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本文作者：曹培 翁慧穎 俞斌 郭創新 周恒俊 單位：浙江大學電氣工程學院 麗水電業局 南京市供電公司
電力行業面臨全球性危急的資源與環境形勢，建設統一堅強智能電網這一策略應運而生[1]。而智能需求側管理系統正是智能電網為了增加用電保障和優化用戶用電行為而設立的需求側智能系統，將徹底地改變粗放式用戶能量管理現狀[2-3]。隨著低碳經濟時代的到來，電力行業的低碳化改革也被排上日程[4]。根據國家電網公司2010年的《綠色發展白皮書》，智能電網能夠在2011—2020年間，使電力行業累計減排105億tCO2。其中對用戶側的優化管理能夠貢獻30%左右的減排份額，可見對智能需求側管理系統的設計也需要適應更多的低碳化需求[5]。我國的用戶側管理起步較晚，最初是為了應付大范圍缺電狀況，提醒用戶主動降低負荷，或在緊急狀況下對用戶拉閘限電。20世紀末，我國開始推廣“峰谷電價”政策，利用價格杠桿，引導用戶進行負荷的移峰填谷，使電力需求曲線趨向理想化?，F階段，隨著智能電網的加快建設，對智能需求側管理系統的籌備也已進入了電力項目的建設日程，對系統中高級量測體系、智能電表等的研究正在加速展開。智能需求側管理系統將電力銷售、使用、結算的過程進行優化控制，增加用戶側效益，也起到降低電力行業碳排放強度的作用，是當代電力系統發展的熱點之一[6]。本文對適應低碳經濟形勢的智能需求側管理系統進行一些探討，根據低碳經濟對系統發展的潛在影響，分析系統的功能架構、應用的主要技術以及服務架構實現策略。
1低碳經濟對智能需求側管理系統的影響
智能需求側管理系統的作用是幫助用戶和電力公司實現電力營銷到使用過程的可靠性、便捷性、高效性和環保性要求，而在低碳經濟時代，人們對能源系統運營的節能環保性能更是提出了較高要求。相關的政策法規也將能源使用對環境的影響作了經濟指標的量化規定，以對消耗環境成本造成副外部性的人類行為進行經濟懲罰。對應于低碳經濟，一些國家也制定了涉及碳排放權交易、征收碳排放稅、對過量碳排放罰款等的相關法規，將碳排放帶來的環境成本經濟化，以經濟手段促進低碳產業，抑制高碳產業，幫助實現經濟效益和低碳效益的帕累托最優[7]。由此可見，電網側需要根據用電量和電力發電方式，對電力碳排放實際主體(電力用戶)的排放數據計量上傳，由環境部門按標準對電力用戶進行碳排放的經濟補償或懲罰。智能需求側管理系統可計量、上傳用于推算用戶用電碳排放強度及碳排放量的用電信息，并上報環境部門，為低碳經濟的市場運營提供技術支持。智能需求側管理系統的經濟性和低碳性可統一成一個綜合的經濟指標，這種綜合帶來了2個好處：一是將對環境的影響程度轉化為經濟量化值，可以充分利用經濟杠桿，讓系統更好地為電力公司和用戶做出低碳性與經濟性的雙重引導；二是將環境利益經濟量綱化，給系統運行的外部環境效益賦予了市場特性，將擴大智能需求側管理系統的投資收益比率，對系統的推廣起助力作用[8]。在低碳經濟下，智能需求側管理系統的效益被分成了2個部分：一是直接的經濟效益，如自動化的營銷服務減少了人工業務量，降低了營銷成本，節能服務使得用戶節約了能源成本等；二是環境效益在節能減排政策法規下的等價經濟效益，如用戶在用電優化后能夠降低溫室氣體的排放，減少碳稅的繳納額度和對碳排放權的購買量，避免過量排放的罰款。在智能電網和低碳經濟時代的大背景下，對智能需求側管理系統的開發和管理都應建立在對兩部分效益的綜合分析上[9]。
2智能需求側管理系統的結構與功能
2.1智能需求側管理系統的結構層次
