CN112361433B - 一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法，本智能控制用能系统基于“云端服务器‑能源控制器‑温控终端”的云‑边‑端智慧用能协同控制架构，通过安装在电采暖设备中的温控终端采集用户供热的需求信息，并基于电力线载波通讯上传至在用户侧安装的能源控制器，能源控制器将在用户侧获取的用能需求、环境数据、重要事件等信息上传至云端服务器进行大数据分析，自动生成面向有序用电、需求响应、电力市场交易等需求控制策略，并将控制策略下发至能源控制器，能源控制器通过电力线载波通讯将控制指令下传至各温控终端，实现用能的智能控制。

Description

一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法

技术领域

本发明属于基于云端服务器的能源综合管理技术领域，尤其涉及一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法。

背景技术

随着我国能源转型和互联网技术的蓬勃发展，互联网理念在能源行业中的渗透与融合正逐步颠覆传统的能源生产、经营与消费模式。目前我国主要采取暖气供暖的供热方式，暖气采暖的覆盖面积很广，但是电采暖的供热方式仍然是一种重要的补充。多用户的电采暖需求会形成较大的用电负荷，此时，如果电网公司可以对此类负荷进行灵活调度，就可以极大地优化电网运行、提升用能效率。

但是在目前，电采暖设备往往只能通过人为遥控改变温度，不能集中管理以合理分配电力资源，也不能够让用户通过电采暖终端了解自己的用电情况。

因此，针对目前还没有一种能够通过感知用户用能行为从而通过动态分析、集中管理以合理分配电力资源、并且还能够使得电力用户可以通过终端了解自己的用电情况以及电网公司的需求侧管理策略、进而调整自己的用电行为的能源服务互动平台的情况，本发明基于电网公司的电力线资产，充分利用电力线载波的技术特性，结合电暖通设备的用电属性，提出了基于电力线载波的用能控制系统及方法。

发明内容

本发明提供了一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法，其基于“云端服务器-能源控制器-温控终端”的云-边-端智慧供能协同控制架构，以用户用能行为感知为依托，通过通信网络，建立以电网为核心的友好、互动、可接入的能源服务互动平台，通过电力线载波通讯等方式与供热等用电设备建立有效连接，动态分析、集中管理，建立“自主负荷，主动响应”新机制，提升区域能源管理水平，降低能源成本。

基于该“云端服务器-能源控制器-温控终端”的云-边-端智慧供能协同控制架构，电网公司等能源服务企业可以利用经济调节的手段，实行灵活的电价政策，驱动用户实现合理用电，从而实现电网削峰模谷，有效转移负荷，合理分配电力资源；电力用户可以通过终端了解自己的用电情况以及电网公司的需求侧管理策略，进而调整自己的用电行为。

本发明的一种基于电力线载波的智能控制用能系统以及方法。所述智能控制用能系统包括云端服务平台、能源控制器、温控终端以及用于实现能源控制器与温控终端之间通讯连接的电力线，能源控制器安装在用户侧配电箱端，温控终端设置在用户侧电采暖设备中，其中，温控终端采集用户供热的需求信息，并基于电力线载波通讯通过电力线上传至能源控制器；能源控制器将在用户侧获取的需求信息上传至云端服务平台；云端服务平台接收上述信息，并且生成用能控制策略，并将所述用能控制策略下发至能源控制器；能源控制器根据用能控制策略生成控制指令，并且通过电力线载波通讯将所述控制指令下传至温控终端，温控终端根据控制指令实现用户侧的用能控制。

进一步的，所述智能控制用能系统的温控终端为多个，分别安装在用户侧不同房间的电采暖设备中，并且所述多个温控终端通过电力线与能源控制器进行双向通讯，用户可设置各温控终端的用户设定温度以及查询各温控终端的用电量信息。

