戶用智慧能源云平臺的一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林 海，藍(lán)建明，郭 幸

（1.廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510665；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

當(dāng)前全球氣候問題和能源危機(jī)加劇，社會(huì)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)任重而道遠(yuǎn)。隨著現(xiàn)代化、信息化、智能化時(shí)代的進(jìn)展，家庭能源系統(tǒng)融合了能源領(lǐng)域、家居領(lǐng)域、交通領(lǐng)域，推廣戶用智慧能源系統(tǒng)應(yīng)用具有重要的節(jié)能價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[1]構(gòu)建含并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭能源調(diào)度模型，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建家庭微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)，同時(shí)對電動(dòng)汽車、住宅、電池和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，提出動(dòng)態(tài)能源管理方案。文獻(xiàn)[3]提出了包括檢測、優(yōu)化調(diào)度、監(jiān)控等功能模塊的架構(gòu)，基于智能家居的用戶需求響應(yīng)制定能源消費(fèi)計(jì)劃。

以上研究側(cè)重于家庭能源管理的優(yōu)化技術(shù)，離實(shí)際應(yīng)用尚有距離。有學(xué)者討論了家庭能源管理系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)框架[4]，提出基于優(yōu)化的住宅能源管理、決策支持工具等能源管理方案。文獻(xiàn)[5]給出綠色智能家庭能源系統(tǒng)業(yè)務(wù)建模過程，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)和部署提供標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)，但是研究是基于能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。文獻(xiàn)[6]闡述了傳統(tǒng)家庭用電和智能家居用電結(jié)構(gòu)區(qū)別，總結(jié)了智能家居和可再生能源在家庭能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。

在技術(shù)應(yīng)用中，軟件開發(fā)是驗(yàn)證和推廣家庭能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的重要途徑。在發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，家庭能量管理系統(tǒng)得到充分研究，已進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用層面，開發(fā)出一些軟硬件產(chǎn)品。例如美國電力企業(yè)曾開發(fā)包括住宅能量管理系統(tǒng)（HEMS）、分布式新能源發(fā)電裝置、智能電表、節(jié)能照明器具和需求響應(yīng)家用電器等產(chǎn)品[7]。在我國，家庭能量管理系統(tǒng)的研究偏重于規(guī)劃、調(diào)度，實(shí)際應(yīng)用的軟硬件產(chǎn)品還較為稀少。文獻(xiàn)[8]以LiteOS為軟件平臺設(shè)計(jì)一套家庭智慧能源管理系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于Zig Bee 的嵌入式智能家居管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究實(shí)現(xiàn)對智能家居管理系統(tǒng)的控制，側(cè)重于系統(tǒng)的內(nèi)部通信，尚不能滿足用戶的使用需求。

因此，本研究通過開發(fā)戶用智慧能源云平臺，實(shí)現(xiàn)對戶用場景的光伏、儲能及用能等能源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、管控和智慧化安全運(yùn)行。

1 軟件功能和要求

戶用智慧能源系統(tǒng)是家庭能源管理與智能家居的結(jié)合。家庭能源管理通過對家庭用戶的能源使用情況進(jìn)行優(yōu)化配置，對于具有獨(dú)立產(chǎn)權(quán)屋頂?shù)膽粲媒ㄖ€可以裝設(shè)分布式可再生能源，增加家庭的綠色能源。隨著信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，智能家居以智能檢測為基礎(chǔ)，利用傳感模塊和通訊模塊傳輸家用電器工作狀態(tài)、家庭成員用能習(xí)慣、居住環(huán)境狀況，以數(shù)字化的形式記錄和分析家庭能量流動(dòng)，從而個(gè)性化定制用能方案，提升家用電器的用能效率，降低電能消耗。戶用智慧能源系統(tǒng)通過對用戶的家電設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測和控制，合理調(diào)度各時(shí)間段內(nèi)能源系統(tǒng)的發(fā)電、儲電、用電，從而減少家庭電器設(shè)備的用能、減少以火力發(fā)電為主的高碳電網(wǎng)電能以及減少向電網(wǎng)購電的費(fèi)用。此外，家庭用能還存在差異性和隨機(jī)性。家居設(shè)備種類繁多，用電負(fù)荷大小各不相同，用能行為還受家庭人口結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣、環(huán)保理念等因素影響，即使是同一個(gè)體的能行為都存在較大的隨機(jī)性。戶用智慧能源系統(tǒng)需要具有通用性和適用性，能適應(yīng)不同用戶的用能情況。

