以鬆弛式動態規劃法進行大型空調系統負載最佳化排程之研究

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以鬆弛式動態規劃法進行大型空調系統負載最佳化排程之

研究

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2221-E-151-060-

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日

執行單位：國立高雄應用科技大學電機工程系

計畫主持人：卓明遠

共同主持人：李財福

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 99 年 10 月 30 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究成果報告

以鬆弛式動態規劃法進行大型空調系統負載最佳化排程之研究

計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC 98－2221－

E

－

151 －

060 執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日

執行機構及系所：國立高雄應用科技大學電機工程系

計畫主持人：卓明遠

共同主持人 :李財福

計畫參與人員：楊子賢

許裕翔

中華民國 99 年 09 月 20 日

(3)

摘要

關鍵詞：最佳化、需量控制、負載控制排程器、鬆弛式動態規劃法

本計畫係針對大型空調負載開發出一套最佳化排程演算法軟體系統，傳

統上控制空調負載的主要方法有需量控制法、定時控制法與週期循環控制法；

而本計畫所提出的研究方法，能將上述三種方法進行不同的組合，自行找出每

天最佳化的排程調度模式，進而達到節省最多電費支出的經濟效益。本系統主

要是採用Visual C++ 6.0 軟體程式作為求解各種負載控制排程策略演算的開發

核心工具，每日計算輸出的排程結果，透過 RS-232 通訊方式，即時上載至負

載控制器內作為空調調控的依據，以便進一步進行相關空調負載停機程序，達

到有效降低用電成本，並期提升空調設備運轉效率與延長其運轉壽命。

最後本計畫係對實際的空調負載進行實測與資料收集，並將蒐集所得資

料做為樣本資料，以所提之鬆弛式動態規劃法 (relaxed dynamic programming)進

行空調負載最佳化排程之實際案例診斷，驗證演算法之可用性，並與其它動態

規劃法做比較，藉以說明本研究所提出來方法的優越性。

(4)

ABSTRACT

Keywords: optimization, demand control, load control scheduler,

relaxed dynamic programming

This project is aimed to develop and implementation of a relaxed dynamic

programming (RDP) algorithm to generate a daily control scheduling for optimal or

near-optimal air conditioner loads (ACLs). The conventional control mode for ACL

includes demand control, cycling control, and timer control, to assist customers for

saving electricity costs. The proposed load control scheduler (LCS) scheme supports

any combination of these three control types to save costs optimally during the

dispatch period. Microprocessor hardware techniques were applied to carry out the

proposed strategy for realistic application. The Visual C

++

language was adopted as

the developing tool to carry out the proposed work.

Field tests of controlling air conditioners are tested on-site to demonstrate the

effectiveness of the proposed load control strategy. Furthermore, relaxed dynamic

programming proposed in this project is developed for case study and the satisfactory

results compared with other DP methods can be achieved.

(5)

一、前言

人類長期以來大量使用化石（如煤）燃料產生電力以供應經濟活動與日常生活所需，然

卻也帶來了因排放二氧化碳產生溫室效應破壞自然生態與環境的負面問題，因此如何在能源

使用過程中減少二氧化碳之排放為現階段重要的課題，而節約能源與提高能源使用效率為降

低能源消耗與二氧化碳減量之重要措施之一，有必要積極推動。電力為產業動力之主要來源，

根據台電電力負載成長年報資料所示，電能消耗用戶中工業、商業耗能約佔65%，而在工、商

業用戶於節約能源工作方面，面臨的課題為能源密集產業能源使用效率仍有待提升，其中以

佔工業用戶69%耗能量之鋼鐵、石化、水泥與造紙業佔最大比重，針對這些較具代表性的高耗

能製程與設備改善其耗能效率，以提升能源使用效率。

就商業用戶的耗能模式而言，其負載組成以動力空調負載為主，根據台電電力研究所負

載特性調查計畫所做的系統分析指出，於夏季尖峰時節早上十時至下午三時溫度每增加攝氏

一度則空調負載增加300～400MW，其中又以商業相關用戶之空調負載為主，如何利用電能控

制系統（器）以需量控制、週期控制與時鐘控制等適當的控制策略，適時地調節空調主機的

耗能，以達節省電能、降低尖峰負載為台電實行負載管理所需面臨的課題。

需量控制器與需量預約服務控制策略於日、歐及美等負載管理技術較為先進國家已行之

多年，且已有數種有關需量預約服務的負載控制系統產品問世，故國外在此方面的研發技術

較國內起步較早，處於領先地位。就負載發展控制策略而言，國內研究人員實有必要自行發

展出更佳有效解決空調負載控制排程最佳化之方案。

二、目的

本計劃主要在研究一種可實際應用於大型空調用戶負載管理之控制措施，以協助用戶能

自主性調控用電需求，達到最佳電能管理目標的策略方法。透過負載控制器，除可實現所推

導的各類型負載控制策略外，也可驗證本理論之於用戶端實際推行的效益。除此之外，透過

現場實體的安裝測試運轉，可加以了解施行時所可能遭遇之困難及瓶頸，以作為後續的改善

參考。在此歸納本研究的目的有：

1.推導以用戶期望之最佳負載控制法則，可協助大型空調用戶進行有效的負載管理與節能措

施。

2.透過負載控制器，可針對冷氣空調負載同時提供需量控制、週期控制與時鐘控制等多樣結

合控制策略，用戶可依據自身的用電需求與負載管理目標，選擇最適宜的調度策略。

3.透過所提出的最佳化排程方法透過負載控制器裝置可搭配多樣的控制策略，不僅可具體實

現夏季抑制尖峰需量的功能，裨助台電進行較佳的負載管理調度措施、增加變電所與饋線

之餘欲度及備轉容量、減輕夏季限電的危機，更可協助用戶進行自主性用電及負載管理，

及提供在滿足用戶需求條件下達成高效率的電能使用率及節省電費成本支出等多方面的目

標。

4.經由實體安裝、測試及運轉可檢驗於空調負載為主類型之用戶實施成效外，並可了解實施

用戶之滿意度狀況、施工裝設時遭遇之困難等相關問題，以精確地探討出落實於用戶端之

運作績效，同時也可作為未來改善整體系統時之依據參考。

1

(6)