进一步的，温控终端还进一步采集环境数据以及重要事件，并将上述信息上传至能源控制器，其中环境数据包括环境温度、湿度，重要事件包括设备过热、设备功率异常。

进一步的，能源控制器接收到来自温控终端采集的信息，并根据云端服务平台推送的用能控制策略生成控制指令，然后向温控终端分发控制指令。

进一步的，能源控制器还进一步采集配电箱内的用电功率、电流信息，将上述信息上传至云端服务平台。

进一步的，用户侧获取的需求信息还包括用户设定的需求响应能力上下边界。

进一步的，云端服务平台接收来自能源控制器的在用户侧获取的信息，首先根据用电功率、电流信息采用非侵入负荷辨识算法辨别用户负荷状态，进一步判定用户行为状态，最终得出用户供暖用能需求。

进一步的，云端服务平台根据用户供暖用能需求，以最低用能成本为优化目标，在用户设定的需求响应能力上下边界范围内，生成用能控制策略。另外，根据温控终端的用户设置温度以及用能成本，云端服务平台也可在用户设定的需求响应能力上下边界范围内，生成用能控制策略，从而实现在满足用户体验的同时将用能成本控制在期望范围内。

进一步的，温控终端接收来自能源控制器的根据用能控制策略生成的控制指令，根据上述控制指令对电采暖设备进行控制以实现用户侧的用能控制。

进一步的，能源控制器的识别过程为：

a)能源控制器通过RESET管脚复位路由；

b)能源控制器等待通信单元上报，等待一设定时间，超时则主动下发“电力线通讯模块运行模式信息”查询命令；

c)若电力线通讯模块的主节点地址与能源控制器不匹配，则下发“设置主节点地址”命令；

d)根据设定电力线通讯模块运行模式参数确定能源控制器抄录的设备和信息类型。

进一步的，能源控制器的基本功能进一步包括：支持远程在线软件下载升级；支持手持设备或手机Wifi设置参数；通过指示灯显示工作状态、通信状态；通过物联网或者以太网与云端服务平台进行通讯。

进一步的，能源控制器通过指示灯显示工作状态包括：

能源控制器的指示灯由两个红色指示灯、两个绿色指示灯和四个双色指示灯组成：

a)BIOS：红色灯，常亮表示硬件底层出现问题或者此时设备在升级状态；

b)ERROR：红色灯，常亮表示抄表不成功或者某房间的电采暖设备有过载的情况；

c)IRDA：绿色灯，闪烁表示电力线通讯接口通讯；

d)RUN：绿色灯，闪烁表示设备正常工作；常亮表示设备正在适应电采暖设备温控终端情况；

e)SEVER：红色灯亮表示能源控制器作为服务端接收数据，绿色灯亮表示能源控制器作为服务端发送指令；

f)GPRS：当GPRS登陆时，红色灯亮表示能源控制器云端服务平台身份验证通过，绿色灯亮起表示此时GPRS链路是通的；当GPRS登陆后，红色灯亮表示能源控制器接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示能源控制器向云端服务平台发送数据；

g)LAN：红色灯亮表示以太网下接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示以太网下向云端服务平台发送数据；

h)485：红色灯亮表示能源控制器接收温控终端的数据；绿色灯亮起表示能源控制器对温控终端发送数据。

进一步的，能源控制器和温控终端分别包括电力线载波通讯模块化结构，从而通过电力线载波通讯模块化结构以通过电力线进行双向信号通讯，所述电力线载波通讯模块化结构包括设备主控板、网络模块、带有接口的电力线通讯模块；网络模块通过AP协议对该接口进行读写操作；设备主控板和网络模块电连接，设备主控板向网络模块发送信息或接受从网络模块传输的信息并进行处理，网络模块解读接收到的网络帧，实现网络数据和主控板格式的数据相互转换，并存储设备的网络标志信息。

