美國(guó)需求響應(yīng)技術(shù)和思考（上）

唐 楠，李藝豐，王蓓蓓，孔 林

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

隨著電力市場(chǎng)的不斷發(fā)展與完善，電力系統(tǒng)中的利益主體逐步多元化，需求側(cè)資源在競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中的作用正在被重新認(rèn)識(shí)。在電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中引入需求響應(yīng)，通過(guò)價(jià)格信號(hào)和激勵(lì)機(jī)制來(lái)發(fā)揮需求側(cè)資源在市場(chǎng)中的作用，并將供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的資源進(jìn)行綜合資源規(guī)劃，這將是適應(yīng)電力市場(chǎng)發(fā)展的必然要求。

需求響應(yīng)（demand response，DR）強(qiáng)調(diào)電力用戶直接根據(jù)市場(chǎng)情況主動(dòng)做出調(diào)整負(fù)荷需求的行為，將負(fù)荷高峰時(shí)段的電力需求轉(zhuǎn)移到負(fù)荷低谷時(shí)段，這將有效地避免或推遲使用率較低的“峰值發(fā)電廠”的建設(shè)，并起到降低電力成本，提高輸電線路、變電站和電廠等電網(wǎng)資產(chǎn)的效用。

美國(guó)是實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目最早的國(guó)家，其電力市場(chǎng)環(huán)境開放，也是世界上實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目最多、種類最齊全的國(guó)家。目前，美國(guó)加州、PJM（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）和新英格蘭等7個(gè)地區(qū)電力系統(tǒng)，以及美國(guó)PG&E和SCE等電力公司都已建立了基于市場(chǎng)運(yùn)作的需求響應(yīng)項(xiàng)目。根據(jù)各個(gè)ISO（independent system operators,ISO）/RTO（regional transmission organizations,RTO）的統(tǒng)計(jì)，2006年夏季高峰負(fù)荷時(shí)期，通過(guò)實(shí)施DR降低了系統(tǒng)1.4%～4.1%的高峰負(fù)荷［1］。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全美高峰削減量達(dá)到22 901 MW，2010年全美高峰削減量達(dá)到32 845 MW，增長(zhǎng)42%［2］。根據(jù)調(diào)查，美國(guó)現(xiàn)行的電力需求響應(yīng)項(xiàng)目削減負(fù)荷的總潛力可達(dá)37 500 MW［3］。

政府政策一直是推動(dòng)需求響應(yīng)發(fā)展的重要力量。美國(guó)需求響應(yīng)起步早，相關(guān)政策相對(duì)完備［4］。另外，新的需求響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)能夠顯著提高用戶參與DR項(xiàng)目的積極性，進(jìn)一步挖掘DR資源的潛力。美國(guó)長(zhǎng)期致力于需求響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究，并將相關(guān)成果應(yīng)用于DR項(xiàng)目，推動(dòng)了需求響應(yīng)項(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)的實(shí)施。

目前，我國(guó)需求響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)程緩慢，相關(guān)需求響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的研究存在不足。在此背景下，本文對(duì)美國(guó)需求響應(yīng)項(xiàng)目推行中采用的使能技術(shù)、電網(wǎng)友好設(shè)備和能量管理系統(tǒng)平臺(tái)等關(guān)鍵支撐技術(shù)進(jìn)行了梳理，從市場(chǎng)占有率層面對(duì)主流廠商的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行概述，為我國(guó)電力需求響應(yīng)項(xiàng)目中關(guān)鍵支撐技術(shù)的研究工作開拓視野，提供參考，以促進(jìn)需求響應(yīng)項(xiàng)目在我國(guó)高效、有序地開展。

1 使能技術(shù)

使能技術(shù)是指幫助電力用戶更方便靈活地參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的一系列關(guān)鍵技術(shù)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和需求響應(yīng)項(xiàng)目的普及，用戶側(cè)需要配套的技術(shù)支撐來(lái)充分調(diào)動(dòng)用戶主動(dòng)調(diào)整用電的積極性，更好地配合需求響應(yīng)項(xiàng)目的開展。美國(guó)的需求響應(yīng)起步較早，也是世界上實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目最多的國(guó)家，其十分重視使能技術(shù)的發(fā)展。2003年，加利福尼亞能源委員會(huì)與加州大學(xué)伯克利校區(qū)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)簽署合同，開展了需求響應(yīng)使能技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（demand response enabling technology development,DRETD）［5—6］，致力于恒溫控制器、無(wú)線通信設(shè)備、計(jì)量和傳感器等的研究與開發(fā)。目前在這方面做得比較好的公司有Comverge，Atmel，Ambiant，LOXONE等。其中，Comverge是一個(gè)智能能源管理解決方案供應(yīng)商，該公司于2013年2月4日推出了DirectLink系列產(chǎn)品，并憑借此系列產(chǎn)品獲得了TMCnet網(wǎng)站頒發(fā)的2014年智能電網(wǎng)產(chǎn)品年度大獎(jiǎng)［7］。下面對(duì)部分使能技術(shù)予以介紹。

