基于无线传感技术的家庭能源中心装置研究与应用

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于无线传感技术的家庭能源中心装置研究与应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要

作为取代传统家用配电箱的家庭能源中心装置是一种配电箱与无线传感技术相结合的产品，包括带漏电保护的智能空气断路器、智能双向交互网关、电源模块、ONU设备。通过搭载RF433、Wi-Fi等无线模块，实现家庭用电量总计量、分路计量、远程总控、远程分路控制等智能功能，并将监测信息及时汇报给服务系统，实现与用户的互动。目前该装置在天津中新生态城居民区安装应用，实现了居民用电安全化、智能化。

【关键词】家庭能源中心 智能空气断路器 智能网关 家庭安防

1 引言

随着城市规模的扩大和用电结构的改变，居民侧用电量大幅上升，电力供应面临更高的要求和挑战，智能电网用电环节建设的重要内容之一是通过调整终端用户的用电行为，提高电能利用效率，实现智能需求响应，提高电网运行效率，因此普通居民用户侧的电能使用数据统计和电能管理就尤为重要。

目前传统家庭配电箱不具备通信功能，主要用于对家庭用电的整体保护：当家庭中某一路用电异常时，配电箱只能切断该路用电，既不能及时将故障信息的反馈给用户，也无法实现远程控制。为了进一步掌握家庭中各线路健康状况、家庭中整体用电实时数据等信息，研制了具备RF433、Wi-Fi等无线模块家庭能源中心装置，一方面可替代传统配电箱以获取居民侧更细颗粒度的用电数据，为电网负荷预测提供数据依据；另一方面居民可及时通过配套的“智生活”APP了家庭用电运行状态、远程控制家庭用电，查看家庭安防，并根据用电通知设定、调整用电行为。

2 总体设计思路

家庭能源中心装置是一种配电箱与智慧家庭终端相结合的产品，包括具备通信功能的智能空气断路器、智能双向交互网关、电源模块、路由器、ONU设备。该装置通过搭载RF433、Wi-Fi等无线模块，实现家庭用电量总计量、分路计量、远程总控、远程分路控制等智能功能，并将监测信息及时汇报给服务平台，服务平台通过配套的“智生活”APP第一时间通知用户，实现家庭配电箱与智慧家庭的有机结合。如图1所示。

2.1 具备通信功能的智能空气断路器

具有多种通信方式和计量功能的智能空气断路器包括用电信息采集单元、单片机控制单元、数据存储单元、RS485接口电路、掉电监测单元、漏电保护单元、电源电路及相关接口电路，该智能空气断路器具备常规智能空气断路器的功能外，还支持用电信息采集与存储、RS485通信。

如图2所示，智能空气断路器内部采用高效开关电源方案实现AC-DC，较大程度上降低自身功耗，可通过RS485总线与外部设备实现通信。用电信息采集单元可采集接入线路的电压、电流、功率、功率因数、电量等用电信息，数据存储单元能够存储接入线路最近一个月内的功率和电量信息，也可以存储所接入线路最近一个月内的异常状态信息。智能空气断路器的用电信息和异常报警信息可以通过RS485总线连接智能网关设备，智能网关通过网口连接路由器，然后上传数据到后台服务器，并可通过服务器推送到 “智生活”APP，使用户实时了解家庭各线路的用电情况。

2.2 智能网关

具备RS485（与智能断路器通信）、微功率RF433无线通信（与智能家居设备通信）、网口路由通信（与互联网连接通信）等功能，针对与智能电能表通信额外增加了ESAM安全芯片保障信息通信的安全。

2.3 路由器

具备Wi-Fi通信功能，与智能网关通过网口通信，通过ONU设备实现与外网通信，将家庭能源中心装置采集信息上传给智慧家庭平台，智慧家庭平台将信息通过WIFI传递给用户手机“智生活”APP。

3 装置功能

基于RF433、Wi-Fi等无线通信技术的家庭能源中心，实现了家庭用电综合故障及各支路用电监控、智能家庭安防、家庭能效分析等功能。

3.1 家庭综合故障及用电监控模功能

家庭能源中心装置综合故障监控模块能够实现对家庭用电综合故障的监控和跳闸保护，具备分路计量、过压、过流、过载、漏电保护、防雷保护和通信接入等功能，通过手机客户端“智生活”APP，用户可查询当前耗电情况、告警信息、各用电设备耗电情况、异常报警通知、定期提醒等，可远程对用电监控模块实现跳闸保护控制，如图3所示。

