OpenADR2.0标准架构及应用

张铁峰,张 旭,赵 云,肖 勇,孙宇军,王 岩,胡 军

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003；2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京100084；3. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州510080)

OpenADR2.0标准架构及应用

张铁峰1,2,张 旭1,赵 云3,肖 勇3,孙宇军3,王 岩3,胡 军2

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003；2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京100084；3. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州510080)

开放式自动需求响应通信规范(OpenADR)提供了一种基于价格信号和需求响应事件的标准化通信架构。重点阐述了OpenADR2.0标准的主要内容、通信架构、传输机制、服务类型和安全机制。最后，介绍了OpenADR的应用案例及国内的研究进展。实践表明，OpenADR可支持自动需求响应，具有大规模部署潜力，大大提升了需求响应的可靠性、鲁棒性及成本效益。中国应加快制定和完善自动需求响应相关标准，促进全球能源互联背景下的用户互动响应与社会节能减排。

OpenADR2.0；需求响应；节能减排；通信规范；用户互动

0 引言

需求响应(Demand Response, DR)是电网实现低碳和发展清洁能源的重要手段。DR可定义为：电力市场中的用户针对市场价格信号或激励机制做出响应, 并改变正常用电模式的市场参与行为[1-2]。需求侧管理是自上而下的活动，缺乏市场机制约束，政府或电网公司通过制定电价、节能措施进行负荷管理，侧重于长期行为的影响，并未充分考虑用户利益。作为需求侧管理的一种技术，DR引入了市场机制，用户以经济手段自愿参与市场竞争[3]，既可优化用电方式、降低系统运营成本，又能在短时间内提高电网需求弹性，实现削峰填谷，电力供需平衡等目标[4]。因此，DR引起了人们的关注。当前，多个发达国家基于能源战略考虑，已将需求侧资源置于与发电侧资源同等甚至优先的地位[5，6]。随着电力市场化改革的推进，电力需求侧管理将具有更大的发展空间[7]。

OpenADR最早由美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的DR研究中心(Demand Response Research Center, DRRC)研究开发，最初用于支持加州能源政策项目，利用动态电价改善电网的经济性和稳定性。2012 年，OpenADR2.0a 作为美国的国家标准发布[8]；2014年，IEC批准OpenADR2.0作为公共可用规范并列入Smart Grid Interoperability Panel(SGIP)的标准目录。

1 OpenADR2.0概述

OpenADR1.0支持动态电价，主要定义了一种通信数据模型，为服务器端和客户端的通信创建了技术框架，对通信规约问题进行了描述和阐述[9]。相比之下，OpenADR2.0提供更加全面的功能以满足多样化的市场需求，涵盖了美国电力批发与零售市场交易、可靠性信号、分布式能源管理的数据模型，除支持动态电价外还可应用于辅助服务(快速DR)、分布式能源、间歇性可再生资源、大规模储能、电动汽车及就地发电。已发布的OpenADR2.0版本包括：OpenADR2.0a适用于中低端嵌入式设备，仅支持基本的DR服务和市场；OpenADR2.0b专为高端嵌入式设备设计并且具有对于历史、实时和未来数据报告和反馈的能力。OpenADR2.0b提供额外的反馈和报告功能，包括历史使用记录、基线和预测信息，有助于DR服务提供商预测和验证其DR资源的性能。表1总结了OpenADR1.0和OpenADR2.0的差异[10]。

开放规范是为了让任何人都能实现双向的通信系统。OpenADR2.0通信标准涵盖了服务器端和客户端之间的通信数据模型，但不包括客户端负荷削减或转移策略等详细信息，有利于其在供应商中的部署和应用[11]。

表1 OpenADR1.0与OpenADR2.0的差异

OpenADR2.0通信标准系统性地介绍了OpenADR2.0的节点和设备类型、服务类型、传输机制、数据模型扩展和安全策略等。为了满足更广泛的互操作性测试和认证要求，标准中为每一项服务提供了一套清晰的必选的和可选的属性集。同时为不同的产品创建功能配置文件，以满足当今及未来的市场需求。自动化客户端连续监测实时信息，将其转换成连续的自动控制和响应策略，提高了电力供应的动态优化能力[12]。

