基于家庭能耗计量装置的需求侧节能实验研究

张竞博，吴 锴，赵 媛，郭 立

（1.中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；3.东营供电公司，山东 东营 257091）

基于家庭能耗计量装置的需求侧节能实验研究

张竞博1，吴 锴2，赵 媛2，郭 立3

（1.中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；3.东营供电公司，山东 东营 257091）

选取西安市29户家庭作为数据采集对象，基于电力线载波技术搭建了远程自动抄表系统，其中5户安装了家庭智能计量与显示装置，通过实验验证实时能耗信息反馈是否能够引导人们减少家庭电力和天然气的消费。实验结果表明：通过能耗信息的实时反馈，家庭平均节电量为5.57%，平均节气量为5.86%。

节能；需求侧管理；电力线载波通信；实时监测；智能电能表；需求响应

当前一种新的节能观点开始广受关注，即建立现代化的能源管理系统，从需求侧对各种能源的使用进行优化配置，同样可以达到明显的节能效果，且成本更低，可持续性更久。文献[1]阐述了用户侧能量管理系统（UEMS）的概念，详细介绍了家庭能源管理系统（HEMS）、楼宇能源管理系统（BEMS）、企业能源管理系统（EEMS）的架构、研究进展情况，特别指出HEMS已经具备应用推广的能力[1]。

在我国的能源消费组成中，生活能耗仅次于工业能耗[2]。然而，美国的一些研究表明，家庭能源消费的40%是被浪费的。如：室内无人时的制冷/加热；调温过程中的过度制冷/加热；家用电器的停机或待机功率消耗；追求不必要的高能耗设备等[3,4]。信息和网络技术使得实时监控家庭能耗成为现实，智能计量与显示装置是HEMS的重要组成部分，在电力需求响应（demand response，DR）中发挥着关键作用[5]。能耗信息反馈是需求侧激励的有效手段，相关研究始于20世纪70年代[6]。实时能耗反馈是一个相对较新的概念，但成熟的家庭实时能耗计量与显示装置在欧美等发达国家却已经开始普及。如：power cost monitor（PCM）、the energy detective（TED）、cent⁃A⁃meter、Wattson等。现有研究表明，对用户进行家庭能耗实时显示的反馈激励节能效果可以达到4%～12%[6]。本文设计开发了一套适用于我国城市家庭的能耗智能计量与显示装置，并利用该装置进行了一次需求侧节能实验，进而验证了在我国进行实时能耗信息反馈节能的可行性。

1 家庭能源管理系统

需求侧管理（demand side management,DSM）起源于电力行业，指通过采取有效的激励措施，引导电力用户改变用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置，改善和保护环境，实现最小成本电力服务[7]。DSM具有节约电力资源和降低峰荷的巨大潜力[8]。我国的DSM起步晚，需要学习国际上成功的DSM经验，大力推动DSM工作的开展，积极支持各种节能产品的研发和推广[9]。家庭能源管理系统HEMS是DSM的一种具体实现方式。文献[1]和[10]分别给出了HEMS的一般架构和典型实现方案。

1.1 家庭智能计量与显示装置

家庭智能计量与显示装置通常被称为ECI（energy consumption indicator）、RTM（real time monitor）、IHD（in⁃home display），属于AMI（advanced metering initiatives）的框架范畴。美国联邦能源管理委员会（FERC）对AMI的定义是：一种能够按小时或更高频率记录用户能耗量，并将数据通过通信网络传送至中心节点的计量系统[11]。ECI经历了从累积电能表（accumulation meters）到分时电能表（interval meters），再到智能电能表（smart meters）的发展过程，体现了人们要求明确和管理能源消费的需求。总的说来，ECI可以在HEMS中发挥信息汇总和实时反馈的作用，特别是对控制高峰负荷、降低总体能耗有潜在的促进作用[12]。

