夏元興　王慶澤　普月　夏實(shí)秋　吳許晗　馮世通

摘要：文章針對(duì)家庭用戶(hù)，設(shè)計(jì)了具有雙向互動(dòng)功能的家庭智慧能源網(wǎng)關(guān)，可以響應(yīng)售電公司下發(fā)的信號(hào)，向售電公司上傳用戶(hù)用電量信息。該網(wǎng)關(guān)采用STM32單片機(jī)作為控制核心，對(duì)下通過(guò)wiFi實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器設(shè)備的控制，為用戶(hù)制定用電策略；對(duì)上通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)與售電公司的信息傳遞，為售電公司制定決策提供支持。經(jīng)理論分析與仿真計(jì)算，證明所設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)提高家庭用戶(hù)用電效率，降低用戶(hù)用電費(fèi)用，促進(jìn)電網(wǎng)與家庭用戶(hù)有序互動(dòng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電力市場(chǎng)；家庭用戶(hù)；智慧能源網(wǎng)關(guān)；雙向互動(dòng)

2015年3月，中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》（2015）9號(hào)文，售電側(cè)改革是本輪電改新方案的最大亮點(diǎn)，有序向社會(huì)資本放開(kāi)配售電業(yè)務(wù)標(biāo)志著我國(guó)一直以來(lái)電網(wǎng)公司獨(dú)家壟斷配售電的體制被徹底打破。電力市場(chǎng)的改革，促進(jìn)了需求響應(yīng)的發(fā)展。需求響應(yīng)是指電力用戶(hù)根據(jù)電價(jià)的變化和激勵(lì)政策調(diào)整用電方式，達(dá)到減少或者推移某時(shí)段的用電負(fù)荷從而緩解電網(wǎng)運(yùn)行壓力，抑制電價(jià)上升的各種短期行為。

在電力市場(chǎng)改革及需求響應(yīng)的發(fā)展背景下，設(shè)計(jì)具有電價(jià)互動(dòng)功能的新型智慧能源網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)家庭用戶(hù)與售電公司的電價(jià)互動(dòng)功能，家庭根據(jù)售電公司發(fā)布的電價(jià)信息調(diào)整用電設(shè)備工作時(shí)間，達(dá)到削峰填谷的作用。而售電公司則根據(jù)家庭能源網(wǎng)關(guān)獲取家庭用電情況調(diào)整電價(jià)，從而達(dá)到提高家庭用戶(hù)用電效率，優(yōu)化其用電模式，實(shí)現(xiàn)每個(gè)家庭與售電公司的互動(dòng)。

1.能源網(wǎng)關(guān)概念

企業(yè)能源網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有通信技術(shù)和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，與電網(wǎng)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)小企業(yè)用電設(shè)備的智能控制、使本地能源參與需求響應(yīng)。其只是針對(duì)小型企業(yè)的能源網(wǎng)關(guān)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，并不能適用于家庭能源管理系統(tǒng)，未能實(shí)現(xiàn)家庭用戶(hù)與電網(wǎng)的互動(dòng)、針對(duì)家庭用電設(shè)備的用電特性以及用戶(hù)的用電習(xí)慣參與需求響應(yīng)。

在國(guó)內(nèi)，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮的掀起，各大家電廠商也紛紛開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的家庭能源管理系統(tǒng)。2011年10月，“北京智能用電研究中心”在北京發(fā)布一系列研究成果，標(biāo)志智能用電理論概念探討研究階段進(jìn)入到實(shí)質(zhì)內(nèi)容研究階段?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居，則是以居民用電為依托，將智能開(kāi)關(guān)，智能插座，水表電表及各種傳感器相連接的設(shè)備。其結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)建能源網(wǎng)關(guān)的手法，根據(jù)硬件技術(shù)的發(fā)展針對(duì)面向家庭的能源網(wǎng)關(guān)滿(mǎn)足了用電管理的需求。在家庭能源利用方面，提出了家庭微電網(wǎng)交流、直流及交直流混合供電模式，給出了家庭能源控制中心的控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭微網(wǎng)的”即插即用”的智能用電網(wǎng)關(guān)。實(shí)現(xiàn)了泛在網(wǎng)絡(luò)式的家庭能效管理。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶(hù)可以通過(guò)兩種方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，如空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間、溫度、濕度和模式的調(diào)節(jié)；照明系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、照明亮度和照明地點(diǎn)的控制；洗衣機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和模式的控制；電視機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、地點(diǎn)、音量的控制以及熱水器的運(yùn)行時(shí)間和模式的控制等等。一種是通過(guò)MCGs觸摸屏進(jìn)行控制設(shè)備，另一種是可以通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行控制設(shè)備。前者通過(guò)觸摸屏將信息傳遞給stm32中央處理器，stm32中央處理器對(duì)信息進(jìn)行處理并傳送到設(shè)備終端，同時(shí)可以獲取售電公司電腦端發(fā)布的電價(jià)信息，后者直接通過(guò)WiFi與設(shè)備終端相連將信息傳送給設(shè)備終端。設(shè)備終端與設(shè)備之間利用ZigBee相連，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1硬件實(shí)現(xiàn)

