CN113253672B - 一种基于plc的智能家庭的负荷管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，包括：管理系统、系统硬件、系统软件、智能家庭负荷模型、电量优化控制模型、中央控制器、和嵌入式Web服务器。本发明在建立家庭能源控制框架的同时，可以具体分析了用户用电行为，并建立混合整数规划优化控制模型，引用相关数据在软件平台上实现仿真分析，分析家庭智能用电系统，搭建建立智能用电互动终端的用电显示界面，辅助用户参与需求响应决策，可以延伸到家庭的各电器设备在各时间段的一个用电量情况，进而分析解决降低电网周期总负荷时还可以减少高峰用电的瞬时功率，以便于调节用户用电行为，节约用户用电开支。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，具体为一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统。
背景技术
阶梯式电价是阶梯式递增电价或阶梯式累进电价的简称，也称为阶梯电价，是指把户均用电量设置为若干个阶梯分段或分档次定价计算费用，对居民用电实行阶梯式递增电价可以提高能源效率，通过分段电量可以实现细分市场的差别定价，提高用电效率；
随着电力改革的逐步深化，优化电网资源配置、提高电力市场的运行效率对电力行业改革至关重要，对于普通家庭用户，他们更倾向于关注如何控制家庭用电负荷和管理家庭能源，并且根据实时定价来达到降低能耗和电费的目的，而对于电力市场，未来的关键问题是如何实现需求响应计划，以便于实施峰值负荷转移即“削峰填谷”的目标，因此，具体到智能家居，实现家庭负荷优化是非常有意义的，鉴于此，提出一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统；
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，以解现有技术中存在的难以掌握如何使用各类电器才会减少高档电价，同时如何解决在降低电网周期总负荷时还可以减少高峰用电的瞬时功率与用户节约用电开支的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，包括：管理系统、系统硬件、系统软件、智能家庭负荷模型、电量优化控制模型、中央控制器、和嵌入式Web服务器；
其中，管理系统包括：
主机网页服务器；
PLC调制解调器，所述PLC调制解调器与中央控制器通过串口相连，所述PLC调制解调器用于实现与中央控制器之间的通信；
执行模块，所述执行模块与PLC调制解调器连接，用于实现中央控制器和执行模块之间的相互通信，所述中央控制器通过串口向PLC调制解调器发送数据并给执行模块；
系统硬件包括：
处理器，所述处理器采用uC/OS-II嵌入式系统，达到实时多任务操作系统内核；
电源线载波模块，所述电源线载波模块作为传输介质，方便家用电器可随时随地即插即用；
系统软件，所述系统软件使用Mplab编译软件，程序流程首先初始化与串口相关的寄存器，然后初始化所使用的I/O端口，等待来自主机的命令，解析接收到的命令，最后执行命令；
智能家庭负荷模型，所述智能家庭负荷模型用于用户需要预先设置电力需求；
电量优化控制模型，所述电量优化控制模型用于用于将每个设备选择最优的电力消耗向量；
中央控制器，所述中央控制器的核心硬件采用一个开发板，并提供一个串行端口连接到PLC调制解调器，所述开发板还提供了一个网络端口，达到使用电缆连接到Internet；
嵌入式Web服务器，所述嵌入式Web服务器实现HTTP通信，在嵌入式Web服务器工作，指定的数据存储在SCM网页中，当客户端通过浏览器访问指定的地址时，服务器解析请求消息，并将指定的页面的HTML代码返回到相应的浏览器。
优选的，所述中央控制器包括系统软件和应用软件两部分，其中，系统软件是uC/OS-II操作系统，应用软件是提供远程访问的Web应用程序，应用软件为用户提供一些家用电器操作。
优选的，所述PLC调制解调器与分布在系列的每个角落的执行模块连接，每个角落所述执行模块与对应电器连接。
优选的，所述电源线载波模块采用DSP，配合通信和组网算法以及电力线接口信号驱动电路，使得产品具有通讯距离远，通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强的特点。
优选的，在所述开发板上可以开发相关电器设备的信号灯，显示运行的操作系统。
优选的，所述基于PLC的智能家庭的负荷管理系统还包括PC，将PC与开发板连接到LAN，同时设置IP地址，网关和MAC地址来响应，打开IE，在地址栏中输入IP地址，按Enter键显示登录页面。
优选的，所述电源线载波模块包括：
识别单元，所述识别单元用于将连接的电器设备进行智能识别和排序，识别电器设备包括一类、二类和三类，其中一类为一级能效电器设备，所述二类为二级能效电器设备，所述三类为三级能效电器设备，排序为数字编号排序；
接入单元，所述接入单元与信息中心相连接，接收辨识的用户智能用电设备的信息，识别出家庭中一类、二类和三类电器设备的用电情况。
