劉 暢，周渝慧，許 蔚，胡文杰，朱潔琳，程 露

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

智能電網(wǎng)系統(tǒng)以其在提高能源利用效率、設(shè)備利用效率以及投資收益等方面的巨大優(yōu)勢(shì)而受到各國(guó)越來越多地關(guān)注。居民用電在我國(guó)多數(shù)地區(qū)用電增長(zhǎng)率較高，從建設(shè)智能電網(wǎng)的角度看，居民用電方式的靈活、節(jié)約、創(chuàng)新和居民用電系統(tǒng)的智能化是具有更實(shí)際價(jià)值的先期應(yīng)用領(lǐng)域。

本文通過對(duì)智能電網(wǎng)中關(guān)于居民用電高級(jí)計(jì)量系統(tǒng)的探索，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”，結(jié)合智能電網(wǎng)中的高級(jí)計(jì)量管理體系（AMI）和遠(yuǎn)程資產(chǎn)監(jiān)視和控制系統(tǒng)，運(yùn)用智能電能表實(shí)時(shí)顯示用戶用電情況，并且利用計(jì)算機(jī)智能地為用戶呈現(xiàn)不同的節(jié)能方案以供用戶選擇，在滿足用戶用電需求的前提下，智能地調(diào)配居室內(nèi)各用電器具使用，從而最大程度地節(jié)約居室日常用電量，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置。

1 高級(jí)計(jì)量體系（AMI）構(gòu)成

隨著智能電網(wǎng)概念的出現(xiàn)，一種集智能表計(jì)、數(shù)據(jù)管理以及負(fù)荷智能控制等技術(shù)于一體的高級(jí)計(jì)量體系（advanced metering infrastructure，AMI）作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分越來越受到人們的重視。AMI并不是一項(xiàng)單一的技術(shù)，而是一個(gè)多技術(shù)的綜合體。如圖1所示，AMI的基本結(jié)構(gòu)是由以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)組成的。

（1）智能電能表

AMI中使用的智能電能表是一種固態(tài)可編程的裝置，它具有很多傳統(tǒng)電能表所不具備的功能，如顯示電能使用數(shù)據(jù)，顯示時(shí)變電價(jià)，失（修復(fù)）電源通告，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，干擾與竊電監(jiān)測(cè)，與室內(nèi)其它的智能設(shè)備互相通信等。

智能電能表被稱為綠色的計(jì)量裝置，它與傳統(tǒng)電能表最重要的不同就是它能引導(dǎo)用戶進(jìn)行節(jié)能減排，從而實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)機(jī)制。它不僅僅是一塊電能表，可以說它是居室內(nèi)的能源控制中心。它的智能控制單元能夠根據(jù)用戶當(dāng)前的用電情況，幫助用戶做出節(jié)能決策。它與室內(nèi)的各種用電設(shè)備緊密相連，一旦用戶做出決策，它能夠立即開始根據(jù)計(jì)劃，控制各用電設(shè)備的工作，整個(gè)過程無需用戶手動(dòng)參與，用戶所需要做的就是在屏幕上發(fā)出節(jié)能指令。

（2）廣域通信結(jié)構(gòu)

AMI的通信結(jié)構(gòu)支持在電力公司、用戶以及可控電力負(fù)荷之間的互相通信。它采用雙向通信標(biāo)準(zhǔn)，以確保通信的快速安全?；玖鞒淌牵簲?shù)據(jù)集散中心從各組智能電能表中采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過回程通道傳送給中心服務(wù)器。通信介質(zhì)可以采用電力線載波、電力線寬帶、無線網(wǎng)絡(luò)以及Internet或者是以上的結(jié)合。

（3）家庭（本地）局域網(wǎng)（HAN）

家庭（本地）局域網(wǎng)是AMI中重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。HAN將智能電能表和各種可控的用電設(shè)備連接起來，組成局域網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多種能源管理功能。其中包括顯示能源使用情況，對(duì)價(jià)格信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)，電力安全監(jiān)測(cè)等。

（4）表計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（MDMS）

MDMS是一個(gè)帶有分析工具的數(shù)據(jù)庫(kù)，它的最重要的功能就是完成對(duì)AMI數(shù)據(jù)的確認(rèn)、編輯與評(píng)估（VEE），從而防止通信網(wǎng)絡(luò)的中斷以及在用戶端保證數(shù)據(jù)流的完整與準(zhǔn)確。

