基于电价峰谷差的智能家居微网系统的制作方法
基于电价峰谷差的智能家居微网系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及储能技术、智能家居技术，是一种基于电价峰谷差的智能家居微网系 统。
【背景技术】
[0002] 中华人民共和国发展和改革委员会于2013年发布文件，加强用电需求侧管理，鼓 励居民用户参与电力移峰填谷，要求各地在2015年底前完善居民阶梯电价制度，实行分时 段电价政策。虽然分时段的电价政策使得深夜至凌晨用电最便宜，但对于居民来说，洗衣、 做饭等生活用电也不可能直接转移到该个时间段，该可能导致经济调控政策对居民用户来 说效果并不理想。迄今尚未见有关将储能、逆变、智能家居微网系统集为一体，解决非工业 电力用户参与移峰填谷的文献报道和实际应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是，为解决特定技术问题，对现有的单元电路及电器元件进行有机 的组合和创新，使组合要素具有创造性的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，它能够参 与电网的移峰填谷，实现电能自储自用，做到合理用电，降低电费支出，其结构合理，控制方 便，自动化程度高，使用效果佳。
[0004]实现本发明目的采用的技术方案是，一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统， 其特征是，能够在每天电价最低的时段储存电能，在电价最高时段释放电能自用，它包括 箱体和智能终端两部分，在箱体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、 JC2、JC3,市电顺序与交流接触器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电 器的输入端电连接，充电器的输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制 信号输入端与控制器电连接，逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市 电为电源，经交流接触器JC2给用户电器供电，同时，市电经交流接触器JC1到充电器给蓄 电器充电；断开交流接触器JCUJC2后，蓄电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经 交流接触器JC3给用户电器供电；蓄电器给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工 作状态；交流接触器JC1、JC2线圈工作电源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆 变器提供，智能终端为智能手机、平板电脑、智能电视，通过WIFI连接箱体内的控制器给控 制器设置运行参数。
[0005] 在所述的市电与交流接触器JC2之间设有霍尔电流传感器il。
[0006] 在所述的逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器i2。
[0007] 所述的控制器包括；核屯、部分的AVR单片机ATmegaie、WIFI模块ESP8266、低功 耗时钟日历巧片PCF8563、霍尔电流传感器皿C-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键 Keyl和恢复网络默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制 充电器进行储能；在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复 位按键Keyl、恢复网络默认参数按键Key2可W保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信 号，w使智能终端的接入，配置运行参数。
[0008] 蓄电器可采用免维护铅酸蓄电池、磯酸铁裡电池、超级电容等储能元件，其容量需 要根据用户的实际情况计算确定。蓄电器的容量、寿命是制约本发明推广应用的关键因素。 随着储能技术的飞速进步，该个瓶颈将不再是问题。
[0009] 充电器负责将220V工频交流电转换为12V直流电，给蓄电器充电。充电器采用市 售成熟的产品，应该具有=段式智能化充电、短路输出保护、充电电池逆接保护、过温保护 W及充电状态反馈等功能。
[0010] 逆变器负责将蓄电器的12V直流电转换为标准的220V工频交流电，给用户电器供 电。逆变器要根据用户选择的容量确定，采用市售成熟产品。逆变器应该具有低压保护、高 压保护、过载保护、短路保护、高温保护、电池保护、浪涌保护等功能，要能够自动判断蓄电 器电压是否支持逆变，可W实现逆变的自动停止，保护蓄电器。
[0011] 霍尔电流传感器il、i2用于测量回路电流，W便实现过流保护功能。
[0012] 智能终端软件是一套运行在智能手机、智能电视、平板电脑等智能终端设备上的 控制软件，命名为；掌上能源管家，其部分界面见图3、图4。在手机上下载安装该软件后， 打开手机的WIFI功能，在可用连接中能够找到控制器建立的WIFI接入点ToSav冲ower，点 击该连接，输入默认密码9~0十个数字，连接成功后表明智能终端和控制器建立了基本通 信。
[0013] 运行掌上能源管家，在界面中点击【连接】按钮，可W测试控制器的通信端口是否 正常。如果正常通信，则主界面中显示"连接成功"。
[0014] 成功连接系统后，可W通过软件界面设置系统的充电时间段(根据公布的电价低 谷时段）；设置系统是否在市电停电时立即逆变供电，还是等待手机的指令；设置系统的逆 变供电起始时间，输出电流大于阔值时是否切换为市电供电；重新设置连接密码；设置是 否自动连接家庭路由器，路由器的SSID、IP及密码等；设置通信监听TCP端口号等高级功 能。
[0015] 成功连接系统后，可W通过软件界面直接控制=个交流接触器的通断，方便手动 控制系统选择处于市电供电状态、市电充电状态、逆变供电状态的哪一个。该个功能也方便 了调试系统。软件还可W读取系统反馈的信号：市电电流、逆变电流、市电是否有电。
