基于國(guó)家電力需求側(cè)管理綜合試點(diǎn)城市的需求響應(yīng)系統(tǒng)及機(jī)制研究

摘要：電力是企業(yè)賴以生存與發(fā)展的重要資源，但由于企業(yè)高峰產(chǎn)能或高溫氣候的原因，常規(guī)時(shí)間只用到總?cè)萘康?0%左右，存在巨大浪費(fèi)。因此，本文從用電側(cè)著手，通過(guò)采用先進(jìn)的電力需求響應(yīng)技術(shù)在用電側(cè)方面進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)度管理，能夠減緩電力系統(tǒng)的投資，節(jié)省的高峰負(fù)荷相當(dāng)于新建發(fā)電廠與輸配電設(shè)施，同時(shí)也能改善企業(yè)的能源管理，做到以負(fù)荷控制為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)管控。研究表明，采用需求響應(yīng)技術(shù)能夠在不影響正常生產(chǎn)情況下削減高峰負(fù)荷削減10%以上，也相當(dāng)于企業(yè)獲得10%的電力增容。

關(guān)鍵詞：需求響應(yīng) 區(qū)域性 負(fù)荷交易

1. 引言

電力需求側(cè)管理概念引入我國(guó)已有20多年， 它對(duì)我國(guó)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但需求需求響應(yīng)作為需求側(cè)管理的一個(gè)特殊領(lǐng)域在我國(guó)尚處于起步階段[1]。需求響應(yīng)是一種以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以包括云服務(wù)在內(nèi)的現(xiàn)代信息通信技術(shù)為手段，有巨量用電單位集體參與的用電與供電之間雙向互動(dòng)的有計(jì)劃的項(xiàng)目活動(dòng)，其目的是實(shí)現(xiàn)用電高峰期區(qū)域電力最高負(fù)荷的削減。需求響應(yīng)本質(zhì)上是一種用電負(fù)荷精細(xì)化管理方法，通過(guò)對(duì)企業(yè)的各種負(fù)荷的使用情況、歷史數(shù)據(jù)或即時(shí)數(shù)據(jù)以及企業(yè)用電模式等進(jìn)行精細(xì)分析，在企業(yè)內(nèi)部尋找在用電高峰期被浪費(fèi)掉的、可以調(diào)控的、可以節(jié)省的的負(fù)荷，把這些負(fù)荷分門別類與調(diào)控模式聯(lián)系起來(lái)、儲(chǔ)備起來(lái)，在電力高峰時(shí)使用。需求響應(yīng)的作用取決于電力用戶參與的規(guī)模。與傳統(tǒng)的有序用電管理相比，需求響應(yīng)是一種自覺自愿的的行動(dòng)，客戶參與的驅(qū)動(dòng)力是公開、透明的政府的鼓勵(lì)政策與激勵(lì)辦法。用戶參與需求響應(yīng)幫助電網(wǎng)削減了電力尖峰，維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定、節(jié)省了投資、節(jié)省了能源、為社會(huì)作出了貢獻(xiàn)，因而可以得到相應(yīng)的、各種可能的回報(bào)。國(guó)際上，美國(guó)加州及紐約通過(guò)十幾年需求需求響應(yīng)的實(shí)施，在不增加發(fā)電機(jī)組的情況下就滿足的電力增長(zhǎng)的要求，尤其是當(dāng)遇到極端天氣的情況下，需求響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性發(fā)揮了巨大的作用[2]。與新建發(fā)電廠、輸配電設(shè)施相比，需求響應(yīng)實(shí)施的成本一般只有他們的三分之一。

2. 目的

2.1 完成國(guó)家需求響應(yīng)試點(diǎn)任務(wù)

開展需求響應(yīng)是國(guó)家發(fā)改委為解決中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展電力需求問(wèn)題的一個(gè)核心戰(zhàn)略之一，2012年底國(guó)家發(fā)改委選定北京、唐山、佛山、蘇州市成為國(guó)內(nèi)電力需求側(cè)管理綜合試點(diǎn)城市之一，要求完成需求響應(yīng)試點(diǎn)任務(wù)。

