智能电网需求侧的能效改善与高效化

李承颢

摘 要：阐述了智能电网的概念和组成，指出了需求侧管理的内涵，对需求侧能效改善方案进行了针对性研究，细述了能源使用更加高效化的新技术，最后总结了智能电网及各个能效改善方案和新技术的研究现状及发展趋势。

关键词：智能电网；需求侧管理；能效改善

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0183-02

当前，节能减排、绿色能源、可持续发展已成为我国发展的一个目标，智能电网利用可再生能源，通过分布式发电等一系列信息技术，实现电网可控制、可检测、自动化的高度智能化互动化，完美契合了发展目标。我国对智能电网的研究在此背景下高速发展，从2007年开始，中国国家电网提出了以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信技术和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的国际领先、自主创新、中国特色的坚强的智能化电网[1]。

需求侧是智能电网中最直接反馈性能的环节，它面对数以亿计的用户，在电力市场、基础设施建设、终端控制与管理等方面支持着智能电网的功能，并在能源利用率、环境保护、互动性等方面直接体现出智能电网相比于传统电网的优越性。随着社会的发展和进步，仅就需求侧而言，分布式发电、储能、电动汽车及各种新兴用电形式相继出现，电能需求日益增加，用电方式愈发复杂多样化，除此之外，人口的高度集中化（例如我国北上广等一线城市及东部沿海地区的大中城市），进一步加剧部分地区电力负荷激增，影响传统电网的平稳运行。而针对上述问题，采用灵活互动的用电机制、智能有效的用电分配方式、高效节能的能源使用方式对需求侧管理来说也显得尤为重要。

但在智能电网的需求侧仍存在许多问题，比如能源的利用率不高和能效问题本文将综述智能电网的概念及需求侧管理，重点介绍需求侧能效改善方案及新技术，结合智能电网当前的应用现状简要分析其未来发展趋势。

1 智能电网及需求侧管理

1.1 智能电网概念

根据IBM中国公司高级电力专家Martin Hauske对智能电网的理解，智能电网有三个层面的定义[2]：首先是利用传感器对关键设备的运行情况进行实时监控，并保证从发电厂到用户之间的信息都是双向流动的；然后把得到的数据信息通过网络进行整合、处理；最后在需求侧对整个电网系统进行优化管理。

中国电力科学研究院的陈树勇教授给出的定义是[2]：智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接在一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化。

文献[3]给出如下定义：智能电网是以开放的系统和共享信息模式为基础，将网络转化成互动运转的新型模式。其中电子终端将用户与网络之间形成互动和即时连接，数据读取效果及时高效并且可以分类整合。

概括来说，智能电网，即电网的智能化，是现代信息系统与传统能源结构相结合的新电网系统。应用控制、自动化、智能建筑和设备等多种新技术协同工作， 与电网的基础设施高度集成，以数字的方式应对用户的能源需求。

1.2 智能电网的构成

将发电机、配电装置、变压器、电力线路及各种用电设备连接在一起组成的统一整体，称为电力系统。在我国，习惯将电力系统称作电网，智能电网就是数字电力系统概念的升级。

（1）灵活的分布式电源。智能电网的优势之一就是兼容性，既支持火力发电等传统能源的集中式接入，又支持风电、水电等清洁能源的分布式接入。当大电网因雷电等自然天气遭到严重破坏和人为损坏时，这些分布式电源可以自行向用户供电。（2）坚强的骨干网架。特高压电网和各级电网组成了电力“高速公路”，在全国范围内进行资源优化配置，并保证了长距离、大负荷输电情况下电网的稳定性。（3）信息交互的用电需求侧。需求侧包括配电网、可通信的电力设备和终端，其关键是与用户的信息交互，从而达到对整个电力系统运行的优化监管，提高用电的效率和对环境的保护。从整体上来说，需求侧是最直接的，对管理者也是最关键的。

1.3 需求侧管理

需求侧管理DSM（Demand Side Management）指的是通过科学有效的措施，引导用户进行用电方式的优化，提升终端的用电效率，合理配置电力资源[4]。也就是在不影响用户正常使用电需求的情况下减少对电力消耗和电能的需求，来达到保护环境和节约能源的用电管理活动。

需求侧管理包括能效管理和负荷管理两部分[5]。能效管理旨在通过用户采用先进技术和应用高效电力设备等手段实现提高终端用电效率、减少用电消耗以及减少排放的目标；负荷管理是指通过负荷调整技术改善用户的用电行为和用电方式，从而达到降低电网最大负荷的目的，进而取得节约电能、减少系统装机容量的效果。

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障，因此，对需求侧管理的研究备受关注。

2 需求侧能效改善方案

长久以来，电力工作研究人员将重心放在电力的发输配阶段，例如提高发电效率、提升电网的传输能力、完善配电网等等，但这并不能从根本上解决电力生产和消费之间的矛盾[6]。为了解决这一矛盾，需从根本上改善需求侧的能效问题。当前常见的能效问题包括因用户与电网无法实时互动而造成的能源浪费，化石能源燃烧造成的环境污染和燃烧效率低下，闲时情况下家电造成的能耗损失等，下述三种方案则对需求侧的能效问题进行了有针对性的改善。

2.1 区域供能系统

文獻[7]给出区域供能系统的定义，是指设置在用户侧及用户附近且能提供能源的系统，包括电能、热能、冷能等用户直接需要的能源。系统中包含节能环保的发电装置，在给用户供电的同时，利用发电余热供热和制冷，有效的改善了能源利用效率。