[0016] 如果忘记网络连接密码，可W按控制器的Key2按键，恢复到系统默认网络参数。 如果长时间无法连接控制器，可W按控制器的Keyl按键，复位系统。
[0017] 本发明基于电价峰谷差的智能家居微网系统，是一种集储能技术、智能家居技术 相结合而构成的一套单户智能微网系统，能够在移动终端上实现对系统的控制，与智能家 居系统融合后将具备远程设备查看、远程家电控制、远程家庭安全保护等功能，将电能自储 自用，能够实现参与电网的移峰填谷，却不向电网回馈电能，不干扰电网，在不改变用户用 电习惯的基础上让用户迅速的适应接受新的电价政策，帮助用户享受电价优惠，促进时分 峰谷电价政策的推广，抑制高峰时期用电量的快速增长，提高低谷时候的用电量，可W确保 智能家居的24小时不间断电源供给；从长期社会效益来看，本发明的应用和实施有利于优 化能源利用效率，降低环境污染；有利于提高电网和整个社会的经济效益；有利于能源节 约和有序用电形态的构建。在国家大力推行阶梯电价的背景下，本发明充分发挥电价的杠 杆作用，平衡电力公司与电力用户之间的利益，提高电力系统在电力需求侧管理上的参与 程度，具有广阔的市场前景和良好的预期经济效益。具有结构合理，控制方便，自动化程度 高，使用效果佳等优点。
【附图说明】
[0018] 图1是基于电价峰谷差的智能家居微网系统结构示意图； 图2是图1中控制器结构示意图； 图3是智能终端软件主界面示意图； 图4是智能终端软件设置时间界面示意图； 图5是控制器的单片机电路示意图； 图6是控制器的电源电路示意图； 图7是控制器的时钟日历巧片电路示意图； 图8是控制器的WIFI模块电路示意图； 图9是交流接触器控制电路示意图； 图10是掉电检测电路示意图； 图11是恢复默认值按键电路示意图； 图12是电流传感器电路示意图； 图13是控制器单片机程序流程示意图； 图14是智能终端软件主程序示意图； 图15智能终端软件与控制器建立TCP连接程序示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020] 参照图1-图15,本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，包括箱体，在箱 体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、JC2、JC3,市电顺序与交流接触 器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的 输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制信号输入端与控制器电连接， 逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市电为电源，经交流接触器JC2给 用户电器供电，同时，市电经交流接触器JC1到充电器给蓄电器充电；断开交流接触器JC1、 JC2后，蓄电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经交流接触器JC3给用户电器供 电；蓄电器给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工作状态；交流接触器JCUJC2线 圈工作电源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆变器提供。在市电与交流接触 器JC2之间设有霍尔电流传感器i1。在逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器 12。
[0021] 控制器包括；核屯、部分的AVR单片机ATmegaie、WIFI模块ESP8266、低功耗时钟 日历巧片PCF8563、霍尔电流传感器皿C-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键Keyl和 恢复网络默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制充电器 进行储能；在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复位按键 Keyl、恢复网络默认参数按键Key2可W保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信号，W使 智能终端的接入，配置运行参数。
[0022] 蓄电器可采用免维护铅酸蓄电池、磯酸铁裡电池、超级电容等储能元件，其容量需 要根据用户的实际情况计算确定。蓄电器的容量、寿命是制约本发明推广应用的关键因素。 随着储能技术的飞速进步，该个瓶颈将不再是问题。
[0023] 充电器负责将220V工频交流电转换为12V直流电，给蓄电器充电。充电器采用市 售成熟的产品，应该具有=段式智能化充电、短路输出保护、充电电池逆接保护、过温保护 W及充电状态反馈等功能。
[0024] 逆变器负责将蓄电器的12V直流电转换为标准的220V工频交流电，给用户电器供 电。逆变器要根据用户选择的容量确定，采用市售成熟产品。逆变器应该具有低压保护、高 压保护、过载保护、短路保护、高温保护、电池保护、浪涌保护等功能，要能够自动判断蓄电 器电压是否支持逆变，可W实现逆变的自动停止，保护蓄电器。
[00巧]霍尔电流传感器il、i2用于测量回路电流，W便实现过流保护功能。
