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王志轩:中国电力需求侧管理变革(上)

来源: | 发布时间:2018-07-16

编者按

在风电、光伏发电等可再生能源高速增长为标志的电力新时代,进一步加强电力需求侧管理(DSM)显得越来越重要和紧迫。王志轩同志这篇对DSM研究文章的发表正当其时。该文是他为拟出版的《中国电力需求侧管理变革》一书撰写的“总论”(约3万字)并加以提炼,字数约1.5万字,本刊分上、下两篇发表。文章从“3E”平衡、电力体制特点、全社会用电水平、电力供需特点、电源电网特点、需求侧用电特点6要素分析入手,系统地研究了上世纪90年代以来我国DSM变革的三个发展阶段——DSM、需求响应(DR)和供需耦合。文章上篇主要论述了DSM和DR阶段;文章下篇主要论述了DR进入了供需耦合阶段,以及三个发展阶段之间的内在关系。全篇具有四点独创性:一是分析了DSM与DR等的到底有什么不同;二是从6要素分析了DSM为什么要变革,以及如何变革;三是讲清了中国特色DSM与国际DSM的区别;四是对未来DSM的变革提出了“供需耦合”概念,这是DSM研究领域的新探索。

 

电力需求侧管理起源及在中国的变革


  推动DSM变革的根本动力是生产关系和生产力发展水平的变化,或者说,DSM的变革是为了适应不断变化的生产关系和生产力水平。具体可由不同发展阶段能源、经济、环境三者之间平衡特点(也称“3E”平衡)、电力体制特点、全社会用电水平、电力供需特点、电源电网特点、需求侧用电特点等六个要素构成。其中,“3E”平衡特点决定了DSM所要解决问题的侧重点——电力短缺、环境保护、经济性等,电力体制特点主要决定是多用市场手段还是多用计划手段以及DSM主体及责任,用电水平高低主要决定DSM的应用范围大小,电力供需松紧主要决定DSM发挥作用的活跃程度,电源电网特点主要决定DSM技术手段的有效性,需求侧用电技术水平主要决定DSM发挥作用的潜力。这六个要素对DSM的影响既相对独立又相互联系,各要素的互相影响和变化,形成了中国特色DSM理论、政策与实践。对以上六个要素进行分析,可以对中国DSM变革划分为三个阶段,即传统的DSM阶段、正在开展的DR阶段以及已经萌芽的电力供给侧与需求侧深度融合的电力供需耦合阶段。


传统的DSM发展阶段(引进于20世纪90年代,成熟于21世纪第一个十年)


解决长期电力短缺是中国引进DSM的主要原因。1981年,DSM由美国学者克拉克·W·盖林斯(Clark W.Gellings)第一次提出,其涵义是,电力公司采取有效的激励和引导措施以及适宜的运作方式,与用户协力改变用电方式、提高终端用电效率,达到减少电量消耗和电力需求为目的管理活动。与传统的负荷管理不同,它不是由电力部门单方面管理负荷,而是调动用户积极参与,并强调以优质服务满足用户的用电要求。改变用电方式是将负荷从电网高峰时段削减或转移到电网低谷时段,改变电力需求在时序上的分布,从而有效地降低峰荷、提高用电效率。DSM首先在美国实践,主要作用是将需求侧节约的电力和电量作为一种资源纳入电力供给侧规划,在减少供给侧投资的同时,促进资源节约、环境保护等更大社会效益。DSM此后扩展到世界各国,但是在实践中各国应用的目的、方法、政策措施等不尽相同。
  中国在上世纪90年代引进了DSM主要解决缺电和电力投资严重不足问题。DSM在1992年开始通过技术文献陆续介绍到中国,政府部门也逐步重视,如1993年6月国家计委资源司立项、委托国家计委中科院能源研究所和深圳市能源总公司合作,于1993年底完成了深圳市首次试点研究。DSM在这一时期逐步得到能源电力部门的认同和推进。
  初期,能效管理、负荷管理、有序用电是DSM主要内容。由于电力短缺在当时是电力供需的主要矛盾,且由于DSM也未进入政府政策,在具体电力规划中并没有定量地将DSM的作用纳入规划,只是在具体规划的工作中如预测负荷、分析电力电量平衡时作为调节因素分析参考。DSM初期在中国开展的主要难点是行政手段多、市场手段少,多头管理、部门通气少、各自为政,没有形成政府、电力企业、电力用户各司其责共同协调的机制。

