基于物联网技术的自动需求响应系统架构与应用方案研究.docx

基于物联网技术的自动需求响应系统架构与应用方案研究*沈敏轩1，2 ，孙毅1 ，李彬1( 1华北电力大学，北京，102206;中国电力科学研究院，北京，100192)2摘要: 文中通过部署双向互动设备和负荷控制设备等，结合物联网技术，设计基于物联网技术的自动需求响应方案，该方案针对不同的电力消费行为模式，实现用电设备的监控; 制定需求响应控制策略指导用户参与电网 削峰填谷，并根据收集到的用户用电量变化数据，分析用户用电行为的变化，及其对电网负荷的影响。从而优 化终端用户的用能结构，提高电能利用效率，节约用户电能消费，实现自动需求响应，降低电网负荷峰谷差，提 高电网运行效率。关键词: 物联网; 自动需求响应; 终端设备; 通信网络中图分类号: tm933文献标识码: b文章编号: 1001-1390( 2014) 24-0096-05study on the architecture and application of the automatic demandresponse system based on the technology of iotshen minxuan1，2 ，sun yi1 ，li bin1( 1 north china electric power university，beijing102206，china.2 china electric power esearch institute，beijing，100192，china)abstract: through the deployment of the two-way interactive equipment and load control equipment，and combinationwith the internet of things，this paper designed the automatic demand response scheme based on the technology of the internet of things in view of different power consumption behavior models，this scheme realized the monitoring of the electrical equipment，formulated demand response control strategies to guide users to participate in the peak load shift- ing of the power grid，and analyzed the change of the userspower consuming behavior and its impact on the power grid load according to the power change data collected from the users thereby the energy using structure of the end- users was optimized，energy utilization efficiency was improved，and energy consumption was saved so as to realize au- tomatic demand response，reduce the peak valley difference of the power grid load，and improve the working efficiency of the power gridkey words: internet of things，automatic demand response，terminal equipment，communication network需求响应 是智能电网的关 键 技 术 之 一。因 此，在 需求响应中引入自动化技术已经很有必要。自动需求响 应 的 实 现，依赖于生产中各个环节 重要运行参数的采集与在线监测，而 物 联 网 作 为 信 息感知和“物 物 互 联”的重要技术手段，推 动 着 智 能 电网的快速 发 展，其 已 经 在 智 能 用 电、智 能 家 居、电 力设备状态 监 测、用电信息采集等方面得 到 了 很 好的应用。文献1介绍了 openad 的发展历程、必要性、 内容和 openad 联 盟，详 细 阐 述 了 openad 的 通 信架 构 和 数 据 模 型。 在 此 基 础 上，给 出 了 一 系 列0引 言传统的人工需求响应会使得用户在响应时间上产生延迟，这是因为人工需求响应需要人为 的 手 动关停设备或调整设备的运行功率，激 励 也 只 能 依 靠 电网侧进行 离 线 设 置，无法根据用户响应行 为 及 时 调整 d 触发信号，因此不能保证需求响应的可靠性 和实时性，降低了需求响应的灵活性和效率。