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微电网概念下家庭自发电系统及其初级验证方案设计摘要为提高家庭环境电能的利用效率实现节能目的，作者设计了一种基于微电网概念的家庭自发电系统，简略介绍了系统的功能结构，提出了一种初级的系统验证方案。
关键词微电网；家庭自发电；初级验证方案中图分类号x7 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）35-0049-020 引言随着“智能电网”的发展，家庭环境背景下电能的高效使用成为一个新的热点，而“微电网”概念的提出为此指明了一条有效地道路，2002年美国电力可靠技术解决方案协会（certs）全面介绍了“微电网”的概念：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，他可以提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求[1]。
但是因为当前微电网技术在国内还不成熟，家庭自发电系统作为“微电网”在家庭环境下的过渡型技术，与后者相比简化或者绕过了某些技术难题，是当前最为合适的选择。
1 总体设计方案一个完整/高级的家庭自发电系统从空间结构上包括系统控制单元、发电单元和用电单元3部分，其系统结构框图如下图1。
如图1所示：完整/高级的家庭自发电系统以系统控制器为核心，通过风光温互补发电单元实现电源供应，通过对储电池组的充放电控制实现电能储存，通过切换器切换功率负载实现电能的消耗或并网销售。
通过对家用电器交直流供电方式的选择控制实现电能的高效使用。
这些功能的实现因技术因素的限制只能在未来5~10年内实现，具体分析如下：在发电单元，当前风、光、温发电模块实际发电效率低下，而且其产品设计思想保守，成品单一。
在未来，家居建筑在设计初期就必须考虑到高级的家庭自发电系统的设计安装冗余，例如建筑外形多为多体楼结构，楼体之间因空气对流造成一定功率的风场，家庭风力发电设备即安装与此，建筑表面贴装采用集成了光伏发电片的新型陶瓷材料，温差发电片大型化、模块化，充分利用周围环境中游离的每一份能源。
电子产品世界基于微能量采集技术的无源物联网研究与应用Research and implementation of Passive IoT based on energy harvesting technique韩昕钰 （深圳康佳电子科技有限公司，深圳 518057）摘 要：基于微能量采集技术设计一款无源、无线智能开关。
微能量(光能)采集使用E-PEAS的 AEM1094方案，蓝牙使用凌思微的LE5010方案。
实验证明本文设计的无源、无线智能开关具备环境部署的便利性也拥有极高的可靠性和稳定性。
关键词：无源物联网；微能量采集技术；AEM10941；LE5010在现代社会，智能化已经成为一种趋势，无线智能物联网已在各行业部署，其连接规模高速增长。
在过去的3年中，2020年物联网连接数达到113亿，直至2022年增加到160亿，预计在2025年连接数将突破270亿。
然而，无线物联网生态为用户提供了极大便利的同时，大规模场景部署仍然受到环境、成本、节能环保等因素限制，传统供电方式已无法满足需求。
1 无线物联网背景1.1 物联网通讯背景自2010至今，无线物联网核心研究除了提高更高效的通讯方式，扩大更广泛的部署领域外，降低终端节点的功耗也成为重要的一环，各通信组织、机构也为此陆续创新科技并提出相关标准。
全球通讯标准化组织(3GPP)提出了LTE CAT1、LTE CATM、NB-IoT标准，引入RedCap(缩减能力终端)成功降低了接入5G网络的物联网终端功耗。
LoRa联盟在LoRaWAN协议中规定ClassA/B/C三类终端设备类型支持所有低功耗设备进行快速场景部署。
Wi-Fi、蓝牙协会也推出低功耗技术来支持物联网发展，满足设备之间“一对一”、“一对多”和“多对多”的相互通讯。
1.2 物联网市场痛点目前，众多无线通讯设备的终端节点依旧通过电池或电源线供给能量(电能)，而这类供能方式在不同场景部署下暴露出的弊端制约了物联网向着更广阔的领域发展。
微电网中基于能量优化的负荷预测微电网（Microgrid）是一种由可再生能源、传统能源以及储能系统相互交互的电力系统。
与传统电力系统相比，微电网不仅能够提供电力供应功能，还能够实现更高效的能量利用和供需平衡。
为了实现微电网中能源的优化利用，负荷预测技术显得尤为重要。
负荷预测是指根据历史数据和环境条件，通过数学模型和算法预测未来一段时间内的用电负荷情况。
