李秉义，张 兴，詹然智，马 睿
（国网重庆市电力公司，重庆400000）
摘 要：智慧家庭是智能电网建设中在用电环节的重点实施内容，实现居民与电网的互动，提供人性化、个性化、多样化的用电互动服务是智慧家庭建设的关键目标之一。本文通过研究智慧家庭的基本概念和建设内容，梳理国内外智能用电领域的研究情况，总结智慧家庭的建设需求，提出了一种智慧家庭用电互动服务系统的典型架构和功能，围绕平台、设备、客户端三个环节详细阐述系统的具体建设方案，涉及的关键技术以及提供的特色互动服务。以江西九江共青城智能电网创新示范区为应用环境，开展智慧家庭建设和运营，充分体现其示范应用价值。
关键词： 智慧家庭；智能用电；互动；全电智能家居系统
0 引言
智能电网已经成为近年来国内外关于未来电网发展趋势的热门话题，被认为是当今世界电力系统发展变革的制高点，也是未来电网发展的大趋势。随着信息通信技术的不断发展，智能电网条件下能源与信息的逐步融合将会改变原有的用电服务模式。
对智能电网的研究最早起源于美国，随后得到了其他国家的认可，纷纷加入到智能电网的研究行列。在我国，国家电网公司也于2009年提出了建设坚强智能电网的战略规划。开展用电互动服务研究，提升服务水平，增强用户在电网中的参与度已经成为智能电网领域智能用电环节的研究热点。我国从2010年开始，在华北、北京、重庆开展了基于智能电网新技术的智能小区试点建设，加强在用电侧和用户的互动。智能小区的建设为用户搭建了智能用电互动平台，引入了全新的家庭用能模式。
智慧家庭利用物联网、云计算、移动互联网和大数据技术，将智能化家庭设备与家居生活有效地结合起来，提供特色互动服务，创造健康、安全、舒适、低碳、便捷的家居生活。
1 智慧家庭建设需求
智慧家庭建设是未来家庭发展趋势。随着Internet网络在家庭的普及，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。安全、方便、高效、快捷、智能化等特点将成为现代社会和家庭的新时尚。智能化设备、信息化家电通过智能化控制总线技术连接在一起，构成了功能强大、高度智能化的家居系统，为家庭的智慧化提供技术支持。
智慧家庭建设是实现居民用电需求响应的技术保障。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。鉴于空调等客户用电负荷增长很快，对电网运行产生很大影响，现有技术手段难以实施需求侧管理。智慧家庭建设一方面可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了解电网运行状态，获取电网用电通知、电价政策等，根据用电通知设定、调整用电行为，实现居民用电需求响应。
智慧家庭建设是实现国家节能减排的需求。在全球气候变暖、雾霾天气愈加严重的大背景下，节能减排已经成为各国政府的重要工作之一。通过智慧家庭服务平台，支持用户通过手机、Pad、PC等客户端软件实时查看家庭能效情况，了解家庭用电组成、主要耗电设备，并进行科学的优化，应用随身携带的手机，关闭忘记关掉的电灯、空调、热水器等，全面提升家庭能效管理水平，避免不必要的浪费，降低家庭用能，实现家庭节能减排。
智慧家庭建设是实现区域能源供需平衡的需求。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，为电力供应提出更高的要求和挑战，智慧家庭将引入光伏发电等清洁能源建设，新能源的接入给家庭用电提供了更多的选择，随着规模的扩大，将提高区域分布式能源占比，平衡能源供需关系。
2 系统架构和功能设计
2.1 系统架构
智能家居用电互动服务系统由3部分组成，分别是用电互动服务平台、智慧家庭互动设备和用电互动手机客户端，系统架构如图1所示。
