开放式自动需求响应规范研究

王澎，张逸超，代桃桃，王连成

（1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266002；2.山东大学电气工程学院，济南250061；3.山东海兴电力科技有限公司，济南250101）

开放式自动需求响应规范研究

王澎1，张逸超2，代桃桃3，王连成3

（1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266002；2.山东大学电气工程学院，济南250061；3.山东海兴电力科技有限公司，济南250101）

近年来，我国大力推进可再生能源的发展，由于可再生能源出力具有间歇性和不确定性的特点，如何促进可再生能源消纳是目前面临的一大难题。需求响应技术的应用能够有效地促进清洁能源的消纳，然而我国目前还没有与之相关的正式标准出台。开放式自动需求响应（Open Automated Demand Response，OpenADR）规范作为美国智能电网国家标准的基本组成部分、DR领域最新的研究成果之一，提高了需求响应的可靠性、稳定性和高效性。介绍了OpenADR的发展历程、通信规范、涉及服务以及安全机制，证明了OpenADR标准的优越性。对于我国DR标准的制定具有借鉴意义。

开放式自动需求响应；需求响应；智能电网

0 引言

清洁和互动是智能电网的两大主要特征。近年来，由于化石燃料的短缺和自然环境的恶化，世界各国都在大力发展清洁能源，我国也制定了一系列新能源政策推动可再生能源的发展。截至2015年，我国的风电、光伏装机和发电容量位居世界第一位。然而，由于可再生能源出力具有间歇性、波动性和不确定性的特点，给电网的发电预测和调度带来了一定困难，如何促进可再生能源的消纳是目前面临的一个问题［1］。

需求响应（DR）是智能电网框架下的重要互动资源，通过利用公共事业公司、独立系统运营商（ISO）和第三方服务提供商，将当前用电信息传递到用户侧，用户根据自身情况改变用电行为，用以缓解用电高峰电能不足，保证电力供需平衡的服务。需求响应技术在电力系统中已经使用多年，通常通过电话、邮件、短信等方式通知电力客户，实现负荷的削峰填谷。近年来，由于大量间歇性可再生能源和分布式电源接入电网，使响应事件完全实现自动化，不需要人工干预的自动需求响应技术（ADR）受到大量关注。很多发达国家从能源战略高度考虑，已将需求侧资源置于与发电侧资源同等甚至优先的地位［2］。

作为美国智能电网国家标准的基本组成部分，开放的自动需求响应通信规范（OpenADR）是自动需求响应领域的最新研究成果之一，旨在自动操作电力客户的负荷，实现负荷的控制和转移。OpenADR还可提供连续的动态价格信号，如以天数或小时为单位的实时电价，依据DR信号实现与设备的交互，使响应事件完全实现自动化。随着DR业务的不断发展，OpenADR标准也在不断更新与完善。标准化是支持智能电网发展、规范智能电网建设的根本，需求响应相关项目的实施也要遵循相应的标准［3］。目前我国还没有制定正式的需求响应标准，因此，OpenADR对于我国DR标准的制定具有借鉴意义。

1 OpenADR发展历程

2000年，美国加州的电力系统出现了严重的电力短缺问题，旋转备用中断。问题的出现归结于对负荷预测的估计不足。当时，只有大工业客户的电力需求是可以被控制的，大多数的商业和住宅用户的用电都不可控，无法通过调节来降低在用电高峰时的负荷。

2003年加州能源委员会在劳伦斯伯利克里实验室建立了需求响应中心（DRRC），开展对相关领域的测试。经过不断试点和试验，2009年4月OpenADR1.0版本发布，2012年，OpenADR联盟在OASIS能源互操作标准EI1.0规范的基础上形成了作为美国国家标准之一的OpenADR2.0版本。OpenADR2.0版本相对于OpenADR1.0版本増加了针对零售和批发市场的DR价格以及事件信号的数据模型，相关产品只要满足OpenADR2.0的相关协议，就能够实现与需求响应服务器的通信，真正实现需求响应的自动化。OpenADR发展历程如图1所示。

