鄧斌　劉關(guān)林

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸興起，如今社會(huì)對(duì)于家庭能源管理的需求性也在不斷提升。據(jù)此，本文將提出一種智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行分析闡述，以期能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)人士提供理論參考。

關(guān)鍵詞：智慧家庭;能源管理;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

智慧家庭能源管理系統(tǒng)作為一種面向全社會(huì)家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應(yīng)用系統(tǒng)，其需要以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建云數(shù)據(jù)服務(wù)中心為核心組成內(nèi)容，進(jìn)而通過智能插座、家庭網(wǎng)關(guān)、智能電網(wǎng)等智能設(shè)備對(duì)家庭用戶的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際收集和控制，實(shí)現(xiàn)居民家庭對(duì)家中電力能源消耗情況進(jìn)行自主管理，深化峰谷電和階梯電的智能化應(yīng)用，推進(jìn)國家電網(wǎng)公司智能供電以及電力供應(yīng)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等目標(biāo)的思想，并推進(jìn)智能家電的改進(jìn)和發(fā)展。

1 智慧家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)因素

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今用戶的供電服務(wù)需求以及能源利用形式均發(fā)生了較大變化，電力用戶的實(shí)際角色也從被動(dòng)使用者向主動(dòng)參與者進(jìn)行轉(zhuǎn)變，如此便對(duì)電網(wǎng)公司的服務(wù)水平提供了更高的實(shí)際要求。

電力用戶角色轉(zhuǎn)變作為一種客觀規(guī)律，此過程中決定著用戶對(duì)電網(wǎng)的服務(wù)種類和服務(wù)需求也會(huì)出現(xiàn)較大變化，再加上當(dāng)今階梯電價(jià)和峰谷電價(jià)的實(shí)行，當(dāng)今用戶的用電行為也逐漸發(fā)生改變，且對(duì)于電力使用成本也越加敏感，很多用戶期望電網(wǎng)公司在提供服務(wù)的同時(shí)，能夠準(zhǔn)確的提供家庭用電信息，該些要求的實(shí)現(xiàn)均需要電網(wǎng)公司對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善，將原本的供電側(cè)為主的供電服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕枨髠?cè)為主的現(xiàn)代供電服務(wù)，為用戶提高更加精準(zhǔn)、高效的供電服務(wù)，提高用戶的電力使用體驗(yàn)。

除此之外，隨著電力用戶能源利用方式的逐步改變，如今家庭中電動(dòng)汽車等新型能源需求設(shè)備的接入量也在不斷增加，該些新型用電設(shè)備的接入對(duì)于電網(wǎng)的有效調(diào)控和負(fù)荷提出了更好的實(shí)際要求，需要結(jié)合當(dāng)今實(shí)際情況，提出相應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)控措施，降低新型用電設(shè)備接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷所造成的影響?；谏鲜鲋T多要求，本文設(shè)計(jì)出一種以數(shù)據(jù)服務(wù)中心為核心，以家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座等設(shè)備為支持的面向全社會(huì)家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應(yīng)用系統(tǒng)，即智慧家庭能源管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)家庭用電的分析、調(diào)控及管理，提高電網(wǎng)公司對(duì)區(qū)域用電的管理調(diào)控管理效果，滿足當(dāng)今電力用戶供電需求，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧家庭能源管理系統(tǒng)是一種以數(shù)據(jù)服務(wù)中心為核心組成，以家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座等設(shè)備為支持，最終所構(gòu)成的一種面向全社會(huì)家庭居民的能源管理創(chuàng)新型應(yīng)用系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)中，智慧家庭能源管理系統(tǒng)將會(huì)分為“端”、“管”“云”三部分進(jìn)行實(shí)際部署，其中數(shù)據(jù)服務(wù)中心部署在“云”上，而家庭能源管理則分屬于“端”，其主要由家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座、用電設(shè)備等部分內(nèi)容共同組成，數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)與家庭端的用電設(shè)備、家庭管理及智能插座相互連接，進(jìn)而達(dá)成數(shù)據(jù)交互效果。智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在設(shè)計(jì)中，家庭網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)對(duì)家庭內(nèi)部的信息進(jìn)行采集和管理，而智慧家庭能源管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中所涉及到的地理信息、外圍終端信息的處理和存儲(chǔ)則會(huì)交由云數(shù)據(jù)服務(wù)中心來完成，為能夠加強(qiáng)服務(wù)效果，云數(shù)據(jù)服務(wù)中心會(huì)根據(jù)區(qū)域、城市、豐富等諸多劃分方式，構(gòu)建不同使用范圍的轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，在積累大量的用戶數(shù)據(jù)后，云數(shù)據(jù)服務(wù)中心會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)信息構(gòu)建區(qū)域用電管理信息數(shù)學(xué)模式，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)用戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、分類、管理，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)構(gòu)建區(qū)域家庭用戶用電需要輔助決策系統(tǒng)，為電網(wǎng)公司的電力調(diào)控提供重要支持及參考。另外，為確保電網(wǎng)公司與家庭用戶間雙向數(shù)據(jù)交互效果，數(shù)據(jù)服務(wù)中心還設(shè)置有數(shù)據(jù)交互接口，該接口不僅可以實(shí)現(xiàn)家庭用戶信息的有效接入，還能夠與電網(wǎng)公司自身的服務(wù)器達(dá)成數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心、家庭用戶以及電網(wǎng)公司三方面的數(shù)據(jù)交互效果。

