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摘要：智慧家庭储能依托于泛在电力物联网架构形成了一种分布式的电能源存储模式，将电能源存储于电池中来为家庭用电服务。此次研究中构建了以泛在电力物联网为基础的智慧家庭储能应用系统，并在SimSES工具箱和家庭潮流计算的方式来对家庭电动汽车不同充电模式下，电池的寿命、家庭年度电能源费用支出情况，以及SOC值情况等进行了分析对比，结果发现泛在电力物联网中的智慧家庭储能应用对于电池使用寿命的延长，以及降低家庭电能源费用支出等起到了很好的效果，这也为在泛在电力物联网基础下的智慧家庭储能建设提供了有力的数据支撑。

关键词：泛在电力物联网 智慧家庭储能 信息系统管理

引言

随着社会的发展，各行各业对电能源的需求量不断增加，提升了电池储能在电力网络运行中的地位。泛在电力物联网可以使其应用范围和应用模式得到更好的信息化管理和拓展，为电力行业的发展提供了新的便捷，同时也使得整个国家电力体系得到了更为广泛的发展。电池储能可以在微电网和分布式电网中应用，为泛在电力物联网的发展提供了重要的保障。所以，此次研究中就以泛在电力物联网中的家庭智慧储能应用情况进行了分析探究。

一、储能和泛在电力物联网结合应用的组织框架

（一）储能和泛在电力物联网系统辅助服务中应用的模式

储能的服务模式是实现其价值最大化的途径和方法，储能可以在不同场景和领域中得到广泛应用，相应的价格机制、环境政策等也就各不相同。当前对于储能模式的研究多以微电网、分布式、电动汽车和动力电池梯次利用等为主[1]。当前阶段，我国的辅助服务是在发电端操作和运行的基础上实施的，并且在电力领域不断发展之下，储能作为辅助服务的应用范围更加广泛，特别是在泛在电力物联网发展中的应用将为储能的发展进程奠定坚实的基础，储能的价值也可以在不同主体的投资运营之下实现。比如，在发电企业的投资模式中，发电厂在一定资金的支持下来开展光伏电站、风电场等储能系统的开发应用，将新能源转化为电力资源并向电网提供服务，从而得到一定的经济收益；在电网公司的投资模式中，电网公司对储能系统进行投资应用，从而代替传统燃煤机组发电，形成一种独立的服务主体，为用户提供电能服务；在住宅用户和工商业等方面的投资模式中，主要是在住宅用户和工商业用户的投资中，通过电网的调度系统的统一调度来代替电网向工商业用户和住宅家庭用户提供电能源的辅助性服务。

（二）泛在电力物联网中的家庭储能组织架构

在家庭储能中主要以电池储能为主，这是一种以将信号流管理系统和双向变流器进行结合应用的储能模式。并且在大数据、人工智能和电力物联网等多种技术的融合性发展，使得电力物联网中的信息流和能量流呈现出相互融合的发展趋势[2]。所以，电力物联网和电池储能的结构有着异曲同工之处，这也为两者的结合发展创造了良好的条件，同时在很大程度上也促进了电网系统的发展。

（1）信号采集模块是储能系统中的重要组成部分，扮演着至关重要的“手和眼”角色。它巧妙地运用了一系列高精度传感器，如电压霍尔、智能电表和电流霍尔等，以实现对电气模拟信号的精细处理。这些传感器如同敏锐的探测器，时刻捕捉着储能系统中的每一个细微变化。接下来，信号采集模块通过模数转换芯片，将这些模拟信号转化为数字信号。这一转化过程就如同将一幅复杂的画卷转化为计算机能够识别的像素点，使得可控制平台能够轻松解读并利用这些数据。

（2）在网络传输模块中，其最大的价值是对采集到的各种信息数据进行安全分析，然后以最快的速度将其传输到各个子系统中。之后，各个子系统将其自身的信息传输到决策控制层，当然各个子系统之间也可以进行信息的相互交换传输[3]。这一系统模块所发挥的是大脑神经网络系统的功能。并且各个数据传输是依托于物理层实施的，在有线和无线传输系统下来发挥物理层的作用。目前，泛在电力物联网应用中都是以5G技术为基础实施的。

（3）在控制平台模块中，其最大作用是对各种搜集的数据信息进行统一化的储存管理，为统一平台中各种信息数据的共享交互做好保障，其发挥的是大脑的传输的作用。控制平台模块的运行需要以数据中心作为基础，打通了各个部门之间的信息传输壁垒，实现了多种信息的有效管理，并且将那些复杂多余的数据信息进行了处理，是得控制平台的运行效率大幅提升。而且，各个子系统和平台所传输到控制平台的信息数据格式、参数形式等并不标注，缺乏统一性，这就需要控制平台对这些不统一的数据信息进行统一处理转化，再进行统一存储和管理。另外，在控制平台模块中，还要将各个子系统的监测数据、计量数据、控制产生的控制日志等进行存储并对重要数据信息进行备份处理，为后期的智能化通信系统管理提供更多准确可靠的信息支撑。