进一步的，所述设备主控板包括网关主控板和设备主控板，所述网关主控板和设备主控板分别安装在能源控制器和温控终端上。

进一步的，所述接口为AP接口，该接口包含接收、发送缓冲区以及若干控制寄存器。

进一步的，能源控制器和温控终端之间的介质访问控制方式采用主从问答和总线令牌相结合的方式；当主设备忙时，采用主从问答，当主设备闲时，采用总线令牌式。

进一步的，所述令牌由网关主控板负责分发，分发令牌的规则为：

a)令牌由能源控制器分发给某一温控终端，有效期为T；

b)得到令牌的温控终端可以发送信息，发送完毕或无信息发送，温控终端应退还令牌；

c)如T时间到，令牌未退还，能源控制器将强制收回该令牌并颁发给下一个温控终端；

d)温控终端在使用令牌的合法时间内，能源控制器不能强制进入主从模式，必须按照规定等到该令牌收回方可。

进一步的，令牌格式为2字节，第一字节为令牌操作内容，第二字节为令牌操作的温控终端的地址。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、云服务将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供按需服务。云-边-端智慧用能协同控制架构通过安装在电采暖设备中的温控终端采集用户供热的需求信息，并基于电力线载波通讯上传至在用户侧安装的能源控制器，将用户侧获取的用能需求、环境数据、重要事件等信息上传至云端服务器进行大数据分析，自动生成面向有序用电、需求响应、电力市场交易等需求控制策略，并将控制策略下发至能源控制器，能源控制器通过电力线载波通讯将控制指令下传至各温控终端，实现智慧用能控制。

2、电力线载波通信具有可靠性，电力线作为通信介质，具有坚固可靠的特性。可抵御自然及外力影响，不易腐蚀变脆，可用年限较之其他通信方式要长很多。电力线载波通信具有经济性，采用电力线载波通信方式，在建设改造的过程中不用额外追加投资，不影响电力系统传输电能对电力线的正常使用；电力线载波通信还具有实时性，实现永久在线，数据测量业务实时完成，不易受外界环境干扰；电力线载波通信具有互动性，双向传输信息，实现信息沟通和指令传输。

附图说明

图1示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统的结构图；

图2示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统中能源控制器的识别过程；

图3示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统中能源控制器的面板图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统的结构图。基于电力线载波的智能控制用能系统包括云端服务平台、能源控制器4、多个温控终端3、以及用于实现能源控制器4与多个温控终端3之间通讯连接的电力线1。

能源控制器4安装在用户的入户配电箱中。基于电力线载波(PLC)信号通讯协议，能源控制器4通过为安装在各个房间的多个温控终端3进行供电的电力线与各个温控终端3进行信号的双向通讯。能源控制器4还通过物联网、以太网等方式与云端服务平台进行通讯连接。

温控终端3包括PLC信号接收终端和发送终端、暖通设备的控制单元、以及环境温湿度传感器。PLC信号接收终端和发送终端用于通过电力线与能源控制器4进行双向信号通讯。暖通设备的控制单元通过外部干节点对电暖器的功率挡位继电器进行控制，进而控制电暖器的开关及运行功率。温控终端3可采集的数据信息包括：环境数据、重要事件等信息，如环境温度、湿度、设备过热、设备功率异常等。

能源控制器4包括PLC信号集中器、入户电功率电流监测单元。PLC信号集中器用于通过电力线与各个温控终端3进行双向信号通讯。能源控制器4通过4G模块以由物联网、以太网等方式与云端服务平台进行通讯连接。

