基于高級量測體系和需求響應的互動配網(wǎng)

唐志偉，陳奇志，孫菡婧

（1.廣東電網(wǎng)公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000；

2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031；3.東北電力大學，長春 132012）

步入新世紀以來，資源逐漸短缺與能源需求不斷增加的矛盾日益突出，用戶的用電要求也在不斷提高，電力行業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。為尋求解決之道，世界各國開始對智能電網(wǎng)展開研究[1—3]。

與用戶良好互動是智能電網(wǎng)的主要特點和建設目標，旨在攜手用戶共同應對新形勢下的電網(wǎng)危機。高級量測體系AMI(advanced metering infrastructure)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，在電力市場競爭中引入需求響應DR(demand response)則是電力體制改革的必然要求[4]，兩者的相互協(xié)作為互動配電網(wǎng)的發(fā)展帶來了機遇。

1AMI概述

1.1 AMI的定義

智能電網(wǎng)是當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，并將引領21世紀新能源革命。AMI是智能電網(wǎng)的電能計量系統(tǒng)，它包含了多種軟硬件技術，是一個全面可配置的基礎設施。AMI的功能是以每小時或更高的頻率記錄用戶的電能消耗或者其他參數(shù)，并通過通信網(wǎng)絡將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃恐行腫5—6]。隨著研究的不斷深入，AMI又被賦予了新的要求——實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的緊密相連。檢測、通信和信息技術的長足進步大力促進了AMI的發(fā)展，AMI已經(jīng)成為全球智能電網(wǎng)建設的熱點項目。

1.2 AMI與遠程自動抄表技術

遠程自動抄表技術AMR(automatic meter reading)是配電自動化的電能計量系統(tǒng)，作為目前比較先進的一種抄表方式，與AMI之間有著密切的聯(lián)系。AMI與AMR在結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性，如圖1所示。

但與AMR相比，AMI有了一些革命性突破，是AMR的進一步發(fā)展，具體表現(xiàn)為：

（1）電能表的功能更加強大。AMI的可編程智能電能表不僅能夠分時計價，還能記錄電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、用電事件等實時數(shù)據(jù)，并且能夠遠程拉合閘。

圖1AMI與AMR的結(jié)構(gòu)示意圖

（2）網(wǎng)絡實現(xiàn)雙向通信。AMI的通信網(wǎng)絡不再只是簡單的數(shù)據(jù)上傳通道，實時、高速、雙向的通信技術，為滿足智能電網(wǎng)的互動特性奠定了基礎。由于各國具體情況不同，對通信方式的研究也存在差異，國內(nèi)熱衷于電力線載波（PLC），歐美則把重心放在了無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）。

（3）計量中心的數(shù)據(jù)庫得到優(yōu)化設計。將電能表采集數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)(如：用戶信息、地理信息、停電管理)整合是當前計量數(shù)據(jù)管理的發(fā)展趨勢[7]。通過對有機整合后的數(shù)據(jù)加以分析，可以進一步提高電力部門的需求側(cè)管理水平。

（4） 開放用戶門戶CP（consumer portal）[8]。CP為電網(wǎng)提供了一個面向市場的智能接口，使電網(wǎng)與用戶能夠?qū)崿F(xiàn)雙向交流?？梢哉J為CP是一項功能，其功能依靠其它設備(如：個人電腦、智能手機、智能電能表等)來實現(xiàn)。

2 AMI與DR協(xié)作下的互動配網(wǎng)

電網(wǎng)互動化是智能電網(wǎng)的主要特征之一[9—10]，也是中國電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心[10]。電網(wǎng)互動主要體現(xiàn)在3個方面：洲際能源互動，國內(nèi)跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)以及電網(wǎng)與電力用戶的廣泛聯(lián)系。跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)以特高壓直流輸電技術為支撐，配網(wǎng)側(cè)的互動則依靠AMI與DR的協(xié)作來實現(xiàn)。

