基于家庭能耗計量裝置的需求側節能實驗研究

張競博，吳 鍇，趙 媛，郭 立

（1.中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；3.東營供電公司，山東 東營 257091）

基于家庭能耗計量裝置的需求側節能實驗研究

張競博1，吳 鍇2，趙 媛2，郭 立3

（1.中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；3.東營供電公司，山東 東營 257091）

選取西安市29戶家庭作為數據采集對象，基于電力線載波技術搭建了遠程自動抄表系統，其中5戶安裝了家庭智能計量與顯示裝置，通過實驗驗證實時能耗信息反饋是否能夠引導人們減少家庭電力和天然氣的消費。實驗結果表明：通過能耗信息的實時反饋，家庭平均節電量為5.57%，平均節氣量為5.86%。

節能；需求側管理；電力線載波通信；實時監測；智能電能表；需求響應

當前一種新的節能觀點開始廣受關注，即建立現代化的能源管理系統，從需求側對各種能源的使用進行優化配置，同樣可以達到明顯的節能效果，且成本更低，可持續性更久。文獻[1]闡述了用戶側能量管理系統（UEMS）的概念，詳細介紹了家庭能源管理系統（HEMS）、樓宇能源管理系統（BEMS）、企業能源管理系統（EEMS）的架構、研究進展情況，特別指出HEMS已經具備應用推廣的能力[1]。

在我國的能源消費組成中，生活能耗僅次于工業能耗[2]。然而，美國的一些研究表明，家庭能源消費的40%是被浪費的。如：室內無人時的制冷/加熱；調溫過程中的過度制冷/加熱；家用電器的停機或待機功率消耗；追求不必要的高能耗設備等[3,4]。信息和網絡技術使得實時監控家庭能耗成為現實，智能計量與顯示裝置是HEMS的重要組成部分，在電力需求響應（demand response，DR）中發揮著關鍵作用[5]。能耗信息反饋是需求側激勵的有效手段，相關研究始于20世紀70年代[6]。實時能耗反饋是一個相對較新的概念，但成熟的家庭實時能耗計量與顯示裝置在歐美等發達國家卻已經開始普及。如：power cost monitor（PCM）、the energy detective（TED）、cent?A?meter、Wattson等。現有研究表明，對用戶進行家庭能耗實時顯示的反饋激勵節能效果可以達到4%～12%[6]。本文設計開發了一套適用于我國城市家庭的能耗智能計量與顯示裝置，并利用該裝置進行了一次需求側節能實驗，進而驗證了在我國進行實時能耗信息反饋節能的可行性。

1 家庭能源管理系統

需求側管理（demand side management,DSM）起源于電力行業，指通過采取有效的激勵措施，引導電力用戶改變用電方式，提高終端用電效率，優化資源配置，改善和保護環境，實現最小成本電力服務[7]。DSM具有節約電力資源和降低峰荷的巨大潛力[8]。我國的DSM起步晚，需要學習國際上成功的DSM經驗，大力推動DSM工作的開展，積極支持各種節能產品的研發和推廣[9]。家庭能源管理系統HEMS是DSM的一種具體實現方式。文獻[1]和[10]分別給出了HEMS的一般架構和典型實現方案。

1.1 家庭智能計量與顯示裝置

家庭智能計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。美國聯邦能源管理委員會（FERC）對AMI的定義是：一種能夠按小時或更高頻率記錄用戶能耗量，并將數據通過通信網絡傳送至中心節點的計量系統[11]。ECI經歷了從累積電能表（accumulation meters）到分時電能表（interval meters），再到智能電能表（smart meters）的發展過程，體現了人們要求明確和管理能源消費的需求。總的說來，ECI可以在HEMS中發揮信息匯總和實時反饋的作用，特別是對控制高峰負荷、降低總體能耗有潛在的促進作用[12]。

