市场参与者接入智能电网的能量端口及其特点

曹海权，孙晓璐，马 超

(1.宜宾电业局，四川 宜宾 644000;2.四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

随着社会经济的发展，电力用户正在悄然发生变化，其用电行为也越来越受到实时电力管理的驱动，未来电力管理将成为整个电力价值链的组成部分［1］。

20世纪80至90年代期间，一些典型能量管理措施(包括需求侧管理［2－4］、需求响应［5－7］等)的实施影响了电力工业向以用户为中心进行转变。然而，用户对需求响应方案的接受程度和响应能力却有所下降［1］。随着能源价格上涨，用户着眼于需求响应和能效的意愿也越来越强。然而，这种意愿可能仍不足以提供足够的可持续性刺激，来使得用户的用电行为发生必要的改变。此外，电力公司对能效、需求响应，甚至是监管部门的刺激措施仍持谨慎态度，他们列举了需求侧管理方案中的一些不确定结果，包括硬件和客户服务、通信基础设施及通用协议的缺乏、联合风险投资经验及与零售商合作经验的缺乏。同时，电力公司和其他电气服务供应商，在投资用户相关技术，如电信、英特网技术、家庭和楼宇安全服务，以及其他与用户相关的服务等方面显得经验不足。这些不确定性因素阻碍了一切关于用户侧价值链的新投资。

用户对电力可靠性和用电效率要求的不断提高导致用户需对自身成本进行管理，其中信息与控制是进行管理的关键［1］。然而，用户能获取的仅是他们使用电力后每月或长时间的用电能量信息，而没有关于用电具体时间、用电模式和使用总量的信息，更没有关于实时电价、购电选择权或其他与电有关的服务信息。此外，监管制度仅仅鼓励电力公司兴建足够的发电、输电及配电设施以满足用户的用电需求，很少有电力用户被鼓励或有能力去管理自身的电力需求。因此，虽然有用户想对其用电进行控制，但却缺乏进行用电控制的手段。

在智能电网的大背景下，动态能量管理系统［1，8］的实施将从根本上改变这种状况。动态能量管理系统和数字技术互相协作，能让用户更加细致和精确对其用电选择进行控制。同时，还能提高系统可靠性、降低电力趸售价格、提高资产利用率、减少备用发电和输电容量的投资。动态能量管理系统为用户提供用电行为信息可刺激用户寻找新的电力产品和服务，以便更好地对能量选择进行管理，并能做出相应的决策，以更好地满足自身需求。反之，也能刺激企业家提供电力产品和服务来满足用户的需求。

因此，激励更多用户参与到动态能量管理中对促进智能电网的发展具有重要意义，能量端口(Energy-PortSM)设备［9－12］的应用为这一目标的实现提供了可能。基于此，先后对能量端口设备的定义、基本特征、技术难点以及设计策略作出详细介绍。

1 能量端口的定义

能量端口为电网与用户的分界面，通过采用相关的软件和硬件来促进能源服务商和用户设备的的双方通信［9］。它同时包含“门户”、“网关”和“智能电表”［1］。到目前为止，“门户”被狭义理解为与通信数据集线器有关，“网关”通常指一些具体、狭窄的接入点，“电表”是传统电力公司与电力用户的交接界面，仅限于对电力消耗量的测量。实际上，“门户”越来越多地使用于网络服务器，从而为公司活动提供一个网络的观念。能量端口为用户设施的运行提供了意见，进一步定义了与能量管理系统，甚至是终端子系统和设备间的通信。能量端口由一台或一套设备组成，使得用户设施中的智能设备可通过广域网和远程系统进行无缝连接。能量端口还具有通信网关功能，使广域接入网络与本地用户网络在物理上和逻辑上相互连接。可以想象，能量端口所拥有的诸多本地计算资源将有利于本地监控、数据处理、管理及存储等功能的实施。

2 能量端口的基本特征

能量端口可让用户在以下7个方面受益:安全性、保护措施、便利性、舒适性、通信、能量管理及娱乐［1］。

2.1 简化楼宇系统

现有楼宇建筑中，以太网、电力、电话、对讲机、恒温器、有线电视、音频及视频传输、安全线路、门铃等都采用独立的系统，同时，一些无线和其它设备通常位于单独的配线系统中。

