智能電網(wǎng)與電力需求響應的研究

袁志堅，劉旭娜

(1.德陽電業(yè)局，四川 德陽 610000;2.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;3.智能電網(wǎng)四川省重點實驗室，四川成都 610065)

0 引言

智能電網(wǎng)(smart grid)［1－3］與需求響應(demand response，DR)［4－6］是當今電力行業(yè)的研究熱點［7］。作為21世紀電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和變革趨勢［2］，安全、可靠、經(jīng)濟、清潔、高效、互動的智能電網(wǎng)給電力行業(yè)實施需求側管理(demand side management，DSM)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。其中，信息和電能的雙向互動，鼓勵用戶改變傳統(tǒng)的用電方式，積極參與電網(wǎng)運行，根據(jù)實時電價調(diào)整用電模式等內(nèi)容更是將需求響應設為其主要建設目的。

2005年與2007年，美國前總統(tǒng)布什分別簽署了《能源政策法案》與《能源獨立與安全法案》，將支持需求響應和智能電網(wǎng)作為美國能源政策的重要組成部分。2009年，美國總統(tǒng)奧巴馬簽署的高達7 870億美元的經(jīng)濟刺激計劃不但宣布了智能電網(wǎng)時代的到來，也把包括供應側和需求側在內(nèi)的綜合資源概念引入了公眾關注范圍內(nèi)。目前，許多國家從政府、發(fā)電公司、電網(wǎng)公司到相關的IT企業(yè)均投入了較多的政策支持、資金支持和研發(fā)力量［8］，這必將推動需求響應的大力發(fā)展。

由于電能不能大規(guī)模經(jīng)濟存儲，需要供需雙方保證實時平衡，需求響應就是為運用市場機制去影響需求的時間和水平，達到電能平穩(wěn)運行的目的。但與發(fā)、輸電環(huán)節(jié)相比，配電、用電等需求側資源與系統(tǒng)的聯(lián)系相對薄弱，這影響了需求響應提高系統(tǒng)的整體性能的效率。智能電網(wǎng)的突出貢獻就是利用先進的信息技術靈活地整合、調(diào)度需求側資源，實現(xiàn)信息和電能的雙向互動［9］，可以預見未來的智能電網(wǎng)時代，需求響應將會有長足的進步和發(fā)展。

首先介紹了智能電網(wǎng)與需求響應的聯(lián)系，并總結了目前國內(nèi)外需求響應的研究進展，然后針對智能電網(wǎng)時代引入的技術變革會給需求響應帶來的影響和機遇進行了分析，最后就中國面向智能電網(wǎng)的需求側響應發(fā)展做出了展望，并給出了具體的建議。

1 智能電網(wǎng)與需求響應

智能電網(wǎng)的最終目的是實現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟、高效、可靠、安全運行，實現(xiàn)能源，包括可再生能源的規(guī)模化高效利用，實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益的最大化。它不但全面地涵蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度的整個電力行業(yè)，還涉及到能源、信息、經(jīng)濟、法律等多個學科領域，對技術、經(jīng)濟、社會、環(huán)境等因素都會產(chǎn)生相互的作用和影響，因而實施智能電網(wǎng)需要多方參與協(xié)作。圖1展示了智能電網(wǎng)的利益相關方［3］。社會與政府希望智能電網(wǎng)能滿足環(huán)境友好、節(jié)能減排的要求;電力企業(yè)希望能提升電力系統(tǒng)的各方面性能，提高自身運營業(yè)績;電力用戶希望智能電網(wǎng)能給生活帶來更大的便利與實惠;設備制造商和服務提供商希望借助智能電網(wǎng)所帶來的巨大商機來獲取豐厚的利潤;倡導者和科研機構也能從智能電網(wǎng)的實施中獲利。需求響應則是將這些利益相關方通過用戶響應的手段聯(lián)系在一起，既分享了各自的利益，也推動了智能電網(wǎng)的建設。

圖1 智能電網(wǎng)的利益相關方

需求響應的概念是美國在進行了電力市場化改革以后，針對需求側管理如何在競爭市場中充分發(fā)揮作用，以維持系統(tǒng)可靠性和提高市場運行效率而提出的一種技術途徑。需求響應可定義為［10］:電力市場中的用戶針對市場價格信號或者激勵機制做出響應，并改變正常電力消費模式的市場參與行為。強調(diào)電力用戶直接根據(jù)市場情況主動作出調(diào)整自身負荷需求的反應，從而作為一種資源對市場的穩(wěn)定和電網(wǎng)的可靠性起到促進作用。

