基于實時電價與負(fù)荷預(yù)測的互動用電系統(tǒng)

劉學(xué)軍

（國網(wǎng)山東省電力公司昌樂縣供電公司，山東昌樂 262400）

0 引言

隨著大規(guī)模智能電表的安裝和新能源發(fā)電的接入，我國智能電網(wǎng)進入了全面建設(shè)時期。電網(wǎng)末端用電系統(tǒng)的建設(shè)和改進是推進智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分之一。在電網(wǎng)末端用電系統(tǒng)中，鼓勵用戶主動參與到電網(wǎng)的運行當(dāng)中，根據(jù)實時的用電信息合理調(diào)整用電量和用電安排，對于提升用電系統(tǒng)智能化管理水平和提高能源利用效率具有積極的意義[1]。

在電網(wǎng)末端用電系統(tǒng)中，供電部門可根據(jù)電力的供需狀況及其相關(guān)影響因素制定實時價格，對短期負(fù)荷做出較為精確的預(yù)測，并最終將實時價格、負(fù)荷預(yù)測以及實時負(fù)荷水平向用戶發(fā)布。用戶接收到供電公司發(fā)布的用電信息后，可以此為依據(jù)來調(diào)整自己的用電行為，并將調(diào)整后的用電行為數(shù)據(jù)反饋至供電公司。通過這樣的互動用電方式，供電公司可以更加準(zhǔn)確地了解用戶的需求，從而對電網(wǎng)資源及時進行優(yōu)化配置，對實時電價和負(fù)荷預(yù)測進行再調(diào)整。這種雙向信息互動的用電模式可以達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)資源，提高能源利用效率的目的。雙向用電信息的互動交流需要一個系統(tǒng)平臺的支撐，本文提出了一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(general packet radio service)通信的居民互動用電系統(tǒng)。

1 互動用電系統(tǒng)綜述

基于智能電網(wǎng)與用戶友好互動的特點的互動用電系統(tǒng)是連接了供電方與廣大用戶的用電信息互動的系統(tǒng)平臺?；佑秒娤到y(tǒng)在為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時，可以通過信息的互動來激勵電力用戶主動參與電網(wǎng)管理，使電網(wǎng)更加安全、經(jīng)濟、高效地運行?；佑秒娤到y(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 互動用電系統(tǒng)的總體架構(gòu)

在整個互動用電系統(tǒng)中，連接供電方與用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是智能電表，它是雙方交換用電信息的中樞。在智能電表上集成通信模塊，即可實現(xiàn)中樞通信功能。選擇不同的智能電表通信模塊，則系統(tǒng)通信信道的實現(xiàn)方式會產(chǎn)生較大的差異。在現(xiàn)階段，智能電表與電網(wǎng)側(cè)的通信實現(xiàn)可采用光纖通信、電力線載波、無線電波和公用信道等技術(shù)。對于新建的配網(wǎng)線路，則可以考慮鋪設(shè)光纖復(fù)合電力線，使通信信道集成于電力線路之中。而對于現(xiàn)有的線路，在考慮了數(shù)據(jù)流量、信道覆蓋率、線路鋪設(shè)和改造難易度等因素后，本文建議使用現(xiàn)階段較為成熟的GPRS通信技術(shù)作為電網(wǎng)與智能電表之間的遠(yuǎn)程信道，即在智能電表上集成GPRS模塊。使用現(xiàn)有的覆蓋面極廣的GPRS公用信道，可以節(jié)省重新鋪設(shè)通信線路的投入，安全性與可靠性也可以得到保障。安裝GPRS模塊后，結(jié)合配套的軟件設(shè)計和外圍電路，智能電表通過GPRS通信技術(shù)與配網(wǎng)側(cè)的互動用電信息主站相互傳輸數(shù)據(jù)[2]。用戶側(cè)方面，通過給智能電表添加外圍數(shù)據(jù)通信芯片電路，如串口通信芯片，便可實現(xiàn)通信功能，使之與用戶的智能家居控制系統(tǒng)互相通信。

