户用智慧能源云平台的一体化设计与应用

林 海，蓝建明，郭 幸

（1.广州汇锦能效科技有限公司，广州 510665；2.华南理工大学电力学院，广州 510640）

当前全球气候问题和能源危机加剧，社会各领域实现节能减排目标任重而道远。随着现代化、信息化、智能化时代的进展，家庭能源系统融合了能源领域、家居领域、交通领域，推广户用智慧能源系统应用具有重要的节能价值和现实意义。

文献[1]构建含并网光伏发电系统的家庭能源调度模型，并进行经济性分析。文献[2]构建家庭微电网能源管理系统，同时对电动汽车、住宅、电池和可再生能源发电系统，提出动态能源管理方案。文献[3]提出了包括检测、优化调度、监控等功能模块的架构，基于智能家居的用户需求响应制定能源消费计划。

以上研究侧重于家庭能源管理的优化技术，离实际应用尚有距离。有学者讨论了家庭能源管理系统应用的基础框架[4]，提出基于优化的住宅能源管理、决策支持工具等能源管理方案。文献[5]给出绿色智能家庭能源系统业务建模过程，为业务系统建设和部署提供标准化指导，但是研究是基于能源互联网环境。文献[6]阐述了传统家庭用电和智能家居用电结构区别，总结了智能家居和可再生能源在家庭能源管理系统中的应用技术。

在技术应用中，软件开发是验证和推广家庭能源系统设计方法的重要途径。在发达国家和地区，家庭能量管理系统得到充分研究，已进入现实应用层面，开发出一些软硬件产品。例如美国电力企业曾开发包括住宅能量管理系统（HEMS）、分布式新能源发电装置、智能电表、节能照明器具和需求响应家用电器等产品[7]。在我国，家庭能量管理系统的研究偏重于规划、调度，实际应用的软硬件产品还较为稀少。文献[8]以LiteOS为软件平台设计一套家庭智慧能源管理系统，文献[9]提出了一种基于Zig Bee 的嵌入式智能家居管理系统设计方案，研究实现对智能家居管理系统的控制，侧重于系统的内部通信，尚不能满足用户的使用需求。

因此，本研究通过开发户用智慧能源云平台，实现对户用场景的光伏、储能及用能等能源系统进行实时监测、管控和智慧化安全运行。

1 软件功能和要求

户用智慧能源系统是家庭能源管理与智能家居的结合。家庭能源管理通过对家庭用户的能源使用情况进行优化配置，对于具有独立产权屋顶的户用建筑还可以装设分布式可再生能源，增加家庭的绿色能源。随着信息技术和数字化技术的发展进程，智能家居以智能检测为基础，利用传感模块和通讯模块传输家用电器工作状态、家庭成员用能习惯、居住环境状况，以数字化的形式记录和分析家庭能量流动，从而个性化定制用能方案，提升家用电器的用能效率，降低电能消耗。户用智慧能源系统通过对用户的家电设备进行智能监测和控制，合理调度各时间段内能源系统的发电、储电、用电，从而减少家庭电器设备的用能、减少以火力发电为主的高碳电网电能以及减少向电网购电的费用。此外，家庭用能还存在差异性和随机性。家居设备种类繁多，用电负荷大小各不相同，用能行为还受家庭人口结构、生活习惯、环保理念等因素影响，即使是同一个体的能行为都存在较大的随机性。户用智慧能源系统需要具有通用性和适用性，能适应不同用户的用能情况。

户用智慧能源云平台基于户用智慧能源系统，是用户与能源系统的交互平台。户用智慧能源云平台从用户的角度出发，假设用户不仅对用能成本敏感，还追求用能舒适性，并且不需要具备发电、智能控制等方面的专业知识。因此，云平台要基于模块化的用能策略进行能源设备管控，并对能源数据进行深入挖掘和分析，制定满足用户日常用能行为偏好的用能方案，并通过模型、图表等视觉展示效果进行生动直观的可视化展示。基于户用智慧能源系统的功能和用户要求，云平台系统的主要功能包括：①通讯设备的接入、状态监测；②储能及系统整体运行策略设置；③光储系统的智慧运行及远程启停控制；④全局及主设备的预警和设备能耗分析。

