能源與節能 基于云計算的智慧家庭能源管理系統架構及功能研究

作者簡介：王伯勇（1973—），男，貴州六盤水人,碩士,工程師,主要從事控制節能及物聯網應用方面的研究工作。中圖分類號：TN948.3文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05027703

1智慧家庭能源管理系統研發目的

智慧家庭能源管理系統通過以智能插座為控制節點,以家庭網關為核心的智能管理平臺建立家庭物聯網的基礎架構,重點解決城市居民用能智能化的問題,達到了節能減排和舒適家居的目的。

1.1節能減排

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

1.2新能源接入

建立以居民小區為單位的太陽能微網系統,通過太陽能屋頂、太陽能墻體、太陽能遮陽板等工程設施,實現小區內公用電力(路燈、走道燈、草坪燈等公共區域)優先使用該區的太陽能光伏電能,居民家庭優先使用該小區太陽能即時發電的電能,多余的太陽能電能逆向向國家電網送電,實現太陽能在城市分布式能源系統中的大規模應用。

1.3用戶端削峰填谷

建立用戶端調峰的新概念和輔助技術手段,在城市電網用電高峰時段,用智能插座階段性地控制部分高耗電的家用電器工作,在電網用電低谷的區間和小區太陽能發電的高峰期通過智能插座啟動預設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用電任務,實現在用戶端輔助電網削峰填谷的功能。

1.4用戶儲能

通過對家用電器、家用電動汽車使用時間的控制和對部分家用電器儲能裝置的改進,將電網公司和小區新能源系統階段性地多余電能儲存和轉化為熱能、冷能、化學能、機械能等能源,實現在用戶端儲能的目的。

1.5物聯網接入

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、無線通信系統、互聯網系統直接連接,供電企業和用戶能通過遠程控制或遙控裝置操作家用電器工作,實現人與物、物與物的直接相連,提升電網系統的自動化、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上,逐步實現智能用水、智能用氣等家庭綜合能源管理。

2基于云計算的智慧家庭能源管理系統架構

智慧家庭能源管理系統可按照“端”、“管”、“云”來架構進行部署,數據(控制)中心部署在云上,家庭“端”主要由家庭網關,智能插座,家電等組成,數據云端通過互聯網與家庭端進行相聯。智慧家庭能源管理系統總體架構圖如圖1。

家庭網關只對家庭內部的信息進行采集和管理,地理信息(省、市、縣、區、居住地、電力公司等信息)等進行集中儲存和管理。數據中心建立用戶地理信息的專用數據庫,分區域、分城市、分省份對家庭用電信息進行統計分析,在積累了大量的用戶歷史用電數據后,數據(控制)中心通過在內部建立用電管理信息的數學模型,對海量用電信息的分類、分時、分地的梳理分析,建立用電管理和調度的輔助決策系統,為地方政府、電力公司、相關企業提供有價值的電力及能源管理信息。為充分的提高數據的交換性,數據控制中設置有數據交換接口,用于在云平臺(數據控制中心)上運行的數據同電力公司服務器實現數據交換。

圖1智慧家庭能源管理系統總體架構圖

3智慧家庭能源管理系統主要功能分析

3.1家庭總用電計量

本項目中家庭網關具有智能電表的功能,可滿足供電部門對家庭用戶用電計量進行分析。家庭網關可直接向數據中心發送用電數據,同時數據中心可直接為電網公司提供數據接口便于調用家庭用電數據。

3.2家庭單電器用電計量

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

3.3家庭負荷控制

對家庭內的用電設備進行分類管理,當夏季用電高峰出現電力缺口時,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,真正意義上實現家庭需求的用電設備控制。

3.4家庭電器遠程控制

隨著物聯網和移動互聯網的廣泛應用,居民對家用電器的遠程操控的需求會相應增長。用戶可以利用智能終端設備,通過數據中心或家庭網關對用戶遠程控制指令信息對某個電器下達啟用、關閉的命令,并實時查看某個電器工作狀態的信息。

3.5峰谷電管理、階梯電管理

建立用戶端調峰的新概念和輔助技術手段,在城市電網用電高峰時,用智能插座階段性地控制部分高耗電的家用電器工作,在電網用電低谷的區間和小區太陽能發電的高峰期通過智能插座啟動預設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用電任務,實現在用戶端輔助電網削峰填谷的功能。

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,使用時也沒有反饋功能。數據中心要設有峰谷電管理模塊,當接到峰電負荷控制的信息時,根據事先設置的家用電器用電優先順序,通知相關地區的家庭網關將一部分智能插座關閉繼電器,暫時停止一部分電器工作。當數據中心接到谷電信息時,根據事先預約的家用電器用電用電請求,通知相關地區的家庭網關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

利用數據中心所收集到的用戶家庭歷史用電信息,利用數據挖掘和強大的云平臺計算能力,數據中心可以可以提供: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間的比例;分析每戶峰電和谷電的用電占比;分析每戶網電和區電的用電占比;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數據中心

智慧家庭數據中心系統是一個運行在云平臺上的一個獨立的系統,是基于物聯網的目標考慮的。按照千萬級用戶接入的目標進行的設計,為智慧家庭用戶提供自主管理服務。

數據中心的軟件的系統布局分為前臺管理系統和后臺管理系統兩大部分。前臺管理系統主要面向居民家庭服務,以便捷操作為導向設計,后臺管理主要為單位客戶和運營中心操作人員服務,以數據安全及系統安全為導向。在日常運營系統中,按照數據挖掘分析進行日間運營、日終處理、月終處理、年終處理等實現不同的數據分析功能。

數據中心同時為用戶提供了采用各種主流的外圍終端設備訪問數據中心或家庭網關的途徑。用戶通過短信、手機客戶端系統、智慧家庭門戶網站,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時限電、停電等信息,這些信息采用主動推送或自助選擇服務的方式,由數據中心發給用戶。隨著智能手機功能不斷發展,數據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家庭網關

家庭網關處于智慧家庭智能用電設備和位于小區內的區網控制中心之間。他一方面接收區網控制中心的調度控制命令,一方面安裝預設程序負責智慧家庭的管理工作,通過對家庭用電情況的監測、分析和控制服務,實現有序用電管理和能效服務智能化的重要途徑,達到家庭智能用電、進行家庭能源管理、實現智慧家庭的目的。

家庭網關的主要功能是:實現數據采集,包括智能插座數據采集;家庭環境溫度、光照度、燃氣濃度、煙霧濃度的數據采集。數據管理和存儲,包括家庭網關所采集到的各種信息的保存和處理,用電分析等。用電設備控制,包括近程控制、遠程控制、家庭用電模式控制、峰谷電控制和定時控制等。數據通信,包括上行到樓宇集中器、小區區網的上報數據和接受其的指令;下行到智能插座的數據采集指令和控制指令等。數據接收和轉發,包括通過Zigbee、Wifi等方式轉發用戶和其他職能設備發出的數據。家庭網關邏輯架構圖如圖2。

圖2家庭網關邏輯架構

6智能插座

在物聯網時代實現電力網絡與智能家電的直接互聯互通,實現物與物之間的智慧相連,自動互動,推動物聯網時代的四網融合。智能插座是未來智能電網實現對單個家用電器進行控制和管理的核心設備。

智能插座的主要功能包括:計量顯示電壓,電流,功率,頻率,累計電能等用電信息;提供帶保護功能的插座;低于設定功率跳閘保護,定時跳閘功能;節能功能,檢測待機通斷電;提供帶RS485,USB,無線等通訊接口的計量插座。

智能插座根據使用的不同層面,分為不同系列的不同型號,在現有插座通電功能的基礎上,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：

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