智能插座家庭電力能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究

鄧斌 劉關(guān)林

（南寧學(xué)院信息工程學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530200）

本文將以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合國家電網(wǎng)公司在智能家庭電力能源管理相關(guān)研究，提出一種通過智能電表、移動(dòng)終端以及智能插座等諸多智能設(shè)備共同組成的家庭電力能源管理系統(tǒng)，以期能夠滿足電力能源營銷管理以及客戶服務(wù)的多方面要求。

1 家庭電力能源管理系統(tǒng)的開發(fā)目的

家庭電力能源管理系統(tǒng)將會(huì)以智能插座為控制節(jié)點(diǎn)、以家庭智能網(wǎng)關(guān)為核心，通過智能管理平臺(tái)將電力能源管理與家庭物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，通過電力能源的智能調(diào)控來有效解決城市居民用電智能化問題，從而達(dá)成電力能源安全、高效、可持續(xù)供應(yīng)等效果。

2 家庭電力能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)中家庭電力能源管理系統(tǒng)主要由插座聯(lián)網(wǎng)模塊、電源板塊、信號(hào)處理和采集模塊以及電能計(jì)量模塊四大模塊組成，各模塊總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

2.1 插座聯(lián)網(wǎng)

插座內(nèi)置一個(gè)內(nèi)嵌Wi-Fi 模塊的MCU 模塊，通過Wi-Fi 模塊建立橋梁聯(lián)網(wǎng)使插座的數(shù)據(jù)與開放平臺(tái)互聯(lián)互通。

手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)對(duì)插座的監(jiān)控與控制插座中的MCU 模塊串口通信協(xié)議按照數(shù)據(jù)點(diǎn)的定義格式上傳數(shù)據(jù)到智能硬件云服務(wù)開放平臺(tái)，手機(jī)通過APP 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。手機(jī)可以通過APP 向智能硬件云服務(wù)開放平臺(tái)發(fā)送對(duì)插座的控制指令，平臺(tái)將接收到的控制指令下發(fā)至對(duì)應(yīng)的插座，實(shí)現(xiàn)對(duì)插座的控制。

2.1.1 主控制芯片

本智能插座使用的主控制芯片為Freescale 公司KinetisK60 系列MCU，該系列提供高達(dá)180MHz 的性能和IEEE1588 以太網(wǎng)MAC，用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中的精確的、實(shí)時(shí)的時(shí)間控制，具有豐富的電路、通信、定時(shí)器和控制外圍電路。

2.1.2 通訊功能

（1）帶有IEEE1588 協(xié)議的以太網(wǎng)MAC 層（ENET）:硬件支持IEEE1588 的10/100MB/s 以太網(wǎng)MAC（MII 和RMII）a；

（2）允許許多設(shè)備之間的通信。在K60 以上兩個(gè)功能的支持下，可以完成通信模塊的所需要的GPRS 的信息交流和以太網(wǎng)信息上傳。

2.1.3 計(jì)量功能

（1）Flash 存儲(chǔ)控制器:通過多種外設(shè)主機(jī)和內(nèi)核，管理程序進(jìn)行RAMo；

（2）ADC 和PGA:內(nèi)部集成可編程放大增益濾波器的16 位高精度ADCo 結(jié)合計(jì)量模塊的ADE7878 芯片，便可以進(jìn)行電壓、電流、電量的數(shù)值的計(jì)量。

2.2 電源板塊

該模塊為智能插座提供電源，分為線路電源與電池。線路電源為主，電池為輔。當(dāng)線路由于過載或漏電而斷開時(shí)，則由電池供電。該模塊主要為主控制器、信號(hào)采集和處理模塊提供電源。

2.3 信號(hào)處理和采集模塊

信號(hào)的采集與處理起著遠(yuǎn)程控制的作用。用戶可以通過手機(jī)的GPRS 流量來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。GPRS 網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。GPRS 工作時(shí)，通過路由管理來進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS 的路由管理表現(xiàn)在以下三方面:

