新型電力系統(tǒng)居民分布式資源管理綜述

陳心宜，胡秦然，石慶鑫，崔翰韜，李 雪，李方興

（1.東南大學電氣工程學院,江蘇省南京市 210096；2.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京市 102206；3.俄克拉荷馬州立大學電氣與計算機工程系,斯蒂爾沃特 74078,美國；4.東北電力大學電氣工程學院,吉林省吉林市 132012；5.田納西大學電氣工程與計算機科學系,諾克斯維爾 37996,美國）

0 引言

隨著全球氣候變化對生態(tài)環(huán)境、社會經濟、人類活動的影響日益加劇,推動全球能源清潔低碳轉型迫在眉睫。2021 年3 月15 日,中央財經委員會第九次會議對能源電力發(fā)展作出了系統(tǒng)闡述,首次提出構建新型電力系統(tǒng)［1］。2022 年8 月20 日召開的國際標準化大會上,國際電工委員會提出由中國牽頭制定全球首個新型電力系統(tǒng)關鍵技術國際標準框架體系,加快建設新型電力系統(tǒng),推動能源清潔低碳轉型［2］。新型電力系統(tǒng)以清潔低碳為核心目標,以高比例新能源供給消納體系建設為主線任務,是新型能源體系的重要組成和實現(xiàn)“碳達峰·碳中和”目標的必由之路。

構建新型電力系統(tǒng)是一項具有高度復雜性和挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程,也是新能源逐步從發(fā)電量增量主體演變?yōu)榘l(fā)電量結構主體的動態(tài)建設過程。新型電力系統(tǒng)建設過程分為3 個階段：加速轉型期（當前—2030 年）、總體形成期（2030—2045 年）和鞏固完善期（2045—2060 年）［1］。整個建設過程中,新型電力系統(tǒng)的關鍵特征可以概括為安全高效、清潔低碳、柔性靈活和智慧融合。作為終端用戶側的重要組成部分,居民分布式資源具備快速響應、靈活調節(jié)、經濟環(huán)保的優(yōu)勢,依托微電網［3］、虛擬電廠［4］和主動配電網［5］等不斷涌現(xiàn)的終端業(yè)態(tài),基于“云大物移智鏈邊”［6］等新一代數字技術,可以主動響應新型電力系統(tǒng)運行需求,實現(xiàn)從“源隨荷動”的傳統(tǒng)電力平衡模式向“源荷互動”的新模式的轉型,從而提升能源利用效率、降低溫室氣體排放、減少新增發(fā)電和電網建設投資［7］。然而,大規(guī)模分散分布的居民分布式資源若不加以有效管理,也存在威脅電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的不利因素,如反向潮流、電壓越限、故障電流等［8］。因此,需要采取有效的管理措施,確保居民分布式資源在新型電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮保障電網安全高效運行、推動能源清潔低碳轉型、實現(xiàn)電力柔性靈活調控、助力智慧融合系統(tǒng)建設的積極作用。

目前,關于居民分布式資源管理的綜述,其關注點往往較為分散,未能充分貼合新型電力系統(tǒng)建設需求。本文以新型電力系統(tǒng)建設的四大關鍵特征為導向,以更為全面的視角綜述居民分布式資源管理在新型電力系統(tǒng)建設中應重點關注的問題。具體而言,首先,介紹了居民分布式資源的主要類別,并闡述了居民分布式資源管理的基本概念及其發(fā)展歷程；其次,圍繞新型電力系統(tǒng)安全高效、清潔低碳、柔性靈活和智慧融合的四大關鍵特征,探討了居民分布式資源管理在新型電力系統(tǒng)建設中的重要價值；隨后,對分布式資源管理的核心要素進行了綜述,并從內部和外部兩個層面分析了居民分布式資源管理的重要影響因素和相應優(yōu)化方案；最后,對新型電力系統(tǒng)居民分布式資源管理未來發(fā)展方向進行了展望,并對全文進行了總結。

1 居民分布式資源管理概念及發(fā)展

1.1 居民分布式資源主要類型

居民分布式資源通常是指分散在居民家庭或居民區(qū)域的小型能源生產、儲存和消費單元［9-10］,主要類型包括分布式發(fā)電資源、儲能、電動汽車和柔性負荷,如圖1 所示。

圖1 新型電力系統(tǒng)居民分布式資源示意圖Fig.1 Schematic diagram of residential distributed energy resources in new power system

1.1.1 戶用光伏

隨著太陽能光伏發(fā)電技術和光伏制造業(yè)的迅猛發(fā)展,光伏并網成本急劇下降,加上能源政策、市場盈利等因素推動,國內外分布式戶用光伏裝機容量不斷攀升。中國國家能源局數據顯示,2022 年戶用光伏新增裝機容量25.246 GW［11］,美國2005—2022年戶用光伏新增裝機容量如圖2 所示［12］。據美國能源信息署發(fā)布數據,2022 年美國住宅太陽能凈發(fā)電量達37 350.657 GW?h,同比增長23.75%［13］。清潔低碳的戶用分布式光伏發(fā)電能夠有效利用居民側的土地資源和太陽能資源,實現(xiàn)清潔電能的自發(fā)自用,并將多余的電能注入電網。這不僅降低了居民側對主網供電的依賴性,幫助居民節(jié)省用電成本并避免能源價格波動造成的不利影響,還能對電網起到靈活、經濟、高效的支撐作用。

圖2 2005—2022 年美國居民側年度新增光伏裝機容量Fig.2 Annual increase in installed photovoltaic capacity in residential sector of the United States from 2005 to 2022

1.1.2 戶用儲能

目前,電價上漲、光伏上網電價下降、新能源本地消納需求攀升等因素,均刺激著戶用儲能配置需求的增長。圖3 展示了以美國為例的居民側儲能裝機容量及預測情況［14］。居民戶用儲能一般是指功率量級低于5 kW、容量在13.5 kW?h 以下的小型儲能［15］。在電網層面,戶用儲能的配置可以實現(xiàn)電能的跨時存儲,即在電力低谷或光伏發(fā)電高峰期儲存電能,并在電網電力緊張時將儲存的電能反送給系統(tǒng),以滿足調峰調頻等電網平衡需求,從而大幅提升電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、經濟性和運行效率［16-18］。在用戶層面,戶用儲能不僅可以提升家庭電力應急和容災能力,避免供電中斷,還可以促進戶用光伏自發(fā)自用,從而提升用能效率、節(jié)省用電成本［19-20］,或向電網提供輔助服務套利。

圖3 2018—2024 年美國居民側年度新增儲能裝機容量及預測Fig.3 Annual increase in installed energy storage capacity and forecast in residential sector of the United States from 2018 to 2024

1.1.3 電動汽車

根據國際能源署的數據,如圖4 所示,全球電動汽車市場正在經歷快速擴張［21］。電動汽車作為能源終端電氣化的關鍵組成部分,與傳統(tǒng)的燃油汽車相比,其環(huán)保性能更加出色。電動汽車的普及可以顯著降低溫室氣體的排放,從而有助于減緩全球氣候變化的影響。此外,電動汽車還能幫助居民減少對化石燃料的依賴,實現(xiàn)更加環(huán)保和可持續(xù)的交通方式,提高能源利用效率,降低能源消費成本。除了環(huán)保和節(jié)能方面的優(yōu)勢外,電動汽車還具備類儲能特性,這一特性使得電動汽車可以為電網運行優(yōu)化提供靈活調節(jié)能力。

