智能电网管理

1、智能电网框架下的需求侧管理展望与思考王蓓蓓，李扬,高赐威（东南大学电气工程学院，江苏省南京市210096）摘要:资源和环境的双重压力将全球电力工业带入了智能电网时代，使电网智能化的核心就是全面、动态地整合用户侧资源，包括负荷以及电力使用的相关信息。因此，需求侧管理是智能电网最重要的组成部分之一。分析了传统的需求侧管理关键技术及实施时遇到的问题，然后针对智能电网时代引入的技术变革会给需求侧管理带来的影响和机遇进行了展望，最后就中国面向智能电网的需求侧管理建设给出了具体的步骤和建议。关键词：智能电网；需求侧管理；需求响应；高级计量体系中图分类号：TM73; F123.9稿日期:2009-07-20

2、;修回日期:2009-09-10。引言进入21世纪以来，社会和经济的发展和技术的 步给电力网络发展以及供电服务质量提出了更高 求，在环境恶化和能源危机的背景下，智能电网的念应运而生，并在近两年成为全球电力行业研究 探讨的热点1-5。“智能互动”作为智能电网的主要特点和建设目，包括信息和电能的双向互动，鼓励用户改变传统 用电方式，积极参与电网运行，根据实时电价调整 电模式，且能够实现分布式电源的“即插即用”并 运行方式。由此可见，需求侧管理技术是智能电 最重要的组成部分之一。文献6-8将高级计量系（advaneed metering infrastructure，AMI）禾口需 侧管理列为建设智

3、能电网涉及的关键技术之一。 献9指出需求侧管理是智能电网不可或缺的部，推动需求侧管理技术，如智能仪表、通信和控制 统，以及其他负荷控制技术，是未来决定智能电网 否成功实施的关键基础因素。文献10-13分别独立系统操作员（ISO）/区域输电组织（RTO）发 公司、系统集成商、IT企业等角度探讨并展望了 能电网框架下需求侧管理/需求响应运行。 与发输电环节相比，配电、用电等需求侧资源与 统的联系相对薄弱，影响了系统的整体性能和效 ，智能电网的突出贡献就是利用先进的信息技术 活地整合、调度需求侧资源，实现信息和电能的双 互动14-15，可以预见未来的智能电网时代，需求侧理将会有长足的进步和发展。本文

4、首先分析了传统的需求侧管理关键技术及实施时遇到的问题，然后针对智能电网时代引入的技术变革会给需求侧管理带来的影响和机遇进行了 展望，并介绍目前发达国家智能电网下需求侧管理 的实践情况，最后就中国面向智能电网的需求侧管 理建设给出了具体的步骤和建议。1需求侧管理的关键技术和实施障碍1.1需求侧管理的关键技术需求侧管理在20世纪70年代世界能源危机时 就得到电力公司的青睐，其出现之初的目标是终端 节电、降低能耗、提高能源使用效率。随着世界电力 工业的发展，其逐渐被赋予了新的含义，发展到今 天,需求侧管理是指通过采取有效措施，引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率，优化资源配 置，改善和保护环境

5、，实现最小成本电力服务所进行 的用电管理活动的总称。需求侧管理的 2个基本目 标是16:通过推行高效设备改造或节能建筑减少 总能源的使用；通过改变用电方式进行负荷整型 ， 移峰填谷。具体而言，当前需求侧管理的关键技术 和项目大体分为以下 3类17。1) 能效项目能效项目(energy efficiency)是指电力公司采取经济、政策手段，鼓励用户采用先进技术、先进工 艺、先进设备提高用电效率，减少电力电量消耗而进 行的活动。高效设备主要有：高效能节能灯具、高效 能制冷和制热、通风、水泵系统，高效能电动机、变压器、调速系统，余热发电技术等。建筑节能通过加强 建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能

