[发明专利]一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法

权利要求书

1.一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：建立HEMS的物理结构，所设计的HEMS包括家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元、电动汽车单元共六个单元；

S2：通过对比分析常见通信技术的性能，选择合理的HEMS通信方式，主要选择WiFi、Ethernet和ZigBee技术来进行研究；

S3：根据HEMS的物理结构功能单元，对HEMS通信架构进行设计，并根据各通信方式的优缺点调整HEMS通信架构；

S4：确定各单元间的通信传输内容和相关通信速率，初始设定的通信速率和传输内容以符合大多数用户的需求为考虑因素，并为特殊用户提供定制化服务，允许用户根据实际需求调整传输内容与通信速率，以初始设定值作为仿真基本参数；

S5：在OPNET软件中根据设置好的仿真参数，选择相应的节点模型，并进行业务模型和应用模型的配置，建立基于WiFi、基于Ethernet和基于ZigBee技术的三种单一通信方式和基于WiFi和ZigBee、基于Ethernet和ZigBee的两种联合通信方式的HEMS网络模型，仿真比较五种通信网络在时延、吞吐量和丢包率方面的网络性能；

S6：对所构建的五种通信网络进行灵敏性分析：6.1)在保持节点数目不变的情况下，将各节点的通信速率增加至2倍、3倍、5倍、10倍，以分析网络负载量对每种通信网络的影响；6.2)在通信速率不变的情况下，增加节点数目，分别增加原先节点数目0.5倍、1倍、两倍的节点数，以分析网络节点数对每种通信网络的影响；6.3)不同的拓扑结构适用于不同的网络环境，网络拓扑的改变会影响网络的性能，改变拓扑结构为星型、树型和网状，以分析其对家庭能源管理系统通信网络性能的影响；

S7：在最后建立了一个综合的评价体系，给出了一个评价等级公式，让用户可以在性能、经济性、安全性、扩展性各方面进行一个总体考量，并根据各种不同的家庭需求设置指标的权重，选择出最优的HEMS组网方式；

所述步骤S1中，HEMS包括以下构成：

家用电器单元分为可调度负载和不可调度负载两个部分，可调度负载包括洗衣机、干衣机和热水器；不可调度负载包括计算机、冰箱、家庭娱乐系统和照明系统；可调度负载和不可调度负载区分的标准是对这些负载设备进行调度会不会影响影响用户对需求的满意度；

可再生能源单元包含风力发电和光伏发电，用户住宅屋顶安装的风机和光伏板，向HEMS提供一定的电能；

控制单元即为家庭能源管理集中器，它是HEMS的核心部分，用于对各设备进行监测和调控，以保证系统各部分安全高效协调地运行；同时用户通过Internet或者手机来对家庭能源管理系统进行远程控制；

监控单元装有两个监控摄像头，用户通过Internet或者手机APP在公司或外地随时查看家庭情况，设计的监控摄像头主要有两路，一路装在客厅，另一路装在主卧；

电动汽车是一种可调度负载，它有G2V、V2G和V2H多个模式，向HEMS中的其他用电负载提供应急电能；另外，HEMS主要通过智能电表来完成与外界在能量和信息上的双向交换，智能电表也是电力公司和各HEMS进行通信的接口；

所述步骤S2和S3中，进行HEMS通信架构的设计：

HEMS通信网络仿真研究的重点是家用电器单元、可再生能源单元、储能单元、控制单元、监控单元和电动汽车单元六个单元之间的数据通信；通信网络的架构是实现数据通信的基础，其需要根据各通信技术的网络扩展性、传输速率、可靠性、使用成本和技术成熟度性能指标进行设计；根据Ethernet、Wi-Fi和ZigBee的网络协议可知，Ethernet的基本网络结构采用有线介质通过星型的连接方式把位于不同位置的节点与数据收集单元连接起来，各节点设备遵循IEEE 802.3协议向数据采集单元传送数据；Wi-Fi和ZigBee的基本网络结构与以太网相类似，不同的是它们采用无线信道连接，并且遵循的协议不同，网络中各组成部分的名称和功能也有一定区别；然后再根据各通信技术的基本网络结构，构建出一个能够满足HEMS功能需求，实现家庭内部各设备之间双向通信的网络；

在所述步骤S5中，OPNET的建模仿真包括以下步骤：

S5-1：确定问题及相关方案，在建立网络模型之前，首先要明确本文的研究问题和仿真方案；其次，要对将要模拟的网络的拓扑结构、硬件设备、协议标准和链路有充分了解；

S5-2：初步建立网络模型，网络模型的建立是仿真的基础，根据相关方案确定具体的网络拓扑、协议和链路来搭建出一个初步的网络模型；

S5-3：业务建模，分析网络中的业务，对业务进行建模，配置业务参数，以符合实际网络中的流量大小的要求配置变量和参数，即采用步骤S4中确定的数据；

S5-4：完善网络模型，根据实际网络的结构和运行方式，对搭建的网络模型在拓扑结构、硬件设备型号和数量，以及业务数量和参数配置上进行调整；

S5-5：运行仿真，选择所建立的网络模型需要的性能指标，如系统的吞吐量、某个链路的丢包率、某个节点的响应时间和时延；建立的网络模型往往会存在一定的缺陷，若不能有效的显示仿真结果或者仿真运行速度过慢，需要再次进行完善网络模型的步骤，不断修改系统输入参数或者调整模型，使其能满足用户分析问题的需要；

S5-6：统计结果，提交分析报告，对仿真结果进行分析也就是对所建立的网络模型的性能做出评价，通常采用统计学的方法来分析仿真结果，最终以动画、曲线、图标和文字形式将仿真结果直观地显示出来；

在所述步骤S7中，综合的评价体系包括以下内容：

S7-1：根据步骤S5和S6的仿真结果，建立了一个合理的评价等级公式来进行综合性的比较，公式如下：

sum＝ρ₁×P(performance)+ρ₂×C(consumption)+ρ₃×E(economic)+ρ₄×T(technology)+ρ₅×EX(extension)+ρ₆×S(security)

公式中的ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆分别代表着各项数据的权重，每个权重大小在不同的情况下都是可以变化的，但它们的总和恒为1，P(performance)表示此种通信方式的性能，C(consumption)表示能耗大小，E(economic)表示经济性，T(technology)表示此种技术的成熟度，EX(extension)表示扩展性的好坏，S(security)表示此种技术的安全性，是否会发生信息泄露；从每种通信方式的性能、能耗、经济、技术、扩展、安全六个指标进行详尽的分析，每个指标的满分均为10分，每个指标乘以权重的代数和即为总分sum，通过总分的高低来选择最优的通信方式，以用于对有不同需求的家庭用户提供相应的参考；

S7-2：根据选择的实际情况，确定权重比，算出总分并进行比较，最后选出各种情况下的最优通信方式，采用专家确定权重比；

S7-3：确定了权重分配之后，计算得出每种通信方式在各种不同家庭要求下的最终结果。

2.如权利要求1所述的一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，其特征在于：所述步骤S7中，根据具体用户的需求，根据家用设备具体的功能，对HEMS的结构模型进行优化调整，并且允许用户根据自身需求调整设定的传输内容和数据速率，进行建模仿真后得到的HEMS通信网络结构具有高适用性。