浅析智能电网下的电力需求侧管理

作者：曹京津，秦立军

来源：《科技创新与生产力》 2014年第9期

曹京津，秦立军

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

摘 要：需求侧管理（Demand Side Management，DSM）是未来智能电网中最重要的一个部分。DSM算法帮助消费者成为电力系统更积极的贡献者，通过可移动的负载来达到系统调度的目的。文章首先介绍了智能电网，接着概括了智能电网下DSM的新变化，最后通过将DSM分为4个重要部分来探讨了智能电网下它所面临的新的挑战。

关键词：智能电网；需求侧管理；负荷控制

中图分类号：TM73 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.09.098

智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型电网。

1 智能电网框架下的需求侧管理

电力系统的每一次进步和技术革新，最终都会为电力系统的服务对象——用户提供更多、更好的服务。智能电网也不除外，它的实现将改变用户的地位，同时增加了需求侧管理的内容，并促进需求侧管理的发展。

1.1 智能电网下需求侧管理的新变化

随着智能电网的发展，功率流和信息流由传统的单项流动模式变为双向互动模式，信息透明共享，电网无歧视开放，实现了多元化电源和不同特征电力用户的灵活接入和方便使用，电能利用模式从以用户为中心调整电源向以新能源为中心调整消费方式转变。

1）可靠性。智能电网下的需求侧管理具有更高的供电可靠性。智能电网具有自愈功能，具有实时、在线和连续的安全评估与分析能力，强大的预警控制系统和预防控制能力，以及自动故障诊断、故障隔离和自我恢复能力，可以最大限度地减少电网故障对用户的影响。同时，大量的分布式电源接入电网，可以在主网停电时应用分布式电源、智能微网等来保障重要用户的供电。

2）定制服务。随着计算机、现代电子通信设备、精细变速传动等敏感负荷的出现，不但需要可靠供电，而且还需要高质量的供电。根据电能质量的相关标准，以不同的技术和价格提供不同等级的电能质量，以满足不同用户对电能质量的需求。最常用的方法是提供定制电力，即以配网静止同步补偿器、动态电压恢复器、有源电力滤波器、统一潮流控制器和固态断路器为代表的新型电力电子设备能够实时、灵活地控制电网电压、电流波形，满足用户对电能质量的定制需要。

3）需求响应。随着分布式发电的快速发展和广泛应用，电力用户的身份定位也慢慢地发生了变化，以前是单纯的电力消费者，现在他们既是电力消费者，又是电力生产者。传统电网传输的是功率流，用户一般不能主动参与，只能被动接受。智能电网是功率流和信息流的结合，是一个开放性的网络，用户可以主动参与。

电网未来发展的一个重要特征就是可以通过创新营销策略实现电网和电力用户的双向互动，引导用户主动参与市场竞争，实现有效的需求响应。用户可以根据自己的用电习惯、电价水平和用电环境，给各种用电设备设置参数，自动优化用电方式，以期达到最佳的用电效果，进而提高设备的电能利用效率[1]。

4）用电智能管理。将物联网、智能家居和智能电网互联是当前的发展趋势。通过互联整合，用户能够对家用电器进行智能管理，并能实施跟踪分析各类电器的电能消耗和电费支出情况。同时，通过远程传输手段，对重点耗能用户主要用电设备的用电数据进行采集和实时监测，并与同类用户数据进行对比，分析用户的能效情况，并提出相应的整改措施和建议。

1.2 智能电网下需求侧管理面临的挑战

由于每年用电量越来越多，电力系统的容量可能很快受到限制。而且，供需平衡对电力系统是非常重要的。如果高峰负荷和低谷负荷的差异越小，则系统就更加有效。

需求侧作为一种供需平衡的方式，在智能电网的挑战下十分重要。电力需求侧管理包含电力系统需求侧的管理，对于电力消费者来说，DSM激励电力消费者转变他们不太合理的电力消耗方式，在电力非高峰时段使用电力来减少自身的花费，在电力供应方方面，DSM在系统可靠性和发电成本消除峰值需求将产生重大影响。

