基于智能電網(wǎng)高級計量體系的居室智能節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計

劉 暢，周渝慧，許 蔚，胡文杰，朱潔琳，程 露

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

智能電網(wǎng)系統(tǒng)以其在提高能源利用效率、設(shè)備利用效率以及投資收益等方面的巨大優(yōu)勢而受到各國越來越多地關(guān)注。居民用電在我國多數(shù)地區(qū)用電增長率較高，從建設(shè)智能電網(wǎng)的角度看，居民用電方式的靈活、節(jié)約、創(chuàng)新和居民用電系統(tǒng)的智能化是具有更實際價值的先期應(yīng)用領(lǐng)域。

本文通過對智能電網(wǎng)中關(guān)于居民用電高級計量系統(tǒng)的探索，設(shè)計并實現(xiàn)了一套“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”，結(jié)合智能電網(wǎng)中的高級計量管理體系（AMI）和遠程資產(chǎn)監(jiān)視和控制系統(tǒng)，運用智能電能表實時顯示用戶用電情況，并且利用計算機智能地為用戶呈現(xiàn)不同的節(jié)能方案以供用戶選擇，在滿足用戶用電需求的前提下，智能地調(diào)配居室內(nèi)各用電器具使用，從而最大程度地節(jié)約居室日常用電量，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置。

1 高級計量體系（AMI）構(gòu)成

隨著智能電網(wǎng)概念的出現(xiàn)，一種集智能表計、數(shù)據(jù)管理以及負(fù)荷智能控制等技術(shù)于一體的高級計量體系（advanced metering infrastructure，AMI）作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分越來越受到人們的重視。AMI并不是一項單一的技術(shù)，而是一個多技術(shù)的綜合體。如圖1所示，AMI的基本結(jié)構(gòu)是由以下幾個關(guān)鍵技術(shù)組成的。

（1）智能電能表

AMI中使用的智能電能表是一種固態(tài)可編程的裝置，它具有很多傳統(tǒng)電能表所不具備的功能，如顯示電能使用數(shù)據(jù)，顯示時變電價，失（修復(fù)）電源通告，電能質(zhì)量監(jiān)測，干擾與竊電監(jiān)測，與室內(nèi)其它的智能設(shè)備互相通信等。

智能電能表被稱為綠色的計量裝置，它與傳統(tǒng)電能表最重要的不同就是它能引導(dǎo)用戶進行節(jié)能減排，從而實現(xiàn)需求響應(yīng)機制。它不僅僅是一塊電能表，可以說它是居室內(nèi)的能源控制中心。它的智能控制單元能夠根據(jù)用戶當(dāng)前的用電情況，幫助用戶做出節(jié)能決策。它與室內(nèi)的各種用電設(shè)備緊密相連，一旦用戶做出決策，它能夠立即開始根據(jù)計劃，控制各用電設(shè)備的工作，整個過程無需用戶手動參與，用戶所需要做的就是在屏幕上發(fā)出節(jié)能指令。

（2）廣域通信結(jié)構(gòu)

AMI的通信結(jié)構(gòu)支持在電力公司、用戶以及可控電力負(fù)荷之間的互相通信。它采用雙向通信標(biāo)準(zhǔn)，以確保通信的快速安全?；玖鞒淌牵簲?shù)據(jù)集散中心從各組智能電能表中采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過回程通道傳送給中心服務(wù)器。通信介質(zhì)可以采用電力線載波、電力線寬帶、無線網(wǎng)絡(luò)以及Internet或者是以上的結(jié)合。

（3）家庭（本地）局域網(wǎng)（HAN）

家庭（本地）局域網(wǎng)是AMI中重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。HAN將智能電能表和各種可控的用電設(shè)備連接起來，組成局域網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)多種能源管理功能。其中包括顯示能源使用情況，對價格信號做出相應(yīng)的反應(yīng)，電力安全監(jiān)測等。

