基於Wi-Fi介面的Smart Energy Profile 2.0智慧電表

引言

在Internet上搜尋到一篇論文Joule Jotter: An interactive energy meter for metering, monitoring and control，搭配Yahoo字典、和Google翻譯等工具，我嘗試著將文章的片段翻譯成繁體中文版，希望大家對於具備Wi-Fi介面(非ZigBee介面)之Smart Energy Profile 2.0版的智慧電表能夠擁有些許認識。

文章下載頁面

摘要

世界各地的電力公司正在採用需求端管理方法來處理無法預測的需求，需求回覆為電力公司鼓勵用戶動態改變需求樣式的一種通用策略，用以降低短期集中的電量消耗。用戶關注的是增加的賬單費用，電力公司關注的是電力短缺、對於發電廠即時計價、和尖峰時刻的供需。本文描述一個稱為JJ能量筆記簿(Joule Jotter)的智慧電表來橋接電力公司和用戶之間的落差。本文展示了協定整合過後的擴充性，本文實作的簡化演算法可以跟電力公司的要求進行協定處理。本文評估後發現這類實作了SEP (Smart Energy Profile) 2.0的智慧電表需要額外1.5秒的延遲負擔。

1.簡介

印度已經將技術應用在電力用量並在許多地方取得成功的案例。例如，電力公司每月的賬單業已透明化；使用照相機拍攝照片來進行數位化讀表以避免人為誤差，這些照片將被傳送至中央資料庫以產生每月賬單；已經能在加油站或零售商店購買刮刮卡來預付電費。雖然用戶關注自己的每月賬單，但是電力公司必須提供電源給付費更高的發電廠。電力公司以「即時」費率來支付而以「統一」費率來跟用戶收費。尖峰時刻，電力公司暫時切斷家庭用戶的電力來達到所謂的「減載」，減載的情況並不少見，郊區的用戶得忍受6至8小時沒有電力、以及接下來數小時的低電壓，所以該區域有將近30%用戶因此感到憤怒。

賬單費用上升與電力公司欠缺同理心促使家庭用戶尋求新的方案。數個智慧電表品牌出現在市場上並得到用戶的青睞。用戶見到因為立即電量訊息的回饋所帶來的好處，電力公司對用戶提出獎勵措施以降低尖峰電量的需求落差。例如用戶可以在晚上啟用電熱水器、而非尋常尖峰的早晨，或洗衣機運轉的時間改為下午以避開電熨衣物的期間。

對於電力公司而言被要求能夠在尖峰電量消耗的時候進行短時間刻度的需求端管理機制與需求回覆計畫，以便讓用戶得以即時地計價、而離開原本的年度平均成本的計價模型。用戶可以在特定的期間改變需求進而調整電價，例如特定日期的下午8點至9點的電價為每度2.9分、而在上午0點至1點的電價為每度1.9分。印度Karnataka省的Bangalore也許是在分散電力網路中最早使用需求端管理機制來達成尖峰電量消耗管理的一間電力供應公司。

Bangalore電力供應公司的服務遍及6億人口中的30%，服務30個行政區中的8個行政區，每個行政區劃分3個管理區，統一提供用戶3種費率，其中一種費率為給低電壓用戶使用的每日費率，一般的價格將6點至22點之間升降。最近的統計顯示2013年7月的6點至9點之間有高達1000MW的電量短缺，Bangalore電力供應公司亦在2013年8月針對家庭用戶啟動「快樂時光」計畫，以期在平常時間降低10%、而尖峰時刻降低15%的用電量。

只要檢查每月的賬單費用的成長，用戶可以很顯著地學到每日費率的計價基底。Bangalore電力供應公司對用戶開始了「浮動油價」收費制以反應費用至即時計價上，當用來產生電能的油價有短期的刻度變化時，這將成為賬單上的變數。長期而言，用戶和電力公司可以合作來配合尖峰的電量供應需求。

圖1呈現了一個以智慧電網為基礎的家庭電量供應系統的藍圖。由電力公司供應至家庭的電量將經由一個電表來記錄家庭的用度。假設電力公司此時令連接至家庭區域網路閘道器的計價profile生效，則可預期家庭區域網路具備有效電器的清單、並可在特定的時間將這些電器予以開啟，以便支援電力公司的計價profile。雖然最後的決策將回到人類手裡，但是大部份的智慧電表無法與智慧電網界接。本文建構了一個稱為JJ(能量筆記簿)的智慧電表，它能夠跟用戶和電力公司界接。除了建構JJ之外，本文的貢獻包括(a)於嵌入了Wi-Fi的JJ智慧電表上實作SEP 2.0、(b)無縫地整合網際網路和電信商、(c)無縫地映對電力公司和用戶。來自於電力公司的每日費率、快樂時光、和其它模型將於計價profile中被支援，這些模型有助於用戶有效地管理家中的電器。

