智能電網需求側的能效改善與高效化

李承顥

摘 要：闡述了智能電網的概念和組成，指出了需求側管理的內涵，對需求側能效改善方案進行了針對性研究，細述了能源使用更加高效化的新技術，最后總結了智能電網及各個能效改善方案和新技術的研究現狀及發展趨勢。

關鍵詞：智能電網；需求側管理；能效改善

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0183-02

當前，節能減排、綠色能源、可持續發展已成為我國發展的一個目標，智能電網利用可再生能源，通過分布式發電等一系列信息技術，實現電網可控制、可檢測、自動化的高度智能化互動化，完美契合了發展目標。我國對智能電網的研究在此背景下高速發展，從2007年開始，中國國家電網提出了以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，利用先進的通信技術和控制技術，構建以信息化、自動化、互動化為特征的國際領先、自主創新、中國特色的堅強的智能化電網[1]。

需求側是智能電網中最直接反饋性能的環節，它面對數以億計的用戶，在電力市場、基礎設施建設、終端控制與管理等方面支持著智能電網的功能，并在能源利用率、環境保護、互動性等方面直接體現出智能電網相比于傳統電網的優越性。隨著社會的發展和進步，僅就需求側而言，分布式發電、儲能、電動汽車及各種新興用電形式相繼出現，電能需求日益增加，用電方式愈發復雜多樣化，除此之外，人口的高度集中化（例如我國北上廣等一線城市及東部沿海地區的大中城市），進一步加劇部分地區電力負荷激增，影響傳統電網的平穩運行。而針對上述問題，采用靈活互動的用電機制、智能有效的用電分配方式、高效節能的能源使用方式對需求側管理來說也顯得尤為重要。

但在智能電網的需求側仍存在許多問題，比如能源的利用率不高和能效問題本文將綜述智能電網的概念及需求側管理，重點介紹需求側能效改善方案及新技術，結合智能電網當前的應用現狀簡要分析其未來發展趨勢。

1 智能電網及需求側管理

1.1 智能電網概念

根據IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske對智能電網的理解，智能電網有三個層面的定義[2]：首先是利用傳感器對關鍵設備的運行情況進行實時監控，并保證從發電廠到用戶之間的信息都是雙向流動的；然后把得到的數據信息通過網絡進行整合、處理；最后在需求側對整個電網系統進行優化管理。

中國電力科學研究院的陳樹勇教授給出的定義是[2]：智能電網就是通過傳感器把各種設備、資產連接在一起，形成一個客戶服務總線，從而對信息進行整合分析，以此來降低成本，提高效率，提高整個電網的可靠性，使運行和管理達到最優化。

文獻[3]給出如下定義：智能電網是以開放的系統和共享信息模式為基礎，將網絡轉化成互動運轉的新型模式。其中電子終端將用戶與網絡之間形成互動和即時連接，數據讀取效果及時高效并且可以分類整合。

概括來說，智能電網，即電網的智能化，是現代信息系統與傳統能源結構相結合的新電網系統。應用控制、自動化、智能建筑和設備等多種新技術協同工作， 與電網的基礎設施高度集成，以數字的方式應對用戶的能源需求。

1.2 智能電網的構成

將發電機、配電裝置、變壓器、電力線路及各種用電設備連接在一起組成的統一整體，稱為電力系統。在我國，習慣將電力系統稱作電網，智能電網就是數字電力系統概念的升級。

（1）靈活的分布式電源。智能電網的優勢之一就是兼容性，既支持火力發電等傳統能源的集中式接入，又支持風電、水電等清潔能源的分布式接入。當大電網因雷電等自然天氣遭到嚴重破壞和人為損壞時，這些分布式電源可以自行向用戶供電。（2）堅強的骨干網架。特高壓電網和各級電網組成了電力“高速公路”，在全國范圍內進行資源優化配置，并保證了長距離、大負荷輸電情況下電網的穩定性。（3）信息交互的用電需求側。需求側包括配電網、可通信的電力設備和終端，其關鍵是與用戶的信息交互，從而達到對整個電力系統運行的優化監管，提高用電的效率和對環境的保護。從整體上來說，需求側是最直接的，對管理者也是最關鍵的。

