負荷調控與多主體參與需求響應研究

毛曉波 沈博文 鄭 旭

（國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇 無錫 214100）

0 引言

受持續極端高溫天氣、產業經濟恢復增長、南方水電大幅減發等因素影響，2022年度夏保供較往年尤其特殊，任務尤為艱巨：一是用電負荷高峰到來之早、持續之長、增幅之大前所未有；二是降溫負荷之高、短時供電缺口之大前所未有；三是省間中長期市場和現貨市場競爭之激烈前所未有[1]。迎峰度夏以來，河南省用電負荷快速攀升、屢創歷史新高，呈現“來得早、持續長、增幅大”的特點，6月下旬首次高溫負荷突破7 000萬kW，8月5日全網最高用電負荷7 792萬kW，較上年同期增長14.3%，負荷管理最大錯避峰負荷達到700萬kW，占最大負荷比例約9%。當前，國網江蘇已建成150萬kW實時需求響應資源庫，國網浙江已建成40萬kW多時間尺度需求響應資源庫。可中斷負荷可以隨意從并網上斷開連接，故常作為需求側控制、緩解負荷高峰的一種重要手段[2]。為進一步提升電網靈活調節能力和運行效率，支撐電網安全可靠運行，本文將對多主體參與的需求響應進行研究。

1 關鍵行業用電特征及負荷調控策略分析

1.1 用電特征

集成電路產業電力負荷主要由兩大類構成，即工藝生產與公用工程。工藝生產有數百個生產工序步驟，這些生產步驟直接影響產品的產出，如蝕刻、光刻、化學氣相沉積、清洗、離子注入等，而公用工程是支持工藝生產不可或缺的設施，如產生超純水（UPW）的水處理、N2生產、冷凍水、HVAC等。

公用工程還可以細分為兩類，直接在工藝生產中使用的（如超純水、工藝冷卻水、N2等）稱為“工藝生產公用工程”或“直接公用工程”，而間接參與工藝生產的（如用于建筑物冷卻的冷凍水、清潔干燥空氣等）被稱為“基礎設施公用工程”或“間接公用工程”。

以SK海力士半導體（中國）有限公司為例，企業主要生產、加工12英寸集成電路芯片，采取四班三運轉制，24 h不間斷生產，正常運行負荷約為31.7萬kW。主要用電特征如下：一是負荷較為穩定，隨季節或時段波動較小；二是負荷極為敏感，對供電可靠性與電源品質有嚴格的要求；三是生產負荷不具備調節潛力，受工藝流程、生產環境制約，生產負荷無法進行單獨調節，整條產線也不具備錯避峰能力。

企業為流水線生產，工藝流程嵌套耦合性較強，且對供電有著極高的要求，一旦發生電壓瞬降，不僅會對敏感的微電腦自動控制設備造成不可預期的傷害，也會使制程中斷，產生極大的損失。因此，在工藝生產環節，無法進行單個設備或若干個設備的調節或中斷，若其中某個設備中斷，設備重啟需由廠家專業人員操作，并經過多次校核、聯調，整條產線往往需要一個月的時間恢復產能，造成的經濟損失較為巨大。

此外，生物制藥產業整體的用電結構與集成電路產業較為類似，企業為智能化、自動化的流水線生產，很難進行中斷，且企業對溫度、濕度、潔凈度要求更為嚴苛，環境數據需上報藥品監督局并接受監測。

1.2 負荷調控策略

（1）降低非生產性負荷，將辦公區域空調溫度調至26 ℃及以上，關閉不必要的照明設備。

（2）啟動備用柴油發電機組，對次關鍵的生產性負荷提前在低壓回路配置柴油發電機組接口，在負荷高峰時段，將該類負荷轉至由柴油發電機供電。

2 多主體參與的需求響應研究

2.1 空調能源站參與需求響應

中央空調系統主要由冷（熱）源設備、水或風的傳輸循環系統、末端設備（風機盤管、空調機組等）組成，中央空調參與需求響應總體架構如圖1所示。

圖1 中央空調參與需求響應總體架構

典型樓宇的中央空調系統改造主要針對冷水機組、循環水泵和末端設備三大部分，詳細改造方案如下。

（1）冷水機組的改造：冷水機組的主機部分為設備廠家整機出廠，自身集成變頻調速裝置。改造方案是對調速控制系統增加接口和通信板，能夠響應需求響應控制指令，遠程改變運行參數；安裝溫度傳感器，調節冷凍水出水溫度。

