Electrical Power and Energy Systems 64 (2015) 679–688

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Electrical Power and Energy Systems

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A smart building power management concept: Smart socket applications with DC distribution

Cemal Keles ^a,uArr;, Abdulkerim Karabiber ^b, Murat Akcin ^a, Asim Kaygusuz ^a, Baris Baykant Alagoz ^a,

Ozan Gul ^b

^a Electrical and Electronics Engineering Department, Inonu University, Malatya, Turkey

^b Electrical and Electronics Engineering Department, Bingol University, Bingol, Turkey

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 8 December 2013

Received in revised form 25 July 2014

Keywords:

DC distribution

Home electronics appliances Smart buildings and systems

Demand side load management and load shedding

a b s t r a c t

Recent developments in power electronics increase DC bus utilization in electrical distribution systems due to its numerous advantages compared to AC distribution system in term of energy efficiency, safety, electromagnetic compatibility and renewable energy integration. This study presents a power manage- ment system concept based on domestic DC distribution with smart sockets for future smart houses. Energy efficient smart buildings are possible by integrating smart meter, smart sockets, domestic renew- able energy generation and energy storage systems for integrated energy management, and this inte- grated system supports demand side load management, distributed generation and distributed storage provisions of future smart grids. Coming era of smart grids has implications for domestic DC distribution concepts with smarts sockets. Paper describes use of smart DC sockets as an integral part of building power management automation and presents a load shedding algorithm for plug load control for build- ings. Simulations show performance of the proposed system components.

copy; 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Introduction

Nowadays, power distribution systems presents two major dis- tinctions called alternative current (AC) power distribution net- work or direct current (DC) power distribution network. Until the last decade, use of AC power distribution preferred due to develop- ments in the incandescent lamp and AC transformers last century. The situation today is different due to developments in solid-state power electronics. DC electrical power has been used in many areas [1]: Many renewable energy systems such as photovoltaic cells, wind turbines and fuel cells use DC electrical energy [2]. Energy storage systems used as a secondary power supply relies on DC power [3]. Furthermore, home electrical appliances (HEAs) such as TVs, computers require DC power [4]. The sensitive loads in naval and space operations [5,6] need an uninterruptible DC power supply. Nowadays, use of DC distribution is possible and promises many advantages compared to AC power distribution.

There has been an increasing trend for researches on DC power consumption and distribution for several decades. Advantages of DC distribution systems were demonstrated in many aspects [7– 13]: AC systems have more adverse effects on the health than DC

uArr; Corresponding author. Tel.: 90 5375883659; fax: 90 4223410046.

E-mail address: cemal.keles@inonu.edu.tr (C. Keles).

systems [7]. As DC–DC converters are more efficient than AC–DC converters in HEAs, DC distribution provides more efficient energy distribution for HEAs [4,8,9]. The DC integration of renewable energy sources for existing conventional AC distribution systems offers significant benefits, such as higher voltage stability, easy control and management opportunities [10]. Indeed, it is possible to supply all HEAs via DC distribution [11,12]. Moreover, there is no harmonics and reactive power problems in DC distribution [13]. Hence, the quality of energy in DC distribution systems is also more robust than in AC distribution systems.

Despite the fact that DC distribution presents many advantages, it could not find a common use for local power distribution today. The main reason for this is that conventional power generation, transmission, distribution infrastructure have been build for AC power standards and it could met power requirements of future world. However, coming era of smart grids can give an opportunity for implementation of DC power distribution systems. Provided that common and strict electrical standards are declared for powering HEAs, implementation of local or domestic DC distribution becomes more feasible and effective. For instance; 5 V input voltage can be a standard voltage for all mobile phones and other low-power appli- ances, the voltages of 24 V or 48 V could be used for mid-power applications such as laptops and computer screens and 120 V volt- age, which is accepted as safety voltage limits for

