CN112230609A - 家庭能量监控***及管理*** - Google Patents

家庭能量监控***及管理*** Download PDF

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CN112230609A CN202010969922.9A CN202010969922A CN112230609A CN 112230609 A CN112230609 A CN 112230609A CN 202010969922 A CN202010969922 A CN 202010969922A CN 112230609 A CN112230609 A CN 112230609A
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黄智锋
黄鹏
李勋
陈浩舟
邹大中
程文辉
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Abstract

本发明涉及一种家庭能量监控***，包括：用户信息管理模块，用于获取用户账号的信息；用电信息查看模块，用于根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据；家用电器控制模块，用于获取调度需求，根据所述调度需求和所述用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据所述负荷最优工作时间控制所述用户的各用电设备的工作时间。上述家庭能量监控***能够对家用电器的工作情况进行监控，实现各用电设备的远程控制，对各用电设备的用电进行合理调控，能够有效控制各时间段的用电总量，避免在用电高峰出现造成用电过负荷的情况，提升用户体验。

Description

家庭能量监控***及管理***
技术领域
本发明涉及控制技术领域，特别是涉及一种家庭能量监控***及家庭能量管理***。
背景技术
目前，随着家庭的用电设备越来越多，对于家庭中用电设备的用电调度也越来越重要。
然而，传统技术中无法对家庭中用电设备的用电无法合理调控，从而在用电高峰容易出现造成用电过负荷的情况。
发明内容
基于此，有必要针对传统技术中无法对家庭中用电设备的无法合理调控，从而在用电高峰容易出现造成用电过负荷的情况的问题，提供一种家庭能量监控***及家庭能量管理***。
一种家庭能量监控***，包括：
用户信息管理模块，用于获取用户账号的信息；
用电信息查看模块，用于根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据；
家用电器控制模块，用于获取调度需求，根据所述调度需求和所述用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据所述负荷最优工作时间控制所述用户的各用电设备的工作时间。
上述家庭能量监控***通过用电信息查看模块输出用户的用电数据供操作者查看，操作者可以根据用户的用电数据输入调度需求，家用电器控制模块根据输入的调度需求以及该用户的用电数据获得负荷最优工作时间，即获取该用户家庭中各用电设备的最优工作时间，使得对各用电设备进行供电或者切断其供电以控制各用电设备的工作时间，例如，控制洗衣机在夜间工作以避免白天用电高峰，从而对家用电器的工作情况进行监控，实现各用电设备的远程控制，对各用电设备的用电进行合理调控，能够有效控制各时间段的用电总量，避免在用电高峰出现造成用电过负荷的情况，提升用户体验。
在其中一个实施例中，所述用户账户的属性包括普通账户和管理员账户；
其中，在所述用户账户的属性为所述普通账户时，所述用电信息查看模块输出所述用户信息管理模块获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据；
在所述用户账户的属性为所述管理员账户时，所述用电信息查看模块输出指定用户的用电数据。
在其中一个实施例中，所述用电信息查看模块包括：
用电数据获取单元，用于获取所述用户的实时用电数据及历史负荷记录；
用电数据处理单元，用于根据所述实时用电数据和所述历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各所述用电设备的耗电量对比图表。
一种家庭能量管理***，包括智能家居***，所述家居***包括：
用户端设备，用于获取用户账号的信息以及调度需求；
智能插座，与用户的各用电设备连接，用于获取所述用户的用电数据；
网关，每个用户对应配置有一个所述网关，所述网关与对应用户的所有所述智能插座连接；
服务器，与各所述用户的网关连接，所述服务器通过各所述网关获取对应用户的用电数据并将各所述用户的用电数据存储于数据库；所述服务器还用于根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据，根据所述调度需求和所述用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据所述负荷最优工作时间且通过所述智能插座控制各所述用电设备的工作时间。
