翟術(shù)然，孫 虹，呂偉嘉，馬 驍，喬亞男，盧靜雅

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300221；2.天津求實(shí)智源科技有限公司，天津 300392）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶生活水平不斷提高，居民用電器的種類和數(shù)量、居民用電負(fù)荷總量不斷增加。居民側(cè)用電量占社會(huì)總用電量的36.6%[1]，而用電效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題普遍存在[2-3]。對(duì)此，發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)70年代開始了提高居民用電效率的研究，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，其中能效評(píng)估服務(wù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的首要環(huán)節(jié)[4]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。

文獻(xiàn)[5-6]針對(duì)高耗能企業(yè)的能效分析提出了一種基于層次分析法和熵權(quán)法的多指標(biāo)評(píng)估方法，并在設(shè)計(jì)指標(biāo)的過(guò)程中考慮了企業(yè)能效狀態(tài)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行參數(shù)和電能污染三方面的影響；文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上考慮了環(huán)境影響，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)與主成分分析的客戶用電能效評(píng)估方法，但指標(biāo)權(quán)重依靠專家評(píng)判，具有較強(qiáng)烈的主觀性；文獻(xiàn)[8]針對(duì)企業(yè)用戶內(nèi)的照明設(shè)備和空調(diào)設(shè)備，將其總用電量進(jìn)行縱向?qū)Ρ纫詫?shí)現(xiàn)節(jié)能效益分析；文獻(xiàn)[9-10]主要根據(jù)總量信息分析用戶用電行為，進(jìn)而制定行為優(yōu)化策略，但無(wú)法得到具體到用電設(shè)備級(jí)的個(gè)性化的優(yōu)化策略；文獻(xiàn)[11]提出了一種針對(duì)企業(yè)用戶能效分析與客戶反饋的交互系統(tǒng)，但需以客戶所在領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用能信息為基礎(chǔ)，限制了方法的實(shí)用范圍?？傮w上，現(xiàn)有研究大多聚焦于工商業(yè)大客戶，針對(duì)家庭能效評(píng)估的研究較少。目前所采用的能效評(píng)估方法主要依據(jù)用戶用電總量信息，通過(guò)不同用戶之間的橫向?qū)Ρ群陀脩糇陨聿煌瑫r(shí)期的縱向?qū)Ρ葋?lái)進(jìn)行能效綜合評(píng)估。一方面，評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性難以得到保證；另一方面，依據(jù)評(píng)估結(jié)果無(wú)法直接得出可操作性強(qiáng)、具體到電器的用電優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[12]提出一種家庭電器能效評(píng)估方法，根據(jù)電器的運(yùn)行狀態(tài)并利用能效函數(shù)，將電器劃分為高效用、低效用和負(fù)效用。但由于電器運(yùn)行狀態(tài)多樣，僅通過(guò)電器的啟、停狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果可能不準(zhǔn)確。因而，對(duì)于能效與設(shè)備運(yùn)行模式、運(yùn)行功率水平等因素關(guān)聯(lián)較為緊密的電器，有必要設(shè)計(jì)更合理的電器能效量化評(píng)估方法，進(jìn)而對(duì)各類電器的評(píng)估結(jié)果加以綜合分析，向用戶提供高效的用電方案，提高用電效率。

為此，本文提出了基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)NILM（non-intrusive load monitoring）的家庭電器能效評(píng)估方法。為保證所提方法在不同用戶中的適用性，首先提出了基于NILM的能效評(píng)估數(shù)據(jù)實(shí)用化采集方案。對(duì)于單個(gè)用戶，綜合考慮實(shí)用性和精度，利用基于負(fù)荷事件的NILM方法，可從用戶用電總量數(shù)據(jù)中獲取各個(gè)電器的精細(xì)化用電情況。一方面，通過(guò)積累用戶精細(xì)化用能數(shù)據(jù)，可分析用戶的用電特性，得到多類型用戶的典型用能情況，并結(jié)合地理信息和天氣數(shù)據(jù)分析用戶用電需求。另一方面，根據(jù)使用目的和工作機(jī)理將家庭用電器進(jìn)行分類，并針對(duì)性地建立不同的能效評(píng)估模型。其中，針對(duì)能效與溫度、光照等實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)緊密相關(guān)的電器，提出了考慮環(huán)境參數(shù)的用電器能效量化評(píng)估方法。

