【能源互联网洞悉】日本东京电力公司非入户式负荷分离技术发展及应用情况分析
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：准确、便捷地获取用户更加详细的用电行为信息，提供更有针对性的综合能源服务，是当前各国电力行业创新的焦点。非入户式负荷分离技术在与智能电表结合，获取用户用电特征方面具有显著的特点和优势。日本东京电力公司在利用非入户式负荷分离技术开展综合能源服务方面进行了积极探索，并与科技公司联合成立专门商业公司，进一步推进技术提升和业务扩展。针对各类技术路线、应用前景以及商业模式的探索，也是负荷分离技术应用需要重点关注的问题。
日本东京电力公司非入户式负荷分离技术发展及应用情况分析
执笔人：菅泳仿、刘林
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
一、日本东京电力公司基于非入户式负荷分离技术开展综合能源服务情况
东京电力公司首先通过示范来验证技术可行性及商业化前景。东京电力公司于2016年10月至2017年12月进行了3次示范测试（见表1所示），分别与日立、松下等技术企业和大和生活、大东建托等物业公司合作，对基于NILMD技术家庭用电信息监测系统进行了测试，并探索开展包括电器用电状态提醒、看护服务、住宅安全管理、家电自动运行管理、基于居住环境评价的新型租赁模式等服务。
表1 东京电力公司家庭用电信息监测系统示范项目
在示范基础上，东京电力公司与科技公司联合成立专门商业公司，进一步推进技术提升和业务扩展。日本东京电力公司于2018年2月成立Energy Gateway公司，并引入战略合作伙伴Informetis公司（占Energy Gateway公司40%股份，负责提供核心技术）。该公司基于物联网平台，利用非入户式负荷分离技术对家庭用电信息进行收集，并结合温度、湿度等信息，形成商业化的家庭用电数据。一方面用于对家庭能源管理系统进行规划和设计；另一方面将信息进行分析和加工后，提供给其他服务型企业，包括房地产企业、保安公司、保险公司、医护服务公司和电力中间服务商等。上述服务型企业可以进一步为家庭用户提供包括能源服务、能源管理服务、医疗介护和警备等多种服务。
图1 Energy Gateway公司主要服务示意图
二、非入户式负荷分离技术概况及应用情况
（一）技术原理
非入户式负荷分离是相对于入户式来说的，不需要每个用电设备上都安装传感器，只需将装置安装在电力入口处，通过量测入口处的电压、电流、功率等信号，利用高级算法分解用户的用电行为。NILMD实现流程包括以下步骤。
数据采集和数据处理：获得负荷的稳态和暂态信号，并进行去噪及有功等电气量的计算、标幺化等。
事件检测：对负荷投切操作进行检测，通过设定某一负荷特征的判定阈值来得知设备运行状态的变化情况。
特征提取：从事件发生前后数据中，提取负荷识别使用的特征。
负荷识别：将测量数据中提取的负荷特征与已有负荷特征库进行比较，实现负荷分解。
（二）技术特点
安装便捷：只需要在配电箱附近安装终端即可，施工简单，易于大规模推广应用；
容易接受：安装时用户无感知，无需进入用户内部进行施工，用户接受程度高；
成本经济：仅需安装电力负荷采集器，硬件成本较低。
同时，该技术也在模型通用性和负荷识别准确度上面临较大挑战。
（三）研究和应用现状
国际上主要开展小规模示范运行。美国能源部可再生能源实验室（NREL）、美国EPRI、英国Navetas、Intel实验室和三星达拉斯技术研发实验室等都对该技术做了深入研究。美国EPRI曾开展过较大规模的示范项目，PNNL、Pecan Street、NEEA、SDG&E等公司开展了小规模的示范测试。北美、欧洲等地的初创公司（如iPlan、LineWatch 等）已经或开始将非入户式负荷监测技术推向产品化，但皆未进入大规模的商业化阶段。
