英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

家庭能源和电力管理和控制系统的设计和实施

注：文中所涉及的图表参考英文原文

摘要：用户有效利用电能是提高能效，降低发电和供电成本以及环境问题的关键方法之一。作为解决能源使用问题的补救措施的一部分，出现了许多减少能源需求的技术，从节能设备到各种能源管理系统，以帮助用户管理和控制其消费。在本文中，我们介绍了家庭能源和电源管理系统的设计和实现，使用户能够通过使用移动应用程序调度和控制其设备来动态监控，管理和管理他们的需求响应。在电源管理系统的关键是一个嵌入式微控制器，它编码有监控，管理，调度和控制操作。移动设备上的用户界面通过使用Wi-Fi通信协议的集成Raspberry Pi服务器直接与电源管理系统通信，而Raspberry Pi和嵌入式微控制器之间的通信基于蓝牙通信。首先开发了所提出设计的数值模拟，并且实现并测试了该设计的原型。测试结果表明，该系统能够有效地监控，控制和调节家庭用电量。系统提供的灵活性允许用户自我调节电力使用量，这转化为成本节省以及需求峰值变平的整体效果。移动设备上的用户界面通过使用Wi-Fi通信协议的集成Raspberry Pi服务器直接与电源管理系统通信，而Raspberry Pi和嵌入式微控制器之间的通信基于蓝牙通信。首先开发了所提出设计的数值模拟，并且实现并测试了该设计的原型。测试结果表明，该系统能够有效地监控，控制和调节家庭用电量。系统提供的灵活性允许用户自我调节电力使用量，这转化为成本节省以及需求峰值变平的整体效果。移动设备上的用户界面通过使用Wi-Fi通信协议的集成Raspberry Pi服务器直接与电源管理系统通信，而Raspberry Pi和嵌入式微控制器之间的通信基于蓝牙通信。首先开发了所提出设计的数值模拟，并且实现并测试了该设计的原型。测试结果表明，该系统能够有效地监控，控制和调节家庭用电量。系统提供的灵活性允许用户自我调节电力使用量，这转化为成本节省以及需求峰值变平的整体效果。

1. 概论

家庭管理系统是用户需求侧管理的解决方案之一，它设计远程关闭家中的某些电器来降低能源消耗，延迟高峰时段的电力使用以实现峰值节省，在需求预料外的低时也是如此。家庭能源管理的概念源于先进的计量基础设施（AMI），以改善需求侧管理，能源效率，用户对需求的响应以及提高发电和供电效率。 然而，随着物联网（IoT）的出现和通信技术的进步，家庭能源管理解决方案获得了新的关注，为用户提供更多的灵活性以及提供智能服务。

从智能节能设备[1]到各种能源管理系统[2] - [3] [4] [5] [6] [7]的各种用户需求减少解决方案已经出现，以自动化用户需求响应。 Dae-Man等[2]研究了家庭能源管理系统设计，重点关注IEEE 802.15.2和Zigbee在用户需求响应和负载管理方面的应用。 Qinran等[3]还提出了一种利用传感技术和机器学习算法进行家庭能源管理的硬件设计系统，使用户能够实现对住宅负荷的实时价格响应控制。在Zhuang等[5]的工作中，重点是调度方法，考虑到实时价格，可以经济有效地为设备提供电力。 Young-Sung等[6]研究了家庭能源管理系统，该系统结合了电力线网络和互联网技术来控制家庭中的总电力管理[6]。在另一个家庭能源自动化设计中，Al-Ali等[4]提出了基于互联网的系统来控制和监控家用电器。该系统由集成到家庭服务器中的嵌入式系统组成，该系统能够从远程位置控制家庭中的设备。