圖4 2016—2022 年全球使用中的純電動汽車數量Fig.4 Number of pure electric vehicles in use worldwide from 2016 to 2022

1.1.4 柔性負荷

數十年來,急速攀升的全球家用電器規(guī)模體現(xiàn)出終端用能電氣化的大趨勢［22］,如圖5 所示。智能家電的不斷普及和發(fā)展,在為人們提供更為便捷和舒適的生活體驗的同時,也可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的互聯(lián)互通。研究表明,基于先進的信息和通信技術,對以溫控負荷、照明系統(tǒng)、洗衣機等可中斷、可調節(jié)或可轉移負荷進行智能管理和調控,可以提升居民側用電節(jié)能性和用電效率［23］,也將為電力系統(tǒng)運行優(yōu)化提供更為靈活低碳的源荷互動方案。

圖5 2017—2027 年全球不同類型家用電器用戶數量及預測Fig.5 Number of global users of different types of household appliances and forecast from 2017 to 2027

1.2 居民分布式資源管理基本概念

20 世紀70 年代,兩次石油危機讓美國、日本、德國等工業(yè)化發(fā)達國家開始意識到能源供應的不可靠性。因此,開始將節(jié)能和提升能效列為能源政策制定的重要議題［24］。1973 年,美國出臺了含需求側管理在內的一系列能源管理舉措［25］。需求側管理是指電力消費者收到電網運營商調控或電力市場價格信號,從而改變用電水平或模式。隨著戶用光伏、戶用儲能等居民分布式能源規(guī)模的攀升和遠程通信控制技術的發(fā)展,居民分布式資源管理的潛力和重要性日益凸顯。

居民分布式資源管理可以描述為通過技術手段和管理策略,對居民側的分布式資源進行規(guī)劃、配置、監(jiān)測、調度等一系列活動。這個過程旨在提高居民側能源自給自足能力和利用效率,促進可再生能源發(fā)展,減小居民側對于傳統(tǒng)化石能源的依賴,降低居民能源使用成本和溫室氣體排放。在新型電力系統(tǒng)建設目標下,居民分布式資源管理還需滿足安全、可靠、經濟和環(huán)保等方面要求。

1.3 居民分布式資源管理發(fā)展

1977 年,美國能源部與華盛頓州安吉利斯港合作開展了首次居民需求響應實踐［26］,旨在為干旱后的西北部尋找高效且經濟的電力中斷問題解決方案。該試點激發(fā)了其他地區(qū)十年間公用事業(yè)單位對于居民分布式資源管理計劃的興趣,其中,許多實踐通過調節(jié)居民熱水器負荷來幫助穩(wěn)定電壓,一些實踐項目至今仍在運營。20 世紀90 年代,中國開始引入電力需求側管理技術,并在實踐中不斷完善。2012 年,中國居民分布式資源管理試點實踐首次在中新天津生態(tài)城開展［27］。2013 年,中國正式啟動了第1 批包括北京、蘇州、佛山等城市的需求響應試點建設［28］。2017 年,國家發(fā)改委頒布了《電力需求側管理辦法（修訂版）》［29］,標志著中國電力需求側管理進入新階段。截至2022 年6 月,全國已累計有23 個省份出臺了需求響應試點支持政策［27］。2023年9 月15 日,國家發(fā)改委等部門發(fā)布了《電力需求側管理辦法（2023 年版）》［30］和《電力負荷管理辦法（2023 年版）》［31］（以下簡稱“兩份辦法”）。兩份辦法明確提出,拓寬需求響應主體范圍,鼓勵新型儲能、分布式電源、電動汽車、空調負荷等主體依托負荷聚合商和虛擬電廠等服務機構參與需求響應。同時,兩份辦法提出了支持增量配電網、微電網開展需求響應,支持鄉(xiāng)村符合條件的分布式資源參與需求響應,支持智能小區(qū)、智能家居等發(fā)展建設。以上政策均為居民分布式資源管理提供了強有力支撐。

此外,由于不同國家的城市化進程所處階段和城市規(guī)劃不同,各地區(qū)居民分布式資源管理模式與最小單元往往存在差異。區(qū)別于歐美國家多以獨立住所作為最小管理單元的分布式資源管理模式,中國城市居住密集度較高,樓宇級和社區(qū)級管理模式和能源共享方案有利于實現(xiàn)更高效的能源利用［32］。在歐美國家,獨幢住所的分布式資源管理主要關注問題包括如何閉環(huán)優(yōu)化個體用戶的能源生產和消費［33］,以及如何促進用戶參與能源交易［34］,但電網可能會同時面臨海量居民分布式資源協(xié)調管理困難導致的穩(wěn)定性問題,以及能源交易的監(jiān)管和信任問題。在中國,集中式居民分布式資源管理模式主要聚焦問題包括如何實現(xiàn)社區(qū)或建筑內的能量優(yōu)化、如何協(xié)調不同類型用戶的能量管理需求,以及如何實現(xiàn)社區(qū)內的能源共享。集中式的管理模式往往可能面臨能源分配公平性、社區(qū)能源共享機制設計及用戶接受意愿等挑戰(zhàn)［35-36］。

總體來說,國內外居民分布式資源管理均朝著更為靈活化、智能化和常態(tài)化方向不斷邁進。靈活化首先體現(xiàn)在能源資源從被動控制［37］向主動參與市場［38］的轉變,這種趨勢提升了資源管理效率。其次,還體現(xiàn)在調控方向由單一的降負荷調節(jié)拓展到能量的雙向流動,以更好地滿足電力系統(tǒng)運行的多元需求［39］。同時,調節(jié)時間尺度從長時段逐漸轉向快速實時,以應對電力市場和電力系統(tǒng)運行的短時變化［40］。

居民分布式資源管理智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在數據量測與分析、自動化控制系統(tǒng)和用戶友好交互等方面?；谙冗M計量技術、機器學習和人工智能技術,居民能源使用數據得以實時用于模式識別和資源優(yōu)化分配。自動化控制系統(tǒng)可以方便居民分布式資源自動或個性化響應電網需求,調節(jié)電能消費模式。此外,由于居民分布式資源管理需要消費者的在環(huán)參與,而消費者意愿與經濟與技術因素、教育程度與環(huán)保理念等諸多因素密切相關［41-44］。因此,居民分布式資源的智能化發(fā)展同樣體現(xiàn)在支撐用戶與管控系統(tǒng)友好互動的軟硬件技術發(fā)展層面。

同時,常態(tài)化調節(jié)是居民分布式資源管理的重要發(fā)展方向之一。美國能源信息署公布的需求響應數據顯示,2022 年各州參與居民需求響應用戶總數超過1 004 萬人,年負荷峰值時刻居民實際需求響應功率達4 605.931 MW,同比增長20.07%［45］。當前階段,絕大多數的居民分布式資源管理項目中,用戶全年參與需求響應的次數通常小于10 次［46］。然而,隨著氣候變化導致的極端天氣事件頻發(fā)［47］,以及具有隨機性、波動性的可再生能源持續(xù)并網,居民分布式資源管理面臨著從備用方案向常態(tài)化手段的轉型需求。此轉變有助于提高電力系統(tǒng)對極端天氣事件和可再生能源波動的適應性,促進電力系統(tǒng)需求側安全高效、清潔低碳發(fā)展。

