电力市场化改革背景下电力需求响应机制与支撑技术

庞鹏

(广东电网有限责任公司，广东 广州510060)



电力市场化改革背景下电力需求响应机制与支撑技术

庞鹏

(广东电网有限责任公司，广东 广州510060)

摘要：全面梳理国内外实施需求响应的理论与实践，系统归纳电力需求响应的类型、机制、评价体系和支撑关键技术。针对当前电力市场化改革背景下电力需求响应正进入商业化实施阶段，提出电力需求响应理论架构，包括需求响应商业化实施总体目标、响应机制、性能评价方法与支撑技术等关键要素。

关键词：需求响应；电力市场；电力改革；决策支持；效果评价

电力需求响应(demand response，DR)是需求侧管理的重要技术手段，是指用户对价格或激励做出响应并改变原有电力消费模式，从而实现用电优化和系统资源的综合优化配置。与有序用电相比，DR引入市场机制，不具有行政色彩，尊重电力客户的用电习惯和规律，给用户更多的自主选择权；DR是电力需求侧管理的高级阶段，具有明显的市场优势。DR是缓解电力供需矛盾、降低高峰负荷、促进节能减排的重要工具，是保证系统安全、可靠、经济运行的重要措施，是电力行业科学发展的必然选择[1-4]。国外(如美国、英国、挪威、瑞典等)已经进行了大量的DR研究和实施，并取得了丰富的经验[5-10]。我国电力DR研究与实践刚刚起步，在DR机制、响应技术、效果评价等方面需要进行深入研究[11-15]。本文针对电力市场化改革背景下如何推动电力需求侧响应商业化实施的问题，提出了DR的实施主体、目标规划、响应机制、支撑关键技术等理论架构。

1DR类型与机制

1.1DR类型

电力市场中的DR可分为系统导向型DR和市场导向型DR两种形式[16]。按照不同的响应方式，DR可分为基于价格的DR和基于激励的DR[17-18]。基于价格的DR是指用户响应依据分时电价(time-of-use pricing，TOU)、实时电价(real-time pricing，RTP)、尖峰电价(critical peak pricing，CPP)等零售电价的变化而相应地调整用电需求。基于激励的DR是指DR实施机构通过制定确定性的或者随时间变化的激励政策，使参与DR的客户获得直接经济补偿或优惠电价等。

按照响应行为的自动化程度，DR可分为传统的人工需求响应(manual demand response，MDR)、半自动需求响应(semi-automated demand response，SADR)和自动需求响应(automated demand response，ADR)。MDR需要管理人员或操作人员手动关停设备或调整设备的运行功率，电网侧也只能进行离线的激励设置。这使得用户响应产生了时间上的延迟，而且MDR的可靠性得不到保证，电网侧也无法根据用户响应行为及时调整DR触发信号，降低了DR的灵活性和效率。SADR是指管理人员通过集中控制系统触发DR程序。ADR不存在任何的人工介入，通过接收外部信号触发用户侧的DR程序[19]。ADR实现了DR的自动化[20]，不仅能实现负荷调度，提高能源利用效率，还可以辅助新能源接入。

庞鹏：电力市场化改革背景下电力需求响应机制与支撑技术

1.2DR机制

DR机制主要包括电价机制、激励机制、实施模式。研究负荷响应行为及影响因素是设计DR机制的基础和前提[21-22]。通过调查统计的方法对工业用户的DR进行调查，根据统计学原理对调查数据进行分析，利用因子分析法找出影响工业用户DR的主要因素[23]，进而设计能够引导负荷响应行为的DR机制。

