促进主动配电网运行的需求侧响应保障机制

曾鸣，韩旭，李博(华北电力大学经济与管理学院，北京市102206)

促进主动配电网运行的需求侧响应保障机制

曾鸣，韩旭，李博
(华北电力大学经济与管理学院，北京市102206)

在配电网逐渐从传统形式迈向主动配电网的环境下，要保证主动配电网的稳定运行，需要运用需求侧管理手段来协调当地能源管理。为了促进主动配电网运行，深入研究了需求侧响应保障机制，首先，基于主动配电网运行特征，提出加强需求侧响应实施的技术保障;进而从电力用户、电网企业以及政府部门3个角度设置需求侧响应实施的协调机制，从全社会层面配合主动配电网推进;最后，根据主动配电网运行的实际情况，设计需求侧响应实施规划，以确保需求侧响应的有效开展，促进主动配电网安全、经济、可靠运行。

主动配电网;需求侧响应;保障机制;规划

0 引言

随着国民经济的快速发展，智能配电网需要满足安全可靠、优质高效、灵活互动等三大目标，其核心内容之一是使配电网具有更高的供电可靠性和自愈(重构)功能，从而最大限度地减少供电故障对用户的影响。然而，随着分布式能源的接入，电动汽车和充(换)电站在未来能源领域中扮演的角色越来越重要，对配电网的要求越来越高，使现有的配电网压力越来越大。配电网的发展正在从传统形式向“主动配电网”迈进。主动配电网是智能电网中的一个前沿分支，即内部具有分布式电源并高度渗透，功率双向流动，具有主动控制和运行能力的配电网络。主动配电网需要通过需求侧管理手段的高效配合，最终实现分布式发电、可再生能源与大规模集中发电的有效整合。需求侧响应是对需求侧管理的拓展，主要指通过技术、经济、行政、法律等手段鼓励和引导用户主动改变用电方式，进行科学合理用电，以促进电力资源优化配置，保证安全、可靠、经济运行的电力系统参与主体的协作行为。

目前将主动配电网与需求侧响应保障机制统筹考虑的文献较少，大多数研究只是侧重于其中的一方面。在主动配电网方面，文献［1］介绍了从被动配电网向主动配电网的发展历程，文献［2］对主动配电网的优化问题进行了深入探讨，文献［3］从国际的角度讲述了主动配电网技术及其进展，文献［4］基于智能单粒子算法对主动配电网的优化调度策略进行了研究。在需求侧响应及其保障机制方面，文献［5］认为，需求侧响应机制的基本目标是将反映潜在生产成本的批发市场价格信号传递给终端消费者，让一部分消费者掌握这种价格信号，实现资源更为有效的配置。21世纪初，世界形成了一股强大的电力市场改革浪潮，文献［7］介绍了各国开展需求侧响应的相关实践情况。美国是世界上最早实施需求侧响应项目的国家，其提出的需求侧响应概念中有2个重要的依托，即智能电网的建设和美国国内相对完善的电力市场［8-10］。2013年，美国全国的需求侧响应资源满足了7．2%(72 000 MW)的高峰负荷需求，较2010年提高了22%。需求侧响应在美国取得了很好的效果［11］。我国目前对于需求侧响应的保障机制并不完善，只是在电力监测技术上取得了一定的进展［12］。

随着主动配电网的运行，传统的源、网规划以及电网运行调度模式使得电网建设运行成本增大，需求侧响应的实施可以在保证电网安全、稳定、经济运行的同时，促进配电网由被动向主动转型，实现分布式电源的大规模接入以及供需双侧资源的优化配置。因此，从多角度设计需求侧响应的保障机制，促进主动配电网的运行，具有十分重要的意义。

1 加强需求侧响应实施技术保障

主动配电网的特征之一是实现功率流双向互动和供需侧资源的有效整合，而良好的需求侧响应实施技术支持是实现主动配电网安全、高效、稳定运行的重要基础。需求侧响应措施的有效实施需要相关的技术作支撑。需求侧响应市场容量的增长将主要取决于其基础设施的成本、功能和自动化程度。为了促进主动配电网的双向互动运行，需求侧响应需要获得进一步的技术支持，包括:具有双向通信功能的分段式电能表;多层次的顾客友好型通信途径;能提供近乎实时可得的分段负荷数据，分析相对于基准情景的负荷削减绩效，以及为工厂运行人员提供能源诊断从而提供可能的负荷削减目标等能源信息工具;满足在高电价或电力系统紧急情形下的最优需求削减策略;在终端消费层面能方便实施最优化自动负荷削减功能的植入式能源管理控制系统;满足紧急负荷备用或用作主电源供应的现场发电设备。

