基于需求響應效果評估的商業用戶響應容量分配方法

史 媛，張俊芳，張俊娜

(1.南京理工大學 自動化學院，南京 210094；2.國家電網昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

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基于需求響應效果評估的商業用戶響應容量分配方法

史 媛1，張俊芳1，張俊娜2

(1.南京理工大學 自動化學院，南京 210094；2.國家電網昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

隨著商業建筑規模及功能的擴大，建筑負荷呈現進一步增長的趨勢，與此同時商業建筑的設備智能化發展也為其參與負荷調控提供了技術支持，因此研究商業用戶的需求響應成為一大熱點，如何制定商業用戶參與響應的策略成為現階段用電側亟需解決的重要問題。針對商業用戶參與定額容量削減的需求響應參與模式，提出了基于需求響應效果評估的商業用戶響應容量方法，通過構建包括需求響應執行情況指標和負荷削減效果指標兩方面的需求響應效果評估體系，采用模糊綜合評估方法進行用戶需求響應效果評估，并以響應效果評分結果為分配原則，制定響應容量分配方案，最后算例分析驗證了該方法的可行性。

需求響應；商業用戶；響應容量分配；效果評估；模糊綜合評估

隨著商業建筑的內涵日漸擴大，商業建筑物由功用型向商業型轉化，商業設施也朝著功能綜合化、規模大型化的復合化方向發展。近年來商業建筑電耗量也呈明顯上升之勢。據調查大型公共建筑單位面積耗電量達70～300 kW·h/ 年，是普通公共建筑的 4～6倍[1]，是居住建筑的10～20倍[2]。盡管商業建筑的多功能化發展造成了建筑負荷的不斷增長，但同時，其設備智能化的發展也為商業建筑參與負荷調控提供了技術支持[3]。基于此，針對商業用戶開展負荷管理的研究成為一大熱點。

相關文獻圍繞商業建筑的節能問題展開了理論及實踐的研究，主要分為用能系統優化和空調負荷調控兩大方面。用能系統旨在通過對內部用電設備的節能改造達到降低負荷的目標。文獻[4]指出大型商業建筑低成本節能改造應該優先考慮主機房模糊變頻控制技術、更換節能照明器具、優化照明系統管理、扶梯節能控制技術等措施，但是此類方法設備成本較高，對既有建筑進行設備改造難度較大?？照{負荷調控作為需求響應項目的一種，是通過在固定響應時間內，制定多種空調負荷調控策略，由負荷控制系統進行負荷調控來降低建筑能耗的方法[5]。文獻[5]的實證研究表明，在高峰的短時間內(2 h)普遍可以取得削峰 5%～10%的效果，部分甚至可以達到 10%～15%，削峰效果顯著且基本不影響用戶舒適度[5]。但隨著商業建筑能耗的多樣化發展，僅僅以空調負荷作為調控對象的參與方式忽略了其他類型負荷的削減潛力。

針對以上問題，本文提出了將高峰容量缺口進行容量分配的商業建筑參與需求響應的響應模式，以分配響應容量的方式提高現有建筑的需求響應參與度。文獻[6]指出當前以分輪限電為主的負荷控制方案，一般只根據用戶的歷史用電情況劃分負荷缺口，缺乏缺口劃分依據，因此文獻考慮高耗能企業的用電能效，建立了以基于用電能效的負荷優化模型。但基于用電能效的優化方法僅從負荷優化潛力方面考慮了商業用戶的負荷削減，沒有反應用戶的需求響應削減能力。

因此，本文以商業建筑作為研究對象，充分考慮商業建筑自主調節各類負荷的自平衡能力，提出了商業建筑參與定額容量削減的需求響應參與模式，進行高峰容量缺口分配，提出了基于需求響應效果評估的容量分配方法。該方法從用戶削減容量完成情況和實施響應前后的負荷變化情況兩大方面對用戶上次實行容量削減的執行效果進行評估，根據評估結果確定該次需求響應的缺口容量分配算法，從而制定商業建筑參與需求響應的負荷削減方案。

