趙雪霖，何光宇，楊文軒，余捻宏，莫光玲

(1．清華大學電機工程及應用電子技術系電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京100084; 2．上海千貫節(jié)能科技有限公司，上海201706;3．廣州電力設計院，廣東廣州510610)

智能用電網(wǎng)絡的設計與初步實現(xiàn)

趙雪霖1，何光宇1，楊文軒1，余捻宏2，莫光玲3

(1．清華大學電機工程及應用電子技術系電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京100084; 2．上海千貫節(jié)能科技有限公司，上海201706;3．廣州電力設計院，廣東廣州510610)

發(fā)展智能用電是建設智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)之一。本文綜合以往智能用電、智能家居與自動需求響應的認識，提出了“智能用電網(wǎng)絡”，給出其定義。智能用電網(wǎng)絡是將用戶側的各種電器通過能量信息網(wǎng)關互連而形成的網(wǎng)絡。它旨在建立基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)技術的聯(lián)系海量電力用戶的大型用電網(wǎng)，不僅可以幫助用戶節(jié)能，給電力用戶提供智能友好的個性化、差異化服務，還可以引導電力用戶靈活互動地參與協(xié)同需求響應，幫助電網(wǎng)實現(xiàn)優(yōu)化運行。智能用電網(wǎng)絡的硬件部分由智能插座、智能紅外控制器、能量信息網(wǎng)關、云端服務器、移動終端等部分組成;軟件部分基于Android平臺進行開發(fā)。目前，該網(wǎng)絡已在清華大學紫荊公寓投入試運行，運行結果表明本文方法的可行性與有效性。

需求響應;智能用電網(wǎng)絡;智能插座;節(jié)能

1 引言

近年來，我國不斷創(chuàng)下新的用電高峰，峰谷差日益變大，給電力系統(tǒng)運行帶來了一定的困難。同時，嚴峻的能源與環(huán)保問題使得電力系統(tǒng)的節(jié)能減排刻不容緩。基于電力需求響應［1-5］積極發(fā)展智能用電，是解決這些問題的新思路。

國內外在這方面進行了很多研究。在國外，由歐洲十國組成的EcoGrid EU聯(lián)盟實施了“EcoGrid EU項目”。該項目創(chuàng)設“實時電力市場”，可以通過住宅內的能量信息網(wǎng)關及控制器，實時收集以分為單位變化的市場價格信息并做出判斷，控制器將根據(jù)價格自動控制家電(熱泵和電熱設備)的運轉狀態(tài)［6］。美國俄亥俄州的Oberlin College的自動化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)［7］，Google公司推出的Google PowerMeter服務等，則是通過智能用電系統(tǒng)引進反饋、教育和激勵機制，實現(xiàn)節(jié)電節(jié)能。

在國內，清華大學電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室提出了用戶側能量管理系統(tǒng)(U-EMS)的概念［8］，進而設計和實現(xiàn)了用戶側能量管理原型系統(tǒng)，實現(xiàn)電器設備的功率采集、總用電量計算及電器設備的通斷等基礎功能，開展電力需求響應［9］。華北電網(wǎng)有限公司開發(fā)了基于高級測量體系(AMI)的面向電力用戶的家庭綜合能源管理系統(tǒng)［10］，該系統(tǒng)可實現(xiàn)家庭能耗監(jiān)測和能源優(yōu)化管理，構建了電網(wǎng)與用戶實時互動的新型供用電關系。

然而文獻［11］指出，雖然中國在智能用電互動方面進行了積極有益的探索，但仍有三點不足之處:①智能交互終端缺乏基于電價和激勵措施的技術手段;②在需求響應決策、仿真技術和用能評測管理技術等方面的系統(tǒng)性研究較少;③滿足電力用戶個性化、差異化服務需求的互動技術手段有待豐富。