2.1 AMI為實現(xiàn)互動提供全方位技術支持

當前電力市場環(huán)境下的大部分用戶是固定的“負荷”，只能被動的接受供電方的調(diào)配，無法主動參與電網(wǎng)的削峰填谷。作為一個高度集成的技術體系，AMI的出現(xiàn)為配網(wǎng)互動化創(chuàng)造了條件。智能電能表采集的豐富數(shù)據(jù)能使用戶充分了解自身用電行為，雙向通信網(wǎng)絡及CP則為電網(wǎng)企業(yè)與用戶互動開辟了渠道。

2.2 DR賦予了互動內(nèi)涵

AMI框架下關注的焦點是如何運用技術手段搭建互動平臺，DR的主題則是用戶，而非某項具體的技術或產(chǎn)品，需要供用電雙方共同參與才能實現(xiàn)。DR是指供電方為應對供電成本提高或系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，向電力用戶發(fā)出價格或激勵信號，用戶做出響應并改變固有的用電模式，參與電力市場[11—12]。DR體現(xiàn)著以人為本的思想，從平衡雙方需求的角度去設計互動內(nèi)容，賦予了互動內(nèi)涵。

2.3 AMI與DR共同推進配網(wǎng)互動化

圖2從電力公司管理方與電網(wǎng)用戶互動的角度詮釋了未來配電網(wǎng)的組織形式以及互動配網(wǎng)的運作流程。

圖2 互動配網(wǎng)運作流程

借助AMI中的智能電能表和通信網(wǎng)絡，電力公司的需求側(cè)管理人員能夠在第一時間獲得用戶的用電情況和電網(wǎng)參數(shù)，并利用智能化的配電管理系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)進行在線分析，一旦滿足互動觸發(fā)條件（如：監(jiān)測到用戶異常用電行為，電網(wǎng)峰谷差過大，供電成本變化），即刻啟動DR項目，綜合用戶類型（如：企業(yè)、機關、學校、居民等）等多方面因素制定差異化的時變電價和激勵策略。

用戶在獲悉用電環(huán)境的變化后，從維護自身利益的角度出發(fā)選擇是否響應。響應又分為用戶直接調(diào)整用電負荷和委托電力公司進行遠程管理2種方式，除選擇了DR可中斷負荷項目的用戶會承擔一定的風險（違約受到的處罰），其他響應者都將根據(jù)在電網(wǎng)移峰填谷等方面所做的貢獻獲得公平合理的補償。

如果同一類用戶中參與互動的人數(shù)沒有達到預期目標（根據(jù)長期需求側(cè)管理經(jīng)驗制定），則將發(fā)送給用戶的DR方案進行評估，評估模型是一個考量了用戶反饋意見、設備的交互能力及適用性、綜合效益（經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益）而建立的多指標體系。通過評估，對方案進行優(yōu)化，力求更加貼近用戶實際需求，提高互動參與率，同時也為配網(wǎng)互動化向高水平發(fā)展提供有價值的指導和參考。整個互動過程電力公司管理方主要發(fā)揮引導作用，而用戶可以自行決定是否參與電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)，從根本上改變了用戶長期以來所處的被動地位。

供需雙方的交互是一個動態(tài)過程，以信息的公開透明為前提，AMI和DR則是貫穿互動始末的兩大要素。AMI為拉近電網(wǎng)與用戶間的距離提供技術支持，而合理部署DR項目則是供需雙方能否成為合作伙伴，實現(xiàn)雙贏的關鍵，只有兩者相輔相成，相互協(xié)作，才能促進智能配電網(wǎng)的互動化向高水平發(fā)展。

