虹桥商务区电力需求响应质量技术创新体系与应用

◆ 周雷勇 宗明 段若晨 / 文

一、引言

电力需求响应是指通过需求侧的调荷能力，利用电力需求的弹性来降低电力高峰时段的负荷，缓解电力供应紧张，避免传统拉闸限电等措施给企业正常生产经营和居民生活造成的严重影响，实现电网柔性控制目标[1]。

电力需求侧管理概念被引入我国已有20多年，在我国节能减排和经济发展中发挥了重要作用。但是，当前电力需求响应技术的研究、应用和推广仍然处于摸索起步阶段，虽然已经有了一些试点工程，但一方面我国需求响应应用的政策经济条件还较为缺乏，有关自动需求响应的应用极为有限；另一方面，需求响应实现的技术模式和方法还未标准化，无法解决需求响应技术、产品或系统之间的通用和互换问题，增加了实施需求响应项目的成本，不利于自动需求响应技术的推广[2]。因此，迫切需要结合现代质量管理理念，对需求响应进行分析和研究。

本文以用户需求为核心，充分运用多种质量管理及技术开发工具，建立基于前端分析、过程实施、推广应用的质量技术创新体系，覆盖需求响应的各个流程：电网负荷信息的收集及处理→区域用户的用电分析→需求响应的过程模型及方法研究→用电及需求响应的信息交互方法研究→建设需求响应应用示范，最终形成一套可实用化的电力需求响应信息服务平台。

二、基于QFD质量屋的前端分析

基于QFD质量屋方法，将客户需求进行详细梳理，指导相应技术方案形成。首先，与相关政府部门、电网负控中心、供电公司、用电用户等单位建立信息互通渠道，收集区域相关的用户供电点、电源线路信息，以及用户负控信息、用户电费账单、用电历史、需求响应激励政策（包括负荷容量、负荷控制要求、停电信息、电价政策、节能服务信息等）各类相关信息，并对上述信息进行分析处理，为用户用电分析及需求响应服务奠定基础。然后，针对区域内用户的内部用电数据、电网采集数据、单位能耗采集数据进行精细化比对及分析，研究用户用电的分类排序方法，用以评估不同类型用户的需求响应能力[3]。

“质量屋”是质量功能配置（QFD）的核心，是一种确定客户需求和相应服务之间联系的图示方法，由矩阵框架直观表达。质量屋一般由WHATS矩阵、HOWS矩阵、相互关系矩阵以及评价矩阵组成。其中，WHATS矩阵表示需求什么；HOWS矩阵表示针对需求如何做；相互关系矩阵表示WHATS项和HOWS项的相互关系；评价矩阵表示HOWS项的组织度、技术成本、竞争力及可行性等。质量屋建立完成后，通过定性和定量分析，得到输出项HOWS矩阵，即完成了从客户需求到满足需求手段的转换。

本项目中，首先明确客户主要需求为负荷控制、停电信息、电价政策及节能服务，重要性分别为1～4分，相应提供的技术手段为约定需求响应、实时需求响应及补偿结算，将关系矩阵程度定义为强（5分）、中（3分）、弱（1分），由此建立“质量屋”。如图1所示。

根据用户需求重要性及相互关系矩阵，通过计算可得各技术手段得分为：约定响应9分、实时响应23分、补偿结算19分，表明实时需求响应技术解决用户需求的能力最强。通过质量屋分析，可以为各类需求响应手段进行综合评估，为技术方案的制定提供理论依据。

三、基于TRIZ理论的过程实施

发明问题解决理论（TRIZ理论）的核心是技术进化原理，其核心思想主要体现在三个方面：首先，无论是一个简单产品还是复杂技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。其次，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。第三，技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。基于核心思想，提出了诸如发明原理、发明问题解决算法及标准解等矛盾消除算法。在利用TRIZ解决问题的过程中，需要首先将问题表述为TRIZ问题，然后利用TRIZ工具，求出该问题的普适解或模拟解，最后将该解转化为领域的解或特解[4]。

图1 “质量屋”矩阵图

图2 过程实施

本项目中，主要问题共四个：用户响应方法确定、负荷分配模型搭建、结算补偿策略制定以及信息交互方法研究。运用TRIZ理论，梳理技术实施过程中可能存在的技术障碍，通过对矛盾的分析，利用消除冲突的逻辑方法推出相应解法，最终解决矛盾，消除障碍，得出过程实施方案。

1.确定用户响应方法（图2-1）

首先依据区域特点，将用户（S）按照类型分为不同类别（S1、S2、S3……），并基于用电分类排序方法分析区域用户特征，评估不同类型用户的需求响应能力，为区域管理者（或电能服务商）制定形成多级响应模型及方案（F）。

2.搭建负荷分配模型（图2-2）

首先需要对电网负控单位（S1、S2、S3……）发出具体削减负荷需求。根据用户当前负荷状态，以及多级响应模型及方案，研究制定区域范围内的负荷分配模型（F），最终确定参与需求响应的用电用户范围及响应级别（S）。