2 面向新型電力系統(tǒng)關鍵特征的居民分布式資源管理

2023 年6 月2 日,國家能源局組織發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》［1］,提出了新型電力系統(tǒng)的總體架構和重點任務,并提出新型電力系統(tǒng)具有安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合四大關鍵特征。居民側龐大的分布式資源依托需求響應、能效管理等手段,可以為促進電網安全高效運行、推動能源清潔低碳轉型、實現(xiàn)電能柔性靈活調控、助力智慧融合系統(tǒng)建設提供有力抓手。本章將圍繞新型電力系統(tǒng)關鍵特征,探討居民分布式資源管理助力新型電力系統(tǒng)建設的具體優(yōu)勢所在。

2.1 安全高效

新型電力系統(tǒng)的建設必須以確保電力安全供應和系統(tǒng)高效運行作為基本前提。在電力安全方面,國際局勢、能源價格、極端天氣等復雜因素,伴隨不斷攀升的電力負荷、占比逐漸增大的高比例可再生能源和高比例電力電子設備［48］,使得系統(tǒng)慣性和抗干擾能力削弱,源荷供需平衡難度加大,給電力系統(tǒng)帶來重大安全挑戰(zhàn)。在高效運行方面,電力系統(tǒng)同樣面臨著復雜而嚴峻的挑戰(zhàn),如并網可再生能源優(yōu)化管理、負荷調度和能源合理配置、設備節(jié)能和能源效率提升等。圍繞安全高效這一基本前提,居民分布式資源管理作為提升需求側與電網互動能力的重要舉措,其從荷端緩解電力系統(tǒng)供需平衡壓力、降低電力系統(tǒng)安全風險等方面的作用不容忽視。

具體應用層面,在調峰方面,文獻［49］通過分析單體中央空調的工作原理,將中央空調負荷參與調峰的最優(yōu)控制模型建立為混合整數線性規(guī)劃形式,并通過仿真結果驗證了中央空調參與調峰的可行性。文獻［50］通過對日本九州典型家庭住宅光儲系統(tǒng)開展仿真實驗,驗證了戶用光伏電池系統(tǒng)可以實現(xiàn)1.1%的凈峰值負荷削減。文獻［51］計算表明,基于適當的調控和激勵策略,每戶2 kW?h 的戶用儲能電池可能將英國低壓變電站當前峰值需求減少50%以上；每戶3 kW?h 的儲能配置可以在不額外增加峰值負荷的情況下,確?？臻g供暖和熱水循環(huán)完全由熱泵供能。文獻［52］在實驗室環(huán)境下測試了居民熱泵主動控制對建筑物電力負荷的調峰能力,在氣溫最冷周,住宅百分之一峰值負荷（one percent peak,OPP）下降了2%～5%,平均周OPP 下降了約17%。

在調頻方面,圖6 總結了不同種類分布式資源提供慣量支撐、一次、二次和三次調頻的相關研究。雖然基于電力電子設備并網的分布式資源無法像具有機械旋轉部件的傳統(tǒng)發(fā)電機一樣,為電力系統(tǒng)提供直接的慣量支撐,但基于虛擬慣量控制方法的分布式資源可以表現(xiàn)出類似傳統(tǒng)同步發(fā)電機的動態(tài)特性。文獻［53］通過仿真研究了不同虛擬慣量對頻率穩(wěn)定性的影響,在3 機9 節(jié)點仿真系統(tǒng)中,虛擬慣量在0～20 250 kg·m2區(qū)間內增大有助于提升頻率變化最低點,并降低頻率最大變化率,但超過區(qū)間的進一步增大會導致頻率振蕩情況惡化,不利于系統(tǒng)頻率安全穩(wěn)定。文獻［54］提出分布式資源協(xié)同傳統(tǒng)發(fā)電機組參與慣量支撐和一次調頻優(yōu)化方法,基于降階的系統(tǒng)頻率動態(tài)模型,設計了分布式資源的虛擬慣量和一次調頻下垂控制系數,以滿足頻率超調和穩(wěn)態(tài)調節(jié)等時域調頻性能需求。

圖6 居民分布式資源參與調頻時間軸及相關研究Fig.6 Timeline of residential distributed energy resources participating in frequency regulation and related research

在一次調頻和二次調頻方面,前者通常是在幾秒鐘內,發(fā)電機通過自動增加或減少其輸出功率來快速抵抗系統(tǒng)頻率偏移,后者主要是在數十秒至數分鐘內,通過控制中心的自動控制系統(tǒng)對各機組下發(fā)功率調節(jié)指令來恢復頻率。文獻［55］通過在發(fā)電功率為300 MW 的系統(tǒng)中開展仿真驗證表明,在計及車輛限制和用戶需求的前提下,3 000 輛電動汽車參與電網可以有效降低系統(tǒng)21.6% 的頻率波動。文獻［56-57］表明,依托可靠的通信、傳感和自動化設備,電動汽車移動儲能、分布式光伏、柔性負荷等居民分布式資源可以提供快速、可持續(xù)和低成本的一次頻率響應。文獻［58-59］分別提出了將分布式儲能和電動汽車應用于二次調頻的控制方案,并通過仿真結果驗證了其有效性。三次調頻則是在頻率基本恢復至額定值時,對調頻儲備進行再調度［60］。文獻［61］表明,具有熱儲能特性的戶用熱水器非常適合提供三次調頻服務。

在調壓方面,文獻［62］在德國電氣工程師協(xié)會提出的無功功率控制策略基礎上,提出了光伏并網逆變器向電網提供無功支撐的策略,以維持電網電壓穩(wěn)定在安全區(qū)間。文獻［63］采用無模型優(yōu)化策略來實現(xiàn)對分布式資源輸出功率的有效控制。實驗結果表明,所提方法可以在降低20%系統(tǒng)容量使用量前提下實現(xiàn)理想的調壓效果。文獻［64］提出一種住宅區(qū)分布式儲能參與電壓調節(jié)的協(xié)調控制方法。仿真結果表明,在確保每個儲能均運行在理想荷電狀態(tài)值情況下,所提控制方法可以解決高光伏滲透率低壓配電網的節(jié)點電壓越限問題。

2.2 清潔低碳

清潔低碳是新型電力系統(tǒng)建設的核心目標。在“低碳化”和“零排放”趨勢下,電力系統(tǒng)運行需要完成從傳統(tǒng)的“電視角”向“碳視角”的轉變,即在保障電網安全、高效、經濟運行的同時,將清潔低碳納入考量［65］。在電力供給側能源結構轉型的同時,用戶側也承擔著推動碳減排的重要責任。居民分布式資源管理允許居民用戶與智能電網之間進行雙向互動,意味著可以通過價格信號或者其他激勵模式降低用戶對于高碳排電源的依賴。從具體實施來說,對需求側碳排放足跡進行追蹤和計量,讓用戶能夠切實感知自身用電行為對應碳排放,并通過政策法規(guī)和教育宣傳推動居民清潔低碳用能模式的普及,可以鼓勵居民更多使用清潔能源。在此基礎上,應用居民分布式資源優(yōu)化管理技術,可以更加智能、高效地增加居民側的降碳能力,為新型電力系統(tǒng)建設提供清潔低碳的可行路徑。