1 電器能效評(píng)估數(shù)據(jù)獲取

電器能效評(píng)估對(duì)數(shù)據(jù)精細(xì)程度有更高的需求，數(shù)據(jù)獲取難度較大。本文基于NILM技術(shù)提出了針對(duì)性數(shù)據(jù)采集方案，將電器個(gè)性化能效評(píng)估數(shù)據(jù)需求大致分為兩類：一類是家庭內(nèi)部各用電器的用電數(shù)據(jù)，包括工作狀態(tài)、開關(guān)時(shí)間和使用順序等，在明確用戶具體用電行為[13-14]的前提下對(duì)其用電效率進(jìn)行評(píng)估；另一類是用戶的用電需求數(shù)據(jù)。用電需求是指用戶在某種特定環(huán)境，需要使用何種電器滿足其生活工作等需求的相關(guān)數(shù)據(jù)，故用電需求數(shù)據(jù)除了電器習(xí)慣使用時(shí)段等必要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)外，還包括與用電行為相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.1 精細(xì)化用電數(shù)據(jù)采集

精細(xì)化用電數(shù)據(jù)指用戶家庭各用電器的用電詳情，包括工作狀態(tài)、開關(guān)時(shí)間和電量等[15]。考慮到NILM技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和推廣性方面有著巨大優(yōu)勢(shì)，本文所提出的精細(xì)化用電數(shù)據(jù)采集方案如圖1所示。

圖1 精細(xì)化用電數(shù)據(jù)采集Fig.1 Collection of refined power consumption data

NILM技術(shù)利用家庭用電器的總量信息采集家庭各用電器的用電數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以對(duì)各電器的用電信息等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得用戶家庭內(nèi)部各用電器的用電詳情。通常情況，用電器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在總量信息留下印記，基于用戶總量信息中各用電器的功率量滿足疊加性，NILM利用這些反應(yīng)電器各自運(yùn)行特性的印記實(shí)現(xiàn)用戶用電總負(fù)荷功率分解[16]。具體方案參照?qǐng)D1，首先進(jìn)行原始總量數(shù)據(jù)采集，而后進(jìn)行負(fù)荷事件檢測(cè)[17]，完成負(fù)荷（穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)）特征提取，最后通過(guò)將提取的負(fù)荷特征樣本與負(fù)荷特征庫(kù)中的模板進(jìn)行逐一比對(duì)即可完成電器狀態(tài)辨識(shí)和負(fù)荷分解。由此得到各用電器在目標(biāo)時(shí)間段內(nèi)的用電詳情，作為家庭用電器能效評(píng)估策略以及用戶用電行為分析優(yōu)化等應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[18]。

1.2 用電需求數(shù)據(jù)獲取

本質(zhì)上，能效可以理解為用戶真實(shí)用電需求在實(shí)際用能中的占比，因此除了精細(xì)化用電數(shù)據(jù)外，真實(shí)用電需求也是評(píng)判用戶用能是否合理的主要依據(jù)，獲取方法如圖2所示。用電需求一方面與用戶習(xí)慣緊密相關(guān)，另一方面也會(huì)受到外部天氣因素的影響，例如：氣溫升高會(huì)導(dǎo)致用戶空調(diào)制冷負(fù)荷需求增大。因此，借助網(wǎng)絡(luò)公開信息，結(jié)合NILM系統(tǒng)或用戶自身提供的地理位置信息即可獲取必要的天氣信息，具體包括但不限于光照、溫度、濕度、風(fēng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 用電需求數(shù)據(jù)獲取Fig.2 Collection of power demand data

