家庭能耗管理系统研究综述

彭金华，舒少龙，林 峰，黄志强

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 200092）

家庭能耗管理系统是智能家居不断发展的产物，也是智能家居众多子系统之一。社会经济的快速发展致使人们对电力的需求日益增加，鉴于发电过程带来的环境污染问题和用电侧的电能浪费现象，如何有效地控制能耗是重要的研究课题。随着民用能源需求的不断增大，家庭能耗管理越来越引起重视。

传统上，家庭电力能耗信息是以每月电费账单的形式反馈给家庭成员。电费账单只告知用户一定时期内的总用电量而不能给予用户详细的能耗构成。家庭能耗管理系统则可以为用户提供详实的家庭能耗信息，在此基础上，家庭能耗管理系统为用户建立家庭能耗信息数据库，帮助用户分析家庭能耗构成以使用户了解自身行为习惯对于家庭能耗的影响，从而引导用户自觉地采取节能措施并养成节能行为习惯。家庭能耗管理系统还可为用户提供个性化的家电节能控制策略服务，包括预设控制、负荷控制、家电能耗分级控制、待机管控等，实现家电的智能监控和管理。

Boivin JY较早提及家庭能耗管理系统概念［1］，提出用电侧需要提高电力利用率，采取措施鼓励用户帮助平抑负载，并认为如果在能耗较大的家用电器上增加智能和通信的功能，就可以对变化的电价做出响应，这样，家庭自动化不仅可以加强家庭能耗管理也可以为用户省钱。目前，家庭能耗管理系统的研究内容主要集中于家庭能耗管理系统架构和家庭能耗管理策略2方面。

1 家庭能耗管理系统架构

家庭能耗管理系统的架构研究包括家用电器接入方式、组网通信与数据采集、软件协议环境、服务提供与数据呈现等内容，目前已经得到了较多的研究成果。

文献［2］提出家庭能耗管理系统应以家庭网关为中心，把能源监控设备作为家电和网关之间的桥梁，采用多种组网方式提高系统的适用性，并把家庭网关作为联系家庭内外的低功耗通信设备。文献［3］指出家庭能耗管理系统需要有网络接入能力的家电和家庭网络的支持，该架构由网络适配器、家庭网关和中心服务器组成，由中心服务器提供远程服务。对于普通家用电器，文献［4］提出设计无线电力控制插座模块，它集成了多个交流电源插座、微控制器、通信模块和电力测量模块，能够对插在其上的家用电器进行管理，从而实现家电的网络接入能力，并能够通过英特网、掌上电脑和全球移动通信系统对其进行远程访问。文献［5］提出了融合家庭网络、外部网络和节能应用软件的系统架构，旨在更好地配置和管理家用电器的能源消耗。文献［6］搭建了融合电力线通信和ZigBee（IEEE 802.15.4协议）的家庭能耗管理系统，建立传感器网关来管理整个家电传感器网络和提供Web登录等远程服务。在智能家电与家庭网关的任务分配上，文献［7］提出了集中管理、分散控制的策略，每个家电都带有本地观测/控制单元，它负责与家庭网关通信。家庭网关的观测层负责采集家电数据和接收外部信号并作出预测，其控制层负责向家电下达规则，其后的操作由家电本地控制层控制。

总结以上的研究成果，可以发现家庭能耗管理系统架构存在以下特点：①要解决家用电器能耗信息采集的问题，即家电的信息化，需要信息家电［2］的发展；②需要选择合适的组网方式将家用电器网络化；③能耗管理和相关服务以及与外部的联系由单个多功能部件——家庭网关［2］实现；④家庭网络通过家庭网关与外部网络进行信息交互，实现远程服务功能。综上所述，一个家庭能耗管理系统的架构主要由4个部分组成：信息家电、家庭网络、家庭网关和远程服务，如图1所示。

