市場參與者接入智能電網的能量端口及其特點

曹海權，孫曉璐，馬 超

(1.宜賓電業局，四川 宜賓 644000;2.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065)

隨著社會經濟的發展，電力用戶正在悄然發生變化，其用電行為也越來越受到實時電力管理的驅動，未來電力管理將成為整個電力價值鏈的組成部分［1］。

20世紀80至90年代期間，一些典型能量管理措施(包括需求側管理［2－4］、需求響應［5－7］等)的實施影響了電力工業向以用戶為中心進行轉變。然而，用戶對需求響應方案的接受程度和響應能力卻有所下降［1］。隨著能源價格上漲，用戶著眼于需求響應和能效的意愿也越來越強。然而，這種意愿可能仍不足以提供足夠的可持續性刺激，來使得用戶的用電行為發生必要的改變。此外，電力公司對能效、需求響應，甚至是監管部門的刺激措施仍持謹慎態度，他們列舉了需求側管理方案中的一些不確定結果，包括硬件和客戶服務、通信基礎設施及通用協議的缺乏、聯合風險投資經驗及與零售商合作經驗的缺乏。同時，電力公司和其他電氣服務供應商，在投資用戶相關技術，如電信、英特網技術、家庭和樓宇安全服務，以及其他與用戶相關的服務等方面顯得經驗不足。這些不確定性因素阻礙了一切關于用戶側價值鏈的新投資。

用戶對電力可靠性和用電效率要求的不斷提高導致用戶需對自身成本進行管理，其中信息與控制是進行管理的關鍵［1］。然而，用戶能獲取的僅是他們使用電力后每月或長時間的用電能量信息，而沒有關于用電具體時間、用電模式和使用總量的信息，更沒有關于實時電價、購電選擇權或其他與電有關的服務信息。此外，監管制度僅僅鼓勵電力公司興建足夠的發電、輸電及配電設施以滿足用戶的用電需求，很少有電力用戶被鼓勵或有能力去管理自身的電力需求。因此，雖然有用戶想對其用電進行控制，但卻缺乏進行用電控制的手段。

在智能電網的大背景下，動態能量管理系統［1，8］的實施將從根本上改變這種狀況。動態能量管理系統和數字技術互相協作，能讓用戶更加細致和精確對其用電選擇進行控制。同時，還能提高系統可靠性、降低電力躉售價格、提高資產利用率、減少備用發電和輸電容量的投資。動態能量管理系統為用戶提供用電行為信息可刺激用戶尋找新的電力產品和服務，以便更好地對能量選擇進行管理，并能做出相應的決策，以更好地滿足自身需求。反之，也能刺激企業家提供電力產品和服務來滿足用戶的需求。

因此，激勵更多用戶參與到動態能量管理中對促進智能電網的發展具有重要意義，能量端口(Energy-PortSM)設備［9－12］的應用為這一目標的實現提供了可能?；诖?，先后對能量端口設備的定義、基本特征、技術難點以及設計策略作出詳細介紹。

1 能量端口的定義

能量端口為電網與用戶的分界面，通過采用相關的軟件和硬件來促進能源服務商和用戶設備的的雙方通信［9］。它同時包含“門戶”、“網關”和“智能電表”［1］。到目前為止，“門戶”被狹義理解為與通信數據集線器有關，“網關”通常指一些具體、狹窄的接入點，“電表”是傳統電力公司與電力用戶的交接界面，僅限于對電力消耗量的測量。實際上，“門戶”越來越多地使用于網絡服務器，從而為公司活動提供一個網絡的觀念。能量端口為用戶設施的運行提供了意見，進一步定義了與能量管理系統，甚至是終端子系統和設備間的通信。能量端口由一臺或一套設備組成，使得用戶設施中的智能設備可通過廣域網和遠程系統進行無縫連接。能量端口還具有通信網關功能，使廣域接入網絡與本地用戶網絡在物理上和邏輯上相互連接?？梢韵胂螅芰慷丝谒鶕碛械闹T多本地計算資源將有利于本地監控、數據處理、管理及存儲等功能的實施。

2 能量端口的基本特征

能量端口可讓用戶在以下7個方面受益:安全性、保護措施、便利性、舒適性、通信、能量管理及娛樂［1］。

2.1 簡化樓宇系統

現有樓宇建筑中，以太網、電力、電話、對講機、恒溫器、有線電視、音頻及視頻傳輸、安全線路、門鈴等都采用獨立的系統，同時，一些無線和其它設備通常位于單獨的配線系統中。

在能量端口中，這些系統可通過以下3種方式進行簡化:(1)將其整合成一條混合電纜，該電纜能運行于樓宇的任一方便的插座上，并按居民的需要為插座提供電力、通信和控制服務;(2)將電力載波信號疊加于電力線路;(3)用無線網絡取代除基本供電線路外的其它線路發送信號。

