日本家庭如何节约用电,环境保护论文

日本家庭如何节约用电,环境保护论文摘要：东日本大地震和福岛核事故之后,日本化石能源使用和二氧化碳排放量大幅增加。介绍了日本利用智能电能表降低住宅领域用电的措施和需求响应的运行形式。详细介绍了利用智能电能表采集每日的家庭用电负荷情况,利用该数据通过频率分析和聚类分析2种方式方法判定该家庭的生活形式和用电形式。最后以此通过反应报告对个别家庭用电方式进行指导,以到达降低家庭用电量的目的。本文关键词语：家庭用电;智能电能表;节电;Abstract：SincetheEastJapanearthquakeandFukushimanuclearaccident,bothfossilenergyconsumptionandCO2emissionshavebeenincreasedinJapan.ThisarticleintroducesamethodtoreducethehouseholdelectricityconsumptionbyutilizingsmartmeteranddemandresponseoperationmodeinJapanindetail.Thisarticleintroducestheuseofsmartmeterstocollecthouseholdelectricityload,anddeterminethefamilylifestyleandpowerconsumptionmodelthroughfrequencyanalysisandclusteringanalysis.Finally,throughthefeedbackreportitguidestheindividualfamilieshowtoreducehouseholdelectricityconsumption.Keyword：householdelectricityconsumption;smartmeter;energysaving;智能电能表作为家庭能源管理系统(homeenergymanagementsystem,HEMS)的一部分,是一种能够降低住宅领域能源消耗的一种创新的技术。智能电能表已经在全球范围内扩展,在发达国家,到2020年将有8亿部智能电能表安装到家庭中。智能电能表将为用户提供用电情况,为用户合理使用电能提供参考。Google研究显示,若家庭用户能够及时了解住宅的具体用电情况,能够使每月电费开支下降5%~15%。若美国有一半家庭每个月节省这么多的电能消费,减少的碳排放量相当于减少800万辆汽车的使用[1]。家庭能源消费受建筑、家用电器、居民及其行为的各种特征的影响,很多学者在这方面做了相关研究。文献[2]介绍了日本在需求响应方面的运作形式和鼓励机制。文献[3]调查了东日本大地震后东京和大阪地区居民的志愿节点意愿情况,提出智能电能表的广泛安装是家庭节电必要措施。文献[4]提出了家庭的18种特征,比方家庭收入情况、家庭人口等等,研究了家庭用电量和这些特征之间的关联性。文献[5]利用仿真模型和大阪市的实测数据对的住宅领域节能措施进行了评估。文献[6]根据日本人口分布在全国范围选取了用智能电能表计量的1072户家庭,统计了这些家庭的用电负荷曲线,研究了家庭用电量和居民生活方式之间的关系。结果表示清楚,通过智能电能表对住宅领域能源负荷曲线进行研究,分析生活方式与电能使用量的关系,并反应给用户,影响用户的用电习惯,是减少电能消耗的一项重要方式。本文综合以上学者的研究,提出家庭节电新方式方法。1日本能源使用现在状况1.1能耗现在状况根据日本经济产业省资源厅2021年发布的能源年度报告统计,2020年日本住宅领域的能源消费量占全日本能源消耗总量的14.3%,到达2051PJ/年,二氧化碳的排放量为475.9Mt/年,自1973年起翻一番。由于东日本大地震和福岛核事故的影响,日本核能使用率由2018年的28.6%降至接近0,而化石能源使用率由2018年的62%升至88%[78]。由于日本能源匮乏,能源主要依靠于进口,所以日本一直致力于降低能源消耗、提高能源效率的研究中。