CN110162824A - 一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法 - Google Patents

Abstract

一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，建立HEMS的物理结构，含可再生能源单元、存储单元、家用电器单元、控制单元、监控单元和电动汽车；提出基于WiFi、Ethernet、ZigBee三种单一通信方式，WiFi+ZigBee、Ethernet+ZigBee两种联合通信方式下的网络架构；利用OPNET软件为五种通信网络搭建对应的仿真模型，设置符合实际的通信参数，验证模型的正确性；通过分析时延、吞吐量和丢包率数据指标，比较五种通信网络的性能；通过调整网络负载量、节点数和拓扑结构进行灵敏性分析；提出一个评价等级公式，根据用户需求调整权重值，用于选择最优的家庭网络敷设方案。

Description

一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法

技术领域

本发明基于智能电网在居民侧的延伸领域，具体涉及一种典型家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法。

背景技术

随着科技日新月异的发展和人们生活水平的不断提高，能源已经越来越成为限制一个地区或国家发展的重要因素。然而随着能源存储量的日益减少和环境的不断恶化，可再生能源的利用率和能源利用效率的提高渐渐就成为人类生存与可持续发展的重要关键。电能是目前应用最广的能源之一，人类的日常生活和生产活动都离不开电能，人们对电能的总需求量持续增加，其中居民侧用电量占电能总需求量的36.6％，但该领域的用电效率低，浪费严重。由于电能使用的效率对经济可持续发展、环境保护等方面具有重要的影响，因此美国和部分欧洲国家于20世纪70年代开始了家庭能源管理系统(Home EnergyManagement System，HEMS)的研究，以提高居民侧的用电效率，达到节能减排的目的。HEMS是一种能够兼顾家庭节能与舒适生活的能源管理系统，其主要利用传感器采集室内环境、人员活动和设备工作状态信息，通过对这些信息的分析来进行对用电设备进行调度和控制，并在满足用户舒适度的前提下减少电能消耗，提高用电效率。市场调研机构的分析师预测，在2017至2021年，全球家庭能源管理系统市场将会以年复合增率18.71％的速度增长，未来市场的趋势是对智慧住宅的增长需求越来越大。

发明内容

在HEMS越来越热的趋势下，本发明首先设计了一种典型的HEMS物理结构模型。在此物理模型的基础下，本发明将会选用基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式，分别建立不同的HEMS通信网络架构，然后选用OPNET Modeler软件建立对应的仿真模型，并对五种HEMS网络模型进行时延、吞吐量、丢包率等性能比较和改变网络负载和节点数量的灵敏性分析，最终提出一个综合评价公式用于选择最优的HEMS通信方式。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，所述方法包括以下步骤：

S1：建立HEMS的物理结构，所设计的HEMS包括家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元、电动汽车单元共六个单元；

S2：通过对比分析常见通信技术的性能，选择合理的HEMS通信方式，主要选择WiFi、Ethernet和ZigBee技术来进行研究；

S3：根据HEMS的物理结构功能单元，对HEMS通信架构进行设计，并根据各通信方式的优缺点调整HEMS通信架构；

S4：确定各单元间的通信传输内容和相关通信速率，初始设定的通信速率和传输内容以符合大多数用户的需求为考虑因素，并为特殊用户提供定制化服务，允许用户根据实际需求调整传输内容与通信速率，以初始设定值作为仿真基本参数；

S5：在OPNET软件中根据设置好的仿真参数，选择相应的节点模型，并进行业务模型和应用模型的配置，建立基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的HEMS网络模型，仿真比较五种通信网络在时延、吞吐量和丢包率方面的网络性能；

S6：对所构建的五种通信网络进行灵敏性分析：6.1)在保持节点数目不变的情况下，将各节点的通信速率增加至2倍、3倍、5倍、10倍，以分析网络负载量对每种通信网络的影响；6.2)在通信速率不变的情况下，增加节点数目，分别增加原先节点数目0.5倍、1倍、两倍的节点数，以分析网络节点数对每种通信网络的影响；6.3)不同的拓扑结构适用于不同的网络环境，网络拓扑的改变会影响网络的性能，改变拓扑结构为星型、树型和网状，以分析其对家庭能源管理系统通信网络性能的影响；

S7：在最后建立了一个综合的评价体系，给出了一个评价等级公式，让用户可以在性能、经济性、安全性、扩展性各方面进行一个总体考量，并根据各种不同的家庭需求设置指标的权重，选择出最优的HEMS组网方式。

