電力需求側(cè)響應(yīng)綜合評(píng)估模型及實(shí)例驗(yàn)證研究

黃浦區(qū)發(fā)展改革委員會(huì)

上海電力學(xué)院

上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司

1 前言

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和電力消費(fèi)量的不斷增加導(dǎo)致的電力供應(yīng)和電力需求之間的矛盾越來越大。通過盲目增加裝機(jī)容量來滿足用電高峰時(shí)段的電力需求，勢(shì)必造成電力資源的極大浪費(fèi)，加重企業(yè)和用戶的負(fù)擔(dān)[1]。近年來，電力需求側(cè)管理在中國(guó)越來越受到重視，需求響應(yīng)作為電力需求側(cè)管理的解決方案之一，在保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、抑制電價(jià)上升，節(jié)能減排方面具有重要作用[2]。

為貫徹黨的十八大創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，落實(shí)《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》要求，黃浦區(qū)“十三五”規(guī)劃綱要提出：要全面推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展,建立建筑能耗大數(shù)據(jù)平臺(tái)，在全市率先開展電力需求側(cè)管理試點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建筑、重點(diǎn)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和科學(xué)管理。2015年黃浦區(qū)實(shí)施了電力需求側(cè)響應(yīng)試點(diǎn)（一期）項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)基于黃浦區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的需求響應(yīng)管理。為探索區(qū)域智慧能源發(fā)展，進(jìn)一步有效緩解高峰用電負(fù)荷，黃浦區(qū)還在2017年進(jìn)一步開展實(shí)施了“黃浦區(qū)電力需求響應(yīng)試點(diǎn)（二期）項(xiàng)目”。

綜合評(píng)估已實(shí)施的需求響應(yīng)項(xiàng)目效果有助于正確認(rèn)識(shí)需求側(cè)響應(yīng)的作用[3]，建立具有地區(qū)特色的方法模型有助于指導(dǎo)制定科學(xué)合理的電價(jià)和激勵(lì)政策，在電力體制改革和激發(fā)用戶參與電網(wǎng)互動(dòng)的當(dāng)下更具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 電力需求側(cè)響應(yīng)評(píng)估研究現(xiàn)狀及改進(jìn)方向

2.1 電力需求響應(yīng)效果評(píng)估方法的現(xiàn)狀

針對(duì)電力需求響應(yīng)評(píng)估，2015年我國(guó)發(fā)布了《需求響應(yīng)效果監(jiān)測(cè)與綜合效益評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GB/T 32127-2015），隨后又發(fā)布了《電力需求響應(yīng)系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 32672-2016），這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)奠定了電力需求響應(yīng)實(shí)施和效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

相關(guān)研究提出的兩個(gè)核心指標(biāo)，一個(gè)是負(fù)荷削減量，另一個(gè)是電量削減量。在兩個(gè)核心指標(biāo)的基礎(chǔ)上，就能夠構(gòu)建整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并把指標(biāo)體系分為供給側(cè)（電網(wǎng)）和需求側(cè)（負(fù)荷）兩個(gè)部分，總結(jié)來說可以用圖1描述。

圖1 需求側(cè)響應(yīng)指標(biāo)的構(gòu)成

上海市政府對(duì)于電力需求響應(yīng)的效果十分重視，自2012年開始大力推廣電力需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目開始就一直對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施效果進(jìn)行跟進(jìn)，并不斷調(diào)整評(píng)估的方法和手段，長(zhǎng)期以來上海市一直將電力需求側(cè)響應(yīng)作為降低工業(yè)成本方面的一個(gè)技術(shù)手段[5]，而從電力需求響應(yīng)的工作業(yè)績(jī)和區(qū)域特點(diǎn)來看，黃浦區(qū)重點(diǎn)關(guān)注的目標(biāo)是節(jié)能降耗，這與黃浦區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)有極大的關(guān)系。黃浦區(qū)地域狹窄，人口密度大，工業(yè)占比極低，辦公及商業(yè)建筑用能是主要節(jié)能目標(biāo)，因而需要將電力需求響應(yīng)與建筑節(jié)能進(jìn)行結(jié)合，才能走出一條適合本區(qū)發(fā)展的正確路線。

2.2 具有區(qū)域特色的電力需求響應(yīng)效益評(píng)估方法

本文建議，運(yùn)用后評(píng)估手段引導(dǎo)電力需求響應(yīng)的發(fā)展方向，使之能夠與建筑節(jié)能結(jié)合，從而形成有黃浦特點(diǎn)的需求響應(yīng)評(píng)估指標(biāo)體系，主要思路如圖2所示。

