專利名稱：一種適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能家居和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、政治等多方面因素的驅(qū)動(dòng)，智能電網(wǎng)已成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，都在積極進(jìn)行傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的改造。而節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，是我國長期的重大方針，因此，我國正在大力開展智能電網(wǎng)建設(shè)。智能電網(wǎng)是互動(dòng)電網(wǎng)，它要求供電部門和居民用戶之間實(shí)現(xiàn)信息互動(dòng)，讓電力用戶主動(dòng)參與到電力市場及電力服務(wù)中，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的削峰填谷，以提高供電質(zhì)量和供電可靠性。為此，供電部門勢必推行實(shí)時(shí)電價(jià)，鼓勵(lì)電力用戶低谷用電，減少高峰用電；同時(shí)，供電部門鼓勵(lì)電力用戶接入分布式發(fā)電與儲(chǔ)能設(shè)備參與削峰填谷。居民用戶數(shù)量眾多，用電時(shí)間選擇余量大；而且，隨著分布式電源的發(fā)展，分布式電源將深入千家萬戶。因此，設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)居民智能家電和居民分布式電源智能控制的居民用戶能量管理系統(tǒng)具有重要的意義。以往的相關(guān)技術(shù)僅限于智能電表的雙向計(jì)費(fèi)或?qū)χ悄芗译姷淖詣?dòng)控制，沒有實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)情況對(duì)居民家用電器進(jìn)行智能控制，使居民電費(fèi)支出最低。本發(fā)明可以控制居民用戶家電在低谷用電，在高峰由分布式電源向電網(wǎng)回饋能量，使用戶節(jié)約開支，使供電部門提高供電效率，同時(shí)，可以提高發(fā)電部門的發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率，提高機(jī)組的效率，降低發(fā)電成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)居民家電能量管理系統(tǒng)無法根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)情況實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制，使電費(fèi)支出最低，同時(shí)，也無法根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)情況實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的智能控制，使其收益最高的問題，提供一種適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的削峰填谷，提高供電質(zhì)量和供電可靠性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，在每戶居民的家中裝設(shè)一臺(tái)智能能量管理控制器和智能電表，在每臺(tái)可控家電和用戶開關(guān)處均裝設(shè)一臺(tái)控制終端，在每臺(tái)分布式電源處均裝設(shè)一臺(tái)分布式電源接入裝置；控制器與控制終端和分布式電源接入裝置間通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡(luò)互連，智能電表則與分布式電源接入裝置和可控家電連接，控制器與智能電表間也通過總線相互通信；智能電表還與電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)連接，控制器與主站的高級(jí)測量體系A(chǔ)MI通過以太網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行信息交互；控制器分別控制控制終端、分布式電源接入裝置的投切，控制終端將開關(guān)的狀態(tài)通過Zigbee無線通訊方式上報(bào)控制器，使控制器監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)。所述控制包括主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電氣量輸入模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、以太網(wǎng)模塊、Zigbee通訊模塊和RS232/485模塊；主控模塊主要負(fù)責(zé)通訊和人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的輸入和輸出、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通訊、Zigbee通訊、RS232/485通訊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)萬年歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)電流和電壓電氣量的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，計(jì)算電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、有功功率和無功功率；根據(jù)歷史實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測當(dāng)日各時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)電價(jià)，并根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、可控家電和分布式電源狀況，獲得可控家電和分布式電源的最優(yōu)工作時(shí)間段決策；根據(jù)實(shí)時(shí)電氣參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的保護(hù)決策；將決策結(jié)果發(fā)送給主控模塊，由主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的最優(yōu)控制。