上海市黃浦區(qū)建筑需求響應(yīng)研究

黃浦區(qū)發(fā)展改革委員會(huì)

杭州赫智電子科技有限公司

1 背景及意義

黃浦區(qū)是上海商業(yè)建筑最密集的中心城區(qū)，大型商業(yè)建筑數(shù)量超過200 幢，面積近1 000 萬m2，年耗電量約13 億kWh，峰值負(fù)荷近500 MW，樓宇能耗占全區(qū)總能耗的65%以上。從2014年開始，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委部署，上海市經(jīng)信委組織開展了需求響應(yīng)的探索實(shí)踐工作，其中參與試點(diǎn)的商業(yè)樓宇很多來自黃浦區(qū)。2015年和2016年黃浦區(qū)有50幢建筑參加了上海市的需求響應(yīng)試點(diǎn)。從夏季、冬季、過渡季不同季節(jié)的試點(diǎn)情況來看，黃浦區(qū)商業(yè)建筑峰值負(fù)荷削減潛力巨大，單體建筑最大負(fù)荷削減可達(dá)25%，全部建筑平均負(fù)荷削減達(dá)到10%（持續(xù)4個(gè)小時(shí)）。

目前，黃浦區(qū)已完成了區(qū)域建筑能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)工作，基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑能源監(jiān)測(cè)監(jiān)管全面覆蓋，區(qū)域內(nèi)的充電樁、可再生能源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)等也將陸續(xù)接入平臺(tái)。為加強(qiáng)長(zhǎng)效機(jī)制建設(shè)，黃浦區(qū)還把全面推進(jìn)建筑能耗監(jiān)測(cè)，建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，在全市率先開展電力需求側(cè)管理試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建筑、重點(diǎn)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和科學(xué)管理等列入“十三五”規(guī)劃。

黃浦區(qū)開展需求側(cè)響應(yīng)有助于發(fā)掘商業(yè)建筑領(lǐng)域規(guī)?；枨箜憫?yīng)的虛擬資源，實(shí)現(xiàn)更全面的需求側(cè)管理能力提升；有助于推動(dòng)電力市場(chǎng)化機(jī)制建設(shè)，通過電力需求側(cè)響應(yīng)資源挖掘和虛擬電廠建設(shè)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑智能更新和節(jié)能管理有機(jī)融合，在推動(dòng)能源消費(fèi)智能化的同時(shí)為商業(yè)建筑提升需求側(cè)資源效益。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 需求響應(yīng)技術(shù)現(xiàn)狀

（1）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

需求響應(yīng)是建立在高效、安全和雙向交互的通信體系上面，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)供電側(cè)和用電側(cè)的靈活互動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)市面上的一些智能終端設(shè)備（智能家居的應(yīng)用）已經(jīng)成為了需求響應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，比如智能電表、智能插座和智能溫控器等設(shè)備。中國(guó)目前已完成國(guó)家電力需求側(cè)管理平臺(tái)建設(shè)，各需求響應(yīng)重點(diǎn)試點(diǎn)省市的系統(tǒng)也陸續(xù)接至該平臺(tái)。

從2013年國(guó)家開展電力需求響應(yīng)城市綜合試點(diǎn)建設(shè)以來，北京、上海、江蘇、廣東等省市分別實(shí)施了需求響應(yīng)項(xiàng)目試點(diǎn)工作。經(jīng)過3年的試點(diǎn)培育，我國(guó)需求響應(yīng)試點(diǎn)工作形成了政府主導(dǎo)，電網(wǎng)企業(yè)支持參與，負(fù)荷集成商規(guī)模化、系統(tǒng)性整合電力用戶資源，電力用戶廣泛主動(dòng)參與的需求響應(yīng)工作體系。

（2）國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)電力市場(chǎng)環(huán)境開放，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，其需求響應(yīng)起步較早，相關(guān)政策法規(guī)相對(duì)比較完善，處于世界領(lǐng)先水平，其中的OpenADR標(biāo)準(zhǔn)更是被一些國(guó)家作為自己的需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。