圖2描述了黃浦區(qū)電力需求響應(yīng)指標(biāo)體系的改進(jìn)方向，這一思路以負(fù)荷削減與電量削減指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，包含空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造節(jié)能、照明節(jié)能以及建立相互聯(lián)系的指標(biāo)體系形成良性互動(dòng)機(jī)制。

圖2 黃浦區(qū)電力需求響應(yīng)指標(biāo)體系改進(jìn)思路

3 需求側(cè)響應(yīng)綜合評(píng)估模型

依據(jù)上述對(duì)黃浦區(qū)電力需求響應(yīng)效益評(píng)估方法改進(jìn)方向，結(jié)合有關(guān)需求側(cè)響應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)體系的研究分析，建立適合于上海市黃浦區(qū)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施情況的評(píng)估模型。

3.1 需求響應(yīng)效益評(píng)估模型

在經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估方面，本文按照2015年發(fā)布的《需求響應(yīng)效果監(jiān)測(cè)與綜合效益評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GB/T 32127-2015）進(jìn)行計(jì)算。為了方便對(duì)效益的評(píng)估，可將需求響應(yīng)效益按不同的受益主體分為發(fā)電企業(yè)效益、電網(wǎng)企業(yè)效益、電力用戶效益、社會(huì)效益4類，如圖3。

圖3 需求響應(yīng)效益要素分析

3.2 需求響應(yīng)與建筑節(jié)能聯(lián)合效益模型

根據(jù)《民用建筑能效測(cè)評(píng)標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，“單位面積全年采暖通風(fēng)空調(diào)及照明系數(shù)耗能量”是一個(gè)最為基本的指標(biāo)參數(shù)（本文簡(jiǎn)稱為年度單位能耗，單位kWh/m2），這個(gè)指標(biāo)適用于公共建筑，對(duì)于民用建筑則不包含照明能耗。本研究中，將以此參數(shù)為例嘗試建立公共建筑節(jié)能與需求響應(yīng)間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，并擬定相關(guān)指標(biāo)制定原則。為了建立聯(lián)合效益模型，需要厘清各個(gè)指標(biāo)之間的理論關(guān)系，整體關(guān)系如圖4所示。

圖4給出了建筑節(jié)能指標(biāo)與電力需求響應(yīng)指標(biāo)間的聯(lián)系，基于這一聯(lián)系就能夠構(gòu)建出聯(lián)合能效指標(biāo)體系，其核心內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面。

圖4 需求響應(yīng)與建筑節(jié)能聯(lián)合能效指標(biāo)體系

（1）核心指標(biāo)是“年單位能耗”和“單位面積的電氣容量”（簡(jiǎn)稱為單位電氣容量）。這兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來能夠體現(xiàn)單位面積的建筑能耗與單位面積電氣容量配置間的關(guān)系，同時(shí)兩個(gè)指標(biāo)間的比值能夠反映出節(jié)能工作的空間，可以作為節(jié)能工作的基礎(chǔ)。

（2）對(duì)于公共建筑而言照明面積通常較大，也是節(jié)能的重點(diǎn)之一，因此需要單獨(dú)考慮，在全部能耗中可以將照明能耗單列出來，因此需要確定照明在總能耗中的占比Rei；公共建筑的照明負(fù)荷是一個(gè)變化的量，與照明面積Si有關(guān)，同時(shí)與照明電器的容量有關(guān)，一般情況下照明電器的總?cè)萘颗c負(fù)荷間有固定的比例關(guān)系Rli可以反映平均的照明負(fù)荷。

（3）對(duì)于公共建筑而言暖通負(fù)荷是最大用電負(fù)荷源，在全部能耗中一般占較大比例，在總能耗中的占比Reh；公共建筑的暖通負(fù)荷是一個(gè)變化的量，與供暖（冷）面積Si有關(guān)，也與環(huán)境因素和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能有關(guān)，一般情況下暖通電器的總?cè)萘颗c負(fù)荷間有固定的比例關(guān)系Rlh可以反映平均的暖通負(fù)荷。

（4）雖然電氣總?cè)萘磕軌蚍从吃O(shè)計(jì)時(shí)的平均負(fù)荷水平，但是最大負(fù)荷的值往往與使用（用能）策略有極大的關(guān)系，因此最大負(fù)荷是可以進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的，這也是電力需求響應(yīng)系統(tǒng)的重要功能。

（5）貢獻(xiàn)率是本次研究中嘗試提出的一個(gè)新指標(biāo)，用于描述實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)的建筑在負(fù)荷控制策略方面的合理性，可用于對(duì)比分析各建筑控制策略的優(yōu)劣及特點(diǎn)。

（6）建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電力需求響應(yīng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合效益實(shí)現(xiàn)的信息化平臺(tái)基礎(chǔ)，需要進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)視，進(jìn)而能夠建立合理可用的聯(lián)合效益指標(biāo)體系。

