智慧電表設(shè)施的節(jié)能減排效益評(píng)估

張金華,邱耀雄,何建宗

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智慧電表設(shè)施的節(jié)能減排效益評(píng)估

張金華,邱耀雄*,何建宗

(香港公開(kāi)大學(xué)科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)研究中心,香港特別行政區(qū),中國(guó) 香港 999077)

智慧電表基礎(chǔ)設(shè)施(Advanced Metering Infrastructure,AMI)通過(guò)電力數(shù)據(jù)采集、分析和管理,可以優(yōu)化電力供求平衡.由于AMI的建設(shè)需要巨額投資,如何評(píng)估AMI建成后節(jié)省的電量和減少的碳排放量是目前面臨的一個(gè)挑戰(zhàn).本研究以香港為例,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析不同地區(qū)不同環(huán)境條件下AMI的效能,同時(shí)基于研究區(qū)塊類型、AMI的覆蓋率、發(fā)電燃料組合結(jié)構(gòu)、參與AMI的人口比例和相關(guān)價(jià)格激勵(lì)機(jī)制等因素,建立了一套數(shù)學(xué)模式,量化評(píng)估AMI建成后節(jié)能減排的成效.結(jié)果顯示,只要超過(guò)70%的人口參與,就可以實(shí)現(xiàn)香港政府原先制定的減少碳排放量19%~33%的目標(biāo).

智慧電表基礎(chǔ)設(shè)施；智慧電表；能源管理；碳排放

近年來(lái),全球氣候變暖日益嚴(yán)重,各國(guó)都在努力建設(shè)減少碳排放,發(fā)展智能電表基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)有助于減少CO2排放.AMI包括通信模塊(Communication Module, CM)、網(wǎng)關(guān) (Gateway)、通信網(wǎng)路、智能家居設(shè)備及電表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[1-3],支持通信資料雙向傳輸,用于數(shù)據(jù)采集、顯示、分析和管理[4-5],??使電力公司實(shí)時(shí)掌握電力使用情況,同時(shí)使使用者了解用電量.智慧電網(wǎng) (Smart Grid) 極有可能成為未來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò)和配送體系[5-7].

許多歐美國(guó)家已經(jīng)試驗(yàn)和建設(shè)智能電網(wǎng)[8-9],旨在提高能源使用效率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[10-12].以往有關(guān)AMI的研究集中在AMI的各個(gè)基礎(chǔ)關(guān)鍵要素,如智能電表的性能,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的效率,數(shù)據(jù)傳輸,各類型的通信技術(shù),安全性和身份驗(yàn)證等.本研究以香港為例,側(cè)重評(píng)估AMI部署在節(jié)能減排中的成效,確定最優(yōu)的AMI的部署方案,為中國(guó)香港的決策提供科學(xué)依據(jù).同時(shí)建立了一套數(shù)學(xué)模型,其參數(shù)包括AMI實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和多個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,為未來(lái)相關(guān)研究提供了技術(shù)手段.

1 材料與方法

1.1 實(shí)地測(cè)量

為了評(píng)估AMI的效能,對(duì)香港不同地區(qū)的不同類型建筑物進(jìn)行了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的主要目的是驗(yàn)證射頻性能是否適合在客戶端無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部通信.此外,探討了通信技術(shù)的可用性,以確定最佳的實(shí)施方法.

