智能電網下的用戶節能行為監管方案探討

秦興美

江蘇省城市規劃設計研究院有限公司，江蘇南京，210019

0 引言

我國在近幾年提出了建設資源節約型、環境友好型社會的發展思路，因此給電力系統的發展以及供電服務質量等方面提出了更高的要求。在此背景下，國家電網公司提出了建設“以特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，以數字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網”的發展目標[1]。

供電部門與用戶之間的友好雙向交互是智能電網的重要特點和建設目標[2]，可實現供電部門與用戶之間雙向互（信息、需求等）。用戶既可作為負荷、也可作為電源接入電網，參與電網負荷管控的同時，電能若有盈余可用于電網再調配。電網實時掌握用戶負荷需求，可通過對用戶合理引導，來對電能資源進行優化配置，提高經濟性，增強穩定性[3]。不過，要實現這個目標，不僅關系技術層面，還涉及用戶的節能意識以及政府對用戶節能行為的評價與監管。

目前我國評價與監管主要集中在設備本身，僅以產品節能降耗、環保優化等為重點，而對用戶的節能監管幾乎還處于空白，僅靠民眾自主意識來實現用戶自覺節能，缺乏有效引導制約。本文首先分析了智能電網引入的技術變革對用戶節能監管所帶來的影響和機遇，然后以智能電網下電動汽車與電網的互動技術（Vehicle to Grid，V2G）為例，提出建立智能電網下的節能數據庫，并細化出反映電動汽車用戶節能行為的節能參數，為政府對用戶節能行為的監管提供有價值的量化信息。最后，結合物聯網下的節能監管方案，給出了一些實驗探討結果。

1 智能電網對節能監管的推動

1.1 智能電網為節能監管提供技術保障

盡管傳統電網的自動化水平顯著提升，但系統內信息孤島依舊存在，信息共享能力差，無法形成實時、統一的有機整體，電網總體智能化程度偏低[4]。而智能電網是將先進的傳感測量和自動控制技術、現代信息及計算機技術、電力電子技術同原有的輸、配電設施高度集成的新型電網[5]。新型智能電網下先進的計量、通信和控制手段將對用戶節能監管提供強大的技術保障。

智能電表技術是智能電網發展的一項關鍵技術，它能以設定的方式測量、收集和分析用戶的用電數據，并與用戶的自動化系統相連，實現智能電網與用戶間的開放式雙向通信[6]。電網公司可以監測電網的運行狀態，掌握用戶的用電規律，進行實時的分析和決策，限制部分用戶的用電行為，優化電網的所有投資和運行費用。用戶可以根據需要和實時電價的考慮，合理制定自己的用電計劃，節約用電成本。如此便能很好地促進用戶主動關注和參與維護電網穩定運行，在引導用戶節能的同時培養用戶主動節能的意識，獲得電網公司和用戶的雙贏。

1.2 智能電網為節能監管提供政策和資金支持

2005年，為構筑數字化電網與建設信息化企業，國家電網公司啟動SG1860工程[7]。2009年5月，國家電網公司提出了“建設堅強智能電網”的發展計劃。繼2009年之后，2010年國家電網公司啟動第二批試點項目[8]。中國從政府、證券市場到發電公司、電網公司，以及相關的IT企業對智能電網也都投入了巨大的資金支持和研發力量，智能電網的發展勢不可擋，這也為用戶節能監管體系的建立提供充分的政策和資金支持。

2 智能電網與電動汽車的關系

2.1 電動汽車對電網的沖擊

我國電網的現有特點：負載曲線波動大，最高用電負荷與電網可提供最大電量相差不大。而當電動汽車廣泛投入使用后，其充電（尤其是快速充電）將會對電網負荷造成極大的影響。

以上海為例，截至2022年6月底，上海機動車保有量達522萬輛，其中汽車451萬輛，新能源汽車71萬輛。按將來其電動汽車保有量100萬輛來計算，每輛電動汽車慢速充電的功率為40kW，假設有1%的電動汽車同時充電，那么給電網帶來的負荷就是40萬kW。若再考慮電動汽車的快速充電（功率為200～300kW），那么在夏季用電尖峰期很可能造成電網過載，如果不采取措施，這種情況就會導致停電事故頻發。

