CN102570445A - 家用能源管理系统 - Google Patents

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CN102570445A CN2011103352085A CN201110335208A CN102570445A CN 102570445 A CN102570445 A CN 102570445A CN 2011103352085 A CN2011103352085 A CN 2011103352085A CN 201110335208 A CN201110335208 A CN 201110335208A CN 102570445 A CN102570445 A CN 102570445A
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高木康夫
山田孝裕
村井雅彦
谷本智彦
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/26—Pc applications
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Abstract

一种家用能源管理系统，包括：调度状况存储单元，其用于存储调度条件，调度条件包括：操作准许时间区，指示准许操作家用电器的时间区的操作准许时间区；必要操作时间，指示家用电器完成操作所花费的操作时间；以及操作时间电力消耗量，指示在家用电器的操作期间所消耗的电力；调度计算单元，其用于从电网能源管理系统接收CO2排放强度，并且用于根据CO2排放强度和调度条件来准备指示家用电器的操作时间的操作调度；以及控制单元，其用于根据操作调度来控制家用电器。

Description

家用能源管理系统
技术领域
本发明涉及家用能源管理系统。
背景技术
已经知道一种家用能源管理系统，该家用能源管理系统可以通过显示并且有时控制由在诸如家庭或商店等电力消费者实体(在下文中称作“消费者实体”)内提供的多个设备所消耗的能量来实现节能、成本节省以及CO2排放的减小。传统的家用能源管理系统包括在消费者实体中提供的电器以及用于控制这些电器的控制设备。在消费者实体为家庭的情况下，电器包括多个家用电器。
家用能源管理系统主要可以执行以下任务：(1)对空调设备的用户缺席控制，在不存在用户的情况下，利用该对空调设备的用户缺席控制关闭该空调设备；(2)对照明灯的用户缺席/亮度控制，在不存在用户的情况下，利用该对照明灯的用户缺席/亮度控制关闭或调暗照明灯；以及(3)备用电源切断，利用该备用电源切断将由家用电器另外消耗的备用电源切断。
在家用能源管理系统中显示的关于所消耗的能源的指示的示例包括：对消费者实体内的电力消耗量以及气消耗量的指示；关于多个家庭之间的节能比赛结果的指示；对根据环境温度的意见消息的指示；以及对CO2排放的指示。
然而，通常情况下，在使用传统的家用能源管理系统的消费者实体中，通过自动控制家用电器实现的节能效果没有那么大。为了实现增加的节能，对于居民而言，在减小能耗方面主动协作是必要的。在探寻居民的主动协作中，对居民施加了亲自操作家用电器例如打开和关闭家用电器的负担。
附图说明
图1是示出了根据一个实施例的家用能源管理系统的配置的视图。
图2A是示出了从电网能源管理系统提供的并且由根据一个实施例的家用能源管理系统接收的单位电价的一个示例的视图。
图2B是示出了从电网能源管理系统提供的并且由根据一个实施例的家用能源管理系统接收的CO2排放强度的一个示例的视图。
图3是示出了根据一个实施例的家用能源管理系统的DR(需求响应)状况的视图。
图4是示出了根据一个实施例的家用能源管理系统的调度条件的视图。
图5是示出了根据一个实施例的家用能源管理系统的操作调度的视图。
图6是示出了根据一个实施例的家用能源管理系统的DR调度的视图。
具体实施方式
现在将参照附图来描述根据本发明的一个实施例的家用能源管理系统。
(实施例)
将参照图1来描述根据一个实施例的家用能源管理系统的配置，图1示出了家用能源管理系统与外围设备之间的关系。
家用能源管理系统1包括家庭网关2和显示单元3。