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智能建筑电源管理概念：具有直流交配的智能插座应用

摘要：电力电子技术的最新发展提高了配电系统中直流母线的利用率，这是因为与交流配电系统相比，它在能源效率，安全性，电磁兼容性和可再生能源集成方面具有众多优势。本研究提出了一种基于家庭直流配电和智能插座的电源管理系统概念，用于未来的智能房屋。通过集成智能电表，智能插座，家用可再生能源发电和储能系统以进行集成能源管理，可以实现节能智能建筑，并且该集成系统支持未来智能电网的需求侧负载管理，分布式发电和分布式存储。智能电网时代的到来，对带有智能插座的国内直流配电概念产生了影响。论文描述了智能DC插座作为建筑物电源管理自动化的组成部分的用法，并提出了一种用于建筑物的插头负载控制的减载算法。仿真显示了提出的系统组件的性能。

关键词：直流配电 家用电子电器智能建筑和系统 需求侧负载管理和减载

介绍：如今，配电系统具有两个主要区别，称为交流（AC）配电网络或直流（DC）配电网络。直到最近十年，由于上世纪白炽灯和交流变压器的发展，交流配电的使用成为首选。由于固态功率电子技术的发展，今天的情况有所不同。直流电源已在许多领域使用：许多可再生能源系统，例如光伏电池，风力涡轮机和燃料电池，都使用直流电能.用作二次电源的储能系统依赖于直流电源.此外，电视，计算机等家用电器（HEA）需要直流电源.海军和太空作战中的敏感载荷 需要不间断的直流电源。如今，使用直流配电已成为可能，与交流配电相比，它具有许多优势。数十年来，直流功率消耗和分配的研究一直在增长。直流配电系统的优势在很多方面得到了证明：交流系统对健康的危害比直流系统更大。由于在HEA中DC-DC转换器比AC-DC转换器效率更高，因此DC分配可为HEA提供更有效的能量分配现有常规交流配电系统的可再生能源的直流集成具有显着的优势，例如更高的电压稳定性，易于控制和管理的机会.实际上，可以通过直流配电提供所有HEA.此外，直流配电中没有谐波和无功功率问题.因此，直流配电系统中的能量质量也比交流配电系统中的能量质量更高。尽管直流配电具有许多优势，但如今在本地配电中却找不到通用的用途。主要原因是已经建立了用于交流电源标准的常规发电，输电和配电基础设施，并且可以满足未来世界的电力需求。但是，智能电网时代的来临可以为实施直流配电系统提供机会。如果声明了为HEA供电的通用且严格的电气标准，则实施本地或家庭直流配电将变得更加可行和有效。例如;5 V输入电压可以是所有移动电话和其他低功率设备的标准电压，24 V或48 V的电压可以用于笔记本电脑和计算机屏幕等中功率应用，而120 V的电压可以接受作为国际电工委员会对人的安全电压限值，可用于大功率HEA应用，例如烤箱，洗衣机和熨斗。标准化的多电压DC分配降低了电子设备适配器将电网能量转换为DC电源的要求。因此，产品成本将降低，并且消除消费者对电源适配器的依赖。带智能插座的DC配电系统是朝着提高家用和办公设备的消费标准迈出的一步。智能插座可以作为家庭电源管理系统的组成部分，通过利用自动化技术的机会来实现需求侧负载管理（DSLM）。本文提出了一种改进的智能插座模型，该模型包含多个用于直流功耗的直流电压插座和一个与常规家用设备兼容的交流插座。功能自动化是智能家居的最重要资产DeSilva等。提出了智能家居的几种智能应用，例如养老和儿童保育应用，节能应用，安全应用[14].能源效率和家用电源管理工具是针对智能电网应用讨论的基础主题之一。DSLM，分布式可再生能源发电机的集成和分布式能源存储的应用取决于国内的电源管理操作以及分散控制和通信技术的使用。Kostkovaacute;等。提供了对负载管理方法，技术和程序的全面研究，并对负载管理方法进行了分类.提议的智能插座支持直接负载控制方法，该方法基于通过发送信号来打开或关闭设备。在有关直接负载控制的最新工作中，提出了具有可控制负载的直流智能房屋，以管理可再生能源和负载引起的电源波动情况下的电力系统供需平衡。.直接负载控制的另一个实现是插头负载控制应用.插头负载控制可通过特殊插座（即智能插座）实现对开关设备的远程控制。如今，针对DSLM提议的将智能插座集成到建筑物电源管理系统中已在许多学术研究和商业应用中得到了实际实现，并且许多产品作为可用于通过无线通信协议（如Wi-Fi和ZigBee）进行插头负载控制的智能插座在市场上有售。拟议的智能建筑电源管理系统提供以下创新：