DSM进入政策体系其目的、手段与缺电高度相关。DSM引进中国之后20多年来,电力供需矛盾特性发生了多次变化:投资体制改革及亚洲金融危机电力相对富余—经济增长电力严重缺电—电力体制改革缓解短缺—世界金融危机相对富余—再结构性短缺—再富余。DSM发挥作用的大小与电力供需矛盾的变化是“同频共振”的。
  节能减排是中国特色DSM的重要功能。2002年到2012年的10年电力快速发展期,也是DSM波浪式发展并逐步规范期。从中国能源、经济、环境“3E”之间关系平衡中,环保与资源节约重视程度进一步加大。这一时期,也是中国可再生能源发电的快速启动、发展期,是燃煤电厂大规模烟气脱硫、脱硝期,是建设高参数大容量机组促进发电效率快速提高期以及大规模淘汰落后电力产能期,更是电网实现全国联网期以及特高压技术应用期。
  从2004年政府部门印发的《加强电力需求侧管理工作的指导意见》,再到2010年的《电力需求侧管理办法》和2011年的《有序用电管理办法》,可以看出以下显著特点。一是从DSM定义看,由“实现最小成本电力服务所进行的用电管理活动”到“提高电力资源利用效率,改进用电方式,实现科学用电、节约用电有序用电所开展的活动”;二是从DSM目的看,由“将通过需求侧管理节约的电力和电量,作为一种资源纳入电力工业发展规划、能源发展规划和地区经济发展规划”,扩展到“电力需求侧管理是实现节能减排目标的一项重要措施”;三是形成了政府主导、电网为管理主体、电力用户直接参与、中介组织服务的体系;四是形成了规划引导、标准规范、电价调节、财政支持的管理运行机制;五是形成了鼓励采用低谷蓄能,季节电价、高可靠性电价、可中断负荷电价等电价制度;六是在技术方法上,要求电网企业建立电力负荷管理系统开展负荷监测和控制,鼓励电网企业采用节能变压器、合理减少供电半径、增强无功补偿,引导用户加强无功管理实现分电压等级统计分析线损等,鼓励用户采用高效用电设备和变频、热泵、电蓄冷、电蓄热等技术优化用电方式;七是在电力供应不足时,DSM将更多地通过行政措施、经济手段、技术方法,依法控制部分用电需求等有序用电方式。
  据有关资料分析,在2003年全国缺电时期,70%以上的电力缺口是通过DSM的有序用电措施得以缓解的。据估算,1991~2010年,通过开展DSM,中国实现累计节电2800亿~3000亿千瓦时左右,最大转移负荷超过3000万千瓦;节约能源超过1亿吨标准煤。DSM作为优化配置电力资源的有效方式,不仅在平衡电力电量、提高电网负荷率、有效减轻缺电矛盾上发挥了重要作用,而且对于促进电力行业节能减排约束性目标实现,促进资源节约型和环境友好型社会的建设发挥了重要作用。


DR发展阶段(国际上始于2008年金融危机后,中国始于2012年以后)


