一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源USB系統(tǒng)方案設(shè)計

鄭宇，程樂峰，孟科，張睿，李正佳，余濤

（1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080；2. 蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源USB系統(tǒng)方案設(shè)計

鄭宇1，程樂峰2，孟科1，張睿1，李正佳2，余濤2

（1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080；2. 蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，需重點關(guān)注配網(wǎng)側(cè)/需求側(cè)綜合能源管理，基于此，設(shè)計一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源US B（Universal Service Bus）系統(tǒng)方案，實現(xiàn) 光伏接入、風(fēng)機接入、電動汽車充電站接入及工商業(yè) 居民用戶接入。設(shè)計了能源USB系 統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了能源USB的總體硬件設(shè)計方案和軟件技術(shù)方案。硬件方案以基于 DSP的智能用電控制器為核心，稱為能源USB設(shè)備，包括DSP及其電源電路、信號采集及放大電路、隔離電路、電力載波通信及電源電路、按鍵及ARM電路、ZigBee通信模塊、繼電器模塊、傳感器模塊、儲存與時鐘模塊等。設(shè)計的能源USB系統(tǒng)方案可采集海量用戶用電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式設(shè)備的即插即用，對于“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下新型配網(wǎng)側(cè)/需求側(cè)綜合能源管理系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考價值和借鑒意義。

能源互聯(lián)網(wǎng)；能源USB；即插即用；分布式設(shè)備；“互聯(lián)網(wǎng)+”

0 引言

化石能源的大規(guī)模開采利用導(dǎo)致的能源枯竭及環(huán)境問題日益突出，人類的發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一方面這些傳統(tǒng)的化石能源逐漸走向枯竭，另一方面帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題，這將迫使人們迅速過渡到一個全新的能源體制和工業(yè)模式。2012年，黨的十八大明確提出，要適應(yīng)國內(nèi)外形勢新變化，加快經(jīng)濟轉(zhuǎn)型；2015年，李克強在第十二屆全國人民代表大會第三次會議政府工作報告中提出，“制定‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動計劃”，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合。與此同時，面對可再生能源利用技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，美國著名學(xué)者杰里米×里夫金在其新著《第三次工業(yè)革命》一書中[1]，首先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景。能源互聯(lián)網(wǎng)由若干個能源局域網(wǎng)相互連接構(gòu)成。能源局域網(wǎng)由能量路由器、發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、交直流負(fù)載組成，可并網(wǎng)工作，也可脫網(wǎng)獨立運行。能量路由器由固態(tài)變壓器和智能能量管理組成；智能能量管理根據(jù)收集的能源局域網(wǎng)中發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備和負(fù)載等信息做出能量控制決策，然后將控制指令發(fā)送給固態(tài)變壓器執(zhí)行，即智能能量管理控制信息流，固態(tài)變壓器控制能量流。為保證能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠安全工作，能源局域網(wǎng)的上一級母線具有智能故障管理功能，提供能源互聯(lián)網(wǎng)故障的實時檢測，快速隔離等功能。

電力體制改革和售電側(cè)放開后，社會能源消費模式和電網(wǎng)運行模式都將發(fā)生深刻變化：電網(wǎng)公司方面，其盈利模式發(fā)生變化，逐步轉(zhuǎn)為公用事業(yè)，對電網(wǎng)的控制模式從傳統(tǒng)的發(fā)電側(cè)管理逐步轉(zhuǎn)向需求側(cè)管理；即將成立的售電公司盈利模式將由傳統(tǒng)的售電盈利模式向提供綜合能源利用服務(wù)盈利模式轉(zhuǎn)變；用戶方面從傳統(tǒng)不用管電網(wǎng)到主動參與電力需求側(cè)管理方面轉(zhuǎn)變。這一切的轉(zhuǎn)變發(fā)生在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，使得開展面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配網(wǎng)側(cè)/需求側(cè)綜合能源管理研究具有重要意義。

能源互聯(lián)網(wǎng)本身具有四大特征[1]：1）以可再生能源為主要一次能源；2）支持超大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲能系統(tǒng)接入；3）基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)廣域能源共享；4）支持交通系統(tǒng)電氣化。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)是一個泛在互聯(lián)、對等開放、低碳高效、多源協(xié)同、安全可靠的充滿活力的研究領(lǐng)域[2]。利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，電網(wǎng)公司可實現(xiàn)廣域內(nèi)的電源、儲能設(shè)備與負(fù)荷的協(xié)調(diào)；實現(xiàn)集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)信息-能源高度融合，進(jìn)而打通配電/用電大數(shù)據(jù)采集與利用的瓶頸，真正實現(xiàn)電網(wǎng)與分布式供電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化利用。

國內(nèi)外針對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究，美國NSF資助了FREEDM （Future Renewable Electric Energy Delivery and Management） 研究中心，首先提出了發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)想，并已經(jīng)開發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)的部分原型系統(tǒng)[3]；2012年5月29日，歐盟委員會副主席Antonio Tajani明確指出：“第三次工業(yè)革命的核心就是能源互聯(lián)網(wǎng)…我們的2020戰(zhàn)略使我們走在正確的道路上，但我們現(xiàn)在必須加快速度…”[4]；德國率先提出了“E-Energy”計劃，力圖打造新型能源網(wǎng)絡(luò)，在整個能源供應(yīng)體系中實現(xiàn)數(shù)字化互聯(lián)及計算機控制和監(jiān)測[5]。

