作为智能电网的主要特点和建设目标，“智能互动”指信息和电能的双向互动，信息互动包括鼓励用户改变传统的用电方式，积极参与电网运行，并根据实时电价调整用电模式;电能互动包括分布式电源“即插即用”的并网运行方式。针对居民用户电器设备实施用电信息采集和智能交互控制，是一项重要的需求侧管理技术，更是实现“智能互动”的重要途径。当前，智能仪表技术、通信信息技术以及负荷控制技术发展迅速，现有智能插座虽然可以针对电器设备实现简单的电能计量和通断控制，但其无法与电器设备交互信息，难以根据电网企业电网运行控制需求，调整电器设备运行状态。
新一轮电力体制改革和电力需求侧管理城市综合试点对实施需求响应提出了迫切要求，针对工商业和居民用户实施需求响应，能够利用市场化手段促进电力资源优化配置，促进电力系统供应侧和需求侧的实时平衡，具有广阔的市场空间和发展前景。居民用户家电设备，尤其是空调、热水器等，具有较大的需求响应潜力，能够作为一项重要的需求侧容量资源，参与需求响应。
尽管家电厂商在完善家电设备的联网通信性能、提高家电智能化水平方面取得了突出成绩，但大多数家电设备尚未具备电量数据、运行状态参数和所处环境参数自动采集功能以及接受远程控制功能，无法支撑需求响应业务对用户侧家电设备提出的信息感知、自动控制等需求。为了解决上述问题，本文提出了居民负荷交互控制装置设计方案及应用方法，居民负荷交互控制装置作为用户侧居民用户电器设备与电网企业的交互终端，与电器设备提供的扩展接口相连，能够接收电网公司业务应用系统或第三方服务商(如自动需求响应系统、能源管理系统等)发来的信息，并采集电器设备的用电数据、控制电器设备的运行状态。
1 硬件设计
硬件结构及功能设计
居民负荷交互控制装置的硬件构成主要包括微处理器模块(CPU)、通信模块、安全模块、A/D转换模块、计量模块、电压互感器、交互接口等，硬件结构见图1。各模块功能如下：
1)微处理器模块为居民负荷交互控制装置运行控制模块。
2)通信模块用于支撑居民负荷交互控制装置与居民用户内部通信网关之间的无线通信。
3)安全模块具有安全认证和通信加密两方面功能，其中：安全认证用于对居民用户电器设备的合法性进行验证;通信加密用于对居民用户电器设备与电网业务系统之间交互的关键数据进行加密。
4)A/D转换模块将电压互感器输出的二次电压信号和通过交互接口电流端子输入的模拟量形式的电流信号进行A/D转换，转换成数字量。
5)计量模块通过A/D转换模块输出的数字量信号计算家用电器的实际用电数据。
6)电压互感器将220V或380V高压信号变换为A/D转换模块可以接收的弱电压信号，满足居民负荷交互控制装置的电压、电能量测需求。
7)交互接口为可插拔式接头，与居民用户电器设备提供的扩展接口形成一对公母接口。
交互接口包含电源端子、电压端子、电流端子、通信端子，其中：电源端子为居民负荷交互控制装置供电;电压端子直接将居民用户电器设备的电源线引入电压互感器;电流端子用于连接居民用户电器设备内部电流互感器的输出端;通信端子将居民负荷交互控制装置微处理器模块与居民用户电器设备内部控制器连接，以实现居民负荷交互控制装置与电器设备间信息交互。
交互接口的结构设计
交互接口为可插拔式接口，与居民用户电器设备提供的扩展接口构成一对公母接口。交互接口包含电源端子、电压端子、电流端子和通信端子4个部分。各部分的功能如下：1)电源端子为+5V、GND 2个端子，能够通过电器设备上扩展接口内相应端子从电器设备内部直接取电，为居民负荷交互控制装置供电。2)电压端子为V+、V- 2个端子，能够通过电器设备上扩展接口内相应端子从电器设备电源线上引入220V或380V电压信号。3)电流端子为I+、I- 2个端子，能够通过电器设备上扩展接口内相应端子从电器设备内引入经电流互感器转换输出的电流信号。4)通信端子为Rx、Tx 2个端子，能够通过电器设备上扩展接口内相应端子与电器设备的控制器连接，支持居民负荷交互控制装置与电器设备间信息交互。
2 软件设计
软件架构设计
居民负荷交互控制装置软件系统采用模块化结构设计，包括主控程序模块、电能计量模块、无线驱动模块、安全加密模块、电器设备控制模块、交互接口模块和数据存储模块等。
各软件模块的功能如下：
1)主控程序模块是软件系统的核心模块，协调其他软件功能模块的工作，通过判断系统标识和各模块程序的运行状态，控制各模块的运行顺序。
2)电能计量模块用于测量家用电器的电能量数据，包括电压、电流、电量、有功功率、无功功率和功率因数等。
3)无线驱动模块用于完成通信模块的初始化，通信总线读写，寄存器读写，设置数据包的发送、接收模式等功能。
4)安全加密模块用于接受主控程序模块的请求，执行安全认证和数据加密、解密功能。
