基于計量自動化系統(tǒng)的家庭智能用電用戶交互終端技術(shù)研究

1、基于計量自動化系統(tǒng)的家庭智能用電用戶交互終端技術(shù)研究摘要：電力需求側(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于信息的交互。本文結(jié)合計量自動化系統(tǒng)對家庭側(cè)智能用電用戶交互終端技術(shù)進行了研究，描述了適合于計量自動化系統(tǒng)的智能家庭管理系統(tǒng)架構(gòu)和用戶交互終端的功能，提出了用戶交互終端的設(shè)計方案。關(guān)鍵字：用戶交互終端，智能家庭管理系統(tǒng)，計量自動化系統(tǒng)research on user-end interaction of family intelligence electricity based on metering automation systemsabstract: the key technology of ele

2、ctricity demand side management system is information interaction. combined with metering automation systems, the user-end interaction techniques of family intelligence electricity have been studied. describe the smart home management system architecture and the user-end interaction function, which

3、suitable for metering automation systems. and propose user-end interaction design.keywords: user-end interaction; smart home management system; metering automation systems0. 引言智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是建設(shè)智能電網(wǎng)的著力點和落腳點。智能用電是實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間實時交互響應(yīng)，增強電網(wǎng)綜合服務(wù)能力，滿足互動營銷需求，提升服務(wù)水平的重要手段。智能用電關(guān)系到提高電網(wǎng)的能源使用效率、經(jīng)濟運行和有序用電，對電網(wǎng)建設(shè)、節(jié)能環(huán)

4、保、電能質(zhì)量管理具有深遠的影響。而適應(yīng)于智能電網(wǎng)的用電側(cè)用戶交互終端，是智能用電技術(shù)及服務(wù)體系中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，能夠滿足用戶電力定制及與電網(wǎng)企業(yè)遠程雙向互動的功能，符合智能電網(wǎng)技術(shù)“互動”的關(guān)鍵特點，非常具有前瞻性。在國內(nèi)，中國電科院對智能電網(wǎng)的總體框架等內(nèi)容進行研究，成立了智能電網(wǎng)研究開發(fā)中心，參加國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)研究工作，參與國網(wǎng)公司組織的相關(guān)工作。2009年4月，國網(wǎng)信通公司開始建設(shè)北京阜成路95號院和北京豐臺區(qū)蓮香園兩個試點的樣板間，2010年3月建成的上海示范工程，2010年12月，中國電科院針對智能家居系統(tǒng)標準制定工作召集了國內(nèi)相關(guān)廠家進行討論，并發(fā)布了標準制定工作計劃。在國

5、外，也有相應(yīng)的研究。荷蘭ihd方案偏重于能源信息管理（三表），智能插座，并基于此實現(xiàn)遠程控制和本地控制的功能，英國天然氣公司發(fā)布的英國方案的交互內(nèi)容是水電氣消費數(shù)據(jù)、預(yù)付費、水電氣供應(yīng)安全信息和公司發(fā)布的其他信息，施耐德方案偏重于家庭照明控制、家用電器控制、安防系統(tǒng)方面遠程控制和本地控制的功能，current cost公司的方案主要應(yīng)用目標是提供一種基于amr的解決方案，為用戶提供精確的電表信息。蘭吉爾公司的方案主要應(yīng)用目標是為用戶提供一個用于顯示用戶的用電實時量、時間、溫度等信息的顯示終端。control 4公司的ihd應(yīng)用目標包括家庭溫度控制、家庭多媒體控制、照明控制、家庭安全、能源管理等

6、方面。aztech公司的方案主要應(yīng)用目標也是在于用戶能源管理。目前，廣東電網(wǎng)公司各直屬供電局已經(jīng)建成涵蓋發(fā)、供、配、售各側(cè)的一體化的計量自動化系統(tǒng)，采集專變用戶及低壓用戶的用電數(shù)據(jù)，但僅采集了用戶總的用電信息，還沒有有效的手段采集用戶各用電設(shè)備的詳細信息，掌握用戶的詳細用電情況，以便更好地指導(dǎo)用戶合理用電。因此，用戶側(cè)用戶交互終端極具應(yīng)用推廣價值。當前國內(nèi)外對用戶側(cè)智能終端的研究尚處于起步階段，一些高校及企業(yè)進行了探索性的研究及試點應(yīng)用，但由于標準的空白，各類產(chǎn)品差異性太大，無法較好地滿足智能電網(wǎng)發(fā)展中智能化、交互性、可擴展性、與電網(wǎng)應(yīng)用緊密結(jié)合的要求?，F(xiàn)階段全國部分電網(wǎng)公司正積極進行智能用電

