戶用智慧能源云平臺的一體化設計與應用

林 海，藍建明，郭 幸

（1.廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510665；2.華南理工大學電力學院，廣州 510640）

當前全球氣候問題和能源危機加劇，社會各領域實現節能減排目標任重而道遠。隨著現代化、信息化、智能化時代的進展，家庭能源系統融合了能源領域、家居領域、交通領域，推廣戶用智慧能源系統應用具有重要的節能價值和現實意義。

文獻[1]構建含并網光伏發電系統的家庭能源調度模型，并進行經濟性分析。文獻[2]構建家庭微電網能源管理系統，同時對電動汽車、住宅、電池和可再生能源發電系統，提出動態能源管理方案。文獻[3]提出了包括檢測、優化調度、監控等功能模塊的架構，基于智能家居的用戶需求響應制定能源消費計劃。

以上研究側重于家庭能源管理的優化技術，離實際應用尚有距離。有學者討論了家庭能源管理系統應用的基礎框架[4]，提出基于優化的住宅能源管理、決策支持工具等能源管理方案。文獻[5]給出綠色智能家庭能源系統業務建模過程，為業務系統建設和部署提供標準化指導，但是研究是基于能源互聯網環境。文獻[6]闡述了傳統家庭用電和智能家居用電結構區別，總結了智能家居和可再生能源在家庭能源管理系統中的應用技術。

在技術應用中，軟件開發是驗證和推廣家庭能源系統設計方法的重要途徑。在發達國家和地區，家庭能量管理系統得到充分研究，已進入現實應用層面，開發出一些軟硬件產品。例如美國電力企業曾開發包括住宅能量管理系統（HEMS）、分布式新能源發電裝置、智能電表、節能照明器具和需求響應家用電器等產品[7]。在我國，家庭能量管理系統的研究偏重于規劃、調度，實際應用的軟硬件產品還較為稀少。文獻[8]以LiteOS為軟件平臺設計一套家庭智慧能源管理系統，文獻[9]提出了一種基于Zig Bee 的嵌入式智能家居管理系統設計方案，研究實現對智能家居管理系統的控制，側重于系統的內部通信，尚不能滿足用戶的使用需求。

因此，本研究通過開發戶用智慧能源云平臺，實現對戶用場景的光伏、儲能及用能等能源系統進行實時監測、管控和智慧化安全運行。

1 軟件功能和要求

戶用智慧能源系統是家庭能源管理與智能家居的結合。家庭能源管理通過對家庭用戶的能源使用情況進行優化配置，對于具有獨立產權屋頂的戶用建筑還可以裝設分布式可再生能源，增加家庭的綠色能源。隨著信息技術和數字化技術的發展進程，智能家居以智能檢測為基礎，利用傳感模塊和通訊模塊傳輸家用電器工作狀態、家庭成員用能習慣、居住環境狀況，以數字化的形式記錄和分析家庭能量流動，從而個性化定制用能方案，提升家用電器的用能效率，降低電能消耗。戶用智慧能源系統通過對用戶的家電設備進行智能監測和控制，合理調度各時間段內能源系統的發電、儲電、用電，從而減少家庭電器設備的用能、減少以火力發電為主的高碳電網電能以及減少向電網購電的費用。此外，家庭用能還存在差異性和隨機性。家居設備種類繁多，用電負荷大小各不相同，用能行為還受家庭人口結構、生活習慣、環保理念等因素影響，即使是同一個體的能行為都存在較大的隨機性。戶用智慧能源系統需要具有通用性和適用性，能適應不同用戶的用能情況。

戶用智慧能源云平臺基于戶用智慧能源系統，是用戶與能源系統的交互平臺。戶用智慧能源云平臺從用戶的角度出發，假設用戶不僅對用能成本敏感，還追求用能舒適性，并且不需要具備發電、智能控制等方面的專業知識。因此，云平臺要基于模塊化的用能策略進行能源設備管控，并對能源數據進行深入挖掘和分析，制定滿足用戶日常用能行為偏好的用能方案，并通過模型、圖表等視覺展示效果進行生動直觀的可視化展示。基于戶用智慧能源系統的功能和用戶要求，云平臺系統的主要功能包括：①通訊設備的接入、狀態監測；②儲能及系統整體運行策略設置；③光儲系統的智慧運行及遠程啟停控制；④全局及主設備的預警和設備能耗分析。

