CN105740983A - 一种智能用电优化方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能用电优化方法、装置及系统，其中方法步骤包括：根据预定家庭用电数据；根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。本发明基于预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案，使得用户可以采用最优用电方案进行用电，以根据该最优用电方案对家用电器进行智能控制，达到节能减耗的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能用电优化方法、装置及系统，属于智能电网技术领域。
背景技术
随着社会不断进步发展，电网用户侧对供电可靠性要求不断提高，用电服务需求也逐渐多样化，同时日益严峻的能源短缺问题，对提高能源利用率也提出了要求，从而使得电力行业面临史无前例的挑战。目前各个国家相继把智能用电技术研究作为应对挑战的措施之一，经济用电也已经由节约用电转变为合理规划基础上的智能用电，因此如何更好地根据需求响应分时电价项目控制家庭用电、管理用电习惯已经成为智能用电技术发展的趋势。
随着电子产品及电器的大量使用，我国居民生活用电量正在以每年几百亿千瓦时的速度在增长，虽然大量节能电器推广使用可以达到减少用户家庭能耗的目的，但是目前用户家庭的电能表仅仅能记录用户消耗的总电能，无法分析用户用电设备能耗的情况，故用户无法获知应该如何用电才能使得能耗最小。
发明内容
本发明提供了一种智能用电优化方法、装置及系统，以解决目前用户无法获知用电设备能耗情况，导致自身不知如何智能用电的问题，为此本发明采用如下的技术方案：
提供了一种智能用电优化方法，包括：
接收预定家庭用电数据；
根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
还提供了一种智能用电优化装置，包括：
接收模块，用于接收预定家庭用电数据；
最优解确定模块，用于根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
还提供了一种智能用电优化系统，包括：
上述的智能用电优化装置和家用电器，所述家用电器通过紫蜂协议ZigBee网络和/或电力线通信PLC技术与所述智能用电优化装置连接，以通过智能用电优化装置得到的最优用电方案对家用电器进行控制。
本发明所述的智能用电优化方法及装置基于预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案，使得用户可以采用最优用电方案进行用电，以根据该最优用电方案对家用电器进行智能控制，达到节能减耗的效果。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一智能用电优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的又一智能用电优化方法的流程示意图；
图3-1为本发明实施例所述的智能用电优化方法中动态规划算法过程示意图；
图3-2为本发明实施例所述的智能用电优化方法中优化的家庭能源流程示意图；
图4为本发明实施例所述的智能用电优化方法与实时控制关系示意图；
图5为本发明实施例所述的一智能用电优化装置的结构示意图；
图6为本发明实施例所述的又一智能用电优化装置的结构示意图；
图7-1为本发明实施例所述的一智能用电优化系统的结构示意图；
图7-2为本发明实施例所述的一智能用电优化系统的控制方案示意图；
图8为本发明实施例所述的智能用电优化系统中ZigBee网络技术流程图；
图9为本发明实施例所述的智能用电优化系统中PLC技术的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本具体实施方式提供了一种智能用电优化方法，如图1所示，包括：
S110、接收预定家庭用电数据。
具体地，预定家庭用电数据可以是每个家用电器分别的用电信息，例如：电视用电信息、空调用电信息、洗衣机用电信息、冰箱用电信息和/或电脑用电信息等。具体每个家用电器的用电信息可以是每个家用电器通过ZigBee(紫蜂协议)网络和/或PLC(PowerLineCommunication，电力线通信)技术通过网关上报的，也可以是通过检测器对每个家用电器的用电信息进行检测后上报的，本发明实施例对预定家庭用电数据的发送方不做限定。
S120、根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
作为可选的，根据所述预定家庭用电数据设定每日最小用电能耗作为目标函数，预定电价标准和用户舒适度作为约束条件通过动态规划算法得到最优用电方案。具体地，设定每日最小用电能耗作为目标函数的步骤：设定为目标函数，其中，n＝1,2,3,...,24，Pn表示第n小时的电价，En表示第n小时的用电消耗。预定电价标准可以是分时电价或阶梯电价等标准。用户舒适度可以是通过控制空调的开启或关闭以保证室内温度在用户设置的舒适温度范围内，和/或通过对电灯亮度的调节以保证室内亮度在用户设置的舒适亮度范围内等。
本具体实施方式还提供了另一种智能用电优化方法，如图2所示，包括：
S210、接收预定家庭用电数据。
S220、建立预定家庭用电模型，获得每个预定家用电器的曲线特征。