进一步，所述步骤S1中，HEMS包括以下构成：

家用电器单元分为可调度负载和不可调度负载两个部分，可调度负载包括洗衣机、干衣机和热水器；不可调度负载包括计算机、冰箱、家庭娱乐系统和照明系统；可调度负载和不可调度负载区分的标准是对这些负载设备进行调度会不会影响影响用户对需求的满意度；

可再生能源单元包含风力发电和光伏发电，用户住宅屋顶安装的风机和光伏板，可以向HEMS提供一定的电能；但是由于风能和光能具有间歇性、随机性、不稳定性等缺点，所以用户需要利用储能单元来改善风电和光电的电能质量，维持系统稳定，并提高能源利用率。

控制单元即为家庭能源管理集中器，它是HEMS的核心部分，用于对各设备进行监测和调控，以保证系统各部分安全高效协调地运行；同时用户通过Internet或者手机来对家庭能源管理系统进行远程控制，例如通过手机APP远程检测当前HEMS中各设备的用电量及功率，查看家庭实时用电情况，开关各种家庭设备；

监控单元装有两个监控摄像头，用户通过Internet或者手机APP在公司或外地随时查看家庭情况，设计的监控摄像头主要有两路，一路装在客厅，另一路装在主卧；监控单元大大增强了家庭的安全性能，符合未来智能家庭的要求；

电动汽车是一种可调度负载，它有G2V、V2G和V2H多个模式，向HEMS中的其他用电负载提供应急电能；另外，HEMS主要通过智能电表来完成与外界在能量和信息上的双向交换，智能电表也是电力公司和各HEMS进行通信的接口。

再进一步，所述步骤S2和S3中，进行HEMS通信架构的设计：

HEMS通信网络仿真研究的重点是家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元和电动汽车单元六个单元之间的数据通信；通信网络的架构是实现数据通信的基础，其需要根据各通信技术的网络扩展性、传输速率、可靠性、使用成本和技术成熟度性能指标进行设计；根据Ethernet、Wi-Fi和ZigBee的网络协议可知，Ethernet的基本网络结构采用有线介质通过星型的连接方式把位于不同位置的节点与数据收集单元连接起来，各节点设备遵循IEEE 802.3协议向数据采集单元传送数据；Wi-Fi和ZigBee的基本网络结构与以太网相类似，不同的是它们采用无线信道连接，并且遵循的协议不同，网络中各组成部分的名称和功能也有一定区别；然后再根据各通信技术的基本网络结构，构建出一个能够满足HEMS功能需求，实现家庭内部各设备之间双向通信的网络。

在所述步骤S5中，OPNET的建模仿真包括以下步骤：

S5-1：确定问题及相关方案，在建立网络模型之前，首先要明确本文的研究问题和仿真方案；其次，要对将要模拟的网络的拓扑结构、硬件设备、协议标准和链路有充分了解；

S5-2：初步建立网络模型，网络模型的建立是仿真的基础，根据相关方案确定具体的网络拓扑、协议和链路来搭建出一个初步的网络模型；

S5-3：业务建模，分析网络中的业务，对业务进行建模，配置业务参数，以符合实际网络中的流量大小的要求配置变量和参数，即采用步骤S4中确定的数据；

S5-4：完善网络模型，根据实际网络的结构和运行方式，对搭建的网络模型在拓扑结构、硬件设备型号和数量，以及业务数量和参数配置上进行调整；

S5-5：运行仿真，选择所建立的网络模型需要的性能指标，如系统的吞吐量、某个链路的丢包率、某个节点的响应时间和时延；建立的网络模型往往会存在一定的缺陷，若不能有效的显示仿真结果或者仿真运行速度过慢，需要再次进行完善网络模型的步骤，不断修改系统输入参数或者调整模型，使其能满足用户分析问题的需要；

S5-6：统计结果，提交分析报告，对仿真结果进行分析也就是对所建立的网络模型的性能做出评价，通常采用统计学的方法来分析仿真结果，最终以动画、曲线、图标和文字形式将仿真结果直观地显示出来。