對(duì)于各類電器用電需求，采取多用戶NILM系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析的方式獲取。由于不同用戶用能習(xí)慣和用能需求各不相同，首先對(duì)用戶進(jìn)行分類處理。對(duì)于用戶屬性信息比較完善的區(qū)域，可直接根據(jù)屬性標(biāo)簽進(jìn)行分類，用戶屬性包括住宅面積、常住人數(shù)、工作性質(zhì)等；對(duì)于用戶信息缺失的區(qū)域，可基于聚類分析等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行分類[19-20]。完成用戶分類后，對(duì)每類用戶內(nèi)部各種電器的運(yùn)行特性加以統(tǒng)計(jì)，其中不同電器運(yùn)行模式下的平均有功、無(wú)功功率水平是關(guān)鍵信息。此外，NILM還可提供各用戶每種電器的運(yùn)行時(shí)段信息，進(jìn)而獲得各種電器的運(yùn)行時(shí)段分布情況。將電器用能特性與運(yùn)行時(shí)段信息結(jié)合，即可得到各類用戶的用電行為習(xí)慣分析結(jié)果，并明確各類電器的平均耗電量以及時(shí)間分布，形成個(gè)性化能效評(píng)估所需的用電需求數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 家庭電器能效評(píng)估

通過(guò)上述方法可獲得目標(biāo)用戶精細(xì)化用電數(shù)據(jù)和用電需求信息，用于家庭電器能效評(píng)估，而不同類型電器能效與評(píng)估方式不盡相同。對(duì)此，本文根據(jù)工作機(jī)理和使用目的將家庭用電器進(jìn)行分類，對(duì)不同類別的電器建立不同的能效評(píng)估模型，并結(jié)合電器的運(yùn)行狀態(tài)等用電參數(shù)對(duì)其進(jìn)行能效評(píng)估。

2.1 電器分類

從家庭電器使用目的和工作機(jī)理出發(fā)，根據(jù)用戶用電的習(xí)慣及家電的使用時(shí)間、功率等運(yùn)行特性的不同，將家庭用電器分為4類：基本負(fù)荷、可中斷負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和儲(chǔ)能負(fù)荷，如表1所示。使用時(shí)間比較固定的電器，例如電飯煲、電磁爐等，本文將這類電器定義為基本負(fù)荷；可中斷負(fù)荷是指開關(guān)狀態(tài)和使用時(shí)間受環(huán)境因素影響比較大的電器基荷，并且它們的運(yùn)行狀態(tài)可能隨環(huán)境變化而隨時(shí)切換，甚至中斷，如空調(diào)、電風(fēng)扇、照明設(shè)備等；可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是指使用時(shí)間可根據(jù)用戶需要平移到別的時(shí)段的，具有最小連續(xù)工作時(shí)間和在工作時(shí)段內(nèi)具有固定工作模式且不能中斷的用電設(shè)備，如洗衣機(jī)等；儲(chǔ)能負(fù)荷是指先在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)存儲(chǔ)定量電能，然后根據(jù)用戶需求在特定時(shí)間內(nèi)工作的電器，如充電寶、電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、掃地機(jī)器人等。

表1 家庭電器分類Tab.1 Classification of home appliances

2.2 電器能效模型

為實(shí)現(xiàn)科學(xué)準(zhǔn)確的家庭電器能效評(píng)估，本文基于上述電器分類結(jié)果，對(duì)不同電器分別建立能效模型。由于儲(chǔ)能負(fù)荷的功率占比相對(duì)較小，故只計(jì)及基本負(fù)荷、可中斷負(fù)荷及可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。根據(jù)電器的工作狀態(tài)是否與工作環(huán)境有關(guān)可將電器分為兩類：第1類包括了基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，此類電器的工作狀態(tài)完全取決于用戶本身的用電需求與環(huán)境量無(wú)關(guān)，如電視機(jī)、電熱水器等，電器能效體現(xiàn)在電器的有效使用時(shí)間在其總運(yùn)行時(shí)間中的占比，故可建立時(shí)間能效模型；第2類則是可中斷負(fù)荷，此類電器的工作狀態(tài)與環(huán)境量緊密相關(guān)，如電風(fēng)扇、空調(diào)、照明設(shè)備等，電器能效體現(xiàn)在溫度和光照，所以建立溫度能效模型和光照能效模型。

