家庭电能信息远程监测平台设计与能效管理应用

李 菁，王志新，邹建龙

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴 314031）

◆能效与负荷管理◆

家庭电能信息远程监测平台设计与能效管理应用

李 菁1，王志新1，邹建龙2

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴 314031）

采用B/S结构并通过JSP和JDBC等技术设计了一种基于Web的家庭电能信息远程智能监测平台，通过实时采集家用电器的用电信息和对电能数据进行统计分析，满足用户远程监控家用电器、了解家庭用电情况的需求，并有助于家庭用户规划家用电器工作时段以实现家庭能效管理。结合某家庭应用实例，验证了该电能信息远程智能监测平台的主要功能，以及家庭能效管理应用效果，证明所提出方法及电能信息远程智能监测平台的有效性。

智能家居；远程监控；B/S结构；能效管理

智能电网是以物理电网为基础，将传统电网与先进的传感测量技术、信息通信技术、控制技术和计算机技术高度集成而形成的新型电网［1］。它可以满足用户对电力需求和资源的优化配置，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性，实现节能减排的目标。

智能用电是智能电网的重要组成部分，建设与用户友好互动的智能电网，满足多元化客户需求，是未来智能用电的发展方向［2］。因此，及时获取并向用户提供家庭用电信息，包括电器运行情况和用电数据记录，并以此为依据进行能效管理，是实现经济效益最大化的基础。

本文侧重于用户侧，对家庭智能用电系统进行研究并开发了一种基于Web的电能信息远程监测平台。系统由智能插座、家庭网关、Web服务器和用户端浏览器组成，远程监测平台采用B/S结构，使用Java语言编程，结合Java Web和JDBC等技术，能够及时准确地采集家用电器用电信息、对电能数据进行统计分析，满足用户远程监控家中电器、了解家庭用电情况的需求，帮助用户规划电器工作时段以实现节省电费的目标。

1 系统功能需求分析

综合考虑用户对智能用电的需求，将系统功能分为以下3部分。

（1）电能信息查询

系统通过电能信息远程监测平台向用户提供家用电器的运行信息和用电数据，包括电器开关状态、运行数据、耗电量以及历史负荷。用户可以有选择地查询电器实时用电数据或指定时间段内的负荷记录。此外，为了保障用户信息安全，一户家庭的用电数据只向此家庭的账号提供，用户能够修改和找回自己的密码。

（2）电器远程控制

系统利用Socket通信实现对电器的远程控制。用户可以通过手机APP遥控智能插座，实现定时开关电器、对空调进行温度设定、通过摄像头远程获取家中的实时影像等功能。

（3）用电数据统计分析

根据系统采集的电能信息，计算不同电器的耗电量，得到负荷曲线，给出主要负荷的特性参数，结合分时电价、光伏发电和蓄电池的参数，推算采用能效管理算法后家庭用电的优化情况。

2 系统总体设计

家庭智能用电系统由智能插座、家庭网关、Web服务器、手机APP和Web远程监测平台几部分构成，系统总体结构如图1所示。

图1 家庭智能用电系统总体结构图

2.1 智能插座

智能插座具备电能计量、电器开关和双向通信3方面功能，能够读取与其相连的家用电器运行时的电压、电流、频率、功率等数据，将这些数据按设定周期发送到家庭网关，并根据家庭网关的控制指令开关电器。

智能插座采用电能计量芯片ADE7755作为电能计量模块的核心，用结合了RF收发器的CC2530作为无线通信模块的核心。电器插头通过继电器与电能计量模块相连，计量模块计量出电器用电数据后，通过串口通信传输至终端节点，终端节点把数据传送至ZigBee协调点，再通过ZigBee无线网络传给家庭网关。当家庭网关收到电器开关控制指令时，通过串口把指令传输给ZigBee协调点，再传输给终端节点，触发继电器实现对电器开关的控制［3］。

2.2 家庭网关

家庭网关由终端控制、数据查询、数据存储和数据通信4个模块组成，可以实现互联网与家庭内部网络的通信。

终端控制模块实现对设备的开关控制。当家庭网关客户端收到用户端发送的控制命令时，会经由ZigBee协调器把命令发送给终端节点，实现对家中电器的开关控制。

数据查询模块负责实现手机APP对设备用电数据的查询。手机发出查询指令时，家庭网关会将收到的指令通过ZigBee发送给终端节点，终端节点返回设备用电数据。

数据存储模块用于存储设备的电能信息。家庭网关按照设定的周期向各个终端节点发送指令查询用电信息，收到返回的数据后将其存储到家庭网关后台数据库和Web服务器系统数据库中。

数据通信模块包括家庭网关与Web服务器的Socket通信、与ZigBee协调器的串口通信两部分。家庭网关客户端启动时向服务器发出Socket连接请求，上线后向服务器发送该客户端的序列号进行确认。同时，家庭网关客户端与ZigBee协调器进行通信，协调器接收到信息后通过ZigBee网络向终端节点发送命令并获取反馈信息［4］。