2002年的美國(guó)加州大規(guī)模電力危機(jī)引起了政府、科研及產(chǎn)業(yè)界對(duì)需求響應(yīng)的重視，此后，美國(guó)以及其他各國(guó)的電網(wǎng)公司等力求采用需求響應(yīng)技術(shù)來解決需求增長(zhǎng)和高峰用電的問題。以此為契機(jī)，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開始研究需求響應(yīng)通信協(xié)議，并主要承擔(dān)對(duì)OpenADR的研究工作。通過一系列的試點(diǎn)和測(cè)試，在2009年4月，加州能源委員會(huì)發(fā)布了OpenADR通信規(guī)范1.0版本，并交由結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織和通用通信架構(gòu)負(fù)責(zé)形成正式標(biāo)準(zhǔn)OpenADR 2.0；2010年5月，OpenADR成為美國(guó)首批16條智能電網(wǎng)“互操作性標(biāo)準(zhǔn)之一”，“互操作性”是指各功能單元之間進(jìn)行通信和傳遞數(shù)據(jù)的能力；2011年進(jìn)行了OpenADR 2.0版本的認(rèn)證和測(cè)試；2012年，OpenADR聯(lián)盟將OpenADR 2.0a作為美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。OpenADR 2.0比OpenADR 1.0更全面，涵蓋了針對(duì)美國(guó)批發(fā)與零售市場(chǎng)的價(jià)格、可靠性信號(hào)的數(shù)據(jù)模型，并且根據(jù)滿足需求響應(yīng)利益相關(guān)方和市場(chǎng)需求的程度，分為不同的產(chǎn)品認(rèn)證等級(jí)，包括OpenADR 2.0a，OpenADR 2.0b，OpenADR 2.0c框架規(guī)范，后一個(gè)規(guī)范均比前一個(gè)規(guī)范提供更多的服務(wù)和功能支持（如事件、報(bào)價(jià)和動(dòng)態(tài)價(jià)格、選擇或重置、報(bào)告和反饋、注冊(cè)、傳輸協(xié)議、安全等級(jí)等）。

2.2 市場(chǎng)機(jī)制現(xiàn)狀

（1）國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)機(jī)制

北京、上海、江蘇、廣東等省市的參與主體均是政府部門，電網(wǎng)企業(yè)，負(fù)荷集成商，電力用戶，這些需求響應(yīng)試點(diǎn)基本上都按照了預(yù)先設(shè)置的響應(yīng)策略，進(jìn)行了負(fù)荷削減，達(dá)到了預(yù)期的負(fù)荷削減目標(biāo)。目前都采取了激勵(lì)機(jī)制，以補(bǔ)貼的方式激勵(lì)用戶參與需求響應(yīng)試點(diǎn)，引導(dǎo)用戶主動(dòng)削減尖峰負(fù)荷。按照提前通知的時(shí)間不同分別設(shè)定不同的需求響應(yīng)補(bǔ)貼，比如北京的試點(diǎn)中，提前30min給予120元/kW，提前24 h給予80元/kW的補(bǔ)貼。負(fù)荷集成商可以通過合約的形式參與需求響應(yīng)，一旦達(dá)到合約規(guī)定的次數(shù)就可以領(lǐng)取補(bǔ)貼，否則按比例領(lǐng)取或無法領(lǐng)取。這些補(bǔ)貼的來源一部分是政府的資金補(bǔ)貼，另外也可以來自于尖峰電價(jià)時(shí)增收的電費(fèi)，讓電力用戶以電費(fèi)的形式抵扣。

（2）國(guó)外的市場(chǎng)機(jī)制

美國(guó)和歐洲的需求響應(yīng)市場(chǎng)起步較早，在多年的實(shí)踐中對(duì)各類市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行了試點(diǎn)研究和應(yīng)用。

1）實(shí)時(shí)電價(jià)（RTP）市場(chǎng)機(jī)制試點(diǎn)