在微电网中，负荷预测可以为能源管理系统提供重要参考，从而实现能源的高效调配和运行控制。
本文将从微电网的概念、能量优化以及负荷预测的原理和方法等方面进行论述。
一、微电网的概念和特点微电网是一个相对独立的电力系统，由分布式能源、传统能源（如电网供电）以及能量储存系统组成。
与传统的集中式电力系统相比，微电网在规模上较小，通常覆盖一个小区域或一个建筑物。
微电网可以通过微型发电站（Micro Power Plant）或可再生能源设备（如太阳能光伏系统和风力发电机组）等方式进行电力供应。
通过灵活的能源转换和储存技术，微电网能够实现对电能的高效利用和供需的平衡。
二、微电网中的能源优化能源优化是指通过合理的能源配置和调度，最大限度地提高能源利用效率，减少能源浪费，从而实现能源的可持续发展。
在微电网中，能源优化是实现微电网特点和目标的核心。
通过对能源需求和供应情况进行分析和预测，能够更好地发挥微电网的优势。
在微电网中，能源的优化主要体现在以下几个方面：1. 多能源互补：微电网中的能源包括传统能源和可再生能源。
通过将不同类型的能源相互补充和转换，可以实现能源的高效利用。
例如，在太阳能光伏系统发电不足时，可以通过传统电网供电或使用储能系统进行补充。
2. 能源储存技术：微电网中的能源储存系统（Energy Storage System，简称ESS）能够将多余的能源进行储存，待需要时再释放。
这样一来，不仅能够减少能源浪费，还能够满足高峰期的能源需求。
常见的能源储存技术包括电池储能、压缩空气储能等。
基于大规模新能源接入的配电网协调控制策略研究作者：李加亮毕京斌来源：《无线互联科技》2024年第13期作者简介：李加亮（1987—），男，工程师，本科；研究方向：电力系统，新能源承载力和消纳能力分析。
摘要：文章分析了新能源接入对配电网的影响，包括电压波动、功率不平衡、谐波污染等，提出一种基于模型预测控制的优化调度方法。
该方法通过滚动优化和反馈校正，实现新能源发电和配电网负荷的实时匹配，降低了配电网的运行成本。
对所提出的协调控制策略仿真验证，结果表明该策略能够有效地平抑新能源发电的波动，提高配电网的电压稳定性和供电可靠性。
关键词：大规模；新能源；配电网；控制中图分类号：TP393 文献标志码：A0 引言随着全球能源结构的转变和可持续发展战略的深入实施，新能源拥有相应的协调控制策略以提高配电网的运行效率和稳定性［1-2］。
本文基于大规模新能源接入的配电网协调控制策略，通过深入分析新能源接入对配电网的影响机理，提出一种有效的协调控制策略，旨在实现新能源发电单元、储能单元和负荷单元之间的优化协调，提高配电网的供电可靠性和电能质量。
同时，本文还将探讨新能源接入下的配电网优化调度问题，以期为实现配电网的绿色、智能、高效运行提供理论支撑和实践指导［3-4］。
1 新能源接入对配电网的影响新能源的接入显著优化了配电网的能源结构。
过去，配电网主要依赖化石能源，不仅资源有限，而且环境污染严重［5-6］。
如今，风能、太阳能等可再生能源的接入，使得配电网的能源来源更加多样化、清洁化。
这不仅有助于缓解能源紧张的局面，更在推动环保事业、实现绿色可持续发展方面发挥积极作用。
新能源的接入也给配电网运行带来一系列挑战。
由于新能源发电具有间歇性和波动性，这使得配电网的供电可靠性和电能质量面临新的考验。
为应对这些挑战，配电网需要采用更加先进的运行控制技术，实现对新能源发电的精细化调度和管理。
同时，还需要对现有设备与系统完成升级和改造，以提高配电网对新能源的接纳能力和运行效率。
基于无线传感器网络的环境监测系统无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是一种利用无线通信技术和分散式传感器节点构成的自组织网络。
它通过无线传感器节点之间的协作，实时采集、处理和传输环境信息，具有广泛的应用前景。
基于无线传感器网络的环境监测系统可以对环境参数进行实时监测和数据采集，用于环境保护、资源管理、灾害预警等领域。
一、无线传感器网络的工作原理无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，这些节点通常由微处理器、传感器、无线通信模块和电源组成。
它们通过无线通信创建一个自组织、分布式的网络，在监测区域内部署形成感知层。
传感器节点通过感知环境参数（如温度、湿度、光照强度等）并将数据通过网络传输给基站，形成一个数据收集层。
基站作为数据的汇集和处理中心，负责数据的存储、处理和分析，同时可以与其他网络进行连接，如互联网，形成一个应用层。