根據(jù)美國能源部的研究報告［11］，可以按照用戶不同的響應方式將電力市場下的需求響應劃分為以下2種類型:基于價格的需求響應和基于激勵的需求響應。

(1)基于價格的需求響應是指用戶響應零售電價的變化并相應地調(diào)整用電需求，包括分時電價(time－of－use pricing，TOU)、實時電價(real－time pricing，RTP)和尖峰電價(critical peak pricing，CPP)等。用戶通過內(nèi)部的經(jīng)濟決策，將用電時段調(diào)整到低電價時段，并在高電價時段減少用電，來實現(xiàn)減少電費支出的目的。參與此類需求響應項目的用戶可以與需求響應實施機構簽訂相關的定價合同，但用戶在進行負荷調(diào)整時是完全自愿的。

(2)基于激勵的需求響應是指需求響應實施機構通過制定確定性的或者隨時間變化的政策，來激勵用戶在系統(tǒng)可靠性受到影響或者電價較高時及時響應并削減負荷，包括直接負荷控制(direct load control，DLC)、可中斷負荷(interruptible load，IL)、需求側競價(demand side bidding，DSB)、緊急需求響應(emergency demand response，EDR)和容量/輔助服務計劃(capacity/ancillary service program，CASP)等。

這2類需求響應項目存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，相互間可以互補，都具備節(jié)能、負荷整型的功能。需求響應還是緩解系統(tǒng)短期容量短缺和推遲電網(wǎng)升級投資的有效方法，還能夠降低系統(tǒng)高峰期電價、減少電價波動風險、優(yōu)化資源配置和保證市場穩(wěn)定運行，對電力工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)保等方面都有著重要的戰(zhàn)略作用，這與智能電網(wǎng)需要達到的目的不言而合。

需求側作為智能電網(wǎng)建設的重點環(huán)節(jié)，需求響應項目的推行對于智能電網(wǎng)建設目標的實現(xiàn)具有舉足輕重的作用;另一方面，智能電網(wǎng)框架下的先進的計量、通信和控制手段對于需求響應的支持也起到非常關鍵的促進作用。因此，智能電網(wǎng)和需求響應二者關系密切，相輔相成，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)需求響應是智能電網(wǎng)框架下的重要組成部分，是實現(xiàn)其建設目標的關鍵技術保證。智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的一個重要不同點就是智能電網(wǎng)尤其強調(diào)與用戶的互動性，包括信息互動與電能互動，而互動性主要是通過部署各類需求響應項目來實現(xiàn)的。

在信息互動方面，主要體現(xiàn)在供需之間的信息交互。需求響應實施機構可及時收集、統(tǒng)計與分析用戶需求，來增強系統(tǒng)的安全、可靠與經(jīng)濟運行能力;用戶也可以通過需求響應平臺及時了解電網(wǎng)的實時動態(tài)，并在參與需求響應項目時安排合理的用電方案和響應策略，以更好地管理、優(yōu)化、節(jié)約，監(jiān)控和理解電能使用。

在電能互動方面，主要體現(xiàn)在供需之間的雙向互動供電。普通計費電表為傳統(tǒng)電網(wǎng)的計量工具，而在智能電網(wǎng)中，借助于具有雙向計量與通信功能的高級計量系統(tǒng)，用戶也可以向電網(wǎng)供電，打破了傳統(tǒng)的供需雙方的電能單相傳輸方式。

(2)智能電網(wǎng)肩負著節(jié)能減排、應對全球性環(huán)境和能源危機挑戰(zhàn)的重任。該目標的實現(xiàn)離不開需求側資源的積極參與。需求響應項目的直接目的雖然是負荷整形，但有研究發(fā)現(xiàn)［12］，在高峰時段減少的需求在非峰時段不會完全反彈，保守估計可以減少4%的總能源需求，甚至還能達到11%，而且需求響應項目通過智能電網(wǎng)的交互性，可使用戶隨時了解目前電價信息和自己的能源消耗情況，潛意識地起到了節(jié)能降耗的啟發(fā)作用。

(3)智能電網(wǎng)背景下的需求響應項目還有利于電力工業(yè)的穩(wěn)定可靠運營，提高整體電網(wǎng)的安全可靠性，以及災后的自愈能力。針對智能電網(wǎng)的可再生能源計劃，需求響應可通過可中斷負荷、動態(tài)能源儲備等手段有效減少高峰能源需求，合理和有效地利用其即插即用特點，排除危險事件的發(fā)生。2008年3月，美國得克薩斯州一個風機突然停運，造成系統(tǒng)容量從1 700 MW跌落到300 MW，10 min內(nèi)系統(tǒng)緊急調(diào)度1 100 MW需求響應參與，避免了一次全州性的大停電事故。

