李秉義，張  興，詹然智，馬  睿

　?。▏W(wǎng)重慶市電力公司，重慶400000）

　　摘  要： 智慧家庭是智能電網(wǎng)建設(shè)中在用電環(huán)節(jié)的重點(diǎn)實(shí)施內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)居民與電網(wǎng)的互動，提供人性化、個性化、多樣化的用電互動服務(wù)是智慧家庭建設(shè)的關(guān)鍵目標(biāo)之一。本文通過研究智慧家庭的基本概念和建設(shè)內(nèi)容，梳理國內(nèi)外智能用電領(lǐng)域的研究情況，總結(jié)智慧家庭的建設(shè)需求，提出了一種智慧家庭用電互動服務(wù)系統(tǒng)的典型架構(gòu)和功能，圍繞平臺、設(shè)備、客戶端三個環(huán)節(jié)詳細(xì)闡述系統(tǒng)的具體建設(shè)方案，涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及提供的特色互動服務(wù)。以江西九江共青城智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)為應(yīng)用環(huán)境，開展智慧家庭建設(shè)和運(yùn)營，充分體現(xiàn)其示范應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞： 智慧家庭；智能用電；互動；全電智能家居系統(tǒng)

0 引言

　　智能電網(wǎng)已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外關(guān)于未來電網(wǎng)發(fā)展趨勢的熱門話題，被認(rèn)為是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的制高點(diǎn)，也是未來電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢。隨著信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)條件下能源與信息的逐步融合將會改變原有的用電服務(wù)模式。

　　對智能電網(wǎng)的研究最早起源于美國，隨后得到了其他國家的認(rèn)可，紛紛加入到智能電網(wǎng)的研究行列。在我國，國家電網(wǎng)公司也于2009年提出了建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃。開展用電互動服務(wù)研究，提升服務(wù)水平，增強(qiáng)用戶在電網(wǎng)中的參與度已經(jīng)成為智能電網(wǎng)領(lǐng)域智能用電環(huán)節(jié)的研究熱點(diǎn)。我國從2010年開始，在華北、北京、重慶開展了基于智能電網(wǎng)新技術(shù)的智能小區(qū)試點(diǎn)建設(shè)，加強(qiáng)在用電側(cè)和用戶的互動。智能小區(qū)的建設(shè)為用戶搭建了智能用電互動平臺，引入了全新的家庭用能模式。

　　智慧家庭利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將智能化家庭設(shè)備與家居生活有效地結(jié)合起來，提供特色互動服務(wù)，創(chuàng)造健康、安全、舒適、低碳、便捷的家居生活。

1 智慧家庭建設(shè)需求

　　智慧家庭建設(shè)是未來家庭發(fā)展趨勢。隨著Internet網(wǎng)絡(luò)在家庭的普及，消費(fèi)電子、計算機(jī)、通訊一體化趨勢日趨明顯，智能化信息家電產(chǎn)品已經(jīng)開始步入社會和家庭。安全、方便、高效、快捷、智能化等特點(diǎn)將成為現(xiàn)代社會和家庭的新時尚。智能化設(shè)備、信息化家電通過智能化控制總線技術(shù)連接在一起，構(gòu)成了功能強(qiáng)大、高度智能化的家居系統(tǒng)，為家庭的智慧化提供技術(shù)支持。

　　智慧家庭建設(shè)是實(shí)現(xiàn)居民用電需求響應(yīng)的技術(shù)保障。智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)建設(shè)的重要內(nèi)容之一是通過調(diào)整終端用戶的用電行為，提高電能利用效率，實(shí)現(xiàn)智能需求響應(yīng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。鑒于空調(diào)等客戶用電負(fù)荷增長很快，對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生很大影響，現(xiàn)有技術(shù)手段難以實(shí)施需求側(cè)管理。智慧家庭建設(shè)一方面可獲取居民側(cè)更細(xì)顆粒度的用電數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測提供數(shù)據(jù)依據(jù)；另一方面居民可及時了解電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，獲取電網(wǎng)用電通知、電價政策等，根據(jù)用電通知設(shè)定、調(diào)整用電行為，實(shí)現(xiàn)居民用電需求響應(yīng)。