2.文獻

相關文獻指出智慧電表對用戶的實用性和重要性，為用戶帶來的好處在於消耗電量之賬單的透明化，為電力公司帶來的好處則在於即時計價以及改變用戶的尖峰時刻用電行為。大部份文獻提到了電量消耗回饋最重要的地方在於將用戶導入互動的循環。某一篇文獻的作者描述一個Android智慧型手機應用程式，其為數種家庭應用提供了電量消耗profile。分散負載需要使用電表，其價值在於替家庭用戶與組織用戶進行比較，由電表取得的資料將影響用戶的行為。另一篇文獻強調電表可以降低使用的障礙，裝置層級的即時回饋可以用來辨認出大量耗電的裝置。另一篇文獻的作者提出一個稱為AppliSense的分散負載演算法，它可以依據裝置層級來降低電量消耗，SEP 2.0則是它提出之為數眾多的中介軟體框架裡的一項。另一篇文獻的作者提出一個稱為Hydra中介軟體框架，該框架藉由P2P網路來簡化通訊的任務，當中一個被稱為Ploggs的智慧電表被用來擷取統計電器的耗電量，然而該架構未整合電力公司與用戶。另一篇文獻的作者提出一個基於預付賬單的GSM自動化讀表系統，單位耗電的數量被送往電力公司，藉由GSM的輔助來監測盜電行為。另一篇文獻的作者完成了一項典型家用電器的負載profile分析，藉以提供最高機率的需求回覆，以及洗衣機、冰箱、電磁爐等電器的最低用電量。另一篇文獻研究了50個家庭對於電量監測的影響，發現了42%的參與者降低了10%以上的用電、而33%的參與者降低了10%至25%的用電，這也是Bangalore電力供應公司期望達成的目標。另一篇文獻實作了一個稱為S插座的相似系統，它提供監測與控制的功能。另一篇文獻則實作了一個稱為nPlug的電表，其針對高耗能電器使用需求端管理策略來降低電力公司的尖峰電量需求，平價的nPlug電表執行非集中式需求端管理策略來估算需求的落差，它允許用戶鍵入偏好值以便指定家中電器的排程開始時間與結束時間。除了上述各文獻指出的特點之外，本文的JJ提供用戶耗電對齊電力公司的計價profile，因而需要電力公司、家庭用戶、網際網路、及行動網路能夠無縫地互動。

3.協定整合：SEP 2.0與網際網路和行動網路

本文的硬體涵蓋JJ與家庭區域網路，用以確保所有的通訊協定以整體的形式無縫地運行。SPE 2.0標準支援訂閱、通報、回覆、及終端裝置等數種資源，SEP 2.0支援RESTful架構，這種架構在資源的表示上沒有客戶端與伺服端的差異，兩者皆可呈現，SEP 2.0建構在資源與功能集合的概念上，資源可以描述實體電表的特性，資源的集合可以用來實踐功能集合裡的特定功能，舉凡讀表、需求回覆與負載控制、以及計價等皆為功能集合用來提供用戶與電力公司使用的無縫通訊。值得強調的是需求回覆與負載控制協定裡面的負載控制使用了SEP 2.0的資源發佈訂閱機制，此時專司訂閱之負載端的JJ扮演需求回覆與負載控制協定的客戶端，家庭區域網路裡需求回覆與負載控制協定的伺服端則會發佈資源並且通報，JJ同時也裝設了致動器以便關閉負載。

雖然SEP 2.0在CC2538之類的硬體平台已經可以運行，但本文決定使用Wi-Fi標準，以追求一個家用集合住宅環境最具擴充性的架構。圖2展示了本文所實作的系統的所有通訊協定；最外圈為電力公司與用戶使用的通訊協定；第二圈用戶的SEP 2.0實作，像是控制負載與讀表資訊成為一個簡化後的服務，這些是預付與後付模型所必須訂閱的資訊；JJ與家庭區域網路在SEP 2.0的實作呈現於第三圈；最內圈記錄了實體的硬體。家庭區域網路實作了計價profile並且直接跟電力公司互動，其同時具備簡訊閘道器的能力，因此整個系統簡化了數種服務的整合工作與付費模型，舉凡逐日、快樂時光、預付、及後付等費率，用戶只需使用簡訊或電子郵件可以取得這些費率，另外，待在家中的用戶可以直接使用智慧型手機上的Android應用程式來連接家庭網路來管理家中的電器。

