李秉義，張 興，詹然智，馬 睿
（國網重慶市電力公司，重慶400000）
摘 要： 智慧家庭是智能電網建設中在用電環節的重點實施內容，實現居民與電網的互動，提供人性化、個性化、多樣化的用電互動服務是智慧家庭建設的關鍵目標之一。本文通過研究智慧家庭的基本概念和建設內容，梳理國內外智能用電領域的研究情況，總結智慧家庭的建設需求，提出了一種智慧家庭用電互動服務系統的典型架構和功能，圍繞平臺、設備、客戶端三個環節詳細闡述系統的具體建設方案，涉及的關鍵技術以及提供的特色互動服務。以江西九江共青城智能電網創新示范區為應用環境，開展智慧家庭建設和運營，充分體現其示范應用價值。
關鍵詞： 智慧家庭；智能用電；互動；全電智能家居系統
0 引言
智能電網已經成為近年來國內外關于未來電網發展趨勢的熱門話題，被認為是當今世界電力系統發展變革的制高點，也是未來電網發展的大趨勢。隨著信息通信技術的不斷發展，智能電網條件下能源與信息的逐步融合將會改變原有的用電服務模式。
對智能電網的研究最早起源于美國，隨后得到了其他國家的認可，紛紛加入到智能電網的研究行列。在我國，國家電網公司也于2009年提出了建設堅強智能電網的戰略規劃。開展用電互動服務研究，提升服務水平，增強用戶在電網中的參與度已經成為智能電網領域智能用電環節的研究熱點。我國從2010年開始，在華北、北京、重慶開展了基于智能電網新技術的智能小區試點建設，加強在用電側和用戶的互動。智能小區的建設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。
智慧家庭利用物聯網、云計算、移動互聯網和大數據技術，將智能化家庭設備與家居生活有效地結合起來，提供特色互動服務，創造健康、安全、舒適、低碳、便捷的家居生活。
1 智慧家庭建設需求
智慧家庭建設是未來家庭發展趨勢。隨著Internet網絡在家庭的普及，消費電子、計算機、通訊一體化趨勢日趨明顯，智能化信息家電產品已經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代社會和家庭的新時尚。智能化設備、信息化家電通過智能化控制總線技術連接在一起，構成了功能強大、高度智能化的家居系統，為家庭的智慧化提供技術支持。
智慧家庭建設是實現居民用電需求響應的技術保障。智能電網用電環節建設的重要內容之一是通過調整終端用戶的用電行為，提高電能利用效率，實現智能需求響應，提高電網運行效率。鑒于空調等客戶用電負荷增長很快，對電網運行產生很大影響，現有技術手段難以實施需求側管理。智慧家庭建設一方面可獲取居民側更細顆粒度的用電數據，為電網負荷預測提供數據依據；另一方面居民可及時了解電網運行狀態，獲取電網用電通知、電價政策等，根據用電通知設定、調整用電行為，實現居民用電需求響應。
智慧家庭建設是實現國家節能減排的需求。在全球氣候變暖、霧霾天氣愈加嚴重的大背景下，節能減排已經成為各國政府的重要工作之一。通過智慧家庭服務平臺，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、主要耗電設備，并進行科學的優化，應用隨身攜帶的手機，關閉忘記關掉的電燈、空調、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，實現家庭節能減排。
智慧家庭建設是實現區域能源供需平衡的需求。隨著城市規模的擴大和用電結構的改變，居民側用電量大幅上升，為電力供應提出更高的要求和挑戰，智慧家庭將引入光伏發電等清潔能源建設，新能源的接入給家庭用電提供了更多的選擇，隨著規模的擴大，將提高區域分布式能源占比，平衡能源供需關系。
2 系統架構和功能設計
2.1 系統架構
智能家居用電互動服務系統由3部分組成，分別是用電互動服務平臺、智慧家庭互動設備和用電互動手機客戶端，系統架構如圖1所示。
全電智能家居服務平臺接受自動需求響應系統的負荷優化調控指令，并反向上報負荷調控能力，與智慧城市綜合能源數據服務平臺進行數據對接，上報居民側家庭各用電設備用電數據、用電行為，將居民側能效管理、智能家居的效果在智慧城市綜合能源數據平臺進行統一展示。智慧家庭服務平臺通過與家庭能源中心、客戶端建立連接通道，用戶可通過互聯網使用智能家居、家庭能效管理、需求響應等用電互動服務。
2.2 系統功能
全電智能家居系統為用戶提供的用電互動服務內容主要包括智能家居控制、家庭能效管理、用電信息服務以及智能繳費等。
（1）智能家居控制
通過在用戶家庭中安裝智能用電產品，如家庭能源中心、智能插座、紅外遙控、智能空調等，用戶可以使用手機直接控制用電設備，實現遠程控制、定時控制、場景控制，查看設備的實時運行狀態。
（2）家庭能效管理
利用智能插座的電量采集功能，獲取用電設備的詳細用電數據，用戶可以查詢各個設備的歷史用電信息，并通過圖表形式直觀形象地展示用電分析結果，輸出用電賬單，幫助用戶科學合理地調整家庭用能。
（3）用電信息服務
通過手機客戶端用戶可以及時查詢小區所在區域的停電信息、最新的電價政策等用電服務信息，還可以設置手機消息推送，防止遺漏重要信息，合理安排家庭用電。
（4）智能繳費
當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 系統建設方案
3.1 用電互動服務平臺
3.1.1 建設目標
依托移動互聯網和物聯網技術，建設用電互動服務平臺，提供智能用電、智能家居、用戶管理、終端管理和設備管理等系統服務，讓普通家庭能夠通過平臺實現家庭能效管理、移動終端購電、綜合信息服務、智能家居控制等功能，全面提高百姓生活智能化水平。實現示范區居民用戶與電網之間能源和信息的雙向交互，通過家庭能源中心實現對家用電器用電信息的采集和遠程控制。
3.1.2 平臺架構