用戶不再為音頻、視頻或電話尋找特定的插孔，也不再將安全系統或對講機運行于單獨的線路。能量端口可以將打印機、傳真機、DVD、VCR、烤面包機、電話、收音機、電視音響或揚聲器等插入一個通用插座，以便它們彼此間能相互連接或連接到所需服務上。

這種通用插座適用于所有常規設備，任何舊的傳統電器都能立即在能量端口中使用，能量端口還能方便地處理電能、其他能源和各種通信的分配和控制。

2.2 安全性

能量端口通過使用閉環系統確保電能更加安全地分配。在電能傳送到任意類型的插座前，設備必須插入插座，且電能還需流經一個小型通信芯片。微處理器將鑒別能量端口上的各臺設備，如果沒有達到以上運行要求，插座上將不存在電能。由于插座沒有有效運行，因此發生電擊和火災的概率也大大降低。

在這個閉環系統中，當設備插入插座后，通信芯片將向系統提供一個設備鑒別信號，同時還提供對設備能源消耗的估計，并讓系統了解設備的狀態——設備是否開啟或關閉，以及設備是否處于正常的工作狀況。電流僅允許通過插座流經設備，同時設備的使用也不斷受到系統的監控。

2.3 可靠性

能量端口能在停電時為用戶提供更多的服務。該系統的幾個部件中都使用了驅動控制裝置，已有基于儲能技術的不間斷電源確保這些部件在主電源故障時能正常運行。不間斷電源允許系統保持完好的指令編入，并執行任何必要的指令操作，同時能為安全和報警系統提供所需的最小能量。

能量端口的另一個優勢在于，當系統停電時，能與其他備用能源，如太陽能發電系統、備用發電機或煤氣發電系統，統一綜合使用。

根據備用電源的大小，能量端口為設備必要的運行選擇提供電能，如冰箱、烹飪及照明設備，這種能力不僅方便，而且在某些家庭場合還是至關重要的。

2.4 分散式運行

能量端口并不是一個電腦控制系統。也就是說，它不僅僅是由一臺電腦來執行任務。能量端口采用分布式智能或分布式控制來執行其功能，這就是之所以高效和可靠的原因。與公司組織的良好管理一樣，決策和行動都在最低可能的水平上以最有效的方式開展。因此，用戶并不需對一切決策和每一項工作負責。

能量端口中，整個樓宇建筑的電源可靠性與通信系統可靠性結合在一起。因此，當系統內任一組件發生故障時，由于分布式控制的作用，大多數問題將被隔離，因而不會影響其他組件的運作。

2.5 用戶界面

用戶與能量端口之間將以不同的方式相互作用。未來建筑內的設備都將受到信號的控制，且任一設備發出的合適信號都可用來執行用戶選擇的功能。墻上的開關不再通過開啟和關閉去控制插座或燈具中的電流，現在它僅需向系統發送一個信息就能控制希望的使用范圍內的任何設備。對于許多其他設備而言，同樣如此，如顯示器、視頻觸摸屏、電話按鍵、紅外遙控器，甚至是輔助識別裝置。

在現在的家庭中，電器設備的使用正在逐步增長。每種設備都受到一套單獨指令的控制，如可能需要采用不同的指令為洗衣機、DVD或VCD、微波爐及鬧鐘分別設置時間，然而，在能量端口控制中，無論用戶采用何種類型的設備，僅需要學習一套基本的指令就能控制設備的運行或者設置時間，簡單化是能量端口系統實施的基本前提。

傳感器作為另一種類型的開關，將有助于能量端口的運行。通過使用傳感器，可以確認未經批準的闖入，同時居民可決定做出何種響應。傳感器可在夜間控制戶外燈光、開啟所有室內電燈、發出警報以及在居民需要緊急援助服務時呼叫警察。

2.6 設備的交互性

能量端口中最令人興奮的控制形式之一在于設備間的通信，例如，當電話或門鈴響起時，真空吸塵器將關閉，此時用戶能聽到鈴聲并做出響應。

2.7 安全服務

用戶對安全防護高度重視，能量端口將對安保情況進行監控。另一種形式的安全來源于能阻止危險事情的發生——當小孩比父母先到家時，為了阻止小孩在沒有監管的情況下玩耍某件商品，只需鎖定商品的使用范圍直到家長回來。同理，可將其用于車間的電力工具、昂貴的音響系統或者復雜縫紉機。還有一種形式的安全性來源于能量端口可防止用戶的決策失誤——例如，離開火災現場。

