基于智能电网的家庭用电系统研究

李群（河海大学，江苏南京，211100）



基于智能电网的家庭用电系统研究

李群
（河海大学，江苏南京，211100）

智能电网迅速发展，家庭用电系统不仅是电网的重要组成部分，也是智能化发展的重点，其必须与电网智能化协调一致。本文通过分析智能电网特点与要求，阐述了家庭用电系统智能化的构成，包括家庭分布式电源、家庭储能系统、智能电表、智能用电设备等。本文的研究对我国家庭用电智能化发展有借鉴作用。

智能电网；家庭用电系统；智能化

引言

智能电网是在传统电网的基础上，通过新能源、新设备、新材料、新技术、远程遥控等技术集成，实现电网信息化、自动化和互动操作，新技术和装备的运用可以更好地保证电网安全、经济、可靠的运行［1］。

2009年国家电网公司提出了建设“坚强智能电网”的目标。经过几年的快速发展，智能电网建设初具部分智能化功能，电力系统还在朝着智能方向发展中。同时，智能家居和智能电器的发展，光伏、风电以及各种自然发电的发展，以及储能装置的发展，带动了家庭用电“节约化”、“储能化”和“智慧化”发展，家庭用电智能化在电网发展中占有重要位置［2，3］。

智能电网与家庭“智慧用电”系统的协同发展成为家庭用电发展方向。本文研究了两者协调发展的关系。

1　智能电网与家庭“微电网”的组成

家庭“微电网”是智能电网的具体实现，我国已有部分地区开始试验。2010年起，北京、重庆等地开展智能小区试点。由于居住环境限制，目前我国城市中家庭或办公楼以光伏发电为主，但成本较高，投资回报需要较长时间。农村家庭适用于光伏发电和小型风力发电，但同样由于初期投入大，回收成本困难。所以要进一步研究家庭“微电网”，设法降低成本，提高收益。家庭“微电网”构成如图1所示。

图1　系统组成结构图

2　家庭用电系统构成

2.1家庭分布式电源

不可再生能源日益减少，使用新能源发电、储电已成为趋势。

分布式电源是在负荷侧安装的发电装置，它具有体积小、成本低、容量小、效率高、使用方便等特点，使用太阳能、风能、空气能等发电方式的分布式电源发展迅速。

家庭分布式电源主要包括光伏、太阳能电池板和小型风力发电，在北方一些地区可以实现家庭用电自给自足。

发展家庭分布式电源，并将其富裕的电能接入电网（也称入网），是智能电网发展中的重要组成。分布式电源可提高供电稳定性，为电网提供大量备用电源，当输电线路某处发生故障时，分布式电源可以向电网供电，减少停电时间与停电范围。同时，利用新能源发电，可以降低发电成本，减少输电损耗。

2.2家庭储能系统

储能系统是利用蓄电池组等储能装置，将多余电能存储起来的系统［4］。家庭储能系统与分布式电源结合使用，在天气条件有利情况下，将太阳能、风能发电产生的电能储存在蓄电池中，在负荷高峰期将电能释放出来。同时，储能系统可从电网获取电能，起到对电网负荷“削峰填谷”的作用。

智能电网对家庭储能系统的要求在于：

（1）使用寿命长。家庭分布式电源的特性要求蓄电池组长期工作在充放电过程中，而长期充放电将对蓄电池组储能容量产生影响。当蓄电池组达到一定充放电次数时，就要对电池进行更换。如果更换电池次数过于频繁，将使储能系统的成本提高，经济性下降。

（2）成本低，便于更换。当蓄电池组达到使用寿命后，必须进行更换。将蓄电池组成本降低，才能发挥蓄电池组的经济性。

（3）转化效率高。转化效率是蓄电池组充电电能与放电电能的比值，通过优化控制提高蓄电池组充放电速率，可提高其转化效率。

新型蓄电池研究众多，发展迅速。铅炭电池、全钒液流电池等新型电池出现，它们储能容量大、充放电次数多，已在电力系统得到一定应用。

2.3智能电表

智能电表是智能电网在用户端的计量元件，在电网与家庭用电系统中起到枢纽作用。智能电表需要具备的功能有：

（1）电能计量：家庭有功功率消耗计量是电表的基本功能，智能电表在计量有功功率的基础上还应可测量电压、电流、频率、功率因数等信息，为用户提供更加丰富的用电信息，同时为电网的精密调度提供信息来源。

（2）数据传输：传统的电能表仅有电能计量功能，需要人工读表，耗费人力物力。智能电表采用双向通信系统，通过通信线路，将电能数值传输到管理中心，同时管理中心也可以向各个智能电表传送控制指令。这种方式便于统计计费，节约成本。与“智慧城市”建设相配合，当城市无线局域网覆盖后，还可通过无线网络实现数据、信息传输。

