面向智能電網(wǎng)的需求側(cè)管理

施泉生，孫 波，蔣 浩

(上海電力學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，以及人類社會(huì)對(duì)電力依賴程度的加大，智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生，并在近兩年成為全球電力行業(yè)研究的熱點(diǎn).

智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng).智能電網(wǎng)以充分滿足用戶對(duì)電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足環(huán)保約束，保證電能質(zhì)量，適應(yīng)電力市場(chǎng)化發(fā)展等為目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶可靠、經(jīng)濟(jì)、清潔、互動(dòng)的電力供應(yīng)和增值服務(wù)［1-3］.

在智能電網(wǎng)中，用戶是電力系統(tǒng)不可分割的一部分.鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理是智能電網(wǎng)的重要特征之一.從智能電網(wǎng)的角度來看，用戶的需求是一種可管理的資源，它有助于平衡供求關(guān)系;從用戶的角度來看，電力消費(fèi)是一種經(jīng)濟(jì)的選擇，通過參與電網(wǎng)的運(yùn)行和管理，修正其使用和購(gòu)買電力的方式，從而獲得實(shí)實(shí)在在的好處.用戶將根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整其用電模式，減少或轉(zhuǎn)移高峰時(shí)的電力需求，使電力公司減少資本開支和營(yíng)運(yùn)開支，同時(shí)也減少了能耗，產(chǎn)生了環(huán)境效益.因此，需求側(cè)管理(Demand Side Management，DSM)是智能電網(wǎng)的重要組成部分之一.2010年9月，國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化發(fā)展規(guī)劃中明確提出，全面推進(jìn)需求側(cè)管理工作，要求各網(wǎng)省公司結(jié)合自身特點(diǎn)，安排智能化需求側(cè)管理應(yīng)用系統(tǒng)等建設(shè)項(xiàng)目.

1 需求側(cè)管理的產(chǎn)生和發(fā)展

電力需求側(cè)管理起源于20世紀(jì)70年代，隨著燃料價(jià)格的飛漲，人們認(rèn)識(shí)到單純?cè)黾幽茉垂?yīng)很難滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求，必須依靠能源使用方式的變更來提高使用效率，以節(jié)約能源損耗.經(jīng)過幾十年的探索和實(shí)踐，在電力需求側(cè)管理方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，已成為支持可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要手段.美國(guó)50個(gè)州中有31個(gè)州采用需求側(cè)管理推動(dòng)用戶主動(dòng)節(jié)能節(jié)電，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.1996年美國(guó)電力行業(yè)重組啟動(dòng)后，需求側(cè)管理被納入電力改革的政策目標(biāo).20世紀(jì)90年代以來，需求側(cè)管理風(fēng)靡全球，擴(kuò)展到包括中國(guó)在內(nèi)的30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果.

隨著世界電力工業(yè)的發(fā)展，需求側(cè)管理逐漸被賦予了新的含義，即通過采取有效的激勵(lì)措施，引導(dǎo)電力用戶提高終端用電效率，優(yōu)化用電方式，在不影響用戶正常用電需求的情況下減少電力消耗和電能需求，達(dá)到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的目的.對(duì)社會(huì)而言，需求側(cè)管理的實(shí)施可以減少電力需求，從而減少一次能源的消耗與污染物的排放，緩解環(huán)境壓力，同時(shí)減少社會(huì)資源的投入和自然資源的消耗［4-7］.

目前，需求側(cè)管理的主要內(nèi)容包括能效管理、負(fù)荷管理，以及燃料替代和節(jié)省能源等［8-10］.

(1)能效管理 是指電力公司采用經(jīng)濟(jì)、政策手段，鼓勵(lì)用戶采用先進(jìn)技術(shù)和高效設(shè)備提高終端用電效率，減少電力電量消耗，以節(jié)約電量和減少排放而進(jìn)行的活動(dòng).例如使用高效節(jié)能燈具、制冷制熱設(shè)備，使用高效的建筑節(jié)能材料等.

(2)負(fù)荷管理 是指通過負(fù)荷調(diào)整技術(shù)改善用戶的用電行為和用電方式，從而達(dá)到降低電網(wǎng)最大負(fù)荷，取得節(jié)約電能，減少系統(tǒng)裝機(jī)容量，并降低電力投資及運(yùn)行費(fèi)用的效果.例如實(shí)施谷峰電價(jià)和階梯電價(jià)以鼓勵(lì)用戶避開用電高峰期.

(3)燃料替代 是指用不同的能源獲得相同的服務(wù)，一般常指用電力替代天然氣和其他燃?xì)?如用電動(dòng)車替代燃油汽車，電動(dòng)機(jī)械替代燃油、燃?xì)鈾C(jī)械等.