(4)智能電網(wǎng)通過創(chuàng)新營銷策略，引導用戶主動參與電力市場競爭，實現(xiàn)積極的需求響應策略，改善了以往主要由政府或電力公司推動需求側管理實施的尷尬局面。智能電網(wǎng)提供了雙向互動的營銷技術和機制支持，使智能電網(wǎng)下的需求利益相關方均能得到收益、投資回報。在經(jīng)濟效益的驅動下，從電力公司到電力用戶到整個社會，對于需求響應項目必將投入更多的熱情和信心。

2 與需求響應相關的智能電網(wǎng)技術

針對智能電網(wǎng)技術，各國均已經(jīng)形成強大的研究群體，研究內(nèi)容覆蓋發(fā)電、輸電、配電和售電等環(huán)節(jié)，各行業(yè)也在如火如荼地開展智能電網(wǎng)建設。其中，以高級計量基礎設施(advanced metering infrastructure，AMI)為主的智能電網(wǎng)技術對支持需求響應和促進電網(wǎng)與用戶的互動方面起著最為關鍵的作用。AMI是一個使用智能電表通過多種通信介質(zhì)，按需或者以設定的方式測量、收集并分析用戶用電數(shù)據(jù)、能夠提供開放式雙向通信的系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)的基礎信息平臺。

AMI具有的主要功能包括［13－14］:改善客戶服務、停電管理、竊電監(jiān)測、遠程連接/斷開用戶、電能質(zhì)量管理、負荷預測、遠程改變計量參數(shù)、遠程升級儀表固件、與水表或天然氣表接口、預付電費購電、電價高峰/緊急事件的通知等。由此可知，AMI支持各類需求響應項目，以AMI為核心的技術體系構成了與需求響應相關智能電網(wǎng)技術的主要部分。這些智能電網(wǎng)技術主要包括:

(1)智能電表。智能電表是實現(xiàn)響應的信息與控制的終端設備。相對于傳統(tǒng)電表不可操作性而言，智能電表能給用戶帶來更加優(yōu)質(zhì)的服務。它可以為用戶提供實時用電信息，使用戶能更加清楚自身用電習慣和耗電清單，為用戶參與各類需求響應項目提供數(shù)據(jù)支持;它也可以為電力部門傳遞用電信息，實現(xiàn)對用戶遠程抄表、更好地掌握用戶用電規(guī)律、并按動態(tài)電價收取用戶電費。

智能電表這一關鍵技術受到了極大的關注，2009年1月25日，美國白宮最新發(fā)布的《復蘇計劃尺度報告》宣布:將鋪設或更新4 828 km輸電線路，并為4 000萬美國家庭安裝智能電表。

(2)雙向通信技術。實時、高速與完全集成的雙向通信技術是使智能電網(wǎng)成為動態(tài)的與交互式電網(wǎng)絡的大型基礎設施。該系統(tǒng)工程包含從電力網(wǎng)絡到用戶側均需要安裝大量傳感器和先進的測量和控制裝置，來支持其先進的能源計量和實時市場交易功能。雙向通信技術不但能幫助用戶在參與各類需求響應項目時做出合理的策略，還能將該策略快速、準確無誤地傳送到指定位置。目前常用的通信方式主要有電力線載波、光纖、Internet和無線通信等。

(3)能量端口(Energyport)技術。能量端口是指包括“門戶”、“網(wǎng)關”和“智能儀表”的設備。狹義上講，是指與通信數(shù)據(jù)集線器有關的傳統(tǒng)電力公司與電力用戶的交接界面。實際上，它是指終端子系統(tǒng)和設備間的通信，使得用戶設施中的智能設備可通過廣域網(wǎng)和遠程系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。通過實施能量端口技術，可讓用戶在安全性、保護措施、便利性、舒適性、通信、能量管理及娛樂這7個方面受益。該項技術的發(fā)展為用戶提供了自動管理電能的工具，用戶可自行做出定價決策、選擇默認的用電曲線，同樣也可使供電商通過開關操作控制用電需求。

(4)智能儲能技術。智能電網(wǎng)時代的智能儲能技術也為需求響應的發(fā)展帶來契機，有了智能儲能技術，可以彌補可再生能源發(fā)電不確定性的不足，讓用戶以需求側競價的方式將屋頂風電、屋頂光電裝置等所產(chǎn)生的電能賣給電網(wǎng)，具有充分的選擇權進行供電服務商的選擇。該項技術不但提高能源利用的市場性、獨立性和安全性，還促進了用戶響應，實現(xiàn)真正的電能“智能互動”。

