促進主動配電網運行的需求側響應保障機制

曾鳴，韓旭，李博(華北電力大學經濟與管理學院，北京市102206)

促進主動配電網運行的需求側響應保障機制

曾鳴，韓旭，李博
(華北電力大學經濟與管理學院，北京市102206)

在配電網逐漸從傳統形式邁向主動配電網的環境下，要保證主動配電網的穩定運行，需要運用需求側管理手段來協調當地能源管理。為了促進主動配電網運行，深入研究了需求側響應保障機制，首先，基于主動配電網運行特征，提出加強需求側響應實施的技術保障;進而從電力用戶、電網企業以及政府部門3個角度設置需求側響應實施的協調機制，從全社會層面配合主動配電網推進;最后，根據主動配電網運行的實際情況，設計需求側響應實施規劃，以確保需求側響應的有效開展，促進主動配電網安全、經濟、可靠運行。

主動配電網;需求側響應;保障機制;規劃

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，智能配電網需要滿足安全可靠、優質高效、靈活互動等三大目標，其核心內容之一是使配電網具有更高的供電可靠性和自愈(重構)功能，從而最大限度地減少供電故障對用戶的影響。然而，隨著分布式能源的接入，電動汽車和充(換)電站在未來能源領域中扮演的角色越來越重要，對配電網的要求越來越高，使現有的配電網壓力越來越大。配電網的發展正在從傳統形式向“主動配電網”邁進。主動配電網是智能電網中的一個前沿分支，即內部具有分布式電源并高度滲透，功率雙向流動，具有主動控制和運行能力的配電網絡。主動配電網需要通過需求側管理手段的高效配合，最終實現分布式發電、可再生能源與大規模集中發電的有效整合。需求側響應是對需求側管理的拓展，主要指通過技術、經濟、行政、法律等手段鼓勵和引導用戶主動改變用電方式，進行科學合理用電，以促進電力資源優化配置，保證安全、可靠、經濟運行的電力系統參與主體的協作行為。

目前將主動配電網與需求側響應保障機制統籌考慮的文獻較少，大多數研究只是側重于其中的一方面。在主動配電網方面，文獻［1］介紹了從被動配電網向主動配電網的發展歷程，文獻［2］對主動配電網的優化問題進行了深入探討，文獻［3］從國際的角度講述了主動配電網技術及其進展，文獻［4］基于智能單粒子算法對主動配電網的優化調度策略進行了研究。在需求側響應及其保障機制方面，文獻［5］認為，需求側響應機制的基本目標是將反映潛在生產成本的批發市場價格信號傳遞給終端消費者，讓一部分消費者掌握這種價格信號，實現資源更為有效的配置。21世紀初，世界形成了一股強大的電力市場改革浪潮，文獻［7］介紹了各國開展需求側響應的相關實踐情況。美國是世界上最早實施需求側響應項目的國家，其提出的需求側響應概念中有2個重要的依托，即智能電網的建設和美國國內相對完善的電力市場［8-10］。2013年，美國全國的需求側響應資源滿足了7．2%(72 000 MW)的高峰負荷需求，較2010年提高了22%。需求側響應在美國取得了很好的效果［11］。我國目前對于需求側響應的保障機制并不完善，只是在電力監測技術上取得了一定的進展［12］。

隨著主動配電網的運行，傳統的源、網規劃以及電網運行調度模式使得電網建設運行成本增大，需求側響應的實施可以在保證電網安全、穩定、經濟運行的同時，促進配電網由被動向主動轉型，實現分布式電源的大規模接入以及供需雙側資源的優化配置。因此，從多角度設計需求側響應的保障機制，促進主動配電網的運行，具有十分重要的意義。

1 加強需求側響應實施技術保障

主動配電網的特征之一是實現功率流雙向互動和供需側資源的有效整合，而良好的需求側響應實施技術支持是實現主動配電網安全、高效、穩定運行的重要基礎。需求側響應措施的有效實施需要相關的技術作支撐。需求側響應市場容量的增長將主要取決于其基礎設施的成本、功能和自動化程度。為了促進主動配電網的雙向互動運行，需求側響應需要獲得進一步的技術支持，包括:具有雙向通信功能的分段式電能表;多層次的顧客友好型通信途徑;能提供近乎實時可得的分段負荷數據，分析相對于基準情景的負荷削減績效，以及為工廠運行人員提供能源診斷從而提供可能的負荷削減目標等能源信息工具;滿足在高電價或電力系統緊急情形下的最優需求削減策略;在終端消費層面能方便實施最優化自動負荷削減功能的植入式能源管理控制系統;滿足緊急負荷備用或用作主電源供應的現場發電設備。