主动配电网中分布式电源及大规模可再生能源并网以后，造成的波动往往需要电网调度部门在短时间内利用供应侧和需求侧资源对系统运行状态进行调整。对于需求侧响应资源来说，需要构建需求侧响应技术支持系统，实时监控供用电情况、整合供需双方数据信息、建立双向信息流、实现客户数据智能分析决策，使得需求侧资源能够在短时间内对系统波动做出反应［13］。有关基础设施具体要求如表1所示。

表1 需求侧响应技术支持系统的基础设施Table 1 Infrastructure requirements of demand response technology support system

需求侧响应技术支持系统需要一个具有信息共享、功能相连的整体结构。通过制定需求侧响应通信协议，使各相互联系的系统之间按照特定的传输协议保持数据通信及信息共享，实现数据双向交换功能，为需求侧响应整体的实施和开展提供一个公用的、开放式的、标准化的技术接口。同时，在功能上，需求侧响应技术支持系统能够对需求侧响应信号作出自动响应，安全、可靠、连续地实现信息双向流通;将需求侧响应事件信息自动转化为互联网信号，在控制设备、照明设备中实现互操作性［16］;当接收外部信号时，预先设置好的需求侧响应策略实现自动化启动;通过已构建的数据模型和体系结构传达价格、负荷特性、系统运行状态等其他需求侧响应活动信号。

综上所述，为了满足主动配电网的有效推进和顺利运行，要进一步推动我国需求侧响应项目的实施和推广，加强需求侧响应实施技术保障。基于主动配电网的特征，需求侧响应技术支持系统应包含实时监控、实时发布、双向信息交流以及紧急处理等功能。依托以上设施功能，电网调度部门能够实现电力用户与电网企业的互动与操作，对需求侧响应资源实时控制，及时协调配合供应侧资源，更好地应对由于主动配电网中可再生能源并网造成的系统短时间波动，或者紧急情况的出现，保证主动配电网安全、经济、稳定运行。

2 运行需求侧响应实施协调机制

主动配电网的全面推进运行是一项庞大而复杂的系统工程，需要参与需求侧响应的相关主体的支持与协调。本节结合主动配电网运行的实际情况，对参与需求侧响应工作的电力用户、电网企业以及政府部门等各主体在制定协调机制时的职能进行明确界定，阐述各主体之间的相互联系和相互促进作用。

2.1 电力用户

在主动配电网运行过程中，电力用户的信息掌握度相对较少，但是，电力用户身份特殊，是电能的直接消费者，也是主动配电网运行的最后环节和依托的实施对象。因此，当实施需求侧响应机制时，只有在电力用户中达到较高的参与度，才能改善整体的用电方式，实现主动配电网反馈信息的逐级渗透，使接入分布式发电的主动配电网安全高效运行。因此，电力用户是电力需求侧响应取得实效，直接促进主动配电网稳定运行的社会基础，是电力需求侧响应最重要的参与者。其在需求侧响应实施中的地位如图1所示。

图1 电力用户在需求侧响应实施过程中的职能Fig.1 Functions of electricity users in the process of implementation of demand response

电力用户一般分为3类:工业用户、商业用户和居民。近3年来，我国电力用户的用电负荷总量整体呈现增长态势，用电结构比较稳定(如表2所示)，即工业用户用电比例最大，约占75%;其次是商业用户，约占13%;最后是居民用户，约占12%。由于3类用户的用电量占全社会用电量的比重不同，因此在参与需求侧响应实施的地位也有所差异。

表2 近3年全社会用电负荷情况Table 2 Whole society electricity load in nearly three years

2.1.1 工业用户

工业用户主要包括钢铁、有色金属、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸等耗能较高的行业［15］。工业用户一般使用三相电压，在高峰期用电量较高。我国幅员辽阔，各省的资源储量不同，工业结构也存在较大差异。工业用户是电力负荷集中度高，使用比例较大的消费者，能够对需求侧响应的实施信号做出较快响应，是十分重要的实施关注对象。2.1.2商业用户

