秦興美

江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇南京，210019

0 引言

我國在近幾年提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的發(fā)展思路，因此給電力系統(tǒng)的發(fā)展以及供電服務(wù)質(zhì)量等方面提出了更高的要求。在此背景下，國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“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，以數(shù)字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展目標[1]。

供電部門與用戶之間的友好雙向交互是智能電網(wǎng)的重要特點和建設(shè)目標[2]，可實現(xiàn)供電部門與用戶之間雙向互（信息、需求等）。用戶既可作為負荷、也可作為電源接入電網(wǎng)，參與電網(wǎng)負荷管控的同時，電能若有盈余可用于電網(wǎng)再調(diào)配。電網(wǎng)實時掌握用戶負荷需求，可通過對用戶合理引導(dǎo)，來對電能資源進行優(yōu)化配置，提高經(jīng)濟性，增強穩(wěn)定性[3]。不過，要實現(xiàn)這個目標，不僅關(guān)系技術(shù)層面，還涉及用戶的節(jié)能意識以及政府對用戶節(jié)能行為的評價與監(jiān)管。

目前我國評價與監(jiān)管主要集中在設(shè)備本身，僅以產(chǎn)品節(jié)能降耗、環(huán)保優(yōu)化等為重點，而對用戶的節(jié)能監(jiān)管幾乎還處于空白，僅靠民眾自主意識來實現(xiàn)用戶自覺節(jié)能，缺乏有效引導(dǎo)制約。本文首先分析了智能電網(wǎng)引入的技術(shù)變革對用戶節(jié)能監(jiān)管所帶來的影響和機遇，然后以智能電網(wǎng)下電動汽車與電網(wǎng)的互動技術(shù)（Vehicle to Grid，V2G）為例，提出建立智能電網(wǎng)下的節(jié)能數(shù)據(jù)庫，并細化出反映電動汽車用戶節(jié)能行為的節(jié)能參數(shù)，為政府對用戶節(jié)能行為的監(jiān)管提供有價值的量化信息。最后，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)下的節(jié)能監(jiān)管方案，給出了一些實驗探討結(jié)果。

1 智能電網(wǎng)對節(jié)能監(jiān)管的推動

1.1 智能電網(wǎng)為節(jié)能監(jiān)管提供技術(shù)保障

盡管傳統(tǒng)電網(wǎng)的自動化水平顯著提升，但系統(tǒng)內(nèi)信息孤島依舊存在，信息共享能力差，無法形成實時、統(tǒng)一的有機整體，電網(wǎng)總體智能化程度偏低[4]。而智能電網(wǎng)是將先進的傳感測量和自動控制技術(shù)、現(xiàn)代信息及計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)同原有的輸、配電設(shè)施高度集成的新型電網(wǎng)[5]。新型智能電網(wǎng)下先進的計量、通信和控制手段將對用戶節(jié)能監(jiān)管提供強大的技術(shù)保障。

智能電表技術(shù)是智能電網(wǎng)發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)，它能以設(shè)定的方式測量、收集和分析用戶的用電數(shù)據(jù)，并與用戶的自動化系統(tǒng)相連，實現(xiàn)智能電網(wǎng)與用戶間的開放式雙向通信[6]。電網(wǎng)公司可以監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)，掌握用戶的用電規(guī)律，進行實時的分析和決策，限制部分用戶的用電行為，優(yōu)化電網(wǎng)的所有投資和運行費用。用戶可以根據(jù)需要和實時電價的考慮，合理制定自己的用電計劃，節(jié)約用電成本。如此便能很好地促進用戶主動關(guān)注和參與維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行，在引導(dǎo)用戶節(jié)能的同時培養(yǎng)用戶主動節(jié)能的意識，獲得電網(wǎng)公司和用戶的雙贏。

1.2 智能電網(wǎng)為節(jié)能監(jiān)管提供政策和資金支持

2005年，為構(gòu)筑數(shù)字化電網(wǎng)與建設(shè)信息化企業(yè)，國家電網(wǎng)公司啟動SG1860工程[7]。2009年5月，國家電網(wǎng)公司提出了“建設(shè)堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展計劃。繼2009年之后，2010年國家電網(wǎng)公司啟動第二批試點項目[8]。中國從政府、證券市場到發(fā)電公司、電網(wǎng)公司，以及相關(guān)的IT企業(yè)對智能電網(wǎng)也都投入了巨大的資金支持和研發(fā)力量，智能電網(wǎng)的發(fā)展勢不可擋，這也為用戶節(jié)能監(jiān)管體系的建立提供充分的政策和資金支持。