[0026] 智能终端软件是一套运行在智能手机、智能电视、平板电脑等智能终端设备上的 控制软件，命名为；掌上能源管家，为应用已有技术编制的软件。其部分界面见图3、图4。 在手机上下载安装该软件后，打开手机的WIFI功能，在可用连接中能够找到控制器建立的 WIFI接入点ToSav冲ower，点击该连接，输入默认密码9~0十个数字，连接成功后表明智 能终端和控制器建立了基本通信。运行掌上能源管家，在界面中点击【连接】按钮，可W测试 控制器的通信端口是否正常。如果正常通信，则主界面中显示"连接成功"。成功连接系统 后，可W通过软件界面设置系统的充电时间段(根据公布的电价低谷时段）；设置系统是否 在市电停电时立即逆变供电，还是等待手机的指令；设置系统的逆变供电起始时间，输出电 流大于阔值时是否切换为市电供电；重新设置连接密码；设置是否自动连接家庭路由器， 路由器的SSID、IP及密码等；设置通信监听TCP端口号等高级功能。成功连接系统后，可 W通过软件界面直接控制=个交流接触器的通断，方便手动控制系统选择处于市电供电状 态、市电充电状态、逆变供电状态的哪一个。该个功能也方便了调试系统。软件还可W读取 系统反馈的信号：市电电流、逆变电流、市电是否有电。如果忘记网络连接密码，可W按控制 器的Key2按键，恢复到系统默认网络参数。如果长时间无法连接控制器，可W按控制器的 Key1按键，复位系统。
[0027] 本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统的各电子部件的选择： ① 蓄电器；根据用户的实际用电量大小和投资额选择蓄电器容量，本发明W蓄电器容 量120Ah为例，说明整个系统的具体设计。
[002引按逆变器效率0.9,电池放电系数0.8,系统可为用户提供电能为： W= 12VX120X0. 8X0. 9 = 1. 0368kWh ② 逆变器：根据用户的实际用电功率大小和投资额选择逆变器功率。
[0029] 本例中为保证表1中常用家用电器在一段时间内可持续工作，选择逆变器参数为 感性负载启动功率2kW，持续功率IkW的型号TJ-2000F。
[0030]见表1
⑨充电器：按照蓄电器容量的十分之一选择充电器的快充电流。本例中快充电流为 12A，可选择纽福克斯的NFA6814N充电器。该充电器具有12A、8A、2AS段充电电流，完全符 合系统需要。
[0031] ④霍尔电流传感器；按照所测量线路最大估算电流值乘W 1. 2的可靠系数确定。 本例中选择厚施的皿C-LSP3. 3-25,它的最大测量电流为25A，工作电压为3. 3V直流。
[0032] ⑥交流接触器：按照开断电路的最大估算电流乘W1. 5的可靠系数确定，线圈电 压为220V交流。本例中选择德力西的CJX2-3201，开断电流为32A。如果需要静音操作，可 W选择单相固态继电器代替交流接触器。
[0033] ⑧控制器；控制器原理框图如图2所示，下面详述每部分电路的工作原理，电路之 间用网络标号表示电气上的连接。
[0034] 控制器的核屯、部分为AVR单片机ATmegaie，使用外部8MHz晶振，3. 3V工作电压， 配有复位按键Keyl的上电复位电路和仿真调试JTAG接口，如图5所示。
[00巧]控制器的电源部分由蓄电器引入12V直流电源到插座，经由开关送入LM2596降压 调整巧片，调节电位器R4,使巧片输出电压为5V，供给控制器的一部分电路。再将此5V电 压经CYT8117-3. 3巧片调整为3. 3V直流电压，供单片机、WIFI模块等大部分电路。电源部 分如图6所示。
[0036] 时钟日历巧片采用恩智浦的PCF8563。该巧片具有闹钟中断输出功能，可W方便单 片机编程，其电路图如图7所示。
[0037]WIFI模块采用Espressif的ESP8266,该模块功能强大，具有Station、AP、 AP+Station的S种工作状态，可W通过AT指令直接设置，方便驱动。电路如图8所示。
[0038] 交流接触器控制电路如图9所示，每个接触器都由两个同端口的单片机引脚控 审IJ。WJC1为例，若要输出低电平驱动DC5V继电器J1，从而带动220VJC1合闽，必须PB6 输出低电平，PB5输出高电平。该样可W保证J1在上电复位或者程序跑飞时不至于误动作。 因为JC1和JC3不能同时合闽，该里在输出回路上添加了逻辑互锁，将J3输出作为J1输出 的一个条件。
[0039] 市电掉电检测电路如图10所示，由JC2的常开辅助触点将低电平引入INTO,如果 用户电器由市电供电，则JC2应该是闭合的，常开触点导通使INTO为低电平，当市电意外停 电时，JC2断开，从而常开辅助触点也断开，导致INTO为高电平，单片机设置INTO为上升沿 引发中断。
[0040] 恢复默认值按键Key2电路如图11所示 ，按键输入时会使INT2引脚产生下降沿， 单片机设置INT2为下降沿引发中断。
[0041] 霍尔电流传感器电路如图12所示。该传感器由3. 3V直流供电，输出电压随所测 量电流大小而变化，范围1. 65 +1. 25V，可直接连接AVR单片机的ADC口，也可W连接一个电 压跟随器电路W提供更好的精度。
[0042] 控制器单片机程序流程图如图13所示，控制器根据智能终端上位机设置的参数 控制系统定时工作于市电供电（S1)、市电充电（S2)、逆变供电（S3)S个状态下。
[004引S1;合闽JC2,分闽JC1、JC3,不充电、不逆变，由市电直供用电器； 52 ;合闽JC1、JC2,分闽JC3,充电、不逆变，由市电直供用电器； 53 ;合闽JC3,分闽JC1、JC2,不充电、逆变，由逆变器输出供用电器。
[0044] 控制器上电复位后，初始化各外设单元模块，并开始自检。如果自检没有发现问 题，则进入状态S1，即市电供电状态。然后，单片机读取E中ROM存储的配置信息。如果是首 次运行，则单片机通过串口设置通信单元WIFI模块，将模块配置为一个Access化int，服 务器名字为ToSav冲ower，密码9~0十个数字。否则，单片机控制WIFI模块按指定SSID 尝试连接家庭无线路由器，如果不能连接指定的SSID，则按照首次运行处理。
[0045] 无线网络设置成功后，单片机读取E2PR0M存储的配置信息，查看充电的启动时间 T1、停止时间T2,逆变的启动时间T3、停止时间T4是否存在。如果该些时间信息都没有，贝U 在此循环等待智能终端上位机的配置。反之，立即从PCF8563中读取当前时刻，计算未来时 间T1~T4哪一个离得最近，把它的值设置到PCF8563的闹钟寄存器中，启动闹钟中断。根 据刚刚的计算，可W推断出系统应该处于S1~S3的哪个状态，立即切换过去。在等待闹钟 的时候，可W开启il、i2的采样测量，实现过流保护功能。