　　智慧家庭建設(shè)是實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排的需求。在全球氣候變暖、霧霾天氣愈加嚴(yán)重的大背景下，節(jié)能減排已經(jīng)成為各國政府的重要工作之一。通過智慧家庭服務(wù)平臺，支持用戶通過手機(jī)、Pad、PC等客戶端軟件實(shí)時查看家庭能效情況，了解家庭用電組成、主要耗電設(shè)備，并進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化，應(yīng)用隨身攜帶的手機(jī)，關(guān)閉忘記關(guān)掉的電燈、空調(diào)、熱水器等，全面提升家庭能效管理水平，避免不必要的浪費(fèi)，降低家庭用能，實(shí)現(xiàn)家庭節(jié)能減排。

　　智慧家庭建設(shè)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源供需平衡的需求。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和用電結(jié)構(gòu)的改變，居民側(cè)用電量大幅上升，為電力供應(yīng)提出更高的要求和挑戰(zhàn)，智慧家庭將引入光伏發(fā)電等清潔能源建設(shè)，新能源的接入給家庭用電提供了更多的選擇，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，將提高區(qū)域分布式能源占比，平衡能源供需關(guān)系。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　智能家居用電互動服務(wù)系統(tǒng)由3部分組成，分別是用電互動服務(wù)平臺、智慧家庭互動設(shè)備和用電互動手機(jī)客戶端，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　全電智能家居服務(wù)平臺接受自動需求響應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控指令，并反向上報負(fù)荷調(diào)控能力，與智慧城市綜合能源數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，上報居民側(cè)家庭各用電設(shè)備用電數(shù)據(jù)、用電行為，將居民側(cè)能效管理、智能家居的效果在智慧城市綜合能源數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行統(tǒng)一展示。智慧家庭服務(wù)平臺通過與家庭能源中心、客戶端建立連接通道，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)使用智能家居、家庭能效管理、需求響應(yīng)等用電互動服務(wù)。

　　2.2 系統(tǒng)功能

　　全電智能家居系統(tǒng)為用戶提供的用電互動服務(wù)內(nèi)容主要包括智能家居控制、家庭能效管理、用電信息服務(wù)以及智能繳費(fèi)等。

　?。?）智能家居控制

　　通過在用戶家庭中安裝智能用電產(chǎn)品，如家庭能源中心、智能插座、紅外遙控、智能空調(diào)等，用戶可以使用手機(jī)直接控制用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、定時控制、場景控制，查看設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。

　　（2）家庭能效管理

　　利用智能插座的電量采集功能，獲取用電設(shè)備的詳細(xì)用電數(shù)據(jù)，用戶可以查詢各個設(shè)備的歷史用電信息，并通過圖表形式直觀形象地展示用電分析結(jié)果，輸出用電賬單，幫助用戶科學(xué)合理地調(diào)整家庭用能。

　?。?）用電信息服務(wù)

　　通過手機(jī)客戶端用戶可以及時查詢小區(qū)所在區(qū)域的停電信息、最新的電價政策等用電服務(wù)信息，還可以設(shè)置手機(jī)消息推送，防止遺漏重要信息，合理安排家庭用電。

　?。?）智能繳費(fèi)

　　當(dāng)居民用戶電費(fèi)余額不足時，及時推送消息通知，用戶可以直接使用手機(jī)客戶端在線繳納電費(fèi)，保證家庭永不停電。

3  系統(tǒng)建設(shè)方案

　　3.1  用電互動服務(wù)平臺

　　3.1.1  建設(shè)目標(biāo)

　　依托移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)用電互動服務(wù)平臺，提供智能用電、智能家居、用戶管理、終端管理和設(shè)備管理等系統(tǒng)服務(wù)，讓普通家庭能夠通過平臺實(shí)現(xiàn)家庭能效管理、移動終端購電、綜合信息服務(wù)、智能家居控制等功能，全面提高百姓生活智能化水平。實(shí)現(xiàn)示范區(qū)居民用戶與電網(wǎng)之間能源和信息的雙向交互，通過家庭能源中心實(shí)現(xiàn)對家用電器用電信息的采集和遠(yuǎn)程控制。

　　3.1.2 平臺架構(gòu)

　　家庭互動服務(wù)平臺建設(shè)遵循J2EE技術(shù)規(guī)范，采用組件化、動態(tài)化的軟件技術(shù)，利用一致的可共享的數(shù)據(jù)模型，以提高系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性、安全性以及并發(fā)處理能力。系統(tǒng)按照多層架構(gòu)體系，將界面控制、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)映射分離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的松耦合，以靈活、快速地響應(yīng)業(yè)務(wù)變化對系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)總體上劃分為終端層、接入層、前置服務(wù)層、系統(tǒng)支撐層、數(shù)據(jù)存儲層，如圖2所示，通過各層次系統(tǒng)組件間服務(wù)的承載關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

