開放式自動需求響應規范研究

王澎，張逸超，代桃桃，王連成

（1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002；2.山東大學電氣工程學院，濟南250061；3.山東海興電力科技有限公司，濟南250101）

開放式自動需求響應規范研究

王澎1，張逸超2，代桃桃3，王連成3

（1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002；2.山東大學電氣工程學院，濟南250061；3.山東海興電力科技有限公司，濟南250101）

近年來，我國大力推進可再生能源的發展，由于可再生能源出力具有間歇性和不確定性的特點，如何促進可再生能源消納是目前面臨的一大難題。需求響應技術的應用能夠有效地促進清潔能源的消納，然而我國目前還沒有與之相關的正式標準出臺。開放式自動需求響應（Open Automated Demand Response，OpenADR）規范作為美國智能電網國家標準的基本組成部分、DR領域最新的研究成果之一，提高了需求響應的可靠性、穩定性和高效性。介紹了OpenADR的發展歷程、通信規范、涉及服務以及安全機制，證明了OpenADR標準的優越性。對于我國DR標準的制定具有借鑒意義。

開放式自動需求響應；需求響應；智能電網

0 引言

清潔和互動是智能電網的兩大主要特征。近年來，由于化石燃料的短缺和自然環境的惡化，世界各國都在大力發展清潔能源，我國也制定了一系列新能源政策推動可再生能源的發展。截至2015年，我國的風電、光伏裝機和發電容量位居世界第一位。然而，由于可再生能源出力具有間歇性、波動性和不確定性的特點，給電網的發電預測和調度帶來了一定困難，如何促進可再生能源的消納是目前面臨的一個問題［1］。

需求響應（DR）是智能電網框架下的重要互動資源，通過利用公共事業公司、獨立系統運營商（ISO）和第三方服務提供商，將當前用電信息傳遞到用戶側，用戶根據自身情況改變用電行為，用以緩解用電高峰電能不足，保證電力供需平衡的服務。需求響應技術在電力系統中已經使用多年，通常通過電話、郵件、短信等方式通知電力客戶，實現負荷的削峰填谷。近年來，由于大量間歇性可再生能源和分布式電源接入電網，使響應事件完全實現自動化，不需要人工干預的自動需求響應技術（ADR）受到大量關注。很多發達國家從能源戰略高度考慮，已將需求側資源置于與發電側資源同等甚至優先的地位［2］。

作為美國智能電網國家標準的基本組成部分，開放的自動需求響應通信規范（OpenADR）是自動需求響應領域的最新研究成果之一，旨在自動操作電力客戶的負荷，實現負荷的控制和轉移。OpenADR還可提供連續的動態價格信號，如以天數或小時為單位的實時電價，依據DR信號實現與設備的交互，使響應事件完全實現自動化。隨著DR業務的不斷發展，OpenADR標準也在不斷更新與完善。標準化是支持智能電網發展、規范智能電網建設的根本，需求響應相關項目的實施也要遵循相應的標準［3］。目前我國還沒有制定正式的需求響應標準，因此，OpenADR對于我國DR標準的制定具有借鑒意義。

1 OpenADR發展歷程

2000年，美國加州的電力系統出現了嚴重的電力短缺問題，旋轉備用中斷。問題的出現歸結于對負荷預測的估計不足。當時，只有大工業客戶的電力需求是可以被控制的，大多數的商業和住宅用戶的用電都不可控，無法通過調節來降低在用電高峰時的負荷。

2003年加州能源委員會在勞倫斯伯利克里實驗室建立了需求響應中心（DRRC），開展對相關領域的測試。經過不斷試點和試驗，2009年4月OpenADR1.0版本發布，2012年，OpenADR聯盟在OASIS能源互操作標準EI1.0規范的基礎上形成了作為美國國家標準之一的OpenADR2.0版本。OpenADR2.0版本相對于OpenADR1.0版本増加了針對零售和批發市場的DR價格以及事件信號的數據模型，相關產品只要滿足OpenADR2.0的相關協議，就能夠實現與需求響應服務器的通信，真正實現需求響應的自動化。OpenADR發展歷程如圖1所示。