[0046] 当PCF8563的闹钟中断到达后，将新的最近T值送入闹钟，然后切换系统状态。当 通信中断到达时，接受并设置最新的T1~T4的值，调整PCF8563时钟。当按键Key2中断 到达时，复位通信模块，并将其配置为首次运行的默认参数。
[0047] ⑦智能终端软件；软件界面如图3、图4所示，W安卓操作系统下运行的软件为例， 其流程图如图14所示。
[0048] 软件主线程首先在MainActivity中按ID获得需要编程的各个对象，然后监听每 个按钮的Click事件（需要重写按钮对象的onClick方法)，该里把显示时间的TextView 对象也设置了onClick方法，当做按钮处理，方便用户修改时间。在主线程中添加一个 Handler,处理子线程发送过来的消息，及时通过UI反馈给用户。再W点击【连接】按钮为 例，详述智能终端软件与控制器建立TCP连接的过程，流程图见图15。进入onClick方法 后，首先实例化一个新的线程，指定其Runn油le为runConnect。重写runConnect对象的 run方法，在其中调出用户界面上设置的服务器IP地址和TCP端口号两个参数，尝试建立 Socket连接，如果连接成功，则有了实例化对象socket,进而将其输入通道实例化为i吨ut 对象，输出通道实例化为OU化ut对象，并且再次实例化一个Handler,用来每隔3秒钟发出 一次无用数据，保持和服务器的TCP连接，否则长时间没有通信，会中断连接。子线程然后 向主线程发送连接成功的消息，至于输入、输出数据和关闭连接可W在其它线程中完成。如 果连接不成功，则向主线程的消息队列发送失败信息，交给主线程处理。
[0049] 本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统所给出的【具体实施方式】仅为有限 的实例，并非穷举，本领域技术人员不经过创造性劳动的简单复制和改进，仍属于本发明权 利要求保护的范围。
【主权项】
1. 一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，能够在每天电价最低的时段 储存电能，在电价最高时段释放电能自用，它包括箱体和智能终端两部分，在箱体内置有控 制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JCl、JC2、JC3,市电顺序与交流接触器JC2和用 户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的输出端分别 与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制信号输入端与控制器电连接，逆变器输出 端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市电为电源，经交流接触器JC2给用户电器供 电，同时，市电经交流接触器JCl到充电器给蓄电器充电；断开交流接触器JC1、JC2后，蓄 电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经交流接触器JC3给用户电器供电；蓄电器 给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工作状态；交流接触器JC1、JC2线圈工作电 源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆变器提供；智能终端为智能手机、平板电 脑、智能电视，通过WIFI连接箱体内的控制器给控制器设置运行参数。2. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，在所述的 市电与交流接触器JC2之间设有霍尔电流传感器i1。3. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，在所述的 逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器i2。4. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，所述的控 制器包括：核心部分的AVR单片机ATmegal6、WIFI模块ESP8266、低功耗时钟日历芯片 PCF8563、霍尔电流传感器HBC-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键Keyl和恢复网络 默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制充电器进行储能； 在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复位按键KeyU恢复 网络默认参数按键Key2可以保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信号，以使智能终端 的接入，配置运行参数。5. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，基于 Android或iOS操作系统的智能终端，可以设置储能时间段和逆变时间段参数。6. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，控制器可 以自动连接互联网获取电力企业发布的电价信息，从而设置其储能及逆变时间段参数。
【专利摘要】本发明是一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特点是，能够在每天电价最低的时段储存电能，在电价最高时段释放电能自用，包括箱体，在箱体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、JC2、JC3，市电顺序与交流接触器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接,逆变器控制信号输入端与控制器电连接，逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，能够参与电网的移峰填谷，实现电能自储自用，做到合理用电，降低电费支出，其结构合理，控制方便，自动化程度高，使用效果佳。