图1 OpenADR发展历程

图2 OpenADR运行机制

2 OpenADR通信规范

OpenADR是一种基于开放标准的通信数据模型，包括信息传输与安全机制，依靠现有的通信协议（HTTP、XMMP）使用XML方式实现电力服务提供商与终端用户之间的信息交互，完成电力服务供应商与终端用户间的信息加密、传输和解密过程。

2.1 OpenADR数据模型

OpenADR的节点可以分为VTN（Virtual Top Nodes）和VEN（Virtual End Nodes）两种类型。

VTN是负责传输电网条件到控制需求侧的实体，能够和电网以及下级的VEN进行通信。VEN是能响应上级VTN消息并能控制电力能源需求的实体，能够接收并传递电网信息。OpenADR2.0中不存在对等的通信，所有的通信活动都是在VTN和VEN之间进行的，VTN和VEN之间没有直接的互动与联系。

OpenADR2.0有简易和复杂两种运行模式。在简易模式中，只有一个VTN对应一个或多个VEN。VTN是发布消息的服务器，如电力供应商；VEN是订购此类信息的用户端，如终端用户。

在复杂模式中，会有多个VTN和多个VEN，一个实体可以兼具上一级的VEN和下一级的VTN两种身份。VEN既可以是能源的生产者，也可以是能源消费者，如图3中B所示，具体一个实体在系统中承担何种身份是由其所处位置决定的。VTN和VEN对于时间、属性、状态等信息的双向交换是相互独立的，OpenADR联盟没有规定节点如何对信息做出响应，系统可以自行选择合适的方式发送和接收信息。OpenADR中的节点可以被单独的评估和测试，从而保证了OpenADR的通信框架规范和系统的互操作性。

图3 VTN和VEN的信息交互

2.2 OpenADR通信架构

OpenADR的通信架构如图4所示，DARS（Demand Response Automation Serve）是其架构的核心。电力公司或ISO发出电量的供需信息，通过电网侧接口传输至DRAS，由DRAS内的通用信息模块（CIM）建立DR激励信息，转换成DR事件传输至用户侧接口，终端用户接收信息并进行识别、判断，最终做出预设的自动响应或临时放弃响应行为，实现需求响应的自动化。同样，终端用户也可以将电力需求信息反馈至DRAS，DRAS通过电网侧接口将信息传输至电力公司，方便其进行电力调度。OpenADR的通信架构确定了系统的结构以及需要包括的实体，为DR信息的高效传输创造了条件。