商业用户包括一般商业部门(如商场、写字楼、宾馆酒店等)以及学校、医院、车站、市政机关等公共事业单位等。商业用户的用电设备主要包括照明、空调、通风换气系统、电梯、给排水动力设备，以照明和空调为主的用电设备用电量较大。商业用户的用电占全社会的13%，虽然不是很大，但是其用电负荷多是在用电高峰时段，是电力系统高峰负荷的重要构成，因此，商业用户是需求侧响应不可忽视的实施对象。

2.1.3 居民

居民主要包括城市和乡村居民用户，其特点是电力负荷消费覆盖面积最广、涉及人数多、较分散。居民用户负荷主要包括照明、空调、洗衣机、电暖气、电视机等家用电器设备，居民生活用电的高峰和电力系统高峰段重叠度最高，对电力系统的高峰负荷也有重要影响，因此将需求侧响应实施覆盖范围扩展到居民也是必不可少的手段。

2.2 电网企业

在主动配电网高度渗透分布式电源，实现主动控制的要求下，电网企业具有其他相关主体不具备的独特优势，是主动配电网运行过程中连接电力系统各主要参与方的纽带，也是主动配电网的运作主体以及需求侧响应的重要实施主体。

依据主动配电网建设及运行情况，电网企业实施需求侧响应的主要工作内容应包括:为政府制定电力需求侧响应政策、法规提供建议;建立有利于推动主动配电网推进的电力需求侧响应机制;进行电力需求侧资源潜力分析及市场预测;制定电力需求侧响应工作计划;配合政府制定促进电力需求侧响应的电价措施等［15］。电网企业在需求侧响应实施中的职能见图2。

图2 电网企业在需求侧响应实施过程中的职能Fig.2 Functions of grid enterprises in the process of implementation of demand response

2.3 政府部门

政府部门是需求侧响应实施的主导者和推动者，是电力用户和电网企业最有力的引导源。政府部门分为国家和地方2个层次，不同层次拥有不同的推动作用和职能。

国家级政府部门应该在中央层面主导全国的需求侧响应工作，充分发挥中央行政管理优势，根据各地主动配电网的实际运行情况，从全局入手，建立健全配合主动配电网运行的需求侧响应运作机制。

地方政府应根据主动配电网分布式电源接入的实际情况，通过当地政府下设的电力主管部门主导当地需求侧响应工作的开展，以国家颁布的相关法规为依据，组织制定当地的电力需求侧响应规章、标准和规划，出台相应政策，研究提出开展电力需求侧响应工作的内容和目标;建立健全当地电力需求侧响应效率评价制度，推动和促进当地需求侧响应工作的健康发展［15］。政府部门在参与需求侧响应实施过程中的职能可以用图3来表示。

图3 政府部门在需求侧响应实施中的职能Fig.3 Functions of government departments in the process of implementation of demand response

总之，为了促进主动配电网有效推进，在参与需求侧响应的主体中，电力用户是需求侧响应实施的最直接参与者，电网企业是需求侧响应的实体参与者，政府部门是主导者和推动者。只有需求侧响应参于主体相互协调才能发挥需求侧资源的潜力，实现配电网主动控制的功能，切实有效地促进主动配电网高效稳定运行。

3 设计需求侧响应实施规划

主动配电网可以支持分布式电源的大量接入与即插即用，实现与用户之间的能量互动、用电信息互动，这就需要需求侧资源的有效配合与协调。在不同的环境影响下。需求侧响应的实施方案种类繁多，不仅要求注重节能，更要达到负荷整型、提高系统可靠性和节约电费等多种目标，因此针对主动配电网的实际运行情况，需要设计切实可行的需求侧响应实施规划。图4给出了需求侧响应实施规划方法示意图。由图4可知，需求侧响应实施规划主要分为潜力评估、筛选与规划3个阶段。

