智能電網條件下的需求響應關鍵技術

張舒菡

目前，智能電網已成為世界電網發(fā)展的大趨勢，符合社會和經濟發(fā)展的必然要求。文章針對智能電網條件下的用戶需求響應展開深入分析和總結，調研國內外需求響應的發(fā)展現狀，從需求響應概念、激勵機制、效益評估、支持平臺技術、應用于風電消納等方面對國內外學者在相關領域的研究成果進行總結，并結合典型案例深入剖析，指出當下實施需求響應存在的問題和相關對策，以期為我國智能用電和需求響應的發(fā)展提供借鑒。

【關鍵詞】智能電網 需求響應 電力工業(yè) 負荷

智能用電是智能電網的重要組成部分，其功能是將供電側到用戶側的重要設備，通過靈活的電力網絡和信息網絡相連，形成高效完整的用電信息服務體系和服務平臺，構建電網與用戶電力流、信息流、業(yè)務流實時互動的新型供用電關系。通過互動化策略，調動用戶參與需求響應或直接進行遠程優(yōu)化控制，實現電力負荷的柔性化，指導用戶或直接進行用電方式優(yōu)化，支撐供電側的可靠、經濟運行。智能用電系統(tǒng)建設的好壞直接關系到電網的能源使用效率、經濟運行和有序用電，對電網建設、節(jié)能環(huán)保、電能質量管理會產生深遠的影響。

隨著智能電網和電力市場的發(fā)展與完善，需求側資源在競爭市場中的作用正在被重新認識，在電力市場競爭中引入需求響應，通過價格信號和激勵機制來增加需求側在市場中的作用，并將供應側和需求側的資源進行綜合資源規(guī)劃，面向靈活互動智能用電的需求響應成為發(fā)展趨勢。

1 國內外的發(fā)展現狀

1.1 國內現狀

近年來，我國制定了一系列計劃推動智能電網的建設，從政策、后備科研支撐層面保證了靈活互動的智能用電技術的發(fā)展。2009年，國家電網公司首次向社會公布了智能電網的發(fā)展計劃。2011年國家科技部開展了國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）智能電網重大專項的研究，其中有相當大的比例是涉及智能用電方面的研究。2012年，科技部發(fā)布《智能電網重大科技產業(yè)化工程“十二五”專項規(guī)劃》，提出“十二五”期間我國將建設5-10個智能電網示范城市、50個智能電網示范園區(qū)。

在需求響應相關工程建設方面，截止目前，國家電網公司系統(tǒng)內27個省級電力公司已經完成省級用電信息采集系統(tǒng)主站的構建，累計安裝智能電表約2億只。在智能用電方面，智能小區(qū)、智能樓宇和智能園區(qū)的建設成為中國最具典型的智能用電實踐。2010年，國家電網首次在河北、北京、上海和重慶4個省市開展智能樓宇和小區(qū)試點工程建設，建成2個智能樓宇和6個智能小區(qū)。2011年，甘肅白銀、山東東營以及江蘇南京等地區(qū)開始建設國內首批智能園區(qū)，開展大用戶能效監(jiān)測、管理方案的實踐。目前，國家電網公司已在17個省級公司建設28個智能小區(qū)，在上海、重慶、浙江建設3個智能樓宇。2012年，霍尼韋爾與天津泰達經濟技術開發(fā)區(qū)共同開展并完成中國首個智能電網需求響應項目。

1.2 國外現狀

世界發(fā)達國家基于發(fā)展新能源、節(jié)能減排、提高電網運營效率、改善供電服務質量等需要，陸續(xù)開展了需求響應相關的智能用電服務的研究和實踐工作。

（1）為推動智能用電的發(fā)展，各國立法先行，發(fā)布了相關政策法規(guī)，支持智能用電。

在歐洲，智能用電的發(fā)展主要源自歐盟倡導清潔、可持續(xù)、高效的能源戰(zhàn)略。2006年，歐盟發(fā)布《歐洲可持續(xù)的、競爭的和安全的電能策略》，提出智能用電服務方面的目標；2009年，奧巴馬政府將智能電網建設提升為國家戰(zhàn)略，此后明確將45億美元劃撥給美國能源部，用于促進電網現代化、整合DR設備和實現智能電網技術，此外美國政府要求能源部啟動電網數字信息技術研發(fā)項目，以支持智能電表、需求響應等相關技術評價與研究工作，同時啟動智能電網區(qū)域示范計劃，對關鍵技術進行驗證。

（2）在技術發(fā)展方面，一系列技術和標準在相關政策刺激下得到發(fā)展。

2011年11月11日，IEC成立IEC PC118，秘書處設在中國國家電網公司。PC118包含2個工作組，其中W G2負責制定電力需求響應標準，建立了3個DR標準工作任務小組，任務是CIM-DR擴展，Open ADR適配器研制以及符合CIM規(guī)則的IEC DR標準。

2 需求響應機制及關鍵技術研究

需求響應指電力用戶根據價格信號或激勵機制做出響應，改變固有習慣用電模式的行為實施需求響應項目的重要環(huán)節(jié)在于電力用戶對電力公司激勵措施的響應行為，以及電力用戶調整自身用電方式所引起的負荷特性變化，而這種響應行為的方式與強度取決于用戶自身的響應特性。需求響應措施按照用戶不同的響應方式可劃分為2種類型：基于價格的需求響應（price-based demandresponse， PBDR）和基于激勵的需求響應（incentive-based demand response， PBDR）

