路由器通过以太网与广域网相连，接收来自电网信息服务平台的最新用电政策以及风、光预测信息，实现对家庭微电网用能情况的远程监控和控制。
本发明提供的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统及方法，多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，实现了多网络的融合互通，充分依据各家用设备的特点，通过适合的通信方式，实现了各设备之间信息交互以及对现有设备的高效利用，实现了成本投资下的家居智能化改造；通过安装智能插座、智能电表、传感器等智能监控设备，实现了对家庭主要用能设备、分布式发电设备、房间环境等信息的采集；通过户用网关实现了与智能监控设备及电网信息服务平台的网络通信；通过家庭微电网用能管理终端统计分析智能监控设备信息、电网信息，得出最优用能方案；通过控制智能设备实现用能控制，并通过互联网下的多媒体终端设备实现了人机交互和家庭用能的远程监控，扩展了电网公司的服务模式、途径和内容；通过多维度的综合信息采集与控制，实现了对用户高效用能的科学指导和家庭微电网条件下分布式电源、电动汽车等新能源设备与用户、电网三者的良性互动、协调统一。通过家庭微电网用能互动管理系统，最终达到了用户与电网有效互动、电能高效管理和清洁可再生能源充分利用的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统功能层次结构示意图；
图3是本发明实施例提供的分布式电源接入一体化装置电路框图；
图中：1、家庭微电网用能管理终端；2、户用网关；3、智能插座；4、分布式电源接入一体化装置；5、温、湿度传感器；6、红外传感器；7、智能电表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例的多网络混合的家庭微电网用能互动管理方法基于多种网络协议，依照各家用设备的特点，选择合适的通信方式，实现各设备之间信息交互；利用智能监控设备对主要用能设备、分布式电源设备和房间环境进行监控；通过户用网关与智能监控设备及电网进行网络通信；通过用能管理服务器收集、分析智能监控设备信息，得出最优用能方案；通过控制智能监控设备实现用能控制，并在移动终端与用户进行交互。最终实现家庭微电网环境下，用户与电网的有效互动、高效的用能管理和清洁可再生能源的充分利用。
家庭微电网是指智能家居条件下，除了市电接入家庭，还有光伏、风机和储能装置向用户输送电能，同时考虑电动汽车接入负荷情况下新出现的家庭用电结构。
如图1所示，本发明实施例的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统主要包括：家庭微电网用能管理终端1、户用网关2、智能插座3、分布式电源接入一体化装置4、温、湿度传感器5、红外传感器6、智能电表7；
家庭微电网用能管理终端1，综合分析收集来的阶梯电价信息、购/售电政策信息，家用电器、电动汽车等负荷需求情况，风机、光伏出力情况以及储能设备的运行状态，基于对分布式电源出力预测信息、户内环境信息、人员活动信息，按照用户预设需求(经济最优或者舒适度最优)，得出涵盖购/售电量、可中断用电设备开断、分布式电源出力以及储能运行状况的最优化家庭用能调度方案；
户用网关2，与家庭微电网用能管理终端1连接，用于整合不同模式的网络通信，并通过以太网与家庭微电网用能管理终端1相连，实现信息的上传与控制指令的下放；
智能插座3，通过Zigbee自组网连接户用网关2，用于采集空调、热水器等家用电器的通断状态、电压、电流、功率和用电量等信息；
分布式电源接入一体化装置4，通过PLC方式与户用网关2连接，用于发送分布式电源的出力情况，并接收控制指令，进行相应运行方式的改变；将户用风机、光伏以及储能装置接入用户；
温、湿度传感器5，与户用网关2连接，用于采集家庭温、湿度信息；
红外传感器6，与户用网关2连接，用于收集房间内人员活动情况信息；
智能电表7，与分布式电源接入一体化装置4连接，用于将市电引入用户，同时以PLC方式与户用网关2相连，实现双向计量和提供电价信息；
如图2所示，本发明实施例的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统根据家庭微电网用能管理系统各组成设备的功能不同，将其划分为三层：采集层、通讯层、应用层；
采集层包括：湿温度传感器、红外线传感器；智能插座；智能电表；分布式电源接入一体化装置；
通讯层包括：Zigbee通信设备；低功率无线通信设备；PLC通信设备；以太网通信设备；WIFI通信设备；
应用层包括：家庭微电网用能管理终端；多媒体人机互换设备；智能控制终端；
如图1所示，户用网关2包括电源模块、Zigbee通信模块、以太网通信模块、PLC通信模块、低功率无线通信模块和CPU模块；
智能插座3通过Zigbee通信模块连接户用网关2，电源接入一体化装置4和智能电表7通过PLC通信模块连接户用网关2，家庭微电网用能管理终端1通过以太网通信模块连接户用网关2，温、湿度传感器5和红外线传感器6通过低功率无线通信模块连接户用网关2。
如图3所示，分布式电源接入一体化装置4包括逆变器模块、控制模块、PLC通信模块和计量模块；