在能量端口中，这些系统可通过以下3种方式进行简化:(1)将其整合成一条混合电缆，该电缆能运行于楼宇的任一方便的插座上，并按居民的需要为插座提供电力、通信和控制服务;(2)将电力载波信号叠加于电力线路;(3)用无线网络取代除基本供电线路外的其它线路发送信号。

用户不再为音频、视频或电话寻找特定的插孔，也不再将安全系统或对讲机运行于单独的线路。能量端口可以将打印机、传真机、DVD、VCR、烤面包机、电话、收音机、电视音响或扬声器等插入一个通用插座，以便它们彼此间能相互连接或连接到所需服务上。

这种通用插座适用于所有常规设备，任何旧的传统电器都能立即在能量端口中使用，能量端口还能方便地处理电能、其他能源和各种通信的分配和控制。

2.2 安全性

能量端口通过使用闭环系统确保电能更加安全地分配。在电能传送到任意类型的插座前，设备必须插入插座，且电能还需流经一个小型通信芯片。微处理器将鉴别能量端口上的各台设备，如果没有达到以上运行要求，插座上将不存在电能。由于插座没有有效运行，因此发生电击和火灾的概率也大大降低。

在这个闭环系统中，当设备插入插座后，通信芯片将向系统提供一个设备鉴别信号，同时还提供对设备能源消耗的估计，并让系统了解设备的状态——设备是否开启或关闭，以及设备是否处于正常的工作状况。电流仅允许通过插座流经设备，同时设备的使用也不断受到系统的监控。

2.3 可靠性

能量端口能在停电时为用户提供更多的服务。该系统的几个部件中都使用了驱动控制装置，已有基于储能技术的不间断电源确保这些部件在主电源故障时能正常运行。不间断电源允许系统保持完好的指令编入，并执行任何必要的指令操作，同时能为安全和报警系统提供所需的最小能量。

能量端口的另一个优势在于，当系统停电时，能与其他备用能源，如太阳能发电系统、备用发电机或煤气发电系统，统一综合使用。

根据备用电源的大小，能量端口为设备必要的运行选择提供电能，如冰箱、烹饪及照明设备，这种能力不仅方便，而且在某些家庭场合还是至关重要的。

2.4 分散式运行

能量端口并不是一个电脑控制系统。也就是说，它不仅仅是由一台电脑来执行任务。能量端口采用分布式智能或分布式控制来执行其功能，这就是之所以高效和可靠的原因。与公司组织的良好管理一样，决策和行动都在最低可能的水平上以最有效的方式开展。因此，用户并不需对一切决策和每一项工作负责。

能量端口中，整个楼宇建筑的电源可靠性与通信系统可靠性结合在一起。因此，当系统内任一组件发生故障时，由于分布式控制的作用，大多数问题将被隔离，因而不会影响其他组件的运作。

2.5 用户界面

用户与能量端口之间将以不同的方式相互作用。未来建筑内的设备都将受到信号的控制，且任一设备发出的合适信号都可用来执行用户选择的功能。墙上的开关不再通过开启和关闭去控制插座或灯具中的电流，现在它仅需向系统发送一个信息就能控制希望的使用范围内的任何设备。对于许多其他设备而言，同样如此，如显示器、视频触摸屏、电话按键、红外遥控器，甚至是辅助识别装置。

在现在的家庭中，电器设备的使用正在逐步增长。每种设备都受到一套单独指令的控制，如可能需要采用不同的指令为洗衣机、DVD或VCD、微波炉及闹钟分别设置时间，然而，在能量端口控制中，无论用户采用何种类型的设备，仅需要学习一套基本的指令就能控制设备的运行或者设置时间，简单化是能量端口系统实施的基本前提。

传感器作为另一种类型的开关，将有助于能量端口的运行。通过使用传感器，可以确认未经批准的闯入，同时居民可决定做出何种响应。传感器可在夜间控制户外灯光、开启所有室内电灯、发出警报以及在居民需要紧急援助服务时呼叫警察。