1.2气候对电力使用的影响日本属于温带,因而四季分明。图1分别显示日本札幌、东京和福冈3个城市的月平均气温,札幌位于日本北海道地区,气温较低。福冈位于日本九州地区,气温相对较高[6]。分析图1能够看出,1月份和8月份的气温差值均大于20℃。冬季、夏季均需要使用电能进行供暖或制冷。因而对家庭负荷情况根据季节分别进行分析。图1日本3个城市月平均气温1.3日本需求响应运行方式在日本,需求响应(demandresponse,DR)有完善的组织管理体系:第一层经济产业省和地方有关部门根据相关法律,制定经济上的节能政策和目的,对相关产业进行管理;第二层日本节能中心和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)组织、管理、推广节能项目;第三层节能产品企业负责落实上层制定的各项政策措施。在这种运作形式下,指定的节能项目和节能产品对居民家庭用户提供财政补贴和低息贷款[2]。需求响应中通过财政手段促使居民家庭用户节约用电量,是需求侧管理行之有效的举措。但是通过对居民用户心理的研究,通过了解自个家庭的用电量来提升家庭节电主观能动性,可减少的支出,同时也能获得良好的效果。2生活方式形式辨别家庭能源消费很大程度上受居民生活方式的影响,所以调查居民生活方式与用电量之间的关系是降低用电量的重点。作为大力提倡减少对居民影响、提高服务质量的国家,日本采用分析居民用电负荷数据的方式进行研究。当前分别使用频率分析和聚类分析2种方式方法对家庭生活方式进行辨别。2.1频率分析频率分析一直被用来建立和预测电力消费的负荷分布,华而不实最受欢迎的方式方法为傅里叶变换(fouriertransformation,FT)。近年来,FT广泛应用于个人家庭用电量的预测。文献[9]比拟了7种不同的方式方法(傅里叶变换、神经网络、高斯经过、自回归、模糊逻辑、小波和多元回归/概率)来预测和刻画家庭用电量,其结果表示清楚,FT最合适描绘叙述家庭负荷趋势。2.1.1周用电负荷曲线FFT频率分析使用快速傅里叶变换(FFT)对单个用户家庭的周电力负荷曲线进行频率分析。根据频谱分布的最大峰值对家庭进行分类。在样本采集时,采样周期为10min,一周的用电负荷曲线由1024个数据点构成。对家庭一周的用电负荷曲线进行FFT分析后,选取最大峰值所对应的频率及周期。通过2020年10月至2021年9月的51周内对1072户家庭用电情况的分析发现,绝大多数家庭用电峰值的周期为12h或24h。分析负荷曲线,12h形式家庭的用电量高峰负荷一天发生2次,在7:00和20:00;而24h形式用电负荷峰值从20:00开场,持续到24:00,晚上的峰值高于早上。由此,能够看到不同群体的家庭在每个特定的一周内有不同的生活方式。12h形式家庭倾向于早晨在家使用电器;24h形式家庭倾向于晚上在家使用电器。因而,将家庭的用电形式可化分为12h形式和24h形式。图2表示2020年10月至2021年9月间每周用电形式分别处于12h形式和24h形式的家庭数占全部家庭的比例。从图2中能够发现,在秋、冬和春季时12h形式的家庭较多,而在夏季,处于24h形式的家庭较多。图212h和24h形式家庭比例图2.1.2不同用电形式用电量数据比拟判定家庭该周的用电形式后,对12h形式的平均用电负荷和24h形式的平均用电负荷进行分析。图3比拟了不同时期12h形式家庭和24h形式家庭平均每日用电量。从图3中能够看出,从春季到秋季(2020年10月和2021年3月至9月),24h形式家庭消耗了更多的电力,这个差异在夏季尤为显着。能够推断,24h形式家庭夜间需要电力照明和室内降温。相比之下,12h形式家庭冬季消费量(2020年12月至2021年2月)大于24h形式家庭的消费量,这可能是由于清晨照明和供暖的需求所致。图3不同时期12h形式和24h形式家庭平均每日用电量通过辨别用电形式,居民能够判定在各个季节选择哪种生活方式能够减少家庭用电。例如在夏季,供电公司能够鼓励居民转向注重早上用电的生活方式,这种生活方式比夜生活更节能、健康。