(4)節(jié)省能源 是指通過行政措施或媒體宣傳，使用戶改變傳統(tǒng)的工作、生活習(xí)慣模式，以達(dá)到降低能耗的目的.

2 面向智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的內(nèi)涵

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)的互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)不僅豐富了電網(wǎng)側(cè)對(duì)用戶側(cè)信息的掌握，而且使得用戶側(cè)可從電網(wǎng)側(cè)得到實(shí)時(shí)的電價(jià)信息和電網(wǎng)運(yùn)行信息.這種電力客戶與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)使得通信更加便捷，有利于制定更為靈活和復(fù)雜的需求側(cè)管理策略.因此在智能電網(wǎng)中需求側(cè)管理的內(nèi)涵比傳統(tǒng)電網(wǎng)更加廣泛［11，12］.

首先，需求側(cè)管理不僅僅是對(duì)用戶用電行為進(jìn)行規(guī)范，還可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況對(duì)自身的發(fā)電出力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即將用戶側(cè)分布式發(fā)電資源統(tǒng)一納入需求側(cè)管理范疇.在用戶具備存儲(chǔ)設(shè)備的情況下，運(yùn)用需求側(cè)管理可使電網(wǎng)根據(jù)自身用電情況和電網(wǎng)峰谷分布進(jìn)行削峰填谷或移峰填谷［1］.例如未來電網(wǎng)將接有大量電動(dòng)汽車的電池充電負(fù)荷.隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用，電動(dòng)汽車的車用電池可以作為分布式的儲(chǔ)能元件，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰，為電網(wǎng)提供容量支持.

其次，在智能電網(wǎng)下，將實(shí)施更為全面、合理的實(shí)時(shí)電價(jià)政策，而不是目前普遍采用的分時(shí)電價(jià)或階梯電價(jià).實(shí)時(shí)電價(jià)根據(jù)發(fā)電方系統(tǒng)的生產(chǎn)成本而實(shí)時(shí)變化，如水庫(kù)儲(chǔ)水量的豐枯、機(jī)爐的組合方式、管道線路檢修等.用戶根據(jù)自己的需要，結(jié)合實(shí)時(shí)的電價(jià)，選擇自己的用電方式，實(shí)現(xiàn)用戶主動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷，移峰填谷.全面合理的實(shí)時(shí)電價(jià)系統(tǒng)能促進(jìn)電力資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)的高效率運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)電力商品的社會(huì)價(jià)值最優(yōu).

再次，智能的用電監(jiān)控.智能電表記錄著家庭中的實(shí)時(shí)用電情況，并將信息反饋給電力公司.用戶家中的智能終端與電力公司的系統(tǒng)相連，家中的電器可以通過智能插座與智能終端相連接.因此，無論是電腦還是手機(jī)，只要登錄家中的智能終端，就能遠(yuǎn)程控制家中的電器，而且可以對(duì)電費(fèi)和各家電產(chǎn)品的耗電量進(jìn)行監(jiān)控.

通過建設(shè)智能電網(wǎng)，實(shí)施科學(xué)有效的需求側(cè)管理，到2020年，我國(guó)可減少約1億kW 的裝機(jī)容量，超過5個(gè)三峽工程的裝機(jī)容量，同時(shí)還可以節(jié)約8 000億到10 000億的投資.需求側(cè)管理在節(jié)能減排方面的巨大應(yīng)用前景決定了其在智能電網(wǎng)中的重要位置.

3 面向智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的研究與展望

作為智能電網(wǎng)建設(shè)最重要的組成部分之一，目前已有學(xué)者和專家對(duì)智能電網(wǎng)框架下的需求側(cè)管理進(jìn)行了研究和展望.

文獻(xiàn)［12］介紹了智能電網(wǎng)對(duì)電力需求側(cè)管理可提供的技術(shù)支持和電力需求側(cè)管理的現(xiàn)狀，結(jié)合智能電網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)，分析了智能電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)電力需求側(cè)管理能力提高的影響.

文獻(xiàn)［13］分析了傳統(tǒng)的需求側(cè)管理技術(shù)在智能電網(wǎng)實(shí)施時(shí)遇到的問題，展望了智能電網(wǎng)時(shí)代的技術(shù)變革給需求側(cè)管理帶來的影響和機(jī)遇，并就中國(guó)面向智能電網(wǎng)的需求側(cè)管理建設(shè)提出了具體的建議.

