孫志

（國網(wǎng)連云港供電公司，江蘇 連云港 222002）

基于能源管理的自動需求響應(yīng)應(yīng)用研究

孫志

（國網(wǎng)連云港供電公司，江蘇 連云港 222002）

自動需求響應(yīng)（automated demand response，ADR）具有負荷可控，時效性強，互動互利，融合共贏的特點［1］，是需求響應(yīng)發(fā)展的高級階段。作為美國智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，自動需求響應(yīng)通信規(guī)范OpenADR（open automated demand response communications specification）目前已完成OpenADR 2.0版本的認證和測試，并在美國進行了DR試點和現(xiàn)場試驗，充分驗證了自動需求響應(yīng)的可操作性［2］。我國需求側(cè)管理正處于快速發(fā)展時期，市場化程度和用戶參與度都有明顯提高，但在迎峰度夏期間，有序用電仍是大部分地區(qū)最常采用的管控手段。電力市場下的需求側(cè)響應(yīng)主要有2種:基于價格和基于激勵。從目前需求響應(yīng)的實踐看，負荷高峰通常是短暫的，并不需要經(jīng)常進行大規(guī)模的響應(yīng)。對于用戶來說，能耗成本日益增加，但由于缺乏有效的能源管理技術(shù)手段，主動參與能源管理和動態(tài)需求響應(yīng)的意識不強。當前國內(nèi)外興起的負荷聚合商（load aggregator，LA）是從事能源管理的專業(yè)機構(gòu)，能夠聚合分散負荷資源，使以往難以利用的小容量負荷也能夠參與需求響應(yīng)。因此，在能源管理的基礎(chǔ)上建立自動需求響應(yīng)系統(tǒng)有利于能源從生產(chǎn)到消費的全過程管控，是緩解能源增長需求，降低高峰負荷，推進能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的可行方案。

1 基于能源管理的自動需求響應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)

基于能源管理的自動需求響應(yīng)系統(tǒng)具有2個特點，一是橫向能源智慧管理，突出多能互補和能效提升；二是縱向自動需求響應(yīng)，突出源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)和能源雙向互動。具體實現(xiàn)包含能源管理子站、能源托管平臺和能源管理主站三級管理平臺，系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1 需求側(cè)能源管理子站建設(shè)

需求側(cè)能源管理子站是實現(xiàn)自動需求響應(yīng)的基礎(chǔ)，采用IzoT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將IP應(yīng)用到控制網(wǎng)絡(luò)的每個終端設(shè)備，其中網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備具備自主管理能力，可以自行完成要執(zhí)行的任務(wù)。能源管理子站包括數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、能耗監(jiān)測平臺子系統(tǒng)、動態(tài)需求響應(yīng)子系統(tǒng)，用能安全管理子系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的分類分項分戶計量，電能質(zhì)量監(jiān)測，分布式電源接入與管理，預(yù)付費與電能平衡分析等功能。此外，能源管理子站通過對中央空調(diào)系統(tǒng)化節(jié)能調(diào)節(jié)、VRV空調(diào)和分體空調(diào)節(jié)能控制、供配電系統(tǒng)優(yōu)化、照明系統(tǒng)節(jié)能控制等實現(xiàn)能效提升和永久性降負，在每個電力用戶單位構(gòu)成系統(tǒng)化能效機組。

圖1 基于能源管理的自動需求響應(yīng)系統(tǒng)框架

1.2 能源托管平臺建設(shè)

能源托管平臺是實施能耗監(jiān)管和自動需求響應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，主要包括需求響應(yīng)子系統(tǒng)，需求響應(yīng)用戶管理子系統(tǒng)、需求響應(yīng)輔助決策子系統(tǒng)、虛擬電廠監(jiān)測與管理子系統(tǒng)等，具備的功能包括需求響應(yīng)能力分析、響應(yīng)額度分配、負荷基線預(yù)測、綜合能效評估、緩解配變過載、虛擬調(diào)控機組組合、響應(yīng)效果分析與結(jié)算管理等。此外，能源托管平臺還需要具備對其他需求響應(yīng)資源如儲能、分布式能源等實施多能互補和負荷聚合。

1.3 能源管理主站建設(shè)

能源管理主站作為能耗監(jiān)管者，也是自動需求響應(yīng)的組織實施者，采用云計算將管理服務(wù)器、存儲服務(wù)器、寬帶資源等集中起來，由軟件實現(xiàn)自動管理。主要由能源數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)、動態(tài)需求響應(yīng)子系統(tǒng)、人工智能決策支持子系統(tǒng)、能源調(diào)度子系統(tǒng)、地理信息子系統(tǒng)等組成。主站收集子站或托管平臺的反饋信息，對整體負荷趨勢進行監(jiān)測，對負荷特性進行分析和預(yù)測，制定不同約束條件下的需求響應(yīng)預(yù)案，當需求響應(yīng)事件啟動后，能夠自發(fā)調(diào)整響應(yīng)過程，改善負荷曲線，確保系統(tǒng)安全運行。響應(yīng)結(jié)束后，能夠?qū)π枨箜憫?yīng)效果進行判定，并對結(jié)果進行公示。