在无线传感器网络中，传感器节点通常由两种方式工作：协同式和分布式。
在协同式工作模式下，节点之间通过协作来完成共同的任务，例如数据的传输和处理。
而在分布式工作模式下，节点独立地执行任务，节点之间不会进行通信。
这两种工作模式的选择取决于具体的应用场景和需求。
无线传感器网络自组织的特点使得它具有灵活性、可扩展性和自适应性。
传感器节点可以动态地加入或离开网络，使得网络能够自动适应环境的变化。
此外，无线传感器节点通常采用低功耗设计，以延长其工作寿命。
二、环境监测系统的设计与实现基于无线传感器网络的环境监测系统的设计和实现可以分为硬件部分和软件部分。
硬件部分主要包括传感器节点的选择和部署、数据采集和传输设备等。
在选择传感器节点时，需要根据具体的监测需求选择适合的传感器类型，例如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
传感器节点的部署需要考虑监测区域的大小和形状，以及节点之间的通信距离和信号强度。
数据采集和传输设备负责节点之间的数据传输和接收，如无线通信模块和基站设备。
基于分布式能源与电池储能系统的微电网规划与优化微电网是一种基于分布式能源与电池储能系统的智能电力系统，可以实现电力的自给自足、高效利用和灵活运营。
在当前能源转型和可再生能源发展的背景下，微电网的规划与优化显得尤为重要。
本文将从微电网规划和优化的角度，探讨分布式能源与电池储能系统的应用，以及在实际运行中的优化方法和技术。
微电网规划的第一步是选择适当的分布式能源和储能设备。
分布式能源包括风能、太阳能、地热能等，储能设备则包括锂离子电池、超级电容器等。
选择合适的分布式能源和储能设备需要考虑能源资源的可利用性、经济性，以及系统的可靠性和稳定性。
此外，还需要考虑到电力需求和负荷特性，以及系统的容量和功率的匹配。
通过分析和模拟，可以得出最优的能源和储能设备配置方案，从而实现微电网的规划。
微电网的优化是指在实际运行中，通过各种技术手段提高系统的能源利用效率、降低系统的运营成本，提高系统的可靠性和稳定性。
优化的方法包括能源预测与调度、负荷管理与优化、电池储能系统的控制策略等。
能源预测与调度是指通过对能源供应和负荷需求的预测，提前制定供需平衡的调度策略。
这需要根据历史数据和天气预报等信息，建立准确的能源供需模型，并根据模型结果制定供电计划。
例如，根据天气情况调整风力发电和太阳能发电的输出功率，以保证充足的能源供应。
负荷管理与优化是指通过控制负荷侧的用电需求，实现能源的灵活利用和优化调度。
通过调整电器设备的开关和使用时间，合理安排负荷的使用，可以平衡供需关系，提高系统的能源利用率。
此外，通过智能电网技术和用户行为分析等手段，还可以实现电力需求的预测和优化，在用电高峰期间进行负荷调整，以降低系统的运营成本。
电池储能系统的控制策略是微电网优化中的关键环节。
电池储能系统可以在高能耗时段储存电能，在低能耗时段释放电能，以平衡能源供需。
通过智能充放电控制策略，可以实现电池的最佳功率调度，延长电池寿命，提高储能效率。
此外，还可以通过与电网的互动，参与电力市场交易，实现电力的优化配置和价值最大化。
基于微能源自供电的无线预警系统摘要：作品以北京市内涝灾害严重的下凹式立交桥为例,提出一种基于微能源自供电技术的无线预警系统，该无线传感器网络包括监测器模块、升降式路障、微能源自供电模块等。
监测器通过安装传感器采集相关数据，并通过无线模块将这些数据发送给智能控制器，智能控制器将对数据进行分析，将积水水深的实时信号发送给LED 显示屏和指挥中心，智能控制器与指挥中心采用交互的方式来控制升降式路障。
该无线传感器网络利用可再生能源技术配合蓄电池储能来实现微能源自供电。
作品以结点微能源自供电为研究对象，分别从微能源采集、能量存储和能量供给3 方面对无线传感器网络中的微能源自供电技术展开研究，提出解决无线传感器能源问题要从能量采集入手，通过高效存储和节能降耗等技术使传感器结点实现能量自给自足。
关键词：微能源自供电无线传感器网络能源采集升降式路障1、前言2012年7月21日，北京市遭遇新中国成立以来罕见的一场暴雨灾害，全市16小时平均降雨量170mm，城区平均215mm，房山区平均30lmm．全市最大点房山区河北镇达541mm，超过500年一遇，城区最大点石景山区模式口为328mm，达到100年一遇。
房山等重灾区多条河流暴发山洪，局部地区发生泥石流灾害，其中北运河北关拦河闸最大洪峰流量1200m3/s，并启动分洪闸向潮白河分洪，拒马河最大洪峰流量达到2570m3/s，为近50年来少有。
