基于家庭能耗計(jì)量裝置的需求側(cè)節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究

張競(jìng)博，吳 鍇，趙 媛，郭 立

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇 江陰 214431；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；3.東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091）

基于家庭能耗計(jì)量裝置的需求側(cè)節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究

張競(jìng)博1，吳 鍇2，趙 媛2，郭 立3

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇 江陰 214431；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；3.東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091）

選取西安市29戶家庭作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，基于電力線載波技術(shù)搭建了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，其中5戶安裝了家庭智能計(jì)量與顯示裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)時(shí)能耗信息反饋是否能夠引導(dǎo)人們減少家庭電力和天然氣的消費(fèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)能耗信息的實(shí)時(shí)反饋，家庭平均節(jié)電量為5.57%，平均節(jié)氣量為5.86%。

節(jié)能；需求側(cè)管理；電力線載波通信；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；智能電能表；需求響應(yīng)

當(dāng)前一種新的節(jié)能觀點(diǎn)開始廣受關(guān)注，即建立現(xiàn)代化的能源管理系統(tǒng)，從需求側(cè)對(duì)各種能源的使用進(jìn)行優(yōu)化配置，同樣可以達(dá)到明顯的節(jié)能效果，且成本更低，可持續(xù)性更久。文獻(xiàn)[1]闡述了用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)（UEMS）的概念，詳細(xì)介紹了家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）、樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）、企業(yè)能源管理系統(tǒng)（EEMS）的架構(gòu)、研究進(jìn)展情況，特別指出HEMS已經(jīng)具備應(yīng)用推廣的能力[1]。

在我國(guó)的能源消費(fèi)組成中，生活能耗僅次于工業(yè)能耗[2]。然而，美國(guó)的一些研究表明，家庭能源消費(fèi)的40%是被浪費(fèi)的。如：室內(nèi)無(wú)人時(shí)的制冷/加熱；調(diào)溫過(guò)程中的過(guò)度制冷/加熱；家用電器的停機(jī)或待機(jī)功率消耗；追求不必要的高能耗設(shè)備等[3,4]。信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭能耗成為現(xiàn)實(shí)，智能計(jì)量與顯示裝置是HEMS的重要組成部分，在電力需求響應(yīng)（demand response，DR）中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[5]。能耗信息反饋是需求側(cè)激勵(lì)的有效手段，相關(guān)研究始于20世紀(jì)70年代[6]。實(shí)時(shí)能耗反饋是一個(gè)相對(duì)較新的概念，但成熟的家庭實(shí)時(shí)能耗計(jì)量與顯示裝置在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家卻已經(jīng)開始普及。如：power cost monitor（PCM）、the energy detective（TED）、cent?A?meter、Wattson等。現(xiàn)有研究表明，對(duì)用戶進(jìn)行家庭能耗實(shí)時(shí)顯示的反饋激勵(lì)節(jié)能效果可以達(dá)到4%～12%[6]。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于我國(guó)城市家庭的能耗智能計(jì)量與顯示裝置，并利用該裝置進(jìn)行了一次需求側(cè)節(jié)能實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而驗(yàn)證了在我國(guó)進(jìn)行實(shí)時(shí)能耗信息反饋節(jié)能的可行性。

1 家庭能源管理系統(tǒng)

需求側(cè)管理（demand side management,DSM）起源于電力行業(yè)，指通過(guò)采取有效的激勵(lì)措施，引導(dǎo)電力用戶改變用電方式，提高終端用電效率，優(yōu)化資源配置，改善和保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)最小成本電力服務(wù)[7]。DSM具有節(jié)約電力資源和降低峰荷的巨大潛力[8]。我國(guó)的DSM起步晚，需要學(xué)習(xí)國(guó)際上成功的DSM經(jīng)驗(yàn)，大力推動(dòng)DSM工作的開展，積極支持各種節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)和推廣[9]。家庭能源管理系統(tǒng)HEMS是DSM的一種具體實(shí)現(xiàn)方式。文獻(xiàn)[1]和[10]分別給出了HEMS的一般架構(gòu)和典型實(shí)現(xiàn)方案。

1.1 家庭智能計(jì)量與顯示裝置

家庭智能計(jì)量與顯示裝置通常被稱為ECI（energy consumption indicator）、RTM（real time monitor）、IHD（in?home display），屬于AMI（advanced metering initiatives）的框架范疇。美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）對(duì)AMI的定義是：一種能夠按小時(shí)或更高頻率記錄用戶能耗量，并將數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至中心節(jié)點(diǎn)的計(jì)量系統(tǒng)[11]。ECI經(jīng)歷了從累積電能表（accumulation meters）到分時(shí)電能表（interval meters），再到智能電能表（smart meters）的發(fā)展過(guò)程，體現(xiàn)了人們要求明確和管理能源消費(fèi)的需求。總的說(shuō)來(lái)，ECI可以在HEMS中發(fā)揮信息匯總和實(shí)時(shí)反饋的作用，特別是對(duì)控制高峰負(fù)荷、降低總體能耗有潛在的促進(jìn)作用[12]。

