基于國家電力需求側管理綜合試點城市的需求響應系統(tǒng)及機制研究

摘要：電力是企業(yè)賴以生存與發(fā)展的重要資源，但由于企業(yè)高峰產能或高溫氣候的原因，常規(guī)時間只用到總容量的50%左右，存在巨大浪費。因此，本文從用電側著手，通過采用先進的電力需求響應技術在用電側方面進行優(yōu)化與調度管理，能夠減緩電力系統(tǒng)的投資，節(jié)省的高峰負荷相當于新建發(fā)電廠與輸配電設施，同時也能改善企業(yè)的能源管理，做到以負荷控制為基礎的實時管控。研究表明，采用需求響應技術能夠在不影響正常生產情況下削減高峰負荷削減10%以上，也相當于企業(yè)獲得10%的電力增容。

關鍵詞：需求響應 區(qū)域性 負荷交易

1. 引言

電力需求側管理概念引入我國已有20多年， 它對我國節(jié)能減排和經濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但需求需求響應作為需求側管理的一個特殊領域在我國尚處于起步階段[1]。需求響應是一種以大數據為基礎、以包括云服務在內的現代信息通信技術為手段，有巨量用電單位集體參與的用電與供電之間雙向互動的有計劃的項目活動，其目的是實現用電高峰期區(qū)域電力最高負荷的削減。需求響應本質上是一種用電負荷精細化管理方法，通過對企業(yè)的各種負荷的使用情況、歷史數據或即時數據以及企業(yè)用電模式等進行精細分析，在企業(yè)內部尋找在用電高峰期被浪費掉的、可以調控的、可以節(jié)省的的負荷，把這些負荷分門別類與調控模式聯(lián)系起來、儲備起來，在電力高峰時使用。需求響應的作用取決于電力用戶參與的規(guī)模。與傳統(tǒng)的有序用電管理相比，需求響應是一種自覺自愿的的行動，客戶參與的驅動力是公開、透明的政府的鼓勵政策與激勵辦法。用戶參與需求響應幫助電網削減了電力尖峰，維護了電網的穩(wěn)定、節(jié)省了投資、節(jié)省了能源、為社會作出了貢獻，因而可以得到相應的、各種可能的回報。國際上，美國加州及紐約通過十幾年需求需求響應的實施，在不增加發(fā)電機組的情況下就滿足的電力增長的要求，尤其是當遇到極端天氣的情況下，需求響應對電網穩(wěn)定性發(fā)揮了巨大的作用[2]。與新建發(fā)電廠、輸配電設施相比，需求響應實施的成本一般只有他們的三分之一。

2. 目的

2.1 完成國家需求響應試點任務

開展需求響應是國家發(fā)改委為解決中國經濟發(fā)展電力需求問題的一個核心戰(zhàn)略之一，2012年底國家發(fā)改委選定北京、唐山、佛山、蘇州市成為國內電力需求側管理綜合試點城市之一，要求完成需求響應試點任務。

2.2 幫助解決佛山的電力短缺及間歇性新能源問題

試點城市在目前夏季高峰用電期就存在電力短缺的問題，許多企業(yè)的生產受到影響，需要擴容的企業(yè)很多。隨著經濟的發(fā)展，試點城市需求更多的電力，通過需求響應建立虛擬電廠[4]是解決電力短缺的有效途徑之一。

消納新能源的間歇性，促進以風電與太陽能發(fā)電為代表的新能源的發(fā)展，為大量電動汽車的使用提供彈性的電網調節(jié)能力。

2.3 幫助企業(yè)節(jié)能降耗降低成本

試點城市的工業(yè)園區(qū)企業(yè)的電費每年近5個億，電力高峰負荷在15萬千瓦左右，負荷管理與節(jié)能潛力巨大，而且工業(yè)園區(qū)在考慮建設基于大數據的能源管理、生產調度改進系統(tǒng)。需求響應系統(tǒng)與大數據能源管理平臺之許多方面是重合的，完成需求響應試點在很大程度上看是工業(yè)園區(qū)能源、運行管理平臺的一部分。采用需求響應技術能夠在不影響正常生產情況下削減高峰負荷削減10%以上，也就是相當于企業(yè)獲得10%的電力增容。