在所述步骤S7中，综合的评价体系包括以下内容：

S7-1：根据步骤S5和S6的仿真结果，本发明建立了一个合理的评价等级公式来进行综合性的比较，公式如下：

sum＝ρ₁×P(performance)+ρ₂×C(consumption)+ρ₃×E(economic)+ρ₄×T(technology)+ρ₅×EX(extension)+ρ₆×S(security)

公式中的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆分别代表着各项数据的权重，每个权重大小在不同的情况下都是可以变化的，但它们的总和恒为1。P(performance)表示此种通信方式的性能，C(consumption)表示能耗大小，E(economic)表示经济性，T(technology)表示此种技术的成熟度，也可以理解为技术的实现难度，EX(extension)表示扩展性的好坏，S(security)表示此种技术的安全性，是否会发生信息泄露；从每种通信方式的性能、能耗、经济、技术、扩展、安全六个指标进行详尽的分析，每个指标的满分均为10分，每个指标乘以权重的代数和即为总分sum，通过总分的高低来选择最优的通信方式，以用于对有不同需求的家庭用户提供相应的参考；

S7-2：根据选择的实际情况，确定权重比，算出总分并进行比较，最后选出各种情况下的最优通信方式，采用专家确定权重比，例如普通家庭对经济的要求较高，富裕家庭相对看中的是性能、扩展、安全性，而低碳家庭在能耗和经济方面比较重视；

S7-3：确定了权重分配之后，就可以根据公式1进行计算，计算得出每种通信方式在各种不同家庭要求下的最终结果。

所述步骤S7中，根据具体用户的需求，根据家用设备具体的功能，对HEMS的结构模型进行优化调整，并且允许用户根据自身需求调整设定的传输内容和数据速率，进行建模仿真后得到的HEMS通信网络结构具有高适用性。

本发明中使用OPNET软件对所设计的HEMS进行建模仿真。OPNET有着简单清晰的建模方法，它的建模过程分为3个层次：过程层次、节点层次以及网络层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。

网络协议是计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合，每种通信技术都要遵守各自的网络协议。本发明中需要研究的以太网使用IEEE802.3通信协议，WiFi使用IEEE802.11g通信协议，ZigBee使用IEEE802.15.4通信协议。

本发明的有益效果是：

1、本发明构建出一个功能齐全、设备完善的HEMS模型，它包含了家电单元、储能单元、可再生能源单元、电动汽车单元、控制单元和监控单元。

2、在物联网、智能家居等概念越来越热，国内外电气领域的专家与学者对HEMS的研究越发深入的情况下，本发明着重研究了HEMS通信网络方面的技术，通信网络作为HEMS控制算法得以有效运用的桥梁和基石，其性能的好坏对于HEMS的经济型和可靠性有着很大的影响。

3、本发明在OPNET软件上进行具体的建模和仿真，可以得到基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的时延、吞吐量和丢包率等性能指标。OPNET软件作为专业的网络仿真软件，其得到的结果具有较高的可靠性。

4、本发明对五种HEMS通信网络进行灵敏性分析，研究了不同网络负载量、网络节点数和网络拓扑结构对通信网络性能的影响，结合上述的时延、吞吐量、丢包率等性能指标，可为不同用户家庭的通信网络敷设方案提供有效的建议。

5、单纯的性能比较并不能给以用户直白的判断，因此本发明在最后建立了一个综合的评价体系，给出了一个评价公式，让用户可以在性能、经济性、安全性、扩展性等各方面进行一个总体考量，自主设定权重值，选择最适合用户自身的通信方式。

附图说明

图1是家庭能源管理系统的物理结构模型图。

图2是家庭能源管理系统的整体架构图。

图3是家庭能源管理系统的运行流程图。

图4是基于WiFi、Ethernet和ZigBee技术的三种单一通信方式的通信架构图。

图5为基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的通信架构图。

图6为OPNET软件建模仿真流程图。

图7为三种单一通信方式和两种联合通信方式的OPNET仿真模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明展开进一步说明。

参照图1～图7，一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，包括以下步骤：

S1：建立HEMS的物理结构，本发明所设计的HEMS主要包括了家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元、电动汽车单元共六个单元。家用电器单元分为可调度负载和不可调度负载两个部分。可调度负载主要包括洗衣机、干衣机、热水器等；不可调度负载包括计算机、冰箱、家庭娱乐系统、照明系统等。可调度负载和不可调度负载区分的标准是对这些负载设备进行调度会不会影响影响用户对需求的满意度。可再生能源单元主要包含了风力发电和光伏发电，住宅屋顶上安装的风机和光伏板，可以向HEMS提供一定的电能。但是由于风能和光能具有间歇性、随机性、不稳定性等缺点，所以用户需要利用储能单元来改善风电和光电的电能质量，维持系统稳定，并提高能源利用率。