2.2 幫助解決佛山的電力短缺及間歇性新能源問(wèn)題

試點(diǎn)城市在目前夏季高峰用電期就存在電力短缺的問(wèn)題，許多企業(yè)的生產(chǎn)受到影響，需要擴(kuò)容的企業(yè)很多。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，試點(diǎn)城市需求更多的電力，通過(guò)需求響應(yīng)建立虛擬電廠[4]是解決電力短缺的有效途徑之一。

消納新能源的間歇性，促進(jìn)以風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源的發(fā)展，為大量電動(dòng)汽車的使用提供彈性的電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。

2.3 幫助企業(yè)節(jié)能降耗降低成本

試點(diǎn)城市的工業(yè)園區(qū)企業(yè)的電費(fèi)每年近5個(gè)億，電力高峰負(fù)荷在15萬(wàn)千瓦左右，負(fù)荷管理與節(jié)能潛力巨大，而且工業(yè)園區(qū)在考慮建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的能源管理、生產(chǎn)調(diào)度改進(jìn)系統(tǒng)。需求響應(yīng)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)能源管理平臺(tái)之許多方面是重合的，完成需求響應(yīng)試點(diǎn)在很大程度上看是工業(yè)園區(qū)能源、運(yùn)行管理平臺(tái)的一部分。采用需求響應(yīng)技術(shù)能夠在不影響正常生產(chǎn)情況下削減高峰負(fù)荷削減10%以上，也就是相當(dāng)于企業(yè)獲得10%的電力增容。

3. 需求響應(yīng)試點(diǎn)實(shí)施構(gòu)架及實(shí)施過(guò)程分析

3.1 系統(tǒng)概述

電力需求響應(yīng)系統(tǒng)是服務(wù)于需求響應(yīng)的自動(dòng)化信息系統(tǒng)，應(yīng)能夠有效地支持政府部門、電網(wǎng)企業(yè)、電能服務(wù)商、電力用戶共同完成的需求響應(yīng)活動(dòng)，提供政府、電網(wǎng)、電能服務(wù)商和用戶之間對(duì)需求響應(yīng)互操作性的共同理解。需求響應(yīng)系統(tǒng)劃分成業(yè)務(wù)層、功能層、信息層、通信層和組件層5個(gè)層面。

電力需求響應(yīng)系統(tǒng)5大特點(diǎn)：

（1）擴(kuò)展性：原有系統(tǒng)及新設(shè)備的功能擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)能合格運(yùn)行原有設(shè)備及應(yīng)用程序，盡可能避免設(shè)施及服務(wù)追加成本的大量投入。

（2）可升級(jí)性：需求響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)在其進(jìn)行周期性局部系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中，具有無(wú)困難系統(tǒng)功能加強(qiáng)及保持原有運(yùn)行狀態(tài)的能力。

（3）靈活性：需求響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)按照一貫的政策進(jìn)行持續(xù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行，但允許參與者自主選擇需求響應(yīng)項(xiàng)目的類型和順序，且任一項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中與原計(jì)劃發(fā)生部分偏離時(shí)不被懲罰。

（4）可維護(hù)性：系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)可在其生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全、可靠的系統(tǒng)自維護(hù)，同時(shí)支持原有系統(tǒng)的合并和移除。

（5）安全性：需求響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)支持抵制未審核/未經(jīng)授權(quán)入侵、訪問(wèn)、物理和網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)使用的功能。

3.2 系統(tǒng)參與者

需求響應(yīng)監(jiān)管部門主要進(jìn)行需求響應(yīng)計(jì)劃、動(dòng)態(tài)價(jià)格或需求側(cè)競(jìng)標(biāo)規(guī)則的制定者、費(fèi)率結(jié)構(gòu)的審批者和實(shí)施過(guò)程的監(jiān)督者。