上述家庭能量管理***通过服务器输出用户的用电数据并通过用户端设备显示供操作者查看，操作者可以根据用户的用电数据输入调度需求，服务器根据输入的调度需求以及该用户的用电数据获得负荷最优工作时间，即获取该用户家庭中各用电设备的最优工作时间，使得通过智能插座对各用电设备进行供电或者切断其供电以控制各用电设备的工作时间，例如，控制洗衣机在夜间工作以避免白天用电高峰，从而对家用电器的工作情况进行监控，实现各用电设备的远程控制，对各用电设备的用电进行合理调控，能够有效控制各时间段的用电总量，避免在用电高峰出现造成用电过负荷的情况，提升用户体验。并且，用户端设备的浏览器与服务器形成B/S结构(Browser/Server，浏览器/服务器结构)，该结构通常包括客户机、服务器和数据库三层，用户端设备上安装浏览器并承担少部分事务逻辑，而***主要的事务逻辑在服务器端实现。这种模式的优点是用户端设备不需安装软件、***维护和扩展比较容易、开发成本相对较低。本实施例中的家庭能量管理***的用户规模较小，可以将三层结构中的服务器与数据库相结合，以降低成本、提升开发效率。
在其中一个实施例中，还包括光伏储能***，所述光伏储能***包括：
光伏电池，所述光伏电池用于将太阳能转换为电能；
逆变器，与所述光伏电池、所述智能插座以及电网连接，所述逆变器用于将所述光伏电池输出的电压转换为预设电压；以及
蓄电池，所述蓄电池通过所述逆变器与所述光电电池连接；
其中，所述服务器还与所述光伏储能***连接，所述服务器还用于根据各所述用户的用电数据以及分时电价数据控制所述逆变器将所述光伏电池转换得到的电能输出给所述蓄电池、所述电网以及所述智能插座中的至少一个。
在其中一个实施例中，所述智能插座包括：
电能计量模块，用于采集与所述智能插座连接的用电设备的用电数据；
开关继电器模块，用于根据所述服务器发出的控制指令控制所述逆变器与所述用电设备之间导通或断开以控制所述用电设备的工作时间；
终端节点模块，与所述电能计量模块、所述开关继电器模块以及所述服务器连接，用于传输所述用电数据和所述控制指令。
在其中一个实施例中，所述终端节点模块为ZigBee通信模块。
在其中一个实施例中，所述网关按照预设周期向与其连接的所述智能插座发送查询所述用电数据的指令，所述预设周期的范围为1～3min。
在其中一个实施例中，所述用户账户的属性包括普通账户和管理员账户；
其中，在所述用户账户的属性为所述普通账户时，所述服务器输出所述用户端设备获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据；
在所述用户账户的属性为所述管理员账户时，所述用户端设备还用于获取指定用户的账户信息，所述服务器输出所述指定用户的用电数据。
在其中一个实施例中，所述服务器根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据时执行以下步骤：
获取所述用户的实时用电数据及历史负荷记录；
根据所述实时用电数据和所述历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各所述用电设备的耗电量对比图表。
附图说明
图1为一实施例中的家庭能量监控***的结构框图。
图2为一实施例中的家庭能量管理***的架构示意图。
附图标记说明：
100、家庭能量监控***；110、用户信息管理模块；120、用电信息查看模块；130、家用电器控制模块；200、家庭能量管理***；210、智能家居***；220、光伏储能***；211、用户端设备；212、智能插座；213、网关；214、服务器；221、光伏电池；222、逆变器；223、蓄电池；310、电网；320、双向电表；331、电脑；332、照明灯；333、饮水机。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1为一实施例中的家庭能量监控***的结构框图。如图1所示，家庭能量监控***100包括用户信息管理模块110、用电信息查看模块120以及家用电器控制模块130。
用户信息管理模块110用于获取用户账号的信息。用电信息查看模块120用于根据用户账号的信息输出对应的用户的用电数据。家用电器控制模块130用于获取调度需求，根据调度需求和用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据负荷最优工作时间控制用户的各用电设备的工作时间。
上述家庭能量监控***100通过用电信息查看模块120输出用户的用电数据供操作者查看，操作者可以根据用户的用电数据输入调度需求，家用电器控制模块130根据输入的调度需求以及该用户的用电数据获得负荷最优工作时间，即获取该用户家庭中各用电设备的最优工作时间，使得对各用电设备进行供电或者切断其供电以控制各用电设备的工作时间，例如，控制洗衣机在夜间工作以避免白天用电高峰，从而对家用电器的工作情况进行监控，实现各用电设备的远程控制，对各用电设备的用电进行合理调控，能够有效控制各时间段的用电总量，避免在用电高峰出现造成用电过负荷的情况，提升用户体验。