ECI包含采集和顯示兩大功能。首先從數(shù)據(jù)采集的途徑考慮，主要有數(shù)據(jù)線、電力線載波（power line carrier，PLC）、zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)3種方式。數(shù)據(jù)線方式需要額外進(jìn)行布線，用戶接受程度低；zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度較大，對(duì)系統(tǒng)其他配套器件的要求高，成本難以控制；電力線載波不需要額外布線，在一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸不易受干擾。相比較而言，目前基于PLC的產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛，但由于我國(guó)市場(chǎng)上目前還缺乏相關(guān)產(chǎn)品，而國(guó)外的系統(tǒng)設(shè)備也不適用于我國(guó)電力環(huán)境[13]，為此本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套能夠?qū)崟r(shí)采集家庭用電和用氣信息并進(jìn)行多功能顯示的裝置。G Wood等人研究和討論了ECI的界面設(shè)計(jì)問(wèn)題[14]，提出3條原則[15]。

1.2 能耗信息反饋的節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究

圖1 用戶側(cè)能耗信息反饋節(jié)能實(shí)驗(yàn)

針對(duì)能耗信息反饋的節(jié)能研究始于20世紀(jì)70年代，能源危機(jī)時(shí)期的實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)定期（每周、每月）寄送家庭能耗賬單或報(bào)告，其中附帶簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)、對(duì)比或消費(fèi)金額等結(jié)果，研究對(duì)象包括家庭用電，以及用氣或用水等。研究時(shí)間通常較長(zhǎng)，以年為單位，參與家庭數(shù)的規(guī)模也較大，多為某一地區(qū)上百戶家庭。能耗信息反饋屬于結(jié)果導(dǎo)向的行為干預(yù)節(jié)能方式。1990年Geller等人研究了包括信息反饋、節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)、合同承諾、目標(biāo)設(shè)定等多種干預(yù)方式，指出能耗信息反饋方式是最行之有效的干預(yù)方式，其作用機(jī)理被歸因?yàn)榛羲鞫餍?yīng)（Hawthorne Effect）[16]。

20世紀(jì)90年代后期，信息反饋的載體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ玫碾娮釉O(shè)備，如：電視機(jī)或電腦顯示屏等。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，各種智能化的實(shí)時(shí)能耗計(jì)量與顯示裝置被開發(fā)出來(lái)，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的國(guó)家也越來(lái)越多，這一時(shí)期的信息反饋通常采用更短的固定時(shí)間間隔，如：每日、每小時(shí)、每15 min等。通常研究時(shí)間為若干月，參與家庭從幾戶到上百戶不等。除了研究信息反饋對(duì)傳統(tǒng)累積電量的節(jié)能效果之外，也有針對(duì)分時(shí)電價(jià)對(duì)峰谷時(shí)段能耗產(chǎn)生不同影響的研究[31]。同時(shí)，人們也開始關(guān)注影響信息反饋節(jié)能的因素，如：家庭收入、節(jié)能意識(shí)、房屋面積以及能耗信息反饋節(jié)能的持續(xù)性等。文獻(xiàn)[4]、[6]、[17]、[18]都對(duì)該類研究做了很好的綜述。至今，有文獻(xiàn)記錄的家庭能耗信息反饋節(jié)能實(shí)驗(yàn)共計(jì)57次，已在11個(gè)國(guó)家分別開展。將各時(shí)期主要的實(shí)驗(yàn)研究成果繪制成圖，如圖1所示[19—35]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)搭建

本文選取西安市3個(gè)典型住宅小區(qū)，分別記作A、B、C小區(qū)，首先搭建了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄表系統(tǒng)，用于采集2010年上述小區(qū)29戶家庭的歷史能耗數(shù)據(jù)。根據(jù)成本以及用戶意愿，自制的ECI裝置最終安裝于B小區(qū)的5戶家庭。

