智慧型網路家庭系統架構

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智慧型網路家庭系統架構

  1. 1. 壹、 前 言 貳、 住商用戶加值服務介面系統架構 參、 埋入式家庭分電箱用電力計 肆、 家庭能源管理與控制系統 伍、 用戶即時與歷史資料庫系統 陸、 結 語 柒、 參考文獻 ◤工業技術研究院能源與資源研究所/朱耀東.陳汶杉本文將提出一個由能源需求端所建立的整合能源管理之智慧型網路家庭系統架構。在此架構下,初步我們將提供用戶即時的能源使用資訊,並利用網際網路整合形成一個用戶資料庫。藉由這個基礎架構的建立,可結合系統服務供應商進行其他的加值服務。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP由於經濟的快速發展導致對電力的需求日益加深 然而由於發電過程所帶來的環 ,境污染問題,加上土地資源有限,難以取得發電廠址用地,導致 近幾年來整體供電系統的備載容量一直處於偏低的狀態。面對電力能源開源不易的不利條件下,在此過渡時期唯有尋求較消極性的節約能源等相關措施,方可減緩對 電力成長的需求。在很多已開發國家 為有效地利用能源 無不積極的推動需求端管理(Demand Side , ,Management, DSM),它主要的議題是改變電力用戶用電行為,規劃出一個對用戶及電力公司都有利的用電需求型態。用電需求規劃包括節約用電、降低尖峰需求(Peak Demand Reduction)、用電需求重配置(Demand Relocation)、用電需求控制(Demand Control)及負載成長控制等。鼓勵在離峰用電,以增加發電及網路的利用效率也可算是 DSM 的一個特色。
  2. 2. 假如能夠以一種合理的成本,提供用戶智慧型的設備,結合資訊科技與網路系統,增加消費者與公用系統公司的溝通,將可大幅的提昇 DSM 的 實施效益。在目前的階段,為了要獲得一個足夠低成本的方式,結合能源用戶以及公用系統公司,需要有很多其它的功能來分攤設備及通訊容量和基礎設施的成本。 這些附加的功能可由下列幾個方向來考慮。從整體能源使用的角度來看,藉由這類型網路系統的建立,可以利用蒐集到用戶能源使用資訊,進行各種負載分析和節能措施研究,以及作為能源政策訂定的參考。若從公用系統公司的觀點來看 公用系統公司除了在它們本業內提供電力給用戶 ,之外,也可以提供一些加值服務提昇它們的服務品質,這些加值服務包含遠端自動讀表、直接負載控制、用戶能源使用資訊、供電品質及可靠性等。在此基礎架構下亦可提供其他系統服務提供者(Service Provider),提供其它的服務,例如家庭保全、娛樂等,以進一步地分攤系統建構及操作成本。當此系統被完整的建構之後 則可進一步的整合原來單獨來看並不符合成本的一些潛在性的 ,服務。從用戶的觀點來看 用戶所感興趣的是得到較便宜的能源使用成本及較為舒適及 ,方便的生活環境。在這些因素下,包含保全的智慧型建築可能是符合需求的,然而要讓這些加值服務能夠對用戶產生吸引力 低成本及簡單而容易操作的使用者 ,介面是必備的條件。建立能源用戶的通訊網路途徑有二:一是由能源供應端做起,結合公用系統公司現有的量表,建立如自動讀表網路等系統,另一種途徑則是由能 源需求端做起,經由用戶端的額外量表,可選擇性地與用戶進行通訊,如此則可在不待公用系統公司全面建置通訊網路前,即可執行 DSM 措施或提供各項的能源服 務。由能源供應端所建立的網路是全面性的,但牽涉較大,推動較為困難;由能源需求端所建立的網路通常是取樣性的,甚至可與加值的商業行為結合,變成為用戶 自發性的,可作為用戶自我能源使用資訊的掌握,並可進一步作為 DSM 推動與查核、節能活動推廣教育及用戶能源資訊服務等工具。根據日本省能中心 (ECCJ)的研究發現,單對小型住商用戶裝置額外的電力量表,提供即時的能源使用資訊,可觸發其自發性的節能意識與行動,而使其能源消耗減少約 20%。 瑞典EnerSearch AB 的研究亦有類似的結果。本文將提出一個由能源需求端所建立的整合能源管理之智慧型網路家庭系統架構,在此架構下,初步我們將提供用戶即時的能源使用資訊,以觸 發其自發性的節能意識與行動,並利用網際網路,整合各用戶之即時能源使用資訊,形成一個用戶即時與歷史資料庫作為 DSM 推動與查核、節能活動推廣教育及用 戶能
  3. 3. 源資訊服務等工具。除此之外,藉由這個基礎架構的建立,可結合系統服務供應商進行其他的加值服務。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP從各種資料的顯示,在家庭設備方面,整個技術的趨勢是推向網路化及智慧化,利用網路將人們與設備連接起來,顯然是可以創造出一些新的商機與產品。在此我們將著重於能源相關的應用。圖 1 是住商用戶加值服務介面系統架構之示意圖。從圖上顯示,在此系統中,主要有埋入式家庭分電箱用電力計、家庭能源費用顯示與控制器、及用戶即時與歷史資料庫系統等三大元件。 圖 1. 住商用戶加值服務介面系統架構示意圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP埋入式家庭分電箱用電力計,分單迴路型及多迴路型兩種。單迴路型量測總用電量,多迴路型可量測多至 8 個分路用電,可將空調、動力及照明等用電分開計算。電力量測精度可達 3%以內,具電力線載波通訊界面。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP
  4. 4. 整個住商用戶加值服務介面系統是以家庭能源費用顯示與控制器為其主要的中心,在家庭能源費用顯示與控制器的硬體是以 Hitachi 32 位元的 RISC CPUSH3/7727 為主管核心 再配合 RealTech 之 RTL8019 的 Ethernet 控制晶片作為網路 ,控制晶片。其中 SH3/7727 CPU 具有 USB、UART、Compact Flash Card(CF Card)、LCD 控制器及 AD/DA 等多種介面,因此不論是在硬體電路設計的方便性及降低成本方面的考量上,均有很大的優勢。在家庭能源費用顯示與控制 器的軟體方面主要是採用微軟的嵌入式作業系統 Windows CE 為其作業系統。家庭能源費用顯示器係為整個住商用戶加值服務介面系統之核心,於家庭之內部區域網路系統,係採用電力線並遵循 CEBus 之通訊標準,以 作為家庭能源費用顯示器與家庭內埋入式分電箱電力計之通訊傳輸,接受分電箱電力計傳來之用電資訊,進行即時電費管理、歷史記錄及超支預警等。而與戶外網際 網路之連接方式,主要靠 Ethernet,一旦連上網際網路後,除可接受來自伺服端的用戶即時與歷史資料庫系統之即時電價資訊外,亦可將用戶本身即時的用 電資訊,透過網際網路上傳至伺服端作為需求端管理(DSM)研究等應用。家庭能源管理與控制系統包含下列功能:1. 網路通訊:能源費用顯示系統在網路通訊方面,主要可分為 (1) 電力線載波通訊:此項功能主要是透過電力線載波通訊與與電力量測裝 置連線,蒐集用電資料,並將資料儲存於資料庫中,以供能源管理程式 模組使用,主要的功能包括:讀取即時用電資料、讀取歷史用電資料、 時間校正及即插即用等。其通訊協定是採用 CEBus。 (2) 網際網路通訊:能源費用顯示系統透過網際網路將所蒐集資料上傳至用 戶即時與歷史資料庫伺服器,或由伺服器下載相關的能源資訊。其通訊 協定是採用 HTTP 及 XML 的通訊協定。2. 家庭能源最適化: 這在家庭能源管理系統中乃是一個重要的主題,通常包括設備排程控制、 即時電價(Real Time Pricing)或時間電價(Time Of Use)控制等。3. 家電設備監控與能源使用記錄:在家電設備監控與能源使用記錄方面,主要具備下列之功能: (1) 即時用電資訊顯示畫面:依照用戶設定的每月預算、用電紀錄與時間電 價,推算出未來用電量是否會超過預算,進而提醒用戶節約用電,而用 電的推算可依照每日、每月及每年來預測。(參考圖 2)
  5. 5. 圖 2. 即時能源使用狀況顯示畫面(2) 能源歷史資料查詢:將所選定之電力量測裝置資料讀出,並依照用戶習 慣之圖形顯示包括分時用電、累積用電與前一天的差異,如圖 3 顯示為 分時用電狀態之歷史資料。(3) 節能規則設定:節能規則設定提供用戶設定規則包括預算設定、即時電 價及累積電費顯示,並進而提醒用戶能源消耗是否過量,迫使用戶主動 進行節約能源。 圖 3. 能源歷史資料查詢顯示畫面
  6. 6. 4. 其它附屬功能: 為了提高產品的附加價值,並提高使用者使用的興趣,我們規劃一些附屬 功能,如家庭成員語音留言版、網路瀏覽器、記事簿、電子郵件收發、遊 戲、行事曆及電子相簿等。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP用戶即時與歷史資料庫系統應用軟體系統可分為通訊程式 以及用戶即時與歷史 ,資料庫主程式二大部份。1. 通訊程式: 透過網際網路,以 HTTP 及 XML 的通訊協定負責與用戶端之間的通訊, 包括用戶註冊及登錄、電號註冊、電表註冊、傳送即時電價資料,以及接 收電表用電資料等。2. 用戶即時與歷史資料庫主程式: 負責基本資料的管理,列印統計分析報表等,可分為基本資料設定、權限 管理程式、Log 處理程式、資料處理以及輔助功能說明。資料處理主要功 能是資料庫的管 理(包括基本資料以及用電資料管理及維護),以及統計 分析報表等。圖 4 為能源顯示系統 Server 端主程式主功能表,其各項功能 之說明將於後面加以說明。 圖 4.用戶即時與歷史資料庫系統主程式主功能表 (l) 基本資料維護 a. 用戶基本資料查詢功能 主要是提供用戶基本資料查詢的功能主畫面顯示如圖 5。