其次， d 自动化将能够真正实现负荷调度，从而提高能源 利用率，辅助 新 能 源 接 入，从 这 个 意 义 上 来 说，自 动* 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助( 2014zp03) 96 第 51 卷 第 24 期2014 年 12 月 25 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 24dec 25，2014openad 的相关应用。文献2以用户智能家居系统为基础搭建了用户侧需求响应试验系统，并 以 峰 谷分时电价项目为例分析用户侧需求响应效果。文 献3提出了包括 5 个大模块，20 项子模块的自动需 求响应研究 框 架，梳理了各模块主要研究任 务 及 其 在研究框架 中 的 作 用，并依托所述框架设计 了 自 动 需求响应总体业务 信 息 流 程。文 献4提 出 当 进 行 自动需求响应时，需要对负荷进行识别，以确定哪些 负荷可以参加需求响应活动，例如可以被中 断 或 者 转移的问题，并针对该问题提出了两种可行性方法。 文献5介绍了加州大学伯克利分校对于需求响应 技术发展的研究。文献6 8介绍了物联网技术的 特点及其在智能电 网 中 的 应 用。文 献9研 究 了 需 求响应中直接负荷控制策略。文献10介绍了智能 用电的发展。1基于物联网技术的自动需求响应系统架构设计本文将利用 无 线传感网等通信手段，设 计 基 于 物联网技术的自动需求响应系统，该 系 统 主 要 实 现 以下几个功能: 用户用电信息采集、用户自动需求响 应实现、智能家电控制、需求响应效果反馈等。结合 物联网三层体系结构，可构建的系统逻辑架构如图 1 所示。的区域中，采集指定的环境参数，并将数据发送到汇聚节点6。本文中，设 备 感知层主要由家庭内部各种具有 通信功能的 智 能 传 感 器、智 能 家 电、控 制 器、自 动 需 求响应终端 等 设 备 组 成，来实现家庭内部 各 类 状 态 信息的数据采集与控制功能。例如利用自动需求响 应终端以及各类智能传感器，实 现 对 家 庭 内 部 各 种 信息的采集 与 监 控 功 能，包括对家用电器 的 用 能 监 测、用能数据 存 储、数 据 分 析 及 控 制，家 庭 内 部 环 境 状态信息的采集。( 2) 网络层网络层的功能主要是将感知层采集到的信息传 输到应用 层。该 系 统 中，网 络 层主要是提供通信信 道，包括有线及无线通信技术。它有三个功能: 一是 为家庭内部各类终端设备与控制器的互连互通提供 通信信道，组建家庭局域传感网; 二是实现控制器与 自动需求响应终端之间的通信; 三 是 为 自 动 需 求 响 应终端与供电公司主站服务器提供通信网络。( 3) 应用层应用层是 自 动需求响应系统功能的实现平台， 自动需求响应终端根据家庭用电信息及电网价格信 号，制定 相应的需求响应策略，通 过 控 制 器 执 行 决 策，实现智能家电的控制，并通过用户响应行为进行 需求响应 效 果 潜 力 分 析。同 时，用户可以通过操作 界面查询家庭用电信息等。2基于物联网技术的自动需求响应系统方案设计2 1总体方案在基于物联 网的自动需求响应系统方案中，通过在电网侧和用户侧建立双向通信网络，结 合 先 进的测量技术、控 制 技 术 等，根 据一些约束条件，例 如 不同的输入信息，实时价格，用户用电习惯和负荷特 性需求等，由电力公司向用户自动传递信 号 并 启 动 预设了需求响应控制策略的自动需求响 应 终 端，改 变用户的用 电 行 为，使终端用户对于电能 的 使 用 做 出最优化 的 选 择。从 而 减 少 高 峰 电 力 负 荷，达 到 削 峰填谷、维持电网供需平衡的目的，实现电力用户和 电网企业之间的双向互动。系统方案如图 2 所示。因为单个的负荷不能直接与自动需求响应终端 进行通信，因此在用户侧添加一个控制器，可以对其 远程读取和操作控制。自动需求响应终端接收来自 控制器的信息，整合电网侧和用户侧信息，确定所连 接负荷的类型，启动相应的需求响应控制策略，进行 一系列操作例如在高峰用电时段是否切 掉 负 荷 等，图 1fig 1基于物联网技术的自动需求响应系统架构system architecture of the automatic demandsponse based on the technology of the internet of things( 1) 感知层无线传感器 网 络由大量微小节点组成，这 些 节 点具有感知、计算及无线通信能力，其目的是采集环 境信息而不是通信。传感器节点通常部署在要监测 97 第 51 卷 第 24 期2014 年 12 月 25 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 24dec 25，2014并通过部署于用户侧的控制器控制家用电器执行决策并反馈响应结果。用户的当前日期所有电表电量信息。( 4) 参数管理: 负责进行系统的一些用电常用参 数的设置，包括单一电价设置、阶梯电价设置以及峰 谷平电价设置。( 5) 优化策 略 展 示: 展 示 用户最优控制策略，对 用户调整用电行为后所能节约的用电量进行估计。( 6) 需求响应潜力分析。