在一实施例中，用户账户的属性包括普通账户和管理员账户，用户信息管理模块110在获取到用户账户的信息后对该用户账户的属性进行判别。其中，在用户账户的属性为普通账户时，用电信息查看模块120可以输出用户信息管理模块110获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据以供操作者查看，从而操作者只能对自己家庭的用电设备进行控制。在用户账户的属性为管理员账户时，用电信息查看模块120输出指定用户的用电数据以供操作者查看。指定用户可以为任意用户，即当操作人输入的用户账户属性为管理账户时，操作者可以查看任意用户的用电数据。在其他实施例中，操作者还可以通过用户信息管理模块110设置用户账号的密码，并在忘记密码时通过诸如邮箱验证、短信验证等找回账户信息。
在一实施例中，用电信息查看模块120包括用电数据获取单元以及用电数据单元。用电数据获取单元用于获取用户的实时用电数据及历史负荷记录。对于实时用电数据，用电数据获取单元会及时更新并保证数据的准确和全面，使得操作者能随时了解家中电器的工作状态、电压、电流、功率、耗电量等用电信息。对于历史负荷记录，操作者能够有选择地查看指定时间段内的负荷数据，例如，指定时间段可以为之前一天的负荷记录、之前一周的负荷记录或者之前一个月的负荷记录等。用电数据处理单元具备数据统计分析功能，其用于根据实时用电数据和历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各用电设备的耗电量对比图表，从而供操作者直观地了解用电信息。
在一实施例中，家用电器控制模块130最基本的功能是开关控制，在实现实时开关控制的基础上，进一步实现各用电设备的定时开关和智能调度功能。智能调度功能根据操作者输入的调度需求和用电信息查看模块120获得的用电数据，调用优化控制算法求得负荷最优工作时间，再通过电器定时开关功能完成智能调度。例如，调度需求可以包括各用电设备的大致工作时间段等。
图2为一实施例中的家庭能量管理***的架构示意图。如图2所示，家庭能量管理***200包括智能家居***210。智能家居***210包括用户端设备211、智能插座212、网关213以及服务器214。
用户端设备211用于获取用户账号的信息以及调度需求。用户端设备211可以是任何可以通过互联网访问服务器214的设备，例如，手机、平板、电脑331等。操作者通过用户端设备211上的Web浏览器访问服务器214，用户端设备211上的Web浏览器与服务器214之间可以使用HTTP协议通信，从而将操作者输入的用户账号信息以及调度需求传输给服务器214。
智能插座212与用户的各用电设备连接，用于获取用户的用电数据。每个用户可以对应配置多个智能插座212，每个智能插座212可以与该用户的一个用电设备或多个用电设备连接，每个智能插座212获取与其连接的用电设备的用电数据。例如，每个用户可以对应配置五个智能插座212。用电设备可以是电脑331、照明灯332、饮水机333等。
每个用户对应配置有一个网关213。网关213与对应用户的所有智能插座212连接，服务器214与各用户的网关213连接，例如，采用Socket通信连接，从而构建家庭内部网络和外部网络的连接。
服务器214通过各网关213获取对应用户的用电数据并将各用户的用电数据存储于数据库。服务器214还用于根据用户账号的信息输出对应的用户的用电数据，通过用户端设备211显示，从而供操作者查看。服务器214还用于根据调度需求和用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据负荷最优工作时间且通过智能插座212控制各用电设备的工作时间。
上述家庭能量管理***200通过服务器214输出用户的用电数据并通过用户端设备211显示供操作者查看，操作者可以根据用户的用电数据输入调度需求，服务器214根据输入的调度需求以及该用户的用电数据获得负荷最优工作时间，即获取该用户家庭中各用电设备的最优工作时间，使得通过智能插座212对各用电设备进行供电或者切断其供电以控制各用电设备的工作时间，例如，控制洗衣机在夜间工作以避免白天用电高峰，从而对家用电器的工作情况进行监控，实现各用电设备的远程控制，对各用电设备的用电进行合理调控，能够有效控制各时间段的用电总量，避免在用电高峰出现造成用电过负荷的情况，提升用户体验。并且，用户端设备211的浏览器与服务器214形成B/S结构(Browser/Server，浏览器/服务器214结构)，该结构通常包括客户机、服务器214和数据库三层，用户端设备211上安装浏览器并承担少部分事务逻辑，而***主要的事务逻辑在服务器214端实现。这种模式的优点是用户端设备211不需安装软件、***维护和扩展比较容易、开发成本相对较低。本实施例中的家庭能量管理***200的用户规模较小，可以将三层结构中的服务器214与数据库相结合，以降低成本、提升开发效率。