电力需求侧管理包含的范围广泛。传统上，电力需求侧管理技术大多数具有实用性，例如使用直接负荷控制（Direct Load Control，DLC），住宅方面有基于事业公司和客户的协议，这样用户就可以远程控制某些家用电器的操作和用电量。

1）负荷调度。现有的直接负荷控制技术达到了电力的供需平衡，它可以远程控制某些家庭电器的操作和电力消耗。但是，应该考虑到用户对于定期的项目是否有兴趣，例如面对价格的变化。因此，需求侧管理应该考虑自动负荷调度方法。

随着智能电网中高级计量技术和双向通信的发展，它们可以实现自动化DSM分配的一部分。在这样的系统中，能源消耗调度（ECS）部分用于智能电表调度从控制中心得到的用户能源消耗的信息，这些能源的调度可以通过可移动的设备来完成（见图1）。如果用户同意接受一些延迟完成的工作设备，那么这些电器的运行时间就可以转移。在鼓励用户灵活并合理用电方面，经济激励措施是最有效的。

在核心DSM算法中，ECS单元发送可移动设备所需要的调度信息，而其中的控制中心通常在电力供应方。在控制中心，通常要解决一些优化问题来实现用户负荷控制的方案。尽管关于负荷控制的文献有很多，但是这些模型在实践中是否合适仍然不能确定。应该制定一些标准来评估这些调度项目的可靠性和适用性。

2）通信。在智能电网中，DSM算法可以通过一个合适的双向通信基础设施来实现。需求侧管理的通信网络通常分为两个部分。首先是先进的计量基础设施（AMI），包含智能电表和用电服务提供者。智能电表需要相互通信，并且与电力服务提供者交换所需的负荷控制信息，特别是从供应商发送到电力用户的价格信号和从用户者发来的需求。

通信技术如无线和电力线通信（PLC）是智能电网的基础设施通信最重要的备用技术，研究范围最广泛的是无线技术，如认知无线电智能电网。部署PLC技术的成本很低，但它有一些问题比如高数据率。若设计电力线路更有效地达到50 Hz，高频率的无线电在电力线路上很快就消失了。

AMI蜂窝无线电通信体系结构（见图2）。在这个模型中，独立的测试仪相互之间并没有交换数据，但是它们都直接与集中器交换数据。集中器是一种仪器，它和成千上万的测试仪交换数据，除此之外，它还给公共设施下达命令。集中器可以说是另一种测试仪，或者说是一个服务器控件。不是网状结构所有的AMI系统使用允可的频率，这个频率允许更高的电力以及相应的更长的到集中器的线路距离。这种经过授权的网络可能拥有很少的集中器。在这里例子中，网络像是一个无线电，但是它所有的测试仪都和区域中心点进行通信[2]。

另外一个部分就是智能电表的家用电器，DSM的通信网络实施算法通信，这是给家庭电话的区域网络。当ECS单元完成负荷控制后，智能电表应该使用家庭电话区域网络发送命令来开/关电器。

未来智能电网通信基础设施中，系统的不同部分将对应不同的技术。规划适当的技术在智能电网通信基础设施是一个开放的问题，每项技术都面临着很多挑战，如安全、性能和隐私。

3）公平问题。在大多数现有自动化的DSM系统中，设计的目标就是发电总成本的最小化。许多DSM的设计已经成功地实现了这些系统目标，它们的设计是最优的。实现最优需要所有用户对DSM贡献自己的力量。而设计师通常假设因为经济利益用户没有理由不参与，应该注意到，要想系统中用户继续参与就需要公平。再换句话说，在系统项目中，鼓励用户参与最重要的因素之一就是公平支付电力消费。如果用户在系统中做出的贡献越多，支付的电费越少，那么该系统是公平的。