戶用智慧能源云平臺基于戶用智慧能源系統(tǒng)，是用戶與能源系統(tǒng)的交互平臺。戶用智慧能源云平臺從用戶的角度出發(fā)，假設(shè)用戶不僅對用能成本敏感，還追求用能舒適性，并且不需要具備發(fā)電、智能控制等方面的專業(yè)知識。因此，云平臺要基于模塊化的用能策略進(jìn)行能源設(shè)備管控，并對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，制定滿足用戶日常用能行為偏好的用能方案，并通過模型、圖表等視覺展示效果進(jìn)行生動(dòng)直觀的可視化展示?；趹粲弥腔勰茉聪到y(tǒng)的功能和用戶要求，云平臺系統(tǒng)的主要功能包括：①通訊設(shè)備的接入、狀態(tài)監(jiān)測；②儲能及系統(tǒng)整體運(yùn)行策略設(shè)置；③光儲系統(tǒng)的智慧運(yùn)行及遠(yuǎn)程啟?？刂?；④全局及主設(shè)備的預(yù)警和設(shè)備能耗分析。

戶用智慧能源云平臺的功能主要通過監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)、控制家居系統(tǒng)、預(yù)警設(shè)備異常、分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)和版面展示等方式實(shí)現(xiàn)。因此，對于平臺的后臺和前端具有不同的要求。

對于后臺，運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取包括家庭能源系統(tǒng)中的光儲系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)，隨著電動(dòng)汽車的滲透率不斷提高，還需要考慮家用電動(dòng)汽車。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，需要對光伏、儲能、電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，系統(tǒng)側(cè)應(yīng)有獨(dú)立算法對選擇最優(yōu)的運(yùn)行策略或者實(shí)現(xiàn)用戶在交互界面給予的執(zhí)行策略，設(shè)備側(cè)應(yīng)能通過帶通訊功能的遠(yuǎn)程智能控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行方式切換或開關(guān)控制。

對于前端，應(yīng)適應(yīng)用戶使用習(xí)慣，提供個(gè)性化體驗(yàn)。APP 主界面簡潔明了，重點(diǎn)選擇性展示關(guān)鍵信息，各版面功能定位清晰，方便用戶快速定位和查閱?？刂平缑媪畈季智逦?，系統(tǒng)控制方法及運(yùn)行策略配置于后臺，配置常用的運(yùn)行策略2~3 套供客戶快速選擇。支持自定義控制參數(shù)，運(yùn)行策略設(shè)置界面自定義的控制參數(shù)數(shù)量不宜過多，且支持保存用戶自定義運(yùn)行策略?？刂浦噶顚?shí)時(shí)下達(dá)，系統(tǒng)快速響應(yīng)。系統(tǒng)的控制響應(yīng)時(shí)間不宜超過30 s，本地組網(wǎng)設(shè)備的指令執(zhí)行時(shí)間不宜超過10 s。同時(shí)兼顧采集模塊的數(shù)據(jù)采集能力及通訊流量費(fèi)用等，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)采集間隔。

2 軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測

戶用智慧能源云平臺運(yùn)行中需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括光儲設(shè)備如光儲逆變器等關(guān)鍵信息，智能家居設(shè)備的有功功率、頻率、用能偏好等個(gè)性化信息，電動(dòng)汽車及充電樁的連接狀態(tài)、充電量、充電時(shí)段等信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)框架如圖1 所示。

2.2 運(yùn)行策略設(shè)置

戶用智慧能源云平臺運(yùn)行控制策略的理念基于經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和智慧化考慮。光儲系統(tǒng)通常采用最大自發(fā)自用模式、分時(shí)段控制模式、用戶指令控制模式。