圖1 OpenADR發展歷程

圖2 OpenADR運行機制

2 OpenADR通信規范

OpenADR是一種基于開放標準的通信數據模型，包括信息傳輸與安全機制，依靠現有的通信協議（HTTP、XMMP）使用XML方式實現電力服務提供商與終端用戶之間的信息交互，完成電力服務供應商與終端用戶間的信息加密、傳輸和解密過程。

2.1 OpenADR數據模型

OpenADR的節點可以分為VTN（Virtual Top Nodes）和VEN（Virtual End Nodes）兩種類型。

VTN是負責傳輸電網條件到控制需求側的實體，能夠和電網以及下級的VEN進行通信。VEN是能響應上級VTN消息并能控制電力能源需求的實體，能夠接收并傳遞電網信息。OpenADR2.0中不存在對等的通信，所有的通信活動都是在VTN和VEN之間進行的，VTN和VEN之間沒有直接的互動與聯系。

OpenADR2.0有簡易和復雜兩種運行模式。在簡易模式中，只有一個VTN對應一個或多個VEN。VTN是發布消息的服務器，如電力供應商；VEN是訂購此類信息的用戶端，如終端用戶。

在復雜模式中，會有多個VTN和多個VEN，一個實體可以兼具上一級的VEN和下一級的VTN兩種身份。VEN既可以是能源的生產者，也可以是能源消費者，如圖3中B所示，具體一個實體在系統中承擔何種身份是由其所處位置決定的。VTN和VEN對于時間、屬性、狀態等信息的雙向交換是相互獨立的，OpenADR聯盟沒有規定節點如何對信息做出響應，系統可以自行選擇合適的方式發送和接收信息。OpenADR中的節點可以被單獨的評估和測試，從而保證了OpenADR的通信框架規范和系統的互操作性。

圖3 VTN和VEN的信息交互

2.2 OpenADR通信架構

OpenADR的通信架構如圖4所示，DARS（Demand Response Automation Serve）是其架構的核心。電力公司或ISO發出電量的供需信息，通過電網側接口傳輸至DRAS，由DRAS內的通用信息模塊（CIM）建立DR激勵信息，轉換成DR事件傳輸至用戶側接口，終端用戶接收信息并進行識別、判斷，最終做出預設的自動響應或臨時放棄響應行為，實現需求響應的自動化。同樣，終端用戶也可以將電力需求信息反饋至DRAS，DRAS通過電網側接口將信息傳輸至電力公司，方便其進行電力調度。OpenADR的通信架構確定了系統的結構以及需要包括的實體，為DR信息的高效傳輸創造了條件。

