CN108958054A - 一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统和控制方法，包括安防子系统、家电控制子系统、分布式发电子系统、数据采集管理子系统、预测优化子系统、终端控制子系统。本系统的实用性强，所述预测优化子系统利用神经网络模型对家庭能源作出负荷预测，生成日调度计划和实时最优调度计划，所述分布式发电子系统利用新能源发电实现了开源，所述终端控制子系统有电脑端和移动APP端，利用云服务器实现高效控制。本系统通过对家庭能源进行监测，采集，预测，控制，为用户提供了一种智慧型能源管理方法。

Description

一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统

技术领域

本发明涉及智慧能源技术领域，具体为一种智慧家庭能源控制系统和控制方法。

背景技术

“能源互联网”是用先进的传感器、控制技术和软件应用程序，将能源生产端、能源传输端、能源消费端的数以亿计的设备、机器、系统连接起来，形成了能源互联网的“物联基础”。大数据分析、机器学习和预测是能源互联网实现生命体特征的重要技术支撑：能源互联网通过整合运行数据、天气数据、气象数据、电网数据、电力市场数据等，进行大数据分析、负荷预测、发电预测、机器学习，打通并优化能源生产和能源消费端的运作效率，需求和供应将可以进行随时的动态调整。

智能家居是近几年产生并迅速崛起的一种新型家居住宅，智能家居又称智能住宅，利用先进的计算机技术、嵌入式系统技术、网络通讯技术和传感器技术等,将住宅中的各种电子设备例如照明系统、环境控制系统、安全防盗系统、智能家电等，有机的连接到一起。

孙秋野,滕菲等“能源互联网及其关键控制问题”(自动化学报,2017)和王璟,王利利等“能源互联网结构形态及技术支撑体系研究[”(中国电机工程学报，2017)主要介绍了能源物联网的关键技术问题。孙宏斌,郭庆来等“能源互联网:驱动力、评述与展望”(电网技术，2015)对能源互联网作出了前瞻性总结。公开号为CN107016532A的专利文献公开了一种家庭能源管理终端、系统及方法,终端包括采集模块、模数转换模块、控制模块和通信模块，但缺乏对家庭能源使用状况的有效分析，缺少对能源使用的预测。公开号为CN103336444A的专利文献针对事先制定的用电计划来实现电网公司对家庭用户侧的智能化管理，但不能针对家庭用户用电规律智能制定用电计划，不能满足智能管理互动的要求。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种融入模型预测的开源型智慧能源管理系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明“一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统”的目的在于提供一种实用性强的家庭能源管理系统和控制方法，预测优化子系统对家庭能源进行预测和最优调度，各子系统之间的无线网络通信实现了节流，分布式发电子系统实现了开源。本系统通过对家庭能源进行监测，采集，预测，控制，为用户提供了一种智慧型能源管理方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，包括安防子系统、家电控制子系统、分布式发电子系统、数据采集管理子系统、预测优化子系统、终端控制子系统，各子系统功能如下：

安防子系统是通过各传感器等设备对室内空气环境、电力环境、和特定区域进行7*24小时不间断监控，并利用数据通信技术将相关数据传输给数据采集管理模块，发生紧急情况时会触发警报器；

家电控制子系统是对家庭各用电设备进行管理，一方面通过智能主板接收控制指令对不同的用电设备进行智能控制，另一方面利用智能电表对各用电器的负载状态进行计量并传输给数据采集管理模块、预测优化模块，最终实现各用电设备的经济运行；

分布式发电子系统是通过光能、风能、化学能进行分布式发电并存储，为整个能源管理系统提供电能，在电力发生故障时启用紧急供电；

数据采集管理子系统是对各子系统的设备用电负载信息、分布式发电子系统的储能信息、能源价格信息、实时气象信息等进行存储管理，根据信息的时效性分别存储在实时数据库与历史数据库，并与终端控制子系统和预测优化子系统进行数据交互；

优选的，所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述安防子系统上控制子模块上设有控制子模块，所述控制子模块上设有警报器、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的警报器、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与数据管理模块与环境监测器、电力故障监测器、视频监控器相连，所述视频监控器与短时缓存模块相连，用于缓存近8小时视频数据，当任意模块发生故障时会触发警报器，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对环境监测器、电力故障监测器、视频监控器进行控制，并将实时数据传送给送给数据采集管理子系统。优选的，所述家电控制子模块上设有控制子模块，所述控制子模块上设有电能计量模块、arduino主板、WiFi通信主板，所述控制子模块上的电能计量模块(14)、arduino主板、WiFi通信主板通过导线互连，所述控制子模块与智能灯光、红外转发器、智能窗帘、智能音响相连，所述红外转发器与智能空调相连。

