电力用户能效监测与需求响应研究综述

彭旭东，邱泽晶，肖楚鹏

(国家电气设备检测与工程能效测评中心(武汉)，湖北 武汉430074)

电力是现代工业社会的命脉、支撑国家经济高速持续发展的支柱。随着我国国民经济的持续高速增长及能源资源的日趋紧张，能源消费量大、利用效率低的问题日益突显，节能减排已成为贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的迫切需要，是建设资源节约型和环境友好型社会的必然选择［1］。研究电力用户能效监测方法及技术、需求响应理论体系与新机制，将有力推动典型电力用户的能效提升，实现用户的节能运行和峰值负荷管理，为实现节能减排的战略目标提供重要的技术支撑。

1 能效监测

1.1 定义

能效管理系统依托智能电网和现代管理理念，利用高级量测、高效控制、高速通信、快速储能等技术，实现用户响应迅速、计量公正准确、数据采集实时，构建电网与用户电力流、信息流、业务流的新型供用关系，有效降低用户能耗水平。现代化的能源监控管理系统是将计算机技术、网络通讯、自动化仪表技术结合起来的管控一体化项目［2］。

能效监测管理系统以能量守恒、能源系统优化配置、能效评估与决策为理论基础，综合应用信息采集与通信技术、现代控制技术、可再生能源应用技术、公共设施节能技术、可视化展示技术以及综合能效管理等技术手段，实时监测用户用能状态，优化能源使用效率，实现能源梯级和集约优化利用。

典型电力用户能效监测与评估系统采用先进的数据采集技术，实现对企业范围内各用能部门或装置的实时能耗数据采集，并采用集中统一管理的方式，实现实时能源数据的Web发布、各个采集点的数据监测、报警，以及各种日常报表和数据曲线的生成等工作，同时根据能效分析理论和模型，结合实时能耗数据，展示准确可靠的生产工艺流程及重点设备实时能效状态，提供能效改进决策支持服务。

1.2 能效监测分析系统的应用

当前，能效监测分析系统集中应用于钢铁、建筑、电力、高耗能企业等特定行业或能源介质方面。

钢铁行业是传统的高耗能行业，国内外对其能效管理系统的研究起步较早也较为成熟，有许多成功的应用案例。宝钢公司不锈钢分公司配置了能源监控及管理系统，该系统是分公司不锈钢及碳钢热轧板卷技改工程的配套项目。南京钢铁联合有限公司于2005年启用了电力管理系统，每年节省劳力成本约45万元，节省电能约250万元。另外，武钢等其它钢铁企业目前都已经引入能源管理系统，初步实现能源信息采集与监控［3］。

建筑能源管理系统是指用于建筑能源管理的监测终端、通信网络、管理策略和软件系统，此类系统按时间(月或年)，根据检测、计量和计算的数据，做出统计分析，绘制成图表;或按建筑物内各分区或用户，或按建筑节能工程的不同系统，绘制能流图，用于指导管理者实现建筑的节能运行［4－5］。在建筑能源管理系统方面，国内外的知名厂家和研究机构推出了系统产品和解决方案，典型案例包括法国施耐德电气的BMS系统、美国江森自控有限公司的一站式可持续发展解决方案、清华同方的EMS泰康能源管理系统等，国网电力科学研究院在2010年与美国合作，完成了示范项目中建筑能源管理系统(BEMS)的现场安装调试工作。

电力方面，主要体现在企业电网管理上。依据电网经济运行理论，将其与计算机、自动化技术相结合，开发相应的电网经济运行分析、监测系统，通过有效算法描述出变压器、电容器和负载等电力设备的各种组合运行方式，并对电网中各设备运行状态进行评估，计算不同负载条件下变压器等输变电设备的理论损耗和优化运行方式，从而最大限度的降低网损［6］，如国电南瑞开发的OPEN－3000电网能量管理系统，施耐德电气的节能工厂等。在高耗能企业用电能效管理领域，对配电网用电设备以及节能装置统一集中管理，以达到企业配电网电能质量和电能损耗的协调控制，实现节能降耗。在我国，信息化技术得到相当的重视，但现有节能设备运行单一，企业配电网缺乏全局电能管理，节能效率不高。

1.3 用户能效评估模型与仿真

用户能效评估模型与仿真，涉及到环境、管理、信息、经济以及物理、化学、控制等多种学科的交叉，考虑的范围大到全球能源－经济－环境系统的分析，小到单个能耗设备的性能评估。在企业能源消耗模型研究方面，从模型建立方法的角度来看，国内外目前所采用的建模方法是利用近代数学领域的成就，建立起反映生产中能源消耗规律的数学模型，常用的有投入产出模型、回归统计模型、线性规划模型以及系统动力学方法和系统辨识建模方法等，这些方法从一定程度上反映了企业的生产规模和能耗情况［7］。目前，国、内外形成了相应的评估方法，主要包括投入产出分析法、统计分析法、能耗系数法、能耗基准因数法、指标计算法、常用设备效率计算模型法等。在相关的能效模型与评估支持软件方面，目前已商用的软件系统主要是能源管理型软件，其中又以企业能源监测管理系统、企业能源优化控制管理软件和企业节能管理系统为主。

2 需求侧响应

2.1 定义

电力需求侧响应(DR)，是通过市场手段和价格工具，影响和调节需求的时间和水平，挖掘需求侧响应资源，提升需求侧响应弹性，压制批发市场价格波动，提高电力系统和电力市场的运行稳定性和运行效率的有效手段;同时，将需求侧响应资源与供应侧资源在各类市场和综合资源规划中平等甚至优先对待，可以起到提升社会整体资源的利用效率和提高社会整体福利的重要作用。