綜上所述，網(wǎng)關(guān)由控制核心、人機(jī)交互界面、電源模塊、通訊模塊等主要功能模塊組成，系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用stm32作為控制核心，以ARM Cortex-M3單片機(jī)作為內(nèi)核。人機(jī)交互界面采用集顯示與控制于一體的MCGS屏幕。MCGS是用于快速構(gòu)造與生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)語(yǔ)言，能在基于微軟的任何32位windows平臺(tái)上運(yùn)行。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理以動(dòng)畫(huà)顯示，報(bào)警處理，流程控制，報(bào)表輸出等多種方式，向用戶(hù)提供解決實(shí)際問(wèn)題的方案。

3.2軟件買(mǎi)現(xiàn)

系統(tǒng)在STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)上架設(shè)了uC/OS-II操作系統(tǒng)，它執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良、可擴(kuò)展性強(qiáng)，為家庭能量管理系統(tǒng)提供了有力支持，提高了系統(tǒng)性、高效性、實(shí)時(shí)陛和抗干擾性。

用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏和手機(jī)兩種方式查看或者控制設(shè)備，觸摸屏顯示的內(nèi)容主要是設(shè)備總體的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備總體的功耗情況以及經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和舒適度最優(yōu)的兩種策略選擇，同時(shí)能夠顯示各個(gè)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行情況和功耗情況。

系統(tǒng)通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊連接到以太網(wǎng)，獲取實(shí)時(shí)電價(jià)，同時(shí)，可以由手機(jī)端App遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制用電器的工作狀態(tài)。本無(wú)線模塊將監(jiān)測(cè)到的用戶(hù)用電反饋給EMC能量管理系統(tǒng)，再?gòu)碾娋W(wǎng)公司接收到實(shí)時(shí)電價(jià)信息，以方便控制核心精確計(jì)算出用戶(hù)的實(shí)時(shí)消費(fèi)電費(fèi)的情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電費(fèi)消費(fèi)情況反饋。

3.3通訊實(shí)現(xiàn)

對(duì)同一個(gè)房間的設(shè)備，可以通過(guò)手機(jī)或者觸摸屏對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，手機(jī)NwiFi將信息傳遞給設(shè)備終端：對(duì)不在同一房間的設(shè)備，設(shè)備終端需通過(guò)ZigBee經(jīng)中繼設(shè)備然后將信息傳送給設(shè)備，從而達(dá)到控制相關(guān)設(shè)備的目的。

4.應(yīng)用場(chǎng)景及效益分析

電網(wǎng)的改革以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，使得智能家居成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)方向。本系統(tǒng)適用于我國(guó)絕大多數(shù)的城市家庭用戶(hù)和酒店用戶(hù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備（如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、網(wǎng)絡(luò)家電以及3表抄送等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段。同時(shí)，本系統(tǒng)的用電方案默認(rèn)就有考慮到節(jié)能減排方面，符合國(guó)家提出的綠色經(jīng)濟(jì)。隨著本系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域的擴(kuò)大將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5.結(jié)語(yǔ)

在電力市場(chǎng)改革背景下，實(shí)現(xiàn)家庭用戶(hù)與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)具有實(shí)際意義。本文以家庭各用電設(shè)備作為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了具有雙向互動(dòng)功能的智慧能源網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)作為用戶(hù)與電力公司交互的“橋梁”，可以響應(yīng)電力公司下發(fā)的電價(jià)信號(hào)，為用戶(hù)制定符合自身需求的用電策略。