（1）移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；

（2）移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；

（3）移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。

由于現(xiàn)在智能手機(jī)的普及，選擇GPRS 作為信號(hào)傳輸工具也是十分方便的。

2.4 電能計(jì)量模塊

智能電表是高級(jí)量測體系重要的組成部分。使用戶獲取帶有時(shí)標(biāo)的多種計(jì)量值，如電量、電流、電壓、功率等;它不僅可以進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸，還具有雙向通訊功能。電能計(jì)量功能由ADE7858 來實(shí)現(xiàn)。ADE7858 是一款高精度、三相電能測量IC，采用串行接口，并提供三路靈活的脈沖輸出。該器件內(nèi)置二階E 一△型ADC、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路以及所有必需的信號(hào)處理電路，可執(zhí)行總（基波和諧波）有功、無功和視在功率測量以及有效值計(jì)算。一個(gè)固定功能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）負(fù)責(zé)執(zhí)行這種信號(hào)處理。利用串行接口SPI，可以與ADE7858 通信。電能測量時(shí)，先由電流互感器與電壓互感器分別測出通過用電器的電流與用電器所帶電壓，再由ADE7858 計(jì)算出有功功率、用電量等。

3 家庭電力能源管理系統(tǒng)的主要功能

3.1 家庭用電計(jì)量

在設(shè)計(jì)中，家庭電力能源管理系統(tǒng)的家庭用電計(jì)量主要分為家庭總用電計(jì)量和家庭單用電設(shè)備用電計(jì)量兩部分。其中家庭總用電計(jì)量需要通過智能電表來完成，其會(huì)對(duì)家庭用戶的實(shí)際用電數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量，然后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到家庭電力能源管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，以供電網(wǎng)公司和用戶實(shí)時(shí)查看分析[2]。

3.2 家庭負(fù)荷控制

家庭電力能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電設(shè)備分類管理，在用電高峰時(shí)段，電網(wǎng)供電出現(xiàn)一定缺口的時(shí)候，系統(tǒng)可以通過限制家庭用電總量或者限制家庭用電設(shè)備分類等方式來確保家庭必要設(shè)備的電力供應(yīng)效果，即在用電高峰時(shí)段，通過自動(dòng)切斷非必要用電設(shè)備電源的方式來限制家庭電力使用總量。

3.3 設(shè)備遠(yuǎn)程控制

基于家庭電力能源管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，居民可以通過移動(dòng)端來遠(yuǎn)程控制家中用電設(shè)備的啟停以及功率，并可以實(shí)時(shí)查看家中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，降低設(shè)備運(yùn)行能耗的同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備安全管理效果。

3.4 峰谷、階梯電管理

基于用戶端調(diào)峰填谷的新理念和技術(shù)手段，在區(qū)域用電高峰時(shí)段，通過智能插座來實(shí)現(xiàn)階段性地控制家庭中高能耗用電設(shè)備工作狀態(tài)，在用電低谷時(shí)段或者區(qū)域新能源供應(yīng)高峰時(shí)段，通過智能插座來啟用預(yù)設(shè)好的部分用電設(shè)備工作運(yùn)行，達(dá)成用戶端削峰填谷的效果，加強(qiáng)電網(wǎng)供需平衡。

3.5 家庭用電分析

家庭電力能源管理系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)收集用戶端的用電信息，并將該些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，然后利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)來對(duì)所有用戶信息進(jìn)行發(fā)掘分析，確定區(qū)域用電情況以及各家各戶中各類電器的實(shí)際能耗占比，使用時(shí)長以及使用頻率，為家庭電力能源系統(tǒng)的智能調(diào)控提供重要參考。

4 家庭電力能源管理系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

家庭電力能源管理系統(tǒng)主要是由智能電表、遠(yuǎn)程移動(dòng)終端、智能插座等諸多設(shè)備組成，其能夠支持分布式能源、電動(dòng)汽車等新能源系統(tǒng)以及用電設(shè)備的接入和計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)家庭用電設(shè)備的智能控制、家庭用電情況的情況以及電力能源的合理調(diào)控等效果。

