上海市黃浦區建筑需求響應研究

黃浦區發展改革委員會

杭州赫智電子科技有限公司

1 背景及意義

黃浦區是上海商業建筑最密集的中心城區，大型商業建筑數量超過200 幢，面積近1 000 萬m2，年耗電量約13 億kWh，峰值負荷近500 MW，樓宇能耗占全區總能耗的65%以上。從2014年開始，根據國家發展改革委部署，上海市經信委組織開展了需求響應的探索實踐工作，其中參與試點的商業樓宇很多來自黃浦區。2015年和2016年黃浦區有50幢建筑參加了上海市的需求響應試點。從夏季、冬季、過渡季不同季節的試點情況來看，黃浦區商業建筑峰值負荷削減潛力巨大，單體建筑最大負荷削減可達25%，全部建筑平均負荷削減達到10%（持續4個小時）。

目前，黃浦區已完成了區域建筑能源監測平臺的建設工作，基本實現商業建筑能源監測監管全面覆蓋，區域內的充電樁、可再生能源以及儲能系統等也將陸續接入平臺。為加強長效機制建設，黃浦區還把全面推進建筑能耗監測，建立大數據平臺，在全市率先開展電力需求側管理試點，實現對區內重點建筑、重點企業能耗數據的實時監測和科學管理等列入“十三五”規劃。

黃浦區開展需求側響應有助于發掘商業建筑領域規模化需求響應的虛擬資源，實現更全面的需求側管理能力提升；有助于推動電力市場化機制建設，通過電力需求側響應資源挖掘和虛擬電廠建設，實現商業建筑智能更新和節能管理有機融合，在推動能源消費智能化的同時為商業建筑提升需求側資源效益。

2 國內外研究現狀

2.1 需求響應技術現狀

（1）國內研究現狀

需求響應是建立在高效、安全和雙向交互的通信體系上面，只有這樣才能實現供電側和用電側的靈活互動。目前國內市面上的一些智能終端設備（智能家居的應用）已經成為了需求響應的基礎設施，比如智能電表、智能插座和智能溫控器等設備。中國目前已完成國家電力需求側管理平臺建設，各需求響應重點試點省市的系統也陸續接至該平臺。

從2013年國家開展電力需求響應城市綜合試點建設以來，北京、上海、江蘇、廣東等省市分別實施了需求響應項目試點工作。經過3年的試點培育，我國需求響應試點工作形成了政府主導，電網企業支持參與，負荷集成商規模化、系統性整合電力用戶資源，電力用戶廣泛主動參與的需求響應工作體系。

（2）國外研究現狀

美國電力市場環境開放，是世界上實施需求響應項目最多、種類最齊全的國家，其需求響應起步較早，相關政策法規相對比較完善，處于世界領先水平，其中的OpenADR標準更是被一些國家作為自己的需求響應標準基礎。

2002年的美國加州大規模電力危機引起了政府、科研及產業界對需求響應的重視，此后，美國以及其他各國的電網公司等力求采用需求響應技術來解決需求增長和高峰用電的問題。以此為契機，美國勞倫斯伯克利國家實驗室開始研究需求響應通信協議，并主要承擔對OpenADR的研究工作。通過一系列的試點和測試，在2009年4月，加州能源委員會發布了OpenADR通信規范1.0版本，并交由結構化信息標準促進組織和通用通信架構負責形成正式標準OpenADR 2.0；2010年5月，OpenADR成為美國首批16條智能電網“互操作性標準之一”，“互操作性”是指各功能單元之間進行通信和傳遞數據的能力；2011年進行了OpenADR 2.0版本的認證和測試；2012年，OpenADR聯盟將OpenADR 2.0a作為美國的國家標準發布。OpenADR 2.0比OpenADR 1.0更全面，涵蓋了針對美國批發與零售市場的價格、可靠性信號的數據模型，并且根據滿足需求響應利益相關方和市場需求的程度，分為不同的產品認證等級，包括OpenADR 2.0a，OpenADR 2.0b，OpenADR 2.0c框架規范，后一個規范均比前一個規范提供更多的服務和功能支持（如事件、報價和動態價格、選擇或重置、報告和反饋、注冊、傳輸協議、安全等級等）。