家庭互動服務平臺建設遵循J2EE技術規范，采用組件化、動態化的軟件技術，利用一致的可共享的數據模型，以提高系統的靈活性、可擴展性、安全性以及并發處理能力。系統按照多層架構體系，將界面控制、業務邏輯和數據映射分離，實現系統內部的松耦合，以靈活、快速地響應業務變化對系統的需求。系統層次結構總體上劃分為終端層、接入層、前置服務層、系統支撐層、數據存儲層，如圖2所示，通過各層次系統組件間服務的承載關系，實現系統功能。
終端層采用B/S架構，支持移動終端。接入層通過防火墻和負載均衡保障終端接入安全，防范系統威脅，提高系統的靈活性和可用性。前置服務層通過應用緩存技術、任務調度技術、權限控制技術，以及主流的解壓、加密、內存數據庫技術，為前置應用服務和管理功能提供支撐。系統支撐層包含全電智能家居系統和智能用電系統，為前置服務層的終端集成系統和設備集成系統提供接口，用以實現功能交互。數據存儲層存儲業務數據資源和系統數據資源，提供系統的所有數據訪問對象。
3.2 智慧家庭互動設備
建設智慧家庭，實現居民與電網的互動，開展用電互動服務，需要智能用電終端設備的支持。這些終端設備包括家庭能源中心、智能插座、紅外遙控以及智能空調等，其中家庭能源中心是智慧家庭建設的核心，也是其他智能設備與用電互動服務平臺溝通的橋梁。在智能互動設備的支持下，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等特色用電互動服務。
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合的產品，包括帶漏電保護的總空氣開關、電源模塊、電壓電流互感器、綜合故障及用電監控模塊、前面板、自動開關、總控模塊。通過搭載RF433、WiFi等無線模塊，實現家庭用電量總計量、分路計量、遠程總控、遠程分路控制等智能功能，并將監測信息及時匯報給服務平臺，第一時間通知用戶，實現家庭配電箱與智慧家庭的有機結合。
3.2.2 智能插座
智能插座是在傳統插座的基礎上增加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備的電量數據到用電互動服務平臺，用戶使用手機客戶端可以查看各個插座上的電器當日用電量以及當前功率，并可查看歷史用電信息。
智能插座支持遠程控制、定時控制和場景控制。例如，出門忘記關閉飲水機的電源，可以使用手機遠程關閉；根據自己的作息習慣設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省電費開支。
3.2.3 紅外遙控
紅外遙控設備是連接用戶與傳統電視、空調等使用遙控器控制的電器的關鍵設備，可以代替市面上大多數遙控器，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據庫中的遙控器型號，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，用戶還可以使用自定義模式，自主學習遙控器按鍵。
3.2.4 智能空調
智能空調也被稱作物聯網空調，是利用互聯網技術實現了設備聯網、數據上傳和控制的新一代空調產品。用戶可以實時查看空調的溫度設定值、風速等參數，并使用手機遠程調節。同時，智能空調還為用戶提供了舒適睡眠曲線，使空調夜間的運行模式更加科學合理，為用戶帶來更舒適的家居環境溫度。
對于參與了電網公司需求響應政策的用戶，電網公司給予相應的補助，居民允許電網公司在電網高峰時段，在不影響居民正常使用的前提下，適當調節智能空調的參數，降低對電網的負荷壓力，實現居民與電網的良性互動。
3.3 用電互動手機客戶端
3.3.1 功能
建設基于IOS系統、Android系統、PC和微信等多種類型的全電智能家居服務客戶端應用，為用戶提供智能家居控制、家庭能效管理、需求響應調控、在線繳費購電等功能，建設用戶、用電設備與電網之間的新型互動模式。
3.3.2 技術架構
全電智能家居客戶端包括客戶端應用和服務端應用兩部分。客戶端應用的技術路線遵循Android和IOS手機客戶端技術規范性要求，采用MVC設計模式，實現展現層、業務層和模型層的有效分離。服務端應用的技術路線遵循Java EE技術體系，采用組件化、動態化的軟件技術，利用一致的可共享的數據模型，通過一體化企業級平臺的應用集成，實現手機服務端應用的各接口組件能夠在各層次之間集成，達到數據共享和重用的目的，以滿足運營的業務應用和管理功能的業務需求。
4 示范應用
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。本次智能電網創新工程的建設，將使智能電網的建設深度和內涵更進一步。作為創新工程的重要子項——智慧家庭建設，是未來家庭發展趨勢，結合共青城，將更好地展現智慧家庭建設的亮點和示范作用。
智慧家庭服務平臺部署在江西九江共青城智能電網可視化展廳，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、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。項目建成后將實現覆蓋江西省的智慧家庭服務平臺，示范區居民用戶與電網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程控制，促進移峰填谷與節能減排，形成智慧家庭綜合示范區。
5 結束語
智慧家庭建設將為智能小區提供多項智能化服務，不僅讓用戶參與到能效管理環節，得到更優質、安全、可靠的用能服務，同時，為用戶提供了許多增值服務，通過智慧家庭的建設、應用推廣，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的發展，更切合了智慧城市發展戰略。電網與用戶間雙向信息交互以及智能家電的應用，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，有利于提高終端設備的能源利用效率，降低全社會用能，具有良好的創新示范意義。