电力市场环境下家庭智慧能源网关概念及设计

    夏元兴　王庆泽　普月　夏实秋　吴许晗　冯世通

    

    

    摘要：文章针对家庭用户，设计了具有双向互动功能的家庭智慧能源网关，可以响应售电公司下发的信号，向售电公司上传用户用电量信息。该网关采用STM32单片机作为控制核心，对下通过wiFi实现对家用电器设备的控制，为用户制定用电策略；对上通过Internet实现与售电公司的信息传递，为售电公司制定决策提供支持。经理论分析与仿真计算，证明所设计网关提高家庭用户用电效率，降低用户用电费用，促进电网与家庭用户有序互动的发展。

    关键词：电力市场；家庭用户；智慧能源网关；双向互动

    2015年3月，中共中央国务院发布《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（2015）9号文，售电侧改革是本轮电改新方案的最大亮点，有序向社会资本放开配售电业务标志着我国一直以来电网公司独家垄断配售电的体制被彻底打破。电力市场的改革，促进了需求响应的发展。需求响应是指电力用户根据电价的变化和激励政策调整用电方式，达到减少或者推移某时段的用电负荷从而缓解电网运行压力，抑制电价上升的各种短期行为。

    在电力市场改革及需求响应的发展背景下，设计具有电价互动功能的新型智慧能源网关，实现家庭用户与售电公司的电价互动功能，家庭根据售电公司发布的电价信息调整用电设备工作时间，达到削峰填谷的作用。而售电公司则根据家庭能源网关获取家庭用电情况调整电价，从而达到提高家庭用户用电效率，优化其用电模式，实现每个家庭与售电公司的互动。

    1.能源网关概念

    企业能源网关能够实现现有通信技术和协议的转换，与电网实时通信，实现小企业用电设备的智能控制、使本地能源参与需求响应。其只是针对小型企业的能源网关进行的设计，并不能适用于家庭能源管理系统，未能实现家庭用户与电网的互动、针对家庭用电设备的用电特性以及用户的用电习惯参与需求响应。

    在国内，随着智能电网建设热潮的掀起，各大家电厂商也纷纷开始开发自己的家庭能源管理系统。2011年10月，“北京智能用电研究中心”在北京发布一系列研究成果，标志智能用电理论概念探讨研究阶段进入到实质内容研究阶段。基于物联网技术的智能家居，则是以居民用电为依托，将智能开关，智能插座，水表电表及各种传感器相连接的设备。其结合自动控制技术构建能源网关的手法，根据硬件技术的发展针对面向家庭的能源网关满足了用电管理的需求。在家庭能源利用方面，提出了家庭微电网交流、直流及交直流混合供电模式，给出了家庭能源控制中心的控制方案来实现家庭微网的”即插即用”的智能用电网关。实现了泛在网络式的家庭能效管理。

    2.系统设计

    用户可以通过两种方式对设备进行相关操作，如空调的运行时间、温度、湿度和模式的调节；照明系统的运行时间、照明亮度和照明地点的控制；洗衣机的运行时间和模式的控制；电视机的运行时间、地点、音量的控制以及热水器的运行时间和模式的控制等等。一种是通过MCGs触摸屏进行控制设备，另一种是可以通过手机APP进行控制设备。前者通过触摸屏将信息传递给stm32中央处理器，stm32中央处理器对信息进行处理并传送到设备终端，同时可以获取售电公司电脑端发布的电价信息，后者直接通过WiFi与设备终端相连将信息传送给设备终端。设备终端与设备之间利用ZigBee相连，系统设计方案如图1所示。

    3.系统实现

    3.1硬件实现

    综上所述，网关由控制核心、人机交互界面、电源模块、通讯模块等主要功能模块组成，系统硬件框架如图2所示。

    系统采用stm32作为控制核心，以ARM Cortex-M3单片机作为内核。人机交互界面采用集显示与控制于一体的MCGS屏幕。MCGS是用于快速构造与生成计算机监控系统的组态语言，能在基于微软的任何32位windows平台上运行。对现场数据的采集处理以动画显示，报警处理，流程控制，报表输出等多种方式，向用户提供解决实际问题的方案。

    3.2软件买现

    系统在STM32单片机的基础上架设了uC/OS-II操作系统，它执行效率高、占用空間小、实时性能优良、可扩展性强，为家庭能量管理系统提供了有力支持，提高了系统性、高效性、实时陛和抗干扰性。

    用户可以通过触摸屏和手机两种方式查看或者控制设备，触摸屏显示的内容主要是设备总体的运行状态、设备总体的功耗情况以及经济性最优和舒适度最优的两种策略选择，同时能够显示各个设备的当前运行情况和功耗情况。

    系统通过NRF24L01无线模块连接到以太网，获取实时电价，同时，可以由手机端App远程监测、控制用电器的工作状态。本无线模块将监测到的用户用电反馈给EMC能量管理系统，再从电网公司接收到实时电价信息，以方便控制核心精确计算出用户的实时消费电费的情况，实现实时电费消费情况反馈。

    3.3通讯实现

    对同一个房间的设备，可以通过手机或者触摸屏对设备进行控制，手机NwiFi将信息传递给设备终端：对不在同一房间的设备，设备终端需通过ZigBee经中继设备然后将信息传送给设备，从而达到控制相关设备的目的。

    4.应用场景及效益分析

    电网的改革以及智能电网的发展，使得智能家居成为一个研究的热点方向。本系统适用于我国绝大多数的城市家庭用户和酒店用户，通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、网络家电以及3表抄送等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。同时，本系统的用电方案默认就有考虑到节能减排方面，符合国家提出的绿色经济。随着本系统应用区域的扩大将会产生巨大的经济效益和社会效益。

    5.结语

    在电力市场改革背景下，实现家庭用户与电网的双向互动具有实际意义。本文以家庭各用电设备作为控制对象，设计了具有双向互动功能的智慧能源网关，该网关作为用户与电力公司交互的“桥梁”，可以响应电力公司下发的电价信号，为用户制定符合自身需求的用电策略。