2.2 市場機制現狀

（1）國內的市場機制

北京、上海、江蘇、廣東等省市的參與主體均是政府部門，電網企業，負荷集成商，電力用戶，這些需求響應試點基本上都按照了預先設置的響應策略，進行了負荷削減，達到了預期的負荷削減目標。目前都采取了激勵機制，以補貼的方式激勵用戶參與需求響應試點，引導用戶主動削減尖峰負荷。按照提前通知的時間不同分別設定不同的需求響應補貼，比如北京的試點中，提前30min給予120元/kW，提前24 h給予80元/kW的補貼。負荷集成商可以通過合約的形式參與需求響應，一旦達到合約規定的次數就可以領取補貼，否則按比例領取或無法領取。這些補貼的來源一部分是政府的資金補貼，另外也可以來自于尖峰電價時增收的電費，讓電力用戶以電費的形式抵扣。

（2）國外的市場機制

美國和歐洲的需求響應市場起步較早，在多年的實踐中對各類市場機制進行了試點研究和應用。

1）實時電價（RTP）市場機制試點

實時電價（RTP，Real Time Pricing）機制的電價不是提前設定的，而是每天持續波動，直接反映批發市場價格，與日前或實時市場購電成本掛鉤。這樣一種將批發市場價格和零售價格直接聯系起來的機制，起到了將價格響應性直接引入到零售市場，將2個市場聯動起來的作用。

2）尖峰電價（CPP）市場機制試點

PG&E在分時電價的基礎上設置了兩種不同的尖峰電價模式，如圖1所示，其中展示了一整天的正常TOU價格變化曲線，非尖峰電價的價格曲線和尖峰電價日的價格曲線，其中尖峰電價日有兩條特殊的曲線：一條是中等的價格曲線，發生在12時～15時之間，價格是平常分時電價中Part-Peak價格的3倍；另外一條是高價格曲線，發生在15時～18時，實施的平常TOU中On-Peak價格的5倍。通過這種尖峰電價的形式來抑制尖峰負荷的產生或者削減尖峰負荷。

圖1 尖峰電價價格曲線

3）需求側競價市場機制試點

在需求響應的實施過程中，接近2/3的用戶選擇了需求側競價。PG&E的尖峰電價的設計方式是為了在6個小時的關鍵高峰期，吸引用戶能夠主動靈活的通過需求響應策略調節自己的高峰負荷。但是很多用戶更加傾向于參與需求側競價，因為活動參與都是自愿的，用戶還可以在連續的兩個小時內為任何的需求響應活動出價。對于整個需求響應的活動而言，需求側競價更具有吸引力，用戶只需要定義他們能夠減少多少負荷和減少負荷開始到結束的過程時間。如果用戶的情況不便參加當天的需求響應活動，可以完全退出所有的尖峰電價和需求側競價的需求響應活動。

4）小結

a）技術不再是限制各國發展需求響應的瓶頸，但是自動需求響應技術對于部分國家而言仍然具有挑戰性。

b）有效的市場機制是需求響應發展的催化劑，前期的政府引導和支持必不可少。

c）不同國家的需求響應市場機制各有所取，是立足于本國電力市場特點的選擇。其中美國需求響應工作開展最早，發展最為成熟，值得借鑒。

d）我國的需求響應工作相對起步晚，但發展迅猛，單次需求響應的體量已創世界第一。作為最大的需求響應潛力市場，我國在自動需求響應實踐方面暫時還未取得世界領先性的突破。

3 黃浦區建筑樓宇負荷特性及需求響應技術的實現

3.1 商業建筑負荷特性

黃浦區目前的商業建筑主要分為商貿中心，金融大廈，寫字樓，政府辦公樓和酒店等，主要用能設備包括空調系統、電梯系統、照明和其他電力系統。

商貿中心、金融中心、行政中心、寫字樓屬間歇性使用建筑，負荷早晚變化較大，在使用時間內，商貿中心的負荷變化波動較寫字樓小。而酒店全年以及全天存在冷、熱、電負荷，負荷變化最為平緩，波動的相對幅度最小。

商業建筑的制冷設備基本上都屬于中央空調系統，采用空調機組、水循環系統和風機判斷末端系統進行制冷。只有少部分使用了分體式空調，比如黃浦區的機關辦公1號樓和學校教學樓部分。照明系統的燈光基本上使用的是筒燈，熒光燈和辦公區域的柵格燈。其他負荷如電梯和插座都與用戶的使用習慣有相關性。

因此黃浦區商業建筑的需求響應潛力主要來源為中央空調系統、照明系統、電梯以及插座負荷。其中，中央空調系統需求響應潛力最大，其次為照明，電梯和插座負荷需根據用戶不同的用電習慣進行挖掘。