學(xué)術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[6]以分布式能源發(fā)電為基礎(chǔ)，構(gòu)建了可以實現(xiàn)實時、高速、雙向的電力數(shù)據(jù)讀取和可再生能源接入的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7，8]則分別探討了能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)框架；文獻(xiàn)[9]探討了以能源路由器為核心交換裝置的能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)模型，從能源路由器的實現(xiàn)目標(biāo)，已有支撐技術(shù)和實現(xiàn)部署方式等方面分析了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了該領(lǐng)域亟需突破的研究方向。針對家庭式智能電網(wǎng)，文獻(xiàn)[10]從家庭式發(fā)電系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電動汽車和能量優(yōu)化管理等4個方面研究了其具體實現(xiàn)方法；文獻(xiàn)[11]則給出了一種基于實時電價的家庭能量管理系統(tǒng)（HEMS）家電最優(yōu)調(diào)度方法，而文獻(xiàn)[12]則針對智能家庭能源管理提出一種可控制連接至屋頂光伏（rooftop PV）的住宅電池系統(tǒng)的HEMS，該住宅電池系統(tǒng)考慮了能源負(fù)荷和光伏發(fā)電預(yù)測誤差，預(yù)測精準(zhǔn)度則通過160戶家庭住宅的真實HEMS數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。同時，文獻(xiàn)[13]則通過協(xié)調(diào)調(diào)度住宅分布式電能資源來優(yōu)化智慧家庭能源設(shè)備，優(yōu)化算法為粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）。

當(dāng)前，電力是應(yīng)用最為廣泛的二次能源，現(xiàn)有電網(wǎng)已實現(xiàn)電力的遠(yuǎn)距離配送，并具備了相當(dāng)規(guī)模，隨著越來越多的電動設(shè)備的成熟，如電動汽車等，電力資源將成為未來人們直接使用的主要能源形式，電力網(wǎng)絡(luò)將是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分。此外，新能源和可再生能源開發(fā)利用面臨困難，可再生能源發(fā)電無歧視、無障礙上網(wǎng)問題未得到有效解決，這是電力行業(yè)發(fā)展面臨的一個亟需通過改革解決的問題。電改9號文的一個重要目標(biāo)，就是要提高綜合能源利用水平?；诖耍疚脑O(shè)計一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源USB（Universal Service Bus）系統(tǒng)方案，實現(xiàn)光伏接入、風(fēng)機接入、電動汽車充電站接入及工商業(yè)居民用戶接入。所設(shè)計的能源USB系統(tǒng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)廣域內(nèi)的電源、儲能設(shè)備與負(fù)荷的協(xié)調(diào)，可最終完成集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)信息-能源高度融合，進(jìn)而打通配電/用電大數(shù)據(jù)采集與利用的瓶頸，真正實現(xiàn)電網(wǎng)與分布式供用電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化利用。

1 能源USB系統(tǒng)的功能要求

能源USB系統(tǒng)的功能是支持各類分布式設(shè)備的即插即用，是能源互聯(lián)網(wǎng)的最關(guān)鍵技術(shù)組件之一。能源USB是支持各類分布式設(shè)備和電動汽車接入的統(tǒng)一接口平臺。此外，能源USB還支持與各類用電信息采集終端（智能電表、智能插座、環(huán)境傳感器等）的通信。除了識別分布式設(shè)備的類型與身份外，能源USB還應(yīng)具有數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能。此外，能源USB有較強的可擴展性，可以支持與各類智能用電信息采集終端（智能插座、溫度傳感器、濕度傳感器等）集成。能源USB還作為支持多種智能電網(wǎng)功能的載體工具與信息終端，支持分布式電源，儲能設(shè)備，智能負(fù)荷，電動汽車 等多種設(shè)備的連接；支持用戶側(cè)管理，削峰填谷，平抑可再生能源的間歇性，分布式控制通訊等功能；從而支持相關(guān)系統(tǒng)能源的最優(yōu)化運行，有效地提高系統(tǒng)供電服務(wù)的可靠性。

結(jié)合文獻(xiàn)[14]對廣域內(nèi)海量分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制研究，能源USB和各類分布式設(shè)備的連接示意圖如下圖1所示，當(dāng)分布式設(shè)備接入能源USB時，能源USB一方面可和分布式設(shè)備實現(xiàn)雙向的能量交互，完成相關(guān)的切斷、連通電路等功能，另一方面，可和分布式設(shè)備交互信息，實現(xiàn)設(shè)備識別、命令上傳下達(dá)等功能。

圖1 能源USB和分布式設(shè)備的連接示意圖Fig.1 Connection diagram between energy USB and distributed devices

能源USB和上級電源節(jié)點則通過各種通信方式（包括WIFI、ZigBee、3G、藍(lán)牙等）聯(lián)網(wǎng)，由于分布式設(shè)備和能源USB的連接關(guān)系是最基礎(chǔ)的信息，因此，結(jié)合能源USB本身的連接關(guān)系，可以方便地掌握所有的分布式設(shè)備的電氣拓?fù)潢P(guān)系，并實現(xiàn)對分布式設(shè)備的管理。因此，能源USB系統(tǒng)的功能描述為：各類分布式設(shè)備和電動汽車接入的統(tǒng)一接口平臺；與各類用電信息采集終端（智能電表、智能插座、環(huán)境傳感器等）通信；完成分布式設(shè)備的身份識別，數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等；可擴展性強，與各類智能用電信息采集終端集成；作為支持多種智能電網(wǎng)功能的載體工具與信息終端；支持需求側(cè)管理、削峰填谷、平抑可再生能源的波動、分布式控制與通訊等功能。

