智能电网下的用户节能行为监管方案探讨

秦兴美

江苏省城市规划设计研究院有限公司，江苏南京，210019

0 引言

我国在近几年提出了建设资源节约型、环境友好型社会的发展思路，因此给电力系统的发展以及供电服务质量等方面提出了更高的要求。在此背景下，国家电网公司提出了建设“以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以数字化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网”的发展目标[1]。

供电部门与用户之间的友好双向交互是智能电网的重要特点和建设目标[2]，可实现供电部门与用户之间双向互（信息、需求等）。用户既可作为负荷、也可作为电源接入电网，参与电网负荷管控的同时，电能若有盈余可用于电网再调配。电网实时掌握用户负荷需求，可通过对用户合理引导，来对电能资源进行优化配置，提高经济性，增强稳定性[3]。不过，要实现这个目标，不仅关系技术层面，还涉及用户的节能意识以及政府对用户节能行为的评价与监管。

目前我国评价与监管主要集中在设备本身，仅以产品节能降耗、环保优化等为重点，而对用户的节能监管几乎还处于空白，仅靠民众自主意识来实现用户自觉节能，缺乏有效引导制约。本文首先分析了智能电网引入的技术变革对用户节能监管所带来的影响和机遇，然后以智能电网下电动汽车与电网的互动技术（Vehicle to Grid，V2G）为例，提出建立智能电网下的节能数据库，并细化出反映电动汽车用户节能行为的节能参数，为政府对用户节能行为的监管提供有价值的量化信息。最后，结合物联网下的节能监管方案，给出了一些实验探讨结果。

1 智能电网对节能监管的推动

1.1 智能电网为节能监管提供技术保障

尽管传统电网的自动化水平显著提升，但系统内信息孤岛依旧存在，信息共享能力差，无法形成实时、统一的有机整体，电网总体智能化程度偏低[4]。而智能电网是将先进的传感测量和自动控制技术、现代信息及计算机技术、电力电子技术同原有的输、配电设施高度集成的新型电网[5]。新型智能电网下先进的计量、通信和控制手段将对用户节能监管提供强大的技术保障。

智能电表技术是智能电网发展的一项关键技术，它能以设定的方式测量、收集和分析用户的用电数据，并与用户的自动化系统相连，实现智能电网与用户间的开放式双向通信[6]。电网公司可以监测电网的运行状态，掌握用户的用电规律，进行实时的分析和决策，限制部分用户的用电行为，优化电网的所有投资和运行费用。用户可以根据需要和实时电价的考虑，合理制定自己的用电计划，节约用电成本。如此便能很好地促进用户主动关注和参与维护电网稳定运行，在引导用户节能的同时培养用户主动节能的意识，获得电网公司和用户的双赢。

1.2 智能电网为节能监管提供政策和资金支持

2005年，为构筑数字化电网与建设信息化企业，国家电网公司启动SG1860工程[7]。2009年5月，国家电网公司提出了“建设坚强智能电网”的发展计划。继2009年之后，2010年国家电网公司启动第二批试点项目[8]。中国从政府、证券市场到发电公司、电网公司，以及相关的IT企业对智能电网也都投入了巨大的资金支持和研发力量，智能电网的发展势不可挡，这也为用户节能监管体系的建立提供充分的政策和资金支持。

2 智能电网与电动汽车的关系

2.1 电动汽车对电网的冲击

我国电网的现有特点：负载曲线波动大，最高用电负荷与电网可提供最大电量相差不大。而当电动汽车广泛投入使用后，其充电（尤其是快速充电）将会对电网负荷造成极大的影响。

以上海为例，截至2022年6月底，上海机动车保有量达522万辆，其中汽车451万辆，新能源汽车71万辆。按将来其电动汽车保有量100万辆来计算，每辆电动汽车慢速充电的功率为40kW，假设有1%的电动汽车同时充电，那么给电网带来的负荷就是40万kW。若再考虑电动汽车的快速充电（功率为200～300kW），那么在夏季用电尖峰期很可能造成电网过载，如果不采取措施，这种情况就会导致停电事故频发。

