曹海權(quán)，孫曉璐，馬 超

(1.宜賓電業(yè)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(jīng)濟的發(fā)展，電力用戶正在悄然發(fā)生變化，其用電行為也越來越受到實時電力管理的驅(qū)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(cè)管理［2－4］、需求響應(yīng)［5－7］等)的實施影響了電力工業(yè)向以用戶為中心進行轉(zhuǎn)變。然而，用戶對需求響應(yīng)方案的接受程度和響應(yīng)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(yīng)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(xù)性刺激，來使得用戶的用電行為發(fā)生必要的改變。此外，電力公司對能效、需求響應(yīng)，甚至是監(jiān)管部門的刺激措施仍持謹慎態(tài)度，他們列舉了需求側(cè)管理方案中的一些不確定結(jié)果，包括硬件和客戶服務(wù)、通信基礎(chǔ)設(shè)施及通用協(xié)議的缺乏、聯(lián)合風險投資經(jīng)驗及與零售商合作經(jīng)驗的缺乏。同時，電力公司和其他電氣服務(wù)供應(yīng)商，在投資用戶相關(guān)技術(shù)，如電信、英特網(wǎng)技術(shù)、家庭和樓宇安全服務(wù)，以及其他與用戶相關(guān)的服務(wù)等方面顯得經(jīng)驗不足。這些不確定性因素阻礙了一切關(guān)于用戶側(cè)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(guān)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(guān)于用電具體時間、用電模式和使用總量的信息，更沒有關(guān)于實時電價、購電選擇權(quán)或其他與電有關(guān)的服務(wù)信息。此外，監(jiān)管制度僅僅鼓勵電力公司興建足夠的發(fā)電、輸電及配電設(shè)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(wǎng)的大背景下，動態(tài)能量管理系統(tǒng)［1，8］的實施將從根本上改變這種狀況。動態(tài)能量管理系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)互相協(xié)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(tǒng)可靠性、降低電力躉售價格、提高資產(chǎn)利用率、減少備用發(fā)電和輸電容量的投資。動態(tài)能量管理系統(tǒng)為用戶提供用電行為信息可刺激用戶尋找新的電力產(chǎn)品和服務(wù)，以便更好地對能量選擇進行管理，并能做出相應(yīng)的決策，以更好地滿足自身需求。反之，也能刺激企業(yè)家提供電力產(chǎn)品和服務(wù)來滿足用戶的需求。

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

1 能量端口的定義

能量端口為電網(wǎng)與用戶的分界面，通過采用相關(guān)的軟件和硬件來促進能源服務(wù)商和用戶設(shè)備的的雙方通信［9］。它同時包含“門戶”、“網(wǎng)關(guān)”和“智能電表”［1］。到目前為止，“門戶”被狹義理解為與通信數(shù)據(jù)集線器有關(guān)，“網(wǎng)關(guān)”通常指一些具體、狹窄的接入點，“電表”是傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，從而為公司活動提供一個網(wǎng)絡(luò)的觀念。能量端口為用戶設(shè)施的運行提供了意見，進一步定義了與能量管理系統(tǒng)，甚至是終端子系統(tǒng)和設(shè)備間的通信。能量端口由一臺或一套設(shè)備組成，使得用戶設(shè)施中的智能設(shè)備可通過廣域網(wǎng)和遠程系統(tǒng)進行無縫連接。能量端口還具有通信網(wǎng)關(guān)功能，使廣域接入網(wǎng)絡(luò)與本地用戶網(wǎng)絡(luò)在物理上和邏輯上相互連接。可以想象，能量端口所擁有的諸多本地計算資源將有利于本地監(jiān)控、數(shù)據(jù)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(tǒng)

現(xiàn)有樓宇建筑中，以太網(wǎng)、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(tǒng)，同時，一些無線和其它設(shè)備通常位于單獨的配線系統(tǒng)中。

在能量端口中，這些系統(tǒng)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(wù);(2)將電力載波信號疊加于電力線路;(3)用無線網(wǎng)絡(luò)取代除基本供電線路外的其它線路發(fā)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(tǒng)或?qū)χv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(wù)上。

這種通用插座適用于所有常規(guī)設(shè)備，任何舊的傳統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)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(shè)備必須插入插座，且電能還需流經(jīng)一個小型通信芯片。微處理器將鑒別能量端口上的各臺設(shè)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(fā)生電擊和火災(zāi)的概率也大大降低。