2 智能電網(wǎng)與電動汽車的關(guān)系

2.1 電動汽車對電網(wǎng)的沖擊

我國電網(wǎng)的現(xiàn)有特點：負載曲線波動大，最高用電負荷與電網(wǎng)可提供最大電量相差不大。而當電動汽車廣泛投入使用后，其充電（尤其是快速充電）將會對電網(wǎng)負荷造成極大的影響。

以上海為例，截至2022年6月底，上海機動車保有量達522萬輛，其中汽車451萬輛，新能源汽車71萬輛。按將來其電動汽車保有量100萬輛來計算，每輛電動汽車慢速充電的功率為40kW，假設(shè)有1%的電動汽車同時充電，那么給電網(wǎng)帶來的負荷就是40萬kW。若再考慮電動汽車的快速充電（功率為200～300kW），那么在夏季用電尖峰期很可能造成電網(wǎng)過載，如果不采取措施，這種情況就會導(dǎo)致停電事故頻發(fā)。

2.2 傳統(tǒng)電網(wǎng)的峰谷負荷

我國現(xiàn)狀電網(wǎng)供應(yīng)峰谷差問題極為嚴重。北上廣深等一線城市的峰谷差率（峰谷負荷差與高峰負荷的比）較高，2022年6月21日，北京電網(wǎng)負荷最大達到2158萬千瓦，而北京市電網(wǎng)夏季空調(diào)負荷約為1400萬千瓦，夏季最大峰谷差率已經(jīng)超過了50%。一方面，供電部門需要不斷增加發(fā)電機組容量，以滿足日間高峰負荷增長需求（年出現(xiàn)次數(shù)較少）；另一方面，供電部門還需采用相關(guān)技術(shù)手段進行削峰填谷，谷時電能浪費、損耗嚴重，電能利用效率低、設(shè)備重復(fù)投資經(jīng)濟性不高。

2.3 智能電網(wǎng)下電動汽車的V2G

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，九成左右的乘用車每日行駛時間不超過1小時，多數(shù)車輛停駛狀態(tài)時間較長[9]，電動汽車保有量達到可觀比例后，當電動汽車處于停駛狀態(tài)時，可采取一定的激勵措施，讓電動汽車以儲能裝置（移動分布式）的身份接入電網(wǎng)，達到電能可控互動的目標[10]。適應(yīng)智能電網(wǎng)要求的電動汽車V2G結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中雙向智能控制裝置為V2G技術(shù)中的關(guān)鍵功率部件，具有能量雙向流動功能，具有充電、饋電兩種工作模式。充電狀態(tài)下只對車輛充電，饋電模式可將電池能量回饋至電網(wǎng)。后臺管理系統(tǒng)下發(fā)充放電控制指令，裝置根據(jù)車輛電池當前SOC（荷電狀態(tài)）進行充、放電操作，實現(xiàn)能量的雙向流動。

圖1 智能電網(wǎng)下電動汽車V2G 結(jié)構(gòu)框圖

智能電網(wǎng)下電動汽車V2G，可實現(xiàn)供電部門和電動汽車用戶雙贏：對供電部門，電動汽車作為移動分布式儲能裝置，可有效提高谷時電能利用效率（吸收電能），緩解峰時負荷高峰壓力（回饋電能）；電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，電動汽車還可作為應(yīng)急提供電源支撐，運行可靠性顯著提升。對電動汽車用戶，用電模式進一步優(yōu)化提升，利用谷時低價買入充電，峰時高價售賣回饋電網(wǎng)，整體降低了使用成本[10]。如此，電動汽車不但不會增加電力系統(tǒng)的尖峰負荷，反而能使其負荷平均化，減少電能的浪費。

3 智能電網(wǎng)下的節(jié)能監(jiān)管方案探討

這里以上文介紹的電動汽車產(chǎn)業(yè)為例，對智能電網(wǎng)下用戶節(jié)能監(jiān)管方案進行探討。

3.1 節(jié)能數(shù)據(jù)庫的建立

目前，國內(nèi)探討較多的是建立個人誠信的數(shù)據(jù)庫，本文針對智能電網(wǎng)下的節(jié)能監(jiān)管問題提出建立用戶的節(jié)能數(shù)據(jù)庫，并細化出反映用戶節(jié)能行為的參數(shù)，例如節(jié)能意識評價參數(shù)、節(jié)能貢獻評價參數(shù)、用戶節(jié)能綜合參數(shù)等，為政府對用戶節(jié)能行為的監(jiān)管提供有價值的量化信息。