ECI包含采集和显示两大功能。首先从数据采集的途径考虑，主要有数据线、电力线载波（power line carrier，PLC）、zigbee无线网络3种方式。数据线方式需要额外进行布线，用户接受程度低；zigbee无线网络的设计难度较大，对系统其他配套器件的要求高，成本难以控制；电力线载波不需要额外布线，在一定范围内的数据传输不易受干扰。相比较而言，目前基于PLC的产品应用最为广泛，但由于我国市场上目前还缺乏相关产品，而国外的系统设备也不适用于我国电力环境[13]，为此本文设计开发了一套能够实时采集家庭用电和用气信息并进行多功能显示的装置。G Wood等人研究和讨论了ECI的界面设计问题[14]，提出3条原则[15]。

1.2 能耗信息反馈的节能实验研究

图1 用户侧能耗信息反馈节能实验

针对能耗信息反馈的节能研究始于20世纪70年代，能源危机时期的实验主要通过定期（每周、每月）寄送家庭能耗账单或报告，其中附带简单的统计、预测、对比或消费金额等结果，研究对象包括家庭用电，以及用气或用水等。研究时间通常较长，以年为单位，参与家庭数的规模也较大，多为某一地区上百户家庭。能耗信息反馈属于结果导向的行为干预节能方式。1990年Geller等人研究了包括信息反馈、节能奖励、合同承诺、目标设定等多种干预方式，指出能耗信息反馈方式是最行之有效的干预方式，其作用机理被归因为霍索恩效应（Hawthorne Effect）[16]。

20世纪90年代后期，信息反馈的载体逐渐转变为专用的电子设备，如：电视机或电脑显示屏等。随着通信技术的进步，各种智能化的实时能耗计量与显示装置被开发出来，开展相关实验研究的国家也越来越多，这一时期的信息反馈通常采用更短的固定时间间隔，如：每日、每小时、每15 min等。通常研究时间为若干月，参与家庭从几户到上百户不等。除了研究信息反馈对传统累积电量的节能效果之外，也有针对分时电价对峰谷时段能耗产生不同影响的研究[31]。同时，人们也开始关注影响信息反馈节能的因素，如：家庭收入、节能意识、房屋面积以及能耗信息反馈节能的持续性等。文献[4]、[6]、[17]、[18]都对该类研究做了很好的综述。至今，有文献记录的家庭能耗信息反馈节能实验共计57次，已在11个国家分别开展。将各时期主要的实验研究成果绘制成图，如图1所示[19—35]。

2 实验设计与系统搭建

本文选取西安市3个典型住宅小区，分别记作A、B、C小区，首先搭建了远程数据抄表系统，用于采集2010年上述小区29户家庭的历史能耗数据。根据成本以及用户意愿，自制的ECI装置最终安装于B小区的5户家庭。

2.1 远程自动抄表系统

基于电力线载波的远程抄表系统通常采用三级架构组成。首先采集多个用户电能表数据至某一集中装置，该集中装置再与变压器台区中心通过电力线载波传输数据，而台区中心则可通过电话线或无线方式与计算机管理中心进行通信[36,37]。本文系统主要包括：①终端设备，即系统的PLC调制解调单元，包括载波计量表与采集终端2类；②载波数据集中器，即系统的PLC基站单元；③计算机控制中心。通过电话线拨号上网的方式，远程采集各小区集中器内的数据。效果如图2所示。

图2 基于电力线载波的远程自动抄表系统

2.2 基于PLC的ECI

2.2.1 硬件结构

设计选用TPC7062K嵌入式一体化触摸屏作为控制与显示的核心模块。基于PLC的ECI硬件结构组成如图3所示[38]。设备内部各模块通信采用标准的Modbus RTU主从通信协议，电气接口为RS485；通信波特率为9 600 bps；数据位位数为8位，起始位为1位，停止位为1位，无校验；最小采集周期为1 000 ms；通信等待时间设置为600 ms。

（1）嵌入式触摸屏TPC7062K。核心为S3C2410 ARM9处理器，主频400 MHz。内存配置为64 M SDRAM，可存储空间为128 M FLASH。触摸屏为四线电阻式7英寸TFT液晶显示屏，分辨率800×480。TPC7062K作为父设备与设定为不同地址的子设备（载波电能表、载波气表、温湿度传感器）共同挂靠在RS485总线上。

