基于能源管理的自动需求响应应用研究

孙志

（国网连云港供电公司，江苏 连云港 222002）

基于能源管理的自动需求响应应用研究

孙志

（国网连云港供电公司，江苏 连云港 222002）

自动需求响应（automated demand response，ADR）具有负荷可控，时效性强，互动互利，融合共赢的特点［1］，是需求响应发展的高级阶段。作为美国智能电网的关键技术之一，自动需求响应通信规范OpenADR（open automated demand response communications specification）目前已完成OpenADR 2.0版本的认证和测试，并在美国进行了DR试点和现场试验，充分验证了自动需求响应的可操作性［2］。我国需求侧管理正处于快速发展时期，市场化程度和用户参与度都有明显提高，但在迎峰度夏期间，有序用电仍是大部分地区最常采用的管控手段。电力市场下的需求侧响应主要有2种:基于价格和基于激励。从目前需求响应的实践看，负荷高峰通常是短暂的，并不需要经常进行大规模的响应。对于用户来说，能耗成本日益增加，但由于缺乏有效的能源管理技术手段，主动参与能源管理和动态需求响应的意识不强。当前国内外兴起的负荷聚合商（load aggregator，LA）是从事能源管理的专业机构，能够聚合分散负荷资源，使以往难以利用的小容量负荷也能够参与需求响应。因此，在能源管理的基础上建立自动需求响应系统有利于能源从生产到消费的全过程管控，是缓解能源增长需求，降低高峰负荷，推进能源互联网建设的可行方案。

1 基于能源管理的自动需求响应系统建设

基于能源管理的自动需求响应系统具有2个特点，一是横向能源智慧管理，突出多能互补和能效提升；二是纵向自动需求响应，突出源-网-荷-储协调和能源双向互动。具体实现包含能源管理子站、能源托管平台和能源管理主站三级管理平台，系统框架如图1所示。

1.1 需求侧能源管理子站建设

需求侧能源管理子站是实现自动需求响应的基础，采用IzoT工业物联网技术，将IP应用到控制网络的每个终端设备，其中网络控制设备具备自主管理能力，可以自行完成要执行的任务。能源管理子站包括数据采集处理子系统、能耗监测平台子系统、动态需求响应子系统，用能安全管理子系统等，能够实现能耗的分类分项分户计量，电能质量监测，分布式电源接入与管理，预付费与电能平衡分析等功能。此外，能源管理子站通过对中央空调系统化节能调节、VRV空调和分体空调节能控制、供配电系统优化、照明系统节能控制等实现能效提升和永久性降负，在每个电力用户单位构成系统化能效机组。

图1 基于能源管理的自动需求响应系统框架

1.2 能源托管平台建设

能源托管平台是实施能耗监管和自动需求响应的重要环节，主要包括需求响应子系统，需求响应用户管理子系统、需求响应辅助决策子系统、虚拟电厂监测与管理子系统等，具备的功能包括需求响应能力分析、响应额度分配、负荷基线预测、综合能效评估、缓解配变过载、虚拟调控机组组合、响应效果分析与结算管理等。此外，能源托管平台还需要具备对其他需求响应资源如储能、分布式能源等实施多能互补和负荷聚合。

1.3 能源管理主站建设

能源管理主站作为能耗监管者，也是自动需求响应的组织实施者，采用云计算将管理服务器、存储服务器、宽带资源等集中起来，由软件实现自动管理。主要由能源数据共享子系统、动态需求响应子系统、人工智能决策支持子系统、能源调度子系统、地理信息子系统等组成。主站收集子站或托管平台的反馈信息，对整体负荷趋势进行监测，对负荷特性进行分析和预测，制定不同约束条件下的需求响应预案，当需求响应事件启动后，能够自发调整响应过程，改善负荷曲线，确保系统安全运行。响应结束后，能够对需求响应效果进行判定，并对结果进行公示。

1.4 传输网络建设

基于能源管理的自动需求响应传输网络主要包括互联网、光纤专网、现场控制网，以及其他数据传输方式。能源管理主站可以直接访问各个子站，也可以通过能源管理平台对各子站进行监管。主站和各个子站间的通信主要基于互联网完成数据传输，实现客户端、移动端的访问等。能源托管平台和各子站的网络互通采用光纤专网，保证数据及时、安全和准确传输。现场控制网络采用Lonworks现场总线技术组建，通过智能表计采集基础数据，传输速率高，系统可靠稳定，网络容量大，拓扑结构灵活。此外，系统还可通过电力无线专网或电力线载波通信网连接部分特殊的能源管理子站。