3.1.1 節(jié)能意識評價參數(shù)

式（1）中：△N為凈充放電次數(shù)；N1為用戶充電總次數(shù)；N2為用戶賣電總次數(shù)。

式（2）中：N11為用戶在電網(wǎng)負荷高峰時的充電總次數(shù)；N12為用戶在電網(wǎng)負荷低谷時的充電總次數(shù)。

式（3）中：N21為用戶在電網(wǎng)負荷高峰時的賣電總次數(shù)；N22為用戶在電網(wǎng)負荷低谷時的賣電總次數(shù)。

式（4）中：α為用戶節(jié)能增效意識評價參數(shù)，它反映了用戶節(jié)能意識程度，也就是根據(jù)用戶在高峰和低谷充放電次數(shù)的凈差占總的充放電次數(shù)的百分比，來評價該用戶的節(jié)能意識，這里充電次數(shù)與賣電次數(shù)的計算是根據(jù)最低充放電量來確定，以防止人為地刷高意識評價參數(shù)；r1為高峰意識評價系數(shù)；r2為低谷意識評價系數(shù)，其中，r1＞r2＞0，根據(jù)不同地區(qū)的電網(wǎng)峰谷情況，可以對應(yīng)調(diào)整r1和r2的大小，進而鼓勵用戶的高峰放電以及低谷充電的行為。

3.1.2 節(jié)能貢獻評價參數(shù)

式（5）中：△C為凈充放電量；C1為用戶充電總量；C2為用戶賣電總量。

式（6）中：C11為用戶在電網(wǎng)負荷高峰時的充電總量；C12為用戶在電網(wǎng)負荷低谷時的充電總量。

式（7）中：C21為用戶在電網(wǎng)負荷高峰時的賣電總量；C22為用戶在電網(wǎng)負荷低谷時的賣電總量?？紤]到用戶節(jié)能意識評價參數(shù)僅僅反映了該用戶賣電次數(shù)百分比，這里再引入用戶節(jié)能貢獻評價參數(shù)，定義為：

式（8）中：β為用戶節(jié)能貢獻評價參數(shù)，它反映了電網(wǎng)所需用戶賣電的急迫程度。也就是根據(jù)用戶在高峰和低谷充放電量的凈差占總凈差的百分比，來評價該用戶對電網(wǎng)的節(jié)能貢獻。k1為高峰貢獻系數(shù)；k2為低谷貢獻系數(shù)，其中，k1＞k2＞0，根據(jù)不同地區(qū)的電網(wǎng)峰谷情況，可以對應(yīng)調(diào)整k1和k2的大小，進而鼓勵用戶的高峰放電以及低谷充電的行為。

3.1.3 用戶節(jié)能綜合參數(shù)

式（9）中：p為用戶節(jié)能綜合參數(shù)，它用來綜合評價用戶的節(jié)能行為；r為節(jié)能意識評價系數(shù)，它代表用戶節(jié)能意識在綜合評價參數(shù)中的權(quán)重；k為節(jié)能貢獻評價系數(shù)，它代表用戶節(jié)能貢獻在綜合評價參數(shù)中的權(quán)重。其中，r＞0，k＞0，可根據(jù)實際情況改變其大小，進而體現(xiàn)系統(tǒng)對用戶節(jié)能意識和節(jié)能貢獻的重視程度。

如此，計算出用戶節(jié)能評價積分后便可以對用戶節(jié)能行為進行監(jiān)管。例如可以設(shè)置買電價格與節(jié)能積分成反比，賣電價格與節(jié)能積分成正比，即節(jié)能積分高的買電價格低、賣電價格高，例如以1個節(jié)能積分代表0.1元，節(jié)能積分每增加1個買電價格就減少0.1元，賣電價格就上漲0.1元。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)身份識別融合

