基于智能電網的家庭用電系統研究

李群（河海大學，江蘇南京，211100）

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基于智能電網的家庭用電系統研究

李群
（河海大學，江蘇南京，211100）

智能電網迅速發展，家庭用電系統不僅是電網的重要組成部分，也是智能化發展的重點，其必須與電網智能化協調一致。本文通過分析智能電網特點與要求，闡述了家庭用電系統智能化的構成，包括家庭分布式電源、家庭儲能系統、智能電表、智能用電設備等。本文的研究對我國家庭用電智能化發展有借鑒作用。

智能電網；家庭用電系統；智能化

引言

智能電網是在傳統電網的基礎上，通過新能源、新設備、新材料、新技術、遠程遙控等技術集成，實現電網信息化、自動化和互動操作，新技術和裝備的運用可以更好地保證電網安全、經濟、可靠的運行［1］。

2009年國家電網公司提出了建設“堅強智能電網”的目標。經過幾年的快速發展，智能電網建設初具部分智能化功能，電力系統還在朝著智能方向發展中。同時，智能家居和智能電器的發展，光伏、風電以及各種自然發電的發展，以及儲能裝置的發展，帶動了家庭用電“節約化”、“儲能化”和“智慧化”發展，家庭用電智能化在電網發展中占有重要位置［2，3］。

智能電網與家庭“智慧用電”系統的協同發展成為家庭用電發展方向。本文研究了兩者協調發展的關系。

1　智能電網與家庭“微電網”的組成

家庭“微電網”是智能電網的具體實現，我國已有部分地區開始試驗。2010年起，北京、重慶等地開展智能小區試點。由于居住環境限制，目前我國城市中家庭或辦公樓以光伏發電為主，但成本較高，投資回報需要較長時間。農村家庭適用于光伏發電和小型風力發電，但同樣由于初期投入大，回收成本困難。所以要進一步研究家庭“微電網”，設法降低成本，提高收益。家庭“微電網”構成如圖1所示。

圖1　系統組成結構圖

2　家庭用電系統構成

2.1家庭分布式電源

不可再生能源日益減少，使用新能源發電、儲電已成為趨勢。

分布式電源是在負荷側安裝的發電裝置，它具有體積小、成本低、容量小、效率高、使用方便等特點，使用太陽能、風能、空氣能等發電方式的分布式電源發展迅速。

家庭分布式電源主要包括光伏、太陽能電池板和小型風力發電，在北方一些地區可以實現家庭用電自給自足。

發展家庭分布式電源，并將其富裕的電能接入電網（也稱入網），是智能電網發展中的重要組成。分布式電源可提高供電穩定性，為電網提供大量備用電源，當輸電線路某處發生故障時，分布式電源可以向電網供電，減少停電時間與停電范圍。同時，利用新能源發電，可以降低發電成本，減少輸電損耗。

2.2家庭儲能系統

儲能系統是利用蓄電池組等儲能裝置，將多余電能存儲起來的系統［4］。家庭儲能系統與分布式電源結合使用，在天氣條件有利情況下，將太陽能、風能發電產生的電能儲存在蓄電池中，在負荷高峰期將電能釋放出來。同時，儲能系統可從電網獲取電能，起到對電網負荷“削峰填谷”的作用。

智能電網對家庭儲能系統的要求在于：

（1）使用壽命長。家庭分布式電源的特性要求蓄電池組長期工作在充放電過程中，而長期充放電將對蓄電池組儲能容量產生影響。當蓄電池組達到一定充放電次數時，就要對電池進行更換。如果更換電池次數過于頻繁，將使儲能系統的成本提高，經濟性下降。

（2）成本低，便于更換。當蓄電池組達到使用壽命后，必須進行更換。將蓄電池組成本降低，才能發揮蓄電池組的經濟性。

（3）轉化效率高。轉化效率是蓄電池組充電電能與放電電能的比值，通過優化控制提高蓄電池組充放電速率，可提高其轉化效率。

新型蓄電池研究眾多，發展迅速。鉛炭電池、全釩液流電池等新型電池出現，它們儲能容量大、充放電次數多，已在電力系統得到一定應用。

2.3智能電表

智能電表是智能電網在用戶端的計量元件，在電網與家庭用電系統中起到樞紐作用。智能電表需要具備的功能有：

（1）電能計量：家庭有功功率消耗計量是電表的基本功能，智能電表在計量有功功率的基礎上還應可測量電壓、電流、頻率、功率因數等信息，為用戶提供更加豐富的用電信息，同時為電網的精密調度提供信息來源。

（2）數據傳輸：傳統的電能表僅有電能計量功能，需要人工讀表，耗費人力物力。智能電表采用雙向通信系統，通過通信線路，將電能數值傳輸到管理中心，同時管理中心也可以向各個智能電表傳送控制指令。這種方式便于統計計費，節約成本。與“智慧城市”建設相配合，當城市無線局域網覆蓋后，還可通過無線網絡實現數據、信息傳輸。