2 OpenADR2.0通信架构

OpenADR2.0是一个开放的、互操作性的通信标准，遵循了OASIS EI 1.0标准的概念，定义了DR服务器端(Virtual Top Node，虚拟顶端节点)和DR客户端(Virtual End Node，虚拟终端节点)之间的通信模型。其标准通信架构如图1所示[13]。OpenADR2.0节点组成一个树如图2所示。最简单的情况下，树只有一对VTN-VEN即一个树跳[14]。OpenADR2.0不存在对等的通信，例如：VTN 不能和其他VTN进行直接通信，同样的，VEN也不直接和其他VEN通信[15]。

图1 OpenADR2.0标准通信架构

虚拟顶端节点(Virtual Top Node, VTN)：作为一个服务器，由电力公司或独立系统运营商操作，发布和发送DR信息到VEN或中间服务提供商。VTN可以和电网以及域内VEN或系统通信。VTN也可作为VEN和另一个VTN交互，如图2节点2。

图2 OpenADR2.0节点分层架构示例

虚拟终端节点(Virtual End Node, VEN)：作为一个客户端，可以是能量管理系统或能接收响应DR信息的终端设备。VEN控制资源以响应电网DR信息，VEN可以和VTN进行双向通信，接收DR信息并且能够向VTN发送响应信息。资源可以是电表、负荷或者发电设备。同样，VEN也可以作为VTN与其他VEN交互。

通常情况下，DR会涉及服务提供商(负荷集成商)参与，此时节点会构成多层结构，在这种情况下，中间节点，如图2中节点2，3，6就有VTN和VEN两种功能。在任一交互过程中，一个参与者被定义为VTN，其余的作为VENs，每个交互事件都是彼此独立的。OpenADR2.0不包括VEN响应DR信息的具体策略，VEN可采用其支持的协议对接收的信息进行转换并发送至下游节点。具体的部署方案依赖于电力公司或独立系统运营商和现场之间的协议。

OpenADR2.0支持HTTP和XMPP两种传输机制以适应不同的部署场景，其中2.0b VEN选择支持HTTP或XMPP，或者可以同时支持。VTN必须同时支持HTTP和XMPP。OpenADR2.0消息交换包含PUSH模式和PULL模式。在PUSH模式下，VTN发起通信，并发送信号到VEN。为实现PUSH模式，VEN必须公开一个URL端点创建通道支持VTN发送电价和可靠性信号。然而，出于安全考虑，客户不希望其服务器的URL端点公开，因此，在PUSH模式下进行通信面临一定的技术挑战。在PULL模式中，VEN通过定期查询获取VTN更新的信息发起通信。PULL模式可以查询独立系统运营商或者电力公司发布的日前电价信号。为实现PULL模式，VEN需要定期查询VTN更新，虽然避免了网络安全问题，但由于有限的查询频率和更高要求的带宽而产生延迟。OpenADR客户应考虑自身通信需求选择通信方式和技术要求。

3 OpenADR2.0服务类型

3.1 事件

DR事件由VTN发送到VEN，发送信号给VEN控制资源实现响应。事件信号中包含开始时间，持续时间以及有关削减量的信息或更新的电价。VEN通过响应确认其选择加入或拒绝参与事件。在OpenADR2.0中，事件可以使用PUSH和PULL两种模式。在PUSH模式下，VTN创建DR事件并发送给VEN；在PULL模式下，VEN主动请求DR事件，VEN可以发送周期性的或一次性的请求获取DR事件，DR事件作为响应由VTN发送。事件使用一个或多个事件元素描述了该信号包含的单独事件、信号值和时间段，使用响应需求元素控制VEN是否发送响应。OpenADR2.0事件字段信息如表2所示。

