淺述基于無線網絡的智能家庭電站

周圣杰 潘繼元 黃萱

摘 要 近年來國家大力推廣光伏式家庭電站的建設，隨著人工智能的興起，家庭電站也需要向智能化方向發展。本文設計了一種基于無線網絡的智能家庭電站，該電站主要由分布式光伏發電并網系統、智能家庭系統與儲能系統構成，通過ZigBee構建智能家庭系統，使用“谷電峰用，自我消納，余電上網”的用電策略，可以實現能源的優化利用，提升用電的經濟效益與用戶的用電體驗。

關鍵詞 智能家庭;分布式光伏;無線網絡;用電策略

引言

傳統的電能能源主要是通過燃燒化石燃料產生，但是這給人們的生活環境造成了許多不利影響。人們開始意識到環境的重要性，發掘利用清潔的新型能源，如：風能、水能、太陽能等。如果將這些新型的清潔能源加以利用到家庭的使用環境中，不僅能滿足家庭用電的自我供給，提升家庭用電效率，還可以優化能源結構，有利于環境保護與社會的可持續發展。隨著安裝分布式光伏并網發電系統的家庭電站增多，智能化的不斷發展，通過將智能家庭系統與儲能系統加入到普通的家庭電站中，有利于家庭電站的智能化管理與控制。

1智能家庭電站的構成

智能家庭電站主要由三部分組成：分布式光伏并網發電系統、能量儲存系統和智能家庭系統。

1.1 分布式光伏并網發電系統

分布式發電通常是指在用戶現場或者接近用戶現場的裝機規模較小的發電系統。利用分散式資源，如：風能、太陽能等。一般建造在用電側，所產生的電能資源主要用于自用[1]。

分布式光伏發電系統由裝于房屋頂部的光伏板陣列吸收太陽能，轉化輸出直流電能，經過匯流后集中于直流配電柜，在通過光伏逆變器轉化為家庭使用的交流電能以供給家庭負荷用電，過剩或短缺的電能則通過電網調節。要想將光伏電并入電網需要MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器，該控制器主要控制逆變器并網電流的波形、功率以及光伏電池最大功率點的跟蹤，以便向電網傳送的功率與太陽能光伏電池陣列所發的最大功率電能相匹配。

另外在裝設分布式光伏并網發電系統時還配有環境監測系統、雙向電表與補貼電表，監視太陽照射強度，統計家庭電站輸出、輸入電網的電量，計算光伏發電補貼。

1.2 能量儲存系統

儲能系統主要是由蓄電池構成，可以使用儲存效率高、容量能滿足日常負荷需要的電池，如：超級電容器、固體電池等。用于補足在光伏發電出力不足時的電力需求。

1.3 智能家庭系統

智能家庭系統是智能家庭電站的重要組成部分，由家庭網絡、家庭服務器和智能用電設備構成。其中家庭網絡是其重要的結構基礎。它將家庭內部的各類可控負荷作為一個個節點，相互連接組建網絡。通過網絡可以實現家庭內部的數據傳輸，從而可以對各負荷進行智能化控制，對能源進行管理。家庭網絡可以采用無線網絡和藍牙連接兩種通信方式。相較于傳統的有線連接方式，使用無線網絡或者藍牙連接安裝簡單方便，維護容易且提高了系統的擴展性。

搭建網絡后，用電設備自身或者通過智能開關將采集到自身的用電情況通過無線網絡傳輸到控制端，用戶可以在家庭內安裝的交互屏查看，或者通過服務器連接到外網通過自身攜帶的移動設備端進行實時查看。

每個用電設備在家庭內網中都有唯一的地址標識，用戶通過移動設備，可以在制作的APP中，通過互聯網連接家庭服務器從而訪問家庭網絡，通過網絡將移動端的命令通過地址標識傳輸到指定的用電設備，對其進行相應的控制。同時通過安裝在家庭內的交互屏可以直接通過家庭內網對各設備進行控制。