3. 需求響應試點實施構架及實施過程分析

3.1 系統(tǒng)概述

電力需求響應系統(tǒng)是服務于需求響應的自動化信息系統(tǒng)，應能夠有效地支持政府部門、電網企業(yè)、電能服務商、電力用戶共同完成的需求響應活動，提供政府、電網、電能服務商和用戶之間對需求響應互操作性的共同理解。需求響應系統(tǒng)劃分成業(yè)務層、功能層、信息層、通信層和組件層5個層面。

電力需求響應系統(tǒng)5大特點：

（1）擴展性：原有系統(tǒng)及新設備的功能擴展時，應能合格運行原有設備及應用程序，盡可能避免設施及服務追加成本的大量投入。

（2）可升級性：需求響應系統(tǒng)應在其進行周期性局部系統(tǒng)升級過程中，具有無困難系統(tǒng)功能加強及保持原有運行狀態(tài)的能力。

（3）靈活性：需求響應系統(tǒng)應按照一貫的政策進行持續(xù)設計和運行，但允許參與者自主選擇需求響應項目的類型和順序，且任一項目在實施過程中與原計劃發(fā)生部分偏離時不被懲罰。

（4）可維護性：系統(tǒng)內的各個子系統(tǒng)可在其生命周期內實現穩(wěn)定、安全、可靠的系統(tǒng)自維護，同時支持原有系統(tǒng)的合并和移除。

（5）安全性：需求響應系統(tǒng)應支持抵制未審核/未經授權入侵、訪問、物理和網絡資產使用的功能。

3.2 系統(tǒng)參與者

需求響應監(jiān)管部門主要進行需求響應計劃、動態(tài)價格或需求側競標規(guī)則的制定者、費率結構的審批者和實施過程的監(jiān)督者。

電力公司主要提供需求響應服務，同時也負責需求響應系統(tǒng)與電力營銷、電力調度和電能服務等業(yè)務系統(tǒng)之間的信息交換。主要負責發(fā)布動態(tài)電價、分解發(fā)布負荷需求及發(fā)布DR事件通知。監(jiān)視系統(tǒng)運行、考核需求響應結果。對大量用戶聚合后進行需求響應服務，需求響應聚合系統(tǒng)連接DR終端與需求響應服務系統(tǒng)，對需求響應系統(tǒng)發(fā)布的削減負荷進行再分配。

用戶側設施通常由用戶直接管理、也可以委托DR服務供應商管理，用戶側管理的主要資源有：

（1）能源系統(tǒng)：包括家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）、樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）、工業(yè)能源管理系統(tǒng)（FEMS）、儲能系統(tǒng)、分布式能源系統(tǒng)等。

（2）用電設備：電梯、電機、工業(yè)設備、空調、照明燈具、家用電器等。

（3）智能設備：可編程控制器、智能家電、智能終端等。

（4）網關設備：家庭通信網關、工廠能源網關等。

（5）局域網：家庭、樓宇、工廠、社區(qū)等本地局域網。

（6）充電樁：電動汽車充電樁等。

3.3 系統(tǒng)架構

業(yè)務層規(guī)定需求響應政策、業(yè)務模式、參與者的分工、業(yè)務能力和業(yè)務過程。支持管理者開展需求響應業(yè)務，支持監(jiān)管者定義新的市場模式，支持業(yè)務細化，保證各個具體業(yè)務的實現。

功能層規(guī)定的功能和服務及其之間的關系，提供相應功能，支撐業(yè)務流程。功能必須從用例中提取出來的，功能的表示是邏輯的、獨立于參與者和物理實現。

信息層規(guī)定在功能、服務和組件之間進行交互的信息，定義信息對象和數據模型的基本規(guī)范，提供了通信互操作的通用語義。信息層主要包括業(yè)務環(huán)境和語義理解功能。規(guī)范幫助語義理解與業(yè)務內容表達。

