基于电力路由器的家庭能量管理系统

郑伟锋，黄森炯，许 达

（国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，宁波 315000）

随着传统化石燃料的过度消耗，环境问题日益严重，加之全球能源需求不断增长，在这些因素的推动下，可再生能源的开发利用获得快速发展，能源结构也随之发生全面深刻的变革[1]。利用可再生能源发电具备能源充裕、环保等优势，但其随机性、间歇性等特性会降低供电质量，对于配备分布式发电装置的家庭来说，这无疑增加了进行能量管理的不稳定因素[2]。

目前，已有专家学者针对配置分布式电源的家庭能量管理进行大量研究，成果显著，其中侧重点在于系统结构与管理策略两个方面。在管理策略方面，文献[3-4]中系统利用动态的电价调节负荷工作时间以实现节能，对家用电器进行分类，在用电高峰将可中断负荷切断供电或者转移至其它时段以降低能源成本并防止供电不足[5-6]。系统管理策略研究本质在于负荷调度，而具有即插即用功能和灵活可扩展性的能量管理平台是必不可少的，两者结合将会提高系统的性能。

Takekazu Kato 等提出了“i-Energy”的概念以及“能源随需应变EoD（energy on demand）”的新型能量控制方法，以实现对分散式电源与电器间功率流有效且通用地控制[7]。Song Wenzhan 等提出了智能电源开关，它具有互联网路由、电源转换和保护设备的功能[8]。随着电力包分发技术的发展，研究人员开始整合电力传输和通信的物理路径，由此出现了电力路由器[9]。电力路由器的工作原理在于将电源分组，并将与负载匹配的电源电能直接传送至负载，而后随着电力电子技术的快速发展，其应用范畴由单一电力路由器到电力路由器间的互联；文献[10]基于电力路由器互联设计了新颖灵活的微网互联框架，通过多端口电力路由器实现微网间的能量交互。文献[11]中提出了基于能量路由器构建的能源互联网框架，通过不同电压等级的能量路由器进行电压变换与能量传送。

为解决可再生能源接入系统带来的这些问题，本文设计了基于电力路由器的家庭能量管理系统HEMS（home energy management system），通过电力路由器将电网、可再生能源系统和负荷相连接。相比于已有的科研成果，HEMS 具有如下特点：通过电力路由器管理分布式能源与负荷，提供即插即用的端口；根据用户的舒适度、能耗和负荷特性，对负荷进行最佳动态控制；提高可再生能源的本地消纳率。

1 基于电力路由器的家庭能量管理系统架构

1.1 面向家庭能量管理的电力路由器框架

本系统的核心组件是电力路由器，其主要功能是完成系统电能的变换与管理。根据功能需求，电力路由器主要由整流器、逆变器VSC（voltage source converter）、开关模块、通信网络等组成，其整体结构框图如图1 所示。电力路由器中各模块的功能如下。

图1 电力路由器的整体框架Fig.1 Overall framework of electric power router

（1）电力路由器的核心是主逆变器VSC，具备双向变换功能，将各分布式发电设备及储能设备输出的直流电转换成可供负荷直接使用的交流电。

（2）采集模块主要采集各个输入输出端口的电流、电压、功率、功率因数等参数，存储到数据库中，为后期进行数据处理提供原始数据。

（3）能量分配管理即通过对原始数据进行分析，使用优化调度算法制定控制策略以管理开关的合理动作。

（4）直流母线汇集各分布式电源和储能设备经过变流器的电能，经逆变器将直流转变成交流接至交流母线，简化了各电源并联带来的控制与电能分配问题。

1.2 分布式发电与储能技术

1.2.1 光伏发电技术

分布式电源是家庭能量管理系统进行可再生能源利用、实现能量协调优化的重要基础。在化石燃料濒临匮乏以及环境污染加剧等情况下，分布式发电技术发展得十分迅速，且已普遍运用于实际生产生活中。而本文根据实验室的现有条件，采用光伏发电作为接入系统的分布式电源。

光伏电池输出功率具有明显波动以及非线性的特点，受到光照强度、周围温度等多种因素的影响，其中，光伏电池输出的最大功率取决于太阳辐射强度[12]。以天津夏季典型天气为例，用额定输出270 W 的光伏电池经并网逆变器向电网供电，实测全天光伏输出曲线如图2 所示。