2 節(jié)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制

本居室智能節(jié)電系統(tǒng)（smart resident energysaving system，SRES）處于AMI結(jié)構(gòu)體系中的用戶端。在用戶需求的層面上，組建家庭用電和寬帶共享的局域網(wǎng)絡(luò)，通過智能電能表控制居室內(nèi)的各種用電設(shè)備，根據(jù)各個(gè)時(shí)段電價(jià)的不同，為用戶計(jì)算分析出最佳的節(jié)電策略供用戶選擇，從而起到需求側(cè)響應(yīng)的作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)由于僅僅是在用戶端實(shí)現(xiàn)AMI的體系，因此用計(jì)算機(jī)來模擬電網(wǎng)端。計(jì)算機(jī)模擬電力公司向智能電能表傳送電價(jià)等數(shù)據(jù)，智能電能表將接收到的電價(jià)等信息送到內(nèi)置處理器中進(jìn)行分析處理，根據(jù)這些信息并結(jié)合居室內(nèi)當(dāng)時(shí)的電能使用狀況，為用戶提供一系列節(jié)能方案，并顯示在智能電能表的觸摸式控制屏上。用戶可以結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)與自己的電能需求情況適當(dāng)?shù)剡x擇節(jié)能方案。當(dāng)方案被用戶確定以后，智能電能表立即產(chǎn)生一套控制指令，將指令傳送到控制器中，控制器接收到這些指令通過模擬或數(shù)字信號(hào)控制居室內(nèi)的各用電設(shè)備。同時(shí)，居室內(nèi)的各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況也會(huì)通過控制器傳回智能電能表，智能電能表的內(nèi)處理器會(huì)分析這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前的節(jié)能效率，并將結(jié)果顯示在顯示屏上。這樣一來用戶對(duì)整個(gè)室內(nèi)的用電情況就一目了然。由于電價(jià)和節(jié)能率也同時(shí)顯示出來，能夠使用戶對(duì)自己的電能使用效率有一個(gè)更加直觀、更加量化的了解，這就從側(cè)面激勵(lì)用戶去自覺的節(jié)能。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

由于采用計(jì)算機(jī)模擬電網(wǎng)端，本系統(tǒng)硬件主要包括2個(gè)主要部分：智能電能表和居室電器控制器。

3.1 智能電能表設(shè)計(jì)

本SRES系統(tǒng)中的智能電能表，是由一塊液晶顯示屏及其控制電路組成。它可以通過RS232串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。計(jì)算機(jī)向串口發(fā)送一組二進(jìn)制代碼，控制液晶顯示屏上的一個(gè)顯示動(dòng)作，代碼與顯示動(dòng)作一一對(duì)應(yīng)，這樣就可以達(dá)到對(duì)液晶顯示屏的實(shí)時(shí)控制。

我們將“智能電能表”的顯示界面設(shè)計(jì)成圖3的樣式，可以顯示出用戶的當(dāng)前時(shí)段及對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電價(jià)，受控制的用電器被一一列出，當(dāng)前居室內(nèi)用電器的使用狀況一目了然。同時(shí)，根據(jù)用電器的使用情況計(jì)算出當(dāng)前的用電總功率，并顯示在液晶屏上，如果總功率高于某一設(shè)定好的值，屏幕下方會(huì)出現(xiàn)節(jié)電提示。

液晶顯示屏通過串口與計(jì)算機(jī)相連，在“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”的軟件部分里，運(yùn)用串口控件向計(jì)算機(jī)串口發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，控制液晶屏幕上的顯示。液晶模塊的RS232接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

通過這個(gè)模擬的智能電能表，可以為用戶提供詳細(xì)的用電信息，使用戶對(duì)居室當(dāng)前的用電狀態(tài)有一個(gè)全面的了解，并且能夠?qū)τ脩舻墓?jié)電行為起到很好的激勵(lì)作用。

圖3 智能電能表顯示內(nèi)容

圖4 液晶模塊RS232接口

3.2 居室電器控制器設(shè)計(jì)

控制器主要起到作為智能電能表和室內(nèi)用電設(shè)備之間聯(lián)絡(luò)橋梁的作用。它接收智能電能表發(fā)出的控制口令，并將其轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字輸出量對(duì)室內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)，它也可以采集室內(nèi)各用電設(shè)備的工作情況，并將其反饋給智能電能表。這一部分主要由數(shù)字量模擬量輸入輸出控制器完成對(duì)各個(gè)用電器的控制。它可以利用計(jì)算機(jī)RS232串口實(shí)時(shí)控制模擬量的輸出和數(shù)字量的輸出，控制器采用特有的抗高頻干擾電路，工作穩(wěn)定可靠，其中每路模擬量輸出都有過壓保護(hù)電路，可抗雷擊以及靜電沖擊。工作電源為直流24 V，采用高速C8051系列單片機(jī)，具有2路模擬量輸出（0～12 V），6路數(shù)字量輸出。通過向串口發(fā)送簡(jiǎn)單的代碼就可以控制各數(shù)字量和模擬量的輸出，使用極其方便?？刂破鞯慕泳€圖如圖5所示。

我們?cè)诰邮夷Ｐ椭?，選用了照明燈、落地?zé)?、裝飾燈、空調(diào)、電暖氣、電視機(jī)、飲水機(jī)、組合音響這8個(gè)可控的不同功率的家用電器，用直流電動(dòng)機(jī)、發(fā)光二極管、音樂芯片等器件代表不同的用電器，來模擬真實(shí)的家庭居室。