（2）载波电能表、气表。准确度分别为0.01 kWh和0.01 m3，精度等级为1.0级，供电电压为220 V±20%，访问间隔可以自行设定[39]。

（3）电力线载波数据集中器。主要包含载波通信模块、电源转换模块、串口通信模块。载波通信模块完成电力线上数据的调制解调，采用扩频通信技术与电能表、气表进行通信，实现数据采集。

（4）温湿度传感器。适当的温湿度附加信息会增加用户对ECI的关注程度，从而有助于行为节能实验的开展。系统选用了FLEX1000温湿度模块。湿度测量范围为0～100%，测量精度小于等于±2%；测温范围为-20℃～85℃，在室温为25℃时的温度测量精度为±0.3℃。

（5）开关电源。为其他模块提供24 V直流稳压供电，输入与电力载波集中器相连，接入220 V电力线，输出分别接TPC7062K电源接口和FLEX1000温湿度模块。

2.2.2 软件功能

显示装置的应用程序基于MCGS组态软件。MCGS嵌入式体系结构包括运行环境、组态环境和模拟运行环境3部分。其中后两者运行于PC机上，用于程序设计和调试，最终的工程文件通过USB接口下载到独立的触摸屏运行环境中[40,41]。

应用系统采集并显示家庭每15 min的电力和天然气消费数据；绘制并显示了采样家庭每天、每周、每月、每年的能耗曲线；通过采集到的实时温湿度信息，计算当前室内的人体舒适度；模拟采用阶梯电价后的计费效果，能耗费率可以通过手动输入进行更改；在遇到通信或停电重启等故障时，程序设置了报警提示和故障记录，连同采集到的有效数据一起存储在ECI内部；所有数据可以导出为excel文件；主程序在停止操作15 min分钟后自动进入屏保窗口，在保障持续显示的同时最大限度减少了设备背景光亮对用户日常生活的影响。应用系统主程序流程图如图4所示。

图3 硬件结构组成图

3 节能效果分析

式中：r为能耗增长率，结果为正时表示能耗增加，结果为负时表示能耗降低；E2011（E2010）为2011（2010）年2月份的家庭耗电量或耗气量。

从表1中的统计结果可以看出，2011年2月份城市家庭总体的能耗水平要高于2010年2月份的能耗水平，究其原因一方面可能是由于2011年的节假日更多，另一方面则跟2011年该月平均温度较低相关。将表1中29户家庭分为2组，即反馈家庭组和正常家庭组，分别计算单个家庭的能耗增长率后，按组别取平均值，结果如图5所示。

图4 应用系统流程图

入户安装日期为2011年1月30日，设备回收日期为2011年3月16日。实验分析的主要对象是2011年2月份各家庭能耗数据。本文分别提取各家庭2010年和2011年的能耗数据，统计结果如表1所示。

其中装有RTM的家庭编号为：USER2—USER6；其他家庭按照小区编号为A1—C8，共计24户电能表，6户气表。不同的家庭具有不同的能耗量水平，只有采用能耗相对变化指标才能真正反映出总体能耗的波动情况，这里采用增长率作为反应节能效果的指标，如式（1）所示

图5 家庭实时能耗信息反馈节能效果图

可以看到，无论是耗电量还是耗气量，反馈家庭的平均能耗增长率都低于正常家庭。排除抽样误差，显著的差异说明实时能耗信息反馈确实能够起到一定的节能作用。假设这2组抽样样本来自相同的总体，具有相同分布函数和相等的能耗增长率。当其中一组被施加了实时能耗信息反馈1个月后，出现增长率下降的现象，可以推断这一激励方式最终导致了5.57%的节电效果和5.86%的节气效果。

4 结论与展望

本文主要完成的工作有：综述了家庭能耗实时反馈节能实验的相关研究成果，搭建了基于电力线载波的远程抄表系统，设计开发了适用于我国的家庭智能计量与显示装置，开展了需求侧节能实验研究。结果表明，通过家庭能耗计量装置实时信息反馈，可以达到5.57%的节电效果和5.86%的节气效果。

随着智能电网的发展，特别是面临阶梯电价的推广，用户侧计量与显示装置也将被逐步更新换代。加强人们对实时能耗信息的关注，有助于能耗意识的提高和生活习惯的改变，对促进需求侧管理和节能减排意义重大。本文的后续研究可酌情扩大样本量，针对不同用户继续论证实时能耗计量与显示的节能效果和持续性。

表1 家庭能耗实时反馈行为节能实验

：

[1]王伟,何光宇,万钧力,等.用户侧能量管理系统初探[J].电力系统自动化,2012,36(3)：10-15.