實(shí)時(shí)電價(jià)（RTP，Real Time Pricing）機(jī)制的電價(jià)不是提前設(shè)定的，而是每天持續(xù)波動(dòng)，直接反映批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格，與日前或?qū)崟r(shí)市場(chǎng)購電成本掛鉤。這樣一種將批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格和零售價(jià)格直接聯(lián)系起來的機(jī)制，起到了將價(jià)格響應(yīng)性直接引入到零售市場(chǎng)，將2個(gè)市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)起來的作用。

2）尖峰電價(jià)（CPP）市場(chǎng)機(jī)制試點(diǎn)

PG&E在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上設(shè)置了兩種不同的尖峰電價(jià)模式，如圖1所示，其中展示了一整天的正常TOU價(jià)格變化曲線，非尖峰電價(jià)的價(jià)格曲線和尖峰電價(jià)日的價(jià)格曲線，其中尖峰電價(jià)日有兩條特殊的曲線：一條是中等的價(jià)格曲線，發(fā)生在12時(shí)～15時(shí)之間，價(jià)格是平常分時(shí)電價(jià)中Part-Peak價(jià)格的3倍；另外一條是高價(jià)格曲線，發(fā)生在15時(shí)～18時(shí)，實(shí)施的平常TOU中On-Peak價(jià)格的5倍。通過這種尖峰電價(jià)的形式來抑制尖峰負(fù)荷的產(chǎn)生或者削減尖峰負(fù)荷。

圖1 尖峰電價(jià)價(jià)格曲線

3）需求側(cè)競(jìng)價(jià)市場(chǎng)機(jī)制試點(diǎn)

在需求響應(yīng)的實(shí)施過程中，接近2/3的用戶選擇了需求側(cè)競(jìng)價(jià)。PG&E的尖峰電價(jià)的設(shè)計(jì)方式是為了在6個(gè)小時(shí)的關(guān)鍵高峰期，吸引用戶能夠主動(dòng)靈活的通過需求響應(yīng)策略調(diào)節(jié)自己的高峰負(fù)荷。但是很多用戶更加傾向于參與需求側(cè)競(jìng)價(jià)，因?yàn)榛顒?dòng)參與都是自愿的，用戶還可以在連續(xù)的兩個(gè)小時(shí)內(nèi)為任何的需求響應(yīng)活動(dòng)出價(jià)。對(duì)于整個(gè)需求響應(yīng)的活動(dòng)而言，需求側(cè)競(jìng)價(jià)更具有吸引力，用戶只需要定義他們能夠減少多少負(fù)荷和減少負(fù)荷開始到結(jié)束的過程時(shí)間。如果用戶的情況不便參加當(dāng)天的需求響應(yīng)活動(dòng)，可以完全退出所有的尖峰電價(jià)和需求側(cè)競(jìng)價(jià)的需求響應(yīng)活動(dòng)。

4）小結(jié)

a）技術(shù)不再是限制各國(guó)發(fā)展需求響應(yīng)的瓶頸，但是自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)對(duì)于部分國(guó)家而言仍然具有挑戰(zhàn)性。

b）有效的市場(chǎng)機(jī)制是需求響應(yīng)發(fā)展的催化劑，前期的政府引導(dǎo)和支持必不可少。

c）不同國(guó)家的需求響應(yīng)市場(chǎng)機(jī)制各有所取，是立足于本國(guó)電力市場(chǎng)特點(diǎn)的選擇。其中美國(guó)需求響應(yīng)工作開展最早，發(fā)展最為成熟，值得借鑒。

d）我國(guó)的需求響應(yīng)工作相對(duì)起步晚，但發(fā)展迅猛，單次需求響應(yīng)的體量已創(chuàng)世界第一。作為最大的需求響應(yīng)潛力市場(chǎng)，我國(guó)在自動(dòng)需求響應(yīng)實(shí)踐方面暫時(shí)還未取得世界領(lǐng)先性的突破。