用户温控终端内的温度、湿度传感器可以实现对室内温度、湿度的感知，并将实时数据显示在温控终端3的显示面板上，并且上述实时数据可以通过电力线载波传输到能源控制器4。用户可以通过遥控或终端3上的按键自由调控不同时刻或不同状态的房间温度，并选择温控相应模式，包括智能控制模式和非智能控制模式，在非智能控制模式下，温控终端3将室温严格维持在用户设定温度；在智能控制模式下，云-边-端系统将自动实现智能用能控制。在该模式下，用户可以自行设置需求响应时响应能力的上、下边界，例如室内温度的上、下限。用户的操作记录及设定数值均可通过电力线载波传输至能源控制器4。通过电力线载波传输到能源控制器4的数据，以及能源控制器4进一步采集的配电箱内的用电信息，将上传至云端服务平台。云端服务平台根据上述信息掌握用户家庭用电负荷状况，利用功率信息进行非侵入式负荷分解，并识别各负荷状态，根据负荷使用情况判别用户行为状态，并根据预先设定的各时刻温度，得出用户供暖的用能需求。根据大数据分析，例如根据当地用电的峰谷平情况，以及基于价格的需求响应，云平台将以用能成本最低为优化目标，在用户设定的需求响应能力上下边界范围内，调整电采暖控制策略。云平台可以兼顾用户体验，根据用户设定温度以及用能成本相结合，在用户设定的需求响应能力上下边界范围内，调整电采暖控制策略，从而在满足用户需求的同时，能够将用能成本控制在期望范围之内。云平台将生成的电采暖控制策略下发给能源控制器4，能源控制器4根据上述控制策略生成控制指令，再通过电力线载波实现对温控终端3的控制。云平台通过非侵入式负荷分解及识别，得到各个温控终端3实时功率，也将下发给能源控制器4，再分别发送到各个温控终端3，用户可以通过遥控或终端3上的按键查询某时间段内该终端3的功率、累计用电量等信息，由此用户可以了解自己的用电情况以及电网公司的需求侧管理策略，进而调整自己的用电行为。

图2示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统中能源控制器的识别过程。

能源控制器4识别集中器是否接入本地通信单元(例如温控终端3的PLC信号接收终端和发送终端)的过程为：

a)能源控制器4通过RESET管脚复位路由。

b)能源控制器4等待通信单元上报(AFN＝03H-F10)，等待时间1min，超时则主动下发“电力线通讯模块运行模式信息”查询命令(AFN＝03H-F10)。

c)若电力线通讯模块的主节点地址与能源控制器4不匹配，则下发“设置主节点地址”命令(AFN＝05H-F1)。

d)根据设定电力线通讯模块运行模式参数确定能源控制器抄录的设备(例如，温控终端)和信息类型。

图3示出了根据本发明的一种基于云-边-端的电力线载波智能控制用能系统中能源控制器的面板图。能源控制器4通过指示灯显示工作状态。能源控制器4包括两个红色指示灯、两个绿色指示灯和四个双色指示灯，其分别指代的含义如下：

a)BIOS灯：红色灯，当红色常亮表示硬件底层出现问题或者此时设备在升级状态。

b)ERROR灯：红色灯，常亮表示抄表不成功或者某房间的电采暖设备有过载的情况。

c)IRDA灯：绿色灯，闪烁表示电力线通讯接口正在进行信号通讯。

d)RUN灯：绿色灯，闪烁表示设备正常工作；常亮表示设备正在适应电采暖设备温控终端情况。

e)SEVER灯：双色指示灯，红色灯亮表示能源控制器作为服务端接收数据，绿色灯亮表示能源控制器作为服务端发送指令。

f)GPRS灯：双色指示灯，当GPRS登陆时，红色灯亮表示云端服务平台身份验证通过，绿色灯亮起表示此时GPRS链路是通的；当GPRS登陆后，红色灯亮表示能源控制器接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示能源控制器向云端服务平台发送数据。

g)LAN：双色指示灯，红色灯亮表示以太网下接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示以太网下向云端服务平台发送数据。

