能源互聯(lián)網(wǎng)旨在將各種能源通過管網(wǎng)聯(lián)系起來，通過信息網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)各類能源的優(yōu)化利用。能源互聯(lián)網(wǎng)的核心在電力，要實(shí)現(xiàn)規(guī)模龐大的能源互聯(lián)網(wǎng)，首先需建立能廣泛接入用戶側(cè)耗能設(shè)備的智能用電網(wǎng)絡(luò)。智能用電網(wǎng)絡(luò)將用戶側(cè)所接入的可再生能源、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車以及各種類型負(fù)載通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)能量信息共享，并實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)高效、節(jié)能用電。智能用電網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)基于自律分散理論，網(wǎng)絡(luò)中包含大量的本地能量管理單元，可接入云服務(wù)中心進(jìn)行統(tǒng)一管理與調(diào)度，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)。
為全面建成智能用電網(wǎng)絡(luò)，本文提出智能能量管理理論，核心思想是在大規(guī)模用電大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采取機(jī)器學(xué)習(xí)算法剖析用戶用電特性，引入效用概念對(duì)負(fù)載能效進(jìn)行評(píng)估，并在用戶側(cè)用能行為自識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)可再生能源、儲(chǔ)能裝置及各類型負(fù)載進(jìn)行協(xié)同需求響應(yīng)調(diào)度和節(jié)能自動(dòng)化。
智能用電網(wǎng)絡(luò)的主要特征
(1)全新的用電體驗(yàn)
知情：為用戶提供全面的用電信息。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)展示設(shè)備狀態(tài)、用電安全、能效水平、電能質(zhì)量。
掌控：提供簡(jiǎn)便快捷的控制功能。通過移動(dòng)終端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
優(yōu)化：優(yōu)化用電模式，提高系統(tǒng)能效。基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析理論、行為特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電大數(shù)據(jù)的深度剖析，為用戶提供差異化的節(jié)能方案，提高局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的綜合運(yùn)行能效。
共享：參與需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源共享。通過用電管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空用電負(fù)荷的優(yōu)化共享，為實(shí)現(xiàn)零邊際成本的能源社會(huì)而努力。
通過智能用電網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供知情、掌控、優(yōu)化、共享等全新用電體驗(yàn)。通過用電網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)全社會(huì)的高效與節(jié)能，具有重大的社會(huì)價(jià)值與應(yīng)用前景。
(2)系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用易推廣
采用自律分散架構(gòu)。系統(tǒng)總體架構(gòu)具有自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性。在該架構(gòu)下，不僅可再生能源、儲(chǔ)能及各類型負(fù)載是獨(dú)立平等的，且以地理距離劃分的本地控制單元(如工業(yè)園區(qū)、居民住宅小區(qū)等)也是如此。利用自律分散理論來搭建智能用電網(wǎng)絡(luò)，可以較好地實(shí)現(xiàn)在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)，滿足新能源接入要求。
支持即插即用，改造成本低。系統(tǒng)架構(gòu)支持智能插座、智能紅外等高級(jí)計(jì)量設(shè)備，可以讓各類型負(fù)載直接接入能源網(wǎng)絡(luò)，改造成本低。
與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合緊密，實(shí)現(xiàn)信息流和能量流的高度結(jié)合。智能用電網(wǎng)絡(luò)通過各類高級(jí)計(jì)量設(shè)備實(shí)時(shí)采集終端發(fā)電/用電情況，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源可控性。各類能源信息通過以太網(wǎng)或無線網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，并可通過網(wǎng)頁(yè)、移動(dòng)客戶端等形式公開能量流通狀況。云服務(wù)中心可根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)信息安排調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)管控。
智能用電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
智能用電網(wǎng)絡(luò)為三級(jí)結(jié)構(gòu)：總網(wǎng)絡(luò)-子系統(tǒng)-本地能量管理單元，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。總網(wǎng)絡(luò)由各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)可以是一個(gè)居民小區(qū)或一個(gè)工業(yè)園區(qū);各個(gè)子系統(tǒng)由大量本地能量管理單元構(gòu)成，本地單元可以是單個(gè)住宅或樓宇中的單個(gè)樓層。本地能量管理單元的硬件由能量信息網(wǎng)關(guān)、智能終端和智能紅外控制器、交互終端組成。