1.1 智能控制開關(guān)

控制開關(guān)是一種能夠控制電氣設(shè)備開斷的裝置。傳統(tǒng)控制開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一。與傳統(tǒng)控制開關(guān)相比，智能控制開關(guān)新增了許多功能。以Comverge公司為例，其DirectLink智能控制開關(guān)產(chǎn)品新增的功能主要如下：利用已有的寬帶網(wǎng)絡(luò)替代復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)；能夠單獨(dú)控制多臺(tái)設(shè)備；用戶可以提前對(duì)DR事件進(jìn)行編程；其內(nèi)置ZigBee通信允許戶外遠(yuǎn)程測(cè)試等［7—9］。

新增的功能使智能控制開關(guān)能夠在需求響應(yīng)項(xiàng)目中更智能地控制用電設(shè)備，進(jìn)一步幫助用戶節(jié)省電費(fèi)、優(yōu)化負(fù)荷曲線。運(yùn)用已有的寬帶網(wǎng)絡(luò)有利于電力公司利用雙向通信實(shí)施自動(dòng)定價(jià)或者高級(jí)負(fù)荷控制等DR項(xiàng)目；單獨(dú)控制多臺(tái)設(shè)備的功能能夠節(jié)省項(xiàng)目周期的硬件成本和安裝成本。另外，對(duì)DR事件提前預(yù)編程的功能有助于自動(dòng)定價(jià)項(xiàng)目的實(shí)施。

1.2 智能溫控器

恒溫控制器一般裝于熱水器、暖通、空調(diào)等設(shè)備上，用以對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行恒定的溫度控制。在傳統(tǒng)恒溫控制器的基礎(chǔ)上，智能溫控器新增了許多功能。以Comverge公司為例，其DirectLink智能溫控器產(chǎn)品的功能［10—11］主要包括：①允許用戶事先對(duì)其編程；②能夠基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet protocol，IP）不斷地進(jìn)行遙測(cè)并提供近乎實(shí)時(shí)的信息反饋；③內(nèi)置用戶可更換的通信模塊，大大提高了通信的靈活性；④能夠記錄并剖析事件，形成溫控器的遙測(cè)報(bào)告，包括壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、溫度設(shè)定值、室溫等。

其中，近乎實(shí)時(shí)的信息反饋的功能使電力公司更加清晰地了解實(shí)時(shí)負(fù)荷及DR事件中的削減負(fù)荷情況；預(yù)編程的功能使得用戶能夠根據(jù)電價(jià)信息提前對(duì)被控設(shè)備的溫度進(jìn)行設(shè)定，在接收電力公司發(fā)布的電價(jià)信息后，智能溫控器通過(guò)已經(jīng)編好的程序來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備的溫度設(shè)定值，及時(shí)地對(duì)電價(jià)作出響應(yīng)，從而便于設(shè)備自動(dòng)參與基于電價(jià)的需求響應(yīng)項(xiàng)目；剖析和事件記錄功能便于事故診斷或根據(jù)用戶的偏好設(shè)定、外界激勵(lì)強(qiáng)弱對(duì)需求響應(yīng)效果的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘［12］。

1.3 家庭電能顯示器

家庭電能顯示器（in-home display，IHD）是一種交互設(shè)備，它能通過(guò)安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從智能電能表收集并顯示用戶的用電數(shù)據(jù)。各國(guó)開展的相關(guān)試驗(yàn)已經(jīng)表明，室內(nèi)顯示器能夠幫助用戶節(jié)省5%到15%的用電量［13］。目前，IHD發(fā)展較快，從簡(jiǎn)單的分段式LCD顯示器到具有薄膜晶體管顯示屏和觸摸屏的顯示器，復(fù)雜程度不一。以Atmel公司的室內(nèi)顯示裝置為例，該公司的顯示器經(jīng)由家庭局域網(wǎng)從智能計(jì)量表獲取信息，而不像傳統(tǒng)顯示器那樣通過(guò)內(nèi)置傳感器來(lái)獲取電能消費(fèi)信息［14］，從而簡(jiǎn)化了信息傳送的過(guò)程，縮短了信息延遲的時(shí)間。另外，顯示器不僅可以顯示用電信息，而且能夠顯示電力供應(yīng)商提供的合理用電建議。

