智能插座家庭电力能源管理系统的开发与研究

邓斌 刘关林

（南宁学院信息工程学院 广西壮族自治区南宁市 530200）

本文将以现有的研究成果为基础，结合国家电网公司在智能家庭电力能源管理相关研究，提出一种通过智能电表、移动终端以及智能插座等诸多智能设备共同组成的家庭电力能源管理系统，以期能够满足电力能源营销管理以及客户服务的多方面要求。

1 家庭电力能源管理系统的开发目的

家庭电力能源管理系统将会以智能插座为控制节点、以家庭智能网关为核心，通过智能管理平台将电力能源管理与家庭物联网相结合，通过电力能源的智能调控来有效解决城市居民用电智能化问题，从而达成电力能源安全、高效、可持续供应等效果。

2 家庭电力能源管理系统总体架构

本设计中家庭电力能源管理系统主要由插座联网模块、电源板块、信号处理和采集模块以及电能计量模块四大模块组成，各模块总体架构设计如下：

2.1 插座联网

插座内置一个内嵌Wi-Fi 模块的MCU 模块，通过Wi-Fi 模块建立桥梁联网使插座的数据与开放平台互联互通。

手机APP 实现对插座的监控与控制插座中的MCU 模块串口通信协议按照数据点的定义格式上传数据到智能硬件云服务开放平台，手机通过APP 对平台进行实时接收对应的数据，实现实时监控功能。手机可以通过APP 向智能硬件云服务开放平台发送对插座的控制指令，平台将接收到的控制指令下发至对应的插座，实现对插座的控制。

2.1.1 主控制芯片

本智能插座使用的主控制芯片为Freescale 公司KinetisK60 系列MCU，该系列提供高达180MHz 的性能和IEEE1588 以太网MAC，用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。

2.1.2 通讯功能

（1）带有IEEE1588 协议的以太网MAC 层（ENET）:硬件支持IEEE1588 的10/100MB/s 以太网MAC（MII 和RMII）a；

（2）允许许多设备之间的通信。在K60 以上两个功能的支持下，可以完成通信模块的所需要的GPRS 的信息交流和以太网信息上传。

2.1.3 计量功能

（1）Flash 存储控制器:通过多种外设主机和内核，管理程序进行RAMo；

（2）ADC 和PGA:内部集成可编程放大增益滤波器的16 位高精度ADCo 结合计量模块的ADE7878 芯片，便可以进行电压、电流、电量的数值的计量。

2.2 电源板块

该模块为智能插座提供电源，分为线路电源与电池。线路电源为主，电池为辅。当线路由于过载或漏电而断开时，则由电池供电。该模块主要为主控制器、信号采集和处理模块提供电源。

2.3 信号处理和采集模块

信号的采集与处理起着远程控制的作用。用户可以通过手机的GPRS 流量来实现远程控制。GPRS 网络是基于现有的GSM 网络来实现的。GPRS 工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而GPRS 的路由管理表现在以下三方面:

（1）移动终端发送数据的路由建立；

（2）移动终端接收数据的路由建立；

（3）移动终端处于漫游时数据路由的建立。

由于现在智能手机的普及，选择GPRS 作为信号传输工具也是十分方便的。

2.4 电能计量模块

智能电表是高级量测体系重要的组成部分。使用户获取带有时标的多种计量值，如电量、电流、电压、功率等;它不仅可以进行电能数据采集、计量和传输，还具有双向通讯功能。电能计量功能由ADE7858 来实现。ADE7858 是一款高精度、三相电能测量IC，采用串行接口，并提供三路灵活的脉冲输出。该器件内置二阶E 一△型ADC、数字积分器、基准电压源电路以及所有必需的信号处理电路，可执行总（基波和谐波）有功、无功和视在功率测量以及有效值计算。一个固定功能数字信号处理器（DSP）负责执行这种信号处理。利用串行接口SPI，可以与ADE7858 通信。电能测量时，先由电流互感器与电压互感器分别测出通过用电器的电流与用电器所带电压，再由ADE7858 计算出有功功率、用电量等。