　　終端層采用B/S架構(gòu)，支持移動終端。接入層通過防火墻和負(fù)載均衡保障終端接入安全，防范系統(tǒng)威脅，提高系統(tǒng)的靈活性和可用性。前置服務(wù)層通過應(yīng)用緩存技術(shù)、任務(wù)調(diào)度技術(shù)、權(quán)限控制技術(shù)，以及主流的解壓、加密、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)，為前置應(yīng)用服務(wù)和管理功能提供支撐。系統(tǒng)支撐層包含全電智能家居系統(tǒng)和智能用電系統(tǒng)，為前置服務(wù)層的終端集成系統(tǒng)和設(shè)備集成系統(tǒng)提供接口，用以實(shí)現(xiàn)功能交互。數(shù)據(jù)存儲層存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源和系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，提供系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)訪問對象。

　　3.2 智慧家庭互動設(shè)備

　　建設(shè)智慧家庭，實(shí)現(xiàn)居民與電網(wǎng)的互動，開展用電互動服務(wù)，需要智能用電終端設(shè)備的支持。這些終端設(shè)備包括家庭能源中心、智能插座、紅外遙控以及智能空調(diào)等，其中家庭能源中心是智慧家庭建設(shè)的核心，也是其他智能設(shè)備與用電互動服務(wù)平臺溝通的橋梁。在智能互動設(shè)備的支持下，智慧家庭將為用戶提供智能家居控制、家庭能效管理以及需求響應(yīng)等特色用電互動服務(wù)。

　　3.2.1  家庭能源中心

　　家庭能源中心是一種配電箱與智慧家庭終端相結(jié)合的產(chǎn)品，包括帶漏電保護(hù)的總空氣開關(guān)、電源模塊、電壓電流互感器、綜合故障及用電監(jiān)控模塊、前面板、自動開關(guān)、總控模塊。通過搭載RF433、WiFi等無線模塊，實(shí)現(xiàn)家庭用電量總計量、分路計量、遠(yuǎn)程總控、遠(yuǎn)程分路控制等智能功能，并將監(jiān)測信息及時匯報給服務(wù)平臺，第一時間通知用戶，實(shí)現(xiàn)家庭配電箱與智慧家庭的有機(jī)結(jié)合。

　　3.2.2 智能插座

　　智能插座是在傳統(tǒng)插座的基礎(chǔ)上增加WiFi通信模塊、電能計量模塊的移動型插座，可以直接連接在墻壁插座或插排上使用。用戶將普通家用電器連接在智能插座上，其中的電能計量模塊會自動上傳電器設(shè)備的電量數(shù)據(jù)到用電互動服務(wù)平臺，用戶使用手機(jī)客戶端可以查看各個插座上的電器當(dāng)日用電量以及當(dāng)前功率，并可查看歷史用電信息。

　　智能插座支持遠(yuǎn)程控制、定時控制和場景控制。例如，出門忘記關(guān)閉飲水機(jī)的電源，可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程關(guān)閉；根據(jù)自己的作息習(xí)慣設(shè)定好熱水器在早間和晚間的固定燒水時間，既滿足日常使用又可以節(jié)省電費(fèi)開支。

　　3.2.3 紅外遙控

　　紅外遙控設(shè)備是連接用戶與傳統(tǒng)電視、空調(diào)等使用遙控器控制的電器的關(guān)鍵設(shè)備，可以代替市面上大多數(shù)遙控器，使用戶通過一部手機(jī)就可以控制家中不同的家用電器，無需為家中種類繁多的遙控器感到煩惱了。紅外遙控支持云碼庫和自定義兩種遙控器添加模式，在云碼庫模式下，用戶只需要點(diǎn)擊遙控器上的任意一個按鍵，紅外遙控自動匹配云端數(shù)據(jù)庫中的遙控器型號，并下載遙控面板，極大地簡化了遙控器添加流程。如果用戶需要添加的遙控器型號不在云碼庫支持的范圍內(nèi)，用戶還可以使用自定義模式，自主學(xué)習(xí)遙控器按鍵。

　　3.2.4 智能空調(diào)

　　智能空調(diào)也被稱作物聯(lián)網(wǎng)空調(diào)，是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)上傳和控制的新一代空調(diào)產(chǎn)品。用戶可以實(shí)時查看空調(diào)的溫度設(shè)定值、風(fēng)速等參數(shù)，并使用手機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。同時，智能空調(diào)還為用戶提供了舒適睡眠曲線，使空調(diào)夜間的運(yùn)行模式更加科學(xué)合理，為用戶帶來更舒適的家居環(huán)境溫度。