最大自發(fā)自用模式指光伏電量優(yōu)先供應(yīng)家庭負(fù)載使用，剩余功率優(yōu)先給儲能系統(tǒng)充電，在此基礎(chǔ)上，如果光伏發(fā)電功率仍有剩余則余電上網(wǎng)。結(jié)合智能家居場景，家庭負(fù)載可根據(jù)使用需求進(jìn)行調(diào)控，通過設(shè)置優(yōu)先級使用電負(fù)荷跟隨光伏發(fā)電量變化。例如白天光伏發(fā)電量大的時(shí)段，光伏發(fā)電供應(yīng)熱水器、洗衣機(jī)、掃地機(jī)器人等可調(diào)整使用時(shí)段的設(shè)備用電。該模式主要經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)為光伏電力的自發(fā)自用率，比例越高，經(jīng)濟(jì)性越好。同時(shí)，考慮用戶用能體驗(yàn)，例如夏天下班放學(xué)時(shí)段，空調(diào)的啟動(dòng)優(yōu)先級高于掃地機(jī)器人等其他設(shè)備，以保證到家時(shí)環(huán)境溫度的舒適性。

分時(shí)段控制模式支持自定義多個(gè)充放電時(shí)段及充放電功率、電量等參數(shù)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆謺r(shí)電價(jià)政策、用戶是否申請分時(shí)電價(jià)計(jì)價(jià)方式確定。分時(shí)電價(jià)的制定一般是把全天劃分為峰、平、谷3 種時(shí)段, 家庭用能特點(diǎn)一般也呈現(xiàn)峰谷起伏趨勢，早上和晚上時(shí)段負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)高峰。分時(shí)段控制模式的優(yōu)點(diǎn)是可以轉(zhuǎn)移用電高峰期的家電負(fù)荷至平價(jià)期或谷價(jià)期，儲能設(shè)備可在電價(jià)峰段和平段放電，減少從電網(wǎng)購入的電量，從而減少電費(fèi)支出。對于擁有電動(dòng)汽車的家庭，還可以通過利用電價(jià)谷段充電和儲存電量充電。

用戶指令控制模式由用戶自行設(shè)定控制指令，根據(jù)智能家居設(shè)備的使用習(xí)慣設(shè)置用電平移時(shí)段和負(fù)荷，分配光伏電量和儲能電量。

2.3 設(shè)備智慧控制

戶用智慧能源系統(tǒng)的光儲系統(tǒng)的運(yùn)行主要通過設(shè)置運(yùn)行策略控制。智能家居系統(tǒng)設(shè)備在云平臺完成配置后實(shí)現(xiàn)智慧化自動(dòng)運(yùn)行，原則上無需使用者頻繁操作。

根據(jù)家用電器特性和用戶用能偏好，家庭用電負(fù)荷可分為可平移負(fù)荷、可調(diào)整負(fù)荷和基本負(fù)荷[10]?？善揭曝?fù)荷的用電時(shí)段可以前后平移，且不影響使用體驗(yàn)，例如洗碗機(jī)、掃地機(jī)器人、洗衣機(jī)等；可調(diào)整負(fù)荷的用電負(fù)荷可部分或全部增加或削減，實(shí)現(xiàn)用電量調(diào)整，如熱水器、空調(diào)等；基本負(fù)荷滿足用戶的剛性需求，因此通常不可調(diào)節(jié)，如燈具、路由器、電視機(jī)等。用電設(shè)備在接入系統(tǒng)時(shí)標(biāo)記是否屬于可控負(fù)荷，即是否可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行用電時(shí)段平移或者用電負(fù)荷增減。可控負(fù)荷的實(shí)現(xiàn)需要保證設(shè)備遠(yuǎn)程啟停，含負(fù)荷調(diào)整功能的設(shè)備如空調(diào)、熱水器等應(yīng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智慧控制，并通過傳感器反饋控制效果。已有智能模塊的家居設(shè)備通過接入原有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，無智能模塊的家居設(shè)備通過智能插座實(shí)現(xiàn)控制。

2.4 設(shè)備預(yù)警和能耗分析

戶用智慧能源云平臺通過對設(shè)備的監(jiān)測和控制，讀取設(shè)備異常并報(bào)告預(yù)警信息。支持系統(tǒng)安全預(yù)警分級制度，例如光儲系統(tǒng)中，光伏組串、儲能電池亞健康等指標(biāo)信息存儲在系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)中，運(yùn)行異常故障在界面氣泡界面顯示，運(yùn)行故障嚴(yán)重則由短信推送。