3 家庭电力能源管理系统的主要功能

3.1 家庭用电计量

在设计中，家庭电力能源管理系统的家庭用电计量主要分为家庭总用电计量和家庭单用电设备用电计量两部分。其中家庭总用电计量需要通过智能电表来完成，其会对家庭用户的实际用电数据进行计量，然后通过互联网上传到家庭电力能源管理系统统计分析，以供电网公司和用户实时查看分析[2]。

3.2 家庭负荷控制

家庭电力能源管理系统可以实现对家庭用电设备分类管理，在用电高峰时段，电网供电出现一定缺口的时候，系统可以通过限制家庭用电总量或者限制家庭用电设备分类等方式来确保家庭必要设备的电力供应效果，即在用电高峰时段，通过自动切断非必要用电设备电源的方式来限制家庭电力使用总量。

3.3 设备远程控制

基于家庭电力能源管理系统和物联网系统，居民可以通过移动端来远程控制家中用电设备的启停以及功率，并可以实时查看家中设备的运行状态，降低设备运行能耗的同时，加强设备安全管理效果。

3.4 峰谷、阶梯电管理

基于用户端调峰填谷的新理念和技术手段，在区域用电高峰时段，通过智能插座来实现阶段性地控制家庭中高能耗用电设备工作状态，在用电低谷时段或者区域新能源供应高峰时段，通过智能插座来启用预设好的部分用电设备工作运行，达成用户端削峰填谷的效果，加强电网供需平衡。

3.5 家庭用电分析

家庭电力能源管理系统会实时收集用户端的用电信息，并将该些数据存储到数据库中，然后利用大数据技术和云计算技术来对所有用户信息进行发掘分析，确定区域用电情况以及各家各户中各类电器的实际能耗占比，使用时长以及使用频率，为家庭电力能源系统的智能调控提供重要参考。

4 家庭电力能源管理系统主要功能设计

家庭电力能源管理系统主要是由智能电表、远程移动终端、智能插座等诸多设备组成，其能够支持分布式能源、电动汽车等新能源系统以及用电设备的接入和计量，并实现家庭用电设备的智能控制、家庭用电情况的情况以及电力能源的合理调控等效果。

4.1 智能电表

智能电表已经逐步替代传统电表，实现对用户家庭用电情况的全方位数据收集，结合实际情况来看，如今电网中所采用的智能电表具备以下技术特点：

（1）智能电表可以实现用户家庭电压、电流、功率因数以及电能质量等诸多电力参考的同时监测，且相比较普通电表来说，智能电表可以检测出诸如插座、接线板的用电参数，为家庭电力能源管理系统提供重要的数据支持；

（2）智能电表中内置大功率继电器，可以支持远程拉闸，可以满足远程缴费或者预付费管理对智能电表开断的实际要求；

（3）智能电表具有通信模块，可以采用无线宽带、电力线载波、无线公网以及短距离无线等方式实现主站与智能电表间的数据实时交互效果。另外，还可以通过短距离无线技术、红外通信技术等方式与智能终端连接，且支持其他通信技术的接入。

通过智能电表，家庭电力能源管理系统可以实时收集家庭用户的用电数据、电能质量、实现智能电表的远程控制与本地控制等功能，满足家庭电力能源管理系统智能化检测及控制的实际要求。

4.2 智能终端

结合家庭电力能源管理系统的实际功能要求，智能重点需要具体以下技术特点：

（1）面向电网公司，智能终端需要能够通过短距离无线通信技术、互联网技术与远程智能终端、智能电表以及其他智能显示设备相互连接，达成数据远程实时交互。面向用户，智能终端需要通过短距离无线通信技术、互联网技术等方式，实现与智能插座、远程智能终端等设备达成数据交互。

（2）通过智能终端，用户可以远程获取家中各用电设备的用电信息与家庭总用电信息，该些信息包括用家庭总用电量、单用电设备的用电量、分布式系统的发电量以及其他新能源接入信息。