2智能家庭電站的設計

智能家庭電站中以智能家庭系統為核心，根據分布式光伏并網發電系統的出力情況，對家庭負荷的使用與儲能系統中的蓄電池儲量進行調控，以達到智能化的家庭電站效果。

ZigBee技術作為一種基于IEEE 802.15.4標準的雙向無線網絡技術，它的突出特點有 低成本、低功耗、近距離、低復雜度以及高安全等[2]。并且支持ZigBee技術的處理芯片價格很便宜，可以極大地降低智能家庭電站的建造成本[3]。

要想對家庭內給負荷進行智能化調控，首先需要獲取各負荷的實時用電量，然后能通過家庭網絡對其進行實時控制。一般的智能家居基本具備此功能，普通的家居則通過加裝智能插座實現。

通過對家庭內各負荷進行編號命名，構建的網絡通道，使其與位于家庭各位置的ZigBee終端相連接，完成組網。通過采集各負荷的用電量統計實時的家庭用電情況，并計算光伏發電所產生的電能，將電能分配給各用電器。在光伏產生的電能滿足基本用電需求仍有盈余時，可以自行啟動用戶設定的不限定時間的用電操作，如：控制啟動洗碗機、洗衣機、消毒柜等。將家庭內網通過服務器與互聯網相連接，建立移動通信設備端的交互界面，使用戶可以遠程實時了解家庭的用電情況，并可以控制家庭內各電器的運作。設定多種使用情景實現進門的自動開燈，回家前自動燒水、開空調等功能。

利用外部的環境監控系統測量實時的太陽光照情況，并與今日的天氣相結合，預測今日光伏發電的發電量，合理分配此時的家庭內的能源使用結構，利用分布式光伏發電并網系統配合雙向電表與補貼電表將多余光伏發電能輸入電網，實現自我消納，余電上網。

3智能家庭電站的用電策略

智能家庭電站的用電策略主要通過智能家庭電網對光伏發電與儲能系統的系統進行配合。我們可以將其稱為“谷電峰用，自我消納，余電上網”，即在用電高峰時期，將光伏發電產生的電能全部使用，若光伏發電產生的電能超過負荷所需電能，則將多余電能輸送到電網中;若光伏發電產生的電能低于負荷所需電能，則盡量先使用儲能系統中的電能，除非儲能系統達到設定的最低能量限度，不足的電能通過電網補充。在用電低谷時期，則通過電網向儲能系統進行充電，直到達到設定的最高能量限度。這種用電策略可以有效節省用戶的購電費用。

4結束語

裝設智能家庭電站的優點如下：

（1）利用清潔能源污染程度低，環境效益高。利用光伏發電不會產生廢氣廢水，不會產生噪聲，能有效地優化居住環境;

（2）實現發電用電并存。通過光伏發電并網可以將采集到的太陽能用于日常用電，并將盈余的電能輸入電網;

（3）能提高用戶的日常用電體驗。通過智能家庭網絡，用戶可以實時的控制家庭內各負荷的狀態，提升居住環境的智能化程度;

（4）可以有效降低用戶的用電費用。通過“谷電峰用，自我消納，余電上網”這種策略，可以減少總購電量，并通過補貼電表獲得光伏發電補貼，進一步減少用電總費用。

智能家庭電站目前存在的不足：

（1）前期搭建的成本高，且人們對這項新技術不了解;并網結算周期過長，往往短時間不能很快得到收益，大大降低了人們對此的興趣;

（2）分布式光伏家庭電站的建設缺少具體的的規范和標準，降低了分布式光伏家庭電站的利用率;

（3）分布式光伏發電并網的技術仍不成熟，存在轉換效率不高，故障不能及時排除等狀況;

（4）分布式光伏發電并網系統容易產生孤島效應，且向電網輸送電能會引起配電網潮流復雜化;

（5）分布式光伏發電系統會給傳統配電網運維檢修帶來困難。

參考文獻

[1] 湯婷婷.基于電網阻抗檢測的孤島檢測研究[D].安徽：合肥工業大學，2013.

[2] 彭道剛，張浩，李輝，等.基于ZigBee技術的發電設備無線遠程監測系統研究[J].華東電力，2009，37（2）：287-290.

[3] 高琳，王志新，鄒建龍，等.基于分布式光伏電站和儲能系統的 家庭能效管理策略研究[J].電力需求側管理，2017，19（2）：20-24.