基于电价政策的家电控制装置及控制方法

宋卫峰，郭剑虹，侍必胜，王 通，王振斌

（1.山西太原供电分公司 山西 太原 030012；2.国网电力科学研究院 江苏 南京 210061）

目前我国的电价是受管制的，管制下的电价无法真正反映电力需求与电力供应之间的关系。2012年两会上，温家宝总理提到“深入推进重点领域改革。稳妥推进电价改革，实施居民阶梯电价改革”[1]。 电价是调节电力市场的杠杆，电价问题成为许多专家研究的热点问题。现阶段实行阶梯电价，仅是一个过渡措施，而不是最终目标。为真正达到合理利用能源、节约能源的目的，采用了阶梯电价配合分时电价使用的方式，不久的将来根据智能电网的建成情况，必定会过渡到实行实时电价，实时电价因其随时间变化的特性将成为电力市场上更理想的电价政策[2]。

目前家庭用电信息主要是以电费账单的形式反馈给用户，电费账单只告知用户家庭的总用电量而不能显示详细的能耗构成。激励用户从被动参与向主动参与转变是智能电网发展的客观要求，在提高生活品质的同时指导用户合理利用能源，提高能源的利用率是智能家居的发展方向。在实时电价政策下更应关注家庭的用电分析，注重考虑对各个家电用能的综合统计、分析，实现家庭的用电管理达到人性化层次。

殷树刚比较了实时电价阶段的智能用电与传统用电方式的不同，提出了基于实时电价的智能用电系统框架[3]；刘畅设计的基于智能电网高级计量体系的居室节电系统通过智能电能表控制居室内的各种用电设备，根据各个时段电价的不同，为用户计算分析出最佳的节电策略供用户选择，使用户对电能使用效率有一个直观和量化的了解，从侧面激励用户自觉节能[4]；牟龙华以智能电网为背景，指出智能用户终端是智能电网中的热点之一，结合高级量测体系和通信的发展，对家庭智能用户端进行了硬件原理的设计，促使用户合理分配电能、高效利用能源[5]。

1 装置总体设计

鉴于目前所实施的阶梯峰谷电价和将来的实时电价政策，文中设计的家电控制装置包括智能插座和家庭互动终端，两个装置通过无线通信构成一套家庭用电系统网络，如图1所示。

图1 户内网络示意图Fig.1 Network diagram of family

智能插座将采集用电数据发送给家庭互动终端，互动终端实时显示家庭用电和电价情况，互动终端根据电价情况为用户提供不同的智能节电方案，在满足用户用电需求的前提下，智能控制室内各电器工作属性，用户根据实际情况可以对节电方案进行调整，最大程度上降低用电量和用电费的支出，实现能源优化配置。

2 智能插座

智能插座是基于光纤复合电缆或无线双通道连接家电和电源的中间设备，实现家庭内部异构传感网络，对家庭用电设备进行统一监控与管理，在执行通断电操作、获得家电状态信息的同时兼插座使用。

2.1 智能插座主要功能

1）对家用电器的用电量进行计量，并采集家电的电压、电流、功率、功率因数，将所需数据上传至家庭互动终端；

2）利用无线等通信方式，接收互动终端下发的控制指令，对家用电器执行通断电操作，在家电进入待机状态时切断电源，达到消除待机能耗、节能省电的目的。

2.2 智能插座硬件设计

根据智能插座的功能，硬件结构框图如图2所示，智能插座主要包含控制管理模块、开断模块、计量模块、通信模块、时钟和存储模块等。

图2 智能插座框图Fig.2 Block diagram smart outlet

1）控制管理模块

智能插座在功能上要求较低，但安装数量较多，因此在设计时经济实用性着重考虑，可选用ATMEL公司的AT89S52。

2）电能计量模块

用于监测电器当前的工作状态，如实际功率、电压、电流等，可采用计量芯片ATT7022B。

3）开关模块

智能插座内部的继电器来控制家用电器电源的通断，微处理器接收到通断电指令后，令继电器吸合或断开。

4）通信模块

选择ZigBee微功率无线技术，通信的可靠性和通信速率高。通信模块采用CC2530芯片，CC2530能以非常低的成本建立强大的网络节点，负责向控制器发送数据和接收控制器的指令。

3 家庭互动终端

用户通过家庭互动终端了解室内用电信息，互动终端根据电价情况为用户提供不同的智能节电方案，在满足用户用电需求的前提下，用户根据实际情况可以对节电方案进行调整。互动终端根据用电方案对各用电器进行控制，最大程度上降低用电量和用电费的支出，实现能源优化配置。

3.1 家庭互动终端主要功能

1）接收智能插座发送的电器用电数据、实时电价数据，以及上述数据的存储。

2）为用户提供平台，用户通过互动终端查询家庭用电信息及其它相关信息。

3）用户设定电器控制指令，互动终端读取用户下达的条件并处理后将控制指令发送给各与家用电器连接的智能插座，从而控制家用电器的开关状态。对信息家电的调控可以不只是简单地开、关控制，设定的调控选项包括开关的控制、温度的设置、风速和模式的设置等，能够达到取代家电遥控器的作用。

