基于物联网技术的智能家用微网系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于物联网技术的智能家用微网系统。本发明的智能家用微网系统由能源系统及其控制平台组成。能源系统包括光伏电池、斩波模块、储能装置、整流模块和公共连接点(PCC)开关。控制平台包括CPU、存储模块、ZigBee无线组网装置(全能型ZigBee(FFD)主协调器、本地ZigBee万能遥控器、精简型(RFD)ZigBee终端节点)和外围接口，本发明的智能家用微网系统控制平台还广义地包括云计算后台服务系统。所述智能家用微网结合智能电网、微网和物联网技术，其一大特点是将ZigBee无线技术引入家用微网中，使系统能够灵活组网。本发明结合峰谷电价制度实现了自发电与电网电力相结合的可靠供电、分布式光伏发电智能调度、储能装置在不同状态下智能充放电、所述系统和电网之间的电力双向流动、电量信息的实时可视化，自动并网离网切换等功能。
【专利说明】基于物联网技术的智能家用微网系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于物联网技术的智能家用微网系统，特别是一种基于智能电 网、微网和物联网技术的智能家用微网系统。
【背景技术】
[0002] 分布式光伏发电因其储量巨大、分布范围广、清洁、安全等特点，逐渐被认为是满 足日益增长的电力需求、减少温室气体排放和提高能源综合利用率的一种有效途径。光伏 发电尽管优点突出，但其是典型的间歇性能源，具有能源波动性大的特点。为充分挖掘分布 式能源为电网和用户所带来的价值和效益，学者们提出了微网（Microgrid)的概念。
[0003] 微网将地域相近的一组能源、储能装置与负荷结合起来进行协调控制，对配电网 表现为单个可控集合，可以与大电网进行能量交换，在大电网发生故障时可独立运行，同时 又能够通过回收利用发电单元的余热满足用户对冷和热的需求。微网有助于分布式发电技 术的大规模推广应用，也有助于减少电网停电带来的危害，提高电力系统的安全性和可靠 性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网安全有重大现实意义。
[0004] 经过近几年的发展与研究，微网技术已有了长足发展。各国研究机构在微网研究 中取得了诸多突破与创新，美国、日本、欧盟、加拿大等发达国家（地区）已经建立了一批微 网示范工程及实验室。微网研究与建设在中国也得到了高度重视，国家科技部863计划、 973计划等已将微网研发项目列入重点资助范围。
[0005] 根据接入点的不同，光伏微网可分为光伏电站微网和用户侧光伏微网，前者一般 应用于输电网，而后者可应用于380V企业或住宅小区。目前涉及用户侧微网研究仍然较 少，家用太阳能利用主要为太阳能供热，国内家用光伏发电还处于起步阶段。
[0006] 传统的家用光伏发电系统缺乏与智能家居系统、电力公司、用户之间的友好互动， 不能提供高标准实时的用电信息，无法适应峰谷电价制度；也无法实现与电网之间电能的 双向流动，缺乏必要的用户电力上网技术基础，造成资源浪费；此外，传统的微网中使用有 线通信，灵活性差；没有友好的用户交互界面；自动化程度低；无法适应智能电网背景下的 交互式通信、需求侧管理和实时电价等方面的要求。目前智能家居中的自发电系统也缺乏 实用的研究成果，无法在电网停电或故障中保证智能家居系统的正常运行，可靠性较差，也 没有针对储能装置提出实用的充放电策略。
[0007] 将微网技术、光伏发电技术与智能家居技术相结合可以有效发挥各自优势，充分 利用广泛分布的太阳能资源，将家用微网作为智能家居的自发电系统，使其能够为用户提 供高效、节能、灵活、可靠的用电环境，协助电网削峰填谷，同时利用智能家居技术对智能家 用微网系统进行实时监控。因此，设计一种智能家用微网系统来实现对家用光伏发电和电 能储存进行智能管理具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是融合先进的电力、通信、控制技术提供一种智能家用微网系统，用 于解决上述不足和缺陷，充分利用太阳能资源，结合峰谷电价制度，实现家居与电网之间的 电量双向流动，提高智能家居中自发电部分的的可扩展性、灵活性、可靠性和易用性。