文獻(xiàn)［14］對(duì)智能電網(wǎng)下需求側(cè)管理項(xiàng)目的綜合效益進(jìn)行了評(píng)述，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)給出合適的規(guī)劃方案，對(duì)項(xiàng)目參與方進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并給出保障措施，還設(shè)計(jì)了政府推動(dòng)與市場(chǎng)機(jī)制相結(jié)合的項(xiàng)目實(shí)施機(jī)制，對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)工作的穩(wěn)步發(fā)展起到積極的作用.

文獻(xiàn)［15］認(rèn)為智能電網(wǎng)的發(fā)展沒有公認(rèn)的模式，各國(guó)的建設(shè)需要結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況.只有在把握智能電網(wǎng)建設(shè)方向的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持創(chuàng)新理念實(shí)行必要的技術(shù)變革，電力需求側(cè)管理才能與時(shí)俱進(jìn)，才能更好地對(duì)電力這種特殊商品進(jìn)行全面的管理，為智能電網(wǎng)的建設(shè)起到很好的促進(jìn)作用.此外，還分析了傳統(tǒng)需求側(cè)管理的特點(diǎn)及局限性，提出了為配合開展智能電網(wǎng)的建設(shè)工作，其電力需求側(cè)管理所需要進(jìn)行的技術(shù)變革.

在智能電網(wǎng)需求側(cè)管理研究中，還有一部分專家對(duì)智能電網(wǎng)時(shí)代將大量接入的電動(dòng)汽車的管理給予了一定的關(guān)注.

在智能電網(wǎng)時(shí)代，電動(dòng)汽車既是電網(wǎng)的用電負(fù)荷，其車用電池又可以作為分布式儲(chǔ)能元件，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰，為電網(wǎng)提供容量支持，電動(dòng)汽車的這一應(yīng)用被稱為“車輛到電網(wǎng)”，或電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)(Vehicle to Grid，V2G)［16］.V2G 可以有效地削減系統(tǒng)的尖峰負(fù)荷，增加系統(tǒng)的低谷負(fù)荷，提供應(yīng)急的電力資源，是智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的重要內(nèi)容.

文獻(xiàn)［17］研究了將一定規(guī)模的電動(dòng)汽車作為電網(wǎng)的用電負(fù)荷后對(duì)江西電網(wǎng)的影響.研究發(fā)現(xiàn)，在用戶不同的充電模式下，電動(dòng)汽車的接入對(duì)江西電網(wǎng)的峰谷差及負(fù)荷特性的影響程度不同.田立亭等人［18］建立了電動(dòng)汽車功率需求的模型，給出了多臺(tái)電動(dòng)汽車總體功率需求的計(jì)算方法.該模型為研究電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響提供了基礎(chǔ)，也為電動(dòng)汽車充電管理策略的設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

文獻(xiàn)［19］假設(shè)至2015年美國(guó)將擁有100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，分析了電動(dòng)汽車入網(wǎng)對(duì)城市用電負(fù)荷均衡的影響，計(jì)算了電動(dòng)汽車入網(wǎng)時(shí)城市所減少的污染物排放量.

文獻(xiàn)［20］認(rèn)為，電動(dòng)汽車可以在風(fēng)電機(jī)組不能發(fā)電時(shí)作為系統(tǒng)備用，從而減輕風(fēng)能的間歇性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響.為了充分利用可入網(wǎng)電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能功能和備用功能，構(gòu)造了一個(gè)能同時(shí)計(jì)及電動(dòng)汽車和風(fēng)電機(jī)組出力不確定性的隨機(jī)調(diào)度模型，以系統(tǒng)的總發(fā)電成本最小為目標(biāo)構(gòu)建了調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車、風(fēng)電機(jī)組，以及傳統(tǒng)機(jī)組出力的調(diào)度模型.

4 結(jié)語(yǔ)

智能電網(wǎng)的發(fā)展在我國(guó)還處于起步階段，其內(nèi)涵與外延也將不斷豐富和充實(shí).由于智能電網(wǎng)并非只有單一模式，我國(guó)發(fā)展智能電網(wǎng)必須結(jié)合實(shí)際來制定合適方案.從世界各國(guó)開展的各類需求側(cè)管理項(xiàng)目的實(shí)施效果來看，需求側(cè)管理可降低系統(tǒng)高峰期電價(jià)、減少電價(jià)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化資源配置，并能保證市場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電力工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及環(huán)境保護(hù)等都有重要的戰(zhàn)略作用.在智能電網(wǎng)發(fā)展中，建立有效的需求側(cè)管理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電、合理用電、優(yōu)化用電的戰(zhàn)略性措施，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段.

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