（1）通过智能插座技术进行的家用直流配电在智能电网中执行DSLM，具有直流配电的优势，例如易于控制和可再生能源集成，更好的电压稳定性，更安全的健康状况，更符合HEA的电源要求。

（2）拟议的系统可以与动态电价条件以及分布式家用可再生能源发电和存储系统结合使用。这对于未来的智能电网趋势非常重要。

（3）尽管在学术和商业应用中无线通信在分布式插头负载驱动中占据主导地位，但我们还是建议在家用DC配电上进行电力线通信以进行设备通信。因为，电力线通信技术减少了建筑物内的电磁干扰和辐射，因此成为一种更健康的解决方案。

（4）当此电压水平成为HEA制造商的标准时，我们建议在六点DC智能插座上提供三个插座电压水平，以为HEA提供任何转换器。这使得HEA的形状更紧凑，重量更轻，价格更便宜，因此它们不包含功率转换器单元。插座设计还为常规HEA提供了常规AC插座。由于采用了微控制器和通信技术，建议的DC智能插座可以执行内置程序以进行故障预防和功耗监控。当HEA卸载DC或AC插座或使之过载时，智能插座会切换电源。这使建筑物的配电更加安全和节能。

（5）提出的插头负载控制技术需要一种负载消除算法来管理消费者舒适度和经济约束之间的折衷。我们提出了一种自适应减载算法，以限制动态电价方面的国内电力需求。该算法从家用可再生发电机和储能中提取能量，以满足建筑物的需求，并对从电网购买的能量执行插头负载驱动。

减载操作主要用于克服配电系统中发生突发事件后的发电和功耗不平衡问题。电力系统故障，瞬时负载变化和发电不足会导致发电与负载之间的功率不匹配。减载是指以较低的优先级放弃一定量的负载以保持系统稳定性的过程.Laghari等人提供了有关当代减载算法的详细调查。减载分为三大类：常规算法，自适应算法，以及基于计算智能的算法传统的减载方法可以快速降低交流频率 和电压不稳定性.基于计算智能的方法将智能计算和优化技术用于意外事件检测和最佳响应。自适应方法响应计划外事件，并执行预定义的负载控制策略以达到功率平衡。尽管开发了减负荷方法来对包含发电机和负荷母线的配电系统进行应急管理，但如今，减负荷方法被认为是建议用于智能建筑中的DSLM操作的方法。 在负载控制策略中考虑了经济限制，电源可靠性，用户舒适度，生产率损失

这项研究提出了一种家用直流配电系统的概念，其中包含智能电表（SM），可再生能源和存储系统以及智能插座，如图所示。图。1(a).该概念通过直接负荷控制技术实施电价自适应减负荷算法，从而提供了需求灵活性，并支持将家用可再生能源发电机（太阳能和低功率风力涡轮机）集成到智能建筑中。插座的DC插座设计用于为HEA的三种功率要求（低-中-高）提供DC电源。智能插座包括通过电力线通信技术与SM通讯 因此，它根据廉价的电网能源或肥沃的可再生能源的可用性执行DSLM操作。我们举例说明了基于最大功率控制方案的减载算法，以稳定住宅中的能源成本。该算法通过对智能插座的直接控制，根据用户优先级和HEA的功率级别放弃了HEA。所提出的算法不包括复杂的优化技术以考虑经济和技术约束来提供最佳负载控制，但是，它可以根据用户优先级以低计算量的方式提供最大数量的HEA。复杂性简单且高度可行。在实时定价的情况下，它始终将建筑物的能源成本保持在低于用户定义的能源支出限制以下。显示了智能电表中可再生能源集成的电气方案。连续直流能量混合方法用于将可再生能源系统集成到120 V DC总线可再生能源系统的输出配置为130 V DC