三、文獻探討

國內外目前在負載控制與調度方面的研究，已有不少的研究成果揭諸發表。而國內有很

大部分的研究均著墨於直接負載控制(Direct LoadControl，DLC)的控制器設計與最佳排程規

劃方面。下面簡略說明幾種已被採用的研究方法及其所存在的問題:

(1) Cohen 與Wang以電業經營觀點出發，將可控負載運轉狀態解析成動態模型加以描述，再

以動態規劃演算法（Dynamic Programming，DP）數學技巧，推導出負載控制最佳化運轉

排程，以協助電業在執行負載管理措施時能獲致最省生產成本與最小尖峰負載的營運目

標。

(2) Hsu 與Su 的研究是將DLC 與台電系統的機組調度結合在一起，指出DLC 應與機組預定

調度相互結合，才可獲致最大的成本節省量。該文中作者利用動態規劃法技巧做最佳化設

計，針對系統每日下午一至五時的尖峰時段規劃出最佳的發電時程（generation schedule）

進行調度控制。

(3) Chu，Chen 與Fu 利用動態規劃法，以第一個時段為起點，規劃以後各控制時段應卸載或

復歸的負載群，達成抑制尖峰負載與減少因負載直接控制導致之售電損失兩項目標。

(4) Wei 與Chen 針對長達八天的調度期間，評估空調系統直接控制對台電電力系統負載需求

曲線的影響。作者為改善傳統動態規劃法須耗用大量計算機的計算時間與記憶體空間，導

致所能規劃的負載與時段數量也不能太多之缺點，利用多途徑動態規劃法（Multi-Pass

Dynamic Programming，MPDP），針對長達八天的調度時間研究含直接負載控制的水火力

機組發電協調，探討DLC 對於系統發電成本及機組調度的影響。Chen 等人也提出一種以

最省運轉成本為目標的發電機組最佳DLC 調度方式，作者利用二元潮流網絡（Binary Flow

Network）模型描述系統發電機組運轉成本與DLC 間相互的關係，網絡中每一節點（Node）

則表示每一小時階段（Stage）的間隔，透過整數元規劃的數學技巧找出符合最省運轉成本

之發電機組排程組合。其後作者也將此法與傳統的DP 演算法做多方比較，經一實例驗證

能有效節省運算時間與獲致較佳的節能成效。

(5) 黃裕煒與朱記民等人陸續針對冰水主機等大型空調負載舒適度與省能控制同時結合之

DLC 策略進行深入探討與研究。作者們提出應用模糊控制（Fuzzy control）與類神經網路

（Neural Network）等技巧設計出適應型的最小焓值控制器，藉由改變冰水流量、風量或

調整冰水溫度等方式作冷房舒適度規劃，同時達成冰水主機於卸載期間舒適度的維持，並

將能量回償（Energy Payback）效應降至最低，規劃出一種合理且有效的冰水卸載排程。

(6) 姚立德等人則針對「無線電負載管理系統」實際應用於用戶空調設備DLC 技術可行性進

行探討。計畫中選定中、永和地區400 多個受控點，對用戶窗型、箱型冷氣機和中央空調

設備進行無線電為通訊媒介的直接負載控制技術的實證。研究中也針對無線電負載管理系

統之三種負載控制策略：線性負載控制、群組負載定時控制及群組負載隨時控制，在執行

卸/復載行為時對電力系統負載變化及電力品質影響作深入的剖析，以提供未來台電在擬

定或推廣空調負載控制策略之依據與參考。

(7)