6、源，在保 证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制 热、照明、热水供应的能耗，也属于能效项目的一种。 由于这种类型的需求侧管理措施需要进行设备17新、改造，因此需要较多的资金投入，且需要专业 术人员的支持，解决资金来源和节能技术推广问 是该类项目推行面临的首要问题。中国目前各地 开展的能效电厂项目18就是典型的能效项目。2) 节省能源节省能源(energy conservation)是指通过行政 施或媒体宣传，使用户改变传统的工作、生活习惯 式，以达到降低能耗的目的。典型的措施有：即开用电热水器、调低显示屏幕亮度、随手关灯、将空 制冷温度适当调高、减少电器设备的待机时间等。 相比较于能效

7、项目，这种类型需求侧管理措施 典型特点是不需要资金和人员支持，推广简单易 ，只需要通过行政措施或媒体提高公众的节能意 ，在全社会形成一种节能环保的风气。3）需求响应需求响应（demand response）项目19往往与电 市场化相关，是指电力用户根据价格信号或通过 励，改变自己固有习惯（wonted）用电模式的行 。强调电力用户直接根据市场情况（价格信号）主 作出调整负荷需求的反应，从而作为一种资源对 场的稳定和电网的可靠性起到促进作用 20-21。竞 电力市场中的需求响应措施可以大体分为 3类： 时/分时电价响应、可中断的和自愿负荷削减22,求侧竞价23。需求响应项目的执行效果和收益直接与

8、电力市 的开放程度相关，且某些需求响应项目（如实时电 、需求竞价等）需要有系统性的双向通信、传感和 量技术支持，因此需要大量资金和专业技术人员 入24。在3类措施中，需求响应项目由于引入了 场的调节机制，其节能、负荷整型效果是最好的。 2当前需求侧管理项目推行障碍分析 虽然需求侧管理已经不是一个新概念了，且对提高系统和资源的使用效率，对电力工业和经济 展以及环保方面有着重要的战略作用，但到目前 止，不管是发达国家还是发展中国家的需求侧管 项目推行发展速度却较慢，具体原因可归纳为以 几点25-31:1）缺乏有针对性的先进计量、通信、控制和信息 术支持，使得需求侧管理项目缺乏可操作性。由传统“单向

9、通信”电表无法反映电力生产的边际成 、电力实时供求关系，无法支持和激励用户参与需 响应项目以节约电费开支。为了支持需求侧管理 实施,从电力网络到用户侧均需要安装大量传感 和先进的测量和控制装置以支持其具有先进的能 计量和实时市场交易功能，这是一项系统工程，其 任何一处缺乏相关的配套功能，整个系统均无法 正常运行。虽然当前工业界主要的技术已经存在，但是，它在电力需求侧管理和网络运营中的有针对 性的应用需要获得更多的经验。2）来自系统运行人员、公众，以及电力用户方面 的传统观念，阻碍了需求侧管理项目的推行和实施。 从系统运行人员角度，由于需求侧资源增加了系统 运行时的复杂性，其更习惯于调度发电侧资

10、源来解 决系统运行中的问题；目前公众也普遍存在一种错 误认识，认为需求侧管理措施在移峰填谷中会造成 能源损失（如蓄冰空调），对需求侧管理是否有助于节能的问题始终存有怀疑态度。从电力用户角度，往往习惯于固定电价计费方式，对于分时电价将面临的风险持回避态度。上述这些传统观念或多或少 影响了需求侧管理项目的推行和实施。3）对电力需求侧管理解决方案的收益缺乏有效 的评估方法，使得对其投资缺乏积极性。需求侧管 理的收益涉及系统稳定可靠性的增加、市场电价的 降低和对环境保护的贡献，显然，没有服务接受者 （如发电公司或分销网络运营商）会有兴趣最大化系 统整体的利益，因为这种最大化是建立在不同部门 得益折中的

11、基础上的。由于缺乏量化成本和效益的 方法，没有足够明确的商业案例说明需求侧管理措 施的收益分摊、投资回报情况，使得需求侧管理工作 的推行遇到了困难。4）没有必要的政策、市场运行机制支持，使得需求侧管理项目的推行缺乏必要的激励手段。需求侧 管理项目能否成功推行的一个关键因素就是融资问 题,需要必要的政策支持；许多需求响应项目是建立 在开放零售侧电力市场背景下的，因此需要相应的市场运行机制支持。此外，电力公司是实施需求侧 管理的主体，由于某些电力需求侧管理措施的执行 会导致电力公司利润下降，因此要对电力公司采取 激励措施鼓励其继续充分发挥主体作用。2智能电网框架下需求侧管理展望与思考2.1智能电网

