淺述基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家庭電站

周圣杰 潘繼元 黃萱

摘 要 近年來(lái)國(guó)家大力推廣光伏式家庭電站的建設(shè)，隨著人工智能的興起，家庭電站也需要向智能化方向發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家庭電站，該電站主要由分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)、智能家庭系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)ZigBee構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)，使用“谷電峰用，自我消納，余電上網(wǎng)”的用電策略，可以實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，提升用電的經(jīng)濟(jì)效益與用戶的用電體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 智能家庭;分布式光伏;無(wú)線網(wǎng)絡(luò);用電策略

引言

傳統(tǒng)的電能能源主要是通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生，但是這給人們的生活環(huán)境造成了許多不利影響。人們開(kāi)始意識(shí)到環(huán)境的重要性，發(fā)掘利用清潔的新型能源，如：風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等。如果將這些新型的清潔能源加以利用到家庭的使用環(huán)境中，不僅能滿足家庭用電的自我供給，提升家庭用電效率，還可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有利于環(huán)境保護(hù)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著安裝分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的家庭電站增多，智能化的不斷發(fā)展，通過(guò)將智能家庭系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)加入到普通的家庭電站中，有利于家庭電站的智能化管理與控制。

1智能家庭電站的構(gòu)成

智能家庭電站主要由三部分組成：分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和智能家庭系統(tǒng)。

1.1 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

分布式發(fā)電通常是指在用戶現(xiàn)場(chǎng)或者接近用戶現(xiàn)場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模較小的發(fā)電系統(tǒng)。利用分散式資源，如：風(fēng)能、太陽(yáng)能等。一般建造在用電側(cè)，所產(chǎn)生的電能資源主要用于自用[1]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由裝于房屋頂部的光伏板陣列吸收太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)化輸出直流電能，經(jīng)過(guò)匯流后集中于直流配電柜，在通過(guò)光伏逆變器轉(zhuǎn)化為家庭使用的交流電能以供給家庭負(fù)荷用電，過(guò)剩或短缺的電能則通過(guò)電網(wǎng)調(diào)節(jié)。要想將光伏電并入電網(wǎng)需要MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器，該控制器主要控制逆變器并網(wǎng)電流的波形、功率以及光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤，以便向電網(wǎng)傳送的功率與太陽(yáng)能光伏電池陣列所發(fā)的最大功率電能相匹配。

另外在裝設(shè)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)還配有環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雙向電表與補(bǔ)貼電表，監(jiān)視太陽(yáng)照射強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)家庭電站輸出、輸入電網(wǎng)的電量，計(jì)算光伏發(fā)電補(bǔ)貼。

1.2 能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是由蓄電池構(gòu)成，可以使用儲(chǔ)存效率高、容量能滿足日常負(fù)荷需要的電池，如：超級(jí)電容器、固體電池等。用于補(bǔ)足在光伏發(fā)電出力不足時(shí)的電力需求。

1.3 智能家庭系統(tǒng)

智能家庭系統(tǒng)是智能家庭電站的重要組成部分，由家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭服務(wù)器和智能用電設(shè)備構(gòu)成。其中家庭網(wǎng)絡(luò)是其重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。它將家庭內(nèi)部的各類可控負(fù)荷作為一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，相互連接組建網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，從而可以對(duì)各負(fù)荷進(jìn)行智能化控制，對(duì)能源進(jìn)行管理。家庭網(wǎng)絡(luò)可以采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙連接兩種通信方式。相較于傳統(tǒng)的有線連接方式，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者藍(lán)牙連接安裝簡(jiǎn)單方便，維護(hù)容易且提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

搭建網(wǎng)絡(luò)后，用電設(shè)備自身或者通過(guò)智能開(kāi)關(guān)將采集到自身的用電情況通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂贫?，用戶可以在家庭?nèi)安裝的交互屏查看，或者通過(guò)服務(wù)器連接到外網(wǎng)通過(guò)自身攜帶的移動(dòng)設(shè)備端進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

每個(gè)用電設(shè)備在家庭內(nèi)網(wǎng)中都有唯一的地址標(biāo)識(shí)，用戶通過(guò)移動(dòng)設(shè)備，可以在制作的APP中，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接家庭服務(wù)器從而訪問(wèn)家庭網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將移動(dòng)端的命令通過(guò)地址標(biāo)識(shí)傳輸?shù)街付ǖ挠秒娫O(shè)備，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制。同時(shí)通過(guò)安裝在家庭內(nèi)的交互屏可以直接通過(guò)家庭內(nèi)網(wǎng)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行控制。

2智能家庭電站的設(shè)計(jì)

智能家庭電站中以智能家庭系統(tǒng)為核心，根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的出力情況，對(duì)家庭負(fù)荷的使用與儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄電池儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到智能化的家庭電站效果。

ZigBee技術(shù)作為一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的突出特點(diǎn)有 低成本、低功耗、近距離、低復(fù)雜度以及高安全等[2]。并且支持ZigBee技術(shù)的處理芯片價(jià)格很便宜，可以極大地降低智能家庭電站的建造成本[3]。