【IPC分类】H02J13/00, H02J3/32, H02J3/28
【公开号】CN104901325
【申请号】CN201510271316
【发明人】李贻涛, 刘超, 马军, 刘毕杰, 范小远, 王智慧, 李畅
【申请人】东北电力大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月25日
【技术领域】
[0001] 本发明设及储能技术、智能家居技术，是一种基于电价峰谷差的智能家居微网系 统。
【背景技术】
[0002] 中华人民共和国发展和改革委员会于2013年发布文件，加强用电需求侧管理，鼓 励居民用户参与电力移峰填谷，要求各地在2015年底前完善居民阶梯电价制度，实行分时 段电价政策。虽然分时段的电价政策使得深夜至凌晨用电最便宜，但对于居民来说，洗衣、 做饭等生活用电也不可能直接转移到该个时间段，该可能导致经济调控政策对居民用户来 说效果并不理想。迄今尚未见有关将储能、逆变、智能家居微网系统集为一体，解决非工业 电力用户参与移峰填谷的文献报道和实际应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是，为解决特定技术问题，对现有的单元电路及电器元件进行有机 的组合和创新，使组合要素具有创造性的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，它能够参 与电网的移峰填谷，实现电能自储自用，做到合理用电，降低电费支出，其结构合理，控制方 便，自动化程度高，使用效果佳。
[0004]实现本发明目的采用的技术方案是，一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统， 其特征是，能够在每天电价最低的时段储存电能，在电价最高时段释放电能自用，它包括 箱体和智能终端两部分，在箱体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、 JC2、JC3,市电顺序与交流接触器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电 器的输入端电连接，充电器的输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制 信号输入端与控制器电连接，逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市 电为电源，经交流接触器JC2给用户电器供电，同时，市电经交流接触器JC1到充电器给蓄 电器充电；断开交流接触器JCUJC2后，蓄电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经 交流接触器JC3给用户电器供电；蓄电器给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工 作状态；交流接触器JC1、JC2线圈工作电源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆 变器提供，智能终端为智能手机、平板电脑、智能电视，通过WIFI连接箱体内的控制器给控 制器设置运行参数。
[0005] 在所述的市电与交流接触器JC2之间设有霍尔电流传感器il。
[0006] 在所述的逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器i2。
[0007] 所述的控制器包括；核屯、部分的AVR单片机ATmegaie、WIFI模块ESP8266、低功 耗时钟日历巧片PCF8563、霍尔电流传感器皿C-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键 Keyl和恢复网络默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制 充电器进行储能；在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复 位按键Keyl、恢复网络默认参数按键Key2可W保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信 号，w使智能终端的接入，配置运行参数。
[0008] 蓄电器可采用免维护铅酸蓄电池、磯酸铁裡电池、超级电容等储能元件，其容量需 要根据用户的实际情况计算确定。蓄电器的容量、寿命是制约本发明推广应用的关键因素。 随着储能技术的飞速进步，该个瓶颈将不再是问题。
[0009] 充电器负责将220V工频交流电转换为12V直流电，给蓄电器充电。充电器采用市 售成熟的产品，应该具有=段式智能化充电、短路输出保护、充电电池逆接保护、过温保护 W及充电状态反馈等功能。
[0010] 逆变器负责将蓄电器的12V直流电转换为标准的220V工频交流电，给用户电器供 电。逆变器要根据用户选择的容量确定，采用市售成熟产品。逆变器应该具有低压保护、高 压保护、过载保护、短路保护、高温保护、电池保护、浪涌保护等功能，要能够自动判断蓄电 器电压是否支持逆变，可W实现逆变的自动停止，保护蓄电器。
[0011] 霍尔电流传感器il、i2用于测量回路电流，W便实现过流保护功能。
[0012] 智能终端软件是一套运行在智能手机、智能电视、平板电脑等智能终端设备上的 控制软件，命名为；掌上能源管家，其部分界面见图3、图4。在手机上下载安装该软件后， 打开手机的WIFI功能，在可用连接中能够找到控制器建立的WIFI接入点ToSav冲ower，点 击该连接，输入默认密码9~0十个数字，连接成功后表明智能终端和控制器建立了基本通 信。
[0013] 运行掌上能源管家，在界面中点击【连接】按钮，可W测试控制器的通信端口是否 正常。如果正常通信，则主界面中显示"连接成功"。
[0014] 成功连接系统后，可W通过软件界面设置系统的充电时间段(根据公布的电价低 谷时段）；设置系统是否在市电停电时立即逆变供电，还是等待手机的指令；设置系统的逆 变供电起始时间，输出电流大于阔值时是否切换为市电供电；重新设置连接密码；设置是 否自动连接家庭路由器，路由器的SSID、IP及密码等；设置通信监听TCP端口号等高级功 能。