因此，本文在智能用電的研究基礎上提出了“智能用電網(wǎng)絡”。“智能用電網(wǎng)絡”是將用戶側的各種電器通過能量信息網(wǎng)關互連而形成的網(wǎng)絡。它旨在將千家萬戶的電器連接起來，并在此基礎上給電力用戶提供個性化、差異化、智能友好的服務，同時方便電力用戶參與電力需求響應，幫助電網(wǎng)實現(xiàn)優(yōu)化運行等。“智能用電網(wǎng)絡”在推廣用電交互終端智能化，引導用戶參與電網(wǎng)優(yōu)化運行，實現(xiàn)電力用戶與電網(wǎng)的靈活互動等方面，做出了初步的嘗試。

2 智能用電網(wǎng)絡的定義

國內目前對智能用電的內涵形成了初步統(tǒng)一的認識。智能用電綜合利用高級量測、實時通信、負荷協(xié)調控制和需求側響應等技術，構建電網(wǎng)與用戶電力流、信息流、業(yè)務流實時互動的新型供用電關系［12］。“智能用電網(wǎng)絡”則是綜合了智能用電、智能家居、自動需求響應(ADR)［13］等認識提出的新型用電網(wǎng)絡?，F(xiàn)給出其定義如下:

智能用電網(wǎng)絡，是將用戶側的各種電器通過能量信息網(wǎng)關互連而形成的網(wǎng)絡?；谠摼W(wǎng)絡，一方面可實現(xiàn)對電器設備的監(jiān)測與控制，并在此基礎上感知電器的狀態(tài)，實現(xiàn)用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行;另一方面，可實現(xiàn)協(xié)同的自動需求響應，進而參與電網(wǎng)的優(yōu)化運行。智能用電網(wǎng)絡中的能量信息網(wǎng)關，既是智能電網(wǎng)與用電網(wǎng)絡所轄電器的能量消費接口，也是外部互聯(lián)網(wǎng)與所轄電器間的信息接口。智能用電網(wǎng)絡綜合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)技術，是智能用電未來發(fā)展的方向。

3 智能用電網(wǎng)絡的功能設計

智能用電網(wǎng)絡所必需的功能可劃分為基礎功能、高級功能與互動功能三部分。其中，基礎功能主要負責“實現(xiàn)對電器設備的監(jiān)測與控制”，可以稱之為“用電SCADA”;高級功能，主要是在識別電器運行狀態(tài)基礎上，實現(xiàn)當前用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行，可以稱之為“用電EMS”;互動功能，主要負責實現(xiàn)當前用電網(wǎng)絡與外部電網(wǎng)互動。

3.1 基礎功能(“用電SCADA”)

智能用電網(wǎng)絡的基礎功能，是實現(xiàn)對電器設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)等，主要包括遙信、遙測、遙控、遙調、歷史數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計等六個功能。其中，遙信、遙測、遙控與遙調完成智能用電網(wǎng)絡對用電終端的監(jiān)測與控制功能。歷史數(shù)據(jù)存儲功能中，儲存了實時采集的電器設備的開關狀態(tài)、有功功率、無功功率、電壓、電流信息等，并對其進行壓縮處理。統(tǒng)計功能可針對某一用戶或某一區(qū)域用戶，對其使用的電器的工作時間、工作狀態(tài)等參數(shù)進行長期統(tǒng)計分析，得到用戶的日常電器使用習慣、電器使用能效狀況等，并進一步給出節(jié)能建議及負荷響應策略。

3.2 高級功能(“用電EMS”)

智能用電網(wǎng)絡的高級功能，是指在用電SCADA基礎上，通過電器運行狀態(tài)的自識別、自切換，實現(xiàn)智能用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行。其中，安全運行是指在運行中確保用電者的人身財產(chǎn)安全和確保電器自身的安全;健康運行是指用電網(wǎng)絡的運行應盡量有利于使用者的身體健康，如通過恰當安排電器的運行方式，盡量避免“空調病”、飲水機反復燒開等;舒適運行是指用電網(wǎng)絡的運行要盡量簡潔、自然，確保使用者省心、省力，并在此基礎上提高使用者的舒適度，為使用者創(chuàng)造舒適的工作生活環(huán)境;節(jié)能運行，則是指在安全、健康、舒適的前提下，盡量減少能源消耗，降低溫室氣體的排放。