12、技术对需求侧管理的推动和发展 由前文可见，需求侧作为智能电网建设的重点 环节，需求侧管理项目的推行对于智能电网建设目 标的实现具有举足轻重的作用；此外,智能电网框架 下的先进的计量、通信和控制手段对于需求侧管理 项目的推进也起到非常关键的促进作用。因此 ，智 能电网和需求侧管理二者关系密切 相辅相成具体 表现在以下几个方面：1）需求侧管理是智能电网框架下的重要组成部 分,是实现其建设目标的关键技术保证。一方面，智能电网尤其强调与用户的双向信息和电能的互动；18009, 33（20）一方面，应对全球性环境和能源危机挑战，以及保 电力工业的稳定可靠运行是智能电网建设的首要 标。这两方面目标的实现都

13、离不开需求侧资源的 极参与。需求侧管理项目中的能效项目和节省能源项目 有明显降低总体能源使用的效果；需求响应项目直接目的虽然是负荷整形，但有研究发现32,并 是在高峰时段减少的需求在非峰时段完全反弹，守估计可以减少4%的总能源需求，甚至还能达11%,而且需求响应项目通过双向信息交互 ，可 使用户随时了解目前电价信息和自己的能源消耗 况，潜意识地起到了节能降耗的启发作用。为了应对气候变化的挑战，美国29个州建立了 再生能源标准（renewable portfolio standard）, 需 在电网中保持一定比例的可再生能源33。由于生能源是间歇性和非峰时段的，需求响应可通过 中断负荷、动态能源

14、储备等手段有效减少高峰能 需求,亦可作为辅助服务以防范再生能源的间歇 ，需求侧管理在系统中的价值随着不灵活机组的 例提高而增加。2008年3月，美国得克萨斯州一 风机突然停运，造成系统容量从1 700 MW跌落 300 MW,10 min内系统紧急调度 1 100 MW 需 响应参与避免了一次全州性的大停电事故。2）智能电网为需求侧管理的发展提供技术保。智能电网一个突出贡献就是推动了电力工业中 Ml的发展和应用，这是一个使用智能电表通过多 通信介质，按需或者以设定的方式测量、收集并分 用户用电数据、能够提供开放式双向通信的系统，智能电网的基础信息平台。许多需求侧管理项目 实时电价、需求竞价等）

15、正是利用了这些基础信 平台而使智能电网具有多层智能性，实现了智能 求响应。在用电层，人们能够基于环境和实时电 的考虑，最大限度地优化能源使用，节约电力开 ；在电网层，兼备了电力的价值信号收集和发布功 ，能够实时分析、决策、计划，使电网能够优化所有 投资和运行费用。智能电网时代的“智能储能”技术也为需求侧管 的发展带来契机，有了“智能储能”技术，可以弥补 再生能源发电不确定性的不足，让用户以需求侧价的方式将屋顶风电、屋顶光电装置等所产生的 能卖给电网，在信息互动的基础上实现真正的电“智能互动”。3）智能电网为需求侧管理提供政策和资金支。美国总统奥巴马签署的高达7 870亿美元的经刺激计划宣布了智

16、能电网时代的到来，智能电网 重视需求侧资源的概念引入了公众热烈关注的视 野中，目前许多国家从政府、证券市场到发电公司、 电网公司，以及相关的IT企业均投入了较多的政 策支持、资金支持和研发力量34-35,必将推动需求侧管理的大力发展。以前电网中的需求响应项目由于计量仪器的安 装成本问题，多属局部、零散地面向大的工业、商业 用户，且没有形成系统性，据美国加州的一份报告显 示36:智能电网出现前，单个用户安装智能仪表需 要大于3 000美元,现在只需要50美元，而且大范 围安装还能更便宜，若包括整个信息、通信及控制系 统的成本，平均每个仪表只有100美元。其主要原 因是规模经济。根据美国纽约公共服

