浅述基于无线网络的智能家庭电站

周圣杰 潘继元 黄萱

摘 要 近年来国家大力推广光伏式家庭电站的建设，随着人工智能的兴起，家庭电站也需要向智能化方向发展。本文设计了一种基于无线网络的智能家庭电站，该电站主要由分布式光伏发电并网系统、智能家庭系统与储能系统构成，通过ZigBee构建智能家庭系统，使用“谷电峰用，自我消纳，余电上网”的用电策略，可以实现能源的优化利用，提升用电的经济效益与用户的用电体验。

关键词 智能家庭;分布式光伏;无线网络;用电策略

引言

传统的电能能源主要是通过燃烧化石燃料产生，但是这给人们的生活环境造成了许多不利影响。人们开始意识到环境的重要性，发掘利用清洁的新型能源，如：风能、水能、太阳能等。如果将这些新型的清洁能源加以利用到家庭的使用环境中，不仅能满足家庭用电的自我供给，提升家庭用电效率，还可以优化能源结构，有利于环境保护与社会的可持续发展。随着安装分布式光伏并网发电系统的家庭电站增多，智能化的不断发展，通过将智能家庭系统与储能系统加入到普通的家庭电站中，有利于家庭电站的智能化管理与控制。

1智能家庭电站的构成

智能家庭电站主要由三部分组成：分布式光伏并网发电系统、能量储存系统和智能家庭系统。

1.1 分布式光伏并网发电系统

分布式发电通常是指在用户现场或者接近用户现场的装机规模较小的发电系统。利用分散式资源，如：风能、太阳能等。一般建造在用电侧，所产生的电能资源主要用于自用[1]。

分布式光伏发电系统由装于房屋顶部的光伏板阵列吸收太阳能，转化输出直流电能，经过汇流后集中于直流配电柜，在通过光伏逆变器转化为家庭使用的交流电能以供给家庭负荷用电，过剩或短缺的电能则通过电网调节。要想将光伏电并入电网需要MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器，该控制器主要控制逆变器并网电流的波形、功率以及光伏电池最大功率点的跟踪，以便向电网传送的功率与太阳能光伏电池阵列所发的最大功率电能相匹配。

另外在装设分布式光伏并网发电系统时还配有环境监测系统、双向电表与补贴电表，监视太阳照射强度，统计家庭电站输出、输入电网的电量，计算光伏发电补贴。

1.2 能量储存系统

储能系统主要是由蓄电池构成，可以使用储存效率高、容量能满足日常负荷需要的电池，如：超级电容器、固体电池等。用于补足在光伏发电出力不足时的电力需求。

1.3 智能家庭系统

智能家庭系统是智能家庭电站的重要组成部分，由家庭网络、家庭服务器和智能用电设备构成。其中家庭网络是其重要的结构基础。它将家庭内部的各类可控负荷作为一个个节点，相互连接组建网络。通过网络可以实现家庭内部的数据传输，从而可以对各负荷进行智能化控制，对能源进行管理。家庭网络可以采用无线网络和蓝牙连接两种通信方式。相较于传统的有线连接方式，使用无线网络或者蓝牙连接安装简单方便，维护容易且提高了系统的扩展性。

搭建网络后，用电设备自身或者通过智能开关将采集到自身的用电情况通过无线网络传输到控制端，用户可以在家庭内安装的交互屏查看，或者通过服务器连接到外网通过自身携带的移动设备端进行实时查看。

每个用电设备在家庭内网中都有唯一的地址标识，用户通过移动设备，可以在制作的APP中，通过互联网连接家庭服务器从而访问家庭网络，通过网络将移动端的命令通过地址标识传输到指定的用电设备，对其进行相应的控制。同时通过安装在家庭内的交互屏可以直接通过家庭内网对各设备进行控制。

