智能电网引领智能家居及能源消费革新.pdf

第４２卷第５期２０１４年３月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｌ０１．４２ＮＯ．５Ｍａｒ．１．２０１４智能电网引领智能家居及能源消费革新张新昌，周逢权（许继集团有限公司，河南许昌４６１０００）摘要：随着智能电网技术的发展，分布式电源的接入，家庭能源的供需发生了重大变化，传统的家庭能源消费模式将产生重大变革，基于此，从智能家居能源的生产、消费及管理三个方面进行了探讨。在家庭能源利用方面，提出了家庭微电网交流、“”直流及交直流混合供电模式，给出了家庭能源控制中心的控制方案来实现家庭微网的即插即用。在能源消费方面，通过对比不同的电能量计量模式，为达到精细化的需求侧管理，提出了基于网络数据的计量，即网络计量，给出了其在智能家居“”中的应用方案。在家庭能源管理方面，总结了家庭能效管理的新特征，阐述了一种智能家庭能效管理云＋端架构模式，在此模式下，真正实现了泛在网络式的家庭能效管理。智能家居能源消费模式的革新对分布式电源柔性接入，优化家庭电能使用及负荷管理，提高用电效率，降低用电成本，具有十分重要的意义。关键词：智能电网；智能家居；家庭微电网；网络计量；泛在网；云计算；能效管理Ｓｍａｒｔｇｒｉｄｌｅａｄｓｔｈｅｊｏｕｒｎｅｙｔｏｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｓｍａｒｔｈｏｍｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓ—ＺＨＡＮＧＸｉｎｃｈａｎｇ，ＺＨＯＵＦｅｎｇ－ｑｕａｎ（ＸＪＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｍａｒｔ・ｇｒｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅａｃｃｅｓｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（ＤＧ），ｔｈｅｓｕｐｐｌｙａｎｄｄｅｍａｎｄｏｆｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｗｉｌｌｂｅｇｒｅａｔｌｙｃｈａｎｇｅｄａｓｗｅｌｌａｓｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｊｏｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓ：ｅｎｅｒｇｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔ，ｉｔｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｒｅｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓｆｏｒｔｈｅｈｏｍｅｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈａｒｅＡＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｈｙｂｒｉｄｏｆＤＣａｎｄＡＣｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｉｔｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ，，ｏｆｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｔｒｏｌｃｅｎｔｅｒｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｉｎ—“—”ｅｎａｂｌｉｎｇｈｏｍｅｍｉｃｒｏｇｒｉｄｐｌｕｇ－ａｎｄｐｌａｙ．Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｅｎｅｒｇｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｍｅｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｅｂａｓｅｄｏｎｎｅｔｗｏｒｋｄａｔａ，ｉ．ｅ．ｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｏｅｎｈａｎｃｅｄｅｍａｎｄ－ｓｉｄｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｇｉｖｅｓｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｎｓｍａｒｔｈｏｍｅ．Ｉｎｔｈｅｔｈｉｒｄｐａｒｔ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｎｅｗｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆ“’’ｉｃｉｅｎｃｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．