家庭网关2包括DR(需求响应)状况存储单元8、调度条件存储单元9、调度计算单元10、DR计算单元11、控制单元12和调度存储单元13。家庭网关2经由消费者实体6的局域网(在下文中称作“LAN”)被连接到安装在消费者实体6中的多个家用电器4-1、4-2、……和4-n。本文使用的术语“家用电器4-1至4-n”旨在表示用于日常生活的电器，例如，电视机、空调设备、照明灯和电池。
家庭网关2还经由通信线路被连接到电网能源管理系统7，以接收指示随时间改变的电力价格的单位电价、指示电力的随时间改变的CO2排放强度的电网CO2排放强度、以及功耗控制请求。家用能源管理系统1对功耗控制请求的响应是DR(需求响应)。
将给出关于从电网能源管理系统7接收的单位电价、电网CO2排放强度和功耗控制请求的描述。
(单位电价和电网CO2排放强度)
图2A和图2B中示出了单位电价和电网CO2排放强度。图2A示出了随时间改变的“单位电价”，而图2B表示随时间改变的“电网CO2排放强度”。在这方面，家用能源管理系统1以较低的周期(一天一次)接收“单位电价”和“电网CO2排放强度”以观察其一天的趋势。
图2A中所示出的“单位电价”指示了每1kWh电力的价格。单位电价在0点至6点为10日元/kWh，在6点至7点为15日元/kWh，在7点至18点为30日元/kWh，在18点至22点为15日元/kWh，以及在22点至24点为10日元/kWh。单位电价由电力供应商改变。
图2B中所示的“电网CO2排放强度”表示了由安装在电网中的所有发电机所产生的每1kWh电力的CO2排放量。“电网CO2排放强度”根据由不同的发电机(例如，化石燃料发电站和核电站)所产生的功率输出在总功率输出中的比例而随时间改变。更具体地说，“电网CO2排放强度”在0点至6点时变得较小，这是因为由具有减小的电网CO2排放强度的核电站所产生的功率输出的百分比在该时段期间保持较大。“电网CO2排放强度”在6点至12点之间增长地较高，这是因为由具有增加的电网CO2排放强度的化石燃料发电站所产生的功率输出的百分比在该时段期间保持较大。
电网能源管理系统7使用方程(1)来计算“电网CO2排放强度”UP：
UP＝(UNuclear×PNuclear+UCoal×PCoal)/TP  ……(1)
其中，UNuclear和UCoal分别是预先计算和设置的核发电和化石燃料发电的CO2排放级别；PNuclear和PCoal分别是由核发电机和化石燃料发电机产生的功率输出；以及TP是由安装在电网中的所有发电机产生的总功率输出。
(功耗控制请求)
功耗控制请求指示了消费者实体6所需的控制内容并且该功耗控制请求包含控制级别和控制时间。在这方面，控制级别是指示消费者实体6需要完成的功耗的减小量的级别。控制级别被划分成例如三个等级，级别1、级别2和级别3。级别1中所需的功耗的减小量小于级别2中所需的功耗的减小量。控制时间指的是发出功耗控制请求的时间。
功耗控制请求可以进一步包含关于要控制的家用电器的信息、预测的未来天气和温度、以及控制的紧急程度。这样接收的信息可以通过安装在消费者实体6中的电表和信息调制解调器(未示出)。
接下来，将给出关于在家用能源管理系统的家庭网关2中提供的各单元的描述。
DR条件存储单元8存储家用电器4-1至4-n的预定的DR条件。将参照图3描述DR条件，图3示出了当家用电器4-1至4-n包括电视机、空调设备、照明灯、热水器、洗碗机、洗衣机、IH烹调加热器和电动车时的DR条件的一个示例。
在图3中，示出了家用电器4-1至4-n的控制内容以及与控制内容相对应的优先级。以多个等级来设置优先级，例如为“1”、“2”和“3”。与优先级2和3的控制操作相比，更优先地执行优先级1的控制操作。更具体地说，当电源被关闭时，向其操作可能对房主影响不大的热水器和洗衣机赋予优先级“1”，并且在优先的基础上执行其功耗控制。在另一方面，向对现实生活具有一些影响的电视机、空调设备和照明灯赋予优先级“2”，以减小其优先级顺序。向对现实生活具有很大影响的IH烹调加热器赋予优先级“X”，并且不执行其功耗控制。
“完成时间”表示完成家用电器4-1至4-n的操作的时间。例如，期望热水器到下午5点的时候完成产生热水。因此，将热水器的完成时间设置为“17:00”。