3 黃浦區(qū)建筑樓宇負(fù)荷特性及需求響應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 商業(yè)建筑負(fù)荷特性

黃浦區(qū)目前的商業(yè)建筑主要分為商貿(mào)中心，金融大廈，寫字樓，政府辦公樓和酒店等，主要用能設(shè)備包括空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明和其他電力系統(tǒng)。

商貿(mào)中心、金融中心、行政中心、寫字樓屬間歇性使用建筑，負(fù)荷早晚變化較大，在使用時(shí)間內(nèi)，商貿(mào)中心的負(fù)荷變化波動(dòng)較寫字樓小。而酒店全年以及全天存在冷、熱、電負(fù)荷，負(fù)荷變化最為平緩，波動(dòng)的相對(duì)幅度最小。

商業(yè)建筑的制冷設(shè)備基本上都屬于中央空調(diào)系統(tǒng)，采用空調(diào)機(jī)組、水循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)判斷末端系統(tǒng)進(jìn)行制冷。只有少部分使用了分體式空調(diào)，比如黃浦區(qū)的機(jī)關(guān)辦公1號(hào)樓和學(xué)校教學(xué)樓部分。照明系統(tǒng)的燈光基本上使用的是筒燈，熒光燈和辦公區(qū)域的柵格燈。其他負(fù)荷如電梯和插座都與用戶的使用習(xí)慣有相關(guān)性。

因此黃浦區(qū)商業(yè)建筑的需求響應(yīng)潛力主要來源為中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯以及插座負(fù)荷。其中，中央空調(diào)系統(tǒng)需求響應(yīng)潛力最大，其次為照明，電梯和插座負(fù)荷需根據(jù)用戶不同的用電習(xí)慣進(jìn)行挖掘。

3.2 需求響應(yīng)終端設(shè)備設(shè)計(jì)

需求響應(yīng)是建立在高效、安全和雙向通信的基礎(chǔ)之上，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)供電側(cè)和用電側(cè)的雙向互動(dòng)。樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）記錄用戶的電量和負(fù)荷信息，每分鐘將采集到的信息數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給需求響應(yīng)平臺(tái)，平臺(tái)對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定最優(yōu)的電價(jià)策略和削減方案逐級(jí)下傳。BEMS系統(tǒng)接收到削減方案即控制策略后，下達(dá)具體的削減指令給需求響應(yīng)設(shè)備，不同的設(shè)備進(jìn)行不同的削減。由于電梯負(fù)荷控制尚存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)針對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，插座負(fù)荷設(shè)備進(jìn)行需求響應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)。以中央空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)為例，分為變頻控制系統(tǒng)，電量采集系統(tǒng)，智能溫控器系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)四大系統(tǒng)（圖2），并進(jìn)行分類描述。

圖2 樓宇能源管理系統(tǒng)

3.3 需求響應(yīng)控制策略

中央空調(diào)系統(tǒng)是需求響應(yīng)比較理想的控制對(duì)象。首先，中央空調(diào)系統(tǒng)在商業(yè)建筑中創(chuàng)造了大量的電力需求，通常是總需求的1/3到2/3。第二，建筑物的熱效應(yīng)性質(zhì)使得系統(tǒng)短暫的改變而不影響用戶的日常生活。第三，中央空調(diào)系統(tǒng)很多設(shè)備都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，比如目前的BA樓宇控制系統(tǒng)。

不同商業(yè)建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)的建筑類型，設(shè)備和EMCS（能源管理控制系統(tǒng)）。綜合這些因素來看，最佳的需求響應(yīng)控制策略是在實(shí)現(xiàn)電力需求調(diào)節(jié)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，最大限度地減少對(duì)建筑物的用戶生產(chǎn)生活的負(fù)面影響。一般有以下兩大類的控制策略，一個(gè)是全局的溫度調(diào)整，另一個(gè)是對(duì)冷卻系統(tǒng)或者送風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整。表1為控制策略的分類與定義。

3.4 平臺(tái)設(shè)計(jì)