3.1.1 漏电检测或者漏电保护功能

通过零序互感器实时检测线路中的漏电电流变化情况，芯片对漏电电流进行判断，达到或超过漏电保护值输出脱扣命令，通过脱扣线圈使产品脱扣，从而分断线路，同时把故障信息通过通讯传输给上位机。

3.1.2 过载保护功能、短路保护功能

开关采用2P微型断路器，其中增加了对N极的分断隔离。当开关出现过载或者短路保护而分闸，需要手工合闸。

短路保护通过机械实现，不通过电子部分。通过电流互感器检测到超过20倍额定电流就判定为断路故障；

过载和瞬时保护采用电子保护，芯片通过电流互感器检测回路电流，进行判断，达到保护值，输出命令给线圈进行脱扣，从而分断电路。同时把故障信息通过通讯传输给上位机。

3.1.3 触点温度测量功能

实时检测触点附近的温度变化情况，避免产品因长期过热而损坏。可以通过通讯传输给上位机，视发热情况，由上位机作出判定或处理。

3.1.4 具备计量功能

具备采集电压、电流、有功功率等功能。

3.2 智能家庭安防功能

家庭能源中心装置的安防功能为家庭侧安防提供了完整的保障方案，通过家庭能源中心的网关设备与家庭安防中心控制器通信，采集家庭安防设备如：门磁、红外感应、燃气感应、烟雾感应和紧急按钮等安防设备的信息上传给智能家庭服务平台，平台通过Wi-Fi将家庭安防设备传递给用户手机端实现对家中情况的实时监测，并在有异常情况发生时，发送报警信息到用户的手机中。家庭安防分别有安防报警、报警记录、视频监控3个功能模块，如图4所示。

3.3 家庭能效分析

家庭能源中心装置的“智生活”APP，能够根据用户需求提供多能源数据分析功能：

行为分析：分析用户用电行为，为用户安全、经济用电提供参考意见；状态分析：分析用户用电状态，从而有效掌握各个房间的用电状况，提供科学有效的管理手段；电器类别：识别电器类别，合理安排节能；故障分析：分析家庭用电故障，提供故障指导，提高用电安全性。

根据长期的用电数据采集，结合季节、人数、工作时间等因素，可以得出用电平均水平，在用电管理上可以设置电量使用额度，满足家庭的基本用电需求，减少家庭用电支出。

4 应用

中新天津生态城是中国和新加坡政府合作建设的生态城市。在中新天津生态城实现居民用电信息互动100%覆盖；实现生态城100%常住居民家庭智能化建设。在季景兰庭、万科锦庐、万通生态城新新家园、远雄兰苑、吉宝沁风御庭、首创康桥郡等8个小区，选取10户装配智慧家庭能源中心装置，取代传统家用配电箱。

通过家庭能源中心装置在中新生态城的应用推广，实现家庭用电峰谷差下降，改变居民的用能方式，增加居民生活的便利度，大大提升居民的信息化水平，不仅让用户参与到能效管理环节，得到更优质、安全、可靠的用能服务，同时，为用户提供了许多增值服务，极大的满足了居民的多元化需求，改善了居民的生活品质。

5 总结

本文在分析了传统家用配电箱的问题后，提出了一种配电箱与无线传感技术相结合的产品：家庭能源中心装置。该装置能够实现家庭综合故障及用电监控、智能家庭安防、家庭能效分析等功能，目前该装置在天津中新生态城居民区安装应用，实现了居民用电安全化、智能化，满足了居民的多元化需求，改善了居民的生活品质，提高了用户侧电力能源应用和服务水平，变革电力能源消费形式。

参考文献

[1]张延宇，曾鹏，臧传治.智能电网环境下家庭能源管理系统研究综述[J].电力系统保护与控制，2014，42（18）.

[2]何永秀，王冰，熊威，等.基于模糊综合评价的居民智能用电行为分析与互动机制设计[J].电网技术，2012（36）.

[3]杨景彬.互联网与智能家居[J].机电工程技术，2016（Z2）.

[4]郝为民，蔡青友.智能用电信息化服务在居民住宅中的应用[J].电信科学，2010（12A）.

[5]邵鹏飞，王矗张宝儒.面向移动互联网的智能家居系统研究[J].计算机测量与控制，2012（02）.

[6]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010（09）.

[7]郭稳涛，何怡刚.智能家居远程监控系统的研究与设计[J].计算机测量与控制，2011（09）.

作者简介

王婷婷（1985-），女，硕士研究生学历。研究方向为智能电网。

作者单位

1.北京国电通信网络技术有限公司 北京市 100070

2.国网天津电力公司物资公司 天津市 300304