電力市場環境下家庭智慧能源網關概念及設計

夏元興　王慶澤　普月　夏實秋　吳許晗　馮世通

摘要：文章針對家庭用戶，設計了具有雙向互動功能的家庭智慧能源網關，可以響應售電公司下發的信號，向售電公司上傳用戶用電量信息。該網關采用STM32單片機作為控制核心，對下通過wiFi實現對家用電器設備的控制，為用戶制定用電策略；對上通過Internet實現與售電公司的信息傳遞，為售電公司制定決策提供支持。經理論分析與仿真計算，證明所設計網關提高家庭用戶用電效率，降低用戶用電費用，促進電網與家庭用戶有序互動的發展。

關鍵詞：電力市場；家庭用戶；智慧能源網關；雙向互動

2015年3月，中共中央國務院發布《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（2015）9號文，售電側改革是本輪電改新方案的最大亮點，有序向社會資本放開配售電業務標志著我國一直以來電網公司獨家壟斷配售電的體制被徹底打破。電力市場的改革，促進了需求響應的發展。需求響應是指電力用戶根據電價的變化和激勵政策調整用電方式，達到減少或者推移某時段的用電負荷從而緩解電網運行壓力，抑制電價上升的各種短期行為。

在電力市場改革及需求響應的發展背景下，設計具有電價互動功能的新型智慧能源網關，實現家庭用戶與售電公司的電價互動功能，家庭根據售電公司發布的電價信息調整用電設備工作時間，達到削峰填谷的作用。而售電公司則根據家庭能源網關獲取家庭用電情況調整電價，從而達到提高家庭用戶用電效率，優化其用電模式，實現每個家庭與售電公司的互動。

1.能源網關概念

企業能源網關能夠實現現有通信技術和協議的轉換，與電網實時通信，實現小企業用電設備的智能控制、使本地能源參與需求響應。其只是針對小型企業的能源網關進行的設計，并不能適用于家庭能源管理系統，未能實現家庭用戶與電網的互動、針對家庭用電設備的用電特性以及用戶的用電習慣參與需求響應。

在國內，隨著智能電網建設熱潮的掀起，各大家電廠商也紛紛開始開發自己的家庭能源管理系統。2011年10月，“北京智能用電研究中心”在北京發布一系列研究成果，標志智能用電理論概念探討研究階段進入到實質內容研究階段?；谖锫摼W技術的智能家居，則是以居民用電為依托，將智能開關，智能插座，水表電表及各種傳感器相連接的設備。其結合自動控制技術構建能源網關的手法，根據硬件技術的發展針對面向家庭的能源網關滿足了用電管理的需求。在家庭能源利用方面，提出了家庭微電網交流、直流及交直流混合供電模式，給出了家庭能源控制中心的控制方案來實現家庭微網的”即插即用”的智能用電網關。實現了泛在網絡式的家庭能效管理。

2.系統設計

用戶可以通過兩種方式對設備進行相關操作，如空調的運行時間、溫度、濕度和模式的調節；照明系統的運行時間、照明亮度和照明地點的控制；洗衣機的運行時間和模式的控制；電視機的運行時間、地點、音量的控制以及熱水器的運行時間和模式的控制等等。一種是通過MCGs觸摸屏進行控制設備，另一種是可以通過手機APP進行控制設備。前者通過觸摸屏將信息傳遞給stm32中央處理器，stm32中央處理器對信息進行處理并傳送到設備終端，同時可以獲取售電公司電腦端發布的電價信息，后者直接通過WiFi與設備終端相連將信息傳送給設備終端。設備終端與設備之間利用ZigBee相連，系統設計方案如圖1所示。

3.系統實現

3.1硬件實現

綜上所述，網關由控制核心、人機交互界面、電源模塊、通訊模塊等主要功能模塊組成，系統硬件框架如圖2所示。

系統采用stm32作為控制核心，以ARM Cortex-M3單片機作為內核。人機交互界面采用集顯示與控制于一體的MCGS屏幕。MCGS是用于快速構造與生成計算機監控系統的組態語言，能在基于微軟的任何32位windows平臺上運行。對現場數據的采集處理以動畫顯示，報警處理，流程控制，報表輸出等多種方式，向用戶提供解決實際問題的方案。

3.2軟件買現

系統在STM32單片機的基礎上架設了uC/OS-II操作系統，它執行效率高、占用空間小、實時性能優良、可擴展性強，為家庭能量管理系統提供了有力支持，提高了系統性、高效性、實時陛和抗干擾性。

用戶可以通過觸摸屏和手機兩種方式查看或者控制設備，觸摸屏顯示的內容主要是設備總體的運行狀態、設備總體的功耗情況以及經濟性最優和舒適度最優的兩種策略選擇，同時能夠顯示各個設備的當前運行情況和功耗情況。

系統通過NRF24L01無線模塊連接到以太網，獲取實時電價，同時，可以由手機端App遠程監測、控制用電器的工作狀態。本無線模塊將監測到的用戶用電反饋給EMC能量管理系統，再從電網公司接收到實時電價信息，以方便控制核心精確計算出用戶的實時消費電費的情況，實現實時電費消費情況反饋。

3.3通訊實現

對同一個房間的設備，可以通過手機或者觸摸屏對設備進行控制，手機NwiFi將信息傳遞給設備終端：對不在同一房間的設備，設備終端需通過ZigBee經中繼設備然后將信息傳送給設備，從而達到控制相關設備的目的。

4.應用場景及效益分析

電網的改革以及智能電網的發展，使得智能家居成為一個研究的熱點方向。本系統適用于我國絕大多數的城市家庭用戶和酒店用戶，通過物聯網技術將家中的各種設備（如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、網絡家電以及3表抄送等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程定時控制等多種功能和手段。同時，本系統的用電方案默認就有考慮到節能減排方面，符合國家提出的綠色經濟。隨著本系統應用區域的擴大將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

5.結語

在電力市場改革背景下，實現家庭用戶與電網的雙向互動具有實際意義。本文以家庭各用電設備作為控制對象，設計了具有雙向互動功能的智慧能源網關，該網關作為用戶與電力公司交互的“橋梁”，可以響應電力公司下發的電價信號，為用戶制定符合自身需求的用電策略。