由于在城市建设之初，下水道的排水管道设计标准较低，同时下水道中排水设计老化，与此同时地下空间不断被占据，在系统升级方面面临诸多困难。
当面临像北京“7·21”一样的极端恶劣天气时，雨水来不及通过下水道流走，从而使立交桥下迅速汇集大量雨水，在地表形成径流。
本课题针对这样的背景开发设计了一种用于立交桥下路面积水的微能源自供电无线预警系统。
2、主要研究内容本系统的目的在于针对北京市内涝现象严重给市民带来诸多不便，提供一种用于立交桥下路面积水的微能源自供电无线预警系统。
该无线传感器网络包括监测器模块、升降式路障、LED显示屏、微能源自供电模块等。
监测器通过安装传感器采集相关数据，并通过无线模块将这些数据发送给智能控制器，智能控制器将对数据进行分析，将积水水深的实时信号发送给LED显示屏和指挥中心，智能控制器与指挥中心采用交互的方式来控制升降式路障。
该无线传感器网络利用可再生能源技术配合蓄电池储能来实现微能源自供电。
作品以结点微能源自供电为研究对象，分别从微能源采集、能量存储和能量供给 3 方面对无线传感器网络中的微能源自供电技术展开研究。
关于微能源采集部分我们利用太阳能和雨水结合的方式来采集，利用蓄电池储能，通过“即采即用”和“转存使用”相结合的方式进行微能源的供给。
3、微能源自供电系统以结点微能源自供电为研究对象，分别从微能源采集、能量存储和能量供给3 方面对无线传感器网络中的微能源自供电技术进行研究。
为解决无线传感器能源问题要从能量采集入手，通过高效存储和节能降耗等技术使传感器结点实现能量自给自足。
3.1 微能源采集微能源技术所采集的能源范围十分广泛，包括物质空间里各种可利用的能源，例如光能、热能、风能、振动能、化学能等。
本作品运用光伏发电和立交桥上桥至下桥管道中的雨水发电相结合的方式进行微能源供电。
3.1.1 水光互补发电系统由于利用水流下降的速度和太阳能发电都很难保证长时间稳定，甚至是不连续的。
为改善供电的稳定性，可以利用白天光照强，夜间或阴天光弱，但是往往北京不是很多雨的，因此把水力发电和光伏发电结合起来，组成互补系统来供电。
水光互补发电系统的主要特点是：1、弥补独立发电系统的不足，提供更加稳定的电能。
2、针对立交桥这一实体，充分利用空间，实现地面与高空的合理利用。
3、利用二极管的单向导电性，可以在太阳能充电时避免出现反接。
4、蓄电池采用充放电保护模块进行设计，提高电池使用寿命，同时保证在对电池进行充电的同时其也能进行放电，防止蓄电池充电时不能供电而造成系统故障。
水光互补发电系统的不足：1、与单一系统相比，系统设计较为复杂，对于控制要求较高。
2、水能和太阳能在时间上的互补特性随地区不同差异大，有时难以保证完全的连续稳定供电。
3.1.2 雨水的采集雨水采集装置如左图所示，该装置中：1、发电机2、隔板3、左出水管4、滤网5、连接螺母6、上出水管7、右出水管原理：利用立交桥原有下水管进行改造，在原管道6的下部加发电装置，通过螺母5进行连接，4固定在出水管1与隔板2上，发电机1固定于左出水管的底部。
特点：本装置可以有效利用出水管中雨水下落的能量，且对于雨水的排放不会产生很大的影响。
当雨水较少时，雨水可以通过滤网4从左出水管冲击水轮进行发电，当雨量较多时，左出水管饱和，此时雨水可以通过右出水管进行排水，从而不影响雨水的正常排放。
实验探究与实验结论：为了验证本雨水发电装置的发电性能，我们对于本作品进行了性能测试的实验，分析该装置的发电效率。
取样参数分别是发电电压、发电电流和发电功率。
表1：采样时间（ｓ）发电电压（Ｖ）发电电流（Ａ）发电功率（Ｗ）0 0 0 00.5 1.1 0.05 0.0551 1.9 0.09 1.8811.52.5 0.12 0.302 3 0.16 0.482.53.2 0.20 0.643 3.1 0.20 0.623.5 3.2 0.20 0.644 3.3 0.21 0.694.5 3.1 0.19 0.595 3.2 0.20 0.645.5 3.1 0.20 0.626 3.1 0.20 0.626.5 3.2 0.20 0.647 3.1 0.19 0.597.5 3.1 0.2 0.628 2.8 0.17 0.4768.5 3.2 0.2 0.649 3.2 0.2 0.649.5 3.1 0.2 0.6210 3.1 0.2 0.62 采用流量为50m/s，采样时间间隔为0.5s,进行水轮实验。