主動配電網中分布式電源及大規模可再生能源并網以后，造成的波動往往需要電網調度部門在短時間內利用供應側和需求側資源對系統運行狀態進行調整。對于需求側響應資源來說，需要構建需求側響應技術支持系統，實時監控供用電情況、整合供需雙方數據信息、建立雙向信息流、實現客戶數據智能分析決策，使得需求側資源能夠在短時間內對系統波動做出反應［13］。有關基礎設施具體要求如表1所示。

表1 需求側響應技術支持系統的基礎設施Table 1 Infrastructure requirements of demand response technology support system

需求側響應技術支持系統需要一個具有信息共享、功能相連的整體結構。通過制定需求側響應通信協議，使各相互聯系的系統之間按照特定的傳輸協議保持數據通信及信息共享，實現數據雙向交換功能，為需求側響應整體的實施和開展提供一個公用的、開放式的、標準化的技術接口。同時，在功能上，需求側響應技術支持系統能夠對需求側響應信號作出自動響應，安全、可靠、連續地實現信息雙向流通;將需求側響應事件信息自動轉化為互聯網信號，在控制設備、照明設備中實現互操作性［16］;當接收外部信號時，預先設置好的需求側響應策略實現自動化啟動;通過已構建的數據模型和體系結構傳達價格、負荷特性、系統運行狀態等其他需求側響應活動信號。

綜上所述，為了滿足主動配電網的有效推進和順利運行，要進一步推動我國需求側響應項目的實施和推廣，加強需求側響應實施技術保障。基于主動配電網的特征，需求側響應技術支持系統應包含實時監控、實時發布、雙向信息交流以及緊急處理等功能。依托以上設施功能，電網調度部門能夠實現電力用戶與電網企業的互動與操作，對需求側響應資源實時控制，及時協調配合供應側資源，更好地應對由于主動配電網中可再生能源并網造成的系統短時間波動，或者緊急情況的出現，保證主動配電網安全、經濟、穩定運行。

2 運行需求側響應實施協調機制

主動配電網的全面推進運行是一項龐大而復雜的系統工程，需要參與需求側響應的相關主體的支持與協調。本節結合主動配電網運行的實際情況，對參與需求側響應工作的電力用戶、電網企業以及政府部門等各主體在制定協調機制時的職能進行明確界定，闡述各主體之間的相互聯系和相互促進作用。

2.1 電力用戶

在主動配電網運行過程中，電力用戶的信息掌握度相對較少，但是，電力用戶身份特殊，是電能的直接消費者，也是主動配電網運行的最后環節和依托的實施對象。因此，當實施需求側響應機制時，只有在電力用戶中達到較高的參與度，才能改善整體的用電方式，實現主動配電網反饋信息的逐級滲透，使接入分布式發電的主動配電網安全高效運行。因此，電力用戶是電力需求側響應取得實效，直接促進主動配電網穩定運行的社會基礎，是電力需求側響應最重要的參與者。其在需求側響應實施中的地位如圖1所示。

圖1 電力用戶在需求側響應實施過程中的職能Fig.1 Functions of electricity users in the process of implementation of demand response

電力用戶一般分為3類:工業用戶、商業用戶和居民。近3年來，我國電力用戶的用電負荷總量整體呈現增長態勢，用電結構比較穩定(如表2所示)，即工業用戶用電比例最大，約占75%;其次是商業用戶，約占13%;最后是居民用戶，約占12%。由于3類用戶的用電量占全社會用電量的比重不同，因此在參與需求側響應實施的地位也有所差異。

