一种家庭能量管理系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种家庭能量管理系统，该系统包括家电管理控制系统（1），所述家电管理控制系统（1）是家庭中所有大功率用电器的管理及决策控制单元，其包括运行相应控制算法的PC机或处理器（14）；在大功率家电负荷（11）与家电管理控制系统（1）之间，为实现需求侧响应管理，还设置有家电接口单元（2），实现大功率家电的功率数据采集、与家电管理控制系统通信及本地负荷状态控制；本发明主要针对居民用户中大功率家电负荷进行DR控制，且在充分考虑用户舒适度及负荷优先级的前提下，实现了控制的全自动化。
【专利说明】一种家庭能量管理系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管理系统，具体是一种家庭能量管理系统。
【背景技术】
[0002]为满足用电需求，早期的电力部门一般根据预测的用电负荷，来确定发电容量，以使发电能力满足需求水平。这种做法虽然可以保证高峰时段的用电需要，但却使一些发电容量在高峰负荷以外的其它时段处于闲置状态。20世纪70年代左右，石油危机导致了能源价格大幅上涨，西方国家不再一味追求以装机容量来满足需求的做法，展开了通过削减需求侧负荷来解决电力供需矛盾的探索与实践，需求侧响应(demand response, DR)的理念随之诞生。
[0003]根据激励方式的不同，DR可分为价格型和激励机制型两大类。在高峰负荷期间，起决定作用的DR类型包括紧急需求响应、可中断负荷、直接负荷控制及容量响应四种。这四种都属于激励型DR，通过用户接收相关控制信号作出响应，而非通过电价实施DR。目前，大部分激励型DR控制的研究都是围绕一些大电力用户，如工业及商业用户等，而针对居民用户研究较少。随着经济的发展及居民消费水平的提高，居民耗电量的增长速率也越来也大。因此，有必要针对居民用电，展开相关DR控制方面的研究。美国的A.H Mohsenian等人提出了针对小功率家电开展DR响应,但其研究对总体家电功耗并无太大影响。
[0004]此外，智能电网的发展也可以解决精确供能、电力需求侧管理、电网自由接入、多电源互动以及分散储能等问题，它不仅服务于大电网而且服务于电力终端用户。因此，借助智能电网中的智能量测装置，可开发出一套针对大功率家电负荷的家庭能量管理系统，从而实现居民用户中需求侧管理的自动控制，而非电力公司通过拉闸限电来被动控制用电量，提高用户参与需求侧管理的积极性与主动性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种家庭能量管理系统，该系统耗电量小、智能性高，主要用于家庭网络中对大功率电器的DR控制。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种家庭能量管理系统，该系统包括家电管理控制系统，所述家电管理控制系统是家庭中所有大功率用电器的管理及决策控制单元，其包括运行相应控制算法的PC机或处理器。
[0007]在大功率家电负荷与家电管理控制系统之间，为实现需求侧响应管理，还设置有家电接口单元，所述家电接口单元包括数据采集处理模块、通信模块及控制模块，所述数据采集处理模块采集所有参与需求侧响应控制的大功率家电的相关功率数据及家电状态数据，通过通信模块将数据上送至家电管理控制系统，与所给用电限制信号对比，从而做出控制决策，实现大功率家电的功率数据采集、与家电管理控制系统通信及本地负荷状态控制。
[0008]所述家电管理控制系统可接收控制信号，包括用电限制及需求侧响应时间要求，并根据该控制信号通过处理器执行控制算法，作出家电控制决策。[0009]所述数据采集处理模块除了采集数据外，还可实现相关数据的输入设定，如被控家电舒适度、优先级等相关数据的输入设定。
[0010]可由用户事先设定家电优先级及舒适度标准，当电力公司下发用电限制及DR控制时长信号后，进行家电状态控制时，可充分考虑用户事先设定的负荷优先级及舒适度范围等，从而使DR响应给用户造成的影响达到最小。
