智能家庭能量控制系统的制作方法

本发明涉及智能家庭技术领域，具体涉及具有可再生能源的智能家庭能量控制系统。

背景技术：

当前，能源危机越来越严重，这要求各个领域都要降低能耗。然而，随着家用电器增多，家庭能耗也变得越来越大。节能技术和再生能源被认为是解决家庭能耗问题的一个办法。为了降低家庭能耗和降低成本，应当同时考虑能量消耗和能量生成这两个方面。遗憾的是，现有技术中还没有从这两方面同时考虑的方案。

技术实现要素：

本发明提出了一种智能家庭电能管理系统，其分别基于zigbee和电力线通信(plc)再生能源网关来管理电能消耗和电能生成。该系统中，家庭服务器通过zigbee收集能量消耗数据，通过再生能源网关收集能量生成数据，从而消耗和生成两个方面进行考虑，并优化家庭能量的使用。

根据本发明的第一方案，提供一种智能家庭能量管理系统，包括：耗能设备；能量管理通信单元；再生能源设备；再生能源网关；以及家庭服务器。所述能量管理通信单元被配置为与所述耗能设备相连，测量所述耗能设备的能量消耗和功率，并向家庭服务器发送测量值。所述再生能源网关被配置为监视所述再生能源设备的能量生成和状态，并向家庭服务器发送监视到的再生能数据。所述家庭服务器被配置为：基于从能量管理通信单元接收的测量值生成能量消耗和功率使用资料，基于从再生能源网关接收的再生能数据生成能量和功率生成资料，并基于接收到的测量值和再生能数据控制所述耗能设备的操作和所述再生能源设备的能量生成。

在一个实施例中，所述系统还包括远程能量管理服务器，其中，所述家庭服务器被配置为与所述远程能量管理服务器通信连接以订阅能量门户服务，并向所述远程能量管理服务器发送与所述家庭服务器有关的详细能量信息；以及所述远程能量管理服务器被配置为处理所述详细能量信息，并向所述家庭服务器提供处理结果，以便由所述家庭服务器根据处理结果控制相应家庭的能量消耗和能量生成。

在一个实施例中，处理详细能量信息包括，针对每个家庭和/或针对特定耗能设备来计算平均、最大、最小能量使用，并与其他家庭和/或其他耗能设备进行比较。

在一个实施例中，所述再生能源设备包括电力线通信plc调制解调器和逆变器，所述再生能源网关被配置为与所述调制解调器和逆变器通信连接，其中所述plc调制解调器包括用于控制与再生能源网关的通信的连接管理器和用于测量再生能源的感测代理；所述再生能源网关包括用于与所述plc调制解调器通信的plc接口、用于与家庭服务器通信的以太网接口、用于与逆变器通信的rs-485接口、连接管理器、数据聚合器和数据发送器，其中，所述连接管理器用于控制和每个plc调制解调器的连接以聚合数据，所述数据聚合器向每个plc调制解调器和逆变器发送数据请求消息，并接收相应的状态数据，所述数据发送器周期性地向家庭服务器发送来自聚合器的聚合数据。

在一个实施例中，所述能量管理通信单元包括通信模块和测量模块，所述测量模块用于测量消耗能力的设备的电压、电流、功率、能量消耗和功率因数，所述测量模块还包括向相连的家用电器提供电力或阻断电力的电力功率模块；以及所述通信模块用于通过zigbee向家庭服务器传输所述测量模块测得的数据。

在一个实施例中，所述家庭服务器包括能量消耗管理器、能量生成管理器、网络服务模块、家庭用户界面、信息数据库、设备表、数据聚合器、调度管理器、节点控制器和服务器接口，其中所述能量消耗管理器用于创建能量消耗信息，并对所述耗能设备进行控制，所述能量消耗信息包括所述耗能设备的使用模式和总的家庭使用模式；所述能量生成管理器用于根据天气情况预测所述再生能源设备的能量生成；所述设备表用于管理与能量管理通信单元相连的耗能设备；所述数据聚合器用于随时间而累积从能量管理通信单元和再生能源网关接收到的数据；所述调度管理器用于参考耗能设备的优先级来修改耗能设备的调度，以降低能量成本；所述节点控制器用于监视和控制能量管理通信单元；所述服务器接口用于与远程服务器相连。