需求響應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開需求響應(yīng)平臺(tái)的建設(shè)，平臺(tái)主要包含負(fù)荷調(diào)控和節(jié)能兩大主要功能，通過對(duì)不同建筑物整體的能耗設(shè)備進(jìn)行綜合監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、策略形成、負(fù)荷響應(yīng)、進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)控管理，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能化。

表1 控制策略分類

在需求響應(yīng)平臺(tái)（圖3）的總體架構(gòu)關(guān)系中，總體分為設(shè)備層，網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)。設(shè)備層主要起數(shù)據(jù)采集和策略執(zhí)行的功能，網(wǎng)絡(luò)層采用需求響應(yīng)協(xié)議進(jìn)行通信交互。

圖3 需求響應(yīng)平臺(tái)總體框架圖

需求響應(yīng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)（圖4）包括首頁、集中管控模塊、控制策略模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、報(bào)警中心模塊、負(fù)荷響應(yīng)模塊和系統(tǒng)管理模塊。

圖4 業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

可根據(jù)黃浦區(qū)不同建筑自身的負(fù)荷特性，專業(yè)定制相應(yīng)的樓宇能源管理系統(tǒng)。選取合適的需

4 市場(chǎng)機(jī)制及政策研究

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前需求響應(yīng)的機(jī)制主要分為兩類：激勵(lì)性機(jī)制和價(jià)格型機(jī)制，兩種機(jī)制的比較分析狀況如表2 所示。

結(jié)合中國(guó)電力市場(chǎng)特點(diǎn)，建議采取以下市場(chǎng)機(jī)制：

（1）自動(dòng)需求響應(yīng)發(fā)展初期：由于市場(chǎng)條件不成熟、自動(dòng)需求響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展變革的前期投資成本較高，應(yīng)以政府財(cái)政資本為主引導(dǎo)市場(chǎng)求響應(yīng)設(shè)備，搭建設(shè)備層的控制系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力流與信息流的同步，達(dá)到樓宇用戶負(fù)荷 “電器粒度”的精細(xì)化管理，對(duì)具備需求彈性的可調(diào)節(jié)負(fù)荷或可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)化控制，提供樓宇用戶參與需求響應(yīng)、電器策略控制和直接控制等功能，為樓宇電能管理者提供良好的決策支持。

表2 激勵(lì)性機(jī)制和價(jià)格型機(jī)制比較

構(gòu)建需求響應(yīng)平臺(tái)，對(duì)接發(fā)、輸、配、售、用電及可再生能源等多種能源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，打造熱備用虛擬電廠，適配商業(yè)建筑、社區(qū)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、分布式能源等多類型用戶；著力大數(shù)據(jù)分析挖掘，提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)；面向多部門監(jiān)管，形成有效聯(lián)動(dòng)管理機(jī)制。主體形成和參與。政府應(yīng)組織制定自動(dòng)需求響應(yīng)的規(guī)劃、實(shí)施辦法以及實(shí)施細(xì)則，引導(dǎo)電能服務(wù)機(jī)構(gòu)等第三方主體的參與以擴(kuò)大社會(huì)公眾對(duì)自動(dòng)需求響應(yīng)的認(rèn)知度。

（2）自動(dòng)需求響應(yīng)發(fā)展成熟期：隨著市場(chǎng)日趨成熟，政府專項(xiàng)補(bǔ)貼不在發(fā)揮主要作用，市場(chǎng)參與主體為自動(dòng)需求響應(yīng)項(xiàng)目提供資金，多種融資渠道，例如銀行貸款，多主體共同出資的混合投資方式等。自動(dòng)需求響應(yīng)應(yīng)充分利用需求側(cè)管理平臺(tái)資源為電網(wǎng)提供虛擬電廠輔助服務(wù)，為客戶提供能效服務(wù)和合同能源方案等增值服務(wù)，通過收取咨詢費(fèi)或管理費(fèi)的方式，構(gòu)建成熟期企業(yè)新的盈利模式。