1.3 需求側管理

需求側管理DSM（Demand Side Management）指的是通過科學有效的措施，引導用戶進行用電方式的優化，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電力消耗和電能的需求，來達到保護環境和節約能源的用電管理活動。

需求側管理包括能效管理和負荷管理兩部分[5]。能效管理旨在通過用戶采用先進技術和應用高效電力設備等手段實現提高終端用電效率、減少用電消耗以及減少排放的目標；負荷管理是指通過負荷調整技術改善用戶的用電行為和用電方式，從而達到降低電網最大負荷的目的，進而取得節約電能、減少系統裝機容量的效果。

需求側管理是智能電網框架下的重要組成部分，是實現其建設目標的關鍵技術保障，因此，對需求側管理的研究備受關注。

2 需求側能效改善方案

長久以來，電力工作研究人員將重心放在電力的發輸配階段，例如提高發電效率、提升電網的傳輸能力、完善配電網等等，但這并不能從根本上解決電力生產和消費之間的矛盾[6]。為了解決這一矛盾，需從根本上改善需求側的能效問題。當前常見的能效問題包括因用戶與電網無法實時互動而造成的能源浪費，化石能源燃燒造成的環境污染和燃燒效率低下，閑時情況下家電造成的能耗損失等，下述三種方案則對需求側的能效問題進行了有針對性的改善。

2.1 區域供能系統

文獻[7]給出區域供能系統的定義，是指設置在用戶側及用戶附近且能提供能源的系統，包括電能、熱能、冷能等用戶直接需要的能源。系統中包含節能環保的發電裝置，在給用戶供電的同時，利用發電余熱供熱和制冷，有效的改善了能源利用效率。

區域供能系統既可以獨立運行，又可以并網運行。獨立運行時，系統切斷了去主電網的聯系，通過風力發電、光伏發電等分布式能源向用戶供電，可以保障區域內供能的安全獨立。但是它的缺陷是這些分布式能源具有很強的不穩定性和隨機性，所以難以滿足區域長期的供能需求。并網運行時，區域內用戶和電網是雙向互動的。若區域內分布式能源產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；若分布式能源無法滿足用戶全部的能量需求，可將主電網的電能供給用戶，以此間接實現了用戶與電網見的互動，避免能源浪費。

2.2 光伏直流照明系統

光伏直流照明系統是利用太陽能提供照明的系統，由太陽能光伏電池板、儲能蓄電池、系統控制器、保護裝置、負載及附屬鏈接線纜組成[8]。安裝在屋頂的太陽能光伏電池板收集不穩定的太陽能并轉換成直流電能，系統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，蓄電池用于儲備系統用戶的剩余電能，附屬鏈接線纜用來傳輸電能，同時系統中的保護裝置可以檢測儲能蓄電池的充放電過程，以防止過度放電及過度充電對蓄電池的損害。

如今，全球的光伏太陽能逐步代替傳統化石能源，并成為增長最快的可再生清潔能源之一，但仍然供不應求。隨著制造工藝的高效化，光伏系統的成本將繼續下降。光伏直流照明系統的優勢隨之體現出來，一方面不產生傳統化石能源在能量轉化期間的污染物，另一方面相對于傳統的交流整流照明系統有著更高的能源利用效率，極具發展前途。

2.3 智能家居系統

在家庭應用方面，智能家居系統是智能電網在需求側管理的成功解決方案。它以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、網絡及通信技術、綜合布線技術、無線技術，將與家居生活有關的各種用電設備及子系統有機地結合在一起，實時的監控和啟停各種家用電器，以節約用電成本，提高能源利用率。

以智能電網和智能家電為基礎，采集各用電設備的用電信息，應用大數據技術統計分析用電數據，有針對性的為用戶提供節能方案，幫助用戶合理用電，從而達到能效改善閑時家電能耗損失的目的[8]。