3.制定结算补偿策略（图2-3）

通过采集用户需求响应的执行情况（S11），负控单位（电网）提供的结算信息（S12）等基础信息（S1），对用户需求响应执行结果进行精细化结算补偿（S2），形成政策框架内的区域用户结算补偿策略（F）。

4.实现海量信息交互（图2-4）

基于移动技术及互联网技术，首先研究能耗信息（S11）、负控需求（S12）、执行结果（S13）等能源信息的交互方法（F1），随后确定区域管理单位（S21）、电能服务商（S22）、电力用户（S23）等用户信息的交互方法（F2），最终提出各类信息交互方案（F）。

四、基于PDCA循环的推广应用

图3 PDCA循环原理图

P D C A循环又称戴明环，是全面质量管理的思想基础和方法依据。PDCA循环围绕最终目标（Goal），将质量管理分为四个阶段，即计划（Plan）、执行（Do）、检查（Check）、处理（Action）。在质量管理活动中，要求把各项工作按照作出计划、计划实施、检查实施效果，然后将成功地纳入标准，不成功的留待下一循环去解决。基本原理如图3所示。本文基于PDCA循环，对推广应用结果进行闭环管控，从而确保应用效果[5]。

1.计划（Plan）

首先制定推广应用计划。以用户电力需求响应为目标，在对虹桥智能配用电大数据分析的基础上，分析虹桥商务区配电网负荷时间维度的规律性，以及虹桥商务区能源中心分布式电源的并网可能给电网带来的影响，将需求响应分为三种级别，对区域内的需求响应负荷分配、结算及激励分配设计出两种基本模式，形成电力需求响应试点计划及具体日程表。

2.执行（Do）

通过前期数据分析，选定虹桥商务区内十个地块用户及两个能源站作为试点对象。随后按照计划中的时间节点，主动联系各试点用户，实时跟踪其设备安装情况及数据接入情况。同时，平台可以向用户发布检修、停电通知与电价等服务性信息和对电力用户用电安全性、合理性与节约用电的指引性信息。

3.检查（Check）

对用户数据进行动态分析，并实时接受用户反馈，分析计划执行过程中存在的各类问题。

4.处理（Action）

对相关问题进行及时处理，同时不断修正计划中存在的问题，实现平台的改进优化，确保需求响应的质量要求。

对于存在问题较多的用户，将重新制定推广应用计划，并再次执行PDCA循环，直至所有问题得到解决，确保项目顺利实施。

五、经济及社会效益

1.经济效益

项目的实施，从需求响应的自动完成性考虑，可以节约相关人力成本，从“削峰填谷”效果、能源利用率及电费节约角度考虑，具有较好的经济效益。

表1 人力成本评估表

表2 电费成本评估表

以虹桥能源中心2号站峰平谷发电量分布来看，站内机组发电主要集中在峰平时段。由于冷热负荷高峰与电网的用电高峰时间段相同，因此机组的使用对电网的削峰填谷十分有利，有助于合理调度能源中心三联供机组运行方式，在减少对电网影响的同时增加其运行的经济效益。

减少人力：该项目应用前，每家用户需要配备专人进行需求响应，再安排人员进行相关操作。应用后，系统可以自动进行需求响应，仅需安排相关兼职人员进行定期巡查（人数记为0.5），以10家试点用户为例，人力成本支出可以大大降低。详情见表1。

减少电费：该项目应用前，用电高峰主要集中在电价高峰时段。应用后，通过需求响应在用电高峰时段自动切入三联供等方式，而在电价低谷时段，再将负荷接入电网，从而大大减少了电费支出。详情见表2。

2.社会效益

随着电力市场化改革的推进和商业模式的进一步发展，电力需求响应将在社会中扮演越来越重要的角色。本项目的成功试点，为容量辅助服务、需求侧竞价等措施的推广应用拓宽了渠道，为进博会等重要保电活动提供了思路，为需求响应的后续发展奠定了基础。同时，该项目的实施，有助于推动电力需求侧管理从以“供电服务为中心”向“电力用户需求为中心”的转变，通过电网各种目标之间相互协调去实现该目标，使电网公司能够对已有数据进行统一控制，并在电网和用户之间建立一座桥梁，形成双方共赢的局面。

六、结论与展望

本文重点介绍了基于各类质量管理工具形成的虹桥商务区电力需求响应体系，提出了一种适用于各类用户及能源站的需求响应能力评估策略及需求响应方法，并开发了结合理论研究的需求响应服务平台，促进供能方与用能方的信息交流，完成线上操作需求响应流程。

本项目社会及经济效益显著，推广价值巨大，下阶段将尝试在全上海区域进行推广应用，更好地服务各类能源站及新能源用户，更好地支撑电力供给侧改革。