電網(wǎng)側(cè)安裝有互動用電信息主站系統(tǒng)[3]，其作用包括以下幾點。

a） 采集用戶的用電數(shù)據(jù)，并且進行分類存儲，為電價制定和負(fù)荷預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

b）向用戶發(fā)布實時電價、預(yù)測負(fù)荷及當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷狀況，為用戶調(diào)整其用電行為提供信息基礎(chǔ)。

c）利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析用戶反饋的用電信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果修正電價及負(fù)荷預(yù)測，進行電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置。

智能電表的用戶側(cè)連接的是用戶智能家居控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有互動控制面板，用戶可以通過控制面板獲知當(dāng)前電網(wǎng)執(zhí)行的電價、當(dāng)前電網(wǎng)與家用電器負(fù)荷狀況、電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測和電價策略、用戶電能消費量及預(yù)付電費余額等用電信息?？刂泼姘鍟鶕?jù)當(dāng)前執(zhí)行的電價表和用戶的電器類型及功率，經(jīng)過預(yù)設(shè)的智能化程序判斷，為用戶推薦一種或幾種優(yōu)化的用電方案，供用戶選擇。推薦的用電方案中包括電器使用時間、定時啟停和預(yù)計電能消費金額等。用戶可以使用推薦方案，也可以忽略推薦方案，按照自身決定用電。用戶對電器的定時操作也會反饋至互動用電信息主站系統(tǒng)，可作為供電公司優(yōu)化電網(wǎng)資源的依據(jù)。

2 互動用電信息主站系統(tǒng)

互動用電信息主站系統(tǒng)是供電公司設(shè)立在電網(wǎng)側(cè)的用電數(shù)據(jù)分析處理中心與用電信息發(fā)布平臺。它包括負(fù)荷預(yù)測子系統(tǒng)、電價策略子系統(tǒng)、用電信息采集數(shù)據(jù)庫、信息發(fā)布站以及GPRS通信機等，具體架構(gòu)如圖2所示。主站系統(tǒng)還與電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)相連接，將電網(wǎng)運行狀態(tài)及記錄與用電信息結(jié)合起來加以分析，有利于做出更準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測和更合理的實時電價。

圖2 信息主站系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 遠(yuǎn)程通信信道

從技術(shù)角度看，GPRS是在現(xiàn)有的全球移動通信網(wǎng)絡(luò)上開通的一種分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它的特點是通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、覆蓋面積廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快（實際可以達(dá)到40～100 Kb帶寬）。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)不是嚴(yán)格的實時數(shù)據(jù)流，并不需要進行連續(xù)的海量數(shù)據(jù)傳輸，所以GPRS技術(shù)可以滿足互動用電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求[4]。從經(jīng)濟性角度來看，目前GPRS技術(shù)已經(jīng)廣泛地投入商用，資費比較低廉。使用移動通信公司的GPRS技術(shù)還可避免配網(wǎng)側(cè)單獨建立通信網(wǎng)帶來的高成本以及維護問題。在實際設(shè)計系統(tǒng)時加入安全保密措施，從而使得系統(tǒng)的安全性得到保證。

在主站系統(tǒng)的最前端設(shè)置GPRS通信機，它與信息采集數(shù)據(jù)庫和信息發(fā)布平臺服務(wù)器相連接，充當(dāng)用電互動信息的傳遞者，通過通信公司開設(shè)的電力專用信道發(fā)送與接受數(shù)據(jù)。

2.2 信息采集與信息發(fā)布

由于通信機不具有大量存儲數(shù)據(jù)的能力，面對海量的用戶用電信息，需要有專門的數(shù)據(jù)庫來存儲這些信息。需要發(fā)布的信息需要通過通信機傳遞到用戶側(cè)，所以信息采集數(shù)據(jù)庫與信息發(fā)布站均與通信機相連接。