具体地，可以基于各负荷元件常用数学模型和家用电器的实际测量结果建立预定家庭用电模型，优化出家庭用电模型曲线获得每个预定家用电器的曲线特征。
S230、根据所述预定家庭用电数据设定每日最小用电能耗作为目标函数，获得的每个预定家用电器的曲线特征、预定电价标准和用户舒适度作为约束条件通过动态规划算法得到最优用电方案。
作为可选的，以为目标函数，每个预定家用电器的曲线的波峰和波谷、分时电价标准和用户舒适度作为约束条件利用动态规划算法进行优化得到最优用电方案，以达到节约电能、削峰填谷的效果。
具体地，动态规划算法属于运筹学的一个分支，与其说动态规划是一种算法，不如说是一种思维方式更为贴切。因为动态规划没有固定的框架，即便是应用到同一道题上，也可以简历多种形式的求解算法。因此，动态规划不像其他优化算法那样可以提供一套模式，需要的时候，拿来就可以应用；它必须对具体问题进行具体分析处理，需要丰富的想象力去建立模型，需要创造性的思想去求解。该算法最大的优势在于它具有极高的效率。
动态规划算法的基础是最优性理论：最优策略包含的子策略一定是最优子策略。该算法将问题分解为若干阶段，以本发明实施例中家庭用电为例，将问题按照时间段划分为24个阶段，每个阶段中包含有一系列状态，若从一个阶段的任意一状态到下一阶段的任意状态是可行的，成为一个可行决策。在动态规划算法顺推解法中，从初始状态开始，根据初始条件和递推方程，沿着可行决策由前向后推算，直至求得目标函数的最优解，具体示意图如图3-1所示，动态规划算法优化的家庭能源流程图如图3-2所示。
作为可选的，以对每个预定家用电器的曲线进行削峰填谷和减少电费作为约束条件为例，本发明实施例对当日用电数据通过所述的一种智能用电优化方法与实时控制关系图如图4所示，
与上述方法权项对应，本发明实施例还提供了一种智能用电优化装置，如图5所示，包括：
接收模块510，用于接收预定家庭用电数据。
最优解确定模块520，用于根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
如图6所示，所述智能用电优化装置还可以包括：
模型建立模块530，用于建立预定家庭用电模型，获得每个预定家用电器的曲线特征。
如图6所示，所述最优解确定模块中还包括：
目标函数确定子模块5201，用于根据所述预定家庭用电数据设定每日最小用电能耗作为目标函数。
具体地，用于设定其中，n＝1,2,3,...,24，Pn表示第n小时的电价，En表示第n小时的用电消耗。
最优用电确定子模块5202，用于获得的每个预定家用电器的曲线特征、预定电价标准和用户舒适度作为约束条件通过动态规划算法得到最优用电方案。
本发明实施例还提供了一种智能用电优化系统，包括：本发明实施例所述的智能用电优化装置和家用电器，所述家用电器通过紫蜂协议ZigBee网络和/或电力线通信PLC技术与所述智能用电优化装置连接，以通过智能用电优化装置得到的最优用电方案对家用电器进行控制。所述智能用电优化装置基于TCP(TransmissionControlProtocol，传输控制协议)/IP或网关通过因特网与用户终端连接，用户终端可以是电脑、手机或平板设备等。具体地，所述系统的结构示意图如图7-1所示，所述系统的控制方案如图7-2所示。
进一步，智能用电优化装置是整个系统的核心，其作用是管理、控制以及与外部网络进行通信。通过用户发出的操作指令执行相应的家庭管理控制，并且连接用户所需要的各种通信接口，以达到方便快捷、智能的目的。所述智能用电优化装置采用ARMCortex-M0作为处理器。ARMCortex-M0处理器是目前最小的ARM处理器，它的工作电压范围是：2.0V～3.6V。该处理器的芯片面积非常小，能耗极低，且编程所需的代码占用量很少，可以直接跳过16位系统，以接近8位系统的成本开销获取32位系统的性能。ARMCortex-M0处理器超低的门数开销，使得它可以用在模拟和数模混合设备中，因而特别适用于家庭能源管理系统。
网关用于智能用电优化装置和ZigBee网络、PLC部分之间传递信息。由于ARMCortex-M0处理器并没有实现ZigBee协议的功能，为了能与ZigBee设备进行通信，还需要在系统中实现网关功能。开绿道串口具有操作方便、协议简单的特点，因此在网关接口使用串口进行连接。
ZigBee技术可以采用Chipcon公司的CC2430芯片。该芯片满足以ZigBee为基础的204GHzISM波段应用对低成本和低功耗的要求。它含有一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗小巧高效的8051微控制器。其中，微控制器包括存储器及外围，其它模块提供电源管理、测试和时钟分配等功能。在本发明实施例中，考虑到设备分布不同或家具墙壁等障碍因素会使得每个设备的通信范围减小等因素，网络应该具有一定的可靠性，尽量保证每次通信的成功，以保证网络的可扩展性。基于以上几个方面的考虑，采用Tree型网络拓扑结构进行组网。ZigBee网络用于发送设备信息和传送控制信息到各个设备，所有信息的发送都是通过与智能用电优化装置相连的ZigBee节点来完成。具体地，ZigBee网络技术流程图如图8所示。
