面向需求响应的用电智能交互终端技术研究

郝岩钊，张尊潮

（国网冀北电力有限公司文安县供电分公司，河北 廊坊 065800）

0 引 言

智能交互终端设备的需求响应关键技术包括音频信号采集、智能识别判断、语音智能生成、语音输出、管理控制以及智能交互等模块。这些关键技术共同构成了智能交互终端技术的核心功能，为其提供了强大的支持。面向需求响应的智能交互终端设备可以为用户提供更加便捷、智能的用电体验，使人与计算机之间的交互变得更加便捷。而传统的用电系统往往缺乏对用户需求的响应，导致资源浪费和电力供需矛盾，影响着电网的供电能力[1]。因此，引入面向需求响应的电力系统监测和管理手段，可以有效掌握电网的运行情况，及时发现异常情况，排除并处理配电设备的故障问题，以满足用户的用电需求，确保供电稳定，为进一步的电力控制和管理提供准确的数据支持。

1 面向需求响应的电力系统组成模块

在用电智能交互终端技术中，面向需求响应的智能交互终端由6 个模块组成，如图1 所示。

图1 面向需求响应的智能交互终端组成

第一，音频信号采集模块。通过智能交互终端实时采集用户用电情况，包括电力消耗、功率使用情况等。终端会提供实时数据和统计报告，帮助用户了解用电情况，从而优化能源管理，减少能源浪费，降低能源成本。第二，智能识别判断模块。智能交互终端自动识别并判断设备与用户电器的连接状态，根据用户需求与电力供需变化自动调整电量，实现远程控制和监控[2]。第三，语音智能生成模块。用户通过语音或手机应用程序控制电器设备的开关、亮度、温度等参数，通过手机应用程序设置等方式，使智能交互终端与用户电器设备进行联动，实现智能化控制办公楼和家居电器，提高工作和生活的便利性和舒适度。第四，语音输出模块。用户通过网站、App 或其他终端设备远程控制电器设备的开关，并发出语音指令启动、关闭或预约空调等电器，避免因电器故障引发火灾等安全问题。第五，管理控制模块。评估用户用电智能交互终端的应用情况，实时监测用户环境与用电设备的运行状态，为智能交互终端收集和分析用户用电数据。通过为用户提供数据报告、分析结果和需求响应语音识别智能控制方案，可以避免因负荷过重而引发的供电问题。例如，用户经过数据分析发现某电器设备的能耗过高，从而决定更换或修理设备，以降低能源消耗。第六，智能交互模块[3]。该模块是人机交互沟通的纽带。例如，操作者通过显示操作界面输入控制信息，设备又将反馈的信息通过界面显示出来。这样操作者可以实时得到设备的运行信息，以实现人机交互的管理功能。

2 构建系统交互模式

采用分布式架构方式构建系统的整体框架时，需要将各个环节进行解耦，以提高系统的可扩展性和可维护性。将系统分为供应模块、控制模块和监测模块3 个部分。

2.1 远程监控

电力供应模块采用智能电网技术，借助智能电表实时监测用户用电情况，并将数据传输到后台服务器。用电监测系统支持Web 浏览器、手机App 等用户访问功能，提供短信、App 等告警方式，并具有处理报警信息的功能，实现对电器设备的远程控制[4-5]。在监测模块中，通过传感器技术实时监测用户用电情况，通过电能监测仪、温湿度传感器等设备获取用户用电量、用电功率、室内环境数据等。系统会对这些数据进行分析和展示，帮助用户了解用电情况，提供用电建议，以实现节能减排的目标。数据流程方面，系统采用消息队列技术，传输并处理各个模块之间的数据。当用户进行设备控制操作时，系统会将命令通过消息队列传递给设备控制模块，实现对设备的远程控制。

2.2 交互技术

采用模式化的方法来实现信息交互。模式化技术是一种基于用户行为和心理特点的技术，通过提供一致且可预测的交互模式，帮助用户快速学习和掌握系统的使用方式[6]。文章采用分层结构的用户界面技术，将界面元素按照重要性和使用频率进行分层，使用户在应用过程中更加关注核心功能，减少不必要的操作，并合理布局和组织界面元素，以提高用户的操作效率和满意度。