在本文中，我们介绍了具有移动集成的远程可控家庭能源管理和控制系统的设计和开发，使用户能够有效地监控，管理和控制他们的消耗和电力使用。电压和电流传感器用于采集数据，然后传输到嵌入式微控制器进行计算和分析。通过集成电子继电器的动作实现电路上电器的自动控制，集成电子继电器接收来自嵌入式微控制器的控制信号。用户通过与集成Raspberry Pi服务器交互的移动应用程序直接与能量管理控制器系统交互。为了证明能源管理系统的可行性和有效性，实施了设计原型并检查了其性能。

1. 家庭管理系统的体系结构

家庭能源和电力管理系统的目标是监控用户的能量和功耗，并最小化使用，促进保护和成本。图1显示了所提出系统的架构概述。该系统由三个功能组件组成：硬件系统，通信系统和软件系统。硬件系统包含传感和监控电路，用于控制的继电器电路和嵌入式微控制器系统。借助于电压和电流传感器电路获取器具消耗的功率数据，所述电压和电流传感器电路在供应器具的电路中连续监测电压和电流，而电子继电器用于执行电路中的电力的控制操作。作为神经系统的嵌入式微控制器利用系统的管理和控制活动的操作逻辑进行编码。系统的软件组件本质上是集成的移动应用程序，其为用户提供对系统的访问以进行管理和控制操作。用户可用于管理和控制家庭中的电力使用的功能包括电力使用计划，电力计划，资费或价格管理者以及能量消耗成本。该系统支持两种通信形式：蓝牙和Wi-Fi。蓝牙用于将感测的能量和功耗数据从嵌入式微控制器设备传输到Raspberry Pi服务器，而Wi-Fi通信用于Raspberry Pi和用户移动设备之间的数据交换。

1. 系统设计与开发过程

1 软件系统设计

为了获得家庭中的功率和能量消耗的信息，设计了电压和电流传感器。电压传感器允许系统读取电压数据。对于具有plusmn;10％容差的230 Vrms的单相电源的IEC要求被用作可接受电压水平的基准[8]。将获得的电压信号按比例缩小到0-5V的范围，并发送到微控制器设备上的模数转换器单元进行处理。图2（a）显示了电压传感器电路的电路图。使用霍尔效应电流传感器电路捕获电路中的电流，如图2（b）所示。

为了自动控制远程连接电路的设备，设计了继电器电路并将其集成在电路中，如图2（c）所示。检测到的电压和电流读数被传送到微控制器设备，用于计算电路上的设备的能量和功耗，并且计算出的信息被传送到Raspberry Pi服务器。图3示出了在微控制器设备上编码的用于系统操作的流程图。如果从用户接收到来自Raspberry Pi服务器的指令，则解码指令并根据接收的串行数据将适当的电子继电器切换到ON或OFF状态。

2 硬件系统设计

移动设备上的用户应用程序是使用Android平台设计的。移动应用系统为用户提供了五个接口，如图4中的用例图所示：电源监控，电源控制，电源调度，电源使用计划以及资费或价格管理器。电源控制接口使用拨动开关指示开关状态。切换允许用户打开或关闭连接到特定电路的设备。开关的状态立即在用户界面上改变，指示负责控制电路的电子继电器的状态的相应变化。

电源调度接口为用户提供平台，以规划他们希望电路上连接的某些设备运行的时间。一旦用户为设备创建计划（例如，设备运行一周中的天数），系统将定期重复此计划，直到通过取消终止该计划。电源使用计划界面允许用户通过为设备创建计划并将其连接到电源（例如太阳能，发电机等）来优化家庭中可用电力的使用。例如，如果电源对家庭供电的是具有有限电量的太阳能，用户可以创建一个时间表来定制应该操作的设备的数量以优化家庭中的电力使用。资费管理器界面允许用户更新能源管理系统上的内部电价结构，该结构用于计算家庭中消耗的能量成本。对于这项工作，使用了加纳住宅用户的电价结构。用户界面直接与Raspberry Pi服务器主干交互，以获取显示实时和历史能源和功耗数据所需的所有数据。 Raspberry Pi还可以保存数据以保持持久性，并提供对应用程序请求的各种服务的异步访问。图表库用于将实时数据流和每月使用数据呈现为图形。

