引言
2009年5月，“智能電網(wǎng)”一詞正式進入大眾視野，國家電網(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。在我國，電力資源分配不均，電能浪費較大，電能利用率不高，因此越來越多的研究者致力于解決上述問題。除此之外，用戶的用電行為習(xí)慣也影響著電網(wǎng)的良好運行。本文結(jié)合用戶用電行為習(xí)慣和實時電價對電網(wǎng)用電的影響，設(shè)計了基于復(fù)費率電表的實/分時電價智能用電控制器來從用戶端平衡電能負荷。該控制器通過”錯峰用電”的方式來避免電高峰時電能不足，用電低谷時電能富于的狀況。尤其是在當(dāng)用戶家中，具有大功率用電器可能同時應(yīng)用時，以較小的電價來實現(xiàn)提前運行該大功率用電設(shè)備將極大地減小經(jīng)濟和環(huán)境開銷，具有很強的經(jīng)濟效益。
1.總體方案
復(fù)費率電表相較于機械電表具有電能計算精準(zhǔn)，可靠性強，智能化程度高等特點，不僅支持遠程抄表、實時電價發(fā)布、電量報警、預(yù)付費等功能，還能方便地對用戶的用電信息進行統(tǒng)計和查詢等。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)，通過復(fù)費率電表的通訊口(RS485)接入家居網(wǎng)絡(luò)并對電器設(shè)備用電情況進行控制，同時通過監(jiān)測復(fù)費率電表的實時電價來產(chǎn)生對家庭用電設(shè)備的控制命令，以及實現(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、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)費率RS485口接入實/分時電價，存儲在嵌入式數(shù)據(jù)庫中，建立電價與時段——峰、平、谷的對應(yīng)關(guān)系，并通過已記錄的用戶用電行為信息來形成用電建議。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
主控制器選用Samsung公司的S3C2440為處理器，搭配128M的存儲空間，精簡設(shè)計并預(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的時鐘頻率到核心控制器;采用通用5V電源供電方式，提供對各個應(yīng)用接口和模塊的用電需求;控制器采用4.3寸TFT液晶顯示屏來顯示終端控制程序的運行狀態(tài)，具有良好的體驗界面，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RS 485從復(fù)費率電表中采集實/分時電價信息并存儲在嵌入式數(shù)據(jù)庫中，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)來實現(xiàn)對智能插座的控制，從而實現(xiàn)對家用電器設(shè)備的實時控制。
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耠娐罚瑥?fù)位電路，以及調(diào)試接口，繼電器電路等。
3.軟件設(shè)計
3.1網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計實現(xiàn)
本設(shè)計中采用Zigbee和Wi-Fi兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是針對存在智能家居網(wǎng)關(guān)的環(huán)境，Wi-Fi通信方式主要針對不具有智能家居網(wǎng)關(guān)的家居環(huán)境。
Zigbee通信方式的設(shè)計
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象，再通過網(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
設(shè)計中的所有Wi-Fi 模塊在加入網(wǎng)絡(luò)時，須從家居Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中獲得一個靜態(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、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在家居網(wǎng)絡(luò)中控制每一個單個用電設(shè)備。
表1 智能用電控制器應(yīng)用層統(tǒng)一管理協(xié)議UDCP報文格式
協(xié)議類型 | 幀校驗 | 幀控制字 | 路由設(shè)備 | 設(shè)備地址 | 設(shè)備類型 | 控制命令 |
0x01-Zigbee 0x02-Wi-Fi（1Byte） | 校驗和
（1Byte） | 0x00-轉(zhuǎn)發(fā)0x11-拆包
（1Byte） | 0x30-0x3F
(1Byte) | 0x0000(始) 0xFFFF(終) (2Byte) | 0x00-電視 0x11空調(diào) (1Byte) | 0x01-開 0x02-關(guān) （1Byte) |
幀控制字：用以判定節(jié)點(包括主制器和智能插座以及網(wǎng)關(guān))對該幀的處理方式。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)點自動拆包，否則自動轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，并自動填充十六進制數(shù)0x00。從始發(fā)節(jié)點(控制器或者節(jié)點)發(fā)出的所有數(shù)據(jù)報該字段將填充0x00。該字段默認(rèn)0x11—拆包。
設(shè)備地址：指節(jié)點從家居網(wǎng)絡(luò)中獲得的實際網(wǎng)內(nèi)地址(Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則取網(wǎng)絡(luò)地址后16bit)自動將該地址轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十六進制數(shù)并填充至該字段。
網(wǎng)絡(luò)通信過程
通過主控制器終端程序?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)備的配置來實現(xiàn)對整個家居網(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)點將該幀幀地址字段和自己的地址字段進行比較以判定該幀是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，若是則節(jié)點自動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程構(gòu)成整個通信流程，唯一不同的是，節(jié)點上傳用戶用電行為時，控制命令字段僅存在兩種情況，即用戶觸發(fā)家電用電和無觸發(fā)行為，分別用十六進制數(shù)0x10和0x20標(biāo)識。
3.2決策器設(shè)計
嵌入式數(shù)據(jù)庫設(shè)計
主控制器具有手動和自主兩種運行模式，采用三層設(shè)計，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，將處理后的信息并存儲在嵌入式數(shù)據(jù)庫。主控制器采集峰、平、谷三時段的電價信息，并對各個時段的歷史電價信息進行分析統(tǒng)計，當(dāng)電價逼近歷史統(tǒng)計值的期望值時，向相應(yīng)的決策函數(shù)發(fā)出信號，因此數(shù)據(jù)庫可按照如下表2方式建立電價信息數(shù)據(jù)表.
表2 分/實時電價數(shù)據(jù)表
電力接入通訊層將所更新的電價信息按照上表插入到電價數(shù)據(jù)表的對應(yīng)字段并統(tǒng)計歷史信息和記錄用戶用電行為;電信息處理層利用統(tǒng)計學(xué)方法計算各時段均值，利用已經(jīng)得到的各時段均值和對應(yīng)時段電價的比值來確定當(dāng)前時段電價的可利用性并填充至如表3的數(shù)據(jù)庫表中，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)層對應(yīng)的數(shù)據(jù)表4中。
表3 電價歷史分析表
表4 用戶用電行為表
決策機制設(shè)計
主控制器有手動和自主兩種模式。手動模式下，無論當(dāng)前電價處于高峰還是低估，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控制家用電器，若有則主控制器轉(zhuǎn)入手動模式，若無用戶操作，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，從手動模式下統(tǒng)計(統(tǒng)計時段長度默認(rèn)為一周)到的用電行為習(xí)慣來預(yù)測用戶的行為習(xí)慣，并開啟自動提醒功能，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
本文針對復(fù)費率電表不同時段不同費率的特點，設(shè)計了基于該類表的智能用電控制器，并詳細設(shè)計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)實際需要設(shè)計了軟件控制流程和控制機制。
本設(shè)計立足于家居生活環(huán)境，從家庭用電的實際出發(fā)，利用峰、平、谷電價不同這一特點，采取“移峰填谷”的思想，錯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，將用戶的實際控制能力保持在第一位，控制器低級別運行，構(gòu)建了該設(shè)計。智能用電控制器，實用性強，對于節(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的現(xiàn)實意義。
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