此外，可以采用直观的交互方式来提高用户体验。第一，使用图标、颜色和动画等视觉元素，帮助用户快速理解并掌握系统的功能与操作方式。第二，结合自然语言处理和语音识别技术，实现语音交互，带来更加便捷、自然的用户体验。第三，采用反馈机制来增强用户的交互体验，如在用户进行操作时，及时给予反馈，告知用户操作的结果和进展，通过合理的提示和引导，避免出现误操作或迷失方向等问题，提高用户的满意度和效率。第四，采用个性化的交互技术来满足不同用户的需求。通过分析用户画像、行为等信息，了解用户的偏好与习惯，为用户提供个性化的界面布局、功能设置和交互方式，提高用户的使用舒适度和满意度，增强用户对系统的忠诚度。

2.3 交互功能的实现

要想实现用户用电智能交互终端的功能，需开发相应的软件和硬件功能模块，提高分布式发电（Distributed Generation，DG）渗透率，以确保各个模块之间能够协同工作[7]。常用的功能模块有用户界面模块和语音识别模块。

2.3.1 用户界面模块

开发一个直观且操作便捷的用户界面，使用户能够轻松地与智能交互终端进行交互。用户界面模块需要具备用户登录、注册、管理企业或个人信息等功能。同时，需要将电器控制模块、电能监测模块、安全监控模块等监测到的信息实时传送至用户界面模块。第一，电器控制模块。用户通过智能交互终端控制灯光、空调、计算机等电器设备，实现对用户电器的远程控制功能。第二，电能监测模块。通过智能交互终端实时监测用户用电情况，包括总用电量和单个电器设备的用电量等。用户通过界面查看用电情况，制定并优化用电计划。第三，安全监控模块。智能交互终端可以连接用户安防设备，如摄像头、门窗传感器等，实现对用户安全的监控。工作人员借助界面终端查看实时监控画面，并接收报警信息。

2.3.2 语音识别模块

SU-03T 语音识别模块具有语音识别控制功能。室内智能终端设备和室外智能终端设备分别设有输入、输出装置。其中，输入装置带有音频输入装置，实现对智能终端的语音识别控制，并采用用语音的方式向智能终端发出指令，模块的I/O 口命令词可自行定制[8]。例如，用户喊出唤醒词“你好，小智打开空调”后，控制引脚PA25 输出高电平，用于打开空调；喊出“关闭空调”指令时，引脚PA25 会输出低电平。由于SU-03T 语音模块的I/O 口数量有限，为了实现更加灵活的控制方式，可以配置串口引脚，通过串口与单片机进行通信，从而完成更多的语音控制。语音指令识别控制如表1 所示。

表1 语音指令识别控制

由表1 可知，信号线DATA、MHS、SHS 均与主机连接，语音指令识别控制系统采用三线同步串行的通信方式。SHS 是输出、MHS 是输入、DATA 是双向输入输出线，共同构建语音模块间的数据传输通道。

结合语音指令识别控制模块与智能场景模块，用户能够利用语音指令控制智能交互终端，实现开关电器、调节温度等功能，以提高用户的交互体验。

3 测试与评估

在实现交互功能后，要模拟各种使用场景来测试系统，确保系统在各种情况下都能正常运行。如果发现系统问题，开发人员需要及时修复并重新进行测试，直至问题彻底解决。由于智能电网是一种依赖于物理连续的电力系统和数字离散的通信网络的网络，不仅继承了电力系统的自组织临界性，还容易受到网络攻击的威胁[9]。因此，要依据系统在不同负载下的表现进行性能测试。通过模拟大量用户同时使用系统，分析响应时间、吞吐量和资源利用率等指标。如果系统在高负载下性能不佳，开发人员就需要优化系统的代码和架构，以制定减缓智能电网级联故障的策略，提高系统的稳定性和性能。

测试与评估结果显示，智能交互终端系统能够实现负荷均衡，有效避免部分线路过载或负荷不足的问题，提高电网的供电能力。

4 结 论

随着科学技术的发展和应用场景的拓展，面向需求响应的用电智能交互终端技术应运而生。该技术具有控制方式方便快捷、用电信息可视化等优势，能够确保电网供电侧、负荷侧和配电设备运行状态的稳定性和可靠性，有望成为智能办公和家居领域的重要用电监控系统，并逐步惠及更多的电力用户。