智能电网环境下的智能电表与家庭能源管理系统

1. 家庭能源管理系统

家庭能源管理系统（HEMS）是一种自动化设备，用于在建筑物和公用事业公司的电器之间提供通信，以转移或减少需求，从而降低功耗。需求和公用事业公司之间的智能调度是HEMS的主要应用，它可以帮助公用事业公司阐明能源价格，部署需求响应计划，并高效集成更多可再生能源和存储设备。因此，公用事业公司可以测量广泛需求区域的用电量，并详细了解高峰时间。他们还可以向楼宇控制系统发送信号，改变或减少电器，以避免高峰时段停电。

2. 智能电表

自底向上的负载分析方法需要一些设备来测量能耗，所以引入了智能仪表，智能仪表是一种通过双向控制信号收集、分析和控制每户用电量的工具。智能电表提供诸如电压或频率监测、需求管理、灵活收费等服务。将此类设备集成到建筑物中可能对公用事业公司和消费者双方都有经济和环境效益。作为客户方面的一个例子，用户可以了解能源费用和相关的电力消耗。这些数据可以记录下来并在线呈现给客户。

此外，在生产方面

(1)公用事业公司可以使用动态电价规则执行需求响应计划，并在高峰时段控制电器。

(2)在电网层面，先进的测量方法帮助公用事业公司跟踪线路的电压和频率，通过智能仪表监测变压器的油温、负载能力和需求。

(3)智能电表可以连接到家庭网关，家庭网关与家庭自动化网络集成，并通过互联网与设备通信，以与公用设施交换数据

3. 智能设备

智能设备必须能够通过控制信号进行通信。为了有效运行，HEMS必须能够从设备接收一些基本信息。设备必须能够测量重要信息，如电流、电压、功率和温度，通过信号将这些数据发送给HEMS控制器，并接收来自HEMS的指令。因此，设备本身必须是智能的，或者需要使用智能插头将传统设备转换为智能设备。例如，智能冰箱可以将霜冻周期切换到非高峰时间，或者智能洗衣机可以将其运行周期推迟到非高峰时间。然而，大多数智能设备都能够由用户手动控制，以在需要时覆盖自动控制。例如，无论电价如何，如果用户需要打开空调，他们都可以这样做。智能设备之间的通信系统可以基于标准WiFi通信，这已经存在于室内。建筑物中常用的技术包括有线电力线通信（PLC）和各种技术，如采用IEEE 802.15.4标准的Zigbee、采用IEEE 802.11标准的WiFi、采用IEEE 802.15.4标准的WiFi、采用X10标准的X10以及采用IEEE 802.3标准的以太网。由于电器能源能源消耗方面具有不同的特点，因此很难为所有这些产品开发一个通用模型。因此，文献中的各种研究试图通过为所有设备创建一个有限的类别来简化HEMS的建模复杂性。通过使用这些类别，设备按照其一般行为分类到需求响应程序（DRP）。根据电器的特性对其进行分类，可以减少在HEMS中对其进行建模所需的信息。下图显示了设备及其特性和对DRP的响应。

根据上图的另一种分类：

高压交流输电系统、洗衣机、干衣机、热水器、洗碗机、电动汽车、用于家庭泳池的抽水泵等，在一定条件下对这些设备的运行进行调度不会影响到用户的舒适度，它们是可调度负载。不可调度负载主要包括计算机、打印机、冰箱、家庭娱乐系统、照明系统、安保系统等，对这些负载进行调度会严重影响用户的需求满意度。对可调度负载的运行进行优化调度是实现居民侧需求响应的重要途径之电动汽车是一种特殊的可调度负载，它不仅可以从电网中吸收电能满足用户的交通需求，而且还可以向家庭环境内的其他用电负载提供应急电能。大量电动汽车在集合者的协调下可以组成大规模的电动汽车群协同工作，通过联网功能在用电高峰期间将电动汽车存储的电能回馈给电网，起到调峰等辅助作用。电动汽车需要在家庭能源管理系统的控制下有序接入电网，以消除大量电动汽车无序接入电网造成的危害

智能电网环境下家庭能源管理系统的技术体系从

1.检测技术、

2.网络通信技术

3.优化调度算法

三方面综述了该领域的研究进展，讨论了存在的技术挑战，指出了未来的研究方向。

point：家庭能源管理系统与外界既有能量的交换，也有信息的交换。它通过智能电表与外部电网实现双向能量流动和计量。智能电表也是电力公司和家庭能源管理系统进行通信的信息接口

point：智能电网环境下的家庭能源管理系统主要包含以下五个功能模块：

1)用户设置模块。用户通过人机界面对家庭环境内的设备进行参数设置，比如室内环境温度上下限、洗碗机的开始工作时间、电动汽车的充电完成时间等;可以设定不同用电设备的优先级;选定不同的控制模式。用户通过此模块完成与系统相关的所有设置。

2)检测模块。检测模块用于实现环境检测、设备检测和用户行为检测。环境检测包括室内的温度、湿度、光照等因素的检测;设备检测指用电负载、储能系统、分布式电源的工作状态检测，比如电动汽车的当前连接状态、充电功率、电池荷电状态等;用户行为检测包括用户物理位置检测和家庭环境内用户行为模式的识别。

3)预测模块。风电、光伏发电具有出力不稳定的特点，利用预测算法对其功率输出进行预测有利于提高它们的利用率。若用户采用实时电价，还需要对电价进行预测;另外，也可以对家庭环境内的负载进行预测，这些预测结果用于优化调度过程以提高系统性能。

4)优化调度模块。该模块是家庭能源管理系统的核心，它根据用户设置、设备工作状态、环境信息、人员活动信息、电价信息、可再生能源的出力预测等信息对家庭环境内的可调度用电负载及储能系统的运行进行优化调度，达到用户预先设定的某一最优目标，比如最小化用户用电费用等。

5)设备监控模块。该模块根据优化调度模块计算的结果对用电负载、储能系统的运行进行控制，实时监测设备的工作状态，并将设备的工作状态和当前的用电状态通过人机界面实时反映给用户。

智能电网环境下家庭能源管理系统的技术体系：

网络安全问题是智能电网环境下家庭能源管理系统网络通信领域另外一个研究热点。在智能电网环境下，用户通过Internet和移动网络可以对家庭环境内的设备进行监控，同时家庭能源管理系统采集大量的用户用电数据。非法用户可以通过用户用电数据的分析推断出用户的生活习惯，造成用户隐私泄露;非法的网络入侵会威胁到系统的安全运行，造成用户的经济损失。因此，研究相应的网络安全技术对于保障家庭能源管理系统的安全运行和用户隐私及经济利益具有重要的意义

但家庭能源管理系统中的设备存在资源受限、计算能力弱的特点，比如，智能洗衣机的控制器是典型的中低端嵌入式微处理器，其计算能力有限。并且家庭能源管理系统网络中涉及控制的信息传输要满足硬实时性的要求。所以传统的Internet网络安全技术不能满足系统需求，因此计算资源受限情况下满足实时性要求的网络安全技术是未来的研究重点。！！