信息延遲時(shí)間的縮短提高了電價(jià)等信息的準(zhǔn)確度。另外，參與DR項(xiàng)目的用戶能夠根據(jù)家庭電能顯示器顯示的電力消費(fèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和用電建議在必要的時(shí)刻改變用電習(xí)慣，及時(shí)對(duì)DR事件信號(hào)作出響應(yīng)。

1.4 能量球

能量球［13］是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)設(shè)備，它不能提供大量的用電信息，但能夠通過(guò)發(fā)出不同顏色的光來(lái)提醒用戶電網(wǎng)負(fù)荷所處的水平。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，用戶不需靠近顯示表查看電價(jià)變化，就可以遠(yuǎn)距離了解某時(shí)刻電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到何種水平，確定是否關(guān)閉非必要的電器設(shè)備。另外，由于能量球不能顯示數(shù)字化信息，所以這項(xiàng)使能技術(shù)一般不會(huì)單獨(dú)使用，而需要與個(gè)性化的簡(jiǎn)報(bào)、電子郵件以及上面提到的家庭電能顯示器等設(shè)備配合使用。

目前，美國(guó)許多電力公司已經(jīng)在居民和商業(yè)需求響應(yīng)項(xiàng)目中采用了能量球，例如：PG&E以及南加州愛迪生公司。項(xiàng)目中應(yīng)用最多的是Ambiant設(shè)備公司生產(chǎn)的能量球產(chǎn)品［16］。它可以通過(guò)提供電力消費(fèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)幫助用戶在必要的時(shí)候改變使用習(xí)慣，從而配合DR項(xiàng)目的實(shí)施。例如：如果能量球發(fā)出綠光，說(shuō)明負(fù)荷需求較低；發(fā)出黃光，表明負(fù)荷需求適中；發(fā)出紅光，表明負(fù)荷需求較高，提醒用戶電網(wǎng)過(guò)負(fù)載的幾率增大。接收到紅光信號(hào)后，有轉(zhuǎn)移負(fù)荷潛力的用戶通過(guò)削減該時(shí)段非必要的負(fù)荷，給電網(wǎng)提供某種形式的輔助服務(wù)，從而達(dá)到提高電網(wǎng)可靠性的目的。

1.5 智能插座

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的普通插座從功能上劃分主要有5種，即漏電保護(hù)型插座、定時(shí)型插座、主路控制型插座、遙控型插座以及計(jì)量型插座。這些插座功能單一，難以滿足用戶多樣性要求。智能插座是智能家居的重要組成部分，是將計(jì)算機(jī)、通信、控制和測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于一體的新一代插座產(chǎn)品，具有智能化、節(jié)能化、便捷化等特點(diǎn)。其中較典型的智能插座設(shè)備是LOXONE公司生產(chǎn)的SMART SOCKET AIR。SMART SOCKET AIR［17］可以通過(guò)無(wú)線插頭方便地控制家用電器，包括洗衣機(jī)、電視機(jī)、燈具等。該插座能夠精確地告知用戶家用電器的功率消耗量，并每隔5 min更新一次電能和功率信息。

智能插座能夠利用無(wú)線電遙控方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的遠(yuǎn)程控制，這將便于參與DR項(xiàng)目的用戶根據(jù)DR事件信號(hào)在家中或戶外對(duì)家用電器進(jìn)行控制［18—19］，及時(shí)對(duì)DR事件作出響應(yīng)。另外，智能插座不僅能夠測(cè)量電器的用電情況及電器使用時(shí)間，而且可以通過(guò)設(shè)置，自動(dòng)將電器用電量按電價(jià)換算成電費(fèi)，讓用戶輕松獲知電器運(yùn)行中耗費(fèi)的電能，以及需要支付的電費(fèi)。

