基于電價政策的家電控制裝置及控制方法

宋衛峰，郭劍虹，侍必勝，王 通，王振斌

（1.山西太原供電分公司 山西 太原 030012；2.國網電力科學研究院 江蘇 南京 210061）

目前我國的電價是受管制的，管制下的電價無法真正反映電力需求與電力供應之間的關系。2012年兩會上，溫家寶總理提到“深入推進重點領域改革。穩妥推進電價改革，實施居民階梯電價改革”[1]。 電價是調節電力市場的杠桿，電價問題成為許多專家研究的熱點問題。現階段實行階梯電價，僅是一個過渡措施，而不是最終目標。為真正達到合理利用能源、節約能源的目的，采用了階梯電價配合分時電價使用的方式，不久的將來根據智能電網的建成情況，必定會過渡到實行實時電價，實時電價因其隨時間變化的特性將成為電力市場上更理想的電價政策[2]。

目前家庭用電信息主要是以電費賬單的形式反饋給用戶，電費賬單只告知用戶家庭的總用電量而不能顯示詳細的能耗構成。激勵用戶從被動參與向主動參與轉變是智能電網發展的客觀要求，在提高生活品質的同時指導用戶合理利用能源，提高能源的利用率是智能家居的發展方向。在實時電價政策下更應關注家庭的用電分析，注重考慮對各個家電用能的綜合統計、分析，實現家庭的用電管理達到人性化層次。

殷樹剛比較了實時電價階段的智能用電與傳統用電方式的不同，提出了基于實時電價的智能用電系統框架[3]；劉暢設計的基于智能電網高級計量體系的居室節電系統通過智能電能表控制居室內的各種用電設備，根據各個時段電價的不同，為用戶計算分析出最佳的節電策略供用戶選擇，使用戶對電能使用效率有一個直觀和量化的了解，從側面激勵用戶自覺節能[4]；牟龍華以智能電網為背景，指出智能用戶終端是智能電網中的熱點之一，結合高級量測體系和通信的發展，對家庭智能用戶端進行了硬件原理的設計，促使用戶合理分配電能、高效利用能源[5]。

1 裝置總體設計

鑒于目前所實施的階梯峰谷電價和將來的實時電價政策，文中設計的家電控制裝置包括智能插座和家庭互動終端，兩個裝置通過無線通信構成一套家庭用電系統網絡，如圖1所示。

圖1 戶內網絡示意圖Fig.1 Network diagram of family

智能插座將采集用電數據發送給家庭互動終端，互動終端實時顯示家庭用電和電價情況，互動終端根據電價情況為用戶提供不同的智能節電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，智能控制室內各電器工作屬性，用戶根據實際情況可以對節電方案進行調整，最大程度上降低用電量和用電費的支出，實現能源優化配置。

2 智能插座

智能插座是基于光纖復合電纜或無線雙通道連接家電和電源的中間設備，實現家庭內部異構傳感網絡，對家庭用電設備進行統一監控與管理，在執行通斷電操作、獲得家電狀態信息的同時兼插座使用。

2.1 智能插座主要功能

1）對家用電器的用電量進行計量，并采集家電的電壓、電流、功率、功率因數，將所需數據上傳至家庭互動終端；

2）利用無線等通信方式，接收互動終端下發的控制指令，對家用電器執行通斷電操作，在家電進入待機狀態時切斷電源，達到消除待機能耗、節能省電的目的。

2.2 智能插座硬件設計

根據智能插座的功能，硬件結構框圖如圖2所示，智能插座主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計量模塊、通信模塊、時鐘和存儲模塊等。

圖2 智能插座框圖Fig.2 Block diagram smart outlet

1）控制管理模塊

智能插座在功能上要求較低，但安裝數量較多，因此在設計時經濟實用性著重考慮，可選用ATMEL公司的AT89S52。

2）電能計量模塊

用于監測電器當前的工作狀態，如實際功率、電壓、電流等，可采用計量芯片ATT7022B。

3）開關模塊

智能插座內部的繼電器來控制家用電器電源的通斷，微處理器接收到通斷電指令后，令繼電器吸合或斷開。

4）通信模塊

選擇ZigBee微功率無線技術，通信的可靠性和通信速率高。通信模塊采用CC2530芯片，CC2530能以非常低的成本建立強大的網絡節點，負責向控制器發送數據和接收控制器的指令。

3 家庭互動終端

用戶通過家庭互動終端了解室內用電信息，互動終端根據電價情況為用戶提供不同的智能節電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，用戶根據實際情況可以對節電方案進行調整。互動終端根據用電方案對各用電器進行控制，最大程度上降低用電量和用電費的支出，實現能源優化配置。

3.1 家庭互動終端主要功能

1）接收智能插座發送的電器用電數據、實時電價數據，以及上述數據的存儲。

2）為用戶提供平臺，用戶通過互動終端查詢家庭用電信息及其它相關信息。

3）用戶設定電器控制指令，互動終端讀取用戶下達的條件并處理后將控制指令發送給各與家用電器連接的智能插座，從而控制家用電器的開關狀態。對信息家電的調控可以不只是簡單地開、關控制，設定的調控選項包括開關的控制、溫度的設置、風速和模式的設置等，能夠達到取代家電遙控器的作用。

3.2 家庭互動終端硬件設計

根據家庭互動終端的功能，硬件結構框圖如圖3所示，互動終端主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計量模塊、通信模塊、時鐘和存儲模塊等。