2.3 負(fù)荷預(yù)測與電價策略

信息采集數(shù)據(jù)庫與信息發(fā)布站并不具備產(chǎn)生信息預(yù)測數(shù)據(jù)，并不是嚴(yán)格意義上的實時數(shù)據(jù)。考慮到用戶對于過快的價格變化的響應(yīng)疲憊問題，決定采用1個電價執(zhí)行周期（24 h） 發(fā)布1次電價的策略，每次將電價表按小時劃分為24個時段，每個時段的電價根據(jù)系統(tǒng)分析計算結(jié)果的不同會體現(xiàn)出價格差異，但差異不會很大。為了保證用戶獲知電價的連貫性，下一周期的電價表應(yīng)該在下一周期電價執(zhí)行之前一段時間（如2 h）進行預(yù)發(fā)布，以便用戶進行用電響應(yīng)。短期負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果也采取同樣的方式發(fā)布至用戶側(cè)，目的在于激勵用戶根據(jù)預(yù)計負(fù)荷狀況采取相應(yīng)的節(jié)能用電措施。在這種電價發(fā)布方式下，用戶可以提前得知下一周期執(zhí)行的電價，從而有足夠的時間進行響應(yīng)。此外，采用這種方式大大降低了對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 智能家居控制系統(tǒng)

與智能電表相連的居民智能家居控制系統(tǒng)是互動用電系統(tǒng)的重要組成部分，它可以將用戶與電網(wǎng)運行緊密地聯(lián)系起來，從而使用戶能夠主動地參與到電網(wǎng)的運行管理上來，提高能源使用效率。

對于用戶側(cè)而言，智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括以下幾點。

a） 顯示當(dāng)前電價周期（24 h） 執(zhí)行的電價表、當(dāng)前時段正在執(zhí)行的電價、當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷水平、下一電價周期的預(yù)計發(fā)布電價及負(fù)荷預(yù)測。考慮到用戶對于電力術(shù)語可能不了解，負(fù)荷水平僅以定性的方式顯示高低，如使用“低”、“正常”、“高”、“滿”等易于理解的指示詞或者顏色漸變的指示燈。用戶可以根據(jù)面板顯示的用電信息調(diào)整自身的用電計劃，主動地避免用電高峰和填補用電低谷。

b）用戶可以方便地使用智能家居系統(tǒng)控制用電設(shè)備，隨時了解各種用電設(shè)備的電能消耗量。用電設(shè)備的實際平均功率也會在面板界面中顯示。系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行的電價表、用電設(shè)備的類型和功率等因素為用戶推薦優(yōu)化的用電方案。

c）用戶還可以通過控制系統(tǒng)查詢自己某一階段（比如1個月） 的電能使用情況，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)控制電能使用情況。系統(tǒng)還為用戶提供預(yù)付電費余額查詢、低余額提醒等功能。

3.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能家居控制系統(tǒng)的核心部件是互動控制面板，它是連接智能電表與用電設(shè)備的中樞。智能電表通過串口通信的方式與控制面板連接。在用戶住宅內(nèi)部，為了避免大量布線造成的不便，控制面板與各用電設(shè)備的連接采用短距離的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，由控制面板作為網(wǎng)關(guān)主節(jié)點，加裝了智能開關(guān)的各用電設(shè)備作為終端節(jié)點[5]。ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、可靠等優(yōu)點，工作在2.4 GHz免執(zhí)照工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療ISM（industrial scientific and medical）頻段，適合智能家居控制系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能家居控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 互動控制面板

互動控制面板是互動用電系統(tǒng)的核心部件，對內(nèi)作為用電設(shè)備控制中心，對外通過智能電表與電網(wǎng)側(cè)交換用電信息，是系統(tǒng)對用戶展示功能的窗口。

3.2.1 互動控制面板的硬件設(shè)計

互動控制面板采用模塊化設(shè)計，組成部分包括液晶顯示模塊、通信模塊、電源模塊、鍵盤輸入模塊、微控制器、外存儲器等，其中通信模塊包括與智能電表通信的串口模塊以及組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要的無線通訊模塊[6]。

由于互動控制面板既要完成與智能電表和智能開關(guān)的通信，還要處理用戶的互動請求，任務(wù)比較繁重，所以選擇采用ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位高性能微處理器PHILIPS LPC2138作為主控制器。無線通訊模塊則采用TI公司的CC2420芯片，該模塊通串行外設(shè)接口SPI（serial peripheral interface）與LPC2138芯片連接，主要負(fù)責(zé)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的組建與維護，控制數(shù)據(jù)信息的收發(fā)以及消息的路由。由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以需要RS485電平轉(zhuǎn)換才可實現(xiàn)控制面板與智能電表的串行通信。LPC2138自帶32 kB的片內(nèi)RAM和512 kB的片內(nèi)Flash存儲，但是由于控制面板需要進行實時數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，所以還需要額外的外部RAM和Flash存儲器。此外，與LPC2138相連接的元件還包括電源、外部系統(tǒng)時鐘源和復(fù)位器件以及負(fù)責(zé)輸入輸出的鍵盤、液晶顯示屏、發(fā)光二極管指示燈等。具體連接如圖4所示。