2 電網(wǎng)友好型用電設(shè)備

傳統(tǒng)的終端用電設(shè)備，如：空調(diào)、熱水器、冰箱以及照明燈具等，功能單一，不能滿足智能電網(wǎng)需求響應(yīng)項(xiàng)目的要求。而電網(wǎng)友好型用電設(shè)備是在傳統(tǒng)用電設(shè)備的基礎(chǔ)上加以改造并能夠與電網(wǎng)靈活互動(dòng)、根據(jù)實(shí)際所需自動(dòng)地控制負(fù)荷的終端用電設(shè)備。

電網(wǎng)友好型用電設(shè)備能夠與電網(wǎng)進(jìn)行雙向信息交換。用電設(shè)備接收電網(wǎng)發(fā)出的事件通知和電價(jià)信息后，根據(jù)這些信息自行調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，從而有效地避免了電網(wǎng)過(guò)載或供用電負(fù)荷不平衡的情況。用戶可以利用計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或家電產(chǎn)品自帶的裝置，了解住宅的電力消費(fèi)狀況以及產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)對(duì)用電方案進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

下面以使用頻率較高、耗電量占電網(wǎng)總負(fù)荷比重較大的照明燈具、空調(diào)、熱水器、冰箱為例予以介紹。

2.1 智能照明燈具

照明設(shè)備是最為常見的終端用電設(shè)備。與其他終端相比，單個(gè)居民用戶的照明負(fù)荷相對(duì)較低，但晚間隨著照明需求的增大及用戶的增多，用戶側(cè)照明負(fù)荷將顯著增加，在某些時(shí)段可能會(huì)出現(xiàn)用電高峰。商業(yè)用戶也有類似的特點(diǎn)，且照明用電量比居民大得多，這將進(jìn)一步加重電網(wǎng)在夜間的供電負(fù)擔(dān)。因此，在照明終端設(shè)備實(shí)施需求響應(yīng)，對(duì)于電網(wǎng)的削峰填谷具有重要的作用。

傳統(tǒng)照明設(shè)備功能單一，靈活性差，不能與智能電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)。而智能照明設(shè)備，即智能發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）燈具，在性能方面有了很大的改善，具有更多的功能。以Digital Lumens公司推出的智能LED燈具為例［20］，主要功能如下：①具有智能集成在場(chǎng)感應(yīng)的能力，在檢測(cè)到特定區(qū)域有人在場(chǎng)時(shí)打開燈具，無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉或調(diào)暗；②設(shè)有獨(dú)立定位的LED燈條，每個(gè)燈條都可以旋轉(zhuǎn)（在每個(gè)方向旋轉(zhuǎn)10°～40°），以便在需要時(shí)發(fā)出直射光；③能夠感應(yīng)日光并估算可用日光強(qiáng)度，根據(jù)可用日光調(diào)節(jié)燈具的輸出；④能夠基于DR信號(hào)調(diào)整燈具亮度，更好地參與需求響應(yīng)項(xiàng)目；⑤能夠記錄燈具的功耗、小時(shí)數(shù)、在場(chǎng)事件以及通過(guò)日光采集節(jié)約的電能等。其中，新增功能①、②、③使得智能照明燈具能夠根據(jù)外界環(huán)境靈活地調(diào)整燈具強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的；新增功能④使得智能照明燈具能夠靈活地參與DR項(xiàng)目；新增功能⑤不僅有助于用戶了解燈具的使用情況，而且方便電力公司對(duì)DR項(xiàng)目的效果進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。

2.2 智能空調(diào)

隨著空調(diào)在商業(yè)建筑和居民用戶中使用率的增加，空調(diào)負(fù)荷占總負(fù)荷的比重日益增大，在空調(diào)需求較大的冬季和夏季更為顯著。研究表明，空調(diào)負(fù)荷越是集中，其啟停對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的影響越大。因此，空調(diào)終端也可以作為電網(wǎng)削峰填谷和負(fù)荷整形的設(shè)備。近來(lái)，美國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查表明，在對(duì)空調(diào)負(fù)荷實(shí)施控制后，峰荷時(shí)段的居民空調(diào)負(fù)荷削減量在0.3～1.5 kW之間。與傳統(tǒng)空調(diào)相比，智能空調(diào)增設(shè)了遠(yuǎn)程控制模塊、傳感器模塊及與智能插座友好接入的模塊等，因而具備了更多的功能。例如：能夠感知外部溫度，自動(dòng)控制空調(diào)開關(guān)；能夠連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用戶可在任何地方通過(guò)手機(jī)或電腦對(duì)其進(jìn)行控制；能夠感知用電高峰時(shí)電價(jià)的上漲，并自動(dòng)調(diào)整設(shè)備使用時(shí)間，更好地參與DR項(xiàng)目；能夠根據(jù)用戶的電費(fèi)預(yù)算和天氣預(yù)報(bào)向用戶提供空調(diào)設(shè)置建議；擁有多種冷卻模式和多種風(fēng)扇速度，方便用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行切換等［21—22］。