调度条件存储单元9存储家用电器4-1至4-n的调度条件。将参照图4来描述调度条件，图4示出了家用电器4-1至4-n的调度条件的一个示例。调度条件包括：操作准许时间区，指示准许操作家用电器4-1至4-n的时间区；必要操作时间，指示家用电器4-1至4-n完成操作所花费的操作时间；以及操作时间电力消耗量，指示在家用电器4-1至4-n的操作期间所消耗的电力。
将洗碗机的操作准许时间区设置为“22:00-4:00”。仅准许洗碗机在该时间区期间操作。必要操作时间被设置为“1H”，这意味着洗碗机需要一个小时来完成其操作。操作时间功耗被设置为“1kW”，这指示了在洗碗机的操作期间要消耗的功率。
调度计算单元10利用存储在调度条件存储单元9中的调度条件、从电网能源管理系统7接收的电网CO2排放强度和单位电价来为家用电器4-1至4-n准备操作调度(operation schedules)，并且使操作调度在显示单元3上显示。如果确定通过输入单元(未示出)输入了指示居民同意该操作调度的同意信号，则调度计算单元10将操作调度存储在调度存储单元13中。
根据从电网能源管理系统7接收的电网CO2排放强度和功耗控制请求以及存储在DR条件存储单元8中的DR条件，DR计算单元11准备DR调度(DR schedules)并且使DR调度在显示单元3上显示。如果确定通过输入单元(未示出)输入了指示居民同意该DR调度的同意信号，则DR计算单元11将操作调度存储在调度存储单元13中。
控制单元12根据由调度计算单元10和DR计算单元11所准备的操作调度和DR调度来控制家用电器4-1至4-n。
现在，将对具有上面所描述的配置的家用能源管理系统的操作进行描述。将在本文中分别描述未接收到功耗控制请求的情况和接收到功耗控制请求的情况。
(在未接收到功耗控制请求Is的情况下)
如果未接收到功耗控制请求，则DR计算单元11不进行操作。调度计算单元10通过使用预先设置并存储在调度条件存储单元9中的调度条件以及从电网能源管理系统7接收到的电网CO2排放强度来准备操作调度。此时，调度计算单元10准备操作调度，以使家用电器4-1至4-n可以在调度条件的操作准许时间区中特别是在电网CO2排放强度保持最小的时间区中进行操作。可以一天准备一次操作调度。例如，可以在00:00时准备当天的操作调度。
现在将参照图5来描述操作调度，图5示出了由调度计算单元10所准备的操作调度的一个示例。在这方面，以减小家用电器4-1至4-n的CO2排放或者减小与功耗成比例的电力费用的方式来准备操作调度。换句话说，在调度条件的范围内，特别是在电网CO2排放强度保持较小的时间区中或者在单位电价保持较低的时间区中操作家用电器4-1至4-n。
图5中的“设备”表示家用电器4-1至4-n。“操作时间区”代表允许家用电器4-1至4-n操作的时间区。还在显示单元3上显示的是通过根据操作调度来控制家用电器4-1至4-n可以减少的CO2排放量以及指示由CO2排放量所确定的评价指标的生态点。
此外，显示单元3显示可以由居民选择的“是”按钮和“否”按钮。通过使用输入单元(未示出)，居民针对所显示的操作调度中的每一个选择同意选项和不同意选项中的一个。在同意的情况下，居民选择“是”按钮中的一个或多个。在不同意的情况下，居民选择“否”按钮中的一个或多个。显示单元3进一步显示“全是”按钮和“全否”按钮，以使得居民可以一次针对全部的操作调度的同意选项和不同意选项进行选择。
如果居民同意了操作调度，则从输入单元接收调度同意信号，响应于该调度同意信号，将所同意的操作调度存储在调度存储单元13中。控制单元12根据存储在调度存储单元13中的操作调度来控制家用电器4-1至4-n。(在接收到功耗控制请求Is的情况下)
接下来，将对接收到功耗控制请求的情况给出描述。如前所述，调度计算单元10准备在预定的时间一天准备一次操作调度。相反，DR计算单元11在接收到功耗控制请求时准备DR调度。也即是说，在调度计算单元10准备了操作调度之后，DR计算单元11准备DR调度。因此，没有给出关于准备操作调度的描述。
DR计算单元11通过使用预先设置并存储在DR条件存储单元8中的DR条件以及从电网能源管理系统7接收的功耗控制请求和电网CO2排放强度来准备DR调度。
现在参照图6来描述所准备的DR调度，图6示出了由DR计算单元11所准备的DR调度的一个示例。
图6中示出的“消息”为“请在12点至15点将功耗减小10％”，这是指示控制级别的内容的句子。预先设置与控制级别相对应的不同的消息。