7、技術(shù)研究和智能小區(qū)試點建設(shè)工作，智能用電信息交互模式和用戶交互終端關(guān)鍵技術(shù)和研究的重點。1. 家庭智能管理系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案研究1.1 系統(tǒng)功能系統(tǒng)主要目的是為用戶提供具備能源管理、家電控制、安防管理、室內(nèi)環(huán)境管理、燈光控制管理、智能物業(yè)及智能小區(qū)等功能的全方位的智能家居產(chǎn)品。系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個方面的功能：數(shù)據(jù)采集：包括能源數(shù)據(jù)、安防事件信息、分布式電源信息、環(huán)境數(shù)據(jù)等。智能分析：包括能源使用情況統(tǒng)計分析、節(jié)能措施分析、室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)分析等。自動/遠程控制：包括家用電器遠程控制、網(wǎng)絡(luò)攝像頭遠程訪問、場景自動控制、分布式電源自動控制等。自動告警：包括能源異常使用告警、安全防護告警、設(shè)備故障告警等。

8、信息交互：包括能源供應(yīng)信息、物業(yè)服務(wù)信息、公共服務(wù)信息等。1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)圖1 家庭智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)系統(tǒng)從物理上可以分為家庭能源管理、主站系統(tǒng)、通信信道、應(yīng)用現(xiàn)場四部分。家庭能源管理系統(tǒng)根據(jù)規(guī)模由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、web服務(wù)器、通訊服務(wù)器、接口服務(wù)器、應(yīng)用工作站及gps時鐘等相關(guān)設(shè)備組成。通信信道包括遠程通信信道和本地通信信道。遠程通信信道主要是指家庭能源管理主站系統(tǒng)與計量自動化等系統(tǒng)之間的通信信道以及家庭能源管理主站系統(tǒng)與應(yīng)用現(xiàn)場之間的通信信道。為獲得高速、穩(wěn)定、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為遠程通訊的主要方式。這種通訊方式的主要優(yōu)點在于低成本、高帶寬、擴展性強、靈活快速，

9、能與現(xiàn)有以太網(wǎng)很好的兼容、可以很方便的進行管理等。采用以太網(wǎng)方式通信，主要由路由器及防火墻等設(shè)備組成。家庭能源管理主站系統(tǒng)與計量自動化等系統(tǒng)采用防火墻物理隔離，保證系統(tǒng)的信息安全。本地通信信道主要是指用戶側(cè)本地網(wǎng)絡(luò)，主要采用低壓電力線載波、微功率無線、wifi（通訊接口模塊化設(shè)計，可互換）等通信方式應(yīng)用現(xiàn)場主要包括用戶側(cè)應(yīng)用所涉及的用戶交互終端(ihd)、智能電表、智能家電、智能安防、分布式電源以及溫濕壓記錄儀等相關(guān)設(shè)備。2. 用戶側(cè)智能交互實現(xiàn)方案用戶側(cè)智能交互主要包括與計量自動化、營配一體化等系統(tǒng)的交互；用戶與本地設(shè)備的交互。本系統(tǒng)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容以及相應(yīng)的處理機制，

10、提供了相應(yīng)的解決方案。用戶與計量自動化系統(tǒng)的交互包括用戶用電信息的自動化采集，用戶用電質(zhì)量分析，用戶用電遠程控制等。圖2描述了用戶與計量自動化系統(tǒng)的交互過程。圖2 用戶與計量自動化系統(tǒng)交互用戶與本地設(shè)備的交互是用戶通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)，將各種智能電器設(shè)備連接到信息服務(wù)平臺，智能管理各種智能電器設(shè)備，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)、手持終端等實時查看智能電器的運行情況。圖3描述了用戶與本地設(shè)備的交互過程。圖3 用戶與本地設(shè)備交互用戶側(cè)智能交互的實現(xiàn)需要通信協(xié)議，包括上行通信協(xié)議和下行通訊協(xié)議。2.1上行通信協(xié)議上行通信協(xié)議在系統(tǒng)中的主要作用在于規(guī)范用戶交互終端與家庭能源管理系統(tǒng)主站進行物理通信以及數(shù)據(jù)交換格式。