图4 OpenADR通信架构

2.3 OpenADR通信特征

持续、安全、可靠。提供持续、安全、可靠的双向通信架构，位于终端的用户能够从能源服务提供商处接收并确认需求响应信号。

转换。将需求响应事件信息转换为持续的网络信号促进需求响应的自动化。这些信号被设计于实现能源管理控制系统、照明系统或其他终端控制的互操作。

自动化。终端用户通过接收外部信号，通过使用预先设定的需求响应策略实现自动化。

自愿退出。当需求响应事件的触发时间不能够被需求响应的参与者所接受时，可以对其提供自愿退出和重置功能。

完整的数据模型。描述一个完整的数据模型与结构用以传递价格、可靠性与其他DR激励信号。

可扩展的体系结构。针对不同形式的DR项目、终端楼宇和动态电价，提供了可扩展的通信体系结构。

开放标准。基于开放标准的IP协议和网络服务构成了通信模型的基础［4-7］。

3 基于OASIS EI1.0标准扩展的OpenADR2.0服务

OpenADR联盟在OASIS能源互操作标准EI1.0的基础之上创建了OpenADR2.0的配置文件，扩展了OpenADR在DR领域的应用，满足了DR用户和市场的需求，涉及的服务包括［7］：注册，对竞标方、VTN、VEN等参与者信息进行注册服务以识别身份；登记，为参与者之间建立相互关联的服务以便进行信息交互；市场环境，从市场中获取消息的服务，将不需要改变或者极少改变的信息保存下来，有利于减少冗余信息的交互；事件，与DR相关的信息模型，用于在交易中传递可靠性信息或紧急信息；实时电价，实时电价服务，用于发布实时电价信息；报告和反馈，设置不同周期远程采集设备的当前的各种信息状态，并对今后一段时间的工作状态做出预测；可用性，可用性服务，由VEN选择在哪些时间段接受和响应事件，在哪些时间段退出响应；选择或重置，用于VEN临时改变自身的可用性计划，opt-in表示VEN可用，opt-out表示VEN临时不可用。

4 OpenADR安全机制

OpenADR的安全机制体现在信息的传输环节和加密环节。在规定的安全机制下，VTN和VEN实现对DR信息的交互，从而保证了DR信息的安全可靠。

HTTP协议工作在TCP协议下，是一种可靠性较高、面向连接的传输协议。信息的传输环节，VTN和VEN必须支持最基本的HTTP传输机制，根据实际的运行情况和需要，对于XMPP等传输机制选择性支持。对于顶层的VTN，需要支持所有的传输机制。

OpenADR2.0提供了标准等级和高等级两个级别的安全定义。在标准等级的安全级别下，使用TLS在VTN与VEN之间建立安全通道进行通信。在高安全等级下，要另外使用XML签名，签署的OpenADR事件会存储在数据库中以备查验。

OpenADR2.0的安全机制采用开放式的体系结构，并没有采用特殊的专有的安全机制。加密环节主要使用RSA和ECC两种公钥加密算法。RSA算法使用更为广泛，有更多的证书提供商从而更容易选择一个最佳匹配；相较于RSA加密算法，ECC提供了更为高效的加密操作，如数字签名。同样的加密强度下，ECC密钥的长度更短，因而更加高效。为了保证安全性和良好的互操作性，OpenADR2.0要求其产品要同时支持上述两种算法，VTN必须同时支持官方授权的RSA和ECC证书，VEN可以选择使用其中的一个或多个证书。

5 OpenADR优越性

OpenADR作为DR领域最新的研究成果之一，为DR的发展指明了方向。如今，各国政府和公共事业部门都旨在应用OpenADR管理不断增长的电力需求和电力系统峰值容量。这种低成本的通讯基础设施的建设提高了DR的可靠性、稳定性和高效性。

开放的规范。采用开放的数据模型，提供标准化的DR通信以及信号传输模型，实现对于动态电价、可靠性信息、DR突发事件的传递。

灵活性。为端到端技术提供了开放的通信接口与协议，灵活性强，互操作性好，开放度高。

创新和互操作性。鼓励开放式创新、提高互操作性。允许在设备端设置控制，鼓励企业通过技术和策略去降低运营和维护成本。

易于集成。促进能源管理系统和控制系统的集成（EMCS），使集中照明系统以及其他终端设备能够直接接收DR信号。

远程访问。便于终端用户根据自身情况实时退出需求响应事件或修改控制策略。

6 OpenADR项目实践

美国DRRC在制定OpenADR规范的过程中，也开展了一系列的相关试验和实践，验证OpenADR规范在实际应用中的有效性。

6.1 太平洋燃气公司需求响应项目

2007年，美国加州电力公司开展了需求响应实践，旨在利用OpenADR的技术规范以及auto-DR技术实现对用户负荷的自动化控制，达到削减峰荷的目的。该项目参与用户广泛且项目实施高效，用户事前确定同意符合削减的容量和时间，auto-DR系统即可根据实际运行情况整合资源实现尖峰负荷的削减。通过此项需求响应实践，加州地区削减峰荷超过15 MW［8］。