圖4 OpenADR通信架構

2.3 OpenADR通信特征

持續、安全、可靠。提供持續、安全、可靠的雙向通信架構，位于終端的用戶能夠從能源服務提供商處接收并確認需求響應信號。

轉換。將需求響應事件信息轉換為持續的網絡信號促進需求響應的自動化。這些信號被設計于實現能源管理控制系統、照明系統或其他終端控制的互操作。

自動化。終端用戶通過接收外部信號，通過使用預先設定的需求響應策略實現自動化。

自愿退出。當需求響應事件的觸發時間不能夠被需求響應的參與者所接受時，可以對其提供自愿退出和重置功能。

完整的數據模型。描述一個完整的數據模型與結構用以傳遞價格、可靠性與其他DR激勵信號。

可擴展的體系結構。針對不同形式的DR項目、終端樓宇和動態電價，提供了可擴展的通信體系結構。

開放標準。基于開放標準的IP協議和網絡服務構成了通信模型的基礎［4-7］。

3 基于OASIS EI1.0標準擴展的OpenADR2.0服務

OpenADR聯盟在OASIS能源互操作標準EI1.0的基礎之上創建了OpenADR2.0的配置文件，擴展了OpenADR在DR領域的應用，滿足了DR用戶和市場的需求，涉及的服務包括［7］：注冊，對競標方、VTN、VEN等參與者信息進行注冊服務以識別身份；登記，為參與者之間建立相互關聯的服務以便進行信息交互；市場環境，從市場中獲取消息的服務，將不需要改變或者極少改變的信息保存下來，有利于減少冗余信息的交互；事件，與DR相關的信息模型，用于在交易中傳遞可靠性信息或緊急信息；實時電價，實時電價服務，用于發布實時電價信息；報告和反饋，設置不同周期遠程采集設備的當前的各種信息狀態，并對今后一段時間的工作狀態做出預測；可用性，可用性服務，由VEN選擇在哪些時間段接受和響應事件，在哪些時間段退出響應；選擇或重置，用于VEN臨時改變自身的可用性計劃，opt-in表示VEN可用，opt-out表示VEN臨時不可用。

4 OpenADR安全機制

OpenADR的安全機制體現在信息的傳輸環節和加密環節。在規定的安全機制下，VTN和VEN實現對DR信息的交互，從而保證了DR信息的安全可靠。

HTTP協議工作在TCP協議下，是一種可靠性較高、面向連接的傳輸協議。信息的傳輸環節，VTN和VEN必須支持最基本的HTTP傳輸機制，根據實際的運行情況和需要，對于XMPP等傳輸機制選擇性支持。對于頂層的VTN，需要支持所有的傳輸機制。

OpenADR2.0提供了標準等級和高等級兩個級別的安全定義。在標準等級的安全級別下，使用TLS在VTN與VEN之間建立安全通道進行通信。在高安全等級下，要另外使用XML簽名，簽署的OpenADR事件會存儲在數據庫中以備查驗。

OpenADR2.0的安全機制采用開放式的體系結構，并沒有采用特殊的專有的安全機制。加密環節主要使用RSA和ECC兩種公鑰加密算法。RSA算法使用更為廣泛，有更多的證書提供商從而更容易選擇一個最佳匹配；相較于RSA加密算法，ECC提供了更為高效的加密操作，如數字簽名。同樣的加密強度下，ECC密鑰的長度更短，因而更加高效。為了保證安全性和良好的互操作性，OpenADR2.0要求其產品要同時支持上述兩種算法，VTN必須同時支持官方授權的RSA和ECC證書，VEN可以選擇使用其中的一個或多個證書。

5 OpenADR優越性

OpenADR作為DR領域最新的研究成果之一，為DR的發展指明了方向。如今，各國政府和公共事業部門都旨在應用OpenADR管理不斷增長的電力需求和電力系統峰值容量。這種低成本的通訊基礎設施的建設提高了DR的可靠性、穩定性和高效性。

開放的規范。采用開放的數據模型，提供標準化的DR通信以及信號傳輸模型，實現對于動態電價、可靠性信息、DR突發事件的傳遞。

靈活性。為端到端技術提供了開放的通信接口與協議，靈活性強，互操作性好，開放度高。

創新和互操作性。鼓勵開放式創新、提高互操作性。允許在設備端設置控制，鼓勵企業通過技術和策略去降低運營和維護成本。

易于集成。促進能源管理系統和控制系統的集成（EMCS），使集中照明系統以及其他終端設備能夠直接接收DR信號。

遠程訪問。便于終端用戶根據自身情況實時退出需求響應事件或修改控制策略。

6 OpenADR項目實踐

美國DRRC在制定OpenADR規范的過程中，也開展了一系列的相關試驗和實踐，驗證OpenADR規范在實際應用中的有效性。

6.1 太平洋燃氣公司需求響應項目

2007年，美國加州電力公司開展了需求響應實踐，旨在利用OpenADR的技術規范以及auto-DR技術實現對用戶負荷的自動化控制，達到削減峰荷的目的。該項目參與用戶廣泛且項目實施高效，用戶事前確定同意符合削減的容量和時間，auto-DR系統即可根據實際運行情況整合資源實現尖峰負荷的削減。通過此項需求響應實踐，加州地區削減峰荷超過15 MW［8］。

