李承顥

摘 要：闡述了智能電網(wǎng)的概念和組成，指出了需求側(cè)管理的內(nèi)涵，對需求側(cè)能效改善方案進行了針對性研究，細述了能源使用更加高效化的新技術(shù)，最后總結(jié)了智能電網(wǎng)及各個能效改善方案和新技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；需求側(cè)管理；能效改善

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0183-02

當前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為我國發(fā)展的一個目標，智能電網(wǎng)利用可再生能源，通過分布式發(fā)電等一系列信息技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)可控制、可檢測、自動化的高度智能化互動化，完美契合了發(fā)展目標。我國對智能電網(wǎng)的研究在此背景下高速發(fā)展，從2007年開始，中國國家電網(wǎng)提出了以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進的通信技術(shù)和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動化、互動化為特征的國際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國特色的堅強的智能化電網(wǎng)[1]。

需求側(cè)是智能電網(wǎng)中最直接反饋性能的環(huán)節(jié)，它面對數(shù)以億計的用戶，在電力市場、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、終端控制與管理等方面支持著智能電網(wǎng)的功能，并在能源利用率、環(huán)境保護、互動性等方面直接體現(xiàn)出智能電網(wǎng)相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)的優(yōu)越性。隨著社會的發(fā)展和進步，僅就需求側(cè)而言，分布式發(fā)電、儲能、電動汽車及各種新興用電形式相繼出現(xiàn)，電能需求日益增加，用電方式愈發(fā)復雜多樣化，除此之外，人口的高度集中化（例如我國北上廣等一線城市及東部沿海地區(qū)的大中城市），進一步加劇部分地區(qū)電力負荷激增，影響傳統(tǒng)電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。而針對上述問題，采用靈活互動的用電機制、智能有效的用電分配方式、高效節(jié)能的能源使用方式對需求側(cè)管理來說也顯得尤為重要。

但在智能電網(wǎng)的需求側(cè)仍存在許多問題，比如能源的利用率不高和能效問題本文將綜述智能電網(wǎng)的概念及需求側(cè)管理，重點介紹需求側(cè)能效改善方案及新技術(shù)，結(jié)合智能電網(wǎng)當前的應用現(xiàn)狀簡要分析其未來發(fā)展趨勢。

1 智能電網(wǎng)及需求側(cè)管理

1.1 智能電網(wǎng)概念

根據(jù)IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske對智能電網(wǎng)的理解，智能電網(wǎng)有三個層面的定義[2]：首先是利用傳感器對關(guān)鍵設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)控，并保證從發(fā)電廠到用戶之間的信息都是雙向流動的；然后把得到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)進行整合、處理；最后在需求側(cè)對整個電網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化管理。

中國電力科學研究院的陳樹勇教授給出的定義是[2]：智能電網(wǎng)就是通過傳感器把各種設(shè)備、資產(chǎn)連接在一起，形成一個客戶服務(wù)總線，從而對信息進行整合分析，以此來降低成本，提高效率，提高整個電網(wǎng)的可靠性，使運行和管理達到最優(yōu)化。

文獻[3]給出如下定義：智能電網(wǎng)是以開放的系統(tǒng)和共享信息模式為基礎(chǔ)，將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成互動運轉(zhuǎn)的新型模式。其中電子終端將用戶與網(wǎng)絡(luò)之間形成互動和即時連接，數(shù)據(jù)讀取效果及時高效并且可以分類整合。

概括來說，智能電網(wǎng)，即電網(wǎng)的智能化，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新電網(wǎng)系統(tǒng)。應用控制、自動化、智能建筑和設(shè)備等多種新技術(shù)協(xié)同工作， 與電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，以數(shù)字的方式應對用戶的能源需求。

1.2 智能電網(wǎng)的構(gòu)成

將發(fā)電機、配電裝置、變壓器、電力線路及各種用電設(shè)備連接在一起組成的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)。在我國，習慣將電力系統(tǒng)稱作電網(wǎng)，智能電網(wǎng)就是數(shù)字電力系統(tǒng)概念的升級。

（1）靈活的分布式電源。智能電網(wǎng)的優(yōu)勢之一就是兼容性，既支持火力發(fā)電等傳統(tǒng)能源的集中式接入，又支持風電、水電等清潔能源的分布式接入。當大電網(wǎng)因雷電等自然天氣遭到嚴重破壞和人為損壞時，這些分布式電源可以自行向用戶供電。（2）堅強的骨干網(wǎng)架。特高壓電網(wǎng)和各級電網(wǎng)組成了電力“高速公路”，在全國范圍內(nèi)進行資源優(yōu)化配置，并保證了長距離、大負荷輸電情況下電網(wǎng)的穩(wěn)定性。（3）信息交互的用電需求側(cè)。需求側(cè)包括配電網(wǎng)、可通信的電力設(shè)備和終端，其關(guān)鍵是與用戶的信息交互，從而達到對整個電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化監(jiān)管，提高用電的效率和對環(huán)境的保護。從整體上來說，需求側(cè)是最直接的，對管理者也是最關(guān)鍵的。