戶用智慧能源云平臺的功能主要通過監測運行數據、控制家居系統、預警設備異常、分析系統數據和版面展示等方式實現。因此，對于平臺的后臺和前端具有不同的要求。

對于后臺，運行數據的獲取包括家庭能源系統中的光儲系統和智能家居系統，隨著電動汽車的滲透率不斷提高，還需要考慮家用電動汽車。為實現系統控制，需要對光伏、儲能、電動汽車及充電樁等設備的實時運行數據進行讀取，系統側應有獨立算法對選擇最優的運行策略或者實現用戶在交互界面給予的執行策略，設備側應能通過帶通訊功能的遠程智能控制器實現設備的運行方式切換或開關控制。

對于前端，應適應用戶使用習慣，提供個性化體驗。APP 主界面簡潔明了，重點選擇性展示關鍵信息，各版面功能定位清晰，方便用戶快速定位和查閱。控制界面令布局清晰，系統控制方法及運行策略配置于后臺，配置常用的運行策略2~3 套供客戶快速選擇。支持自定義控制參數，運行策略設置界面自定義的控制參數數量不宜過多，且支持保存用戶自定義運行策略。控制指令實時下達，系統快速響應。系統的控制響應時間不宜超過30 s，本地組網設備的指令執行時間不宜超過10 s。同時兼顧采集模塊的數據采集能力及通訊流量費用等，設置合理的數據采集間隔。

2 軟件系統框架設計

2.1 運行數據監測

戶用智慧能源云平臺運行中需要監測的數據包括光儲設備如光儲逆變器等關鍵信息，智能家居設備的有功功率、頻率、用能偏好等個性化信息，電動汽車及充電樁的連接狀態、充電量、充電時段等信息。監測數據框架如圖1 所示。

2.2 運行策略設置

戶用智慧能源云平臺運行控制策略的理念基于經濟性、安全性、舒適性和智慧化考慮。光儲系統通常采用最大自發自用模式、分時段控制模式、用戶指令控制模式。

最大自發自用模式指光伏電量優先供應家庭負載使用，剩余功率優先給儲能系統充電，在此基礎上，如果光伏發電功率仍有剩余則余電上網。結合智能家居場景，家庭負載可根據使用需求進行調控，通過設置優先級使用電負荷跟隨光伏發電量變化。例如白天光伏發電量大的時段，光伏發電供應熱水器、洗衣機、掃地機器人等可調整使用時段的設備用電。該模式主要經濟性評估指標為光伏電力的自發自用率，比例越高，經濟性越好。同時，考慮用戶用能體驗，例如夏天下班放學時段，空調的啟動優先級高于掃地機器人等其他設備，以保證到家時環境溫度的舒適性。

分時段控制模式支持自定義多個充放電時段及充放電功率、電量等參數，需要根據當地的分時電價政策、用戶是否申請分時電價計價方式確定。分時電價的制定一般是把全天劃分為峰、平、谷3 種時段, 家庭用能特點一般也呈現峰谷起伏趨勢，早上和晚上時段負荷會出現高峰。分時段控制模式的優點是可以轉移用電高峰期的家電負荷至平價期或谷價期，儲能設備可在電價峰段和平段放電，減少從電網購入的電量，從而減少電費支出。對于擁有電動汽車的家庭，還可以通過利用電價谷段充電和儲存電量充電。

