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建筑电气能源管理的智能系统
摘要
最近的研究强调，住宅和商业楼宇的电能消耗的一个重要部分，是由于对电器的不当使用。在这种情况下，一个自动化的电力管理系统——能够在保持感知舒适水平的同时减少能源浪费应运而生，它将非常具有吸引力。为了达到这个目的，我们提议建立一个基于传感器的智能系统，它可以监控能源消耗，并自动控制建筑物中使用的设备的行为。GreenBuilding已经作为一个原型实现了，并在一个真实的家庭场景中进行了实验。对实验结果的分析表明，绿色建筑能够提供显著的节能效果。
关键字：建筑智能、轮、能源意识、能源管理系统。
1.引言
住宅和商业建筑占全球能源消耗总量的约20%[1]，随着时间的推移，这一趋势日益增加。建筑物能源消耗的主要原因是空间加热和空调、水加热、照明和计算机和其他电子设备的使用[2]。
这种能源消耗的很大一部分是由于对这些电器和设备的不当使用。仅仅消除能源浪费，而不降低感知舒适程度，将会使建筑物的整体能耗降低约30%[3]。能源浪费的主要来源之一是待机模式的电器，其占建筑物总能耗的约10%[2]。
根据多项研究，为建筑居住者提供适当的反馈可以显著降低整体能源消耗，按5-20%的顺序[4,5]。然而，仅仅依靠人们的意识和行为可能不是一种有效的方法。事实上，最近的一项实验研究[6]表明，在一个住宅家庭安装监测系统后，立即实现了30%以上的节能效果，但一个月后这一比例下降到不足4%。除了用户合作之外，一个自动化的能源管理系统肯定是一个更有效的解决方案。
在本文中，我们提出了绿色建筑，一种监测和控制建筑物内各设备耗电量的系统。GreenBuilding利用无线传感器和执行器实现两个主要目标:(i)提高使用意识减少由于使用电器不当而造成的经济(和环境)成本;(ii)通过适当管理电器，为能源效率提供自动化解决方案。我们将GreenBuilding作为原型，并将其部署在一个真实的家庭场景中。对实验结果的分析证实，由于使用不当，大量的能量被浪费了。我们表明，通过对每一种特定的器具或电器类使用简单的节能规则，可以消除(或大幅减少)这种能源浪费。
本文组织如下。第二节介绍有关工作。第三节介绍了绿色建筑，第四节介绍了它的实现。第五节给出了实验研究的结果。在第六节中得出结论。
2.相关工作
无线传感器网络(WSNs)已被广泛应用于环境监测应用领域。最近，他们还被考虑对建筑物内的电力消耗进行实时和细粒度监测。在[7]中，作者描述了ACme的设计和实现，一个基于交流电能表网络的分布式监控系统，允许用户通过一个web界面查看他们的个人能源消耗。在[6]中也使用了相同的交流电能表，描述了计算机科学系能源消耗的详细实验研究。[6]研究的目标是实现能源消耗的全面和详细的可见性，即。，以了解使用电力的方式、地点和用途。由于使用专用的电力仪表是不实用且昂贵的，作者考虑了几种方法来推断单个设备的能耗。同样的目标也针对[8]和[9]。具体地说，[8]提出了两种将电路级数据分解为设备级估计的算法，而[9]则提出了一种系统，能够通过连接到主电力单元的单个电力传感器实时提供对单个设备的细粒度识别。监测建筑物的能源消耗也是[10]的目标，作者分析了校园内各种建筑的能耗，以及同一建筑内不同楼层的能耗情况。
以前的论文主要集中在能源监测方面，而我们的工作也通过电力设备的在线电源管理来解决节能问题。
在[11]中提出了一种类似于我们的基于传感器的自动化的电源管理系统。然而，这里的重点主要是建筑和设计问题，而不是实验分析。相反，我们实施了我们的系统，并将其部署在一个真实的家庭场景中，以便进行一项精确的实验研究。[12]介绍了一种用于住宅供暖、通风和冷却(HVAC)系统能耗优化的自动化系统。提议的解决方案依赖于占用传感器，在居住者睡觉或离家时关闭HVAC系统。与[12]中的建议不同，GreenBuilding采取了一种通用的方法，即:它不是专门针对某一类电器的。[13]还提出了一种分布式无线控制系统，用于建筑节能。然而，这里的重点是在设备之间共享信息的有效方法。
3.系统架构和设计
整个系统体系结构由两个子系统组成，即监控子系统和控制子系统。前者在预先设定的时间间隔测量分析电器的能耗，以及一些环境和环境信息(例如，温度、光照强度、人员在场)。后者利用监测系统收集的数据和一些能量保护策略来控制每一个设备的行为。接下来，我们将详细分析这两个子系统。
A.监测子系统