1.1.1 測(cè)量設(shè)計(jì)與材料 下列準(zhǔn)備工作和現(xiàn)場(chǎng)裝置將在不同的建筑物中進(jìn)行(圖1): ①每個(gè)通信模塊 (CM) 配有標(biāo)準(zhǔn)的 WLAN (802.11b) 和 RS232接口; ②每個(gè)智能電表配有標(biāo)準(zhǔn)的 RS232接口與CM連接; ③每個(gè)3G移動(dòng)網(wǎng)關(guān)有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口和 RS232/ RS485與CM連接; ④IHD(智能家居設(shè)備)是由平板電腦和加載的應(yīng)用程序來(lái)組成; ⑤每個(gè)智能設(shè)備(智能電表和網(wǎng)關(guān))有各自連接的CM; ⑥IHD能通過(guò)WiFi 與智能電表通信; ⑦前端服務(wù)器是由筆記本計(jì)算機(jī)和相關(guān)的應(yīng)用程序組成,前端服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)的通信是通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn); ⑧所有的智能設(shè)備通過(guò)WiFi連接在一起,形成一個(gè)客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò); ⑨網(wǎng)關(guān)的數(shù)量取決于安裝在不同類型樓房中的智能電表的位置; ⑩網(wǎng)關(guān)的位置取決于射頻信號(hào)(WiFi)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的強(qiáng)度決定; ?智能電表以一組100KB數(shù)據(jù)(模擬電量數(shù)據(jù))通過(guò)智能電表網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān).網(wǎng)關(guān)將通過(guò)公共3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器(即模擬電力公司的前端服務(wù)器); ?所有電表數(shù)據(jù)均可通過(guò)智能電表發(fā)送到網(wǎng)關(guān),然后再配送到遠(yuǎn)程服務(wù)器; ?通過(guò)相關(guān)的應(yīng)用程序來(lái)發(fā)送及收集電表數(shù)據(jù); ?通過(guò)相關(guān)的應(yīng)用程序來(lái)檢測(cè)WiFi的強(qiáng)度; ?一共準(zhǔn)備了50個(gè)通信模塊,3個(gè)網(wǎng)關(guān),2個(gè)平板電腦,一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī),四個(gè)手機(jī)sim卡和相關(guān)應(yīng)用程序; ?對(duì)4個(gè)不同地區(qū)不同類型的建筑物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量:在市區(qū)的高層建筑;在市區(qū)中層的老建筑;在郊區(qū)低層住宅區(qū); 在郊區(qū)的小房子.

1.1.2 測(cè)量對(duì)象和結(jié)果 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)象:是根據(jù)香港不同地區(qū)的建筑類型分類來(lái)確定.第1種:高層建筑;第2種:中高層的老建筑;第3種:低層住宅區(qū);第4種:郊區(qū)的小房子/村屋.

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量項(xiàng)目:測(cè)量不同的建筑物以評(píng)估數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量項(xiàng)目列示如下: ①客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)添加或刪除通訊模塊的成功率; ②各個(gè)通信模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β? ③數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)間周期配置的成功率; ④數(shù)據(jù)從智能電表終端傳遞到遠(yuǎn)程服務(wù)器的成功率; ⑤監(jiān)測(cè)通信模塊的健康狀態(tài); ⑥能否成功連接該智能電表和IHD.

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)添加或刪除智能電表而自動(dòng)成功建立.一般情況下,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中網(wǎng)關(guān)可以處理所有不同位置的智能電表,從而形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù).智能電表數(shù)據(jù)傳送可在1~2次嘗試后完成.射頻干擾主要來(lái)自測(cè)量環(huán)境的WiFi熱點(diǎn),但情況并不嚴(yán)重.

對(duì)于高層建筑(共有39層),無(wú)線通信能通過(guò)垂直電纜管道連接到每層的電表房.同一層的IHD和電表房?jī)?nèi)智能電表的無(wú)線通信信號(hào)的測(cè)量結(jié)果顯示,雖然信號(hào)沒(méi)有斷開(kāi),但是連接并不理想.若公寓安裝有金屬大門(mén),信號(hào)會(huì)更弱,可能是電表房的門(mén)和公寓的金屬大門(mén)削弱了信號(hào)的強(qiáng)度.因此,有必要評(píng)估網(wǎng)關(guān)的合理安裝位置,以確保讓更多的智能電表能夠進(jìn)行通信.若一個(gè)網(wǎng)關(guān)不能滿足不同樓層的所有智能電表間的通信需求,需要加裝一個(gè)網(wǎng)關(guān),以確保所有設(shè)備之間穩(wěn)定的通信.

