能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在福建省電力需求側(cè)管理的應(yīng)用研究

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

電力需求側(cè)管理對優(yōu)化電力資源配置、促進(jìn)能源利用效率提升等方面起到了重要的作用，而大規(guī)?？稍偕茉吹拈_發(fā)和并網(wǎng)接入，使得電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的難度逐步加大，電力需求側(cè)管理也面臨新的挑戰(zhàn)。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，以及拓展延伸的能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，為電力需求側(cè)管理提供了新的發(fā)展方向。電力需求側(cè)管理正逐步向電力需求響應(yīng)變革，主動(dòng)滿足負(fù)荷側(cè)和供給側(cè)的匹配和優(yōu)化，促進(jìn)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

針對智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等背景下的電力需求側(cè)管理，不少學(xué)者開展了大量的研究：曾鳴等［1］提出了智能電網(wǎng)條件下的需求側(cè)管理技術(shù)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的需求管理決策支持系統(tǒng)。劉俊等［2］通過研究發(fā)現(xiàn)我國需求側(cè)管理逐步轉(zhuǎn)向以經(jīng)濟(jì)手段為主的需求側(cè)響應(yīng)模式，并給出了相關(guān)的需求側(cè)管理應(yīng)用策略。王健等［3］構(gòu)建了大數(shù)據(jù)在電力需求側(cè)方面的應(yīng)用模型，提升了電力企業(yè)對電力客戶的認(rèn)知，以及電力企業(yè)的綜合管理水平和經(jīng)營效益。

目前，福建省電網(wǎng)已實(shí)施需求側(cè)管理的相關(guān)措施，并取得了一定的成效，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)，預(yù)計(jì)“十四五”時(shí)期需求側(cè)管理將發(fā)揮更大作用。但由于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目多、投資大、建成后社會(huì)效益大，而投資者的經(jīng)濟(jì)效益尚未能完成發(fā)揮，因此，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)投資回收機(jī)制和政策頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)健康發(fā)展，仍是今后研究的重要課題。

1 福建省電力需求側(cè)管理實(shí)施情況

1.1 福建省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及負(fù)荷特性

福建省三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要以工業(yè)用電為主，占全省60%以上。近年來，福建省經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)發(fā)展階段，工業(yè)發(fā)展逐步往高質(zhì)量方向發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步調(diào)整，逐步淘汰高耗能低附加值的第二產(chǎn)業(yè)，并鼓勵(lì)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。全省“十三五”以來，二產(chǎn)比重逐步下降，三產(chǎn)比重逐步增加。2015 年全省三產(chǎn)用電結(jié)構(gòu)逐步由1.38∶67.32∶12.67 調(diào)整為2019 年的1.49∶64.04∶15.15。

2019 年福建省全社會(huì)最高負(fù)荷、用電量分別約為3 838萬kW、2 402 億kWh，同比增長4.7%、3.8%。近年來，全省典型日負(fù)荷曲線一般呈現(xiàn)早高峰、午高峰、晚高峰模式，早高峰發(fā)生時(shí)段在11-12 時(shí)，午高峰13-15 時(shí)，晚高峰發(fā)生在21-22時(shí)。2015—2019 年，年最大負(fù)荷日日負(fù)荷曲線見圖1。

圖1 福建省典型日負(fù)荷曲線示意圖

1.2 福建省已實(shí)施的需求側(cè)管理措施及成效

2011 年起，福建省自先后推動(dòng)需求側(cè)管理措施的探索和應(yīng)用，通過開展有序用電管理、實(shí)施分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)等政策措施，采取鼓勵(lì)電能替代、開展蓄冰蓄冷等手段，推動(dòng)全省移峰填谷，促進(jìn)節(jié)能減排，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)和效果。

“十三五”期間，福建省累計(jì)安排36 836 戶參與有序用電，最大壓減負(fù)荷874.7 萬kW，占年度預(yù)計(jì)最大負(fù)荷的22.8%。全省高峰、平段、低谷的用電比重維持在35.8∶35.1∶29.1 左右，實(shí)現(xiàn)了較好的削峰填谷效果。通過需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷模型還原的方法，計(jì)算得出未執(zhí)行峰谷電價(jià)的負(fù)荷曲線，對比結(jié)果見圖2所示。由圖2 可知，福建省通過實(shí)施需求側(cè)管理措施，可削減約11.9%的高峰負(fù)荷，同時(shí)提升8.7%的低谷負(fù)荷，從而達(dá)到縮減全省峰谷差的效果。