6.2 西雅图动态电价项目

2008年，DRRC对西雅图地区的部分商业用户推广基于OpenADR规范的auto-DR系统，用以进行削减用电峰荷的试验。OpenADR系统利用自身的通信架构发出DR信号，auto-DR系统接收到DR信号做出自动响应，执行最优策略。试验结果表明，参与项目的商业用户峰荷显著降低14%，特别是照明以及采暖设备成效显著，验证了OpenADR现场应用的可行性［9］。

6.3 加州地区DR资源参与电力市场服务项目

2009年，加州独立系统运营商（CAISO）开展了DR资源参与电力市场服务的实践，参与电力市场竞价的DR资源需要满足作为非旋转备用的要求：响应速度快，要求10 min以内做出响应；持续时间长，要求响应能够维持2 h；实时数据传输，可以提供实时的遥测数据。这些DR资源通过电网侧接口传输至DRAS，连同其他发电资源共同进行优化求解，最终做出响应。该项试点项目表明DR资源可以通过OpenADR的通信架构参与电力市场服务［10］。

7 结语

OpenADR作为美国智能电网国家标准的基本组成部分、DR领域的最新研究成果之一，旨在自动响应DR事件，实现负荷的控制和转移，促进可再生能源的消纳。OpenADR经过一系列的试点和测试，证明了其在DR领域的有效性和优越性。随着DR业务的不断发展，OpenADR标准也在不断更新与完善。文章介绍了OpenADR的发展历程、通信规范、涉及服务以及安全机制，对于我国DR标准的制定具有借鉴意义。

［1］刘壮志，许柏婷，牛东晓.智能电网需求响应与均衡分析发展趋势［J］.电网技术，2013，37（6）：1 555-1 561.

［2］王蓓蓓，李扬，高赐威．智能电网框架下的需求侧管理展望与思考［J］．电力系统自动化，2009，33（20）：17-22．

［3］王力科，杨胜春，曹阳，等.需求响应国际标准体系架构研究［J］.中国电机工程学报，2014，34（22）：3 601-3 607.

［4］Tariq S.Automated Demand Response for Smart Buildings and Microgrids：The State of the Practice and Research Challenges［J］.Proceedings of the IEEE，2016，Volume：104，pp.726-744.

［5］Daisuke M.Enhancing Demand Response signal verification in automated Demand Response systems［C］∥Innovative Smart Grid Technologies Conference（ISGT），2014.

［6］Ulrich H.OpenADR 2.0 deployment architectures：Options and implications［C］∥Smart Grid Communications（Smart Grid-Comm），IEEE International Conference，2014.

［7］OpenADR Alliance.OpenADR2.0 profile specification B profile［S］.

［8］张晶，王婷，李彬.电力需求响应技术标准化研究［J］.中国电机工程学报，2014，34（22）：3 623-3 629.

［9］钟鸣，郭延凯，陈宋宋，等.基于OpenADR的需求侧管理服务系统建设研究［J］.电气应用，2013（S2）：145-149.

［10］高赐威，梁甜甜，李慧星，等.开放式自动需求响应通信规范的发展和应用综述［J］.电网技术，2013，37（3）：692-698.

Research of Open Automated Demand Response Specification

WANG Peng1，ZHANG Yichao2，DAI Taotao3，WANG Liancheng3
（1.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China；2.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Shandong Hising Power Tech Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In recent years，renewable energy technology has been constantly developing in China.Taking full advantage of renewable energy is a great challenge，because of the intermittent and uncertainty features.The application of the demand-response technology can effectively promote the use of renewable energy，while relative formal standards have not yet issued in China at present.OpenADR which is an essential part of the American national standard for smart grid and one of latest research results on DR field，has effectively improved the reliability，stability and efficiency of the demand-response.The development history，communication specification，service involved and the security principles of OpenADR are introduced in this paper，demonstrating the superiority of OpenADR.It provides important reference for the development of DR standards in China.

OpenADR；demand response；smart grid

TP391

A

1007－9904（2016）12－0029－05

2016-08-04

王澎（1988），男，主要从事电力系统及其自动化方面研究工作。