PLC技术是电力系统基本的、特有的通信方式，具有信息传输稳定可靠，路由合理、可同时复用信号灯特点，同时电力线和信号线合一，无须铺设信号线，只要有电线就能进行数据传递，所以应用在家庭能源管理系统中非常便利。将电视、空调、冰箱等家用电器用电力线连接起来，并利用PLC实现这些设备之间的通信与控制，结合ZigBee无线网络中的传感器、探测器及一些易于移动的设备，实现家庭能源管理系统的智能化控制。本发明实施例中PLC选用UPLC2980A模块，其是一款小型高性能通用电力载波通信MODEM，由电力线调制/解调、功率放大、耦合滤波、电源、MCU(MicroControlUnit，微控制单元)及协议固件等组成，可直接连接到电力线上。该模块嵌入了完整的电力线通信固件和协议，通过其串口接口实现数据在电力线上传输。UPLC2980A模块基于力合微电子最先进的OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)电力线载波芯片LME2980而设计，OFDM作为一种最先进的通信编码与调制技术已成为新一代窄带电力线载波通信(500KHz以下)的主流技术。LME2980是力合微电子推出的全球领先的高性能1280子载波OFDM电力线载波芯片，在大大提高载波通信数据速率的同时，具有对电力线信道的自适应能力以及有效的抗频率选择性衰落和抗干扰能力。芯片内置MCU，可以运行各种用户定义的MAC层协议及载波以通信应用程序。同时，芯片集成宽动态范围自动增益控制接收前端放大器，低功耗设计，使用简单方便，为家庭能源管理系统传递信息提供了高性能芯片。具体地，PLC技术的流程图如图9所示。
本实施例中对单用户目标、多用户目标以及约束条件对控制结果会产生影响的各种因素进行仿真分析，达到了节能减耗的效果。本实施例中基于预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案，使得用户可以采用最优用电方案进行用电，以根据该最优用电方案对家用电器进行智能控制，实现了家庭用电策略的优化。采用微控制技术和扩频技术采集信号，首先从电力线路上采集智能电表监测到的电能等各种数据信息，其次用信号转换器把信号检测出来并转换为可以再电力线路上传输的信号。最后可以通过ARM处理器发出相应的指令，方便快捷地控制家庭里的智能终端设备。本发明实施例以ARM处理器为主控制器，电力线载波通信和无线ZigBee传感器网络为终端通信方式，实现家电的集中化和智能化控制，实现了高效节能、智能的家庭能源管理系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种智能用电优化方法，其特征在于，包括：
接收预定家庭用电数据；
根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
2.根据权利要求1所述的智能用电优化方法，其特征在于，在所述根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案之前，还包括：
建立预定家庭用电模型，获得每个预定家用电器的曲线特征。
3.根据权利要求2所述的智能用电优化方法，其特征在于，所述根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案包括：
根据所述预定家庭用电数据设定每日最小用电能耗作为目标函数，获得的每个预定家用电器的曲线特征、预定电价标准和用户舒适度作为约束条件通过动态规划算法得到最优用电方案。
4.根据权利要求3所述的智能用电优化方法，其特征在于，所述设定每日最小用电能耗作为目标函数的步骤：
其中，n＝1,2,3,...,24，Pn表示第n小时的电价，En表示第n小时的用电消耗。
5.一种智能用电优化装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收预定家庭用电数据；
最优解确定模块，用于根据所述预定家庭用电数据通过动态规划算法得到最优用电方案。
6.根据权利要求5所述的智能用电优化装置，其特征在于，还包括：
模型建立模块，用于建立预定家庭用电模型，获得每个预定家用电器的曲线特征。
7.根据权利要求6所述的智能用电优化装置，其特征在于，所述最优解确定模块中还包括：
目标函数确定子模块，用于根据所述预定家庭用电数据设定每日最小用电能耗作为目标函数；
最优用电确定子模块，用于获得的每个预定家用电器的曲线特征、预定电价标准和用户舒适度作为约束条件通过动态规划算法得到最优用电方案。
8.根据权利要求7所述的智能用电优化装置，其特征在于，所述目标函数确定子模块，具体用于设定其中，n＝1,2,3,...,24，Pn表示第n小时的电价，En表示第n小时的用电消耗。
9.一种智能用电优化系统，其特征在于，包括：如权利要求5-8任一项所述的智能用电优化装置和家用电器，所述家用电器通过紫蜂协议ZigBee网络和/或电力线通信PLC技术与所述智能用电优化装置连接，以通过智能用电优化装置得到的最优用电方案对家用电器进行控制。
10.根据权利要求9所述的智能用电优化系统，其特征在于，所述的智能用电优化装置采用工作电压范围为2.0V-3.6V的ARM处理器。
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| CN108876274A (zh) * | 2017-05-15 | 2018-11-23 | 济中节能技术（苏州）有限公司 | 一种办公区域能耗分项模型 |
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