  7. 7. b. 電號-電表資料查詢 在電號-電表資料查詢功能,其資料顯示為 Master-Detail 方式,上方所 顯示之 Form 為 電號基本資料,下面之 Grid 所顯示為此電號所包含之 電表清單。在電號基本資料方面,電號、用戶端所傳來之電號、用戶 ID 以及用途編碼,這些欄位操作者不 能編輯其內容,至於電表資料 之所有欄位均不能編輯。但是操作者可刪除電號及電表資料,但必須 具有執行此功能的權限方能進行刪除動作,刪除時,其相關聯之資 料 亦須同時刪除。而刪除的動作也會記錄於資料表內。電號-電表資料查 詢主畫面如圖 6。c. 即時電價資料設定 即時電價資料設定功能,主要是設定即時電價各種匯率型態,以及此 匯率型態一天 24 小時每一時段所採用之匯率值。主畫面顯示如圖 7。 圖 5.用戶基本資料查詢主畫面
  8. 8. 圖 6. 電表-電號資料查詢主畫面圖 7. 即時電價資料設定畫面
  9. 9. (2) 資料處理 a. 用電量及電費分析圖表 用電量及電費分析功能主要是統計用電總量(單位為 kWh)以及電費總 值,其報表型態又可分為日報表、月報表以及年報表。可 顯示某一 用戶之用電量及電費值,也可依電號、電表及用途別分別顯示該用電 量及電費值,除此之外,也可顯示用途別之用電量及電費比較值。除 了列印或顯示報表 之外,也可以圖形的方式顯示資料,圖形可以折 線圖或條狀圖的方式顯示。 日報表主要是統計每一時段之用電量及電費值,月報表主要是統計每 天之用電總量及總電費值,而年報主要是總計每月之用電總量及總電 費值。 b. 負載分析圖表 負載分析功能主要是統計用電負載(單位為 kW),其報表型式也可分為 日報表、月報表以及年報表。如同用電量及電費分析功 能,也可依 用戶、電號、電表及用途別分別顯示該用電負載,除此之外,也可顯 示用途別之負載比較值。同樣的也可以圖形的方式顯示資料,圖形可 以折線圖或條狀 圖的方式顯示。 日報表主要是顯示每一時段之負載資料,月報表主要是顯示每天之最 高負載,而年報主要是顯示每月之最高負載。 c. 原始資料編輯 原始資料編輯功能,主要是針對歷史用電資料表,操作者必須具有使 用此功能的權限,方能進行編輯功能。此功能的目的主要是歷史資料 有誤時,可人工進行更正功能,但是更正的動作必須記錄於資料表內。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOPDSM 無論是從公用系統公司的角度,或是從整體使用的角度來看,都是應該受到重視的。在很多已開發的國家,由於電力市場的開放,公用系 統公司為了積極降低其供電成本,提昇服務品質,無不努力推展其 DSM 的計劃,但是為了得到更好的效果,提供智慧型的設備及架設通訊網路基礎建設,藉以引進 資訊科技乃是必然的趨勢,這將會創造更多應用及商機。然而這些是否能夠吸引用戶的注意 則必須要看用戶能否因此而得到一個更舒適方便的環境 以及更節省能 源 , ,使用成本。
  10. 10. 在本文所提出的整合能源管理之智慧型網路家庭系統架構 對使用者提供了能源 ,管理、家控制及能源資訊服務等功能,此外亦提供各種負載分析和即時電價等功能,可供公用系統公司或政府單位進行 DSM 策略研究及能源政策訂定的參考。 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧TOP 1. Gustavsson, R. - Krejic, M. "Enabling technologies supporting energy related services and products in networked smart homes", KEES Project Report EnerSearch AB 1998. 2. Norl_n, U. - Bj_rsell, N.. "Eletronic energy services to the home: A demonstrator of the Energy Barometer" KEES Project Report EnerSearch AB 1998. 3. IEA Implementing Agreement on Communication Technologies for DSM "Assessment of Research, Development and Demonstration Priorities for DSM and Value Added Services", dated October 1996. 4. IEA Implementing Agreement on Communication Technologies for DSM, "Evaluation of Communications to meet Customer/Utility Requirement fo DSM and Related Funct 5. ions", dated January 1996. 松永隆治,"日本住商大樓能源效率管理現況與展望",2001 年國際節約能 源技術研討會。 | 回上一畫面 | 回目錄頁|

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