表2 OpenADR2.0事件字段信息

3.2 报告

通常由VEN发送到VTN，报告能量消耗或VEN端资源的连接状态。图3为Open ADR2.0报告类型。VEN和VTN之间报告能力包括注册报告能力、请求报告、发送报告、取消报告。首先在元数据报告该VEN向VTN注册所有的报告能力。根据已注册的能力信息，VTN可以在必要时请求适当的报告。在OpenADR2.0b中，不支持改变报告能力的注册，因此所有功能必须立刻注册。换言之，无论何时功能发生改变(例如资源的添加或删除)，该注册过程必须重新进行。

元数据报告：用于指定VEN的报告功能，例如取样频率、测量单位、缓冲数据量、受控资源等。包含一个或多个类型的报告并且每个报告具有其自身的描述和规范。报告ID指元数据报告为每个报告分配一个ID，在相互通信的过程中区分不同的报告；报告名OpenADR2.0b中所有VTN和VEN部署必须通过元数据报告注册，否则无法实现报告能力。

图3 OpenADR2.0报告类型

数据报告：用于报告测量或计算的实际数据。包括历史报告和遥测报告。数据报告的核心内容是“数据点”代表测量或计算的确切数值。元数据报告指定每一数据报告的点的历史值，特定类型包括历史使用；历史使用指VEN记录使用的数据日志并且允许VTN查询。遥测报告指实时周期性地报告，包括遥测使用和遥测状态；遥测使用指VEN到VTN周期性地报告使用数据；遥测状态指一个资源的状态，周期性地从VEN到VTN的报告。

3.3 注册

注册可以选择由VEN查询VTN开始以确定其需要的配置文件，传输机制和可支持扩展功能。这个查询操作可以采用OpenADR联盟支持的任何传输机制的启动。对查询的响应包括所有VTN支持配置文件，传输机制和扩展功能。VEN可以根据所接收的信息确定正式注册的最佳配置。VEN确定与VTN通信的配置之后创建注册，发送的注册信息包括：注册ID、venID、配置文件名称、传输机制名称、传输地址、XML签名等。VTN对每一个注册发送的响应信息包括：响应对象、注册ID、venID、vtnID、配置文件和传输机制的集合及名称。注册ID标识注册实例，用于该注册实例后续操作，例如重新登记和取消登记。如果VEN的注册信息发生改变，可以引用注册ID随时进行重新注册。如果VTN注册信息发生改变，VTN可要求VEN重新注册。VTN或VEN都可以取消注册另一方发送响应信息。

3.4 选项

VEN可创建选入和选出的调度表发送给VTN，用于定义临时改变的可用性。结合长期的调度表和市场背景需求，这些临时性的调度表给出了VEN对接收到的事件的响应意愿。VEN使用选项服务实现以下目标：确定VEN临时可用时段、确定VEN临时不可用时段、对之前确认的事件选择选入或选出。VEN能够创建的选项类型为选入，选出，或两者兼而有之。如果选项服务只包含venID作为标识，则该调度表适用于VEN所控制的所有资源。通过添加其他的标识信息可指定调度表适用的特定资源，因此，VEN可以同时创建多个不同的选项调度表，提高了DR的灵活性。

4 OpenADR2.0安全机制

在OpenADR中所有的信息交换，服务器端和客户端必须使用公钥基础设施证书完成身份验证包括双向认证及消息完整性和机密性。OpenADR2.0定义了标准和高级两种安全级别。标准安全级别使用传输层安全协议建立VTN和VEN之间的安全通信通道。高级安全级别额外使用XML签名文档提供不可抵赖性。

采用开放式的安全体系结构和普通的安全机制，RSA和ECC公钥加密算法[16]。尽管RSA具有更广泛的应用，但ECC提供了更高效的加密操作并且对于相同的加密强度，ECC密钥相比RSA密钥短很多可有效的加密嵌入式设备。

OpenADR2.0要求所有节点要配备由认证机构(CA)颁发的公共/私有密钥对和数字证书，由供应商承担其每个设备证书发放和管理的成本。同级的通信需要使用数字证书进行互相验证。OpenADR2.0要求使用VEN的标识符(venID)及VEN的数字证书生成的独特信息进行认证。为使VTN验证消息的发送者确实是已经注册的有效VEN的venID，VTN执行venID和数字证书之间的一对一映射完成验证。