1 商業建筑需求響應參與模式

1.1 商業用戶能耗特點分析

商業建筑主要包括在商場、辦公樓及酒店等幾大類型，不同類型的建筑因其功能、運作方式的不同，用電負荷的特性也存在差異。不同類型的商業建筑典型日負荷曲線如圖1所示。

圖1 不同類型商業建筑典型日負荷曲線

(1)商場、辦公樓的負荷僅在白天開啟，特點主要表現為：負荷曲線峰谷差很大，負荷率較低，其負荷高峰段和電網總體負荷的高峰重疊，與溫度變化關系密切。商場負荷主要為空調負荷及照明負荷，而辦公樓還包含較大比例的動力負荷和熱水供給負荷。

(2)酒店的負荷屬于全天負荷，負荷特點主要表現為：日負荷曲線較為平緩，波動不大，負荷率較高。

因為行業特性，商業負荷的總體負荷特性表現出極強的時段性和集中性，商業負荷已經成為電網峰負荷的主要組成部分。同時，商業系統的構成及運營方式較為統一，負荷曲線也沒有很大的差別[7]。

1.2 商業用戶參與響應容量分配的響應模式

商業用戶屬于用電能耗大戶，建筑內部負荷用電具有多樣化的特點，為了充分發掘不同用電設備的需求響應削減潛力，并調動商業用戶自主調節其用電需求的能力，本文針對商業建筑參與需求響應定額容量削減的實施模式展開了演技。圖2表明了商業用戶參與需求響應的具體響應過程。該模式保證了高峰時刻需求響應的削減容量，而且考慮商業建筑自主調節各類負荷的自平衡能力，比單純的依靠空調負荷調控更具靈活性。

圖2 商業用戶參與響應容量分配的響應模式

2 基于響應效果評估的響應容量分配算法

2.1 考慮負荷變化的響應效果評估體系

商業建筑需求響應實施效果評估的綜合指標體系分為：一是建筑在響應時段內計劃響應容量完成情況評估指標；二是實施響應后的負荷削減效果評估指標。具體指標如下：

(1)響應容量執行情況指標

響應容量執行情況指標從容量、時間2個維度進行響應執行效果評估，主要包括響應容量完成率和響應時間完成率。

1)響應容量完成率x1

表征某建筑某次響應中響應時段內實際削減容量占響應容量配額的比例。

(1)

2)響應時間完成率

表征某建筑某次響應中響應時段內實際開始削減負荷的總持續時間占響應時段的比例。

(2)

(2)負荷削減效果指標

負荷削減效果指標從建筑削減負荷能力和削減后負荷變化程度2個方面進行負荷削減效果評估。

1)負荷最大削減量x3：

以5 min為一個時間間隔，將總響應時段劃分為N=24個時段，采集第n(n=0,1,…N)時段的負荷功率，計算負荷最大削減量。

負荷最大削減量指標表征在整個響應時段中，該建筑的最大響應能力。

(3)

2)負荷最小削減量x4：

負荷最大削減量指標表征在整個響應時段中，該建筑的最小響應能力。

(4)

3)響應前后峰負荷變化率x5：

響應前后峰負荷變化率指標表征在整個響應時段中，該建筑的最大負荷變化率(這里的峰負荷是針對響應時段內的最大負荷而言)。

(5)

4)響應前后谷負荷變化率x6：

響應前后谷負荷變化率指標表征在整個響應時段中，該建筑的最小負荷變化率(這里的谷負荷是針對響應時段內的最小負荷而言)。

(6)

5)響應前后負荷峰谷差變化率x7：

響應前后峰谷差變化率指標表征在整個響應時段中，該建筑的峰谷差與未實行響應時的變化率(這里的峰谷差是針對響應時段內的最大負荷最小負荷之差而言)。

(7)

6)響應前后負荷率變化率x8：

電網負荷率與系統有功負荷高峰低谷有關。電網負荷率高表明該地區負荷峰谷差較小，負荷比較平均，電網負荷率低說明該地區峰谷差異較大，需要削峰填谷，使各時段負荷變化減小。(這里的負荷率是針對響應時段內的負荷情況而言)

按照電網負荷率定義，負荷率=平均負荷/最大負荷：

(8)

