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本文作者：曹培 翁慧颖 俞斌 郭创新 周恒俊 单位：浙江大学电气工程学院 丽水电业局 南京市供电公司
电力行业面临全球性危急的资源与环境形势，建设统一坚强智能电网这一策略应运而生[1]。而智能需求侧管理系统正是智能电网为了增加用电保障和优化用户用电行为而设立的需求侧智能系统，将彻底地改变粗放式用户能量管理现状[2-3]。随着低碳经济时代的到来，电力行业的低碳化改革也被排上日程[4]。根据国家电网公司2010年的《绿色发展白皮书》，智能电网能够在2011—2020年间，使电力行业累计减排105亿tCO2。其中对用户侧的优化管理能够贡献30%左右的减排份额，可见对智能需求侧管理系统的设计也需要适应更多的低碳化需求[5]。我国的用户侧管理起步较晚，最初是为了应付大范围缺电状况，提醒用户主动降低负荷，或在紧急状况下对用户拉闸限电。20世纪末，我国开始推广“峰谷电价”政策，利用价格杠杆，引导用户进行负荷的移峰填谷，使电力需求曲线趋向理想化。现阶段，随着智能电网的加快建设，对智能需求侧管理系统的筹备也已进入了电力项目的建设日程，对系统中高级量测体系、智能电表等的研究正在加速展开。智能需求侧管理系统将电力销售、使用、结算的过程进行优化控制，增加用户侧效益，也起到降低电力行业碳排放强度的作用，是当代电力系统发展的热点之一[6]。本文对适应低碳经济形势的智能需求侧管理系统进行一些探讨，根据低碳经济对系统发展的潜在影响，分析系统的功能架构、应用的主要技术以及服务架构实现策略。
1低碳经济对智能需求侧管理系统的影响
智能需求侧管理系统的作用是帮助用户和电力公司实现电力营销到使用过程的可靠性、便捷性、高效性和环保性要求，而在低碳经济时代，人们对能源系统运营的节能环保性能更是提出了较高要求。相关的政策法规也将能源使用对环境的影响作了经济指标的量化规定，以对消耗环境成本造成副外部性的人类行为进行经济惩罚。对应于低碳经济，一些国家也制定了涉及碳排放权交易、征收碳排放税、对过量碳排放罚款等的相关法规，将碳排放带来的环境成本经济化，以经济手段促进低碳产业，抑制高碳产业，帮助实现经济效益和低碳效益的帕累托最优[7]。由此可见，电网侧需要根据用电量和电力发电方式，对电力碳排放实际主体(电力用户)的排放数据计量上传，由环境部门按标准对电力用户进行碳排放的经济补偿或惩罚。智能需求侧管理系统可计量、上传用于推算用户用电碳排放强度及碳排放量的用电信息，并上报环境部门，为低碳经济的市场运营提供技术支持。智能需求侧管理系统的经济性和低碳性可统一成一个综合的经济指标，这种综合带来了2个好处：一是将对环境的影响程度转化为经济量化值，可以充分利用经济杠杆，让系统更好地为电力公司和用户做出低碳性与经济性的双重引导；二是将环境利益经济量纲化，给系统运行的外部环境效益赋予了市场特性，将扩大智能需求侧管理系统的投资收益比率，对系统的推广起助力作用[8]。在低碳经济下，智能需求侧管理系统的效益被分成了2个部分：一是直接的经济效益，如自动化的营销服务减少了人工业务量，降低了营销成本，节能服务使得用户节约了能源成本等；二是环境效益在节能减排政策法规下的等价经济效益，如用户在用电优化后能够降低温室气体的排放，减少碳税的缴纳额度和对碳排放权的购买量，避免过量排放的罚款。在智能电网和低碳经济时代的大背景下，对智能需求侧管理系统的开发和管理都应建立在对两部分效益的综合分析上[9]。
2智能需求侧管理系统的结构与功能
2.1智能需求侧管理系统的结构层次
智能需求侧管理系统的功能结构如图1所示，系统由主站系统、远程信道、电能监控子系统、采集子网以及测控层设备组成[10-11]。如图1所示，智能需求侧管理系统的工作特点是双向通信，通过交互的信息流的传递数据，基于经济性和低碳性两方面考虑，分析计算产生管理控制策略，实施对用户侧的在线监测和管理，从而实现用户侧电能的优化管理和电力部门的高效营销。同时，系统还可完成对用户用电的碳排放相关数据统计，辅助低碳经济的运行。
2.2主站系统
主站系统的功能配置如图2所示，主要包括负荷信息整理、用户服务、营销服务3个子系统。
1）负荷信息整理存储子系统。通过对用户侧上传的用电信息进行系统化加工整理，在线把握准确的负荷信息，并根据用户服务和营销服务的数据类型与格式需求，通过配置或公式编写，对上传的数据进行计算、统计和分析，并将碳排放相关信息转发给环境部门，为高级应用子模块搭建了坚实的数据基础，提高系统的分析能力。