目前，需求响应的激励机制主要包括分时电价、阶梯电价、直接负荷控制、可中断负荷、需求侧竞价等。国外在需求响应的运作过程中，建立了实施激励机制，如专项资金补贴、因节省电量或容量进行经济奖励与电力用户共享需求响应效益、电力收入和售电量分离的机制等。加拿大滑铁卢大学CELEBIE等人应用边际电能成本定价和负荷响应分析结合的方法来制定分时电价；美国威斯康星大学 M.Fabrioglu基于博弈论的思想，设计了有效的可中断负荷合约；比利时鲁汶大学提出了需求响应能效项目的实施主体的选择标准。

国内针对需求响应的激励机制理论开展了大量研究。国家发展和改革委员会能源研究所周伏秋等提出了从政府导入、经济鼓励为主的节电政策；东南大学王蓓蓓等提出了成本效益分析最优化模型，实现各方效益最优的经济激励措施；华北电力大学胡兆光等采用智能体理论和智能工程方法建立需求侧管理补偿的智能体系统，证实了经济激励的有效性，并建立了系统动力学模型，为激励机制的设计提供了重要依据。目前国内需求响应技术尚处于研究阶段，国网公司正开展IEC PC 118智能电网用户接口标准工作，研究电力需求响应标准；西安交通大学分析了传统的需求侧管理关键技术及实施时遇到的问题，阐述了智能电网的技术变革给需求侧管理

带来的影响和机遇。为此国内对于需求响应实施效果的评估应关注经济性、可靠性和减排效果。

公平是DSM近期需要考虑的问题。一个适当的公平标准应该被定义为评估算法的公平性。在实践中选择正确的DSM项目时，公平的问题是一个很重要的考虑。

4）安全与隐私。在最近智能电网研究中，安全和隐私是重要的问题。网络安全是智能电网的最大挑战之一。设计DSM项目要考虑交换数据，价格信号和负载的用户的安全性。一个攻击者可能访问软件DSM算法或数据和穿透用户的隐私或改变一些数据。任何价格信号的改变将更改DSM项目中的负荷控制。智能电网中智能电表的广泛应用可能给对手提供了一个机会，他们提供错误信息到服务提供者并导致电负荷和系统容量的错误决定。拒绝服务（DoS）攻击，可以是一个简单的攻击。敌人发送智能电表的需求请求，并保持请求大量的能源。这将导致提供者没有对真实有需求的用户做出回应。

隐私问题在智能电网中是非常重要的，尤其是对用户侧来说。因为智能电表记录用户详细的电力消耗，可能存在泄露用户隐私的可能性。电力消费的每个设备都有一个签名。第三方可以通过智能电表提供到电力提供者的信息来确定签名，这样可以找出用户的生活模式、习惯、行为和活动。

有些文献提出了利用可再生能源来保护用户隐私的方法：仪表读数=负荷-可再生能源发电量。由于可再生能源发电的资源（如风能）是个随机过程，因此这就好像给智能电表加入了干扰信息，以此来保护用户的信息[3-4]。

3 结束语

综上所述，笔者介绍智能电网下需求侧管理的新变化和即将面临的挑战，得出电力需求侧管理的目的就是在智能电网中规划电力。并从不同的方面探讨了其中的一些算法和挑战。负荷控制可以通过使用的智能电网自身适当的双向通信网络来实现。另外，成功的DSM系统需要消费者提供一个公平的系统实现。在需求侧管理及相关领域有很多大量而广泛的研究，但是在这些领域仍然面临许多挑战和没有解决的问题。

参考文献：

[1] 张晓萱,马莉,刘长义,等.我国坚强智能电网促进低碳发展的作用研究[J].能源技术经济,2011(8):19-23.

[2] 高赐威,陈曦寒,陈江华,等.我国电力需求响应的措施与应用方法[J].电力需求侧管理,2013(1):1-6.

[3] 高赐威,陈曦寒,陈江华,等.我国电力需求响应的措施与应用方法[J].电力需求侧管理,2013(1):1-6.

[4] 王蓓蓓,李扬,万秋兰,等.需求弹性对系统最优备用投入的影响[J].电力系统自动化,2006(11):75.

（责任编辑 高 远）