ECI包含采集和顯示兩大功能。首先從數據采集的途徑考慮，主要有數據線、電力線載波（power line carrier，PLC）、zigbee無線網絡3種方式。數據線方式需要額外進行布線，用戶接受程度低；zigbee無線網絡的設計難度較大，對系統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，在一定范圍內的數據傳輸不易受干擾。相比較而言，目前基于PLC的產品應用最為廣泛，但由于我國市場上目前還缺乏相關產品，而國外的系統設備也不適用于我國電力環境[13]，為此本文設計開發了一套能夠實時采集家庭用電和用氣信息并進行多功能顯示的裝置。G Wood等人研究和討論了ECI的界面設計問題[14]，提出3條原則[15]。

1.2 能耗信息反饋的節能實驗研究

圖1 用戶側能耗信息反饋節能實驗

針對能耗信息反饋的節能研究始于20世紀70年代，能源危機時期的實驗主要通過定期（每周、每月）寄送家庭能耗賬單或報告，其中附帶簡單的統計、預測、對比或消費金額等結果，研究對象包括家庭用電，以及用氣或用水等。研究時間通常較長，以年為單位，參與家庭數的規模也較大，多為某一地區上百戶家庭。能耗信息反饋屬于結果導向的行為干預節能方式。1990年Geller等人研究了包括信息反饋、節能獎勵、合同承諾、目標設定等多種干預方式，指出能耗信息反饋方式是最行之有效的干預方式，其作用機理被歸因為霍索恩效應（Hawthorne Effect）[16]。

20世紀90年代后期，信息反饋的載體逐漸轉變為專用的電子設備，如：電視機或電腦顯示屏等。隨著通信技術的進步，各種智能化的實時能耗計量與顯示裝置被開發出來，開展相關實驗研究的國家也越來越多，這一時期的信息反饋通常采用更短的固定時間間隔，如：每日、每小時、每15 min等。通常研究時間為若干月，參與家庭從幾戶到上百戶不等。除了研究信息反饋對傳統累積電量的節能效果之外，也有針對分時電價對峰谷時段能耗產生不同影響的研究[31]。同時，人們也開始關注影響信息反饋節能的因素，如：家庭收入、節能意識、房屋面積以及能耗信息反饋節能的持續性等。文獻[4]、[6]、[17]、[18]都對該類研究做了很好的綜述。至今，有文獻記錄的家庭能耗信息反饋節能實驗共計57次，已在11個國家分別開展。將各時期主要的實驗研究成果繪制成圖，如圖1所示[19—35]。

2 實驗設計與系統搭建

本文選取西安市3個典型住宅小區，分別記作A、B、C小區，首先搭建了遠程數據抄表系統，用于采集2010年上述小區29戶家庭的歷史能耗數據。根據成本以及用戶意愿，自制的ECI裝置最終安裝于B小區的5戶家庭。

2.1 遠程自動抄表系統

基于電力線載波的遠程抄表系統通常采用三級架構組成。首先采集多個用戶電能表數據至某一集中裝置，該集中裝置再與變壓器臺區中心通過電力線載波傳輸數據，而臺區中心則可通過電話線或無線方式與計算機管理中心進行通信[36,37]。本文系統主要包括：①終端設備，即系統的PLC調制解調單元，包括載波計量表與采集終端2類；②載波數據集中器，即系統的PLC基站單元；③計算機控制中心。通過電話線撥號上網的方式，遠程采集各小區集中器內的數據。效果如圖2所示。

圖2 基于電力線載波的遠程自動抄表系統

2.2 基于PLC的ECI

2.2.1 硬件結構

設計選用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硬件結構組成如圖3所示[38]。設備內部各模塊通信采用標準的Modbus RTU主從通信協議，電氣接口為RS485；通信波特率為9 600 bps；數據位位數為8位，起始位為1位，停止位為1位，無校驗；最小采集周期為1 000 ms；通信等待時間設置為600 ms。

（1）嵌入式觸摸屏TPC7062K。核心為S3C2410 ARM9處理器，主頻400 MHz。內存配置為64 M SDRAM，可存儲空間為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作為父設備與設定為不同地址的子設備（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。準確度分別為0.01 kWh和0.01 m3，精度等級為1.0級，供電電壓為220 V±20%，訪問間隔可以自行設定[39]。

（3）電力線載波數據集中器。主要包含載波通信模塊、電源轉換模塊、串口通信模塊。載波通信模塊完成電力線上數據的調制解調，采用擴頻通信技術與電能表、氣表進行通信，實現數據采集。