17、务委员会（New York Public Service Commissio n）的一份报告,单个安装是规模安装费用的7倍。4）智能电网通过创新营销策略，引导用户主动参与电力市场竞争，实现有效的需求侧响应，改善了 以往主要由政府或电力公司推动需求侧管理实施的 尴尬局面。智能电网提供了双向互动的营销技术和机制支 持，使需求侧管理的实施由过去的政府行为、政策导 向自然过渡到市场机制条件下运行，过去由于缺乏先进的计量、通信手段而无法给出具有说服力的需 求侧管理措施的收益分摊、投资回报情况，在智能电网时代均得到有效解决。在经济效益的驱动下，从电力公司到电力用户到整个社会，对于需求侧管理 项目的推行必将

18、投入更多的热情和信心。5）智能电网框架下的需求侧管理项目不仅有利于电力工业的稳定可靠运营，而且会产生巨大的社 会和环境效益。需求响应和智能电网技术结合后会 在以下6个方面产生积极作用：减少或维持用户 的电力成本（不管大用户还是小用户）;给用户提 供新的信息、技术和工具来控制电费账单，增加能源使用效率：提高整体电网的安全可靠性，以及灾害 后的自恢复能力；增加能源的独立性，减少过分对 化石燃料的依赖；减少二氧化碳的排放；推动经 济新的增长点，并提供就业机会。Google的研究显示，如果家庭用户能够及时了 解家用电器的耗电详细信息，就会使自己每月的电 费开支下降5%15%。如果全美国有一半家庭每 个

19、月节省这么多开支，减少的碳排放量相当于减少 800万辆汽车的行驶。在PJM电力市场，大多数时间只需要45 GW 的电力供给，每年2%（小于200 h）的需求会增至 75 GW,如果在这些时间内用户参与需求响应，就可以减少15%的发电厂建设。据美国Baltimore煤气与电力（BGE）公司实算,需求响应资源的价格为19专题研讨智能电网 王蓓蓓，等 智能电网框架下的需求侧管理展望与思考5美元/kW,比新建峰荷发电便宜1/4到1/3。2现有智能电网下需求侧管理的实践案例 发达国家开始智能电网建设工作较早，已经有些需求侧管理和智能电网结合的良好案例，下面以美国和欧盟的一些实践情况说明未来智能电网 架下

20、需求侧管理推广的美好前景。1）美国的情况美国科罗拉多州波尔得（Boulder）市已经成为 美第1个智能电网城市。每户家庭都安装了智能 表。人们可以很直观地了解当时的电价，从而把些工作，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时 段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能 清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的 电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。美国佐治亚电力（Georgia Power）公司推行了界上最大规模的实时电价项目，拥有1 700个工 业用户参与其中，峰时段负荷达到5 GW,当峰时 出现尖峰电价时，可以产生大于1 GW的负荷削 ，目前项目运行良好，取得了很好的用户满意度。 一些I

21、T企业也瞄准商机，纷纷开展相关软件 品的研发工作，如Google公司的智能电表 owerMeter）软件，可以对用户家中电器和照明设 的用电情况进行智能分析，然后把结果传到用户 计算机中，用户可以随时看到自家的用电数据构 。OATI公司的webSmartRetail软件，为系统运 人员提供可调度或可控负荷的可见、可控能力；为个终端用户提供实时电价信息和决策支持系统，助用户根据自身用电情况最大化收益，用户也可随时监控自己的用电情况，对于变化的电价或系 信号作出反应。2）欧盟的情况作为全球第三大电力公司的意大利ENEL公37对2002年到2005年期间的智能读表项目共 资21亿欧元，已安装3 00

22、0万个智能电表 通过电 载波通信，每年在电力高峰运行时段具有3 GW高峰负荷削减能力，相当于电网负荷的 5%大大 高了电网运行的可靠性、经济性，该项目年节约电运行费用4亿欧元5亿欧元，成本回收期为 年5年。在欧盟15国广泛使用的一种 ECMS系统38是 盟第5框架计划下的重点项目，针对终端用户的 力设备，提供可编程的自动用电管理方案，利用配网络作为通信介质，有效降低成本，可减少总电力 求1%4%减少1.5%5.0%的二氧化碳排 ，节约2%8%的发电项目投资。欧盟第7框架下的ADDRESS项目39是一个 历时4年（2008 2012）的大型研发项目，其目标是 有效地为广大电力用户（从大工商业用户