表2 近3年全社會用電負荷情況Table 2 Whole society electricity load in nearly three years

2.1.1 工業用戶

工業用戶主要包括鋼鐵、有色金屬、煤炭、電力、石油石化、化工、建材、紡織、造紙等耗能較高的行業［15］。工業用戶一般使用三相電壓，在高峰期用電量較高。我國幅員遼闊，各省的資源儲量不同，工業結構也存在較大差異。工業用戶是電力負荷集中度高，使用比例較大的消費者，能夠對需求側響應的實施信號做出較快響應，是十分重要的實施關注對象。2.1.2商業用戶

商業用戶包括一般商業部門(如商場、寫字樓、賓館酒店等)以及學校、醫院、車站、市政機關等公共事業單位等。商業用戶的用電設備主要包括照明、空調、通風換氣系統、電梯、給排水動力設備，以照明和空調為主的用電設備用電量較大。商業用戶的用電占全社會的13%，雖然不是很大，但是其用電負荷多是在用電高峰時段，是電力系統高峰負荷的重要構成，因此，商業用戶是需求側響應不可忽視的實施對象。

2.1.3 居民

居民主要包括城市和鄉村居民用戶，其特點是電力負荷消費覆蓋面積最廣、涉及人數多、較分散。居民用戶負荷主要包括照明、空調、洗衣機、電暖氣、電視機等家用電器設備，居民生活用電的高峰和電力系統高峰段重疊度最高，對電力系統的高峰負荷也有重要影響，因此將需求側響應實施覆蓋范圍擴展到居民也是必不可少的手段。

2.2 電網企業

在主動配電網高度滲透分布式電源，實現主動控制的要求下，電網企業具有其他相關主體不具備的獨特優勢，是主動配電網運行過程中連接電力系統各主要參與方的紐帶，也是主動配電網的運作主體以及需求側響應的重要實施主體。

依據主動配電網建設及運行情況，電網企業實施需求側響應的主要工作內容應包括:為政府制定電力需求側響應政策、法規提供建議;建立有利于推動主動配電網推進的電力需求側響應機制;進行電力需求側資源潛力分析及市場預測;制定電力需求側響應工作計劃;配合政府制定促進電力需求側響應的電價措施等［15］。電網企業在需求側響應實施中的職能見圖2。

圖2 電網企業在需求側響應實施過程中的職能Fig.2 Functions of grid enterprises in the process of implementation of demand response

2.3 政府部門

政府部門是需求側響應實施的主導者和推動者，是電力用戶和電網企業最有力的引導源。政府部門分為國家和地方2個層次，不同層次擁有不同的推動作用和職能。

國家級政府部門應該在中央層面主導全國的需求側響應工作，充分發揮中央行政管理優勢，根據各地主動配電網的實際運行情況，從全局入手，建立健全配合主動配電網運行的需求側響應運作機制。

地方政府應根據主動配電網分布式電源接入的實際情況，通過當地政府下設的電力主管部門主導當地需求側響應工作的開展，以國家頒布的相關法規為依據，組織制定當地的電力需求側響應規章、標準和規劃，出臺相應政策，研究提出開展電力需求側響應工作的內容和目標;建立健全當地電力需求側響應效率評價制度，推動和促進當地需求側響應工作的健康發展［15］。政府部門在參與需求側響應實施過程中的職能可以用圖3來表示。

圖3 政府部門在需求側響應實施中的職能Fig.3 Functions of government departments in the process of implementation of demand response

總之，為了促進主動配電網有效推進，在參與需求側響應的主體中，電力用戶是需求側響應實施的最直接參與者，電網企業是需求側響應的實體參與者，政府部門是主導者和推動者。只有需求側響應參于主體相互協調才能發揮需求側資源的潛力，實現配電網主動控制的功能，切實有效地促進主動配電網高效穩定運行。

3 設計需求側響應實施規劃

主動配電網可以支持分布式電源的大量接入與即插即用，實現與用戶之間的能量互動、用電信息互動，這就需要需求側資源的有效配合與協調。在不同的環境影響下。需求側響應的實施方案種類繁多，不僅要求注重節能，更要達到負荷整型、提高系統可靠性和節約電費等多種目標，因此針對主動配電網的實際運行情況，需要設計切實可行的需求側響應實施規劃。圖4給出了需求側響應實施規劃方法示意圖。由圖4可知，需求側響應實施規劃主要分為潛力評估、篩選與規劃3個階段。

圖4 需求側響應實施規劃方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of demand response planning methods

