（CS39 许继集团公司智能电网研究中心）

1.概述

目前我国正处于能源高度消耗的工业化中期，随着经济的发展，工业化和城镇化进程不断加深，使得城镇人口总量进一步增大，导致能源需求日趋紧张。根据统计，我国石油和天然气人均剩余探明可采储量仅为世界平均水平的6.29％，煤炭人均仅为世界平均水平的30.2％，2009年我国石油和铁矿石对外依赖度均超出50％。基于环境保护、节能减排和可持续发展的要求，如何更节约、更高效的使用能源成为当今社会必须面临的严峻问题。在整个能源消费结构中，家庭住宅耗能日益成为能源消耗的重要组成部分，并且增长速度最快。由于家庭住宅在能源节约方面存在巨大潜力，因此人们开始探索家庭住宅能源消耗可持续发展的途径，以满足使用需求的基础上所消耗的资源最少。

面向互联网的智能家庭能源管理系统是在当前背景下，提供家庭能耗及节能管理，实现家庭用能效益最大化，并且基于互联网提供远程服务的信息控制系统。系统把家庭用电纳入了智能电网的整体框架加以考虑，其中包含了微型分布式电源接入及需求侧响应等智能电网的要素。系统能根据电网及分布式电源出力状态，自动变换不同的能源使用策略，从而构建一个对供需双方都有利的能源消费形态。它必将深远地改变现有能源的消费习惯和方式，实现能源节约及环境保护。

2.系统组成

面向互联网的智能家庭能源管理系统实现方案采用三层结构设计，如图1所示。

图1 系统结构图

系统软硬件按家庭本地设备层、家庭集中控制层及能源服务云层三个层次部署，共同协调配合完成面向互联网的家庭能源管理及控制任务。家庭能源管理终端是家庭控制网络中的集中控制器及网关，通过户内Zigbee网络完成对本地设备的集中接入、管理和控制，两个上行接口分别连接到智能电能表和能源服务云。连接到智能电能表主要是获取电网的实时信息（如电价等），以便实施需求侧响应及执行能源使用计划，而连接到能源服务云主要是为了家庭能源的管理和控制实现互联网化，同时也可以通过互联网获取电力公司用能管理的相关数据。整个系统在技术实现策略上按“云+端”的方式来设计，即采用一个位于互联网中的基于云计算技术构建的能源服务中心，加上数以万计的家庭能源管理终端及智能移动终端构成，这些海量的终端通过主动注册的方法接入到能源服务云上。

本方案设计思路及主要特征如下：①能源使用可视化；②即插即用的微型分布式电源设计；③支持需求侧响应及能源使用计划；④能源服务互联网化。

3.系统功能

本方案中包含能源服务云、家庭能源管理系统和掌上能源管理三个子系统，各子系统的功能介绍如下。

1）能源服务云

能源服务云是面向互联网基于云计算技术构建的数据及应用服务中心，它的主要任务是实现大规模家庭能源管理终端及移动终端的可靠接入及并发访问。能源服务云包含用户管理、终端接入前置服务、终端在离线状态管理以及和电力公司数据交换等功能。

2）家庭能源管理系统

家庭能源管理系统是内置在家庭能源管理终端中的嵌入式自动化控制系统，它除了具备对本地设备接入和管理的功能外，还需要完成与智能电能表及能源服务云的对接工作。该子系统包含设备用电信息量测及可视化建模、分布式电源实时监测及控制、需求侧能源使用计划设置、家电控制、紧急报警、能效分析及节能建议等功能。

3）掌上能源管家

掌上能源管家是安装在移动终端（智能手机或Pad）上的移动应用程序，是用户身边最贴心、最便捷的能源管理助手。掌上能源管家可以利用移动网络（3G/GPRS）实现远程家庭能源的管理，包含远程设备状态查看、远程分布式电源实时监测及控制、远程能源使用计划执行、远程家电控制、远程报警等功能。

4.关键设备描述

1）家庭能源管理终端(www.daowen.com)

家庭能源管理终端是系统的核心装置，负责家庭中各种设备的集中接入和控制，上行接口连接到能源服务云。安装在居民家庭内部，具备设备用电量采集、家用电器控制、能效管理及需求侧响应等功能，支持与用户交互的嵌入式计算设备。

2）低压网络计量插座及开关

低压网络计量插座（或开关）内置精密集成电路、处理器及计量芯片，是一个智能型计量装置。它具有运算及断电存储能力，计量准确度达1级，是能源使用可视化最基础的量测设备。计量插座（或开关）还具备网络通信能力，可以对其进行远程数据采集及通断控制。外观、尺寸和安装采用86型面板盒标准设计，可以和现有开关插座任意替换。

3）即插即用型家庭储能设备

即插即用型家庭储能设备具备网络通信能力，可以接入并接受家庭能源管理终端的统一管理。能源管理终端可以根据当前电网的状态（如电价等）对储能设备进行充放电协调控制，以实现能源“低谷存储，峰时消费”的使用形态，减轻电网负载高峰期负担，并使得能源使用效益最大化。

4）智能手机

掌上能源管家需要在智能手机或Pad上安装。掌上能源管家采用跨平台设计，可以安装到Apple公司iOS及Google公司android平台上。掌上能源管家帮助用户能在移动互联的环境下远程对家庭能源进行随时随地的管理和控制。

5.通信架构及采用的通信协议

整个系统的通信网络由家庭内部网络和Internet网络构成，如图2所示。

图2 通信网络构架图

家庭内部网络通过Zigbee进行统一组网，数据量测及设备控制等任务主要通过该网络完成。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的无线组网通信技术，其特点是近距离、自组网、低功耗，并且具备双向通信的能力，非常适合用于家庭自动控制领域。另外由于其制造成本相对较低，更有利于迅速推广。本系统中家庭能源管理终端是Zigbee网络的网关设备，受控设备（如计量插座等）作为Zigbee的通信节点统一接入到该终端。应用层协议采用DL/T645规约，并且对不满足部分进行扩展。

Internet网络基于TCP/IP通信技术，位于家庭内网中的家庭能源管理终端采用主动注册技术，连接到互联网能源服务云，并接受云的统一管理。主动注册技术使得无须为终端分配互联网IP或直接接入互联网，就能和能源服务云进行通信和交互。家庭能源管理终端和服务云之间的应用层协议采用DL/T 698规约，按电力行业标准进行数据的采集和交换。

6.适用范围

本方案适用于智能住宅、智能楼宇、智能小区等业务领域，为构建绿色节能的生活空间提供关键设备及软件系统。

7.实际应用情况

截至目前，本方案已经在济南大地锐城、浙江绍兴赞成美林、河南三门峡新块舒北、四川乐山七星海棠等众多智能用电小区项目中投入使用，取得良好的应用效果。另外，通过在中国电力技术装备公司智能配用电实验基地应用及验证的结果表明，系统在技术方案及创新方面达到国际先进水平。

从实际应用情况看，系统通过网络计量装置对家用电器的用电情况进行量测，并使用可视化建模及能效分析等手段，帮助用户实际节能达12％～16％，实现可视即节能之目的。系统支持在用户侧接入分布式电源，实现微型可再生能源的就地消纳。此外，还可以通过家庭能源管理终端实施需求侧管理，用户可以设置不同的用电策略来响应供方的电价等政策，以实现电力负载移峰填谷。从长期社会效益来看，本系统的应用和实施有利于能源节约和有序用电形态的构建。

（作者：许继集团公司智能电网研究中心徐大青 周逢权 张展国 王林）