面向智能電網(wǎng)的家用自動控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常沛　姜元昆　王姣　李穎

[摘要] 文章設(shè)計(jì)了一種面向智能電網(wǎng)的家庭內(nèi)部可控制空調(diào)系統(tǒng)，分別介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備以及所采用的通信方式。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)用電的可視化以及控制空調(diào)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在未來智能電網(wǎng)中實(shí)施分時(shí)電價(jià)情況下，該系統(tǒng)的部署對負(fù)荷調(diào)峰以及節(jié)約家庭電費(fèi)支出都有積極意義。

[關(guān)鍵詞] 智能電網(wǎng)；家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)

[作者簡介] 常沛，國網(wǎng)電科院國電通公司工程師，博士，北京，100007；姜元昆，國網(wǎng)電科院國電通公司，北京，100007；王姣，國網(wǎng)電科院國電通公司，北京，100007；李穎，華北電力大學(xué)（保定）電氣與電子工程學(xué)院碩士研究生，河北 保定，071003

[中圖分類號] TU83 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2012）08-0073-0002

一、背 景

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，社會用電量激增，給我國電力行業(yè)的發(fā)展帶來了一定的挑戰(zhàn)。特別是在發(fā)電領(lǐng)域，現(xiàn)階段我國大量采用火力發(fā)電，給環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)[1]。而人民群眾生活水平逐步提高，對環(huán)境以及生活條件的需求日漸提高，城市中空調(diào)的安裝量持續(xù)上升，空調(diào)用電量也大幅增加，導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷在整個(gè)用電負(fù)荷的占比提高，如何在用電高峰期間對空調(diào)進(jìn)行調(diào)控成為降低用電負(fù)荷的一種措施。

自2009年以來，國際上許多國家相繼提出發(fā)展智能電網(wǎng)的規(guī)劃，智能電網(wǎng)通過先進(jìn)的信息和通信技術(shù)來提升傳統(tǒng)電網(wǎng)的性能，同時(shí)也賦予了電網(wǎng)雙向互動等智能化特征[2]。而雙向互動等特征為用戶參與電力需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)有序用電提供了基礎(chǔ)條件。有鑒于此，本文提出了一種適合面向智能電網(wǎng)的、適合在家庭使用的智能用電空調(diào)系統(tǒng)，對未來分時(shí)電價(jià)執(zhí)行后實(shí)施需求響應(yīng)提供技術(shù)解決方案。

二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)在普通空調(diào)基礎(chǔ)之上，通過增加智能交互終端、路由器、網(wǎng)關(guān)、紅外控制器和智能插座5種關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家庭空調(diào)用電量的可視化、空調(diào)遠(yuǎn)程控制以及空調(diào)使用策略的遠(yuǎn)程制定。

家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，通過靈活采用紅外、無線433MHz、WiFi以及普通網(wǎng)線，將空調(diào)、智能交互終端、路由器、網(wǎng)關(guān)、紅外控制器和智能插座等設(shè)備組成一個(gè)相互可以通信的系統(tǒng)。

三、關(guān)鍵設(shè)備

家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)主要包括智能交互終端、路由器、網(wǎng)關(guān)、紅外控制器和智能插座等關(guān)鍵設(shè)備。

（一）智能插座

智能插座內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集模塊和433MHz通信模塊，可以采集用電設(shè)備的實(shí)時(shí)功率、用電量等用電信息，并通過433MHz無線信號將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至家庭網(wǎng)關(guān)。

（二）紅外遙控器

紅外遙控器內(nèi)部集成了紅外通信模塊和433MHz通信模塊，可連接空調(diào)與網(wǎng)關(guān)。紅外遙控器通過紅外與空調(diào)通信，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的開啟、關(guān)閉以及溫度調(diào)節(jié)等功能。紅外遙控器通過433MHz與網(wǎng)關(guān)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令的發(fā)送。

（三）網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成了433MHz通信模塊以及以太網(wǎng)通信模塊。網(wǎng)關(guān)通過433MHz通信方式與智能插座和紅外遙控器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制命令的發(fā)送等功能。網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)線與路由器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

（四）路由器

路由器內(nèi)部集成了WiFi和以太網(wǎng)通信模塊，路由器與網(wǎng)關(guān)采用以太協(xié)議進(jìn)行通信，與智能交互終端采用WiFi進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

（五）智能交互終端

智能交互終端實(shí)現(xiàn)空調(diào)用電信息的可視化、空調(diào)使用策略制定以及空調(diào)遠(yuǎn)程控制等功能。智能交互終端集成了WiFi通信模塊，與路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

四、通信協(xié)議

家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)主要采用紅外、無線433MHz、WiFi和以太網(wǎng)4種通信方式。

（一）紅外

紅外是一種點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信方式，采用850nm至900nm波長的電磁波傳遞信息。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、功耗低，缺點(diǎn)是通信距離較短、通信范圍較小[3]。

（二）無線433MHz

無線433MHz是一種低功耗、低成本的無線通信方式，其設(shè)備體積小，便于安裝，廣泛使用于近距離通信。無線433MHz通信一般采用輪詢方式來組網(wǎng)，其頻率使用率較低[4]。

（三）WiFi

WiFi是一種速度快、可靠性高的無線通信網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)接入點(diǎn)可覆蓋半徑為100m的區(qū)域。適合個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端之間的無線通信[5]。

（四）以太網(wǎng)

以太網(wǎng)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的有線通信方式，以太網(wǎng)技術(shù)可以工作在雙絞線電纜、光纖等傳輸介質(zhì)之上，采用了載波監(jiān)聽、多路訪問以及沖突檢測等先進(jìn)技術(shù)，可以在互連設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)10～100Mbps甚至更高速率的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

五、空調(diào)調(diào)控實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析

家庭智能用電空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空調(diào)用電信息的可視化，如圖2所示，某家庭空調(diào)的實(shí)時(shí)用電情況可以直觀地展示在智能交互終端界面上，同時(shí)可對空調(diào)用電的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。用戶可根據(jù)電價(jià)政策中的階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)信息，動態(tài)地制定空調(diào)使用策略，系統(tǒng)可自動執(zhí)行空調(diào)用電策略，解決了空調(diào)自動需求響應(yīng)問題。