新增的功能不僅使智能空調(diào)具有了節(jié)能和控制靈活的特點(diǎn)，而且其感知電價(jià)上漲的特性可以使智能空調(diào)更好地參與到DR項(xiàng)目中。若智能空調(diào)用戶選擇參與DR項(xiàng)目，在接收峰時(shí)電價(jià)信號(hào)后，智能空調(diào)會(huì)自動(dòng)縮短運(yùn)行時(shí)間以對(duì)電價(jià)信號(hào)作出響應(yīng)，從而削減峰時(shí)負(fù)荷。另外，智能空調(diào)還可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，對(duì)可能的高峰負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行預(yù)測(cè)并事先對(duì)空調(diào)的運(yùn)行進(jìn)行設(shè)置，從而有效地避開峰荷。

2.3 智能熱水器

熱水器是另一種負(fù)荷占比較大的用電設(shè)備［23］，其負(fù)荷曲線沒(méi)有明顯的季節(jié)性特征，較為平滑。美國(guó)能源信息署報(bào)告稱，熱水器耗電量占一個(gè)典型家庭電能消費(fèi)總量的17.7%。傳統(tǒng)熱水器的儲(chǔ)水箱中存儲(chǔ)的水需要一直保持較高的溫度，即當(dāng)恒溫器檢測(cè)到水溫低于預(yù)設(shè)值時(shí)，會(huì)觸發(fā)加熱元件重新對(duì)水進(jìn)行加熱，這對(duì)于僅在早上和晚上用熱水器的用戶來(lái)說(shuō)，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。而智能熱水器［24—25］裝有按需加熱器，即僅在需要熱水的時(shí)候?qū)λM(jìn)行加熱，這克服了上述傳統(tǒng)熱水器不經(jīng)濟(jì)的缺點(diǎn)。除此之外，智能熱水器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有多種用戶可選的運(yùn)行模式，包括節(jié)能模式、假期模式和正常模式等，并能夠根據(jù)用戶所選的模式自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制熱水器的溫度、加熱持續(xù)時(shí)間及功率水平等。

智能熱水器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目的，而且可以方便其在DR項(xiàng)目中根據(jù)DR事件信號(hào)作出相應(yīng)的響應(yīng)。例如：在需要削減負(fù)荷的DR事件中，用戶可以選擇較為節(jié)能的運(yùn)行模式以對(duì)DR信號(hào)作出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)削峰的目的。

2.4 智能冰箱

冰箱是日常生活中普及率較高的家用電器。正常運(yùn)行時(shí)，冰箱的控制系統(tǒng)通過(guò)啟動(dòng)和關(guān)停壓縮機(jī)來(lái)調(diào)整其內(nèi)部的溫度。與傳統(tǒng)冰箱相比，智能冰箱新增了以下功能［26—27］：具有多種調(diào)節(jié)模式，能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度，以降低冰箱能耗；采用電力線通信（power line communication，PLC）智能遠(yuǎn)程控制技術(shù)，在電力信號(hào)中加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)冰箱與互聯(lián)網(wǎng)的連接，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端控制冰箱；內(nèi)置動(dòng)態(tài)需求控制器，即在傳統(tǒng)冰箱的基礎(chǔ)上增加一個(gè)動(dòng)態(tài)的需求控制器，該控制器能夠在分時(shí)電價(jià)下，根據(jù)預(yù)置程序自動(dòng)調(diào)節(jié)冰箱的運(yùn)行模式和運(yùn)行狀態(tài)。

新增的功能可以方便用戶通過(guò)移動(dòng)終端靈活地查看和控制冰箱的運(yùn)行狀態(tài)。另外內(nèi)置的動(dòng)態(tài)需求控制器使得智能冰箱能夠更好地參與DR項(xiàng)目。例如：若智能冰箱能夠與當(dāng)?shù)仉娏具M(jìn)行通信，在收到電力公司發(fā)出的尖峰電價(jià)信號(hào)后，智能冰箱中內(nèi)置的動(dòng)態(tài)需求控制器將會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行合理控制，使得冰箱在滿足箱內(nèi)各區(qū)域必要溫度要求的前提下盡量避免類似除霜之類的高耗能運(yùn)行或?qū)⒏吆哪苓\(yùn)行推遲到電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷和節(jié)約電費(fèi)的目的。