2.6 设备的交互性

能量端口中最令人兴奋的控制形式之一在于设备间的通信，例如，当电话或门铃响起时，真空吸尘器将关闭，此时用户能听到铃声并做出响应。

2.7 安全服务

用户对安全防护高度重视，能量端口将对安保情况进行监控。另一种形式的安全来源于能阻止危险事情的发生——当小孩比父母先到家时，为了阻止小孩在没有监管的情况下玩耍某件商品，只需锁定商品的使用范围直到家长回来。同理，可将其用于车间的电力工具、昂贵的音响系统或者复杂缝纫机。还有一种形式的安全性来源于能量端口可防止用户的决策失误——例如，离开火灾现场。

当然，还必须时刻留意火灾的发生。当从IntelliG-rid模式［10］支持的建筑中逃离时，居民将受到警告，并被告之起火地点及占用的房间，同时闪光灯会显示最安全的逃离路径。此外，所有信息会立即上报给消防部门或紧急情况监控服务中心，以便他们能迅速做出回应。

楼宇建筑中传感器的使用无需涉及繁琐和额外的配线或复杂的处理。事实上，各种类型的传感器都能满足用户需要，所带来的能插入到处可见插座的便利将大大降低成本，也增强了家庭及商业的安全性。

2.8 通 信

能量端口具备先进的通信能力是至关重要的。是否能为特定的晚餐去协调菜单上所有条目以至于它们能在晚餐的同一时间内完成——或者仅仅使用对讲机来避免你向屋内其他人跑去或者呼喊他们。可能当保姆在家庭活动室看着电视并大口嚼着爆米花时安装在托儿所的小型摄像机，又或是警告建筑中某台电器设备出现故障的小型摄像机能让用户感到安心。如果问题没有被发现，可能花费用户更多金钱，或造成更大的麻烦。

能量端口不仅能从设备处得到诊断信息，还能让用户了解系统本身遭受的问题。能量端口有助于用户更有效地对能源使用进行管理，帮助大楼业主和经营者根据房间是否有人、房间占用情况，或特定时间内能源成本来决定使用加热和冷却系统的时间。

在闭环控制中，设备的通信芯片能为系统提供电器的能耗信息，并可让用户随时调用打印输出或显示评估的能源使用情况。评估结果根据电器类型、时间、使用年限、使用成本对能源使用情况进行细分，这个广受欢迎的功能使用户能对能源费用的管理进行控制。

当然，许多用户并不倾向于使用这些信息，仅期望根据不同能效、舒适性和便利程度带来的能耗做出初步决策。同时，也想利用可能被越来越多的电力公司推荐的实时电价体系。因此，用户就能对能源使用进行时间平移来节约成本，这与在寒冷季节通过空调的循环工作来节省能源一样简单。对于电力公司而言，能量端口有利于需求侧负荷管理，对用户来说，意味着没有牺牲的、显著的能源节省。

能量端口有助于用户和电力公司恢复停电。由于大楼与电力公司连接在一起，电力公司能有选择性地恢复家用电器用电。电力公司可抢先对受影响用户进行电力恢复，且只要用户需要，就一定能获得电能。

2.9 娱 乐

娱乐是能量带来的另一好处，能使中央音频信号为家庭的不同房间选择音乐。娱乐室有人想听朋克摇滚，而卧室放贝多芬音乐可缓解青少年的不安情绪，反之亦然。

2.10 网络通信管理

能量端口可同时支持依赖于互联网的应用程序和管理网络及其连接设备的必要功能。

2.11 远程用户监控

能量端口支持本地数据监控以及不同类型的应用，这些应用包括，但又不限于，电力、燃气及水资源的运营支撑、服务质量监控、故障检测及其他一些支持未来可靠数字化电能质量规定的功能。这种监控能力可以扩展到其他领域，如:安全性、气候与天气变化和家庭能源。

2.12 市 场

能量端口最大优点之一在于使用户能对电力市场动态和实时电价做出有效响应。目前的电表已经不会让用户对以小时或更加频繁变化的电价做出响应。对用户拥有的能量管理系统及智能终端设备进行市场价格交流将大大有助于拉近用户与市场电价的差距。