上節(jié)提出了建立智能電網(wǎng)下的節(jié)能數(shù)據(jù)庫，以對用戶的節(jié)能行為進行量化，給政府的節(jié)能監(jiān)管提供有價值的信息。本節(jié)為了實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)庫的最大化共享以及對智能電網(wǎng)下的節(jié)能行為進行統(tǒng)一監(jiān)管，提出智能電網(wǎng)的節(jié)能監(jiān)管建設(shè)應(yīng)該與物聯(lián)網(wǎng)相融合。物聯(lián)網(wǎng)是指通過相關(guān)感知設(shè)備，如射頻識別（RFID）、激光掃描、紅外感應(yīng)、GPS等，按相關(guān)通信協(xié)議，將互聯(lián)網(wǎng)與具體設(shè)施互聯(lián)，進行通信及數(shù)據(jù)交互，對具體設(shè)施進行辨識、跟蹤、定位、監(jiān)管的一種網(wǎng)絡(luò)[11]。本節(jié)還是以智能電網(wǎng)下電動汽車產(chǎn)業(yè)為例，來探討擴展至物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能監(jiān)管方案。

方案利用身份識別技術(shù)，構(gòu)建智能化識別、監(jiān)控和管理的電動汽車充放電系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，每個用戶有一張獨立的ID卡，記錄該用戶的充電次數(shù)、賣電次數(shù)、充電量、賣電量以及各種節(jié)能參數(shù)等信息，后臺管理系統(tǒng)根據(jù)這些信息對該用戶進行扣費、返費計算，并且對節(jié)能意識評價參數(shù)、節(jié)能貢獻評價參數(shù)以及個體節(jié)能綜合參數(shù)等個體節(jié)能參數(shù)進行更新后傳送給ID卡及物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)能數(shù)據(jù)庫保存。用戶再次消費時，后臺管理系統(tǒng)會根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔?，給用戶顯示當前快速充放電的電價、名額以及節(jié)能參數(shù)等信息。這樣對于售電公司而言，可以隨時限制不節(jié)能用戶的頻繁充電，鼓勵用戶進行節(jié)能和負荷高峰時賣電。對于用戶而言，在明確了自己的節(jié)能參數(shù)后，就可以根據(jù)需要科學(xué)地制定自己的買電賣電計劃，在自身利益最大化的同時，節(jié)約了國家資源。

4 實驗探討

根據(jù)上節(jié)分析給出系統(tǒng)的整體方案綜合圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要分為五級，最底層是電動汽車及車主，第二級是PLC監(jiān)控子站、電源及測量系統(tǒng)，第三級是PC機，第四級便是物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)部門，第五級是智能電網(wǎng)。

圖2 電動汽車節(jié)能監(jiān)管方案圖

以電動汽車產(chǎn)業(yè)為例，結(jié)合上節(jié)所述物聯(lián)網(wǎng)下的節(jié)能監(jiān)管方案，本文初步實現(xiàn)了監(jiān)管系統(tǒng)框架。在此系統(tǒng)中，每個用戶有一張ID卡，記錄了該用戶的所有用電信息以及節(jié)能意識評價參數(shù)、節(jié)能貢獻評價參數(shù)和節(jié)能綜合參數(shù)等個體節(jié)能信息。每次刷卡消費，控制系統(tǒng)都會將更新的數(shù)據(jù)傳輸給ID卡及物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)能數(shù)據(jù)庫保存；針對智能電網(wǎng)下的電動汽車，可以實現(xiàn)普通充電、快速充電、饋電等功能；可運用節(jié)能積分與價格兩個因素來對用戶的快速充電行為進行限制，當節(jié)能積分小于0時，快充價格高于節(jié)能積分大于0時的價格，每進行一次快充行為，節(jié)能積分都會相應(yīng)降低；每進行一次饋電行為，節(jié)能積分會相應(yīng)增加；當節(jié)能綜合積分不達標時，用電價格會較高，并且用電行為會受到限制，反之，用電行為會受到支持。

5 結(jié)語

本文從智能電網(wǎng)下電動汽車與電網(wǎng)的互動技術(shù)入手，提出了建立智能電網(wǎng)下的節(jié)能數(shù)據(jù)庫，并細化出反映用戶節(jié)能行為的參數(shù)，為政府對用戶的節(jié)能監(jiān)管提供有價值的量化信息。在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)庫的最大化共享以及對智能電網(wǎng)下的節(jié)能行為進行統(tǒng)一監(jiān)管，提出智能電網(wǎng)的節(jié)能監(jiān)管建設(shè)應(yīng)該與物聯(lián)網(wǎng)相融合。智能電網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)充分發(fā)揮以人為本的理念，調(diào)動用戶節(jié)能的積極性，在獲取自身最低用電成本的同時節(jié)約國家資源，以實現(xiàn)智能電網(wǎng)的最優(yōu)化用電模式。