[论文解读] Smart Grid Testbed for Demand Focused Energy Management in End User Environments

Wayes Tushar, Chau Yuen+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文介紹了新加坡技术设计大学（SUTD）的智能电网试验平台，该平台采用双网络架构（HAN 和 NAN），利用多种通信技术，实时监测住宅和商业场所的能源消耗。该试验平台支持实时需求响应、能源管理及激励机制设计，展示了在54天内通过减少办公室环境中的能源浪费，最高可节省11,100新元的潜力。

ABSTRACT

Successful deployment of smart grids necessitates experimental validities of their state-of-the-art designs in two-way communications, real-time demand response and monitoring of consumers' energy usage behavior. The objective is to observe consumers' energy usage pattern and exploit this information to assist the grid in designing incentives, energy management mechanisms, and real-time demand response protocols; so as help the grid achieving lower costs and improve energy supply stability. Further, by feeding the observed information back to the consumers instantaneously, it is also possible to promote energy efficient behavior among the users. To this end, this paper performs a literature survey on smart grid testbeds around the world, and presents the main accomplishments towards realizing a smart grid testbed at the Singapore University of Technology and Design (SUTD). The testbed is able to monitor, analyze and evaluate smart grid communication network design and control mechanisms, and test the suitability of various communications networks for both residential and commercial buildings. The testbeds are deployed within the SUTD student dormitories and the main university campus to monitor and record end-user energy consumption in real-time, which will enable us to design incentives, control algorithms and real-time demand response schemes. The testbed also provides an effective channel to evaluate the needs on communication networks to support various smart grid applications. In addition, our initial results demonstrate that our testbed can provide an effective platform to identify energy wastage, and prompt the needs of a secure communications channel as the energy usage pattern can provide privacy related information on individual user.

研究动机与目标

• 开发一个真实世界试验平台，用于验证终端用户环境中智能电网通信与控制系统的性能。
• 评估各种通信技术（BPL、TVWS、HAN、NAN）在住宅和商业建筑中的性能与适用性。
• 识别能源浪费模式，并实现基于实时的需求响应机制，以减少能源消耗与成本。
• 设计激励机制，促进用户参与需求响应与能效提升计划。
• 建立安全、低延迟的通信基础设施，支持实时能源监控与控制。

提出的方法

• 部署双网络架构：家庭局域网（HAN）用于建筑内部数据采集，邻里局域网（NAN）用于将HAN连接至中央数据汇聚点。
• 实施统一家庭网关（UHG），聚合每个住宅单元和办公空间中智能电表与传感器的能源数据。
• 采用多种通信技术——宽带电力线（BPL）、电视白空间（TVWS）以及有线/无线HAN/NAN协议——在真实条件下评估网络性能。
• 实时采集灯光、空调系统（ACS）和人员占用传感器的数据，以建立能源使用模型并检测空闲状态下的能源浪费。
• 开发能源消耗模型与实时控制算法，用于在动态电价与人员占用条件下对ACS进行调控。
• 设计并测试最优会议调度系统，通过将会议室使用时间与电价低谷期对齐，实现能源成本最小化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合住宅与商业环境中，哪些通信技术（BPL、TVWS、HAN、NAN）在实时能源监测方面最有效且最可靠？
• RQ2 由于无人使用的房间中灯光与空调系统持续开启，办公室环境中的能源浪费程度有多大？
• RQ3 实时需求响应机制（如动态恒温器控制与基于人员占用的开关控制）是否能有效降低峰值负荷与能源成本？
• RQ4 在动态电价电力市场中，优化会议室调度可带来多大的潜在成本节约？
• RQ5 安全、低延迟的通信基础设施如何支持终端用户能源管理中的实时反馈与激励机制？

主要发现

• 试验平台成功实现了对8间办公室的实时能源消耗监测，在无人使用期间，平均每间办公室的灯光与空调系统分别造成6.376千瓦时与232.025千瓦时的能源浪费。
• 若将该模式扩展至200间办公室，54天内总估算能源浪费量达47,680.2千瓦时，相当于约11,100新元的可避免电费支出。
• 试验平台表明，在无人使用时段对空调系统实施自动启停控制，可实现显著的节能效果与峰值负荷削减。
• 部署人员占用传感器（运动/噪音检测）可准确识别空闲房间，为自动化节能干预措施提供基础支持。
• 通信基础设施支持低延迟、可靠的数据显示，验证了其在实时需求响应与能源管理应用中的适用性。
• 试验平台为评估多种智能电网应用（包括动态定价集成与激励机制设计）提供了灵活的平台，有助于提升用户接受度与系统采纳率。