我国积极开展示范应用，与国际上其他国家处于同一技术水平。从2006年开始关注和研究该技术，以天津大学余贻鑫院士为代表，天津大学、华北电力大学、重庆大学、浙江大学、东南大学、中国电科院等研究人员开展相关技术研究，并在天津、江苏和浙江等地区进行了示范应用。江苏电力公司依托国家重点研发计划“城区用户与电网供需友好互动系统”开展研究，在苏州金鸡湖区和常州武进区选取5万户居民进行示范，实现家庭综合能耗降低4%。
三、负荷分离技术应用前景和商业模式
（一）技术路线对比
考虑是否入户改造和设备集成度两方面因素，可以将负荷分离技术分为三类：入户分置式、非入户分离式和非入户集成式。入户分置式是利用无线网络传输技术，在每个用电设备上分别安装传感器和联网模块实现负荷分离。非入户分离式是基于电力入口处电压、电流信号进行识别，在配电箱中表前安装独立的负荷分离设备。非入户集成式原理与非入户分离式相同，区别是在智能电表中集成了负荷分离模块。上述三种技术路线对比如表2所示。
表2 三种负荷分离技术路线对比
（二）应用前景
商业化应用前提：技术突破、电价开放、政府引导、公众接受。技术方面，模型和算法取得突破，负荷识别准确度达到90%以上，计算速度大幅提升；电价方面，分时电价广泛应用，用户参与需求响应的条件成熟；政府引导方面，对地方和企业在能效和减排等方面考核更加严格；公众接受方面，节能和提高能效的理念深入人心，形成与技术提供公司的良好互动关系。
典型应用场景：工厂、建筑以及商场等工商业用户的用电安全、能效管理、有序用电与分时用电等。一是用电安全方面，通过识别用户用电行为的变化判断用电及人身安全等情况；通过关键参数（稳态、暂态等特征）的变化进行更加精细化的设备级故障检测、诊断与预测。二是能效管理方面，基于监测数据开展用电习惯、设备能耗状况等诊断分析，提供设备级用电详单和个性化用能策略优化方案等。三是有序用电、分时用电等需求响应方面，引导用户改变用电行为，实现用户负荷的增减或转移，减少系统最大负荷和峰谷差，提高负荷率，从而降低电网和电源投资。
（三）商业模式
负荷分离技术商业化应用涉及电网企业、设备开发商、能源服务商、用户等多个主体，将形成以电网为平台的多方参与、合作共赢的商业模式。技术研发方面，政府、电网公司、科技型企业等多方支持研发投入；安装运维方面，由电网公司负责或委托设备开发商开展；数据收集方面，由电网公司采集并搭建数据分析平台；能源服务方面，电网公司或能源服务商提供能效提升、用能管理、需求响应等服务；数据使用方面，服务型企业获得用户用电数据，通过数据挖掘提供各类增值服务；监管准入方面，政府制定设备和市场主体准入规则，监督电网公司与用户、各类服务企业与电网公司签订保密协议，保障用户信息安全。
各方可以获得的收益包括：电网公司获得数据收益、用户节能效益、电网投资成本节省收益；设备开发商获得产品销售收益；能源服务商分享用户节能效益；服务型企业获得用户增值服务收益；用户用能支出降低，获取需求响应补贴。
图2 负荷分离技术应用的商业模式
作者介绍
菅泳仿，工学博士，国网能源研究院能源互联网研究所高级工程师。主要从事能源互联网技术及政策、综合能源系统、清洁能源消纳、太阳能光热发电等方面的研究工作。曾承担多项国家电网公司科技项目、管理咨询项目等研究课题，多次获得国家电网公司软科学等奖项。
刘林，国网能源研究院能源互联网研究所主任工程师。电力系统自动化专业博士，高级工程师、管理咨询师、注册咨询师，国家电网公司优秀专家人才。主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究。曾参与编写起草国家促进智能电网发展指导意见、国家电网公司智能电网十二五及十三五规划、配电网发展十三五规划等；主笔编写出版《世界能源清洁发展与互联互通评估蓝皮书》等著作；多次获得国家能源局软科学成果奖、国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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