3 需求側的能源使用高效化新技術

在現有階段，能源浪費嚴重，化石能源提供動力的能源轉換效率15%-20%之間，轉換成電能的效率也只有40%-58%，能源轉換效率低，出現了極大的能源浪費。為了改善供需不平衡和能源轉換效率低下的問題，需要利用新技術提高能源利用效率。

3.1 信息技術

利用電子感應、探測、遙控等信息技術實時跟蹤用戶的需求，在進行智能化的分析和控制之后進行精確供能[9]。在智能照明系統中，應用傳感技術和通信技術實時監控與跟蹤供電情況，自動平滑地調節電路的電壓和電流幅值，降低因不平衡負荷產生的額外功耗，以實現優化供電的效果；利用傳感探測技術，通過安裝在房間的傳感器獲取亮度信息，并通過智能手機的遙控技術對房間的智能家居亮度進行智能控制，將房間亮度穩定在用戶的期望值。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

智能電表由微控制器、外圍器件及電能計量芯片等組成，其工作原理是電能計量芯片將采集到的電能信息進行分析處理，再將數據傳輸至微控制器并由微控制器實現其功能[10]。智能電表可以將傳統的化石能源和新型的太陽能、風能等各種能源形式的測量數據匯總，在分析比較后做出綜合判斷，對于用戶而言不僅可以享受優質的供電服務，而且降低了用電成本；對于電網來說既保障了電網的安全穩定，又提高了能源利用效率；對于社會和環境來說，除了直接的節能環保效益，也促進了可再生能源等高效發電方式的推廣。

智能電表有著廣泛的功能應用：結算和賬務、配網狀態估計、電能質量和供電可靠性監控、負荷的分析建模和預測、電力需求側響應、能效監控和管理、用戶能量管理、節能、電表管理、負荷遠程控制、非法用電檢測等[10]。這些應用功能的實現代表著未來節能型終端向智能化終端演變的發展方向。而我國目前的大部分智能電表只能實現自動遠程抄表僅實現了最基礎的結算和賬務功能，最重要的提高用電效率和節能的功能還沒有實現。

4 智能電網現狀及發展趨勢

從整體上來說，目前我國的智能電網建設尚未完全，比如堅強骨干網架尚未建成，各區域電網主干網架較為薄弱，線路走廊利用率不高，需求側能源利用率不高等。在需求側通過對新技術的創新利用，可以將用電信息反饋給用戶，有助于其調整用電模式，改變用電理念，提高用電效率，同時可以促進分布式能源的接入，從而達到智能互動和綠色節能的智能電網的發展趨勢。

對智能電網能效改善方案的研究也敢剛開始，目前還處于摸索前進的狀態。未來區域供能系統的發展趨勢是規模大型化、能量低碳化、供能多樣化[7]，以滿足用戶對多種類型能量的需求和應對當前需求側的能效問題。光伏直流照明系統的發展趨勢必將是向東部人口密集城市擴展，以緩解大人口城市的用電緊張。隨著智能家居的普及，智能家居系統才能組成并完善，其趨勢是使用戶從被動的服務接受者轉變為主動的節能參與者，從而使智能電網的理念深入人心。

當前，能源高效化新技術已受到了全球范圍的廣泛重視。信息技術的研究已經有了一定的基礎，智能電表技術的功能應用尚不完善，需要形成系統的研究。隨著新技術的系統化，未來智能電網需求側的規模和形態也將發生重大的改變。

5 結語

隨著我國經濟的發展，能源緊張問題更加突出，智能電網的出現在很大程度上緩解了壓力，但電力供需矛盾仍然嚴重，這就要求在需求側加強用戶自身的作用。以家庭為單位實施能效改善方案，輔之以新技術，電力需求可以自給自足，電力信息雙向傳輸，優化資源配置。

因此，智能電網的研究核心是以人為本，以可持續發展為目標，以創新為動力，不斷提高能源利用效率，降低用戶電費支出，實現節能減排。

參考文獻

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