2 基于能源管理的自动需求响应系统功能实现

2.1 自动需求响应功能实现

需求侧能源管理子站将负荷分为不可中断、可中断及可调负荷，在能源紧缺时关掉可中断负荷，并对可调负荷进行降负荷调节，将可中断负荷和可调负荷累加，形成虚拟机组，在用能高峰时参与调峰。

能源管理子站也可通过负荷聚合商的能源托管平台，形成一定量级的能效电厂或虚拟电厂，参与源-网-荷互动，在用电高峰，能源管理主站将需求响应指令和容量发给各虚拟电厂，能源托管平台根据收到的调度指令及容量，按比例分解后发送至各能源管理子站，各子站根据收到的调度指令及容量，启动虚拟发电机组，并将机组容量上报托管平台，托管平台汇总后再将虚拟电厂总容量上传到能源管理主站。一次完整的自动需求响应事件如图2所示。

2.2 能源管理的功能实现

能源管理子站通过实时在线计量完成本地监控，对设备用电安全和质量参数对如电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等进行监测，对影响安全的电流过大、电压过高等突发情况进行实时报警，提高能源管理水平,实现安全可靠用能的目标。通过建立能源管理系统，对供/冷热量、风量、水量、供气量等按需调节，采用系统化的节能控制技术可以永久性降低负荷。根据用户需求，建立用能模型，在实时监测数据和历史累计数据统计分析的基础上进行用能诊断，确定节能的关键点。具体包括如下3方面。

图2 自动需求响应事件流程图

（1）中央空调系统按需自动化调节控制:根据室外环境温湿度、公共建筑空调温度设置指导意见或业主的实际温度控制需求，实现对于风机盘管、组合式空调、新风机等空调末端的温度设定控制，对温度进行PID调节控制，按需供冷/热量。对于冷冻站实现冷水机的自动加卸载、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的台数控制和变频控制，实现按需优化节能控制。

（2）工业风系统、水系统按需自动化调节控制:根据工艺过程实际需量，采用PID闭环控制，实现按需自动化调节控制，提高风机、水泵的能效，有效降低系统总负荷。

（3）工业空压机按需调节控制:根据工艺过程实际需气量，对储气罐出口压力进行PID闭环控制，实现恒压供气自动化控制，提高空压机运行能效，有效降低空压机运行总负荷。

3 基于能源管理的自动需求响应应用模式

3.1 参与主体

自动需求响应的参与主体包括政府、电网企业、负荷聚合商及电力用户。

政府是需求响应实施的主导者和推动者。我国的需求响应尚处在起步阶段，政府发挥行政管理优势，主导和推动需求响应工作的开展非常重要。

作为输配电运营商，电网企业掌控着电网运行控制的技术和信息,电网企业参与自动需求响应，有助于提升用户服务体验和探索新的需求侧管理模式。

负荷聚合商作为专业化的业务主体，为能源市场提供平衡机制、系统调峰和辅助服务等。同时充分挖掘负荷调节潜力，为电网运行和电力用户带来价值。

电力用户是自动需求响应的直接参与者，包括居民、大工业、一般工商业等。改变电力用户用电方式，提高终端用电效率，是自动需求响应的目的。

3.2 实施方案

在国外如美国、英国等地已形成电力市场，自动需求响应的实施主要是通过负荷聚合商自发完成，它整合用户需求响应资源与用户签订委托合同后，将资源提供给市场购买者，代理其参与需求响应以及相关商务事宜。当前我国电力批发市场和零售市场均未放开，无法形成自发的、基于市场的自动需求响应。在此背景下，自动需求响应的实施过程如图3所示。当电网企业提出的需求响应启动请求经电力运行主管部门审核通过后，电力运行主管部门发出响应指令，电网企业收到指令后，将命令下达到各负荷聚合商的需求响应管理系统，各负荷集成商管理系统将收到的指令进行自动分解并下达到其所管辖各电力用户的电能管理系统，电能管理系统通过各类调控策略进行自动降负荷运行，并将信息反馈给电网企业与负荷聚合商。