2.2 傳統電網的峰谷負荷

我國現狀電網供應峰谷差問題極為嚴重。北上廣深等一線城市的峰谷差率（峰谷負荷差與高峰負荷的比）較高，2022年6月21日，北京電網負荷最大達到2158萬千瓦，而北京市電網夏季空調負荷約為1400萬千瓦，夏季最大峰谷差率已經超過了50%。一方面，供電部門需要不斷增加發電機組容量，以滿足日間高峰負荷增長需求（年出現次數較少）；另一方面，供電部門還需采用相關技術手段進行削峰填谷，谷時電能浪費、損耗嚴重，電能利用效率低、設備重復投資經濟性不高。

2.3 智能電網下電動汽車的V2G

根據相關統計數據分析，九成左右的乘用車每日行駛時間不超過1小時，多數車輛停駛狀態時間較長[9]，電動汽車保有量達到可觀比例后，當電動汽車處于停駛狀態時，可采取一定的激勵措施，讓電動汽車以儲能裝置（移動分布式）的身份接入電網，達到電能可控互動的目標[10]。適應智能電網要求的電動汽車V2G結構框圖如圖1所示，其中雙向智能控制裝置為V2G技術中的關鍵功率部件，具有能量雙向流動功能，具有充電、饋電兩種工作模式。充電狀態下只對車輛充電，饋電模式可將電池能量回饋至電網。后臺管理系統下發充放電控制指令，裝置根據車輛電池當前SOC（荷電狀態）進行充、放電操作，實現能量的雙向流動。

圖1 智能電網下電動汽車V2G 結構框圖

智能電網下電動汽車V2G，可實現供電部門和電動汽車用戶雙贏：對供電部門，電動汽車作為移動分布式儲能裝置，可有效提高谷時電能利用效率（吸收電能），緩解峰時負荷高峰壓力（回饋電能）；電網出現故障時，電動汽車還可作為應急提供電源支撐，運行可靠性顯著提升。對電動汽車用戶，用電模式進一步優化提升，利用谷時低價買入充電，峰時高價售賣回饋電網，整體降低了使用成本[10]。如此，電動汽車不但不會增加電力系統的尖峰負荷，反而能使其負荷平均化，減少電能的浪費。

3 智能電網下的節能監管方案探討

這里以上文介紹的電動汽車產業為例，對智能電網下用戶節能監管方案進行探討。

3.1 節能數據庫的建立

目前，國內探討較多的是建立個人誠信的數據庫，本文針對智能電網下的節能監管問題提出建立用戶的節能數據庫，并細化出反映用戶節能行為的參數，例如節能意識評價參數、節能貢獻評價參數、用戶節能綜合參數等，為政府對用戶節能行為的監管提供有價值的量化信息。

3.1.1 節能意識評價參數

式（1）中：△N為凈充放電次數；N1為用戶充電總次數；N2為用戶賣電總次數。

式（2）中：N11為用戶在電網負荷高峰時的充電總次數；N12為用戶在電網負荷低谷時的充電總次數。

式（3）中：N21為用戶在電網負荷高峰時的賣電總次數；N22為用戶在電網負荷低谷時的賣電總次數。

式（4）中：α為用戶節能增效意識評價參數，它反映了用戶節能意識程度，也就是根據用戶在高峰和低谷充放電次數的凈差占總的充放電次數的百分比，來評價該用戶的節能意識，這里充電次數與賣電次數的計算是根據最低充放電量來確定，以防止人為地刷高意識評價參數；r1為高峰意識評價系數；r2為低谷意識評價系數，其中，r1＞r2＞0，根據不同地區的電網峰谷情況，可以對應調整r1和r2的大小，進而鼓勵用戶的高峰放電以及低谷充電的行為。

3.1.2 節能貢獻評價參數

式（5）中：△C為凈充放電量；C1為用戶充電總量；C2為用戶賣電總量。

式（6）中：C11為用戶在電網負荷高峰時的充電總量；C12為用戶在電網負荷低谷時的充電總量。

式（7）中：C21為用戶在電網負荷高峰時的賣電總量；C22為用戶在電網負荷低谷時的賣電總量。考慮到用戶節能意識評價參數僅僅反映了該用戶賣電次數百分比，這里再引入用戶節能貢獻評價參數，定義為：

式（8）中：β為用戶節能貢獻評價參數，它反映了電網所需用戶賣電的急迫程度。也就是根據用戶在高峰和低谷充放電量的凈差占總凈差的百分比，來評價該用戶對電網的節能貢獻。k1為高峰貢獻系數；k2為低谷貢獻系數，其中，k1＞k2＞0，根據不同地區的電網峰谷情況，可以對應調整k1和k2的大小，進而鼓勵用戶的高峰放電以及低谷充電的行為。