電力公司主要提供需求響應(yīng)服務(wù)，同時(shí)也負(fù)責(zé)需求響應(yīng)系統(tǒng)與電力營(yíng)銷、電力調(diào)度和電能服務(wù)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的信息交換。主要負(fù)責(zé)發(fā)布動(dòng)態(tài)電價(jià)、分解發(fā)布負(fù)荷需求及發(fā)布DR事件通知。監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行、考核需求響應(yīng)結(jié)果。對(duì)大量用戶聚合后進(jìn)行需求響應(yīng)服務(wù)，需求響應(yīng)聚合系統(tǒng)連接DR終端與需求響應(yīng)服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)需求響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)布的削減負(fù)荷進(jìn)行再分配。

用戶側(cè)設(shè)施通常由用戶直接管理、也可以委托DR服務(wù)供應(yīng)商管理，用戶側(cè)管理的主要資源有：

（1）能源系統(tǒng)：包括家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）、樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）、工業(yè)能源管理系統(tǒng)（FEMS）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式能源系統(tǒng)等。

（2）用電設(shè)備：電梯、電機(jī)、工業(yè)設(shè)備、空調(diào)、照明燈具、家用電器等。

（3）智能設(shè)備：可編程控制器、智能家電、智能終端等。

（4）網(wǎng)關(guān)設(shè)備：家庭通信網(wǎng)關(guān)、工廠能源網(wǎng)關(guān)等。

（5）局域網(wǎng)：家庭、樓宇、工廠、社區(qū)等本地局域網(wǎng)。

（6）充電樁：電動(dòng)汽車充電樁等。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

業(yè)務(wù)層規(guī)定需求響應(yīng)政策、業(yè)務(wù)模式、參與者的分工、業(yè)務(wù)能力和業(yè)務(wù)過(guò)程。支持管理者開展需求響應(yīng)業(yè)務(wù)，支持監(jiān)管者定義新的市場(chǎng)模式，支持業(yè)務(wù)細(xì)化，保證各個(gè)具體業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

功能層規(guī)定的功能和服務(wù)及其之間的關(guān)系，提供相應(yīng)功能，支撐業(yè)務(wù)流程。功能必須從用例中提取出來(lái)的，功能的表示是邏輯的、獨(dú)立于參與者和物理實(shí)現(xiàn)。

信息層規(guī)定在功能、服務(wù)和組件之間進(jìn)行交互的信息，定義信息對(duì)象和數(shù)據(jù)模型的基本規(guī)范，提供了通信互操作的通用語(yǔ)義。信息層主要包括業(yè)務(wù)環(huán)境和語(yǔ)義理解功能。規(guī)范幫助語(yǔ)義理解與業(yè)務(wù)內(nèi)容表達(dá)。

通信層重點(diǎn)規(guī)定了信息交換的協(xié)議和機(jī)制?；谟美?、功能服務(wù)、信息對(duì)象或數(shù)據(jù)模型。通信層主要包括語(yǔ)法的互操作性功能。提供網(wǎng)絡(luò)交互，主要交互流程應(yīng)包括。

物理層重點(diǎn)規(guī)定了需求響應(yīng)系統(tǒng)的物理分布，包括系統(tǒng)參與者、智能應(yīng)用程序、用戶設(shè)備、電力設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（有線/無(wú)線通信連接，路由器，交換機(jī)，服務(wù)器）和計(jì)算機(jī)。物理層主要包括網(wǎng)絡(luò)的互操作性功能，提供基本連接。

4. 需求響應(yīng)負(fù)荷來(lái)源分析及響應(yīng)流程

4.1 需求響應(yīng)負(fù)荷來(lái)源分析

工業(yè)園區(qū)需求響應(yīng)試點(diǎn)初步的削減負(fù)荷來(lái)源初步分析如下：

需求響應(yīng)策略 負(fù)荷總量

（MW） 削減

比例 削減負(fù)荷

（MW） 響應(yīng)類型 實(shí)施辦法

A 中央空調(diào)/

照明系統(tǒng) 6 8% 0.48 自動(dòng) 提前一天

或當(dāng)天

B 試驗(yàn)室負(fù)荷

管理與優(yōu)化 20 20% 4 半自動(dòng) 提前30分

鐘或即時(shí)