[0009] 为达到上述目的，家用微网系统包括能源系统及其控制平台。能源系统包括光伏 电池、斩波模块、储能电池、整流模块和公共连接点（PCC)开关。控制平台包括CPU、存储模 块、ZigBee无线组网装置和外围接口。
[0010] 本发明采用ZigBee无线技术灵活组网，可灵活布局，具有良好的兼容性与扩展 性，便于维护。ZigBee设备用于控制平台与能源系统之间以及用户界面与控制平台之间的 数据传输，主要包括全功能型ZigBee (FFD)主协调器、精简型（RFD) ZigBee终端节点、本地 ZigBee万能遥控器，可用于在控制系统与设备之间发送与接受数据信息和控制信息。系统 利用分布于各重要节点的精简型ZigBee (RFD)终端节点搜集重要设备信息，如光伏电池的 实时发电功率、储能装置电量状态等，同时发送控制信息，如光伏电池 MPPT控制指令，储能 装置充放电指令等。
[0011] 所述的公共连接点（PCC)开关用于智能家用微网与大电网的连接及开关控制。正 常状态下，所述智能家用微网系统可与电网进行双向电交换，智能电表根据电能交换情况 进行智能计费；在电网发生故障或停电时，公共连接点（PCC)开关在必要时断开，所述系统 进入离网运行状态，依靠自身发电和储能装置供电，维持智能家居正常运行，当电网恢复正 常供电时，系统将自动并网，恢复至并网运行状态。
[0012] 所述外围接口包括用于同智能电表通讯的RS485接口；用于同终端设备无线通讯 的ZigBee无线通讯接口；用于接入Internet互联网和同家庭网络内其他终端通信的以太 网通讯接口；用于接收手机远程控制的移动通信接口。
[0013] 所述RS485接口同智能电表通讯，智能电表为智能家用微网提供必要的数据信 息，从而实现系统与电网之间的双向互动。智能电表可接受和发送电网侧和用户侧信息。智 能电表接收电力公司发送的电网侧信息，包括浮动电价（支持实时电价，阶梯电价）、以及 用户感兴趣的电网服务信息（如停电计划信息）等。用户侧信息包括如微网倒送电能统计 数据、电能流向等。为公共连接点（PCC)开关、储能电池等的控制提供必要的依据。智能电 表可计算和结算用户和电网之间的电费信息，为用户送电上网提供必要的技术基础。
[0014] 所述控制平台，可通过外围接口接受与发送数据。根据自身存储模块存储的数据 及程序做出判断形成控制指令，完成系统的运行控制。主要控制程序有光伏发电控制、储能 控制电池控制、公共连接点（PCC)开关控制等。
[0015] 所述光伏发电控制包括光伏发电预测、最大功率跟踪（MPPT)等，可统计光伏电池 板发电数据。光伏发电预测统计包含了基于神经网络的光伏发电模型，可基于云端气象信 息和光伏电池特性进行发电量预测，用于计算储能装置充电时间及安排负荷用电；最大功 率跟踪用于对光伏发电进行最大功率跟踪控制。
[0016] 所述储能控制可根据系统运行状况和自身剩余电量进行充放电控制。系统可结合 本地决策系统以及云后台的计算结果，根据电池使用情况动态调节控制中所用的存储电池 充放电阈值信息（阈值信息包括备用阈值、贮存阈值）及时调整，使储能电池工作在最佳状 态，防止电池过度放电或过度充电。为防止储能装置在不同状态间频繁跳变，其充放电控制 采用了继电特性。
[0017] 进一步地，根据智能电表的分时段电价数据和系统与电网的连接情况，智能家用 微网系统运行状态分为三个状态：峰电价状态（并网）、谷电价状态（并网）、离网状态，针 对不同的运行状态，对储能装置采取不同的控制策略。
[0018] 所述存储模块，采用实时数据库技术，存储能源系统中各种设备的实时运行状况 和控制信息及其历史数据，特别是光伏电池的实时发电功率、总发电量、储能电池的电量状 态、电价信息、公共连接点（PCC)开关状态以及各个设备的控制信息。信息将与时钟参数绑 定，从而提供带时标的信息。所存储的信息除用于智能家用微网系统外，还可结合智能家居 控制平台，作为用电指导的依据。存储模块中储存的信息将通过网络接口与云计算后台服 务系统进行通信，做必要的云存储和云备份。
