家庭智能用電管理系統軟件設計*

鄭煒楠，陳柏熹，王德志，余濤

（華南理工大學電力學院，廣州510640）

0 引 言

在當前能源危機的大背景下，具有信息共享、低碳經濟特點的智能電網，正成為未來世界電網的發展趨勢［1］。智能電網的一個重要內容是智能用電，它意味著需求側用電管理成為電網的一項重要工作內容。目前電力需求側管理的考核指標主要是兩個“千分之三”指標，但由于缺乏精確實時的計量和用電大數據的分析，實際工作開展缺乏依據，也使得需求側管理陷入電網公司單方面努力的困局，而缺少最關鍵的需求側的響應和配合。

面對以上困局，在新一輪電力改革的時局下，亟需引入互聯網思維和大數據分析，推動電力產業從中低端的電力供應商提升為綜合能源，通訊和信息服務商［2］。信息物理系統（Cyber Physical System，CPS）是實現計算、通信以及控制技術深度融合的下一代工程系統［3］。以此為基礎發展而來的電網CPS，被認為是電力系統的未來發展方向［4］。信息物理系統需要海量數據的接入，因此不僅在通信、存儲和計算等方面要能夠予以技術支持，還需要對需求側用戶的數據接入進行激勵，通過政策機制和市場機制結合推動需求側響應朝更加深入的層面發展。

有關需求側用電管理，近年來提出了家庭能量管理系統 （Home Energy Management System，HEMS），但它初期主要是面向家庭內部及社區范圍，對全電網數據的信息互通涉及較少。結合能源互聯網的大趨勢，又逐步引入了需求側與電網側之間互動機制和響應模式研究。文獻［5］提出了家庭用電響應模式的運行流程，并構建了經濟模式和節能模式下的數學模型。文獻［6］引入了電動汽車和分布式光伏發電，對家庭用、發電間的信息雙向互動進行了分析研究。文獻［7］和文獻［8］分析了電價信息在用戶響應中的影響。但是大部分文獻都是基于機制和模型的理論研究，相關配套系統應用也僅提出架構設計，很少涉及軟件應用的開發實現和效果驗證，使得相關理論研究無法落地，不能與實際應用結合展現。

基于以上事實需求，本文以需求側與電網側的用電數據交互技術為基礎，開發了基于Android和Java Web的家庭智能用電管理系統，實現對用戶用電數據的全面采集和傳輸存儲，并基于用電數據分析用戶用電行為模式，實現對分布式設備的智能調度。

1 系統框架及通信和數據接口設計

家庭智能用電管理系統包含用戶側移動端的APP和電網側的雙向互動平臺，本文將著重介紹用戶側APP的功能應用。下面先介紹整個系統的框架以及通信和數據接口設計。

1.1 系統框架設計

智能用電管理系統的整體框架如圖1所示。整個系統采用C/S架構（Client/Server），用戶側為基于Android編寫的移動客戶端APP，用于查看其所有的監測裝置采集的實時電氣數據及統計圖表；電網側為基于Java編寫的服務器端應用程序，包括全區域的用戶用電數據庫和針對用戶的用電優化控制算法和電網峰谷平衡的優化控制算法都部署于服務器云平臺，此外還有電網公司查看的站端監測應用程序。

移動端APP和小型智能監測裝置雖然都歸屬于用戶側，對應的是一戶家庭范圍內的用電數據采集監測和統計，但監測裝置采集的數據并不直接向APP傳遞，而是通過互聯網集中上傳到服務器云端，再由云端依據請求返送數據給客戶端。這樣可以確保用戶隨時隨地都可以查看到自己賬戶下所屬的分布式設備的電氣數據，同時也便于對區域內全部用戶的用電數據進行統一管理和維護。此外，對于家庭用電設備的智能調度和優化控制算法也部署在云端，因此可以說整個系統是基于云平臺來開展智能管理的。

圖1 家庭智能用電管理系統框架圖Fig.1 Framework of the household intelligent electricity management system

1.2 通信和數據接口設計

系統的通信采用的是WiFi和以太網結合的方式。小型智能監測裝置內置WiFi模塊，將其與家庭的路由器綁定，即可與外網互聯，將采集的電氣數據上傳至云端。路由器之后的傳輸采用有線以太網傳輸。云端下發的優化調度控制指令同樣經由路由器傳遞給家庭內各智能監測裝置。