为解决可再生能源电能消纳问题,智能电网兴起,DMS变革为DR 。2008年金融危机的爆发,全球在能源、经济与环保等方面面临着新的压力和新的历史机遇。能源转型中,大比例可再生能源通过电网消纳,对电力系统安全稳定运行造成新挑战。为了更好消纳新能源,DR在美国率先出现,同时智能电网的发展为DR的实现起到了相辅相成的作用。但由于各国能源电力转型的阶段、特点不同,负荷特点不同,智能电网并没有统一模式。
  通常意义上的DR,用户根据电力市场动态价格信号和激励机制以及供电方对负荷调整的需求自愿做出响应,在满足用户基本用电需求(目的)前提下,通过改变原有的用电方式实现负荷调整的需要,达到提高系统消纳可再生能源电量并保障电力系统的稳定运行的目的。由此可以看出,DR与DSM比较,相同点虽然都具有调整电力负荷侧峰谷的作用,但DR所面临的峰谷问题既有传统的负荷变动形成典型峰谷问题,更重要的是电力供给侧由于可再生能源发电的波动性、随机性大而产生的供给侧峰谷问题。DR就是要解决既要满足负荷侧需求、又要适应供给侧的特点、还要保障电力系统安全的多目标问题。解决问题的主要方法是通过价格信号等市场机制,由用户自愿改变用电方式,而不是采用具有强制性的“有序用电”方式。
  中国能源电力的巨大发展及新情况新问题促进了探索DR并形成政策。在全球能源低碳转型的背景下,中国经济经过改革开放近40年的持续快速发展进入了工业化中后期,特别是2012年到2017年短短5年间,中国经济、社会、能源、电力都得到了巨大发展。在电力领域取得举世瞩目的发展成就的同时,以风电、光伏为代表的可再生能源发电规模一举成为世界第一。与此同时,中国能源转型不仅遇到了世界能源转型中消纳可再生能源困难等问题,还遇到了煤电装机比重高、用于调峰的灵活性电源比重少的严重问题。尤其是2012年后,随着中国可再生能源发电的超常规增长,风电、光伏发电消纳不足问题严重,DR在中国开始探索实践到政策形成。
  不过,与美国等发达国家相比,由于中国压缩型工业化的特点,在电力需求侧节能节电空间仍然较大,同时,中国电力市场化改革正在推进之中,市场手段还不完善,中国初期的DR仍然是以DSM为重要特征的DR。下面,从6个要素进一步分析DSM在2012年到2017年间向DR变革的背景和轨迹。
  第一,在2012年底到2017年底5年间,在能源、经济、环境的“3E”平衡上,中国更加重视环境保护和低碳发展,并提了推进能源生产和消费革命的要求。5年间,“十八大”对“十七大”提出的“四位一体”总布局,增加了生态文明建议内容,成为“五位一体”总布局。以环保法重新修订为标志的法治建设不断完善。国家提出了大气、水、土壤污染治理新要求(简称“气十条”“水十条”“土十条”)。签署了应对气候变化的巴黎协定。在经济和能源发展方面,2014年,党中央提出了中国经济进入新常态的重大判断,持续推进旨在调整经济结构,提高全要素生产率,提升经济增长的质量和数量的供给侧结构性改革。习总书记提出了要推进能源生产和消费的“四个革命”、“一个合作”的要求,能源发展也进入了速度换档、质量提高、绿色发展的新阶段。
  第二,在电力管理体制上更加重视市场机制建设,简化了大量电力行政审批事项,开启了新一轮电力体制改革。十八届三中全会提出了“使市场在资源配置中起决定性作用和更好发挥政府作用”的市场经济改革新理念。国务院取消了一大批制约生产力发展的行政审批(包括电力项目)事项。2015年《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发[2015]9号)出台,拉开了“管住中间、放开两头”即“有序放开输配以外的竞争性环节电价,有序向社会资本开放配售电业务,有序放开公益性和调节性以外的发用电计划”为主要特征的电力体制改革。
  由于深化改革需要一个过程,受传统体制的影响,能源电力转型在法规、政策、规划、标准间仍然存在不协调、交叉、重复甚至矛盾的情况。综合分析,一方面,生产关系的变革推动了电力供给侧、需求侧都朝着清洁、低碳、高效、节约以及市场化方向加快发展,同时,使DSM向DR加快过渡;另一方面,中国特色的DR市场机制作用还难以发挥主导性作用。
