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)的重點實施內(nèi)容,，實現(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，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,。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)試點建設(shè)，加強在用電側(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,，消費電子、計算機,、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,，實現(xiàn)智能需求響應(yīng),，提高電網(wǎng)運行效率。鑒于空調(diào)等客戶用電負(fù)荷增長很快,，對電網(wǎng)運行產(chǎn)生很大影響,，現(xiàn)有技術(shù)手段難以實施需求側(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,，實現(xiàn)居民用電需求響應(yīng),。

　　智慧家庭建設(shè)是實現(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,、Pad、PC等客戶端軟件實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,，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,，降低家庭用能,，實現(xiàn)家庭節(jié)能減排。

　　智慧家庭建設(shè)是實現(xiàn)區(qū)域能源供需平衡的需求,。隨著城市規(guī)模的擴大和用電結(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，用戶可以使用手機直接控制用電設(shè)備,，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,、定時控制、場景控制,，查看設(shè)備的實時運行狀態(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)置手機消息推送,，防止遺漏重要信息,，合理安排家庭用電。

　?。?）智能繳費

　　當(dāng)居民用戶電費余額不足時,，及時推送消息通知，用戶可以直接使用手機客戶端在線繳納電費,，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,，實現(xiàn)家庭配電箱與智慧家庭的有機結(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)閉飲水機的電源,，可以使用手機遠(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,，實現(xiàn)居民與電網(wǎng)的良性互動,。

　　3.3 用電互動手機客戶端

　　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?？蛻舳藨?yīng)用的技術(shù)路線遵循Android和IOS手機客戶端技術(shù)規(guī)范性要求,，采用MVC設(shè)計模式，實現(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,，實現(xiàn)手機服務(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——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,。項目建立全電智能家居可視化體驗展示廳（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、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)。項目建成后將實現(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。