在不同的環(huán)境條件下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果如下: ①數(shù)據(jù)可以沿著鄰近的電表進(jìn)行傳輸,甚至是終端電表也可通過(guò)數(shù)個(gè)智能電表作為躍點(diǎn),傳播到網(wǎng)關(guān),從而成功實(shí)現(xiàn)客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò). ②對(duì)于高層和中層建筑,網(wǎng)關(guān)能支撐的智能電表數(shù)量依賴于射頻信號(hào)的覆蓋強(qiáng)度.位于中間層的網(wǎng)關(guān)實(shí)地測(cè)量結(jié)果顯示,可覆蓋達(dá)致向上和向下10層樓(共20層).假設(shè)每層有8個(gè)公寓,一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以服務(wù)160個(gè)智能電表. ③對(duì)于郊區(qū)的低層和小房子,每個(gè)網(wǎng)關(guān)可以覆蓋500m×250m 范圍內(nèi)的200個(gè)智能電表. ④IHD與智能電表之間的通信性能取決于住宅和電表房的環(huán)境條件和距離. ⑤電表數(shù)據(jù)通過(guò)蜂窩移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)可被發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器. ⑥客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立并不會(huì)因?yàn)橹悄茈姳淼墓收稀p少或增加等因素的影響. ⑦在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生AMI系統(tǒng)停機(jī)現(xiàn)象.射頻是一個(gè)穩(wěn)定的通信,干擾并不嚴(yán)重. ⑧正常情況下智能電表的位置是固定的.因此,網(wǎng)關(guān)位置的判斷是至關(guān)重要的.理想的網(wǎng)關(guān)位置應(yīng)該是既要保證客戶端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的通信穩(wěn)定,又要覆蓋盡可能多的智能電表.

1.2 數(shù)學(xué)模擬

本研究以香港地區(qū)為例,綜合考慮影響AMI建設(shè)的各個(gè)因素,建立數(shù)學(xué)模式,以評(píng)估AMI部署后節(jié)能減排的效果.數(shù)學(xué)模擬基于以下數(shù)據(jù): ①收集香港各地區(qū)人口分布資料,通過(guò)數(shù)學(xué)模擬估算香港各個(gè)地區(qū)AMI智慧設(shè)備的數(shù)量、能耗和碳排放,確定AMI部署后可能增加的負(fù)荷. ②通過(guò)客戶調(diào)查,了解AMI建成后和價(jià)格激勵(lì)機(jī)制下客戶用電行為的變化[13-14],推算在價(jià)格激勵(lì)機(jī)制下所反映的節(jié)省電量和碳排放減少量. ③根據(jù)AMI的覆蓋率、各地區(qū)使用AMI的人口比例和價(jià)格激勵(lì)機(jī)制,運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬推算各地區(qū)的電力消耗和碳排放. ④開(kāi)發(fā)節(jié)能應(yīng)用軟件(智能網(wǎng)絡(luò)仿真器和節(jié)能規(guī)劃師),估算電力消耗量和碳排放的減少量.

1.2.1 評(píng)估增加的電能消耗量 AMI的部署可以優(yōu)化電力公司的資源分配,提升能源使用效率和減少碳排放量.然而,安裝智慧設(shè)備(Smart Equipment)導(dǎo)致AMI的負(fù)荷增加.數(shù)學(xué)模擬的評(píng)估基于香港18個(gè)區(qū)的人口比例模型[15]、智能設(shè)備的能源負(fù)荷和AMI建成后節(jié)能減排的效果.數(shù)學(xué)模擬的數(shù)據(jù)源和假設(shè)如下:

智慧電表基礎(chǔ)設(shè)施建成后,額外增加的能源消耗部分主要來(lái)源于CM和網(wǎng)關(guān).因?yàn)槠渌幕A(chǔ)設(shè)施大多是已有設(shè)施,因而不會(huì)顯著增加額外負(fù)荷,例如與CM連接的電表或支持電量數(shù)據(jù)傳遞的公共通信網(wǎng)路都已存在.