户用智慧能源云平台的功能主要通过监测运行数据、控制家居系统、预警设备异常、分析系统数据和版面展示等方式实现。因此，对于平台的后台和前端具有不同的要求。

对于后台，运行数据的获取包括家庭能源系统中的光储系统和智能家居系统，随着电动汽车的渗透率不断提高，还需要考虑家用电动汽车。为实现系统控制，需要对光伏、储能、电动汽车及充电桩等设备的实时运行数据进行读取，系统侧应有独立算法对选择最优的运行策略或者实现用户在交互界面给予的执行策略，设备侧应能通过带通讯功能的远程智能控制器实现设备的运行方式切换或开关控制。

对于前端，应适应用户使用习惯，提供个性化体验。APP 主界面简洁明了，重点选择性展示关键信息，各版面功能定位清晰，方便用户快速定位和查阅。控制界面令布局清晰，系统控制方法及运行策略配置于后台，配置常用的运行策略2~3 套供客户快速选择。支持自定义控制参数，运行策略设置界面自定义的控制参数数量不宜过多，且支持保存用户自定义运行策略。控制指令实时下达，系统快速响应。系统的控制响应时间不宜超过30 s，本地组网设备的指令执行时间不宜超过10 s。同时兼顾采集模块的数据采集能力及通讯流量费用等，设置合理的数据采集间隔。

2 软件系统框架设计

2.1 运行数据监测

户用智慧能源云平台运行中需要监测的数据包括光储设备如光储逆变器等关键信息，智能家居设备的有功功率、频率、用能偏好等个性化信息，电动汽车及充电桩的连接状态、充电量、充电时段等信息。监测数据框架如图1 所示。

2.2 运行策略设置

户用智慧能源云平台运行控制策略的理念基于经济性、安全性、舒适性和智慧化考虑。光储系统通常采用最大自发自用模式、分时段控制模式、用户指令控制模式。

最大自发自用模式指光伏电量优先供应家庭负载使用，剩余功率优先给储能系统充电，在此基础上，如果光伏发电功率仍有剩余则余电上网。结合智能家居场景，家庭负载可根据使用需求进行调控，通过设置优先级使用电负荷跟随光伏发电量变化。例如白天光伏发电量大的时段，光伏发电供应热水器、洗衣机、扫地机器人等可调整使用时段的设备用电。该模式主要经济性评估指标为光伏电力的自发自用率，比例越高，经济性越好。同时，考虑用户用能体验，例如夏天下班放学时段，空调的启动优先级高于扫地机器人等其他设备，以保证到家时环境温度的舒适性。

分时段控制模式支持自定义多个充放电时段及充放电功率、电量等参数，需要根据当地的分时电价政策、用户是否申请分时电价计价方式确定。分时电价的制定一般是把全天划分为峰、平、谷3 种时段, 家庭用能特点一般也呈现峰谷起伏趋势，早上和晚上时段负荷会出现高峰。分时段控制模式的优点是可以转移用电高峰期的家电负荷至平价期或谷价期，储能设备可在电价峰段和平段放电，减少从电网购入的电量，从而减少电费支出。对于拥有电动汽车的家庭，还可以通过利用电价谷段充电和储存电量充电。