此外，監測裝置預留了Zigbee通信接口，當應用于樓宇內時可滿足覆蓋范圍更大的通信傳輸。未來結合低壓載波在居民住宅用戶中的推廣和成熟，還可以通過Zigbee—低壓載波通信方式實現系統中的數據傳遞和控制命令下發。

每個智能監測裝置（智能插座）都有一個預設定的唯一標識碼（序碼），當其通過路由器與外網連接后，該監測裝置即存在于服務器上，但尚未與任一用戶綁定。通過如圖2的界面，當某一已登錄的用戶準確輸入該監測裝置的序碼，及想要設置其所連接的電器信息和編號后，該監測裝置才綁定在該用戶賬戶下并有了對應的信息，由此建立了用戶與裝置的唯一從屬關系。已被綁定的監測裝置只有其所屬的用戶才對其有控制權，此外部署于電網側站端的監測應用程序則擁有對全部用戶所擁有的全部裝置的控制權，以方便電網公司從全網角度對負荷進行智能調度管控。

圖2 小型智能監測裝置與用戶的綁定Fig.2 Binding of the small intelligent monitoring device and the user

移動設備的客戶端APP與服務器之間的互動采取的是Http通信方式，通過請求/響應的模式，由客戶端發送請求鏈接給服務器，服務器接收到請求進行處理響應，響應結果再返回給客戶端作后續處理顯示。例如，用戶Lab312user要查詢賬戶下編號為002插座的功率曲線，則客戶端APP發送請求鏈接http：//epqes.com/OpenSocket.do?type=getP&user=Lab312user&dID=002&date=2016-05-29&int=3給云端服務器，鏈接中已包含請求類型即獲取功率曲線getP以及發送請求的用戶名、查詢的插座編號和查詢的時間等信息，服務器收到請求后即可根據這些參數進行檢索處理并將查得的數據返送給用戶Lab312user的客戶端。

服務器的請求處理和數據響應是通過Servlet接口實現的，通過一系列的 HttpServlet，判斷請求的type類型，實現不同的請求功能。對應于上述的查詢功率請求，服務器端程序的Servlet判斷type=getP后，進一步通過user、d ID等鍵值對，以語句rs=conn.executeQuery（"selectP，Date，Timefrom"+dt+"where-DeviceID=′+deviceID+"′andDate=′"+date+"′orderbyTime"）；訪問數據庫層層查詢到相應的數據。

查詢的結果通過json數據形式發送給客戶端。如查詢某插座某天的功率返回的json數據為［{"getdata"：1，"time"："00：01：36"，"p"："108.9048"}，…，{"getdata"：1，"time"："22：04：26"，"p"："185.6413"}］，即一個包含一系列時刻點數據和對應的功率數據的鍵值對數組。這種格式的數據不僅能以輕量的方式傳遞足夠的數據內容，而且在數據對應關系上也十分清晰，有利于數據的傳遞和解析。

客戶端和服務器間的數據通信傳遞完整過程如圖3所示。

圖3 數據通信傳遞全過程Fig.3 Whole process of data communication and transmission

2 軟件功能模塊設計

目前家庭智能用電管理系統中服務器端執行后臺計算和數據存儲功能，前端UI交互主要由客戶端APP實現。圖4為家庭智能用電管理系統APP的主界面，其包含了設備管理、電氣監測、電能質量、統計信息、用電模式、能效評估六個模塊，以下逐一介紹各模塊功能。

圖4 家庭智能用電管理系統APP主界面Fig.4 Main interface of the household intelligent electricity management system APP

2.1 設備管理模塊

設備管理模塊如圖5所示，以列表形式展示當前用戶名下的所有智能監測裝置（插座）的基本信息和開閉狀態。如前文圖2所示，用戶可在當前賬號下添加新的插座，輸入新增插座的編號和所連接電器的類型等信息，提交后則新增插座自動關聯到該用戶名下，除了電網站端的用于全局調控的監測應用程序平臺之外，只有該用戶對名下插座有唯一控制權。此外，當已有的插座連接的電器發生變動時，用戶也可通過點擊“修改”按鈕對其所連的電器類型進行修改，以方便自己和電網更準確地對設備進行管理和監測。