图3 自动需求响应实施过程

由图3所示实施过程可以看出,自动需求响应系统的核心在于电力用户电能管理系统、负荷集成商需求响应管理平台、电网企业需求响应系统平台的建设与双向互动，从而构建了虚拟电厂，如图4所示。在电力用户内部建设电能管理系统，对可中断负荷、可调控负荷、分布式能源、储能等进行自动化控制与管理，类似于形成各个微型的虚拟发电机组；负荷集成商的需求响应管理平台对所管辖用户的虚拟发电机组参数、调控、统计分析等进行管理，类似于形成区域性的虚拟电厂，并与电网企业的需求响应平台进行双向互动；电网企业需求响应平台对各负荷聚合商形成的区域性虚拟电厂的参数、实施、效果等进行动态管理与效果评估，形成全省虚拟电厂，上传相关数据至政府需求侧管理平台并接受监督与管理。

图4 自动需求响应调控路线与虚拟电厂构建

3.3 运行模式

自动需求响应是个复杂的系统工程，牵涉到政府、电网企业、电力用户以及负荷聚合商各方的利益与诉求，探索可持续发展的运作模式是非常必要的。电力产品的公共属性与电网企业管理的集中性，决定了电网企业无法逐个去解决每个电力用户的调控与管理，通过PPP设立专门的SPV公司（specialpurpose vehicle,SPV），将政府、电网企业、负荷聚合商结合起来，为电力用户建立智慧能源管理系统，在此基础上通过PPP模式实施自动需求响应，有利于国有资本及民资保值增值，财政资金效益最大化。同时SPV公司除了提供自动需求响应服务外，还可为电力用户提供定制化的能源管理服务、设备运行管理服务、节能服务等增值服务，得到除了调峰补贴外的其他收益。在形成一定规模的虚拟电厂后，自动需求响应的实时性调控还可以为电网企业提供调频、旋转备用和电压控制等辅助服务。可见，采用PPP模式对于自动需求响应是一种可持续的运作模式，值得各方去探索与试验。图5为自动响应PPP模式。

4 结束语

图5 自动需求响应PPP模式

自动需求响应不依赖于人工操作，大大提高需求响应的时效性、可靠性、灵活性和成本效益，本文通过能源管理子站、能源托管平台、能源管理主站的建设与双向互动，将需求响应的主要功能从优化电能配置拓展到向系统提供实时辅助服务，充分吸引和挖掘负荷可调节潜力，真正将需求响应纳入实时调度范畴，提高了系统间歇性能源接入能力和安全稳定运行能力，是加强需求侧管理的必然趋势。另外，自动需求响应的发展不仅需要理论知识和技术的支撑，而且还需要政策环境和市场机制的建设。我国应加快设施建设、相关研究和用电侧市场化进程，推进辅助服务的合理定价和相关标准的制定进程，促进自动需求响应在国内的发展。D

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Research on the application ofautomated demand response based on energy management

SUN Zhi
（Lianyungang Power Supply Company,Lianyungang 222002,China）

自动需求响应是智能电网的核心技术功能之一。从国内需求响应的现状出发，提出在需求侧、中间商和供给侧分别部署能源管理系统，提升用户终端能效管理水平，促进源网荷的互动，完成自动需求响应。通过对能源管理和自动需求响应的功能实现进行阐述，确定了需求侧节能的关键点以及调控措施。最后，对自动需求响应参与主体进行了分析，提出实施的具体过程，并探讨了新形势下自动需求响应的运作模式。

自动需求响应；能源管理系统；PPP模式；智能电网

Automated demand response is one of the core technologies of smart grid.By analyzing the status of demand re⁃sponse in China，this paper proposes to deploy energy management system on the demand side,intermediate layer and the supply side. It will help to improve user terminal efficiency and management level,promote the interaction in load⁃network⁃source and realiza⁃tion of automated demand response.Then the key points of energy saving and control measures were determined by describing the function of energy management and automated demand response. Finally,this paper analyzes the main body of the participation, puts forward the specific process of implementation,and discusses the operation mode of the automated demand response under the new situation.

automated demand response;energy manage⁃mentsystem;PPP pattern；smartgrid

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.009

F407.61；TK018

C

2017-03-24