智能用电网络的设计与初步实现

赵雪霖，何光宇，杨文轩，余捻宏，莫光玲

(1．清华大学电机工程及应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084; 2．上海千贯节能科技有限公司，上海201706;3．广州电力设计院，广东广州510610)

智能用电网络的设计与初步实现

赵雪霖1，何光宇1，杨文轩1，余捻宏2，莫光玲3

(1．清华大学电机工程及应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084; 2．上海千贯节能科技有限公司，上海201706;3．广州电力设计院，广东广州510610)

发展智能用电是建设智能电网的重要环节之一。本文综合以往智能用电、智能家居与自动需求响应的认识，提出了“智能用电网络”，给出其定义。智能用电网络是将用户侧的各种电器通过能量信息网关互连而形成的网络。它旨在建立基于物联网、互联网与智能电网技术的联系海量电力用户的大型用电网，不仅可以帮助用户节能，给电力用户提供智能友好的个性化、差异化服务，还可以引导电力用户灵活互动地参与协同需求响应，帮助电网实现优化运行。智能用电网络的硬件部分由智能插座、智能红外控制器、能量信息网关、云端服务器、移动终端等部分组成;软件部分基于Android平台进行开发。目前，该网络已在清华大学紫荆公寓投入试运行，运行结果表明本文方法的可行性与有效性。

需求响应;智能用电网络;智能插座;节能

1 引言

近年来，我国不断创下新的用电高峰，峰谷差日益变大，给电力系统运行带来了一定的困难。同时，严峻的能源与环保问题使得电力系统的节能减排刻不容缓。基于电力需求响应［1-5］积极发展智能用电，是解决这些问题的新思路。

国内外在这方面进行了很多研究。在国外，由欧洲十国组成的EcoGrid EU联盟实施了“EcoGrid EU项目”。该项目创设“实时电力市场”，可以通过住宅内的能量信息网关及控制器，实时收集以分为单位变化的市场价格信息并做出判断，控制器将根据价格自动控制家电(热泵和电热设备)的运转状态［6］。美国俄亥俄州的Oberlin College的自动化数据监控系统［7］，Google公司推出的Google PowerMeter服务等，则是通过智能用电系统引进反馈、教育和激励机制，实现节电节能。

在国内，清华大学电机系电力系统国家重点实验室提出了用户侧能量管理系统(U-EMS)的概念［8］，进而设计和实现了用户侧能量管理原型系统，实现电器设备的功率采集、总用电量计算及电器设备的通断等基础功能，开展电力需求响应［9］。华北电网有限公司开发了基于高级测量体系(AMI)的面向电力用户的家庭综合能源管理系统［10］，该系统可实现家庭能耗监测和能源优化管理，构建了电网与用户实时互动的新型供用电关系。

然而文献［11］指出，虽然中国在智能用电互动方面进行了积极有益的探索，但仍有三点不足之处:①智能交互终端缺乏基于电价和激励措施的技术手段;②在需求响应决策、仿真技术和用能评测管理技术等方面的系统性研究较少;③满足电力用户个性化、差异化服务需求的互动技术手段有待丰富。

因此，本文在智能用电的研究基础上提出了“智能用电网络”。“智能用电网络”是将用户侧的各种电器通过能量信息网关互连而形成的网络。它旨在将千家万户的电器连接起来，并在此基础上给电力用户提供个性化、差异化、智能友好的服务，同时方便电力用户参与电力需求响应，帮助电网实现优化运行等。“智能用电网络”在推广用电交互终端智能化，引导用户参与电网优化运行，实现电力用户与电网的灵活互动等方面，做出了初步的尝试。

2 智能用电网络的定义

国内目前对智能用电的内涵形成了初步统一的认识。智能用电综合利用高级量测、实时通信、负荷协调控制和需求侧响应等技术，构建电网与用户电力流、信息流、业务流实时互动的新型供用电关系［12］。“智能用电网络”则是综合了智能用电、智能家居、自动需求响应(ADR)［13］等认识提出的新型用电网络。现给出其定义如下:

智能用电网络，是将用户侧的各种电器通过能量信息网关互连而形成的网络。基于该网络，一方面可实现对电器设备的监测与控制，并在此基础上感知电器的状态，实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行;另一方面，可实现协同的自动需求响应，进而参与电网的优化运行。智能用电网络中的能量信息网关，既是智能电网与用电网络所辖电器的能量消费接口，也是外部互联网与所辖电器间的信息接口。智能用电网络综合物联网、互联网与智能电网技术，是智能用电未来发展的方向。