电价机制主要包括电价设定、时段划分、建模与求解等。文献[24]提出一种基于对数弹性的电力用户负荷模型，模拟了电力用户对基于价格的DR方法的实时电价计划。文献[25]提出了基于用户DR的分时阶梯电价的档位制定方法。利用Stone-Geary效用函数对用户的价格弹性进行差异化分析，得到分时阶梯电价的一、二档的最优档位，并分析了响应效果和节能效益。文献[26]建立了基于用户响应的TOU时段划分模型，通过比对电力用户负荷曲线比重结构变化强度，评估电力用户在各时刻点的响应程度，提出了时刻点的响应度属性指标。融合时刻点的响应度属性指标，对依据各时刻点峰、谷隶属度模糊聚类形成的时段划分进行修正。文献[27]从配电公司的自身利益出发，提出了一个考虑购电成本、DR以及其他因素的分时电价定价模型，针对购电商是否具有市场力两种情况分别进行了分析，探讨了其求解过程。文献[28]研究了基于用户用电特性及供电成本分摊的销售侧电价机制，借助模糊C均值算法，根据用户的典型日负荷曲线对用户进行分类，得到了典型用户负荷率曲线及用电参数。在此基础上，考虑用户DR，建立了TOU的最优化模型，分别计算分析了在峰荷最小、谷荷最大和峰谷差最小三种优化目标下的负荷曲线及各方收益变化。文献[29]针对需求侧用户的多时段电价响应，基于电力供给与电力弹性需求平衡关系推导了峰谷TOU下的电量电价弹性矩阵，以电网经营企业收益最大化为目标函数，计入可靠性约束、购电风险和线路损耗等，建立了峰谷TOU模型。文献[30]在分析CPP费率体系和实施过程的基础上，利用电量电价弹性矩阵来反映用户对CPP的响应，采用复合电价模型来预测电力批发市场电价，由此建立了一种兼顾用户和供电公司利益的CPP 决策模型。

激励机制和实施模式方面，文献[9]介绍了美国和日本的激励机制和项目运作模式。文献[31]探讨了智能电网发展的不同时期分阶段实施DR的机制。文献[32]设计了电力积分的DR激励机制，分析了基于电力积分的运营模式、奖惩机制和实施流程。文献[33]采用机制设计理论，提出了信息不对称环境下供电公司考虑用户参与约束和激励相容约束的需求订购模型，解决了需求订购中用户真实基准负荷的自愿披露问题。文献[34]提出应将输电阻塞盈余用于缓解线路阻塞，并结合阻塞线路影子价格和用户需求价格弹性系数的特性，引入节点边际价格-再调度费用影响因子，提出了以日前阻塞盈余作为资金来源，激励用户主动响应、缓解实时网络阻塞状况的奖励券机制，形成了阻塞管理新的有效方法。

我国部分省(直辖市)(如安徽、浙江、上海等)实行了直接负荷控制和可中断电价补偿政策，极大地促进了国内DR的发展。国家电网公司与霍尼韦尔公司在天津开展智能电网DR示范与可行性项目，在商业楼宇、工厂等部署了ADR系统和装置。中国南方电网有限责任公司结合佛山电力需求侧管理综合城市试点，建设了电力需求侧管理系统，实现典型大用户的在线监测，设计DR平台，策划实施商业楼宇的ADR及基于激励的工业用户需求响应项目。

2DR支撑技术研究

DR支撑技术包括先进计量技术、远方通信技术、智能控制技术和相关技术标准[35]。

2.1通信技术及标准

标准化是支撑智能电网发展、规范智能电网建设的根本。ADR项目能够有效地转移或削减负荷，但是实现DR的技术模式和方法还未标准化，不利于相关DR应用的推广，无法解决DR技术、产品或系统之间的通用和互换问题，增加了实施DR项目的成本，不利于实现DR的完全自动化。所以，研究开放式的通信规范具有明显的必要性。

与DR相关的已有标准或规范分为电网侧相关标准、设备侧相关标准以及电网与用户侧接口标准三大类。设备侧相关标准包括ISO 16484-5、ISO/IEC 14543-3、SEP 2.0、ISO/IEC 18012、SAE J2931等，这些标准对用户侧智能楼宇、家庭能源管理系统、电动汽车等领域的信息模型或通信协议作出了规定[36-41]。电网侧相关标准较多，如IEC 61968 系列标准、IEC 61970 系列标准、IEC 61850 系列标准等。电网与用户侧接口标准包括IEC TC57 的部分标准、开放式自动需求响应(open automated demand response，OpenADR)通信规范以及结构化信息标准促进组织(Organization for the Advancement of Structured Information Standards，OASIS)制定的相关规范[42-43]、智能能源子集(smart energy profile，SEP)等。OpenADR的通信架构如图1所示。

