能源與節(jié)能 基于云計(jì)算的智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能研究

作者簡介：王伯勇（1973—），男，貴州六盤水人,碩士,工程師,主要從事控制節(jié)能及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的研究工作。中圖分類號：TN948.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944(2014)05027703

1智慧家庭能源管理系統(tǒng)研發(fā)目的

智慧家庭能源管理系統(tǒng)通過以智能插座為控制節(jié)點(diǎn),以家庭網(wǎng)關(guān)為核心的智能管理平臺建立家庭物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu),重點(diǎn)解決城市居民用能智能化的問題,達(dá)到了節(jié)能減排和舒適家居的目的。

1.1節(jié)能減排

通過智能化的電能用戶管理,使居民家庭能夠?qū)崟r(shí)、全面了解自身用電的詳細(xì)信息,有效利用和控制普通家庭中家用電器的使用時(shí)間和使用頻率,最大限度利用電網(wǎng)公司的富余電力和城市分布式太陽能光伏系統(tǒng)的有效發(fā)電電能,最大限度有序控制居民小區(qū)及家庭在電網(wǎng)公司用電高峰時(shí)的電能使用,適量降低城市電網(wǎng)在用電高峰時(shí)的負(fù)荷壓力,通過技術(shù)手段、信息共享和智能控制達(dá)到全社會共同參與節(jié)能減排的目的。

1.2新能源接入

建立以居民小區(qū)為單位的太陽能微網(wǎng)系統(tǒng),通過太陽能屋頂、太陽能墻體、太陽能遮陽板等工程設(shè)施,實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)公用電力(路燈、走道燈、草坪燈等公共區(qū)域)優(yōu)先使用該區(qū)的太陽能光伏電能,居民家庭優(yōu)先使用該小區(qū)太陽能即時(shí)發(fā)電的電能,多余的太陽能電能逆向向國家電網(wǎng)送電,實(shí)現(xiàn)太陽能在城市分布式能源系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。

1.3用戶端削峰填谷

建立用戶端調(diào)峰的新概念和輔助技術(shù)手段,在城市電網(wǎng)用電高峰時(shí)段,用智能插座階段性地控制部分高耗電的家用電器工作,在電網(wǎng)用電低谷的區(qū)間和小區(qū)太陽能發(fā)電的高峰期通過智能插座啟動預(yù)設(shè)好的部分家用電器工作,在用電高峰來臨前完成部分家用電器的非即時(shí)用電任務(wù),實(shí)現(xiàn)在用戶端輔助電網(wǎng)削峰填谷的功能。

1.4用戶儲能

通過對家用電器、家用電動汽車使用時(shí)間的控制和對部分家用電器儲能裝置的改進(jìn),將電網(wǎng)公司和小區(qū)新能源系統(tǒng)階段性地多余電能儲存和轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、化學(xué)能、機(jī)械能等能源,實(shí)現(xiàn)在用戶端儲能的目的。

1.5物聯(lián)網(wǎng)接入

通過無線和有線兩種接入方式,將大部分的家用電器與電力信息管理系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)直接連接,供電企業(yè)和用戶能通過遠(yuǎn)程控制或遙控裝置操作家用電器工作,實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的直接相連,提升電網(wǎng)系統(tǒng)的自動化、智能化管理水平,提升居民的生活舒適性和便捷性。在滿足智能用電的基礎(chǔ)上,逐步實(shí)現(xiàn)智能用水、智能用氣等家庭綜合能源管理。

2基于云計(jì)算的智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

智慧家庭能源管理系統(tǒng)可按照“端”、“管”、“云”來架構(gòu)進(jìn)行部署,數(shù)據(jù)(控制)中心部署在云上,家庭“端”主要由家庭網(wǎng)關(guān),智能插座,家電等組成,數(shù)據(jù)云端通過互聯(lián)網(wǎng)與家庭端進(jìn)行相聯(lián)。智慧家庭能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1。

家庭網(wǎng)關(guān)只對家庭內(nèi)部的信息進(jìn)行采集和管理,地理信息(省、市、縣、區(qū)、居住地、電力公司等信息)等進(jìn)行集中儲存和管理。數(shù)據(jù)中心建立用戶地理信息的專用數(shù)據(jù)庫,分區(qū)域、分城市、分省份對家庭用電信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在積累了大量的用戶歷史用電數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)(控制)中心通過在內(nèi)部建立用電管理信息的數(shù)學(xué)模型,對海量用電信息的分類、分時(shí)、分地的梳理分析,建立用電管理和調(diào)度的輔助決策系統(tǒng),為地方政府、電力公司、相關(guān)企業(yè)提供有價(jià)值的電力及能源管理信息。為充分的提高數(shù)據(jù)的交換性,數(shù)據(jù)控制中設(shè)置有數(shù)據(jù)交換接口,用于在云平臺(數(shù)據(jù)控制中心)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)同電力公司服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖1智慧家庭能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3智慧家庭能源管理系統(tǒng)主要功能分析

