智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構及功能研究

鄧斌　劉關林

摘要：隨著社會經濟的不斷發(fā)展以及人們環(huán)境保護意識的逐漸興起，如今社會對于家庭能源管理的需求性也在不斷提升。據此，本文將提出一種智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構設計，并對該系統(tǒng)的主要功能進行分析闡述，以期能夠為業(yè)內人士提供理論參考。

關鍵詞：智慧家庭;能源管理;系統(tǒng)設計

前言

智慧家庭能源管理系統(tǒng)作為一種面向全社會家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應用系統(tǒng)，其需要以云計算技術為基礎構建云數據服務中心為核心組成內容，進而通過智能插座、家庭網關、智能電網等智能設備對家庭用戶的用電數據進行實際收集和控制，實現居民家庭對家中電力能源消耗情況進行自主管理，深化峰谷電和階梯電的智能化應用，推進國家電網公司智能供電以及電力供應節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等目標的思想，并推進智能家電的改進和發(fā)展。

1 智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構設計的驅動因素

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，如今用戶的供電服務需求以及能源利用形式均發(fā)生了較大變化，電力用戶的實際角色也從被動使用者向主動參與者進行轉變，如此便對電網公司的服務水平提供了更高的實際要求。

電力用戶角色轉變作為一種客觀規(guī)律，此過程中決定著用戶對電網的服務種類和服務需求也會出現較大變化，再加上當今階梯電價和峰谷電價的實行，當今用戶的用電行為也逐漸發(fā)生改變，且對于電力使用成本也越加敏感，很多用戶期望電網公司在提供服務的同時，能夠準確的提供家庭用電信息，該些要求的實現均需要電網公司對現有的服務及相關技術進行優(yōu)化完善，將原本的供電側為主的供電服務轉變?yōu)橐孕枨髠葹橹鞯默F代供電服務，為用戶提高更加精準、高效的供電服務，提高用戶的電力使用體驗。

除此之外，隨著電力用戶能源利用方式的逐步改變，如今家庭中電動汽車等新型能源需求設備的接入量也在不斷增加，該些新型用電設備的接入對于電網的有效調控和負荷提出了更好的實際要求，需要結合當今實際情況，提出相應的電網調控措施，降低新型用電設備接入對電網負荷所造成的影響。基于上述諸多要求，本文設計出一種以數據服務中心為核心，以家庭網關、智能插座等設備為支持的面向全社會家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應用系統(tǒng)，即智慧家庭能源管理系統(tǒng)，從而實現家庭用電的分析、調控及管理，提高電網公司對區(qū)域用電的管理調控管理效果，滿足當今電力用戶供電需求，實現電力供應的可持續(xù)發(fā)展。

2 智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構設計

智慧家庭能源管理系統(tǒng)是一種以數據服務中心為核心組成，以家庭網關、智能插座等設備為支持，最終所構成的一種面向全社會家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應用系統(tǒng)。

在設計中，智慧家庭能源管理系統(tǒng)將會分為“端”、“管”“云”三部分進行實際部署，其中數據服務中心部署在“云”上，而家庭能源管理則分屬于“端”，其主要由家庭網關、智能插座、用電設備等部分內容共同組成，數據服務中心通過互聯網與家庭端的用電設備、家庭管理及智能插座相互連接，進而達成數據交互效果。智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構設計如圖1所示。

在設計中，家庭網關主要負責對家庭內部的信息進行采集和管理，而智慧家庭能源管理系統(tǒng)運行過程中所涉及到的地理信息、外圍終端信息的處理和存儲則會交由云數據服務中心來完成，為能夠加強服務效果，云數據服務中心會根據區(qū)域、城市、豐富等諸多劃分方式，構建不同使用范圍的轉移數據庫，用于數據存儲和處理，在積累大量的用戶數據后，云數據服務中心會根據數據信息構建區(qū)域用電管理信息數學模式，并結合大數據技術對用戶數據信息進行分析、分類、管理，進而以此為基礎構建區(qū)域家庭用戶用電需要輔助決策系統(tǒng)，為電網公司的電力調控提供重要支持及參考。另外，為確保電網公司與家庭用戶間雙向數據交互效果，數據服務中心還設置有數據交互接口，該接口不僅可以實現家庭用戶信息的有效接入，還能夠與電網公司自身的服務器達成數據交換，進而實現數據服務中心、家庭用戶以及電網公司三方面的數據交互效果。

3 智慧家庭能源管理系統(tǒng)主要功能

3.1家庭用電數據管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)的核心功能就是對家庭用電數據進行數據采集、數據存儲、數據分析以及數據應用，在實際管理過程中，智慧家庭能源管理系統(tǒng)需要具備區(qū)域不同數據來源，并根據各家庭用電數據的實際情況，采用不同的數據采集方式和應用方式的效果。鑒于用戶用電信息具有數據量龐大，數據信息散亂等特點，所以智慧家庭能源管理系統(tǒng)在進行實際家庭用電數據管理時，應通過數據服務中心通過分批處理的方式，分批式地向家庭網關下達數據傳遞指令，家庭網關在接收到指令后，將家庭用電信息上傳到數據服務中心，供數據服務中心對家庭用電數據進行分析、處理及應用。