h)485：双色指示灯，红色灯亮表示能源控制器接收温控终端的数据；绿色灯亮起表示能源控制器对温控终端发送数据。

能源控制器的基本功能还包括：支持远程在线软件下载升级；支持手持设备或手机Wifi设置参数。

另外，对于温控终端3以及能源控制器4的模块化结构来说，温控终端3以及能源控制器4的模块化结构进一步包括设备主控板、网络模块、带有接口的电力线载波通讯模块。电力线载波通讯模块包含相关接口、温控终端3的PLC信号接收终端和发送终端以及能源控制器4的PLC信号集中器。网络模块通过AP协议对该接口进行读写操作；设备主控板和网络模块电连接，设备主控板向网络模块发送信息或接受从网络模块传输的信息并进行处理，网络模块解读接收到的网络帧，实现网络数据和主控板格式的数据相互转换，并存储设备的网络标志信息。

所述设备主控板包括网关主控板和设备主控板，所述网关主控板和设备主控板分别安装在能源控制器和温控终端上。

所述接口为AP接口，该接口包含接受、发送缓冲区以及若干控制寄存器。

它的介质访问控制方式采用主从问答和总线令牌相结合的方式；当主设备(能源控制器)忙时，采用主从问答，当主设备闲时，采用总线令牌式。

所述令牌由网关负责分发，分发令牌的规则为：

a)令牌由能源控制器分发给某一温控终端，有效期为T；

b)得到令牌的温控终端可以发送信息，发送完毕或无信息发送，温控终端应退还令牌；

c)如T时间到，令牌未退还，能源控制器将强制收回该令牌并颁发给下一个温控终端；

d)温控终端在使用令牌的合法时间内，能源控制器不能强制进入主从模式，必须按照规定等到该令牌收回方可。

令牌格式为2字节，第一字节为令牌操作内容，第二字节为令牌操作的温控终端的地址。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (13)

1.一种基于电力线载波的智能控制用能系统，所述智能控制用能系统包括云端服务平台、能源控制器、温控终端以及用于实现能源控制器与温控终端之间通讯连接的电力线，能源控制器安装在用户侧配电箱端，温控终端设置在用户侧电采暖设备中，其特征在于：

温控终端采集用户供热的需求信息，并将用户供热的需求信息基于电力线载波通讯通过电力线上传至能源控制器；能源控制器将在用户侧获取的需求信息上传至云端服务平台；云端服务平台接收上述信息，并且生成用能控制策略，并将所述用能控制策略下发至能源控制器；能源控制器根据用能控制策略生成控制指令，并且通过电力线载波通讯将所述控制指令下传至温控终端，温控终端根据控制指令实现用户侧的用能控制；温控终端还进一步采集环境数据以及重要事件，并将上述信息上传至能源控制器，其中环境数据包括环境温度、湿度，重要事件包括设备过热、设备功率异常；

能源控制器还进一步采集配电箱内的用电功率、电流信息，将上述信息上传至云端服务平台，其中，用户侧获取的需求信息还包括用户设定的需求响应能力上下边界；

云端服务平台接收来自能源控制器的在用户侧获取的信息，首先根据用电功率、电流信息采用非侵入负荷辨识算法辨别用户负荷状态，进一步判定用户行为状态，最终得出用户供暖用能需求；

云端服务平台通过非侵入式负荷辨识算法进行分解及识别，得到各个温控终端的实时功率，并下发给能源控制器，再分别发送到各个温控终端；

云端服务平台根据用户供暖用能需求，以最低用能成本为优化目标，在用户设定的需求响应能力上下边界范围内，生成用能控制策略。

2.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

温控终端为多个，分别安装在用户侧不同房间的电采暖设备中，并且所述多个温控终端通过电力线与能源控制器进行双向通讯，用户可设置各温控终端的用户设定温度以及查询各温控终端的用电量信息。

3.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器接收到来自温控终端采集的信息，并根据云端服务平台推送的用能控制策略生成控制指令，然后向温控终端分发控制指令。