（4）表計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（MDMS）

MDMS是一個帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫，它的最重要的功能就是完成對AMI數(shù)據(jù)的確認(rèn)、編輯與評估（VEE），從而防止通信網(wǎng)絡(luò)的中斷以及在用戶端保證數(shù)據(jù)流的完整與準(zhǔn)確。

2 節(jié)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行機制

本居室智能節(jié)電系統(tǒng)（smart resident energysaving system，SRES）處于AMI結(jié)構(gòu)體系中的用戶端。在用戶需求的層面上，組建家庭用電和寬帶共享的局域網(wǎng)絡(luò)，通過智能電能表控制居室內(nèi)的各種用電設(shè)備，根據(jù)各個時段電價的不同，為用戶計算分析出最佳的節(jié)電策略供用戶選擇，從而起到需求側(cè)響應(yīng)的作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計由于僅僅是在用戶端實現(xiàn)AMI的體系，因此用計算機來模擬電網(wǎng)端。計算機模擬電力公司向智能電能表傳送電價等數(shù)據(jù)，智能電能表將接收到的電價等信息送到內(nèi)置處理器中進行分析處理，根據(jù)這些信息并結(jié)合居室內(nèi)當(dāng)時的電能使用狀況，為用戶提供一系列節(jié)能方案，并顯示在智能電能表的觸摸式控制屏上。用戶可以結(jié)合實時電價與自己的電能需求情況適當(dāng)?shù)剡x擇節(jié)能方案。當(dāng)方案被用戶確定以后，智能電能表立即產(chǎn)生一套控制指令，將指令傳送到控制器中，控制器接收到這些指令通過模擬或數(shù)字信號控制居室內(nèi)的各用電設(shè)備。同時，居室內(nèi)的各設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況也會通過控制器傳回智能電能表，智能電能表的內(nèi)處理器會分析這些數(shù)據(jù)，計算出當(dāng)前的節(jié)能效率，并將結(jié)果顯示在顯示屏上。這樣一來用戶對整個室內(nèi)的用電情況就一目了然。由于電價和節(jié)能率也同時顯示出來，能夠使用戶對自己的電能使用效率有一個更加直觀、更加量化的了解，這就從側(cè)面激勵用戶去自覺的節(jié)能。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

由于采用計算機模擬電網(wǎng)端，本系統(tǒng)硬件主要包括2個主要部分：智能電能表和居室電器控制器。

3.1 智能電能表設(shè)計

本SRES系統(tǒng)中的智能電能表，是由一塊液晶顯示屏及其控制電路組成。它可以通過RS232串口與計算機進行實時通信。計算機向串口發(fā)送一組二進制代碼，控制液晶顯示屏上的一個顯示動作，代碼與顯示動作一一對應(yīng)，這樣就可以達到對液晶顯示屏的實時控制。

我們將“智能電能表”的顯示界面設(shè)計成圖3的樣式，可以顯示出用戶的當(dāng)前時段及對應(yīng)的實時電價，受控制的用電器被一一列出，當(dāng)前居室內(nèi)用電器的使用狀況一目了然。同時，根據(jù)用電器的使用情況計算出當(dāng)前的用電總功率，并顯示在液晶屏上，如果總功率高于某一設(shè)定好的值，屏幕下方會出現(xiàn)節(jié)電提示。

液晶顯示屏通過串口與計算機相連，在“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”的軟件部分里，運用串口控件向計算機串口發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，控制液晶屏幕上的顯示。液晶模塊的RS232接口設(shè)計如圖4所示。

通過這個模擬的智能電能表，可以為用戶提供詳細(xì)的用電信息，使用戶對居室當(dāng)前的用電狀態(tài)有一個全面的了解，并且能夠?qū)τ脩舻墓?jié)電行為起到很好的激勵作用。