1.4 傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

基于能源管理的自動需求響應(yīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包括互聯(lián)網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、現(xiàn)場控制網(wǎng)，以及其他數(shù)據(jù)傳輸方式。能源管理主站可以直接訪問各個子站，也可以通過能源管理平臺對各子站進行監(jiān)管。主站和各個子站間的通信主要基于互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)客戶端、移動端的訪問等。能源托管平臺和各子站的網(wǎng)絡(luò)互通采用光纖專網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)及時、安全和準確傳輸?，F(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)采用Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)組建，通過智能表計采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傳輸速率高，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)容量大，拓撲結(jié)構(gòu)靈活。此外，系統(tǒng)還可通過電力無線專網(wǎng)或電力線載波通信網(wǎng)連接部分特殊的能源管理子站。

2 基于能源管理的自動需求響應(yīng)系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 自動需求響應(yīng)功能實現(xiàn)

需求側(cè)能源管理子站將負荷分為不可中斷、可中斷及可調(diào)負荷，在能源緊缺時關(guān)掉可中斷負荷，并對可調(diào)負荷進行降負荷調(diào)節(jié)，將可中斷負荷和可調(diào)負荷累加，形成虛擬機組，在用能高峰時參與調(diào)峰。

能源管理子站也可通過負荷聚合商的能源托管平臺，形成一定量級的能效電廠或虛擬電廠，參與源-網(wǎng)-荷互動，在用電高峰，能源管理主站將需求響應(yīng)指令和容量發(fā)給各虛擬電廠，能源托管平臺根據(jù)收到的調(diào)度指令及容量，按比例分解后發(fā)送至各能源管理子站，各子站根據(jù)收到的調(diào)度指令及容量，啟動虛擬發(fā)電機組，并將機組容量上報托管平臺，托管平臺匯總后再將虛擬電廠總?cè)萘可蟼鞯侥茉垂芾碇髡?。一次完整的自動需求響?yīng)事件如圖2所示。

2.2 能源管理的功能實現(xiàn)

能源管理子站通過實時在線計量完成本地監(jiān)控，對設(shè)備用電安全和質(zhì)量參數(shù)對如電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等進行監(jiān)測，對影響安全的電流過大、電壓過高等突發(fā)情況進行實時報警，提高能源管理水平,實現(xiàn)安全可靠用能的目標。通過建立能源管理系統(tǒng)，對供/冷熱量、風(fēng)量、水量、供氣量等按需調(diào)節(jié)，采用系統(tǒng)化的節(jié)能控制技術(shù)可以永久性降低負荷。根據(jù)用戶需求，建立用能模型，在實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史累計數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上進行用能診斷，確定節(jié)能的關(guān)鍵點。具體包括如下3方面。

圖2 自動需求響應(yīng)事件流程圖

（1）中央空調(diào)系統(tǒng)按需自動化調(diào)節(jié)控制:根據(jù)室外環(huán)境溫濕度、公共建筑空調(diào)溫度設(shè)置指導(dǎo)意見或業(yè)主的實際溫度控制需求，實現(xiàn)對于風(fēng)機盤管、組合式空調(diào)、新風(fēng)機等空調(diào)末端的溫度設(shè)定控制，對溫度進行PID調(diào)節(jié)控制，按需供冷/熱量。對于冷凍站實現(xiàn)冷水機的自動加卸載、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機的臺數(shù)控制和變頻控制，實現(xiàn)按需優(yōu)化節(jié)能控制。

（2）工業(yè)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)按需自動化調(diào)節(jié)控制:根據(jù)工藝過程實際需量，采用PID閉環(huán)控制，實現(xiàn)按需自動化調(diào)節(jié)控制，提高風(fēng)機、水泵的能效，有效降低系統(tǒng)總負荷。

（3）工業(yè)空壓機按需調(diào)節(jié)控制:根據(jù)工藝過程實際需氣量，對儲氣罐出口壓力進行PID閉環(huán)控制，實現(xiàn)恒壓供氣自動化控制，提高空壓機運行能效，有效降低空壓機運行總負荷。

3 基于能源管理的自動需求響應(yīng)應(yīng)用模式

3.1 參與主體

自動需求響應(yīng)的參與主體包括政府、電網(wǎng)企業(yè)、負荷聚合商及電力用戶。

政府是需求響應(yīng)實施的主導(dǎo)者和推動者。我國的需求響應(yīng)尚處在起步階段，政府發(fā)揮行政管理優(yōu)勢，主導(dǎo)和推動需求響應(yīng)工作的開展非常重要。