在一实施例中，家庭能量管理***200包括智能家居***210和光伏储能***220。其中，光伏储能***220包括光伏电池221、逆变器222以及蓄电池223。光伏电池221用于将太阳能转换为电能。逆变器222与光伏电池221、智能插座212以及电网310连接，逆变器222用于将光伏电池221输出的电压转换为预设电压，使得光伏电池221转换得到的电能即可以输出给用户的用电设备，又能将盈余的电能输送到电网310，预设电压的大小可以根据用电设备的额定电压以及电网310电压进行设置。电网310和逆变器222之间的线路上还可以设置有双向电表320以监控该线路上的电压或电流大小。蓄电池223通过逆变器222与光电电池连接，光伏电池221输出的电能也能够存储在蓄电池223内。
逆变器222可以采用固德威ES系列双向储能型光伏逆变器222，除了基本的逆变、整流功能外，该逆变器222还集成了光伏电池221、蓄电池223的功率数据采集和充放电控制的功能。白天光伏电池221产生的电能能够通过逆变器222向家庭负荷供电或并入电网310，还能用于蓄电池223充电；夜间蓄电池223放电，与电网310共同给用户的用电设备供电。
本实施例中，服务器214还与光伏储能***220连接。服务器214还用于根据各用户的用电数据以及分时电价数据控制逆变器222将光伏电池221转换得到的电能输出给蓄电池223、所述电网310以及智能插座212中的至少一个。例如，在用电低谷，光伏电池221输出的电能超出用户家庭的负荷需求，服务器214可以控制逆变器222将光伏电池221转换得到的电能输出给蓄电池223进行储存；在用电高峰，光伏电池221输出的电能不能满足用户家庭的负荷需求，服务器214控制逆变器222将光伏电池221输出的电能输出给智能插座212和电网310，并且还能够控制蓄电池223通过逆变器222向智能插座212输送电能，从而能够满足用户家庭的负荷需求。本实施例中能够充分利用光伏发电的能量和峰谷电价差来提高家庭用电的经济性，并且能够实现节能减排，提高可再生能源的利用率，同时有助于削峰填谷，增强电网310运行稳定性。
在一实施例中，智能家居***210包括用户端设备211、智能插座212、网关213以及服务器214。智能插座212包括电能计量模块、开关继电器模块以及终点节点模块。电能计量模块用于采集与智能插座212连接的用电设备的用电数据。例如，电能计量模块可以包括电能计量芯片CS5463，该芯片可以通过编程实现对用电数据的采集和校准。电能计量模块通过串口与终端节点模块相连，经由终端节点模块向服务器214发送用电数据。开关继电器模块用于根据服务器214发出的控制指令控制逆变器222与用电设备之间导通或断开以控制用电设备的工作时间。终端节点模块与电能计量模块、开关继电器模块以及服务器214连接，终端节点模块用于传输用电数据和控制指令。例如，终端节点模块可以为ZigBee通信模块。ZigBee终端节点通过协调器与家庭网关213通信，实现用电数据的传送和控制指令的接收。
具体的，ZigBee通信模块可以包括ZigBee协调器和多个ZigBee节点。在家庭内部网络中，网关213与ZigBee协调器通过MSComm控件实现串口通信，ZigBee协调器再与智能插座212的ZigBee终端节点通信。ZigBee是一种无线通信技术，特点是低功耗、低成本、低速率、短时延。可以用多个ZigBee节点构建通信网络，将通讯距离从标准的75m扩展到更远。ZigBee技术适合应用在自动控制领域中，多用于实现距离较短、复杂度较低的电子设备通信。本实施例中的家庭通信网络由智能插座212端的多个ZigBee终端节点和一个ZigBee协调器构成，采用星型网络拓扑结构，网关213通过ZigBee协调器发送控制指令、接收用电数据。
在一实施例中，网关213按照预设周期向与其连接的智能插座212发送查询用电数据的指令，预设周期的范围为1～3min，例如预设周期可以为2min，当预设周期为2min且每个用户配置五个智能插座212时该用户的用电数据全部更新一次需要10min。网关213按照预设周期通过ZigBee协调器将查询用电数据的指令发送给各ZigBee终端节点，收到指令后，智能插座212返回用电设备当前的电流、电压、频率和功率因数等数据。与此同时，网关213作为Socket客户端与Web服务器214通信，接收服务器214端发来的控制指令，并将用电数据发送给服务器214，存入数据库中。
在一实施例中，用户账户的属性包括普通账户和管理员账户。其中，在用户账户的属性为普通账户时，服务器214输出用户端设备211获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据。在用户账户的属性为管理员账户时，用户端设备211还用于获取指定用户的账户信息，服务器214输出所述指定用户的用电数据。