要想對(duì)家庭內(nèi)給負(fù)荷進(jìn)行智能化調(diào)控，首先需要獲取各負(fù)荷的實(shí)時(shí)用電量，然后能通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。一般的智能家居基本具備此功能，普通的家居則通過(guò)加裝智能插座實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)家庭內(nèi)各負(fù)荷進(jìn)行編號(hào)命名，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通道，使其與位于家庭各位置的ZigBee終端相連接，完成組網(wǎng)。通過(guò)采集各負(fù)荷的用電量統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)的家庭用電情況，并計(jì)算光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電能，將電能分配給各用電器。在光伏產(chǎn)生的電能滿足基本用電需求仍有盈余時(shí)，可以自行啟動(dòng)用戶設(shè)定的不限定時(shí)間的用電操作，如：控制啟動(dòng)洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、消毒柜等。將家庭內(nèi)網(wǎng)通過(guò)服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連接，建立移動(dòng)通信設(shè)備端的交互界面，使用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解家庭的用電情況，并可以控制家庭內(nèi)各電器的運(yùn)作。設(shè)定多種使用情景實(shí)現(xiàn)進(jìn)門(mén)的自動(dòng)開(kāi)燈，回家前自動(dòng)燒水、開(kāi)空調(diào)等功能。

利用外部的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量實(shí)時(shí)的太陽(yáng)光照情況，并與今日的天氣相結(jié)合，預(yù)測(cè)今日光伏發(fā)電的發(fā)電量，合理分配此時(shí)的家庭內(nèi)的能源使用結(jié)構(gòu)，利用分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)配合雙向電表與補(bǔ)貼電表將多余光伏發(fā)電能輸入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自我消納，余電上網(wǎng)。

3智能家庭電站的用電策略

智能家庭電站的用電策略主要通過(guò)智能家庭電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行配合。我們可以將其稱為“谷電峰用，自我消納，余電上網(wǎng)”，即在用電高峰時(shí)期，將光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能全部使用，若光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能超過(guò)負(fù)荷所需電能，則將多余電能輸送到電網(wǎng)中;若光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能低于負(fù)荷所需電能，則盡量先使用儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能，除非儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的最低能量限度，不足的電能通過(guò)電網(wǎng)補(bǔ)充。在用電低谷時(shí)期，則通過(guò)電網(wǎng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，直到達(dá)到設(shè)定的最高能量限度。這種用電策略可以有效節(jié)省用戶的購(gòu)電費(fèi)用。

4結(jié)束語(yǔ)

裝設(shè)智能家庭電站的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）利用清潔能源污染程度低，環(huán)境效益高。利用光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生廢氣廢水，不會(huì)產(chǎn)生噪聲，能有效地優(yōu)化居住環(huán)境;

（2）實(shí)現(xiàn)發(fā)電用電并存。通過(guò)光伏發(fā)電并網(wǎng)可以將采集到的太陽(yáng)能用于日常用電，并將盈余的電能輸入電網(wǎng);

（3）能提高用戶的日常用電體驗(yàn)。通過(guò)智能家庭網(wǎng)絡(luò)，用戶可以實(shí)時(shí)的控制家庭內(nèi)各負(fù)荷的狀態(tài)，提升居住環(huán)境的智能化程度;

（4）可以有效降低用戶的用電費(fèi)用。通過(guò)“谷電峰用，自我消納，余電上網(wǎng)”這種策略，可以減少總購(gòu)電量，并通過(guò)補(bǔ)貼電表獲得光伏發(fā)電補(bǔ)貼，進(jìn)一步減少用電總費(fèi)用。

智能家庭電站目前存在的不足：

（1）前期搭建的成本高，且人們對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)不了解;并網(wǎng)結(jié)算周期過(guò)長(zhǎng)，往往短時(shí)間不能很快得到收益，大大降低了人們對(duì)此的興趣;

（2）分布式光伏家庭電站的建設(shè)缺少具體的的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，降低了分布式光伏家庭電站的利用率;

（3）分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)仍不成熟，存在轉(zhuǎn)換效率不高，故障不能及時(shí)排除等狀況;

（4）分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)容易產(chǎn)生孤島效應(yīng)，且向電網(wǎng)輸送電能會(huì)引起配電網(wǎng)潮流復(fù)雜化;

（5）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)給傳統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)維檢修帶來(lái)困難。

參考文獻(xiàn)

[1] 湯婷婷.基于電網(wǎng)阻抗檢測(cè)的孤島檢測(cè)研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 彭道剛，張浩，李輝，等.基于ZigBee技術(shù)的發(fā)電設(shè)備無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].華東電力，2009，37（2）：287-290.

[3] 高琳，王志新，鄒建龍，等.基于分布式光伏電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)的 家庭能效管理策略研究[J].電力需求側(cè)管理，2017，19（2）：20-24.