圖4 互動控制面板的硬件結(jié)構(gòu)

3.2.2 互動控制面板的軟件設(shè)計

控制面板的軟件針對前面所述的系統(tǒng)功能設(shè)計，如電價和負(fù)荷的顯示、用電方案推薦以及各用電設(shè)備的操作界面等。軟件系統(tǒng)采用友好的圖形化用戶界面軟件設(shè)計，使用戶操作方便，閱讀直觀。

實際應(yīng)用時，經(jīng)過開機初始化后，控制面板首先從智能電表更新下載電價表及負(fù)荷數(shù)據(jù)，然后將各無線節(jié)點組網(wǎng)，之后便可以進入等待用戶操作的待機狀態(tài)。

3.3 智能開關(guān)

目前絕大部分家用電器還是非智能型的，需要在其電源處加裝智能開關(guān)插件才能實現(xiàn)對其開關(guān)控制、狀態(tài)監(jiān)控以及電能消耗的測量。所以，智能開關(guān)應(yīng)當(dāng)包括無線通信模塊、電能計量模塊、開關(guān)模塊、故障處理模塊和電源模塊等。

由于終端節(jié)點屬于精簡功能設(shè)備，比主節(jié)點的任務(wù)少得多，重點要求低功耗，所以選擇TI公司生產(chǎn)的MSP430F149作為控制器，這是一種超低功耗的控制器，可以有很長的工作時間。MSP430F149自帶的時鐘模塊、看門狗定時器、Flash存儲器和RAM存儲器已經(jīng)可以滿足智能開關(guān)的設(shè)計需求，無需添加外部的此類元件。無線通信模塊CC2420與控制器MSP430F149相連后，作為終端分節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)參與組網(wǎng)。電能計量模塊通過串口與MSP430F149相連，所得數(shù)據(jù)存儲至Flash存儲器，經(jīng)過內(nèi)置程序分析可得用電設(shè)備的實際平均功率等參數(shù)，并將所得參數(shù)反饋至控制面板以供用戶查詢以及智能用電推薦方案分析使用。開關(guān)與故障處理通過繼電器的通斷發(fā)揮作用，當(dāng)收到開關(guān)指令或者發(fā)生短路故障時，由繼電器執(zhí)行相應(yīng)的動作完成電路通斷。智能開關(guān)的模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能開關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

無線傳感器接收到來自控制面板的指令后，即對用電器電源進行開關(guān)或定時操作。智能開關(guān)上集成了電能計量模塊，用戶可以隨時通過互動控制面板向用電器發(fā)送查詢指令來獲知用電器的電能消耗情況。如果用電器電源處發(fā)生故障，如最常見的短路故障，則報警模塊會產(chǎn)生作用，自動跳閘并向控制面板反饋報警信息，使用戶及時得知故障位置并處理故障。

4 結(jié)束語

用戶是電能的消費者，用戶的用電行為及習(xí)慣的理性改變對于提高能源利用效率有極為重要的作用。智能互動用電系統(tǒng)將用戶與供電方緊密連接起來，使二者互相交流用電信息，激發(fā)用戶參與電力市場的主動性，最終能使用戶形成良好的用電習(xí)慣，提高能源利用效率，降低碳排放，保護環(huán)境。互動用電系統(tǒng)的應(yīng)用不僅為用戶提供更為方便與經(jīng)濟的用電方式，還能為電力公司帶來更平穩(wěn)的負(fù)荷，使得電網(wǎng)運行更為安全與經(jīng)濟。

[1] 辛耀中,石俊杰,周京陽,等.智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與技術(shù)展望 [J].電力系統(tǒng)自動化,2015(1):2-8.

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