文獻［66］提出的碳排放流理論為如何追蹤電網從源側到荷側的碳排放責任提供了可行思路,為分析居民用戶用電行為與碳排放之間的關系奠定了基礎,有利于居民用電行為的引導和減碳政策的實施?；诔绷鞣治鲎粉櫶寂欧帕鞯难芯恐饕梢苑譃?有 功 潮 流 追 蹤［67-68］和 復 功 率 潮 流 追 蹤［69-70］。其中,文獻［67］基于比例共享原則,提出了每一臺發(fā)電機供應的特定負荷、對輸電線占用情況和對潮流影響的計算方法,為追蹤虛擬碳流提供了理論依據。文獻［70］提出一種基于復功率潮流追蹤碳流模型,該模型考慮了電力網絡中的網損和無功功率對有功功率的間接作用,可以全面分析電網碳流伴隨潮流自源向荷的流動。除碳計量和碳排放流理論分析外,還需要配套的硬件設備實現(xiàn)碳排放的可測可量。文獻［71-72］分別從理論層面和系統(tǒng)設計層面,研究了可以滿足多電壓等級全環(huán)節(jié)碳計量的分布式碳表系統(tǒng)。碳排放流追蹤數據和電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)精準碳計量結果能夠幫助政府相關部門更好地制定能源清潔低碳轉型政策,調整能源結構；能夠幫助能源公司和電網運營商優(yōu)化碳排放相關商業(yè)模式和分布式資源管理方案；能夠引導居民更好地理解其能源消費行為對于碳排放的影響,從而積極響應低碳政策和管理方案。

在機制設計和優(yōu)化調度方面,文獻［73］建立了碳價引導型需求響應機制下兩階段源-荷協(xié)調低碳優(yōu)化調度模型,將傳統(tǒng)歸算在發(fā)電側的碳排放責任分攤至負荷側,并在IEEE 118 節(jié)點系統(tǒng)驗證了所提方案在日經濟調度周期內,較考慮需求響應前方案降低了3.1 萬美元碳排放成本和6.6 tCO2碳排放量。此外,文獻［74］在對5 個高收入、高排放西歐國家（英國、德國、意大利、西班牙和瑞典）的10 109 名受訪者調查中發(fā)現(xiàn),家庭供暖清潔低碳轉型需要首先關注系統(tǒng)設備的使用便捷性,以及配套低碳技術服務的專業(yè)性。

2.3 柔性靈活

柔性和靈活性是電力系統(tǒng)響應電力波動、實現(xiàn)能源平衡調度和優(yōu)化配置的一種能力,對新型電力系統(tǒng)起到重要支撐作用。新型電力系統(tǒng)的柔性主要體現(xiàn)在柔性輸電技術［75］、柔性電網互聯(lián)［76］,以及柔性負荷與源網儲的互動新模式［77］等方面。其中,居民分布式資源管理是探索源網荷儲互動新模式的重要舉措。通過柔性調節(jié)居民分布式資源電力生產和消費,能夠緩解系統(tǒng)短時、長時平衡調節(jié)壓力,為電網提供不同時間尺度、不同響應規(guī)模的靈活性。

戶用光伏協(xié)同儲能系統(tǒng)或新型逆變器控制方法,可以實現(xiàn)對輸出功率的柔性靈活調節(jié)；柔性負荷可以通過負荷削減或負荷轉移,完成功率或能量調節(jié)；戶用儲能、電動汽車等具有雙向調節(jié)功能的分布式資源則可以在電力生產者和消費者角色之間靈活切換,以適應多種電網工況。文獻［78］顯示,關于居民分布式資源柔性靈活調控的研究對象,目前主要包括中央空調、電熱水器、水相關電器、冰箱和照明設備,對應占比分別為36.7%、25.7%、14.7%、9.2%和8.3%。

居民分布式資源的靈活性量化評估,是當前研究的重點領域之一。以往研究通常采用白盒、灰盒和黑盒3 種模型對住宅靈活性資源調控潛力進行量化評估,從而生成最優(yōu)的調度控制方案。居民分布式資源靈活性量化指標主要聚焦于容量、能量、效率、時間等維度,具體主要包括可調功率、可調能量、可調方向、可用時間和可維持時長等［79］。文獻［80］提出一種用來量化評估分布式資源在能量或者功率調節(jié)方面靈活性和持續(xù)性的范式：最大功率時間比tr。tr可由能量/功率比值得到,表征了分布式資源維持其最大功率變化的時長,可以用來幫助分布式資源選擇相應提供的服務。其中,功率型資源（tr較?。└m合參與短期市場,而能源型資源（tr較大）則更適合參與長期市場。

此外,隨著配電網對于電壓穩(wěn)定、降低網損、阻塞管理等靈活性需求增大,本地靈活性市場（local flexibility market,LFM）應運而生。居民分布式資源通過聚合商或虛擬電廠參與LFM,可以向配電系統(tǒng)運營商（distribution system operator,DSO）、輸電系統(tǒng)運營商（transmission system operator,TSO）和平衡負責方等市場主體售賣靈活性服務產品［81-82］。傳統(tǒng)配電網通常對所有節(jié)點實行統(tǒng)一電價政策,但此定價模式難以適應分布式資源大量并網的發(fā)展趨勢,也未能充分反映配電網的固有特性,如高阻抗比、網絡損耗、相間不平衡及局部電壓調節(jié)需求。分布式節(jié)點邊際電價機制的提出為解決上述問題提供了一個針對性的解決方案,對于構建未來配電網競爭性市場至關重要［83］。

相較于發(fā)電側可以快速爬坡的靈活性機組或在電網側加裝的集中式靈活性調節(jié)設備,一方面,居民分布式資源管理可以實現(xiàn)本地的能量平衡和新能源消納,降低長距離輸配電能量耗損；另一方面,可以增加電網韌性,即使單點的分布式資源設備發(fā)生故障,也可以依賴龐大的資源池完成調控目標。然而,與其他靈活性資源相比,居民分布式資源的經濟性、可靠性和可持續(xù)性是其成為系統(tǒng)可信任調節(jié)資源的重要考量標準。

2.4 智慧融合

新型電力系統(tǒng)廣泛應用“云大物移智鏈邊”等智能數字信息技術,充分吸納太陽能、核能、氫能等多種能源形式,優(yōu)化調控需求側優(yōu)質分布式資源,深度融合數字、物理、社會、生態(tài)等各類系統(tǒng),逐步完成向全面感知、協(xié)同互動、智能高效運作模式的演變［84］。在居民分布式資源管理過程中,新型電力系統(tǒng)向智慧融合方向轉型的趨勢逐漸體現(xiàn),其中,集成化、跨領域、跨系統(tǒng)的數據共享和協(xié)同優(yōu)化,是新型電力系統(tǒng)建設的必然要求。具體而言,電力網與信息網、交通網、建筑網和人文網等復雜網絡的互聯(lián)互通為居民分布式資源管理支撐新型電力系統(tǒng)建設提供了基礎保障。同樣,居民分布式資源管理的發(fā)展也推動了龐大智慧融合系統(tǒng)的建設。