式中:PS和CM是某區(qū)的人口規(guī)模和CM總數(shù).

一個(gè)網(wǎng)關(guān)能處理的CM數(shù)量是受一系列環(huán)境因素影響,包括: ①在中高層建筑,主要取決于信號(hào)的垂直覆蓋范圍, ②在低層建筑,主要取決于信號(hào)的水平覆蓋范圍.

由于中高層建筑和低層建筑的居住人口密度分布不均衡,因此網(wǎng)關(guān)數(shù)量應(yīng)該加以區(qū)分,在某一地區(qū)使用網(wǎng)關(guān)的數(shù)目GW如下:

其中:GW,b和GW,h分別是在建筑物和小房屋的相應(yīng)網(wǎng)關(guān)數(shù)量,計(jì)算如下:

CM的主要參數(shù): ①待機(jī)功耗:CM(W); ②運(yùn)行功耗:CM(W); ③平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間:CM(s); ④儀表數(shù)據(jù)采集間隔:CM(min).

EM= SB+ OP(5)

式中:SB和OP分別代表CM在待機(jī)和運(yùn)行時(shí)的能耗(以kWh表示):

由于網(wǎng)關(guān)都保持工作狀態(tài),在某一特定地區(qū)所有網(wǎng)關(guān)每日的耗電量EG,可以用公式(2)計(jì)算 (以kWh表示):

式中:GWop代表網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行功耗,以W表示.

參考公式(5)和(8),在某特定地區(qū)所有CM和網(wǎng)關(guān)每年所增加的能耗EC,yr可用公式(9)計(jì)算(以GWh表示):

最后,整個(gè)香港(即18區(qū))所有CM和網(wǎng)關(guān)每年所增加的能耗EChk,yr可用公式(10)計(jì)算(以GWh表示):

1.2.2 推算節(jié)約的能耗 在數(shù)學(xué)模擬中,AMI建成后節(jié)省的電量取決于以下因素:

①AMI建設(shè)部署所需的時(shí)間 假設(shè)每年用智慧電表(Smart Meter)替換已有電表的M%,以下的參數(shù)便可以確定: M%的AMI于第一年年底部署完成;2×M%的AMI于第二年年底部署完成;N×M%的AMI于第N年年底部署完成;全部的AMI于第年年底部署完成;其中,1￡N￡F;

②規(guī)劃節(jié)能機(jī)制 假設(shè)AMI建成后和價(jià)格激勵(lì)機(jī)制下實(shí)現(xiàn)x%的節(jié)能目標(biāo);

③參與的人口數(shù)量 假設(shè)AMI建成后 (即已安裝智慧電表)Y%的人口納入上述節(jié)能規(guī)劃;

④電力消耗的自然增長(zhǎng)率 假設(shè)每年的電力消耗的自然增長(zhǎng)率為z%;

⑤參考耗電量 假設(shè)AMI建成之初香港的電力消耗量是RGWh,暫且忽略因AMI實(shí)施而節(jié)省的電力消耗.在AMI部署的第N年后,某區(qū)的耗電量EC可通過(guò)以下方法計(jì)算:

其中:PS和PS分別是某區(qū)和整個(gè)香港的人口規(guī)模.

因此,參考方程公式(9)和(11),在AMI建成后第N年,某特定地區(qū)節(jié)省的電力消耗量可用以下公式計(jì)算 (以GWh表示) :

ES,j= (EC,i′%′%-EC,yr)′(%′) (12)

最后,參考公式(12),在整個(gè)香港地區(qū)(即18區(qū))AMI建成后,所節(jié)省的電力消耗量可用以下公式計(jì)算(以GWh表示):