2.5 電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車作為正在培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，已成為新能源汽車發(fā)展的主要方向，也將成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ慕煌üぞ撸?8—29］?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著未來(lái)電動(dòng)汽車的普及，將有大量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充放電，這將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生不利的影響。為了應(yīng)對(duì)這種不利影響，使電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)更為有效地融合，美國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了新一代電動(dòng)汽車［30—31］。

新型電動(dòng)汽車將常規(guī)通信結(jié)構(gòu)應(yīng)用在電動(dòng)汽車中，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)設(shè)施之間的通信，從而使電動(dòng)汽車參與DR項(xiàng)目成為了可能。若電動(dòng)汽車用戶報(bào)名參與了DR項(xiàng)目，在電網(wǎng)需要降低充電負(fù)載以緩解用電高峰電力緊張的情況下，充電站將發(fā)出DR信號(hào)詢問(wèn)電動(dòng)汽車用戶是否允許停止充電操作或者適度降低充電功率。用戶將根據(jù)接收的信號(hào)作出選擇，若允許，充電站會(huì)停止對(duì)電動(dòng)車充電或降低充電功率以削減高峰時(shí)段的負(fù)荷。同時(shí)，電力公司會(huì)給那些在DR事件中削減負(fù)荷的電動(dòng)汽車用戶一定額度的補(bǔ)貼。可見，新型電動(dòng)汽車不僅可以有效地避免電動(dòng)車大量接入對(duì)電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性造成的負(fù)面影響，而且降低了電動(dòng)汽車用戶的充電費(fèi)用。

3 能量管理系統(tǒng)平臺(tái)

在需求響應(yīng)項(xiàng)目中，用戶根據(jù)電價(jià)或激勵(lì)信號(hào)改變?cè)械挠秒娔Ｊ?，從而?shí)現(xiàn)節(jié)省電費(fèi)、改善負(fù)荷曲線的目的。在節(jié)能和轉(zhuǎn)移電能方面，用戶側(cè)的潛力巨大，若想進(jìn)一步挖掘用戶改善負(fù)荷曲線的潛力，電網(wǎng)公司需要借助先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化電能的使用［32］，這將給電網(wǎng)本身和用戶自身帶來(lái)更大的效益。需要說(shuō)明的是，這里的能量管理系統(tǒng)平臺(tái)是一個(gè)廣義的概念，不同于能量管理系統(tǒng)（energy management system,EMS）。美國(guó)的第三方公司，例如：Honeywell、Digital Lumens、Melrok、Siemens，相繼推出了不同的能量管理系統(tǒng)平臺(tái)。這些能量管理系統(tǒng)平臺(tái)能夠借助前面敘述的使能技術(shù)和電網(wǎng)友好型用電設(shè)備，更加高效地挖掘DR潛力，最大化DR價(jià)值。

3.1 自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)

自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)（automated demand response，ADR）能夠根據(jù)電力公司發(fā)出的DR事件信號(hào)自動(dòng)地對(duì)用戶側(cè)負(fù)荷進(jìn)行控制。該系統(tǒng)主要針對(duì)大電力用戶（例如：負(fù)荷超過(guò)200 kW），并且允許用戶事先制定負(fù)荷控制策略。當(dāng)從ADR網(wǎng)關(guān)獲得電力公司發(fā)出的電價(jià)信號(hào)和事件通知后，系統(tǒng)便使用這些控制策略自動(dòng)對(duì)用戶負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。ADR系統(tǒng)能夠幫助用戶改善每天的能效，降低電網(wǎng)在用電高峰時(shí)段的負(fù)荷，從而可以避免或推遲“峰值發(fā)電廠”的建設(shè)。