2）用户服务子系统。该系统主要由3个高级应用子模块构成：用电管控模块完成主站系统对用户有序安全用电的控制，以保证用户按照当前的用电模式和习惯正常用电，在分布式发电技术逐渐成熟时，它也将承担对用户侧分布式电源的控制[12]；节能诊断模块的作用是为申请节能服务的用户(通常为大型工业用户)分析某一部门，如班组、车间、分厂的实际耗能情况，挖掘节能减碳潜力，并确定节能课题，为开展节能项目的用户做重要的前期准备[13]；委托管理是在对用户进行节能诊断后，制定节能方案，签订合同，由智能需求侧管理系统运营方为项目筹款，采购并安装设备、培训人员、投产运行，用户依据节能减碳效益支付项目费用。
3）营销服务子系统。营销管理子模块的主要功能有客服调度、电能计量、用电监测稽查、电费结算以及抄表收费业务、催费业务、用电检查等基础服务；智能需求侧管理系统的负荷预测模块与电力系统传统的负荷预测系统不同，其预测结果主要作为电价策略制定的数据基础，也可以作为针对某一申请专业服务的用户实施用电管理的重要依据；电价制定和子模块基于实时电价机制，根据成本和市场，按一定的更新周期制定电价[14]，力求使电价起到最大化的负荷调节作用。
2.3电能监控子系统
客户终端、智能电表和采集子网构成了电能监控子系统的主体结构。客户终端主要是用来显示用电信息，并作为用户自主控制的输入设备。其显示的主要信息有电价政策、设备电力参数、电费信息、用电的碳排放折算等。用户对自身用电的控制可以通过客户终端设备输入。智能电表是智能需求侧管理系统的核心设备，它以微处理器和通信技术为核心，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和服务扩展的能力，实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程设备监控、支持用户与电网互动等功能，是智能用电的基础设备[15]。#p#分页标题#e#
2.4测控层
测控层主要由智能插座和智能设备中的测控组件构成，是智能需求侧管理系统的采集和控制终端，用户终端和智能电表通过采集子网的本地信道与测控层建立联系，接收到控制指令的测控组件对用电设备进行控制操作；测控层通过各种传感器与用电设备相连，以采集设备的用电信息，并转化成数字信息上报。
3智能需求侧管理系统的关键技术
3.1通信技术
通信技术是联系用户及各子系统，传递系统信息流、业务流的技术基础。智能用电管理系统通信的特点是双向互动，且能够高速传递大量信息，依仗的网络介质主要有光纤，如以太网无源光网络(ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)、吉比特无源光纤网络(gigabitpassiveopticalnetwork，GPON)、小无线区域组网、公网(GSM，3G等)及电力载波等信息传输技术。由于需求侧管理系统下各用户的用电管理子系统处于一种松散的耦合状态，整个智能需求侧管理系统的结构是“集群式”的。对于异构、动态的用户子系统集群，实现其中信息的无障碍交流，必须要应用合适的网络通信协议和服务接口等网络标准规范对信息进行识别，构建信息集成架构，增强用户集群的交互灵活性。智能需求侧管理系统内部有诸多利益主体，需要其通信系统具备较高的安全和抗干扰性能，维护各利益主体的经济权益和信息安全。因此，必须加强系统的生存能力，实现数据的安全存储及传输，有效防范恶意攻击。
3.2智能电表技术
智能电表为适应拥有分布式电源的用户侧电能双向流动的特性，将实现双向独立计量，计量的电能数据集成了时标和费率信息，作为电费结算和用户查询的依据。智能电表将具备电量存储和事件记录功能，对大量数据进行计算统计，得到基本的用户用电习惯信息，并可检索查看。能够进行可编程的用电控制和告警，如开启或关断用电设备，报告设备电力参数的越界状况，分析电能质量等。内部的通信模块可使智能电表与设备数据采集装置、主站系统、用户终端进行双向的信息交互，是智能需求侧管理系统进行用电管理、分布式电源控制、帮助用户参与电网和电力市场互动的技术支持。
3.3智能采集技术
智能采集针对的电力用户有6类：大型专变用户、中小型专变用户、三相一般工商业用户、单相一般工商业用户、居民用户、公用配变考核计量点。采集的主要数据项有：电能量数据、交流模拟量、电能质量越限数据。采集方式有定时自动采集、随机召测、主动上报3类。
3.4智能用户终端技术
用户终端需运用平面数字显示、三维动画、语音及影响识别、地理信息系统(geographicinformationsystem，GIS)等视频和音频技术，以及标准化的信息录入技术，为用户侧与电网侧的信息交互提供基础服务。
3.5需求侧管理技术
需求侧管理的关键技术有以下4类：
1）负荷预测。需求侧能量管理系统的负荷预测需要利用大量用户用电信息，分析负荷变化相关因子，特别是天气、日类型等因素和短期负荷变化的关系，采用数据仓库、数据挖掘等技术，运用灰色理论、模糊预测等算法，预测用户的用电量。