3 關于互動配網(wǎng)技術特點的展望與思考

當前國內(nèi)多個地區(qū)和城市相繼開展智能電能表改造工程，智能電網(wǎng)的建設已經(jīng)在配網(wǎng)側(cè)率先啟動。

作為未來智能電網(wǎng)要實現(xiàn)的重要目標，互動化的配電網(wǎng)至少要包含以下幾個技術特點，如圖3所示。

圖3 互動配網(wǎng)的技術特點

（1）高效。近年來，極端惡劣天氣和各類自然災害頻繁出現(xiàn)，發(fā)生和持續(xù)時間往往也難以提前知曉。不確定因素增加了電網(wǎng)安全運行風險，同時也使用戶需求產(chǎn)生難以預測的變化。在全面開放的電力市場中，電力公司應針對市場環(huán)境的波動，迅速部署DR項目，發(fā)出價格與激勵信號。用戶則能通過簡單、易操作的方式及時接收信息并做出回應。高效的互動有助于在短時間內(nèi)優(yōu)化電力資源配置，平衡供需矛盾。

（2）經(jīng)濟。用戶對電力銷售價格的預期水平是不變或逐步降低的，電力價格的上漲空間將越來越小。智能電網(wǎng)的建設將使電力企業(yè)加大投資力度，進一步壓縮其效益空間。我國電網(wǎng)建設還長期存在重輸輕配的問題，配電網(wǎng)投資相對不足，因此，互動過程要體現(xiàn)低成本高收益，比如：供電方可以集中采購節(jié)能設備和分布式發(fā)電裝置，再以低息甚至零息鼓勵用戶貸款購買，也可以把節(jié)能設備租賃給用戶。總而言之，電力公司要力求運用有限的資源為用戶提供服務，同時減少希望參與需求響應的用戶在資金方面存在的障礙。

（3）靈活。2010年年初，國務院會議正式?jīng)Q定推進電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，以加強三者間的技術改造和資源共享，促進多媒體通信業(yè)務的綜合發(fā)展。電力企業(yè)應該抓住這一契機，與其他部門展開廣泛合作，深入宣傳互動理念，讓用戶充分意識到參與DR給自己和整個社會帶來的好處與實惠。同時利用各方優(yōu)勢拓寬互動渠道，方便用戶根據(jù)自身情況靈活選擇，進一步提高用戶參與互動的積極性和便捷性。

（4）安全。互動電網(wǎng)時代將有更多的信息涌入電力系統(tǒng)，信息的泄露會導致用戶對供電企業(yè)失去信任，打擊互動參與熱情；擾亂電力市場秩序，妨礙企業(yè)公平競爭。因此，信息安全問題不容忽視，電力公司從業(yè)人員不僅要自覺遵守相關法律法規(guī)，在技術上還要加強保障，比如通過嚴格的權(quán)限管理與身份認證，防止非法用戶訪問他人數(shù)據(jù)；用戶也要提高自我保護意識，不要隨意將信息告之第三方，通過雙方共同努力，營造一個安全的互動環(huán)境。

4 結(jié)束語

電力是我國的支柱能源和經(jīng)濟命脈，當代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都離不開電力的支撐。到2020年，要實現(xiàn)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值比2000年翻兩番，國民經(jīng)濟的騰飛將使電力消費持續(xù)快速增長，電力供應面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

有研究發(fā)現(xiàn)，DR項目在高峰時段減少的需求在非峰時段并不會完全反彈，保守估計可以減少4%的總能源需求，甚至還能達到11%。雙方的信息交互，還有助于完善供電企業(yè)的管理制度，培養(yǎng)用戶自覺節(jié)能意識。我國人口基數(shù)大，并且火力發(fā)電在電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中仍處于主體地位，如果全社會的用電行為缺乏必要的引導和干預，勢必造成資源的嚴重浪費，同時也會加劇生態(tài)環(huán)境的污染。實現(xiàn)配網(wǎng)互動化是我國國情和電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇，將在保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、緩解供電壓力、提高電網(wǎng)安全運行水平、普及低碳生活等方面起到舉足輕重的作用。

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