图1 家庭能耗管理系统架构

1.1 信息家电

信息家电［8］是家庭能耗管理系统的最底层，也是家庭网络的终端节点载体。一方面，它为家庭成员提供具体的服务，实现其作为传统家电的功能；另一方面，它将自身运行状态信息数字化并提供给它的网络上层，这些信息包括功耗、运行状态、运行时间等。信息家电同时具有家电、信息产品和网络节点的特点。作为一个标准的信息家电产品，需具备网络化、智能化、实时性、兼容性和节能化等特点［9］，应可提供远程控制、查询和维护、智能控制与管理、家电信息服务等功能［10］。目前信息家电的发展仍需要解决相互操作、即插即用、安全机制和协同服务等一些问题［11］。

1.2 家庭网络

家庭网络［12］是整合信息家电的信息化平台。家庭网络以可灵活配置的家庭总线系统为基础，连接各种家庭信息终端和家用电器，提供集成的音频、视频、计算、通信控制和管理等功能，使信息在家庭内以及家庭与外部网络间充分流通和共享，家庭能耗管理系统离不开家庭网络的支持。家庭网络组网技术是家庭网络中的一个重要研究课题。对于家庭能耗管理系统来讲，网络节点数量众多，需要传输的数据主要包括家电设备信息、运行状态信息、用电功耗信息和控制信息等，这些信息的数据量少但零碎频发。基于这些特点，家庭能耗管理系统需要组网灵活、布线便捷、中低速率、低功耗的组网技术，如：以太网、X-10协议（以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通信协议）、HomePNA（一种家庭网络的计算机互联标准）、现场总线、无线局域网、ZigBee等多种解决方案。目前存在有线和无线2种组网方式，有线方式中的一些技术已经比较成熟，在行业中已经具有一定的标准型和通用性，但以太网、电话线、电力线等有线组网技术普遍存在布线麻烦、增减设备需要重新布线、影响美观、安装和维护成本高以及移动性差等缺点。无线传输最大的优点是省去了大量的线缆，移动性好，可以随时增加链路，安装和扩容方便。但是目前无线通信的质量还远低于有线通信，其信号衰减要比同距离的有线通信大很多，而且传输信道容易受到干扰，可靠性没有有线方式好。目前，家庭网络往往采取多种组网方式来弥补各自的不足和满足不同应用的需要。文献［11］较完整地分析和比较了各种组网技术的优缺点。

1.3 家庭网关

家庭网关［13］是家庭网络与家庭外部网络之间的网关设备，信息家电可以通过家庭网关与外部网络进行信息交互，也可以进行信息家电之间的信息交互。家庭网关作为家电信息的整合者，为用户提供人机交互界面和家庭能耗管理服务。家庭网关的主要功能有：①自动识别信息家电设备，负责它们的动态注册，采集相关数据并进行控制管理；②与外部网络的数据交换和协议转换；③家庭内部各种不同通信协议的转换和数据共享；④提供QoS（一种网络安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术），针对不同业务应用对网络传输速率的要求，合理分配带宽；⑤对外公布信息的Web服务功能；⑥实现访问控制，提供安全功能，如：防火墙、身份认证、消息传输加密及消息认证或消息签名机制、对家庭内部网络信息家电的访问的安全控制、访问控制、权限管理、日志记录和审计跟踪功能；⑦对新业务的支持能力，具有可拓展性［11］。对于家庭能耗管理系统，家庭网关还需具备信息呈现和推送、数据存储和处理、能耗控制策略实施等功能。

1.4 远程服务

远程服务是家庭能耗管理系统的远端应用，包括供电公司服务器站点和用户远程终端等。家庭网关通过和供电公司服务器进行交互来获得电能资费、用户账单等数据以及进行软件更新和维护等。用户远程终端如：远程Web客户端、手机、掌上电脑等为用户提供对家庭能耗管理系统的远程访问服务。家庭能耗管理系统的远程服务需要通过一定的接入方式与家庭网关进行信息交换，接入方式包括家庭宽带接入技术和移动通信技术等［14］。宽带接入技术包括ISDN（综合业务数字网）、ADSL（非对称数字用户环路，是一种新的数据传输方式）和FTTH（光纤到户）等接入方式。移动通信技术有GPRS（通用分组无线服务技术）、3G（第三代移动通信技术）、4G（第四代移动通信技术）等。