2 能源USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

能源USB系統(tǒng)不是簡單的一個設(shè)備，而是一套多層分級的、實現(xiàn)能量流和信息流互聯(lián)的系統(tǒng)。能源USB按面向的對象可分為分布式能源設(shè)備接入的能源USB設(shè)備，以及商業(yè)、居民用戶接入的能源USB設(shè)備。

分布式能源設(shè)備接入的能源USB設(shè)備包括光伏接入的能源USB設(shè)備、風(fēng)機接入的能源USB設(shè)備、充電樁接入的能源USB設(shè)備、儲能接入的能源USB設(shè)備。這四類能源USB的功能主要是實現(xiàn)分布式能源設(shè)備的即插即用，并實現(xiàn)設(shè)備和電網(wǎng)之間能量流、信息流的互聯(lián)。

商業(yè)、居民用戶接入的能源USB設(shè)備不是單一的一款設(shè)備，根據(jù)使用需要，商業(yè)、居民用戶接入的能源USB設(shè)備應(yīng)該看作是一套多級分層的硬件系統(tǒng)，由能源USB插座、能源USB入戶集中器、能源USB樓層集中器、能源USB樓宇集中器組成。主要實現(xiàn)電網(wǎng)和商業(yè)、居民用戶之間能量流、信息流的互聯(lián)。

整個能源USB系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖2所示。

圖2 能源USB系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 The topological architecture of energy USB system

2.2 主要功能組件

以圖2所示的能源USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以最高配置的樓宇為例，即單棟樓宇內(nèi)同時具有光伏、風(fēng)機、充電樁、儲能等分布式能源設(shè)備，在各樓層中也有一定數(shù)量的普通居民用戶，基于圖2，能源USB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：

（1）光伏接入、風(fēng)機接入、充電樁接入、儲能接入的能源USB——分布式能源設(shè)備接入的能源USB設(shè)備，實現(xiàn)分布式能源設(shè)備的即插即用，實現(xiàn)設(shè)備和電網(wǎng)之間能量流、信息流的互聯(lián)，可以對分布式能源設(shè)備進(jìn)行連續(xù)控制。

（2）能源USB插座——商業(yè)、居民用戶接入的能源USB系統(tǒng)的最底層裝置，實現(xiàn)對插座所接入的用電設(shè)備的監(jiān)控以及開斷。

數(shù)據(jù)采集：采集所接用電設(shè)備的單相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)，使中央處理單元能夠識別不同插座的負(fù)荷數(shù)據(jù)，提高用電數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確度，為智能用電管理提供依據(jù)。

上行通訊：采用ZigBee與“能源USB入戶集中器”通訊，入戶集中器作為Server節(jié)點/中心節(jié)點，插座作為Device節(jié)點/終端節(jié)點。

下行通訊：采用專用低壓載波通訊（距離短、速率高、載波信號只到插座）與智能家電通訊（具備載波通信能力的家用電器）。

（3）能源USB入戶集中器——商業(yè)、居民用戶接入的能源USB系統(tǒng)的核心部件。具有單相數(shù)據(jù)采集、通訊功能、用戶界面功能，內(nèi)置高級算法對用戶用電行為進(jìn)行本地分析。

數(shù)據(jù)采集：采集用戶單相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)。

上行通訊：采用低壓載波與“能源USB樓層集中器”通訊（作為Device節(jié)點）。

下行通訊：采用ZigBee與能源USB插座通訊，入戶集中器作為Server節(jié)點/中心節(jié)點，插座作為Device節(jié)點/終端節(jié)點。

用戶界面：采用彩色高清顯示屏和按鍵完成信息顯示和用電策略設(shè)置等

（4）能源USB樓層集中器——商業(yè)、居民用戶接入的能源USB系統(tǒng)的系統(tǒng)層級集中器，具有單相數(shù)據(jù)采集功能、通訊功能。

數(shù)據(jù)采集：采集一棟樓宇的單相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)。

上行通訊：采用ZigBee與“能源USB樓宇集中器”通訊（其中樓層集中器作為Device節(jié)點/終端節(jié)點）。

下行通訊：主要采用低壓載波通訊與安裝于用戶的“能源USB入戶集中器”通訊，其中樓層集中器作為Server節(jié)點，入戶集中器作為Device節(jié)點。

（5）能源USB樓宇集中器——商業(yè)、居民用戶接入的能源USB系統(tǒng)的樓宇級集中器，具有單相數(shù)據(jù)采集功能、通訊功能。

數(shù)據(jù)采集：采集每棟樓宇的單相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)。

上行通訊：采用以太網(wǎng)通過交換機與電網(wǎng)公司通訊。

下行通訊：采用ZigBee與“能源USB樓層集中器”通訊，其中樓宇集中器作為Server節(jié)點/中心節(jié)點，樓層集中器作為Device節(jié)點/終端節(jié)點。