1.3 需求側(cè)管理發(fā)展的存在問題和面臨形勢

我國電力需求側(cè)管理的手段仍在不斷探索中，受限于電力發(fā)展的體制機(jī)制以及需求響應(yīng)的重視程度，電力需求側(cè)管理存在的問題主要如下：

（1）電力市場仍不夠成熟。我國電力市場建設(shè)還處于初期階段，尤其是現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場等的建設(shè)尚在起步階段，缺乏完整成熟的市場體系和運(yùn)行機(jī)制支撐需求響應(yīng)資源的開發(fā)。

圖2 實(shí)行需求側(cè)管理措施的負(fù)荷特性對比曲線

（2）需求響應(yīng)運(yùn)行機(jī)制有待完善。目前仍缺乏較為成熟的需求響應(yīng)商業(yè)模式，導(dǎo)致市場主體參與積極性不高，同時(shí)需求響應(yīng)成本低，用戶參與響應(yīng)的市場意識程度不高。

（3）需求響應(yīng)技術(shù)有待提升。大規(guī)模靈活資源優(yōu)化配置、運(yùn)行調(diào)控策略與電網(wǎng)運(yùn)行控制等理論研究與實(shí)踐應(yīng)用有待深入研究。此外，需要構(gòu)建相關(guān)的互動(dòng)平臺(tái)、通信技術(shù)和能效管理系統(tǒng)等終端應(yīng)用平臺(tái)，并推動(dòng)需求響應(yīng)的能力和效益評估。

隨著新能源、儲(chǔ)能、微網(wǎng)、多能互補(bǔ)等新模式的發(fā)展，電力需求側(cè)管理不僅實(shí)現(xiàn)削峰填谷，更重要的是滿足不可控的可再生能源接入以及電動(dòng)車等多元化負(fù)荷的接入，實(shí)現(xiàn)發(fā)電端和用電端的匹配，提高能源效率、改變生產(chǎn)消費(fèi)方式。

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和推進(jìn)，也推動(dòng)電力需求側(cè)管理產(chǎn)生新的商業(yè)模式。伴隨著電力市場體制的成熟，電力負(fù)荷曲線平穩(wěn)的用戶在電力市場上將具有更大的競爭優(yōu)勢，將促使用戶投入成本進(jìn)行改進(jìn)自身的電力需求側(cè)管理，或者通過購買節(jié)能服務(wù)優(yōu)化自身曲線，降低生產(chǎn)的電力成本。傳統(tǒng)的以生產(chǎn)順應(yīng)需求的能源供給模式將發(fā)生重大變化，處于能源互聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)參與主體都是“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”的有機(jī)結(jié)合體，互聯(lián)共享逐步成為新型能源體系中的核心價(jià)值觀［4］。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在需求側(cè)管理的應(yīng)用措施

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)概述

能源互聯(lián)網(wǎng)是能源和互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，各領(lǐng)域?qū)W者均對其做了大量的研究。結(jié)合馬釗等［5］的研究成果，能源互聯(lián)網(wǎng)初步定義為：以電力系統(tǒng)為中心，智能電網(wǎng)為骨干，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及其他前沿信息通信技術(shù)為紐帶，綜合運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和智能管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向多源互補(bǔ)、縱向源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)協(xié)調(diào)的能源與信息高度融合的下一代能源體系，同時(shí)具有扁平化性、面向社會(huì)的平臺(tái)性、商業(yè)性和用戶服務(wù)性［5］。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求管理應(yīng)用措施

能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有智能感知、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、需求響應(yīng)等先進(jìn)信息技術(shù)，可為電力需求側(cè)管理提供信息采集、分析、反饋、管理等手段，從而實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)用電特征的效果。主要的需求側(cè)管理應(yīng)用措施可歸納為以下4 個(gè)層面的應(yīng)用：

（1）大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用。在電力大數(shù)據(jù)的環(huán)境下，管理層可通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)掌握用戶的用電規(guī)律及其相關(guān)信息，并制定出不同響應(yīng)策略的電價(jià)，以引導(dǎo)用戶改善自身的用電行為［6］。用戶層則可利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律提取新的知識，得出參與需求響應(yīng)的最優(yōu)決策。最終，在約束的效益目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源的最優(yōu)分配，合理優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行條件以及峰谷差水平。

（2）云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用。電力需求側(cè)管理云平臺(tái)集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)關(guān)、云計(jì)算分析和處理系統(tǒng)、結(jié)果輸出系統(tǒng)等方面，并作為統(tǒng)一、開放、分布式的服務(wù)平臺(tái)提供給用戶。服務(wù)商和用戶通過云平臺(tái)的數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，進(jìn)行電力需求優(yōu)化響應(yīng)的匹配，實(shí)現(xiàn)電力流的最佳分配。

