美国商务楼宇参与需求响应综述

丁继为，王 磊，刘顺桂，孙 杰

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210018；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

商务楼宇负荷因为其负荷结构的类似性以及良好的可控性，使其成为重要的需求响应资源。在美国商务楼宇参与需求响应已然成为研究的热点，并且多个地区已经建立商务楼宇参与需求响应的试点工程。

1 实施方法与机制

纽约ISO发布的基于市场的日前分区节点边际电价，（DA-LBMP），辅助服务成本，由于系统网损带来的传输调整费用（transmission adjustment charges）。MHP的定价如表1所示。

纽约的大部分电力用户是通过削减服务供应商参与需求响应项目的。负荷削减供应商可以管理需求侧资源整合负荷削减计划已达到最大的需求响应补偿的目的，帮助用户评估自身需求响应潜力并改进负荷削减策略。与削减服务供应商签订合同意味着用户必须达到合同要求的最低的负荷削减要求，同时用户将会获得相应的补偿。

电价机制方面，纽约采用动态电价。动态电价是用来引入基于电价响应的负荷，通过负荷高峰时段的高电价和负荷低谷时段的低电价，可以对系统的负荷需求进行整形。太平洋油气与电力（PG&E）尖峰电价和南加州爱迪生（SCE）实时电价都是动态电价的实例。2005年开始，纽约州公共服务委员会要求这些机构向负荷大于500 kW的非居民用户提供日前小时电价作为默认的收费标准，这种收费标准被称为MHP（mandatory hourly price）。MHP也是一种动态电价机制，MHP定价依据主要有3个方面：

表1 MHP电价表

PJM的同步备用市场分为2级，第一级备用资源是那些在额定容量以下机组经济调度而预留的，这部分备用不会对其容量进行补偿，因为并不存在机会成本，然而，它们会在备用事件发生时由于供应同步备用而获得一部分奖励。第二级备用资源是为了从次级层面为提供系统充足的备用而被调度的资源。这些备用资源确实存在因为提供能源而有所损失的可能因而会被支付一定的容量补偿，补偿值为所有资源的最大机会成本补偿值，也被称为市场出清价格（MCP）。第二级备用资源只在第一级备用资源容量不足以满足备用要求并且第二级备用资源在每小时为单位的实时市场中全部出清才会被调用。

2 通信架构

针对商务楼宇参与需求响应的架构，目前主流的是基于OpenADR的通信架构，该架构主要理念是集中控制原则，即中心控制器通过能量信息路径负责控制各个楼层的负荷，各个楼层负荷再根据OpenADR信号进行响应。目前在美国这种基于OpenADR架构的需求响应架构已经普遍用于商务楼宇用户参与需求响应的场景中。OpenADR是一种公共机构或运营商与电力用户之间发送/接收需求响应信号的标准通信数据模型，该模型主要基于客户端/服务器架构，在该架构中需求响应信号通过客户端发送到各个楼宇或工业用户，用户自动根据特定需求响应信号触发动作。

为了使定价和需求响应实现自动化，纽约采用的方法就是OpenADR通信架构，主要核心技术有：OpenADR服务器，用于接收系统可靠性信息以及电价信息；设备侧的OpenADR客户端，用于接收系统可靠性信息和电价信息；楼宇管理系统（BMS），用于管理和激活控制策略。纽约大用户示范工程采用OpenADR 1.0版本，其通信架构示意图如图1所示。日前小时电价可以从纽约ISO网站获得，需求响应事件通知从用户削减服务供应商（CSP）获得。根据电价以及系统可靠性信息，可以得到针对次日每个时段的运行方式。这些信息经过处理OpenADR服务器将会把24 h电价和相应的运行方式发给各设备以激活预先编译好的次日控制策略。同时OpenADR服务器会记录楼宇15 min的表计信息并且监测整日的电力负荷需求。所有信息交互过程都通过128 bit的SSL加密的安全网络连接完成。所有设备都可以在任何时候通过联网的OpenADR客户端口选择退出自动需求响应计划。选择退出计划是根据设备运行需要事先计划好的某个特殊时段，时段可以是几个小时也可以是几天。