[0011]根据被控家电类型，所述控制模块分为继电器电路型控制模块和智能恒温器型控制模块两种，继电器电路型控制模块包括通用IO接口、单刀单掷开关及连接负载，用于控制电热水器、烘干器及电动汽车类负荷；智能恒温器型控制模块由智能恒温器构成，用于控制空调类负荷。
[0012]家电管理控制系统和家电接口单元采用相同的通信协议，考虑到家庭网络中数据传输速率及传输距离要求，通信模块采用zigbee通信协议，该通信模式耗电量小，适合大规模运用。
[0013]本发明有益效果:
[0014](I)完全自动化。高峰负荷期间，输电线路更容易出现过载压力。因此，当大规模事故出现时，可能导致用电限制。传统的控制方法，或者是电力公司直接拉闸限电，或者是由用户操作某用电器断电来实施DR。该系统实现了 DR控制的完全自动化。
[0015](2)用户主动性及自由性强。与其他家庭管理系统相比，该系统可事先由用户自行设置家电优先级及舒适度，然后控制算法根据该输入产生控制信号，提高了用户参与DR的主动性与自由性，减小了用电限制给用户的生活造成的影响。
[0016]( 3 )耗电量小，适合大规模投入使用。与其他全自动化装置相比，本发明各部件的耗电量较小，主要耗电部分为HMS中运行控制算法的处理器。因此，本发明适合智能电网下，所有家庭用户的大规模普及。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0018]图1为本发明的系统结构示意图。
[0019]图2为本发明中家电接口单元结构示意图。
[0020]图3为HMS模块结构示意图。
[0021]图4为本发明中继电器型控制模块示意图。
[0022]图5为智能恒温器控制模块示意图。
【具体实施方式】
[0023]如图1、图2和图3所示，本发明的一种家庭能量管理(HEM)系统，包括家电管理控制系统(HMS)I和家电接口单元2两大部分。家电管理控制系统(HMS)I是家庭中所有大功率用电器的管理及决策控制单元，包括运行相应控制算法的PC机或处理器14。在大功率家电负荷11与家电管理控制系统I之间，为实现需求侧响应管理，还设有家电接口(界面)单元2。家电界面单元2包括数据采集处理模块8、通信模块9及控制模块10等，可实现大功率家电的功率数据采集、与HMS通信及本地负荷11状态控制等。
[0024]家电接口单元2包括数据采集处理模块8、通信模块9及控制模块10三部分。数据采集处理模块8采集所有参与DR控制的大功率家电的相关功率数据及家电状态数据12，通过通信模块9将数据上送至家电管理控制系统1，与所给用电限制信号对比，由家电管理控制系统I做出相关控制决策，然后再经通信模块9将控制信号13下发至家电接口单元2，对被控家电通断电状态进行控制。
[0025]根据被控家电类型，控制模块10可分为继电器电路型和智能恒温器型两种，如图
4、图5所示。继电器电路控制模块包括通用IO接口 15、单刀单掷开关16及电路电阻等。单刀单掷开关16也可由一个单刀双掷开关代替。智能恒温器型控制模块主要由智能恒温器17构成。继电器控制型用于直接控制负荷的通断电状态，如电热水器4、烘干器6及电动汽车7类负荷；智能恒温器型用于空调5类负荷，通过设置不同温度值进行间接控制。
[0026]可由用户事先设定家电优先级及舒适度标准，通过数据采集处理模块8实现数据输入。当电力公司下发用电限制及DR控制时长的控制信号3后，家电管理控制系统I根据用户相关设定，执行控制算法，从而使响应结果给用户带来最小影响。
[0027]通信模块9负责在家电管理控制系统及家电接口单元间提供数据传输路径。家电管理控制系统I和家电接口单元2采用相同的通信协议，根据通信距离和通信速率的要求，选择zigbee通信协议，且该通信模式耗电量小，适合大规模运用。