（4）溫濕度傳感器。適當的溫濕度附加信息會增加用戶對ECI的關注程度，從而有助于行為節能實驗的開展。系統選用了FLEX1000溫濕度模塊。濕度測量范圍為0～100%，測量精度小于等于±2%；測溫范圍為-20℃～85℃，在室溫為25℃時的溫度測量精度為±0.3℃。

（5）開關電源。為其他模塊提供24 V直流穩壓供電，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

顯示裝置的應用程序基于MCGS組態軟件。MCGS嵌入式體系結構包括運行環境、組態環境和模擬運行環境3部分。其中后兩者運行于PC機上，用于程序設計和調試，最終的工程文件通過USB接口下載到獨立的觸摸屏運行環境中[40,41]。

應用系統采集并顯示家庭每15 min的電力和天然氣消費數據；繪制并顯示了采樣家庭每天、每周、每月、每年的能耗曲線；通過采集到的實時溫濕度信息，計算當前室內的人體舒適度；模擬采用階梯電價后的計費效果，能耗費率可以通過手動輸入進行更改；在遇到通信或停電重啟等故障時，程序設置了報警提示和故障記錄，連同采集到的有效數據一起存儲在ECI內部；所有數據可以導出為excel文件；主程序在停止操作15 min分鐘后自動進入屏保窗口，在保障持續顯示的同時最大限度減少了設備背景光亮對用戶日常生活的影響。應用系統主程序流程圖如圖4所示。

圖3 硬件結構組成圖

3 節能效果分析

式中：r為能耗增長率，結果為正時表示能耗增加，結果為負時表示能耗降低；E2011（E2010）為2011（2010）年2月份的家庭耗電量或耗氣量。

從表1中的統計結果可以看出，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年的節假日更多，另一方面則跟2011年該月平均溫度較低相關。將表1中29戶家庭分為2組，即反饋家庭組和正常家庭組，分別計算單個家庭的能耗增長率后，按組別取平均值，結果如圖5所示。

圖4 應用系統流程圖

入戶安裝日期為2011年1月30日，設備回收日期為2011年3月16日。實驗分析的主要對象是2011年2月份各家庭能耗數據。本文分別提取各家庭2010年和2011年的能耗數據，統計結果如表1所示。

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

圖5 家庭實時能耗信息反饋節能效果圖

可以看到，無論是耗電量還是耗氣量，反饋家庭的平均能耗增長率都低于正常家庭。排除抽樣誤差，顯著的差異說明實時能耗信息反饋確實能夠起到一定的節能作用。假設這2組抽樣樣本來自相同的總體，具有相同分布函數和相等的能耗增長率。當其中一組被施加了實時能耗信息反饋1個月后，出現增長率下降的現象，可以推斷這一激勵方式最終導致了5.57%的節電效果和5.86%的節氣效果。

4 結論與展望

本文主要完成的工作有：綜述了家庭能耗實時反饋節能實驗的相關研究成果，搭建了基于電力線載波的遠程抄表系統，設計開發了適用于我國的家庭智能計量與顯示裝置，開展了需求側節能實驗研究。結果表明，通過家庭能耗計量裝置實時信息反饋，可以達到5.57%的節電效果和5.86%的節氣效果。

隨著智能電網的發展，特別是面臨階梯電價的推廣，用戶側計量與顯示裝置也將被逐步更新換代。加強人們對實時能耗信息的關注，有助于能耗意識的提高和生活習慣的改變，對促進需求側管理和節能減排意義重大。本文的后續研究可酌情擴大樣本量，針對不同用戶繼續論證實時能耗計量與顯示的節能效果和持續性。

表1 家庭能耗實時反饋行為節能實驗

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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

張競博（1984），男，山西運城人，碩士，工程師，研究方向為嵌入式設計開發；吳鍇（1969），男，陜西西安人，教授，博士生導師，研究方向為絕緣老化與破壞理論、局部放電機理及城市能源消費系統；趙媛（1972），女，陜西西安人，博士，講師，研究方向為城市能源系統優化；郭立（1983），男，陜西富平人，碩士，工程師，研究方向為城市能源系統優化。

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2009xjtuc11）