[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

说明书

一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，建立HEMS的物理结构，含可再生能源单元、存储单元、家用电器单元、控制单元、监控单元和电动汽车；提出基于WiFi、Ethernet、ZigBee三种单一通信方式，WiFi+ZigBee、Ethernet+ZigBee两种联合通信方式下的网络架构；利用OPNET软件为五种通信网络搭建对应的仿真模型，设置符合实际的通信参数，验证模型的正确性；通过分析时延、吞吐量和丢包率数据指标，比较五种通信网络的性能；通过调整网络负载量、节点数和拓扑结构进行灵敏性分析；提出一个评价等级公式，根据用户需求调整权重值，用于选择最优的家庭网络敷设方案。

技术领域

本发明基于智能电网在居民侧的延伸领域，具体涉及一种典型家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法。

背景技术

随着科技日新月异的发展和人们生活水平的不断提高，能源已经越来越成为限制一个地区或国家发展的重要因素。然而随着能源存储量的日益减少和环境的不断恶化，可再生能源的利用率和能源利用效率的提高渐渐就成为人类生存与可持续发展的重要关键。电能是目前应用最广的能源之一，人类的日常生活和生产活动都离不开电能，人们对电能的总需求量持续增加，其中居民侧用电量占电能总需求量的36.6％，但该领域的用电效率低，浪费严重。由于电能使用的效率对经济可持续发展、环境保护等方面具有重要的影响，因此美国和部分欧洲国家于20世纪70年代开始了家庭能源管理系统(Home EnergyManagement System，HEMS)的研究，以提高居民侧的用电效率，达到节能减排的目的。HEMS是一种能够兼顾家庭节能与舒适生活的能源管理系统，其主要利用传感器采集室内环境、人员活动和设备工作状态信息，通过对这些信息的分析来进行对用电设备进行调度和控制，并在满足用户舒适度的前提下减少电能消耗，提高用电效率。市场调研机构的分析师预测，在2017至2021年，全球家庭能源管理系统市场将会以年复合增率18.71％的速度增长，未来市场的趋势是对智慧住宅的增长需求越来越大。

发明内容

在HEMS越来越热的趋势下，本发明首先设计了一种典型的HEMS物理结构模型。在此物理模型的基础下，本发明将会选用基于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，分别建立不同的HEMS通信网络架构，然后选用OPNET Modeler软件建立对应的仿真模型，并对五种HEMS网络模型进行时延、吞吐量、丢包率等性能比较和改变网络负载和节点数量的灵敏性分析，最终提出一个综合评价公式用于选择最优的HEMS通信方式。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种智能家庭能源管理系统的结构设计与通信选择方法，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；