监测子系统分别使用了大量的电力和环境传感器来测量建筑物中每一个电器的功耗, 并对温度、光强和人体等参数进行监测。存在。两种类型的传感器收集的数据都可以无线地传送到位于同一楼层的基站 (每层至少有一个基站), 然后传递给中央服务器。基站和服务器之间的通信通常通过有线 LAN 发生。服务器处理数据, 并为用户提供关于能源消耗和成本的实时和/或定期报告。它还会发送警报消息, 通知特定事件 (例如, 当设备被认为处于非活动状态时), 建议可能的操作以节省能源。
B.控制子系统
控制子系统根据用户指定的节能规则, 管理每一个电器的行为, 以尽量减少建筑中的电力废弃物。该子系统使用一个执行器为每一个受控电器和一组控制器, 协调驱动器。控制器通过有线 LAN 技术 (即以太网) 连接到中央服务器。服务器生成命令, 如 '打开' 和 '关机', 对于建筑物中的每个规范 ific 装置: 命令通过适当的控制器发送到相应的执行器。
实际上，感测和驱动功能可以集成在相同的装置中，即，电传感器也充当致动器相关联的设备。在另一方面，一些集成的无线传感器/致动器平台已经目前在市场上可获得，例如，Plogg [14]和WiSensis [15]。采用对于每个器具的电力传感器是昂贵的，并且通常不是必要的：单个传感器可足以监视一组设备和采取对单个设备的行为的决定。显然，为了自主地控制每一个设备，我们需要为每个设备的驱动器。如果采用集成的无线传感器/致动器平台，我们不得不采用传感器，用于每个设备。作为替代方案，我们可以使用两种不同的基础设施，一个用于监测和另一个用于控制。例如，X10产品可用于控制。这种方法的主要优点是，X10技术是可靠和廉价。一个X10控制器将命令发送到致动器X10控制通过电力线通信（PLC）的电器。
C. 节约能源战略
该系统体系结构的设计具有允许每个单个器具的灵活和有效的管理，以便为执行适当的节能策略对于每个器具（或类器具的），以提供电势的目的。在下文中，我们提供了这样的策略的（非完全）列表。
·用户意识。如果用户知道每台电器的能耗, 他们可以用更高效、更方便的方式使用电能。为了达到这个目的, GreenBuilding 为用户提供了关于单个电器 (甚至远程) 的瞬时能耗和状态 (即上/待机/关闭) 的详细和实时信息。此外, 它还可以发送定期报告 (例如, 通过电子邮件) 使用电能。最后, GreenBuilding 可以在某些特定事件发生时向便携式设备发送消息来提醒用户 (例如, 当设备被认为处于非活动状态时), 还建议可能的操作以节省能源。
·减少备用消耗量。对于每个特定的装置, GreenBuilding 允许用户用来指定适当的管理策略, 以减少 (或也消除) 备用废物。实际上, GreenBuilding 可以识别设备处于待机模式的时间, 并采取适当的操作来执行用户定义的策略。例如, 系统在输入待机模式后, 经过预定义的时间间隔后, 可以关闭某个装置。
·灵活的任务调度。电能的成本在一天中不断变化，通常是在晚上便宜。因此，不需要用户参与一些耗能任务可以被调度执行时所消耗的能量更低。绿色建筑允许用户指定确切的时间或时间间隔（例如，当能量成本较低时隙时间）当某一任务是由特定器具（例如，洗衣机）来执行。对于灵活的任务适当的调度，降低待机功耗的战略之间的协同作用实际上可以减少电器的能耗。例如，该洗衣机可通过该系统只在预编程的时间接通。一旦任务已经完成家电进入待机模式。
·电器的自适应控制。能量的显著馏分由于电器是不必要的活性，例如，灯，当外部光强度高时，空调系统中提供过低的环境温度，等等接通浪费了。为了消除这种废物，绿色建筑依赖于能够监测环境条件（例如，温度，光强度，湿度，人的存在，等等）的环境传感器。由环境传感器取得的数据被输送到中央服务器，通过位于每个楼层的基站，以及由系统使用，以适应每个单器具的行为，基于由用户（例如，所希望的光强度）指定的规则。
D.讨论