智能用電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù)支撐是其智能能量管理理論。智能用電網(wǎng)絡(luò)的能量管理思想在于根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)理論，基于采集到的海量能量數(shù)據(jù)使能源網(wǎng)絡(luò)具有自我學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)的能力，可自動(dòng)實(shí)時(shí)滿足能量管理目標(biāo)。智能用電網(wǎng)絡(luò)引入效用概念對(duì)負(fù)載的能效水平進(jìn)行評(píng)估，并在用戶側(cè)用能行為自識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)可再生能源、儲(chǔ)能裝置及各類型負(fù)載進(jìn)行協(xié)同需求響應(yīng)調(diào)度和節(jié)能自動(dòng)化。
智能用電網(wǎng)絡(luò)中投入使用大批量的高級(jí)計(jì)量設(shè)備帶來了海量用戶信息。基于這些采集得到的用能數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)自識(shí)別，評(píng)估電器的效用水平，并可進(jìn)一步識(shí)別用戶的歷史或?qū)崟r(shí)用能行為，從而為協(xié)同需求響應(yīng)、節(jié)能自動(dòng)化等能量管理提供輔助決策依據(jù)。
(1)用戶側(cè)負(fù)載用電效用等級(jí)
基于經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用理論，認(rèn)為電力用戶在有限的能耗和用電成本約束條件下，以獲得最大滿意度為目標(biāo)進(jìn)行電力消費(fèi)。因此對(duì)用戶側(cè)負(fù)載提出用電效用的概念，區(qū)別于僅以能耗或電費(fèi)為決策依據(jù)的評(píng)估方法，用電效用將綜合考慮能效與滿意度進(jìn)行評(píng)估。
將用戶側(cè)負(fù)載按照自身用電特性和用戶對(duì)負(fù)載的需求特性分為儲(chǔ)能型和非儲(chǔ)能型兩類，將儲(chǔ)能型負(fù)載再細(xì)分為蓄熱蓄冷型和蓄電池型兩類。蓄冷蓄熱型負(fù)載、非儲(chǔ)能型負(fù)載的效用變化分別以溫度、時(shí)間效用函數(shù)模擬，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同類型負(fù)載的用電效用分級(jí)。
將負(fù)載的效用等級(jí)分為高效用、低效用和負(fù)效用三種。效用等級(jí)越高，代表負(fù)載的能效水平和用戶的滿意度水平越高。
(2)用戶用能行為識(shí)別
用戶用能行為直接影響用戶側(cè)負(fù)載的能耗狀況，因此準(zhǔn)確識(shí)別用戶的用能行為可以幫助判斷各用戶側(cè)負(fù)載是否運(yùn)行在最大效用等級(jí)下。基于隱馬爾可夫模型進(jìn)行用戶用能行為識(shí)別。
通過劃分負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)、建立用戶用能行為識(shí)別的隱馬爾可夫模型、參數(shù)學(xué)習(xí)、解碼獲取識(shí)別結(jié)果等步驟，可以較為準(zhǔn)確地識(shí)別用戶活動(dòng)。
通過較為準(zhǔn)確地識(shí)別用戶用能活動(dòng)，按照一定優(yōu)化策略關(guān)斷或調(diào)解在用戶活動(dòng)中關(guān)聯(lián)度低或效用水平低的負(fù)載，從而在綜合考慮用戶滿意度和負(fù)載能效水平的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能能量管理。
(3)協(xié)同需求響應(yīng)
智能用電網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的快速需求響應(yīng)。由于自律分散架構(gòu)的特征，各類響應(yīng)信號(hào)可快速大批量發(fā)布，且各本地能量管理單元的實(shí)施效果也可迅速反饋。云存儲(chǔ)中心只需下發(fā)簡(jiǎn)單的能量調(diào)節(jié)比例(如削減負(fù)荷5%)，各本地能量管理單元進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減量分配，從而減小了計(jì)算規(guī)模與成本，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的快速需求響應(yīng)。
(4)節(jié)能自動(dòng)化
智能用電網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化節(jié)能。基于用戶用能行為識(shí)別和效用等級(jí)的劃分，各本地能量管理單元可對(duì)該單元中的用能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估并制定節(jié)能策略。
前景展望
智能用電網(wǎng)絡(luò)就好比能源互聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，是能源互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的關(guān)鍵部分。該網(wǎng)絡(luò)有自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性，可以較好地實(shí)現(xiàn)在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)功能。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合緊密，可實(shí)現(xiàn)信息流和能量流的高度結(jié)合，并達(dá)到能源最優(yōu)管控的目的。
在黔東南一個(gè)普通醫(yī)院，其一年電費(fèi)要700萬元，以20%的節(jié)約量計(jì)，預(yù)計(jì)可節(jié)約電費(fèi)140萬元，考慮裝設(shè)軟件設(shè)備的成本，年回報(bào)率在70%。除了節(jié)能，智能用電網(wǎng)絡(luò)所存儲(chǔ)的海量用電信息，可廣泛用于提升用電安全水平、揭示電器火災(zāi)隱患、優(yōu)化用戶側(cè)能源使用、參與電網(wǎng)需求響應(yīng)，未來應(yīng)用的空間十分廣闊。