2.3 Web服务器

Web服务器上搭载着存储系统所有数据的数据库。它同时连接手机端、网页端和家庭网关，负责处理智能插座获取的用电数据，并且对智能插座、家庭网关以及Web客户端的运行进行管理，是整个系统的数据信息中心和后台管理中心。

网页端的浏览器与Web服务器构成B/S结构，用户通过浏览器向服务器发出请求，服务器对请求进行处理，再将处理结果返回到浏览器。手机端和家庭网关作为Socket通信的客户端与Web服务器通信。

2.4 远程Web监测平台和手机APP

基于Web的远程监测平台和手机APP作为家庭智能用电管理软件，用于远程控制家庭内部网络中的智能设备，以及监测设备的运行信息和耗电数据，让用户能够随时随地了解家中电器的实时用电数据，并通过合理安排家电的运行实现家庭能效管理。

3 电能信息远程监测平台设计与实现

3.1 架构设计

图2为基于Web的电能信息远程监测平台结构图。电能信息监测系统采用B/S结构（browser/server，浏览器/服务器结构）。用户界面显示在Web浏览器上，主要事务逻辑运行在服务器端，也有一小部分事务逻辑在浏览器上实现。服务器和浏览器之间使用HTTP通信协议［5-6］。

家庭网关按照设定周期读取来自智能插座的用电数据并将其发送至Web服务器，存储到系统数据库中。客户端浏览器将用户输入的信息通过Internet发送至服务器，网络应用程序根据用户输入的信息对系统数据库中的数据进行查询、更新等操作，再将处理结果以网页的形式返回给用户。

图2 基于Web的电能信息远程监测平台结构图

综合考虑用户对远程监测实时性及能效管理优化算法精确度的要求，数据更新间隔设定为2 min。即一户家庭中所有智能插座依次发送用电数据至家庭网关，时间间隔为2 min，家庭网关接收到数据后将其发送给Web服务器，存入系统数据库。每户示范家庭中安装5个智能插座，一个家庭所有的用电数据更新一次需要10 min。

3.2 功能模块的实现

JavaWeb应用的核心技术是Servlet和JSP。Servlet是用Java编写的服务器端程序，它创建了一个框架来扩展服务器的功能，多用于交互式地浏览和处理数据，通过网络进行请求和响应［7］。JSP是一种动态网页开发技术，它使用JSP标签在静态HTML程序中插入Java代码，再由Web服务器中的JSP引擎编译和执行这些代码，生成动态网页［8］。

Servlet适合用于流程控制和事务处理，但是用它生成动态网页的方法比较繁琐。而JSP非常适合用于在B/S结构的系统中实现与用户的交互并生成动态网页。因此在系统编程过程中，Servlet主要用于完成用电记录查询、图表绘制、用户身份验证等功能的逻辑控制，JSP主要用来生成动态网页［9］。系统各功能模块实现过程如下。

（1）数据查询及更新

数据查询及更新通过JDBC（Java data base connectivity）实现。程序根据用户输入的指令创建SQL语句和用于执行该语句的Statement（或Prepared statement）对象，然后调用Execute query方法实现对用电数据的条件查询。查询结果存储在Result Set对象中，以表格或图形的形式显示在网页上［10］。对数据库数据进行修改时，用Execute update方法写入更新值。

（2）图表绘制

通过将JDBC与Java绘图API Jfreechart结合运用生成负荷曲线。

绘制负荷曲线时，先检索指定时间段内的负荷记录，以时间为横坐标，节点负荷为纵坐标逐个生成数据点存入数据集中。然后用Create time series chart方法生成时序图，图形横坐标可以精确到分钟［11］。绘制各电器耗电量饼图时，检索指定时间段内的负荷记录，根据负荷值计算每个周期的耗电量并将其累加，得到电器在该时间段内总耗电量。绘制各节点工作时间分布图时，根据指定日期内的数据，计算某电器在一天中每小时的累计工作时间，由此计算出该电器在该时段处于工作状态的概率。

（3）用户信息管理

用户登录系统后可以修改个人信息中的密码、邮箱。密码找回功能的实现是利用jmail组件。程序根据用户输入的邮箱名验证用户身份，在数据库的用户信息表中检索该邮箱名对应的条目，验证成功后使用jmail提供的一系列方法向该邮箱发送邮件，邮件内容包含该条目中的用户名和密码［12］。

（4）用户界面

用户界面的实现主要使用JSP编程，其中供用户操作的Web窗体由HTML生成，网页处理逻辑由通过JSP标签插入HTML代码中的Java程序段实现，能够通过网页表单获取用户输入的数据，完成数据库连接、数据处理等逻辑，创建动态网页，还可以在不同网页中传递和共享信息［13］。

3.3 Web数据库的实现

Web服务器上的系统数据库是整个智能家居监控系统的信息中心。系统数据主要包括3部分：设备实时运行状态信息、设备历史负荷记录和用户信息。

用户信息保存在userinfo表中，包括用户名、密码和邮箱。设备实时用电信息保存在state表中，包括每户家庭的设备开关状态、功率、电压、电流、频率、当日累计耗电量和数据更新时间。历史负荷记录保存在home表中，包括每户家庭所有节点的负荷数值和记录时间。