  第三,从全社会用电水平看,虽然增速有所减缓,但绝对增量很大,全社会用电水平提高较快。在本世纪初中国还有近4100万无电人口,在2015年全部解决了最后20多万无电人口用电问题。全社会用电量由2012年的4.96万亿千瓦时,增加到2017年的6.36万亿千瓦时,5年共增加用电量1.4万亿千瓦时。2017年,全国人均用电量为4589千瓦时,比2012年的3676千瓦时,增加了913千瓦时,人均用电量已经超过世界平均水平。2017年人均生活用电量628千瓦时与世界平均水平比仍然偏低(据世界能源理事会2014年的统计,世界人均年生活用电量为739千瓦时)。
  第四,从电力供需特点看,电力供需除在个别地域、个别时段有短缺外,整体平衡、富余,在供给侧表现出新能源电量消纳不足、煤电利用小时整体降低的特点。此阶段供需矛盾的变化是由供与需两方面共同造成,其中用电需求减少与经济新常态下经济增速降低和经济结构向低能耗方向调整的双重作用有关,而供应能力增强与体量巨大的火电发展惯性和新能源发电超高速增长的双重作用有关。从发电设备利用小时的变化可以明显看出,此阶段的电力设备利用率处于历史上低水平时期。2017年7月,16个政府部门联合颁布了《关于推进供给侧结构性改革防范化解煤电产能过剩风险的意见》,提出了从严淘汰落后产能、清理整顿违规项目、严控新增产能规模、加快机组改造提升、规范自备电厂管理、保障电力安全供应6项主要任务。
  第五,从电源、电网特点看,电源结构向清洁化发展和智能电网发展为DR提供了客观需求和支撑平台。5年间,中国非化石能源发电比重提高很快,但消纳困难、补贴不足;煤电污染控制水平达世界先进,但亏损严重;电网输送能力有很大提升、技术水平部分领域世界领先,智能电网加快建设,微电网及分布式发电突起。针对弃风、弃光率严重问题,政府、电网、电源及用户共同努力加大解决力度,2017年,全国弃风率12%、同比下降5.2个百分点,弃光率6%、同比下降4.3个百分点。但是可再生能源补贴缺口仍然很大,据国家能源局数据,截至2017年底,累计可再生能源发电补贴缺口总计达到1127亿元,其中光伏补贴缺口455亿元(占比约40%)。由于中国电网调峰主力主要靠煤电,频繁的调峰使先进的煤电机组难以运行在合理工况下,不仅降低了能源效率,而且由于减少了利用小时数,也降低了经济效益,双重作用进一步增大了亏损。由于煤电在中国电力系统中起着重要的调峰作用,对于支持可再生能源转型具有重大作用,因此,解决好中国煤电发展和运行问题是中国DR机制设计中必须要解决的特殊性问题。
  可再生能源消纳、智能电网、DR之间具有高度的关联性。2015年7月,国家发展改革委、国家能源局发布了《关于促进智能电网发展的指导意见》,对中国智能电网的范围、技术特性、应用目的、作用等进行了外延式定义;在指导思想、基本原则、发展目标方面提出了总体要求;明确了主要任务是网源协调、技术支撑、消纳新能源、多能互补、电网安全、强化DSM、电能替代、多元化用电、装备研发、标准国际化等;提出了组织协调、投资支持、电价机制、商业模式等保障措施。提出了智能电网的目标是:“到2020年,初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系,满足电源开发和用户需求,全面支撑现代能源体系建设,推动中国能源生产和消费革命;带动战略性新兴产业发展,形成有国际竞争力的智能电网装备体系。”不难看出,中国特色的智能电网发展基本上包含了人们对能源电力转型的所有期望。《意见》明确,智能电网要促进“满足并引导用户多元化负荷需求。建立并推广供需互动用电系统,实施需求侧管理,引导用户能源消费新观念,实现电力节约和移峰填谷;适应分布式电源、电动汽车、储能等多元化负荷接入需求,打造清洁、安全、便捷、有序的互动用电服务平台。”可以说,智能电网就是实施DR的平台。
  第六,从需求侧用电特点看,大数据、物联网、云计算、移动通讯、电动汽车、电能替代及能耗双控,使需求侧电力结构发生新变化。5年间,供电结构持续向第二产业用电减少的方向转变,第二产业、第三产业和城乡居民用电比重分别为70.6%、13.9%和13.7%;比2012年分别下降3.3个百分点、提高2.5个百分点和提高1.1个百分点。
  中国特色的DR就是由以上6个要素的变化和互相影响,顺时而生、因地而行、因势而变。在实践中形成了在电力供应富余情况下、具有显著供给侧改革特点的DR政策体系。2012年10月,财政部、国家发展改革委联合发布了《电力需求侧管理城市综合试点工作中央财政奖励资金管理暂行办法》,提出了财政补贴主要是促进解决电力短缺(平衡)和节能减排问题,将“能效电厂”等技术的“永久性”节约与“需求响应”的“临时性减少”区分开来,区别了不同地区的奖励水平等3个方面的要求,体现了初期“需求响应”作用和部分内涵。这个政策出台,表明了政府在电力负荷管理上,由行政型手段向DR所需要引导型、激励型政策工具转变。