（4）服务应用模块在泛在电力物联网的电池储能系统中扮演着至关重要的角色，它是整个服务系统操作运行的核心。以电动汽车储能为例，该模块能够实现多种服务模式，如V2B（车辆向建筑供电）、V2H（车辆向家庭供电）、V2G（车辆向电网供电）以及V2V（车辆间相互供电）等，从而满足多样化的能源需求。服务应用模块的主要职责在于对电网输出的功率进行精细化的调频处理。它能够有效平衡电网的负载，确保电力的稳定供应，提高电网的运行效率。此外，该模块还能执行融冰操作处理，有效应对冰雪天气对电网造成的潜在威胁，保障电力系统的安全运行。在家庭智慧储能领域，服务应用模块更是发挥着举足轻重的作用。它能够实现与智慧园区的信息连接共享，通过实时数据交互和智能分析，优化家庭储能系统的运行策略，提高能源利用效率，降低能源消耗成本。在一些急需用电的距离供电系统较远的地方，可以及时提供电力保障，服务应用模块发挥的是心脏的功能[4]。而且，如果家庭用电中有一些较为特殊的用电功能，还可以对其提供更具针对性的个性化服务，这样就可以将强智能电网的价值充分发挥出来，并且为电能源的消费终端提供了更为优质的服务。

二、智慧家庭储能系统应用

（一）风机输出功率关系

在智慧家庭储能系统中通常涵盖了光伏、风机、电负荷、储能和电动汽车等各个不同的组成部分，在变流器的作用下来和公共电网进行连接，构建一个家庭功能的电能源流网络系统，同时，再结合家庭网络和大数据网络来形成信息流网络体系。在以泛在电力物联网为基础的智慧家庭电力网络体系中，家庭储能的应用前景是非常广阔的，对于可以通过信息系统的智能化管理来降低家庭电能源的消耗，同时还可以对家庭电池储能的成本进行控制优化，从而达到降低家庭能源损耗的目的。泛在电力物联网中的智慧家庭储能应用系统如下图1所示。

从上图中发现，风速的变化会对风机的输出功率产生干扰，风速越大，风机输出功率越大，在两者线性关系的关联函数∆t中，一定时间间隔的输出功率为： Ewind（∆t）是一定时间中输出的电能，风机输出的额定功率用Rw表示，分级的额定转速为Vr、实际转速是Vw、切出转速是Vco、切入转速是Vci。

（二）光伏输出功率关系

光伏板短路的电流也会对光伏输出的功率产生干扰，而且开路电压也会对光伏输出产生影响，在对两者线性关系∆t表示中，Epv（∆t）=Npv·Vo（∆t）·Is（∆t）·η

Vo（∆t）=Voc+Kv[Te（∆t）-Tr（∆t）]

Is（∆t）=Ist+Ki[Tc（∆t）-Tr（∆t）]

Tc（∆t）=TA（∆t）+Noct-20/800·G

在上述关系式中，Epv（∆t）代表的是在一定时间间隔中光伏晶板所输出的能量，Npv代表的是光伏晶板的数量情况；Vo（∆t）和Is（∆t）表示开路电压和短路电流时间的函数关系，Voc和Ist表示的是开始时的电压值和开始时的电流值，Ki、Kv则是指短路电流系数和开路电压系数，Tc（∆t）是光伏板温度函数，TA（∆t）表示的是环境的温度情况，η表示光伏转换的效率情况，G是光照强度系数情况，其中固定不变的是Tr（∆t）为25℃，以及Noct为45℃。

（三）储能电池关系

此次分析中的家庭储能电池为三元锂电蓄电池，而且研究中电动汽车的电池也为这种相同的三元锂电蓄电池，这样可以得到其数学模型，

EB（∆t）=u（t）·i（t）·∆t

Τ=rp·cp

在上述关系式中，EB（∆t）代表的是储能电池在特定的时间间隔中存储的或者是释放出来的电能能量情况，u（t）、i（t）中的t所代表的是电池的电压和电流值，电池的内阻为rp、极化内阻为ro、极化电容为cp。

（四）负荷关系

通常来说，家庭用电中电负荷量较大的电器有洗衣机、空调、照明、电视机、电磁炉、微波炉，以及一些大功率的热水器等家电。如果将这些作为线性负载来分析，这些电器的能量损耗和电流，以及持续的时间存在一定的关系，EL（∆t）=u1（t）·i1（t）·∆t，在这个关系式中一定时间内电消耗两位EL（∆t），各个端口的电压是u1（t）、线路中的平均电流是i1（t）。

三、智慧家庭储能应用分析

泛在电力物联网中的智慧家庭储能中各个部分的能量转换是通过家庭潮流计算和SimSES工具箱来进行分析探究的。在家庭潮流计算工具的计算分析中，是采用线性分析方式来进行分析从而对各个部件之间的流动功率进行分析了解，并对其进行优化控制，降低家庭用电费用。同时分析计算的结果也将在SimSES工具箱中进行分析，在对各种能源工鞥的功率输出给电脑、储能电池性能的退化情况和充放电循环的次数情况分析之下来对其准确性进行分析，将家庭中所使用的电动汽车的多种储能应用模式作为对比分析的对象[5]。