首先,居民分布式資源的智慧化管理需要以信息網作為基礎保障。智能電表和能源管理系統(tǒng)可以依托信息網將居民分布式資源運行狀態(tài)數據傳輸到監(jiān)控中心、調度中心和保護設備中,以進行分析、處理和控制；也可以將上級電網指令或市場信息傳遞至本地。其次,車-站-網一體化運行框架將電動汽車、充電站和交通網緊密融合在一起,5G 通信［85］、云計算、區(qū)塊鏈等技術的迅猛發(fā)展也正在為“交通網-信息網-電力網”協(xié)同發(fā)展賦能。在此基礎上,一系列相關研究得以展開。例如,文獻［86］分析了車-站-網一體化運行交互特性,并總結了三者互動響應技術相關研究。文獻［87］提出一種計及車-站-網協(xié)同運行的電動汽車充放電時空優(yōu)化調度策略。結果表明,所提策略可以實現(xiàn)充電樁負荷時空均勻分布,改善路網交通流量并降低電動汽車充電成本。同時,文獻［88］還探討了僅存在風、光、氫和燃料電池電動汽車的100%可再生能源系統(tǒng)是否能可靠且高效益地運行。

此外,建筑網是容納居民分布式資源的主要載體,居民分布式資源則是建筑網的能源生產和消費主體,居民分布式資源管理對于城市建筑智能化、低碳化改造和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。為此,文獻［89］設計了一套智能建筑能量管理（smart building energy management,SBEM）系統(tǒng),并在奧地利和西班牙的樓宇進行了實驗驗證。該系統(tǒng)綜合考慮了設備運行層面和建筑物與外部能源供應之間的接口,以更好地應對可能導致建筑物能源供應發(fā)生變化的政策影響。文獻［90］綜述了深度強化學習在SBEM中的應用研究,并提供了一些結論。例如,綜述中介紹的方法相較于傳統(tǒng)調控方法在提升智慧建筑性能方面均具有優(yōu)勢,但由于算法探索時間和成本的限制,現(xiàn)有基于無模型深度強化學習的SBEM 方法仍暫時無法用于實際應用。

同時,居民分布式資源管理促進了人文網與電網的深度耦合。目前的分布式資源管理方法本質上均依賴于用戶能源使用模式的調整,它們賦予居民能源自主權,使得居民參與到能源管理的決策過程中,并為居民提供了能夠滿足不同需求和偏好的靈活化和定制化能源解決方案。以往大量研究就環(huán)境因素［91］、經濟因素［92］、社會政治因素［93］、社會心理學因素［94］、社區(qū)因素［95］等對居民能源消費行為的影響進行了廣泛的討論,這種關聯(lián)性研究有助于更好地了解和引導居民的能源使用行為,對于制定分布式資源管理相關政策和策略,引導居民朝可持續(xù)發(fā)展方向邁進具有重要意義。此外,有學者提出了低碳智能人體電網概念［96］,通過優(yōu)化管理人體所穿戴的智能設備上發(fā)生的能源生產、消費、儲存、交換等過程,協(xié)同外界復雜環(huán)境,構建一個以人體為核心的智能、低碳、安全、靈活的人體微網。它本質上是信息-物理-社會系統(tǒng)（cyber-physical-social system,CPSS）向下的延伸拓展,是生命系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的有機融合。

綜上所述,首先,居民分布式資源管理可以通過為新型電力系統(tǒng)提供調峰、調頻、調壓等服務來保障電網安全高效運行；其次,可以通過電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)碳排放流追蹤和計量,依托低碳需求響應機制推動居民用電方式清潔低碳轉型；再者,可以利用不同類型資源在可調功率、可調能量、可調方向等靈活性關鍵指標上的特異性,依托開放高效的市場環(huán)境,實現(xiàn)電力柔性靈活調控；最后,可以通過與信息網、交通網、建筑網、人文網等復雜網絡的融合互通,助力建設一個龐大的智慧融合系統(tǒng)。

3 居民分布式資源管理核心要素

3.1 政策制度與管理機制

政策制度和管理機制構成了居民分布式資源管理的基礎框架,并為其提供了規(guī)則和指導。目前,居民分布式資源管理在全球范圍內呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢,不同國家根據自身能源需求和挑戰(zhàn),制定了一系列政策來進一步推動居民分布式資源管理的發(fā)展。

美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會頒發(fā)的2222 號命令（FERC Order No.2222）允許地方政府與第三方聚合商合作,構建居民社區(qū)分布式資源聚合體,并準許其參與批發(fā)市場獲利［97］。2022 年8 月16 日,美國政府出臺了降低通膨法案（Inflation Reduction Act,IRA）［98］。該法案是美國歷史上對氣候和能源投資最大的法案,其中,法案調整了戶用儲能投資稅抵免（investment tax credit,ITC）政策,取消了必須搭配100%太陽能的要求,允許獨立儲能納入補貼范圍,將ITC 從最高26%提高至30%,并延長10 年。同時,參與小區(qū)太陽能發(fā)電計劃的用戶未來也能在家中獨立配置儲能。

世界其他各國也正陸續(xù)出臺有利于推進居民分布式資源管理發(fā)展的政策法規(guī)。2019 年11 月,南澳大利亞決定強制要求未來在該國銷售的住宅空調、電熱水器、游泳池泵控制器和電動汽車充/放電器4 種家用電器必須支持需求響應標準AS4755,其中,要求在2023 年7 月1 日之后,新裝的部分空調必須做好需求響應準備［99］。這為南澳居民分布式資源參與電網服務提供了全國適用的公開標準,但統(tǒng)一的標準會限制產品制造和市場自由。同時,AS4755 不支持互操作,使得居民分布式資源的管理無法實現(xiàn)運營商和消費者的雙向互動,從而無法精準評估和驗證需求響應結果［100］。2022 年5 月18 日,歐 盟 委 員 會 宣 布 了REPowerEU 計 劃［101］,其 中 的《太陽能屋頂倡議》要求歐盟成員國建立國家支持計劃,以促進大規(guī)模的太陽能屋頂項目建設,同時確保到2029 年,所有新建住宅需安裝屋頂太陽能電池板。2022 年12 月15 日,日本東京都議會全體會議表決通過了首例針對個人住宅的條例,要求自2025年4 月起在東京都內新建住宅必須安裝太陽能電池板［102］。

分布式資源管理在全球部分地區(qū)的實踐項目如表1 所示。主要的管理機制可以分為兩大類：電價型［103］和激勵型［104-108］。電價型分布式資源管理機制是以電價作為驅動信號來激勵用戶改變用電模式,包括分時電價（time-of-use price,TOU）、尖峰電價（critical peak price,CPP）、實時電價（real-time price,RTP）等［109］。TOU 旨在鼓勵用戶在高峰時段外用電,從而平滑電網負荷曲線,其定價反映了電力供應成本在一天內不同時段的變化,且通常在季節(jié)內保持靜態(tài)［110］。CPP 中電價變動由電力高峰事件觸發(fā),在電力尖峰時刻電價會顯著上漲,此種情況下電力公司會提前通知用戶尖峰時段的開始和結束時間,方便用戶做出調整,如轉移負荷［111］；RTP 中電價會根據批發(fā)市場價格（實時供需關系）不斷浮動,并會提前幾小時或一天告知用戶,用戶可以根據動態(tài)更新的價格信號相應調整用電量,但也可能會給價格敏感程度低或排斥頻繁接收通知的消費者帶來一定困擾［112］。電價型管理機制有限的應用程度表明,其部署和大范圍應用必須有智能電表［113］、通信網絡［114］等配套支持,且較為考驗居民對變化電價的接受程度和響應能力。后續(xù)章節(jié)將進一步闡述硬件設備與軟件平臺在居民分布式資源管理中的作用,以及如何通過市場化方式或技術手段激勵居民用戶更好地發(fā)揮分布式資源在助力新型電力系統(tǒng)建設中的潛力。

