需求响应技术在调节电力供需矛盾中的应用

2012-02-08石怀德郝为民

电力需求侧管理 2012年1期

石怀德，郝为民

（中国电力科学研究院，北京 100192）

1 基于需求响应技术的供需双向调节机制概述

随着经济和社会的发展，电力供应季节性、时段性紧缺呈现常态化的趋势，能源供应保障问题日益突出，电网发展面临新课题和新挑战。从需求侧管理的角度去观察，用电负荷可被视为与发电能力、电网传输能力一样可以动态调度管理的资源。而采用需求响应技术科学配置、调度需方资源来解决电网供需矛盾，可以为用电客户响应电网需求、通过调整自身用电方式来间接参与电力系统的运营和管理创造条件，是现代电网迈向智能化、互动化的关键所在。

在欧美发达国家的需求侧管理实践中，需求响应技术是调配需方资源的最为有效的手段，通过经济激励、价格补偿的方式来实现尖峰时段和紧急事态下的用电负荷削减。这种调控方式可以有效缓解缺电压力、削峰填谷、降低供用电成本、提高电网资产利用率，达到节约能源和保护环境的目的。

结合我国电力市场开放程度、电力总体供需形势和电网公司需求侧管理业务需求，本文提出应用需求响应技术调节电力供需矛盾，基于电网状态监控和供需平衡分析对需方资源的统一配置和管理，构建电力供需双向调节机制。该运作机制应包括电力供需平衡分析和电网状态监控、需求响应项目组织实施、响应效果及性能评价、需方补偿与激励4个部分，如图1所示。

图1 电力供需双向调节机制组成

图1中，“电力供需平衡分析和电网状态监控”业务为电力供需双向调节机制提供基础数据支撑和负荷削减需求；“需求响应项目组织实施”业务负责组织具体需求响应项目来实现各类负荷削减需求；通过“响应效果及性能评价”业务基于“电力供需平衡分析和电网状态监控”提供的用电客户基础数据，评价“需求响应项目组织实施”业务发布的各类具体的需求响应项目响应性能、执行效果；最终通过“需方补偿与激励”为参与需求响应的客户提供经济补偿和其他激励。

2 电力供需平衡分析

对电力系统进行供需平衡分析是组织实施各种需求响应项目的基础，为不同项目的负荷削减需求提供参照。考虑到不同类型需方资源调配方式和响应时间有很大的区别，此分析可细分为基于电网动态调度的动态分析和按照日、周、月、年等时间频度划分的静态分析；按照覆盖区域的不同还可分为区域性供需平衡分析和局部供需平衡分析。

2.1 动态供需平衡分析

对于电力系统的动态供需平衡分析，主要是为了有效应对在电网动态调度工作中参加运行的机组输出功率上限、参与峰谷调节的机组调节容量和爬坡速率难以满足负荷的动态变化所引起的系统动态供需失衡［1］，以及当电网正常运行过程中由于某一个或几个元件因故障退出运行，该元件所带的初始负荷在其他元件上的重新分配所引发连锁的过负荷故障［2—4］。在电网动态调度需方资源的过程中，可以对系统关键节点的阻抗模比值（节点阻抗模与戴维南阻抗模之比)进行监控、分析，当节点阻抗模比值和电压较低下时，可以通过在阻抗模比值最小的节点及其源流路径(从电源到负荷的路径)上的各类电源节点组织下属客户组织实施可快速响应的需求响应项目，从而有效缓解电压失稳、线路跳闸危机，为提高紧急运行方式的坚韧度创造条件。

2.2 供需静态平衡分析

对于电力系统的静态供需平衡分析，主要是为了应对由于已知的电煤紧张、温度、自然灾害、产业结构不合理、输电阻塞等因素导致的带有可预知性、时段性、区域性等特征的电力供需的静态不平衡问题。基于电网静态平衡分析，可以对网省、区域及热点地区电网特点和负荷特性进行分级分层分析，确定不同层次缺口指标，然后根据缺口覆盖范围自下而上组织响应速度一般或较差的需求响应项目，时间允许的情况下还可以通过建设热泵、蓄冷（热）项目等常态能效项目削减紧缺地区的尖峰负荷，并考虑优化分时电价、尖峰电价、可中断负荷电价、高可靠性电价的费率模式等方式引导客户改善用电方式。

3 需求响应项目组织实施

根据美国能源部的研究报告，电力市场下的需求响应（demand response，DR）可以按照用户不同的响应方式划分为以下2种类型：基于价格的DR(pricebased DR)和基于激励的DR(incentive-based DR)。

结合目前需求侧管理和需求响应各研究理论，需求响应技术是以客户同电网公司双向互动方式实现电网削峰填谷的有效手段，但是完整的需求响应框架需要一个完全开放的电力市场（包括竞争性发电市场、零售市场、辅助服务市场等）以及灵活的电价政策。而我国电价管理按统一政策、统一定价、分级管理的原则，并且尚未形成成熟的辅助服务市场，这决定了我国需求响应技术无法照搬国外模式。因此从组织实施的角度，电力供需双向调节机制的实施体系应对各类需方资源进行响应性能分级，同时通过可在现行电价机制下可平滑接入的各种需求响应技术手段对不同性能级别需方资源的调度和互动。