智能需求側管理系統的功能結構如圖1所示，系統由主站系統、遠程信道、電能監控子系統、采集子網以及測控層設備組成[10-11]。如圖1所示，智能需求側管理系統的工作特點是雙向通信，通過交互的信息流的傳遞數據，基于經濟性和低碳性兩方面考慮，分析計算產生管理控制策略，實施對用戶側的在線監測和管理，從而實現用戶側電能的優化管理和電力部門的高效營銷。同時，系統還可完成對用戶用電的碳排放相關數據統計，輔助低碳經濟的運行。
2.2主站系統
主站系統的功能配置如圖2所示，主要包括負荷信息整理、用戶服務、營銷服務3個子系統。
1）負荷信息整理存儲子系統。通過對用戶側上傳的用電信息進行系統化加工整理，在線把握準確的負荷信息，并根據用戶服務和營銷服務的數據類型與格式需求，通過配置或公式編寫，對上傳的數據進行計算、統計和分析，并將碳排放相關信息轉發給環境部門，為高級應用子模塊搭建了堅實的數據基礎，提高系統的分析能力。
2）用戶服務子系統。該系統主要由3個高級應用子模塊構成：用電管控模塊完成主站系統對用戶有序安全用電的控制，以保證用戶按照當前的用電模式和習慣正常用電，在分布式發電技術逐漸成熟時，它也將承擔對用戶側分布式電源的控制[12]；節能診斷模塊的作用是為申請節能服務的用戶(通常為大型工業用戶)分析某一部門，如班組、車間、分廠的實際耗能情況，挖掘節能減碳潛力，并確定節能課題，為開展節能項目的用戶做重要的前期準備[13]；委托管理是在對用戶進行節能診斷后，制定節能方案，簽訂合同，由智能需求側管理系統運營方為項目籌款，采購并安裝設備、培訓人員、投產運行，用戶依據節能減碳效益支付項目費用。
3）營銷服務子系統。營銷管理子模塊的主要功能有客服調度、電能計量、用電監測稽查、電費結算以及抄表收費業務、催費業務、用電檢查等基礎服務；智能需求側管理系統的負荷預測模塊與電力系統傳統的負荷預測系統不同，其預測結果主要作為電價策略制定的數據基礎，也可以作為針對某一申請專業服務的用戶實施用電管理的重要依據；電價制定和子模塊基于實時電價機制，根據成本和市場，按一定的更新周期制定電價[14]，力求使電價起到最大化的負荷調節作用。
2.3電能監控子系統
客戶終端、智能電表和采集子網構成了電能監控子系統的主體結構?？蛻艚K端主要是用來顯示用電信息，并作為用戶自主控制的輸入設備。其顯示的主要信息有電價政策、設備電力參數、電費信息、用電的碳排放折算等。用戶對自身用電的控制可以通過客戶終端設備輸入。智能電表是智能需求側管理系統的核心設備，它以微處理器和通信技術為核心，具有自動計量/測量、數據處理、雙向通信和服務擴展的能力，實現雙向計量、遠程/本地通信、實時數據交互、多種電價計費、遠程設備監控、支持用戶與電網互動等功能，是智能用電的基礎設備[15]。#p#分頁標題#e#
2.4測控層
測控層主要由智能插座和智能設備中的測控組件構成，是智能需求側管理系統的采集和控制終端，用戶終端和智能電表通過采集子網的本地信道與測控層建立聯系，接收到控制指令的測控組件對用電設備進行控制操作；測控層通過各種傳感器與用電設備相連，以采集設備的用電信息，并轉化成數字信息上報。
3智能需求側管理系統的關鍵技術
3.1通信技術