表1 國內外居民分布式資源管理部分實踐項目Table 1 Partial practical projects of residential distributed energy resource management at home and abroad

激勵型分布式資源管理主要包括以下幾種計劃：直接負荷控制、可中斷可削減計劃、需求招標/回購計劃、容量市場計劃、輔助服務市場計劃以及緊急需求響應計劃。在直接負荷控制機制下,用戶需與系統(tǒng)運營商或聚合服務提供商簽訂合約,同意在短時間內接受遠程中斷或調整負荷,以獲取相應的獎勵［37］?？芍袛嗫上鳒p計劃是指負荷聚合商向客戶提出預先設定的負荷削減請求,未響應者將受到懲罰［115］。需求招標/回購計劃則是指用戶在電力市場中開展日內或日前競標來提供特定的負荷削減［116］。此外,激勵型分布式資源管理還包括容量市場計劃［117］、輔 助 服 務 市 場 計 劃［118］和 緊 急 需 求 響 應 計劃［119］。這些計劃旨在讓用戶提供不同時間范圍內的調節(jié)儲備,包括長時間、短時間和超短時間。對于需要大型響應能力的計劃項目,可以通過聚合居民負荷來實現(xiàn)?？傊?無論是價格型還是激勵型管理機制,用戶可通過主動競標或被動激勵,為新型電力系統(tǒng)提供更為清潔低碳的運行方案。

3.2 硬件設備與軟件平臺

硬件設備和軟件平臺是實現(xiàn)居民分布式資源管理的基礎。硬件設備提供了必要的物理基礎,而軟件平臺則支持數據處理、智能決策和資源調度等功能。為滿足新型電力系統(tǒng)的分布式資源管理對于精準量測、智能遙控、雙向通信等的需求,傳統(tǒng)老舊的戶用電表和家居設備等基礎設施亟待改造升級。文獻［120］通過分析美國加州兩個最大公用事業(yè)（PG&E 和SCE）服務區(qū)域的新興分布式資源管理現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)電網容量約束限制了電動汽車和空調等資源規(guī)模的擴增,制約了用電終端電氣化進程。在英國監(jiān)管機構Ofgem 的一項調查中,67%的受訪者提到了對TOU 機制中費率轉換的實踐性表示擔憂,具體體現(xiàn)在擔憂運營商采用錯誤的儀表讀數［121］。文獻［122］介紹了英國智能電表實施計劃可以為TOU 項目費率結算提供更準確的計費數據,但截至2022 年12 月,英國智能電表統(tǒng)計數據顯示,目前仍有45%英國家庭和小型商業(yè)使用傳統(tǒng)電表,且加裝的智能電表中有5.6% 運行在傳統(tǒng)模式［123］。此外,文獻［124］介紹了家庭能量管理系統(tǒng)的概念、架構和基礎設施。家庭能量管理系統(tǒng)能夠實時分析家庭內部能源消耗模式,基于外界環(huán)境和電價等信息,自動調度住宅能量以確保最大能效,完成與電網的主動互動。

對于負荷聚合商和虛擬電廠等分布式資源管理運營商,需要智能決策和交易平臺來提供具有競爭力和可靠保障的管理服務。文獻［34］提出了基于區(qū)塊鏈技術的虛擬電廠能量管理平臺,以激勵住宅用戶之間的能源交易活動。該平臺采用去中心化優(yōu)化方法,在尊重用戶獨立性和隱私性的同時,優(yōu)化用戶之間的能量調度、能源交易和網絡服務。在系統(tǒng)層面,居民分布式資源參與調頻、調壓等輔助服務以保障電網安全高效運行,需要網側頻率、電壓量測裝置和通信網絡的配合。此外,居民分布式資源聚合管理不僅要在電力系統(tǒng)內部實現(xiàn)智能管理和優(yōu)化,還需要在軟硬件層面具備與交通、建筑和綜合能源系統(tǒng)耦合的接口,以確保多能流和復雜耦合系統(tǒng)運行效率達到最優(yōu)。

3.3 管理技術與優(yōu)化方法

對居民分布式資源動態(tài)可調能力進行精準評估和預測是分布式資源管理的重要前提。評估預測的關鍵環(huán)節(jié)主要包括對設備運行狀態(tài)的評估、對居民負荷曲線的預測、對用戶聚合整體動態(tài)趨勢的預估。評估和預測技術通常需要采用氣象數據、地理信息、建筑參數、居民及社區(qū)信息和社會經濟數據等作為特征數據［125］。目前,常用于居民分布式資源評估與預測的方法包括統(tǒng)計和時間序列方法［126］、概率預測方法［127］、機器學習和其他人工智能方法［128］、組合和集成預測方法［129］等。這些方法考慮了歷史數據、日歷信息、特殊事件、設備信息、用戶行為等重要因素,在不同數據可用性和所需預測精度場景下發(fā)揮各自優(yōu)勢,為居民分布式資源管理策略生成和優(yōu)化調度算法制定提供了基礎。而優(yōu)化管理策略的部署也會反作用于評估預測的結果。文獻［130］考慮了分布式資源管理措施對負荷預測的影響,通過將需求響應信號視為預測模型的外部輸入來提升預測準確性。

居民分布式資源最優(yōu)管理策略的制定通常旨在實現(xiàn)資源主體個人利益或集體利益的最大化,涵蓋經濟效益、環(huán)保效益、用戶舒適度等多個方面。個體利益主體包括居民用戶和服務機構（如聚合商、虛擬電廠運營商、售電公司、系統(tǒng)運營商等）,而集體利益可從社區(qū)微網范圍拓展至全社會。具體來說,針對居民用戶,管理優(yōu)化目標主要需要考慮能源消費成本、居民被控狀態(tài)下的舒適度、設備生命周期和可再生能源利用率等方面［131-132］；針對服務機構,主要優(yōu)化目標包括運營效益與風險、策略可持續(xù)性、調度可靠性和環(huán)保性等方面。在集體利益層面,居民分布式資源管理優(yōu)化目標則涵蓋社會總福利、能源配置結構、系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性及系統(tǒng)碳排放等方面［133］。針對以上優(yōu)化目標,常見的建模方法可分為多目標建模、確定性建模、隨機性建模、數據驅動建模［134］等,根據優(yōu)化問題的不同性質和求解需求,主流的求解方法涵蓋線性規(guī)劃、混合整數規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、模糊理論、機器學習、強化學習等［135-136］。

