彭旭東，邱澤晶，肖楚鵬

(國(guó)家電氣設(shè)備檢測(cè)與工程能效測(cè)評(píng)中心(武漢)，湖北 武漢430074)

電力是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的命脈、支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展的支柱。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng)及能源資源的日趨緊張，能源消費(fèi)量大、利用效率低的問(wèn)題日益突顯，節(jié)能減排已成為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的迫切需要，是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇［1］。研究電力用戶能效監(jiān)測(cè)方法及技術(shù)、需求響應(yīng)理論體系與新機(jī)制，將有力推動(dòng)典型電力用戶的能效提升，實(shí)現(xiàn)用戶的節(jié)能運(yùn)行和峰值負(fù)荷管理，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)提供重要的技術(shù)支撐。

1 能效監(jiān)測(cè)

1.1 定義

能效管理系統(tǒng)依托智能電網(wǎng)和現(xiàn)代管理理念，利用高級(jí)量測(cè)、高效控制、高速通信、快速儲(chǔ)能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶響應(yīng)迅速、計(jì)量公正準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)，構(gòu)建電網(wǎng)與用戶電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的新型供用關(guān)系，有效降低用戶能耗水平。現(xiàn)代化的能源監(jiān)控管理系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)化儀表技術(shù)結(jié)合起來(lái)的管控一體化項(xiàng)目［2］。

能效監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)以能量守恒、能源系統(tǒng)優(yōu)化配置、能效評(píng)估與決策為理論基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用信息采集與通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、可再生能源應(yīng)用技術(shù)、公共設(shè)施節(jié)能技術(shù)、可視化展示技術(shù)以及綜合能效管理等技術(shù)手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶用能狀態(tài)，優(yōu)化能源使用效率，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)和集約優(yōu)化利用。

典型電力用戶能效監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)范圍內(nèi)各用能部門或裝置的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)采集，并采用集中統(tǒng)一管理的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)的Web發(fā)布、各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警，以及各種日常報(bào)表和數(shù)據(jù)曲線的生成等工作，同時(shí)根據(jù)能效分析理論和模型，結(jié)合實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)，展示準(zhǔn)確可靠的生產(chǎn)工藝流程及重點(diǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)能效狀態(tài)，提供能效改進(jìn)決策支持服務(wù)。

1.2 能效監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的應(yīng)用

當(dāng)前，能效監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)集中應(yīng)用于鋼鐵、建筑、電力、高耗能企業(yè)等特定行業(yè)或能源介質(zhì)方面。

鋼鐵行業(yè)是傳統(tǒng)的高耗能行業(yè)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其能效管理系統(tǒng)的研究起步較早也較為成熟，有許多成功的應(yīng)用案例。寶鋼公司不銹鋼分公司配置了能源監(jiān)控及管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是分公司不銹鋼及碳鋼熱軋板卷技改工程的配套項(xiàng)目。南京鋼鐵聯(lián)合有限公司于2005年啟用了電力管理系統(tǒng)，每年節(jié)省勞力成本約45萬(wàn)元，節(jié)省電能約250萬(wàn)元。另外，武鋼等其它鋼鐵企業(yè)目前都已經(jīng)引入能源管理系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)能源信息采集與監(jiān)控［3］。

建筑能源管理系統(tǒng)是指用于建筑能源管理的監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)、管理策略和軟件系統(tǒng)，此類系統(tǒng)按時(shí)間(月或年)，根據(jù)檢測(cè)、計(jì)量和計(jì)算的數(shù)據(jù)，做出統(tǒng)計(jì)分析，繪制成圖表;或按建筑物內(nèi)各分區(qū)或用戶，或按建筑節(jié)能工程的不同系統(tǒng)，繪制能流圖，用于指導(dǎo)管理者實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能運(yùn)行［4－5］。在建筑能源管理系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)外的知名廠家和研究機(jī)構(gòu)推出了系統(tǒng)產(chǎn)品和解決方案，典型案例包括法國(guó)施耐德電氣的BMS系統(tǒng)、美國(guó)江森自控有限公司的一站式可持續(xù)發(fā)展解決方案、清華同方的EMS泰康能源管理系統(tǒng)等，國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院在2010年與美國(guó)合作，完成了示范項(xiàng)目中建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作。