所述數(shù)據(jù)處理模塊包括DSP芯片和大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA，DSP芯片與主控模塊間采用DMA方式通信，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過模擬輸入變壓器或飛電容轉(zhuǎn)換，然后濾波，再經(jīng)過一個(gè)8選1CM0S多路轉(zhuǎn)換器選擇，多路轉(zhuǎn)換器的輸出由電壓跟隨放大器驅(qū)動(dòng)，送入高速16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出以串行數(shù)據(jù)流的形式送入DSP進(jìn)行處理，采用每周波采樣1 個(gè)點(diǎn)；所述主控模塊采用MCF5272芯片；所述存儲(chǔ)模塊采用256K字節(jié)的靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器SRAM、16M字節(jié)SDRAM、4M字節(jié)電可擦除的閃爍存儲(chǔ)器FLASHRAM，其中，SDRAM是主控制器的工作內(nèi)存，SRAM用于存儲(chǔ)重要?dú)v史數(shù)據(jù)；閃爍存儲(chǔ)器用于保存裝置運(yùn)行自舉程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、DSP程序、配置文件。所述控制終端采用具有Zigbee通信功能的片上系統(tǒng)MC13213，該終端通過Zigbee通訊方式接收控制器的通斷電源命令后，通過輸出驅(qū)動(dòng)電路MC1413控制電磁繼電器，進(jìn)而控制可控家電的通斷電源；電磁繼電器的狀態(tài)通過光電隔離器后送至MC13213，實(shí)現(xiàn)對(duì)可控家電的通斷電源狀態(tài)監(jiān)測；家電的溫度測量采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，通過串行數(shù)據(jù)流送入MC13213進(jìn)行處理。所述控制器根據(jù)從主站獲取的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)日實(shí)時(shí)電價(jià)的預(yù)測，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為D-14日、D-7日和D-I日的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為D日的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為3-8-3-1，利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即為實(shí)時(shí)電價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。所述控制器根據(jù)預(yù)測的電價(jià)、家電類型、家電運(yùn)行時(shí)間、居民對(duì)家電運(yùn)行狀態(tài)的期望值、環(huán)境溫度等條件，計(jì)算各時(shí)間段家電運(yùn)行的預(yù)測電費(fèi)支出，取電費(fèi)支出最低的時(shí)間段作為家電運(yùn)行的時(shí)間段，控制器通過Zigbee通訊方式向家電處的控制終端發(fā)送投入運(yùn)行命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電運(yùn)行費(fèi)用最低控制。所述控制器根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、每度電的度電補(bǔ)貼、分布式電源每發(fā)一度電的運(yùn)行成本和分布式電源的發(fā)電量計(jì)算分布式電源投入運(yùn)行的盈虧；若盈虧值大于0，且分布式電源滿足接入點(diǎn)的最大容許容量限制，則由居民家電能量管理系統(tǒng)通過Zigbee通訊方式向相應(yīng)分布式電源的接入裝置發(fā)送投入運(yùn)行命令，使相應(yīng)的分布式電源投入運(yùn)行；若盈虧值小于0，則使分布式電源停止運(yùn)行。所述控制器根據(jù)從智能電表獲取的用戶實(shí)際消費(fèi)電量和從主站獲取的實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)算用戶的實(shí)際電費(fèi)支出，并將用戶每月的實(shí)際消費(fèi)電量和實(shí)際電費(fèi)支出通過以太網(wǎng)上報(bào)主站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。所述預(yù)測電費(fèi)支出為Za = Zth+Zad(1)Zth = (C^C2+. · · +Cn) ff15+cn+1fft_15n(2)Z =te—tc WCt >t
Ladt ‘‘ t^-n+l, le -1C
_ z 24；(,-Qirc t<t⑶
Zad = ---K < tC