显示用户所有家电运 行时的用电负荷; 显示可中断负荷被切断后的用电 负荷，例如洗衣机; 显示可调控负荷在适当进行调节 后的用电负荷，例如空调、照明负荷。将以上用电负 荷进行对比分析，并区别显示。( 7) 用户响应效果分析。通过需求响应前后的 对比分析，展现用户参与需 求响应的节能效果。分 别包括参与需求响应前后用电设备日用电量对比 图、参与需求响应前后用电设备电费累计对比图，日 峰谷电价折线图，一天各时段参与 / 不参与需求响应 用电量对比分析图，一天各时段参与 / 不参与峰谷电 价用电成本对比分析图。图 2基于物联网技术的自动需求响应系统fig 2automatic demand response system based on the technology of the internet of things2 2 22 2 2 1关键设备功能自动需求响应终端在自动需求 响 应 系 统 中，用户和系统进行信息 交互的重要设备是自动需求响应终端，其 具 有 数 据 接收、数据存储、统计分析、智能控制、远程通信及系 统设置等基本功能。自动需求响应终端通过先进的 信息通信技术与控制器相连，对 家 庭 用 电 设 备 进 行 监测与控制，对用电信息等数据进行查询，并根据电 网侧的信号，制定需求响应策略，通过对家用电器的 控制来执行需求响应策略，以调节电网峰谷负荷，实 现用户自 动参与需求响应。因 此，自动需求响应终 端是发布电 网 信 息、用户数据查询和信息 上 传 下 达 的主要媒介，是实现家用电器参与需求响 应 的 关 键 设备，其功能结构如图 4 所示。2 22 2 1系统功能总体功能系统总体功能如图 3 所示。图 3系统总体功能fig 3overall system function( 1) 用户数 据 分 析: 包 括 用 户 日 数 据 分 析、用 户 月数据分析、用户年数据分析。分别展示所选日期、 月份、年份的居民的用电信息以及基本指标 的 图 形 展示。( 2) 家用电器数 据 分 析: 家用电器数据查询 ( 查 询某天所有电器用电量) 。( 3) 家庭电表数据查询: 以列表的形式展现当前图 4自动需求响应终端功能结构fig 4terminal function structure of the automatic demand response( 1) 用电信息查询与展现包括设备当日、本月用电量信息展现，当日用电 量根据不同的设备分别用柱形图展示，月 度 或 年 度 98 第 51 卷 第 24 期2014 年 12 月 25 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 24dec 25，2014用电量用表 格 表 示，本功能通过自动需求响 应 终 端数据统计模块实现;( 2) 远程通信功能通信模块用于接收来自电网侧以及用户侧的信 息。通过接口实现事件通知信息的下发及用户侧响 应信息的反馈。( 3) 选择需求响应控制策略 通过网络接收到电网发布的价格信号或激励信号，并进行解析，结合用户侧用电需求信息进行数据 分析处理决定当前情况下用电设备应采用的需求响 应控制策略，启动预设好的控制程序向可调 节 的 用 电负荷发送控制文件或向传统用电设备发送控制命 令以执行 d 控制策略，响应需求信号。( 4) 需求响应反馈通过对用户的用电信息进行统计，例如: 统计各 类家用电器的用电量及电费，分析用户近期 对 各 类 电器用电习惯的改变，反馈各类电器用电数据，进而 对用户近期用电行为进行评价。传送给终端，接收并执行终端下发的控制策略，实现家用电器的自动需求响应。2 2 2 3智能插座在自动需求 响 应 系 统 中，控制器与家用电器互 通互联的实现方式有两种: 一种是因智能 家 电 本 身 具有通信模 块，故控制器可直接与其进行 通 信 和 控 制; 另一种则是通过加装具有通信模块的 智 能 插 座 来实现控制器与传统家电间的通信和控制。智能插 座具备的功能如图 6 所示。图 6智能插座功能结构fig 6function structure of the intelligent socket( 1) 供电功能 智能插座能够实现普通插座的供电功能。 ( 2) 控制功能通过开断电源，可以控制插座上电器的供电，或 对电器的通信口发命令帧控制，控 制 的 家 电 包 括 空 调、电饭煲、电热水器等。( 3) 计量功能智能插座可以实现对传统非智能家用电器的电 压、电流、功率、用电量等用电信息的计量和采集。( 4) 通信功能智能插座可 与控制器进行通信，将 数 据 传 送 给 控制器或响应控制器的命令，保 证 家 用 电 器 的 正 常工作。2 2 2 2控制器控制器一般 固 定安装在入户处，可 以 查 看 或 控制自动需求响应系统内所有设备的状态，如 电 器 开 关控制、状态监测、灯光控制等。简化了终端设计的 复杂度，同时降低了终端成本。控制器功能结构如 图 5 所示。2 3通信网络方案通信网络方案如图 7 所示。