1.3 需求側(cè)管理

需求側(cè)管理DSM（Demand Side Management）指的是通過科學有效的措施，引導用戶進行用電方式的優(yōu)化，提升終端的用電效率，合理配置電力資源[4]。也就是在不影響用戶正常使用電需求的情況下減少對電力消耗和電能的需求，來達到保護環(huán)境和節(jié)約能源的用電管理活動。

需求側(cè)管理包括能效管理和負荷管理兩部分[5]。能效管理旨在通過用戶采用先進技術(shù)和應用高效電力設(shè)備等手段實現(xiàn)提高終端用電效率、減少用電消耗以及減少排放的目標；負荷管理是指通過負荷調(diào)整技術(shù)改善用戶的用電行為和用電方式，從而達到降低電網(wǎng)最大負荷的目的，進而取得節(jié)約電能、減少系統(tǒng)裝機容量的效果。

需求側(cè)管理是智能電網(wǎng)框架下的重要組成部分，是實現(xiàn)其建設(shè)目標的關(guān)鍵技術(shù)保障，因此，對需求側(cè)管理的研究備受關(guān)注。

2 需求側(cè)能效改善方案

長久以來，電力工作研究人員將重心放在電力的發(fā)輸配階段，例如提高發(fā)電效率、提升電網(wǎng)的傳輸能力、完善配電網(wǎng)等等，但這并不能從根本上解決電力生產(chǎn)和消費之間的矛盾[6]。為了解決這一矛盾，需從根本上改善需求側(cè)的能效問題。當前常見的能效問題包括因用戶與電網(wǎng)無法實時互動而造成的能源浪費，化石能源燃燒造成的環(huán)境污染和燃燒效率低下，閑時情況下家電造成的能耗損失等，下述三種方案則對需求側(cè)的能效問題進行了有針對性的改善。

2.1 區(qū)域供能系統(tǒng)

文獻[7]給出區(qū)域供能系統(tǒng)的定義，是指設(shè)置在用戶側(cè)及用戶附近且能提供能源的系統(tǒng)，包括電能、熱能、冷能等用戶直接需要的能源。系統(tǒng)中包含節(jié)能環(huán)保的發(fā)電裝置，在給用戶供電的同時，利用發(fā)電余熱供熱和制冷，有效的改善了能源利用效率。

區(qū)域供能系統(tǒng)既可以獨立運行，又可以并網(wǎng)運行。獨立運行時，系統(tǒng)切斷了去主電網(wǎng)的聯(lián)系，通過風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式能源向用戶供電，可以保障區(qū)域內(nèi)供能的安全獨立。但是它的缺陷是這些分布式能源具有很強的不穩(wěn)定性和隨機性，所以難以滿足區(qū)域長期的供能需求。并網(wǎng)運行時，區(qū)域內(nèi)用戶和電網(wǎng)是雙向互動的。若區(qū)域內(nèi)分布式能源產(chǎn)生的電能無法被用戶全部消耗，可將剩余電能傳送回主電網(wǎng)；若分布式能源無法滿足用戶全部的能量需求，可將主電網(wǎng)的電能供給用戶，以此間接實現(xiàn)了用戶與電網(wǎng)見的互動，避免能源浪費。

2.2 光伏直流照明系統(tǒng)

光伏直流照明系統(tǒng)是利用太陽能提供照明的系統(tǒng)，由太陽能光伏電池板、儲能蓄電池、系統(tǒng)控制器、保護裝置、負載及附屬鏈接線纜組成[8]。安裝在屋頂?shù)奶柲芄夥姵匕迨占环€(wěn)定的太陽能并轉(zhuǎn)換成直流電能，系統(tǒng)控制器整定收集到的直流電能，供用戶照明和日常生活使用，蓄電池用于儲備系統(tǒng)用戶的剩余電能，附屬鏈接線纜用來傳輸電能，同時系統(tǒng)中的保護裝置可以檢測儲能蓄電池的充放電過程，以防止過度放電及過度充電對蓄電池的損害。

如今，全球的光伏太陽能逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，并成為增長最快的可再生清潔能源之一，但仍然供不應求。隨著制造工藝的高效化，光伏系統(tǒng)的成本將繼續(xù)下降。光伏直流照明系統(tǒng)的優(yōu)勢隨之體現(xiàn)出來，一方面不產(chǎn)生傳統(tǒng)化石能源在能量轉(zhuǎn)化期間的污染物，另一方面相對于傳統(tǒng)的交流整流照明系統(tǒng)有著更高的能源利用效率，極具發(fā)展前途。

2.3 智能家居系統(tǒng)

在家庭應用方面，智能家居系統(tǒng)是智能電網(wǎng)在需求側(cè)管理的成功解決方案。它以住宅為平臺，利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、無線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種用電設(shè)備及子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，實時的監(jiān)控和啟停各種家用電器，以節(jié)約用電成本，提高能源利用率。

以智能電網(wǎng)和智能家電為基礎(chǔ)，采集各用電設(shè)備的用電信息，應用大數(shù)據(jù)技術(shù)統(tǒng)計分析用電數(shù)據(jù)，有針對性的為用戶提供節(jié)能方案，幫助用戶合理用電，從而達到能效改善閑時家電能耗損失的目的[8]。