3.1 潛力評估階段

包含主動配電網的電力系統是一個結構復雜的非線性大系統，系統中不同種類、不同位置的需求側響應產生的等量負荷改變對系統的貢獻(如維持系統可靠性、電能質量水平等)一般并不相同，因此，在設計需求側響應規劃之初，需要對整個規劃區域內的需求側響應潛力進行評估。首先，根據規劃區內主動配電網的運行現狀，進行實地調研，收集數據，匯總行業用電及關鍵設備數據;其次，開展需求側響應作用機理分析，從區域內不同種類用戶的響應模式與系統中不同節點用戶響應對系統負荷特性、穩定可靠性等造成的影響兩方面入手，結合實際情況進行研究。最后，基于需求側響應作用機理，構建潛力評估模型，依據之前匯總的設備參數與全局數據，對規劃區域內當前的用電水平進行評估，配合主動配電網的運行，分析需求側響應的實施潛力。此階段工作可以明確需求側響應的目標，并為其后續的需求側響應實施成本效益分析服務，為規劃區域內電網需求側響應的合理規劃和實施提供必要的依據［16］。

3.2 篩選階段

考慮到主動配電網的實際運行環境，經濟性是需求側響應實施的重要影響因素之一。因此，需要在規劃區內需求側響應總體潛力評估的基礎上，對所提出的需求側響應實施方案進行成本、直接效益分析和外部效益分析。首先，在成本及直接效益方面進行分析，分別從用戶、電網公司和社會3個方面展開研究，針對每種需求側響應技術與措施，提出相應的指標如年節電量、投資成本及回收期、壽期益本比等，進行定量分析計算;其次，在外部效益方面進行分析，基于需求側響應外部效益的相關要素，針對公共效益、外衍效益和自然資源效益建立評估指標體系及模型，并進行實證［16］。最后，結合主動配電網運行環境中的經濟需求，測算各個需求側響應規劃方案的經濟性。本階段工作根據需求側響應的經濟效益分析，選出符合規劃區域內主動配電網發展，環境的規劃方案。

3.3 規劃階段

規劃階段是設計需求側響應實施規劃的最后一個階段，即根據篩選階段所選出的能夠配合主動配電網發展，且具有良好經濟性的需求側響應行業和技術措施，綜合考慮需求側響應的規劃目標和投資規模，確定各需求側響應方案的實施規模和階段實施進度并計算出相應效益數據［16］。

4 結語

2013年7月，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，確定“加強城市配電網建設，推進電網智能化”作為城市基礎建設的重點任務;國家電網公司要求，到“十二五”末，城市配電網綜合電壓合格率要達到99．30%，農網綜合供電電壓合格率高于97．80%，種種建設目標表明，推動主動配電網在我國的發展已勢在必行。需求側響應的有效配合是實現高品質、高效率、高互動、高集成的主動配電網的基礎，只有在技術、協調機制以及實施規劃3個方面設置完善的保障措施，才能確保需求側響應在主動配電網運行環境下有序開展，也是建設低碳、綠色、新型電力系統的重要途徑。

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(編輯:張小飛)

Study of Demand Response Safeguard Mechanism for Active Distribution Networks

ZENG Ming，HAN Xu，LI Bo
(College of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

In the environment that distribution network gradually fade from the traditional forms，to ensure stable operation of active distribution network，the use of demand-side management tools is required to coordinate local energy management．Based on promotion active distribution network operation，this paper studied on the demand response safeguard mechanism in-depth．First，based on the operating characteristics of active distribution network，technical support to strengthen implementation for demand response is proposed;And then from the angles of government departments，power companies and users，demand response coordination mechanism is set，to promote active distribution network from the level of the whole society;finally，according to the actual situation of the active distribution network operation，implement demand response planning is designed to ensure the effective implementation of demand response，promoting safe，reliable and economic operation of active distribution network．

active distribution network;demand response;safeguard mechanism;planning

TM 76

A

1000-7229(2015)01-0110-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.017

2014-12-08

2014-12-15

曾鳴(1957)，男，教授，博士生導師，研究方向為電網規劃，電力市場理論與實務，需求側管理;

韓旭(1990)，女，碩士，研究方向為電網規劃，需求側管理;

李博(1990)，女，碩士，研究方向為電網規劃，需求側管理。