2.3 能源USB應(yīng)用場景

可設(shè)想一種能源USB的應(yīng)用方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖3所示，其中，示范工程可選在某市生態(tài)城，安裝戶數(shù)不少于70戶，通過能源USB統(tǒng)一處理器：經(jīng)4G/以太網(wǎng)與示范點、分布式設(shè)備及用電數(shù)據(jù)分析軟件平臺進(jìn)行上行通信，方便地掌握所有的分布式設(shè)備的身份與電氣拓?fù)潢P(guān)系，實現(xiàn)對分布式設(shè)備的精細(xì)化管理；利用ARM嵌入式系統(tǒng)和加密技術(shù)等與配電自動化系統(tǒng)、計量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；同時，經(jīng)WIFI、Zigbee和低壓載波等與移動終端、智能電表等進(jìn)行下行通信。

圖3 能源USB方案應(yīng)用拓?fù)鋱DFig.3 The topological architecture of energy USB scheme application

同時，我們設(shè)想的能源USB幾個可能的應(yīng)用場景包括：

1）用電設(shè)備的識別及差異化計費：以電動汽車為例，當(dāng)電動汽車的充電頭插入充電樁等具備能源USB功能的設(shè)備時，系統(tǒng)可自動識別電動汽車的編號，汽車型號、電池等重要信息，并實現(xiàn)自動扣費等功能。此外，對于分布式電源與儲能等可能向系統(tǒng)倒送能源的設(shè)備，能源USB也可以在識別出設(shè)備身份的基礎(chǔ)上，自動完成計費功能。

2）中小型工商業(yè)用戶及智能樓宇的能量監(jiān)測與控制：對于接入能源USB的各種用電設(shè)備，能源USB可以收集設(shè)備級的詳細(xì)用電信息，并向上級系統(tǒng)匯總報送。在必要時，能源USB也可以根據(jù)上級系統(tǒng)的控制信號，對接入的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開斷。

3）小型配電系統(tǒng)的精細(xì)化負(fù)荷預(yù)測與建模：若在一個小型配電系統(tǒng)內(nèi)廣泛安裝能源USB，可以在后臺大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的支持下，利用能源USB采集的設(shè)備信息與電氣拓?fù)湫畔?，實現(xiàn)精細(xì)化的負(fù)荷預(yù)測與負(fù)荷建模。

4）小型配電系統(tǒng)的削峰填谷：大量能源USB也可以在后臺分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的支持下，通過控制用電設(shè)備，實現(xiàn)削峰填谷與抑制系統(tǒng)內(nèi)可再生能源間歇性的目的。

3 能源USB硬件設(shè)備

能源USB硬件設(shè)備，可采集家庭用戶用電數(shù)據(jù)信息，對用戶用電行為和用電能效進(jìn)行分析，建立用電優(yōu)化控制策略。能源USB設(shè)備是基于能源互聯(lián)網(wǎng)的一種智能終端接口，可實現(xiàn)各種分布式發(fā)/用電設(shè)備的即插即用以及分布式設(shè)備與電網(wǎng)進(jìn)行信息和能量的雙重流通。能源USB作為實現(xiàn)各種分布式設(shè)備即插即用的統(tǒng)一接口，這里提到的即插即用有兩層含義：一是作為分布式電源、分布式儲能、電動汽車、可控負(fù)荷等各類分布式設(shè)備的電氣接口；二是兼容多種常見的通信協(xié)議，如電力載波、ZigBee、WiFi、3G等，支持各種用電設(shè)備與電網(wǎng)進(jìn)行信息的雙向流通。

3.1 設(shè)備種類

（1）風(fēng)機接入的能源USB硬件裝置

風(fēng)機接入的能源USB硬件裝置應(yīng)能智能識別接入的風(fēng)機特性，可支持風(fēng)機的即插即用。除此之外，還內(nèi)置電氣參數(shù)測量模塊，可以對接入的風(fēng)機各電氣量進(jìn)行實時檢測，如當(dāng)前輸出總功率、功率因數(shù)、發(fā)電量、輸出電壓、輸出電流等。此外，能源USB還兼有電能質(zhì)量檢測的能力，可以檢測風(fēng)機輸出的電壓諧波和電流諧波。除了電氣量，能源USB還可以采集安裝地點周圍的環(huán)境信息，如溫濕度、煙霧顆粒濃度等。

風(fēng)機接入的能源USB硬件裝置除了能夠完成一系列電氣信息和環(huán)境信息的測量，還具有兼容各種不同的通信協(xié)議的能力，視各種通信協(xié)議的應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)率、有效傳輸距離等因素，考慮在電力載波、ZigBee等協(xié)議中選擇。

（2）充電樁接入的能源USB硬件裝置

充電樁接入的能源USB硬件裝置可以智能識別接入的電動汽車充電樁的特性，對電動汽車充電樁的各種電氣信息進(jìn)行實時監(jiān)測，如當(dāng)前輸出總功率、功率因數(shù)、用電量、輸出電壓、輸出電流、電壓諧波、電流諧波等。除了電氣量，能源USB還可以采集安裝地點周圍的環(huán)境信息，如溫濕度、煙霧顆粒濃度等。

充電樁接入的能源USB硬件裝置除了能夠完成一系列電氣信息的測量，還具有兼容各種不同的通信協(xié)議的能力，視各種通信協(xié)議的應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)率、有效傳輸距離等因素，考慮在電力載波、ZigBee等協(xié)議中選擇。

（3）儲能接入的能源USB硬件裝置

儲能系統(tǒng)接入的能源USB硬件裝置應(yīng)能支持風(fēng)機的即插即用。除此之外，內(nèi)置的電氣參數(shù)測量模塊可以對接入的儲能系統(tǒng)各電氣量進(jìn)行實時的檢測，如當(dāng)前剩余儲電量、當(dāng)前輸出/輸入總功率、功率因數(shù)、輸出/輸入電壓、輸出/輸入電流、電壓諧波、電流諧波等。除了電氣量，能源USB還可以采集安裝地點周圍的環(huán)境信息，如溫濕度、煙霧顆粒濃度等。