2.2 基于需求響應模糊綜合評估結果響應容量分配算法

(1)模糊綜合評估的響應效果評估方法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評標方法，是根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價[8]，具有結果清晰，系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[8]。本文采用模糊綜合評價法來評估需求響應實施效果，以8項評估指標作為因素集，建立好、較好、一般、較差、差5個評語集，并利用加權平均算子進行綜合評估結果計算。

(2)基于評估結果的響應容量分配算法

對模糊綜合評價得到的評價結果進行排序，篩選其中評分低于2.5的建筑，考慮到其響應能力偏低，不參與該次需求響應容量削減，并針對該不合格建筑進行違約處罰，同時對響應效果評估前三的建筑進行額外補償(處罰及額外補償金額計算涉及成本計算，不在本文研究內容內)。

對確定參與此次需求響應的的建筑進行重新編號，按照需求響應執行力效果評分最高，則削減容量越小的原則進行響應容量分配，實際分配中采用該原則可促使各個建筑為獲得較小的削減容量配額，從而提高其每次的需求響應削減容量完成情況。具體計算時采用評估結果每提高一分，則削減容量減小10%的算法，各建筑該次響應容量配額Qj為：

Qj=Q基準×[1-10%Vj]

(9)

(10)

式中Vj——該次響應中第j建筑的響應效果評估結果；Q基準——該次單位建筑的需求響應基準響應容量；Q——該次需求響應總響應容量。

根據式(9)，式(10)計算基準容量Q基準，并將基準容量代入式(9)得到參與建筑的此次響應削減容量Qj，即最終削減容量分配方案，具體流程見圖3。

圖3 基于需求響應模糊綜合評價結果的商業建筑響應容量分配算法流程圖

3 算例分析

3.1 數據假設

假定參與此次需求響應的建筑數量I=10，并給其按1～10編號；區域削減容量Q=50 kWh；確定此次需求響應時段t1至t2：10:00～12:00，t2-t1=2 h。

收集參與此次響應的商業建筑的上次響應時段負荷數據，以及其相同時段不實施響應的負荷數據。負荷數據采集間隔為5 min，即一個時段1Δt=5 min，響應起始時刻t1、響應結束時刻t2，響應時間為2 h，即響應時段t2-t1=24Δt。數據采集對象為該次需求響應執行時段內的各個參與響應建筑的負荷數據以及相同時段未實行需求響應的各建筑負荷數據。(這里需求響應的實施前后負荷對比充分考慮了商業建筑用電的負荷慣性，即在相同工作日的相同時段，且外界環境相似的情況下，商業建筑負荷特性相似)。以建筑1為例，其實施前后的負荷曲線如圖4所示。

圖4 建筑1參與需求響應前后的負荷曲線

采集的數據如表1所示。

表1 建筑1參與需求響應的相關負荷參數

3.2 需求響應實施效果評估

(1)指標計算

根據步驟(2)所建立的指標評估體系，計算各項指標值。以建筑1為例，各項指標值見表2。

表2 建筑1需求響應評估的指標值

(2)評價等級量化

實施效果分為5個評分等級：vl(l=1，2，…，5)=[好，較好，一般，較差，差]。將各個等級量化并確定各等級分值為5、4、3、2、1。

(3)單因素評價

即確定從單因素來看被評事物對等級模糊子集的隸屬度(R|xi)進而得到模糊關系矩陣：

其中L=5為評判等級數，M=8為總指標數。

rmi表示對指標xm的評價中，被評為屬于評判等級vl(l=1，2，…，5)所占的比例：

rmi=fmi/∑fm

(11)