5 OpenADR应用实践

自2003年开始，美国进行了大量OpenADR试点和示范项目，太平洋燃气与电力公司通过开展四种不同的DR项目使更多不同类型的用户高效地参与其中[17]。西雅图城市电力公司动态电价项目和纽约自动DR示范项目验证了暖通空调和照明设备是理想的DR资源[18-19]。OpenADR制定了基于标准的机器可读的格式，简化了用户的交互过程，减少了用户端负担[19]。实践验证了OpenADR可支持自动DR，具有大规模部署潜力。

5.1 OpenADR2.0应用实践

劳伦斯伯克利实验室开展了一项快速DR测试项目，目的是确定小负荷实现快速DR方法。快速需求响应定义为响应的需求侧资源不需要提前通知并有快速响应时间(分钟至秒级)。在测试地点安装了基于开源软件的低成本设备保证终端的快速响应，采用OpenADR2.0满足系统的遥测需求，通过高级量测体系和用户侧的家庭局域网发送实时用电数据作为遥测数据。研究表明，利用物联网技术和智能家居设备作为调度资源实现低成本快速DR具有可行性。各个设备网络接口不一致成为系统广泛部署的最大障碍[20]。

美国电科院研发了电动汽车参与DR的技术。文献[21]阐述了电动汽车利用OpenADR2.0 通信架构自动参与DR的方法。VTN将DR事件发送到一个中心服务器，该服务器负责转发到每个电动汽车制造商的管理系统。最终，DR消息通过各制造商专有的远程信息处理系统发送到每一辆电动汽车，实现了DR调度电动汽车的有序充电。电动汽车参与快速DR需从技术和效益方面综合考虑，进一步促进其参与辅助服务。

OpenADR2.0应用于快速DR和分布式能源提高了源网互动性，进一步改善了DR的灵活性和效率，提高了电网对新能源接入的能力，更好地满足当今及未来的市场需求。

5.2 国内需求响应试点应用项目

国内需求响应领域的研究和实践刚刚起步，主要集中在需求响应理论框架和标准体系研究。结合需求响应关键内容，从体系架构、信息模型、通信协议、一致性与安全策略等方面制定和完善相关标准，促进需求响应技术发展和推广部署。

国家电网和南方电网公司在电力需求侧管理方面投入了大量人力物力开展标准体系的建设，并按照国家能源发展战略进行示范工程建设[5]。中国电科院智能电网用户接口标委会(SAC/TC549)已获OpenADR一致性测试实验室资质，将有效指导国内DR技术研发，有利于增强不同系统之间的互联互通能力。南网科研院制定了DR综合效益评价国际标准(IEEE P2030.6)与国家标准(GB/T 32127-2015)，并在佛山、南宁等城市开展了试点应用项目。

6 结论

(1)自动需求响应实现了供应侧和需求侧资源的综合规划，有效发挥了需求侧资源提供实时调节服务的能力，提高了新能源电力系统的利用效率和安全稳定性。OpenADR能够与控制系统交互通信，通过预编程自动响应DR事件或价格信号，无需人工干预，简化了多个信号系统的实现，有利于楼宇自动化的部署。因此，需求侧资源能更有效的参与系统运行，实现了源荷互动和协同增效。

(2)OpenADR2.0作为美国的国家标准正在进行国际标准化推广，旨在满足现有和未来的辅助服务市场快速DR的需求，其具有显著的大规模部署潜力。目前，OpenADR已经在美国、中国、澳大利亚、欧洲、日本等地进行部署。需求响应研究中心研究OpenADR如何采用实时方式协调资源和DR信息以满足市场结构变化和新能源接入的新的通信要求，促进DR成为供应侧系统的可行竞争者。最终，将支持电网—用户实现负荷和分布式能源的智能管理。

[1]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.

[2]张钦,王锡凡,王建学,等.电力市场下需求响应研究综述[J].电力系统自动化,2008,32(3):97-106.

[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):3601-3607.