4.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

温控终端接收来自能源控制器的根据用能控制策略生成的控制指令，根据上述控制指令对电采暖设备进行控制以实现用户侧的用能控制。

5.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器的识别过程为：

a)能源控制器通过RESET管脚复位路由；

b)能源控制器等待通信单元上报，等待一设定时间，超时则主动下发“电力线通讯模块运行模式信息”查询命令；

c)若电力线通讯模块的主节点地址与能源控制器不匹配，则下发“设置主节点地址”命令；

d)根据设定电力线通讯模块运行模式参数确定能源控制器抄录的设备和信息类型。

6.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器的基本功能进一步包括：

支持远程在线软件下载升级；支持手持设备或手机Wifi设置参数；通过指示灯显示工作状态、通信状态；通过物联网或者以太网与云端服务平台进行通讯。

7.根据权利要求6所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器通过指示灯显示工作状态包括：

能源控制器的指示灯由两个红色指示灯、两个绿色指示灯和四个双色指示灯组成：

a)BIOS:红色灯，常亮表示硬件底层出现问题或者此时设备在升级状态；

b)ERROR:红色灯，常亮表示抄表不成功或者某房间的电采暖设备有过载的情况；

c)IRDA:绿色灯，闪烁表示电力线通讯接口通讯；

d)RUN:绿色灯，闪烁表示设备正常工作；常亮表示设备正在适应电采暖设备温控终端情况；

e)SEVER:红色灯亮表示能源控制器作为服务端接收数据，绿色灯亮表示能源控制器作为服务端发送指令；

f)GPRS:当GPRS登陆时，红色灯亮表示能源控制器云端服务平台身份验证通过，绿色灯亮起表示此时GPRS链路是通的；当GPRS登陆后，红色灯亮表示能源控制器接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示能源控制器向云端服务平台发送数据；

g)LAN:红色灯亮表示以太网下接收云端服务平台的数据，绿色灯亮表示以太网下向云端服务平台发送数据；

h)485:红色灯亮表示能源控制器接收温控终端的数据；绿色灯亮起表示能源控制器对温控终端发送数据。

8.根据权利要求1所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器和温控终端分别包括电力线载波通讯模块化结构，从而通过电力线载波通讯模块化结构以通过电力线进行双向信号通讯，所述电力线载波通讯模块化结构包括设备主控板、网络模块、带有接口的电力线通讯模块；网络模块通过AP协议对该接口进行读写操作；设备主控板和网络模块电连接，设备主控板向网络模块发送信息或接受从网络模块传输的信息并进行处理，网络模块解读接收到的网络帧，实现网络数据和主控板格式的数据相互转换，并存储设备的网络标志信息。

9.根据权利要求8所述的智能控制用能系统，其特征在于：

所述设备主控板包括网关主控板和设备主控板，所述网关主控板和设备主控板分别安装在能源控制器和温控终端上。

10.根据权利要求8所述的智能控制用能系统，其特征在于：

所述接口为AP接口，该接口包含接收、发送缓冲区以及若干控制寄存器。

11.根据权利要求8所述的智能控制用能系统，其特征在于：

能源控制器和温控终端之间的介质访问控制方式采用主从问答和总线令牌相结合的方式；当主设备忙时，采用主从问答，当主设备闲时，采用总线令牌式。

12.根据权利要求11所述的智能控制用能系统，其特征在于：所述令牌由网关主控板负责分发，分发令牌的规则为：

a)令牌由能源控制器分发给某一温控终端，有效期为T；

b)得到令牌的温控终端可以发送信息，发送完毕或无信息发送，温控终端应退还令牌；

(c)如T时间到，令牌未退还，能源控制器将强制收回该令牌并颁发给下一个温控终端；

(d)温控终端在使用令牌的合法时间内，能源控制器不能强制进入主从模式，必须按照规定等到该令牌收回方可。

13.根据权利要求12所述的智能控制用能系统，其特征在于：

令牌格式为2字节，第一字节为令牌操作内容，第二字节为令牌操作的温控终端的地址。

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