(7) Ng 與Sheble針對處於電力自由競爭機制下的電業，提出一種以企業利潤為導向的負載管

理方案，重新檢視並改善傳統長期以節省營運成本為主要目標之負載管理控制排程在實際

執行面上，常導致電業無法獲致有利營收的缺點。作者以線性規劃（Linear Programming，

LP）演算技巧推導出電力系統邊際成本函數的動態模型，試圖找出一種謀求電業獲致最

大營收利潤為主要目標的最佳DLC 排程，協助電業於競爭的解構市場中能經濟且長期地

營運發展。

(8) 吳清圳強調由於台灣近年來空調設備急速成長所致的尖峰電力持續攀升，會導致負載因

數與備轉容量降低，危及台電供電之品質，為改善系統負載的平衡，有效削減尖峰電力及

移轉負載，應引進國外相當普及的需量控制裝置進行用戶負載調控，配合現有實施的負載

管理措施雙管齊下，以解決台電公司燃眉之急。王文博與柯明村提出如何開發並設計一套

電力需量管理控制裝置的方法，並將之應用於實際案例中驗證其控制成效，探討於台灣用

電環境推行之可行性。作者以微處理機（Micro Processor）為介面，藉由Fuzzy 演算軟體

預測電力需量的變化情形作為受控負載是否暫時切離或復歸的依據，執行用戶需求面的負

載管理，調節用戶負載型態。經實際應用案例實施成果發現，經由本控制方法可釋出用戶

原本居高不下之尖峰電力，在電力節流方面確實有優越之成效，可為台電公司紓緩供電及

電力開發的壓力。

(9) 卓明遠等人則參考與吸取日、歐及美等負載管理技術較為先進國家於需量預約服務控制

器技術研發的規範與經驗，應用微處理機與多種通信模組相關的硬體電路設計技術，自行

研製標準型、電力線載波（Power Line Carrier）型與無線電射頻（Wireless Radio Frequency）

型三種需量預約服務控制器原型，期能協助國內自主性研發技術扎根與提昇研發水平。作

者們於次年更針對此三型需量預約服務控制器中主要軟體和硬體的性能進行改善，以提升

控制系統的運轉效能與穩定性，並有效降低控制系統的研發成本。為驗證與測試所研製需

量預約服務控制系統的各項性能，計畫中也選擇10 個較具代表性的行業（以冷氣空調用

電為主的台電所屬的單位、公家機關團體與學校），安裝改良後之三型需量預約服務控制

器於用戶現場進行空調設備的需求面負載控制，進行一年的運轉實測與示範。作者經長期

控制績效實證發現，所研製之需量預約服務控制系統除能有效協助用戶進行自主性用電需

量合理化的管理、提昇空調設備效率、避免超約受罰與節省流動電費支出等外，也能對台

電抑低夏季尖峰需量、節省尖峰發電成本有所裨益，相當值得台電未來持續地推廣與應用

於用戶負載管理與服務計畫中。

(8)

三、研究方法

3.1. 最佳省能控制策略理論推導

（1）目標函數

其表示式如下式(1)

(

1 S

(

)

,

0 ,

)

(

M 1 N 1

≥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

×

=

∑ ∑

= = t g i g g t

Min

CL

i

P

(1)

其中

CLg(i)：表示每日時間 i 階段之第 g 群負載之容量（kW）

Sg(i)：表示每日時間 i 階段之第 g 群負載之狀態

=1, 表控制系統在時間 i 階段之第 g 群為 ON

=0, 表控制系統在時間 i 階段之第 g 群為 OFF

該日用戶期待的目標權衡節能量 P

w

則可由下式(2) 表示，而 P

w

的單位為（kWH/daily）

：

(

1 S

(

)

(

).

)

(

M 1 N 1 g g i g g w

MaxMin

CL

i

P

_⎥

×

δ

α

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

×

=

∑ ∑

= = 2 2 ) ( tanh 7 . 0 ) ( 1 ₊ = − g g α α δ (2)

(3)

其中

) (αg

δ

:

incentive weighting function of the g

th

ACL group;

g

α

_:

deviation of the g

th

ACL group from the average of all incentive rates of the ACLs.

w

P

_:

objective weighting capacity; shed by demand control, timer control, and cycling

control strategies.

所以應用(4)式即可達到用戶期待的最佳省電用電模式

( )

⎥

,

≥

0 .

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

=

∑

_w

daily daily daily

w

Max

Min

IL

D

IL

C

IL

T

P

(4)

其中

∑

daily D IL( )

:

_{total daily saving capacity for demand control}

∑

daily

C IL( )

:

_{total daily saving capacity for cycling control}

∑

daily

T IL( )

total daily saving capacity for timer control

(9)

（2）限制條件

程式中也須同時符合並滿足以下幾項的限制條件：

1.滿足負載平衡方程式

實施調度後的總負載需求，須滿足下式(5)的修正結果：

.

)

(

)

(

)

(

'

)

(

i

P

i

P

i

P

i

P

=

−

_RC

+

_PB

(5)

其中

)

(i

P

:

modified load demand in period i.

)

(

' i

P

:

original forecasted load demand in period i.

)

(i

P_RC :

reduced capacity by interrupted control in period i.

所以負載需量控制可用(6)式表式示

(

)

∑

=

+

−

=

N i PB RC

i

P

i

P

i

P

MaxMin

i

P

MaxMin

1

,

)

(

)

(

)

(

'

))

(

(6)

subject to

0 ≤

P

_RC

(

i

)

≤

P

_max

,

for

1 ≤

i

≤

96 .

2.線上可控負載的限制

系統每日中每群空調負載在各時段可執行卸/復載行為的時機，可透過用戶預先規

劃的使用時段資料表（Timetable）進行判斷，其判斷條件須滿足下式(7)的規則：

( )

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

≠

=

+

≥

≤

=

≠

=

+

≤

+

>

.

0 ,

3...

2,

1,

,

1 or

,

for

0,

.

0 ,

...

3 ,

2 ,

1 ,

1 for

,

0

g

i

K

i

K

T

g

M

g

P

g

M

g

T

K

i

K

i

P

Cg g g RC Cg g g RCg (7)

其中

K

g

:

_{the initial time of executing control.}

Tc

g

:

_{on-line duration of the g}

th

_ACL.

3.滿足負載群操作限制

其相關的數學方程式可由下式(8)表示之。

( )

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

=

−

=

−

=

−

=

−

+

−

=

.