居民分布式資源管理涉及多重主體,如常規(guī)發(fā)電廠、TSO、DSO、各類服務提供商（如能源社區(qū)、微網、負荷聚合商）和居民用戶等,其中,每個市場主體（含參與者和市場運營者）都有各自的利益目標［133］。在這樣一個多主體環(huán)境中,某些主體之間會開展合作以共同提高社會總福利和降低成本,但也可能存在競爭關系。為了平衡不同參與者的利益,需要設計合適的價格機制、交易規(guī)則或補貼政策。同時,高效的數據交換和通信機制對于涉及多個參與者和復雜優(yōu)化目標的問題不可或缺,既需要高度的數據精度,又需要保證數據的安全性和隱私性。另外,需求側居民分布式資源和電網的雙向互動模糊了傳統(tǒng)的源荷邊界,也對主配網聯(lián)合調度提出了新的要求,需要TSO 和DSO 確定協(xié)同優(yōu)化目標和運行約束,從而生成最優(yōu)調度策略。

總體而言,全球居民分布式資源相關政策制度和管理機制為激發(fā)各類資源靈活性指明了發(fā)展方向和可行路徑；硬件設備和軟件平臺為實現(xiàn)居民分布式資源可觀、可測和可調提供了關鍵基礎；管理技術和優(yōu)化方法為居民分布式資源管理提供了強有力的實現(xiàn)手段。以上三大核心要素共同推動了新型電力系統(tǒng)居民分布式資源管理的快速發(fā)展。隨著居民與社區(qū)不斷參與分布式資源的集成和協(xié)同管理,電力系統(tǒng)安全高效、清潔低碳、柔性靈活和智慧融合特征將更為鮮明。

4 居民分布式資源管理影響因素

4.1 內部影響因素分析

居民分布式資源因本身產能波動、設備性能限制和用戶行為影響具有不確定性,從而易影響分布式資源管理效率和可靠性。具體而言,光伏發(fā)電量受天氣條件（如陽光照射、云層覆蓋）和季節(jié)變化的影響存在波動,且光伏設備的轉換效率和壽命也會影響其產能。戶用儲能的容量、放電深度、充放電速率以及使用壽命均會影響其能量管理效率。電動汽車的充電模式（慢充、常規(guī)、快充）、電池類別和車主行為會對其管理效率產生影響。柔性負荷的管理則與居民用戶用電行為息息相關,同時,柔性負荷的控制設備和傳感器性能可能影響資源管理的準確性和效率。

居民分布式資源的管理往往是以單個家庭或者社區(qū)為基本單位開展的。因此,優(yōu)化能源資源管理的重點通常包括光儲配套優(yōu)化規(guī)劃［137-138］、家庭能量管理與凈負荷預測［139-140］、面向管理的用戶用電行為建模［141］和社區(qū)能源共享［142-143］等。

隨著電價峰谷差的增加和光伏上網電價補貼的逐漸減少,光儲系統(tǒng)的必要性進一步凸顯。文獻［144］分析了在沒有需求側補貼的前提下,何時、何種情境下為居民光伏配備儲能是經濟可行的。此外,該研究還提出了一個技術經濟模型,用來計算德國2013—2022 年與戶用光伏配套的儲能運行經濟性,并考慮未來技術成本和電價發(fā)展的不確定性,分析了在不同電價場景下最優(yōu)光儲規(guī)模以及儲能的盈利能力。類似地,文獻［145］通過對替換成本、電費、簡單回報、凈現(xiàn)值、折現(xiàn)回收期、度電成本等經濟性指標進行評估,證明了投資光儲系統(tǒng)的價值。此外,文獻［146］對并網住宅光儲系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃相關研究進行了全面的綜述,并闡述了影響光儲系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃的關鍵,主要包括經濟技術數據、目標函數、能量管理系統(tǒng)、設計約束、優(yōu)化算法和電價方案等。

家庭能量管理可以幫助住宅統(tǒng)一管理和協(xié)調調度具有互補運行特性的多種分布式資源,從而降低家庭能源消費成本,最大限度地利用可再生能源,為家庭提供智能、舒適、環(huán)保和便捷的用能方式［147］。同時,能量管理系統(tǒng)可以幫助居民知悉家庭能源消耗模式,從而優(yōu)化調整設備運行設定時間或模式,在需求響應、分布式能源資源交易等方面作出更明智的決策,也可為電網運營商制定管理策略提供更細粒度的數據信息。此外,面向管理的用戶用電行為模型通常包括冪函數、指數函數、對數函數和線性函數［141］等,用于處理用戶響應管理信號隨機性的技術方法主要包括隨機規(guī)劃［148］、概率建模［149-150］、魯棒優(yōu)化［151］、深度學習［152-153］、強化學習［154-156］等。

同時,社區(qū)能源資源共享旨在保障可再生能源自主消費者進行生產、消費、儲存和銷售等活動的公平性和平等性,如賦予公寓居民（弱勢消費者/租戶）共享光伏的權利,降低其用電成本［36］。受共享經濟模式和云服務理念啟發(fā),共享儲能作為一種儲能發(fā)展新業(yè)態(tài),為用能需求互補的多個居民之間共享儲能服務提供了新思路［35］。如表2 所示,共享儲能主體對象包括由社區(qū)居民用戶共建或第三方投資運營的實體儲能［157-158］,以及通過虛擬化的方式將分散的居民儲能裝置集中至云端,從而實現(xiàn)資源虛擬化共享的云儲能［159-160］。社區(qū)能源資源共享可以提高設備使用效率和可再生能源利用率,顯著降低裝置配備成本和電力消費成本。

表2 能源共享模式下居民側實體共享儲能與云儲能對比Table 2 Comparison of on-site shared energy storage and cloud energy storage under energy sharing paradigm

4.2 外部影響因素分析

市場環(huán)境和能源交易模式作為外部因素,對于保障居民分布式資源管理的有序開展影響重大。良性的市場環(huán)境和能源交易應包括合理的定價信號、有吸引力的激勵補貼、公平的準入原則、科學的評價體系和高效的市場框架等。目前,中國統(tǒng)一的電力市場體系尚未建成,關于市場框架和交易模式構建更多體現(xiàn)在理論研究層面,缺乏實際落地應用經驗。

國外理論與實踐經驗表明,居民分布式資源可以參與的主流市場包括容量市場［161-162］、現(xiàn)貨市場［163-164］和輔助服務市場［165］等。這些市場為分布式資源在不同時間尺度上釋放調節(jié)潛力奠定了基礎。在容量市場中,盡管分布式資源所具有的不確定性會給系統(tǒng)規(guī)劃運行增加一定隱患,但引入分布式資源可以提升市場競爭效率和靈活性,促進新能源消納和清潔能源替代。因此,傳統(tǒng)的容量市場需要更新運作模式,以促進分布式資源的積極參與。例如,確切的投資回報和聚合的參與方式可以分別提升服務提供方和市場運營者的信心,而對于不同類型資源的差異化補償方式也有益于充分激發(fā)市場參與主體潛力。同時,分布式資源加入日前或日內市場也將增加市場活力,降低電能供需形勢波動對于電價的影響,而更高效、有活力的市場也將反作用于促進分布式資源靈活能源生產和消費模式,實現(xiàn)更優(yōu)化的管理。對于輔助服務市場,短時調節(jié)靈活性的需求將直接激發(fā)居民分布式資源的投資建設積極性。降低市場準入門檻和完善結算補貼機制有助于更多居民分布式資源參與提供調頻、調壓、爬坡、平衡和阻塞管理等輔助服務。