23、到小的家 庭用户）提供参与实时电价响应的手段 ，充分利用需 求侧资源为欧洲电网、电力市场提供高效、灵活、可 靠和高质量的解决方案。3面向智能电网的需求侧管理建设步骤和 建议中国经过20多年的积极探索和实践，在加强电 力需求侧管理实施方面已经迈出了实质性步伐。电 力需求侧管理理念已经被越来越多的人所接受，成为化解电力供求矛盾的有效手段，保证电力安全运 行的有力措施和促进可持续发展的重要途径。结合 中国实际情况，面向智能电网的需求侧管理建设分 4个阶段。整个过程的实现应该与市场的发展过程 以及竞争模式相适应，从调查研究出发，紧密结合实 际情况，循序渐进，分步实施。第1阶段：电力公司需要构建智能营销

24、组织模 式，实现营销管理的现代化运行和营销业务的智能 化应用。该阶段的任务是立足于当前“电能信息采 集与运行管理系统”的智能化改造，实现电力销售各 个环节电能信息一体化采集、监控、集成和综合应 用。通过自动远程抄表、一体化实时远程监控、在线 能效评估和优化决策，工作人员能够随时了解客户 用电详情，并通过经济、技术手段指导客户科学、合 理和经济用电。第2阶段:针对大工业和商业用户加装智能电表，开展用户智能用电管理与服务 ，并将此项业务逐 步推进到居民用户。随着电力公司智能营销体系的 建立和完善，可以逐步开展从大工业、商业到居民用 户加装智能电表的工作。智能电表是智能电网建设 的启动项目和重要基础

25、设备。有了智能电表的技术 支持和通信保证，可以首先通过可中断负荷管理和 直接负荷控制等简单方式开展系统紧急状态的需求 侧响应计划，吸引能够改善系统可靠性的负荷响应 资源参与到系统的可靠性管理，并依据智能计量装 置的量测结果给予用户合理的经济补偿。第3阶段:构建供需智能化信息双向互动体系，实现电网与用户的双向信息互动，鼓励用户参与各 种需求响应项目，提高电网运行的可靠性和经济性。 通过系统紧急状态的需求侧响应计划累积了一定工 作经验后，可以在电网中考虑全面引入基于市场价 格激励的需求侧响应计划，鼓励用户根据市场的实 时供求关系随时调整自己的用电方式 ，允许需求侧 用户在发电市场申报需求价格曲线，

26、并随着辅助服20009, 33(20)市场的发展和完善，允许需求侧资源参与辅助服 市场的竞价。第4阶段:通过智能电网推动家庭智能管理系 、智能楼宇、智能家电、智能交通等领域的技术创 ，支持用户使用分布式电源，改变终端用户用能模 ，使用户不仅具有充分的选择权进行供电服务商 选择,而且可以以需求侧报价的方式从电网中买 或向电网出售电能，提高能源利用的市场性、独立 和安全性。结语智能电网已经成为未来电网的发展方向，使电智能化的核心就是全面、动态地整合用户侧资源，括负荷以及电力使用的相关信息。因此，需求侧理是智能电网最重要的组成部分之一。虽然智能 网框架下的需求侧管理遇到了前所未有的发展机 ，但中国在

27、具体实施过程中必须吸取国外的发展 验，并结合实际情况积极进行创新；智能电网推动 信息双向互动为需求侧管理发展带来便利的同 ，也带来了信息安全的风险，对于信息采集安全 感器)、通信安全和数据安全等工作都要给予高 重视，以防止黑客的入侵和病毒的攻击；在大力增对智能电网、需求侧管理项目建设的资金投入和 款支持过程中，要关注并积极防范投资风险，且由 是系统工程，短期内不一定会取得显著收益。参考文献Europea n Commissio n. Europea n tech no logy platform smartgrids: vision and strategy for Europe electr

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