4.1 智能電表

智能電表已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)電表，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶家庭用電情況的全方位數(shù)據(jù)收集，結(jié)合實(shí)際情況來看，如今電網(wǎng)中所采用的智能電表具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）智能電表可以實(shí)現(xiàn)用戶家庭電壓、電流、功率因數(shù)以及電能質(zhì)量等諸多電力參考的同時(shí)監(jiān)測，且相比較普通電表來說，智能電表可以檢測出諸如插座、接線板的用電參數(shù)，為家庭電力能源管理系統(tǒng)提供重要的數(shù)據(jù)支持；

（2）智能電表中內(nèi)置大功率繼電器，可以支持遠(yuǎn)程拉閘，可以滿足遠(yuǎn)程繳費(fèi)或者預(yù)付費(fèi)管理對(duì)智能電表開斷的實(shí)際要求；

（3）智能電表具有通信模塊，可以采用無線寬帶、電力線載波、無線公網(wǎng)以及短距離無線等方式實(shí)現(xiàn)主站與智能電表間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互效果。另外，還可以通過短距離無線技術(shù)、紅外通信技術(shù)等方式與智能終端連接，且支持其他通信技術(shù)的接入。

通過智能電表，家庭電力能源管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)收集家庭用戶的用電數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)智能電表的遠(yuǎn)程控制與本地控制等功能，滿足家庭電力能源管理系統(tǒng)智能化檢測及控制的實(shí)際要求。

4.2 智能終端

結(jié)合家庭電力能源管理系統(tǒng)的實(shí)際功能要求，智能重點(diǎn)需要具體以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）面向電網(wǎng)公司，智能終端需要能夠通過短距離無線通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與遠(yuǎn)程智能終端、智能電表以及其他智能顯示設(shè)備相互連接，達(dá)成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互。面向用戶，智能終端需要通過短距離無線通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方式，實(shí)現(xiàn)與智能插座、遠(yuǎn)程智能終端等設(shè)備達(dá)成數(shù)據(jù)交互。

（2）通過智能終端，用戶可以遠(yuǎn)程獲取家中各用電設(shè)備的用電信息與家庭總用電信息，該些信息包括用家庭總用電量、單用電設(shè)備的用電量、分布式系統(tǒng)的發(fā)電量以及其他新能源接入信息。

（3）智能終端結(jié)合智能電表以及智能顯示終端共同組成電網(wǎng)公司與用戶間的交互平臺(tái)，家庭用電設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程移動(dòng)終端（如手機(jī)、計(jì)算機(jī)以及其他智能顯示設(shè)備）達(dá)成數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而通過智能終端達(dá)成對(duì)家庭用電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)圖示，提高用戶的生活質(zhì)量。

（4）通過智能終端，用戶可以足不出戶實(shí)現(xiàn)電力能源交易與結(jié)算，有效節(jié)約用戶時(shí)間，提高電力能源供應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量。

智能終端作為電網(wǎng)公司與用戶之間的交互平臺(tái)，其可以實(shí)現(xiàn)電力能源信息的顯示、上報(bào)等諸多功能，且支持電網(wǎng)公司與用戶之間的雙向交流，加強(qiáng)分布式能源的監(jiān)控管理效果，構(gòu)建以智能終端和智能插座為核心的家庭電力物聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷及控制。