系统应用程序通过JDBC接口与数据库进行交互，根据用户的指令从数据库中获取设备用电信息并将其显示在网页上［14］。

4 案例分析

4.1 家庭光伏电站配置与电能监测

实现家庭能效管理需要将家庭智能用电系统、户用分布式光伏电站和储能系统相结合，在对用电信息进行统计分析的基础上，考虑分时电价和光伏出力情况，通过建模分析制定家庭用电优化方案。

浙江省嘉兴某地3户家庭中安装了上述设备。其中家庭智能用电系统由智能插座、家庭网关、Web服务器、手机APP和远程Web监控平台组成（如图1所示）。系统硬件配置参数如表1所示，软件配置参数如表2所示。家庭网关、ZigBee协调点、智能插座外观分别如图3、图4、图5所示。

表1 系统硬件配置表

表2 系统软件配置表

图3 家庭网关

图4 ZigBee协调点

图5 智能插座

4.2 应用测试与分析

目前本系统在用户家庭中稳定运行。Web监测平台与智能插座、家庭网关等设备相结合，实现了预期功能，包括：用电信息实时监测、历史数据查询和统计分析、远程数据库维护、用户权限区分、密码修改和找回。

图6显示了家庭历史负荷记录。系统根据用户输入的日期区间，以表格的形式显示该时间段内所有各节点的负荷变化数据。

图6 家庭历史负荷记录

图7 为系统对家庭用电数据进行统计分析后生成的图表。（a）为家庭总负荷曲线和各设备负荷曲线。（b）为各设备耗电量饼图。（c）为各设备工作时间分布图，是对一段时间内的数据进行统计分析后得到的各电器在一天中的各时段处于工作状态的概率。从图7中可以直观地看出指定时间段内各种电器的开关情况、工作时间分布、耗电量和家庭负荷变化情况。

图7 用电数据统计图

4.3 家庭能效管理算例

为了实现经济效益最大化，即家庭用电总费用最小，在当前的智能用电系统的基础上，综合考虑光伏发电、实时电价与家庭负荷的实际变化情况，建立了基于分布式光伏发电和储能系统的优化模型，并在分时电价的条件下，通过决策蓄电池的充放电功率以及可平移负荷的工作时间来实现家庭能效优化管理。

以嘉兴某户家庭用户为例，其家庭负荷的运行参数如表3所示。其中，洗衣机和热水器为可平移负荷。

表3 家庭负荷运行参数列表

根据光伏发电功率、蓄电池充放电功率、家庭负荷以及峰谷电价等数据，利用Matlab对家庭能效的优化管理进行仿真研究，使用家庭能效管理算法，找到使一天用电总费用最小的家庭用电方案。仿真结果如图8所示。

图8 一天中的家庭用电总费用曲线

经过仿真计算得到，当洗衣机的开始工作时间为22：00，热水器的开始工作时间为21：50，家庭用电总费用最小。图8为一天中家庭用电总费用的变化曲线。曲线1为未经过能效优化管理的总费用曲线，曲线2为调整可平移负荷及加入蓄电池充放电管理后的总费用曲线。可以看出，在0：00之后由于蓄电池从电网吸收电量充电，曲线2用电总费用增加较快，在17：00之后光伏发电量不足，由蓄电池向负荷供电，曲线2用电总费用的增加速度明显慢于曲线1。可平移负荷的用电调度也使得用电总费用进一步减少，最终到24：00，这一天的家庭用电总费用减少了2.08元。

仿真结果说明家庭能效管理算法能有效提高运行经济性，实现经济效益最大化。

5 结束语

本文给出了家庭智能用电系统的结构框架，设计并实现了一种基于Web的家庭电能信息远程监测平台。能够实时采集家用电器的用电信息、储存电能数据并对其进行统计分析。结合某家庭应用实例，验证了电能信息远程监测平台可以满足用户远程监控家用电器、了解家庭用电情况的需求，有助于用户规划家用电器工作时段以实现家庭能效优化管理。

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The design of household power information remote monitoring platform and application of energy efficiency management

LI Jing1,WANG Zhi-xin1,ZOU Jian-long2
（1.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Jiaxing Qingyuan Electrical Technology Co.,Ltd.，Jiaxing 314031,China）

This paper designed a Web based remote monitoring platform of household electricity consumption using technologies of B/S structure by JSP and JDBC.This platform can get operating data and load records of household appliances timely,enable users to monitor the operational aspect of their household appliances remotely,and help users to adjust the working hours of their household appliances to minimize the electric bill.Basing on a smart household system application example,the main functions of the platform and the effectiveness of the energy management strategy are verified.

smart household;remote monitoring;B/S structure;energy efficiency management

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.05.005

TM76；F406.61;TK018

B

2017-02-24

国家863计划（2014AA052005）；嘉兴市科技计划项目（2014BZ15002）

李菁（1993），女，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为智能用电；王志新（1964），男，上海人，博士生导师，研究方向为风力发电、光伏发电控制技术、智能电网分布式电源接入与智能配电系统、电机控制与系统节能；邹建龙（1964），男，江苏苏州人，高级工程师，研究方向为光伏发电控制技术。