（3）实时电价：电力市场改革进程中，实时电价制度将成为电能收费的主要形式。控制中心将实时电价通过通信线路传输到用户端，智能电表可直观显示当前电价，便于用户制定合理的用电计划。同时可与家庭储能系统相互配合，当电价较低时从电网向蓄电池组充电，在电价较高时优先使用家庭储能系统中的电能。

3　系统管理

基于智能电网家庭用电系统有两种系统管理方式，分别为用户自主管理和系统协助管理。

3.1用户自主管理

智能用电设备的管理。随着技术的发展，家用电器的种类和功能逐渐增多，为智能用电设备的发展提供基础。智能电器集成网络技术、通信技术、控制技术，能够便捷、智能地管理家庭用电，优化家电运行［5］。智能用电设备主要有以下功能：

（1）接入网络。智能用电设备必须接入通信线路才能实现控制功能。家庭无线局域网发展迅速，部分家电如电视机、空调等新产品已可以通过专用模块接入网络。无线局域网安装方便，覆盖范围可达整个家庭，故使用无线局域网接入最佳。

（2）统一控制终端。部分家电设备已具备网络接口，但大多数只能与同一品牌家电互联，使用一个控制终端，不同品牌家电需要使用不同的终端控制，用户使用很不方便，且难以发挥最佳控制功能。所以，需要使用统一控制终端来改变这种现状。只要是同一家庭的智能用电设备，都能接入这一控制终端，实现互联。这种控制终端可以有多种形式，如网站、手机客户端等。

（3）远程控制。通过统一控制终端，用户可以方便地实现家电远程控制。在任何地方，只要手机或移动电脑接入网络，打开控制客户端，便可控制家中各智能用电设备的开启或关闭。这种方式使用户生活更加方便，也节约能源，有利于降低电网负荷峰谷差。

用户自主管理是指用户根据自己的意愿使用各种家用电器［6］。这种方式与现阶段用户家庭用电方式大致相同，但普通家庭用电系统中用户必须通过开关手动打开各种用电设备，而智能家庭用电系统中可通过控制终端远程控制用电设备。用户可以通过手机客户端为各种智能用电设备设置打开和关闭时间。这种方式保障了用户用电的随意性，可以满足用户在不同情况下的用电需求。

3.2系统协助管理

系统协助管理是为了保证电网的经济稳定运行，必要时对家庭用电设备进行短时调度，但一定程度上会影响用户使用用电设备。根据用户需求不同，可将用电负载分为可调度负载和不可调度负载。可调度负载包括空调、洗衣机、电热水器、电动汽车等用电设备，可短时停电，对用户的影响较小。不可调度负载包括照明系统、电视机、台式电脑等，一旦停电立即会对用户正常生活产生影响，需要保证其供电可靠性。当电网发电侧发电量过大时，调度系统开启一部分可调度负载；当负荷侧用电量过大时，调度系统短时关闭一部分可调度负载，这样可以使电能供需保持平衡，有利于电网的稳定安全运行。

用户自主管理和系统协助管理两种方式各有利弊，二者相互结合，既保证了用户的正常使用，也为电力系统提供一部分备用负荷或备用电源，保证电网平稳运行。

4　结语

家庭用电系统智能化是实现智能电网的基础。在智能电网大发展环境下，家庭用电系统逐步智能化，从单一负荷转变为集分布式电源、储能系统、控制系统、用电设备为一体的系统，构成一个“微电网”。智能家庭用电系统实现需要各方配合完成，仍有许多问题有待解决，期待同行共同加以研究。

［1］项胜，何怡刚，王金平. 家庭智能用电系统的实现方法［J］.电力科学与技术学报， 2014（3）:40-44.

［2］扈显琦，吴效，曲锋.全钒液流电池在风电中的应用前景［J］.承德石油高等专科学校学报， 2014（6）:41-44.

［3］张国静，张俊玲.智能电网中的WiFi无线智能家庭系统［J］.电子测量技术，2013（11）:128-129.

［4］张延宇，曾鹏，臧传治.智能电网环境下家庭能源管理系统研究综述［J］.电力系统保护与控制 ，2014（18）:144-154.

［5］阳小丹.基于智能用电技术的家庭需求响应研究［D］.东南大学，2014.

［6］牟龙华，朱国锋，朱吉然.基于智能电网的智能用户端设计［J］.电力系统保护与控制， 2010（21）:53-56.

李群（1995-），男，汉族，山东烟台人，河海大学，本科。研究方向：电气工程及其自动化。

E-mail: liqunlq1995@sina.com

Research Intelligent of Household Electricity System Based on Smart Grid

Qun li
（Hehai University ，Nanjing， Jiangsu， 211100， China）

Intelligent on household electricity system is the important part of power grid， it must be adapted to the rapid development of Smart Grid. Through the analysis of the Smart Grid，this article introduces the structure of household electricity system，including household distributed power supply，household energy storage system， smart electricity meters and smart electricity equipment.The research of this paper is helpful on household intelligent development.

Intelligent； Smart Grid； Household Electricity System

TM925

A

2095-8412 （2016） 03-554-04