2.2聚类分析各种聚类技术合适分析成组的电力负荷分布,有很多研究对聚类分析进行了研究。文献[5]对爱尔兰4232户家庭的负荷分布进行了分类,揭示了天天的家庭负荷特征。在日本的研究中,主要关注的是每一天家庭用电负荷特征的变化。并且关注的是一年特定时段(1个月)的负荷分布的相对微小变化,由于家庭生活方式可能会随着季节变化而改变。根据每个月的负荷情况,及时提供每户家庭反应对减少用电量是有效的。2.2.1家庭每月日用电负荷曲线聚类分析根据对聚类分析有效性的研究,聚类数在5~6个时对家庭负荷曲线聚类效果较好。对1个月内居民家庭日负荷曲线进行聚类后,样本数目最多的一类即为该家庭当月的典型负荷形式。在对有完好数据的200多个家庭2020年4月到2021年3月的每月的日负荷曲线进行了聚类分析后显示,图4表示家庭中典型负荷形式的平均天数,图4中显示每个月约有一半的负荷分布属于典型的负荷形式。2.2.2不同负荷形式用电量比拟对家庭负荷曲线进行分类后,比拟每月典型负荷形式与其它负荷的日平均耗电量。图5表示有完好数据的200多个家庭2020年4月到2021年3月的每月的典型负荷形式下和其它负荷形式下的平均日用电量。比照典型负荷形式和其它负荷形式下的用电负荷情况,家庭在典型负荷形式情况下的用电量明显减少。通过比拟负载形式,居民能够确定其何时消耗更大的电量。图4典型负荷形式月平均天数所占比例图5典型负荷形式和其它负荷形式下的平均日用电量3用电指导在对家庭生活方式形式进行辨别后,利用智能电能表所获得的数据对个别家庭进行反应,根据用电情况对家庭用电策略进行建议和指导。图6和图7是2种形式辨别方式下的反应报告的例子。华而不实图6是频率分析下用电情况反应报告,图7是聚类分析下用电情况反应报告。这2份反应报告包括2部分:日常用电情况和节电小建议。图6是对于家庭1周(8月第3周)用电情况基于频率分析的结果。日常用电情况中的图表比拟了这1周内该家庭用电和家庭的平均负荷状况,以表示清楚该家庭比一般家庭更倾向于在夜间用电。反应在节电小建议中表示清楚熬夜能够消耗大量的用于照明的电力且损害健康,并建议该家庭尝试健康和环保的早上生活方式。第二个反应报告(图7)是对家庭一个月(7月)天天用电情况基于聚类分析的结果。为了确定家庭消耗大量电力的日期和时间,日常用电情况中的图表比拟了处于普通生活方式(典型的负荷形式)和消耗大量电力的日子里的负荷情况,指出在消耗大量电力的日子里用电量远远增加的时刻。最后,反应报告在节电小建议中建议家庭回首日常生活。这样的做法能够找出增加用电量的原因,并帮助家庭寻找节能措施。图6频率分析下用电情况反应报告图7聚类分析下用电情况反应报告4结束语住宅领域用电在电力消费市场中占有重要的地位,通过对居民用电行为进行指导的方式减少住宅用电不仅能够减少电力消费,减少温室气体排放,而且能够培养居民的节能意识。本文介绍了日本利用智能电能表降低住宅领域用电的措施,详细介绍了利用智能电能表采集家庭每日的用电负荷情况,利用该数据判定该家庭的生活形式和用电形式,并以此对个别家庭用电方式进行指导,以到达降低家庭用电量的目的。这样的方式在心理上增加了居民减少电能消费的积极性。当前我们国家智能电能表安装情况仍低于发达国家水平,对智能电能表应用的研究同样处于起步阶段。日本对智能电能表的应用能够对我们国家起到借鉴的作用。以下为参考文献：[1]张文亮,刘壮志,王明俊,等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2018,33(13):1-11.[2]裴丽君.美国和日本需求响应运作形式和鼓励机制[J].电力需求侧管理,2020,15(2):57-60.[3]MakotoTanaka,TakanoriIda.VoluntaryelectricityconservationofhouseholdsaftertheGreatEastJap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