ｉｔｄｅｓｉｇｎｓｏｎｅｎｅｗｃｌｏｕｄ＋ｔｅｒｍｉｎａｌｅｎｅｒｇｙｓｅｒｖｉｃｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｔｏｅｎａｂｌｅｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｓｍａｒｔｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｉｌｅｎｅｗｍｏｄｅｏｎｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｃｃｅｓｓｏｆＤＧ．Ｔｈｅｎｅｗｓｍａｒｔｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｅｓｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｕｓｅａｎｄｌｏａｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｉｍｐｒｏｖｅｓｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｅｓｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔｇｒｉｄ；ｓｍａｒｔｈｏｍｅ；ｈｏｍｅｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ；ｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｌｏｕｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ中图分类号：ＴＭ６１９文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４．３４１５（２０１４）０５００５９０９０引言随着技术和经济的发展以及世界各国对于节约能源、降低损耗和低碳排放的关注，世界各国智能电网的建设已经取得了大量有效的成果，引领着技术和产业模式的变革。具有高速、双向、实时、集成等特点的通信技术可以实现各种不同的智能电子设备、保护系统以及用户之间网络化的互联ｌＩＪ；先进的量测技术可以获取电网运行的实时数据并提供给智能电网的各方面使用；先进数据采集、动态监测、数据及控制技术可以实现在智能电网中对各单元体的分析、诊断、预测状态，并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动【－。智能电网在对可再生能源和分布式能源的接入和管理方面进行了大量的研究和实践，带动了整个电力系统保护与控制行业发展模式的改变，特别是分布式发电在家庭微电网中的应用，为智能家居带来了全新的内涵，改变了传统的智能家居成本高昂、功能简单、实用性不强、难以推广的缺陷。随着智能电网的发展，智能家庭作为能源使用的末端单元也纳入到智能电网的体系内，越来越多的智能社区和家庭开始安装分布式能源，并利用微电网技术来进行柔性控制Ｌ５Ｊ。交直流供电技术、能源管理接口技术以及模块化可插拔部件使得微电网的能源控制更安全、更简单，家庭微电网走向了实用化阶段［７－１０】。借助覆盖更大范围的通信网络，高级量测体系（ＡＭＩ）可以获取整个配用电网络中大部分量测数据【１】。而得益于智能家庭传感控制技术及通信技术的发展，ＡＭＩ可以进一步获取终端用电户的详细用电信息，包括用户内部的设备运行信息、电网故障信息、用电量信息、电能质量信息、储能信息、分布式能源信息、环境信息等，实现了智能电网的“”“”配用电广域情景知晓，促成了网络计量技术的产生和发展，引发了传统计量模式的变革。网络计量技术的应用实现了包括用户户内设备的精确计量［。智能电网对用户内部用电行为的高效引导能有效地避免电网的高峰负荷，使电网运行更安全更有效率；电网与家庭的双向互动可以引导用户主动参与智能电网的建设和管理，为用户提供更好的服务【ＪＪ，引导着传统的家庭能源消费观念产生重大变革。电能的消费者变成电能生产和消费的结合体；电能的使用由被动变为主动；能源管理从本地转向远程、离线转向在线Ｌ１。本文将从智能家居能源生产、消费、控制管理三个方面，探索智能家居中这种能源模式的革新。１智能电网带动了家庭微电网的实现１．１家庭微电网供电模式革新智能电网是一个开放式的能源系统，新能源的快速发展，促使家庭兼具用电和发电的双重角色，家庭供电网络也由单一的交流电网供电转变为多种供电的模式。１．１．１家庭微电网交流供电模式家庭微电网交流供电模式是指家庭安装的ＤＧ、储能装置等通过逆变装置接至交流母线，交流母线再通过公共接点断路器控制，实现家庭微网的并网和离网运行，从而为整个家庭的交流负荷提供持续交流电力。图１是智能家庭交流供电示意图。家庭微电网交流供电模式，符合交流用电习惯，但是含分布式电源的家庭微电网的运行控制较为困难。图１智能家庭交流供电示意图Ｆｉｇ．１ＳｍａｒｔｈｏｍｅＡＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ１．１．２家庭微电网纯直流供电模式家庭微电网直流供电模式是指家庭安装的ＤＧ、储能装置等通过ＤＣ／ＤＣ变流装置接至直流母线，外接电源通过ＡＣ／ＤＣ接入家庭的直流母线上。