戶用智慧能源云平臺的能耗分析包括光儲系統(tǒng)和用電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，以及系統(tǒng)節(jié)能減排分析。設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)支持動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)的電力流向圖；支持不同時(shí)間維度總發(fā)電、總用電、儲能充電及儲能放電的功率曲線查詢或圖表展示，支持光伏發(fā)電量、上網(wǎng)電量、各設(shè)備用電量等統(tǒng)計(jì)信息顯示。系統(tǒng)節(jié)能減排分析統(tǒng)計(jì)包括自動(dòng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)綠色電量，以及對應(yīng)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)分析，如CO2減排量、SOX減排量等。通過對全局海量采集能源數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，包括系統(tǒng)用能全貌、能源分析、分區(qū)能耗分析、設(shè)備能效分析、同環(huán)比對比、對標(biāo)分析、能耗預(yù)警及異常反饋等。

3 軟件應(yīng)用示例

通過應(yīng)用戶用智慧能源云平臺的一體化設(shè)計(jì)，形成面向用戶需求的軟件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)上述功能。版面設(shè)計(jì)示例如下。

3.1 系統(tǒng)總覽版面

總覽系統(tǒng)能流情況和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。為保持界面簡潔，數(shù)據(jù)版面僅展示關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，如展示發(fā)電、充電、放電、用電的曲線。電量可按不同時(shí)間周期進(jìn)行查詢。

3.2 運(yùn)行設(shè)備版面

接入設(shè)備關(guān)鍵信息，展示當(dāng)日發(fā)電量、累計(jì)電量、儲能當(dāng)前電量、接入設(shè)備及在線設(shè)備在線數(shù)量、用電總功率等。用戶需要查詢進(jìn)一步數(shù)據(jù)可以跳轉(zhuǎn)頁面，進(jìn)入設(shè)備詳細(xì)信息版面。同時(shí)展示設(shè)備的節(jié)能減排貢獻(xiàn)。

3.3 設(shè)備控制版面

設(shè)備控制頁面顯示支持控制的各設(shè)備列表或種類圖標(biāo)，點(diǎn)擊可進(jìn)入設(shè)備控制。設(shè)備控制包括設(shè)備遠(yuǎn)程啟停、溫度控制和功率控制等。

3.4 策略配置版面

策略配置可選擇整體的既定運(yùn)行策略及自定義參數(shù)。最大自發(fā)自用模式和分時(shí)段控制模式由系統(tǒng)根據(jù)用戶數(shù)據(jù)預(yù)先配置，用戶指令控制模式由用戶自定義，并支持保存和修改功能。

3.5 安全預(yù)警

顯示系統(tǒng)運(yùn)行告警信息，區(qū)分緊急告警、重要告警、次要告警和提示告警。支持各設(shè)備的亞健康狀態(tài)提醒。

3.6 用戶管理

含用戶信息管理、帳號密碼管理、用能場景管理、電價(jià)信息配置、系統(tǒng)更新及登錄管理等。

戶用智慧能源云平臺的一體化示例如圖2 和圖3所示。

圖2 戶用智慧能源云平臺界面總覽和運(yùn)行策略

圖3 戶用智慧能源云平臺安全預(yù)警和用戶管理

4 結(jié)束語

本文提出了一種戶用智慧能源云平臺的一體化設(shè)計(jì)方案，界定軟件功能，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)框架，并通過開發(fā)軟件加以應(yīng)用。開發(fā)的軟件可以為用戶提供安全高效的能源管理，從而助力家庭能源系統(tǒng)的節(jié)能降碳。

本文的研究主要基于戶用光儲系統(tǒng)，電動(dòng)汽車只作為可調(diào)節(jié)的用電負(fù)荷。隨著V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)的發(fā)展和普及，電動(dòng)汽車的電能也能反饋給電網(wǎng)或家庭能源系統(tǒng)，或者作為儲能系統(tǒng)的補(bǔ)充，進(jìn)一步節(jié)約用電成本。未來可以研究考慮電動(dòng)汽車的智慧能源系統(tǒng)運(yùn)行策略。此外，云平臺數(shù)據(jù)采集了海量的實(shí)時(shí)用戶用電數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步深度挖掘，可以提取用戶的用電行為習(xí)慣，調(diào)度智能電器參與智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)，為社會(huì)整體的節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)。