1. 系统原型实现和测试

首先使用Proteus仿真软件实现图2中的设计的数值模拟以及编码的微控制器设备的模型。该模型使用四向配电板将电力分配到家庭的不同部分。为了模拟系统测量电路上不同电流值的能力，每个电流传感器都连接到一个可变电阻器。可变电阻器设置为不同的值并馈送到四个电流传感器。通过将电压传感器连接到230 Vrms的标称电源来模拟电压传感器测量电压的能力。模拟系统的开关功能以驱动灯，其表示连接在电路上的各种负载，并且使用虚拟串行接口将控制继电器关闭和打开。实际上，电路的切换是实时的，并且发现功率和能量测量值满足设计目标。

使用仿真模型，开发了图5中所示的原型设备，并在实验室环境中进行了实验，以验证系统的功能性和稳健性。用于原型开发的硬件组件包括：霍尔效应电流传感器（ACS712），控制继电器，Raspberry Pi服务器，Arduino Mega微控制器板和2times;16 LCD显示器。测试的实验设置如图6所示。在实验中，来自具有以下规格的4路配电板的输出电路：1times;25A，1times;16A和2times;10A，连接到原型设备。来自原型设备的电路连接到中间电插座，该电插座用作不同额定功率的电器的电源，如表1所示。例如，具有16A插座的电路进一步连接到具有多个插座的电路板。连接多个负载，如电熨斗，搅拌器和冰箱，用于监控。用于实验的负载本质上是电阻性的和电感性的，以反映用户在家中使用的负载的组合。

移动应用程序在Android 5.0上运行的Samsung Galaxy S5和在Android 4.4上运行的Samsung Galaxy Note 3上进行了测试。图7显示了当配电板上每个电路上的设备或负载增加或减少时，功耗和能耗以及能量成本的实时移动接口信息。测试了每月使用功能，并正确显示了已使用的预期累计能量（kWh）和电路消耗的总功率（kW）。还测试了切换时序。在局域网内，应用程序显示图形，并且几乎实时地切换电路上的负载，最大延迟为1秒。但是，当通过Internet使用该应用程序时，发现延迟会增加。还测试了系统在断电后保留数据的能力。在收到应用程序的请求后，设备多次打开和关闭。证明系统足够稳定，可以在重新建立电源后保留数据。

通过在配电板的不同电路上创建一些设备的准时和关闭时间来测试电源调度方案。图8显示了移动设备上用于调度方案的用户界面。两者相互抵消60秒。系统能够将设备开启60秒并根据需要关闭。

通过为可用的电源（国家电网）创建许多电力计划来测试电力计划方案。图9显示了允许用户更改和安排电源计划的界面。在给定时间，只能激活给定电源的一个电源计划。测试的电源计划的所有功能都按预期正常工作。

1. 总结与今后工作

在本文中，我们描述了具有移动接口的自动化家庭电力和能量管理系统的设计和开发，用于管理和控制家庭中的电力。首先进行系统的数值模拟，然后使用各种电阻和电感负载进行原型开发和测试。从测试中获得的结果表明该系统能够按预期运行。这种开发的能源和电源管理系统为用户提供需求侧管理解决方案，通过移动应用软件更有效地监控，控制和调节家庭中的电量和能源使用量。通过该系统，用户可以了解其能耗模式，降低能源成本，降低对需求的总体影响，并增强能源管理服务。该系统可为家庭用户提供可靠的能源管理系统解决方案。作为未来工作的一部分，高峰定价的价格变化概念和使用时间的激励系统将包含在控制模型中，以使用户能够测试他们的需求响应。还认识到，具有远程监视和控制用户能量和功耗的能力引入了安全性和隐私性问题。当前系统没有足够的安全措施来保护用户免受未知威胁，这将在扩展工作中进行探讨。最后，将对住宅，商业和工业设施进行现场试验，以评估该系统的性能。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[20183]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word