2 家庭能耗管理策略研究

家庭能耗管理策略研究目前存在2个不同的研究方向：一是通过对能耗管理系统建立能耗模型，通过理论分析设计最优的家庭能耗管理策略；另一个研究方向是通过案例设计进而研究家庭能耗管理策略的有效性。

在家庭能耗管理策略理论分析方面，文献［15］描述了利用住宅异步电力线通信网络与类似家庭网关的能源调制解调器以及若干家电控制器组成的能耗监控系统，并可以进行远程通信，其特点是尽量利用现有设施搭建整个系统。在此基础上研究建立能源消耗和效率的模型，设计如何优化能源利用的算法。

文献［16］提出建立一个具有网络接入能力的设备工作状态的通用能源消耗模型，引入管理信息库机制来对网络接入设备进行管理，以使能耗最小化。

文献［17］针对住宅能源管理系统中通过用户干预进而减少能源需求的方法不够有效的问题，提出了模糊控制器的设计，以最小的能源消耗维持用户设定的控制参数，并在理论上进行了建模和仿真。

文献［18］建立基于多代理系统（multi-agent system，MAS）的家庭自动化系统，然后理论上将住宅需求侧负载管理分为3个层次：预测层、反应层和设备层。通过对预测层进行建模来建立预测机制以分析其能源分配计划，进而设计提供定时或恒定服务机制，达到用户舒适度最大和能源消耗最小的目的。因为模型是NP难题，文章引入Tabu搜索算法［19］来解决此问题。

在通过案例设计研究家庭能耗管理策略方面，现阶段工作主要集中于能耗信息反馈和家庭成员行为模式对家庭节能的影响。英国巴斯大学的研究人员通过观察家庭成员行为模式来探究创新家庭节能产品的可行性，他们提出“理论最小能源水平”的概念，将其与人员活动相结合来确定有节能潜力的行为模式和产品设计［20］。

文献［21］搭建了一个实验性的系统，该系统安装在一套公寓中，能够监视用电量并加以显示，可以在用电量接近规定用电水平时提醒用户。这套系统在一个月的运行期内，总用电量比预测值减少了17.55%。

文献［22］描述了一个为期2个月的示范性试验项目，该项目的目的是检验韩国智能电能表系统中的关键组成部分——家庭内部显示器（in-home display，IHD）在减少家庭能源消耗方面的作用。2个城市中总共77户不同家庭参与了该项目，在清州市的53户家庭中有48户的每日能源消耗平均减少了15.9%，而在首尔的24户家庭中有22户每日能源消耗平均减少了7.5%。

文献［23］检验了用电信息反馈方法在家庭节能方面的作用，31个参加试验的家庭平均节能15%，进而研究了不同的信息反馈方式在激励家庭成员采取节能行为方面的效果。

文献［24］肯定了家电用电信息反馈对节约能源利用的作用，但同时指出很少有方法能精确地估量这种影响。

3 结束语

本文详细介绍了家庭能耗管理系统的架构及其管理策略研究情况，指出一个家庭能耗管理系统应该包含信息家电、家庭网络、家庭网关和远程服务4个组成部分。已有的研究和试验结果表明，实施初级的能耗管理措施，比如家电能耗信息反馈和设置能耗上限等，可以比较有效地达到节能的目的。更为高级的能耗管理策略需要更进一步的研究，以期将来成熟有效的家庭能耗管理系统为用户带来诸多利益的同时也为公共事业作出贡献。

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（本栏责任编辑 刘嘉婧）