　　對于參與了電網(wǎng)公司需求響應(yīng)政策的用戶，電網(wǎng)公司給予相應(yīng)的補(bǔ)助，居民允許電網(wǎng)公司在電網(wǎng)高峰時段，在不影響居民正常使用的前提下，適當(dāng)調(diào)節(jié)智能空調(diào)的參數(shù)，降低對電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，實(shí)現(xiàn)居民與電網(wǎng)的良性互動。

　　3.3 用電互動手機(jī)客戶端

　　3.3.1 功能

　　建設(shè)基于IOS系統(tǒng)、Android系統(tǒng)、PC和微信等多種類型的全電智能家居服務(wù)客戶端應(yīng)用，為用戶提供智能家居控制、家庭能效管理、需求響應(yīng)調(diào)控、在線繳費(fèi)購電等功能，建設(shè)用戶、用電設(shè)備與電網(wǎng)之間的新型互動模式。

　　3.3.2 技術(shù)架構(gòu)

　　全電智能家居客戶端包括客戶端應(yīng)用和服務(wù)端應(yīng)用兩部分。客戶端應(yīng)用的技術(shù)路線遵循Android和IOS手機(jī)客戶端技術(shù)規(guī)范性要求，采用MVC設(shè)計模式，實(shí)現(xiàn)展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和模型層的有效分離。服務(wù)端應(yīng)用的技術(shù)路線遵循Java EE技術(shù)體系，采用組件化、動態(tài)化的軟件技術(shù)，利用一致的可共享的數(shù)據(jù)模型，通過一體化企業(yè)級平臺的應(yīng)用集成，實(shí)現(xiàn)手機(jī)服務(wù)端應(yīng)用的各接口組件能夠在各層次之間集成，達(dá)到數(shù)據(jù)共享和重用的目的，以滿足運(yùn)營的業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理功能的業(yè)務(wù)需求。

4 示范應(yīng)用

　　江西九江共青城位于江西北部、鄱陽湖之濱，南接南昌，北依九江，是昌九一體化重要支點(diǎn)城市。本次智能電網(wǎng)創(chuàng)新工程的建設(shè)，將使智能電網(wǎng)的建設(shè)深度和內(nèi)涵更進(jìn)一步。作為創(chuàng)新工程的重要子項(xiàng)——智慧家庭建設(shè)，是未來家庭發(fā)展趨勢，結(jié)合共青城，將更好地展現(xiàn)智慧家庭建設(shè)的亮點(diǎn)和示范作用。

　　智慧家庭服務(wù)平臺部署在江西九江共青城智能電網(wǎng)可視化展廳，與家庭能源中心、客戶端建立連接通道。項(xiàng)目建立全電智能家居可視化體驗(yàn)展示廳（面積100 m2、光伏容量5 kW、集中展示智能家居中的電炊具、洗衣機(jī)、熱水器、空調(diào)、冰箱等智能家用電器），集中展示智能家居、家庭能效、光伏及電動汽車接入等智能用電服務(wù)。項(xiàng)目建成后將實(shí)現(xiàn)覆蓋江西省的智慧家庭服務(wù)平臺，示范區(qū)居民用戶與電網(wǎng)之間能源和信息的雙向交互，通過家庭能源中心完成對家用電器用電信息的采集和遠(yuǎn)程控制，促進(jìn)移峰填谷與節(jié)能減排，形成智慧家庭綜合示范區(qū)。

5 結(jié)束語

　　智慧家庭建設(shè)將為智能小區(qū)提供多項(xiàng)智能化服務(wù)，不僅讓用戶參與到能效管理環(huán)節(jié)，得到更優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的用能服務(wù)，同時，為用戶提供了許多增值服務(wù)，通過智慧家庭的建設(shè)、應(yīng)用推廣，大大提升居民的信息化水平，改變居民的用能方式，增加居民生活的便利度，不僅推動了堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，更切合了智慧城市發(fā)展戰(zhàn)略。電網(wǎng)與用戶間雙向信息交互以及智能家電的應(yīng)用，可以讓用戶全方面了解家庭總能耗，鼓勵用戶合理用能、綠色用能，有利于提高終端設(shè)備的能源利用效率，降低全社會用能，具有良好的創(chuàng)新示范意義。