图1 纽约示范工程OpenADR通信架构

为了保证需求响应电价信息和需求响应事件相关信息的开放性，并且为了减少自动交易成本，加州提供一个协同的不受限于特定供应商的平台，采用OpenADR信息交互模型。首先需求响应信号由自动需求响应服务器（DRAS）发布到因特网，所有试验点都会持续地通过客户端监测服务器所发布的需求侧事件。一旦接收到需求响应事件的信号时，试点的终端会将信号转化为图2所示的针对特定试点的预编译的信息形式。

图2 加州示范工程系统通信架构

3 需求响应技术

商务楼宇参与需求响应，依托于控制协调技术、信息技术和智能计量技术，根本上实现商务楼宇实现需求响应的是针对楼宇内用电设备的协调控制技术，通常商务楼宇内具有较大需求响应潜力的设备为中央空调系统和照明系统，因此商务楼宇的需求响应技术通常是指中央空调需求响应技术和照明设备需求响应技术。

3.1 楼宇照明系统参与需求响应

当电力系统的电力负荷紧缺时，系统可能仅仅需要少数时段内的负荷削减，在当前商业负荷占比日益上升的背景下，作为商业楼宇负荷重要组成部分的照明设备成为重要的楼宇需求响应资源。据研究统计表明，在商务楼宇负荷中有接近百分之35%的电力负荷为照明设备。若楼宇内部未安装照明设备亮度调节控制器，那么通常照明设备的需求响应方式局限于关闭部分照明设备这一方式。关闭部分照明设备是较为直接便捷的照明设备参与需求响应的手段，因此文献[6]、文献[7]分别提出了基于照明设备亮度调节的需求响应优化模型。文献[6]中首先研究了各点的照度与其所处位置的照明设备功率、照明设备的安装点位置以及日光照度的关系，其表达式如式（1）所示式中：fA表示A点的综合照度，Pi表示第i个照明设备功率，αi为A点的综合照度与第i个照明设备功率的关系因数；ω为A点的位置信息，βA为A点的综合照度与A点的位置信息之间的关系因数；λA为A点的自然光照度。

基于式（1），该文解决了考虑用户照度需求的照明设备最大负荷削减量以及为了达到削减量ΔP，满足用户最低照度需求的照明亮度调节优化方法。

文献[8]中所提出的照明设备亮度调节需求响应方法与上述方法类似，也是考虑满足用户一定的照度需求的照明设备灯光亮度调节的优化，但是在文献[8]的优化模型中，采用各点照度变化率波动最小作为优化目标，其表达式如式（2）所示

式中：xk表示k点的综合照度变化比例，即即平均照度变化率。

3.2 中央空调参与需求响应

中央空调是一类重要的温控负荷（TCL），通过适当的控制手段以及必要的通信技术，中央空调系统可以实现负荷削减，从而使得中央空调成为商务楼宇参与需求响应的另一个重要的负荷资源。

大型的中央空调控制系统是十分复杂的，因而其控制措施主要包括以下几个方面：冷冻水循环系统控制，空调空气循环系统控制，变风量运行，余热再利用，风道静压重设以及送风温度重设。上述控制方式之间是具有一定耦合关系的，且中央空调系统受通信系统以及外界环境的影响，因而造成了中央空调系统参与需求响应的控制策略的复杂性。为了规避中央空调需求响应控制策略过于复杂，可以采用全局自动调温设备（GTR），通过自动调温设备，可以根据系统的需求响应信号自动重设室内温度设定值，从而实现中央空调的自动需求响应。这里的需求响应信号可以是电价信息也可以激励信号等。通过通信系统运行商将需求响应信号发送到各个楼宇的楼宇管理系统，楼宇管理系统根据这些信号进行响应，向全局自动调温装置发送控制信号，从而实现中央空调整体整体的负荷改变。从实用性角度来看，这种基于自动调温设备的中央空调需求响应策略简单可靠，响应速度较快，具有很高的实用价值。