优选的，所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述家电控制子系统上设有控制子模块，所述控制子模块上设有智能电表、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的智能电表、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具相连，所述红外转发器对智能空调、智能音响进行解码控制，所述智能电表通过对智能灯光、智能空调、智能音响、智能窗帘、电动交通工具的用电信息进行实时采集，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具进行控制，并将实时数据给送给数据采集管理子系统。

优选的，所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述分布式发电子系统上设有智能电力存储模块、紧急供电模块，所述电力存储模块与光伏发电模块、风力发电模块、化学能发电模块相连，用于存储分电能，并通过WiFi将实时数据传送给数据采集管理子系统，发生断电故障时，启动紧急供电模块为系统供电。

优选的，所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述数据采集管理子系统上设有实时数据库和历史数据库共同对负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息进行采集管理，实时数据库存储近24小时的数据信息，便于终端进行实时查看和预测优化子系统调用，大于24小时的数据信息以5年为上限存储在历史数据库，便于终端进行历史信息查看和预测优化子系统调用，所述负载设备信息来自安防子系统和家电控制子系统，所述自产能量信息来自分布式发电子系统，所述能源价格信息和实时气象信息来自互联网。

优选的，所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述预测优化子系统包括以下步骤：

A、通过数据采集管理子系统获得一定条件下的负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息；

B、利用A获得的实际信息自动适配模型库中的神经网络模型进行滚动求解；

C、对B求得的解进行误差检验，如果大于阈值，回到B步骤，直到误差小于阈值时进行D步骤；

D、对C输出的最优解进行计算，生成家庭短期预测结果、日调度计划和实时最优调度计划；

与现有技术相比,本发明的有益效果是：

(1)预测优化子系统利用神经网络模型对家庭能源作出负荷预测，生成日调度计划和实时最优调度计划，为用户提供了一种智慧型能源管理方法；

(2)分布式发电子系统通过转化光能、风能、化学能存储电力，为系统提供备用电源，实现了开源的目的，应急供电模块在主控制器出现异常的时候自动启动,维持家用电器、家用电路系统的正常运转；

(3)数据采集管理子系统设有实时数据库和历史数据库，方便对实时信息的查看和历史大数据的存储；

(4)采用云服务、无线通信技术实现终端设备与子系统之间的信息交互，实现了节流的目的；

附图说明

图1：一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统结构图。

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。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，包括安防子系统、家电控制子系统、分布式发电子系统、数据采集管理子系统、预测优化子系统、终端控制子系统。所述安防子系统上控制子模块上设有控制子模块，所述控制子模块上设有警报器、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的警报器、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与数据管理模块与环境监测器、电力故障监测器、视频监控器相连，所述视频监控器与短时缓存模块相连，用于缓存近8小时视频数据，当任意模块发生故障时会触发警报器，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对环境监测器、电力故障监测器、视频监控器进行控制，并将实时数据传送给送给数据采集管理子系统。所述家电控制子系统上设有控制子模块，所述控制子模块上设有智能电表、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的智能电表、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具相连，所述红外转发器对智能空调、智能音响进行解码控制，所述智能电表通过对智能灯光、智能空调、智能音响、智能窗帘、电动交通工具的用电信息进行实时采集，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具进行控制，并将实时数据给送给数据采集管理子系统。所述分布式发电子系统上设有智能电力存储模块、紧急供电模块，所述电力存储模块与光伏发电模块、风力发电模块、化学能发电模块相连，用于存储分电能，并通过WiFi将实时数据传送给数据采集管理子系统，发生断电故障时，启动紧急供电模块为系统供电。所述数据采集管理子系统上设有实时数据库和历史数据库共同对负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息进行采集管理，实时数据库存储近24小时的数据信息，便于终端进行实时查看和预测优化子系统调用，大于24小时的数据信息以5年为上限存储在历史数据库，便于终端进行历史信息查看和预测优化子系统调用，所述负载设备信息来自安防子系统和家电控制子系统，所述自产能量信息来自分布式发电子系统，所述能源价格信息和实时气象信息来自互联网。所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述终端控制子系统上设有本地服务器、云服务器、电脑控制端、移动端APP，所述本地服务器与云服务器通过网络相连，所述电脑控制端和移动端APP通过与云服务器进行信息交互实现对整个系统的远程控制调度。所述预测优化子系统包括以下步骤：

A、通过数据采集管理子系统获得一定条件下的负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息；

B、利用A获得的实际信息自动适配模型库中的神经网络模型进行滚动求解；

C、对B求得的解进行误差检验，如果大于阈值，回到B步骤，直到误差小于阈值时进行D步骤；

D、对C输出的最优解进行计算，生成家庭短期预测结果、日调度计划和实时最优调度计划；

本发明的有益效果是：

(1)预测优化子系统利用神经网络模型对家庭能源作出负荷预测，生成日调度计划和实时最优调度计划，为用户提供了一种智慧型能源管理方法；

(2)分布式发电子系统通过转化光能、风能、化学能存储电力，为系统提供备用电源，实现了开源的目的，应急供电模块在主控制器出现异常的时候自动启动,维持家用电器、家用电路系统的正常运转；