3 需求側(cè)的能源使用高效化新技術(shù)

在現(xiàn)有階段，能源浪費嚴重，化石能源提供動力的能源轉(zhuǎn)換效率15%-20%之間，轉(zhuǎn)換成電能的效率也只有40%-58%，能源轉(zhuǎn)換效率低，出現(xiàn)了極大的能源浪費。為了改善供需不平衡和能源轉(zhuǎn)換效率低下的問題，需要利用新技術(shù)提高能源利用效率。

3.1 信息技術(shù)

利用電子感應、探測、遙控等信息技術(shù)實時跟蹤用戶的需求，在進行智能化的分析和控制之后進行精確供能[9]。在智能照明系統(tǒng)中，應用傳感技術(shù)和通信技術(shù)實時監(jiān)控與跟蹤供電情況，自動平滑地調(diào)節(jié)電路的電壓和電流幅值，降低因不平衡負荷產(chǎn)生的額外功耗，以實現(xiàn)優(yōu)化供電的效果；利用傳感探測技術(shù)，通過安裝在房間的傳感器獲取亮度信息，并通過智能手機的遙控技術(shù)對房間的智能家居亮度進行智能控制，將房間亮度穩(wěn)定在用戶的期望值。既可以滿足用戶的需求，又提高了電能的利用效率。

3.2 智能電表技術(shù)

智能電表由微控制器、外圍器件及電能計量芯片等組成，其工作原理是電能計量芯片將采集到的電能信息進行分析處理，再將數(shù)據(jù)傳輸至微控制器并由微控制器實現(xiàn)其功能[10]。智能電表可以將傳統(tǒng)的化石能源和新型的太陽能、風能等各種能源形式的測量數(shù)據(jù)匯總，在分析比較后做出綜合判斷，對于用戶而言不僅可以享受優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，而且降低了用電成本；對于電網(wǎng)來說既保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，又提高了能源利用效率；對于社會和環(huán)境來說，除了直接的節(jié)能環(huán)保效益，也促進了可再生能源等高效發(fā)電方式的推廣。

智能電表有著廣泛的功能應用：結(jié)算和賬務(wù)、配網(wǎng)狀態(tài)估計、電能質(zhì)量和供電可靠性監(jiān)控、負荷的分析建模和預測、電力需求側(cè)響應、能效監(jiān)控和管理、用戶能量管理、節(jié)能、電表管理、負荷遠程控制、非法用電檢測等[10]。這些應用功能的實現(xiàn)代表著未來節(jié)能型終端向智能化終端演變的發(fā)展方向。而我國目前的大部分智能電表只能實現(xiàn)自動遠程抄表僅實現(xiàn)了最基礎(chǔ)的結(jié)算和賬務(wù)功能，最重要的提高用電效率和節(jié)能的功能還沒有實現(xiàn)。

4 智能電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

從整體上來說，目前我國的智能電網(wǎng)建設(shè)尚未完全，比如堅強骨干網(wǎng)架尚未建成，各區(qū)域電網(wǎng)主干網(wǎng)架較為薄弱，線路走廊利用率不高，需求側(cè)能源利用率不高等。在需求側(cè)通過對新技術(shù)的創(chuàng)新利用，可以將用電信息反饋給用戶，有助于其調(diào)整用電模式，改變用電理念，提高用電效率，同時可以促進分布式能源的接入，從而達到智能互動和綠色節(jié)能的智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

對智能電網(wǎng)能效改善方案的研究也敢剛開始，目前還處于摸索前進的狀態(tài)。未來區(qū)域供能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是規(guī)模大型化、能量低碳化、供能多樣化[7]，以滿足用戶對多種類型能量的需求和應對當前需求側(cè)的能效問題。光伏直流照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢必將是向東部人口密集城市擴展，以緩解大人口城市的用電緊張。隨著智能家居的普及，智能家居系統(tǒng)才能組成并完善，其趨勢是使用戶從被動的服務(wù)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥墓?jié)能參與者，從而使智能電網(wǎng)的理念深入人心。

當前，能源高效化新技術(shù)已受到了全球范圍的廣泛重視。信息技術(shù)的研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，智能電表技術(shù)的功能應用尚不完善，需要形成系統(tǒng)的研究。隨著新技術(shù)的系統(tǒng)化，未來智能電網(wǎng)需求側(cè)的規(guī)模和形態(tài)也將發(fā)生重大的改變。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源緊張問題更加突出，智能電網(wǎng)的出現(xiàn)在很大程度上緩解了壓力，但電力供需矛盾仍然嚴重，這就要求在需求側(cè)加強用戶自身的作用。以家庭為單位實施能效改善方案，輔之以新技術(shù)，電力需求可以自給自足，電力信息雙向傳輸，優(yōu)化資源配置。

因此，智能電網(wǎng)的研究核心是以人為本，以可持續(xù)發(fā)展為目標，以創(chuàng)新為動力，不斷提高能源利用效率，降低用戶電費支出，實現(xiàn)節(jié)能減排。

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