[0019] 所述智能家用微网结合智能电网、微网和物联网技术，考虑峰谷电价机制，采用 ZigBee无线技术灵活组网。本发明实现了分布式发电和储能的智能调度、所述系统和电网 之间的电力双向流动、电量信息的实时可视化和用户与智能家用微网系统友好互动。
[0020] 采用以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
[0021] (1)系统采用光伏、储能装置和市电联合供电，并可在电网发生故障或停电时工作 在离网状态，做到电能自给自足，在充分利用太阳能资源的同时，保证了供电可靠性，安全 性高。
[0022] (2)可与电力公司互动，结合峰谷电价政策，支持电能倒送至电网，符合智能电网 的发展趋势，能为用户提供更高效、经济的用电体验，同时协助电网移峰填谷。
[0023] (3)系统采用ZigBee无线组网技术，组网方式灵活，便于扩展。
[0024] (4)系统提供丰富的接口，用户可通过PC、手机和遥控器等与系统进行互动，界面 友好，系统运行状况直观可见，用电环境舒适。
[0025] (5)在不同运行状态下对储能装置采取不同的充放电策略，保证了系统的持续供 电以及储能装置的安全高效运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的能源系统结构框图。
[0027] 图2为本发明的控制平台结构框图。
[0028] 图3为峰值电价状态下储能装置控制流程图。
[0029] 图4自动并网离网切换流程。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0031] 智能家用微网系统结合智能电网、微网和物联网技术为用户提供安全、可靠、经 济、高效的供电系统。系统采用光伏、储能装置和市电联合供电，优先使用光伏发电提供的 电能，并可在电网发生故障或停电时工作在离网状态，可做到电能自给自足，在充分利用太 阳能资源的同时，保证了供电可靠性，安全性高，当电网恢复正常供电时，系统将自动并网， 恢复至并网运行状态。
[0032] 本发明采用ZigBee无线技术灵活组网，ZigBee网络具有无线自组网特点，将智能 家用微网中各设备采用物联网技术连接起来。具体来说，ZigBee网络的设备包括具有完全 功能的全功能设备（FFD)和具有部分功能的精简功能设备（RFD)。全功能设备可作为主协 调器，负责网络的发起、参数的设定、信息管理及维护等功能。物联网设备都作为ZigBee精 简型（RFD)终端节点，智能终端配置ZigBee全功能型（FFD)主协调器。FFD器件和RFD器 件的配合使用，降低了硬件成本。控制平台与光伏电池、储能装置、公共连接点（PCC)开关、 遥控器界面等装置之间均采用无线通信方式传输数据，便于布局、使用与今后扩展。
[0033] 如图1、图2分别为本实施例的智能家用微网能源系统以及其控制平台。控制平台 外围接口包括用于同智能电表通讯的RS485接口；用于同终端设备无线通讯的ZigBee无线 通讯接口；用于接入Internet互联网和同家庭网络内其他终端通信的以太网通讯接口；用 于接收手机远程控制的移动通信接口。
[0034] 具体来说，RS485接口同智能电表通讯，智能电表为系统提供必要的信息，从而实 现智能家居与电网之间的双向互动。智能电表可实时测量和提供带时标的电量信息，接受 和发送电网侧和用户侧信息。智能电表接收电力公司发送的电网侧信息，包括浮动电价 (支持实时电价，阶梯电价）、以及用户感兴趣的电网服务信息（如停电计划信息）等。用 户侧信息包括如微网倒送电能统计数据、电能流向等。为公共连接点（PCC)开关、储能电池 等的控制提供必要的依据。智能电表可计算和结算用户和电网之间的发电费用信息，为用 户送电上网提供必要的技术基础。