其中:= 100%/%

1.2.3 碳排放量的推算 碳排放量的多少取決于燃料總量和類型.因此,碳排放量可通過(guò)燃料組合模型來(lái)估計(jì)[20].從表1所示,二氧化碳(以kg表示)是發(fā)電過(guò)程中(每千瓦時(shí))產(chǎn)生的副產(chǎn)物.碳排放總量CEmix可用以下公式計(jì)算:

參考公式(12)和(14),在AMI建成的第年后,某特定地區(qū)所減少的碳排放量可用以下公式計(jì)算 (以tonne表示):

當(dāng)整個(gè)香港(即18區(qū))建成AMI后,所減少的碳排放量可用以下公式計(jì)算(以kg表示):

其中:= 100%/%

表1 混合燃料的碳排放
Table 1 Carbon emission of fuel mix

2 結(jié)果與討論

2.1 AMI智慧設(shè)備功耗的評(píng)估

通過(guò)對(duì)不同環(huán)境條件和不同地點(diǎn)的實(shí)地測(cè)量,來(lái)確定安裝網(wǎng)關(guān)的最佳技術(shù)和點(diǎn)位,從而使通信能力和系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化.此外,基于香港不同地區(qū)人口與AMI關(guān)鍵要素的分析,筆者進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬來(lái)估計(jì)AMI智慧設(shè)備的數(shù)量和相關(guān)的功率消耗.這可能對(duì)于電力公司來(lái)說(shuō)是額外的成本,評(píng)估智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗的數(shù)學(xué)模擬所用的數(shù)據(jù)和假設(shè)如下: ①通信模塊和網(wǎng)關(guān)的數(shù)量是根據(jù)香港各個(gè)地區(qū)人口[15]和區(qū)內(nèi)建筑物的類型來(lái)決定. ②香港電表數(shù)量的估計(jì):中電香港:240萬(wàn)[17];香港電燈公司:56.9萬(wàn)[18]. ③根據(jù)香港的電表數(shù)目,按照3人住一套房子(即一個(gè)電表)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推算公寓的數(shù)量. ④通信模塊(CM)內(nèi)置或連接每個(gè)智慧電表和每個(gè)網(wǎng)關(guān). ⑤根據(jù)對(duì)高層建筑的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,電表房?jī)?nèi)一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以無(wú)線射頻信號(hào)與覆蓋于10層以上和10層以下的智慧電表通信. ⑥同時(shí)考慮高層及中高層建筑,假設(shè)每層有10個(gè)單位,包括私人和公共房屋.3個(gè)網(wǎng)關(guān)可以處理500CM或1個(gè)網(wǎng)關(guān)可以處理166CM. ⑦根據(jù)對(duì)低層住宅區(qū)及郊區(qū)小房子的實(shí)地測(cè)量,一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以覆蓋面積500m×500m區(qū)域內(nèi)約200公寓(即可以處理200CM). ⑧根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所用的裝置,各智能設(shè)備的功耗分別為CM: 1W(待機(jī)模式), 6W(啟動(dòng)模式);3G網(wǎng)關(guān):3.6W(啟動(dòng)模式).

為了深入了解香港不同地區(qū)AMI智慧設(shè)備的功耗,筆者通過(guò)數(shù)學(xué)模擬開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)仿真器應(yīng)用程序來(lái)預(yù)估AMI智能設(shè)備所需的額外功耗.這個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)仿真器可視為一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)載測(cè)定工具.只要選擇一個(gè)地區(qū)的幾個(gè)點(diǎn),便可以預(yù)估該區(qū)智能設(shè)備的負(fù)載.圖2和圖3分別顯示在個(gè)別地區(qū)和整個(gè)香港的智能設(shè)備的負(fù)載.

智慧設(shè)備的耗電量與碳排放量可被視為AMI建成后的負(fù)載.然而,根據(jù)環(huán)境局發(fā)布的“未來(lái)發(fā)電燃料組合咨詢文件”[16],2014年香港的年耗電量為4.39×1010kWh.依據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)仿真器的估算,AMI智慧設(shè)備的耗電量為2.1×107kWh(圖3),與年耗電量相比(小于0.05%)可忽略.其它AMI組件,如電表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和后端的信息系統(tǒng),是應(yīng)用于現(xiàn)有服務(wù)器平臺(tái)的軟件包[10-12].因此,從能源消耗(智能設(shè)備的耗電量)的角度來(lái)看, AMI的運(yùn)行不會(huì)顯著增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).