5)电器设备控制模块用于将本地业务系统和远程业务系统的控制命令转换为适合电器设备识别的控制信号。
6)交互接口模块用于管理控制交互接口的运行。
7)数据存储模块可根据主控程序模块要求存储相关数据。上述软件模块在实现居民负荷交互控制装置的相关功能时，互相作用，形成一个有机的整体。
软件运行流程
居民负荷交互控制装置上电后，由主控程序模块进行系统初始化，包括对硬件接口、系统寄存器、定时器、系统标识参数等的初始化，系统初始化后进入主循环。居民负荷交互控制装置根据接收的来自本地或远程业务系统通信报文执行相关操作，同时根据自身产生的相关中断标志，如过载标志、事件标志、定时标志执行中断操作。
装置上电后，首先检测自身状态，并通过相应的信号指示灯显示装置运行状态;然后通过通信模块监测相应的数据传输报文，如果接收到相应报文，便对报文进行分析处理;在此同时，装置按照预设的自我控制策略，判断与其连接的家电运行功率是否超限，如果超限，产生过载中断，由装置切断家电的电源或主动调整设备运行状态;另外，装置还判断是否接收到来自需求响应服务商的需求响应事件信号，如果收到相应事件信号，则结合装置内置的策略模型，处理该事件;另外，装置还能根据用户预设的相应管理策略，定时产生相应中断信号，控制装置完成相应动作。
3 应用与效益
应用方式与应用场景
居民负荷交互控制装置通过交互接口插入家用电器提供的扩展接口进行工作，支持热插拔工作方式，当居民用户不想参与电网互动时，可将居民负荷交互控制装置直接拔下。居民负荷交互控制装置通过无线方式与家庭网关连接，支持无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)和Wi-Fi等通信方式。
居民负荷交互控制装置支持2种业务类型：本地业务和远程业务。本地业务指居民负荷交互控制装置通过通信模块连接居民用户通信网关，加入居民用户本地通信网络;居民用户通过手机、笔记本电脑等终端设备上的客户端软件查看相应电器设备的耗能状况，获取电器设备的能效数据，并对电器设备的运行状态进行管理控制等。远程业务指居民负荷交互控制装置通过通信模块连接居民用户通信网关，加入公共互联网等远程通信网络;由电网企业、第三方节能服务机构等业务运行部门利用自身建立的业务运行系统与居民负荷交互控制装置实现信息交互，运行自动需求响应、能效管理等业务。居民负荷交互控制装置应用方法见图1。
图1 居民负荷交互控制装置应用方法示意图
居民负荷交互控制装置应用方法，具体分为以下步骤：1)居民负荷交互控制装置通过可插拔式接头，插入电器设备提供的扩展接口进行工作，支持热插拔工作方式。2)居民负荷交互控制装置利用电器设备内置的5V直流电源为自身供电，并通过通信端子与电器设备进行通信。3)居民负荷交互控制装置利用通信模块实现与本地网络系统、远程网络系统信息交互。4)居民用户能够通过手机、笔记本电脑、掌上电脑等终端设备安装的客户端软件，利用本地网络对电器设备进行控制操作等。5)需求响应业务运行部门等可以通过远程网络对居民用户电器设备进行控制，实现了居民用户电器设备的自动需求响应功能。居民负荷交互控制装置可用于支撑智能小区系统、智能家居系统、自动需求响应系统等对电器设备的管理和控制，应用场景见图2。
图2 居民负荷交互控制装置应用场景示意图应用的效益
作为需求响应的用户侧终端设备，居民负荷交互控制装置的应用效益主要体现在需求响应业务和能效管理两方面。通过采集能效数据和对电器进行控制实现自动需求响应的业务应用和第三方节能服务机构的能效管理。1)在参与自动需求响应业务方面，居民负荷交互控制装置可作为居民用户电器设备的需求响应终端控制器，控制电器设备根据相应的需求响应指令进行运作。2)在能效管理方面，居民负荷交互控制装置通过采集电器设备的用电数据，分析电器设备能耗状况，粗略计算电器设备能效，并在同类型电器设备中对比分析能耗、能效数据，从而利用上述数据及分析结果为居民用户提供节能建议、制定节能管理措施等，并为第三方节能服务机构推广节能服务业务、制定节能电器设备营销策略等提供可靠数据依据。
4 结语
本文从硬件设计、软件设计、应用场景等方面出发设计了支持居民家用电器实现电力需求响应的接口控制装置。居民负荷交互控制装置可完成家用电器和电网企业之间的信息交互，为需求响应的实施奠定了技术基础。为了更好地满足今后自动需求响应业务实施和发展需要，还需进一步开展居民用户负荷接口控制装置的可扩展性、安全性、互操作性和兼容性等方面的研究，并针对不同国家和地区的智能电网建设情况进一步优化，从而促进自动需求响应业务在居民用户中的推广应用。
原标题：【特别策划】居民负荷交互控制装置研究与设计