電力方面，主要體現(xiàn)在企業(yè)電網(wǎng)管理上。依據(jù)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論，將其與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)有效算法描述出變壓器、電容器和負(fù)載等電力設(shè)備的各種組合運(yùn)行方式，并對(duì)電網(wǎng)中各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算不同負(fù)載條件下變壓器等輸變電設(shè)備的理論損耗和優(yōu)化運(yùn)行方式，從而最大限度的降低網(wǎng)損［6］，如國(guó)電南瑞開(kāi)發(fā)的OPEN－3000電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，施耐德電氣的節(jié)能工廠等。在高耗能企業(yè)用電能效管理領(lǐng)域，對(duì)配電網(wǎng)用電設(shè)備以及節(jié)能裝置統(tǒng)一集中管理，以達(dá)到企業(yè)配電網(wǎng)電能質(zhì)量和電能損耗的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。在我國(guó)，信息化技術(shù)得到相當(dāng)?shù)闹匾?，但現(xiàn)有節(jié)能設(shè)備運(yùn)行單一，企業(yè)配電網(wǎng)缺乏全局電能管理，節(jié)能效率不高。

1.3 用戶能效評(píng)估模型與仿真

用戶能效評(píng)估模型與仿真，涉及到環(huán)境、管理、信息、經(jīng)濟(jì)以及物理、化學(xué)、控制等多種學(xué)科的交叉，考慮的范圍大到全球能源－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境系統(tǒng)的分析，小到單個(gè)能耗設(shè)備的性能評(píng)估。在企業(yè)能源消耗模型研究方面，從模型建立方法的角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)外目前所采用的建模方法是利用近代數(shù)學(xué)領(lǐng)域的成就，建立起反映生產(chǎn)中能源消耗規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，常用的有投入產(chǎn)出模型、回歸統(tǒng)計(jì)模型、線性規(guī)劃模型以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和系統(tǒng)辨識(shí)建模方法等，這些方法從一定程度上反映了企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和能耗情況［7］。目前，國(guó)、內(nèi)外形成了相應(yīng)的評(píng)估方法，主要包括投入產(chǎn)出分析法、統(tǒng)計(jì)分析法、能耗系數(shù)法、能耗基準(zhǔn)因數(shù)法、指標(biāo)計(jì)算法、常用設(shè)備效率計(jì)算模型法等。在相關(guān)的能效模型與評(píng)估支持軟件方面，目前已商用的軟件系統(tǒng)主要是能源管理型軟件，其中又以企業(yè)能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、企業(yè)能源優(yōu)化控制管理軟件和企業(yè)節(jié)能管理系統(tǒng)為主。

2 需求側(cè)響應(yīng)

2.1 定義

電力需求側(cè)響應(yīng)(DR)，是通過(guò)市場(chǎng)手段和價(jià)格工具，影響和調(diào)節(jié)需求的時(shí)間和水平，挖掘需求側(cè)響應(yīng)資源，提升需求側(cè)響應(yīng)彈性，壓制批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，提高電力系統(tǒng)和電力市場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行效率的有效手段;同時(shí)，將需求側(cè)響應(yīng)資源與供應(yīng)側(cè)資源在各類市場(chǎng)和綜合資源規(guī)劃中平等甚至優(yōu)先對(duì)待，可以起到提升社會(huì)整體資源的利用效率和提高社會(huì)整體福利的重要作用。

2.2 國(guó)外研究概況

國(guó)外在2001年美國(guó)加州電力危機(jī)之后，明確提出了需求側(cè)響應(yīng)概念并開(kāi)始全面研究，其中以各個(gè)市場(chǎng)的管制機(jī)構(gòu)和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的總結(jié)分析報(bào)告和需求側(cè)響應(yīng)實(shí)踐操作的探討為主。2002年，美國(guó)聯(lián)邦能源管制委員會(huì)(FERC)的一份工作報(bào)告中指出:需求側(cè)響應(yīng)對(duì)確保競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)中供需雙方的有效互動(dòng)至關(guān)重要，需求側(cè)響應(yīng)是供應(yīng)者市場(chǎng)力和地域型市場(chǎng)力的測(cè)量?jī)x，是批發(fā)市場(chǎng)參與者和終端消費(fèi)者的新的選擇機(jī)會(huì)，充分肯定和確立了需求側(cè)響應(yīng)在電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中的意義和地位。按照美國(guó)能源部的報(bào)告對(duì)需求側(cè)響應(yīng)的定義和分類方法，需求側(cè)響應(yīng)可分為激勵(lì)型和價(jià)格型兩類［8］。激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)包括直接負(fù)荷控制、可削減可中斷負(fù)荷，需求側(cè)投標(biāo)和回購(gòu)、容量與輔助服務(wù)市場(chǎng)項(xiàng)目、以及緊急需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目。價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)包括分時(shí)電價(jià)(TOU)、實(shí)時(shí)電價(jià)(RTP)和關(guān)鍵峰荷電價(jià)(CPP)等。