綜上所述，家庭電器的能效模型函數(shù)具體分為時(shí)間能效模型、溫度能效模型和光照能效模型，具體表述如下。

1）時(shí)間能效模型

時(shí)間能效模型用于電視機(jī)、電熱水器等基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，根據(jù)電器的預(yù)期使用時(shí)間或固定使用時(shí)間與實(shí)際電器運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電器時(shí)間能效評(píng)價(jià)。對(duì)任意時(shí)刻t∈[ts,te]，ts為用電器運(yùn)行的起始時(shí)刻，te為用電器運(yùn)行的結(jié)束時(shí)刻，時(shí)間能效模型表示為

式中：Ti(t)為電器i的時(shí)間能效模型；tmin為電器使用時(shí)段起始時(shí)刻；tmax為電器使用時(shí)段終止時(shí)刻。例如，用戶觀看電視機(jī)的時(shí)間為19：00—19：30，電視機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為18：50—19：30，則在時(shí)間段18：50—19：00，電視機(jī)的時(shí)間能效模型為0；在時(shí)間段19：00—19：30，電視機(jī)的時(shí)間能效模型為1。

2）溫度能效模型

溫度能效模型面向空調(diào)、電風(fēng)扇等電器運(yùn)行狀態(tài)與用戶家庭區(qū)域的溫度參數(shù)相關(guān)的可中斷負(fù)荷，根據(jù)用戶家庭區(qū)域的溫度參數(shù)和用戶預(yù)設(shè)溫度的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器溫度能效評(píng)價(jià)。溫度能效模型表示為

式中：Ci(wt)為電器i的溫度能效函數(shù)；wmin為預(yù)期最小溫度閾值；wmax為預(yù)期最大溫度閾值；wt為t時(shí)刻用戶家庭的實(shí)際溫度。若wt在[wmin,wmax]范圍內(nèi)，則溫度能效模型為1；否則為0。

3）光照能效模型

光照能效模型面向照明設(shè)備，電器的運(yùn)行狀態(tài)與家庭實(shí)際光照環(huán)境相關(guān)，根據(jù)家庭的實(shí)際明亮程度，確定光照能效模型，表示為

式中：Li(lt)為電器i的光照能效函數(shù)；l1為屋內(nèi)環(huán)境較暗；l2為屋內(nèi)環(huán)境較亮；lt為該電器i在t時(shí)刻運(yùn)行時(shí)所在區(qū)域的實(shí)際光照情況。

2.3 電器能效評(píng)估

在電器能效模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合NILM技術(shù)獲取的各用電器精細(xì)化用電數(shù)據(jù)，提出了家庭電器能效動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。在計(jì)及自動(dòng)調(diào)節(jié)電器的保溫狀態(tài)的基礎(chǔ)上，該方法根據(jù)電器的運(yùn)行功率或運(yùn)行狀態(tài)將其劃分為不同等級(jí)的能效，并引入評(píng)分機(jī)制，可對(duì)當(dāng)天電器的用電能效進(jìn)行評(píng)分，通過(guò)對(duì)該電器一段時(shí)間內(nèi)分?jǐn)?shù)的縱向?qū)Ρ?，提醒用戶在該電器用電行為上可能存在的能效?wèn)題，進(jìn)而對(duì)用戶提出針對(duì)性用能意見。

為了量化評(píng)估電器能效，分別基于時(shí)間、溫度和光照能效函數(shù)對(duì)不同電器進(jìn)行電器能效評(píng)估。首先定義任意電器i在t時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)Si(t)，并將其分為3種狀態(tài)：工作Non、保溫Ncon和停機(jī)Noff；電器i在t時(shí)刻的能效評(píng)估指標(biāo)Ui(t)，并將其分為3種能效水平：高能效Nh、中等能效Nm、低能效Nl。