本发明提出了一种智能家庭能量管理系统，其既考虑能量消耗又考虑能量生成。针对能量消耗，在耗能设备中安装能量管理通信单元，基于zigbee测量家用电器和灯的能量使用并向家庭服务器传输收集的数据。针对能量生成，在每个太阳能面板中安装plc调制解调器来监视其状态。因此，本发明提出的架构能够增强家庭能量管理，节省能量成本。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的包括再生能的智能家庭电能管理系统的架构；

图2示出了根据本发明实施例的家庭服务器的示意框图；

图3示出了根据本发明实施例的能量测量通信单元及其协议栈的示例；

图4示出了根据本发明实施例的zigbee有效载荷的数据传输消息格式；

图5示出了根据本发明实施例的再生能源网关和plc调制解调器；

图6示出了根据本发明实施例的与家庭服务器相连的远程能量管理服务器(rems)。

具体实施方式

本发明提出了一种新型智能家庭电能管理系统100，用于更高效地管理家庭电能使用。所述家庭中具有两个部分，即能量消耗和能量生成。家用电器和灯属于能量消耗部分，再生能源例如太阳能101和风能102属于能量消耗部分。由于家庭既消耗能量又生成能量，所以控制设备，例如家庭服务器110需要监视能量消耗，还要控制能量生成，这样才能最小化能量成本。

图1示出了根据本发明实施例的包括再生能的智能家庭电能管理系统100的架构，其考虑能量消耗的家用电器和灯，还考虑生成能量的太阳能101和风能102。

如图1所示，在能量消耗部分，通过安装于每个插座和每个灯的能量测量通信单元(emcu)120来监视家用电器和灯的能量消耗。emcu120测量家用电器和灯的能量消耗和功率，并周期性地向家庭服务器110发送测量值。emcu120使用zigbee与家庭服务器110进行通信。本领域技术人员公知，zigbee是一种低能耗的通信技术。家庭服务器110通过zigbee接入点(ap)从插座和灯收集能量和功率数据，分析所收集的数据，并生成与家用电器和灯有关的能量和功率使用资料。通过家庭服务器110，用户可以浏览能量和功率信息，并查清家用电器和灯的能量使用情况。

在能量生成部分，通过再生能源网关105来监视太阳能101和风能102系统的能量生成。太阳能系统101包括太阳能面板、plc调制解调器、太阳能逆变器以及再生能源网关。每个太阳能面板上都安装一个plc调制解调器，plc调制解调器与再生能源网关105通信。plc调制解调器监视每个太阳能面板的状态，并将监视到的状态传输给再生能源网关105。太阳能逆变器103将太阳能dc电能转换为ac电能，并且监视累积电能和瞬时电能。逆变器103通过串行通信与再生能源网关105相连。风能系统102包括风能叶片和风能逆变器104。风能逆变器104将风能转换为ac电能，并监视累积电能和瞬时电能。风能逆变器104通过串行通信和再生能源网关105相连。其通过以太网将收集的数据传输给家庭服务器110。家庭服务器110分析收集的数据，并生成能量和功率生成资料。

作为智能家庭电能管理系统的关键组件，家庭服务器110聚合全部能量消耗和能量生成信息，并且具有与时间有关的能量使用资料和能量生成资料。此外，家庭服务器110还可以基于来自互联网的天气预报111来估计再生能量的量。所述天气预报可以包括温度、湿度、云量、风速等。由于家庭服务器110已经存储了历史的再生能生成和天气之间的相关性关系，所以基于这些相关性关系，家庭服务器110可以根据天气预报来估计再生能的生成量。此外，家庭服务器110可以从公共事业108(如供电公司)获取实时电价。由此，家庭服务器110可以基于估计的能量生成量来管理和控制家庭电能使用。

