电网友好型家庭用能优化控制系统设计与实现

卓敏仪

摘要：本文设计实现的是基于最大化利用家庭光伏能源、减少家庭向供电公司的购电量、降低家庭用电成本的方法成果，规划基于物联网的智能家居的家庭绿色用能控制APP系统框架,采用APP作为用能优化协调提供信息采集和控制手段的载体,尝试基于储能的优化协调策略的实用化。

关键词：智能家居；家庭用能；APP；优化协调策略

【正文】

1引言

在实现基于时序匹配的用能协调优化算法的成果基础上，本次研究设计并实现家庭绿色用能协调控制系统，通过家用储能装置与用电设备、分布式光伏的控制，作为一种家庭用能的优化协调实用化工具。

2基于物联网技术的智能家居系统

智能家居是以家庭为基本平台，通过物联网等各种手段，将人们家庭中的各种居产品和智能产品如电视、灯光、窗帘、空调、影音、电脑、以及其他家居连接到一起，实现对照明、温度等多方面进行控制。智能家居不但拥有传统家居的一切优点，还能通过家庭能效管理，根据峰谷分时电价和光伏出力情况，以及对负荷用电信息的分析处理，通过分析建模找到最优的家庭用电方案，通过信息交互，实现对各种家居的开关、温度的合理调控等，一方面可以给居住者更加舒适的居住空间，二来可以合理的减少家居的运行时间，极大的节约了能源和资金。

本研究中智能家居系统是基于物联网技术设计的，是一种网络化的家居控制系统。智能家居系统之中的各种智能产品，通过WIFI的形式，通过互联网实现与智能家居控制系统（手机中安装的家庭用能系统APP）进行连通。用电设备与家庭用能系统APP进行连接，并受其控制，APP按照调度模型随时调度可定制设备用电计划的设备储、放电量，可以让家庭新能源发电变得平稳顺畅，按照调度计划自由接入电网，也可以通过不同设置，实现多种控制模式的使用：如人们在离开家后可以设置成为离家模式，或是相应的回家模式，以及节日模式等，极大的满足了人们对于高品质生活的根本追求。

3基于智能家居的家庭用能管理集成系统设计

家庭光伏、储能、电器和居民、电力公司之间存在着实时的双向信息流，通过家庭用能管理集成系统APP，随时掌握光伏、储能、用电设备运行状态、用电信息、实时电价、系统出力、储能约束情况，并通过分析处理，得出最优的用电调度方案后，可以通过用能管理集成系统对家庭电器实现远程控制，使电器按照最优用电方案中设定的时间运行，降低用电费用。

3.1程序架构设计

本节主要设计和实现了用能管理集成系统的服务器端、移动远程通信和客户端。如下图所示，家庭用能管理集成系统分为：设备层，网络层，应用层。

图1用能管理集成系统架构

（1）应用层提供用能管理集成系统和终端之间的接口，该层包括应用层支持平台和具体应用，为了支持复杂和智能控制，家居环境需要不同的设备进行协同工作，其中应用支撑平台主要为应用程序提供常见支持和能力，它也提供开放接口使应用程序具备访问和利用网络资源能力并且能够减少上层应用程序部署的复杂性。

该层同时为各种通信技术提供总线支持，它作为协议转化单元与各种通信技术兼容，并具有可伸缩性和易扩展性等特点。

（2）网络层由各种有线和无线网络组成，该层负责来自底层的数据信息的传输和处理，通过异构网络集成技术为上层提供所需资源。

（3）设备层或者也可以被称为感知层是整个架构中的最底层，通过使用各种物理或者逻辑传感器或者网络设备对家居环境实行全面控制和实时监控。

用能管理集成系统服务器端通过串口或网口与网络设备进行数据通信，获取各个设备的状态信息；通过串口与硬件模块进行数据通信，接收手机的控制命令；通过Socket与客户端进行数据通信，接收客户端的控制命令。服务器端也可以实现对电器，例如热水器、清扫机器人、空调的远程开关控制。客户端为用户提供与智能家居控制系统的远程面对面服务，包括客户端对家庭环境信息的显示和对家用电器的远程开关控制。

在整个层级架构中，由于采用服务器/客户端模型，应用层和核心层(家庭控制程序)之间能够通过Socket或HTTP(HyperTextTransferProtocol，全称为超文本传输协议)进行通信，基于安全性考虑也可以使用HTTP的安全版本HTTPS(HyperTextTransferProtocoloverSecureSocketLayer)进行安全通信。应用层和网络层之间通过总线技术进行交互信息，网络层和设备层之间使用各种现有无线和有线通信技术完成通信。

3.2系统功能设计

用能管理集成系统APP功能结构图：

图2用能管理集成系统功能结构图

家庭电器设备通过WiFi与用能管理集成系统APP相连，APP功能模块以控制器为核心，实现系统所需的特定功能，比如：热水器、清扫机器人等等家庭电器设备的控制、室内温度控制、安防远程控制、用能计划或用能模式控制等，每个模块的实现功能都是由控制器来发送指令。

系统功能采用两种模式，其中人工模式包括：智能灯光、清扫机器人启停等家庭电器设备的控制、室内温度控制、安防远程控制控制等。在智能模式中，可以通过设定、选用用能计划和用能模式。

4家庭用能管理集成系统实现

将优化协调算法实现在APP中，可以安装在手机上使用，主要有智能模式和人工模式两大类功能。

4.1智能模式

智能家居系统APP的智能模式是通过嵌入到模式中的用能协调优化算法实现电器用能自动控制，按照最优用电方案中设定的条件或时间运行，优化用电费用。

4.2人工模式

智能家居系统APP人工模式，是在用能优化协调算法的基础上，通过多种组合集成模式或人为操作控制部分用电器，例如热水器、清扫机器人等等家庭电器设备，实现室内温度控制、安防远程控制、用能计划或生活模式切换等，每个控制都是由控制器来发送指令。

5结束语

设计开发基于时序匹配的用能协调优化算法的家庭用能控制系统APP，实现对家庭绿色用能的协调控制。通过智能家居系统APP智能模式实现家庭电器自动控制，使电器按照最优用电方案中设定的条件或时间运行，优化用电费用；通过智能家居系统APP人工模式，实现热水器、空调、灯具等等家庭电器设备的人为控制，达到室内温度控制、安防远程控制、用能计划或生活模式切换等，每个模块的实现功能都是由控制器来发送指令。项目对普通家庭用能优化提供现实解决方法。