（2）循環水泵的改造：采用變頻調節技術改變冷凍水、冷卻水系統水泵電動機的轉速，使輸送能耗隨流量的增減而增減，這樣除了可以節約大量電能，系統的啟動特性和運行特性也能得到很大的改善[3]。循環水泵加裝了變頻調速設備和響應調控裝置，就可以根據室內環境條件適當采用需求響應策略，動態調整循環頻率，改變流速，控制水泵的流量和揚程，提高設備運行效率，降低能耗，改善DR控制效果。

（3）末端設備的改造：針對每一個風機終端加裝電動水閥（開關型）和控制模塊，可自動控制開關及送風量的大小，對于不需要的房間或樓層將水閥關閉，用電高峰時段響應DR控制，適當減少出風量。

（4）末端全局溫度控制的改造：加裝房間溫控裝置，增加控制模塊，可以遠程響應電網需求響應指令，調節房間的溫度設置。

2.2 路燈及公建亮化參與需求響應

我國的照明和公共照明用電量約占全國電力消耗總量的12%和5%。隨著城市化發展進程的加速，城市照明設施的數量也以10%～20%的速度遞增，城市照明具有需求響應開發潛力，通過對路燈及亮化參與需求響應進行研究，可為電力節能減排的規劃和管控提供宏觀層面的技術支撐。

路燈及亮化參與需求響應按道路、行政區、責任區、景區等進行管理，同時對不同場景下的照明資源實施定時控制、經緯度控制、調光控制、景觀智能控制、光照度控制、聯合策略控制等，以實現各類照明設施與電網的需求響應互動。

智能照明管理系統與電網的需求響應互動，可實時監控供電情況，改善電路負荷不均衡，優化供電性能參數，針對城市居民的行為和活動模式，照明環境中的方向、緯度和海拔等特征進行預判和調控，根據不同情況實時調整參與需求響應的方式。

照明設備改造方法：

（1）對照明系統的一、二次系統進行分項、分路改造，同時增加相應的智能控制開關，以便于負荷緊張時段實施需求響應策略，在不影響正常照明的情況下，控制個別回路中照明設備的關閉和開啟。

（2）針對個別有條件的地方，整體更換亮度可調及配有智能插座或智能開關的燈具，以響應需求響應控制，在用電高峰期，在保證照明質量的前提下，適當調弱每盞燈的亮度。

（3）針對不同工作區間和業務場景下的照明需要研究人工照明節能控制策略，包括時間表控制、局部光環境控制、光電感應開關控制、聲控開關控制等，建立對應上述控制策略的系統架構；以恒照度為控制目標，制定自然光和人工照明聯合優化控制策略。

2.3 儲能參與需求響應

用戶側儲能參與需求響應方案：通過PCS（儲能變流器）與用電設備相連接，同時每個電池組均裝有BMS（鋰電池管理系統）對電池的充放電進行在線管理，BMS與PCS通過以太網與EMS相連，執行充放電策略。可以在用電負荷低谷時充電，在用電尖峰或客戶變電所過載時放電以降低負荷尖峰，平滑負荷波動，削峰填谷。

2.4 充電樁參與需求響應

充電樁作為負荷資源可實現根據需求參與削峰填谷，同時由于其負荷的可調節性，充電樁可將負荷需求在時間維度上進行伸縮。通過實時監控充電樁設備，可采集統計充電樁的用電量，總結用電規律，進而對數據進行深度分析和累加，逐步實現充電樁大數據分析，準確發掘可柔性控制充電樁，通過對充電槍輸出功率的柔性控制，精確計算受電網的調峰能力（V2G模式可以參照分布式儲能逆向控制）。

