引言

　　2009年5月，“智能電網(wǎng)”一詞正式進(jìn)入大眾視野，國(guó)家電網(wǎng)公司正式布局“智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)具有快自愈，快響應(yīng)等特點(diǎn)。在我國(guó)，電力資源分配不均，電能浪費(fèi)較大，電能利用率不高，因此越來(lái)越多的研究者致力于解決上述問(wèn)題。除此之外，用戶的用電行為習(xí)慣也影響著電網(wǎng)的良好運(yùn)行。本文結(jié)合用戶用電行為習(xí)慣和實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)電網(wǎng)用電的影響，設(shè)計(jì)了基于復(fù)費(fèi)率電表的實(shí)/分時(shí)電價(jià)智能用電控制器來(lái)從用戶端平衡電能負(fù)荷。該控制器通過(guò)”錯(cuò)峰用電”的方式來(lái)避免電高峰時(shí)電能不足，用電低谷時(shí)電能富于的狀況。尤其是在當(dāng)用戶家中，具有大功率用電器可能同時(shí)應(yīng)用時(shí)，以較小的電價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)提前運(yùn)行該大功率用電設(shè)備將極大地減小經(jīng)濟(jì)和環(huán)境開銷，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.總體方案

　　復(fù)費(fèi)率電表相較于機(jī)械電表具有電能計(jì)算精準(zhǔn)，可靠性強(qiáng)，智能化程度高等特點(diǎn)，不僅支持遠(yuǎn)程抄表、實(shí)時(shí)電價(jià)發(fā)布、電量報(bào)警、預(yù)付費(fèi)等功能，還能方便地對(duì)用戶的用電信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和查詢等。家居智能用電控制器在家居系統(tǒng)中的位置如下圖1所示，該控制器在不改變家居用電布局的前提下接入家居網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)復(fù)費(fèi)率電表的通訊口(RS485)接入家居網(wǎng)絡(luò)并對(duì)電器設(shè)備用電情況進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)復(fù)費(fèi)率電表的實(shí)時(shí)電價(jià)來(lái)產(chǎn)生對(duì)家庭用電設(shè)備的控制命令，以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的用電習(xí)慣的采集，為后期用電策略的制定提供依據(jù)。智能用電控制器的層次結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1智能用電控制器示意圖

　　智能用電控制器分主控制器和智能插座兩部分，主控制器的控制結(jié)構(gòu)分為五部分，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、決策器、通信處理模塊、以及核心處理器、以及必備外圍部件。智能插座由網(wǎng)絡(luò)模塊，MCU，以及必備的硬件電路組成。主控制器從復(fù)費(fèi)率RS485口接入實(shí)/分時(shí)電價(jià)，存儲(chǔ)在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立電價(jià)與時(shí)段——峰、平、谷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)已記錄的用戶用電行為信息來(lái)形成用電建議。主控制器兼具Zigbee和Wi-Fi兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式，能適用于Zigbee家居網(wǎng)絡(luò)的用戶和普通家居網(wǎng)絡(luò)。

圖2 智能用電控制器架構(gòu)

　　2.硬件設(shè)計(jì)

　　主控制器選用Samsung公司的S3C2440為處理器，搭配128M的存儲(chǔ)空間，精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)并預(yù)留部分?jǐn)U展口，主控制器采用如圖3的原理框圖，在智能插座端，提供兩種網(wǎng)絡(luò)選擇，采用如圖4的結(jié)構(gòu)電路。

　　主控制器采用12MHz的輸入晶振，最后輸出400MHz的時(shí)鐘頻率到核心控制器;采用通用5V電源供電方式，提供對(duì)各個(gè)應(yīng)用接口和模塊的用電需求;控制器采用4.3寸TFT液晶顯示屏來(lái)顯示終端控制程序的運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的體驗(yàn)界面，除此之外，還保留復(fù)位電路，支持一鍵復(fù)位功能;主控制器通過(guò)RS 485從復(fù)費(fèi)率電表中采集實(shí)/分時(shí)電價(jià)信息并存儲(chǔ)在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供給決策器使用;主控制器在不影響家居現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的情況下分別通過(guò)Zigbee，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)模塊加入本就具備Zigbee的家居網(wǎng)絡(luò)和普通Wi-Fi家居網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