儲能系統(tǒng)接入的能源USB硬件裝置除了能夠完成一系列電氣信息和環(huán)境信息的測量，還具有兼容各種不同的通信協(xié)議的能力，視各種通信協(xié)議的應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)率、有效傳輸距離等因素，考慮在電力載波、ZigBee等協(xié)議中選擇。由于儲能系統(tǒng)位于室內(nèi)，可以考慮兼容WiFi通信協(xié)議。

（4）商業(yè)、居民用戶接入的能源USB硬件裝置

商業(yè)、居民用戶接入的能源USB硬件裝置除了可支持用電設(shè)備與電網(wǎng)進(jìn)行信息和能量的雙向流通，還可對接入的用電設(shè)備進(jìn)行實時的用電檢測，此外，商業(yè)、居民用戶接入的能源USB裝置還需要對用戶環(huán)境數(shù)據(jù)如環(huán)境溫度、濕度、空氣質(zhì)量等影響用戶用電行為的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所獲得的用電信息和環(huán)境信息可通過互聯(lián)網(wǎng)實時上傳至電力數(shù)據(jù)云用于支持高效的互動化策略的實施；利用專門的算法對用戶信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘以獲得用戶用電習(xí)慣、用電設(shè)備的特性等信息，并配合用戶能源管理系統(tǒng)，從而獲得更佳的用戶用電體驗。

商業(yè)、居民用戶接入的能源USB硬件裝置還具有兼容各種不同的通信協(xié)議的能力，視各種通信協(xié)議的應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)率、有效傳輸距離等因素，考慮在電力載波、ZigBee等協(xié)議中選擇?？紤]到商業(yè)、居民室內(nèi)一般有WiFi覆蓋，商業(yè)、居民用戶接入的能源USB裝置也可以考慮兼容WiFi通信協(xié)議。

3.2 硬件設(shè)計方案

能源USB硬件裝置需要完成一系列的計算任務(wù)，包括各種電量和環(huán)境量的采集，諧波測量需要快速傅里葉變換（FFT）、支持載波和ZigBee通信，同時能實現(xiàn)與用戶的智能交互等功能。考慮到成本、功耗與計算能力的平衡，能源USB硬件裝置可采用DSP芯片與ARM芯片結(jié)合的雙處理器架構(gòu)。

DSP芯片可采用美國TI公司的TMS320F28335芯片，既負(fù)責(zé)電量和環(huán)境量的采集，也負(fù)責(zé)進(jìn)行上行通信和下行通信，還包括對電器進(jìn)行操作控制。

ARM芯片擬采用ARM920T，配合LCD高清觸摸屏，負(fù)責(zé)提供友好界面，與用戶進(jìn)行交互，同時內(nèi)置高級算法可以對用電行為信息進(jìn)行本地分析，為用戶提供多種優(yōu)化的用電策略選擇。

DSP芯片與ARM芯片結(jié)合的雙處理器架構(gòu)，其總體的原理設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 硬件設(shè)計總體方案Fig.4 The overall hardware design scheme

能源USB硬件設(shè)計方案，按照功能劃分為多個區(qū)域，分別是DSP及其電源電路、信號采集及放大電路、隔離電路、電力載波通信及電源電路、按鍵及ARM電路、ZigBee通信模塊、繼電器模塊、傳感器模塊、儲存與時鐘模塊等。

其中，DSP及其電源電路是核心區(qū)域，DSP采用TMS320F28335芯片，具有150MHz的高速處理能力，具備高性能的32位浮點處理單元，與作用相當(dāng)?shù)?2位定點技術(shù)相比，快速傅里葉變換（FFT）等復(fù)雜計算算法采用浮點技術(shù)后性能提升了一倍之多[15-17]。以專用的電源芯片TPS73HD301及濾波電容組成其電源電路，保證運行的穩(wěn)定性。

信號采集及放大電路擬采用電阻分壓測量電壓信號，分壓比例為1000：1，擬采用精密的錳銅合金為電流信號的采樣電阻（R001），采樣后的電壓電流信號經(jīng)放大器進(jìn)行放大后由AD7606數(shù)據(jù)采集芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7606是一款16位、8通道同步采樣，內(nèi)置模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器，單電源供電，可以處理±10V真雙極性輸入信號的芯片，所有通道的最高采樣吞吐速率達(dá)200kSPS，可對輸入的電壓電流信號進(jìn)行高精度采樣。如圖5所示為電氣測量原理框圖。

圖5 電氣測量原理框圖Fig.5 Electrical measurement principle block diagram

隔離電路采用ADuM7642磁耦合隔離芯片，負(fù)責(zé)將信號采集及放大電路和其他數(shù)字電路進(jìn)行隔離，保證了低壓數(shù)字電路的安全性。