优选的，所述信息中心用于推送智能用电设备节能策略用电控制以及用于设备历史用电明细的统计与查询以及电费账单分解查询功能。
优选的，所述智能家庭负荷模型的公式为：
每个电气设备可以看作a∈A，用户需要预先设置电力需求，因此，设ea n指代n小时内电气设备a的耗电量，用ma描述电气设备a的启动时间，用na来描述结束时间，将Ea定义为运行一次的能量消耗，其可以描述为以下公式：
通常，每个电器具在有限的时间范围内具有一定的操作功率，功率约束可以表示如下，其描述电气设备a的电量消耗的上界限和下界限：
每个智能家庭的总电功率具有一定的上限，因此对电力消耗的限制如下所示：
因此，我们可以使用以下公式集描述各种电气设备的一般行为：
优选的，所述电量优化控制模型的公式为：
用户根据自己的电力需求选择电气设备的相应设置参数，根据综合电力需求，将为每个设备选择最优的电力消耗向量得到的各个约束条件：
Pre(n)描述了某电气设备在第n个小时的电价，En指第n个小时的电能消耗，ya n为一个二变量，即当ya n＝1时电气设备正在工作，当ya n＝0时，电气设备停止工作。
本发明的有益效果是：
1、本发明在建立家庭能源控制框架的同时，可以具体分析了用户用电行为，并建立混合整数规划优化控制模型，引用相关数据在软件平台上实现仿真分析，分析家庭智能用电系统，搭建建立智能用电互动终端的用电显示界面，辅助用户参与需求响应决策；
2、本发明可以延伸到家庭的各电器设备在各时间段的一个用电量情况，进而分析解决降低电网周期总负荷时还可以减少高峰用电的瞬时功率，以便于调节用户用电行为，节约用户用电开支。
附图说明
图1为本发明所述一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统的原理图；
图2为本发明所述一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统的管理系统原理图。
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1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，包括：管理系统、系统硬件、系统软件、智能家庭负荷模型、电量优化控制模型、中央控制器、嵌入式Web服务器和PC；
其中，管理系统包括：主机网页服务器、PLC调制解调器和执行模块，PLC调制解调器与中央控制器通过串口相连，PLC调制解调器用于实现与中央控制器之间的通信，执行模块与PLC调制解调器连接，用于实现中央控制器和执行模块之间的相互通信，中央控制器通过串口向PLC调制解调器发送数据并给执行模块，PLC调制解调器与分布在系列的每个角落的执行模块连接，每个角落执行模块与对应电器连接；
系统硬件包括处理器和电源线载波模块，处理器采用uC/OS-II嵌入式系统，达到实时多任务操作系统内核，电源线载波模块作为传输介质，方便家用电器可随时随地即插即用，电源线载波模块采用DSP，配合通信和组网算法以及电力线接口信号驱动电路，使得产品具有通讯距离远，通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强的特点；
电源线载波模块包括：识别单元和接入单元，识别单元用于将连接的电器设备进行智能识别和排序，识别电器设备包括一类、二类和三类，其中一类为一级能效电器设备，二类为二级能效电器设备，三类为三级能效电器设备，排序为数字编号排序，接入单元与信息中心相连接，接收辨识的用户智能用电设备的信息，识别出家庭中一类、二类和三类电器设备的用电情况，信息中心用于推送智能用电设备节能策略用电控制以及用于设备历史用电明细的统计与查询以及电费账单分解查询功能；
系统软件使用Mplab编译软件，程序流程首先初始化与串口相关的寄存器，然后初始化所使用的I/O端口，等待来自主机的命令，解析接收到的命令，最后执行命令；
智能家庭负荷模型用于用户需要预先设置电力需求；
智能家庭负荷模型的公式为：
每个电气设备可以看作a∈A，用户需要预先设置电力需求，因此，设ea n指代n小时内电气设备a的耗电量，用ma描述电气设备a的启动时间，用na来描述结束时间，将Ea定义为运行一次的能量消耗，其可以描述为以下公式：
通常，每个电器具在有限的时间范围内具有一定的操作功率，功率约束可以表示如下，其描述电气设备a的电量消耗的上界限和下界限：
每个智能家庭的总电功率具有一定的上限，因此对电力消耗的限制如下所示：
因此，我们可以使用以下公式集描述各种电气设备的一般行为：
电量优化控制模型用于用于将每个设备选择最优的电力消耗向量；
电量优化控制模型的公式为：
用户根据自己的电力需求选择电气设备的相应设置参数，根据综合电力需求，将为每个设备选择最优的电力消耗向量得到的各个约束条件：
Pre(n)描述了某电气设备在第n个小时的电价，En指第n个小时的电能消耗，ya n为一个二变量，即当ya n＝1时电气设备正在工作，当ya n＝0时，电气设备停止工作；