2智能家庭电站的设计

智能家庭电站中以智能家庭系统为核心，根据分布式光伏并网发电系统的出力情况，对家庭负荷的使用与储能系统中的蓄电池储量进行调控，以达到智能化的家庭电站效果。

ZigBee技术作为一种基于IEEE 802.15.4标准的双向无线网络技术，它的突出特点有 低成本、低功耗、近距离、低复杂度以及高安全等[2]。并且支持ZigBee技术的处理芯片价格很便宜，可以极大地降低智能家庭电站的建造成本[3]。

要想对家庭内给负荷进行智能化调控，首先需要获取各负荷的实时用电量，然后能通过家庭网络对其进行实时控制。一般的智能家居基本具备此功能，普通的家居则通过加装智能插座实现。

通过对家庭内各负荷进行编号命名，构建的网络通道，使其与位于家庭各位置的ZigBee终端相连接，完成组网。通过采集各负荷的用电量统计实时的家庭用电情况，并计算光伏发电所产生的电能，将电能分配给各用电器。在光伏产生的电能满足基本用电需求仍有盈余时，可以自行启动用户设定的不限定时间的用电操作，如：控制启动洗碗机、洗衣机、消毒柜等。将家庭内网通过服务器与互联网相连接，建立移动通信设备端的交互界面，使用户可以远程实时了解家庭的用电情况，并可以控制家庭内各电器的运作。设定多种使用情景实现进门的自动开灯，回家前自动烧水、开空调等功能。

利用外部的环境监控系统测量实时的太阳光照情况，并与今日的天气相结合，预测今日光伏发电的发电量，合理分配此时的家庭内的能源使用结构，利用分布式光伏发电并网系统配合双向电表与补贴电表将多余光伏发电能输入电网，实现自我消纳，余电上网。

3智能家庭电站的用电策略

智能家庭电站的用电策略主要通过智能家庭电网对光伏发电与储能系统的系统进行配合。我们可以将其称为“谷电峰用，自我消纳，余电上网”，即在用电高峰时期，将光伏发电产生的电能全部使用，若光伏发电产生的电能超过负荷所需电能，则将多余电能输送到电网中;若光伏发电产生的电能低于负荷所需电能，则尽量先使用储能系统中的电能，除非储能系统达到设定的最低能量限度，不足的电能通过电网补充。在用电低谷时期，则通过电网向储能系统进行充电，直到达到设定的最高能量限度。这种用电策略可以有效节省用户的购电费用。

4结束语

装设智能家庭电站的优点如下：

（1）利用清洁能源污染程度低，环境效益高。利用光伏发电不会产生废气废水，不会产生噪声，能有效地优化居住环境;

（2）实现发电用电并存。通过光伏发电并网可以将采集到的太阳能用于日常用电，并将盈余的电能输入电网;

（3）能提高用户的日常用电体验。通过智能家庭网络，用户可以实时的控制家庭内各负荷的狀态，提升居住环境的智能化程度;

（4）可以有效降低用户的用电费用。通过“谷电峰用，自我消纳，余电上网”这种策略，可以减少总购电量，并通过补贴电表获得光伏发电补贴，进一步减少用电总费用。

智能家庭电站目前存在的不足：

（1）前期搭建的成本高，且人们对这项新技术不了解;并网结算周期过长，往往短时间不能很快得到收益，大大降低了人们对此的兴趣;

（2）分布式光伏家庭电站的建设缺少具体的的规范和标准，降低了分布式光伏家庭电站的利用率;

（3）分布式光伏发电并网的技术仍不成熟，存在转换效率不高，故障不能及时排除等状况;

（4）分布式光伏发电并网系统容易产生孤岛效应，且向电网输送电能会引起配电网潮流复杂化;

（5）分布式光伏发电系统会给传统配电网运维检修带来困难。

参考文献

[1] 汤婷婷.基于电网阻抗检测的孤岛检测研究[D].安徽：合肥工业大学，2013.

[2] 彭道刚，张浩，李辉，等.基于ZigBee技术的发电设备无线远程监测系统研究[J].华东电力，2009，37（2）：287-290.

[3] 高琳，王志新，邹建龙，等.基于分布式光伏电站和储能系统的 家庭能效管理策略研究[J].电力需求侧管理，2017，19（2）：20-24.