家庭负荷以直流负荷为主，剩下的交流负荷则通过逆变装置接至直流母线。图２是智能家庭直流供电示意图。共、ｐｒ家庭单相交流母线家庭直弱图２智能家庭直流供电示意图Ｆｉｇ．２ＳｍａｒｔｈｏｍｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ与家庭微电网交流供电模式相比，直流母线供电模式的控制简单。由于ＤＧ的控制只取决于直流电压，无需考虑各个ＤＧ之间的协同问题，环流抑制更具优势。此外，ＤＧ和负荷的波动也可由储能装置在直流侧直接补偿。１．１．３家庭微电网交／直流混合供电模式家庭微电网交／直流混合供电模式是指在家庭中安装两种类型母线：直流母线负责接入易控的直流发电及用电单元，交流母线接入外接电源通道及易控的交流发电机及交流用电单元，图３是智能家庭交／直流混合供电示意图。交直流混合的新型供电模式，不仅极大地方便光伏、风机等各种适用于家庭的分布式电源的接入，而且可以直接给交流负荷和直流负荷供电。家庭微电网的三种供电模式，有效地改善了智能家庭的能源利用结构：可以利用屋顶和外立面铺张新昌，等智能电网引领智能家居及能源消费革新一６１．设光伏发电设备，在一层开阔的院子里安装小型风力发电设备；利用冷、热、电联供设备实现家庭夏天供冷、冬天供热，提供高效用能模式。此外，家庭还可配置适当容量的储能设备，既满足家庭储能和电网调峰，以及故障后重要负荷的持续供电等需要，又能够提高清洁能源消费的比重。图３智能家庭交直流混合供电示意图Ｆｉｇ．３ＳｍａｒｔｈｏｍｅｈｙｂｒｉｄＡＣ／ＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ１．２智能家庭微网能源控制中心的实现家庭微电网并网的关键控制设备就是家庭能源控制中心。本文提出了建立智能家庭能源控制中心，使其不仅具备各类分布式发电设备、负荷、公共电网的电气连接端口和丰富的通信组网端口，还具有并／离网控制、分布式发电出力平滑、微电网与配电网互动等多种功能，可以实现分布式电源发电、配电网供电、用户用电的统一协调管理，实现能源的最优利用，为智能家庭提供了更便捷的供电解决方案。图４为智能家庭能源控制中心功能结构图。图４智能家庭能源控制中心功能结构图Ｆｉｇ．４Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｔｒｏｌｃｅｎｔｅｒ家庭微电网对于配电网表现为单一可控、可灵活调度的单元，既可与配电网并网运行，也可在配电网故障或计划孤岛需要时与配电网分列运行。智能家庭能源控制中心具有自我量测、自我保护功能，在配电网故障后，自动识别并与配电网断开，实现家庭微电网离网运行能量平衡，保证整个系统的安全性和稳定性，图５给出了家庭微电网运行模式转变的控制框图。智能家庭微电网控制中心监测家庭微网中电压、频率、谐波等信息，并调节控制相应的设备，保证家庭用电的电能质量；同时对间歇式的分布式发电出力进行平滑控制，为用户提供可靠优质的电能，实现分布电源的友好接入。ｌ家庭微电网并网运行ｊ外部故障检测】１计划孤岛命令Ｉ１外部停电检测检测发生离网』．』Ｉ切除多余负ｌ要Ｌ二厂离网模式切换通知储￣ｇＰＣＳ切换为ｖＦ模式储能为母线充电储能为重要负荷供电分布电源逐步恢复运行逐步恢复被切负荷用电图５智能家庭并／离网切换流程图Ｆｉｇ．５Ｓｍａｒｔｈｏｍｅｏｎ／ｏｆｆｓｗｉｔｃｈｆｌｏｗｃｈａｒｔ２智能电网下智能家居计量方式革新传统家庭用电计量靠电能表完成，但是，传统的电能表除了基本的计量功能以外，不具备节能用电管理功能。随着智能电网技术的发展，诞生了智能电表，将双向通信、动态电价、负荷监控等功能融入电网服务，迈出了电能计量智能化的重要一步。智能电表的诞生引导了传统抄表系统（ＡＭＲ）向高级量测体系（ＡＭＩ）的发展，特别是集成了户内网关功能的智能电表，能够对户内用电设备进行控制，丰富了用户用电管理功能。但是，具有双向计量功能的智能电表还是不能掌握单个用电设备用电信息的详细信息。随着大量的先进传感技术、通信技术、嵌入式计算技术在智能电网领域的应用，传统的电能计量方式也在发生深刻的变化，电能计量作为一种智能化功能，也可以通过网络计算来实现［１８－２０１。在这种新型计量中，智能电表的测控和计算两个基本功能被分离，测控功能保留在用电节点处以不同形式存在的量测设备．６２．电力系统保护与控制上，而电能计算功能则集中上移。量测设备将本地采样的电压电流序列发送到网络，由应用软件进行集中计算和处理，生成各计量点的计量数据。这种本地采样、远程计算的电能计量方式叫网络电能计量，简称网络计量，图６是家庭计量方式的变迁图。图６电能计量方式演变Ｆｉｇ．６Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｅｎｅｒｇｙｍｅｔｅｒｉｎｇ网络计量较好地解决了智能电表在用电管理上存在的问题，这些问题主要包括不能对户内用电设备的能源消耗与运行状态进行计量、监测，窃电的发现与定位比较困难，对于需求响应与柔性负荷控制的支持比较欠缺等。采用网络计量，可以为用户及供电企业提供更加丰富的用电信息、更加灵活的监控方式、更加智能的互动服务。２．１网络计量原理“”网络计量采用本地采样、远程计算的方式进行电能计量。