通信技術是聯系用戶及各子系統，傳遞系統信息流、業務流的技術基礎。智能用電管理系統通信的特點是雙向互動，且能夠高速傳遞大量信息，依仗的網絡介質主要有光纖，如以太網無源光網絡(ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)、吉比特無源光纖網絡(gigabitpassiveopticalnetwork，GPON)、小無線區域組網、公網(GSM，3G等)及電力載波等信息傳輸技術。由于需求側管理系統下各用戶的用電管理子系統處于一種松散的耦合狀態，整個智能需求側管理系統的結構是“集群式”的。對于異構、動態的用戶子系統集群，實現其中信息的無障礙交流，必須要應用合適的網絡通信協議和服務接口等網絡標準規范對信息進行識別，構建信息集成架構，增強用戶集群的交互靈活性。智能需求側管理系統內部有諸多利益主體，需要其通信系統具備較高的安全和抗干擾性能，維護各利益主體的經濟權益和信息安全。因此，必須加強系統的生存能力，實現數據的安全存儲及傳輸，有效防范惡意攻擊。
3.2智能電表技術
智能電表為適應擁有分布式電源的用戶側電能雙向流動的特性，將實現雙向獨立計量，計量的電能數據集成了時標和費率信息，作為電費結算和用戶查詢的依據。智能電表將具備電量存儲和事件記錄功能，對大量數據進行計算統計，得到基本的用戶用電習慣信息，并可檢索查看。能夠進行可編程的用電控制和告警，如開啟或關斷用電設備，報告設備電力參數的越界狀況，分析電能質量等。內部的通信模塊可使智能電表與設備數據采集裝置、主站系統、用戶終端進行雙向的信息交互，是智能需求側管理系統進行用電管理、分布式電源控制、幫助用戶參與電網和電力市場互動的技術支持。
3.3智能采集技術
智能采集針對的電力用戶有6類：大型專變用戶、中小型專變用戶、三相一般工商業用戶、單相一般工商業用戶、居民用戶、公用配變考核計量點。采集的主要數據項有：電能量數據、交流模擬量、電能質量越限數據。采集方式有定時自動采集、隨機召測、主動上報3類。
3.4智能用戶終端技術
用戶終端需運用平面數字顯示、三維動畫、語音及影響識別、地理信息系統(geographicinformationsystem，GIS)等視頻和音頻技術，以及標準化的信息錄入技術，為用戶側與電網側的信息交互提供基礎服務。
3.5需求側管理技術
需求側管理的關鍵技術有以下4類：
1）負荷預測。需求側能量管理系統的負荷預測需要利用大量用戶用電信息，分析負荷變化相關因子，特別是天氣、日類型等因素和短期負荷變化的關系，采用數據倉庫、數據挖掘等技術，運用灰色理論、模糊預測等算法，預測用戶的用電量。
2）電價制定和。電價的確定主要依據發電成本和市場2組數據。電能成本可以根據電力企業的運行數據分析得到，而市場需求則由負荷預測結果得到。電價的更新周期是電價制定體系的重要指標，理想的電價更新應該是實時的，但極度顆?；碾妰r會造成電力用戶的響應疲憊。采用每日更新的分時分段電價是比較合理的發展趨勢，這種定價策略既保證了一定的細化程度，也能夠讓用戶及時響應電價的變化，便于進行電費計量。
3）能效及節能管理。在對用戶的增值服務中，能效及節能管理是技術核心，主要分為2個層次：①采取經濟、政策手段，引導用戶采用先進的技術、工藝、設備提高電能利用效率，降低碳排放；②通過節能診斷，為用戶指定節能用電規范，讓用戶優化用電行為，避免能源浪費。
4）需求側響應。需求側響應技術包括負荷移峰填谷、需求競價、負荷備用、分布式電源上網等，其核心的思想是使用戶切換到電力公司希望的用電方式下，而同時又能獲得用戶希望的經濟利益。
3.6決策及控制技術
決策及控制技術指的是在充足的需求側用電數據基礎上，建立決策模型，對數據進行分析，從而得到管理策略的過程方法。在智能需求側管理系統中，決策及控制要充分體現實時性、智能性、互動性，應用的技術包含云計算或并行計算、分布式、智能優化算法等先進的人工智能技術。
4智能需求側管理系統的實現策略
4.1服務架構設計方案