全电智能家居服务平台接受自动需求响应系统的负荷优化调控指令，并反向上报负荷调控能力，与智慧城市综合能源数据服务平台进行数据对接，上报居民侧家庭各用电设备用电数据、用电行为，将居民侧能效管理、智能家居的效果在智慧城市综合能源数据平台进行统一展示。智慧家庭服务平台通过与家庭能源中心、客户端建立连接通道，用户可通过互联网使用智能家居、家庭能效管理、需求响应等用电互动服务。
2.2 系统功能
全电智能家居系统为用户提供的用电互动服务内容主要包括智能家居控制、家庭能效管理、用电信息服务以及智能缴费等。
（1）智能家居控制
通过在用户家庭中安装智能用电产品，如家庭能源中心、智能插座、红外遥控、智能空调等，用户可以使用手机直接控制用电设备，实现远程控制、定时控制、场景控制，查看设备的实时运行状态。
（2）家庭能效管理
利用智能插座的电量采集功能，获取用电设备的详细用电数据，用户可以查询各个设备的历史用电信息，并通过图表形式直观形象地展示用电分析结果，输出用电账单，帮助用户科学合理地调整家庭用能。
（3）用电信息服务
通过手机客户端用户可以及时查询小区所在区域的停电信息、最新的电价政策等用电服务信息，还可以设置手机消息推送，防止遗漏重要信息，合理安排家庭用电。
（4）智能缴费
当居民用户电费余额不足时，及时推送消息通知，用户可以直接使用手机客户端在线缴纳电费，保证家庭永不停电。
3 系统建设方案
3.1 用电互动服务平台
3.1.1 建设目标
依托移动互联网和物联网技术，建设用电互动服务平台，提供智能用电、智能家居、用户管理、终端管理和设备管理等系统服务，让普通家庭能够通过平台实现家庭能效管理、移动终端购电、综合信息服务、智能家居控制等功能，全面提高百姓生活智能化水平。实现示范区居民用户与电网之间能源和信息的双向交互，通过家庭能源中心实现对家用电器用电信息的采集和远程控制。
3.1.2 平台架构
家庭互动服务平台建设遵循J2EE技术规范，采用组件化、动态化的软件技术，利用一致的可共享的数据模型，以提高系统的灵活性、可扩展性、安全性以及并发处理能力。系统按照多层架构体系，将界面控制、业务逻辑和数据映射分离，实现系统内部的松耦合，以灵活、快速地响应业务变化对系统的需求。系统层次结构总体上划分为终端层、接入层、前置服务层、系统支撑层、数据存储层，如图2所示，通过各层次系统组件间服务的承载关系，实现系统功能。
终端层采用B/S架构，支持移动终端。接入层通过防火墙和负载均衡保障终端接入安全，防范系统威胁，提高系统的灵活性和可用性。前置服务层通过应用缓存技术、任务调度技术、权限控制技术，以及主流的解压、加密、内存数据库技术，为前置应用服务和管理功能提供支撑。系统支撑层包含全电智能家居系统和智能用电系统，为前置服务层的终端集成系统和设备集成系统提供接口，用以实现功能交互。数据存储层存储业务数据资源和系统数据资源，提供系统的所有数据访问对象。
3.2 智慧家庭互动设备
建设智慧家庭，实现居民与电网的互动，开展用电互动服务，需要智能用电终端设备的支持。这些终端设备包括家庭能源中心、智能插座、红外遥控以及智能空调等，其中家庭能源中心是智慧家庭建设的核心，也是其他智能设备与用电互动服务平台沟通的桥梁。在智能互动设备的支持下，智慧家庭将为用户提供智能家居控制、家庭能效管理以及需求响应等特色用电互动服务。
3.2.1 家庭能源中心
家庭能源中心是一种配电箱与智慧家庭终端相结合的产品，包括带漏电保护的总空气开关、电源模块、电压电流互感器、综合故障及用电监控模块、前面板、自动开关、总控模块。通过搭载RF433、WiFi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，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。
3.2.2 智能插座
智能插座是在传统插座的基础上增加WiFi通信模块、电能计量模块的移动型插座，可以直接连接在墙壁插座或插排上使用。用户将普通家用电器连接在智能插座上，其中的电能计量模块会自动上传电器设备的电量数据到用电互动服务平台，用户使用手机客户端可以查看各个插座上的电器当日用电量以及当前功率，并可查看历史用电信息。