[2]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴（2010）[M].北京：中国统计出版社,2011.

[3]Mahmoud A Alahmad,Patrick G Wheeler，A Schwer,et al.A comparative study of three feedback devices for resident⁃ial realtime energy monitoring[J].IEEE Transactions on In⁃dustrial Electronics,2012,59(4)：2 002-2 013.

[4]Eric D Williams,H Scott Matthews.Scoping the potential of monitoring and control technologies to reduce energy use in homes[C].Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Electonics&Environment,2007：239-244.

[5]张钦,王锡凡,王建学,等.电力市场下需求响应研究综述[J].电力系统自动化,2008,32(3)：97-106.

[6]K Ehrhardt⁃Martinez,K A Donnelly，J A Laitner,et al.Adv⁃anced metering initiatives and residential feedback progra⁃ms：A meta⁃review for household electricity⁃saving oppotun⁃ities[R].USA：American CouncilforEnergyEfficient Economy,2010.

[7]国家发展和改革委员会,国家电力监管委员会.加强电力需求侧管理工作的指导意见[J].电力需求侧管理,2004,6(4)：1-2.

[8]胡兆光.需求侧管理在中国的应用与实施[J].电力系统自动化,2001,25(1)：41-44.

[9]胡江溢,王鹤,周昭茂.电力需求侧管理的国际经验及对我国的启示[J].电网技术,2007,31(18)：10-14.

[10]祁明晰,祁昶,黄天戍.基于电力线载波通信技术的智能家居系统[J].电力系统自动化,2005,25(3)：72-75.

[11]David Crossley.Advanced Metering for Energy Supply in Australia[R].Australia：Total Environment Centre Inc.En⁃ergy Futures Australia Pty Ltd,2007.

[12]Tae⁃Seop Choi,Kyung⁃Rok Ko,Seong⁃Chan Park,et al.Analysis of Energy Savings Using Smart Metering System and IHD(In⁃Home Display)[C].IEEE T&D Asia,2009.

[13]陈志强,杨永标,朱金大,等.新型电力需求侧管理终端的研制[J].电力系统自动化,2009,33(13)：104-107.

[14]G Wood,M Newborough.Energy⁃use information tran⁃sfer for intelligent homes：Enabling energy conservation with central and local displays[J].Energy and Buildings,2007,39(4)：495-503.

[15]G Wood,M Newborough.Dynamic energyconsum⁃ption indicators for domestic appliances：environment,behavior and design[J].Energy and Buildings,2003,35(8)：821-841.

[16]Wokje Abrahamse,Linda Steg,Charles Vlek,et al.A review of intervention studies aimed at household energy conservation[J].Journal of EnvironmentalPsychology,2005,25(3)：273-291.

[17]Ahmad Faruqui,Sanem Sergici,Ahmed Sharif.The impact of informational feedback on energy consumption：A survey of the experimental evidence[J].Energy,2010,35(4)：1 598-1 608.

[18]Sarah Darby.The effectiveness of feedback on energy consumption：A review for defra of the literature on metering,billing and direct displays[R].UK：Environmen⁃tal Change Institute,University of Oxford,2006.

[19]Danny S Parker,David Hoak,Jamie Cummings.Pilot Evaluation of Energy Savings From Residential Energy Demand Feedback Devices[R].America：Florida Solar En⁃ergy Center,2008.

[20]Corinna Fischer.Feedback on household electricity cons⁃umption：a tool for saving energy[J].Energy Efficiency,2008(1)：79-104.