[0015] 成功连接系统后，可W通过软件界面直接控制=个交流接触器的通断，方便手动 控制系统选择处于市电供电状态、市电充电状态、逆变供电状态的哪一个。该个功能也方便 了调试系统。软件还可W读取系统反馈的信号：市电电流、逆变电流、市电是否有电。
[0016] 如果忘记网络连接密码，可W按控制器的Key2按键，恢复到系统默认网络参数。 如果长时间无法连接控制器，可W按控制器的Keyl按键，复位系统。
[0017] 本发明基于电价峰谷差的智能家居微网系统，是一种集储能技术、智能家居技术 相结合而构成的一套单户智能微网系统，能够在移动终端上实现对系统的控制，与智能家 居系统融合后将具备远程设备查看、远程家电控制、远程家庭安全保护等功能，将电能自储 自用，能够实现参与电网的移峰填谷，却不向电网回馈电能，不干扰电网，在不改变用户用 电习惯的基础上让用户迅速的适应接受新的电价政策，帮助用户享受电价优惠，促进时分 峰谷电价政策的推广，抑制高峰时期用电量的快速增长，提高低谷时候的用电量，可W确保 智能家居的24小时不间断电源供给；从长期社会效益来看，本发明的应用和实施有利于优 化能源利用效率，降低环境污染；有利于提高电网和整个社会的经济效益；有利于能源节 约和有序用电形态的构建。在国家大力推行阶梯电价的背景下，本发明充分发挥电价的杠 杆作用，平衡电力公司与电力用户之间的利益，提高电力系统在电力需求侧管理上的参与 程度，具有广阔的市场前景和良好的预期经济效益。具有结构合理，控制方便，自动化程度 高，使用效果佳等优点。
【附图说明】
[0018] 图1是基于电价峰谷差的智能家居微网系统结构示意图； 图2是图1中控制器结构示意图； 图3是智能终端软件主界面示意图； 图4是智能终端软件设置时间界面示意图； 图5是控制器的单片机电路示意图； 图6是控制器的电源电路示意图； 图7是控制器的时钟日历巧片电路示意图； 图8是控制器的WIFI模块电路示意图； 图9是交流接触器控制电路示意图； 图10是掉电检测电路示意图； 图11是恢复默认值按键电路示意图； 图12是电流传感器电路示意图； 图13是控制器单片机程序流程示意图； 图14是智能终端软件主程序示意图； 图15智能终端软件与控制器建立TCP连接程序示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020] 参照图1-图15,本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，包括箱体，在箱 体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、JC2、JC3,市电顺序与交流接触 器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的 输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制信号输入端与控制器电连接， 逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市电为电源，经交流接触器JC2给 用户电器供电，同时，市电经交流接触器JC1到充电器给蓄电器充电；断开交流接触器JC1、 JC2后，蓄电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经交流接触器JC3给用户电器供 电；蓄电器给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工作状态；交流接触器JCUJC2线 圈工作电源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆变器提供。在市电与交流接触 器JC2之间设有霍尔电流传感器i1。在逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器 12。
[0021] 控制器包括；核屯、部分的AVR单片机ATmegaie、WIFI模块ESP8266、低功耗时钟 日历巧片PCF8563、霍尔电流传感器皿C-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键Keyl和 恢复网络默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制充电器 进行储能；在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复位按键 Keyl、恢复网络默认参数按键Key2可W保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信号，W使 智能终端的接入，配置运行参数。
[0022] 蓄电器可采用免维护铅酸蓄电池、磯酸铁裡电池、超级电容等储能元件，其容量需 要根据用户的实际情况计算确定。蓄电器的容量、寿命是制约本发明推广应用的关键因素。 随着储能技术的飞速进步，该个瓶颈将不再是问题。
[0023] 充电器负责将220V工频交流电转换为12V直流电，给蓄电器充电。充电器采用市 售成熟的产品，应该具有=段式智能化充电、短路输出保护、充电电池逆接保护、过温保护 W及充电状态反馈等功能。
[0024] 逆变器负责将蓄电器的12V直流电转换为标准的220V工频交流电，给用户电器供 电。逆变器要根据用户选择的容量确定，采用市售成熟产品。逆变器应该具有低压保护、高 压保护、过载保护、短路保护、高温保护、电池保护、浪涌保护等功能，要能够自动判断蓄电 器电压是否支持逆变，可W实现逆变的自动停止，保护蓄电器。
[00巧]霍尔电流传感器il、i2用于测量回路电流，W便实现过流保护功能。