.tI其中，、為家電的預(yù)測電費(fèi)支出；Zth為家電在時(shí)間間隔1，2，...，n，n+l通電運(yùn)行時(shí)的電費(fèi)理論支出；Zad為家電由于提前運(yùn)行完成而產(chǎn)生的能量損耗所需要的額外電費(fèi)支出；Ci，C2, ... , Cn, Cn+1分別為時(shí)間間隔1，2，. . .，n，n+1的實(shí)時(shí)電價(jià)；W15為家電運(yùn)行15分鐘所消耗的電能；Wt_15n為家電運(yùn)行t-15n即小于15分鐘所消耗的電能；t為家電總的運(yùn)行時(shí)間；、為家電期望運(yùn)行完成的時(shí)刻；t。為家電理論運(yùn)行完成的時(shí)刻；、為家電溫度降低或升高1°C所需要的時(shí)間；Wt為家電升高或降低1°C所消耗的電能；對(duì)于運(yùn)行時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)的家電，預(yù)測電費(fèi)支出按公式(1)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于運(yùn)行時(shí)間與溫度無關(guān)的家電，則預(yù)測電費(fèi)支出按公式( 計(jì)算；取家電運(yùn)行預(yù)測電費(fèi)支出最低的時(shí)間段作為該家電投入運(yùn)行的最終控制時(shí)間；控制方式采用Zigbee無線通訊方式，通過對(duì)控制家電運(yùn)行的控制終端的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的投入或退出控制；對(duì)電動(dòng)汽車充電的控制，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、電動(dòng)汽車電池狀態(tài)和用戶對(duì)充電電池充電狀態(tài)的期望值，確定最終充電的時(shí)間段，通過控制分布式電源接入裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的投入或退出控制。所述分布式電源投入運(yùn)行的盈虧為Y = Wdg (C+S-R)(4)其中，Wre表示分布式電源的發(fā)電量，由分布式電源接入裝置通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給居民用戶智能能量管理控制器；C表示實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值，S表示每度電的度電補(bǔ)貼，這兩個(gè)參數(shù)是由主站的AMI通過以太網(wǎng)傳輸給居民用戶智能能量管理控制器；R為分布式電源每發(fā)一度電的運(yùn)行成本，包括設(shè)備的折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)等。當(dāng)計(jì)算的運(yùn)行盈虧值Y大于O時(shí)，表示投入分布式電源運(yùn)行后可盈利，即可投入分布式電源，否則，切除分布式電源；
分布式電源的投入容量受以下公式約束Pdg 彡 Pfflax(5)其中，PDe為接入的所有分布式電源的總功率；Pmax為分布式電源接入點(diǎn)容許的最大接入容量，是由主站的AMI通過以太網(wǎng)傳輸過來的參數(shù)值，居民用戶智能能量管理控制器根據(jù)公式(4)的實(shí)時(shí)計(jì)算分布式電源的運(yùn)行盈虧，若盈虧值Y大于0，且滿足公式(5)，則投入容量為PDe的分布式電源運(yùn)行；若不滿足公式(5)，則投入容量為Pmax的分布式電源運(yùn)行。本系統(tǒng)的居民家電能量管理控制器根據(jù)歷史實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)日各時(shí)間段的實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的實(shí)時(shí)電價(jià)、家電類型、運(yùn)行時(shí)間、居民對(duì)家電運(yùn)行狀態(tài)的期望值、環(huán)境溫度等條件，計(jì)算各時(shí)間段家電運(yùn)行的預(yù)測電費(fèi)支出，取電費(fèi)支出最低的時(shí)間段作為家電運(yùn)行的時(shí)間段。在相應(yīng)的時(shí)刻，居民家電能量管理控制器通過Zigbee通訊方式向家電的控制終端發(fā)送投入運(yùn)行命令，使家電投入運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間到時(shí)，再向家電的控制終端發(fā)送退出運(yùn)行命令，使家電停止運(yùn)行。同時(shí)，居民家電能量管理控制器根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、每度電的度電補(bǔ)貼、分布式電源每發(fā)一度電的運(yùn)行成本和分布式電源的發(fā)電量計(jì)算分布式電源投入運(yùn)行的盈虧。若盈虧值大于0，且分布式電源滿足接入點(diǎn)的最大容許容量限制，則由居民家電能量管理控制器通過Zigbee通訊方式向相應(yīng)分布式電
7源的接入裝置發(fā)送投入運(yùn)行命令，使相應(yīng)的分布式電源投入運(yùn)行；若盈虧值小于0，則使分布式電源停止運(yùn)行。本系統(tǒng)的控制器根據(jù)從智能電表獲取的用戶實(shí)際消費(fèi)電量和從主站獲取的實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)算用戶的實(shí)際電費(fèi)支出，并將用戶每月的實(shí)際消費(fèi)電量和實(shí)際電費(fèi)支出通過以太網(wǎng)上報(bào)主站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明適用于實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)且裝有智能電表的智能電網(wǎng)居民用戶，以用戶電費(fèi)支出最少為目標(biāo)，對(duì)居民用戶家電和分布式電源進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的削峰填谷，提高供電質(zhì)量和供電可靠性。