控制单元即为家庭能源管理集中器，它是HEMS的核心部分，用于对各设备进行监测和调控，以保证系统各部分安全高效协调地运行。同时用户可以通过Internet或者手机来对家庭能源管理系统进行远程控制，例如通过手机APP远程检测当前HEMS中各设备的用电量及功率，查看家庭实时用电情况，开关各种家庭设备。

监控单元主要装有两个监控摄像头，用户可以通过Internet或者手机APP在公司或外地随时查看家庭情况，设计的监控摄像头主要有两路，一路装在客厅，另一路装在主卧，监控单元大大增强了家庭的安全性能，符合未来的智能家庭要求。电动汽车是一种特殊的可调度负载，它有G2V、V2G、V2H等多个模式，可以向HEMS中的其他用电负载提供应急电能。另外，HEMS主要通过智能电表来完成与外界的能量和信息的双向交换。智能电表也是电力公司和HEMS进行通信的信息接口。

S2：选择合理的HEMS通信方式，主要选择WiFi、Ethernet和ZigBee技术来进行研究。WiFi作为一种通用的无线传输技术，技术成熟，产品丰富。优点很多，传输速率高，带宽大，缺点是建立连接和认证比较繁琐和费时。目前，WiFi凭借其易于部署和传输速率高的特点，已经被广泛应用于家庭网络之中。Ethernet具有可靠性强、传输速率快和技术成熟的特点。一般情况下，家庭装修布线时会布设以太网线。因此，虽然以太网本身具有安装难度大和设备成本高的缺点，但若在已有的基础上进行布线设计，会使其缺点得到一定的弥补。ZigBee具有可容纳节点数多、使用成本低和安装使用简单等特点。虽然其传输速率很小，但在家庭能源管理系统中，网络不是很拥堵，250kbps的传输速率一般能够满足系统需要。

另外，由于HEMS需求的多样性，单一的通信方式因其自身协议所带来的有优缺点，使其不足以满足家庭的所有需求。因此，本发明不仅研究了基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式，还加入了基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式来进行综合比较，以验证联合通信方式是否能够带来扬长避短的效果。

S3：HEMS通信架构的设计。HEMS通信网络仿真研究的重点是家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元和电动汽车单元六个单元之间的数据通信。通信网络的架构是实现数据通信的基础，其需要根据各通信技术的网络扩展性、传输速率、可靠性、使用成本、技术成熟度等性能指标进行设计。根据Ethernet、WiFi和ZigBee的网络协议可知，Ethernet的基本网络结构可采用有线介质通过星型的连接方式把位于不同位置的节点与数据收集单元连接起来，各节点设备遵循IEEE 802.3协议向数据采集单元传送数据；WiFi和ZigBee的基本网络结构与以太网相类似，不同的是它们采用无线信道连接，并且遵循的协议不同，网络中各组成部分的名称和功能也有一定区别。然后再根据各通信技术的基本网络结构，构建出一个能够满足HEMS功能需求，实现家庭内部各设备之间双向通信的网络。

S4：确定各单元的通信传输内容和相关通信速率，初始设定的通信速率和传输内容以符合大多数用户的需求为主要考虑因素。例如可再生能源单元的传输内容是发电功率、电能质量、通断控制等；家用电器单元通过智能插座控制，主要发送运行功率和通断控制的信息；监控单元传输的内容是监控画面，用户即使在外地也可以对家庭内部进行实时监控。用户可以根据实际需求调整传输内容与通信速率，例如调节视频信号的清晰度，增加家用电器的传输数据种类等。

S5：在OPNET软件中，根据S4设置的参数值，选择相应的节点模型，并进行业务模型和应用模型的配置。在建立完成基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的HEMS通信网络仿真模型后，通过比较理论传输数据量和实际网络传输数据量验证仿真模型的准确性。然后，选取时延、吞吐量和丢包率等通信指标比较五种HEMS通信网络的性能。