网络计量的对象可以是用户节点，也可以是单个设备节点（如空调、洗衣机等），不受物理空间的局限；电能计算的时间尺度可以是确定的月、目、时、分，也可以是任意时段，还可以是不同的电价区间等。电能计算是电能表的基本功能，也是网络计量的基本功能。电能的计算公式为Ｗ＝式中：ｕ（ｔ）是ｆ时刻的电压瞬时值；ｆ（，）是ｆ时刻的电流瞬时值；是电能计量时段。实际的电压和电流是连续变化的，而计算机只能存储和传输离散信号，因此网络计量的电能计算使用式（１）的离散形式，即∑Ｗ＝ＵｋｌｋＡｔ（２）＿ｋ＝ｌ式中，是电压电流序列采样间隔。为了保证网络计量精度达到电能计量要求，数据采样间隔需要非常小，因此每秒产生的电压电流序列数据量很大，为便于电能计量与统计，网络计量选取一个电能计算的最小时间间隔，按最小时间间隔分别计算各时刻消耗的电能值为＝Ｕｋ，（３）ｋ＝ｌ式中：为网络计量的电能计算单元；ｒｍ可取分时电价最小时段或其整数分之一，以便于分时电价方案的实施。利用式（３）计算出基本单元电能量以后，即可进行各种时问与空间组合的电能计算，各种形式的电能计算均可用式（４）描述。＝∑∑Ｗｍ（ｒＯ，ｔ）（４）式中：Ｗ为需要计算的电能值；乞表示时间的累加；』表示空间的累加；（ｃｏ，ｔ）为处在计算区间内的电能计算单元。２．２网络计量方案网络计量系统逻辑上可分为量测层、网络层和计算层，如图７所示。图７网络计量基本结构Ｆｉｇ．７Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ量测层由分布在电网的所有量测终端组成，包括用户节点处的量测终端以及电视、空调等设备节点处的量测终端。量测终端的主要功能是电流电压的高频采集和传输，并接收计算层控制指令。量测终端可以多种形式出现，既可以是独立的装置，也可以是封装在空开、插座、开关或用电设备中的智能模块。网络层由高速、高可靠性的通信网络构成。量测终端的电流电压时空序列经网络上传到计算层，电能计算结果再经网络返回各量测终端。计算层接收网络层传输过来的电流电压时空序列，按照不同需求灵活计算各节点电能数据，还可以对线路损耗、电能质量等变量进行全局分析，监测电网中异常或事故设备，对电网进行更加有力、高效的监控。计算层由电能计量软件与相关硬件装置构成，可根据应用场合不同而位于不同层次，具有不同的物理存在形式。例如，在家庭网络计量系统中，可位于用户节点处的量测终端上，其表现形式可以为一个具备量测、计算、通信功能的智能空开，用于实现户内各设备节点量测数据的计算和处理；在楼张新昌，等智能电网引领智能家居及能源消费革新一６３．宇／／Ｊ、区网络计量系统中，可以是一台或者多台计算机；在更大范围的网络计量系统中，可以是多台服务器组成的海量数据中心。２．３网络计量应用网络计量的量测终端去掉了计算功能，设备结构简化，体积减小，降低了软硬件复杂度。测量功能可采用寄生式传感器，或者集测控、通信技术于一体的智能芯片，广泛集成于空开、开关、插座乃至用电设备中，因而可以在电网中更加广泛分布。图８是一个实际运行的网络计量示范项目，其中，智能插座、智能开关为设备节点的量测终端，用于监测电器耗电量和运行状态；智能空开为用户节点的量测终端，用于监测用户的总用电量。图８网络计量系统Ｆｉｇ．８Ｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ智能空开产品如图９所示，作为量测终端，其核心是由测控、通信等单元组成的智能模块，封装于智能空开中，下行与智能插座、智能开关通过无线网络连接，上行通过光纤与计量主站相连，作为用户的智能用电接口，为网络计量应用提供所需的量测数据。图９集成测控功能的智能空开Ｆｉｇ．９Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｉｒｓｗｉｔｃｈｏｕｔｌｅｔ由此可见，网络计量把计量监管范围延伸到了户内线路及用电设备上，实现了用电设备的在线监测，能够快速发现和定位窃电行为。通过智能空开、智能插座、智能开关等，把用户及其用电设备连接起来，实现了用电设备的网络化和信息化，形成泛在的用电和信息交互网络，为用户提供包括电器用电量在内的更加丰富的用电信息。通过长期的数据采集，可以建立用户能耗模型，挖掘用户用电行为模式，通过对用电信息的分析，帮助用户调整用电方式，提高用电效率，降低用电成本，满足用户经济用电与互动用电的需要。网络计量环境下，电能计量成为了一种基于覆盖全部用电节点之智能用电接口的网络应用，这对传统电能计量来说是革命性变革，与包括智能电表在内的传统计量相比，具有显著优势，如表１所示。表１网络计量与传统计量对比Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ基于传感器、网络通信、嵌入式计算等技术的网络计量，为实现家庭节能管理和经济用电提供了低成本、易实现的解决方案；同时，网络计量与智能家居户内网络的融合与一体化，对于两者的实施起着互相促进的作用。通过网络计量，将智能家居户内网络与供电企业ＡＭＩ系统连接起来，建立用户与电网之问的双向实时通信。３家庭能效管理的实现３．１家庭能效管理新特征随着分布式发电及需求侧响应技术的发展，家庭作为能源使用的末端单元，呈现出以下重要特征。电能消费从被动变为主动。从电网的角度来看，用户的需求是另一种可管理的资源，它将有助于平衡供求关系。从用户的角度来看，电力消费是一种．．６４．．