0 )

(

and

0 )

1 (

if

,

)

1 (

1 )

(

and

0 )

1 (

if

,

0 )

(

and

1 )

1 (

if

,

0 )

(

and

0 )

1 (

if

,

)

1 (

i

S

i

S

T

i

AT

i

S

i

S

T

i

S

i

S

T

i

S

i

S

T

i

AT

i

AT

g g j g g g j g g j g g j g g (8)

(10)

3.2 鬆弛式動態規劃法(Relaxed DynamicProgramming)求解法則

下圖為 RDP 進行搜尋時所用的結構

Stage k-1 Stage k Stage k-1

圖 1 RDP 搜尋結構圖

而 RDP 相關的算法則如(9)~ (11)式

(

( 1) '( ) ( ) ( )

)

, ) (i MaxMin P i P i P i P i PLTC = LTC − + − RC + PB

(9)

其中

)

(i

P

_LTC _:

least total capacity of the interruptible load at state i.

)

(i

PRC :

reduced capacity of the interruptible load at state i.

將 (9)式中的

P_LTC(i)

以

R

( )

x

取代可得(10) 式

.

( )

(

)

( )

{

}

( )

(

)

( )

{

,

}

.

min

,

min

u

x

l

u

x

f

R

x

R

u

x

l

u

x

f

R

u u

α

+

≤

+

₍₁₀₎

如果分別符合上下限

Rk

與

Rk

，那麼所求出的解就會滿足(11)式。

( )

(

)

(

( )

)

*

(

( )

)

,

* k k k k k k

x

t

R

x

t

R

x

t

R

α

≤

(11)

3..3 求解程序的規劃

圖2 則為本程式整體執行選單設定的規劃流程

圖 2 整體程式執行規劃流程圖

圖3 為常規模式中需量控制策略的程式規劃流程

圖 3 需量控制策略流程圖

7

(12)

能量回償程式的計算流程如圖4所示

圖 4 能量回償流程圖

3..3 負載

控制器實測接線圖

圖 5 所示為於用戶端實測時，負載控制器安裝之接引單線圖。

圖 5 負載控制器安裝接線圖

8

(13)

四、研究具體成果

A. 經由本研究所推導之最佳控制法則，不僅可有效降低尖峰負載，更能節省多餘之電費，

解決了傳統控制法則無法精準地縮短目標成本函數（即預定排程目標電能與實際控制

結果之電能差值）的問題。

B. 搭配本研究所開發軟體的負載控制器可針對冷氣空調負載同時提供需量控制、週期降

載控制與定時控制等功能，用戶可依需求與負載管理目標自動選擇合適的控制模式，

對降低用戶尖峰負載以及在電能節約方面當有莫大的助益，相當值得普及推廣。

C. 空調為主之大型用戶可因裝置此負載控制器而有效提高其用電效率，生產製程也可隨

需求調整，對降低用電成本需求殷切之高耗能產業也有相當之節電效益。

D. 就台電公司而言，此負載控制器之裝置可有效降低系統尖載，彈性調節饋線容量，並

增加變電所與饋線之餘裕度及系統之備轉容量。

對於學術研究、國家發展及其他應用方面之貢獻

A. 對於學術研究的貢獻上，本研究提出動態規劃與模糊控制最佳化技巧等方法有效解決

了空調負載週期控制最佳化之問題，故它具有非常大的實用性潛力。

B. 克服以往之缺點使控制模式多樣化，本研究提出一個以RDP為理論基礎的最佳化空調

負載排程軟體系統。

C. 本研究提供一跨平台，不受限於目前系統不同的問題，對於國內在系統開發，提供一

低成本、高附加價值的開發模式，不僅提升需量控制器性能，亦同時增加同型產品之

競爭優勢。

參與之工作人員，可獲得之訓練

A.了解空調負載控制器人機介面之原理與技術開發訓練。

B. 學習電腦軟、硬體之原理與技術開發訓練。

C. 學習實測電路建置的技術

D. 學習以程式開發人機互動介面之技術。

E. 學習整合軟硬體開發平台。

(14)

收稿日期：2010/5/24，基金項目：自籌經費研發。卓明遠：1962 年 9 月 25 日，男，廣西玉林，1992 年中山大學電機博士，電機系教授兼能源科技研究中心主任。主要研究方向為電力系統優化、智慧型電網與 AMI、風光系統運轉控制、節能減碳技術。聯絡電話：886-07-3814526