逆变器模块连接计量模块，计量模块连接PLC通信模块，PLC通信模块连接控制模块；
逆变器模块通过将风机、光伏发出的直流电转换为交流电，实现分布式电源接入户用配电网；控制模块通过接受来自家庭微电网用能管理终端的控制信息，实现对风机、光伏工作状态的实时控制；PLC通信模块作为一体化接入装置与户用网关的通信接口，基于PLC通信协议，实现信息互通。
本发明的工作原理：
如图1所示，户用网关2包括电源模块、Zigbee通信模块、以太网通信模块、PLC通信模块、低功率无线通信模块和CPU模块。户用网关2用以整合不同模式的网络通信，并通过以太网与家庭微电网用能管理终端1相连，实现信息的上传与控制指令的下放。
智能插座3通过Zigbee无线模块，通过Zigbee自组网，实现智能插座3之间以及智能插座3与户用网关2之间的连接，可以采集空调、热水器等家用电器的通断状态、电压、电流、功率和用电量等信息。户用风机、光伏以及储能装置通过分布式电源接入一体化装置4接入用户，分布式电源接入一体化装置4通过PLC方式与户用网关2进行通信，可以发送分布式电源的出力情况，并接收控制指令，进行相应运行方式的改变。电动汽车充电桩通过PLC通信模块实现与户用网关2的通信。温、湿度传感器5通过低功率无线通信模块，与户用网关2进行交互通信，采集家庭温、湿度信息。红外线传感器6通过低功率无线通信模块，以与户用网关2交互通信，收集房间内人员活动情况信息。市电通过智能电表7引入用户，同时智能电表7以PLC方式与户用网关2相连，可以实现双向计量和提供电价信息的功能。户用网关2的以太网模块连接无线路由器，在家庭内部组建WIFI局域网，实现用电信息在电视、电脑、平板、手机等多媒体终端的人机交互。通过设备上安装的客户端软件，对家庭微电网内部各设备的运行方式进行控制。另一方面，路由器通过以太网与广域网相连，一方面用以接收来自电网信息服务平台的最新用电政策以及风、光预测信息，另一方面，可以实现对家庭微电网用能情况的远程监控和控制。
家庭微电网用能管理终端1通过以太网与户用网关2相连，综合分析收集来的阶梯电价信息、购/售电政策信息，家用电器、电动汽车等负荷需求情况，风机、光伏出力情况以及储能设备的运行状态，基于对分布式电源出力预测信息、户内环境信息、人员活动信息，按照用户预设需求(经济最优或者舒适度最优)，得出涵盖购/售电量、可中断用电设备开断、分布式电源出力以及储能运行状况的最优化家庭用能调度方案，实现家庭与电网的互动管理，提高用能效率，节约用户用电成本，同时保障清洁可再生能源的充分利用。
本发明实施例的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统具体实现方法：
家庭微电网内的电能来源包括市电和自发电(来自分布式光伏、分布式风机、储能装置和电动汽车的电能)。连接市电的智能电表7采集用户与电网之间能量交换情况以及当前的电价情况。同时，分布式电源接入一体化装置4，对分布式电源出力信息进行采集。电动汽车既可以作为负荷也可以作为电源，充电桩实时采集其充放电信息。智能插座3收集空调、热水器等家用电器的用电信息和开断情况。另一方面，安装在室内的温、湿度传感器5监测室内相应环境信息，红外线传感器6判断室内是否有人。以上信息汇总至家庭微电网用能管理终端1，综合分析，进而对家庭微电网内各设备进行调控：室内无人时，家庭微电网用能管理终端1可以控制关闭电视机、空调等家用电器；基于室内环境信息，可以依据用户偏好设置，合理调整空调、加湿器等设备的工作状态，保证能效最优或者舒适度最佳；家庭微电网用能管理终端1对采集的用电信息进行多方面的统计分析，得到用户用能规律，结合来自电网信息服务平台的电价信息、补贴政策信息以及分布式发电预测信息，科学安排各装置的工作计划，同时可在多媒体终端设备向用户显示家用电器每天、每周、每月、每季度、每年的用电量曲线图，各种家用电器用电量对比图，以及家用电器耗能排名图等多维度的分析结果，为用户用能提供指导。基于家庭微电网用能管理终端1与电网端的良好互动，用户还在客户端进行微调用电计划策略，远程控制家用电器，在线缴费以及办理电网业务等操作；电网公司也通过网络在客户端向用户提供各种用电服务，包括发布用户月用电情况，推送缴费通知单、停电通知单，以及向用户宣传推广电网相关政策等。
本发明实现了多网络的融合互通，实现了各设备之间信息交互；实现了对家庭主要用能设备、分布式发电设备、房间环境等信息的采集；实现了人机交互和家庭用能的远程监控，最终达到了用户与电网有效互动、电能高效管理和清洁可再生能源充分利用的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理方法，其特征在于，该多网络混合的家庭微电网用能互动管理方法基于多种网络协议，依照各家用设备的特点，选择合适的通信方式，实现各设备之间信息交互；利用智能监控设备对用能设备、分布式电源设备和房间环境进行监控；通过户用网关与智能监控设备及电网进行网络通信；通过用能管理服务器收集、分析智能监控设备信息，得出最优用能方案；通过控制智能监控设备实现用能控制，并在移动终端与用户进行交互，最终实现家庭微电网环境下，用户与电网的有效互动、高效的用能管理和清洁可再生能源的充分利用。