電力載波通信及電源電路、ZigBee通信模塊分別負(fù)責(zé)能源USB裝置之間的低壓電力線載波通信和ZigBee通信。載波通信模塊ZPLC-10內(nèi)置隔離電路，通過自恢復(fù)保險絲和壓敏電阻直接接到火線和零線上，與DSP之間通過串行通信（SCI）進(jìn)行通信；ZigBee通信模塊DRF1605H與DSP之間同樣通過串行通信（SCI）進(jìn)行通信；能源USB裝置并聯(lián)接入電力線中，通過LD12-20B12電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換成12V直流電，為能源USB內(nèi)各器件供電。需要注意的是，為避免載波信號通過電源模塊耦合到低壓數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，電源模塊的220V輸入側(cè)需串聯(lián)一個共軛電感以濾去高頻載波信號。

傳感器模塊包括溫濕度傳感器AM2302以及空氣質(zhì)量傳感器MQ135。溫濕度傳感器AM2302內(nèi)部包含一個電容式感濕器件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換直接數(shù)字輸出，具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點，其濕度分辨率達(dá)0.1%RH，25℃下精度為±2%，溫度分辨率為0.1℃，精度為±0.5℃?？諝赓|(zhì)量傳感器MQ135輸出為模擬電壓量，輸出電壓值隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高，對氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等氣體具有很高的靈敏度，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，測量量程為10～1000ppm。

按鍵與ARM模塊主要用于與用戶進(jìn)行交互，按鍵主要擴展調(diào)試、復(fù)位、開關(guān)機等操作，外接的ARM模塊采用ARM920T，配合LCD高清觸摸屏，負(fù)責(zé)提供友好界面，與用戶進(jìn)行交互，同時內(nèi)置高級算法可以對用電行為信息進(jìn)行本地分析，為用戶提供多種優(yōu)化的用電策略選擇。

擴展的儲存芯片采用AT24C64，主要用于擴展DSP的儲存容量，可以本地儲存大量用戶的用電信息，便于隨時調(diào)取。能源USB內(nèi)置時鐘芯片采用DS1302，在無法聯(lián)網(wǎng)獲取時間的情況下，配合儲存芯片詳細(xì)記錄用戶用電的時間信息，便于分析用電特征。

采用ARM芯片設(shè)計出基于DSP與嵌入式Android系統(tǒng)，采用復(fù)雜嵌入式ARM架構(gòu)芯片，并嵌入Android 操作系統(tǒng)和地圖，可實現(xiàn)復(fù)雜參數(shù)輸入、觸屏式界面操作、互聯(lián)網(wǎng)訪問和數(shù)據(jù)傳輸和位置地理信息顯示，實時通訊等強大的功能，硬件設(shè)計方案中ARM芯片型號為ARM920T，其嵌入式架構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

圖6 嵌入式ARM架構(gòu)設(shè)計框圖Fig.6 Embedded ARM architecture design block diagram

該架構(gòu)以ARM920T芯片為核心，在設(shè)計中，芯片外部搭載了LCD觸屏顯示部分、3G部分、WIFI部分、SD卡存儲部分、Flash閃存、電源部分、USB接口部分、SPI總線接口、JTAG接口部分、串行RS232、RS485接口部分，搭建起一個穩(wěn)定、功能齊全的嵌入式控制系統(tǒng)。芯片外部通過異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口RS232串口在底層直接與DSP芯片鏈接，實現(xiàn)ARM芯片與DSP的信息交互。

4 能源USB軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)平臺主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測與用電行為分析模塊、分布式設(shè)備優(yōu)化控制模塊、電能質(zhì)量與能效分析模塊和用戶信息管理與信息發(fā)布模塊，如圖7所示為能源USB軟件平臺設(shè)計示意圖。

圖7 能源USB系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計示意圖Fig.7 Energy USB system software platform design diagram

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)測與用電行為分析模塊

該模塊結(jié)合能源USB高頻度采集的用戶用電數(shù)據(jù)（分鐘級或更高），在后臺云端對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，分別于配電側(cè)交互界面生成實時數(shù)據(jù)監(jiān)測圖線以及于用戶側(cè)應(yīng)用程序生成簡單的個人用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表。同時通過對采集到的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，旨在分析得到典型的用電行為模式，為負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控作數(shù)據(jù)支撐。

平臺采用Spark框架技術(shù)實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的云存儲及數(shù)據(jù)分析，主要涉及分布式并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計算技術(shù)等。目前Spark大數(shù)據(jù)計算平臺已衍生出眾多子項目，伯克利大學(xué)將整個Spark生態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)稱為伯克利數(shù)據(jù)分析棧（Berkeley Data Analytics Stack，簡稱BDAS）。

（2）分布式設(shè)備優(yōu)化控制模塊

分布式設(shè)備優(yōu)化控制模塊主要包括對分布式新能源發(fā)電的優(yōu)化控制、對充電設(shè)備（如電動汽車）和儲能裝置的優(yōu)化控制、對用電設(shè)備的智能用電優(yōu)化控制每個控制模塊都有特定的理論算法進(jìn)行嵌套。大致來說，可分為智能用電優(yōu)化控制和發(fā)電優(yōu)化控制兩部分。