时延是指数据(报文、比特序列)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间，是衡量网络性能的重要指标。吞吐量是指网络在单位时间内成功传送的数据量，单位可以是字节、比特等。网络吞吐量测试是网络维护和故障查找中最重要的手段之一，尤其是在分析与网络性能相关的问题时，吞吐量的测试是必备的测试手段。丢包是网络中数据传输的时候出现数据丢失的现象，丢包率是指丢包数据占总传输数据的百分比。这三个指标在判断网络性能方面具有重要的地位。

S6：对所构建的五种通信网络进行灵敏性分析：(1)在保持节点数目不变的情况下，将各节点的通信速率增加至2倍、3倍、5倍、10倍，以分析网络负载量对每种通信网络的影响。(2)在通信速率不变的情况下，增加节点数目，分别增加原先节点数目0.5倍、1倍、两倍的节点数，以分析网络节点数对每种通信网络的影响。(3)不同的拓扑结构适用于不同的网络环境，网络拓扑的改变会影响网络的性能，改变拓扑结构为星型、树型、网状等，以分析其对家庭能源管理系统通信网络性能的影响；

S7：对比分析S5和S6得到的仿真结果，本发明建立了一个合理的评价等级公式来进行综合性的比较，公式如下：

公式中的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆分别代表着各项数据的权重，每个权重大小在不同的情况下都是可以变化的，但它们的总和恒为1。P(performance)表示此种通信方式的性能，C(consumption)表示能耗大小，E(economic)表示经济性，T(technology)表示此种技术的成熟度，也可以理解为技术的实现难度，EX(extension)表示扩展性的好坏，S(security)表示此种技术的安全性，是否会发生信息泄露等。本发明主要从每种通信方式的性能、能耗、经济、技术、扩展、安全六个指标进行详尽的分析，每个指标的满分均为10分，每个指标乘以权重的代数和即为总分sum，通过总分的高低来选择最优的通信方式，以用于对有不同需求的家庭用户提供相应的参考。

图1为家庭能源管理系统的物理结构模型图，其与图2所示的家庭能源管理系统的整体架构图相对应，从图2中可以看到家用电器单元的可调度负载和不可调度负载主要通过智能插座与控制单元进行能量流和信息流的交换，控制单元主要通过智能插座控制电器的开关时间和输出功率。

可再生能源单元分为风能和太阳能，当控制单元向可再生能源单元发送数据请求信号时，它能将风能和太阳能的发电功率及电能质量反馈回控制中心以提供给控制算法来实现能量的调度与控制。储能单元将通过储能监控单元将HEMS的充放电功率数据传输给控制单元，并自动调节可再生能源单元的电能质量，减少电能损耗。

监控单元可将家庭的监控画面上传给控制单元，用户在公司时可随时通过手机查看家庭的监控画面，增强家庭的安全性。电动汽车通过充电桩向控制单元上传充放电功率，同时控制单元依据控制算法的调度命令触发式控制电动汽车充电桩的充放电时间。此外，电动汽车充电桩还具有过压、过充保护等作用。

电网和家庭用户之间的能量流是双向的，用户不仅可以获取来自电网的电能以满足HEMS的整体运行，而且在自身用电量少于可再生能源出力时可将多余电能出售给电网以获得相应的经济收益。智能电网和用户之间的信息可通过智能电表传输，智能电表记录用户消耗的电能和用电功率，并按照实时电价自动计费。

当HEMS开始运行时，按以下运行步骤对系统内各家用电器、电动汽车以及储能系统进行调度决策，如图3所示：

(1)获取/更新需求信息：每一个循环周期开始时，家庭能源管理集中器首先通过智能终端设备接收或更新家用电器与电动汽车的用电需求信息，包括各家用电器的运行功率、最早开始时间、最晚结束时间和运行时间，以及电动汽车的入网时间、离网时间和充放电额定功率。

(2)获取可再生能源出力信息：从分布式发电监控系统接收可再生能源单元的运行参数，包括发电功率、电能质量等。

(3)实时调度：根据用电需求和可再生能源出力信息，各家用电器、电动汽车和储能系统根据家庭能源管理集中器提出的用电方案，进行具体用电、闲置或放电操作，并采用智能终端设备传输调度信息。

(4)重复步骤上述步骤(1)～(3)，直至家庭能源管理系统运行结束。

控制中心将在满足用户一定舒适度的基础上以节约电能为目的，进行对家用电器、电动汽车和储能设备的实时调度。在了解上述HEMS的运行机理后，即可着手设计HEMS的通信架构，并设定相关传输数据量。