API—应用程序编程接口，application programming interface的缩写；DRAS—需求响应自动服务器，demand response automatic server的缩写。图1　OpenADR的通信架构示意图

国内对DR领域的研究和实践起步较晚，目前的研究集中于DR的理论和框架方面[44-46]，但对DR标准的重视和关注日益增强[47]。2011年，IEC批准成立智能电网用户接口(smart grid user interface，SGUI)项目委员会(以下简称“PC118”)，PC118下设2个工作组，分别负责编制“需求侧智能设备域电网交互接口”和“电力需求响应”系列标准。2014年，国家标准化管理委员会批准建立全国智能电网用户接口标准化技术委员会SAC/TC549，该标委会负责智能电网用户接口技术领域的标准化技术归口工作。

在上述标准的基础上，文献[48]设计了一种包括架构和一般需求、术语、CIM-DR模型、DR子集和消息模式、通信、安全、一致性测试规范等七部分的DR国际标准的整体架构。

2.2高级量测体系

高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)是在远程抄表系统(automatic meter reading，AMR)的基础上发展而来的。AMI是DR实施的硬件基础，电力需求侧管理平台是DR实施的软件基础。AMI主要由用户端的智能电表和用户信息显示平台、供电商端的数据管理中心、联系两端的双向通信网络构成[48]。智能电表负责用电信息采集。双向通信网络涵盖智能电表—数据采集器—数据集中器—数据管理中心4个环节，响应的通信系统采用分层结构[49]，包括无线户内网(home area network，HAN)、局域网、广域网。测量数据管理系统(measured data management system，MDMS)是安装于电网公司主站的带有数据分析功能的数据库。

AMI的实时数据采集能力、海量数据存储和分析能力、先进的远程控制能力，强化了DR项目的实施。国外的应用实践表明，AMI在DR项目实施中主要有以下3个作用：

a)基于电价的DR。动态电价计费的复杂性不便于用户及时响应电价变化，需要计量系统能够采集、保存并快速处理复杂的分时用电信息[50]。

b)基于用电信息的DR。AMI系统可为用户提供用电信息及辅助分析功能，促进用户关注当前用电行为的影响，激发用户主动调整用电时间，提高用能效率，降低用电成本[51]。

c)自动需求响应。ADR主要依靠设备的智能控制。主站支持控制命令下发，终端具备远程控制功能。基于AMI的双向通信网络如图2所示。

ADCS—自动数据收集系统，auto data collecting system的缩写；DMS—数据管理中心，data management system的缩写。图2　基于AMI的双向通信网络

AMI是实现配电网互动的技术前提，合理部署DR则是与用户良好互动的关键，只有两者相辅相成，才能促进配电网互动化向高水平发展。

2.3DR辅助决策技术

2.3.1DR策略

DR决策技术主要包括家庭及商业建筑ADR技术、工业企业负荷响应技术、分布式电源协同控制技术、智能优化调度技术等。

针对家庭用户，利用智能电网双向交互能力，建立智能家电管理(home appliances management, HAM)系统[52]，参与系统低频调整[53]，提前响应系统的调控需求。文献[54]针对高耗能企业发用电响应问题，建立了高耗能企业自发电调度和负荷转移一体化调度模型。主动负荷系统响应行为的经济效益是推动主动负荷系统发展的原动力。文献[55]基于主动负荷系统互动DR行为的时间过程特征和经济效率特征，提出主动负荷系统互动响应行为特征分析模式，建立主动负荷响应计划决策模型。

2.3.2DR支持系统

文献[56]介绍了基于OpenADR的需求侧管理系统，包括公共事业单位、终端用户和系统客户端三部分。文献[57]提出了基于ZigBee技术的DR系统，以CC2430作为系统通信节点设计了网络中的协调器、连接智能电表的路由器及DR终端。文献[58]对DR管理系统的整体技术架构进行了设计，并以激励型DR中的可中断负荷和电价型DR中的CPP为例，对其整个业务流程和基于可中断负荷与CPP的需求响应管理系统的内部与外部的信息交互进行了设计。