當然，還必須時刻留意火災的發生。當從IntelliG-rid模式［10］支持的建筑中逃離時，居民將受到警告，并被告之起火地點及占用的房間，同時閃光燈會顯示最安全的逃離路徑。此外，所有信息會立即上報給消防部門或緊急情況監控服務中心，以便他們能迅速做出回應。

樓宇建筑中傳感器的使用無需涉及繁瑣和額外的配線或復雜的處理。事實上，各種類型的傳感器都能滿足用戶需要，所帶來的能插入到處可見插座的便利將大大降低成本，也增強了家庭及商業的安全性。

2.8 通 信

能量端口具備先進的通信能力是至關重要的。是否能為特定的晚餐去協調菜單上所有條目以至于它們能在晚餐的同一時間內完成——或者僅僅使用對講機來避免你向屋內其他人跑去或者呼喊他們?？赡墚敱Ｄ吩诩彝セ顒邮铱粗娨暡⒋罂诮乐谆〞r安裝在托兒所的小型攝像機，又或是警告建筑中某臺電器設備出現故障的小型攝像機能讓用戶感到安心。如果問題沒有被發現，可能花費用戶更多金錢，或造成更大的麻煩。

能量端口不僅能從設備處得到診斷信息，還能讓用戶了解系統本身遭受的問題。能量端口有助于用戶更有效地對能源使用進行管理，幫助大樓業主和經營者根據房間是否有人、房間占用情況，或特定時間內能源成本來決定使用加熱和冷卻系統的時間。

在閉環控制中，設備的通信芯片能為系統提供電器的能耗信息，并可讓用戶隨時調用打印輸出或顯示評估的能源使用情況。評估結果根據電器類型、時間、使用年限、使用成本對能源使用情況進行細分，這個廣受歡迎的功能使用戶能對能源費用的管理進行控制。

當然，許多用戶并不傾向于使用這些信息，僅期望根據不同能效、舒適性和便利程度帶來的能耗做出初步決策。同時，也想利用可能被越來越多的電力公司推薦的實時電價體系。因此，用戶就能對能源使用進行時間平移來節約成本，這與在寒冷季節通過空調的循環工作來節省能源一樣簡單。對于電力公司而言，能量端口有利于需求側負荷管理，對用戶來說，意味著沒有犧牲的、顯著的能源節省。

能量端口有助于用戶和電力公司恢復停電。由于大樓與電力公司連接在一起，電力公司能有選擇性地恢復家用電器用電。電力公司可搶先對受影響用戶進行電力恢復，且只要用戶需要，就一定能獲得電能。

2.9 娛 樂

娛樂是能量帶來的另一好處，能使中央音頻信號為家庭的不同房間選擇音樂。娛樂室有人想聽朋克搖滾，而臥室放貝多芬音樂可緩解青少年的不安情緒，反之亦然。

2.10 網絡通信管理

能量端口可同時支持依賴于互聯網的應用程序和管理網絡及其連接設備的必要功能。

2.11 遠程用戶監控

能量端口支持本地數據監控以及不同類型的應用，這些應用包括，但又不限于，電力、燃氣及水資源的運營支撐、服務質量監控、故障檢測及其他一些支持未來可靠數字化電能質量規定的功能。這種監控能力可以擴展到其他領域，如:安全性、氣候與天氣變化和家庭能源。

2.12 市 場

能量端口最大優點之一在于使用戶能對電力市場動態和實時電價做出有效響應。目前的電表已經不會讓用戶對以小時或更加頻繁變化的電價做出響應。對用戶擁有的能量管理系統及智能終端設備進行市場價格交流將大大有助于拉近用戶與市場電價的差距。

3 技術難點

未來電力系統將通信技術、計算處理、電氣設備綜合成一個智能體系，來滿足數字經濟時代日益增長的能源需求［9］。幾種傳統技術的緊密結合無疑給能量端口的發展帶來了挑戰。能量端口設備中涉及到的技術難點如下［12］。

3.1 技術的復雜性

未來，能量端口將成為整個智能電網的組成部分。為了更好地服務于各種類型的用戶，工業體系需對電力通信界面進行有效的管理。這將給相關行業帶來空前的挑戰。事實上，與智能端口有關的技術十分復雜，其中最關鍵在于整個系統架構的發展。綜合能源與通信系統體系(integrated energy and communicaiton system architecture，IECSA)方案采用最新的技術來處理這個問題。然而，體系的結構及相關標準尚未成熟，還值得進一步討論。

3.2 基礎建設的共享及穩定性

如果能源廠商不能承受部署能量端口設備所需的大量基礎建設投資，那么從共享資金的角度出發，權衡通信設施和其它行業的投資就十分吸引人了。然而，這將帶來許多技術問題，包括對可用通信帶寬及與其他行業共享物理通信媒介的管理。