图6中的“设备”表示家用电器4-1至4-n。“停止时间区”与“设备”相对应并且指示停止家用电器4-1至4-n的时间区。图6中作为例子的“设备”是具有较高的优先级顺序的家用电器4-1至4-n，这些家用电器是从存储在DR条件存储单元8中DR条件中选择的。更具体地说，如果功耗控制请求的控制级别是“1”，则可以将DR条件中具有优先级“1”的家用电器4-1至4-n选择为“设备”。如果功耗控制请求的控制级别是“2”，则可以将DR条件中具有优先级“1”和优先级“2”的家用电器4-1至4-n选择为“设备”。
在电池被包含在家用电器4-1至4-n中的情况下，在显示单元3上显示由电池的放电所引起的电池存储容量的改变。此外，显示单元3可以显示CO2排放量和生态点，其中，CO2排放量可以通过根据DR调度控制家用电器4-1至4-n来减小，生态点指示由CO2排放量所确定的评价指标。
与操作调度类似，显示单元3可以显示可以由居民选择的“是”按钮和“否”按钮。通过使用输入单元(未示出)，居民针对所显示的DR调度中的每一个选择同意选项和不同意选项中的一个。在同意的情况下，居民选择“是”按钮中的一个或多个。在不同意的情况下，居民选择“否”按钮中的一个或多个。显示单元3可以进一步显示“全是”按钮和“全否”按钮，以使得居民可以一次针对全部的DR调度选择同意选项和不同意选项。
如果居民同意DR调度，则从输入单元接收DR同意信号，响应于该DR同意信号，将所同意的DR调度存储在调度存储单元13中。控制单元12根据存储在调度存储单元13中的操作调度和DR调度来控制家用电器4-1至4-n。此时，如果操作调度和DR调度相互矛盾，则首先应用DR调度。
利用本实施例的家用能源管理系统，居民可以仅执行对操作调度和DR调度的同意或不同意的输入。居民不必亲自执行打开或关闭家用电器4-1至4-n的电源的任务。这使得容易减小CO2排放。
因为调度计算单元10根据电网CO2排放强度来准备操作调度，因此可以在不必改变其操作时间的情况下通过改变家用电器4-1至4-n的操作时间区来减小CO2排放。
由于DR计算单元11根据功耗控制请求来准备DR调度，因此由于在电网中安装诸如光伏电站之类的自然能发电站，从而可以消除电网的不稳定性(电网电压或电网频率的非计划中的改变)。这意味着可以通过在消费者实体6中采用本实施例的家用能源管理系统来在电网中引入自然能。
虽然在本实施例中显示单元3和输入单元(未示出)彼此独立，但是如果显示单元3是触摸屏类型的，则显示单元3和输入单元可以组合到单个单元中。使用触摸屏类型的显示单元使得将输入单元和显示单元3组合在一起成为可能，从而减小了成本。此外，使用触摸屏类型的显示单元使得居民能够通过本能操作来选择同意选项和不同意选项中的一个。
在居民同意根据从电网能源管理系统7接收的功耗控制请求所准备的DR调度的情况下，可以将关于通过同意DR调度所减小的CO2排放量以及由此产生的生态点的信息发送到电网能源管理系统7或电表(未示出)。使用这样发送的信息，管理电网能源管理系统7或电表的企业实体可以观察消费者实体6对功耗控制请求的响应。因此，企业实体可以向消费者实体6提供与减小的CO2排放量或生态点相对应的激励。
在将诸如光伏发电机之类的自然能发电机引入消费者实体6中的情况下，通过使用由方程(2)表示的家用CO2排放强度Uhome而不是上面提到的电网CO2排放强度UP来准备操作调度和DR调度：
Uhome＝(Tbuy x UP+Tsolar x Usolar)/(Tbuy+Tsolar)……(2)
其中，Tbuy是由电网提供的电能，UP是电网CO2排放强度，Tsolar是光伏发电量，以及Usolar是预先计算和设置的光伏发电的CO2排放强度。
将描述由调度计算单元10执行的操作调度准备方法的一个示例。如果连接多个家用电器4-1至4-n，则调度计算单元10需要增加的处理容量和延长的处理时间来计算针对所有的家用电器4-1至4-n所减小的CO2排放量。鉴于此，确定家用电器4-1至4-n的操作时间以使得具有较高电力消耗量的家用电器4-1至4-n中的每一个可以在具有较低的电网CO2排放强度的时间区中的每一个时间区中操作。这使得减小调度计算单元10中所需的处理容量成为可能，这导致了成本的减少。