[0026] 智能终端软件是一套运行在智能手机、智能电视、平板电脑等智能终端设备上的 控制软件，命名为；掌上能源管家，为应用已有技术编制的软件。其部分界面见图3、图4。 在手机上下载安装该软件后，打开手机的WIFI功能，在可用连接中能够找到控制器建立的 WIFI接入点ToSav冲ower，点击该连接，输入默认密码9~0十个数字，连接成功后表明智 能终端和控制器建立了基本通信。运行掌上能源管家，在界面中点击【连接】按钮，可W测试 控制器的通信端口是否正常。如果正常通信，则主界面中显示"连接成功"。成功连接系统 后，可W通过软件界面设置系统的充电时间段(根据公布的电价低谷时段）；设置系统是否 在市电停电时立即逆变供电，还是等待手机的指令；设置系统的逆变供电起始时间，输出电 流大于阔值时是否切换为市电供电；重新设置连接密码；设置是否自动连接家庭路由器， 路由器的SSID、IP及密码等；设置通信监听TCP端口号等高级功能。成功连接系统后，可 W通过软件界面直接控制=个交流接触器的通断，方便手动控制系统选择处于市电供电状 态、市电充电状态、逆变供电状态的哪一个。该个功能也方便了调试系统。软件还可W读取 系统反馈的信号：市电电流、逆变电流、市电是否有电。如果忘记网络连接密码，可W按控制 器的Key2按键，恢复到系统默认网络参数。如果长时间无法连接控制器，可W按控制器的 Key1按键，复位系统。
[0027] 本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统的各电子部件的选择： ① 蓄电器；根据用户的实际用电量大小和投资额选择蓄电器容量，本发明W蓄电器容 量120Ah为例，说明整个系统的具体设计。
[002引按逆变器效率0.9,电池放电系数0.8,系统可为用户提供电能为： W= 12VX120X0. 8X0. 9 = 1. 0368kWh ② 逆变器：根据用户的实际用电功率大小和投资额选择逆变器功率。
[0029] 本例中为保证表1中常用家用电器在一段时间内可持续工作，选择逆变器参数为 感性负载启动功率2kW，持续功率IkW的型号TJ-2000F。
[0030]见表1
⑨充电器：按照蓄电器容量的十分之一选择充电器的快充电流。本例中快充电流为 12A，可选择纽福克斯的NFA6814N充电器。该充电器具有12A、8A、2AS段充电电流，完全符 合系统需要。
[0031] ④霍尔电流传感器；按照所测量线路最大估算电流值乘W 1. 2的可靠系数确定。 本例中选择厚施的皿C-LSP3. 3-25,它的最大测量电流为25A，工作电压为3. 3V直流。
[0032] ⑥交流接触器：按照开断电路的最大估算电流乘W1. 5的可靠系数确定，线圈电 压为220V交流。本例中选择德力西的CJX2-3201，开断电流为32A。如果需要静音操作，可 W选择单相固态继电器代替交流接触器。
[0033] ⑧控制器；控制器原理框图如图2所示，下面详述每部分电路的工作原理，电路之 间用网络标号表示电气上的连接。
[0034] 控制器的核屯、部分为AVR单片机ATmegaie，使用外部8MHz晶振，3. 3V工作电压， 配有复位按键Keyl的上电复位电路和仿真调试JTAG接口，如图5所示。
[00巧]控制器的电源部分由蓄电器引入12V直流电源到插座，经由开关送入LM2596降压 调整巧片，调节电位器R4,使巧片输出电压为5V，供给控制器的一部分电路。再将此5V电 压经CYT8117-3. 3巧片调整为3. 3V直流电压，供单片机、WIFI模块等大部分电路。电源部 分如图6所示。
[0036] 时钟日历巧片采用恩智浦的PCF8563。该巧片具有闹钟中断输出功能，可W方便单 片机编程，其电路图如图7所示。
[0037]WIFI模块采用Espressif的ESP8266,该模块功能强大，具有Station、AP、 AP+Station的S种工作状态，可W通过AT指令直接设置，方便驱动。电路如图8所示。
[0038] 交流接触器控制电路如图9所示，每个接触器都由两个同端口的单片机引脚控 审IJ。WJC1为例，若要输出低电平驱动DC5V继电器J1，从而带动220VJC1合闽，必须PB6 输出低电平，PB5输出高电平。该样可W保证J1在上电复位或者程序跑飞时不至于误动作。 因为JC1和JC3不能同时合闽，该里在输出回路上添加了逻辑互锁，将J3输出作为J1输出 的一个条件。
[0039] 市电掉电检测电路如图10所示，由JC2的常开辅助触点将低电平引入INTO,如果 用户电器由市电供电，则JC2应该是闭合的，常开触点导通使INTO为低电平，当市电意外停 电时，JC2断开，从而常开辅助触点也断开，导致INTO为高电平，单片机设置INTO为上升沿 引发中断。
[0040] 恢复默认值按键Key2电路如图11所示 ，按键输入时会使INT2引脚产生下降沿， 单片机设置INT2为下降沿引发中断。
[0041] 霍尔电流传感器电路如图12所示。该传感器由3. 3V直流供电，输出电压随所测 量电流大小而变化，范围1. 65 +1. 25V，可直接连接AVR单片机的ADC口，也可W连接一个电 压跟随器电路W提供更好的精度。
[0042] 控制器单片机程序流程图如图13所示，控制器根据智能终端上位机设置的参数 控制系统定时工作于市电供电（S1)、市电充电（S2)、逆变供电（S3)S个状态下。
[004引S1;合闽JC2,分闽JC1、JC3,不充电、不逆变，由市电直供用电器； 52 ;合闽JC1、JC2,分闽JC3,充电、不逆变，由市电直供用电器； 53 ;合闽JC3,分闽JC1、JC2,不充电、逆变，由逆变器输出供用电器。
[0044] 控制器上电复位后，初始化各外设单元模块，并开始自检。如果自检没有发现问 题，则进入状态S1，即市电供电状态。然后，单片机读取E中ROM存储的配置信息。如果是首 次运行，则单片机通过串口设置通信单元WIFI模块，将模块配置为一个Access化int，服 务器名字为ToSav冲ower，密码9~0十个数字。否则，单片机控制WIFI模块按指定SSID 尝试连接家庭无线路由器，如果不能连接指定的SSID，则按照首次运行处理。
[0045] 无线网络设置成功后，单片机读取E2PR0M存储的配置信息，查看充电的启动时间 T1、停止时间T2,逆变的启动时间T3、停止时间T4是否存在。如果该些时间信息都没有，贝U 在此循环等待智能终端上位机的配置。反之，立即从PCF8563中读取当前时刻，计算未来时 间T1~T4哪一个离得最近，把它的值设置到PCF8563的闹钟寄存器中，启动闹钟中断。根 据刚刚的计算，可W推断出系统应该处于S1~S3的哪个状态，立即切换过去。在等待闹钟 的时候，可W开启il、i2的采样测量，实现过流保护功能。