圖1為本發(fā)明居民用戶智能能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器功能框圖；圖3為本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測模型；圖4為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制終端的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)發(fā)明做進(jìn)一步描述。本發(fā)明提出的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，其步驟包括如圖1所示為本發(fā)明居民用戶智能能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)以居民用戶智能能量管理控制器為核心，該控制器通過以太網(wǎng)與主站的高級(jí)測量體系(AMI)進(jìn)行信息交互，從AMI獲取實(shí)時(shí)電價(jià)信息，從智能電表獲取實(shí)時(shí)消費(fèi)電量信息，計(jì)算實(shí)際的電費(fèi)支出，并向AMI上報(bào)用戶每月消耗的電能和電費(fèi)支出，以及電壓、電流和功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)，以供AMI根據(jù)用戶負(fù)荷情況確定實(shí)時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。該控制器根據(jù)從AMI獲取的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)(D-14日、D-7日和D-I日的實(shí)時(shí)電價(jià))，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測D日各時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)電價(jià)，根據(jù)預(yù)測的實(shí)時(shí)電價(jià)和可控家電情況確定可控家電的最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間段，到相應(yīng)的時(shí)間段起始時(shí)刻時(shí)，控制器通過Zigbee無線通訊方式向控制可控家電的控制終端下達(dá)投入運(yùn)行命令，控制終端使控制家電的電磁繼電器閉合，使相應(yīng)的家電投入運(yùn)行。同時(shí)，控制器根據(jù)預(yù)測的實(shí)時(shí)電價(jià)、分布式電源運(yùn)行成本和電價(jià)補(bǔ)貼，計(jì)算分布式電源投入運(yùn)行的盈虧值大于0的時(shí)間段，到相應(yīng)的時(shí)間段的起始時(shí)刻時(shí)，控制器通過Zigbee通訊方式向分布式電源接入裝置下達(dá)分布式電源投入命令，使相應(yīng)的分布式電源投入運(yùn)行?？刂破魍ㄟ^RS485通訊方式從智能電表獲取用戶實(shí)際消耗的電量信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)算用戶的實(shí)際電費(fèi)支出，以便實(shí)現(xiàn)AMI的遠(yuǎn)程抄表功能?？刂破鲝碾妷夯ジ衅?PT)、電流互感器(CT)的二次側(cè)獲取用戶的電壓和電流狀態(tài)，并計(jì)算功率因數(shù)，以便向AMI上報(bào)用戶用電的電氣參數(shù)，使主站及時(shí)調(diào)整電氣參數(shù)，提高供電質(zhì)量。同時(shí)，控制器根據(jù)檢測的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)過壓、過流、欠壓和漏電保護(hù)，如果出現(xiàn)相應(yīng)的故障時(shí)，則控制器通過Zigbee無線通訊方式向用戶開關(guān)處的控制終端發(fā)送跳閘命令，使用戶開關(guān)斷開，保護(hù)家用電器。各控制終端將各開關(guān)的狀態(tài)通過Zigbee無線通訊方式上報(bào)控制器，使控制器可以監(jiān)視各開關(guān)的狀態(tài)。
如圖2所示為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器功能框圖。該控制器由主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電氣量輸入模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、以太網(wǎng)模塊、Zigbee通訊模塊和RS232/485模塊等組成。主控模塊主要負(fù)責(zé)通訊和人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的輸入和輸出、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通訊、Zigbee通訊、RS232/485通訊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)萬年歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)電流和電壓電氣量的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，計(jì)算電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、有功功率和無功功率等；根據(jù)歷史實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測當(dāng)日各時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)電價(jià)，并根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、可控家電和分布式電源狀況，獲得可控家電和分布式電源的最優(yōu)工作時(shí)間段決策；根據(jù)實(shí)時(shí)電氣參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的保護(hù)決策；將決策結(jié)果發(fā)送給主控模塊，由主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的最優(yōu)控制。如圖3所示為本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測模型。