3DR效果分析与评价

3.1DR对电力系统的影响

DR对电力系统的影响主要体现在削峰填谷、可再生能源消纳、系统可靠性、交易模式等方面。

a)削峰填谷，提升负荷率和设备运行效率。负荷曲线的削峰填谷可为市场带来可观的利益。美国加州电力市场的分析显示，高峰时段5%的需求减少即可带来50%的价格下降[59]。

b)提升电网对可再生能源的消纳能力。供需互动的电力市场中，一方面交易往往具有节能减排的方向性；另一方面通过对负荷进行直接控制或利用电价等市场信号间接控制，实现对可再生能源发电变化的跟踪[60-61]。

c)丰富电网运行的控制和调节手段，为系统提供辅助服务，提升系统的可靠性。通过需求侧内部有序用电交易的开展[62]及对负荷及分布式发电的出力状态、出力水平的控制和调节，也可为系统提供调频、调峰及备用等辅助服务。

d)提供各种交易模式，促使各市场参与方增加收益，降低风险，有助于形成合理的价格，增进市场公平性和竞争性，提升市场效率及能源综合利用效率。价格形成机制的多样化促进了市场各环节合理电价的形成，有利于准确反映资源成本。

3.2DR量的确认与评价

DR量的确认与评价涉及参与各方利益，是实现产业良性发展的重要保证，主要包括成本效益分析法、DR量确认法和DR效果评价法。

3.2.1成本效益分析

用户根据DR激励信号做出响应、改变自身的用电方式所付出的成本定义为用户响应成本。需求侧资源参与DR需要成本[63]，用户的电力中断成本

c=f(θ,Q,τ,t1,t2,n).

(1)

式中：θ为用户的类型数据；Q为用户中断用电量；τ为中断发生的时间类型；t1为用电中断的持续时间；t2为负荷中断提前通知时间；n为负荷中断次数。当DR为价格激励时，后3个物理量不起作用。

DR的效益主要体现在响应行为对用户、电网和社会环境三方的经济效益[64]，总体效益

C=c2+c3+c4+c5-c1.

(2)

式中：C为DR的总体效益；c1、c2、c3、c4、c5分别为实施DR的成本函数、实施后所带来的减排效益、削减高峰备用容量效益、减少深度调峰容量效益和用户购电费用减少效益。

3.2.2DR量确认

DR量确认的关键在于基线负荷的准确计算及实际负荷的在线监测。文献[65]讨论了用户基本负荷的计算原则与方法，指出数据选择原则、计算方法与气象修正因子是计算用户基本负荷的三要素；分析了两种评价用户响应性能的方法，即绝对值法与相对指标法，指出可按用户响应性能数值细分用户响应的重要性等级；探讨了按用户的响应性能对用户进行补偿或处罚的方法。文献[66]基于智能电网技术优势，提出适合项目应用的基于信息双向互动的用户基线负荷计算方法，该方法考虑了用户次日保电计划和检修计划，可为定量评价用户负荷的减少程度提供依据。将用户基线负荷应用于可中断负荷优化调度中用户削减量决策变量优化范围的确定，当用户基线负荷超过最大削减容量限制或低于最低保障负荷时，能合理计算决策变量优化范围，使得优化结果更具有时效性和可执行性。基于用户基线负荷和决策结果的执行情况提出补偿和惩罚相结合的费用结算方式。

3.2.3DR效果评价

DR效果评价包括参与DR的用户响应性能评价和区域响应效果评价两方面。针对响应用户，DR性能评价方法主要有绝对计算法和相对指标法两种。相对指标法常采用认缴性能指标(subscribed performance index, SPI)法和峰荷性能指标(peak performance index, PPI)法。在此基础上，还应从响应速度、持续时间、响应次数等方面评价用户DR性能。