在基于價格的需求響應項目中，價格對用戶電力消費行為的影響作用最大，一般采用需求價格彈來定量表征電力價格變化對于用戶響應行為特性的影響。經常采用負荷價格彈性來反映電力消費需求對電價變動的敏感程度。也用替代彈性來衡量在電價變化峰時段用電量和谷時段用電量的比例變化。而在工程中數據量較小時可采用弧彈性來描述需求價格彈性。也有文獻用多智能體的方法和電力消費者心理學模型來模擬用戶對于價格的響應特性。在基于激勵的需求響應項目中，一般以響應量、響應速度、響應持續(xù)時間、響應頻率、響應間隔時間、可響應性和響應通知時間等特性對可中斷負荷、直接負荷控制等項目的響應特性建模。也采用回歸的思想模擬電力用戶在具體需求響應項目下對不同的電價和激勵信號的響應效果。在具體分析用戶響應特性時，對電力用戶按照需求響應特性進行聚類可簡化問題分析的繁瑣性，分類把握用戶的需求響應特性。

隨著智能電網的快速發(fā)展，先進的通信、控制等需求響應支撐技術增強了用戶的響應能力。需求響應自動化提高了需求響應的靈活性和效率，使得電網和用戶的參與更加容易，美國勞倫斯伯克利國家實驗室針對需求響應自動化制定了開放式自動需求響應通信規(guī)范OpenADRo

需求響應項目中，根據參與主體不同、需求響應項目不同，優(yōu)化決策中的決策變量、決策目標、約束條件也是不同的。

電力公司將基于激勵的需求響應參與發(fā)電調度優(yōu)化決策時，決策變量是各個需求響應用戶或負荷聚集商的負荷削減量和削減時間，或直接負荷控制的控制策略。目標函數一般是發(fā)電成本最低、網損最小化、需求響應項目激勵補償最小化、本身收益最大化、阻塞補償最小化似及碳排放最小化等。將基于價格的需求響應參與優(yōu)化決策時，決策變量則是能夠滿足削峰填谷要求的電價政策，優(yōu)化目標一般是日負荷曲線最大峰荷最小化、日負荷曲線峰谷差最小化，以及用戶的滿意度最大化等。

在需求響應項目中，激勵機制的設計是關鍵。

基于激勵的需求響應項目中，用戶參與需求響應可通過2種方式獲得補償額：一種方法類似于獨立系統(tǒng)運營商ISO（independent system operator）、電力交易中心PX（power exchange）等機構對用戶的停電價格進行評估；另一種方法是由用戶申報可中斷負荷容量及其相應的缺電成本。針對后一種情況，用戶有策略性上報缺電成本的傾向，可通過設計激勵相容的激勵機制，使用戶在上報真實類型時獲得最大利潤，鼓勵用戶上報真實的缺電成本。也有文獻提出基于信用積分激勵理論，計算消費、獎懲積分，并用多余積分兌換電費或可避免電量等。

由于電力工業(yè)和電力商品的特性，使得電力市場在較長的一段時間內并不是理想的完全競爭市場，而是自然壟斷的行業(yè)。不把需求側和供應側同等對待就不能形成一個真正良性運作的電力市場。需求響應就是保證單邊市場穩(wěn)定性，降低寡頭發(fā)電廠市場力的一個有效措施。單邊發(fā)電市場中，寡頭發(fā)電廠商操縱市場價格的能力，即為其市場力。根據微觀經濟學中的古諾模型，提高需求價格彈性、增加需求響應能力，是降低市場力的有效方法，比降低發(fā)電廠商的市場參與份額更容易實現。將需求響應引入競爭市場，增加需求側在市場中的作用，使市場競爭更為有效，價格更為合理，促進電力市場的良性發(fā)展，因此需求響應項目可以稱為電力批發(fā)市場的減震器。

大規(guī)模風電的隨機性和波動性給電網調度帶來巨大困難，利用需求響應來配合可再生能源發(fā)電運行以降低可再生能源發(fā)電的波動性是在技術上與經濟上都極佳的解決方案，多個國家要求采用需求響應來保障新能源的接入。將需求響應和可再生能源消納的促進關系融入單邊開放和雙邊開放的電力市場組織結構，形成交易和價格機制采用潛在動態(tài)博弈理論分析用戶之前的協調和互動，通過實時電價機制引導用戶在風電出力高峰時多用電，低谷時少用電，并結合一定數量的可控負荷和動態(tài)需求響應，使用戶的負荷曲線與風電出力互補，從而平緩新能源波動，減少系統(tǒng)運行負擔，提高新能源的接納能力。需求響應與可再生能源發(fā)電組合的模式也開創(chuàng)了需求響應項目的新型運作方式，Pedro S等人構建了考慮可再生能源和用戶不確定性的基于電價的需求響應長期、中期和短期市場均衡模型。在微網中，可以采用居民溫控負荷的直接負荷控制和常規(guī)發(fā)電、儲能的聯合調控來抑制分布式新能源引起的微網聯絡線功率波動。為了更精確的選用合適的需求響應用戶來緩解新能源發(fā)電的波動性，采用頻域互譜分析的方法，對風力發(fā)電曲線與用戶需求曲線的頻域波動特征進行比對，找出匹配風力發(fā)電的需求響應目標用戶群體，分析風電的滲透接入對需求響應策略的影響。另外，自動需求響應的采用能夠有效緩解由于間歇性可再生能源接入帶來的電力供需矛盾，但其成本只有使用儲能裝置的10%。

需求響應支持技術包括高級量測系統(tǒng)、電能公共服務平臺、需求響應系統(tǒng)、智能用電設備等多種技術，前兩者目前已經規(guī)?；瘧?，為需求響應提供規(guī)模化應用支撐。高級量測系統(tǒng)主要實現用戶智能電能表用電信息采集，電能服務平臺主要實現用戶內部用電、用能信息采集。

參考文獻

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作者單位

河南項城市第一高級中學 河南省周口市項城市 466200