低碳經濟下，智能需求側管理系統的設計需更突出地體現其低碳性能，促進一次能源的低碳化，在用戶側實現節能減排，保障經濟要素對用戶側低碳化的推動力，促進低碳高效的智能用電設備發展。整個智能需求側管理系統的結構，可歸結為一個面向服務的高級量測體系(advancedmeasurementinfrastructure，AMI)，其中信息交互的主體是大量異構的電力用戶及其自購的智能設備，它們之間靈活高效的通信是系統功能實現的關鍵因素。智能需求側管理系統可對同區域內的同類用戶組建局域通信子網，共享一個分布式的管理平臺。智能需求側管理系統的信息平臺，可采用文獻[16]提出的基于多系統(multi-agentsystem，MAS)的面向服務(service-orientedarchitecture，SOA)架構，平臺總體結構如圖3所示。圖中，被封裝成了一個個智能服務，通過Web服務、簡單對象訪問協議(simpleobjectaccessprotocol，SOAP)、通用描述、發現與集成服務(universaldescription,discoveryandintegration，UDDI)對外提供服務，分布式管理平臺內的智能服務在私有注冊中心注冊。主站作為上級，UDDI集成各分布式平臺的服務，綜合后到各分布式平臺中。圖中：WSi為Web服務，i=1~m；Sij為智能服務；Ri為分布式管理平臺私有注冊中心。
4.2服務請求實現方法
針對某一用戶的服務實現應用，是基于對智能需求側服務的清晰描述，形成交互系統，服務的實現流程如圖4所示。如圖4所示，用戶終端通過用戶終端通過用戶接口服務(userinterfaceservice，UIS)向系統發出需求指令，系統也需通過UIS向用戶終端運行信息。UIS在服務注冊中心注冊、或訂閱服務，當請求的服務在本用戶組中，可直接綁定，如在其他用戶組中，需通過Web服務進行交互。智能需求側服務通過封裝任務，傳遞至對應用戶終端的智能電表或智能設備上進行服務執行。#p#分頁標題#e#
4.3系統工作流程
整個系統的工作流程如圖5所示。智能插座或智能設備本身的傳感裝置將采集的原始用電信息通過采集子網的本地信道上傳至智能電表中，智能電表將信息初步整理、篩選；主站信息整理存儲子系統通過數據聚合服務將用戶的私有信息轉化為開放數據形式，定期對用戶服務子系統中的專家決策模塊進行學習更新，同時，將用戶的碳排放相關信息發送至環境部門；營銷服務子系統提取數據庫中的用戶電量以及發輸電信息，執行負荷預測服務，并制定出下一電價周期的電價策略，與聚合整理后的用電、費率信息通過用戶接口服務，一并到用戶終端上顯示；用戶可根據電價信息和用電信息對自身的用電計劃進行規劃、實施，也可將自身需求，定制尋優服務自動調整用電習慣；當有特殊節能需求時，用戶可經由客戶端向主站用戶服務子系統請求節能管理服務，由主站向用戶進行專業的針對單一用戶的用電規劃，將指令到用戶側，在測控層執行，用戶則通過用戶終端進行監視；每隔一個固定時段，主站都會將用戶的電費信息發送給客戶，在固定的結算周期，進行自動或手動的結算。
5結論
智能需求側管理系統是智能電網增強需求側管控的系統級體現，在低碳經濟時代，它也能夠引導加速用戶側的低碳化進程。系統在信息化的基礎上，增加用戶的互動參與，充分發揮電力用戶的主觀能動性，使負荷特性更加優質，保證了用戶側的穩定、可靠、高效。從全社會角度來看，智能需求側管理系統能夠幫助電力行業實現節能減排、保護環境的目標。在低碳經濟環境下，系統也能夠綜合政府的政策指引法規、電力公司的專業技術實力、電力用戶的主觀能動需求3方面的力量，共同實現用戶側的低碳化，為達到我國在本世紀預期的減碳目標提供技術支持。