上述系统架构具有许多令人感兴趣的特性。首先，它是模块化和可扩展性，从而使得它也适用于大型建筑。第二，该系统安装是非侵入性的，由于使用无线传感器（和PLC设备，如果存在的话，依靠现有的预电网络上）。最后，系统消耗额外的能量可以忽略不计相对于建筑物的整体能耗。在大型建筑物的中央服务器可以通过笔记本电脑或台式电脑，其功耗大致分别30W和100W，可以实现。在小房子服务器可以通过低功率设备来实现，例如，连接到互联网，其功耗的家用路由器通常是小于10W（此外，家用路由器是大部分时间用于互联网连接通常有效）。电传感器/致动器的功率消耗取决于具体的平台上。在我们的测试平台中使用的WiSensis平台，功耗是大约2.5W用于基站（只有一个每层基站）和0.2-0.4W用于传感器/致动器。相反，环境传感器的功耗为毫瓦量级。最后，如果使用了奉献控制的基础设施，我们需要考虑也是X10控制器的功耗（平均2.5W;每一个建筑X10控制器就足够了），和致动器（约0.2W）。的功耗大约为2.5W基站（只有一个每层基站）和0.2-0.4W用于传感器/致动器。相反，环境传感器的功耗为毫瓦量级。最后，如果使用了奉献控制的基础设施，我们需要考虑也是X10控制器的功耗（平均2.5W;每一个建筑X10控制器就足够了），和致动器（约0.2W）。的功耗大约为2.5W基站（只有一个每层基站）和0.2-0.4W用于传感器/致动器。相反，环境传感器的功耗为毫瓦量级。最后，如果使用了奉献控制的基础设施，我们需要考虑也是X10控制器的功耗（平均2.5W;每一个建筑X10控制器就足够了），和致动器（约0.2W）。
4.原型实现
我们实现了一个原型先前描述的架构。我们用于监视和控制两个不同的基础设施。监视子系统采用WiSensys [15]传感器和基站。WiSensys传感器插入标准电源插座，并在轮到他们提供了标准插座。它们发送到由设备所吸收的功率的所述基站的测量，使用专有无线通信协议。因为在我们的测试平台只有一个基站，它是通过直接RS232链路连接到中央服务器。在实际系统中的连接可以通过以太网连接。环境传感器网络由许多光强度的传感器。我们建立了光传感器通过自己使用Arduino的平台，这是一种基于灵活的一个非常流行的开源原型平台，易于使用的硬件和软件[16]。最后，控制基础设施是由多个接收器X10和X10一个控制器通过Marmitek [17]制造组成。
图1示出了系统的软件体系结构。通过电力和环境传感器获得的数据存储在服务器中的MySQL数据库。能量管理器应用程序，Java实现，与数据库进行通信，并负责通过电传感器测量在设备的功率消耗（ⅰ）处理数据，（ii）提供给用户的适当的报告，（ⅲ）发起的环境中处理数据传感器，（ⅳ）接受配置参数和能量管理规则从所述用户，（v）发送适当的命令到设备 - 通过控制网络 - ，取决于不当前环境条件g且根据用户的规则。用户可以登录系统，甚至是远程，并访问不同类型的实时和历史图形信息，通过一组选项卡。图2-a显示的标签呈现实时功耗信息。用户可以立即识别每个单个设备的整体功耗的贡献。同样的标签还包括一些（文本）信息，以使用户意识到可能的能源浪费（如家电待机模式）。图2-b显示另一个选项卡呈现在单电器，即，在过去15天（顶侧曲线）和小时逐小时在特定的一天中消耗的能量的能量消耗的历史信息（底侧曲线） 。前者情节也凸显了整体待机功耗。后者的情节让用户更好地了解能源消耗是如何在白天分布。如果能源成本遵循每小时基于关税，这一点尤其重要。
图1 软件体系结构。
GreenBuilding 还提供了一组选项卡, 用于介绍配置参数和定义单个设备或设备类别的节能规则。图3显示了如何为某种装置定义规则。在选项卡的左侧, 有所有受控装置的列表。选定特定装置后, 用户可以指定一个或多个规则 (i) 消除待机消耗, (ii) 在预编程时间安排灵活的任务, 或 (iii) 执行特定于装置的操作 (例如, 用于灯具、自适应基于环境光强的功率控制) 1。关于备用废料, 目前在 GreenBuilding 实施了以下战略。
SA：在进入待机模式断开;
SB：在指定的时间间隔后断开;
SC：在进入待机模式，如果当前时间大于指定时间阈值时断开。
显然, 战略 SA 是最有效的能源保护方面。然而, 对于某些种类的电器来说, 它可能是恼人的用户。策略某人可以在能效和用户满意度之间提供更好的权衡。最后, 策略 SC 可能适合于在一定时间内关闭的装置, 例如夜间的电视机。
除了上面描述的图形界面，绿色建筑还提供了用于便携式设备（例如，蜂窝电话）的简化的界面。简化的接口仍然允许用户查看实时和/或上电消耗，改变配置参数的历史信息，并指定每个单个设备（或类电器）/改变规则。特别地，用户可以检查每个设备的状态，并接通和断开它，甚至远程。因此，使能绿色建筑的移动设备可以被用作一种遥控的。此外，简化的界面允许用户为接收警报消息在他/她的便携式设备，如果一些事件发生时（例如，一个应该被关断器具仍处于活动/备用模式）。
5.实验测量
为了测试和评价绿色建筑，我们部署了多少电和环境传感器和执行器X10在真实环境（即家庭
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