图2 光伏全天输出曲线Fig.2 Curve of photovoltaic daily output

1.2.2 储能技术

可再生能源发电时受环境因素影响较大，需要配置储能设备来平衡可再生能源发电的功率波动，提高供电质量，优化分布式电源的运行。按照电能转化形式的不同，储能技术主要划分为电磁储能、机械储能和化学储能3 种类型[13-15]。考虑到实验室的硬件条件，化学储能最具可行性，并且基于成本因素，本试验选择蓄电池作为储能设备。

表1 储能设备性能对比Tab.1 Comparison of performance among energy storage equipment

1.3 负荷类型

本文的应用场景是家庭，系统进行能量协调优化必然涉及对负荷的调度，所以要对家庭中的用电负荷进行分类。负荷分类首先需要考虑用电负荷是否可调度，以及实施调度对用户的舒适度是否造成影响。综合以上两因素，将用电负荷划分为2 种类型：基础负荷和可调度负荷。基础负荷对用户是刚性需求，一旦发生调度转移，就会严重影响用户的用电体验。基础负荷虽然不在系统可调度负荷的范畴内，但是本文设计的电力路由器可实现无缝切换，可对其供电电源进行选择，3 种电源（光伏、储能与市电）均可对其进行供电并且可相互补充。可调度负荷具备一定的时间弹性，即允许中断对其供电，或者改变工作时段，且不会造成用户用电体验的下降。可调度负荷又进一步分为可中断负荷和不可中断负荷。可中断负荷间歇性工作，工作时间比较自由；不可中断负荷在负荷工作时间内不可以随意开断，否则会影响电器的性能和工作效率。

家用负荷的用电参数见表2。表2 中负荷优先级越高，对应的数字越大。

表2 家用负荷用电参数Tab.2 Electricity parameters of household load

2 系统能量调度模型设计

2.1 系统软件架构

基于电力路由器的家庭能量管理系统的软件架构大致分成3 层，即信息采集层、网络传输层与系统管理层。其中：①信息采集层的任务是收集分布式电源、功率变换装置、电力路由器端口的状态信息以及测量模块的电能数据信息；②网络传输层主要作用是由RS-485 总线网络按照协议在设备和模块之间传输各种指令和数据；③系统管理层承担着系统的信息处理、电力路由器的运行监控以及各类分布式电源与负荷的管理调度等任务，并且该层细分为物理层与业务层2 个层级。其中物理层主要包括系统的硬件平台及驱动、操作系统。业务层包含数据库与系统应用。系统软件架构中各层次均承担不同功能，并且相互配合共同实现系统整体功能，其基本架构如图3 所示。

图3 系统软件架构Fig.3 Software structure of the system

2.2 系统能量调度策略

结合实际应用场景和系统各模块功能设计，基于电力路由器的家庭能量管理系统需要结合接入负载信息和系统当前状态进行调控和电能管理，因此系统的控制策略主要是实现电源与负荷的优化匹配。图4 是负荷接入系统或运行状态改变的处理流程，HEMS 控制策略详细描述如下。

图4 系统电源负荷匹配流程Fig.4 Flowchart of matching between power and load in the system

（1）HEMS 通过每个装载端口的采集模块收集负荷的电气参数，并将其保存在负载信息库中。

（2）当负荷端口有加载访问请求信号时，HEMS选择将其连接到电力路由器的负荷端口并检测其采集模块。如果检测到的信息与信息库匹配，则开始调度并更新信息库。由于本系统的电力路由器带有交直流母线，因此市电、PV 和储能装置可以单独供电，也可联合供电。若信息不匹配，则继续检测其电功率，直到它具有理想的功率匹配方案，然后系统更新负载信息库。

（3）当电网电源阈值发送到HEMS 或电网总功率超过设定阈值，仍不满足负载需求时，需要根据优先级切断负载。若负载的优先级较高，则断开的负荷仍将再次连接到系统，系统再次为其供电。

3 系统运行控制实验

3.1 系统实验平台

系统实验平台如图5 所示，其核心在于电力路由器，电源端与光伏、蓄电池与市电相接，家用电器接至负荷端。系统通过电力路由器中主控模块生成调度策略以控制开关模块，从而实现电源负荷优化匹配。