在這個閉環(huán)系統(tǒng)中，當設(shè)備插入插座后，通信芯片將向系統(tǒng)提供一個設(shè)備鑒別信號，同時還提供對設(shè)備能源消耗的估計，并讓系統(tǒng)了解設(shè)備的狀態(tài)——設(shè)備是否開啟或關(guān)閉，以及設(shè)備是否處于正常的工作狀況。電流僅允許通過插座流經(jīng)設(shè)備，同時設(shè)備的使用也不斷受到系統(tǒng)的監(jiān)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(wù)。該系統(tǒng)的幾個部件中都使用了驅(qū)動控制裝置，已有基于儲能技術(shù)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(tǒng)保持完好的指令編入，并執(zhí)行任何必要的指令操作，同時能為安全和報警系統(tǒng)提供所需的最小能量。

能量端口的另一個優(yōu)勢在于，當系統(tǒng)停電時，能與其他備用能源，如太陽能發(fā)電系統(tǒng)、備用發(fā)電機或煤氣發(fā)電系統(tǒng)，統(tǒng)一綜合使用。

根據(jù)備用電源的大小，能量端口為設(shè)備必要的運行選擇提供電能，如冰箱、烹飪及照明設(shè)備，這種能力不僅方便，而且在某些家庭場合還是至關(guān)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(tǒng)。也就是說，它不僅僅是由一臺電腦來執(zhí)行任務(wù)。能量端口采用分布式智能或分布式控制來執(zhí)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(tǒng)可靠性結(jié)合在一起。因此，當系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障時，由于分布式控制的作用，大多數(shù)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(nèi)的設(shè)備都將受到信號的控制，且任一設(shè)備發(fā)出的合適信號都可用來執(zhí)行用戶選擇的功能。墻上的開關(guān)不再通過開啟和關(guān)閉去控制插座或燈具中的電流，現(xiàn)在它僅需向系統(tǒng)發(fā)送一個信息就能控制希望的使用范圍內(nèi)的任何設(shè)備。對于許多其他設(shè)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(xiàn)在的家庭中，電器設(shè)備的使用正在逐步增長。每種設(shè)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(shè)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(shè)備，僅需要學習一套基本的指令就能控制設(shè)備的運行或者設(shè)置時間，簡單化是能量端口系統(tǒng)實施的基本前提。

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

2.6 設(shè)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(shè)備間的通信，例如，當電話或門鈴響起時，真空吸塵器將關(guān)閉，此時用戶能聽到鈴聲并做出響應(yīng)。

2.7 安全服務(wù)

用戶對安全防護高度重視，能量端口將對安保情況進行監(jiān)控。另一種形式的安全來源于能阻止危險事情的發(fā)生——當小孩比父母先到家時，為了阻止小孩在沒有監(jiān)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(tǒng)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(zāi)現(xiàn)場。

當然，還必須時刻留意火災(zāi)的發(fā)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(jiān)控服務(wù)中心，以便他們能迅速做出回應(yīng)。

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(yè)的安全性。

2.8 通 信

能量端口具備先進的通信能力是至關(guān)重要的。是否能為特定的晚餐去協(xié)調(diào)菜單上所有條目以至于它們能在晚餐的同一時間內(nèi)完成——或者僅僅使用對講機來避免你向屋內(nèi)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(shè)備出現(xiàn)故障的小型攝像機能讓用戶感到安心。如果問題沒有被發(fā)現(xiàn)，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(shè)備處得到診斷信息，還能讓用戶了解系統(tǒng)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(yè)主和經(jīng)營者根據(jù)房間是否有人、房間占用情況，或特定時間內(nèi)能源成本來決定使用加熱和冷卻系統(tǒng)的時間。

在閉環(huán)控制中，設(shè)備的通信芯片能為系統(tǒng)提供電器的能耗信息，并可讓用戶隨時調(diào)用打印輸出或顯示評估的能源使用情況。評估結(jié)果根據(jù)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(jù)不同能效、舒適性和便利程度帶來的能耗做出初步?jīng)Q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(jié)約成本，這與在寒冷季節(jié)通過空調(diào)的循環(huán)工作來節(jié)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(cè)負荷管理，對用戶來說，意味著沒有犧牲的、顯著的能源節(jié)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(wǎng)絡(luò)通信管理