用户可以获取关于电能的各种分析和各种推荐控制方案，以优化家庭电能使用。用户可以通过智能电话112来访问家庭服务器110，浏览家庭能量信息。

如果个人家庭订阅了管理服务，则远程能量管理服务器(rems)109可以从家庭服务器110聚合能量信息。rems109分析聚合的信息，并创建许多方面的新信息。基于创建的新信息，rems提供能量门户服务，帮助客户端家庭与其他家庭比较能量使用。用户可以查明家庭在能量消耗和能量生成两个方面的平均能量信息。

以下将参考图2详细描述家庭服务器110。图2示出了根据本发明实施例的家庭服务器200的示意框图。家庭服务器200通过zigbeeap来管理安装在插座和灯的emcu(图1的emcu120)。家庭服务器200通过节点控制模块209来监视和控制emcu。设备表206管理与emcu相连的家用电器和灯。家庭服务器200使用该表识别家用电器和灯。家用电器和灯的能量消耗数据存在信息数据库205中。数据聚合器207随时间而累积接收到的数据。能量消耗管理器201(ecm)分析一段时间(例如，一天、一周或一月)中的累积数据。ecm201还可以创建能量消耗信息，例如，家用电器和灯的能量使用模式、整个家庭的总能量使用模式。家庭服务器200使用所述能量消耗管理器201来查明家庭的能量消耗信息，并对家用电器和灯进行控制。

再生能源网关向家庭服务器200传输太阳能面板、太阳能逆变器和风能逆变器的状态数据。所传输的数据描述每个太阳能面板、太阳能系统和风能系统的性能。数据聚合器207收集传输的数据并将其存储在信息数据库205中。天气数据可以用于生成能量生成和天气之间的对应关系。能量生成管理器202(egm)分析再生能的生成，并且可以推导与天气有关的模式。太阳能的生成与太阳辐射有关；风能的生成与风速有关。因此，egm202可以基于天气预报来估计再生能生成。

基于估计的再生能生成，家庭服务器200可以利用调度管理器208来修改家庭设备调度，以降低能量成本。例如，在低再生能生成时间和高电价时间，可以将多个家用设备的操作移至电价较低的其他时间中。家庭服务器200可以基于操作的优先级来决定移动哪个操作。

家庭用户界面204(ui)向家庭用户提供关于家庭能量信息的各种内容。ui204示出关于时间的能量消耗和能量生成信息。用户可以检查浏览和检查每个家用电器和每个灯的能量使用，还可以查出生成了多少能量和节省了多少成本。

网络服务203使智能设备(如图1的智能设备112)能够访问家庭服务器200并搜索家庭能量信息。用户可以通过智能设备，通过互联网在任何时间任何地点浏览家庭能量信息。家庭服务器200可以根据用户要求，向智能设备提供内容。智能设备可以使用智能设备应用，直接访问这些信息。家庭服务器还可以向对大量客户端家庭进行管理的rems(如图1的109)传输家庭能量信息。

以下将参考图3详细描述能量管理通信单元(emcu)。图3示出了根据本发明实施例的能量测量通信单元(emcu)300及其协议栈的示例。

在能量消耗部分中，emcu300是关键组件。emcu300由通信模块310和测量模块320组成。测量模块320测量插座家用电器和灯的功率、能量消耗和功率因数。测量模块320使用能量计量表321进行测量。计量表321测量一段时间内的电压和电流；将它们相乘，并按照时间连续积分。通过该过程计算功率和能量。功率因数则基于电压和电流之间的相位差来测量。测量模块320可以在存储器322中仅存储累积的能量数据；并根据用户要求来计算功率和功率因数。测量模块320中可以包括向相连的家用电器提供电力或阻断电力的电力功率模块323。