图5 系统实验平台Fig.5 Experimental platform of the system

3.2 系统实验结果

实验中，屋顶铺设光伏板的开路电压为37.5 V，最大输出功率为235 W，共有10 块；铅酸蓄电池的具体参数为：最大容量为65 A·h、额定电压为12 V，考虑系统的功率需求，装有3 组蓄电池。因此实验平台的功率等级是3 kW。

系统实验内容主要包括两个方面，即系统暂态稳定性与长期运行稳定性，其中暂态稳定性实验包括负荷供电电源与系统运行模式的切换以及负荷投切，以论证系统瞬时动作的无缝切换；长期运行稳定性试验侧重于对比调度策略使用前后的电能损耗量，以论证系统的经济性。

3.2.1 系统暂态稳定性实验

本系统具备多个电源端和负荷端，通过多个继电器通断的控制实现能量最优匹配。由于继电器通断有一定延时，是否对系统运行造成影响，本文通过实验予以验证。实验结果如图6～图8 所示。

图6 系统供电电源切换波形Fig.6 Switching waveforms of system power supply

图6 是负荷工作供电电源发生改变的瞬态波形，结果表明继电器的动作时间小于交流电的半个周期，不影响负荷工作。图7 是系统工作模式在孤岛与并网间切换的瞬态波形，结果表明能够实现平缓切换。图8 是在系统不同工作模式下投切负荷的瞬态波形，结果表明系统能够实现良好供电。

图7 系统运行模式切换波形Fig.7 Switching waveforms of the system in operating mode

图8 系统不同运行模式下负荷投切波形Fig.8 Load switching waveforms of the system in different operating modes

3.2.2 系统长期运行稳定性实验

以夏天晴朗的一天为例，获取相关的负荷和光伏的功率信息以及储能的充放电曲线SOC，通过对比调度策略使用前后的市电损耗量，进而论证系统能否最大化地利用光伏发电，实现其运行的经济性。

系统未使用调度策略的实验结果如图9 所示。可见：①08∶00-11∶00 光伏输出电能不仅为负荷供能，还给蓄电池充电，并且此时光伏余量太多，将多余的电量并网，进行售电；②正午时分，负荷增多，光伏输出不够，储能进行补偿，无需市电供能；③13∶00-16∶00 光伏输出有剩余，为蓄电池充电；④17∶00-23∶00 光伏输出逐渐减为0，储能供电，由于负荷较多，储能无法完全供能，市电接入，即购电；⑤23∶00-06∶00 光伏输出为0，储能电能为0，负荷逐渐减少，全由市电供电，此时段全是购电。

图9 系统调度前负荷功率、光伏输出和SOC 曲线Fig.9 Curves of load power,photovoltaic output and SOC before system scheduling

系统使用调度策略后的实验结果如图10 所示。可见：①当系统中有光伏输入时最大程度地使用光伏，当光伏能量剩余时为蓄电池充电，SOC 曲线在08∶00-16∶00 时段是不断上升；②根据负荷的优先级以及阈值设定进行负荷调度，将集中在中午时段的负荷合理地转移至全天，实现系统内光伏发电量的最大化利用；③储能的供电时段主要在晚上，当储能不充足时由市电补充。

图10 系统调度后负荷功率、光伏输出和SOC 曲线Fig.10 Curves of load power,photovoltaic output and SOC after system scheduling

从以上实验结果可以得出：调度前系统的平均用电量是270.38 W，调度后系统的平均用电量是239.45 W，降低了11.5%。由此可说明系统的调度策略是有效的，也可提高系统的经济性。此外，实验过程中系统根据各电源的供电情况，实现了电源的联合供电，最大化地利用可再生能源发电，且不影响负荷的正常工作。

4 结语

为减少分布式发电对用户及电网的不利影响，并发挥其优势，本文设计了基于电力路由器的家庭能量管理系统，实现了用户侧分布式电源和用电设备的有效管理。当电源侧分布式电源输出波动或不同特性、不同重要等级的负载接入时，能量管理系统根据电源、设备的运行约束条件和优化管理策略调节储能和电源的输出；通过控制继电器动作在保障负载稳定工作前提下尽量利用可再生能源发电。