3 智能用电网络的功能设计

智能用电网络所必需的功能可划分为基础功能、高级功能与互动功能三部分。其中，基础功能主要负责“实现对电器设备的监测与控制”，可以称之为“用电SCADA”;高级功能，主要是在识别电器运行状态基础上，实现当前用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，可以称之为“用电EMS”;互动功能，主要负责实现当前用电网络与外部电网互动。

3.1 基础功能(“用电SCADA”)

智能用电网络的基础功能，是实现对电器设备的数据采集与监视控制(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)等，主要包括遥信、遥测、遥控、遥调、历史数据存储和统计等六个功能。其中，遥信、遥测、遥控与遥调完成智能用电网络对用电终端的监测与控制功能。历史数据存储功能中，储存了实时采集的电器设备的开关状态、有功功率、无功功率、电压、电流信息等，并对其进行压缩处理。统计功能可针对某一用户或某一区域用户，对其使用的电器的工作时间、工作状态等参数进行长期统计分析，得到用户的日常电器使用习惯、电器使用能效状况等，并进一步给出节能建议及负荷响应策略。

3.2 高级功能(“用电EMS”)

智能用电网络的高级功能，是指在用电SCADA基础上，通过电器运行状态的自识别、自切换，实现智能用电网络的安全、健康、舒适、节能运行。其中，安全运行是指在运行中确保用电者的人身财产安全和确保电器自身的安全;健康运行是指用电网络的运行应尽量有利于使用者的身体健康，如通过恰当安排电器的运行方式，尽量避免“空调病”、饮水机反复烧开等;舒适运行是指用电网络的运行要尽量简洁、自然，确保使用者省心、省力，并在此基础上提高使用者的舒适度，为使用者创造舒适的工作生活环境;节能运行，则是指在安全、健康、舒适的前提下，尽量减少能源消耗，降低温室气体的排放。

运行状态的自识别、自切换的实现方法分为三个阶段。第一阶段是建立电器设备运行状态精细划分的标准。一般而言，每一个电器工作状态均可划分为正常态与故障态;而正常态又可划分为:微功耗休眠、待机、无效运行、有效运行与异常运行等诸多状态。进一步，还可针对电器设备类型，对其工作状态进行划分，如空调的工作状态可以划分为开机、关机、制冷、制热、保温、通风、除湿等多个状态。

第二阶段是实现电器设备“运行状态自识别”。运行状态自识别，是基于智能插座、智能红外的信息与分布于环境中的传感器采集的数据，针对特定电器的用电特性，根据电器设备的实时功率与功率曲线，利用数据挖掘、模式识别等技术，引入情景感知等概念，对照已经建立的电器设备运行状态划分标准，判断该电器设备当前的运行状态。

第三阶段是在“运行状态自识别”基础上实现电器设备“运行状态自切换”。根据已经识别的电器设备运行状态，综合考虑用户舒适度、能效最大化等因素，制定相应的切换规则，以实现智能用电网络的安全、健康、舒适、节能运行。

3.3 互动功能

智能用电网络的作用，对内是实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，对外则是实现协同的自动需求响应，并进而参与电网的优化运行。智能用电网络可以为电力用户提供对应的接口，供用户选择是否接入电网，参与电力需求响应，帮助电网优化运行，从而可以参与负荷预测、保证电网低损耗运行等。

电力需求响应主要包括基于电价的需求响应和基于激励的需求响应。智能用电网络可针对这两种需求响应，设计不同的方案，使电器自动参与需求响应。如对于充电类电器(电动汽车等)，可根据分时电价曲线，将充电时间避开电价高的时间区间。对于空调、冰箱等具有热惯性的电器，可根据分时电价曲线来调整功率，比如在电价低的时候采取预冷措施，在电价高的时候短暂断电或者将功率调低。对可中断类的响应，可以先与用户签订合同，当需要削峰的时候，自动将用户家中可以断开的电器(如空调、热水器等)暂时断开，用户同时获得一定的补偿。

智能用电网络使电器自动参与需求响应，不仅避免了用户自己进行上述繁琐的设置，还可以帮助用户获取最优的执行方案，从而使用户在省心、省力的基础上实现利益最大化，同时也帮助电网实现削峰填谷、优化运行与节能减排。

4 智能用电网络的初步实现

4.1 硬件实现

智能用电网络主要由五个部分组成，即智能插座、智能红外控制器、能量信息网关、云端服务器和客户端(移动终端)。整个系统的架构如图1所示。

图1 智能用电网络架构图Fig．1Structure of smart electric appliance network

其中，智能插座和智能红外控制器中都内置了ZigBee［14］芯片。智能插座可实现电器的开关控制及功率、电压与电流等信息的测量;智能红外控制器可实现电器的红外控制。能量信息网关由Android平板和ZigBee协调器组成;平板通过串口与协调器通信，通过Wi-Fi与云端服务器通信。云端服务器为移动终端和能量信息网关的连接中枢，可对电器设备信息进行统计和分析，对区域电网进行计算与优化等。移动终端可以为用户的智能手机或平板等随身设备，用户通过智能用电网络的移动客户端进行远程操作。