电力系统保护与控制经济的选择，可以通过主动响应电力公司电价政策，调整其消费电能的方式，从而获得实际的经济利益。需求响应计划将满足用户在能源购买中有更多选择的基本需求，减少或转移高峰电力需求的能力使电力公司尽量减少资本开支和营运开支；透明开放和友好互动的电网，从根本上实现电网与用户之间信息的透明共享，兼容各类电源和用户接入，促进用户主动参与电网的运行调节。消费者需要随时对电网状态做出响应，实时调整其用电方案，因此用户对能源的使用和调节从本地转向远程，离线变成在线。随着智能电网向用户户内延伸和扩展，数以亿计的家庭能源管理终端（或网关）设备将被安装和使用，如何对海量的智能终端进行统一的接入和管理，为用户参与电网运行和调节提供统一的入口，满足用户对能源远程管理和时刻在线的需求，是电力公司需要解决的重要问题。３．２家庭能效管理的实现３．２．１云加端架构模式“”为了满足上述需求，本文提出云＋端能源管理架构模式，如图１０所示。／＼会）家庭２“”图１０云＋端架构模式Ｆｉｇ．１０Ｃｌｏｕｄ＋ｔｅｒｍｉｎａｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ云加端能源管理架构模式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，加上数以亿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，实现家庭能效管理的云端化。本模式中包含能源服务云、家庭能源管理终端和掌上能源管家三个组成部分。（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，并存储用户能效数据。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）家庭能源管理终端家庭能源管理终端（或能源网关）内置嵌入式自动化控制系统，它除了具备对本地设备接入，家庭微电网的控制管理的功能外，还需要完成与能源服务云的对接工作。其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、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互联网络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。“”３－２．２云＋端模式通信策略“”云＋端模式最关键的技术就是端到云端的通信策略及数据交换方式。通信方案除了要求具备双向、实时和高速的特点外，在系统的互操作性方面也必须是开放、透明和标准化的。（１）终端到云端通信方案Ｓｏｃｋｅｔ接口是一种网络上跨平台的应用程序进程问通信机制，利用Ｓｏｃｋｅｔ可以构造任意跨操作系统、跨网络协议的分布式处理系统。Ｓｏｃｋｅｔ依赖客户机／Ｎ务器（Ｃ／Ｓ）模型实现网络进程间通信，客户机和服务器分别是２个应用程序进程，客户机向服务器发出服务请求，服务器作出响应。终端（家庭终端和移动终端）设计为Ｓｏｃｋｅｔ的客户机，当客户机启动后将通过注册和认证流程主动连接到云服务器，注册成功后，该连接将作为长连接状态一直保持，当其中任何一方需要推送数据时可以直接使用该连接。图１１描述了采用Ｓｏｃｋｅｔ方式实现的终端到云端的数据交换过程。（２）终端到终端通信方案为了满足用户远程对能源管理的需求，通过云加端，实现了远程移动终端到家庭终端之间的点对点的连接通信方案，通信方案按图ｌ２中三步进行。通信过程的第一和第二步按终端到云端的通信标准过程完成，此时移动终端和家庭终端均已连接到云服务，当远程移动终端需要对家庭用电设备进张新昌，等智能电网引领智能家居及能源消费革新．６５．行远程控制或数据读取时，传统的方法是通过云服务进行两端数据转发，本方法与传统方法的不同之处在第三步，移动终端通过云端获取已经在线的家庭终端的临时注册地址，移动终端使用该临时地址，“”通过ＴＣＰ／ＩＰ点对点通信技术和家庭终端建立通“信会话，从而实现移动终端到家庭终端之间的端”到端直连，减少云服务器转发的压力，满足智能电网通信高效和实时性要求。１０ｓ后重连图１１终端到云端通信方案Ｆｉｇ．１１Ｔｅｒｍｉｎａｌｔｏｃｌｏｕｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ家庭图１２终端到终端通信方案Ｆｉｇ．１２Ｔｅｒｍｉｎａｌｔｏｔｅｒｍｉｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ３．３新模式下家庭能效管理产生的影响“”云＋端模式使智能家庭能源管理终端将主动注册到能源管理门户上，简化了整个系统由于大量的家庭能源管理终端接入带来的管理困难。电力消费者可以使用其提供的在线服务，远程管理家庭电器的用电，或对发电设备出力进行调整。该模式把家庭能效管理推向了更加广泛的移动互联网，用户可随时随地参与电网调节，同时通过智能移动终“”端（智能手机）实现能效管理的掌上化。方便人们随时关注实时的能源消费，从而达到节能的目的。如图１３。置圜圉簟淘囤■■图１３掌上能源管家Ｆｉｇ．１３Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｐｏｃｋｅｔｅｎｅｒｇｙｂｕｔｌｅｒ另外把家庭本地存储的量测数据，能效计算所需的计算资源全部上移至能源服务云，实现能效数“”据、计算资源及能效管理的云化。