圖5 設備管理模塊界面Fig.5 Interface of the device management module

2.2 電氣監測模塊

電氣監測模塊主要實現智能監測裝置所采集的電器有功功率曲線和電壓曲線的查看功能。圖6和圖7所示分別為日有功曲線圖和日電壓曲線圖。有功曲線圖和電壓曲線圖分別由客戶端按一定間隔取監測裝置采集儲存于云端數據庫的各時刻的有功功率和電壓有效值值散點值，再擬合成對應的曲線圖（測量點實際電壓較市電偏高，為232 V～239 V）。

輸入指定日期后，用戶可以查詢任意一天的有功曲線圖。智能監測裝置的數據采集是隨采隨傳的，硬件采集頻率在保證數據完整準確前提下，最快可設置為0.5 s/次，在考慮云端儲存和遠方通信的傳輸條件下，為保證每個數據點傳輸不丟失，會適當調寬采集間隔，但最快仍可達到1 s/次。而客戶端每次查詢有功曲線都會發送一個即時請求，因此所獲得的返回數據都是數據庫最新更新的。如果以分鐘為尺度考量，忽略數據傳輸的時延滯后，可以說用戶查詢所見數據是完全實時的。而且客戶端與服務器云端的通信是經由互聯網，無需依賴固定地點局部網絡，因此可以真正實現用戶隨時隨地了解自己各家用電器的用電情況。而電壓曲線則主要面向一些實驗性工作場所，在對電壓穩定性有一定要求的時候，展示的電壓曲線可以幫助其了解實時的電壓波動情況。

此外，該模塊還整合了監測裝置的開閉功能，用戶通過滑動按鈕即可向服務器發送開閉命令請求。在本系統中，無論是用戶手動開閉控制，還是電網端統一調度的自動開閉控制，控制命令都是經由服務器再下達給個監測裝置的，因此同樣無需依賴局部網絡，可以隨時隨地控制各插座的開閉。

圖6 日有功曲線圖Fig.6 Daily active power curve

圖7 日電壓曲線圖Fig.7 Daily voltage curve

2.3 電能質量模塊

電能質量模塊主要用于觀測插座采集的電能質量。目前電能質量普遍關注的內容包括諧波、三相不平衡、頻率偏差、電壓偏差、波動和閃變等。智能用電管理系統軟件觀測的是對電能質量影響比較明顯的諧波。

監測裝置能采集到電壓和電流的30次以內諧波，在實際使用中并不需要用到全部的數據。表1是從數據庫摘出的2016-10-10編號081插座的部分點的電壓和電流的基波及2次和3次諧波。

表1 插座081采集的部分諧波數據Tab.1 Some harmonic data collected by socket081

與電氣測量模塊類似，客戶端通過獲取諧波數據的離散點，擬合出諧波的曲線。顯示電壓諧波曲線的界面如圖8所示。其中粗線為基波電壓，深色細線為3次諧波電壓，淺色細線為5次諧波電壓。由于諧波的幅值相對于基波小很多，為了比較清晰地顯示諧波的曲線變化情況，采取雙Y軸顯示。

圖8 電壓諧波曲線圖Fig.8 Voltage harmonic curve

2.4 統計信息模塊

目前統計信息模塊統計的是家庭用戶最關注的用電量信息。如圖9所示，用戶可以選定查看任意一段時期內自己賬戶下的各插座所連電器的用電情況。統計結果采用餅圖顯示，通過點擊任一扇形塊可切換查看具體用電量數值和百分比數值。

此外模塊也預留了故障記錄和節電統計接口，可與具備相應功能的硬件設備配合，實現更全面的統計信息歸集。

2.5 用電模式模塊

用電模式模塊實際上包含用戶用電模式和發電模式的選擇，是適配含發電、儲能、用電設備的主動負荷用戶的一個模塊。如圖10所示，該模塊是一個協議訂制的模塊。

圖9 統計信息模塊界面Fig.9 Interface of statistical information module

圖10 用電模式界面Fig.10 Interface of power consumption mode

在用電模式部分，用戶可以選擇節省電費、節約用電、響應中斷和最小排放四個模式中的一個。節省電費模式是基于分時電價機制下的負荷轉移調度，用戶本身的用電量并不減少，但總電費會更趨經濟。節約用電模式則是兼顧了經濟性和用戶舒適性的模式，會綜合考慮耗能成本和不適成本做出調度決策。響應中斷模式［9］是電網公司通過發布激勵信息進行刺激或者預先簽訂控制和補償協議，來使用戶對其作出響應，在用電高峰期關停部分用電設備，這種模式在某些情況下會影響到用戶舒適度，但用戶也會從積極響應或預簽協議中獲得相應補償。最小排放模式則以碳排放量為最主要優化目標，對用電負荷進行優化調度。用電設備的可調控時段目前暫由用戶手動設定，當系統通過學習掌握了用戶的用電行為習慣后，將自動形成負荷調度安排。