高能效表示用戶消耗電能的同時(shí)獲得了較高的價(jià)值和最大化的滿意度[15]。對(duì)于具有時(shí)間特性的電視機(jī)、電熱水器等基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，高效是指當(dāng)用戶使用時(shí)間等于用電器實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，用戶獲得了較高的價(jià)值。對(duì)于空調(diào)、電風(fēng)扇等溫度比較敏感的可中斷負(fù)荷，以空調(diào)為例，當(dāng)家庭區(qū)域?qū)嶋H溫度高于用戶期望環(huán)境溫度時(shí)，空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)，則表示空調(diào)處于高能效，用戶獲得了較高的價(jià)值和最大化的滿意度。值得注意的是，空調(diào)的保溫狀態(tài)是將家庭區(qū)域內(nèi)溫度維持在用戶設(shè)定溫度的一種自動(dòng)化運(yùn)行模式，本文將其視為高能效。中等能效表示用戶消耗電能過(guò)程中存在較少的電能損耗，特別對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)的電器，例如熱水器在達(dá)到設(shè)定溫度后存在保溫狀態(tài)，這段時(shí)間用戶并沒(méi)有使用該電器，本文將其視為中等能效?；谝陨显瓌t，本文將對(duì)一天中不同時(shí)段內(nèi)的所有電器逐一進(jìn)行量化評(píng)分，處于高能效視為正分，低能效和中等能效視為負(fù)分，進(jìn)而對(duì)各電器一天內(nèi)不同時(shí)段的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)求和得到最終評(píng)分。

各時(shí)段權(quán)重依據(jù)電器運(yùn)行功率水平而定，具體評(píng)分步驟如下。首先，分別計(jì)算電器在高能效、低能效時(shí)段的平均功率Pmean；然后，利用電器高能效、中等能效、低能效時(shí)段的平均功率，根據(jù)其最低運(yùn)行功率Pmin和最高運(yùn)行功率Pmax，結(jié)合對(duì)應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行打分；最后，將其進(jìn)行疊加得到該電器當(dāng)天的評(píng)分。

分別根據(jù)時(shí)間能效模型、溫度能效模型和光照能效模型給出能效評(píng)估方法?；跁r(shí)間能效模型的電器能效評(píng)估，如表2所示。表中，Pmean為電器在高能效、低能效時(shí)段的平均功率，Pmin為電器最低運(yùn)行功率，Pmax為電器最高運(yùn)行功率。若電器處于工作狀態(tài)且被用戶實(shí)際使用，或者當(dāng)電器處于關(guān)閉狀態(tài)，則電器處于高能效；當(dāng)電器處于工作狀態(tài)但用戶實(shí)際不需要使用該電器，則電器處于低能效[11]；但對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)電器處于保溫狀態(tài)將其視為中等能效。

表2 基于時(shí)間能效函數(shù)家用電器能效評(píng)估Tab.2 Evaluation on energy efficiency of home appliances based on time energy efficiency function

基于溫度能效模型電器能效評(píng)估如表3所示。若用戶家庭區(qū)域內(nèi)的溫度已在用戶期望溫度之外，且電器處于工作狀態(tài)且保障實(shí)際溫度趨近于用戶所需溫度內(nèi)，或者若電器處于保溫狀態(tài)，再或者若電器處于關(guān)閉狀態(tài)，則電器處于高能效；若電器處于工作狀態(tài)，用戶家庭區(qū)域內(nèi)的溫度已處于用戶期望溫度，則電器處于低能效。

表3 基于溫度能效函數(shù)家用電器能效評(píng)估Tab.3 Evaluation on energy efficiency of home appliances based on temperature energy efficiency function

基于光照能效模型電器能效評(píng)估，如表4所示。由于照明電器的亮度與功率量有直接聯(lián)系，在進(jìn)行能效評(píng)估時(shí)，利用運(yùn)行功率量對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，具體如下。若照明電器處于暗處且用戶需求為亮，電器工作則將其定義為高能效；否則，電器工作則將其定義為低能效。若照明電器處于關(guān)閉狀態(tài)，則用電器處于高能效。根據(jù)照明電器的最大運(yùn)行功率Pmax，可按照需求靈活的設(shè)定不同能效等級(jí)。計(jì)劃將高、低能效等級(jí)都設(shè)為2級(jí)：高能效Ui(t)=Nh、較高能效和較低能效、低能效Ui(t)=Nl，根據(jù)電器實(shí)際運(yùn)行功率判斷其能效等級(jí)，見表4，其中P為與光照相關(guān)電器的實(shí)際運(yùn)行功率。

表4 基于光照能效函數(shù)家用電器能效評(píng)估Tab.4 Evaluation on energy efficiency of home appliances based on illumination energy efficiency function