3.2 家庭互动终端硬件设计

根据家庭互动终端的功能，硬件结构框图如图3所示，互动终端主要包含控制管理模块、开断模块、计量模块、通信模块、时钟和存储模块等。

图3 家庭互动终端框图Fig.3 Block diagram of family interactive terminal

1）控制管理模块

家庭互动终端需要处理大量信息，因此需要一个性能优异的芯片才能保证其高效稳定工作，选用TI公司基于ARM核心的LM3S9000系列。

2）LCD与按键模块

该模块包括按键、LCD及其驱动3个部分，互动终端将接收到的家电用电信息、每天的实时电价经过处理以图表的形式展现给用户。

3）通信模块

互动终端的通信模块与智能插座类似，负责向智能插座发送控制指令和接收智能插座采集的数据。

4）数据存储模块

互动终端的数据存储模块包含微处理器的铁电存储器和LCD液晶屏的显存。

4 软件设计

4.1 初始化设置

目前的居民电价政策主要是阶梯峰谷电价，随着智能电网的发展，还会采用实时电价政策。根据不同的电价政策，设计的装置为用户提供不同的能效服务，用户在使用装置时可以根据具体的电价政策选择装置的工作模式。

对于阶梯峰谷电价参数的初始化输入，用户能将各阶梯电量、各阶梯的调价电费、峰谷时段输入到互动终端。互动终端LCD提供界面，用户根据界面提示通过按键依次输入各参数值；对于实时电价，用户只需选定后互动终端便进入工作状态并进行实时电价的采集。实现流程图如图4所示。

图4 互动终端初始化设置流程图Fig.4 Settings flow chart interactive terminal initialization

4.2 信息获取及存储

在家庭正常用电时互动终端根据用户的初始化输入统计每天在峰电价时段工作的电器及其用电量，用户可以通过LCD查询统计的信息。

家庭互动终端采集每天的实时电价并进行存储，以时段及相应电价的形式存储；互动终端LCD提供实时电价查询界面，以曲线图的形式展示，用户通过按键浏览过去一（两）天的实时电价，实现流程如图5所示。

图5 实时电价存储流程图Fig.5 Flow chart of real-time electricity storage

4.3 家电控制方法

针对家庭内信息家电可以充分利用实时电价，用户使用电器时，可以通过LCD和按键查看前一（两）天的实时电价记录[9]，以便有一个参考，然后设定一个电器开启的可接受电价，当实时电价低于可接受电价的时候启动工作。以洗衣机为例，工作流程如图6所示。

图6 洗衣机的工作流程图Fig.6 Work flow of the washing machine

对于家庭内长时间工作的电器，在工作过程中还能根据实时电价的变化，通过预先的设置来改变电器的工作状态。这样既能满足生活要求，又能节省电费，家电控制方法具体的实现流程如图7所示。

图7 家电智能工作流程图Fig.7 Work flow chart of the appliances

5 结 论

文中以智能电网建设下用户的智能用电为背景，基于电价政策的家电控制装置和控制方法的设计，通过对智能插座的控制，实现对家用电器用电量的监测及控制，互动终端实现与用户的双向互动，两者配合引导用户合理用电、减少电费支出。

家庭智能用电装置是智能电网建设中的热点之一，本文设计的控制装置也为智能用电建设提供了重要参考，随着智能家居技术的不断发展，对家庭智能用电控制装置的设计还需不断探索和实践，以便达到更理想的效果。

[1]温家宝.深入推进重点领域改革[EB/OL].（2012-03-05）.http://news.xinhuanet.com/politics/2012lh/2012-03/05/c_111603835_2.htm.

[2]罗琦，侍必胜.基于实时电价的家用电器控制装置:中国，0025901.8[P].2011.

[3]殷树刚，张宇，拜克明.基于实时电价的智能用电系统[J].电网技术，2009，33（19）：11-16.

YIN Shu-gang，ZHANG Yu，BAI Ke-ming.A smart power utilization system based on real-time electricity prices[J].Power System Technology，2009，33（19）：11-16.

[4]刘畅，周渝慧，许蔚.基于智能电网高级计量体系的居室智能节电系统设计[J].电力需求侧管理，2010，13（1）：45-48.

LIU Chang，ZHOU Yu-hui，XU Wei.Smart residential energysaving system design based on smart grid advanced measuring system[J].Power Demand Side Management，2010，13（1）：45-48.

[5]牟龙华，朱国锋，朱吉然.基于智能电网的智能用户端设计[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：53-56.

MU Long-hua，ZHU Guo-feng，ZHU Ji-ran.Design of intelligent terminal based on smart grid[J].Power System Protection and Control，2010，38（21）：53-56.

[6]徐伟，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系统中的设计和应用[J].中国仪器仪表，2010，10：45-47.

XU Wei，JIANG Yuan-jian，WANG Bing.The design and application of smart power outlet in smart home system[J].China Instrumentation，2010，10：45-47.

[7]章鹿华，王思彤，易忠林.面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J].电测与仪表，2010（9）：35-38.

ZHANG Lu-hua，WANG Si-tong，YI Zhong-lin.The design and implementation of family comprehensive energy management system facing the smart power[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2010（9）：35-38.

[8]彭金华，舒少龙，林峰.家庭能耗管理系统研究综述[J].电力需求侧管理，2011，13（1）：35-38.

PENG Jin-hua，SHU Shao-long，LIN Feng.Summary of home energy management system[J].Power Demand Side Management，2011，13（1）：35-38.

[9]马明娟，田廓，李娜，等.基于面向能效提升目标的终端电价方案比较研究[J].陕西电力，2012（7）：1-7.

MA Ming-juan，JIAN Kuo，LI Na，et al.Terminal price mechanism designed for energy efficiency target[J].Shaanxi Electric Power，2012（7）：1-7.