(3)数据采集管理子系统设有实时数据库和历史数据库，方便对实时信息的查看和历史大数据的存储；

(4)采用云服务、无线通信技术实现终端设备与子系统之间的信息交互，实现了节流的目的；

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，包括安防子系统、家电控制子系统、分布式发电子系统、数据采集管理子系统、预测优化子系统、终端控制子系统，各子系统功能如下：

安防子系统是通过各传感器等设备对室内空气环境、电力环境、和特定区域进行7*24小时不间断监控，并利用数据通信技术将相关数据传输给数据采集管理模块，发生紧急情况时会触发警报器；

家电控制子系统是对家庭各用电设备进行管理，一方面通过智能主板接收控制指令对不同的用电设备进行智能控制，另一方面利用智能电表对各用电器的负载状态进行计量并传输给数据采集管理模块、预测优化模块，最终实现各用电设备的经济运行；

分布式发电子系统是通过光能、风能、化学能进行分布式发电并存储，为整个能源管理系统提供电能，在电力发生故障时启用紧急供电；

数据采集管理子系统是对各子系统的设备用电负载信息、分布式发电子系统的储能信息、能源价格信息、实时气象信息等进行存储管理，根据信息的时效性分别存储在实时数据库与历史数据库，并与终端控制子系统和预测优化子系统进行数据交互；

预测优化子系统是结合数据采集管理子系统提供的用电负载信息，分布式储能信息，能源价格信息、实时气象信息等，利用神经网络进行短期负荷，生成日调度计划、实时最优调度计划，实现家庭能源的最优化调度；

终端控制子系统是用户通过电脑和手机APP利用通信技术对各个子系统实现访问控制，可进行实时的查看负载信息，调整调度计划，控制用电设备工作等操作。

2.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述安防子系统上控制子模块上设有控制子模块，所述控制子模块上设有警报器、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的警报器、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与数据管理模块与环境监测器、电力故障监测器、视频监控器相连，所述视频监控器与短时缓存模块相连，用于缓存近8小时视频数据，当任意模块发生故障时会触发警报器，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对环境监测器、电力故障监测器、视频监控器进行控制，并将实时数据传送给送给数据采集管理子系统。

3.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述家电控制子系统上设有控制子模块，所述控制子模块上设有智能电表、arduino主板、WiFi模块，所述控制子模块上的智能电表、arduino主板、WiFi模块通过导线互连，所述控制子模块与智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具相连，所述红外转发器对智能空调、智能音响进行解码控制，所述智能电表通过对智能灯光、智能空调、智能音响、智能窗帘、电动交通工具的用电信息进行实时采集，所述arduino主板通过WiFi模块接收控制指令对智能灯光、红外转发器、智能窗帘、电动交通工具进行控制，并将实时数据给送给数据采集管理子系统。

4.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述分布式发电子系统上设有智能电力存储模块、紧急供电模块，所述电力存储模块与光伏发电模块、风力发电模块、化学能发电模块相连，用于存储分电能，并通过WiFi将实时数据传送给数据采集管理子系统，发生断电故障时，启动紧急供电模块为系统供电。

5.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述数据采集管理子系统上设有实时数据库和历史数据库共同对负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息进行采集管理，实时数据库存储近24小时的数据信息，便于终端进行实时查看和预测优化子系统调用，大于24小时的数据信息以5年为上限存储在历史数据库，便于终端进行历史信息查看和预测优化子系统调用，所述负载设备信息来自安防子系统和家电控制子系统，所述自产能量信息来自分布式发电子系统，所述能源价格信息和实时气象信息来自互联网。

6.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述预测优化子系统包括以下步骤：

A、通过数据采集管理子系统获得一定条件下的负载设备信息、自产能量信息、能源价格信息、实时气象信息；

B、利用A获得的实际信息自动适配模型库中的神经网络模型进行滚动求解；

C、对B求得的解进行误差检验，如果大于阈值，回到B步骤，直到误差小于阈值时进行D步骤

D、对C输出的最优解进行计算，生成家庭短期预测结果、日调度计划和实时最优调度计划。

7.根据权利要求1所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：所述终端控制子系统上设有本地服务器、云服务器、电脑控制端、移动端APP，所述本地服务器与云服务器通过网络相连，所述电脑控制端和移动端APP通过与云服务器进行信息交互实现对整个系统的远程控制调度。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的一种融入模型预测的开源型智慧家庭能源管理系统，其特征在于：各个子系统之间通过无线通信技术进行通信，在用户端没有操作时各子系统之间每20分钟通讯一次。