商業大樓微處理機型節能控制系統設計與實現

卓明遠蕭盈璋鄭珮蓉（國立高雄應用科技大學電資學院電機系，高雄，807）摘要：本論文針對現行之電能管理系統需求，首先利用最小損失成本方法，提出高壓用戶於規劃階段中考慮負載控制後之最適契約容量推估模式，以有效解決用戶建置管理系統之效益評估與契約容量選定問題。再者應用微處理機軟硬體及介面技術，設計與研製一套具遠端通訊之“節能控制器”與前端“負載控制器”建置電能監控管理系統，以落實空調負載即時監控管理，提升整體之運行效能，並有效提升能源使用效率達到節能減碳目標。本系統最後於台茂購物中心進行安裝與實際測試，驗證了此電能管理系統於節能減碳之實用性與效能。關鍵詞：電能管理、節能控制器、負載控制器、最適契約容量、微處理機 I.緒論電力產業為國家重要之能源工業，與國家經濟發展、產業成長息息相關；由於經濟成長，生活水準提高用電需求殷切。過去電業對於電源開發以提供充裕的電力供應以滿足經濟活動以及日常生活所需不餘遺力，但隨著經濟的發展在競用有限資源的情形下，新電源的開發成本日益升高；再加上近年來環保意識抬頭，影響了電廠建立與相關電力輸配設施的興建，供給面的開發漸趨困難[1]。台灣地區地處亞熱帶每逢夏季溫升[2]，季節性空調負載即大幅提高，因此造成近年來國內電力用電量需求與夏季尖峰負載不斷成長，若僅為滿足系統尖峰負載需求，而投資興建電廠，將造成設備在尖峰負載以外的時段閒置而無法充分利用投資風險大，為避免有限資源被過度開發帶來環境的成本，因此需求面負載管理的實施，為有效降低尖峰需求、紓解限電壓力達到節約能源目標的有效方法[3,4]。台電自1979年起推動負載管理 [5-7]，已陸續實施時間電價、可停電力、季節電價、儲冷式中央空調推廣、中央空調暨箱型冷氣週期性停用電等多項措施，再抑低尖峰負載績效方面，頗具成效，但最近幾年在整體市場與經營環境之變遷下，需求面管理措施的推行已面臨飽和的問題。因此本論文參考台灣電力公司對於空調負載控制之方法，針對以空調負載為主之契約用戶，建置設計一電能管理系統，主要藉由節能控制器結合數位電錶回傳高壓變電站即時資料值，利用即時之回傳資料監視用電需量，當用電需量超過目標需量時，執行自動卸載達到需量控制之目的，或依據用戶的選擇執行需量控制或時鐘控制，有效降低尖峰負載避免超約受罰[8-12]，並可於節能控制器中，執行需量控制策略、週期控制策略與時鐘控制策略，透過各項控制策略的執行節省流動電費支出。本文的目的在於： 1. 應用PIC18F8520與PIC18F1320微處理機技術，研製具標準工業級通訊介面RS485之節能控制器與負載控制器。 2. 契約用戶直接裝設節能控制器與負載控制器執行負載控制策略，於規劃設計負載受控訂定最適契約容量值，以期達到節省電費支出之目的。 II.預期負載控制執行下成效分析結果圖 1 為評估電能管理系統建置前規劃分析之介面，輸入各時段歷史需量、歷史用電度數、各月份系統運轉量及各時間電價時段各空調設備運轉時數等，做為分析運算的資料來源。用戶用電歷史資料係由台電「高低壓用戶最適契約容量分析與管理軟體」的 SQL Server 資料庫，擷取部份資料載入而成，介面中可連結本文所使用之 Access 資料庫，並將用戶之每月尖峰、離峰、週六半尖峰之需量與用電度數，等最近一年用電資料顯示於表單中。此外本文因應用戶對本身空調負再了解程度不一，提供了精簡模式與精確模式，以作為該用戶在各附載控制條件下，計算總電費的依據。在這兩種模式分析中，精簡模式用戶需輸入空調夏月可控運轉時數、非夏月可控／運轉時數；精確模式用戶必須輸入每月空調設備運轉可控量，尖峰運轉時數、離峰運轉時數、半尖峰運轉時數等資料。圖 1 電能管理系統建置規劃分析介面一、週期控制方案分析週期控制分析為規劃系統中受控迴路上負載固定

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比率的ON/OFF時間，利用用戶之歷史流動電費資料作估算，本軟體也根據用戶對於空調負載情況掌握的情形不同，提供精確分析模式與精簡模式分析，對於能掌握本身負載運轉資料之用戶提供精確分析模式；反之則提供精簡模式分析供用戶針對週期控制的成效做簡略的分析，對於電能管理系統建置初期的效益評估會很有幫助。週期控制策略執行下每小時運轉及暫停時數，目前規劃為每小時停機10分鐘、每小時停機15分鐘、每小時停機20分鐘三種方式，計算在不同的週期運轉策略控制下流動電費的節省，圖2為針對某契約用戶進行實際的分析後，不同方案的週期運轉下，每個月用電度數節省的情形。由於本系統納入控制之負載以空調負載為主，在夏季空調負載使用量較大的情形下對於流動電費的節省成效較為明顯，而非夏季月份由於空調負載的使用量降低，因此週期控制策略之成效較低。圖2 不同週期運轉方案下各月份的用電度數二、可控量與用電成本分析可控量與用電成本分析為估計電能管理系統執行需量控制時，受控迴路上之運轉負載的受控量可使系統需量控制在目標值，圖3為系統受控迴路上負載在需量控制下，分析軟體計算的基本電費與最適契約容量變化情形，分析軟體分析用戶不同線上可控負載與不同的需量控制目標下，最適契約容量和基本電費變化的情況。抑低的需量越多則可訂定較低的契約容量節省基本電費支出。圖3中未執行需量控制策略時控制量為0，最適契約容量為2720KW，基本電費6,411,500元；若將執行需量控制將需量降低143KW後，最適契約容量可調降為 2604，此時基本電費為6,165,653元，全年可節省 337,639元的基本電費支出。圖 3 可控量與用電成本分析 III.負載管理之控制模式本論文節能控制器對於空調負載的負載控制方法可分為三種：需量控制、週期控制與時鐘控制，此三種方式可由用戶依照各時段的實際需要單獨選擇任一控制方式，藉由節能控制器自動依據所選擇的控制方式，執行卸載控制，以下為三種控制策略的理論基礎說明如下： 1. 需量控制策略需量的管理是以用戶與電力公司間所訂定的契約容量為基準來實行，用戶必須控制負載量，控制15分鐘平均使用的電力不超過契約容量。若電力使用量超出契約容量，電力公司將依超約情形徵收超約附加費；未來電力市場自由化後，在電力供應吃緊時，用戶必須面臨高電價，使得用電成本增加，需量反應制度透過系統發出價格或緊急事件訊號，此時若用戶可抑低負載將負載回售給系統，系統將針對購回電力支付卸載用戶款項。因此用戶可藉由需量控制策略控管用電需量，減少用電成本的支出。需量監測方式可分為同步式與滑動式兩部份，同步式為台電之需量監視方式，在需量累計時間結束後累計值歸零，下一個需量累計週期重新累計，滑動式又稱 (ROLLING DEMAND)為連續性之滑動式需量監視，在需量累計時間結束後累計值不會歸零，由於台電之同步訊號尚未開放，所以滑動式需量監視需要校對，使用上不方便，台電需量的計算方式其15分鐘的需量平均值的起始計算時間在每小時的0、15、30、45分，位確保控制的時序正確，節能控制器的時間需要與台電需量錶保持同步。 2. 週期控制策略週期控制是將一多組空調設備群，依據每群設備特性不同，於每天設定適宜且固定比率的ON/OFF時間段，在不損壞設備、影響效能與舒適度的情形下，進行週期循環性的開/關運轉，已達到節省流動電費支出的目的，圖4所示為週期控制策略的原理示意圖，圖中顯示每組受控負載群都可以依照運轉與需求限制，按照情況調整最長可控週期(最短開機時間+最長關機時間)，持續進行每日的循環運轉，以四迴路控制每小時運轉45 分鐘暫停15分鐘為例，若假設各迴路負載分配相同在15 分鐘需量累計時間內，各迴路的用減量減少了四分之一，也間接達到抑制需量的效果。需量控制只針對用電尖峰時段，超過目標設定值時，進行負載管控抑低用電量；週期控制則是在每日各時段進行抑低用電量節省流動電費，因此，週期控制策略如能搭配需量控制策略運作將可具較佳的節能成效。圖4 週期控制策略示意圖