式中fml——第m個因素被評為第l個評判等級vl的總次數；fm——第m個因素被評價的總次數，確定該指標xm是否屬于該評價等級vl可根據該項指標值確定。

根據表2的各項指標值，建立響應效果評估中各個指標的模糊評價矩陣，如表3所示。

(4)指標權重確定

通過經驗和專家打分結果確定各項評估指標的權重，x1～x8對應權重分別為：0.3、0.2、0.1、0.1、0.05、0.05、0.05、0.15，即權重系數矩陣：

W=[wl，…wm，…，w8]=[0.3,0.2,0.1,0.1,0.05,0.05,0.05,0.15]。單項指標評估結果如表3所示。

表3 評判因素集權重分配及單因素評判矩陣

(5)綜合評價

利用加權平均M(·，⊕)模糊合成算子將權重Wm與單項隸屬度矩陣Ri合成得到模糊綜合評價結果向量，最后根據各等級對應分值求出需求響應實施效果評分：

同理計算其他建筑的需求響應實施效果評價結果，如表4所示。

表4 建筑1～10的需求響應實施效果評分

3.3 需求響應容量分配方案

根據建筑需求響應實施效果的評估結果，通過分配原則的算法，計算最終各個建筑該次需求響應的削減容量，得到響應容量分配方案。

對10個評價結果進行排序，篩選其中評分低于2.5的建筑，考慮到其響應能力偏低，不參與該次需求響應容量削減。根據計算結果，該次響應中，建筑3、7、10響應程度太低，屬于失信用戶不參與該次響應并應支付響應違約金額。同時對響應效果評估前三的建筑1、4、9進行額外補償。

對確定參與此次需求響應的的建筑進行重新編號1～7，根據評估結果確定各建筑該次響應容量配額Qj為：

Q1=Q基準×[1-10%×0.355 1]=0.644 9Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.305 4]=0.694 6Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.367]=0.366Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.322 3]=0.677 7Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.287 4]=0.712 6Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.298]=0.702Q基準；

Q1=Q基準×[1-10%×0.345 5]=0.654 5Q基準；

根據∑Qj=Q計算基準容量，Q基準=10.6 kW并將基準容量代入得到參與建筑的此次響應削減容量Qj，即最終削減容量分配方案，如表5所示。

表5 該次需求響應中的建筑1～7的響應容量分配方案

比起采用平均負荷分配以及根據歷史用電量進行響應容量分配的方法，基于需求響應效果評分的響應容量分配方案，充分考慮了商業用戶的需求響應執行能力和執行潛力，在分配算法中，剔除響應力偏低的商業建筑，提高了容量削減的可靠程度；同時需求響應執行效果評分最高，則削減容量越小的分配原則，可以反向提高商業建筑的需求響應執行力，以此獲得更小的削減容量，從而使其需求響應實施效果進一步提高。

4 結語

針對商業建筑負荷日益增長，智能化程度高因而可調控潛力大的特點，本文在商業建筑參與需求響應削減定額分配的模式下，提出了基于需求響應實施效果評估的響應容量分配方法。構建包括需求響應執行情況指標和負荷削減效果指標兩方面的需求響應效果評估體系，采用模糊綜合評估方法進行用戶需求響應效果評估，并以響應效果評分結果為分配原則，制定響應容量分配方案。以用戶需求響應評分結果為分配原則充分體現了商業用戶的需求響應執行能力以及其執行潛力，同時也起到了反向激勵用戶提高需求響應實施效果的作用。

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(本文編輯：嚴 加)

Response Capacity Allocation Method for Commercial Users Based on Demand Response Effect Evaluation

SHI Yuan1, ZHANG Jun-fang1, ZHANG Jun-na2

(1. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. State Grid Changji Power Supply Company, Changji 831100, China)

With the expansion of size and function of the commercial buildings, building load has showed further growing trend. At the same time the development of intelligent device of commercial building provides technical support for its participation in load regulation. Therefore, the study of commercial users participating in demand response becomes a hot topic, and how to establish a participation response strategy for commercial users becomes an important problem on the electricity side. This paper aims at the demand response mode of commercial users participating in cutting fixed capacity, constructs the demand response effect evaluation system including demand response execution index and load reduction effect index, and uses fuzzy comprehensive evaluation method to observe the result of response effect evaluation. Based on the distribution principle of response effect evaluation score, this research formulates the capacity allocation scheme of commercial users. Finally the example analysis verifies the feasibility of this proposed method.

demand response; commercial users; response capacity allocation; effect evaluation; fuzzy comprehensive evaluation

10.11973/dlyny201506015

史 媛(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為需求側管理及配電網運行優化。

TM715

A

2095-1256(2015)06-0807-06

2015-10-15

研究與探索