3.1家庭總用電計(jì)量

本項(xiàng)目中家庭網(wǎng)關(guān)具有智能電表的功能,可滿足供電部門對家庭用戶用電計(jì)量進(jìn)行分析。家庭網(wǎng)關(guān)可直接向數(shù)據(jù)中心發(fā)送用電數(shù)據(jù),同時(shí)數(shù)據(jù)中心可直接為電網(wǎng)公司提供數(shù)據(jù)接口便于調(diào)用家庭用電數(shù)據(jù)。

3.2家庭單電器用電計(jì)量

通過智能化的電能用戶管理系統(tǒng),使居民家庭能夠?qū)崟r(shí)、全面了解自身用電的詳細(xì)信息,有效利用和控制普通家庭中家用電器的使用時(shí)間和使用頻率,最大限度利用電網(wǎng)公司的富余電力和城市分布式太陽能光伏系統(tǒng)的有效發(fā)電電能,最大限度有序控制居民小區(qū)及家庭在電網(wǎng)公司用電高峰時(shí)的電能使用,適量降低城市電網(wǎng)在用電高峰時(shí)的負(fù)荷壓力,通過技術(shù)手段、信息共享和智能控制達(dá)到全社會共同參與節(jié)能減排的目的。

3.3家庭負(fù)荷控制

對家庭內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行分類管理,當(dāng)夏季用電高峰出現(xiàn)電力缺口時(shí),一是可以限定家庭用電總量的方式來保證家庭基本用電,用電高峰時(shí)可自動切斷非必要使用電器的供電,另一種是通過限定家庭非必要使用電器來保證家庭基本用電,在限電模式下可以有效地解決拉閘限電所帶來的弊端,真正意義上實(shí)現(xiàn)家庭需求的用電設(shè)備控制。

3.4家庭電器遠(yuǎn)程控制

隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,居民對家用電器的遠(yuǎn)程操控的需求會相應(yīng)增長。用戶可以利用智能終端設(shè)備,通過數(shù)據(jù)中心或家庭網(wǎng)關(guān)對用戶遠(yuǎn)程控制指令信息對某個(gè)電器下達(dá)啟用、關(guān)閉的命令,并實(shí)時(shí)查看某個(gè)電器工作狀態(tài)的信息。

3.5峰谷電管理、階梯電管理

建立用戶端調(diào)峰的新概念和輔助技術(shù)手段,在城市電網(wǎng)用電高峰時(shí),用智能插座階段性地控制部分高耗電的家用電器工作,在電網(wǎng)用電低谷的區(qū)間和小區(qū)太陽能發(fā)電的高峰期通過智能插座啟動預(yù)設(shè)好的部分家用電器工作,在用電高峰來臨前完成部分家用電器的非即時(shí)用電任務(wù),實(shí)現(xiàn)在用戶端輔助電網(wǎng)削峰填谷的功能。

目前的家庭都是被動的接受峰谷電的使用,用戶沒有選擇權(quán),使用時(shí)也沒有反饋功能。數(shù)據(jù)中心要設(shè)有峰谷電管理模塊,當(dāng)接到峰電負(fù)荷控制的信息時(shí),根據(jù)事先設(shè)置的家用電器用電優(yōu)先順序,通知相關(guān)地區(qū)的家庭網(wǎng)關(guān)將一部分智能插座關(guān)閉繼電器,暫時(shí)停止一部分電器工作。當(dāng)數(shù)據(jù)中心接到谷電信息時(shí),根據(jù)事先預(yù)約的家用電器用電用電請求,通知相關(guān)地區(qū)的家庭網(wǎng)關(guān)將一部分智能插座打開繼電器,啟動一部分電器工作。