圖3 智能電能表顯示內(nèi)容

圖4 液晶模塊RS232接口

3.2 居室電器控制器設(shè)計

控制器主要起到作為智能電能表和室內(nèi)用電設(shè)備之間聯(lián)絡(luò)橋梁的作用。它接收智能電能表發(fā)出的控制口令，并將其轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字輸出量對室內(nèi)的用電設(shè)備進行控制。同時，它也可以采集室內(nèi)各用電設(shè)備的工作情況，并將其反饋給智能電能表。這一部分主要由數(shù)字量模擬量輸入輸出控制器完成對各個用電器的控制。它可以利用計算機RS232串口實時控制模擬量的輸出和數(shù)字量的輸出，控制器采用特有的抗高頻干擾電路，工作穩(wěn)定可靠，其中每路模擬量輸出都有過壓保護電路，可抗雷擊以及靜電沖擊。工作電源為直流24 V，采用高速C8051系列單片機，具有2路模擬量輸出（0～12 V），6路數(shù)字量輸出。通過向串口發(fā)送簡單的代碼就可以控制各數(shù)字量和模擬量的輸出，使用極其方便?？刂破鞯慕泳€圖如圖5所示。

我們在居室模型中，選用了照明燈、落地?zé)?、裝飾燈、空調(diào)、電暖氣、電視機、飲水機、組合音響這8個可控的不同功率的家用電器，用直流電動機、發(fā)光二極管、音樂芯片等器件代表不同的用電器，來模擬真實的家庭居室。

圖5 控制器的接線原理圖

居室電器控制器通過串口與計算機連接，在“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”的軟件部分里，根據(jù)具體情況實時地發(fā)出指令，指令代碼通過RS232串口發(fā)送到控制器，控制模擬量的輸出電壓和數(shù)字量的開通與關(guān)斷，從而達到對直流電動機、發(fā)光二極管等器件的控制，這樣就可以準(zhǔn)確地模擬出居室內(nèi)的電器使用狀況。

本系統(tǒng)還制作了居室模型，將各個用電器安裝到其各自的位置，使其更具有觀賞性，更完整地體現(xiàn)出了本系統(tǒng)的設(shè)計思想。

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)假設(shè)了4個模擬時段，各個時段分別采用一種電價模式。可供選擇的時段分別為：6：00～8：00，8：00～19：00，19：00～23：00，23：00～6：00，在演示時，用戶需要選擇一個模擬時段。

然后，系統(tǒng)會向用戶顯示出當(dāng)前居室內(nèi)所用用電設(shè)備的基本情況，如表1所示。用戶根據(jù)需要選擇自己要開啟的用電設(shè)備，系統(tǒng)即可計算出整個居室內(nèi)的用電總功率。

接下來用戶需要選擇希望節(jié)約的功率，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的選擇自動生成一套節(jié)電方案，系統(tǒng)自動生成的方案優(yōu)先排序如下：（排列按照建議首先關(guān)閉→最后關(guān)閉，其中④⑤為功率可調(diào)電器，隨時參與功率調(diào)整，但為最后關(guān)閉電器）

6：00～8：00：⑦①②③⑥⑧④（⑤）

8：00～19：00：①②③⑦⑧⑥④（⑤）

19：00～23：00：①②⑦⑧⑥③④（⑤）

23：00～6：00：⑦①⑥⑧②③④（⑤）

節(jié)電方案并不唯一，用戶可以根據(jù)自己的偏好，對節(jié)電方案進行調(diào)整。

系統(tǒng)可以根據(jù)節(jié)電方案計算出方案實施后電器的總功率以及減少的功率，供用戶參考，是否繼續(xù)調(diào)整方案。

點擊“方案確定”按鈕，即可連接到系統(tǒng)的硬件部分，實現(xiàn)電器的節(jié)電自動控制。

軟件系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。居室智能節(jié)電系統(tǒng)用戶操作界面如圖7所示。