中央控制器的核心硬件采用一个开发板，并提供一个串行端口连接到PLC调制解调器，开发板还提供了一个网络端口，达到使用电缆连接到Internet，在开发板上可以开发相关电器设备的信号灯，显示运行的操作系统，中央控制器包括系统软件和应用软件两部分，其中，系统软件是uC/OS-II操作系统，应用软件是提供远程访问的Web应用程序，应用软件为用户提供一些家用电器操作；
嵌入式Web服务器实现HTTP通信，在嵌入式Web服务器工作，指定的数据存储在SCM网页中，当客户端通过浏览器访问指定的地址时，服务器解析请求消息，并将指定的页面的HTML代码返回到相应的浏览器；
将PC与开发板连接到LAN，同时设置IP地址，网关和MAC地址来响应，打开IE，在地址栏中输入IP地址，按Enter键显示登录页面。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，其特征在于，包括：管理系统、系统硬件、系统软件、智能家庭负荷模型、电量优化控制模型、中央控制器、和嵌入式Web服务器；
其中，管理系统包括：
主机网页服务器；
PLC调制解调器，所述PLC调制解调器与中央控制器通过串口相连，所述PLC调制解调器用于实现与中央控制器之间的通信；
所述PLC调制解调器与分布在每个角落的执行模块连接，每个角落所述执行模块与对应电器连接；
执行模块，所述执行模块与PLC调制解调器连接，用于实现中央控制器和执行模块之间的相互通信，所述中央控制器通过串口向PLC调制解调器发送数据并提供给执行模块；
系统硬件包括：
处理器，所述处理器采用uC/OS-II嵌入式系统，达到实时多任务操作系统内核；
电源线载波模块，所述电源线载波模块作为传输介质，方便家用电器可随时随地即插即用；所述电源线载波模块包括：
识别单元，所述识别单元用于将连接的电器设备进行智能识别和排序，识别电器设备包括一类、二类和三类，其中一类为一级能效电器设备，所述二类为二级能效电器设备，所述三类为三级能效电器设备，排序为数字编号排序；
接入单元，所述接入单元与信息中心相连接，接收辨识的用户智能用电设备的信息，识别出家庭中一类、二类和三类电器设备的用电情况；
所述信息中心用于推送智能用电设备节能策略用电控制以及用于设备历史用电明细的统计与查询以及电费账单分解查询功能；
系统软件，所述系统软件使用Mplab编译软件，程序流程首先初始化与串口相关的寄存器，然后初始化所使用的I/O端口，等待来自主机的命令，解析接收到的命令，最后执行命令；
智能家庭负荷模型，所述智能家庭负荷模型根据用户需要预先设置电力需求；所述智能家庭负荷模型的公式为：
每个电器设备可以看作a∈A，用户需要预先设置电力需求，因此，设ea n指代n小时内电器设备a的耗电量，用ma描述电器设备a的启动时间，用na来描述结束时间，将Ea定义为运行一次的能量消耗，其可以描述为以下公式：
通常，每个电器具在有限的时间范围内具有一定的操作功率，功率约束可以表示如下，其描述电器设备a的电量消耗的上界限和下界限：
每个智能家庭的总电功率具有一定的上限，因此对电力消耗的限制如下所示：
其中，Emax表示智能家庭电器设备组能量消耗的上限，l表示设备a的运行时长，L表示智能家庭电器设备组运行总时长，因此，使用以下公式集描述各种电器设备的一般行为：
其中，表示设备a能量消耗的下限，/>表示设备a能量消耗的上限，电量优化控制模型，所述电量优化控制模型用于将每个设备选择最优的电力消耗向量；所述电量优化控制模型的公式为：
用户根据自己的电力需求选择电器设备的相应设置参数，根据综合电力需求，将为每个设备选择最优的电力消耗向量得到的各个约束条件：
Pre(n)描述了某电器设备在第n个小时的电价，En指第n个小时的电能消耗，ya n为一个二变量，即当ya n＝1时电器设备正在工作，当ya n＝0时，电器设备停止工作；
中央控制器，所述中央控制器的核心硬件采用一个开发板，并提供一个串行端口连接到PLC调制解调器，所述开发板还提供了一个网络端口，达到使用电缆连接到Internet；
嵌入式Web服务器，所述嵌入式Web服务器实现HTTP通信，在嵌入式Web服务器工作，指定的数据存储在SCM网页中，当客户端通过浏览器访问指定的地址时，服务器解析请求消息，并将指定的页面的HTML代码返回到相应的浏览器；
所述中央控制器包括系统软件和应用软件两部分，其中，系统软件是uC/OS-II操作系统，应用软件是提供远程访问的Web应用程序，应用软件为用户提供一些家用电器操作；
所述电源线载波模块采用DSP，配合通信和组网算法以及电力线接口信号驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，其特征在于：在所述开发板上开发相关电器设备的信号灯，显示运行的操作系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能家庭的负荷管理系统，其特征在于：所述基于PLC的智能家庭的负荷管理系统还包括PC，将PC与开发板连接到LAN，同时设置IP地址，网关和MAC地址来响应，打开IE，在地址栏中输入IP地址，按Enter键显示登录页面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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