文献[11]则提出了一种基于数据驱动的中央空调控制模型，通过历史数据以及运行经验，建立了风机模型以及楼宇的热力学模型，其模型如式（3）—式（6）所示。

风机的功率模型为

式中：Pfan(t)表示t时刻单个风机的功率，c1为常数，v(t)为送风速率。

根据送风流速，即可得到送风流量的表达式，如式（4）所示

式中：m(t)表示单个风机的送风流量，c2为常数。

在实际中，送风机通常采用变频调速装置，且采用闭环控制，其送风速率方程可以表示为如式（5）所示

式中：τ1为时间常数，u(t)为风机变频控制器控制目标速率。

对于变风量系统的中央空调，系统会自动得到当前所需送风流量进而得到送风速率，风机变频控制系统则跟踪所需送风速率，因此可以建立如式（6）所示方程

式中：τ2为时间常数，vd(t)即实时跟踪的t时刻单个风机的送风速率，md(t)即t时刻所需要的送风流量。

根据室内环境的热力学方程，可以建立室内所需送风流量与设定温度之间的关系，因此可以通过改变室内设定温度值实现对送风机转速的控制，而根据模型可知风机功率是正比于转速的立方的，因此中央空调系统即可根据上述模型通过改变室内设定温度值实现送风机参与系统调频服务。

4 运行效果

从实际运行效果来看，商务楼宇参与需求响应的主要效果可以分为3个方面，分别是参与系统调频、提供备用以及参与系统调峰。

4.1 参与调频

商务楼宇中央空调系统通过对室内风机的变频控制实现参与系统调频。文献[12]则在佛罗里达大学某一商务楼建立了参与调频的试点，在该试点楼宇内部将装设风机变频驱动器、变风量控制器、制冷单元控制器等控制设备。在此基础上，通过装设辅助服务控制器，建立中央空调参与调频服务的闭关控制结构。文献[13]则从仿真模型的角度建立了商务楼宇中央空调参与调频服务的仿真模型，其主要依据也是空调风机的功率模型以及室内热力学方程。仿真结果均表明中央空调风机参与调频，其风机功率偏差与调频信号趋于一致，调频效果良好，满足辅助服务市场的调频需求。在实际中，以PJM市场为例，已经在多个地区采取楼宇调频的试点，根据劳伦斯伯克利实验室的一些相关项目报告显示，楼宇中央空调系统参与调频对调频信号的响应情况十分良好，最大误差不超过10%，可以作为调频资源参与辅助服务。

4.2 提供备用

非旋转备用是指系统额外的发电容量，但正常时段这部分容量是不需要接入电力系统的，但当系统需要时，在允许的延时范围内，这部分发电容量必须能够接入电网。文献[14]表明在实时市场中，需求响应资源可以作为一种可调度资源为系统等效地提供非旋转备用。商务楼宇除了可以通过风机参与调频服务，还可以基于自动需求响应技术，依靠中央空调以及照明设备的快速需求响应为系统提供分旋转备用。通过实际研究楼宇参与需求响应最快响应速度达到10 min以内。首先基于加州楼宇参与需求响应的通信架构自动需求响应服务器会将需求响应预案发布到自动需求响应服务器，服务器提前一天或提前2 h将楼宇需求响应预案发送到各个楼宇管理系统，各个楼宇将会根据预案在相应时段为系统提供非旋转备用。当需求响应事件发生时，系统电价信息发布，电价信息会分为3个等级，分别为正常、中等和高。若楼宇接收到正常电价不需要进行负荷削减，此时系统实时预测表明没有发电资源紧缺的情况，用户仅仅提供非旋转备用即可，其余设备正常用电；若楼宇接收到中等电价信息，说明系统负荷偏大，电力资源出现紧缺，楼宇可以通过一些慢速的响应方式，实现一定的负荷削减，缓解系统压力；若楼宇接收到高电价，说明系统处于紧急情况，可靠性收到了威胁，楼宇必须通过快速的响应实现负荷削减。

5 对国内商务楼宇参与需求响应的启发

根据上述对美国商务楼宇参与需求响应的研究，可以总结对中国商务楼宇参与需求响应的诸多建设性建议和启发。首先，商务楼宇参与求响应必须建立一套需求响应市场机制，只有合理的市场机制才能促成商务楼宇参与需求响应。通信技术是另一个必须的技术，只有发展电网—用户双向互动技术，建立健全完善的自动需求响应通信架构，才能使得商务楼宇参与需求响应得以实现。针对商务楼宇参与需求响应，其控制策略主要包括空调的自动控制以及照明设备的优化组合控制，这都依赖于智能控制终端的应用和推广。

因此，建立健全市场机制，发展和构建双向互动通信技术以及推广智能控制终端将成为下阶段我国发展商务楼宇参与需求响应的重要工作。

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