3.3 開放系統的發展

正在進行中的開放系統的發展被廣泛認可。然而，開放系統并不是萬能的，它將帶來大量的挑戰。最初的挑戰為將開放的標準應用于能源行業。

3.4 集成通信體系

構建集成通信體系的根本在于將通信網絡完全覆蓋于現有的電力網絡。一些技術元素包括，但并不僅限于，數據網絡、各種通信物理媒介以及嵌入式計算技術。IECSA促進了以下4個技術的發展:(1)進行輸配電系統實時監控的技術;(2)提高輸配電系統控制及輸送容量的技術;(3)改善數字設備性能的技術;(4)促進終端用戶服務連接的技術。

4 設計選項

依賴于市場作用力和基礎建設的發展以及電信和其他行業的擴建，能量端口能獲得一些結構和邏輯上的形式。能量端口可以采取幾種設計策略來適應不同的設計需求。最終，能量端口將成為一個真正卓越的設備，或是實際設備實施的一個或一套功能，又或是一個分布式的消息和網絡傳輸協議［12］。

4.1 結構設計和策略

結構設計需對系統硬件進行處理。一些結構組件，包括電腦芯片、存儲芯片、通信網絡傳輸線、無線電接收器等都構成了系統的結構元件。能量端口的結構設計具有許多不同的形式。整個行業并不需要傾向于任何一種指定的結構形式。結構設計由結構設計需求，如通信網絡帶寬需求、計算處理需求以及其他參數(如成本、地形、距離等)指定。

4.2 邏輯設計

邏輯設計更關心系統支持的獨立于物理設備的功能和應用。邏輯設計還對各種形式的數據和通信消息語言進行處理。設計的策略可能去適應不同的結構設計，并能引起設備的互操作。

4.3 潛在的技術策略

主要用于輔助結構和邏輯設計及執行。一個具有魯棒性的技術策略需同時兼顧兩者。

4.4 結構設計策略

結構設計是必須的，且充分依賴于制造廠商及提供商的大量技術支持。物理通信媒介的發展極具競爭力，且新技術也以一個穩定的比例增長。既然結構的發展同時具有風險和競爭力，因此，促進一些結構執行措施的獨立性和運作必須十分謹慎。鑒別最主要結構設計、時幀以及它們背后的工業是綜合能源工業需求和相應關鍵標準激勵的先決條件。能量端口的一些可用的結構設計策略包括電表、因特網或企業內部互聯網網關、電纜調制解調器、DSL調制解調器、電視及電話等。

5 結論

將傳統電力能源服務、通信技術和用戶設施結合在一起，為改善用戶能源服務提供了機會。在智能電網的大背景下，通過使用能量端口設備，用戶可以更好地參與到動態能量管理中，并通過對電價信號進行有效的響應來影響未來國家的能源體系，并能夠提高能效。智能端口設備的開發利用為設備制造商和提供商帶來了嚴峻的考驗。因此，從結構設計和邏輯設計出發，同時兼顧兩者是值得深入研究的問題。

［1]Gellings C W.The Smart Grid:Enabling Energy Efficiency and Demand Response［M］.New York:Fairmont Press，2009.

［2]薛蓉，陳江華.電力需求側管理實施模式初探［J］.電力需求側管理，2008，10(6):1 －3.

［3]Gellings C W，Smith W M.Integrating Demand－side Management into Utility Planning［J］.Proceedings of the IEEE，1989，77(6):908 －918.

［4]王蓓蓓，李揚，高賜威.智能電網框架下的需求側管理展望與思考［J］.電力系統自動化，2009，33(20):17 －22.

［5]全生明，盧鍵明，謝傳勝，等.需求側響應機制的國際經驗及對我國的啟示［J］.電力需求側管理，2009，11(2):73－76.

［6]牛東曉，陳志強.電力市場下的需求響應研究［J］.華東電力，2008，36(9):5 －9.

［7]Rahimi F，Ipakchi A.Demand Response as a Market Resource under the Smart Grid Paradigm［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(1):82 －88.

［8]Parmenter K E，Hurtado P，Wikler G，et al.Dynamic Energy Management［R］.Palo Alto:EPRI，2008.

［9]Didierjean A.What is a Consumer Portal? ［C］.2006 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition，Dallas(TX)，May 21 －24，2006:471 －473.

［10]RI.IntelliGrid Consumer Portal Telecommunications Assessment and Specification［R/OL］.http://mydocs.epri.com/docs/public/000000000001012826.pdf.

［11]McGranaghan M，Gilchrist G.Telecommunications Assessment for a Consumer Portal［J］.2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting，Montreal(Quebec)，June 18 －22，2006:1 －6.

［12]Gellings C W.A Consumer Portal at the Junction of Electricity，Communications，and Consumer Energy Services［J］.The Electricity Journal，2004，17(9):78 －84.