11、要實現(xiàn)智能用電信息交互，必須首先打通電力公司與用戶之間的通信信道，采用合適的通信信道，是確保智能用電信息安全、快速、穩(wěn)定地交互的必要條件。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用范圍最廣，用戶普及率最大，通信速率快，通信可靠性高的通信信道，是最合適于智能家庭能源管理系統(tǒng)的上行通道。2.2 下行通信協(xié)議智能家庭管理系統(tǒng)下行通訊協(xié)議主要用于用戶交互終端與家庭內(nèi)本地設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。本方案中定義的下行通訊協(xié)議適用于采用低壓電力線載波、微功率無線通信、以太網(wǎng)、rs485及其他串行總線傳輸通道的本地通信組網(wǎng)方式。下行通訊協(xié)議參考rfc 1661ppp（point-to-point protocol點到點協(xié)議）幀格式模型，內(nèi)容

12、包括幀格式、鏈路傳輸、物理層接口、報文應(yīng)用及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，協(xié)議模型簡單、透明、靈活，可擴展性好，適用多種鏈路類型。3. 用戶交互終端設(shè)計方案3.1 功能設(shè)計用戶交互終端是實現(xiàn)家庭智能用電服務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，通過有線、無線等通信技術(shù)，用戶交互終端能夠與智能電表、氣表、水表等互聯(lián)通信，同時可以實現(xiàn)對用電設(shè)備的統(tǒng)一管理和控制，并通過用戶界面，實現(xiàn)人機交互，替代部分人工處理實現(xiàn)對家庭內(nèi)各類智能設(shè)備的自動化、智能化操作和反饋。并對能源消耗情況等數(shù)據(jù)進行搜集和發(fā)布，指導(dǎo)用戶進行合理、經(jīng)濟地使用能源，節(jié)省用戶能源消費開支。同時為用戶提供家庭安防、社區(qū)信息和娛樂等各類功能。3.2 硬件設(shè)計圖4 用戶智能交互終端硬件

13、設(shè)計整個硬件設(shè)計可以分為處理單元、管理單元、接口單元和其它單元四部分。處理單元部分包括arm11系列微處理器、tft顯示/觸摸屏。arm11的媒體處理能力和低功耗特點，特別適用于無線和消費類電子產(chǎn)品；其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用；另外，在實時性能和浮點處理等方面具有良好的性能。tft顯示/觸摸屏通過設(shè)置arm芯片中集成lcd控制器將內(nèi)存中的圖像信息傳送到lcd，系統(tǒng)根據(jù)手指在觸摸屏的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入,可用來取代鍵盤或鼠標。管理單元部分包括數(shù)據(jù)存儲、電源管理。用戶交互終端使用電源適配器供電，電源管理可實現(xiàn)多路的、高效的直流電源輸出，并實現(xiàn)其外圍的控制管理。待添

14、加的隱藏文字內(nèi)容1通信接口單元包括各種常用通信接口，系統(tǒng)可以有效快速的與各種智能電器進行通信，實現(xiàn)對智能電器的有效管理。其它單元包括usb接口、sd卡座，為擴展單元。3.3 軟件設(shè)計圖5 用戶智能交互終端軟件設(shè)計用戶交互終端軟件設(shè)計框架分為四層：1）ui（user interface）：ui 是人機交互界面，指用戶和ihd軟件系統(tǒng)進行交互的集合；ui 需要達到通過友好的界面和操作提示，達到操作人員易于理解軟件功能、便于操作的目的。2）業(yè)務(wù)處理層：主要實現(xiàn)智能家庭相關(guān)業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)。3）數(shù)據(jù)解析層：主要處理各類數(shù)據(jù)幀，將解析后的數(shù)據(jù)以規(guī)范的存儲格式寫到存儲介質(zhì)中，方便業(yè)務(wù)處理層提取。4）通信層：

15、通信層主要完成通信接口調(diào)用、通信鏈路維護等任務(wù)。4. 總結(jié)電力需求側(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于信息的交互。本文結(jié)合計量自動化、營配一體化系統(tǒng)分別描述了用戶側(cè)智能終端與計量自動化、營配一體化等系統(tǒng)的交互和用戶與本地設(shè)備的交互方式，并設(shè)計了用戶交互終端實現(xiàn)方案。參考文獻1. 張仕民，葉選茂，姜齊榮.配網(wǎng)及用戶側(cè)供電安全與電能質(zhì)量j.四川電力技術(shù)，2005，28（5）：52-552. 北京電網(wǎng)“定制電力技術(shù)”獲重大突破m.電氣應(yīng)用，2007，26（9）：153. 張鼎華，程良倫，張凌.j2ee框架在需求側(cè)用電管理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用j.電力需求側(cè)管理，2006，8（2）：15-174. 湯廣福，張文濤.定制

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