智能電網(wǎng)需求側(cè)的能效改善與高效化

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(duì)需求側(cè)能效改善方案進(jìn)行了針對(duì)性研究，細(xì)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(gè)能效改善方案和新技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；需求側(cè)管理；能效改善

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0183-02

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可控制、可檢測(cè)、自動(dòng)化的高度智能化互動(dòng)化，完美契合了發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)對(duì)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(guó)國(guó)家電網(wǎng)提出了以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信技術(shù)和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的國(guó)際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國(guó)特色的堅(jiān)強(qiáng)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(duì)數(shù)以億計(jì)的用戶，在電力市場(chǎng)、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(hù)、互動(dòng)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(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，僅就需求側(cè)而言，分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)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(fù)雜多樣化，除此之外，人口的高度集中化（例如我國(guó)北上廣等一線城市及東部沿海地區(qū)的大中城市），進(jìn)一步加劇部分地區(qū)電力負(fù)荷激增，影響傳統(tǒng)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。而針對(duì)上述問題，采用靈活互動(dòng)的用電機(jī)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(duì)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(diǎn)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(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀簡(jiǎn)要分析其未來發(fā)展趨勢(shì)。

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(guó)公司高級(jí)電力專家Martin Hauske對(duì)智能電網(wǎng)的理解，智能電網(wǎng)有三個(gè)層面的定義[2]：首先是利用傳感器對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)的；然后把得到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合、處理；最后在需求側(cè)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化管理。

中國(guó)電力科學(xué)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(gè)客戶服務(wù)總線，從而對(duì)信息進(jìn)行整合分析，以此來降低成本，提高效率，提高整個(gè)電網(wǎng)的可靠性，使運(yùn)行和管理達(dá)到最優(yōu)化。

文獻(xiàn)[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(dòng)運(yùn)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(dòng)和即時(shí)連接，數(shù)據(jù)讀取效果及時(shí)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(yīng)用控制、自動(dòng)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(yīng)對(duì)用戶的能源需求。

1.2 智能電網(wǎng)的構(gòu)成

將發(fā)電機(jī)、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(guó)，習(xí)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(jí)。

（1）靈活的分布式電源。智能電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)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(fēng)電、水電等清潔能源的分布式接入。當(dāng)大電網(wǎng)因雷電等自然天氣遭到嚴(yán)重破壞和人為損壞時(shí)，這些分布式電源可以自行向用戶供電。（2）堅(jiān)強(qiáng)的骨干網(wǎng)架。特高壓電網(wǎng)和各級(jí)電網(wǎng)組成了電力“高速公路”，在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行資源優(yōu)化配置，并保證了長(zhǎng)距離、大負(fù)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(dá)到對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化監(jiān)管，提高用電的效率和對(duì)環(huán)境的保護(hù)。從整體上來說，需求側(cè)是最直接的，對(duì)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(xué)有效的措施，引導(dǎo)用戶進(jìn)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(duì)電力消耗和電能的需求，來達(dá)到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的用電管理活動(dòng)。

需求側(cè)管理包括能效管理和負(fù)荷管理兩部分[5]。能效管理旨在通過用戶采用先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用高效電力設(shè)備等手段實(shí)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(biāo)；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)荷的目的，進(jìn)而取得節(jié)約電能、減少系統(tǒng)裝機(jī)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(shí)現(xiàn)其建設(shè)目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)保障，因此，對(duì)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(zhǎng)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(fèi)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(dāng)前常見的能效問題包括因用戶與電網(wǎng)無法實(shí)時(shí)互動(dòng)而造成的能源浪費(fèi)，化石能源燃燒造成的環(huán)境污染和燃燒效率低下，閑時(shí)情況下家電造成的能耗損失等，下述三種方案則對(duì)需求側(cè)的能效問題進(jìn)行了有針對(duì)性的改善。

2.1 區(qū)域供能系統(tǒng)

文獻(xiàn)[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(shí)，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(dú)立運(yùn)行，又可以并網(wǎng)運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)切斷了去主電網(wǎng)的聯(lián)系，通過風(fēng)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(dú)立。但是它的缺陷是這些分布式能源具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，所以難以滿足區(qū)域長(zhǎng)期的供能需求。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，區(qū)域內(nèi)用戶和電網(wǎng)是雙向互動(dòng)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(shí)現(xiàn)了用戶與電網(wǎng)見的互動(dòng)，避免能源浪費(fèi)。

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(chǔ)能蓄電池、系統(tǒng)控制器、保護(hù)裝置、負(fù)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(chǔ)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(shí)系統(tǒng)中的保護(hù)裝置可以檢測(cè)儲(chǔ)能蓄電池的充放電過程，以防止過度放電及過度充電對(duì)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(zhǎng)最快的可再生清潔能源之一，但仍然供不應(yīng)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(shì)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(duì)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(yīng)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(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)時(shí)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(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析用電數(shù)據(jù)，有針對(duì)性的為用戶提供節(jié)能方案，幫助用戶合理用電，從而達(dá)到能效改善閑時(shí)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(fèi)嚴(yán)重，化石能源提供動(dòng)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(fèi)。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(yīng)、探測(cè)、遙控等信息技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤用戶的需求，在進(jìn)行智能化的分析和控制之后進(jìn)行精確供能[9]。在智能照明系統(tǒng)中，應(yīng)用傳感技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤供電情況，自動(dòng)平滑地調(diào)節(jié)電路的電壓和電流幅值，降低因不平衡負(fù)荷產(chǎn)生的額外功耗，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化供電的效果；利用傳感探測(cè)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(jī)的遙控技術(shù)對(duì)房間的智能家居亮度進(jìn)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(jì)量芯片等組成，其工作原理是電能計(jì)量芯片將采集到的電能信息進(jìn)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(shí)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(fēng)能等各種能源形式的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總，在分析比較后做出綜合判斷，對(duì)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(duì)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(duì)于社會(huì)和環(huán)境來說，除了直接的節(jié)能環(huán)保效益，也促進(jìn)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(yīng)用：結(jié)算和賬務(wù)、配網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、電能質(zhì)量和供電可靠性監(jiān)控、負(fù)荷的分析建模和預(yù)測(cè)、電力需求側(cè)響應(yīng)、能效監(jiān)控和管理、用戶能量管理、節(jié)能、電表管理、負(fù)荷遠(yuǎn)程控制、非法用電檢測(cè)等[10]。這些應(yīng)用功能的實(shí)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(guó)目前的大部分智能電表只能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表僅實(shí)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(shí)現(xiàn)。

4 智能電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

從整體上來說，目前我國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè)尚未完全，比如堅(jiān)強(qiáng)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(duì)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(shí)可以促進(jìn)分布式能源的接入，從而達(dá)到智能互動(dòng)和綠色節(jié)能的智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)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(jìn)的狀態(tài)。未來區(qū)域供能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是規(guī)模大型化、能量低碳化、供能多樣化[7]，以滿足用戶對(duì)多種類型能量的需求和應(yīng)對(duì)當(dāng)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(shì)必將是向東部人口密集城市擴(kuò)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(shì)是使用戶從被動(dòng)的服務(wù)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的節(jié)能參與者，從而使智能電網(wǎng)的理念深入人心。

當(dāng)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(yīng)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(yán)重，這就要求在需求側(cè)加強(qiáng)用戶自身的作用。以家庭為單位實(shí)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(biāo)，以創(chuàng)新為動(dòng)力，不斷提高能源利用效率，降低用戶電費(fèi)支出，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

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