这样不仅能简化家庭终端的设计，减少其制造成本，有利于大量“”推广和实施。而且容易产生聚集效应，能源服务云聚集了大量具有类似负荷容量、负荷特性的用户，通过分析大量用户的用电量、负荷特征等数据，可以更好地为用户提供节能指导。４总结本文讨论了智能电网的发展引导的智能家居在能源利用领域的一系列革新。分布式发电技术、家庭微电网技术的出现，原来能源集中供给方式发生根本性变化，能源的生产者和消费者不再明显区分。更加清洁、经济和就地化的生产方式，可以对未来大电网提供有力补充。智能电网对精细的需求侧响应的要求，带来了传感技术和通信技术的快速发展，网络计量方式的出现，改变了电能量计量依靠传统表计的模式，促进了智能家居内涵的发展。需求侧响应技术的进一步发展，激励家庭对电网的响应由被动变为主动，电力负荷的需求变得更加透明和可以预测，它有助于有序的、友好的新型供求关系建立，能有效改变电力负荷增长与电力固定资产投资的线性关系；而移动互联技术则有力推“”动家庭能源管理掌上化，能源消费最终变为端对端管理。在智能电网时代，个人将能更有效地管理家庭能源的消耗，使其更智能、更高效的用电，．６６．电力系统保护与控制同时还能配合电力公司推动需求侧管理，通过节约用电、降低尖峰需求及负荷控制等，逐渐引导用户养成良好的用电习惯，构建一个用户与电力公司及全社会多赢的用电形式。参考文献［１］ＬＩＵＪｉａｎ－ｍｉｎｇ，ＬＩＸｉａｎｇ・ｚｈｅｎ，ＣＨＥＮＸｉ，ｅｔａ１．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓｏｎｓｍａｒｔｇｒｉｄｉｎＣｈｉｎａ［Ｃ］／／ＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＩＣＡＣＴ），２０１１１３ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ，２０１１：ｌ３．１７．［２］龚钢军，孙毅，蔡明明，等．面向智能电网的物联网架构与应用方案研究［Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１１，３９（２０）：５２－５８．ＧＯＮＧＧａｎｇ－ｊｕｎ，ＳＵＮＹｉ，ＣＡＩＭｉｎｇ－ｍｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎｅｔｗｏｒｋａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，—３９（２０）：５２５８．［３］张保会，付科源，郑涛，等．用电设备智（自）联网的概念与实现技术（一）一定义、架构与功能［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３，４１（６）：１－６．ＺＨＡＮＧＢａｏ－ｈｕｉ，ＦＵＫｅ－ｙｕａｎ，ＺＨＥＮＧＴａｏ，ｅｔａ１．Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｓｍａｒｔ（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ）ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｐａｒｔ１：ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（１４）：１－６．—［４］ＭＡＲＴＩＮＳＪＦ＇ＯＬＩＶＥＲＲＡＬＩＭＡＪＡ，ＤＥＬＧＡＤＯ－ＧＯＭＥＳｅｔａ１．Ｓｍａｒｔｈｏｍｅｓａｎｄｓｍａｒｔｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｃ】／／ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＢＥＣ），２０１２，１３ｔｈＢｉｅｎｎｉａｌＢａｌｔｉｃ，２０１２：２７－３８．—［５］ＺＨＡＯＹｏｎｇ，ＳＨＥＮＧＷａｎ－ｘｉｎｇ，ＳＵＮＪｕｎｐｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｈｉｎｋｉｎｇｏｆｆｒｉｅｎｄｌｙｓｍａｒｔｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｍａｒｔｐｏｗｅｒ［Ｃ】／／ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＩＣＥＣＥ），２０１１ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１１：４６４９．４６５４．［６］ＣＩＵＣＩＵＩＧＭＥＥＲＳＭＡＮＲ，ＤＩＬＬＯＮＴ．Ｓｏｃｉａｌｎｅｔｗｏｒｋｏｆｓｍａｒｔ．ｍｅｔｅｒｅｄｈｏｍｅｓａｎｄＳＭＥｓｆｏｒｇｒｉｄ－ｂａｓｅｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｅｘｃｈａｎｇｅ［Ｃ】／／ＤｉｇｉｔａｌＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ＤＥＳＴ），２０１２６ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ．２０１２：ｌ－６．［７］周逢权，毛建容，马红伟，等．含高渗透分布式电源的独立海岛供电系统稳定控制探讨［Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１３，４１（２）：８４．９０．ＺＨＯＵＦｅｎｇ－ｑｕａｎ，ＭＡＯＪｉａｎ－ｒｏｎｇ，ＭＡＨｏｎｇ－ｗｅｉ，ｅｔａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｆｏｒｓｔｅａｄｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｉｓｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｉｇｈｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ—ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（２）：８４９０．［８］刘文，杨慧霞，祝斌．微电网关键技术研究综述［Ｊ］．电—力系统保护与控制，２０１２，４０（１４）：１５２１５５．—ＬＩＵＷｅｎ，ＹＡＮＧＨｕｉｘｉａ，ＺＨＵＢｉｎ．Ｓｕｒｖｅｙｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｇｒｉｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（１４）：１５２－１５５．［９］ＢＹＵＮＪｉｎｓｕｎｇ，ＨＯＮＧｌｎｓｕｎｇ，ＫＡＮＧＢｙｅｏｎｇｋｗａｎ，ｅｔａＩ．Ａｓｍａｒｔｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄ—ｃｏｎｔｅｘｔａｗａｒｅｓｅｒｖｉｃｅｓｂａｓｅｄｏｎｕｓｅｒｐａｔｔｅｒｎｓａｎｄｌｏａｄｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＣｏｎｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，５７（２）：４３６－４４４．［１Ｏ］ＬＩＪｉａｎ，ＣＨＵＮＧＪａｅ－ｙｏｏｎ，ＸＩＡＯＪｉｎ，ｅｔａ１．Ｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ［Ｃ】／／ＷｉｒｅｌｅｓｓａｎｄＰｅｒｖａｓｉｖｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ（ＩＳＷｐＣ），—２０１１６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ．２０１１：１６．［１１］ＫＨＡＮＡＡ，ＭＯＵＦＴＡＨＨ．Ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅｓｆｏｒｉｎｄｏｏｒｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎａｓｍａｒｔｇｒｉｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｃ】／／ＰｅｒｓｏｎａｌＩｎｄｏｏｒａｎｄＭｏｂｉｌｅＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＰＩＭＲＣ），２０１１ＩＥＥＥ２２ｎｄＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，２０１１：１０３６．１０４０．—［１２］ＡＬ－ＡＬＩＡＲ，ＥＬＨＡＧＡＨ，ＤＨＡ０ＵＡＤＩＲ，ｅｔａ１．Ｓｍａｒｔｈｏｍｅｇａｔｅｗａｙｆｏｒｓｍａｒｔｇｒｉｄ［Ｃ】／／ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｓｉｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１ｉＴ），２０１１Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ—Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１１：９０９３．［１３ｊＺＨＯＵＦｅｎｇ－ｑｕａｎ．ＴｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｍａｒｔｃｏｍｍｕｎｉｔｙｕｎｄｅｒｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｉＣ】／／ＳｍａｒｔＧｒｉｄＷｏｒｌｄＦｏｒｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２０１１．—［１４］ＡＳＡＤＯ，ＥＲＯＬＫＡＮＴＡＲＣＩＭ，ＭＯＵＦＴＡＨＨ．Ｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅｓｆｏｒｄｅｍａｎｄ・ｓｉｄｅｅｎｅｒｇｙ张新昌，等智能电网引领智能家居及能源消费革新一６７．ｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄ［Ｃ】／／ＣｏｎｓｕｍｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＣＣＮＣ），２０１１：１１７６－１１８０．ＸＩＯＮＧＧａｎｇ，ＣＨＥＮＣｈｅｎ，ＫＩＳＨＯＲＥＳ，ｅｔａ１．Ｓｍａｒｔ（ｉｎ－ｈｏｍｅ）ｐｏｗｅｒｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇｆｏｒｄｅｍａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｏｎｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄ［Ｃ】／／ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＳｍａｒｔＧｒｉｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ＩＳＧＴ），２０１１ＩＥＥＥＰＥＳ，２０１１：１－７．ＨＹＵＮＳａｎｇ－ｃｈｏ，ＹＡＭＡＺＡＫＩＴｊＭＩＮＳＯＯＨａｈｎ．—Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎｏｆａｐｐｌｉａｎｃｅｓｆｒｏｍｍｕｌｔｉｈｏｐｔｒｅｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｐｏｗｅｒｓｔｒｉｐｔｙｐｅｓｍａｒｔｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ—ＴｒａｎｓｏｎＣｏｎｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９，５５（４）：２３１４２３２２．—ＣＨＯＩＩｎ・ｈｏ，ＬＥＥＪｏｕｎｇｈａｎ，ＨＯＮＧＳｅｕｎｇ－ｈｏ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｏａｐｐｌｙｔｏｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄａｔｈｏｍｅ［Ｃ】／／ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｉ２ＭＴＣ），２０１１：１－５．ＥＲＯＬ－ＫＡＢＴＡＲＣＩＭ，ＭＯＵＦＴＡＨＨＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＰＨＥＶｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｎｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄ：ｔｏｗａｒｄｓａｃｙｂｅｒ－ｐｈｙｓｉｃａｌｐｏｗｅｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ】／／ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ—（ＩＷＣＭＣ），２０１１７ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１１：７９５８００．［１９］ＥＲＯＬ．ＫＡＮＴＡＲＣＩＭ，ＭＯＵＦＴＡＨＨＴ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｆｏｒｃｏｓｔ・－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅ・・ｍｅｎｔｉｎｔｈｅｓｍａｒｔｇｒｉｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＳｍａｒｔＧｒｉｄ，２０１１，２（２）：３１４－３２５．［２０］ＥＲＯＬ．ＫＡＢＴＡＲＣＩＭ，Ｍ０ＵＦＴＡＨＨＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｆｏｒｄｏｍｅｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｍａｎａ￣ｍｅｎｔｉｎｓｍａｒｔｇｒｉｄｓ［Ｃ】／／Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＱＢＳＣ），２０１０２５ｔｈＢｉｅｎｎｉａｌ—Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ．２０１０：６３６６．收稿日期：２０１３－１０－３１；—修回日期：２０１４－０１０７作者简介：张新昌（１９６２－），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统保护与控制、分布式发电与微电网技术、电动汽车充换电技术；Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｎｃｈａｎｇｚｈ＠ｘｊｇｃ．ｃｏｍ周逢权（１９６９－），男，教授级高级工程师，主要从事智能电网应用技术的研究。副踟ｎｎｔ＝Ｉ＝