3 智慧家庭能源管理系統(tǒng)主要功能

3.1家庭用電數(shù)據(jù)管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)的核心功能就是對(duì)家庭用電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)應(yīng)用，在實(shí)際管理過程中，智慧家庭能源管理系統(tǒng)需要具備區(qū)域不同數(shù)據(jù)來源，并根據(jù)各家庭用電數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，采用不同的數(shù)據(jù)采集方式和應(yīng)用方式的效果。鑒于用戶用電信息具有數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)信息散亂等特點(diǎn)，所以智慧家庭能源管理系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)際家庭用電數(shù)據(jù)管理時(shí)，應(yīng)通過數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過分批處理的方式，分批式地向家庭網(wǎng)關(guān)下達(dá)數(shù)據(jù)傳遞指令，家庭網(wǎng)關(guān)在接收到指令后，將家庭用電信息上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)中心，供數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)家庭用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)服務(wù)中心會(huì)通過家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座以及其他智能控制設(shè)備對(duì)家庭用電設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集匯總，其中智能插座作為連接用電設(shè)備和家庭網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵階段，其在系統(tǒng)中將會(huì)肩負(fù)著用電設(shè)備名稱、用電設(shè)備編號(hào)、用電設(shè)備通斷狀態(tài)、溫度監(jiān)測(cè)及控制、光學(xué)監(jiān)測(cè)及控制等效果，實(shí)時(shí)確定用電設(shè)備的運(yùn)行工作狀態(tài)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的收集效果。數(shù)據(jù)服務(wù)中心在每日會(huì)對(duì)家庭用電信息進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，具體采集數(shù)據(jù)信息包括有家庭用電設(shè)備當(dāng)日總用電量/每小時(shí)用電量、單用電設(shè)備當(dāng)日總用電量/每小時(shí)用電量、當(dāng)日峰值用電量、當(dāng)日低谷用電量。數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)家庭用電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集通常由數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)起，但當(dāng)用戶端發(fā)起信息獲取請(qǐng)求時(shí)，那么發(fā)起者便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩舳?，?shù)據(jù)服務(wù)中心則會(huì)根據(jù)發(fā)起者的實(shí)際內(nèi)容數(shù)據(jù)獲取家庭用電信息，之后再反饋會(huì)發(fā)起用戶端。城市電網(wǎng)作為家庭用電的主要供應(yīng)方，家庭網(wǎng)關(guān)會(huì)在城市電網(wǎng)中獲取區(qū)域用電峰谷信息、維修信息、電價(jià)信息、家庭用電信息、電網(wǎng)公司服務(wù)信息等諸多信息，并將該些信息通過短距離通信技術(shù)傳遞給用戶端，使用戶及時(shí)獲取更加精準(zhǔn)有效的服務(wù)，提高用戶服務(wù)效果。