4.能量筆記簿：智慧電表

圖3為JJ的照片，微控制器為TI的MSP430F5438A，用來感測電流、電壓、功率因數的單相電量量測晶片為ADI的ADE7953。JJ藉由電流變壓器來擷取輸入電流、藉由電壓變壓器來擷取輸入電壓、且提供本地儲存空間來記錄所有的量測資料。此外，電路板支援以IEEE 802.11 b/g Wi-Fi為基礎的TCP/IP通訊協定堆疊，系統時脈25MHz，支援16位元計時器、SPI、UART、I2C介面。電量量測晶片的取樣率為895kHz，運行於2.4GHz的Wi-Fi晶片CC3000的最大發射功率為+18dBm。首先讓JJ進行寫入操作然後讓Wi-Fi進行傳輸，本文發現其平均消耗分別為60mA和170mA。

圖4展示一個洗衣機的負載profile，該系統額定545瓦，JJ記錄其4個洗衣循環至SD記憶卡，當水被灌進機器以進行衣物浸泡與漂洗完畢時使用了4瓦，洗滌循環與脫水循環使用了顯著高了許多的電量，雖然只有佔據很短的時間，但是通常會超過製造商的額定功率，當洗衣開始而電力失效時，洗衣機能夠自動重新啟動。洗衣機只是一個JJ能夠隨時間記錄負載電量消耗的範例。

4.1對SEP 2.0的支援

本文實踐SEP 2.0此一應用層協定來支援所有演算法，本文的實作藉CC3000上的Wi-Fi來支援TCP/IP，資料以XML封裝成封包並透過HTTPS傳送，應用層協定由MSP430微控制器運行，微控制器透過API存取CC3000，由前者發送API命令而後者回覆並執行適切的動作，事件由CC3000觸發以中斷微控制器， CC3000觸發的非同步命令回覆將指示系統發生的事件。

4.1.1計費profile

SEP提供一個彈性且可擴充的結構讓計價profile之實作，由電力公司的服務供應之。每個計價profile由TariffProfile產生，每個TariffProfile具備RateComponent清單，每個RateComponent依據用戶的耗電率來指定類型。計價profile為一通用的包裝，它可以依據被讀取到的資源來客制化，在電表讀取的應用上，RateComponent即為度。每個RateComponent具備TimeTariffInterval清單，例如隨每小時變動費率的依時費率被採用時，此處便會具備總共24個TimeTariffInterval (tti)。每個tti可以更進一步地擁有ConsumptionTariffInterfal (cti)清單，依電量消耗再度分割，用意在於當電量消耗增加時價格亦隨之增加，cti可以使用在TariffProfile有需要的時候，然而本文僅將它保留在單一物件並讓計價profile跟它關聯在一起。

4.1.2需求回應負載控制功能集合

本文實作的每個智慧電器都是需求回覆與負載控制的客戶端，需求回覆與負載控制的伺服端實作在家庭區域網路。需求回覆與負載控制功能集合由SubscriptionNotification資源來支援。圖5展示了搜尋程序，客戶端將會向伺服端訂閱電表的資源，訂閱設定了負載的功率消耗臨界值，一旦功率消耗超出臨界值，伺服端將會通報客戶端，需求回覆與負載控制的伺服端展露自身的EndDeviceControl物件予客戶端，以便讓客戶端的負載可以將其關閉。這個實作可以擴充至數個智慧電器的使用情境。伺服端可以為整個系統的各個電器設定臨界值，伺服端在臨界值條件被滿足時，每次皆會進行通報。這樣的實作有助於開發演算法，例如客戶端可以在(a)自動增加臨界值、(b)因時間更改計價、和(c)逾時的時候，收到帶有yes的EndDeviceControl回覆。

4.1.3讀表功能集合

SEP的讀表功能集合需要在家庭區域網路實作讀表客戶端，該客戶端將會定期地輪詢JJ所使實作的讀表伺服端的數值。家庭區域網路也會實作從電力公司取得計價與費率的計價功能集合。例如profile可以是帶有費率級距的每日profile，一旦耗電量高出費率級距時，用來計價的費率便會調高。當家庭區域網路已經藉由讀表得知電器的耗電行為時便能得知整個耗電所需的計價訊息，接著只要電力用量超出家庭區域網路所設定的臨界值時，需求回覆與負載控制功能集合便可以用來關閉任意電器，其中該臨界值既可以由用戶設定也可以由電力公司設定。