[0028]针对大功率可控负荷进行控制，一方面可对居民生活造成最小影响；另一方面通过控制大功率家电，可对整体耗电量产生较大影响，从而使居民用户的DR事件具有更大的实际意义。
[0029]上述结构的家庭能量管理系统的工作原理是:高峰负荷期间(如下午5:30至晚上10:00，此时为下班时段，相应的用电高峰期)，为缓解用电压力，由电力公司向居民用户发出用电限制及DR时间要求控制信号3 (如用电限制为8KW，DR时间为下午6:00至晚上10:00);家庭能量管理系统通过智能量测装置接收该控制信号；然后家电接口单元2采集相关数据，包括用户事先设定的家电优先级、舒适度范围、家电功率数据等，通过通信模块9将数据上送至家电管理控制系统的处理器14 ;家电管理控制系统处理器14通过比较给定用电限制及实际用电功率，执行控制算法并作出控制决策；家电接口单元2接收该控制决策，通过控制模块10改变被控家电的状态，从而使用电量满足要求，且舒适度达到最优。
[0030]上述结构的家庭能量管理系统中，家电管理控制系统I与家电接口单元2采用相同的通信模块及通信协议，从而满足数据传输格式的要求。实际使用中，为满足数据传输速率及传输距离的要求，可采用zigbee通信协议。该技术基于IEEE802.15.4标准，是一种传输速率适中、耗电量较小的通信协议。该技术的最大数据传输速率为250kbps，其传输距离为lO-lOOOm，可以满足家庭网络的传输要求。且该技术支持不同的网络拓扑结构，包括星形、树形及链式结构，应用更为方便。
[0031]为减少该系统的耗电量，实际应用中，应尽可能选择耗电量小的各部件。与现有技术相比较，本发明的家庭能量管理系统，主要针对居民用户中大功率家电负荷进行DR控制，且在充分考虑用户舒适度及负荷优先级的前提下，实现了控制的全自动化。本发明提高了用户参与DR的主动性，随着居民消费水平的提高，居民耗电量也将持续增加。因此，该发明具有广泛的应用前景。
[0032]上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种家庭能量管理系统，其特征在于该系统包括家电管理控制系统(I)，所述家电管理控制系统(I)是家庭中所有大功率用电器的管理及决策控制单元，其包括运行相应控制算法的PC机或处理器(14);在大功率家电负荷(11)与家电管理控制系统(I)之间，为实现需求侧响应管理，还设置有家电接口单元(2)，所述家电接口单元(2)包括数据采集处理模块(8 )、通信模块(9 )及控制模块(10 )，所述数据采集处理模块(8 )采集所有参与需求侧响应控制的大功率家电(11)的相关功率数据及家电状态数据，通过通信模块(9 )将数据上送至家电管理控制系统(1)，与所给用电限制信号对比，从而做出控制决策，实现大功率家电的功率数据采集、与家电管理控制系统通信及本地负荷状态控制。
2.按照权利要求1所述的家庭能量管理系统，其特征在于:所述家电管理控制系统(I)可接收控制信号(3)，包括用电限制及需求侧响应时间要求，并根据该控制信号(3)通过处理器(14 )执行控制算法，作出家电控制决策。
3.按照权利要求1或2所述的家庭能量管理系统，其特征在于:所述数据采集处理模块(8)可实现用户相关数据的输入设定。
4.按照权利要求1或2所述的家庭能量管理系统，其特征在于根据被控家电类型，所述控制模块(10 )分为继电器电路型控制模块和智能恒温器型控制模块两种，继电器电路型控制模块包括通用IO接口(15)、单刀单掷开关(16)及连接负载，用于控制电热水器(4)、烘干器(6)及电动汽车(7)类负荷；智能恒温器型控制模块由智能恒温器(17)构成，用于控制空调(5)类负荷。
5.按照权利要求1或2所述的家庭能量管理系统，其特征在于:通信模块(9)采用zigbee通信协议。
【文档编号】G05B19/418GK103472784SQ201310397349
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】汤奕, 塞弗瑞海姆 申请人:苏州市思玛特电力科技有限公司