  随着情况的不断变化,DR在探索实践中不断发展,据媒体报道,上海于2014年夏季开展了中国首个需求响应城市试点项目。共有64个用户参与了试点项目,包括31家工业用户和33家楼宇用户。参与用户经过核查,每削减1千瓦的用电能够获得2元钱的电费扣除补偿。此外,黄浦区政府还额外提供了每千瓦2块钱的补贴。参与用户在谷电时的用电量由30%增长到了47%。同时,用电高峰时段从晚上7时到9时错后至了10时以后的谷电时间。2015年6月江苏省经济和信息化委员会联合江苏省物价局制定了《江苏省电力需求响实施细则(试行)》,体现出实施负荷管理由行政手段向市场化转变。据《中国电力报》报道,2015年 8月4日,江苏省成功实施了首次全省范围的电力需求响应,约定负荷162.74万千瓦,实际减少负荷165.77万千瓦。但是总体来看,上海、江苏的DR基本上虽然是电力供应相对不足时的措施,但是在智能化技术的支撑下,加大了市场机制的作用,更多体现了用户的自愿性和经济激励手段,与DR的基本内涵是相通的。通过电力需求侧管理城市综合试点,2015年4月,国家发改委、财政部印发了《关于完善电力应急机制做好电力需求侧管理城市综合试点工作的通知》,文件中明确提出了采用电力需求侧管理有利于消纳可再生能源的作用,明确了“以更加市场化的方式保障电力供需平衡为吸引用户主动减少高峰用电负荷并自愿参与需求响应,可以制定、完善尖峰电价或季节电价”的政策。据国家发改委文件(发改运行规〔2017〕1690号)显示,在2012~2016年,电网企业积极采取措施促进自身节电和开展社会节电,累计节约电量553亿千瓦时,节约电力1268万千瓦,比目标任务分别超额完成131亿千瓦时和359万千瓦。
      2017年9月20日,国家发展改革委、工业和信息化部、财政部、住房城乡建设部、国务院国资委、国家能源局等六部委联合印发了《关于深入推进供给侧结构性改革做好新形势下电力需求侧管理工作的通知》(发改运行规〔2017〕1690号),同时发布了《电力需求侧管理办法(修订版)》。通知中明确提出,电力供大于求的形势越发明显,DSM的工作重心需从保障供需平衡向多元化目标转变;DSM是供给侧结构性改革的重要内容;在重点工作中提出,要推进电力体制改革实施电能替代,促进可再生能源消纳,提高智能用电水平等。修订后的《电力需求侧管理办法》与修订前相比,对DSM进行了重大的改革。
  从文件内容看,DSM增加了“促进可再生能源电力消费、减少污染物和温室气体排放,实现节约用电、环保用电、绿色用电、智能用电、有序用电”的内涵。在实施主体上,将电网为主体扩大到“电网企业、电能服务机构、售电企业、电力用户是电力需求侧管理的重要实施主体”。从外延上看,DSM扩展到“支持电网企业会同电力用户探索建设大规模源网荷友好互动系统,有效平抑可再生能源带来的波动,提升电网‘源’‘荷’互补能力,助力可再生能源大规模替代化石能源。”从DSM的进一步发展看,提出了通过智能用电创新用电管理模式,培育电能服务新业态,提升电力需求侧管理智能化水平的要求。由上可见,变化了内涵的DSM虽然仍然保留了DSM名称,但实际内容已经发展了很大变化,标志着中国DSM进入了DR发展阶段。
  但是,中国离国际上通行意义的DR机制还有一段距离。由以上分析可知,中国DR的应用在2012年之后已有萌芽,这主要得益于中国智能电网的建设、电力市场化改革的推进以及从解决可再生能源消纳问题的具体实践。可以看到,在电力体制改革方案中和一系列解决可再生能源的政策文件中都有不同程度的DR的影子。但是,与发达国家比,DR在中国也只能说在是初步发展阶段。一是,相关项目试点工程的实施主要是立足国内现状,基于电网企业相关业务应用系统建设需求响应平台,通过招募负荷集合商(load aggregator,LA)等对电力用户侧负荷资源进行统一调控。二是,中国需求响应机制和项目设计,多数情况下由政府主导,参与用户以工商业用户为主。可以说中国离国际上通行意义的DR机制还有很大一段距离。主要原因是中国的市场机制还很不完善,使建立在市场机制之上的DR难以施展全部本领。因此,从问题导向来看,DR仍然是当前和未来数年解决中国电力发展中重要矛盾的重要手段(上篇完,未完待续)。


(来源:《中国电力企业管理》)