第一种储能模式为普通的单向充电模式，即在AC-DC变流器作用下，电能仅流向电动汽车电池。只要电池未达最大存储容量，均可按最大C率充电。操作时，只需将SimSRS工具箱和家庭潮流计算中的电池充电C率设为最大，并设定阈值保护即可。第二种是优化的单向充电模式，这种模式是在一定的通信系统管控之下来对汽车中的电池充电功率和所充电的时长来进行控制调整的模式。在储能系统运行中，利用搜集获取的风电、电网、光伏等各个能源的输出功率参数转化为电池所需要的用电功率，同时还可以对其恒功率、恒电压和恒电流等进行智能化分析充电，这样就可以让电池的SOC值保持在一个最佳的状态，相应的电池的使用寿命也可以在这样的最佳值范围内得到延长。第三种储能模式是V2H双向充放电模式，这种模式和单向的充电模式相比是一种更优化的充电模式。在智慧家庭和汽车电池之间，电能源可以进行双向的流动，可以从智慧家庭储能中流向汽车电池，同时也可以从汽车电池流向储能电池中，并且这种模式还可以在特定的时间中来对电网系统提供特定的电能源输送，这样就可以降低谐波污染的发生概率，同时还可以在家用电能源充足情况，以及电价最优的阶段，将电能源供给电网系统，降低家庭电动汽车用电费用的消耗。

假设智慧家庭储能参数中的电池SOC参数和能源输出功率参数中，家庭年用电量为900kw·h，用电电价为0.534元，上网电价为0.956元，风电额定功率为5kw，光伏额定功率为6.5kw，家用电池容量为9kw·h，汽车电池容量为175kw·h，电池的SOC范围值在5%—95%之间；而且，家庭用电负荷中，照明每天的工作时长为5小时，总耗电量为5.3kw·h，空调每天工作量为13h，总耗电量为8.4kw·h，洗衣机每周的工作时长为2小时，每小时的耗电量为4.1kw·h，电视机每天工作时长为14小时，耗电量为7.3kw·h，电磁炉每周的工作时长为1小时，耗电量为7.3kw·h。在SimSES工具箱和家庭潮流计算中引入家庭用电负荷后，如下图2所示，优化后的单向充电模式中，电池的使用寿命处在最优段，但是，在V2H模式之下，电动汽车的电池使用寿命和家庭储能电池的使用寿命都会减少1年左右的时间，因为电动汽车的电池在向电网输出电能源的过程中，让自身的充放电的频率大大增加，这样从起经济性和使用性的角度分析，其使用寿命会降低1年。普通单向的充电模式中，主要会对电动汽车的电池产生较大危害，从而使其使用寿命大大降低。

另外，在对家庭智慧储能电池的SOC参数概率在不同应用范围分析后发现，如果没有使用电动汽车的情况下，家庭储能电池SOC值的分布情况相比更加平均，但是在使用电动汽车的情况下，SOC值会在汽车充电和不充电的时候出现比较明显突出的波动变化。V2H模式和优化模式中的参数变化要比普通单向充电模式下的参数变化更加合理。

此外，在不同的充电模式下风电、光伏、储能电池的功率输出下家庭每年的电能源费用支出如下表1所示，如果采用普通的充电模式，那么家庭当年的电费支出最高，V2H双向充电模式下的年电能源费用支出最低，相比于普通充电模式，每年的费用支出可以节省10%。

结语

泛在电力物联网建设发展促进了电能源储能发展，并且随着节能理念的不断深化，为智慧家庭储能的应用也提供了新的发展契机。但关于泛在电力物联网和智慧家庭储能结合应用研究并不多，更多的是对泛在电力物联网的应用研究。所以，此次研究通过构建智慧家庭储能和泛在电力物联网结合应用的组织架构来对以智慧家庭储能系统为基础的电力物联网应用进行分析。结合家庭潮流计算和SimSES工具箱来对家庭中的电动汽车不同的充电模式进行对比分析发现V2H双向充放电模式下的SOC参数、电池使用寿命，以及年度家庭电能源费用支出是最为合适的状态。

参考文献

[1]陈积光，周蜜.基于泛在电力物联网的智慧供应链研究[J].控制工程，2020，27（6）：1098-1102.

[2]王辉，梁登香，韩晓娟.储能参与泛在电力物联网辅助服务应用综述[J].发电技术，2021，42（2）：171-179.

[3]包震.基于物联网和5G技术的智慧电力平台研究[J].通信电源技术，2023，40（14）：90-93.

[4]刘洋，黄涛.人工智能和物联网在智慧家庭中的应用探讨[J].新潮电子，2023（4）：70-72.

[5]卢佳欣，陈柏祥，丁子建.基于物联网技术的智慧家庭监测系统设计[J].科技与创新，2023（21）：105-107.