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3. 時鐘控制策略時鐘控制即是設定負載再依指定的時間、日期自動執行負載群之ON/OFF動作。因此用戶可預先設定好每日、每週或每月調度期中負載群要使用的時段，當系統時間與預期進行調度事件時間一致時，則會自動執行 ON/OFF排程工作。此控制策略具有自動化控制意涵，節省人力管理成本與提昇設備的使用效率。此控制策略與週期控制最大的不同之處，在於週期控制策略採固定比率的週期控制週期，循環性的ON/OFF控制；時間控制則是根據需求設定ON/OFF調控時段，有效的管理設備的使用節省不必要的電能浪費。圖5為時鐘控制示意圖，圖中顯示受控負載於某段時間內，可依據使用需求自行設定多段的 ON/OFF ，每一段的 ON/OFF時間段的控制時間，皆依照用戶需求設定而改變都不相同。圖5時鐘控制示意圖 IV.電能管理系統設計實現節能控制器係利用微處理機技術，研製一套節能控制單元，結合數位電錶，透過MODBUS的通訊架構與圖控軟體整合，並可執行各項負載控制策略。  節能控制器程式設計流程本節能控制器之其基本背景功能主要包含了總變電站用電監測、需量預測、需量控制、週期控制、時鐘控制、MODBUS通訊等功能。圖6所示為節能控制器程式設計流程圖，圖中節能控制器可在軟體中直接設定器本身的站號(ID)，以供區別各個控制器個體，設定控制器之內部參數。本控制器是利用MODBUS通訊協定來傳輸監控相關資料，所以不會有通訊的連線問題產生。當控制器上線後，控制器即隨時都在等待監控中心的控制設定命令，每當有訊號來時，控制器會先判斷資料格式是否正確，若資料格式正確，才會進行接收該筆資料。控制器即依控制命令的要求，進行控制器內部的參數設定，控制器每接收控制命令後，並將會依控制命令的要求擷取控制器之狀態，並利用MODBUS傳送回監控中心。若監控電腦無控制設定命令傳送，則節能控制器傳送命令，至數位電錶取得總變電站之用電參數，回節能控制器做運算；在需量控制模式當預測需量可能超出契約容量時，輸出信號至I/O介面，進行卸載，當到達需量累積時間則進行復載，需量重新累計；在週期控制模式，根據設定之週期時間，循環輸出信號至I/O介面控制負載；在時鐘控制模式，根據設定之開啟/關閉時間，輸出信號至I/O介面控制負載。負載控制器係利用微處理機技術，研製一套安裝於空調負載中的負載控制單元，各種負載控制模式可透過微處理機的串列通訊埠傳入執行，透過MODBUS的通訊架構與圖控軟體整合，接收節能控制器的信號執行卸載動作。  負載控制器程式設計流程本負載控制器之軟體設計搭配開發完成的硬體電路，直接以C語言撰寫，其基本背景功能主要包含了設備運轉/停止監測、接受控制信號做運轉/停止控制、接受MODBUS信號做運轉/停止控制等功能。圖7所示為負載控制器程式設計流程圖。負載控制器可在軟體中直接設定控制器本身的站號(ID)，以供區別不同負載控制器個體。本控制器是利用MODBUS通訊協定來傳輸監控相關資料，所以不會有通訊的連線問題產生。當控制器上線後，控制器即隨時都在等待監控中心的控制設定命令，每當有訊號來時，控制器會先判斷資料格式是否正確，若資料格式正確，才會進行接收該筆資料。控制器即依控制命令的要求，進行負載控制器設定，控制器每接收控制命令後，並將會依控制命令的要求擷取負載控制器狀態，並利用MODBUS通訊協定傳送回監控中心。  系統規劃設計圖 8 為電能管理控制系統架構圖，建置方法主要在用戶端高壓總變電站安裝節能控制器，進行自動化需量監控及控制策略的執行，並於空調負載端安裝負載控制器，採行分群之分散式架構規劃，將負載納入節能控制器受控迴路，藉以即時控制空調用電設備之運轉狀態，利用數位電錶及數位溫度感測器搜集用電參數及溫度資訊。圖 9 系統監控畫面所示控制中心可透過監控電腦之圖控軟體，傳遞節能控制器與負載控制器的控制模式，並監控現場節能控制器、負載控制器、數位電錶、數溫度感測器的即時現場狀態，圖 10 溫度顯示畫面所示，可掌握空調負載受控情形，圖 11 為報表查詢畫面可進行後端運轉資料分析及用電報表列印。圖 6 節能控制器程式設計流程圖