通信模块310支持emcu300和家庭服务器(如图1的家庭服务器110)之间的数据传输。其采用zigbee和ieee802.15.4无线个人局域网(wpan)作为通信方法。其不仅传输测量的能量、功率和功率因数，还传输电压和电流。图4示出了zigbee有效载荷的数据传输消息格式。其中，能量、功率、电压、电流、功率因数分别用4、3、3、3、2个字节来表示，但本发明不限于此。此外，通信模块210中的mcu响应来家庭服务器的命令，控制功率控制模块323的状态。

以下将参考图5详细描述再生能源网关510和plc调制解调器520。

在能量生成部分中，再生能源网关510是关键组件，其与plc调制解调器520、太阳能逆变器和风能逆变器(如图1所示)相连。plc调制解调器520在plc上根据tcp/ip协议进行通信。以上所有组件都具有ip地址作为标识符。连接管理器523控制与再生能源网关510的通信。感测代理521测量太阳能面板的电压和电流。根据这些数据，可以查明相应太阳能面板的性能。plc调制解调器520向再生能源网关510传输感测到的数据。

再生能源网关510具有三个通信接口：用于太阳能面板的plc、用于家庭服务器的以太网、以及用于逆变器的rs-485。针对典型的网络通信，在plc和以太网上使用tcp/ip协议。连接管理器513控制和每个plc调制解调器520的连接以聚合数据。再生能源网关510通过rs-485接口连接到太阳能和风能逆变器。数据聚合器511向每个plc调制解调器520和逆变器发送数据请求消息，并接收状态数据。数据发送器512周期性地向家庭服务器发送聚合数据。

以下将参考图6详细描述远程能量管理服务器(rems)。图6示出了根据本发明实施例的与家庭服务器相连的远程能量管理服务器600(rems)。

如图6所示，rems600包括能量门户服务601、比较分析模块602、网络服务器603、客户端管理器604，信息数据库605，以及用于通信的tcp/ip模块和以太网模块。个人家庭可以订阅由rems600提供的能量门户服务601。每个家庭中的家庭服务器(如图1的家庭服务器110)向rems600传输家庭能量信息。客户端管理器604保持到订阅户的家庭服务器的连接。rems600聚合来自客户端家庭服务器的详细能量信息，所述客户端家庭服务器提供家用电器和灯的能量使用。家庭服务器还可以传输能量生成信息。可以将全部聚合信息都存储在信息数据库605中。rems600可以进行比较分析工作602，例如，针对每个家庭或者针对特定家用电器来计算平均、最大、最小能量使用。所计算的信息可以示出标准能量使用图，这样可以激励订阅户将他们的能量使用与其他订阅户相比较，并降低家庭能量使用。因此，能量门户服务601可以为订阅户提供能量消耗和能量生成的统计数据。

当居民家庭安装再生能源以节省能量成本时，在智能家庭能量管理系统中同时考虑能量消耗和能量生成尤为重要。本发明提出了一种智能家庭能量管理系统，其既考虑能量消耗又考虑能量生成。针对能量消耗，在插座和灯中安装emcu，基于zigbee测量家用电器和灯的能量使用并向家庭服务器传输收集的数据。通过该方案，家庭服务器可以查明家庭能量使用模式。对于能量生成，在每个太阳能面板中安装plc调制解调器来监视其状态。再生能源网关基于plc收集太阳能面板的状态数据，基于rs-485收集来自逆变器的生成数据，并将收集的数据传输给家庭服务器。家庭服务器可以基于天气预报来估计能量生成。通过使用获得的能量信息，家庭服务器可以控制家庭能量使用，进行调度以最小化能量成本。用户可以通过智能设备来访问家庭能量信息。rems可以提供每个家庭能量使用的比较和分析。通过考虑消耗和生成，本发明提出的架构能够增强家庭能量管理，节省能量成本。