4.3 智能插座

在家庭電力能源管理系統(tǒng)中，智能插座將是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)家用電器控制與管理的核心設(shè)備。在設(shè)計(jì)中，智能插座主要包括有用電設(shè)備電壓、電力、功率等用電參數(shù)的計(jì)量；低功率調(diào)整保護(hù)、定時(shí)跳閘、遠(yuǎn)程控制跳閘；無線通信連接，可與互聯(lián)網(wǎng)相連接以及數(shù)據(jù)信息的上傳、下載；節(jié)能功能，檢測到用電設(shè)備待機(jī)后，智能插座可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，反之則自動(dòng)通電[3]；提供USB、無線通信等接口計(jì)量插座。在系統(tǒng)中，智能插座的設(shè)置可以根據(jù)不同區(qū)域的實(shí)際使用情況來采用不同類型和不同型號(hào)的智能插座，系統(tǒng)中大部分智能插座均是在傳統(tǒng)的插座功能基礎(chǔ)上，增加無線通信傳輸、智能控制以及用電信息收集等功能，輔助家庭電力能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用智能用電設(shè)備或者非智能用電設(shè)備的有效控制與管理。

4.4 分布式能源接入

如今電網(wǎng)中所接入的新能源系統(tǒng)越來越多，并在如今構(gòu)成綜合能源體系，而家庭電力能源系統(tǒng)中的分布式能源接入就是為該些新能源系統(tǒng)的接入和使用提供更為有效的支持，其中最為常見的新能源系統(tǒng)接入就是光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。通過分布式能源接入，將可以有效提高新能源發(fā)電的利用效率，減少輸配電過程中所產(chǎn)生的電力損耗，減少用戶使用能源的實(shí)際成本，降低電網(wǎng)供電負(fù)荷壓力，降低發(fā)電過程中所產(chǎn)生的二氧化碳以及其他環(huán)境污染物的排放量，起到節(jié)能減排的效果。在設(shè)計(jì)中，主要采用的新能源系統(tǒng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)，家庭電力能源管理系統(tǒng)會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，并根據(jù)用戶供電需求情況有效接入到電網(wǎng)中，平衡電網(wǎng)供電與用戶電力需求之間的供需關(guān)系，提高電力供應(yīng)效果。

4.5 軟件設(shè)計(jì)

（1）基于Web 前端技術(shù)、Android C++技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與電源插座之間的連接、控制、預(yù)配置（pre-configuration）授權(quán)功能，開發(fā)My Power 智能家庭電力能源管理APP。

（2）基于國標(biāo)電流、插頭形狀開發(fā)NFC 數(shù)據(jù)標(biāo)簽，開發(fā)一鍵式數(shù)據(jù)寫入軟件，實(shí)現(xiàn)家用電器向電源插座的安全用電（功率、電流、電壓等）請求智能化。

（3）基于單片機(jī)技術(shù)、嵌入式linux 技術(shù)、NFC 近距離無線通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信能力、計(jì)算功能及被動(dòng)模式下識(shí)別數(shù)據(jù)能力開發(fā)智能墻壁電源插座；實(shí)現(xiàn)電源插座對(duì)家用電器請求用電的許可授權(quán)、電流負(fù)載監(jiān)管，防止家用電器負(fù)載電氣火災(zāi)的發(fā)生。

（4）基于電源插座電力使用授權(quán)的常閉機(jī)制實(shí)現(xiàn)防止兒童觸電及灼傷事故的發(fā)生。

（5）基于My Power 智能電源管理pre-configuration 功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用大功率電器應(yīng)用場景模式、定時(shí)循環(huán)開關(guān)、遠(yuǎn)程控制等設(shè)置，大幅減少家電待機(jī)時(shí)的能源消耗。

5 總結(jié)

綜上所述，本文提出了一種以智能終端和智能插座為核心的家庭電力物聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷及控制，能夠支持分布式能源、電動(dòng)汽車等新型能源系統(tǒng)或者新能源設(shè)備的接入和計(jì)量，全方面提高家庭電力能源的消耗監(jiān)控及優(yōu)化管理、家用電器的智能控制以及電網(wǎng)公司與擁有雙向互動(dòng)溝通等功能，在實(shí)際研究分析后，確認(rèn)本文所提出的家庭電力能源管理系統(tǒng)能夠完美滿足上文中所提出的諸多目的及要求，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值，值得在當(dāng)今社會(huì)進(jìn)行普及運(yùn)用。