[4]郭云鹏,刘伟佳,文福拴.智能配电系统的发展现状与展望[J].华北电力大学学报(自然科学版),2014,41(5):74-81.

[5]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):3623-3629.

[6]李春曦,王佳,叶学民,等.我国新能源发展现状及前景[J].电力科学与工程,2012,28(4):1-8.

[7]李仰哲.中国电力需求侧管理工作的进展[J].电力需求侧管理,2016,18(1):1-2.

[8]王力科,张东霞,张晶.IEC PC118国际标准研究最新进展[J].供用电,2015(7):8-12.

[9]李湛清，姚艳艳.基于OpenADR的需求侧管理[J].电测与仪表，2010(S1):99-102.

[10]Holmberg, David G., Girish Ghatikar, et al. OpenADR Advances[J]. ASHRAE Journal .2012,54(11):1-8.

[11]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.

[12]OpenADR Alliance.OpenADR 2.0 profile specification B profile[S].http://www.openadr.org.2015-11-17.

[13]Arthur H. Rosenfeld. DRRC Annual Report2013[EB/OL].http://drrc.lbl.gov/news/drrc-annual-report-2013, 2014-05-19.

[14]HERBERG U,MASHIMA D,JETCHEVA J G,et al.OpenADR 2.0 deployment architectures:Options and implications[C]// IEEE International Conference on Smart Grid Communications.IEEE 2014:782-787.

[15]Electric Power Research Institute.The impact of EPRI'sautomated demand response collaborativeon advancing OpenADR standards[OL].http://www.epri.com,2014-12.

[16]许晓慧，辛建波，范瑞祥，等.基于OpenADR 2.0的需求响应信息交互机制研究及仿真验证[J].华东电力，2014，42(7):1294-1298.

[17]GHATIKAR G,RIESS D,PIETTE M A.Analysis of open automated demand response deployments in California and Guidelines to transition to industry standards[EB/OL].Lawrence Berkeley National Laboratory.https://drrc.lbl.gov/publications,2014.

[18]KIM J J,YIN R,KILICCOTE S.Automated demand response technologies and demonstration in New York City using OpenADR[EB/OL].https://drrc.lbl.gov/publications,2013.

[19]PIETTE M A,KILICCOTE S,DUDLEY J H.Field demonstration of automated demand response for both winter and summer events in large buildings in the Pacific Northwest[J].Energy Efficiency,2013,6(4):671-684.

[20]STEVEN L,ANDREW W,ANNA L,et al.Field testing of telemetry for demand response cotnrol of small loads[EB/OL]. Lawrence Berkeley National Laboratory. https://drrc.lbl.gov/publications,2015.

[21]Power Delivery & Utilization - Distribution & Utilization.Unified Plug-in Electric Vehicle (PEV) to Smart Grid Integration Approach within Automotive and Utility Industries[EB/OL].EPRI,Palo Alto.http://www.epri.com,2013-12-30.

A Review of Standard Architecture and Application of OpenADR2.0

ZHANG Tiefeng1,2, ZHANG Xu1, ZHAO Yun3, XIAO Yong3,SUN Yujun3, WANG Yan3, HU Jun2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,China; 2. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

OpenADR provides a standardized communication architecture based on price signals and DR events. In this paper, the contents of OpenADR2.0 are presented, and the communication architecture, transport protocol, services and security of OpenADR2.0 are described. Further, the practices of OpenADR are presented. Practices show OpenADR can support automatic demand response and greatly improve the reliability, robustness and cost-effectiveness of DR, with potential for large-scale deployment. China should facilitate the development of DR standards and launch the implementation projects of automatic demand response, and ultimately promote user interaction and energy conservation and emission reduction under the background of global energy interconnection.

OpenADR2.0; demand response; conservation and emission reduction; communications specification; user interaction

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.010

2016-09-13。

南方电网公司重大科技专项(CSGTRC-K142036)；教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014MS101)。

TM73

A

1672-0792(2017)03-0055-06

张铁峰(1974-)，男，副教授，博士，主要研究方向为智能电网信息通信技术与决策支持。