智能用電優(yōu)化控制部分需要配合電力市場機制推動，在分時電價乃至實時電價的基礎(chǔ)上，由用戶自主選定用電模式，包括節(jié)省電費模式、節(jié)省電量模式、響應(yīng)中斷模式等，分別對應(yīng)不同程度的用戶同意可調(diào)負(fù)荷給予電網(wǎng)公司的調(diào)度控制權(quán)限。具體的智能用電互動響應(yīng)流程如下圖8所示。其中，執(zhí)行控制命令的可調(diào)負(fù)荷由用戶設(shè)定，調(diào)控時間在系統(tǒng)大量統(tǒng)計歸納和智能學(xué)習(xí)得到各種用戶的用電行為習(xí)慣后，可自行判定各可調(diào)負(fù)荷對應(yīng)的可控時間區(qū)段，并安排日前調(diào)控計劃和實時調(diào)控策略。前面通過海量數(shù)據(jù)挖掘分析所得的用戶行為習(xí)慣，即是應(yīng)用于該模塊的智能調(diào)控決策中，決策命令反饋給用戶側(cè)的能源USB裝置，通過能源USB完成控制命令。在形成用戶行為習(xí)慣之前，暫由用戶自行設(shè)定各負(fù)荷的可控時段并由用戶端APP程序提交系統(tǒng)以供調(diào)控計劃依據(jù)。

圖8 智能用電互動響應(yīng)流程Fig.8 Intelligent interactive response to electricity utilization flow chart

軟件的優(yōu)化控制算法采用Matlab編寫，并利用“Java+Matlab”混合編程實現(xiàn)算法的調(diào)用。軟件根據(jù)對能源USB數(shù)據(jù)的實時采集及合理預(yù)測，即可利用動態(tài)優(yōu)化性能高、收斂速度快、全局收斂性較強的智能優(yōu)化算法進(jìn)行自動地模型求解，并發(fā)布實時最優(yōu)控制策略。其中，智能優(yōu)化算法主要包含以下幾種：

①MGSO：隨著基于“發(fā)現(xiàn)者—搜索者”模型的群搜索優(yōu)化算法（group search optimizer，GSO）的提出，該算法已被驗證在高維多模態(tài)優(yōu)化問題上具有較高效率從而顯示其廣闊的應(yīng)用前景[18-20]。在此基礎(chǔ)上，將其擴展至帕累托優(yōu)化領(lǐng)域進(jìn)一步研究一種新型多群組協(xié)同學(xué)習(xí)搜索（multiple group search optimizer，MGSO）優(yōu)化算法，并應(yīng)用于多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化問題。

②TOPSIS-Q（λ）[21]：為解決快速、隨機的多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化問題，把快速的改進(jìn)TOPSIS多目標(biāo)決策方法與具有隨機優(yōu)化能力的多步回溯Q（λ）算法相結(jié)合，研究一種多目標(biāo)強化學(xué)習(xí)方法——TOPSIS-Q（λ）算法，并用于主動負(fù)荷的實時動態(tài)控制問題。

③TRL[22-25]：為解決傳統(tǒng)優(yōu)化算法缺乏對歷史優(yōu)化任務(wù)信息的利用問題，將多主體協(xié)同概念、強化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行高度地有機融合，提出一種全新的遷移強化學(xué)習(xí)方法（transfer reinforcement learning，TRL），并用于主動負(fù)荷的快速動態(tài)優(yōu)化問題。

（3）電能質(zhì)量與能效分析模塊

該模塊旨在利用采集的能源USB用電數(shù)據(jù)進(jìn)行電能質(zhì)量分析與能效分析。

電能質(zhì)量分析包括了諧波分析、電壓偏差分析和三相不平衡等，并按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。諧波分析主要是對設(shè)備和線路的電壓和電流進(jìn)行檢測，并利用快速傅里葉變換（FFT） 計算出電壓電流的基波分量和各次諧波分量，并進(jìn)行分析計算出諧波損耗。電壓偏差反映的是電壓偏移系統(tǒng)額定值的情況，是電能質(zhì)量的一項重要的指標(biāo)。三相不平衡會導(dǎo)致零序電流過大和中性點偏移，從而使設(shè)備的運行損耗增加，造成了很多的能源浪費。

軟件平臺采用層次分析法進(jìn)行能效分析，層次分析法的基本步驟為：

a）建立層次結(jié)構(gòu)模型。在深入分析實際問題的基礎(chǔ)上，將有關(guān)的各個因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次，同一層的諸因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?，同時又支配下一層的因素或受到下層因素的作用。

b）構(gòu)造成對比較陣。從層次結(jié)構(gòu)模型的第二層開始，對于從屬于（或影響）上一層每個因素的同一層諸因素，用成對比較法和 1～9 比較尺度構(gòu)造成對比較陣，直到最下層，從而構(gòu)造成對比較陣。

c）計算權(quán)向量并做一致性檢驗。對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量（歸一化后）即為權(quán)向量；若不通過，需重新構(gòu)造成對比較陣。

d）計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。計算最下層對目標(biāo)的組合權(quán)向量，并根據(jù)公式做組合一致性檢驗，若檢驗通過，則可按照組合權(quán)向量表示的結(jié)果進(jìn)行決策，否則需要重新考慮模型或重新構(gòu)造那些一致性比率較大的成對比較陣。

能效評估流程如下圖9所示。

圖9 能效評估流程Fig.9 Energy efficiency evaluation flow chart

（4）用戶信息管理與信息發(fā)布模塊

軟件采用MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)對用戶信息進(jìn)行管理，并利用Socket通信技術(shù)實現(xiàn)與用戶客戶端的通信以及信息發(fā)布功能。