2.2 传统电网的峰谷负荷

我国现状电网供应峰谷差问题极为严重。北上广深等一线城市的峰谷差率（峰谷负荷差与高峰负荷的比）较高，2022年6月21日，北京电网负荷最大达到2158万千瓦，而北京市电网夏季空调负荷约为1400万千瓦，夏季最大峰谷差率已经超过了50%。一方面，供电部门需要不断增加发电机组容量，以满足日间高峰负荷增长需求（年出现次数较少）；另一方面，供电部门还需采用相关技术手段进行削峰填谷，谷时电能浪费、损耗严重，电能利用效率低、设备重复投资经济性不高。

2.3 智能电网下电动汽车的V2G

根据相关统计数据分析，九成左右的乘用车每日行驶时间不超过1小时，多数车辆停驶状态时间较长[9]，电动汽车保有量达到可观比例后，当电动汽车处于停驶状态时，可采取一定的激励措施，让电动汽车以储能装置（移动分布式）的身份接入电网，达到电能可控互动的目标[10]。适应智能电网要求的电动汽车V2G结构框图如图1所示，其中双向智能控制装置为V2G技术中的关键功率部件，具有能量双向流动功能，具有充电、馈电两种工作模式。充电状态下只对车辆充电，馈电模式可将电池能量回馈至电网。后台管理系统下发充放电控制指令，装置根据车辆电池当前SOC（荷电状态）进行充、放电操作，实现能量的双向流动。

图1 智能电网下电动汽车V2G 结构框图

智能电网下电动汽车V2G，可实现供电部门和电动汽车用户双赢：对供电部门，电动汽车作为移动分布式储能装置，可有效提高谷时电能利用效率（吸收电能），缓解峰时负荷高峰压力（回馈电能）；电网出现故障时，电动汽车还可作为应急提供电源支撑，运行可靠性显著提升。对电动汽车用户，用电模式进一步优化提升，利用谷时低价买入充电，峰时高价售卖回馈电网，整体降低了使用成本[10]。如此，电动汽车不但不会增加电力系统的尖峰负荷，反而能使其负荷平均化，减少电能的浪费。

3 智能电网下的节能监管方案探讨

这里以上文介绍的电动汽车产业为例，对智能电网下用户节能监管方案进行探讨。

3.1 节能数据库的建立

目前，国内探讨较多的是建立个人诚信的数据库，本文针对智能电网下的节能监管问题提出建立用户的节能数据库，并细化出反映用户节能行为的参数，例如节能意识评价参数、节能贡献评价参数、用户节能综合参数等，为政府对用户节能行为的监管提供有价值的量化信息。

3.1.1 节能意识评价参数

式（1）中：△N为净充放电次数；N1为用户充电总次数；N2为用户卖电总次数。

式（2）中：N11为用户在电网负荷高峰时的充电总次数；N12为用户在电网负荷低谷时的充电总次数。

式（3）中：N21为用户在电网负荷高峰时的卖电总次数；N22为用户在电网负荷低谷时的卖电总次数。

式（4）中：α为用户节能增效意识评价参数，它反映了用户节能意识程度，也就是根据用户在高峰和低谷充放电次数的净差占总的充放电次数的百分比，来评价该用户的节能意识，这里充电次数与卖电次数的计算是根据最低充放电量来确定，以防止人为地刷高意识评价参数；r1为高峰意识评价系数；r2为低谷意识评价系数，其中，r1＞r2＞0，根据不同地区的电网峰谷情况，可以对应调整r1和r2的大小，进而鼓励用户的高峰放电以及低谷充电的行为。

3.1.2 节能贡献评价参数

式（5）中：△C为净充放电量；C1为用户充电总量；C2为用户卖电总量。

式（6）中：C11为用户在电网负荷高峰时的充电总量；C12为用户在电网负荷低谷时的充电总量。

式（7）中：C21为用户在电网负荷高峰时的卖电总量；C22为用户在电网负荷低谷时的卖电总量。考虑到用户节能意识评价参数仅仅反映了该用户卖电次数百分比，这里再引入用户节能贡献评价参数，定义为：

式（8）中：β为用户节能贡献评价参数，它反映了电网所需用户卖电的急迫程度。也就是根据用户在高峰和低谷充放电量的净差占总净差的百分比，来评价该用户对电网的节能贡献。k1为高峰贡献系数；k2为低谷贡献系数，其中，k1＞k2＞0，根据不同地区的电网峰谷情况，可以对应调整k1和k2的大小，进而鼓励用户的高峰放电以及低谷充电的行为。