該模型的結(jié)構(gòu)為3-8-3-1，輸入層有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)輸入端D-14日、D-7日和D-I日的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)((^α)、(:2α)和(3(0)；包含2個(gè)隱含層，第一個(gè)隱含層有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)隱含層有3個(gè)節(jié)點(diǎn)；輸出層有1個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于D日的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測輸出(0t))。利用歷史實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測模型。將D-14日、D-7日和D-I日各時(shí)間間隔的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，即可得到D日的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值。如圖4所示為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。主控制器采用Freescale公司的32_bit微處理器MCF5272CVF66 ；數(shù)據(jù)處理器采用AD公司的高集成度單片數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-2185，它與主控制器之間通過DMA方式進(jìn)行通信；采用一片大規(guī)模現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制；采用256K字節(jié)的靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器(SRAM)、16M字節(jié)SDRAM、4M字節(jié)電可擦除的閃爍存儲(chǔ)器(FLASH RAM)，其中，SDRAM是主控制器的工作內(nèi)存，SRAM用于存儲(chǔ)重要?dú)v史數(shù)據(jù)；閃爍存儲(chǔ)器用于保存裝置運(yùn)行自舉程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、DSP程序、配置文件等。模擬輸入通道中，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過模擬輸入變壓器或飛電容轉(zhuǎn)換，然后濾波，再經(jīng)過一個(gè)8選1CM0S多路轉(zhuǎn)換器選擇，多路轉(zhuǎn)換器的輸出由電壓跟隨放大器驅(qū)動(dòng)，送入高速16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A/D的輸出以串行數(shù)據(jù)流的形式送入DSP進(jìn)行處理。為了提高采樣精度，采用每周波采樣1 個(gè)點(diǎn)。Zigbee接口采用TI公司的CCM20芯片；實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用美國DALLAS公司DS1302 ；以太網(wǎng)接口采用臺(tái)灣Asix公司的以太口模塊AX11001 ；觸摸屏采用TI公司的觸摸屏控制器ADS7846。如圖5所示為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制終端的硬件結(jié)構(gòu)圖。該控制終端采用Freescale公司的具有Zigbee通信功能的片上系統(tǒng)MC13213，該終端接收到控制器的通斷電源命令后，通過輸出驅(qū)動(dòng)電路MC1413控制電磁繼電器，控制可控家電的通斷電源；電磁繼電器的狀態(tài)通過光電隔離器后送至MCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)可控家電的通斷電源狀態(tài)監(jiān)測；家電的溫度測量采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，通過串行數(shù)據(jù)流送入MC13213進(jìn)行處理。如圖6所示為本發(fā)明居民用戶智能能量管理控制器的軟件流程圖。主程序首先根據(jù)歷史實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)天各時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值和可控家電與分布式電源的狀況，確定可控家電和分布式電源的最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間段。根據(jù)最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間段對(duì)相應(yīng)家電的控制終端或分布式電源接入設(shè)備發(fā)送相應(yīng)命令。發(fā)送命令采用中斷方式，中斷分為兩類，一類是運(yùn)行時(shí)間段起始中斷，另一類為運(yùn)行時(shí)間段結(jié)束中斷。當(dāng)相應(yīng)的時(shí)間到時(shí)，即進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，控制相應(yīng)的家電控制終端或分布式電源接入裝置，使相應(yīng)的家電或分布式電源投入或退出運(yùn)行。為了具體描述居民用戶智能能量管理系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)施方案，下面以家用電熱水器為例進(jìn)行詳細(xì)描述。假設(shè)電熱水器的功率為2000W，容量為60L，電熱水器的水的初始溫度為20°C，電熱水器加熱后的最終溫度為45°C。則加熱完成需要的能量為
權(quán)利要求