　　智能插座除具備主控制同樣的網(wǎng)絡(luò)模塊外，微處理器采用STM32f103系列主控芯片，搭載適當(dāng)?shù)木д耠娐?，?fù)位電路，以及調(diào)試接口，繼電器電路等。

　　3.軟件設(shè)計(jì)

　　3.1網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)中采用Zigbee和Wi-Fi兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是針對(duì)存在智能家居網(wǎng)關(guān)的環(huán)境，Wi-Fi通信方式主要針對(duì)不具有智能家居網(wǎng)關(guān)的家居環(huán)境。

　　Zigbee通信方式的設(shè)計(jì)

　　主控制器和智能插座采用Zigbee通信模塊作為控制網(wǎng)絡(luò)的接入，主采用FFD類型[5]，當(dāng)主控制器通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信模塊將控制命令法送給智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到控制命令后，據(jù)傳遞協(xié)議，解析該控制命令傳遞的對(duì)象，再通過(guò)網(wǎng)內(nèi)短地址與控制協(xié)議的映射關(guān)系，將命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，因此可以采用如表1的控制協(xié)議。

　　Wi –Fi通信方式的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中的所有Wi-Fi 模塊在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，須從家居Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中獲得一個(gè)靜態(tài)IP地址，且所有家居網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備(包括網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)、智能用電控制器、以及用戶設(shè)備)地址不同。則智能用電控制器可以通過(guò)在家居網(wǎng)絡(luò)中控制每一個(gè)單個(gè)用電設(shè)備。

　　表1 智能用電控制器應(yīng)用層統(tǒng)一管理協(xié)議UDCP報(bào)文格式

　　幀控制字：用以判定節(jié)點(diǎn)(包括主制器和智能插座以及網(wǎng)關(guān))對(duì)該幀的處理方式。若接收該幀的設(shè)備的地址和數(shù)據(jù)包中的設(shè)備地址字段相符，則節(jié)點(diǎn)自動(dòng)拆包，否則自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)填充十六進(jìn)制數(shù)0x00。從始發(fā)節(jié)點(diǎn)(控制器或者節(jié)點(diǎn))發(fā)出的所有數(shù)據(jù)報(bào)該字段將填充0x00。該字段默認(rèn)0x11—拆包。

　　設(shè)備地址：指節(jié)點(diǎn)從家居網(wǎng)絡(luò)中獲得的實(shí)際網(wǎng)內(nèi)地址(Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則取網(wǎng)絡(luò)地址后16bit)自動(dòng)將該地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)并填充至該字段。

　　網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程

　　通過(guò)主控制器終端程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的選取、以及家居環(huán)境中所存在的不同種電器設(shè)備的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)中用電設(shè)備的用電控制。網(wǎng)內(nèi)智能用電控制器、網(wǎng)關(guān)、智能插座間的通信如圖5所示。

圖5 一次網(wǎng)內(nèi)通信流程

　　收到上述管理幀的所有節(jié)點(diǎn)將該幀幀地址字段和自己的地址字段進(jìn)行比較以判定該幀是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，若是則節(jié)點(diǎn)自動(dòng)在該幀的幀控制字字段中填充0x00,否則立即拆包并解析相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包從主控制器與智能插座間的通訊過(guò)程構(gòu)成整個(gè)通信流程，唯一不同的是，節(jié)點(diǎn)上傳用戶用電行為時(shí)，控制命令字段僅存在兩種情況，即用戶觸發(fā)家電用電和無(wú)觸發(fā)行為，分別用十六進(jìn)制數(shù)0x10和0x20標(biāo)識(shí)。