2.2 節(jié)省能源消耗的推算

筆者進(jìn)行了一項(xiàng)客戶調(diào)查以了解價(jià)格激勵(lì)方案[23]下消費(fèi)者的用電情況.結(jié)果表明,大多數(shù)的消費(fèi)者愿意節(jié)約用電,并按照價(jià)格激勵(lì)方案來(lái)調(diào)整自己的用電行為.由此估計(jì)電力消耗可減少13%~20%.然而,消費(fèi)者認(rèn)為他們削減的電費(fèi)與電力公司減少發(fā)電量的百分比不符.大多數(shù)消費(fèi)者認(rèn)為香港社會(huì)可以從AMI實(shí)施中受益.

AMI建成后帶來(lái)的能源效益取決于消費(fèi)者自身用電行為的調(diào)整情況.節(jié)省的電量可根據(jù)以下假設(shè)和資料用數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行估算: ①假設(shè)AMI的部署需要10年時(shí)間,每年完成10%,從商業(yè)角度看,這是切實(shí)可行的.因?yàn)橹腔垭姳碇鸩教鎿Q已有的舊電表,減少了AMI部署的初期投資. ②根據(jù)客戶調(diào)查結(jié)果,最合理的價(jià)格激勵(lì)方案可節(jié)省13%~20%的能源消耗. ③根據(jù)客戶調(diào)查的結(jié)果, AMI建成后參與節(jié)能計(jì)劃的人數(shù)占總?cè)丝跀?shù)的40%~70%.④根據(jù)“未來(lái)發(fā)電燃料組合咨詢文件”[16]的資料,目前用電量約為每年4.40× 1010kWh,并以每年1.2%增長(zhǎng).

采用數(shù)學(xué)模擬推算的節(jié)約電量如圖4,圖5和圖6所示.從圖表分析,AMI建成后,如果總?cè)丝跀?shù)的50%參與節(jié)能計(jì)劃,可節(jié)約10%以上用電量.如果70%人口參與,可節(jié)省20%用電量.因此,引入AMI是鼓勵(lì)消費(fèi)者節(jié)約用電和管理家居能源的有效途徑.

2.3 碳排放減少量

隨著AMI逐步實(shí)施,電力消耗相應(yīng)削減,減少的碳排放量可通過(guò)分析香港的發(fā)電燃料組合來(lái)估算.根據(jù)香港環(huán)境局公布的“未來(lái)發(fā)電燃料組合咨詢文件”[16],在2014年香港的發(fā)電燃料組合為:燃煤(53%),核電(23%),天然氣(22%)和石油(2%,忽略不計(jì)的微量可再生能源)[16].根據(jù)表2[24],碳排放減少量可以用數(shù)學(xué)模擬推算,結(jié)果如圖7所示.AMI建成后,假設(shè)有70%的人口參與和節(jié)約16%的用電量,碳排放量每年減少3.54× 109kg.若減少的3.54×109kg碳排放量都是來(lái)自燃煤,每千瓦時(shí)(kWh)發(fā)電需燃煤約0.54kg[20-21],由此推算每年可減少用煤1.65×106k.另外,減少?gòu)暮Ｍ膺\(yùn)輸燃料來(lái)港,可進(jìn)一步削減碳排放量.

碳排放量的減少主要涉及從電力消耗高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到了非高峰時(shí)段[6].價(jià)格激勵(lì)方案可以通過(guò)AMI設(shè)備將價(jià)格信息傳遞給消費(fèi)者,鼓勵(lì)消費(fèi)者轉(zhuǎn)變自身用電行為.基于對(duì)能源消耗的預(yù)測(cè),對(duì)耗電量大的消費(fèi)者,電力公司可以安排特別協(xié)議,鼓勵(lì)他們?cè)谟秒姼叻鍟r(shí)減少用電.這些安排將優(yōu)化電力的供求關(guān)系,從而提升對(duì)能源的管理和使用效率.