1.一種適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，在每戶居民的家中裝設(shè)一臺(tái)智能能量管理控制器和智能電表，在每臺(tái)可控家電和用戶開關(guān)處均裝設(shè)一臺(tái)控制終端，在每臺(tái)分布式電源處均裝設(shè)一臺(tái)分布式電源接入裝置；控制器與控制終端和分布式電源接入裝置間通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡(luò)互連，智能電表則與分布式電源接入裝置和可控家電連接，控制器與智能電表間也通過總線相互通信；智能電表還與電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)連接，控制器與主站的高級(jí)測量體系A(chǔ)MI通過以太網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行信息交互；控制器分別控制控制終端、分布式電源接入裝置的投切，控制終端將開關(guān)的狀態(tài)通過Zigbee無線通訊方式上報(bào)控制器，使控制器監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制包括主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電氣量輸入模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、以太網(wǎng)模塊、Zigbee通訊模塊和RS232/485模塊；主控模塊主要負(fù)責(zé)通訊和人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的輸入和輸出、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通訊、Zigbee通訊、RS232/485通訊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)萬年歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)電流和電壓電氣量的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，計(jì)算電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、有功功率和無功功率；根據(jù)歷史實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測當(dāng)日各時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)電價(jià)，并根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、可控家電和分布式電源狀況，獲得可控家電和分布式電源的最優(yōu)工作時(shí)間段決策；根據(jù)實(shí)時(shí)電氣參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的保護(hù)決策；將決策結(jié)果發(fā)送給主控模塊，由主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的最優(yōu)控制。
3.如權(quán)利要求2所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括DSP芯片和大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA，DSP芯片與主控模塊間采用DMA方式通信，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過模擬輸入變壓器或飛電容轉(zhuǎn)換，然后濾波，再經(jīng)過一個(gè)8選1CM0S多路轉(zhuǎn)換器選擇，多路轉(zhuǎn)換器的輸出由電壓跟隨放大器驅(qū)動(dòng)，送入高速16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出以串行數(shù)據(jù)流的形式送入DSP進(jìn)行處理，采用每周波采樣1 個(gè)點(diǎn)；所述主控模塊采用MCF5272芯片；所述存儲(chǔ)模塊采用256K字節(jié)的靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器SRAM、16M字節(jié)SDRAM、4M字節(jié)電可擦除的閃爍存儲(chǔ)器FLASH RAM，其中，SDRAM是主控制器的工作內(nèi)存，SRAM用于存儲(chǔ)重要?dú)v史數(shù)據(jù)；閃爍存儲(chǔ)器用于保存裝置運(yùn)行自舉程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、DSP程序、配置文件。
4.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制終端采用具有Zigbee通信功能的片上系統(tǒng)MC13213，該終端通過Zigbee通訊方式接收控制器的通斷電源命令后，通過輸出驅(qū)動(dòng)電路MC1413控制電磁繼電器，進(jìn)而控制可控家電的通斷電源；電磁繼電器的狀態(tài)通過光電隔離器后送至MC13213，實(shí)現(xiàn)對(duì)可控家電的通斷電源狀態(tài)監(jiān)測；家電的溫度測量采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，通過串行數(shù)據(jù)流送入MC13213進(jìn)行處理。
5.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制器根據(jù)從主站獲取的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)日實(shí)時(shí)電價(jià)的預(yù)測，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為D-14日、D-7日和D-I日的歷史實(shí)時(shí)電價(jià)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為D日的實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為3-8-3-1，利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即為實(shí)時(shí)電價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。