4新电改背景下推动DR商业化的理论架构

随着我国输配电价改革试点工作的推进，新一轮电力改革正式启动，输配电价与发售电价形成机制分离，逐步实现公益性以外的发售电价格由市场决定。电力市场化改革为DR商业化实施奠定了基础。需求侧响应商业化实施应强化市场主体作用，平衡好社会效益和参与各方经济效益的关系，引导建立良好的商业运作模式，建设开放、可靠的技术支撑平台。

4.1DR总体目标

政府在设计和推动电力DR产业发展时，出发点与落脚点应放在使能源资源利用率最大化方面，其次总体目标应进一步分解和衔接，能够调动参与用户、电网、电厂和第三方市场机构积极性。因此，需合理设定DR各参与方的职责与分工，政府职责主要为电价与激励政策的制定和产业监管；电网企业负责电力负荷响应需求规划和发布DR指标，并通过DR项目实施降低电网运营成本；负荷集成商和电力用户应严格执行DR合同要求，做好生产调度和动态响应，提高电力DR系统的鲁棒性。

4.2DR机制

合理设计电价政策和激励措施，促进需求侧主动参与市场竞争，通过改变自身用电方式，以竞价的形式参与市场并获得相应的经济利益。完善电力DR运作模式和实施机制，培育负荷代理商，引导节能服务公司、售电公司积极参与负荷代理，探索第三方机构运营DR平台并直接与用户交易结算。

4.3关键支撑技术

加大对负荷与分布式电源联合调度、优化综合资源规划等技术研究。分布式电源与用电负荷的联合优化运行，可使电力用户由被动负荷变为主动负荷，灵活参与DR。研究电力综合资源规划，引入需求侧能效水平、排放量等约束条件，进行需求侧资源和供电侧资源综合规划，以求解最经济的电力资源优化组合方案。

支撑系统方面，应建设DR平台，平台宜采用网、省、地分层架构。根据国家发展改革委员会关于开展电力需求侧管理总体要求，提出DR平台主要功能，包括需求侧资源管理、DR产品发布、响应量认购、响应策略支持、ADR、响应过程监测、响应效果审核与认定、DR交易与结算、响应效益分析、响应用户特性分析、响应性能评价及信息统计与发布等。功能架构如图3所示。

此外，DR系统应与高级量测系统、调度自动化系统、营销管理系统、需求侧管理系统等电网实时数据与业务系统相融合。DR系统应支持电网与用户的互动，实现用电监测、负荷预测、DR产品通告与确认、响应策略辅助决策、自动响应支持、响应过程监测、响应数据统计、响应效果评价等功能。

图3　电力DR平台示意图

5结束语

电力DR是缓解电力供需矛盾，降低高峰负荷，促进节能减排的重要工具，是保证系统安全、可靠、经济运行的重要措施。借鉴国内外实施DR的理论与实践，介绍了电力DR的类型与机制，阐述了DR通信技术、技术标准、高级量测体系、辅助决策技术等DR支持技术，探讨了DR效果与响应性能评价方法。针对当前电力市场化改革背景下电力DR正进入商业化实施阶段，提出DR理论架构，包括DR商业化实施总体目标、响应机制、性能评价方法与支撑技术等关键要素，对于落实DR商业化实施具有较好的参考价值。

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庞鹏(1979)，男，湖北随州人。工程师，工学学士，从事电力需求侧管理、电网节能等技术和管理工作。

(编辑阚杰)

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Electric Power Demand Response Mechanism and Support Technology Under

Electric Power Market Reform

PANG Peng

(Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510060, China)

Abstract：This paper summarizes theories and practices about demand response in domestic and overseas and concludes types, mechanism, evaluation systems and key support technologies of electric power demand response. In allusion to the situation of electric power response entering into business implementation stage under background of present electric power market reform, it proposes theoretical architectures of electric power response including overall object for business implementation, response mechanism, performance evaluation method and support technology.

Key words：demand response; electric power market; electric power reform; decision-making support; effect evaluation

作者简介：

中图分类号：F426.61；TM732

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)01-0070-09

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.014

收稿日期：2015-11-02