電力市場環(huán)境下家庭智慧能源網(wǎng)關(guān)概念及設(shè)計

夏元興　王慶澤　普月　夏實秋　吳許晗　馮世通

摘要：文章針對家庭用戶，設(shè)計了具有雙向互動功能的家庭智慧能源網(wǎng)關(guān)，可以響應(yīng)售電公司下發(fā)的信號，向售電公司上傳用戶用電量信息。該網(wǎng)關(guān)采用STM32單片機作為控制核心，對下通過wiFi實現(xiàn)對家用電器設(shè)備的控制，為用戶制定用電策略；對上通過Internet實現(xiàn)與售電公司的信息傳遞，為售電公司制定決策提供支持。經(jīng)理論分析與仿真計算，證明所設(shè)計網(wǎng)關(guān)提高家庭用戶用電效率，降低用戶用電費用，促進電網(wǎng)與家庭用戶有序互動的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電力市場；家庭用戶；智慧能源網(wǎng)關(guān)；雙向互動

2015年3月，中共中央國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》（2015）9號文，售電側(cè)改革是本輪電改新方案的最大亮點，有序向社會資本放開配售電業(yè)務(wù)標(biāo)志著我國一直以來電網(wǎng)公司獨家壟斷配售電的體制被徹底打破。電力市場的改革，促進了需求響應(yīng)的發(fā)展。需求響應(yīng)是指電力用戶根據(jù)電價的變化和激勵政策調(diào)整用電方式，達到減少或者推移某時段的用電負(fù)荷從而緩解電網(wǎng)運行壓力，抑制電價上升的各種短期行為。

在電力市場改革及需求響應(yīng)的發(fā)展背景下，設(shè)計具有電價互動功能的新型智慧能源網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)家庭用戶與售電公司的電價互動功能，家庭根據(jù)售電公司發(fā)布的電價信息調(diào)整用電設(shè)備工作時間，達到削峰填谷的作用。而售電公司則根據(jù)家庭能源網(wǎng)關(guān)獲取家庭用電情況調(diào)整電價，從而達到提高家庭用戶用電效率，優(yōu)化其用電模式，實現(xiàn)每個家庭與售電公司的互動。

1.能源網(wǎng)關(guān)概念

企業(yè)能源網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有通信技術(shù)和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，與電網(wǎng)實時通信，實現(xiàn)小企業(yè)用電設(shè)備的智能控制、使本地能源參與需求響應(yīng)。其只是針對小型企業(yè)的能源網(wǎng)關(guān)進行的設(shè)計，并不能適用于家庭能源管理系統(tǒng)，未能實現(xiàn)家庭用戶與電網(wǎng)的互動、針對家庭用電設(shè)備的用電特性以及用戶的用電習(xí)慣參與需求響應(yīng)。

在國內(nèi)，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮的掀起，各大家電廠商也紛紛開始開發(fā)自己的家庭能源管理系統(tǒng)。2011年10月，“北京智能用電研究中心”在北京發(fā)布一系列研究成果，標(biāo)志智能用電理論概念探討研究階段進入到實質(zhì)內(nèi)容研究階段?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居，則是以居民用電為依托，將智能開關(guān)，智能插座，水表電表及各種傳感器相連接的設(shè)備。其結(jié)合自動控制技術(shù)構(gòu)建能源網(wǎng)關(guān)的手法，根據(jù)硬件技術(shù)的發(fā)展針對面向家庭的能源網(wǎng)關(guān)滿足了用電管理的需求。在家庭能源利用方面，提出了家庭微電網(wǎng)交流、直流及交直流混合供電模式，給出了家庭能源控制中心的控制方案來實現(xiàn)家庭微網(wǎng)的”即插即用”的智能用電網(wǎng)關(guān)。實現(xiàn)了泛在網(wǎng)絡(luò)式的家庭能效管理。