[0035] 根据智能电表的分时段电价数据和系统与电网的连接情况，智能家用微网系统运 行状态分为三个状态：峰电价状态（并网）、谷电价状态（并网）、离网状态，针对不同的运 行状态，将对智能微网系统中的自发电系统及储能系统采取不同的控制策略。
[0036] 而储能控制则根据系统运行状况和自身剩余电量（S0C)进行充放电控制。储能装 置充放电控制阈值可分为贮存S0C和备用S0C，贮存S0C主要用于电价较低时充电，以及电 价较高时放电的控制，保证储能装置中有充足的电能储备；备用S0C则用于保证系统存有 足够的电能，以应对电网故障以及停电等突发情况。在必要时，控制平台可结合本地决策系 统以及云后台的计算结果，根据电池使用情况及时调节并确定控制中所用的存储电池充放 电阈值信息，使储能电池工作在最佳状态，防止电池过度放电或过度充电。为防止储能装置 在不同状态间频繁跳变，其充放电控制采用了继电特性。
[0037] 当智能家用微网系统运行在峰电价状态，仅在必要时使用市电，应尽量使用本地 电力，并且可将多余的电能倒送回电网，在帮助用户获得盈利的同时缓解峰时电网用电压 力。为保证智能家用微网能应对突发停电事件，此时储能装置电量应保持在备用阈值以上。 当智能家用微网系统运行在谷电价状态，优先将储能装置充电至贮存电量以上，在此基础 上尽量使用本地电力，做到谷电价时存储电力，在电价处于峰值时回送，可帮助用户充分利 用已有装置，获利最大化，同时填补谷时电网用电缺口。如图3为并网状态下储能装置控制 流程图。
[0038] 控制平台首先读取智能电表电价信息，判断电价状态。电价被分为峰时电价和谷 时电价。
[0039] 当电价为谷时电价时，控制平台读取电池电量信息，当储能装置S0C低于贮存S0C 时，控制系统对储能装置充电，当储能装置S0C高于贮存S0C时，则将储能装置配置为待机 状态，停止对储能装置的充放电操作。
[0040] 当电价为峰时电价时，控制平台首先读取公共连接点（PCC)电能流向，智能微网 系统可恰好做到电能自给自足且无剩余时，不需要与电网产生电能交换，则此时智能电表 电能流量为零（电网与用户间无电能交换），则保持储能装置原状态。
[0041] 智能微网系统无法做到电能自给自足时，需要电网提供电能，则此时智能电表电 能流向为正（由电网流向用户），然后控制平台读取电池电量信息，当储能装置S0C低于备 用S0C时，系统对其充电，以保证其存储足够的电力用以应对电网故障和停电等突发情况。 当储能装置S0C不低于备用S0C时，对其进行放电，供智能家居使用，以填补自发电系统功 率缺额，尽量减少市电的使用。
[0042] 当智能微网系统可做到电能自给自足以外，仍有电量剩余，此时电能流向为负，控 制平台读取电池电量信息，当储能装置S0C不低于贮存S0C时，则将储能装置配置为待机状 态，停止对储能装置的充放电操作，则可将多余电能倒送电网，以充分利用多余电能，帮助 用户获得盈利的同时缓解峰时电网用电压力。当储能装置S0C低于贮存S0C时，则优先对 储能装置进行充电，以保证系统有充足的本地电力贮存。
[0043] 在电网发生故障或停电事故时，公共连接点（PCC)自动断开，系统进入离网运行， 在光伏电池与储能装置配合，在发电有剩余时将多余电能存入储能装置，发电不足时由储 能装置释放电能，以保证整个智能家居能正常运行。同时，系统将检测公共连接点（PCC)的 电压、频率等信息，结合智能电表所接受的电力公司供电信息，做出来电判断，在电网恢复 供电时，系统将自动恢复至并网运行状态。公共连接点（PCC)的检测信息与控制信息均采 用Zigbee无线方式与控制器进行信息交换。所述并网离网自动切换过程如图4所示。 [〇〇44] 对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上 均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1. 基于物联网技术的智能家用微网系统，其特征在于，包括能源系统及其控制平台。能 源系统包括光伏电池、斩波模块、储能装置、整流模块和公共连接点（PCC)开关。控制平台 包括CPU、存储模块、ZigBee无线组网装置（全能型ZigBee(FFD)主协调器、精简型（RFD) ZigBee终端节点、本地ZigBee万能遥控器）和外围接口，本发明的智能家用微网系统控制 平台还广义地包括云计算后台服务系统。