以Honeywell開發(fā)的 ADR 系統(tǒng)［33］為例予以說(shuō)明。Honeywell的ADR系統(tǒng)由需求響應(yīng)自動(dòng)化服務(wù)器（demand response automation server，DRAS）驅(qū)動(dòng)，并與用戶的能量管理系統(tǒng)相接。系統(tǒng)采用OpenADR通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)DRAS、控制器和EMS之間的信息傳遞。該系統(tǒng)參與DR項(xiàng)目的具體過(guò)程如下：首先電力公司發(fā)出即將到來(lái)的DR事件信號(hào)，這些信號(hào)被DRAS接收并進(jìn)行處理，然后DRAS向安裝在用戶設(shè)備上的控制器發(fā)出信號(hào)。由于控制器與EMS相連，EMS相繼獲得信號(hào)并按用戶預(yù)先選定的負(fù)荷削減優(yōu)先級(jí)列表對(duì)負(fù)荷進(jìn)行削減。

Coastal pacific foods distributors（CPFD）在 DR項(xiàng)目中采用了Honeywell的ADR系統(tǒng)，取得了顯著的成果。其中，所有參與用戶每月總電費(fèi)減少了35 000美元到50 000美元不等，并且在DR事件中的峰荷削減量達(dá)110 kW。

3.2 智能LED系統(tǒng)

智能 LED 照明系統(tǒng)［34—35］能夠?qū)τ脩舭惭b的LED燈具進(jìn)行全面的控制，不僅能夠幫助用戶節(jié)能，而且還能夠參與需求響應(yīng)項(xiàng)目，有效地降低電力負(fù)荷，緩解電力系統(tǒng)供電不足的情況。若智能LED照明系統(tǒng)參與DR項(xiàng)目，用戶需要事先在智能LED照明系統(tǒng)中定義需求響應(yīng)“配置文件”，當(dāng)發(fā)生DR事件時(shí)，把某種環(huán)境下的LED燈具的亮度控制在某種強(qiáng)度之下；在DR事件觸發(fā)時(shí)，智能LED照明系統(tǒng)能夠根據(jù)需求響應(yīng)“配置文件”對(duì)燈具的光照強(qiáng)度進(jìn)行靈活地控制，從而有效地削減高峰負(fù)荷。

以Digital Lumens公司研發(fā)的智能LED系統(tǒng)為例予以說(shuō)明。該系統(tǒng)起初不支持OpenADR通信協(xié)議，在參與DR項(xiàng)目過(guò)程中，用戶收到DR通知后需手動(dòng)地將系統(tǒng)切換到預(yù)先設(shè)置的“配置文件”，來(lái)調(diào)節(jié)和控制燈具光照強(qiáng)度。隨著系統(tǒng)的不斷升級(jí)，智能LED系統(tǒng)具有了支持OpenADR通信協(xié)議的特性，這使得系統(tǒng)能夠根據(jù)DR信號(hào)自動(dòng)地作出響應(yīng)，即收到電力信號(hào)后，智能照明系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的照明配置文件而不需用戶手動(dòng)操作，這大大簡(jiǎn)化了需求響應(yīng)的過(guò)程，提高了用戶側(cè)的響應(yīng)速率。

3.3 智能建筑節(jié)能系統(tǒng)

智能建筑以建筑物為平臺(tái)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)對(duì)建筑物中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，并對(duì)信息資源進(jìn)行管理［36］。智能建筑節(jié)能系統(tǒng)是一類能夠?qū)χ悄芙ㄖ械恼彰飨到y(tǒng)、制冷/熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及其他能耗系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和綜合優(yōu)化管理的系統(tǒng)。另外，該系統(tǒng)還能與電網(wǎng)進(jìn)行雙向信息交互，可以在接收電網(wǎng)發(fā)出的動(dòng)態(tài)電價(jià)信號(hào)后改變?cè)械挠秒娔Ｊ?，自?dòng)參與需求響應(yīng)［37］項(xiàng)目。

以Melrok公司為例，該公司推出的EnergiStream系統(tǒng)能有效地解決建筑物能源成本飛漲這一問(wèn)題。該系統(tǒng)能夠從分散在建筑物中的傳感器上收集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與其他相關(guān)資源（如：天氣信息和定價(jià)信息）相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為可操作的簡(jiǎn)潔信息，然后以流的形式傳送到基于云的遠(yuǎn)程服務(wù)器；系統(tǒng)還內(nèi)置了與電力用戶相連的ADR客戶端，用戶可以通過(guò)客戶端獲得DR事件的通知和定價(jià)信息，并根據(jù)獲得的通知信息自動(dòng)地做出響應(yīng)。EnergiStream系統(tǒng)已成功運(yùn)用于許多DR項(xiàng)目，包括美國(guó)能源部在加利福尼亞州的智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目和美國(guó)綠色建筑委員會(huì)的需求響應(yīng)合作項(xiàng)目［38—39］，取得了巨大的成效。