6.2 西雅圖動態電價項目

2008年，DRRC對西雅圖地區的部分商業用戶推廣基于OpenADR規范的auto-DR系統，用以進行削減用電峰荷的試驗。OpenADR系統利用自身的通信架構發出DR信號，auto-DR系統接收到DR信號做出自動響應，執行最優策略。試驗結果表明，參與項目的商業用戶峰荷顯著降低14%，特別是照明以及采暖設備成效顯著，驗證了OpenADR現場應用的可行性［9］。

6.3 加州地區DR資源參與電力市場服務項目

2009年，加州獨立系統運營商（CAISO）開展了DR資源參與電力市場服務的實踐，參與電力市場競價的DR資源需要滿足作為非旋轉備用的要求：響應速度快，要求10 min以內做出響應；持續時間長，要求響應能夠維持2 h；實時數據傳輸，可以提供實時的遙測數據。這些DR資源通過電網側接口傳輸至DRAS，連同其他發電資源共同進行優化求解，最終做出響應。該項試點項目表明DR資源可以通過OpenADR的通信架構參與電力市場服務［10］。

7 結語

OpenADR作為美國智能電網國家標準的基本組成部分、DR領域的最新研究成果之一，旨在自動響應DR事件，實現負荷的控制和轉移，促進可再生能源的消納。OpenADR經過一系列的試點和測試，證明了其在DR領域的有效性和優越性。隨著DR業務的不斷發展，OpenADR標準也在不斷更新與完善。文章介紹了OpenADR的發展歷程、通信規范、涉及服務以及安全機制，對于我國DR標準的制定具有借鑒意義。

［1］劉壯志，許柏婷，牛東曉.智能電網需求響應與均衡分析發展趨勢［J］.電網技術，2013，37（6）：1 555-1 561.

［2］王蓓蓓，李揚，高賜威．智能電網框架下的需求側管理展望與思考［J］．電力系統自動化，2009，33（20）：17-22．

［3］王力科，楊勝春，曹陽，等.需求響應國際標準體系架構研究［J］.中國電機工程學報，2014，34（22）：3 601-3 607.

［4］Tariq S.Automated Demand Response for Smart Buildings and Microgrids：The State of the Practice and Research Challenges［J］.Proceedings of the IEEE，2016，Volume：104，pp.726-744.

［5］Daisuke M.Enhancing Demand Response signal verification in automated Demand Response systems［C］∥Innovative Smart Grid Technologies Conference（ISGT），2014.

［6］Ulrich H.OpenADR 2.0 deployment architectures：Options and implications［C］∥Smart Grid Communications（Smart Grid-Comm），IEEE International Conference，2014.

［7］OpenADR Alliance.OpenADR2.0 profile specification B profile［S］.

［8］張晶，王婷，李彬.電力需求響應技術標準化研究［J］.中國電機工程學報，2014，34（22）：3 623-3 629.

［9］鐘鳴，郭延凱，陳宋宋，等.基于OpenADR的需求側管理服務系統建設研究［J］.電氣應用，2013（S2）：145-149.

［10］高賜威，梁甜甜，李慧星，等.開放式自動需求響應通信規范的發展和應用綜述［J］.電網技術，2013，37（3）：692-698.

Research of Open Automated Demand Response Specification

WANG Peng1，ZHANG Yichao2，DAI Taotao3，WANG Liancheng3
（1.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China；2.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Shandong Hising Power Tech Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In recent years，renewable energy technology has been constantly developing in China.Taking full advantage of renewable energy is a great challenge，because of the intermittent and uncertainty features.The application of the demand-response technology can effectively promote the use of renewable energy，while relative formal standards have not yet issued in China at present.OpenADR which is an essential part of the American national standard for smart grid and one of latest research results on DR field，has effectively improved the reliability，stability and efficiency of the demand-response.The development history，communication specification，service involved and the security principles of OpenADR are introduced in this paper，demonstrating the superiority of OpenADR.It provides important reference for the development of DR standards in China.

OpenADR；demand response；smart grid

TP391

A

1007－9904（2016）12－0029－05

2016-08-04

王澎（1988），男，主要從事電力系統及其自動化方面研究工作。