图4是单一通信方式的HEMS整体通信架构，信息流都是双向的。由图4可知，单一方式的通信架构就是将HEMS中的每个单元均依靠同一种通信技术与控制中心连接，实现集中式控制下的双向通信。各单元向控制中心传输数据，控制中心收到数据，运行控制算法计算调度决策，并向下属单元发送开始、停止等控制命令。图5是联合通信方式的HEMS通信架构。与采用单一方式相比，联合方式的特点主要体现在：(1)充分考虑到智能插座对传输速率要求低、扩展性要求高等特点，适合采用ZigBee技术，以降低了成本和能耗；(2)针对传输通信量较大的模块，适合采用WiFi或Ethernet技术，以保证数据传输的可靠性和用户舒适度。

在建立完成HEMS的物理结构和通信架构后，本发明使用OPNET软件进行仿真研究。OPNET能够准确地分析复杂网络的性能和行为，仿真结果具有准确性和可靠性。图6展示了运用OPNET软件进行仿真分析的步骤，如下：

(1)确定问题及相关方案。在建立网络模型之前，首先要明确本文的研究问题和仿真方案。其次，要对将要模拟的网络的拓扑结构、硬件设备、协议标准和链路等有充分了解。

(2)初步建立网络模型。网络模型的建立是仿真的基础，根据相关方案确定具体的网络拓扑、协议和链路等来搭建出一个初步的网络模型。

(3)业务建模。分析网络中的业务，对业务进行建模，配置业务参数，以符合实际网络中的流量大小的要求配置变量和参数。

(4)完善网络模型。根据实际网络的结构和运行方式，对搭建的网络模型在拓扑结构、硬件设备型号和数量，以及业务数量和参数配置上进行调整。

(5)运行仿真。选择所建立的网络模型将要统计的结果，如系统的吞吐量、某个链路的丢包率、某个节点的响应时间和延时等。建立的网络模型往往会存在一定的缺陷，若不能有效的显示仿真结果或者仿真运行速度过慢等，需要再次进行完善网络模型的步骤，不断修改系统输入参数或者调整模型，使其能满足用户分析问题的需要。

(6)统计结果，提交分析报告。对仿真结果进行分析也就是对所建立的网络模型的性能做出评价，通常采用统计学的方法来分析仿真结果，最终以动画、曲线、图标和文字等形式将仿真结果直观地显示出来。

在OPNET软件中，为各HEMS设备选择相对应的节点模型，设定通信速率，并进行业务模型和应用模型的配置，最终搭建出基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的HEMS网络仿真模型，如图7所示。

本发明主要对比分析了上述五种HEMS通信网络在时延、吞吐量和丢包率等方面的性能，并通过改变网络负载率、节点数目和拓扑结构对五种网络进行灵敏性分析。通过分析仿真结果，发现基于ZigBee技术的单一方式对于高负载和多节点数的承受能力明显低于运用Ethernet和WiFi技术的通信网络，但其经济型和扩展性明显优于Ethernet和WiFi。

五种通信方式各有优缺点，为了给用户直白的判断标准，因此本发明根据得到的仿真结果，提出了一个合理的评价等级公式来进行综合性的比较，公式如下：

公式中的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆分别代表着各项数据的权重，每个权重大小在不同的情况下都是可以变化的，但它们的总和恒为1。P(performance)表示此种通信方式的性能，C(consumption)表示能耗大小，E(economic)表示经济性，T(technology)表示此种技术的成熟度，也可以理解为技术的实现难度，EX(extension)表示扩展性的好坏，S(security)表示此种技术的安全性，是否会发生信息泄露等。本发明主要从每种通信方式的性能、能耗、经济、技术、扩展、安全六个指标进行详尽的分析，每个指标的满分均为10分，每个指标乘以权重的代数和即为总分sum，通过总分的高低来选择最优的通信方式，以用于对有不同需求的家庭用户提供相应的参考。

表1为各种通信方式在六个方面的得分，每种通信方式的得分都是根据在这一指标下的真实表现换算而来的，例如WiFi技术成熟，安全性低；Ethernet性能最好，扩展性差；ZigBee成本低、能耗小，传输速率小等。