對(duì)于需求側(cè)響應(yīng)的效益評(píng)估，美國(guó)聯(lián)邦能源管制委員會(huì)發(fā)布的2006評(píng)估報(bào)告詳細(xì)闡述了現(xiàn)有需求側(cè)響應(yīng)給參與者及整個(gè)系統(tǒng)和市場(chǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和可靠性效益。文獻(xiàn)［9］通過(guò)多個(gè)案例分析，顯示需求側(cè)響應(yīng)尤其是其零售價(jià)格創(chuàng)新項(xiàng)目為消費(fèi)者提供的負(fù)荷管理和費(fèi)用優(yōu)化效益，而且這些項(xiàng)目的實(shí)施并不以零售競(jìng)爭(zhēng)的引入為前提。同時(shí)，大量的研究報(bào)告通過(guò)對(duì)試驗(yàn)性項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù)的詳盡分析，對(duì)需求側(cè)的價(jià)格彈性做了大量的分類測(cè)算和研究。在需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施動(dòng)力和障礙研究方面，需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目動(dòng)機(jī)因素的一個(gè)調(diào)查報(bào)告顯示，降低供電成本和管制政策要求是兩個(gè)最主要的推動(dòng)因素。在需求側(cè)響應(yīng)的障礙方面，對(duì)負(fù)荷削減的測(cè)算方法和對(duì)需求側(cè)響應(yīng)的成本效益評(píng)價(jià)方法是迄今未能較好解決的兩大理論難題。

國(guó)外大量的實(shí)證研究表明，需求側(cè)響應(yīng)的效果非常明顯，有資料顯示，20%的消費(fèi)者提供了80%的價(jià)格響應(yīng);在加州的試驗(yàn)項(xiàng)目中，30%的消費(fèi)者提供了80%的負(fù)荷削減。

2.3 國(guó)內(nèi)研究概況

國(guó)內(nèi)對(duì)需求側(cè)響應(yīng)概念的接觸是從2004年才開(kāi)始的。幾年后，才有人在我國(guó)第一次全面系統(tǒng)清晰地闡述了需求側(cè)響應(yīng)的意義、內(nèi)涵、概念和分類，及其與需求側(cè)管理的關(guān)系，第一次提出了在我國(guó)建立實(shí)時(shí)電價(jià)用戶群，引入和培育需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的方案。文獻(xiàn)［10－11］對(duì)需求側(cè)響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益分析做了研究，提出從短期和中長(zhǎng)期兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)算，尤其對(duì)需求側(cè)響應(yīng)在市場(chǎng)穩(wěn)定性方面的經(jīng)濟(jì)效益給出了量化計(jì)算公式，具有一定的理論突破性。文獻(xiàn)［12－13］分別闡述了需求側(cè)響應(yīng)在批發(fā)市場(chǎng)和零售市場(chǎng)中的應(yīng)用，尤其對(duì)在我國(guó)如何分階段引入需求側(cè)響應(yīng)提出了建設(shè)性的意見(jiàn)。

3 高效節(jié)能技術(shù)與控制設(shè)備在能效管理和需求響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

節(jié)約能源，提高能效，除了某些特定項(xiàng)目可以通過(guò)改造工藝流程來(lái)達(dá)到節(jié)能目的外，一般都不外乎技術(shù)手段和管理手段。技術(shù)節(jié)能，主要是通過(guò)運(yùn)用高效節(jié)能技術(shù)與控制設(shè)備，達(dá)到耗能設(shè)備的高效低碳運(yùn)行。在高效節(jié)能技術(shù)上可選用高效設(shè)備(如高效電機(jī))、節(jié)能設(shè)備(如節(jié)能燈器具，熱泵空調(diào))，節(jié)能控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式(如變頻變速運(yùn)行)、余能回饋利用等。提高用電效率既節(jié)約了用電設(shè)備對(duì)電力負(fù)荷的需求，又節(jié)省了總用電量，對(duì)電力企業(yè)和電力用戶都有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

在高效節(jié)能技術(shù)方面，電機(jī)技術(shù)的研究最為廣泛也最為成熟。近年來(lái)，隨著國(guó)家各種節(jié)能減排政策的出臺(tái)，綠色產(chǎn)品如節(jié)能燈器具，熱泵空調(diào)(蓄能空調(diào))的研究和使用也越來(lái)越多［14］。蓄能空調(diào)系統(tǒng)是解決電網(wǎng)供需矛盾的主要方法之一，將蓄冷空調(diào)與蓄熱技術(shù)和電力系統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)相結(jié)合，從宏觀上可以起到平衡電網(wǎng)，微觀上可以為空調(diào)用戶節(jié)省大量運(yùn)行費(fèi)用［15－16］。