（3）負(fù)荷管理優(yōu)化應(yīng)用。在能源互聯(lián)網(wǎng)通訊基礎(chǔ)設(shè)施完善的條件下，用戶之間可通過5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)用戶的互聯(lián)和信息交互。負(fù)荷管理系統(tǒng)通過用戶的信息、當(dāng)前的電價(jià)機(jī)制、電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)等約束條件進(jìn)行整合和優(yōu)化計(jì)算，為用戶制定系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的節(jié)能用電計(jì)劃。所有用戶的用電計(jì)劃共同構(gòu)成了系統(tǒng)的能源消費(fèi)計(jì)劃，并具備節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效等運(yùn)行特征，從而使得系統(tǒng)的用戶用能負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。

（4）能效管理優(yōu)化應(yīng)用。電力需求側(cè)管理中的能效管理就是引導(dǎo)用戶優(yōu)化設(shè)備的節(jié)能水平，提升終端用能設(shè)備利用效率。能源互聯(lián)網(wǎng)具有完善的數(shù)據(jù)收集能力，通過收集和分析用戶的能耗信息，結(jié)合設(shè)備的用戶標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)電潛力進(jìn)行對比評估，提供用戶節(jié)能信息報(bào)表和節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)效益分析，服務(wù)用戶能效管理決策，進(jìn)而改善用戶設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化管理。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用成效及發(fā)展建議

3.1 “十四五”福建省需求側(cè)管理的改善效果

“十四五”時(shí)期是福建省海上風(fēng)電、分布式光伏等可再生能源有序、健康發(fā)展時(shí)期，也是儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。隨著技術(shù)性需求側(cè)管理措施的深入推進(jìn)，對全省負(fù)荷的控制效果主要體現(xiàn)在三方面：一是可再生能源提升就地消納能力，降低遠(yuǎn)距離輸送，降低全省輸配電損耗；二是儲(chǔ)能設(shè)施的建設(shè)，對全省進(jìn)行削峰填谷，降低全省最大負(fù)荷及峰谷差；三是通過能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參與電力市場交易，主動(dòng)控制調(diào)減用戶負(fù)荷需求，從而降低用電成本。

依托能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及衍生的新能源及儲(chǔ)能等設(shè)施建設(shè)，電力需求側(cè)管理能力逐步提升。福建省電力需求側(cè)管理按照著重響應(yīng)尖峰負(fù)荷需求、抬升低谷負(fù)荷水平的原則，對全省負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化和改善，預(yù)計(jì)2025 年可降低全省最高負(fù)荷約170 萬kW，縮減年最大峰谷差約300 萬kW。全省尖峰負(fù)荷由5 770 萬kW 下降至5 600 萬kW，97%以上尖峰小時(shí)數(shù)由13 h 提升至73 h，負(fù)荷尖峰化的趨勢更加明顯。

從全省負(fù)荷特性上分析，在需求側(cè)管理措施控制下，負(fù)荷早高峰、午高峰的雙峰模式預(yù)計(jì)將合并為中午的單峰模式。一方面，中午時(shí)段為平價(jià)用電時(shí)段，較早高峰、午高峰具有用電成本優(yōu)勢；同時(shí)，中午累積的氣溫效應(yīng)較高，降溫負(fù)荷較大；此外，部分需求側(cè)控制設(shè)施作用于早高峰、午高峰，降低了全省尖峰負(fù)荷需求量。2025 年福建省典型日負(fù)荷曲線的需求側(cè)管理效果對比見圖3。

3.2 投資回收機(jī)制分析

能源互聯(lián)網(wǎng)包含能源生產(chǎn)、輸送、銷售、分配、消費(fèi)以及優(yōu)化分析等環(huán)節(jié)，具有較多的節(jié)點(diǎn)單元，其投資量巨大。電力系統(tǒng)處于能源互聯(lián)網(wǎng)的核心地位，構(gòu)建打造能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)是電網(wǎng)公司未來發(fā)展的主要目標(biāo)之一。而在電力體制改革框架下，僅以輸配電價(jià)進(jìn)行投資回收的電網(wǎng)模式難以有效推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)積極性，需要充分挖掘其產(chǎn)生的社會(huì)效益，并通過電價(jià)機(jī)制獲得合理的回報(bào)。