图4 需求侧响应实施规划方法示意图Fig.4 Schematic diagram of demand response planning methods

3.1 潜力评估阶段

包含主动配电网的电力系统是一个结构复杂的非线性大系统，系统中不同种类、不同位置的需求侧响应产生的等量负荷改变对系统的贡献(如维持系统可靠性、电能质量水平等)一般并不相同，因此，在设计需求侧响应规划之初，需要对整个规划区域内的需求侧响应潜力进行评估。首先，根据规划区内主动配电网的运行现状，进行实地调研，收集数据，汇总行业用电及关键设备数据;其次，开展需求侧响应作用机理分析，从区域内不同种类用户的响应模式与系统中不同节点用户响应对系统负荷特性、稳定可靠性等造成的影响两方面入手，结合实际情况进行研究。最后，基于需求侧响应作用机理，构建潜力评估模型，依据之前汇总的设备参数与全局数据，对规划区域内当前的用电水平进行评估，配合主动配电网的运行，分析需求侧响应的实施潜力。此阶段工作可以明确需求侧响应的目标，并为其后续的需求侧响应实施成本效益分析服务，为规划区域内电网需求侧响应的合理规划和实施提供必要的依据［16］。

3.2 筛选阶段

考虑到主动配电网的实际运行环境，经济性是需求侧响应实施的重要影响因素之一。因此，需要在规划区内需求侧响应总体潜力评估的基础上，对所提出的需求侧响应实施方案进行成本、直接效益分析和外部效益分析。首先，在成本及直接效益方面进行分析，分别从用户、电网公司和社会3个方面展开研究，针对每种需求侧响应技术与措施，提出相应的指标如年节电量、投资成本及回收期、寿期益本比等，进行定量分析计算;其次，在外部效益方面进行分析，基于需求侧响应外部效益的相关要素，针对公共效益、外衍效益和自然资源效益建立评估指标体系及模型，并进行实证［16］。最后，结合主动配电网运行环境中的经济需求，测算各个需求侧响应规划方案的经济性。本阶段工作根据需求侧响应的经济效益分析，选出符合规划区域内主动配电网发展，环境的规划方案。

3.3 规划阶段

规划阶段是设计需求侧响应实施规划的最后一个阶段，即根据筛选阶段所选出的能够配合主动配电网发展，且具有良好经济性的需求侧响应行业和技术措施，综合考虑需求侧响应的规划目标和投资规模，确定各需求侧响应方案的实施规模和阶段实施进度并计算出相应效益数据［16］。

4 结语

2013年7月，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，确定“加强城市配电网建设，推进电网智能化”作为城市基础建设的重点任务;国家电网公司要求，到“十二五”末，城市配电网综合电压合格率要达到99．30%，农网综合供电电压合格率高于97．80%，种种建设目标表明，推动主动配电网在我国的发展已势在必行。需求侧响应的有效配合是实现高品质、高效率、高互动、高集成的主动配电网的基础，只有在技术、协调机制以及实施规划3个方面设置完善的保障措施，才能确保需求侧响应在主动配电网运行环境下有序开展，也是建设低碳、绿色、新型电力系统的重要途径。

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(编辑:张小飞)

Study of Demand Response Safeguard Mechanism for Active Distribution Networks

ZENG Ming，HAN Xu，LI Bo
(College of Economics and Management，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

In the environment that distribution network gradually fade from the traditional forms，to ensure stable operation of active distribution network，the use of demand-side management tools is required to coordinate local energy management．Based on promotion active distribution network operation，this paper studied on the demand response safeguard mechanism in-depth．First，based on the operating characteristics of active distribution network，technical support to strengthen implementation for demand response is proposed;And then from the angles of government departments，power companies and users，demand response coordination mechanism is set，to promote active distribution network from the level of the whole society;finally，according to the actual situation of the active distribution network operation，implement demand response planning is designed to ensure the effective implementation of demand response，promoting safe，reliable and economic operation of active distribution network．

active distribution network;demand response;safeguard mechanism;planning

TM 76

A

1000-7229(2015)01-0110-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.017

2014-12-08

2014-12-15

曾鸣(1957)，男，教授，博士生导师，研究方向为电网规划，电力市场理论与实务，需求侧管理;

韩旭(1990)，女，硕士，研究方向为电网规划，需求侧管理;

李博(1990)，女，硕士，研究方向为电网规划，需求侧管理。