C. Keles等。/电力与能源系统64（2015）679–688 681

a

银行

交流240V

聪明

直流400v 仪表

120 V DC分配

直流插座

b 智能电表中的连续直流能量混合

交流240 V

直流母线（120 V）

直流电

交流电

交流240 V

交流电 直流电

直流120 V

格网

直流电

直流400 V

直流电

家用可再生能源发电和储能系统

智能插座

为了优先考虑可再生资源的能源利用。在可再生能源系统的有效时间内，可再生能源系统提供的直流电压大于120 V，因此建筑物的需求由可再生能源系统提供。如果可再生能源发电不足以满足建筑需求，则可使用电网提供的能源来解决能源短缺问题。直流连续能量混合在间歇性和波动性可再生能源发电下提供令人满意的交流电压稳定性。

住宅智能电源管理和直流配电

如今，直流配电已经发现了许多具有不同电压等级和额定功率的应用。直流配电系统可能具有包含两个转换器和一个直流链路的简单结构，例如高压直流系统[30]，或具有并联连接的转换器的复杂结构，该转换器既用于连接到能源，又用于提供负载，如在船舶动力系统中[31–33] 和混合动力汽车[34,35].具有高速开关技术的功率转换器促进了更复杂的直流配电系统的发展。转换器是直流配电系统的基本组件，因此它们可以调节和稳定整个配电网络的电压水平[36].

在最近的许多工作中已经提出了使用借助于家庭网络设备的直接控制方案的家庭电源管理系统。[18–20,37–44].基于微控制器（MCU）智能能源管理设备仅通过打开/关闭即可控制潮流[41,42].另一项理论研究提出了基于许多分散部分的智能家居能源系统概念，包括智能电表，智能插座/开关，并网设备控制器，智能交互式终端和其他智能设备[43].当前的研究提出了一种包含智能插座的家用直流配电概念。图2显示了拟议中的用于智能房屋的家用直流配电系统的示意图。SM是家庭配电和电源管理系统的核心[45].SM是包含电力线通信单元，控制器，测量单元，整流器和逆变器的智能设备。它可以执行与家用电源管理有关的所有控制和通信操作。因此，SM可以用作智能电网中的基本家用电源管理设备。拟议的DC / AC插座智能插座由住宅的SM通过电力线通信控制。如今，可以通过使用监督控制和数据采集（SCADA）技术来实现SM和智能插座，因此，智能插座已成为局域分散负载控制方案的分布式外围设备，并成为智能房屋能源管理系统的基本组件之一。这种通信控制电源基础设施允许开发智能电源应用，以提高能效，电源可靠性和需求弹性。可以通过智能插座执行实现减载算法的直接负载控制，这使得减载成为可能，从而节省了能源时间。消费者需求的这种弹性极大地促进了间歇性可再生能源向电网的渗透[46].提出的插座包含具有所需HEA电压电平的DC / DC电源转换，因此电源转换变得更加标准化，可控制和可管理。国内直流配电促进了家庭混合可再生能源系统（太阳能和风），以便它们可以直接集成到直流配电系统中[47].因此，DC配电支持未来智能电网的高效，清洁，分散式微型发电[48]图3（a）显示了智能插座概念的功能框图。电力线通信模块与SM通信并将SM命令传送到微控制器。

家用电源管理系统

交流240V

A B

直流零线48V

5V

120V

F

C

E D

G

国内储存

国内可再生能源

直流120v

直流400v

直流配电网

房屋分配

交流240V

交流240V

智能插座

智能电表

交流配电网

图2.智能住宅的家用电源管理系统架构。

a

智能插座

设备优先级底部

P1 P2 P3关

电力线通信

数据总线

地面

微控制器单

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