根據充電樁運行數據分析可以發現，用戶大多選擇在晚上下班后立即充電，從而與晚高峰用電時段重合，造成了嚴重的尖峰負荷[4]。因此，本文構思了含“云、管、邊、端”的充電樁參與需求響應的系統，系統功能及架構如下：

云：云端部署在省級客戶側用能服務平臺，海量數據均匯總到云端，具有數據處理、統籌分析和效果評估等功能，云端也負責優化策略生成及電網管理。

管：包括互聯網、光纖、GPRS虛擬專網、4G專網、5G專網等多種通信管道，可支持有線通信和無線通信兩種方式。

邊：在電動汽車充電站部署的可控負荷互動網關，包括本地用能優化控制、大電網互動策略執行，通過邊緣計算能夠實現工業企業及園區實時、短周期數據的分析，更好地支撐本地業務及時處理執行，是實現多能互補、能效提升的重要基礎。

端：包含采集智能電表和充電樁控制模塊，采集各類傳感器獲取的數據，并對充電樁進行控制。

目前主流的電動汽車充電站需求響應模型針對充電樁與電網友好互動應用場景，在充分采集監測各項末端數據的基礎上，通過對影響電動汽車充電的因素進行分析，利用可控負荷互動網關對充電樁進行柔性負荷控制，參與電網需求響應活動，在對用戶生產無擾或微擾的情況下，實現電網與充電樁的互動。

2.5 虛擬電廠、微電網、智慧園區參與需求響應

虛擬電廠、微電網、智慧園區參與需求響應是聚合優化“網源荷儲”清潔發展的新一代智能控制技術和互動商業模式，它依托互聯網和現代信息通信技術，通過精細的能源管理方式整合分布式電源、可控負荷和儲能裝置等設備，為破解清潔能源消納難題，實現電源側多能互補，促進負荷側靈活互動，構建安全、經濟、高效、可靠的電網提供了一種新的運營方案。

虛擬電廠、微電網、智慧園區參與需求響應主要由分布式發電、用電負荷、配電設施、監控、保護和自動化裝置等組成（必要時含儲能裝置），是一個能夠基本實現內部電量平衡的小型供用電系統[5]。虛擬電廠、微電網、智慧園區參與需求響應是一個能夠實現自我調度、平衡、控制、保護和管理的自治系統，對大電網而言，可視為一個可控負荷群體。

智慧園區、微電網、虛擬電廠等場景參與需求響應主要工作是通過園區、微電網、虛擬電廠本身已經建設的能量管理系統執行需求響應指令。將自動需求響應系統與智慧園區、微電網、虛擬電廠等場景的能量管理系統進行數據對接，在能量管理系統中建設自動需求響應系統子站，通過微電網能量管控系統實現需求響應指令執行。如一般傳統園區可以通過對園區主要耗能設備包括中央空調、照明、熱水、電梯、辦公及通風等的改造和監控，實現自動需求響應系統的接入要求。

自動需求響應系統核心為自動響應主站系統。通過實時監測用戶負荷，在負荷超標或與調度系統對接出現的負荷缺口時，或者基于目前區域電價變化體系，主站系統根據響應能力制定響應策略并將削峰調峰事件下發給用戶，同時進行用戶響應效果評估。主站系統功能包括：注冊用戶、設備實時監測、有序調峰、虛擬削峰事件效果評價、用戶用能分析、需求響應用戶GIS展示等。

3 結束語

本文首先分析了關鍵行業用電特征，主要關注電子與醫藥行業相關負荷，給出了恰當的負荷調控策略；之后研究了包含空調能源站、路燈及公建亮化、充電樁、儲能、虛擬電廠等在內的多主體參與的需求響應方案，并給出了各主體參與需求響應的方式以及優化改進策略等。