圖5 控制器的接線原理圖

居室電器控制器通過串口與計(jì)算機(jī)連接，在“居室智能節(jié)電系統(tǒng)”的軟件部分里，根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)地發(fā)出指令，指令代碼通過RS232串口發(fā)送到控制器，控制模擬量的輸出電壓和數(shù)字量的開通與關(guān)斷，從而達(dá)到對(duì)直流電動(dòng)機(jī)、發(fā)光二極管等器件的控制，這樣就可以準(zhǔn)確地模擬出居室內(nèi)的電器使用狀況。

本系統(tǒng)還制作了居室模型，將各個(gè)用電器安裝到其各自的位置，使其更具有觀賞性，更完整地體現(xiàn)出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)假設(shè)了4個(gè)模擬時(shí)段，各個(gè)時(shí)段分別采用一種電價(jià)模式。可供選擇的時(shí)段分別為：6：00～8：00，8：00～19：00，19：00～23：00，23：00～6：00，在演示時(shí)，用戶需要選擇一個(gè)模擬時(shí)段。

然后，系統(tǒng)會(huì)向用戶顯示出當(dāng)前居室內(nèi)所用用電設(shè)備的基本情況，如表1所示。用戶根據(jù)需要選擇自己要開啟的用電設(shè)備，系統(tǒng)即可計(jì)算出整個(gè)居室內(nèi)的用電總功率。

接下來用戶需要選擇希望節(jié)約的功率，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的選擇自動(dòng)生成一套節(jié)電方案，系統(tǒng)自動(dòng)生成的方案優(yōu)先排序如下：（排列按照建議首先關(guān)閉→最后關(guān)閉，其中④⑤為功率可調(diào)電器，隨時(shí)參與功率調(diào)整，但為最后關(guān)閉電器）

6：00～8：00：⑦①②③⑥⑧④（⑤）

8：00～19：00：①②③⑦⑧⑥④（⑤）

19：00～23：00：①②⑦⑧⑥③④（⑤）

23：00～6：00：⑦①⑥⑧②③④（⑤）

節(jié)電方案并不唯一，用戶可以根據(jù)自己的偏好，對(duì)節(jié)電方案進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)可以根據(jù)節(jié)電方案計(jì)算出方案實(shí)施后電器的總功率以及減少的功率，供用戶參考，是否繼續(xù)調(diào)整方案。

點(diǎn)擊“方案確定”按鈕，即可連接到系統(tǒng)的硬件部分，實(shí)現(xiàn)電器的節(jié)電自動(dòng)控制。

軟件系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。居室智能節(jié)電系統(tǒng)用戶操作界面如圖7所示。

5 節(jié)電效益分析

通過模型的假定以及最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)，可以給出實(shí)施本項(xiàng)目的節(jié)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：由于在系統(tǒng)設(shè)置上，本系統(tǒng)選擇立式空調(diào)結(jié)合電暖氣的電器設(shè)施，所以將一年分為2個(gè)時(shí)段來計(jì)算電量，每天按照平均值計(jì)算（在這里不考慮特殊情況和用電習(xí)慣）：

（1）假設(shè)夏天和秋天（每年的5月份至10月份）用戶選擇使用立式空調(diào)，根據(jù)居室智能節(jié)電系統(tǒng)優(yōu)化方案，將一天分為4個(gè)時(shí)段，各時(shí)段平均節(jié)能量如下：

6：00～8：00每小時(shí)節(jié)電200 W，共節(jié)電0.4 kWh；8：00～19：00每小時(shí)節(jié)電300 W，4 h總計(jì)節(jié)電1.2 kWh；19：00～23：00每小時(shí)節(jié)電400 W，總計(jì)節(jié)電1.6 kWh；23：00～6：00每小時(shí)節(jié)電100 W，共節(jié)電0.7 kWh。一天內(nèi)節(jié)電總量3.9 kWh。

（2）假設(shè)冬天和春天（每年的11月份至來年4月份）用戶選擇使用電暖氣，同樣將一天分為4個(gè)時(shí)段，各時(shí)段平均節(jié)電量如下：

6：00～8：00每小時(shí)節(jié)電300 W，2 h節(jié)電0.6 kWh；8：00～19：00每小時(shí)節(jié)電400 W，按照4 h計(jì)算節(jié)電1.6 kWh；19：00～23：00每小時(shí)節(jié)電500 W，4 h節(jié)電2 kWh；23：00～6：00每小時(shí)節(jié)電100 W，總計(jì)節(jié)電0.7 kWh。一天內(nèi)節(jié)電總量4.9 kWh。

這里以5月份—10月份的用戶節(jié)電量為例，上面已經(jīng)計(jì)算出每戶每天的節(jié)電量為3.9 kWh，那么每100戶每年節(jié)電量就可達(dá)到142350 kWh。

實(shí)際上，本系統(tǒng)的思想是在用戶需求和能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)之間尋找一個(gè)較優(yōu)的匹配，既不影響用戶的正常需求，同時(shí)以智能提示的方式對(duì)用戶進(jìn)行督促，減少額外用電，節(jié)省能源、減少排放，以達(dá)到各方狀態(tài)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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