当由调度计算单元10准备操作调度时，令人担忧的是，家用电器4-1至4-n的操作时间被集中在具有较低的电网CO2排放强度的时间区，例如由核发电提供的电力的百分比保持较高的午夜时间区。鉴于此，优选的是，设置指示电力供应的上限的最大准许电力消耗量并且通过调度计算单元10准备操作调度以使得在操作中的家用电器4-1至4-n的总电力消耗量不会超出最大准许电力消耗量。这使得分散家用电器4-1至4-n的操作时间区成为可能。如果诸如冰箱之类的一直操作的设备的电力消耗量以及连接到家用能源管理系统的设备的备用电源被包含在最大准许电力消耗量中，则调度计算单元10可以稳定地且准确地准备操作调度。
在用于使用由热泵传送的空气中的热量来对水进行加热的热泵型热水器被用作家用电器4-1至4-n中的一个的情况下，该热水器的效率与环境空气的温度成比例地变得较高，这是由加热器的特征引起的。众所周知，即使对相同量的水进行加热，也可以在高效的情况下在较短的时间段内完成加热。这意味着在水加热过程期间所消耗的电力的量随着加热效率而改变。
在该情况下，调度计算单元10从电网能源管理系统7接收预测的温度信息并且根据所预测的温度信息和操作状况的操作准许时间区的起始时间(例如，如果热泵型热水器的操作准许时间区是从23点到第二天的6点，则起始时间是23点)来计算加热指定量的水所需的电力量。然后，在起始时间的五分钟后执行相同的计算。此后，每隔五分钟执行相同的计算。如果加热完成时间与操作准许时间区的结束时间(例如，如果热泵型热水器的操作准许时间区是从23点到第二天的6点，则结束时间是第二天的6点)一致或者如果加热完成时间经过结束时间，则调度计算单元10完成计算。
准备操作调度以使得热泵型热水器可以在具有在操作准许时间区中每隔五分钟所计算的电力消耗量中最小电力消耗量的时间区中操作。通过按这种方式准备操作调度，可以进一步减小电力消耗量。
利用本发明的实施例，可以以减小CO2排放的同时减轻居民承受的负担的方式来操作家用电器。
虽然已经在上文中描述了本发明的一个实施例，但是该实施例是通过举例说明的方式给出的，而不旨在限制本发明的范围。可以以多种不同的形式来修改该实施例。可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下进行各种类型的省略、替换和修改。本实施例及其修改落入到本发明的范围和精神内，并且被包含在权利要求及其等价物中叙述的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种家用能源管理系统，包括：
调度条件存储单元，其用于存储调度条件，所述调度条件包括：操作准许时间区，指示准许操作家用电器的时间区；必要操作时间，指示所述家用电器完成操作所花费的操作时间；以及操作时间电力消耗量，指示在所述家用电器的操作期间所消耗的电力；以及
调度计算单元，其用于从电网能源管理系统接收CO2排放强度，并且用于根据所述CO2排放强度和所述调度条件来准备指示所述家用电器的操作时间的操作调度。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
控制单元，其用于根据所述操作调度来控制所述家用电器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元根据所述CO2排放强度和所述调度条件来计算由所述家用电器的所述操作引起的CO2排放量，并且准备所述操作调度以使得所述CO2排放量被减小至在所述调度条件的范围内。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元从所述电网能源管理系统接收单位电价，并且根据所述单位电价和所述调度条件来准备所述操作调度。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述调度计算单元根据所述单位电价和所述调度条件来计算由所述家用电器的所述操作引起的电力费用，并且准备所述操作调度以使得所述电力费用被减小至在所述调度条件的范围内。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元使显示单元显示关于同意和不同意所述操作调度的选项以及所述家用电器的所述操作时间，以及所述调度计算单元从输入单元接收调度同意信号，并且其中，所述控制单元根据接收到的所述调度同意信号所针对的所述操作调度来控制所述家用电器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元使显示单元显示能够通过根据所述操作调度来操作所述家用电器而减小的CO2排放量。