2.2 国外研究概况

国外在2001年美国加州电力危机之后，明确提出了需求侧响应概念并开始全面研究，其中以各个市场的管制机构和市场运营机构对需求侧响应项目的总结分析报告和需求侧响应实践操作的探讨为主。2002年，美国联邦能源管制委员会(FERC)的一份工作报告中指出:需求侧响应对确保竞争的电力市场中供需双方的有效互动至关重要，需求侧响应是供应者市场力和地域型市场力的测量仪，是批发市场参与者和终端消费者的新的选择机会，充分肯定和确立了需求侧响应在电力市场设计和建设中的意义和地位。按照美国能源部的报告对需求侧响应的定义和分类方法，需求侧响应可分为激励型和价格型两类［8］。激励型需求侧响应包括直接负荷控制、可削减可中断负荷，需求侧投标和回购、容量与辅助服务市场项目、以及紧急需求侧响应项目。价格型需求侧响应包括分时电价(TOU)、实时电价(RTP)和关键峰荷电价(CPP)等。

对于需求侧响应的效益评估，美国联邦能源管制委员会发布的2006评估报告详细阐述了现有需求侧响应给参与者及整个系统和市场带来的经济和可靠性效益。文献［9］通过多个案例分析，显示需求侧响应尤其是其零售价格创新项目为消费者提供的负荷管理和费用优化效益，而且这些项目的实施并不以零售竞争的引入为前提。同时，大量的研究报告通过对试验性项目历史数据的详尽分析，对需求侧的价格弹性做了大量的分类测算和研究。在需求侧响应的实施动力和障碍研究方面，需求侧响应项目动机因素的一个调查报告显示，降低供电成本和管制政策要求是两个最主要的推动因素。在需求侧响应的障碍方面，对负荷削减的测算方法和对需求侧响应的成本效益评价方法是迄今未能较好解决的两大理论难题。

国外大量的实证研究表明，需求侧响应的效果非常明显，有资料显示，20%的消费者提供了80%的价格响应;在加州的试验项目中，30%的消费者提供了80%的负荷削减。

2.3 国内研究概况

国内对需求侧响应概念的接触是从2004年才开始的。几年后，才有人在我国第一次全面系统清晰地阐述了需求侧响应的意义、内涵、概念和分类，及其与需求侧管理的关系，第一次提出了在我国建立实时电价用户群，引入和培育需求侧响应机制的方案。文献［10－11］对需求侧响应的经济效益分析做了研究，提出从短期和中长期两个方面进行测算，尤其对需求侧响应在市场稳定性方面的经济效益给出了量化计算公式，具有一定的理论突破性。文献［12－13］分别阐述了需求侧响应在批发市场和零售市场中的应用，尤其对在我国如何分阶段引入需求侧响应提出了建设性的意见。

3 高效节能技术与控制设备在能效管理和需求响应系统中的应用

节约能源，提高能效，除了某些特定项目可以通过改造工艺流程来达到节能目的外，一般都不外乎技术手段和管理手段。技术节能，主要是通过运用高效节能技术与控制设备，达到耗能设备的高效低碳运行。在高效节能技术上可选用高效设备(如高效电机)、节能设备(如节能灯器具，热泵空调)，节能控制和经济运行方式(如变频变速运行)、余能回馈利用等。提高用电效率既节约了用电设备对电力负荷的需求，又节省了总用电量，对电力企业和电力用户都有明显的经济效益。

在高效节能技术方面，电机技术的研究最为广泛也最为成熟。近年来，随着国家各种节能减排政策的出台，绿色产品如节能灯器具，热泵空调(蓄能空调)的研究和使用也越来越多［14］。蓄能空调系统是解决电网供需矛盾的主要方法之一，将蓄冷空调与蓄热技术和电力系统的分时电价相结合，从宏观上可以起到平衡电网，微观上可以为空调用户节省大量运行费用［15－16］。

另外，在蓄能空调、绿色照明等其它高效节能技术和智能控制设备方面，国内外知名厂家如施耐德电气、江森自控等推出了一系列解决方案。施耐德通过电机系统、电力监测、能源管理系统、自动化解决方案等节能降耗技术，帮助工业和基础设施领域用户的设备平均节能10%～20%;在大中型商业建筑节能方面，施耐德通过暖通空调控制、照明控制、楼宇管理系统、电能功率因数校正等措施，可以实现节能降耗30%的目标;在小型楼宇及民用住宅节能方面，施耐德通过使用节能控制产品，达到节能降耗10%～40%的目标。江森自控作为一家一站式楼宇解决方案供应商，采用先进的传热技术和系统控制技术，在提高能效的同时通过采用智能化管理，大大优化了系统运行。

4 结束语

研究及应用电力用户能效监测和需求响应技术是合理控制能源消费总量、建立能源消费总量控制目标分解落实机制、建立能源消费总量预测预警机制、跟踪监测各地区能源消费总量和高耗能行业用电量等指标、对能源消费总量增长过快的地区及时预警、调控强化重点用能单位节能管理、建立健全企业能源管理体系等一系列国家政策贯彻落实的技术基础。加强针对高耗能企业的节能技术研究、节能产品开发和政策研究显得尤为重要，特别是加强电力用户能效监测方法及技术研究、基于供求信息双向互动的需求响应的能效管理分析及动态仿真理论方法研究、高效节能技术和关键设备研制、支撑多种电价和激励机制的能效管理系统的需求侧响应实现方法及控制技术研究等具有重大意义。

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