3.2 需求響應終端設備設計

需求響應是建立在高效、安全和雙向通信的基礎之上，只有這樣才能實現供電側和用電側的雙向互動。樓宇能源管理系統（BEMS）記錄用戶的電量和負荷信息，每分鐘將采集到的信息數據通過通信網絡傳送給需求響應平臺，平臺對當前的數據進行分析，制定最優的電價策略和削減方案逐級下傳。BEMS系統接收到削減方案即控制策略后，下達具體的削減指令給需求響應設備，不同的設備進行不同的削減。由于電梯負荷控制尚存在一定的風險，現針對于中央空調系統，照明系統，插座負荷設備進行需求響應設備的設計。以中央空調系統和照明系統為例，分為變頻控制系統，電量采集系統，智能溫控器系統和智能照明系統四大系統（圖2），并進行分類描述。

圖2 樓宇能源管理系統

3.3 需求響應控制策略

中央空調系統是需求響應比較理想的控制對象。首先，中央空調系統在商業建筑中創造了大量的電力需求，通常是總需求的1/3到2/3。第二，建筑物的熱效應性質使得系統短暫的改變而不影響用戶的日常生活。第三，中央空調系統很多設備都已經實現了自動化，比如目前的BA樓宇控制系統。

不同商業建筑的中央空調系統的建筑類型，設備和EMCS（能源管理控制系統）。綜合這些因素來看，最佳的需求響應控制策略是在實現電力需求調節目標的基礎上，最大限度地減少對建筑物的用戶生產生活的負面影響。一般有以下兩大類的控制策略，一個是全局的溫度調整，另一個是對冷卻系統或者送風系統的調整。表1為控制策略的分類與定義。

3.4 平臺設計

需求響應技術的實現離不開需求響應平臺的建設，平臺主要包含負荷調控和節能兩大主要功能，通過對不同建筑物整體的能耗設備進行綜合監控、數據分析、策略形成、負荷響應、進行最優化調控管理，實現高效節能化。

表1 控制策略分類

在需求響應平臺（圖3）的總體架構關系中，總體分為設備層，網絡層和平臺。設備層主要起數據采集和策略執行的功能，網絡層采用需求響應協議進行通信交互。

圖3 需求響應平臺總體框架圖

需求響應平臺的業務（圖4）包括首頁、集中管控模塊、控制策略模塊、數據分析模塊、報警中心模塊、負荷響應模塊和系統管理模塊。

圖4 業務架構圖

可根據黃浦區不同建筑自身的負荷特性，專業定制相應的樓宇能源管理系統。選取合適的需

4 市場機制及政策研究

研究發現，當前需求響應的機制主要分為兩類：激勵性機制和價格型機制，兩種機制的比較分析狀況如表2 所示。

結合中國電力市場特點，建議采取以下市場機制：

（1）自動需求響應發展初期：由于市場條件不成熟、自動需求響應關鍵技術發展變革的前期投資成本較高，應以政府財政資本為主引導市場求響應設備，搭建設備層的控制系統，運用物聯網、云計算、大數據等創新技術，實現電力流與信息流的同步，達到樓宇用戶負荷 “電器粒度”的精細化管理，對具備需求彈性的可調節負荷或可轉移負荷進行自動化控制，提供樓宇用戶參與需求響應、電器策略控制和直接控制等功能，為樓宇電能管理者提供良好的決策支持。

表2 激勵性機制和價格型機制比較

構建需求響應平臺，對接發、輸、配、售、用電及可再生能源等多種能源數據實現需求側管理，打造熱備用虛擬電廠，適配商業建筑、社區、儲能系統、電動汽車、分布式能源等多類型用戶；著力大數據分析挖掘，提供數據支撐服務；面向多部門監管，形成有效聯動管理機制。主體形成和參與。政府應組織制定自動需求響應的規劃、實施辦法以及實施細則，引導電能服務機構等第三方主體的參與以擴大社會公眾對自動需求響應的認知度。

（2）自動需求響應發展成熟期：隨著市場日趨成熟，政府專項補貼不在發揮主要作用，市場參與主體為自動需求響應項目提供資金，多種融資渠道，例如銀行貸款，多主體共同出資的混合投資方式等。自動需求響應應充分利用需求側管理平臺資源為電網提供虛擬電廠輔助服務，為客戶提供能效服務和合同能源方案等增值服務，通過收取咨詢費或管理費的方式，構建成熟期企業新的盈利模式。