区域供能系统既可以独立运行，又可以并网运行。独立运行时，系统切断了去主电网的联系，通过风力发电、光伏发电等分布式能源向用户供电，可以保障区域内供能的安全独立。但是它的缺陷是这些分布式能源具有很强的不稳定性和随机性，所以难以满足区域长期的供能需求。并网运行时，区域内用户和电网是双向互动的。若区域内分布式能源产生的电能无法被用户全部消耗，可将剩余电能传送回主电网；若分布式能源无法满足用户全部的能量需求，可将主电网的电能供给用户，以此间接实现了用户与电网见的互动，避免能源浪费。

2.2 光伏直流照明系统

光伏直流照明系统是利用太阳能提供照明的系统，由太阳能光伏电池板、储能蓄电池、系统控制器、保护装置、负载及附属链接线缆组成[8]。安装在屋顶的太阳能光伏电池板收集不稳定的太阳能并转换成直流电能，系统控制器整定收集到的直流电能，供用户照明和日常生活使用，蓄电池用于储备系统用户的剩余电能，附属链接线缆用来传输电能，同时系统中的保护装置可以检测储能蓄电池的充放电过程，以防止过度放电及过度充电对蓄电池的损害。

如今，全球的光伏太阳能逐步代替传统化石能源，并成为增长最快的可再生清洁能源之一，但仍然供不应求。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。光伏直流照明系统的优势随之体现出来，一方面不产生传统化石能源在能量转化期间的污染物，另一方面相对于传统的交流整流照明系统有着更高的能源利用效率，极具发展前途。

2.3 智能家居系统

在家庭应用方面，智能家居系统是智能电网在需求侧管理的成功解决方案。它以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络及通信技术、综合布线技术、无线技术，将与家居生活有关的各种用电设备及子系统有机地结合在一起，实时的监控和启停各种家用电器，以节约用电成本，提高能源利用率。

以智能电网和智能家电为基础，采集各用电设备的用电信息，应用大数据技术统计分析用电数据，有针对性的为用户提供节能方案，帮助用户合理用电，从而达到能效改善闲时家电能耗损失的目的[8]。

3 需求侧的能源使用高效化新技术

在现有阶段，能源浪费严重，化石能源提供动力的能源转换效率15%-20%之间，转换成电能的效率也只有40%-58%，能源转换效率低，出現了极大的能源浪费。为了改善供需不平衡和能源转换效率低下的问题，需要利用新技术提高能源利用效率。

3.1 信息技术

利用电子感应、探测、遥控等信息技术实时跟踪用户的需求，在进行智能化的分析和控制之后进行精确供能[9]。在智能照明系统中，应用传感技术和通信技术实时监控与跟踪供电情况，自动平滑地调节电路的电压和电流幅值，降低因不平衡负荷产生的额外功耗，以实现优化供电的效果；利用传感探测技术，通过安装在房间的传感器获取亮度信息，并通过智能手机的遥控技术对房间的智能家居亮度进行智能控制，将房间亮度稳定在用户的期望值。既可以满足用户的需求，又提高了电能的利用效率。

3.2 智能电表技术

智能电表由微控制器、外围器件及电能计量芯片等组成，其工作原理是电能计量芯片将采集到的电能信息进行分析处理，再将数据传输至微控制器并由微控制器实现其功能[10]。智能电表可以将传统的化石能源和新型的太阳能、风能等各种能源形式的测量数据汇总，在分析比较后做出综合判断，对于用户而言不仅可以享受优质的供电服务，而且降低了用电成本；对于电网来说既保障了电网的安全稳定，又提高了能源利用效率；对于社会和环境来说，除了直接的节能环保效益，也促进了可再生能源等高效发电方式的推广。

智能电表有着广泛的功能应用：结算和账务、配网状态估计、电能质量和供电可靠性监控、负荷的分析建模和预测、电力需求侧响应、能效监控和管理、用户能量管理、节能、电表管理、负荷远程控制、非法用电检测等[10]。这些应用功能的实现代表着未来节能型终端向智能化终端演变的发展方向。而我国目前的大部分智能电表只能实现自动远程抄表仅实现了最基础的结算和账务功能，最重要的提高用电效率和节能的功能还没有实现。

4 智能电网现状及发展趋势

从整体上来说，目前我国的智能电网建设尚未完全，比如坚强骨干网架尚未建成，各区域电网主干网架较为薄弱，线路走廊利用率不高，需求侧能源利用率不高等。在需求侧通过对新技术的创新利用，可以将用电信息反馈给用户，有助于其调整用电模式，改变用电理念，提高用电效率，同时可以促进分布式能源的接入，从而达到智能互动和绿色节能的智能电网的发展趋势。

对智能电网能效改善方案的研究也敢刚开始，目前还处于摸索前进的状态。未来区域供能系统的发展趋势是规模大型化、能量低碳化、供能多样化[7]，以满足用户对多种类型能量的需求和应对当前需求侧的能效问题。光伏直流照明系统的发展趋势必将是向东部人口密集城市扩展，以缓解大人口城市的用电紧张。随着智能家居的普及，智能家居系统才能组成并完善，其趋势是使用户从被动的服务接受者转变为主动的节能参与者，从而使智能电网的理念深入人心。

当前，能源高效化新技术已受到了全球范围的广泛重视。信息技术的研究已经有了一定的基础，智能电表技术的功能应用尚不完善，需要形成系统的研究。随着新技术的系统化，未来智能电网需求侧的规模和形态也将发生重大的改变。

5 结语

随着我国经济的发展，能源紧张问题更加突出，智能电网的出现在很大程度上缓解了压力，但电力供需矛盾仍然严重，这就要求在需求侧加强用户自身的作用。以家庭为单位实施能效改善方案，辅之以新技术，电力需求可以自给自足，电力信息双向传输，优化资源配置。

因此，智能电网的研究核心是以人为本，以可持续发展为目标，以创新为动力，不断提高能源利用效率，降低用户电费支出，实现节能减排。

参考文献

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