在發電模式部分，用戶可以選擇余電上網、余電儲存或者全額上網三種模式之一，分別對應“自發自用，余電上網”和“自發自用，余電儲存”以及“所發電量完全上網”三種模式。

2.6 能效評估模塊

能效評估模塊是依據前面幾個模塊的各項電氣數據做出綜合能效評估的總結性模塊。如圖11所示為能效評估的兩級指標體系。

圖11 用戶能效評估體系Fig.11 Energy efficiency evaluation system for users

軟件對能效的評估參考了文獻［10］中的基于遞階綜合評價方法的能效評估模型，先建立評估體系，再對各級指標值均分別進行了兩次加權綜合，同時將專家經驗和客觀數據有機結合，保證評價模型的科學性和可靠性。

綜合能效評估的結果可生成為文本格式文件供用戶自身查閱，同時將上傳至服務器后臺數據庫進行保存，作為后續開展節能工作和服務的基礎依據。

3 實例分析

家庭智能用電管理系統對家用電器用電信息的采集實例已經在前一章做了詳細展示。下面以一戶兼具發電、用電、儲能的家庭作為實例，分析智能用電管理系統通過智能調度控制，對此類具有主動負荷特征的家庭的用電曲線的優化效果。

該家庭同時具有光伏電源和蓄電池，具體設備參數如表2所示。其一日的負荷與發電曲線及電價信息如圖12所示。用電峰荷在7：00～9：00和17：00～21：00兩個時段，而光伏發電則在正午達到峰值。電價變化較負荷變化稍有延后。

家庭智能用電管理系統設計可對用電設備和發電、儲能設備均進行優化，但在實際場景中，除了照明設備以外，多數家用電器僅能通過插座斷電實現關停，而無法通過插座重新合通來重新啟動，因此在實例中，只控制發電和儲能設備來分析系統的應用效果，對家電不作調度控制。

表2 某家庭用戶發電及儲能設備參數Tab.2 Power generation and energy storage device parameters of a household user

圖12 負荷及發電曲線及電價信息Fig.12 Load and power generation curve and power price information

只使用儲能設備時，系統對用戶負荷曲線優化的效果如圖13所示。可見通過對儲能設備的控制，在電價較低時充電，電價高時放電，不僅可顯著降低負荷峰谷差，也可降低用戶的總電費支出。對于電網公司和用戶都起到有利影響。

圖13 只使用儲能設備時系統對負荷曲線優化效果Fig.13 Optimization effect of the system to the load curve only with energy storage device

當同時投入光伏電源和儲能設備時，系統對用戶負荷曲線優化的效果如圖14所示。用戶選擇自發自用，余電優先儲存的模式。在夜間0：00～6：00負荷低谷期，由于此時電價低且沒有光伏發電量，儲能設備放電，其填補效果與圖13大致相同。在8：00～19：00時段內，儲能設備為充電狀態，光伏電量存入儲能設備中，因此該時段內優化前后的負荷曲線重疊。20：00～24：00無光伏電量，儲能設備進入放電模式，既可降低負荷高峰，同時也避開了電價高位，達到較好的經濟節能效益。

圖14 使用光伏電源和儲能設備時系統對負荷曲線優化效果Fig.14 Optimization effect of the system to the load curve with PV source and energy storage device

通過實例可以發現。智能用電管理系統通過優化控制，能一定程度優化負荷曲線，實現節能降損、減少電費的效果。同時投入光伏電源和儲能設備的對負荷曲線的優化效果雖然不如單獨使用儲能設備，但能實現對光伏電能的充分利用，對可再生能源的利用和提高用電經濟性有積極作用。

4 結束語

介紹的家庭智能用電管理系統能夠實現對家庭用戶用電數據的采集管理，以及對發電、儲能、用電設備的綜合優化控制，有利于提高需求側響應水平，促進電網公司朝綜合能源，通信和信息服務的新定位轉型。通過對具有主動負荷性質的家庭用戶的設備優化控制，能夠提升其用電的節能性和經濟性，也利于配電網的降損和安全運行。