6.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制器根據(jù)預(yù)測的電價(jià)、家電類型、家電運(yùn)行時(shí)間、居民對(duì)家電運(yùn)行狀態(tài)的期望值、環(huán)境溫度等條件，計(jì)算各時(shí)間段家電運(yùn)行的預(yù)測電費(fèi)支出，取電費(fèi)支出最低的時(shí)間段作為家電運(yùn)行的時(shí)間段，控制器通過Zigbee通訊方式向家電處的控制終端發(fā)送投入運(yùn)行命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電運(yùn)行費(fèi)用最低控制。
7.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制器根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值、每度電的度電補(bǔ)貼、分布式電源每發(fā)一度電的運(yùn)行成本和分布式電源的發(fā)電量計(jì)算分布式電源投入運(yùn)行的盈虧；若盈虧值大于0，且分布式電源滿足接入點(diǎn)的最大容許容量限制，則由居民家電能量管理系統(tǒng)通過Zigbee通訊方式向相應(yīng)分布式電源的接入裝置發(fā)送投入運(yùn)行命令，使相應(yīng)的分布式電源投入運(yùn)行；若盈虧值小于0，則使分布式電源停止運(yùn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述控制器根據(jù)從智能電表獲取的用戶實(shí)際消費(fèi)電量和從主站獲取的實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)算用戶的實(shí)際電費(fèi)支出，并將用戶每月的實(shí)際消費(fèi)電量和實(shí)際電費(fèi)支出通過以太網(wǎng)上報(bào)主站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。
9.如權(quán)利要求6所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述預(yù)測電費(fèi)支出為
10.如權(quán)利要求7所述的適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，其特征是，所述分布式電源投入運(yùn)行的盈虧為Y = ffDG(C+S-R)(4)其中，WDe表示分布式電源的發(fā)電量，由分布式電源接入裝置通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給居民用戶智能能量管理控制器；C表示實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測值，S表示每度電的度電補(bǔ)貼，這兩個(gè)參數(shù)是由主站的AMI通過以太網(wǎng)傳輸給居民用戶智能能量管理控制器；R為分布式電源每發(fā)一度電的運(yùn)行成本，包括設(shè)備的折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)等。當(dāng)計(jì)算的運(yùn)行盈虧值Y大于0時(shí)，表示投入分布式電源運(yùn)行后可盈利，即可投入分布式電源，否則，切除分布式電源；分布式電源的投入容量受以下公式約束Pdg ≤ Pmax⑶其中，pDe為接入的所有分布式電源的總功率；Pmax為分布式電源接入點(diǎn)容許的最大接入容量，是由主站的AMI通過以太網(wǎng)傳輸過來的參數(shù)值，居民用戶智能能量管理控制器根據(jù)公式(4)的實(shí)時(shí)計(jì)算分布式電源的運(yùn)行盈虧，若盈虧值Y大于0，且滿足公式(5)，則投入容量為PDe的分布式電源運(yùn)行；若不滿足公式(5)，則投入容量為Pmax的分布式電源運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于智能電網(wǎng)的居民用戶智能能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的削峰填谷，提高供電質(zhì)量和供電可靠性。它在每戶居民的家中裝設(shè)一臺(tái)智能能量管理控制器和智能電表，在每臺(tái)可控家電和用戶開關(guān)處均設(shè)一臺(tái)控制終端，在每臺(tái)分布式電源處均設(shè)一臺(tái)分布式電源接入裝置；控制器與控制終端和分布式電源接入裝置間通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡(luò)互連，智能電表則與分布式電源接入裝置和可控家電連接，控制器與智能電表間通過總線通信；智能電表還與電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)連接，控制器與主站的高級(jí)測量體系A(chǔ)MI通過以太網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行信息交互；控制器控制控制終端、分布式電源接入裝置的投切，控制終端將開關(guān)的狀態(tài)上報(bào)控制器，控制器監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)。
文檔編號(hào)H02J13/00GK102570609SQ201210015860
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者華臻, 孫靜, 龐清樂, 張勇, 王永強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東工商學(xué)院