C 企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)

濟(jì)負(fù)荷調(diào)度 10 15% 1.5 半自動(dòng) 提前30分鐘或即時(shí)

D 分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng) 32 5% 2.2 自動(dòng) 提前30分

鐘或即時(shí)

E 變壓器群負(fù)

荷管理優(yōu)化 10 15% 1.5 半自動(dòng) 提前一天或當(dāng)天

總計(jì)： 9.68

4.2 響應(yīng)流程

（1）準(zhǔn)備：發(fā)動(dòng)企業(yè)自愿參與，并于政府管理部門簽訂自動(dòng)需求響應(yīng)協(xié)議。

（2）發(fā)布：供電局根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)提前一天（或者當(dāng)天上午）在需求側(cè)管理平臺(tái)發(fā)布需響應(yīng)的負(fù)荷量，并通過(guò)需求側(cè)管理平臺(tái)發(fā)布至需求響應(yīng)集成服務(wù)商平臺(tái)或參與企業(yè)。

（3）負(fù)荷自動(dòng)分配：需求側(cè)管理平臺(tái)根據(jù)模型自動(dòng)分配響應(yīng)負(fù)荷至需求響應(yīng)集成服務(wù)商平臺(tái)或參與企業(yè)，并通知參與企業(yè)。（在高級(jí)應(yīng)用階段，參與企業(yè)可以對(duì)響應(yīng)負(fù)荷進(jìn)行競(jìng)價(jià)和交易）。

（4）實(shí)施與監(jiān)控：參與企業(yè)根據(jù)預(yù)先制定的需求響應(yīng)策略對(duì)電力需求做成響應(yīng)，通過(guò)需求側(cè)管理平臺(tái)客戶終端或負(fù)荷集成商提供的用戶終端監(jiān)測(cè)需求響應(yīng)事件過(guò)程，并及時(shí)對(duì)削減負(fù)荷做出調(diào)整。

（5）效果評(píng)估：需求響應(yīng)平臺(tái)根據(jù)負(fù)荷集成商或參與企業(yè)的實(shí)際負(fù)荷與先前計(jì)算的基準(zhǔn)負(fù)荷計(jì)算企業(yè)的響應(yīng)負(fù)荷，并實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)。對(duì)于以負(fù)荷集成商為主體實(shí)施的需求響應(yīng)試點(diǎn)結(jié)果，政府的獎(jiǎng)勵(lì)資金將與負(fù)荷集成商結(jié)算，參與企業(yè)的收益由負(fù)荷集成商根據(jù)雙方協(xié)議結(jié)算。

5. 結(jié)語(yǔ)

需求響應(yīng)是智能電網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用，是智能用電中最能體現(xiàn)靈活互動(dòng)特征的核心業(yè)務(wù)之一，對(duì)提高供需動(dòng)態(tài)優(yōu)化程度、提升電力資源優(yōu)化配置水平，以及構(gòu)建供用電和諧關(guān)系等方面具有重要作用。自動(dòng)需求響應(yīng)作為需求響應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)，主要特征是信息交互標(biāo)準(zhǔn)化、決策智能化和執(zhí)行自動(dòng)化[5]。本文為開發(fā)自動(dòng)需求響應(yīng)管理平臺(tái)提供了理論研究，提出針對(duì)不同參與方（政府，電力公司，用戶），且具備商業(yè)運(yùn)行的各種激勵(lì)方式，并開展試點(diǎn)應(yīng)用，建立國(guó)內(nèi)首個(gè)電力自動(dòng)需求響應(yīng)工業(yè)園區(qū)，成為我國(guó)電力需求響應(yīng)的重要試驗(yàn)田。

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作者簡(jiǎn)介：

汪振，1983-03，男，漢族，工程師，南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，碩士，研究方向：電力需求側(cè)管理。