[0046] 当PCF8563的闹钟中断到达后，将新的最近T值送入闹钟，然后切换系统状态。当 通信中断到达时，接受并设置最新的T1~T4的值，调整PCF8563时钟。当按键Key2中断 到达时，复位通信模块，并将其配置为首次运行的默认参数。
[0047] ⑦智能终端软件；软件界面如图3、图4所示，W安卓操作系统下运行的软件为例， 其流程图如图14所示。
[0048] 软件主线程首先在MainActivity中按ID获得需要编程的各个对象，然后监听每 个按钮的Click事件（需要重写按钮对象的onClick方法)，该里把显示时间的TextView 对象也设置了onClick方法，当做按钮处理，方便用户修改时间。在主线程中添加一个 Handler,处理子线程发送过来的消息，及时通过UI反馈给用户。再W点击【连接】按钮为 例，详述智能终端软件与控制器建立TCP连接的过程，流程图见图15。进入onClick方法 后，首先实例化一个新的线程，指定其Runn油le为runConnect。重写runConnect对象的 run方法，在其中调出用户界面上设置的服务器IP地址和TCP端口号两个参数，尝试建立 Socket连接，如果连接成功，则有了实例化对象socket,进而将其输入通道实例化为i吨ut 对象，输出通道实例化为OU化ut对象，并且再次实例化一个Handler,用来每隔3秒钟发出 一次无用数据，保持和服务器的TCP连接，否则长时间没有通信，会中断连接。子线程然后 向主线程发送连接成功的消息，至于输入、输出数据和关闭连接可W在其它线程中完成。如 果连接不成功，则向主线程的消息队列发送失败信息，交给主线程处理。
[0049] 本发明的基于电价峰谷差的智能家居微网系统所给出的【具体实施方式】仅为有限 的实例，并非穷举，本领域技术人员不经过创造性劳动的简单复制和改进，仍属于本发明权 利要求保护的范围。
【主权项】
1. 一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，能够在每天电价最低的时段 储存电能，在电价最高时段释放电能自用，它包括箱体和智能终端两部分，在箱体内置有控 制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JCl、JC2、JC3,市电顺序与交流接触器JC2和用 户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的输出端分别 与蓄电器和逆变器的输入端电连接，逆变器控制信号输入端与控制器电连接，逆变器输出 端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，市电为电源，经交流接触器JC2给用户电器供 电，同时，市电经交流接触器JCl到充电器给蓄电器充电；断开交流接触器JC1、JC2后，蓄 电器的电能经逆变器转换为标准的工频电能，经交流接触器JC3给用户电器供电；蓄电器 给控制器提供直流电源，保证控制器总是处于工作状态；交流接触器JC1、JC2线圈工作电 源由市电提供，交流接触器JC3线圈工作电源由逆变器提供；智能终端为智能手机、平板电 脑、智能电视，通过WIFI连接箱体内的控制器给控制器设置运行参数。2. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，在所述的 市电与交流接触器JC2之间设有霍尔电流传感器i1。3. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，在所述的 逆变器与交流接触器JC3之间设有霍尔电流传感器i2。4. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，所述的控 制器包括：核心部分的AVR单片机ATmegal6、WIFI模块ESP8266、低功耗时钟日历芯片 PCF8563、霍尔电流传感器HBC-LSP、交流接触器或固态继电器、复位按键Keyl和恢复网络 默认参数按键Key2,负责接收智能终端的指令，在设置的时间段自动控制充电器进行储能； 在指定时间段或者市电停电时，自动进入逆变状态，给用户电器供电；复位按键KeyU恢复 网络默认参数按键Key2可以保证控制器能够提供一个WIFI服务接入信号，以使智能终端 的接入，配置运行参数。5. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，基于 Android或iOS操作系统的智能终端，可以设置储能时间段和逆变时间段参数。6. 根据权利要求1所述的基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特征是，控制器可 以自动连接互联网获取电力企业发布的电价信息，从而设置其储能及逆变时间段参数。
【专利摘要】本发明是一种基于电价峰谷差的智能家居微网系统，其特点是，能够在每天电价最低的时段储存电能，在电价最高时段释放电能自用，包括箱体，在箱体内置有控制器，蓄电器，充电器，逆变器和交流接触器JC1、JC2、JC3，市电顺序与交流接触器JC2和用户电器电连接；市电顺序与交流接触器JC1、充电器的输入端电连接，充电器的输出端分别与蓄电器和逆变器的输入端电连接,逆变器控制信号输入端与控制器电连接，逆变器输出端顺序与交流接触器JC3和用户电器电连接，能够参与电网的移峰填谷，实现电能自储自用，做到合理用电，降低电费支出，其结构合理，控制方便，自动化程度高，使用效果佳。
【IPC分类】H02J13/00, H02J3/32, H02J3/28
【公开号】CN104901325
【申请号】CN201510271316
【发明人】李贻涛, 刘超, 马军, 刘毕杰, 范小远, 王智慧, 李畅
【申请人】东北电力大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月25日
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