2. 根据权利要求1所述的智能家用微网系统，其特征在于，采用ZigBee技术无线 组网，布局灵活，具有良好的兼容性与扩展性，便于维护。ZigBee设备主要包括全功能型 ZigBee (FFD)主协调器、精简型（RFD) ZigBee终端节点、本地ZigBee万能遥控器，可用于在 控制平台与设备之间发送与接受数据信息和控制信息。系统利用分布于各重要节点的精简 型（RFD)ZigBee终端节点搜集重要设备数值信息，如光伏电池的实时发电功率、储能电池 的电量状态等，同时发送控制信息，如公共连接点（PCC)开关控制指令、储能装置充放电指 令等。
3. 根据权利要求1所述的智能家用微网系统，其特征在于，通过公共连接点（PCC)与 大电网相连。正常状态下，所述智能家用微网系统可与电网进行双向电能交换，智能电表根 据电能交换情况进行智能计费；在电网发生故障或停电时，公共连接点（PCC)开关在必要 时断开，所述系统进入离网运行状态，依靠自身发电和储能系统供电，维持智能家居正常运 行，当电网恢复正常供电时，系统将自动并网，恢复至并网运行状态。
4. 根据权利要求1所述的智能家用微网系统，其特征在于，所述外围接口包括用于同 智能电表通讯的RS485接口；用于同终端设备无线通讯的ZigBee无线通讯接口；用于接入 Internet互联网和同家庭网络内其他终端通信的以太网通讯接口；用于接收手机远程控 制的移动通信接口。
5. 根据权利要求1和权利要求4所述的智能家用微网系统，通过智能电表为系统提供 必要的信息，从而实现智能家居与电网之间的双向互动。智能电表可接受和发送电网侧和 用户侧信息。智能电表接收电力公司发送的电网侧信息，包括峰谷电价信息以及用户感兴 趣的电网服务信息（如停电计划信息）等。用户侧信息包括如微网倒送电能统计数据、电 能流向等。为公共连接点（PCC)开关、储能电池等的控制提供必要的依据。智能电表可计 算和结算用户和电网之间的发电费用信息，为用户送电上网提供必要的技术基础。
6. 根据权利要求1所述的智能家用微网系统，其特征在于，所述控制平台，可通过外围 接口接受与发送数据。根据自身存储模块存储的数据及程序做出判断形成控制指令，完成 系统的运行控制。主要控制程序有光伏发电控制、储能装置控制、公共连接点（PCC)开关控 制等。
7. 根据权利要求1和权利要求6所述的智能家用微网系统，其特征在于，所述控制平台 的光伏发电控制包括光伏发电预测、最大功率跟踪（MPPT)等，可统计光伏电池发电数据。 光伏发电预测统计包含了基于神经网络的光伏发电模型，可基于云端气象信息和光伏电池 特性选行发电量预测，用于计算储能装置充电时间及安排负荷用电。
8. 根据权利要求1和权利要求6所述的智能家用微网系统，其特征在于，所述储能控制 可根据系统运行状况和自身剩余电量（SOC)进行充放电控制。在系统处于并网、离网状态， 电价处于峰值电价、谷值电价，储能装置SOC不同时，控制系统将进行与之对应的充放电方 案，防止电池过度放电或过度充电，并且适应不同状态对电量的需求，能够应对电网故障或 停电等突发状况。系统可结合本地决策系统以及云后台的计算结果，根据电池使用情况调 整控制中所用的存储电池充放电阈值信息（阈值信息包括备用SOC、贮存SOC)，使储能电池 工作在最佳状态。为防止储能装置在不同状态间频繁跳变，其充放电控制采用了继电特性。
【文档编号】G05B19/418GK104102178SQ201310119984
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】陈亮, 杨世旺, 王扬, 裴少通, 刘云鹏 申请人:华北电力大学（保定）