2.一种多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，其特征在于，该多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统包括家庭微电网用能管理终端、户用网关、智能插座、分布式电源接入一体化装置、温、湿度传感器、红外传感器、智能电表；
家庭微电网用能管理终端，用于综合分析收集来的阶梯电价信息、购/售电政策信息，家用电器、电动汽车负荷需求情况，风机、光伏出力情况以及储能设备的运行状态，基于对分布式电源出力预测信息、户内环境信息、人员活动信息，按照用户预设需求，得出涵盖购/售电量、可中断用电设备开断、分布式电源出力以及储能运行状况的最优化家庭用能调度方案；
户用网关，与家庭微电网用能管理终端连接，用于整合不同模式的网络通信，并通过以太网与家庭微电网用能管理终端相连，实现信息的上传与控制指令的下放；
智能插座，通过Zigbee自组网连接户用网关，用于采集空调、热水器家用电器的通断状态、电压、电流、功率和用电量信息；
分布式电源接入一体化装置，通过PLC方式与户用网关连接，用于发送分布式电源的出力情况，并接收控制指令，进行相应运行方式的改变；将户用风机、光伏以及储能装置接入用户；
温、湿度传感器，与户用网关连接，用于采集家庭温、湿度信息；
红外传感器，与户用网关连接，用于收集房间内人员活动情况信息；
智能电表，与分布式电源接入一体化装置连接，用于将市电引入用户，同时以PLC方式与户用网关相连，实现双向计量和提供电价信息。
3.如权利要求2所述的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，其特征在于，家庭微电网用能互动管理系统根据家庭微电网用能管理系统各组成设备的功能不同，划分为三层：采集层、通讯层、应用层；
采集层包括：湿温度传感器、红外线传感器；智能插座；智能电表；分布式电源接入一体化装置；
通讯层包括：Zigbee通信设备；低功率无线通信设备；PLC通信设备；以太网通信设备；WIFI通信设备；
应用层包括：家庭微电网用能管理终端；多媒体人机互换设备；智能控制终端。
4.如权利要求2所述的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，其特征在于，户用网关包括电源模块、Zigbee通信模块、以太网通信模块、PLC通信模块、低功率无线通信模块和CPU模块；
电源模块为AC电源，功能是给户用网关提供电能；CPU模块与各个通信模块、电源模块相连，功能为汇总、处理各个通信模块收集来的信息，并控制向各个通信模块发送信息，协调控制各个通信模块的工作；Zigbee通信模块为户用网关与智能插座的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，利用Zigbee协议的自组网功能实现智能插座与户用网关之间的上下行通信，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；PLC通信模块为电源接入一体化装置、智能电表与户用网关的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，支持PLC协议，实现彼此之间的信息互通，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；低功率无线通信模块为温湿度传感器、红外传感器与户用网关的通信接口，同时作为通信接口与以太网通信模块相连，支持无线传输协议，实现彼此之间的通信，通过协议转换接口与以太网通信模块实现信息互通；以太网通信模块在CPU的控制下，通过协议转换接口，接收来自其他通信模块的信息，并作为通信接口，基于以太网协议，与家庭微电网用能管理终端实现实时信息互通。
智能插座通过Zigbee通信模块连接户用网关，电源接入一体化装置和智能电表通过PLC通信模块连接户用网关，家庭微电网用能管理终端通过以太网通信模块连接户用网关，温、湿度传感器5和红外线传感器通过低功率无线通信模块连接户用网关。
5.如权利要求2所述的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，其特征在于，分布式电源接入一体化装置包括逆变器模块、控制模块、PLC通信模块和计量模块；
逆变器模块连接计量模块，计量模块连接PLC通信模块，PLC通信模块连接控制模块；
逆变器模块通过将风机、光伏发出的直流电转换为交流电，实现分布式电源接入户用配电网；控制模块通过接受来自家庭微电网用能管理终端的控制信息，实现对风机、光伏工作状态的实时控制；PLC通信模块作为一体化接入装置与户用网关的通信接口，基于PLC通信协议，实现信息互通。
6.如权利要求2所述的多网络混合的家庭微电网用能互动管理系统，其特征在于，户用网关的以太网模块连接无线路由器，在家庭内部组建WIFI局域网，实现用电信息在电视、电脑、平板、手机多媒体终端的人机交互，路由器通过以太网与广域网相连，接收来自电网信息服务平台的最新用电政策以及风、光预测信息，实现对家庭微电网用能情况的远程监控和控制。
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