（3）智能终端结合智能电表以及智能显示终端共同组成电网公司与用户间的交互平台，家庭用电设备可以实现与远程移动终端（如手机、计算机以及其他智能显示设备）达成数据交互，进而通过智能终端达成对家庭用电设备的远程控制，实现节能减排的目标图示，提高用户的生活质量。

（4）通过智能终端，用户可以足不出户实现电力能源交易与结算，有效节约用户时间，提高电力能源供应的服务质量。

智能终端作为电网公司与用户之间的交互平台，其可以实现电力能源信息的显示、上报等诸多功能，且支持电网公司与用户之间的双向交流，加强分布式能源的监控管理效果，构建以智能终端和智能插座为核心的家庭电力物联网体系，实现用电设备的实时监控、诊断及控制。

4.3 智能插座

在家庭电力能源管理系统中，智能插座将是整个系统实现对单个家用电器控制与管理的核心设备。在设计中，智能插座主要包括有用电设备电压、电力、功率等用电参数的计量；低功率调整保护、定时跳闸、远程控制跳闸；无线通信连接，可与互联网相连接以及数据信息的上传、下载；节能功能，检测到用电设备待机后，智能插座可以实现自动断电，反之则自动通电[3]；提供USB、无线通信等接口计量插座。在系统中，智能插座的设置可以根据不同区域的实际使用情况来采用不同类型和不同型号的智能插座，系统中大部分智能插座均是在传统的插座功能基础上，增加无线通信传输、智能控制以及用电信息收集等功能，辅助家庭电力能源管理系统实现对家用智能用电设备或者非智能用电设备的有效控制与管理。

4.4 分布式能源接入

如今电网中所接入的新能源系统越来越多，并在如今构成综合能源体系，而家庭电力能源系统中的分布式能源接入就是为该些新能源系统的接入和使用提供更为有效的支持，其中最为常见的新能源系统接入就是光伏发电系统、风力发电系统等。通过分布式能源接入，将可以有效提高新能源发电的利用效率，减少输配电过程中所产生的电力损耗，减少用户使用能源的实际成本，降低电网供电负荷压力，降低发电过程中所产生的二氧化碳以及其他环境污染物的排放量，起到节能减排的效果。在设计中，主要采用的新能源系统为光伏发电系统，家庭电力能源管理系统会对光伏发电系统的发电量数据进行实时收集，并根据用户供电需求情况有效接入到电网中，平衡电网供电与用户电力需求之间的供需关系，提高电力供应效果。

4.5 软件设计

（1）基于Web 前端技术、Android C++技术实现手机与电源插座之间的连接、控制、预配置（pre-configuration）授权功能，开发My Power 智能家庭电力能源管理APP。

（2）基于国标电流、插头形状开发NFC 数据标签，开发一键式数据写入软件，实现家用电器向电源插座的安全用电（功率、电流、电压等）请求智能化。

（3）基于单片机技术、嵌入式linux 技术、NFC 近距离无线通信的点对点通信能力、计算功能及被动模式下识别数据能力开发智能墙壁电源插座；实现电源插座对家用电器请求用电的许可授权、电流负载监管，防止家用电器负载电气火灾的发生。

（4）基于电源插座电力使用授权的常闭机制实现防止儿童触电及灼伤事故的发生。

（5）基于My Power 智能电源管理pre-configuration 功能，实现对家用大功率电器应用场景模式、定时循环开关、远程控制等设置，大幅减少家电待机时的能源消耗。

5 总结

综上所述，本文提出了一种以智能终端和智能插座为核心的家庭电力物联网体系，实现用电设备的实时监控、诊断及控制，能够支持分布式能源、电动汽车等新型能源系统或者新能源设备的接入和计量，全方面提高家庭电力能源的消耗监控及优化管理、家用电器的智能控制以及电网公司与拥有双向互动沟通等功能，在实际研究分析后，确认本文所提出的家庭电力能源管理系统能够完美满足上文中所提出的诸多目的及要求，具有良好的应用推广价值，值得在当今社会进行普及运用。