用户指令控制模式由用户自行设定控制指令，根据智能家居设备的使用习惯设置用电平移时段和负荷，分配光伏电量和储能电量。

2.3 设备智慧控制

户用智慧能源系统的光储系统的运行主要通过设置运行策略控制。智能家居系统设备在云平台完成配置后实现智慧化自动运行，原则上无需使用者频繁操作。

根据家用电器特性和用户用能偏好，家庭用电负荷可分为可平移负荷、可调整负荷和基本负荷[10]。可平移负荷的用电时段可以前后平移，且不影响使用体验，例如洗碗机、扫地机器人、洗衣机等；可调整负荷的用电负荷可部分或全部增加或削减，实现用电量调整，如热水器、空调等；基本负荷满足用户的刚性需求，因此通常不可调节，如灯具、路由器、电视机等。用电设备在接入系统时标记是否属于可控负荷，即是否可以根据经济性进行用电时段平移或者用电负荷增减。可控负荷的实现需要保证设备远程启停，含负荷调整功能的设备如空调、热水器等应能实现远程智慧控制，并通过传感器反馈控制效果。已有智能模块的家居设备通过接入原有系统实现控制，无智能模块的家居设备通过智能插座实现控制。

2.4 设备预警和能耗分析

户用智慧能源云平台通过对设备的监测和控制，读取设备异常并报告预警信息。支持系统安全预警分级制度，例如光储系统中，光伏组串、储能电池亚健康等指标信息存储在系统设备状态中，运行异常故障在界面气泡界面显示，运行故障严重则由短信推送。

户用智慧能源云平台的能耗分析包括光储系统和用电设备的运行数据分析，以及系统节能减排分析。设备的运行数据支持动态显示实时的电力流向图；支持不同时间维度总发电、总用电、储能充电及储能放电的功率曲线查询或图表展示，支持光伏发电量、上网电量、各设备用电量等统计信息显示。系统节能减排分析统计包括自动计算统计生产绿色电量，以及对应的节能减排数据分析，如CO2减排量、SOX减排量等。通过对全局海量采集能源数据进行深入挖掘和分析，包括系统用能全貌、能源分析、分区能耗分析、设备能效分析、同环比对比、对标分析、能耗预警及异常反馈等。

3 软件应用示例

通过应用户用智慧能源云平台的一体化设计，形成面向用户需求的软件产品，实现上述功能。版面设计示例如下。

3.1 系统总览版面

总览系统能流情况和系统运行数据。为保持界面简洁，数据版面仅展示关键指标数据，如展示发电、充电、放电、用电的曲线。电量可按不同时间周期进行查询。

3.2 运行设备版面

接入设备关键信息，展示当日发电量、累计电量、储能当前电量、接入设备及在线设备在线数量、用电总功率等。用户需要查询进一步数据可以跳转页面，进入设备详细信息版面。同时展示设备的节能减排贡献。

3.3 设备控制版面

设备控制页面显示支持控制的各设备列表或种类图标，点击可进入设备控制。设备控制包括设备远程启停、温度控制和功率控制等。

3.4 策略配置版面

策略配置可选择整体的既定运行策略及自定义参数。最大自发自用模式和分时段控制模式由系统根据用户数据预先配置，用户指令控制模式由用户自定义，并支持保存和修改功能。

3.5 安全预警

显示系统运行告警信息，区分紧急告警、重要告警、次要告警和提示告警。支持各设备的亚健康状态提醒。

3.6 用户管理

含用户信息管理、帐号密码管理、用能场景管理、电价信息配置、系统更新及登录管理等。

户用智慧能源云平台的一体化示例如图2 和图3所示。

图2 户用智慧能源云平台界面总览和运行策略

图3 户用智慧能源云平台安全预警和用户管理

4 结束语

本文提出了一种户用智慧能源云平台的一体化设计方案，界定软件功能，设计软件系统框架，并通过开发软件加以应用。开发的软件可以为用户提供安全高效的能源管理，从而助力家庭能源系统的节能降碳。

本文的研究主要基于户用光储系统，电动汽车只作为可调节的用电负荷。随着V2G（Vehicle to Grid）技术的发展和普及，电动汽车的电能也能反馈给电网或家庭能源系统，或者作为储能系统的补充，进一步节约用电成本。未来可以研究考虑电动汽车的智慧能源系统运行策略。此外，云平台数据采集了海量的实时用户用电数据，对数据进行进一步深度挖掘，可以提取用户的用电行为习惯，调度智能电器参与智能电网的需求响应，为社会整体的节能减排作出贡献。