運行狀態(tài)的自識別、自切換的實現(xiàn)方法分為三個階段。第一階段是建立電器設備運行狀態(tài)精細劃分的標準。一般而言，每一個電器工作狀態(tài)均可劃分為正常態(tài)與故障態(tài);而正常態(tài)又可劃分為:微功耗休眠、待機、無效運行、有效運行與異常運行等諸多狀態(tài)。進一步，還可針對電器設備類型，對其工作狀態(tài)進行劃分，如空調的工作狀態(tài)可以劃分為開機、關機、制冷、制熱、保溫、通風、除濕等多個狀態(tài)。

第二階段是實現(xiàn)電器設備“運行狀態(tài)自識別”。運行狀態(tài)自識別，是基于智能插座、智能紅外的信息與分布于環(huán)境中的傳感器采集的數(shù)據(jù)，針對特定電器的用電特性，根據(jù)電器設備的實時功率與功率曲線，利用數(shù)據(jù)挖掘、模式識別等技術，引入情景感知等概念，對照已經(jīng)建立的電器設備運行狀態(tài)劃分標準，判斷該電器設備當前的運行狀態(tài)。

第三階段是在“運行狀態(tài)自識別”基礎上實現(xiàn)電器設備“運行狀態(tài)自切換”。根據(jù)已經(jīng)識別的電器設備運行狀態(tài)，綜合考慮用戶舒適度、能效最大化等因素，制定相應的切換規(guī)則，以實現(xiàn)智能用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行。

3.3 互動功能

智能用電網(wǎng)絡的作用，對內是實現(xiàn)用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行，對外則是實現(xiàn)協(xié)同的自動需求響應，并進而參與電網(wǎng)的優(yōu)化運行。智能用電網(wǎng)絡可以為電力用戶提供對應的接口，供用戶選擇是否接入電網(wǎng)，參與電力需求響應，幫助電網(wǎng)優(yōu)化運行，從而可以參與負荷預測、保證電網(wǎng)低損耗運行等。

電力需求響應主要包括基于電價的需求響應和基于激勵的需求響應。智能用電網(wǎng)絡可針對這兩種需求響應，設計不同的方案，使電器自動參與需求響應。如對于充電類電器(電動汽車等)，可根據(jù)分時電價曲線，將充電時間避開電價高的時間區(qū)間。對于空調、冰箱等具有熱慣性的電器，可根據(jù)分時電價曲線來調整功率，比如在電價低的時候采取預冷措施，在電價高的時候短暫斷電或者將功率調低。對可中斷類的響應，可以先與用戶簽訂合同，當需要削峰的時候，自動將用戶家中可以斷開的電器(如空調、熱水器等)暫時斷開，用戶同時獲得一定的補償。

智能用電網(wǎng)絡使電器自動參與需求響應，不僅避免了用戶自己進行上述繁瑣的設置，還可以幫助用戶獲取最優(yōu)的執(zhí)行方案，從而使用戶在省心、省力的基礎上實現(xiàn)利益最大化，同時也幫助電網(wǎng)實現(xiàn)削峰填谷、優(yōu)化運行與節(jié)能減排。

4 智能用電網(wǎng)絡的初步實現(xiàn)

4.1 硬件實現(xiàn)

智能用電網(wǎng)絡主要由五個部分組成，即智能插座、智能紅外控制器、能量信息網(wǎng)關、云端服務器和客戶端(移動終端)。整個系統(tǒng)的架構如圖1所示。