圖3 家庭互動終端框圖Fig.3 Block diagram of family interactive terminal

1）控制管理模塊

家庭互動終端需要處理大量信息，因此需要一個性能優異的芯片才能保證其高效穩定工作，選用TI公司基于ARM核心的LM3S9000系列。

2）LCD與按鍵模塊

該模塊包括按鍵、LCD及其驅動3個部分，互動終端將接收到的家電用電信息、每天的實時電價經過處理以圖表的形式展現給用戶。

3）通信模塊

互動終端的通信模塊與智能插座類似，負責向智能插座發送控制指令和接收智能插座采集的數據。

4）數據存儲模塊

互動終端的數據存儲模塊包含微處理器的鐵電存儲器和LCD液晶屏的顯存。

4 軟件設計

4.1 初始化設置

目前的居民電價政策主要是階梯峰谷電價，隨著智能電網的發展，還會采用實時電價政策。根據不同的電價政策，設計的裝置為用戶提供不同的能效服務，用戶在使用裝置時可以根據具體的電價政策選擇裝置的工作模式。

對于階梯峰谷電價參數的初始化輸入，用戶能將各階梯電量、各階梯的調價電費、峰谷時段輸入到互動終端。互動終端LCD提供界面，用戶根據界面提示通過按鍵依次輸入各參數值；對于實時電價，用戶只需選定后互動終端便進入工作狀態并進行實時電價的采集。實現流程圖如圖4所示。

圖4 互動終端初始化設置流程圖Fig.4 Settings flow chart interactive terminal initialization

4.2 信息獲取及存儲

在家庭正常用電時互動終端根據用戶的初始化輸入統計每天在峰電價時段工作的電器及其用電量，用戶可以通過LCD查詢統計的信息。

家庭互動終端采集每天的實時電價并進行存儲，以時段及相應電價的形式存儲；互動終端LCD提供實時電價查詢界面，以曲線圖的形式展示，用戶通過按鍵瀏覽過去一（兩）天的實時電價，實現流程如圖5所示。

圖5 實時電價存儲流程圖Fig.5 Flow chart of real-time electricity storage

4.3 家電控制方法

針對家庭內信息家電可以充分利用實時電價，用戶使用電器時，可以通過LCD和按鍵查看前一（兩）天的實時電價記錄[9]，以便有一個參考，然后設定一個電器開啟的可接受電價，當實時電價低于可接受電價的時候啟動工作。以洗衣機為例，工作流程如圖6所示。

圖6 洗衣機的工作流程圖Fig.6 Work flow of the washing machine

對于家庭內長時間工作的電器，在工作過程中還能根據實時電價的變化，通過預先的設置來改變電器的工作狀態。這樣既能滿足生活要求，又能節省電費，家電控制方法具體的實現流程如圖7所示。

圖7 家電智能工作流程圖Fig.7 Work flow chart of the appliances

5 結 論

文中以智能電網建設下用戶的智能用電為背景，基于電價政策的家電控制裝置和控制方法的設計，通過對智能插座的控制，實現對家用電器用電量的監測及控制，互動終端實現與用戶的雙向互動，兩者配合引導用戶合理用電、減少電費支出。

家庭智能用電裝置是智能電網建設中的熱點之一，本文設計的控制裝置也為智能用電建設提供了重要參考，隨著智能家居技術的不斷發展，對家庭智能用電控制裝置的設計還需不斷探索和實踐，以便達到更理想的效果。

[1]溫家寶.深入推進重點領域改革[EB/OL].（2012-03-05）.http://news.xinhuanet.com/politics/2012lh/2012-03/05/c_111603835_2.htm.

[2]羅琦，侍必勝.基于實時電價的家用電器控制裝置:中國，0025901.8[P].2011.

[3]殷樹剛，張宇，拜克明.基于實時電價的智能用電系統[J].電網技術，2009，33（19）：11-16.

YIN Shu-gang，ZHANG Yu，BAI Ke-ming.A smart power utilization system based on real-time electricity prices[J].Power System Technology，2009，33（19）：11-16.

[4]劉暢，周渝慧，許蔚.基于智能電網高級計量體系的居室智能節電系統設計[J].電力需求側管理，2010，13（1）：45-48.

LIU Chang，ZHOU Yu-hui，XU Wei.Smart residential energysaving system design based on smart grid advanced measuring system[J].Power Demand Side Management，2010，13（1）：45-48.

[5]牟龍華，朱國鋒，朱吉然.基于智能電網的智能用戶端設計[J].電力系統保護與控制，2010，38（21）：53-56.

MU Long-hua，ZHU Guo-feng，ZHU Ji-ran.Design of intelligent terminal based on smart grid[J].Power System Protection and Control，2010，38（21）：53-56.

[6]徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統中的設計和應用[J].中國儀器儀表，2010，10：45-47.

XU Wei，JIANG Yuan-jian，WANG Bing.The design and application of smart power outlet in smart home system[J].China Instrumentation，2010，10：45-47.

[7]章鹿華，王思彤，易忠林.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統的設計與實現[J].電測與儀表，2010（9）：35-38.

ZHANG Lu-hua，WANG Si-tong，YI Zhong-lin.The design and implementation of family comprehensive energy management system facing the smart power[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2010（9）：35-38.

[8]彭金華，舒少龍，林峰.家庭能耗管理系統研究綜述[J].電力需求側管理，2011，13（1）：35-38.

PENG Jin-hua，SHU Shao-long，LIN Feng.Summary of home energy management system[J].Power Demand Side Management，2011，13（1）：35-38.

[9]馬明娟，田廓，李娜，等.基于面向能效提升目標的終端電價方案比較研究[J].陜西電力，2012（7）：1-7.

MA Ming-juan，JIAN Kuo，LI Na，et al.Terminal price mechanism designed for energy efficiency target[J].Shaanxi Electric Power，2012（7）：1-7.