作為輸配電運營商，電網(wǎng)企業(yè)掌控著電網(wǎng)運行控制的技術(shù)和信息,電網(wǎng)企業(yè)參與自動需求響應(yīng)，有助于提升用戶服務(wù)體驗和探索新的需求側(cè)管理模式。

負荷聚合商作為專業(yè)化的業(yè)務(wù)主體，為能源市場提供平衡機制、系統(tǒng)調(diào)峰和輔助服務(wù)等。同時充分挖掘負荷調(diào)節(jié)潛力，為電網(wǎng)運行和電力用戶帶來價值。

電力用戶是自動需求響應(yīng)的直接參與者，包括居民、大工業(yè)、一般工商業(yè)等。改變電力用戶用電方式，提高終端用電效率，是自動需求響應(yīng)的目的。

3.2 實施方案

在國外如美國、英國等地已形成電力市場，自動需求響應(yīng)的實施主要是通過負荷聚合商自發(fā)完成，它整合用戶需求響應(yīng)資源與用戶簽訂委托合同后，將資源提供給市場購買者，代理其參與需求響應(yīng)以及相關(guān)商務(wù)事宜。當前我國電力批發(fā)市場和零售市場均未放開，無法形成自發(fā)的、基于市場的自動需求響應(yīng)。在此背景下，自動需求響應(yīng)的實施過程如圖3所示。當電網(wǎng)企業(yè)提出的需求響應(yīng)啟動請求經(jīng)電力運行主管部門審核通過后，電力運行主管部門發(fā)出響應(yīng)指令，電網(wǎng)企業(yè)收到指令后，將命令下達到各負荷聚合商的需求響應(yīng)管理系統(tǒng)，各負荷集成商管理系統(tǒng)將收到的指令進行自動分解并下達到其所管轄各電力用戶的電能管理系統(tǒng)，電能管理系統(tǒng)通過各類調(diào)控策略進行自動降負荷運行，并將信息反饋給電網(wǎng)企業(yè)與負荷聚合商。

圖3 自動需求響應(yīng)實施過程

由圖3所示實施過程可以看出,自動需求響應(yīng)系統(tǒng)的核心在于電力用戶電能管理系統(tǒng)、負荷集成商需求響應(yīng)管理平臺、電網(wǎng)企業(yè)需求響應(yīng)系統(tǒng)平臺的建設(shè)與雙向互動，從而構(gòu)建了虛擬電廠，如圖4所示。在電力用戶內(nèi)部建設(shè)電能管理系統(tǒng)，對可中斷負荷、可調(diào)控負荷、分布式能源、儲能等進行自動化控制與管理，類似于形成各個微型的虛擬發(fā)電機組；負荷集成商的需求響應(yīng)管理平臺對所管轄用戶的虛擬發(fā)電機組參數(shù)、調(diào)控、統(tǒng)計分析等進行管理，類似于形成區(qū)域性的虛擬電廠，并與電網(wǎng)企業(yè)的需求響應(yīng)平臺進行雙向互動；電網(wǎng)企業(yè)需求響應(yīng)平臺對各負荷聚合商形成的區(qū)域性虛擬電廠的參數(shù)、實施、效果等進行動態(tài)管理與效果評估，形成全省虛擬電廠，上傳相關(guān)數(shù)據(jù)至政府需求側(cè)管理平臺并接受監(jiān)督與管理。

圖4 自動需求響應(yīng)調(diào)控路線與虛擬電廠構(gòu)建

3.3 運行模式

自動需求響應(yīng)是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉到政府、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶以及負荷聚合商各方的利益與訴求，探索可持續(xù)發(fā)展的運作模式是非常必要的。電力產(chǎn)品的公共屬性與電網(wǎng)企業(yè)管理的集中性，決定了電網(wǎng)企業(yè)無法逐個去解決每個電力用戶的調(diào)控與管理，通過PPP設(shè)立專門的SPV公司（specialpurpose vehicle,SPV），將政府、電網(wǎng)企業(yè)、負荷聚合商結(jié)合起來，為電力用戶建立智慧能源管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上通過PPP模式實施自動需求響應(yīng)，有利于國有資本及民資保值增值，財政資金效益最大化。同時SPV公司除了提供自動需求響應(yīng)服務(wù)外，還可為電力用戶提供定制化的能源管理服務(wù)、設(shè)備運行管理服務(wù)、節(jié)能服務(wù)等增值服務(wù)，得到除了調(diào)峰補貼外的其他收益。在形成一定規(guī)模的虛擬電廠后，自動需求響應(yīng)的實時性調(diào)控還可以為電網(wǎng)企業(yè)提供調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和電壓控制等輔助服務(wù)。可見，采用PPP模式對于自動需求響應(yīng)是一種可持續(xù)的運作模式，值得各方去探索與試驗。圖5為自動響應(yīng)PPP模式。