圖1 智能用電網(wǎng)絡架構圖Fig．1Structure of smart electric appliance network

其中，智能插座和智能紅外控制器中都內置了ZigBee［14］芯片。智能插座可實現(xiàn)電器的開關控制及功率、電壓與電流等信息的測量;智能紅外控制器可實現(xiàn)電器的紅外控制。能量信息網(wǎng)關由Android平板和ZigBee協(xié)調器組成;平板通過串口與協(xié)調器通信，通過Wi-Fi與云端服務器通信。云端服務器為移動終端和能量信息網(wǎng)關的連接中樞，可對電器設備信息進行統(tǒng)計和分析，對區(qū)域電網(wǎng)進行計算與優(yōu)化等。移動終端可以為用戶的智能手機或平板等隨身設備，用戶通過智能用電網(wǎng)絡的移動客戶端進行遠程操作。

智能用電網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)可以劃分成兩個層次。第一個層次是以每個住宅或樓宇中的每個樓層為單位構成的本地子系統(tǒng)。本地子系統(tǒng)的中樞為本地能量信息網(wǎng)關，網(wǎng)關通過智能插座和智能紅外來實現(xiàn)對電器的控制和監(jiān)測。第二個層次是由每個子系統(tǒng)構成的大系統(tǒng)。本地能量信息網(wǎng)關通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接到云端服務器，移動終端通過訪問云端服務器及本地子系統(tǒng)實現(xiàn)智能用電網(wǎng)絡的基礎功能、高級功能與互動功能。

4.2 軟件實現(xiàn)

智能用電網(wǎng)絡主要的軟件部分包括本地平板及手機客戶端，均使用Android平臺開發(fā)。軟件架構如圖2所示。

圖2 軟件分層結構圖Fig．2Hierarchical structure of APP

軟件架構分為四層，分別為界面、算法、接口及數(shù)據(jù)。界面層主要包括智能生活、綠色生活、系統(tǒng)設置三部分，其中智能生活主要提供電器的監(jiān)測與控制功能，綠色生活實現(xiàn)電器的安全、健康、節(jié)能運行等。算法層包括節(jié)能建模及優(yōu)化算法，需求響應、用電安全及控制指令邏輯等部分的實現(xiàn)方法。接口層處理平板的串口通信及互聯(lián)網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)層存儲了電器設備的數(shù)量、類型等固有信息及其運行的歷史數(shù)據(jù)，算法處理得到的節(jié)能數(shù)據(jù)、操作指令等數(shù)據(jù)，以及電價信息、實時天氣、電力需求響應調度信息等數(shù)據(jù)。

5 智能用電網(wǎng)絡的運行

目前，一個小型的智能用電網(wǎng)絡已經(jīng)在清華大學紫荊公寓宿舍區(qū)搭建成功并試運行。清華大學紫荊公寓每個宿舍有一臺空調，一臺飲水機，四個充電臺燈和四臺筆記本電腦。以班級為單位組成一個子系統(tǒng);每層樓有三到四個子系統(tǒng)。圖3展示了最簡單的智能用電網(wǎng)絡，包括了智能用電網(wǎng)絡中的能量信息網(wǎng)關、智能插座、電器(臺燈)三個部分。系統(tǒng)可將測得的不同電器設備的功率數(shù)值導出并得到相應功率曲線。

圖3 智能用電網(wǎng)絡的基本模型Fig．3Basic model of smart electric appliance network

(1)筆記本電腦功率曲線

圖4(a)為針對某臺筆記本電腦測量得到的功率曲線，具體時間段對應的電腦使用狀態(tài)見表1。結合圖表分析可知，筆記本電腦的睡眠功耗巨大，智能用電網(wǎng)絡可通過“運行狀態(tài)自識別”、“運行狀態(tài)自切換”等，為使用者提供節(jié)能建議和策略支持。