表2 不同的燃料類型的碳排放量
Table 2 Carbon emission of different fuel type

為了達(dá)到最佳減排效果,應(yīng)采用方便客戶使用的應(yīng)用軟件,讓消費(fèi)者通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,能耗監(jiān)測(cè)與控制來(lái)轉(zhuǎn)變用電行為[22-23].總用電量下降可以減少電力公司投資,推遲新電廠建設(shè),最終使消費(fèi)者可減少電費(fèi)支出.

2.4 節(jié)能規(guī)劃師

為了深入了解不同地區(qū)的電力消耗和碳減排,筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)「節(jié)能規(guī)劃師」應(yīng)用軟件,將有關(guān)數(shù)字(如AMI覆蓋的地區(qū),參與AMI的人口總數(shù)百分率,目標(biāo)價(jià)格激勵(lì)方案)輸入軟件應(yīng)用,運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬預(yù)估在AMI建成后的某個(gè)地區(qū)節(jié)約的電量和減少的碳排放量.圖8和圖9顯示在香港電力的消耗和減少的碳減排量.該應(yīng)用程序可視為一個(gè)簡(jiǎn)單的能源規(guī)劃工具.

表3 減少碳排放量的估算
Table 3 Estimation of reduced amount in carbon emission

2.5 節(jié)能減排效益的展望

AMI的建設(shè)可以優(yōu)化電力供求平衡,電力公司可以通過(guò)重新分配,避免在高峰負(fù)荷時(shí)段過(guò)度發(fā)電,削減電力企業(yè)的備用電量,減少總發(fā)電量.國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)建議一般情況下備用電量為20%~35%[14],電力公司可參考當(dāng)?shù)刈罡哂秒娦枨髞?lái)調(diào)整后備電量水平.有效的能源管理和發(fā)電規(guī)劃也可優(yōu)化定價(jià)系統(tǒng),發(fā)電成本減少,可以讓電力公司有更多的資源投放于其它項(xiàng)目,如提升核心技術(shù),提高燃料燃燒效率,減少碳排放量.電力公司可推出價(jià)格激勵(lì)方案,調(diào)整客戶的用電行為有效地管理家居能源,以減省電費(fèi),企業(yè)也可能會(huì)改變企業(yè)文化來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.最終,電力公司的和消費(fèi)者都受益.

根據(jù)“未來(lái)發(fā)電燃料組合咨詢文件”[16],香港在2014年最大電力需求量為9.27×106kW.假設(shè)AMI建成后,備用電量可下降5%,即節(jié)省4.635×105kW發(fā)電量.假設(shè)電量也適用于一年中最炎熱的4個(gè)月(根據(jù)香港天文臺(tái)網(wǎng)站的資料,六月到九月是一年中最炎熱月份,一般氣溫高于30 ℃[25]),每年減少的備用電量將是1.35×106kWh和8.61×108kg的碳排放量相當(dāng)于2005年碳排放量(4.2×1010kg) 的2%,(或與“發(fā)電行業(yè)”的2.8×1010kg相比,即減少3%).

香港政府計(jì)劃在2020年前把香港的碳排放強(qiáng)度在2005年水平上減少50~60%,即碳排放量由2005年的4.2×1010kg(包括發(fā)電, 交通運(yùn)輸,廢物及其他)縮減至2020年的2.8~3.4×1010kg[16],減少8~14×109kg,下降19%~33%.2005年“發(fā)電行業(yè)”所排放的碳約為2.8×1010kg[16].按19%~33%比例削減碳排放量,在2020年“發(fā)電行業(yè)”的減排目標(biāo)應(yīng)該是5.4~9.3×109kg.根據(jù)我們的模擬結(jié)果,只要超過(guò)70%的人口參與節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)方案,可以實(shí)現(xiàn)香港政府原先制定的減少碳排放量19~33%的目標(biāo)(表3),這充分顯示了AMI在能源管理和減少碳排放方面的重要作用.