3.2設(shè)備管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)會(huì)分批次收集家庭中家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座、用電設(shè)備等設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，然后將該些數(shù)據(jù)信息分為內(nèi)容信息管理和設(shè)備狀態(tài)信息管理兩大類數(shù)據(jù)信息，方便進(jìn)行分析處理。其中內(nèi)容信息一般會(huì)要求家庭用戶在使用智慧家庭能源管理系統(tǒng)前進(jìn)行一次性填寫上傳，若是在后續(xù)使用過程中存在數(shù)據(jù)更改情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行內(nèi)容信息替換，同時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)中心也會(huì)通過抓取家庭網(wǎng)關(guān)所傳遞的數(shù)據(jù)信息對(duì)內(nèi)容信息進(jìn)行及時(shí)檔案替換更新，確保智慧家庭能源管理系統(tǒng)中用戶數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性和有效性。數(shù)據(jù)服務(wù)中心在對(duì)內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，將會(huì)自行轉(zhuǎn)化為控制指令發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，由家庭網(wǎng)關(guān)對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行控制管理。

設(shè)備狀態(tài)信息則會(huì)由用戶端所發(fā)起，當(dāng)用戶需要對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的時(shí)候，那么智慧家庭能源管理系統(tǒng)便會(huì)實(shí)時(shí)向家庭網(wǎng)關(guān)傳遞信息查詢指令，然后家庭網(wǎng)關(guān)會(huì)將所收集到的家庭用電信息傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)中心，再由數(shù)據(jù)服務(wù)中心轉(zhuǎn)交給用戶端，用戶端可以根據(jù)家庭用電信息中用電設(shè)備的使用頻率、使用時(shí)間、單用電設(shè)備能耗、家庭總體能耗等諸多數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程控制家庭用電設(shè)備的啟停以及功率。通過該種方式，雖然可以在一定程度上增加智慧家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)用戶的服務(wù)時(shí)長，但卻可以有效降低智慧家庭能源管理系統(tǒng)的負(fù)荷量和通信量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效果，為用戶提高更為高效的服務(wù)。

3.3地理信息管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)會(huì)通過集中器來尋找特定的家庭網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)服務(wù)中心會(huì)對(duì)各用戶的地理信息進(jìn)行收集匯總，并根據(jù)用戶的實(shí)際情況在數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建數(shù)據(jù)信息檔案，然后根據(jù)用戶所在區(qū)域，分區(qū)域、分城市、分省份等對(duì)區(qū)域內(nèi)家庭用電信息情況進(jìn)行收集匯總，然后通過構(gòu)建用電信息管理數(shù)據(jù)模型，深入分析區(qū)域家庭用電信息的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建區(qū)域用電管理和調(diào)度輔助決策系統(tǒng)，為后續(xù)智慧家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)家庭用電設(shè)備峰谷時(shí)段的有效調(diào)控提供重要支持。

3.4外圍終端管理

智慧家庭能源管理系統(tǒng)的外圍終端設(shè)備主要由手機(jī)、計(jì)算機(jī)以及其他智能終端顯示設(shè)備組成。在實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶可以基于該些外圍終端設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)中心相連，進(jìn)而達(dá)成后續(xù)的數(shù)據(jù)交互、家庭用電設(shè)備控制等諸多功能效果。在智慧家庭能源管理系統(tǒng)中，外圍終端設(shè)備不同于家庭網(wǎng)關(guān)、集中器等專用智能終端，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要考慮到用戶接入智慧家庭能源管理系統(tǒng)時(shí)的用戶注冊(cè)、用戶登錄等其他方面的管理內(nèi)容，并且還要為用戶信息的自主管理預(yù)留出管理空間。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今電力用戶對(duì)電網(wǎng)公司服務(wù)提出了更高的實(shí)際要求。對(duì)此，本文提出一種以數(shù)據(jù)服務(wù)中心為核心，以家庭網(wǎng)關(guān)、智能插座為支持的智慧家庭能源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過研究分析后確定該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)有助于相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，所以具有較強(qiáng)的理論研究意義。不過受限于研究者自身的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)水平，本研究還可能會(huì)存在一定的局限性，需要在后續(xù)研究中進(jìn)行更加深入的研究分析。

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基金項(xiàng)目

2018年度南寧市邕寧區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《智能家庭電力能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究》（20180310A）。

作者簡介

鄧斌（1985.3），男，漢族，廣西岑溪人，哈爾濱理工大學(xué)，本科，講師，從事思想政治教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究。劉關(guān)林，（1993.6），男，漢族，廣西岑溪人，南寧學(xué)院，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究。