2.1 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

基于電力線載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通常采用三級(jí)架構(gòu)組成。首先采集多個(gè)用戶電能表數(shù)據(jù)至某一集中裝置，該集中裝置再與變壓器臺(tái)區(qū)中心通過(guò)電力線載波傳輸數(shù)據(jù)，而臺(tái)區(qū)中心則可通過(guò)電話線或無(wú)線方式與計(jì)算機(jī)管理中心進(jìn)行通信[36,37]。本文系統(tǒng)主要包括：①終端設(shè)備，即系統(tǒng)的PLC調(diào)制解調(diào)單元，包括載波計(jì)量表與采集終端2類；②載波數(shù)據(jù)集中器，即系統(tǒng)的PLC基站單元；③計(jì)算機(jī)控制中心。通過(guò)電話線撥號(hào)上網(wǎng)的方式，遠(yuǎn)程采集各小區(qū)集中器內(nèi)的數(shù)據(jù)。效果如圖2所示。

圖2 基于電力線載波的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

2.2 基于PLC的ECI

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)選用TPC7062K嵌入式一體化觸摸屏作為控制與顯示的核心模塊。基于PLC的ECI硬件結(jié)構(gòu)組成如圖3所示[38]。設(shè)備內(nèi)部各模塊通信采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU主從通信協(xié)議，電氣接口為RS485；通信波特率為9 600 bps；數(shù)據(jù)位位數(shù)為8位，起始位為1位，停止位為1位，無(wú)校驗(yàn)；最小采集周期為1 000 ms；通信等待時(shí)間設(shè)置為600 ms。

（1）嵌入式觸摸屏TPC7062K。核心為S3C2410 ARM9處理器，主頻400 MHz。內(nèi)存配置為64 M SDRAM，可存儲(chǔ)空間為128 M FLASH。觸摸屏為四線電阻式7英寸TFT液晶顯示屏，分辨率800×480。TPC7062K作為父設(shè)備與設(shè)定為不同地址的子設(shè)備（載波電能表、載波氣表、溫濕度傳感器）共同掛靠在RS485總線上。

（2）載波電能表、氣表。準(zhǔn)確度分別為0.01 kWh和0.01 m3，精度等級(jí)為1.0級(jí)，供電電壓為220 V±20%，訪問(wèn)間隔可以自行設(shè)定[39]。

（3）電力線載波數(shù)據(jù)集中器。主要包含載波通信模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊。載波通信模塊完成電力線上數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)，采用擴(kuò)頻通信技術(shù)與電能表、氣表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

（4）溫濕度傳感器。適當(dāng)?shù)臏貪穸雀郊有畔?huì)增加用戶對(duì)ECI的關(guān)注程度，從而有助于行為節(jié)能實(shí)驗(yàn)的開展。系統(tǒng)選用了FLEX1000溫濕度模塊。濕度測(cè)量范圍為0～100%，測(cè)量精度小于等于±2%；測(cè)溫范圍為-20℃～85℃，在室溫為25℃時(shí)的溫度測(cè)量精度為±0.3℃。

（5）開關(guān)電源。為其他模塊提供24 V直流穩(wěn)壓供電，輸入與電力載波集中器相連，接入220 V電力線，輸出分別接TPC7062K電源接口和FLEX1000溫濕度模塊。

2.2.2 軟件功能

顯示裝置的應(yīng)用程序基于MCGS組態(tài)軟件。MCGS嵌入式體系結(jié)構(gòu)包括運(yùn)行環(huán)境、組態(tài)環(huán)境和模擬運(yùn)行環(huán)境3部分。其中后兩者運(yùn)行于PC機(jī)上，用于程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，最終的工程文件通過(guò)USB接口下載到獨(dú)立的觸摸屏運(yùn)行環(huán)境中[40,41]。

應(yīng)用系統(tǒng)采集并顯示家庭每15 min的電力和天然氣消費(fèi)數(shù)據(jù)；繪制并顯示了采樣家庭每天、每周、每月、每年的能耗曲線；通過(guò)采集到的實(shí)時(shí)溫濕度信息，計(jì)算當(dāng)前室內(nèi)的人體舒適度；模擬采用階梯電價(jià)后的計(jì)費(fèi)效果，能耗費(fèi)率可以通過(guò)手動(dòng)輸入進(jìn)行更改；在遇到通信或停電重啟等故障時(shí)，程序設(shè)置了報(bào)警提示和故障記錄，連同采集到的有效數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在ECI內(nèi)部；所有數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為excel文件；主程序在停止操作15 min分鐘后自動(dòng)進(jìn)入屏保窗口，在保障持續(xù)顯示的同時(shí)最大限度減少了設(shè)備背景光亮對(duì)用戶日常生活的影響。應(yīng)用系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)組成圖

3 節(jié)能效果分析

式中：r為能耗增長(zhǎng)率，結(jié)果為正時(shí)表示能耗增加，結(jié)果為負(fù)時(shí)表示能耗降低；E2011（E2010）為2011（2010）年2月份的家庭耗電量或耗氣量。