3.1.3 用户节能综合参数

式（9）中：p为用户节能综合参数，它用来综合评价用户的节能行为；r为节能意识评价系数，它代表用户节能意识在综合评价参数中的权重；k为节能贡献评价系数，它代表用户节能贡献在综合评价参数中的权重。其中，r＞0，k＞0，可根据实际情况改变其大小，进而体现系统对用户节能意识和节能贡献的重视程度。

如此，计算出用户节能评价积分后便可以对用户节能行为进行监管。例如可以设置买电价格与节能积分成反比，卖电价格与节能积分成正比，即节能积分高的买电价格低、卖电价格高，例如以1个节能积分代表0.1元，节能积分每增加1个买电价格就减少0.1元，卖电价格就上涨0.1元。

3.2 物联网身份识别融合

上节提出了建立智能电网下的节能数据库，以对用户的节能行为进行量化，给政府的节能监管提供有价值的信息。本节为了实现节能数据库的最大化共享以及对智能电网下的节能行为进行统一监管，提出智能电网的节能监管建设应该与物联网相融合。物联网是指通过相关感知设备，如射频识别（RFID）、激光扫描、红外感应、GPS等，按相关通信协议，将互联网与具体设施互联，进行通信及数据交互，对具体设施进行辨识、跟踪、定位、监管的一种网络[11]。本节还是以智能电网下电动汽车产业为例，来探讨扩展至物联网的节能监管方案。

方案利用身份识别技术，构建智能化识别、监控和管理的电动汽车充放电系统的物联网网络。在这个网络中，每个用户有一张独立的ID卡，记录该用户的充电次数、卖电次数、充电量、卖电量以及各种节能参数等信息，后台管理系统根据这些信息对该用户进行扣费、返费计算，并且对节能意识评价参数、节能贡献评价参数以及个体节能综合参数等个体节能参数进行更新后传送给ID卡及物联网中的节能数据库保存。用户再次消费时，后台管理系统会根据物联网传输的信息，给用户显示当前快速充放电的电价、名额以及节能参数等信息。这样对于售电公司而言，可以随时限制不节能用户的频繁充电，鼓励用户进行节能和负荷高峰时卖电。对于用户而言，在明确了自己的节能参数后，就可以根据需要科学地制定自己的买电卖电计划，在自身利益最大化的同时，节约了国家资源。

4 实验探讨

根据上节分析给出系统的整体方案综合图如图2所示。该系统主要分为五级，最底层是电动汽车及车主，第二级是PLC监控子站、电源及测量系统，第三级是PC机，第四级便是物联网及相关部门，第五级是智能电网。

图2 电动汽车节能监管方案图

以电动汽车产业为例，结合上节所述物联网下的节能监管方案，本文初步实现了监管系统框架。在此系统中，每个用户有一张ID卡，记录了该用户的所有用电信息以及节能意识评价参数、节能贡献评价参数和节能综合参数等个体节能信息。每次刷卡消费，控制系统都会将更新的数据传输给ID卡及物联网中的节能数据库保存；针对智能电网下的电动汽车，可以实现普通充电、快速充电、馈电等功能；可运用节能积分与价格两个因素来对用户的快速充电行为进行限制，当节能积分小于0时，快充价格高于节能积分大于0时的价格，每进行一次快充行为，节能积分都会相应降低；每进行一次馈电行为，节能积分会相应增加；当节能综合积分不达标时，用电价格会较高，并且用电行为会受到限制，反之，用电行为会受到支持。

5 结语

本文从智能电网下电动汽车与电网的互动技术入手，提出了建立智能电网下的节能数据库，并细化出反映用户节能行为的参数，为政府对用户的节能监管提供有价值的量化信息。在此基础上，为了实现节能数据库的最大化共享以及对智能电网下的节能行为进行统一监管，提出智能电网的节能监管建设应该与物联网相融合。智能电网的建设应充分发挥以人为本的理念，调动用户节能的积极性，在获取自身最低用电成本的同时节约国家资源，以实现智能电网的最优化用电模式。