表1五种通信方式的得分

然后本发明根据选择的实际情况，确定权重比，然后算出总分并进行比较，最后选出符合不同家庭需求的最优通信方式。表2为各种不同家庭需求下的权重比，主要采用专家确定权重比，例如普通家庭对经济的要求较高，所以普通家庭经济权重最高，富裕家庭更看重网络扩展性、安全性等，而低碳家庭在能耗和经济方面比重较高。本发明考虑了多种情况，根据不同的家庭的要求来确定权重比，以保证本发明的真实可靠性。

表2各家庭要求的权重

确定了权重分配之后，就可以根据公式1进行计算，计算出每种通信方式在各种不同家庭要求下的最终结果，如表3所示。

表3各通信方案最终得分的比较

普通家庭使用ZigBee技术的得分最高，富裕家庭使用基于Ethernet和ZigBee的联合通信技术得分最高。低碳家庭还是使用ZigBee的性价比最高，对性能要求高的家庭则推荐使用Ethernet技术，因为Ethernet毕竟技术成熟，网速快，时延小。对安全要求高的家庭推荐使用ZigBee技术，ZigBee因为特有的机制在安全性方面十分突出。若是要求连接很多设备，则推荐使用基于WiFi和ZigBee的联合通信技术，两者可以取长补短，创造出更大的优势，表4为最终结果。

表4不同要求家庭的最优通信方式

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进与润饰，这些改进与润饰也应视为本发明的保护范围。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：建立HEMS的物理结构，所设计的HEMS包括家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元、电动汽车单元共六个单元；

S2：通过对比分析常见通信技术的性能，选择合理的HEMS通信方式，主要选择WiFi、Ethernet和ZigBee技术来进行研究；

S3：根据HEMS的物理结构功能单元，对HEMS通信架构进行设计，并根据各通信方式的优缺点调整HEMS通信架构；

S4：确定各单元间的通信传输内容和相关通信速率，初始设定的通信速率和传输内容以符合大多数用户的需求为考虑因素，并为特殊用户提供定制化服务，允许用户根据实际需求调整传输内容与通信速率，以初始设定值作为仿真基本参数；

S5：在OPNET软件中根据设置好的仿真参数，选择相应的节点模型，并进行业务模型和应用模型的配置，建立基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的HEMS网络模型，仿真比较五种通信网络在时延、吞吐量和丢包率方面的网络性能；

S6：对所构建的五种通信网络进行灵敏性分析：6.1)在保持节点数目不变的情况下，将各节点的通信速率增加至2倍、3倍、5倍、10倍，以分析网络负载量对每种通信网络的影响；6.2)在通信速率不变的情况下，增加节点数目，分别增加原先节点数目0.5倍、1倍、两倍的节点数，以分析网络节点数对每种通信网络的影响；6.3)不同的拓扑结构适用于不同的网络环境，网络拓扑的改变会影响网络的性能，改变拓扑结构为星型、树型和网状，以分析其对家庭能源管理系统通信网络性能的影响；

S7：在最后建立了一个综合的评价体系，给出了一个评价等级公式，让用户可以在性能、经济性、安全性、扩展性各方面进行一个总体考量，并根据各种不同的家庭需求设置指标的权重，选择出最优的HEMS组网方式。

2.如权利要求1所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述步骤S1中，HEMS包括以下构成：

家用电器单元分为可调度负载和不可调度负载两个部分，可调度负载包括洗衣机、干衣机和热水器；不可调度负载包括计算机、冰箱、家庭娱乐系统和照明系统；可调度负载和不可调度负载区分的标准是对这些负载设备进行调度会不会影响影响用户对需求的满意度；

可再生能源单元包含风力发电和光伏发电，用户住宅屋顶安装的风机和光伏板，可以向HEMS提供一定的电能；

控制单元即为家庭能源管理集中器，它是HEMS的核心部分，用于对各设备进行监测和调控，以保证系统各部分安全高效协调地运行；同时用户通过Internet或者手机来对家庭能源管理系统进行远程控制；

监控单元装有两个监控摄像头，用户通过Internet或者手机APP在公司或外地随时查看家庭情况，设计的监控摄像头主要有两路，一路装在客厅，另一路装在主卧；

电动汽车是一种可调度负载，它有G2V、V2G和V2H多个模式，向HEMS中的其他用电负载提供应急电能；另外，HEMS主要通过智能电表来完成与外界在能量和信息上的双向交换，智能电表也是电力公司和各HEMS进行通信的接口。