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圖 7 負載控制器程式設計流程圖圖 8 系統規劃架構圖圖 9 系統監控畫面圖 10 溫度顯示畫面圖 11 報表查詢畫面 V.實例測試與結果分析  用電背景分析案例一本案例為一高壓契約用戶，根據 2006/4~2007/3 月整年歷史用電資料分析，該用戶所訂定之契約容量為 2800KW，此電錶乃供給空調機房內五部離心式冰水主機用，其中超約附加費總計約為二十六萬。負載每天平均運轉(AM 6：00~PM 23：00)共計約 17 小時，每個月份的運轉量如表 1 所示，根據負載組成分析，空調設備容量就佔用 2152KW，相當於整體用電量的七成。表 1 契約容量 2800KW 電錶各月份空調負載運轉量月份 11、12、 1、2、3 4、5、6、7 8、9 10 運轉量 538 (KW) 1614 (KW) 2152 (KW) 1076 (KW) 案例二本案例為一高壓契約用戶契約容量為 3250KW 之電錶，根據 2006/4~2007/3 月整年歷史用電資料分析，此電錶乃供給整棟大樓之空調箱使用，受控空調箱運轉

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容量共約 280KW，該電錶過去一年內之需量用電在 2、 4、6、7、8 月份為超約月份，其中超約附加費總計約為三萬。負載每天平均運轉(AM 6：00~PM 23：00) 共計約 17 小時。根據空調負載需求及運轉特性，將供應整棟大樓 14 台空調箱，可控量約 280KW，按負載量區分為 6 迴路受控執行週期運轉，需量控制目標值。  成效分析本節針對前述兩案例的運轉測試情形進行效益的分析與評估，根據比較最近兩年各時段最高需量及用電度數成長情形，印證電能管理系統建置前後之運轉成效，詳細內容分析如下；一、案例一成效分析 (一)尖峰需量抑制： 2007/4~2007/10 較去年同期 2006/4~2006/10 平均尖峰需量成長 3.9%、平均離峰需量成長 3.22%、平均週六半尖峰需量成長 7.69%；2007/11 月電能管理系統開始運作之後， 2007/11~2008/2 較去年同期 2006/11~2007/2 平均尖峰需量成長 3%、平均離峰需量成長-2.37%、平均週六半尖峰需量成長-4.11%，各時段需量的成長已明顯趨緩或呈現負成長，相關比較值如表 2 所示。表 2 案例一節能控制器安裝前後各時段需量成長比較安裝前 (2007/11 前) 安裝後 (2007/11 後) 平均抑低需量尖峰需量成長 3.9% 3% 21KW 離峰需量成長 3.22% -2.37% 134KW 平均週六半尖峰需量成長 7.69% -4.11% 259KW (二)流動電費抑制 2007/4~2007/10 較去年同期 2006/4~2006/10 平均尖峰用電量成長 4.9%、平均離峰用電量成長-0.73%、平均週六半尖峰用電量成長 5.20%；2007/11 月電能管理系統開始運作之後， 2007/11~2008/2 較去年同期 2006/11~2007/2 平均尖峰用電量成長-5.26%、平均離峰用電量成長 -6.75% 、平均週六半尖峰用電量成長 0.22%，總用電成長明顯趨緩，其結果如表 5.3 所示。表 3 案例一節能控制器安裝前後各時段用電量成長比較安裝前安裝後節省度數節省電費尖峰用電量成長 4.9% -5.26% 39816 89187 平均離峰用電量成長 -0.73% -6.75% 17134 14392 週六半尖峰用電量成長 5.20% 0.22% 7228 9757 空調負載為納入控制前 2007/4~2007/10 總電費較前一年同時期成長 6.8%，但 2007/11 月空調負載納入電能管理系統後 2007/11~2008/2 較前一年同時期電費成長率-3.98，2007/11~2008/2 間電能管理系運作節省總電費 178,130 元，顯示在節能系統的運作下用電成長已獲得妥善的控制。二、案例二成效分析 (一)尖峰需量抑制： 2007/4~2007/10 較去年同期 2006/4~2006/10 平均尖峰需量成長 0.77%、平均離峰需量成長 2.97%、平均週六半尖峰需量成長 2.24%；2007/11 月電能管理系統開始運作之後， 2007/11~2008/2 較去年同期 2006/11~2007/2 平均尖峰需量成長-0.4%、平均離峰需量成長 2.04%、平均週六半尖峰需量成長 2.01%，各時段需量的成長已明顯趨緩，相關比較值如表 4 所示。 (二)流動電費抑制： 2006/4~2006/10 平均尖峰用電量成長 7.48%、平均離峰用電量成長 5.7%、平均週六半尖峰用電量成長 4.99% ； 2007/11 月電能管理系統開始運作之後， 2007/11~2008/2 較去年同期 2006/11~2007/2 平均尖峰用電量成長 1.94%、平均離峰用電量成長-4.28%、平均週六半尖峰用電量成長-3.45%，總電費成長明顯趨緩，其結果如表 5 所示。表 4 案例二節能控制器安裝前後各時段需量成長比較安裝前 (96/11 前) 安裝後 (96/11 後) 平均抑低需量尖峰需量成長 0.77% -0.4% 38KW 離峰需量成長 2.97% 2.04% 30KW 平均週六半尖峰需量成長 2.24% 2.01% 8KW 表 5 案例二節能控制器安裝前後各時段用電量成長安裝前安裝後節省度數節省電費尖峰用電量成長 7.48% 1.94% 40392 90336 平均離峰用電量成長 5.7% -4.28% 37393 31410 週六半尖峰用電量成長 4.99% -3.45% 15392 20779 空調負載納入控制前 2007/4~2007/10 總電費較前一年同時期成長 9.3%，但 2007/11 月空調負載納入電能管理系統後 2007/11~2008/2 較前一年同時期電費成長率 0.22%，2007/11~2008/2 間電能管理系運作節省總電費 243,222 元顯示在節能系統的運作下用，電成長已獲得妥善的控制。綜言之，由上面兩個實際案例可以驗證，本文所採行的控制架構及策略具有抑制需量用電與流動電費成長的能力。本研究的實現，以用戶需求作為根本的考