用戶指令控制模式由用戶自行設定控制指令，根據智能家居設備的使用習慣設置用電平移時段和負荷，分配光伏電量和儲能電量。

2.3 設備智慧控制

戶用智慧能源系統的光儲系統的運行主要通過設置運行策略控制。智能家居系統設備在云平臺完成配置后實現智慧化自動運行，原則上無需使用者頻繁操作。

根據家用電器特性和用戶用能偏好，家庭用電負荷可分為可平移負荷、可調整負荷和基本負荷[10]。可平移負荷的用電時段可以前后平移，且不影響使用體驗，例如洗碗機、掃地機器人、洗衣機等；可調整負荷的用電負荷可部分或全部增加或削減，實現用電量調整，如熱水器、空調等；基本負荷滿足用戶的剛性需求，因此通常不可調節，如燈具、路由器、電視機等。用電設備在接入系統時標記是否屬于可控負荷，即是否可以根據經濟性進行用電時段平移或者用電負荷增減。可控負荷的實現需要保證設備遠程啟停，含負荷調整功能的設備如空調、熱水器等應能實現遠程智慧控制，并通過傳感器反饋控制效果。已有智能模塊的家居設備通過接入原有系統實現控制，無智能模塊的家居設備通過智能插座實現控制。

2.4 設備預警和能耗分析

戶用智慧能源云平臺通過對設備的監測和控制，讀取設備異常并報告預警信息。支持系統安全預警分級制度，例如光儲系統中，光伏組串、儲能電池亞健康等指標信息存儲在系統設備狀態中，運行異常故障在界面氣泡界面顯示，運行故障嚴重則由短信推送。

戶用智慧能源云平臺的能耗分析包括光儲系統和用電設備的運行數據分析，以及系統節能減排分析。設備的運行數據支持動態顯示實時的電力流向圖；支持不同時間維度總發電、總用電、儲能充電及儲能放電的功率曲線查詢或圖表展示，支持光伏發電量、上網電量、各設備用電量等統計信息顯示。系統節能減排分析統計包括自動計算統計生產綠色電量，以及對應的節能減排數據分析，如CO2減排量、SOX減排量等。通過對全局海量采集能源數據進行深入挖掘和分析，包括系統用能全貌、能源分析、分區能耗分析、設備能效分析、同環比對比、對標分析、能耗預警及異常反饋等。

3 軟件應用示例

通過應用戶用智慧能源云平臺的一體化設計，形成面向用戶需求的軟件產品，實現上述功能。版面設計示例如下。

3.1 系統總覽版面

總覽系統能流情況和系統運行數據。為保持界面簡潔，數據版面僅展示關鍵指標數據，如展示發電、充電、放電、用電的曲線。電量可按不同時間周期進行查詢。

3.2 運行設備版面

接入設備關鍵信息，展示當日發電量、累計電量、儲能當前電量、接入設備及在線設備在線數量、用電總功率等。用戶需要查詢進一步數據可以跳轉頁面，進入設備詳細信息版面。同時展示設備的節能減排貢獻。

3.3 設備控制版面

設備控制頁面顯示支持控制的各設備列表或種類圖標，點擊可進入設備控制。設備控制包括設備遠程啟停、溫度控制和功率控制等。

3.4 策略配置版面

策略配置可選擇整體的既定運行策略及自定義參數。最大自發自用模式和分時段控制模式由系統根據用戶數據預先配置，用戶指令控制模式由用戶自定義，并支持保存和修改功能。

3.5 安全預警

顯示系統運行告警信息，區分緊急告警、重要告警、次要告警和提示告警。支持各設備的亞健康狀態提醒。

3.6 用戶管理

含用戶信息管理、帳號密碼管理、用能場景管理、電價信息配置、系統更新及登錄管理等。

戶用智慧能源云平臺的一體化示例如圖2 和圖3所示。

圖2 戶用智慧能源云平臺界面總覽和運行策略

圖3 戶用智慧能源云平臺安全預警和用戶管理

4 結束語

本文提出了一種戶用智慧能源云平臺的一體化設計方案，界定軟件功能，設計軟件系統框架，并通過開發軟件加以應用。開發的軟件可以為用戶提供安全高效的能源管理，從而助力家庭能源系統的節能降碳。

本文的研究主要基于戶用光儲系統，電動汽車只作為可調節的用電負荷。隨著V2G（Vehicle to Grid）技術的發展和普及，電動汽車的電能也能反饋給電網或家庭能源系統，或者作為儲能系統的補充，進一步節約用電成本。未來可以研究考慮電動汽車的智慧能源系統運行策略。此外，云平臺數據采集了海量的實時用戶用電數據，對數據進行進一步深度挖掘，可以提取用戶的用電行為習慣，調度智能電器參與智能電網的需求響應，為社會整體的節能減排作出貢獻。