3.如权利要求1或2所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述步骤S2和S3中，进行HEMS通信架构的设计：

HEMS通信网络仿真研究的重点是家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元和电动汽车单元六个单元之间的数据通信；通信网络的架构是实现数据通信的基础，其需要根据各通信技术的网络扩展性、传输速率、可靠性、使用成本和技术成熟度性能指标进行设计；根据Ethernet、Wi-Fi和ZigBee的网络协议可知，Ethernet的基本网络结构采用有线介质通过星型的连接方式把位于不同位置的节点与数据收集单元连接起来，各节点设备遵循IEEE 802.3协议向数据采集单元传送数据；Wi-Fi和ZigBee的基本网络结构与以太网相类似，不同的是它们采用无线信道连接，并且遵循的协议不同，网络中各组成部分的名称和功能也有一定区别；然后再根据各通信技术的基本网络结构，构建出一个能够满足HEMS功能需求，实现家庭内部各设备之间双向通信的网络。

4.如权利要求1或2所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：在所述步骤S5中，OPNET的建模仿真包括以下步骤：

S5-1：确定问题及相关方案，在建立网络模型之前，首先要明确本文的研究问题和仿真方案；其次，要对将要模拟的网络的拓扑结构、硬件设备、协议标准和链路有充分了解；

S5-2：初步建立网络模型，网络模型的建立是仿真的基础，根据相关方案确定具体的网络拓扑、协议和链路来搭建出一个初步的网络模型；

S5-3：业务建模，分析网络中的业务，对业务进行建模，配置业务参数，以符合实际网络中的流量大小的要求配置变量和参数，即采用步骤S4中确定的数据；

S5-4：完善网络模型，根据实际网络的结构和运行方式，对搭建的网络模型在拓扑结构、硬件设备型号和数量，以及业务数量和参数配置上进行调整；

S5-5：运行仿真，选择所建立的网络模型需要的性能指标，如系统的吞吐量、某个链路的丢包率、某个节点的响应时间和时延；建立的网络模型往往会存在一定的缺陷，若不能有效的显示仿真结果或者仿真运行速度过慢，需要再次进行完善网络模型的步骤，不断修改系统输入参数或者调整模型，使其能满足用户分析问题的需要；

S5-6：统计结果，提交分析报告，对仿真结果进行分析也就是对所建立的网络模型的性能做出评价，通常采用统计学的方法来分析仿真结果，最终以动画、曲线、图标和文字形式将仿真结果直观地显示出来。

5.如权利要求1或2所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：在所述步骤S7中，综合的评价体系包括以下内容：

S7-1：根据步骤S5和S6的仿真结果，建立了一个合理的评价等级公式来进行综合性的比较，公式如下：

sum＝ρ₁×P(performance)+ρ₂×C(consumption)+ρ₃×E(economic)+ρ₄×T(technology)+ρ₅×EX(extension)+ρ₆×S(security)

公式中的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆分别代表着各项数据的权重，每个权重大小在不同的情况下都是可以变化的，但它们的总和恒为1。P(performance)表示此种通信方式的性能，C(consumption)表示能耗大小，E(economic)表示经济性，T(technology)表示此种技术的成熟度，也可以理解为技术的实现难度，EX(extension)表示扩展性的好坏，S(security)表示此种技术的安全性，是否会发生信息泄露；从每种通信方式的性能、能耗、经济、技术、扩展、安全六个指标进行详尽的分析，每个指标的满分均为10分，每个指标乘以权重的代数和即为总分sum，通过总分的高低来选择最优的通信方式，以用于对有不同需求的家庭用户提供相应的参考；

S7-2：根据选择的实际情况，确定权重比，算出总分并进行比较，最后选出各种情况下的最优通信方式，采用专家确定权重比，例如普通家庭对经济的要求较高，富裕家庭相对看中的是性能、扩展、安全性，而低碳家庭在能耗和经济方面比较重视；

S7-3：确定了权重分配之后，就可以根据公式1进行计算，计算得出每种通信方式在各种不同家庭要求下的最终结果。

6.如权利要求1或2所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述步骤S7中，根据具体用户的需求，根据家用设备具体的功能，对HEMS的结构模型进行优化调整，并且允许用户根据自身需求调整设定的传输内容和数据速率，进行建模仿真后得到的HEMS通信网络结构具有高适用性。