2）电价制定和。电价的确定主要依据发电成本和市场2组数据。电能成本可以根据电力企业的运行数据分析得到，而市场需求则由负荷预测结果得到。电价的更新周期是电价制定体系的重要指标，理想的电价更新应该是实时的，但极度颗粒化的电价会造成电力用户的响应疲惫。采用每日更新的分时分段电价是比较合理的发展趋势，这种定价策略既保证了一定的细化程度，也能够让用户及时响应电价的变化，便于进行电费计量。
3）能效及节能管理。在对用户的增值服务中，能效及节能管理是技术核心，主要分为2个层次：①采取经济、政策手段，引导用户采用先进的技术、工艺、设备提高电能利用效率，降低碳排放；②通过节能诊断，为用户指定节能用电规范，让用户优化用电行为，避免能源浪费。
4）需求侧响应。需求侧响应技术包括负荷移峰填谷、需求竞价、负荷备用、分布式电源上网等，其核心的思想是使用户切换到电力公司希望的用电方式下，而同时又能获得用户希望的经济利益。
3.6决策及控制技术
决策及控制技术指的是在充足的需求侧用电数据基础上，建立决策模型，对数据进行分析，从而得到管理策略的过程方法。在智能需求侧管理系统中，决策及控制要充分体现实时性、智能性、互动性，应用的技术包含云计算或并行计算、分布式、智能优化算法等先进的人工智能技术。
4智能需求侧管理系统的实现策略
4.1服务架构设计方案
低碳经济下，智能需求侧管理系统的设计需更突出地体现其低碳性能，促进一次能源的低碳化，在用户侧实现节能减排，保障经济要素对用户侧低碳化的推动力，促进低碳高效的智能用电设备发展。整个智能需求侧管理系统的结构，可归结为一个面向服务的高级量测体系(advancedmeasurementinfrastructure，AMI)，其中信息交互的主体是大量异构的电力用户及其自购的智能设备，它们之间灵活高效的通信是系统功能实现的关键因素。智能需求侧管理系统可对同区域内的同类用户组建局域通信子网，共享一个分布式的管理平台。智能需求侧管理系统的信息平台，可采用文献[16]提出的基于多系统(multi-agentsystem，MAS)的面向服务(service-orientedarchitecture，SOA)架构，平台总体结构如图3所示。图中，被封装成了一个个智能服务，通过Web服务、简单对象访问协议(simpleobjectaccessprotocol，SOAP)、通用描述、发现与集成服务(universaldescription,discoveryandintegration，UDDI)对外提供服务，分布式管理平台内的智能服务在私有注册中心注册。主站作为上级，UDDI集成各分布式平台的服务，综合后到各分布式平台中。图中：WSi为Web服务，i=1~m；Sij为智能服务；Ri为分布式管理平台私有注册中心。
4.2服务请求实现方法
针对某一用户的服务实现应用，是基于对智能需求侧服务的清晰描述，形成交互系统，服务的实现流程如图4所示。如图4所示，用户终端通过用户终端通过用户接口服务(userinterfaceservice，UIS)向系统发出需求指令，系统也需通过UIS向用户终端运行信息。UIS在服务注册中心注册、或订阅服务，当请求的服务在本用户组中，可直接绑定，如在其他用户组中，需通过Web服务进行交互。智能需求侧服务通过封装任务，传递至对应用户终端的智能电表或智能设备上进行服务执行。#p#分页标题#e#
4.3系统工作流程
整个系统的工作流程如图5所示。智能插座或智能设备本身的传感装置将采集的原始用电信息通过采集子网的本地信道上传至智能电表中，智能电表将信息初步整理、筛选；主站信息整理存储子系统通过数据聚合服务将用户的私有信息转化为开放数据形式，定期对用户服务子系统中的专家决策模块进行学习更新，同时，将用户的碳排放相关信息发送至环境部门；营销服务子系统提取数据库中的用户电量以及发输电信息，执行负荷预测服务，并制定出下一电价周期的电价策略，与聚合整理后的用电、费率信息通过用户接口服务，一并到用户终端上显示；用户可根据电价信息和用电信息对自身的用电计划进行规划、实施，也可将自身需求，定制寻优服务自动调整用电习惯；当有特殊节能需求时，用户可经由客户端向主站用户服务子系统请求节能管理服务，由主站向用户进行专业的针对单一用户的用电规划，将指令到用户侧，在测控层执行，用户则通过用户终端进行监视；每隔一个固定时段，主站都会将用户的电费信息发送给客户，在固定的结算周期，进行自动或手动的结算。
5结论
智能需求侧管理系统是智能电网增强需求侧管控的系统级体现，在低碳经济时代，它也能够引导加速用户侧的低碳化进程。系统在信息化的基础上，增加用户的互动参与，充分发挥电力用户的主观能动性，使负荷特性更加优质，保证了用户侧的稳定、可靠、高效。从全社会角度来看，智能需求侧管理系统能够帮助电力行业实现节能减排、保护环境的目标。在低碳经济环境下，系统也能够综合政府的政策指引法规、电力公司的专业技术实力、电力用户的主观能动需求3方面的力量，共同实现用户侧的低碳化，为达到我国在本世纪预期的减碳目标提供技术支持。