将物联网技 术应用于自动需求响应系统，其 主图 5控制器功能结构fig 5function structure of the controller( 1) 信息采集功能通过控制器与部署在家庭内部的各类智能传感 器互联互通，实现对家庭用能信息，例如各类家用电器当前的用电总功率、电压以及电流等数据; 室内环 境信息，例如 照 明、湿 度、温 度 等 数据以及各类设备 运行状况等信息的即时采集、传输和数据存储。( 2) 家电控制功能通过控制器与家庭内部的各类家用电器进行通 信，实现对各家用电器运行状态的实时监测 和 本 地及远程控制。( 3) 通信功能控制器与自 动 需求响应终端进行通信，将 数 据要硬件设备包括自动需求响应终端、控制器、智能插座等。自 动需求响应终端是实现该 系 统 的 关 键 设 备，其利用信息通信技术，对家庭用电信息等数据进行采集和分 析，对家庭用电设备进行实时 监 控 与 管 理，指导用户合理用电，实现电网的削峰填谷以及电 网与用户之间的互动。自动需求响应终端与控制器 之间可 以 采 用 plc 通 信 方 式。智能型家电可通过 wifi 与控制器 相 连，实现对智能家电的 运 行 调 节 与 控制。传统家电通过智能插 座与控制器相连，智 能插座与控制器之间也可采用 wifi 实现设备用电量采集数据远程控制命令和校时信息的传输。该系统与 外 部的通信主要通过无线宽带通信、电 力 线 通 信 99 第 51 卷 第 24 期2014 年 12 月 25 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 24dec 25，2014( plc) 、电 力 复 合 光 纤 到 户 ( pftth) 等 方 式 相 结 合来实现。4adeel abbas zaidi，friederich kupzog，tehseen zia，peter palenskyload ecognition for automated demand esponse in microgridsc iecon-annual conference on ieee industrial electronics society，2010: 2442-24475 edward arens，david auslander，david culler demand esponseenabling technology development uc berkeley，20066陈磊，黄在朝 基于物联网的输电线路状态监测技术在智能电网 中的应用研究j 现代电子技术，2012，35( 21) : 7-12chen lei，huang zaichao application of transmission line condi- tion monitoring technology based on internet of things in smart grid modern electronics techniquej modern electronics technique，2012，35( 21) : 7-127王保云 物联网技术研究综述j 电子测量与仪器 学 报，2009，23( 12) : 1-7wang baoyun eview on internet of things j journal of elec- tronic measurement and instrument，2009，23( 12) : 1-78杨猛 基于物联网的 智 能 用电服务系统研 究d 北 京: 华 北 电 力大学，2013yang meng esearch of smart power utilization service systembased on iot d beijing: north china electric power university，20139 冯庆东，何战勇 需求响应中的直接负荷控制策 略j 电 测 与 仪表，2012，49( 3) : 59-76feng qingdong，he zhanyong tactica of direct load control in de- mand esponse j electrical measurement instrumentation，2012，49( 3) : 59-7610冯庆东，何战勇 国内外智能用电发展分析比较j 电测与仪 表，2012，49( 2) : 1-6feng qingdong，he zhanyong analysis and comparison for the de- velopment of smart electricity consumption in domestic and foreignj electrical measurement instrumentation，2012，49( 2) : 1-6作者简介:图 7通信网络方案scheme for the communication networkfig 73结束语需求响应是 智 能电网技术的关键应用，对 提 高供需动态优化程度、提升电力资源优化配置水平，以 及构建供用和谐关系等方面具有重要作用。自动需 求响应作为需求响应的发展趋势，主 要 特 征 是 信 息 交互标准 化、决策智能化和执 行 自 动 化。鉴 于 自 动 需求响