4 結(jié)束語

圖5 自動需求響應(yīng)PPP模式

自動需求響應(yīng)不依賴于人工操作，大大提高需求響應(yīng)的時效性、可靠性、靈活性和成本效益，本文通過能源管理子站、能源托管平臺、能源管理主站的建設(shè)與雙向互動，將需求響應(yīng)的主要功能從優(yōu)化電能配置拓展到向系統(tǒng)提供實時輔助服務(wù)，充分吸引和挖掘負荷可調(diào)節(jié)潛力，真正將需求響應(yīng)納入實時調(diào)度范疇，提高了系統(tǒng)間歇性能源接入能力和安全穩(wěn)定運行能力，是加強需求側(cè)管理的必然趨勢。另外，自動需求響應(yīng)的發(fā)展不僅需要理論知識和技術(shù)的支撐，而且還需要政策環(huán)境和市場機制的建設(shè)。我國應(yīng)加快設(shè)施建設(shè)、相關(guān)研究和用電側(cè)市場化進程，推進輔助服務(wù)的合理定價和相關(guān)標準的制定進程，促進自動需求響應(yīng)在國內(nèi)的發(fā)展。D

［1］ 劉東旗，王連成，龐金海，等.智能電網(wǎng)自動需求響應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)的研究［J］.自動化儀表，2013，34（11）：76-79.

［2］ 高賜威，梁甜甜，李揚，等.自動需求響應(yīng)的理論與實踐綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（2）：352-359.

［3］ 沈敏軒，孫毅，李彬，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)與應(yīng)用方案研究［J］.電測與儀表，2014（24）：96-100.

［4］ 張晶，孫萬珺，王婷.自動需求響應(yīng)系統(tǒng)的需求及架構(gòu)研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2015，35（16）：4 070-4 076.

［5］ 石坤，楊碩，史夢潔，等.自動需求響應(yīng)在中國參與主體的職責(zé)與運作模式研究［J］.供用電，2014（3）：24-27.

［6］ 石坤，趙建立，王鶴，等.我國自動需求響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)研究［J］.電氣應(yīng)用，2013（S2）:98-101.

［7］ 高賜威，李倩玉，李慧星，等.基于負荷聚合商業(yè)務(wù)的需求響應(yīng)資源整合方法與運營機制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（17）：78-86.

［8］ Seo J,Jin J,Kim J Y,etal.Automated residentialdemand response based on advanced metering infrastructure network［J］.International Journal of Distributed Sensor Networks,2016（1）:1-10.

［9］ Samad T,Koch E,Stluka P.Automated Demand Response for Smart Buildings and Microgrids：The State of the Practice and Research Challenges［J］.Proceedings of the IEEE,2016,104（4）：1-19.

［10］ 楊濱，田娜，劉建宇，等.基于能源管理的電力需求響應(yīng)支持系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2016（11）：253-254.

［11］ 閆華光，陳宋宋，鐘鳴，等.電力需求側(cè)能效管理與需求響應(yīng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（1）：42-47.

Research on the application ofautomated demand response based on energy management

SUN Zhi
（Lianyungang Power Supply Company,Lianyungang 222002,China）

自動需求響應(yīng)是智能電網(wǎng)的核心技術(shù)功能之一。從國內(nèi)需求響應(yīng)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出在需求側(cè)、中間商和供給側(cè)分別部署能源管理系統(tǒng)，提升用戶終端能效管理水平，促進源網(wǎng)荷的互動，完成自動需求響應(yīng)。通過對能源管理和自動需求響應(yīng)的功能實現(xiàn)進行闡述，確定了需求側(cè)節(jié)能的關(guān)鍵點以及調(diào)控措施。最后，對自動需求響應(yīng)參與主體進行了分析，提出實施的具體過程，并探討了新形勢下自動需求響應(yīng)的運作模式。

自動需求響應(yīng)；能源管理系統(tǒng)；PPP模式；智能電網(wǎng)

Automated demand response is one of the core technologies of smart grid.By analyzing the status of demand re?sponse in China，this paper proposes to deploy energy management system on the demand side,intermediate layer and the supply side. It will help to improve user terminal efficiency and management level,promote the interaction in load?network?source and realiza?tion of automated demand response.Then the key points of energy saving and control measures were determined by describing the function of energy management and automated demand response. Finally,this paper analyzes the main body of the participation, puts forward the specific process of implementation,and discusses the operation mode of the automated demand response under the new situation.

automated demand response;energy manage?mentsystem;PPP pattern；smartgrid

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.009

F407.61；TK018

C

2017-03-24