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元使显示单元显示与能够通过根据所述操作调度来操作所述家用电器而减小的CO2排放量相对应的评价指标。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调度计算单元从所述电网能源管理系统接收指示预测的环境空气温度的预测温度信息，并且根据所述预测温度信息和所述调度条件来准备所述操作调度，以使得由操作热泵型热水器所排放的CO2的排放量被减小。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
DR条件存储单元，其用于存储DR条件，所述DR条件包括所述家用电器的控制内容和指示所述控制内容的优先级的优先级顺序；以及
DR计算单元，其用于从所述电网能源管理系统接收电力消耗控制请求，并且用于根据所述DR条件和所述电力消耗控制请求来准备指示所述家用电器的操作时间的DR调度。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
控制单元，其用于根据所述操作调度和DR调度来控制所述家用电器。
12.一种家用能源管理系统，包括：
DR条件存储单元，其用于存储DR条件，所述DR条件包括家用电器的控制内容和指示所述控制内容的优先级的优先级顺序；以及
DR计算单元，其用于从电网能源管理系统接收电力消耗控制请求，并且用于根据所述DR条件和所述电力消耗控制请求来准备指示所述家用电器的操作时间的DR调度。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
控制单元，其用于根据所述DR调度来控制所述家用电器。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电力消耗控制请求包括指示所需的电力消耗减小量的指标的控制级别和所述家用电器需要被控制的控制时间，其中，所述优先级顺序被预先设置为与所述控制级别相对应，并且其中，所述控制单元被配置为在所述控制时间期间对具有与所述控制级别相对应的所述优先级顺序的所述家用电器进行控制。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述DR计算单元使显示单元显示关于同意和不同意所述DR调度的选项以及所述家用电器的所述操作时间，并且所述DR计算单元从输入单元接收DR同意信号，并且其中，所述控制单元根据接收到的所述DR同意信号所针对的所述DR调度来控制所述家用电器。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述DR计算单元使显示单元显示能够通过根据所述DR调度来操作所述家用电器而减小的CO2排放量。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述DR计算单元使显示单元显示与能够通过根据所述DR调度来操作所述家用电器而减小的CO2排放量相对应的评价指标。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，如果从所述输入单元接收到所述DR同意信号，则将所述CO2排放量发送到所述电网能源管理系统或电表。
19.根据权利要求10所述的系统，其中，如果从所述输入单元接收到所述DR同意信号，则将所述评价指标发送到所述电网能源管理系统或电表。
20.一种用于家用能源管理的方法，包括：
存储调度条件，所述调度条件包括：操作准许时间区，指示准许操作家用电器的时间区；必要操作时间，指示所述家用电器完成操作所花费的操作时间；以及操作时间电力消耗量，指示在所述家用电器的操作期间所消耗的电力；以及
从电网能源管理系统接收CO2排放强度，并且根据所述CO2排放强度和所述调度条件来准备指示所述家用电器的操作时间的操作调度。
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