（3）實時電價：電力市場改革進程中，實時電價制度將成為電能收費的主要形式?？刂浦行膶崟r電價通過通信線路傳輸到用戶端，智能電表可直觀顯示當前電價，便于用戶制定合理的用電計劃。同時可與家庭儲能系統相互配合，當電價較低時從電網向蓄電池組充電，在電價較高時優先使用家庭儲能系統中的電能。

3　系統管理

基于智能電網家庭用電系統有兩種系統管理方式，分別為用戶自主管理和系統協助管理。

3.1用戶自主管理

智能用電設備的管理。隨著技術的發展，家用電器的種類和功能逐漸增多，為智能用電設備的發展提供基礎。智能電器集成網絡技術、通信技術、控制技術，能夠便捷、智能地管理家庭用電，優化家電運行［5］。智能用電設備主要有以下功能：

（1）接入網絡。智能用電設備必須接入通信線路才能實現控制功能。家庭無線局域網發展迅速，部分家電如電視機、空調等新產品已可以通過專用模塊接入網絡。無線局域網安裝方便，覆蓋范圍可達整個家庭，故使用無線局域網接入最佳。

（2）統一控制終端。部分家電設備已具備網絡接口，但大多數只能與同一品牌家電互聯，使用一個控制終端，不同品牌家電需要使用不同的終端控制，用戶使用很不方便，且難以發揮最佳控制功能。所以，需要使用統一控制終端來改變這種現狀。只要是同一家庭的智能用電設備，都能接入這一控制終端，實現互聯。這種控制終端可以有多種形式，如網站、手機客戶端等。

（3）遠程控制。通過統一控制終端，用戶可以方便地實現家電遠程控制。在任何地方，只要手機或移動電腦接入網絡，打開控制客戶端，便可控制家中各智能用電設備的開啟或關閉。這種方式使用戶生活更加方便，也節約能源，有利于降低電網負荷峰谷差。

用戶自主管理是指用戶根據自己的意愿使用各種家用電器［6］。這種方式與現階段用戶家庭用電方式大致相同，但普通家庭用電系統中用戶必須通過開關手動打開各種用電設備，而智能家庭用電系統中可通過控制終端遠程控制用電設備。用戶可以通過手機客戶端為各種智能用電設備設置打開和關閉時間。這種方式保障了用戶用電的隨意性，可以滿足用戶在不同情況下的用電需求。

3.2系統協助管理

系統協助管理是為了保證電網的經濟穩定運行，必要時對家庭用電設備進行短時調度，但一定程度上會影響用戶使用用電設備。根據用戶需求不同，可將用電負載分為可調度負載和不可調度負載。可調度負載包括空調、洗衣機、電熱水器、電動汽車等用電設備，可短時停電，對用戶的影響較小。不可調度負載包括照明系統、電視機、臺式電腦等，一旦停電立即會對用戶正常生活產生影響，需要保證其供電可靠性。當電網發電側發電量過大時，調度系統開啟一部分可調度負載；當負荷側用電量過大時，調度系統短時關閉一部分可調度負載，這樣可以使電能供需保持平衡，有利于電網的穩定安全運行。

用戶自主管理和系統協助管理兩種方式各有利弊，二者相互結合，既保證了用戶的正常使用，也為電力系統提供一部分備用負荷或備用電源，保證電網平穩運行。

4　結語

家庭用電系統智能化是實現智能電網的基礎。在智能電網大發展環境下，家庭用電系統逐步智能化，從單一負荷轉變為集分布式電源、儲能系統、控制系統、用電設備為一體的系統，構成一個“微電網”。智能家庭用電系統實現需要各方配合完成，仍有許多問題有待解決，期待同行共同加以研究。

［1］項勝，何怡剛，王金平. 家庭智能用電系統的實現方法［J］.電力科學與技術學報， 2014（3）:40-44.

［2］扈顯琦，吳效，曲鋒.全釩液流電池在風電中的應用前景［J］.承德石油高等?？茖W校學報， 2014（6）:41-44.

［3］張國靜，張俊玲.智能電網中的WiFi無線智能家庭系統［J］.電子測量技術，2013（11）:128-129.

［4］張延宇，曾鵬，臧傳治.智能電網環境下家庭能源管理系統研究綜述［J］.電力系統保護與控制 ，2014（18）:144-154.

［5］陽小丹.基于智能用電技術的家庭需求響應研究［D］.東南大學，2014.

［6］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（21）:53-56.

李群（1995-），男，漢族，山東煙臺人，河海大學，本科。研究方向：電氣工程及其自動化。

E-mail: liqunlq1995@sina.com

Research Intelligent of Household Electricity System Based on Smart Grid

Qun li
（Hehai University ，Nanjing， Jiangsu， 211100， China）

Intelligent on household electricity system is the important part of power grid， it must be adapted to the rapid development of Smart Grid. Through the analysis of the Smart Grid，this article introduces the structure of household electricity system，including household distributed power supply，household energy storage system， smart electricity meters and smart electricity equipment.The research of this paper is helpful on household intelligent development.

Intelligent； Smart Grid； Household Electricity System

TM925

A

2095-8412 （2016） 03-554-04