另外，在蓄能空調(diào)、綠色照明等其它高效節(jié)能技術(shù)和智能控制設(shè)備方面，國(guó)內(nèi)外知名廠家如施耐德電氣、江森自控等推出了一系列解決方案。施耐德通過(guò)電機(jī)系統(tǒng)、電力監(jiān)測(cè)、能源管理系統(tǒng)、自動(dòng)化解決方案等節(jié)能降耗技術(shù)，幫助工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域用戶的設(shè)備平均節(jié)能10%～20%;在大中型商業(yè)建筑節(jié)能方面，施耐德通過(guò)暖通空調(diào)控制、照明控制、樓宇管理系統(tǒng)、電能功率因數(shù)校正等措施，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗30%的目標(biāo);在小型樓宇及民用住宅節(jié)能方面，施耐德通過(guò)使用節(jié)能控制產(chǎn)品，達(dá)到節(jié)能降耗10%～40%的目標(biāo)。江森自控作為一家一站式樓宇解決方案供應(yīng)商，采用先進(jìn)的傳熱技術(shù)和系統(tǒng)控制技術(shù)，在提高能效的同時(shí)通過(guò)采用智能化管理，大大優(yōu)化了系統(tǒng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究及應(yīng)用電力用戶能效監(jiān)測(cè)和需求響應(yīng)技術(shù)是合理控制能源消費(fèi)總量、建立能源消費(fèi)總量控制目標(biāo)分解落實(shí)機(jī)制、建立能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制、跟蹤監(jiān)測(cè)各地區(qū)能源消費(fèi)總量和高耗能行業(yè)用電量等指標(biāo)、對(duì)能源消費(fèi)總量增長(zhǎng)過(guò)快的地區(qū)及時(shí)預(yù)警、調(diào)控強(qiáng)化重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理、建立健全企業(yè)能源管理體系等一系列國(guó)家政策貫徹落實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。加強(qiáng)針對(duì)高耗能企業(yè)的節(jié)能技術(shù)研究、節(jié)能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和政策研究顯得尤為重要，特別是加強(qiáng)電力用戶能效監(jiān)測(cè)方法及技術(shù)研究、基于供求信息雙向互動(dòng)的需求響應(yīng)的能效管理分析及動(dòng)態(tài)仿真理論方法研究、高效節(jié)能技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制、支撐多種電價(jià)和激勵(lì)機(jī)制的能效管理系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)方法及控制技術(shù)研究等具有重大意義。

［1］黃生琪，周菊華.我國(guó)節(jié)能減排的意義、現(xiàn)狀及措施［J］.節(jié)能技術(shù)，2008，26(2):172－175.

［2］張娣，李桂紅，馮為民.現(xiàn)代化能源監(jiān)控及管理系統(tǒng)的集成與應(yīng)用［J］.寶鋼技術(shù)，2005(4):28－31.

［3］包桂來(lái).電力管理系統(tǒng)在鋼鐵廠的應(yīng)用［J］.有色冶金節(jié)能，2005(10):43－46.

［4］陳梅.公共建筑用電能耗數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)技術(shù)研究［D］.濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2009.

［5］梁珍，趙加寧，郭駿.高層辦公建筑能耗調(diào)查與節(jié)能分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2001，19(1):19－22.

［6］黃強(qiáng).用電及能效管理信息系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.供用電，2010，27(2):78－80.

［7］楊春，王靈梅，劉麗娟.電力工業(yè)節(jié)能減排政策及現(xiàn)狀分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(3):232－235.

［8］GOMES A，ANTUNES C H，MARTINS A G..A multiple objective decision support model for the selection of remote load control strategies.IEEE Trans on Power Systems，2000，15(2):865－872.

［9］張欽，王錫凡，王建學(xué)，等.電力市場(chǎng)下需求響應(yīng)綜述［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008(3):97－106.

［10］盧鍵明.我國(guó)電力需求側(cè)響應(yīng)的模型方法及實(shí)施方法研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［11］王冬榮，劉寶華，楊塞，等.電力需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.電力需求側(cè)管理，2007，9(1):8－10.

［12］曾鳴，王冬榮，陳貞.需求側(cè)響應(yīng)中的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理［J］.電力需求側(cè)管理，2008，10(6):11－15.

［13］郭磊.電力產(chǎn)業(yè)需求側(cè)管理與需求側(cè)響應(yīng)定價(jià)［J］.價(jià)格理論與實(shí)踐，2007(5):33－34.

［14］劉東，陳沛霖，張?jiān)评?建筑環(huán)境與暖通空調(diào)節(jié)能［J］.節(jié)能技術(shù)，2001，19(1):17－19.

［15］張立偉，王金鋒，楊崇英，等.蓄冷空調(diào)的設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)分析［J］.熱能動(dòng)力工程，2001，16(3):338－339.

［16］周維，殷剛，廖明義.盤管式蓄冰空調(diào)系統(tǒng)評(píng)價(jià)［J］.熱能動(dòng)力工程，1999，14(2):111－113.