能量端口可同時支持依賴于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序和管理網(wǎng)絡(luò)及其連接設(shè)備的必要功能。

2.11 遠程用戶監(jiān)控

能量端口支持本地數(shù)據(jù)監(jiān)控以及不同類型的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括，但又不限于，電力、燃氣及水資源的運營支撐、服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控、故障檢測及其他一些支持未來可靠數(shù)字化電能質(zhì)量規(guī)定的功能。這種監(jiān)控能力可以擴展到其他領(lǐng)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(yōu)點之一在于使用戶能對電力市場動態(tài)和實時電價做出有效響應(yīng)。目前的電表已經(jīng)不會讓用戶對以小時或更加頻繁變化的電價做出響應(yīng)。對用戶擁有的能量管理系統(tǒng)及智能終端設(shè)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(shù)難點

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

3.1 技術(shù)的復雜性

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

3.2 基礎(chǔ)建設(shè)的共享及穩(wěn)定性

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

3.3 開放系統(tǒng)的發(fā)展

正在進行中的開放系統(tǒng)的發(fā)展被廣泛認可。然而，開放系統(tǒng)并不是萬能的，它將帶來大量的挑戰(zhàn)。最初的挑戰(zhàn)為將開放的標準應(yīng)用于能源行業(yè)。

3.4 集成通信體系

構(gòu)建集成通信體系的根本在于將通信網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋于現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)。一些技術(shù)元素包括，但并不僅限于，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、各種通信物理媒介以及嵌入式計算技術(shù)。IECSA促進了以下4個技術(shù)的發(fā)展:(1)進行輸配電系統(tǒng)實時監(jiān)控的技術(shù);(2)提高輸配電系統(tǒng)控制及輸送容量的技術(shù);(3)改善數(shù)字設(shè)備性能的技術(shù);(4)促進終端用戶服務(wù)連接的技術(shù)。

4 設(shè)計選項

依賴于市場作用力和基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展以及電信和其他行業(yè)的擴建，能量端口能獲得一些結(jié)構(gòu)和邏輯上的形式。能量端口可以采取幾種設(shè)計策略來適應(yīng)不同的設(shè)計需求。最終，能量端口將成為一個真正卓越的設(shè)備，或是實際設(shè)備實施的一個或一套功能，又或是一個分布式的消息和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議［12］。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和策略

結(jié)構(gòu)設(shè)計需對系統(tǒng)硬件進行處理。一些結(jié)構(gòu)組件，包括電腦芯片、存儲芯片、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸線、無線電接收器等都構(gòu)成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)元件。能量端口的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有許多不同的形式。整個行業(yè)并不需要傾向于任何一種指定的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計由結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，如通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求、計算處理需求以及其他參數(shù)(如成本、地形、距離等)指定。

4.2 邏輯設(shè)計

邏輯設(shè)計更關(guān)心系統(tǒng)支持的獨立于物理設(shè)備的功能和應(yīng)用。邏輯設(shè)計還對各種形式的數(shù)據(jù)和通信消息語言進行處理。設(shè)計的策略可能去適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并能引起設(shè)備的互操作。

4.3 潛在的技術(shù)策略

主要用于輔助結(jié)構(gòu)和邏輯設(shè)計及執(zhí)行。一個具有魯棒性的技術(shù)策略需同時兼顧兩者。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計策略

結(jié)構(gòu)設(shè)計是必須的，且充分依賴于制造廠商及提供商的大量技術(shù)支持。物理通信媒介的發(fā)展極具競爭力，且新技術(shù)也以一個穩(wěn)定的比例增長。既然結(jié)構(gòu)的發(fā)展同時具有風險和競爭力，因此，促進一些結(jié)構(gòu)執(zhí)行措施的獨立性和運作必須十分謹慎。鑒別最主要結(jié)構(gòu)設(shè)計、時幀以及它們背后的工業(yè)是綜合能源工業(yè)需求和相應(yīng)關(guān)鍵標準激勵的先決條件。能量端口的一些可用的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略包括電表、因特網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、電纜調(diào)制解調(diào)器、DSL調(diào)制解調(diào)器、電視及電話等。

5 結(jié)論

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

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