3.1.3 用戶節能綜合參數

式（9）中：p為用戶節能綜合參數，它用來綜合評價用戶的節能行為；r為節能意識評價系數，它代表用戶節能意識在綜合評價參數中的權重；k為節能貢獻評價系數，它代表用戶節能貢獻在綜合評價參數中的權重。其中，r＞0，k＞0，可根據實際情況改變其大小，進而體現系統對用戶節能意識和節能貢獻的重視程度。

如此，計算出用戶節能評價積分后便可以對用戶節能行為進行監管。例如可以設置買電價格與節能積分成反比，賣電價格與節能積分成正比，即節能積分高的買電價格低、賣電價格高，例如以1個節能積分代表0.1元，節能積分每增加1個買電價格就減少0.1元，賣電價格就上漲0.1元。

3.2 物聯網身份識別融合

上節提出了建立智能電網下的節能數據庫，以對用戶的節能行為進行量化，給政府的節能監管提供有價值的信息。本節為了實現節能數據庫的最大化共享以及對智能電網下的節能行為進行統一監管，提出智能電網的節能監管建設應該與物聯網相融合。物聯網是指通過相關感知設備，如射頻識別（RFID）、激光掃描、紅外感應、GPS等，按相關通信協議，將互聯網與具體設施互聯，進行通信及數據交互，對具體設施進行辨識、跟蹤、定位、監管的一種網絡[11]。本節還是以智能電網下電動汽車產業為例，來探討擴展至物聯網的節能監管方案。

方案利用身份識別技術，構建智能化識別、監控和管理的電動汽車充放電系統的物聯網網絡。在這個網絡中，每個用戶有一張獨立的ID卡，記錄該用戶的充電次數、賣電次數、充電量、賣電量以及各種節能參數等信息，后臺管理系統根據這些信息對該用戶進行扣費、返費計算，并且對節能意識評價參數、節能貢獻評價參數以及個體節能綜合參數等個體節能參數進行更新后傳送給ID卡及物聯網中的節能數據庫保存。用戶再次消費時，后臺管理系統會根據物聯網傳輸的信息，給用戶顯示當前快速充放電的電價、名額以及節能參數等信息。這樣對于售電公司而言，可以隨時限制不節能用戶的頻繁充電，鼓勵用戶進行節能和負荷高峰時賣電。對于用戶而言，在明確了自己的節能參數后，就可以根據需要科學地制定自己的買電賣電計劃，在自身利益最大化的同時，節約了國家資源。

4 實驗探討

根據上節分析給出系統的整體方案綜合圖如圖2所示。該系統主要分為五級，最底層是電動汽車及車主，第二級是PLC監控子站、電源及測量系統，第三級是PC機，第四級便是物聯網及相關部門，第五級是智能電網。

圖2 電動汽車節能監管方案圖

以電動汽車產業為例，結合上節所述物聯網下的節能監管方案，本文初步實現了監管系統框架。在此系統中，每個用戶有一張ID卡，記錄了該用戶的所有用電信息以及節能意識評價參數、節能貢獻評價參數和節能綜合參數等個體節能信息。每次刷卡消費，控制系統都會將更新的數據傳輸給ID卡及物聯網中的節能數據庫保存；針對智能電網下的電動汽車，可以實現普通充電、快速充電、饋電等功能；可運用節能積分與價格兩個因素來對用戶的快速充電行為進行限制，當節能積分小于0時，快充價格高于節能積分大于0時的價格，每進行一次快充行為，節能積分都會相應降低；每進行一次饋電行為，節能積分會相應增加；當節能綜合積分不達標時，用電價格會較高，并且用電行為會受到限制，反之，用電行為會受到支持。

5 結語

本文從智能電網下電動汽車與電網的互動技術入手，提出了建立智能電網下的節能數據庫，并細化出反映用戶節能行為的參數，為政府對用戶的節能監管提供有價值的量化信息。在此基礎上，為了實現節能數據庫的最大化共享以及對智能電網下的節能行為進行統一監管，提出智能電網的節能監管建設應該與物聯網相融合。智能電網的建設應充分發揮以人為本的理念，調動用戶節能的積極性，在獲取自身最低用電成本的同時節約國家資源，以實現智能電網的最優化用電模式。