3.1 需求响应项目的性能分级

根据客户响应性能的不同划分为高性能需求响应项目、一般性能需求响应项目和低性能需求响应项目。

按照响应性能来讲，高性能需求响应项目可界定为30 min以内可以做出有效响应的需求响应项目，主要用来应对突发性电源故障、电网短期时段性过负荷问题。电网紧急状态发生时，首先分轮次启动,在电网故障缓解和一般性能需求响应项目启动后优先释放这类需方资源。

一般性能需求响应项目为4～8 h之内可以做出有效响应的需求响应项目，主要用来入替释放高性能需求响应项目，应对时效性要求不高的趋势性用电短缺。

低性能需求响应项目为8 h以上做出有效响应的需求响应项目，主要用来入替释放一般性能需求响应项目，应对节能减排需求、电网常态性供应紧张等问题。

3.2 按技术手段组织的需求响应项目

需方资源调度方法具体由可中断负荷、紧急需求响应、直接负荷轮流控制和用电设备托管等构成。

按照技术手段来说，可中断负荷需求响应项目是指同客户签订可中断负荷合同，约定削减负荷的大小、响应时间及经济激励方法、年响应最大次数等，在电网高峰时段或紧急事态下向用户发出负荷中断信号，经用户响应后削减部分次要负荷和次次要负荷。可中断负荷一般适用大型工商业用户。通过可中断负荷需求响应项目，可逐步扩大合同限电在有序用电工作中的比例，从而探索以行政管控和经济补偿相结合的方式削减尖峰负荷。

直接负荷轮流控制和用电设备托管指在系统高峰时段或紧急状态下，在15 min以内通知用电客户，通过远端控制装置关闭或者循环控制用户的用电设备的供电电源或控制系统来实现负荷削减。参与直接负荷控制的客户一般为小型工商业用户、亮化工程、智能园区、智能楼宇的重点用能设备,且参与的可控制负荷一般是那种短时间的停电对其生产流水线、经营影响不大的负荷。通过开展直接负荷轮流控制和用电设备托管需求响应项目，探索以智能用电服务和设备柔性管理的方式实现客户响应。

紧急需求响应是指当电力系统出现过载、线路故障或发电机故障等紧急状况时，在前一日对用户进行削减负荷预警，并在真正削减负荷2 h前通知用户。有别于可中断负荷，参与紧急需求响应的客户是被期望而不是强制要求削减负荷，用户可以因削减负荷得到相应补偿。如果上述情况下用户不削减负荷，也不会受到处罚。通过开展紧急需求响应业务探索通过完全经济手段调控的方式实现客户自愿削减负荷，并可测试不同行业客户需求响应的弹性。

在电网实际运行和需方资源的组织管理上，根据静态电力供需平衡分析和动态电力调度中的负荷削减需求和时间约束需求，对电源节点进行溯源分析和下属客户可调控负荷及其响应性能进行分析，并结合系统运行的各类约束条件形成具体需求响应项目。其考虑的主要约束条件有：

●响应时间约束：应充分考虑不同行业，客户主要用能设备停限电所需准备时间以及由于生产工艺决定的设备间的关联关系，降低停电对客户用能造成的损失。

●保供电约束：应细分用电客户，全力保障学校、医院等重要客户的电力供应，针对突发事件导致的电力供应中断应确保满足该类客户的保安容量的电力供应。

●双电源及轮休约束：应全面考虑客户电源配置关系，避免通过不同进线间的负荷转移、安排轮休又参加需求响应项目等投机行为，确保需求响应项目执行有效。

4 响应效果及性能评价

对实际需求响应的响应效果及性能开展科学评价，是对需求响应项目进行性能分级和对需方资源进行补偿与激励的基础。

4.1 需方负荷监测

需方负荷监测应利用光通信和多种通信技术结合的方式，全面集成配网SCADA提供的电源节点实时负荷数据，并实现对专变大用户的主要生产设备、商业楼宇的电锅炉、空调等主要用能设备用能数据的分项计量和实时上传。全面的需方负荷监测为客户基本负荷的核定和需求响应项目的执行性能评级提供数据支持，为客户补贴计算提供依据。

4.2 客户基本负荷界定及响应性能界定

客户基本负荷(customer baseline load，CBL)是指用户在事故期间不实施需求响应的情况下，每小时可能消耗的负荷，这是对未发生情况的一个估计值，基于基本负荷就可以计算用户在事故期间的负荷削减量，进而评价用户的响应性能和实际贡献，并依此对用户进行奖惩和评价需求响应项目的总体性能。其计算规则应规避用户为获取经济补贴而采取的投机行为，应充分考虑气象因子、生产规模因子和历史负荷控制因子及参与需求响应项目影响因子对实际负荷的影响，选取的负荷样本空间应剔除异常数据，然后可根据基于多元线性回归的方法进行客户基本负荷计算。在事故发生期间基于负荷采集数据对客户基本负荷同客户实际负荷的差值进行积分计算即为该用户的实际响应性能，项目整体响应性能的算术平均值即为需求响应项目的总体响应性能。