2.系統(tǒng)設(shè)計

用戶可以通過兩種方式對設(shè)備進行相關(guān)操作，如空調(diào)的運行時間、溫度、濕度和模式的調(diào)節(jié)；照明系統(tǒng)的運行時間、照明亮度和照明地點的控制；洗衣機的運行時間和模式的控制；電視機的運行時間、地點、音量的控制以及熱水器的運行時間和模式的控制等等。一種是通過MCGs觸摸屏進行控制設(shè)備，另一種是可以通過手機APP進行控制設(shè)備。前者通過觸摸屏將信息傳遞給stm32中央處理器，stm32中央處理器對信息進行處理并傳送到設(shè)備終端，同時可以獲取售電公司電腦端發(fā)布的電價信息，后者直接通過WiFi與設(shè)備終端相連將信息傳送給設(shè)備終端。設(shè)備終端與設(shè)備之間利用ZigBee相連，系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1硬件實現(xiàn)

綜上所述，網(wǎng)關(guān)由控制核心、人機交互界面、電源模塊、通訊模塊等主要功能模塊組成，系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用stm32作為控制核心，以ARM Cortex-M3單片機作為內(nèi)核。人機交互界面采用集顯示與控制于一體的MCGS屏幕。MCGS是用于快速構(gòu)造與生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)語言，能在基于微軟的任何32位windows平臺上運行。對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理以動畫顯示，報警處理，流程控制，報表輸出等多種方式，向用戶提供解決實際問題的方案。

3.2軟件買現(xiàn)

系統(tǒng)在STM32單片機的基礎(chǔ)上架設(shè)了uC/OS-II操作系統(tǒng)，它執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良、可擴展性強，為家庭能量管理系統(tǒng)提供了有力支持，提高了系統(tǒng)性、高效性、實時陛和抗干擾性。

用戶可以通過觸摸屏和手機兩種方式查看或者控制設(shè)備，觸摸屏顯示的內(nèi)容主要是設(shè)備總體的運行狀態(tài)、設(shè)備總體的功耗情況以及經(jīng)濟性最優(yōu)和舒適度最優(yōu)的兩種策略選擇，同時能夠顯示各個設(shè)備的當(dāng)前運行情況和功耗情況。

系統(tǒng)通過NRF24L01無線模塊連接到以太網(wǎng)，獲取實時電價，同時，可以由手機端App遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制用電器的工作狀態(tài)。本無線模塊將監(jiān)測到的用戶用電反饋給EMC能量管理系統(tǒng)，再從電網(wǎng)公司接收到實時電價信息，以方便控制核心精確計算出用戶的實時消費電費的情況，實現(xiàn)實時電費消費情況反饋。

3.3通訊實現(xiàn)

對同一個房間的設(shè)備，可以通過手機或者觸摸屏對設(shè)備進行控制，手機NwiFi將信息傳遞給設(shè)備終端：對不在同一房間的設(shè)備，設(shè)備終端需通過ZigBee經(jīng)中繼設(shè)備然后將信息傳送給設(shè)備，從而達到控制相關(guān)設(shè)備的目的。

4.應(yīng)用場景及效益分析

電網(wǎng)的改革以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，使得智能家居成為一個研究的熱點方向。本系統(tǒng)適用于我國絕大多數(shù)的城市家庭用戶和酒店用戶，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備（如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、網(wǎng)絡(luò)家電以及3表抄送等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段。同時，本系統(tǒng)的用電方案默認(rèn)就有考慮到節(jié)能減排方面，符合國家提出的綠色經(jīng)濟。隨著本系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域的擴大將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

5.結(jié)語

在電力市場改革背景下，實現(xiàn)家庭用戶與電網(wǎng)的雙向互動具有實際意義。本文以家庭各用電設(shè)備作為控制對象，設(shè)計了具有雙向互動功能的智慧能源網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)作為用戶與電力公司交互的“橋梁”，可以響應(yīng)電力公司下發(fā)的電價信號，為用戶制定符合自身需求的用電策略。