[21]Darby,Sarah.Making it obvious：designing feedback into energy consumpton[C].Naples：Proceedings,2ndInternatio⁃nal Conference on Energy Efficiency in Household Appliances and Lighting.Italian Association of Energy Economists,2000.

[22]Mountain,Dean.The impact of real time energ feedback on residential electricity consumption：The hydro one pilot[R].Canada：McMaster University,2006.

[23]Ueno T,Inada R,Saeki O,et al.Effectiveness of displayi⁃ng energy consumption data in residential houses[C].ECEEE 2005 Summer Study on Energy Efficiency in Buildings,2005(6)：1 289.

[24]Becker L J.Joint effect of feedback and goal setting on performance：A field study of residential energy conservat⁃ion[J].Journal of Applied Psychology,1977,63(4)：428-433.

[25]Bittle,Ronald G,Robert Valesona,et al.The effects of daily cost feedback on residental electricity consumption[J].Behavior Modification,1979,3(2)：187-202.

[26]Brandon G,Lewis A.Reducing houselold energy consum⁃ption：A qualitative and quantitaive field study[J].Journal of Environmental Psychology,1999(19)：75-85.

[27]Steven C Hayes,John D Cone.Reduction of residential consumption of electricity through simple monthly feedba⁃ck[J].Journal of Applied Behavior Analysis,1981(14)：81-88.

[28]McClelland L,Cook S W.Energy conservation effects of continuous in⁃home feedback in all electic homes[J].Journal of Everionmental Systems,1980(9)：169-173.

[29]Midden C J H,Meter J E,Weening,et al.Using feedback,renforcement and information to reduce energy consumpt⁃ion in households：A field⁃experiment[J].Journal of Econ⁃omic Psychology,1983,3(1)：65-86.

[30]Sexton,R J,Brown Johnson,et al.Consumer response to continuous display electricity use monitors in a time of use pricing experiment[J].Journal of Consumer Research,1987(14)：55-62.

[31]Jeannet H van Houwelingen,W Fred van Raaij.The effect of goal⁃setting and daily electronic feedback on in⁃home energy use[J].Journal of Consumer Research,1989(16)：98-105.

[32]Richard A Winett,Michael S Neale,H Cannon Grier.Eff⁃ects of selfmonitoring and feedback on residential electric⁃ity consumption[J].Journal of Applied Behavior Analysis,1979,12(2)：173-184.

[33]Philip M Johnson.Human centered information integrati⁃on for the Smart Grid[EB/OL].(2009-12-17).[2012-07-05].http：//csdl.ics.hawaii.edu/techreports/9-15/09-15.pdf.

[34]Jessica Henryson,Teresa Hakansson,Jurek Pyrko.Energy efficiency in buildings through information：Swedish perspective[J].Energy Policy,2000,28(3)：169-180.

[35]Sittisak Rojchaya,Mongkol Konghirun.Development of energy management and warning system for resident：An energy saving solution[C]. ECTI-CON 2009. 6thInternational Conference,2009(1)：426-429.

[36]孙际明,孔泽明,张小水.一种电能计量管理系统的设计[J].电力系统自动化,1997,21(12)：51-53.

[37]周耀义,鲍滨寿.低压电力用户远程自动抄表系统[J].电力系统自动化,1999,19(2)：42-43.

[38]张竞博,吴锴,赵媛,等.一种家庭能耗数据采集与实时显示装置：中国,201955895U[P].2011-08-31.

[39]赵新正,王新.燃气表电力线载波抄表控制系统：中国,101751765A[P].2010-06-23.

[40]汪志锋,工控组态软件[M].北京：电子工业出版社,2007.

[41]李红萍.MCGS工控组态技术应用[M].北京：北京邮电大学出版社,2012.

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

张竞博（1984），男，山西运城人，硕士，工程师，研究方向为嵌入式设计开发；吴锴（1969），男，陕西西安人，教授，博士生导师，研究方向为绝缘老化与破坏理论、局部放电机理及城市能源消费系统；赵媛（1972），女，陕西西安人，博士，讲师，研究方向为城市能源系统优化；郭立（1983），男，陕西富平人，硕士，工程师，研究方向为城市能源系统优化。

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2009xjtuc11）