5 節(jié)電效益分析

通過模型的假定以及最優(yōu)方案的設(shè)計，可以給出實施本項目的節(jié)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)：由于在系統(tǒng)設(shè)置上，本系統(tǒng)選擇立式空調(diào)結(jié)合電暖氣的電器設(shè)施，所以將一年分為2個時段來計算電量，每天按照平均值計算（在這里不考慮特殊情況和用電習(xí)慣）：

（1）假設(shè)夏天和秋天（每年的5月份至10月份）用戶選擇使用立式空調(diào)，根據(jù)居室智能節(jié)電系統(tǒng)優(yōu)化方案，將一天分為4個時段，各時段平均節(jié)能量如下：

6：00～8：00每小時節(jié)電200 W，共節(jié)電0.4 kWh；8：00～19：00每小時節(jié)電300 W，4 h總計節(jié)電1.2 kWh；19：00～23：00每小時節(jié)電400 W，總計節(jié)電1.6 kWh；23：00～6：00每小時節(jié)電100 W，共節(jié)電0.7 kWh。一天內(nèi)節(jié)電總量3.9 kWh。

（2）假設(shè)冬天和春天（每年的11月份至來年4月份）用戶選擇使用電暖氣，同樣將一天分為4個時段，各時段平均節(jié)電量如下：

6：00～8：00每小時節(jié)電300 W，2 h節(jié)電0.6 kWh；8：00～19：00每小時節(jié)電400 W，按照4 h計算節(jié)電1.6 kWh；19：00～23：00每小時節(jié)電500 W，4 h節(jié)電2 kWh；23：00～6：00每小時節(jié)電100 W，總計節(jié)電0.7 kWh。一天內(nèi)節(jié)電總量4.9 kWh。

這里以5月份—10月份的用戶節(jié)電量為例，上面已經(jīng)計算出每戶每天的節(jié)電量為3.9 kWh，那么每100戶每年節(jié)電量就可達到142350 kWh。

實際上，本系統(tǒng)的思想是在用戶需求和能源節(jié)約、環(huán)境保護之間尋找一個較優(yōu)的匹配，既不影響用戶的正常需求，同時以智能提示的方式對用戶進行督促，減少額外用電，節(jié)省能源、減少排放，以達到各方狀態(tài)的優(yōu)化，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

［1］余貽鑫，欒文鵬.智能電網(wǎng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，25（1）：7-11.

［2］Sui Huibin，Wang Honghong，Lu Ming shun，et al.An AMI System for the Deregulated Electricity Markets［C］.AB，Canada：IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，Edmonton，2008.

［3］Richard E.Brown.Impact of Smart Grid on Distribution System Design［C］.Pittsburgh，PA，USA：IEEE Power and Energy Society 2008 General Meeting：Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century，2008.

［4］Mohd Alaa，Ortjohann Egon，Schmelter Andreas，et al.Challenges in Integrating Distributed Energy Storage Systems into Future Smart Grid［C］.Cambridge，United Kingdom：IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2008.

［5］Damir Novosel.Emerging Technologies in Support of Smart Grids［C］.Pittsburgh，PA，United States：IEEE Power Energy Soc.Gen.Meet.：Convers.Deliv.Electr.Energy Century，2008.

［6］王弟，黃志強，陳慶蘭.需求響應(yīng)在電力市場中的作用［J］.電力需求側(cè)管理，2007，19（2）：71-73.

［7］Suzuki，Hiroshi.Advanced Metering Infrastructure Based on Smart Meters［J］.IEEE Transactions on Power and Energy，2007，127（9）：977-980.

［8］Mahmood Asif，Aamir Muhammad，Anis Muhammad Irfan.Design and Implementation of AMR Smart Grid System［C］.BC，Canada：IEEE Electrical Power and Energy Conference-Energy Innovation，Vancouver，2008.

［9］Yang Ming.Demand-side Management of China’s Electric Power［J］.Energy Sources，1996，18（3）：243-256.