3 算例分析

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，以某家庭某日實(shí)際耗電數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)所得該家庭用電需求為例，對(duì)該家庭各電器進(jìn)行能效評(píng)估和詳細(xì)分析。

3.1 精細(xì)化用能數(shù)據(jù)分析

該家庭主要電器包括空調(diào)、電熱水器、電視機(jī)、飲水機(jī)、照明設(shè)備等，對(duì)如圖3所示的夏季某日總功率曲線進(jìn)行分析。為方便展示，僅以時(shí)段17：00—24：00為例。

圖3 家庭總功率曲線Fig.3 Total power curve for one family

如第1.1節(jié)所述，根據(jù)圖3所示的用戶總量信息，采用NILM技術(shù)可得到戶內(nèi)精細(xì)化用能數(shù)據(jù)，不同電器的功率曲線如圖4～圖6所示。由圖可見，電視機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生了大量無(wú)規(guī)則波動(dòng)；空調(diào)運(yùn)行期間功率水平較高，而且啟動(dòng)暫態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的先上升后下降的波形特征；照明運(yùn)行功率較小，且波形為標(biāo)準(zhǔn)的“矩形”。根據(jù)各電器的功率曲線，可分析出各用電器的運(yùn)行時(shí)段，如表5所示。

圖4 目標(biāo)時(shí)段電視的有功功率曲線Fig.4 Active power curve of TV during target period

圖5 目標(biāo)時(shí)段空調(diào)的有功功率曲線Fig.5 Active power curve of air conditioner during target period

圖6 目標(biāo)時(shí)段照明設(shè)備的有功功率曲線Fig.6 Active power curve of lighting equipment in target period

表5 各用電器運(yùn)行時(shí)間Tab.5 Running time of each appliance

3.2 用電需求數(shù)據(jù)分析

如第1.2節(jié)所述，用電需求數(shù)據(jù)主要獲取方式是對(duì)用戶用電活動(dòng)的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合用戶家庭所在地的天氣數(shù)據(jù)，其中溫度表示該家庭的室外溫度，光照表示該家庭所在區(qū)域的亮度，均通過(guò)氣象資料獲得。表6給出了該用戶基于時(shí)間能效函數(shù)電器的固定使用時(shí)段，表7給出了該用戶基于溫度和光照能效函數(shù)電器的使用環(huán)境值。

表6 用戶典型用電器使用時(shí)間信息Tab.6 Working time of typical home appliances in one family

表7 用戶典型用電器使用環(huán)境信息Tab.7 Environmental information about typical home appliances in one family

如表6所示，用戶某種用電活動(dòng)必然會(huì)有相應(yīng)電器工作，由于用戶用電習(xí)慣和用電規(guī)律，故相應(yīng)用電器的使用時(shí)段也具有規(guī)律性，應(yīng)在固定時(shí)間范圍內(nèi)，因而經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得到電器使用時(shí)間數(shù)據(jù)。不過(guò)，用戶某些用電行為或用電活動(dòng)受到環(huán)境因素變化而變化，故相應(yīng)電器沒(méi)有固定的使用時(shí)間，如空調(diào)、照明設(shè)備等。這類電器的使用狀態(tài)與用戶的用電期望和環(huán)境量有關(guān)，這類用電器的預(yù)設(shè)值或期望值，如表7所示。

綜上所述，用戶用電需求數(shù)據(jù)體現(xiàn)典型用電器為滿足用戶的用電活動(dòng)的科學(xué)和合理的使用時(shí)間，以及使用環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)家庭用電器準(zhǔn)確科學(xué)能效評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 電器能效評(píng)估

根據(jù)當(dāng)日氣象資料，確定該用戶家庭區(qū)域的目標(biāo)時(shí)段17：00—24：00的光照環(huán)境和溫度環(huán)境如圖7所示。點(diǎn)線為用戶家庭區(qū)域的溫度曲線，虛線為用戶的期望溫度閾值，表示的溫度范圍為18～25℃，點(diǎn)劃線表示用戶家庭的明亮程度。