3.6家庭用電分析

利用數(shù)據(jù)中心所收集到的用戶家庭歷史用電信息,利用數(shù)據(jù)挖掘和強(qiáng)大的云平臺計(jì)算能力,數(shù)據(jù)中心可以可以提供:分析每戶各類家用電器耗電量占比;分析每戶各類家用電器用電時(shí)間的比例;分析每戶峰電和谷電的用電占比;分析每戶網(wǎng)電和區(qū)電的用電占比;不同家庭的用電模式分析;不同電器用電量占比分析;不同品牌同一種電器耗電分析。

4數(shù)據(jù)中心

智慧家庭數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行在云平臺上的一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),是基于物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)考慮的。按照千萬級用戶接入的目標(biāo)進(jìn)行的設(shè)計(jì),為智慧家庭用戶提供自主管理服務(wù)。

數(shù)據(jù)中心的軟件的系統(tǒng)布局分為前臺管理系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩大部分。前臺管理系統(tǒng)主要面向居民家庭服務(wù),以便捷操作為導(dǎo)向設(shè)計(jì),后臺管理主要為單位客戶和運(yùn)營中心操作人員服務(wù),以數(shù)據(jù)安全及系統(tǒng)安全為導(dǎo)向。在日常運(yùn)營系統(tǒng)中,按照數(shù)據(jù)挖掘分析進(jìn)行日間運(yùn)營、日終處理、月終處理、年終處理等實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)分析功能。

數(shù)據(jù)中心同時(shí)為用戶提供了采用各種主流的外圍終端設(shè)備訪問數(shù)據(jù)中心或家庭網(wǎng)關(guān)的途徑。用戶通過短信、手機(jī)客戶端系統(tǒng)、智慧家庭門戶網(wǎng)站,了解到諸如月度末的用電清單,階梯用電限額信息,峰谷電信息或者是供電公司實(shí)時(shí)限電、停電等信息,這些信息采用主動推送或自助選擇服務(wù)的方式,由數(shù)據(jù)中心發(fā)給用戶。隨著智能手機(jī)功能不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)中心還將逐步的拓展彩信、飛信等模式供越來越多的用戶使用。

5家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)處于智慧家庭智能用電設(shè)備和位于小區(qū)內(nèi)的區(qū)網(wǎng)控制中心之間。他一方面接收區(qū)網(wǎng)控制中心的調(diào)度控制命令,一方面安裝預(yù)設(shè)程序負(fù)責(zé)智慧家庭的管理工作,通過對家庭用電情況的監(jiān)測、分析和控制服務(wù),實(shí)現(xiàn)有序用電管理和能效服務(wù)智能化的重要途徑,達(dá)到家庭智能用電、進(jìn)行家庭能源管理、實(shí)現(xiàn)智慧家庭的目的。

家庭網(wǎng)關(guān)的主要功能是:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,包括智能插座數(shù)據(jù)采集;家庭環(huán)境溫度、光照度、燃?xì)鉂舛取熿F濃度的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)管理和存儲,包括家庭網(wǎng)關(guān)所采集到的各種信息的保存和處理,用電分析等。用電設(shè)備控制,包括近程控制、遠(yuǎn)程控制、家庭用電模式控制、峰谷電控制和定時(shí)控制等。數(shù)據(jù)通信,包括上行到樓宇集中器、小區(qū)區(qū)網(wǎng)的上報(bào)數(shù)據(jù)和接受其的指令;下行到智能插座的數(shù)據(jù)采集指令和控制指令等。數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā),包括通過Zigbee、Wifi等方式轉(zhuǎn)發(fā)用戶和其他職能設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)。家庭網(wǎng)關(guān)邏輯架構(gòu)圖如圖2。

圖2家庭網(wǎng)關(guān)邏輯架構(gòu)

6智能插座

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)與智能家電的直接互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)物與物之間的智慧相連,自動互動,推動物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的四網(wǎng)融合。智能插座是未來智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對單個(gè)家用電器進(jìn)行控制和管理的核心設(shè)備。

智能插座的主要功能包括:計(jì)量顯示電壓,電流,功率,頻率,累計(jì)電能等用電信息;提供帶保護(hù)功能的插座;低于設(shè)定功率跳閘保護(hù),定時(shí)跳閘功能;節(jié)能功能,檢測待機(jī)通斷電;提供帶RS485,USB,無線等通訊接口的計(jì)量插座。

智能插座根據(jù)使用的不同層面,分為不同系列的不同型號,在現(xiàn)有插座通電功能的基礎(chǔ)上,增加通訊傳輸和智能控制功能,通過智能插座對各類智能及非智能家用電器的控制與管理。

2014年5月綠色科技第5期參考文獻(xiàn)：

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