3 技术难点

未来电力系统将通信技术、计算处理、电气设备综合成一个智能体系，来满足数字经济时代日益增长的能源需求［9］。几种传统技术的紧密结合无疑给能量端口的发展带来了挑战。能量端口设备中涉及到的技术难点如下［12］。

3.1 技术的复杂性

未来，能量端口将成为整个智能电网的组成部分。为了更好地服务于各种类型的用户，工业体系需对电力通信界面进行有效的管理。这将给相关行业带来空前的挑战。事实上，与智能端口有关的技术十分复杂，其中最关键在于整个系统架构的发展。综合能源与通信系统体系(integrated energy and communicaiton system architecture，IECSA)方案采用最新的技术来处理这个问题。然而，体系的结构及相关标准尚未成熟，还值得进一步讨论。

3.2 基础建设的共享及稳定性

如果能源厂商不能承受部署能量端口设备所需的大量基础建设投资，那么从共享资金的角度出发，权衡通信设施和其它行业的投资就十分吸引人了。然而，这将带来许多技术问题，包括对可用通信带宽及与其他行业共享物理通信媒介的管理。

3.3 开放系统的发展

正在进行中的开放系统的发展被广泛认可。然而，开放系统并不是万能的，它将带来大量的挑战。最初的挑战为将开放的标准应用于能源行业。

3.4 集成通信体系

构建集成通信体系的根本在于将通信网络完全覆盖于现有的电力网络。一些技术元素包括，但并不仅限于，数据网络、各种通信物理媒介以及嵌入式计算技术。IECSA促进了以下4个技术的发展:(1)进行输配电系统实时监控的技术;(2)提高输配电系统控制及输送容量的技术;(3)改善数字设备性能的技术;(4)促进终端用户服务连接的技术。

4 设计选项

依赖于市场作用力和基础建设的发展以及电信和其他行业的扩建，能量端口能获得一些结构和逻辑上的形式。能量端口可以采取几种设计策略来适应不同的设计需求。最终，能量端口将成为一个真正卓越的设备，或是实际设备实施的一个或一套功能，又或是一个分布式的消息和网络传输协议［12］。

4.1 结构设计和策略

结构设计需对系统硬件进行处理。一些结构组件，包括电脑芯片、存储芯片、通信网络传输线、无线电接收器等都构成了系统的结构元件。能量端口的结构设计具有许多不同的形式。整个行业并不需要倾向于任何一种指定的结构形式。结构设计由结构设计需求，如通信网络带宽需求、计算处理需求以及其他参数(如成本、地形、距离等)指定。

4.2 逻辑设计

逻辑设计更关心系统支持的独立于物理设备的功能和应用。逻辑设计还对各种形式的数据和通信消息语言进行处理。设计的策略可能去适应不同的结构设计，并能引起设备的互操作。

4.3 潜在的技术策略

主要用于辅助结构和逻辑设计及执行。一个具有鲁棒性的技术策略需同时兼顾两者。

4.4 结构设计策略

结构设计是必须的，且充分依赖于制造厂商及提供商的大量技术支持。物理通信媒介的发展极具竞争力，且新技术也以一个稳定的比例增长。既然结构的发展同时具有风险和竞争力，因此，促进一些结构执行措施的独立性和运作必须十分谨慎。鉴别最主要结构设计、时帧以及它们背后的工业是综合能源工业需求和相应关键标准激励的先决条件。能量端口的一些可用的结构设计策略包括电表、因特网或企业内部互联网网关、电缆调制解调器、DSL调制解调器、电视及电话等。

5 结论

将传统电力能源服务、通信技术和用户设施结合在一起，为改善用户能源服务提供了机会。在智能电网的大背景下，通过使用能量端口设备，用户可以更好地参与到动态能量管理中，并通过对电价信号进行有效的响应来影响未来国家的能源体系，并能够提高能效。智能端口设备的开发利用为设备制造商和提供商带来了严峻的考验。因此，从结构设计和逻辑设计出发，同时兼顾两者是值得深入研究的问题。

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