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量，對用戶而言可幫助其掌握自己用電需求，設計適宜的用電管理方法，節省相關電能支出成本。 VI.結論本論文可獲得以下幾點結論： 1. 完成的節能控制器可針對負載執行需量控制、週期控制與時鐘控制等策略，用戶可依據需求彈性調整負載管理目標值，對於降低尖峰負載及節省流動電費，有顯著的成效。 2. 本研究完成之節能控制器與負載控制器具標準工業級通訊介面，所鋪設之通訊線路皆可與一般市面上支援 MODBUS 通訊之產品相容，故新增設備無需重新鋪設通訊線路，其整合性高。 3. 節能控制器抑低了需量的成長及流動電費的支出，案例一在 2007/11-2008/2 四個月當中共節省了 178,130 元的電費支出，案例二在 2007/11-2008/2 四個月當中共節省了 243,222 元的電費支出。未來展望 1. 取得每台空調負載用電特性與輸出效率，針對負載特性推導高效率控制策略。 2. 改善負載監測系統的效能，提升用電參數取樣速度和負載狀態擷取速度，提升系統運轉之可靠性，及報表紀錄之準確性。 3. 未來因應電業自由化之需求，管理系統可加入不同的控制策略運轉，協助用戶抑低負載回售給系統，從中獲取報酬，並維持電力供需平衡及系統可靠度。 VII.參考文獻 [1] 台電負載管理九十六年年報，台灣電力公司，2007。 [2] 陳朝順，王俊超，康渼松，黃鐘慶，黃佳文，“台電日負載組成溫度影響評估”，九十年節約能源論文發表會論文集，頁209-217，2001。

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[10] M.Y.Cho,C.W.Huang,“Development of Microprocessor Based DEmand Control System for Industrial amd Commercial Customer”,IEEE IAS ICPS-01,LA.USA,2001.

[11] M.Y.Cho,S.W.Gau,andC.W.Huang,“Development of PC Based Energy Management System for Electrical Energy Saving of High Voltage Customer”,IEEE IAS ICPS-02,LA.USA,2001.

[12] 卓明遠，溫孟川，“電力監控技術於電能管理系統之應用”，電機技師月刊，第11卷，第六期，頁 46-61，12月，1996。

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Design and Implementation of Microprocessor Based Commercial Building Energy Saving Control System

Ming-Yuan Cho Ying-Chang Hsiao Pei-Jung Cheng

（EE Dept. Electrical and Information College, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Kaohsiung, 807）

ABSTRACT：This paper first applies minimum loss cost method with consideration of load control effect to propose optimum demand contract model to effectively solve customer benefit evaluation and demand contract selection of management system establishing in order to meet the requirement of electricity energy management system. Furthermore, microprocessor technique associated with hardware/software of interface is applied to design and implement a electricity energy supervisory and control system which contains both energy saving controller and load controllers with remote communication ability in order to reach real time air conditioner control, and to enhance totally efficiency of operation and energy usage as well as the goal of energy saving and carbon emission reduction. Finally, proposed designed system is installed at shopping mall for on site testing and operation since November, 2007. Results indicate that practicality and effectiveness of energy saving and carbon emission reduction can be achieved.

Keywords：Electricity energy management, Energy saving controller, Load controller, Optimum demand contract, Microprocessor

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國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期： 99 年 10 月 20 日

一、參加會議經過

8 月 1 日搭機抵達中國大陸山西省太原市，市容稱得上整齊，市景比想像中

的還要繁榮，參加晚宴後回飯店休息。8 月 2 日前往會議地點報到，這一天安

排理監事會議以及大會專題演講由中國科學院副院長謝克昌理事長主講，講題

「綠色低碳持續發展」

。8 月 3、4 兩日為論文發表與展示，我們在 8 月 4 日發

表論文，

「Design and Implementation of Energy Saving Control and

Management System for Commercial Building」，此研究成果為國科會計畫後

之延續性研究項目之一，且已有實際雛型成品開始進行測試。8 月 4 日發表完

後，順道在市區觀賞風景名勝，於 8 月 5 日搭機返國。

二、與會心得

計畫編

號

NSC 98－

2221－

E－

151 －

060 －

計畫名

稱