智能用电网络的控制系统可以划分成两个层次。第一个层次是以每个住宅或楼宇中的每个楼层为单位构成的本地子系统。本地子系统的中枢为本地能量信息网关，网关通过智能插座和智能红外来实现对电器的控制和监测。第二个层次是由每个子系统构成的大系统。本地能量信息网关通过互联网联接到云端服务器，移动终端通过访问云端服务器及本地子系统实现智能用电网络的基础功能、高级功能与互动功能。

4.2 软件实现

智能用电网络主要的软件部分包括本地平板及手机客户端，均使用Android平台开发。软件架构如图2所示。

图2 软件分层结构图Fig．2Hierarchical structure of APP

软件架构分为四层，分别为界面、算法、接口及数据。界面层主要包括智能生活、绿色生活、系统设置三部分，其中智能生活主要提供电器的监测与控制功能，绿色生活实现电器的安全、健康、节能运行等。算法层包括节能建模及优化算法，需求响应、用电安全及控制指令逻辑等部分的实现方法。接口层处理平板的串口通信及互联网通信。数据层存储了电器设备的数量、类型等固有信息及其运行的历史数据，算法处理得到的节能数据、操作指令等数据，以及电价信息、实时天气、电力需求响应调度信息等数据。

5 智能用电网络的运行

目前，一个小型的智能用电网络已经在清华大学紫荆公寓宿舍区搭建成功并试运行。清华大学紫荆公寓每个宿舍有一台空调，一台饮水机，四个充电台灯和四台笔记本电脑。以班级为单位组成一个子系统;每层楼有三到四个子系统。图3展示了最简单的智能用电网络，包括了智能用电网络中的能量信息网关、智能插座、电器(台灯)三个部分。系统可将测得的不同电器设备的功率数值导出并得到相应功率曲线。

图3 智能用电网络的基本模型Fig．3Basic model of smart electric appliance network

(1)笔记本电脑功率曲线

图4(a)为针对某台笔记本电脑测量得到的功率曲线，具体时间段对应的电脑使用状态见表1。结合图表分析可知，笔记本电脑的睡眠功耗巨大，智能用电网络可通过“运行状态自识别”、“运行状态自切换”等，为使用者提供节能建议和策略支持。

表1 笔记本电脑的使用状态与时间对应关系Tab．1Corresponding relation of laptop’s state and time

(2)空调功率曲线

图4(b)为针对某台空调测量得到的从下午14时到夜晚21时的功率曲线。从图中可以看出，空调交替运行于最大功率和低功率状态，原因在于当室内温度达到临界阈值时，空调不再制热或制冷，而进入待机状态。这不仅浪费能耗，还对人体健康不利。此时可调高温度至合适的值，在节电同时保障使用者的健康。另外，可利用空调热惯性，在用电高峰期间将空调暂时性关闭，从而帮助电网削峰。智能用电网络提供诸如此类的最优设置建议，帮助使用者在了解电器能耗的基础上，实现安全、健康、舒适、节能的用电，参与电网的协同需求响应。

图4 笔记本电脑、空调运行功率曲线Fig．4Power graph of laptop and air-conditioner

6 结论

本文在分析国内外智能用电发展的基础上，综合以往智能用电和智能家居的认识，给出了智能用电网络的定义，并进一步从功能设计、软硬件实现方法、试运行三个方面对其展开了详细的介绍。智能用电网络在对电器进行监测控制的基础上感知电器的状态，实现用电网络的安全、健康、舒适、节能运行，并进一步实现电网协同需求响应，参与电网的优化运行。智能用电网络综合了物联网、互联网与智能用电网络技术，搭建简单，功能丰富，界面友好，给用户提供了智能友好的个性化、差异化服务，引导用户参与协同需求响应，帮助电网优化运行，兼顾了电力用户和电网的利益需求，是电力需求响应与智能用电发展的一个可行实现方向。

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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

国家863科技支撑计划资助项目(2012AA050201)

赵雪霖(1991-)，女，江苏籍，硕士研究生，主要研究方向为用户侧能量管理系统、电器节能;何光宇(1972-)，男，湖南籍，教授，博士生导师，主要研究方向为智能电网、最优潮流、状态估计、先进能量管理系统、用户侧能量管理系统(通信作者)。