在一实施例中，服务器214根据用户账号的信息输出对应的用户的用电数据时执行以下步骤：获取用户的实时用电数据及历史负荷记录；根据实时用电数据和历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各所述用电设备的耗电量对比图表。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种家庭能量监控***，其特征在于，包括：
用户信息管理模块，用于获取用户账号的信息；
用电信息查看模块，用于根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据；
家用电器控制模块，用于获取调度需求，根据所述调度需求和所述用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据所述负荷最优工作时间控制所述用户的各用电设备的工作时间。
2.根据权利要求1所述的家庭能量监控***，其特征在于，所述用户账户的属性包括普通账户和管理员账户；
其中，在所述用户账户的属性为所述普通账户时，所述用电信息查看模块输出所述用户信息管理模块获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据；
在所述用户账户的属性为所述管理员账户时，所述用电信息查看模块输出指定用户的用电数据。
3.根据权利要求1所述的家庭能量监控***，其特征在于，所述用电信息查看模块包括：
用电数据获取单元，用于获取所述用户的实时用电数据及历史负荷记录；
用电数据处理单元，用于根据所述实时用电数据和所述历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各所述用电设备的耗电量对比图表。
4.一种家庭能量管理***，其特征在于，包括智能家居***，所述家居***包括：
用户端设备，用于获取用户账号的信息以及调度需求；
智能插座，与用户的各用电设备连接，用于获取所述用户的用电数据；
网关，每个用户对应配置有一个所述网关，所述网关与对应用户的所有所述智能插座连接；
服务器，与各所述用户的网关连接，所述服务器通过各所述网关获取对应用户的用电数据并将各所述用户的用电数据存储于数据库；所述服务器还用于根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据，根据所述调度需求和所述用户的用电数据获得负荷最优工作时间，并根据所述负荷最优工作时间且通过所述智能插座控制各所述用电设备的工作时间。
5.根据权利要求4所述的家庭能量管理***，其特征在于，还包括光伏储能***，所述光伏储能***包括：
光伏电池，所述光伏电池用于将太阳能转换为电能；
逆变器，与所述光伏电池、所述智能插座以及电网连接，所述逆变器用于将所述光伏电池输出的电压转换为预设电压；以及
蓄电池，所述蓄电池通过所述逆变器与所述光电电池连接；
其中，所述服务器还与所述光伏储能***连接，所述服务器还用于根据各所述用户的用电数据以及分时电价数据控制所述逆变器将所述光伏电池转换得到的电能输出给所述蓄电池、所述电网以及所述智能插座中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的家庭能量管理***，其特征在于，所述智能插座包括：
电能计量模块，用于采集与所述智能插座连接的用电设备的用电数据；
开关继电器模块，用于根据所述服务器发出的控制指令控制所述逆变器与所述用电设备之间导通或断开以控制所述用电设备的工作时间；
终端节点模块，与所述电能计量模块、所述开关继电器模块以及所述服务器连接，用于传输所述用电数据和所述控制指令。
7.根据权利要求6所述的家庭能量管理***，其特征在于，所述终端节点模块为ZigBee通信模块。
8.根据权利要求6所述的家庭能量管理***，其特征在于，所述网关按照预设周期向与其连接的所述智能插座发送查询所述用电数据的指令，所述预设周期的范围为1～3min。
9.根据权利要求4所述的家庭能量管理***，其特征在于，所述用户账户的属性包括普通账户和管理员账户；
其中，在所述用户账户的属性为所述普通账户时，所述服务器输出所述用户端设备获取到的用户账户的信息所对应的用户的用电数据；
在所述用户账户的属性为所述管理员账户时，所述用户端设备还用于获取指定用户的账户信息，所述服务器输出所述指定用户的用电数据。
10.根据权利要求4所述的家庭能量管理***，其特征在于，所述服务器根据所述用户账号的信息输出对应的用户的用电数据时执行以下步骤：
获取所述用户的实时用电数据及历史负荷记录；
根据所述实时用电数据和所述历史负荷记录生成并输出家庭负荷随时间变化图表及各所述用电设备的耗电量对比图表。
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