在居民分布式資源交易方面,在集中式市場框架中,市場運營商往往需要求解一些市場模型來作出運營決策。然而,隨著市場參與主體規(guī)模不斷擴大,集中式求解的計算成本和參與主體隱私相關隱患不斷攀升［166］。但是,要想保障此類市場化交易結果接近全局最優(yōu),避免市場中欺騙或惡意操縱行為,仍需要設計良好的能源交易模式。

5 居民分布式資源管理未來展望

居民分布式資源管理是助力新型電力系統(tǒng)朝著安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合四大特征邁進過程中的一大重要任務,需要與系統(tǒng)中多個關鍵環(huán)節(jié)進行協(xié)同配合。本章根據前文所述居民分布式資源管理重要作用和核心要素,結合該領域理論研究及實踐進展情況,面向新型電力系統(tǒng)建設關鍵特征,對居民分布式資源管理研究作出以下展望。

5.1 政策機制層面

首先,考慮到新型電力系統(tǒng)居民分布式資源管理工作仍大多停留于大量的理論研究和試點驗證層面,為將其落實到大規(guī)模實踐,確保廣泛居民參與度,政策制定應針對居民準入門檻進一步細化完善,例如,參與規(guī)模和響應頻次要求、具體結算方法等。政策制定者應從長遠角度出發(fā),考慮如何將居民分布式資源管理常態(tài)化,并涉及主體從中持續(xù)受益、多方共贏。

其次,在管理機制設計上,應追求簡潔性和閉環(huán)性。這意味著機制應當容易理解和執(zhí)行,能夠讓用戶對調控信號迅速響應。同時,機制還應該具有即時的效果評估和結算功能,確保居民能夠及時了解自身貢獻和收益,增強其參與積極性。

最后,在考慮政策和機制設定公平性時,需要充分考慮到不同地區(qū)、不同經濟水平和不同建筑類型存在的諸多差異,例如,農村與城市、經濟發(fā)達地區(qū)與發(fā)展中地區(qū)差異化的能源供需情形。因此,政策和機制應當因地制宜,確保各類主體的權益得到保障,實現(xiàn)能源的公平分配和使用。

5.2 基礎設施層面

首先,盡管如智能電表、家庭能量管理系統(tǒng)等軟硬件設施不斷更新迭代,其普及率仍然有限,原因包括用戶對新設備使用存在接納顧慮或操作壁壘。因此,服務管理機構需要深入理解用戶對于新興設備技術的接受度,通過多渠道教育和宣傳,提高用戶對新設備的認知,增強其使用信心,確保推廣技術與用戶需求和心理預期相匹配。

其次,居民用戶對新設備的疑慮和擔憂往往與數據隱私和安全問題有關。因此,智能設備的設計和制造需要充分考慮數據加密和保護,增加系統(tǒng)網絡安全風險監(jiān)測、防范、預警和響應能力,確保用戶的數據不被非法獲取和利用；還需要提供專業(yè)的隱私保護技術服務,增強用戶對新技術的信任。

最后,為確保電網與用戶之間的雙向通信和數據交互的高效與安全,需要建立實時且可靠的通信網絡。此外,新型電力系統(tǒng)與其他耦合系統(tǒng)統(tǒng)一的數據信息交換設施也必不可少。

5.3 市場交易層面

首先,隨著龐大數量的居民分布式資源和多種類型服務提供商的加入,市場可能需要引入新的交易機制和定價策略來適應分布式資源運行特性和不同利益主體的需求。同時,隨著市場規(guī)模的擴大和參與者的增多,市場監(jiān)管和合規(guī)性將變得更加重要。需要建立有效的監(jiān)管機制,確保市場的公平性和透明性,同時防止操縱和欺詐行為。

其次,如前所述,容量市場、現(xiàn)貨市場和輔助服務市場等可以加大吸納居民分布式資源參與,釋放其在不同時間尺度上的柔性靈活調節(jié)潛力。同時,考慮到居民分布式資源是通過新型配電網接入電力系統(tǒng),為此可以引入配電網節(jié)點邊際電價機制,并加大區(qū)域化、本地化靈活性市場建設力度。

最后,隨著人工智能技術的發(fā)展,在新型電力系統(tǒng)智慧高效演變的進程中,可以預見一個更加智能的能源交易市場,主要體現(xiàn)在基于深度學習模型的市場交易決策建議生成,基于用戶需求和風險偏好的個性化交易策略制定,以及交易策略的在線更新與動態(tài)優(yōu)化等。

5.4 技術方法層面

首先,居民分布式資源管理涉及大量的數據采集、傳輸、處理和分析,而集中式分析與調度需要高效的通信和計算平臺,以及可以適應爆炸增長數據的技術和算力。分布式的解決方式則需要設計快速、有效的求解算法,并保證求解結果的可信度和可驗證性。此外,由于電力系統(tǒng)的運行關系到國計民生,新興理論技術需要經過全面的評估和測試方可落地到實際應用,數字孿生等技術可對分布式資源管理全流程進行全場景復現(xiàn),幫助政策制定者、運營商和居民用戶共同作出更理性的決策。

其次,傳統(tǒng)“源隨荷動”向新型“源荷互動”的變革,使得僅主網或配網優(yōu)化調度視角無法滿足新型電力系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)性。因此,未來的電力調度策略必須考慮主網和配網的聯(lián)合優(yōu)化調控,確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。TSO 和DSO 需要加強合作,通過共享數據、技術和資源共同制定和執(zhí)行調度策略。只有這樣,才能在滿足各種系統(tǒng)約束的同時,實現(xiàn)電力系統(tǒng)的最大聯(lián)合效益。

最后,在新型電力系統(tǒng)建設過程中,隨著電力、交通、建筑等復雜系統(tǒng)的深度耦合,居民分布式資源管理正逐漸轉向一個多系統(tǒng)跨領域智慧融合的范式。傳統(tǒng)圍繞單一系統(tǒng)運行約束和優(yōu)化目標的管理模型在耦合系統(tǒng)中不再適用。因此,新的管理技術方法必須能夠綜合考慮各個子系統(tǒng)的復雜交互作用和耦合約束,以確保復雜系統(tǒng)整體的協(xié)同優(yōu)化和穩(wěn)定運行。此外,人在環(huán)路這一因素不容忽視,用戶不再是被動的消費者,更是主動的市場參與者和決策制定者。因此,未來的調度方法必須在設計之初就充分考慮用戶的行為模式和偏好,重點考慮人與智慧融合物理系統(tǒng)的交互性。

6 結語

構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)能源清潔低碳轉型的必由之路。作為新型電力系統(tǒng)建設的重要一環(huán),居民分布式資源管理對保障電網高安全高效運行、推動能源清潔低碳轉型、實現(xiàn)電力柔性靈活調控、助力智慧融合系統(tǒng)建設具有重要作用。本文從新型電力系統(tǒng)四大關鍵特征出發(fā),對居民分布式資源管理進行了全面的闡述和分析,并展望了未來研究方向。在未來的發(fā)展中,居民分布式資源管理可以進一步完善居民參與需求響應的準入細則,提升軟硬件基礎設施的安全性、隱私性和用戶友好性,設計市場化、智能化的能源交易機制,增強前沿優(yōu)化控制理論方法與實際應用的緊密結合,通過可靠、靈活、綠色、智能的分布式資源管理,為新型電力系統(tǒng)建設發(fā)展賦能。