从上表可知，经过连续10s的发电，得到以下的发电曲线，如下图所示发电量Ｗ，即上图阴影部分的面积，计算如下：则 6.1（J）以不同的流速流下流量mL/s稳定功率输出能量J0 0 016.7 0.049 4.733.3 0.39 3.550 0.64 6.167.7 0.85 8.283.3 0.945 9.3100 0.945 9.2116.7 1.05 10.3133.3 1.08 10.1150 1.07 9.7本实验计算了在发电维持10s之内不同流量下得到的稳定功率和输出能量。
根据上表，实验的曲线如下图：从上图中可以看出，流量在逐渐增大的过程中，发出的电能上升的速度较快，当水流流量大于60的时候，发电机输出的能量趋于稳定状态，同时也是最大值。
3.1.3 太阳能的采集自然界中，太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源，太阳能电池就是利用光生伏特效应制作的半导体器件，又称光伏器件。
与传统化学电池相比，太阳能电池在转化效率、设备搭建、环境保护等方面具有无可比拟的优势。
太阳能电池功率密度较高，每 cm2可获取 mW 级的能量。
因此，在为结点设计采能装置时，应该优先考虑采用太阳能。
上图是我们在前人的基础上提出的为无线传感器结点供电的光伏采能设计方案。
单体的光伏电池，其输出电压都较低（一般在1 V 以下）。
为提高充电电压，可将多个光伏电池串联组成太阳能组件，单位时间内采集足够多的光能，保证常规日照条件下锂电池完全充满电。
当雨水发电不足的时候，系统将不能安全正常的工作，基于这方面的考虑，本系统利用太阳能进行充电，增加能源的互补利用，从而保证系统的正常工作。
3.2 能量的存储无线传感器微能源储能环节是指在无线传感器结点工作时高效率地进行充电及储存。
从周围环境采集到各种类型的能源，须进行高效长期地储存，才能保证无线传感器网络持续工作。
雨水的能量与太阳能随季节、时间、天气等条件的变化差异很大，为保证供电质量，在单独发电或互补发电系统中都必须配备储能环节。
我们使用铅酸蓄电池的化学储能。
3.3 能量的供给无线传感器网络微能源供电环节，在采集的能量转换成电能并储存后，必须通过有效的管理才能连续高效地为传感器结点供电；同时，只有降低能耗才能进一步延长网络的生命周期，充分利用采集和储存的能量。
随着无线传感器网络微能源自供电研究的不断深入，结点的供电方式正向着多级能源复合供电的方向发展，复合式供电已逐渐成为无线传感器结点的主流供电技术。
针对本作品中太阳能、水能等能源，我们认为其供电技术可分为如下两种类型：（1）“即采即用”型：环境中的能量经元件采集后，立即或小延迟后即可为结点供电，如太阳能经光伏板采集后立即为结点提供能源；（2）“转存使用”型：环境中的能量经元件采集后，并不立即使用，而是先转存于其它储能元件中，作为储备能源供结点使用，如在光照充足时，光伏板发出的电能并非全部用于供电，一部分以化学能的形式先储存于锂离子—超级电容器中。
“即采即用”型供电受环境影响较大，在环境发生变化时，采能过程可能会受到干扰甚至中断；相比之下，“转存使用”型供电更加灵活、稳定，受环境影响小，主要接受供电电路控制。
4、监测系统利用单片机及外围接口电路设计制作一个超声波测距仪器，用NRF905无线模块来传输无线信号。
按照系统设计的功能要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、超声波发射和接收模块、NRF905无线模块共三个模块组成（如图1）。
单片机主控芯片使用51系列STC89C52RC单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
超声波发射模块和接收模块采用HC-SR04超声波测距模块，该模块性能稳定，测量距离精确，精度高，盲区（2cm）超近。
图2：超声波测距模块4.1 超声波模块超声波测距原理:通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。
这与雷达测距原理相似。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2）HC-SR04超声波测距模块HC-SR04模块可以提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm；可以满足设计要求。
模块工作原理：（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2模块特点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉尘和测量透明物体的环境下使用；超声波对电磁干扰不敏感，可在有电磁干扰等恶劣环境下工作；超声波易于集成化、小型化。