3.4 電力公司/ISO需求響應(yīng)資源調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)

前面介紹的系統(tǒng)旨在幫助用戶有效地參與需求響應(yīng)項(xiàng)目，而本節(jié)提出的優(yōu)化系統(tǒng)則有助于電力公司/ISO更高效地管理需求響應(yīng)項(xiàng)目（特別是在用電高峰期），最大化每個(gè)DR資源的價(jià)值，最小化DR的運(yùn)行成本，更有效、更可靠地利用DR資源。

電力公司/ISO需求響應(yīng)資源調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)能夠充分利用智能電網(wǎng)現(xiàn)有的投資設(shè)施來(lái)幫助電力公司全面管理需求響應(yīng)項(xiàng)目。此類優(yōu)化系統(tǒng)能夠?qū)上鳒p負(fù)荷進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，方便電力公司對(duì)DR事件前參與用戶的負(fù)荷水平進(jìn)行了解；能夠自動(dòng)執(zhí)行原先需手動(dòng)操作的繁瑣的需求響應(yīng)流程，有效地避免人為誤差；能夠完整地報(bào)告DR事件的執(zhí)行情況，便于電力公司在事件后查看各參與用戶的負(fù)荷削減情況。

以西門子公司推出的需求響應(yīng)管理系統(tǒng)（demand response management system，DRMS）［40—41］為例，對(duì)此類優(yōu)化系統(tǒng)的執(zhí)行流程予以說(shuō)明。DRMS能夠幫助電力公司管理任何針對(duì)商業(yè)和工業(yè)用戶的DR項(xiàng)目。管理DR項(xiàng)目的過(guò)程分為事件前、事件中、事件后，各過(guò)程執(zhí)行的內(nèi)容如下。

（1）事件發(fā)生前。DRMS對(duì)單一負(fù)荷或聚合后的負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷和失負(fù)荷預(yù)測(cè)，并對(duì)參與用戶是否獲得DR事件通知、獲取通知后是否愿意參與DR事件等情況進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的反饋，以方便電力公司了解參與用戶在事件發(fā)生前的情況，減少不確定性。

（2）事件發(fā)生過(guò)程中。DRMS能夠通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置反饋的信息對(duì)實(shí)時(shí)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)這些信息，運(yùn)行人員能夠判斷目標(biāo)負(fù)荷削減量是否滿足，是否需要調(diào)用額外的資源。

（3）事件發(fā)生后。DRMS能夠自動(dòng)形成報(bào)表并根據(jù)報(bào)表計(jì)算負(fù)荷基線和負(fù)荷削減量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這種自動(dòng)化操作能夠避免人工計(jì)算過(guò)程帶來(lái)的誤差，從而提高了運(yùn)行效率和效果。

DRMS具有可靠、可擴(kuò)展、開箱即用的功能。DRMS已經(jīng)成功被用于Wabash Valley Power Association（WVPA）需求響應(yīng)項(xiàng)目。在DRMS的幫助下，WVPA實(shí)施的需求響應(yīng)項(xiàng)目取得了成功，總DR事件數(shù)削減了70%以上，并且避免了新調(diào)峰機(jī)組的建設(shè)，節(jié)約了成本［42—43］。

4 結(jié)束語(yǔ)

需求響應(yīng)關(guān)鍵支撐技術(shù)在需求響應(yīng)的發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用，先進(jìn)的支撐技術(shù)不僅能夠挖掘DR潛力、提高DR響應(yīng)速度，而且可以優(yōu)化DR項(xiàng)目的管理等。本文詳細(xì)分析了美國(guó)需求響應(yīng)項(xiàng)目中的使能技術(shù)、電網(wǎng)友好設(shè)備和能量管理系統(tǒng)平臺(tái)等關(guān)鍵支撐技術(shù)。研究表明，我國(guó)應(yīng)借鑒美國(guó)需求響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，加大對(duì)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的投資并鼓勵(lì)相關(guān)機(jī)構(gòu)在使能技術(shù)、智能用電設(shè)備和能量管理系統(tǒng)平臺(tái)等方面做出創(chuàng)新，積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)試點(diǎn)項(xiàng)目的開展以促進(jìn)需求響應(yīng)項(xiàng)目在我國(guó)高效、有序地開展。

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