從表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，2011年2月份城市家庭總體的能耗水平要高于2010年2月份的能耗水平，究其原因一方面可能是由于2011年的節(jié)假日更多，另一方面則跟2011年該月平均溫度較低相關(guān)。將表1中29戶家庭分為2組，即反饋家庭組和正常家庭組，分別計(jì)算單個(gè)家庭的能耗增長(zhǎng)率后，按組別取平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖4 應(yīng)用系統(tǒng)流程圖

入戶安裝日期為2011年1月30日，設(shè)備回收日期為2011年3月16日。實(shí)驗(yàn)分析的主要對(duì)象是2011年2月份各家庭能耗數(shù)據(jù)。本文分別提取各家庭2010年和2011年的能耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

其中裝有RTM的家庭編號(hào)為：USER2—USER6；其他家庭按照小區(qū)編號(hào)為A1—C8，共計(jì)24戶電能表，6戶氣表。不同的家庭具有不同的能耗量水平，只有采用能耗相對(duì)變化指標(biāo)才能真正反映出總體能耗的波動(dòng)情況，這里采用增長(zhǎng)率作為反應(yīng)節(jié)能效果的指標(biāo)，如式（1）所示

圖5 家庭實(shí)時(shí)能耗信息反饋節(jié)能效果圖

可以看到，無(wú)論是耗電量還是耗氣量，反饋家庭的平均能耗增長(zhǎng)率都低于正常家庭。排除抽樣誤差，顯著的差異說(shuō)明實(shí)時(shí)能耗信息反饋確實(shí)能夠起到一定的節(jié)能作用。假設(shè)這2組抽樣樣本來(lái)自相同的總體，具有相同分布函數(shù)和相等的能耗增長(zhǎng)率。當(dāng)其中一組被施加了實(shí)時(shí)能耗信息反饋1個(gè)月后，出現(xiàn)增長(zhǎng)率下降的現(xiàn)象，可以推斷這一激勵(lì)方式最終導(dǎo)致了5.57%的節(jié)電效果和5.86%的節(jié)氣效果。

4 結(jié)論與展望

本文主要完成的工作有：綜述了家庭能耗實(shí)時(shí)反饋節(jié)能實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究成果，搭建了基于電力線載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于我國(guó)的家庭智能計(jì)量與顯示裝置，開展了需求側(cè)節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，通過(guò)家庭能耗計(jì)量裝置實(shí)時(shí)信息反饋，可以達(dá)到5.57%的節(jié)電效果和5.86%的節(jié)氣效果。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，特別是面臨階梯電價(jià)的推廣，用戶側(cè)計(jì)量與顯示裝置也將被逐步更新?lián)Q代。加強(qiáng)人們對(duì)實(shí)時(shí)能耗信息的關(guān)注，有助于能耗意識(shí)的提高和生活習(xí)慣的改變，對(duì)促進(jìn)需求側(cè)管理和節(jié)能減排意義重大。本文的后續(xù)研究可酌情擴(kuò)大樣本量，針對(duì)不同用戶繼續(xù)論證實(shí)時(shí)能耗計(jì)量與顯示的節(jié)能效果和持續(xù)性。

表1 家庭能耗實(shí)時(shí)反饋行為節(jié)能實(shí)驗(yàn)

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Experimental study on the demand side energy?saving based on home energy consumption indicator

ZHANG Jing?bo1,WU Kai2,ZHAO Yuan2,GUO Li3
（1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;3.Shandong Dongying Power Supply Company,Dongying 257091,China）

A remote automatic metering system based on PLC(Power line carrier)was built to collect the energy consump?tion data of 29 families in Xi’an.Then the self?made intelligent measurement and display devices were installed in 5 families.Ex?perimental results showed that the declinations of 5.57%electrici?ty and 5.86%gas can be obtained in the household with this infor?mation feedback device.

energy conservation;DSM;power line carrier;real?time monitoring;demand response

TM714

A

1009-1831（2012）06-0004-06

2012-07-06；修回日期：2012-09-04

張競(jìng)博（1984），男，山西運(yùn)城人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧皆O(shè)計(jì)開發(fā)；吳鍇（1969），男，陜西西安人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻^緣老化與破壞理論、局部放電機(jī)理及城市能源消費(fèi)系統(tǒng)；趙媛（1972），女，陜西西安人，博士，講師，研究方向?yàn)槌鞘心茉聪到y(tǒng)優(yōu)化；郭立（1983），男，陜西富平人，碩士，工程師，研究方向?yàn)槌鞘心茉聪到y(tǒng)優(yōu)化。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2009xjtuc11）