圖7 光照和溫度曲線Fig.7 Curves of illumination and temperature

1）基于時(shí)間能效函數(shù)的電器能效評(píng)估

在目標(biāo)時(shí)段內(nèi)該用戶基于時(shí)間能效函數(shù)的電器為電視機(jī)，根據(jù)表5和表6的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用戶典型使用時(shí)間為18：00—21：30，電視機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為18：05—19：55，故Tt∈[Tmin,Tmax]，電視的EtTV(t)=1且STV(t)=Ton，故為高能效。

2）基于溫度能效函數(shù)的電器能效評(píng)估

在目標(biāo)時(shí)段該用戶基于溫度能效函數(shù)的電器為空調(diào)，根據(jù)目標(biāo)時(shí)段內(nèi)用戶家庭區(qū)域的溫度信息如圖7所示。在時(shí)間17：00—22：30內(nèi)，家庭區(qū)域內(nèi)的實(shí)際溫度高于用戶的期望值，故空調(diào)的；在17：00—21：17內(nèi)空調(diào)處于停機(jī)狀態(tài)Scon(t)=Toff，故空調(diào)處于高能效；在21：17—22：30內(nèi)空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)，即Scon(t)=Ton，故空調(diào)處于高能效；在22：30—24：00內(nèi)，家庭區(qū)域內(nèi)的實(shí)際溫度在用戶期望值內(nèi)，空調(diào)的；然而在22：30—23：52內(nèi)空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)，即Scon(t)=Ton，故此期間空調(diào)處于低能效。

3）基于光照能效函數(shù)的電器能效評(píng)估

在目標(biāo)時(shí)段內(nèi)基于光照能效函數(shù)的電器為照明，根據(jù)目標(biāo)時(shí)段內(nèi)用戶家庭區(qū)域的光照信息如圖7所示。在時(shí)間17：00—19：00內(nèi)，家庭區(qū)域內(nèi)實(shí)際光照情況為亮，故照明的，且在17：12—19：00照明設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，即Slight(t)=Ton，故照明設(shè)備在此時(shí)間段內(nèi)處于低能效。在19：00—24：00內(nèi)，家庭區(qū)域內(nèi)的實(shí)際光照情況為暗，故照明的，且在19：00—22：05照明設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，即Slight(t)=Ton，故在此時(shí)間段內(nèi)照明設(shè)備處于高能效。

綜上所述，該用戶空調(diào)在夜晚22：30—23：52時(shí)間內(nèi)處于低能效，照明在下午17：12—19：00時(shí)間內(nèi)處于低能效，故該用戶應(yīng)該注意空調(diào)和照明設(shè)備的使用，例如在夜晚可以開窗通風(fēng)，在白天減少燈光的使用，以避免不必要的電能浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的家庭電器能效評(píng)估方法。首先，提出了個(gè)性化能效評(píng)估數(shù)據(jù)采集方法，解決了精細(xì)化用電數(shù)據(jù)與用電需求數(shù)據(jù)獲取的難題。對(duì)于單個(gè)用戶，綜合考慮實(shí)用性和精度，采用基于負(fù)荷事件檢測(cè)的NILM方法從用戶用電總量數(shù)據(jù)中獲取各個(gè)電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗情況。在此基礎(chǔ)上，基于大量用戶的精細(xì)化用能數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得到多類型用戶的典型用能情況，并與天氣數(shù)據(jù)融合形成用電需求數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，以個(gè)性化能效評(píng)估數(shù)據(jù)作為輸入?yún)⒘?，可利用家庭能效評(píng)估模型，對(duì)用戶內(nèi)各個(gè)設(shè)備能效進(jìn)行量化評(píng)分，并向用戶提出針對(duì)用能意見，從而指導(dǎo)電力需求側(cè)節(jié)能和管理。

實(shí)測(cè)算例表明，所提基于NILM的家庭電器能效評(píng)估方法，給出了一種切實(shí)可行的家庭能效量化評(píng)估方案。不難預(yù)見，隨著NILM等技術(shù)的發(fā)展推廣，該方案將有效幫助用戶實(shí)現(xiàn)個(gè)性化節(jié)能降耗，可在保障用戶滿意度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果。