智能插座支持远程控制、定时控制和场景控制。例如，出门忘记关闭饮水机的电源，可以使用手机远程关闭；根据自己的作息习惯设定好热水器在早间和晚间的固定烧水时间，既满足日常使用又可以节省电费开支。
3.2.3 红外遥控
红外遥控设备是连接用户与传统电视、空调等使用遥控器控制的电器的关键设备，可以代替市面上大多数遥控器，使用户通过一部手机就可以控制家中不同的家用电器，无需为家中种类繁多的遥控器感到烦恼了。红外遥控支持云码库和自定义两种遥控器添加模式，在云码库模式下，用户只需要点击遥控器上的任意一个按键，红外遥控自动匹配云端数据库中的遥控器型号，并下载遥控面板，极大地简化了遥控器添加流程。如果用户需要添加的遥控器型号不在云码库支持的范围内，用户还可以使用自定义模式，自主学习遥控器按键。
3.2.4 智能空调
智能空调也被称作物联网空调，是利用互联网技术实现了设备联网、数据上传和控制的新一代空调产品。用户可以实时查看空调的温度设定值、风速等参数，并使用手机远程调节。同时，智能空调还为用户提供了舒适睡眠曲线，使空调夜间的运行模式更加科学合理，为用户带来更舒适的家居环境温度。
对于参与了电网公司需求响应政策的用户，电网公司给予相应的补助，居民允许电网公司在电网高峰时段，在不影响居民正常使用的前提下，适当调节智能空调的参数，降低对电网的负荷压力，实现居民与电网的良性互动。
3.3 用电互动手机客户端
3.3.1 功能
建设基于IOS系统、Android系统、PC和微信等多种类型的全电智能家居服务客户端应用，为用户提供智能家居控制、家庭能效管理、需求响应调控、在线缴费购电等功能，建设用户、用电设备与电网之间的新型互动模式。
3.3.2 技术架构
全电智能家居客户端包括客户端应用和服务端应用两部分。客户端应用的技术路线遵循Android和IOS手机客户端技术规范性要求，采用MVC设计模式，实现展现层、业务层和模型层的有效分离。服务端应用的技术路线遵循Java EE技术体系，采用组件化、动态化的软件技术，利用一致的可共享的数据模型，通过一体化企业级平台的应用集成，实现手机服务端应用的各接口组件能够在各层次之间集成，达到数据共享和重用的目的，以满足运营的业务应用和管理功能的业务需求。
4 示范应用
江西九江共青城位于江西北部、鄱阳湖之滨，南接南昌，北依九江，是昌九一体化重要支点城市。本次智能电网创新工程的建设，将使智能电网的建设深度和内涵更进一步。作为创新工程的重要子项——智慧家庭建设，是未来家庭发展趋势，结合共青城，将更好地展现智慧家庭建设的亮点和示范作用。
智慧家庭服务平台部署在江西九江共青城智能电网可视化展厅，与家庭能源中心、客户端建立连接通道。项目建立全电智能家居可视化体验展示厅（面积100 m2、光伏容量5 kW、集中展示智能家居中的电炊具、洗衣机、热水器、空调、冰箱等智能家用电器），集中展示智能家居、家庭能效、光伏及电动汽车接入等智能用电服务。项目建成后将实现覆盖江西省的智慧家庭服务平台，示范区居民用户与电网之间能源和信息的双向交互，通过家庭能源中心完成对家用电器用电信息的采集和远程控制，促进移峰填谷与节能减排，形成智慧家庭综合示范区。
5 结束语
智慧家庭建设将为智能小区提供多项智能化服务，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，通过智慧家庭的建设、应用推广，大大提升居民的信息化水平，改变居民的用能方式，增加居民生活的便利度，不仅推动了坚强智能电网的发展，更切合了智慧城市发展战略。电网与用户间双向信息交互以及智能家电的应用，可以让用户全方面了解家庭总能耗，鼓励用户合理用能、绿色用能，有利于提高终端设备的能源利用效率，降低全社会用能，具有良好的创新示范意义。