2012年,中國(guó)發(fā)電量為4.98×1012kWh,其中火電發(fā)電量為3.91×1012kWh,占全國(guó)發(fā)電量的78.6%.煤是火力發(fā)電企業(yè)的主要燃料,按照每千瓦時(shí)(kWh)發(fā)電需燃煤0.54kg[20]推算,全國(guó)火力發(fā)電需要燃煤2.1×1012kg.因此,在中國(guó)迫切需要實(shí)施智能電表基礎(chǔ)設(shè)施,旨在節(jié)約能源和減少二氧化碳排放.本研究為未來(lái)評(píng)估AMI的節(jié)能減排成效的提供了方法.

全面換裝智能電表的成本非常高,電力公司可優(yōu)先在某些地區(qū)推行AMI計(jì)劃或傳統(tǒng)電表報(bào)廢時(shí)才進(jìn)行更換電表工程,以電費(fèi)回贈(zèng),激勵(lì)市場(chǎng)需求與減少高峰時(shí)期用電量.在成效方面,如表3所示,若落實(shí)全面性智能電表裝置,預(yù)期共可減少用電1.19×107kWh/a,減少排放8.45×109kg CO2/a,減碳率達(dá)30.2%,節(jié)省金額2327萬(wàn)元/a,成效顯著.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析不同地區(qū)不同環(huán)境條件下AMI的效能,同時(shí)基于研究區(qū)塊類型、AMI的覆蓋率、發(fā)電燃料組合結(jié)構(gòu)、參與AMI的人口比例和相關(guān)價(jià)格激勵(lì)機(jī)制等因素,建立了一套數(shù)學(xué)模式,量化評(píng)估在香港AMI建成后節(jié)能減排的成效,研究成果為香港政府的決策提供科學(xué)依據(jù),也為同類研究提供了方法. 只要超過(guò)70%的人口參與,就可以實(shí)現(xiàn)香港政府原先制定的減少碳排放量19%~33%的目標(biāo).

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* 責(zé)任作者, 助理教授, yhyau@ouhk.edu.hk

Assessment of efficiency in energy management and carbon emission reduction induced by advanced metering infrastructure

CHEUNG Kam-Wah, YAU Yiu-Hung*, HO Kin-Chung

(Research Center of Environmental Science, School of Science and Technology, The Open University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)., 2016,36(8)：2545~2553

Advanced metering infrastructure (AMI) was a architecture with real-time two-way communications that used digital technology to monitor and manage the delivery of electricity from generation sources to meet the varying electricity demands of end users. The goal of an AMI was to provide utility companies with real-time data about power consumption and allow customers to make informed choices about energy usage based on the price at the time of use. Since the rollout of AMI was a heavy investment, a cost benefit analysis and an impact assessment should be carried out. This paper attempted to quantify the energy saving and reduction in carbon emission benefits inherent in the AMI potential. The quantitative estimation of potential saving in electricity consumption and associated reduction in carbon emission presented were based on a survey of published results, actual field measurements of local demographics in urban and rural environmental conditions, fuel mix, and possible incentive pricing based on time of use. A mathematical model was formulated to apply sensitivity analysis against the coverage of AMI in different demographics, and respective penetrations of AMI. A case study illustrated the real world application of the energy saving estimation model to Hong Kong environment. For more than 70% population participated in AMI, the emission reduction target of 19%~33% planned by Hong Kong Government could be achieved. The methodology presented in this paper could serve as a reference model in implementing AMI in other cities.

advanced metering infrastructure；smart meter；energy management；carbon emission

X32

A

1000-6923(2016)08-2545-09

張金華(1961-),男,廣東中山人,工程師,博士,主要從事無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境與能源管理研究.

2015-12-08