4 綜合評(píng)估模型的實(shí)例分析

依據(jù)第3章中建立的對(duì)于不同利益方的效益評(píng)估數(shù)學(xué)模型，對(duì)黃浦區(qū)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的二期工程所實(shí)施的3次預(yù)約式需求響應(yīng)情況進(jìn)行綜合效益評(píng)估。從而得到電力用戶效益子系統(tǒng)、電網(wǎng)企業(yè)效益子系統(tǒng)、發(fā)電廠效益子系統(tǒng)、社會(huì)效益子系統(tǒng)的各指標(biāo)值及相關(guān)關(guān)系。

4.1 試點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

本項(xiàng)目的實(shí)例仿真基于黃浦區(qū)需求側(cè)響應(yīng)二期工程 2017 年 1 月 12 日 14：00 ～ 15：00 的試點(diǎn)運(yùn)行中的10家用電建筑的響應(yīng)效果數(shù)據(jù)（表1）進(jìn)行模型驗(yàn)證。

通過《需求響應(yīng)效果監(jiān)測(cè)與綜合效益評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GB/T 32127-2015）中計(jì)算公式，對(duì)10棟建筑需求響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目對(duì)用戶、電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)以及社會(huì)均有一定經(jīng)濟(jì)效益。需求響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施后，電力用戶參與進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)，使得系統(tǒng)的峰荷降低、負(fù)荷率提高。參與用戶由于電價(jià)補(bǔ)償或者激勵(lì)補(bǔ)償而獲益，非參與用戶、參與用戶由于系統(tǒng)負(fù)荷變化得到可靠性效益。政府對(duì)參與用戶進(jìn)行補(bǔ)貼，使得參與用戶的成本降低，得到收益；對(duì)參與的供方企業(yè)（電網(wǎng)企業(yè)和發(fā)電企業(yè)）進(jìn)行補(bǔ)貼，使其成本降低，得到收益。

4.2 電力需求響應(yīng)與建筑節(jié)能聯(lián)合效益分析實(shí)例

（1）單位能耗

根據(jù)3.2節(jié)提出了聯(lián)合效益模型，本文選取參與黃浦區(qū)電力需求響應(yīng)的10棟建筑的數(shù)據(jù)進(jìn)行了試評(píng)估，梳理計(jì)算了幾個(gè)典型的指標(biāo)。對(duì)于年度單位能耗的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 各建筑年度單位能耗與年度能耗指標(biāo)對(duì)比

從圖5中可以看出，各個(gè)建筑的年度單位能耗的差異較大，而且總能耗與年度單位能耗的排名并不一致，因此可以考慮應(yīng)用建筑單位能耗指標(biāo)來對(duì)建筑需求響應(yīng)的空間進(jìn)行評(píng)價(jià)，年度能耗及年度單位能耗較高需求響應(yīng)空間較大，如建筑5及建筑8，在需求響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施時(shí)可優(yōu)先考慮。

表1 棟建筑需求響應(yīng)效果數(shù)據(jù)

表2 10棟建筑需求響應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益

（2）負(fù)荷系數(shù)

最大負(fù)荷系數(shù)能夠反映負(fù)荷削減的空間，本文對(duì)黃浦區(qū)參與需求響應(yīng)的建筑的最大負(fù)荷系數(shù)和年度能耗進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各建筑最大負(fù)荷系數(shù)與年度能耗指標(biāo)對(duì)比

圖6 顯示出各建筑年度能耗與最大負(fù)荷系數(shù)并不是對(duì)應(yīng)的，通常年度能耗大的建筑最大負(fù)荷系數(shù)也較大，但是年度能耗小的建筑最大負(fù)荷系數(shù)并不低，這說明不少建筑還有通過需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)減低峰值負(fù)荷的空間，對(duì)于年度能耗大、最大負(fù)荷系數(shù)高的建筑，如建筑1和建筑8需求響應(yīng)空間大。

即使在一座建筑中，照明負(fù)荷、暖通負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷的峰值也不會(huì)出現(xiàn)在同一時(shí)刻，因此通過一定的控制策略是可以進(jìn)一步優(yōu)化需求響應(yīng)的效果，將系統(tǒng)能耗除以所有時(shí)刻的最大值做歸一化處理，圖7為建筑8不同類負(fù)荷歸一化的結(jié)果。

圖7 建筑8不同類負(fù)荷歸一化比較

由于不同建筑負(fù)荷類型不同，而且并不是每座建筑的負(fù)荷控制優(yōu)化的目標(biāo)都相同，可以通過照明負(fù)荷占比和暖通負(fù)荷占比系數(shù)進(jìn)行區(qū)分，如圖8所示。