在設計中，數據服務中心會通過家庭網關、智能插座以及其他智能控制設備對家庭用電設備數據信息進行收集匯總，其中智能插座作為連接用電設備和家庭網關的關鍵階段，其在系統(tǒng)中將會肩負著用電設備名稱、用電設備編號、用電設備通斷狀態(tài)、溫度監(jiān)測及控制、光學監(jiān)測及控制等效果，實時確定用電設備的運行工作狀態(tài)，加強數據信息的收集效果。數據服務中心在每日會對家庭用電信息進行一次數據采集，具體采集數據信息包括有家庭用電設備當日總用電量/每小時用電量、單用電設備當日總用電量/每小時用電量、當日峰值用電量、當日低谷用電量。數據服務中心對家庭用電設備的數據采集通常由數據服務中心發(fā)起，但當用戶端發(fā)起信息獲取請求時，那么發(fā)起者便會轉變?yōu)橛脩舳耍瑪祿罩行膭t會根據發(fā)起者的實際內容數據獲取家庭用電信息，之后再反饋會發(fā)起用戶端。城市電網作為家庭用電的主要供應方，家庭網關會在城市電網中獲取區(qū)域用電峰谷信息、維修信息、電價信息、家庭用電信息、電網公司服務信息等諸多信息，并將該些信息通過短距離通信技術傳遞給用戶端，使用戶及時獲取更加精準有效的服務，提高用戶服務效果。

3.2設備管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)會分批次收集家庭中家庭網關、智能插座、用電設備等設備的數據信息，然后將該些數據信息分為內容信息管理和設備狀態(tài)信息管理兩大類數據信息，方便進行分析處理。其中內容信息一般會要求家庭用戶在使用智慧家庭能源管理系統(tǒng)前進行一次性填寫上傳，若是在后續(xù)使用過程中存在數據更改情況，應及時進行內容信息替換，同時數據服務中心也會通過抓取家庭網關所傳遞的數據信息對內容信息進行及時檔案替換更新，確保智慧家庭能源管理系統(tǒng)中用戶數據信息的精準性和有效性。數據服務中心在對內容數據進行分析處理后，將會自行轉化為控制指令發(fā)送給家庭網關，由家庭網關對家庭用電設備進行控制管理。

設備狀態(tài)信息則會由用戶端所發(fā)起，當用戶需要對家庭用電設備進行遠程操控的時候，那么智慧家庭能源管理系統(tǒng)便會實時向家庭網關傳遞信息查詢指令，然后家庭網關會將所收集到的家庭用電信息傳遞給數據服務中心，再由數據服務中心轉交給用戶端，用戶端可以根據家庭用電信息中用電設備的使用頻率、使用時間、單用電設備能耗、家庭總體能耗等諸多數據信息，遠程控制家庭用電設備的啟停以及功率。通過該種方式，雖然可以在一定程度上增加智慧家庭能源管理系統(tǒng)對用戶的服務時長，但卻可以有效降低智慧家庭能源管理系統(tǒng)的負荷量和通信量，提高系統(tǒng)運行效果，為用戶提高更為高效的服務。

3.3地理信息管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)會通過集中器來尋找特定的家庭網關，數據服務中心會對各用戶的地理信息進行收集匯總，并根據用戶的實際情況在數據庫中構建數據信息檔案，然后根據用戶所在區(qū)域，分區(qū)域、分城市、分省份等對區(qū)域內家庭用電信息情況進行收集匯總，然后通過構建用電信息管理數據模型，深入分析區(qū)域家庭用電信息的實際特點，構建區(qū)域用電管理和調度輔助決策系統(tǒng)，為后續(xù)智慧家庭能源管理系統(tǒng)對家庭用電設備峰谷時段的有效調控提供重要支持。

3.4外圍終端管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)的外圍終端設備主要由手機、計算機以及其他智能終端顯示設備組成。在實際應用過程中，用戶可以基于該些外圍終端設備，通過互聯網與數據服務中心相連，進而達成后續(xù)的數據交互、家庭用電設備控制等諸多功能效果。在智慧家庭能源管理系統(tǒng)中，外圍終端設備不同于家庭網關、集中器等專用智能終端，所以在實際應用過程中，還需要考慮到用戶接入智慧家庭能源管理系統(tǒng)時的用戶注冊、用戶登錄等其他方面的管理內容，并且還要為用戶信息的自主管理預留出管理空間。

4 結語

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，如今電力用戶對電網公司服務提出了更高的實際要求。對此，本文提出一種以數據服務中心為核心，以家庭網關、智能插座為支持的智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構設計，通過研究分析后確定該系統(tǒng)架構設計有助于相關系統(tǒng)的設計研究，所以具有較強的理論研究意義。不過受限于研究者自身的經驗及技術水平，本研究還可能會存在一定的局限性，需要在后續(xù)研究中進行更加深入的研究分析。

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基金項目

2018年度南寧市邕寧區(qū)科學研究與技術開發(fā)計劃項目《智能家庭電力能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究》（20180310A）。

作者簡介

鄧斌（1985.3），男，漢族，廣西岑溪人，哈爾濱理工大學，本科，講師，從事思想政治教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究。劉關林，（1993.6），男，漢族，廣西岑溪人，南寧學院，本科，助理實驗師，從事計算機科學與技術研究。