用戶信息包括用戶賬戶信息和設(shè)備信息。設(shè)備信息包括設(shè)備名稱，設(shè)備所屬類型、設(shè)備對應(yīng)插座節(jié)點信息。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，分布式設(shè)備包括分布式能源、儲能設(shè)備、可控負(fù)荷等。電源設(shè)備類型目前分為可控型電源和負(fù)荷設(shè)備類型目前分為核心負(fù)荷、調(diào)節(jié)型負(fù)荷、轉(zhuǎn)移型負(fù)荷和短時中斷負(fù)荷幾類。設(shè)備對應(yīng)節(jié)點信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為智能用電優(yōu)化調(diào)度提供網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息。同時，軟件能夠利用Socket通信技術(shù)發(fā)布電網(wǎng)的安全用電告警信息、停電信息、高峰預(yù)警信息、電費賬單信息和用電優(yōu)化的節(jié)能效益統(tǒng)計信息等。

（5）基于云平臺的用戶互動系統(tǒng)

安裝于手持移動設(shè)備的用戶互動系統(tǒng)客戶端APP是基于云平臺的應(yīng)用程序，也就是說應(yīng)用本身是作為前端數(shù)據(jù)展示和用戶交互用，后臺計算和數(shù)據(jù)存儲功能是置于云服務(wù)器端后臺執(zhí)行的。圖10所示為用戶互動系統(tǒng)APP的主界面，其包含了設(shè)備管理、電氣監(jiān)測、電能質(zhì)量、統(tǒng)計信息、用電模式、能效評估六個模塊。

圖10 用戶互動系統(tǒng)APP的主界面Fig.10 The user interaction system APP main interface

5 結(jié)論

本文基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，設(shè)計了一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論的能源USB系統(tǒng)，包括能源USB硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)平臺，給出了相應(yīng)的設(shè)計方案。其中，能源USB硬件設(shè)備除了實現(xiàn)分布式光伏、風(fēng)機、儲能、充電樁等設(shè)備即插即用之外，還可以對接入的用電設(shè)備進(jìn)行實時的用電監(jiān)測；此外其還具備本地數(shù)據(jù)分析的能力，利用專門的算法對用戶信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘已獲得用戶用電習(xí)慣、用電設(shè)備的特性等信息，并配合用戶能源管理系統(tǒng)，從而獲得更佳的用戶用電體驗。軟件系統(tǒng)平臺則以Java基礎(chǔ)，通過調(diào)用Matlab計算引擎，實現(xiàn)高效快速的用電信息數(shù)據(jù)挖掘和協(xié)調(diào)優(yōu)化求解，同時結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，滿足軟件平臺對后臺數(shù)據(jù)的讀取和存儲要求。

所設(shè)計的能源USB系統(tǒng)提供了常見分布式設(shè)備的統(tǒng)一識別與即插即用接口，支持常見無線通信協(xié)議，對用戶能源的一體化管理和控制，完成對電網(wǎng)與用戶的實時互動以及對需求側(cè)各種能源的統(tǒng)一調(diào)控。系統(tǒng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)廣域內(nèi)的電源、儲能設(shè)備與負(fù)荷的協(xié)調(diào)，可最終實現(xiàn)集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的轉(zhuǎn)變。通過完善的硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)平臺的技術(shù)支撐，實現(xiàn)信息-能源高度融合，進(jìn)而打通配電/用電大數(shù)據(jù)采集與利用的瓶頸，真正實現(xiàn)電網(wǎng)與分布式供用電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化利用。

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Schematic Design of a Kind of Energy USB System based on Energy Interconnection

ZHENG Yu1, CHENG Le-feng2, MENG Ke1, ZHANG Rui1, LI Zheng-jia2, YU Tao2
(1.Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China; 2.Suzhou Huatian Power Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China)

Under energy interconnection background, it’s essential to focus on the integrated energy management on distribution side and demand side, based on which, a kind of energy universal service bus (USB) system was designed based on energy interconnection, which achieved PV access, fan access, electric vehicle charging station access, industrial, commercial and residential users’ access. Its topology architecture was designed, as well as the overall hardware design scheme and software technical scheme were given. The DSP-based smart power controller is core of the hardware scheme is called the energy USB device, which included DSP and its power circuit, signal acquisition and amplifi cation circuit, isolation circuit, power carrier communication and power circuit, key and ARM circuit, ZigBee communication module, relaymodule, sensor module, and storage and clock module. The designed USB system scheme could collect a large number of users’ electricity data and realize plug and play of distributed equipment, which has a certain reference value and signifi cance for the construction of integrated energy management system on distribution side and demand side under background of “Internet +”.

Energy interconnection; Energy USB; Plug and play; Distributed device; “Internet +”

鄭宇，程樂峰，孟科，等.一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源USB系統(tǒng)方案設(shè)計[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（10）：38-51.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.006

: ZHENG Yu, CHENG Le-feng, MENG Ke, et al. Schematic Design of a Kind of Energy USB System based on Energy Interconnection[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 38-51.

中國南方電網(wǎng)科技項目資助(WYKJ00000027)

鄭宇（1986-），男，工學(xué)博士，博士后，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作；程樂峰（1990-），男，通信作者，博士研究生，主要研究方向為配網(wǎng)自動化、電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制等；孟科（1982-），男，講師，工學(xué)博士，主要從事電力系統(tǒng)運行控制、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面研究工作；張睿（1983-），女，工學(xué)博士，博士后，主要從事電力系統(tǒng)運行和控制、數(shù)據(jù)挖掘、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作；李正佳（1972-），男，碩士，高級工程師，主要從事電力通信、電力系統(tǒng)行業(yè)等研究工作；余濤（1974-），男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為復(fù)雜電力系統(tǒng)的非線性控制理論和仿真、智能控制算法等