圖3 典型日負(fù)荷曲線的需求側(cè)管理效果對比圖

能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成的可再生能源就近消納提升、降低全省峰谷差、提升能源供應(yīng)能力等方面改善效果，所取得的效益基本上為社會(huì)屬性效益，但能源互聯(lián)網(wǎng)的投資建設(shè)者獲取此部分收益較為困難，這就造成能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)驅(qū)動(dòng)力不足，發(fā)展進(jìn)展較慢。另一方面，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在需求側(cè)管理控制措施的配套運(yùn)行政策機(jī)制不夠完善，也難以形成相應(yīng)的商業(yè)模式，發(fā)展可持續(xù)性較差。

以福建地區(qū)為例，全省2025 年預(yù)計(jì)可削減尖峰負(fù)荷約170 萬kW。在省級電力規(guī)劃中，若考慮通過新增電力裝機(jī)及輸配電設(shè)施滿足尖峰負(fù)荷供電要求，則其投資額可達(dá)數(shù)十億元，而通過需求側(cè)管理的手段進(jìn)行削峰填谷，則其成本預(yù)計(jì)僅為投資成本的十分之一以下。雖然需求側(cè)管理的效益相對可觀，但需要構(gòu)建相對較為完善的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)以及配套的政策措施，才能推動(dòng)需求側(cè)管理運(yùn)行順暢。而搭建適用于需求側(cè)管理開展的基礎(chǔ)設(shè)施則需要花費(fèi)巨大的費(fèi)用，才能取得長久的社會(huì)成效。因此，針對能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力需求側(cè)響應(yīng)部分取得的社會(huì)效益，可參照輸配電價(jià)回收機(jī)制，進(jìn)行評估并給予合理的回報(bào)率進(jìn)行回收投資。

3.3 發(fā)展的政策建議

為更好推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，促進(jìn)需求側(cè)管理的實(shí)施和發(fā)展，需要搭建相應(yīng)的頂層設(shè)計(jì)機(jī)制，主要提出如下的發(fā)展建議：

（1）構(gòu)建完善的需求側(cè)響應(yīng)市場機(jī)制。構(gòu)建完善的市場機(jī)制是大規(guī)模發(fā)展需求響應(yīng)項(xiàng)目的關(guān)鍵。在逐步培育發(fā)展電力市場的同時(shí)，應(yīng)考慮電力需求側(cè)管理與需求響應(yīng)與電力市場的銜接機(jī)制，構(gòu)建激發(fā)需求側(cè)資源響應(yīng)的電力供需實(shí)時(shí)價(jià)格信號，加快完善電力現(xiàn)貨市場與輔助服務(wù)市場的建設(shè)。在充分研究需求響應(yīng)發(fā)展路徑的基礎(chǔ)上，形成可復(fù)制、可推廣的市場建設(shè)方案。

（2）加強(qiáng)需求響應(yīng)技術(shù)體系架構(gòu)建設(shè)。通過能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打破源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等單元間的數(shù)據(jù)壁壘，形成綜合化、系統(tǒng)化的用能數(shù)據(jù)體系，進(jìn)一步結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)資源的優(yōu)化分配。完善需求響應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并在需求響應(yīng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)中，重視現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用，提高項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，降低項(xiàng)目投資運(yùn)維成本。

（3）建立能源互聯(lián)網(wǎng)的投資回收機(jī)制。對能源互聯(lián)網(wǎng)在電力需求側(cè)管理層面取得的社會(huì)效益進(jìn)行充分評估。在電網(wǎng)建設(shè)過程中，對于必要的能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目，納入輸配電價(jià)投資審計(jì)成本，并對產(chǎn)生的社會(huì)效益層面相應(yīng)的投資及其合理的利潤率給予投資回收。

4 結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，有利于推動(dòng)能源行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)我國能源向清潔低碳、安全高效的發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及廣泛，可充分應(yīng)用到電力需求側(cè)管理過程中，通過數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化控制等手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求側(cè)主動(dòng)響應(yīng)和控制。預(yù)計(jì)將進(jìn)一步削減福建省“十四五”期間的尖峰負(fù)荷，優(yōu)化負(fù)荷特性，避免造成大量的電力投資浪費(fèi)，形成較為良好的社會(huì)效益。然而能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)投資巨大、投資者經(jīng)濟(jì)效益有限，需要搭建合理的能源互聯(lián)網(wǎng)投資回收機(jī)制，構(gòu)建完善的電力市場體系和電力需求側(cè)頂層設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力需求側(cè)管理更好發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。