　　3.2決策器設(shè)計(jì)

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

　　主控制器具有手動(dòng)和自主兩種運(yùn)行模式，采用三層設(shè)計(jì)，包括電力接入通訊層、用電信息處理層和用電行為指導(dǎo)層。用電信息處理層主要完成對(duì)所采集的所有數(shù)據(jù)的處理，并提供決策器使用，從而產(chǎn)生用電行為指導(dǎo)建議。

　　智能家居用電控制器采用SQLite為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，將處理后的信息并存儲(chǔ)在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。主控制器采集峰、平、谷三時(shí)段的電價(jià)信息，并對(duì)各個(gè)時(shí)段的歷史電價(jià)信息進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，當(dāng)電價(jià)逼近歷史統(tǒng)計(jì)值的期望值時(shí)，向相應(yīng)的決策函數(shù)發(fā)出信號(hào)，因此數(shù)據(jù)庫(kù)可按照如下表2方式建立電價(jià)信息數(shù)據(jù)表.

　　表2 分/實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)表

　　電力接入通訊層將所更新的電價(jià)信息按照上表插入到電價(jià)數(shù)據(jù)表的對(duì)應(yīng)字段并統(tǒng)計(jì)歷史信息和記錄用戶用電行為;電信息處理層利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算各時(shí)段均值，利用已經(jīng)得到的各時(shí)段均值和對(duì)應(yīng)時(shí)段電價(jià)的比值來(lái)確定當(dāng)前時(shí)段電價(jià)的可利用性并填充至如表3的數(shù)據(jù)庫(kù)表中，從而為決策函數(shù)提供判據(jù)。智能插座采集到的用戶用電行為習(xí)慣經(jīng)處理后匯總在電行為指導(dǎo)層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表4中。

　　表3 電價(jià)歷史分析表

　　表4 用戶用電行為表

　　決策機(jī)制設(shè)計(jì)

　　主控制器有手動(dòng)和自主兩種模式。手動(dòng)模式下，無(wú)論當(dāng)前電價(jià)處于高峰還是低估，家居環(huán)境中的所有家用電器設(shè)備不受主控制器的限制，但主控制器記錄用戶的用電行為，如“18時(shí)30分：開啟熱水器”;自主模式下，首先判定當(dāng)前是否有用戶的手動(dòng)控制家用電器，若有則主控制器轉(zhuǎn)入手動(dòng)模式，若無(wú)用戶操作，則主控制器查詢是否有未調(diào)度的任務(wù)，若存在尚未調(diào)度的任務(wù)，則根據(jù)表三中的比值來(lái)判定當(dāng)前電能的可用性，以是否允許該家電設(shè)備工作。否則，從手動(dòng)模式下統(tǒng)計(jì)(統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)度默認(rèn)為一周)到的用電行為習(xí)慣來(lái)預(yù)測(cè)用戶的行為習(xí)慣，并開啟自動(dòng)提醒功能，提示用戶選取可執(zhí)行的用電行為。其決策流程圖可表示為圖6。

圖6 智能用電控制器決策流程

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)復(fù)費(fèi)率電表不同時(shí)段不同費(fèi)率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于該類表的智能用電控制器，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了該智能用主控制器和智能插座的硬件結(jié)構(gòu)，并依據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了軟件控制流程和控制機(jī)制。

　　本設(shè)計(jì)立足于家居生活環(huán)境，從家庭用電的實(shí)際出發(fā)，利用峰、平、谷電價(jià)不同這一特點(diǎn)，采取“移峰填谷”的思想，錯(cuò)峰用電的方式改變家居用電習(xí)慣，但考慮到用戶自身的用電習(xí)慣，將用戶的實(shí)際控制能力保持在第一位，控制器低級(jí)別運(yùn)行，構(gòu)建了該設(shè)計(jì)。智能用電控制器，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于節(jié)省電能資源和優(yōu)化能力調(diào)度以及普及低碳生活具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

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