圖8 各建筑照明負(fù)荷系數(shù)與暖通負(fù)荷系數(shù)的對(duì)比

從圖8可以看出，各建筑的負(fù)荷特性有極大的區(qū)別，例如建筑8、建筑10照明負(fù)荷占比相對(duì)較高；建筑5、建筑7暖通負(fù)荷占比較高。由于暖通負(fù)荷受季節(jié)影響較大，而照明負(fù)荷則相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)照明負(fù)荷系數(shù)較大的建筑存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

（3）最大負(fù)荷貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)方法

貢獻(xiàn)率指標(biāo)是以評(píng)估范圍內(nèi)單個(gè)建筑最大負(fù)荷為基準(zhǔn)，將某時(shí)刻該建筑能耗除以所有時(shí)刻最大值的歸一化處理，則負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間內(nèi)各建筑每個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷就能夠構(gòu)成一條曲線，該曲線的平均值能夠說明該建筑在所有待評(píng)建筑中的負(fù)荷占比，而曲線的形狀能夠說明需求響應(yīng)策略的優(yōu)劣。如果單個(gè)建筑的負(fù)荷曲線與所有建筑總負(fù)荷曲線的趨勢(shì)一致，說明該建筑在“同時(shí)性”方面貢獻(xiàn)是正向的，因而有可能加重尖峰負(fù)荷；反之，如果單個(gè)建筑的負(fù)荷曲線與所有建筑總負(fù)荷曲線的趨勢(shì)顯著不同，則能夠起到平抑尖峰負(fù)荷的作用，因而控制策略方面表現(xiàn)較好。

將各建筑的小時(shí)負(fù)荷按所有建筑中最大負(fù)荷進(jìn)行歸一化后，能夠看出各建筑負(fù)荷變化規(guī)律的差異，如圖9所示。

從圖9可以看出，能夠通過負(fù)荷歸一化的方法，對(duì)各建筑的高峰時(shí)段負(fù)荷貢獻(xiàn)率進(jìn)行評(píng)價(jià)。高峰時(shí)段的貢獻(xiàn)率越低，曲線呈“凹”的趨勢(shì)，如建筑1，說明該建筑需求響應(yīng)的策略配置越合理，高峰時(shí)段貢獻(xiàn)率較高，曲線呈凸的趨勢(shì)，如建筑8，則說明該建筑的用電負(fù)荷總體的高峰負(fù)荷同時(shí)性較強(qiáng)，對(duì)于消峰的作用不夠積極。通過貢獻(xiàn)率指標(biāo)，能夠促進(jìn)各建筑經(jīng)營(yíng)單位采用更加有效的需求響應(yīng)策略。

圖9 各點(diǎn)的負(fù)荷歸一化對(duì)比

5 評(píng)估效果分析總結(jié)

本文在研究需求響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果評(píng)估的基礎(chǔ)上，建立了需求側(cè)響應(yīng)效益的綜合評(píng)估模型，并將節(jié)能減排的概念引入了該模型，系統(tǒng)性地對(duì)黃浦二期需求響應(yīng)試點(diǎn)工作中為用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、社會(huì)群體帶來的效益進(jìn)行評(píng)估，可以得到以下結(jié)論：

（1）在基于峰谷電價(jià)實(shí)施機(jī)制下，調(diào)整用電時(shí)段，轉(zhuǎn)移高峰時(shí)期負(fù)荷，利用峰谷差價(jià)調(diào)整用電，可以明顯的降低企業(yè)的用電成本。同時(shí)，在基于政府激勵(lì)措施的實(shí)施下，也對(duì)用電企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于促進(jìn)企業(yè)參與響應(yīng)的積極性有較大的作用。

（2）通過對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)影響分析，需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施有效的降低了電網(wǎng)企業(yè)的投資成本，并且對(duì)峰時(shí)用電量的降低有較為顯著的效果，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的效率，保證了供電可靠性。同時(shí)，通過對(duì)發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響的評(píng)估效果來看，需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施也降低了發(fā)電企業(yè)的投資建設(shè)成本，帶來的經(jīng)濟(jì)效果也是比較明顯。

（3）需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施不僅為用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排效益，對(duì)于環(huán)境也有極大的保護(hù)作用，為社會(huì)碳減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，極大的響應(yīng)我國(guó)低碳發(fā)展的戰(zhàn)略決策。

（4）需求響應(yīng)的實(shí)施對(duì)于負(fù)荷率提升、可避免峰荷提升等具有一定的促進(jìn)作用，說明需求響應(yīng)還可帶來削峰填谷、平滑負(fù)荷曲線、促進(jìn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的作用。

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