(5)高能效技術。高能效技術涉及通過促進用戶改變負荷形狀(數(shù)量和用電模式)，努力提高電網(wǎng)利益的各種活動，包括與硬件有關和與非硬件有關的活動，其中，與硬件有關的活動，如改進樓宇熱能完整性和增加高能效設備，與非硬件有關的活動，包括選擇用戶用電模式以及通過使用電力取代石化燃料，以減少總體上能量消耗和污染排放。用戶通過投資高能效的用電裝置來提高用電效率和節(jié)省用電成本，投資者通過延遲新的投資需求來獲得利益，這大大增強了需求響應項目的參與性。

3 推動需求響應發(fā)展的建議

智能電網(wǎng)時代的到來，整個電力行業(yè)甚至各行業(yè)均將會實現(xiàn)整體的飛躍和提升。在過去的努力建設下，需求響應項目已邁出實質(zhì)性的步伐，正越來越多地被大眾所接受，成為化解電力供求矛盾的有效手段，保證電力安全運行的有力措施和促進可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。為將智能電網(wǎng)與需求響應的作用發(fā)揮到極致，應結合中國實際情況，現(xiàn)提出以下幾點建議。

(1)與發(fā)達國家相比，中國的需求響應項目起步較晚、發(fā)展較慢，政府部門電力相關行業(yè)應制定適應智能電網(wǎng)背景下的需求響應項目的具體方案和措施，并引導其規(guī)劃、實施，并將智能電網(wǎng)技術與需求響應有機整合到智能電網(wǎng)發(fā)展愿景中，形成智能電網(wǎng)與需求響應相互促進、共同發(fā)展的局面。

除此之外，需要成立專門的執(zhí)行機構來協(xié)調(diào)各個項目的實際履行工作，并從財政、稅收、貸款等方面對智能電網(wǎng)與需求響應項目的發(fā)展給予充分政策和資金支持，以創(chuàng)建各利益相關方共贏的局面。

(2)智能電網(wǎng)與需求響應項目均需要多方的積極參與，但來自系統(tǒng)、公眾，以及電力用戶等方面的群體尚未意識到實施需求響應的緊迫性和重要性，因而需要多種渠道向各利益相關方展示其發(fā)展愿景。

從電力系統(tǒng)部門的角度，認為需求響應會減少電力部門的售電收入，從而削弱其投資的積極性。所以不但應健全相關政策法規(guī)等激勵機制，同時加深其對需求響應的進一步認識，看到需求響應項目能延遲發(fā)電側建設，提高運行穩(wěn)定性等帶來的效益。

對于用戶而言，應大力開展廣泛的宣傳與教育，創(chuàng)新營銷策略，引導用戶主動參與需求側響應項目，消除其懷疑、回避的態(tài)度。

(3)推廣與需求響應相關的智能電網(wǎng)各項技術。隨著主動參與需求響應項目的用戶日益增多、用戶側分布式電源的大規(guī)模部署，系統(tǒng)安全問題將變得更加復雜，應該依靠智能電網(wǎng)的新技術來應對新形勢的挑戰(zhàn)。

與此同時，除了上一節(jié)提到的智能電網(wǎng)技術外，鼓勵電力企業(yè)、科研機構、設備制造商等開展智能電網(wǎng)與需求響應的專題研究，增大對智能電網(wǎng)與需求響應項目的資金投入，加強自主的新技術研發(fā)與國外先進技術引進。在此基礎上，應加快建立、完善包含需求響應的智能電網(wǎng)技術規(guī)范與行業(yè)標準，以支持智能電網(wǎng)技術與需求響應項目的大規(guī)模部署。

4 結語

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，使電網(wǎng)智能化的核心就是全面、動態(tài)地整合用戶側資源，包括負荷以及電力使用的相關信息。它體現(xiàn)了電網(wǎng)發(fā)展理念、電力企業(yè)發(fā)展思路與電力用戶角色全面變革的過程。因此可見，需求響應項目是智能電網(wǎng)最重要的組成部分之一。

討論了智能電網(wǎng)給需求響應所帶來的促進作用，以及針對自身特點的完善建議。如何讓需求響應在智能電網(wǎng)環(huán)境下相得益彰地發(fā)展，找準合適的方案措施，并與供應側的資源進行合理的綜合資源規(guī)劃，充分發(fā)揮其穩(wěn)定系統(tǒng)運行、節(jié)能減排與綠色環(huán)保的作用，也是今后研究的熱點。

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