5.佈建的使用情境

本文的架構展示了幾個協定的可擴充性，本節將描述3個家庭電量監測系統的使用情境。本文實作的架構具備高度的彈性，可依據用戶的偏好與需求來進行客制化。本文預期SEP 2.0可以整合既有的網際網路與行動網路。用戶在本文的架構裡扮演重要的角色，完整的用戶應用程式建構於智慧型手機的Android應用程式，基本上，用戶必須對最少的需求作出回應，這將造成些許不便，另外在實際位置上會有一些限制。當用戶待在家中時將直接使用HTTP通訊運行簡單的演算法。

5.1使用情境1：支援DNS的能量筆記簿

第一個使用情境中，本文的用戶已在家中佈建了一至兩個智慧電表，需求回覆與負載控制的計價profile直接運行在JJ這個家庭伺服器上，參照圖6，本文的電器也能夠被控制，為確保通訊協定的完整性而訂閱了一個被稱為全球簡訊服務的線上工具，該服務接受來自於家庭伺服器JJ的HTTP連線、並傳遞一個簡訊給用戶，該簡訊記載一個URL，該URL為JJ所註冊之DynDNS的服務，在這個使用情境裡，JJ與負載控制可以是一對一、或一對多的關聯。

5.2使用情境2：能量筆記簿運行於星狀拓撲的家庭區域網路

第二個使用情境中，家庭區域網路運行一個計價profile與簡訊閘道器，參照圖6，此時仍可以使用家庭區域網路所註冊的外部簡訊服務與DynDNS，這個情境設想的目標為具備多個智慧電表和負載插座的集合住宅與豪宅。

6.評估與結果

為展示本文整合式的作法可以因應即將到臨的商業模式來自由地調整JJ，本文實作了3種控制演算法，用戶在演算的循環中扮演了互動的角色，Android應用程式讓用戶可以檢查諸如電量單位或費用，演算法還提供用戶受控負載的選項。

6.1統一費率臨界值演算法

假設電力公司為前100個單位耗電提供固定費率的計價profile，家庭區域網路具備各個電器的電量profile，在這個演算法裡，本文為各個電器的平均功率設定臨界值，這個演算法將會即時地計算平均值不超出臨界值的總耗電量，當超出臨界值的事件發生時，系統讓用戶在運作中電器清單裡挑選哪些要予以關閉，以達到低耗電狀態下的最佳化，耗電量最靠近臨界值的電器將被推薦予用戶使用，用戶選取的選項將被用來控制電器。

6.2快樂時光演算法

這個演算法也是由電力公司提供予用戶重新對電器排程的選項，這個演算法計算在快樂時光的費率、和其它時間的費率。

6.3預付賬單演算法

這個演算法讓用戶儲值於賬戶，然後家中的系統追蹤收支是否平衡，這個演算法展示SEP 2.0支援的計價profile，費率依據時間調整時，耗電與級距將被萃取出來。表1展示有無SEP 2.0堆疊的平均延遲，如該表呈現，電子郵件需要堆疊耗用1秒以上的時間，運行於家庭區域網路的簡訊服務需要堆疊耗用稍微超過1秒的時間，全球簡訊服務解決方案則耗用堆疊平均48分鐘的時間。

7.討論

本文整合的協定完成一個無縫且具擴充性的家庭暨集合住宅解決方案，不同於ZigBee版SEP 2.0，本文的軟體堆疊實作既優雅又簡易，例如本文實驗裡的全球簡訊服務，縱然需要改進時間延遲，但是提出了一個在全球任意地點進行管理的洞見；展示的演算法也易於使用，例如平均功率臨界值可由峰值功率替代，每日費率可由快樂時光替代，在後付情境下啟用預付演算法以做出警示，扁平費率演算法的複雜度為N+NlogN，快樂時光演算法的複雜度為NlogN，預付演算法的複雜度為n×n，其中的N為JJ的數量、而n為費率間隔的數量cti。

8.結論

本文從無到有建構一個稱為JJ之基於Wi-Fi的SEP 2.0智慧電表，該電表整合了行動網路與網際網路，具備數種佈建選項讓電力公司和用戶可以無縫地互動。運行於智慧電表的既有演算法所使用的哲學為「多用多付」，JJ成為電力公司將功率消耗跟用戶行為取得一致的範例。本文認為水量消耗跟電量消耗都應該以全域最佳化演算法為基礎。

參考文獻

http://wattalyst.org/static/DocumentUsed/dr2014_submission_3.pdf