表1 筆記本電腦的使用狀態(tài)與時間對應關系Tab．1Corresponding relation of laptop’s state and time

(2)空調功率曲線

圖4(b)為針對某臺空調測量得到的從下午14時到夜晚21時的功率曲線。從圖中可以看出，空調交替運行于最大功率和低功率狀態(tài)，原因在于當室內溫度達到臨界閾值時，空調不再制熱或制冷，而進入待機狀態(tài)。這不僅浪費能耗，還對人體健康不利。此時可調高溫度至合適的值，在節(jié)電同時保障使用者的健康。另外，可利用空調熱慣性，在用電高峰期間將空調暫時性關閉，從而幫助電網(wǎng)削峰。智能用電網(wǎng)絡提供諸如此類的最優(yōu)設置建議，幫助使用者在了解電器能耗的基礎上，實現(xiàn)安全、健康、舒適、節(jié)能的用電，參與電網(wǎng)的協(xié)同需求響應。

圖4 筆記本電腦、空調運行功率曲線Fig．4Power graph of laptop and air-conditioner

6 結論

本文在分析國內外智能用電發(fā)展的基礎上，綜合以往智能用電和智能家居的認識，給出了智能用電網(wǎng)絡的定義，并進一步從功能設計、軟硬件實現(xiàn)方法、試運行三個方面對其展開了詳細的介紹。智能用電網(wǎng)絡在對電器進行監(jiān)測控制的基礎上感知電器的狀態(tài)，實現(xiàn)用電網(wǎng)絡的安全、健康、舒適、節(jié)能運行，并進一步實現(xiàn)電網(wǎng)協(xié)同需求響應，參與電網(wǎng)的優(yōu)化運行。智能用電網(wǎng)絡綜合了物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與智能用電網(wǎng)絡技術，搭建簡單，功能豐富，界面友好，給用戶提供了智能友好的個性化、差異化服務，引導用戶參與協(xié)同需求響應，幫助電網(wǎng)優(yōu)化運行，兼顧了電力用戶和電網(wǎng)的利益需求，是電力需求響應與智能用電發(fā)展的一個可行實現(xiàn)方向。

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Design and initial implementation of smart electric appliance network

ZHAO Xue-lin1，HE Guang-yu1，YANG Wen-xuan1，YU Nian-hong2，MO Guang-ling3
(1．State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2．Shanghai Qianguan Energy-saving Technology Co．Ltd．，Shanghai 201706，China; 3．Guangzhou Electric Power Design Institute，Guangzhou 510610，China)

Development of intelligent electricity is one of the important aspects of building the smart grid．Based on previous concepts of intelligent electricity，smart home and automatic demand response，this paper presents the definition of the smart electric appliance network．The smart electric appliance network is to form a network combined of the user side’s all kinds of electrical appliances by the energy information gateway．It is aimed at building a network based on the Internet of Things，the Internet and the smart grid technology with the massive electricity users．The smart electricity network can not only help power consumers save energy and provide them with intelligent，friendly，personalized and differentiated services，but can also guide power consumers to participate in the collabo-rative demand response in a flexible interactive way to help achieve the optimal operation of the power grid．The hardware part of the smart electric appliance network consists of the smart sockets，the smart infrared controllers，the energy information gateways，the cloud servers，the mobile devices and other components．The software part of the smart electric appliance network is developed on the Android platform．Currently，the smart electric appliance network has been put into trial operation in Tsinghua ZiJing dormitory，and the results show that the proposed method is feasible and effective．

demand response;smart electric appliance network;smart sockets;energy saving

TM73

A

1003-3076(2014)10-0052-06

2014-03-23

國家863科技支撐計劃資助項目(2012AA050201)

趙雪霖(1991-)，女，江蘇籍，碩士研究生，主要研究方向為用戶側能量管理系統(tǒng)、電器節(jié)能;何光宇(1972-)，男，湖南籍，教授，博士生導師，主要研究方向為智能電網(wǎng)、最優(yōu)潮流、狀態(tài)估計、先進能量管理系統(tǒng)、用戶側能量管理系統(tǒng)(通信作者)。