通信層重點規(guī)定了信息交換的協(xié)議和機制?；谟美⒐δ芊?、信息對象或數據模型。通信層主要包括語法的互操作性功能。提供網絡交互，主要交互流程應包括。

物理層重點規(guī)定了需求響應系統(tǒng)的物理分布，包括系統(tǒng)參與者、智能應用程序、用戶設備、電力設施、網絡基礎設施（有線/無線通信連接，路由器，交換機，服務器）和計算機。物理層主要包括網絡的互操作性功能，提供基本連接。

4. 需求響應負荷來源分析及響應流程

4.1 需求響應負荷來源分析

工業(yè)園區(qū)需求響應試點初步的削減負荷來源初步分析如下：

需求響應策略 負荷總量

（MW） 削減

比例 削減負荷

（MW） 響應類型 實施辦法

A 中央空調/

照明系統(tǒng) 6 8% 0.48 自動 提前一天

或當天

B 試驗室負荷

管理與優(yōu)化 20 20% 4 半自動 提前30分

鐘或即時

C 企業(yè)生產經

濟負荷調度 10 15% 1.5 半自動 提前30分鐘或即時

D 分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 32 5% 2.2 自動 提前30分

鐘或即時

E 變壓器群負

荷管理優(yōu)化 10 15% 1.5 半自動 提前一天或當天

總計： 9.68

4.2 響應流程

（1）準備：發(fā)動企業(yè)自愿參與，并于政府管理部門簽訂自動需求響應協(xié)議。

（2）發(fā)布：供電局根據負荷預測提前一天（或者當天上午）在需求側管理平臺發(fā)布需響應的負荷量，并通過需求側管理平臺發(fā)布至需求響應集成服務商平臺或參與企業(yè)。

（3）負荷自動分配：需求側管理平臺根據模型自動分配響應負荷至需求響應集成服務商平臺或參與企業(yè)，并通知參與企業(yè)。（在高級應用階段，參與企業(yè)可以對響應負荷進行競價和交易）。

（4）實施與監(jiān)控：參與企業(yè)根據預先制定的需求響應策略對電力需求做成響應，通過需求側管理平臺客戶終端或負荷集成商提供的用戶終端監(jiān)測需求響應事件過程，并及時對削減負荷做出調整。

（5）效果評估：需求響應平臺根據負荷集成商或參與企業(yè)的實際負荷與先前計算的基準負荷計算企業(yè)的響應負荷，并實施獎勵。對于以負荷集成商為主體實施的需求響應試點結果，政府的獎勵資金將與負荷集成商結算，參與企業(yè)的收益由負荷集成商根據雙方協(xié)議結算。

5. 結語

需求響應是智能電網技術的關鍵應用，是智能用電中最能體現靈活互動特征的核心業(yè)務之一，對提高供需動態(tài)優(yōu)化程度、提升電力資源優(yōu)化配置水平，以及構建供用電和諧關系等方面具有重要作用。自動需求響應作為需求響應的發(fā)展趨勢，主要特征是信息交互標準化、決策智能化和執(zhí)行自動化[5]。本文為開發(fā)自動需求響應管理平臺提供了理論研究，提出針對不同參與方（政府，電力公司，用戶），且具備商業(yè)運行的各種激勵方式，并開展試點應用，建立國內首個電力自動需求響應工業(yè)園區(qū)，成為我國電力需求響應的重要試驗田。

參考文獻：

[1] 張欽，王錫凡，王建學，等.電力市場下需求響應研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32：97-106.

[2] 張晶，皮學軍，張翠霞.電力需求響應技術標準研究初探[C]2012中國國際供電會議，2012年9月5日，上海.

[3] 曾鳴，王冬容，陳貞. 需求響應的實施障礙[J].電力需求側管理，2010，12（1）：8-11.

[4] 國網能源研究院. 2010 年中國電力供需分析報告[M]. 北京中國電力出版社，2010.

[5] 張欽，王錫凡，王建學等. 電力市場下需求響應研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2008，（3）：97-106.

作者簡介：

汪振，1983-03，男，漢族，工程師，南方電網綜合能源有限公司，碩士，研究方向：電力需求側管理。