摘要

 

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的推進(jìn)和電氣信息技術(shù)的深度融合,電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)也被賦予了諸如新能源消納、輔助服務(wù)等新的使命,并面臨著從緊急態(tài)向常態(tài)化的轉(zhuǎn)型。目前我國電力需求響應(yīng)試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)已為需求響應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展積累了豐富經(jīng)驗(yàn),但在大規(guī)模復(fù)制推廣方面還存在一些瓶頸?；趪鴥?nèi)外需求響應(yīng)發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合我國已經(jīng)發(fā)布的相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)有試點(diǎn)城市的建設(shè)情況,從政策機(jī)制保障、信息化支撐、平臺部署及組織實(shí)施層面剖析當(dāng)前所存在的問題,并結(jié)合實(shí)際工作情況嘗試給出若干未來發(fā)展建議。

 

李彬1, 陳京生1, 李德智2, 石坤2, 楊斌3, 祁兵1, 孫毅1, 奚培鋒4

 

1．華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京市 昌平區(qū) 102206

 

2．需求側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化與供需互動技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司),北京市 海淀區(qū) 100192

 

3．國網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇省 南京市 210024

 

4. 上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司),上海市 普陀區(qū) 200063

 

0 引言

 

在國家發(fā)改委的組織下,江蘇、上海、北京、佛山等地陸續(xù)實(shí)施了電力需求響應(yīng)的試點(diǎn)建設(shè)工作,通過政府主導(dǎo)、電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施的方式和電力用戶互動,并在執(zhí)行過程中適當(dāng)引入了負(fù)荷聚合商、服務(wù)商等第三方新型實(shí)體的參與。根據(jù)2015—2017年的需求響應(yīng)(demand response,DR)試點(diǎn)執(zhí)行情況,可以看出我國需求響應(yīng)無論從負(fù)荷規(guī)模還是單次響應(yīng)體量上,都穩(wěn)居國際前列[1]。在上述DR試點(diǎn)城市中,均引入了負(fù)荷聚合商作為中間機(jī)構(gòu),為DR管理系統(tǒng)(第三方機(jī)構(gòu)或電網(wǎng)企業(yè))提供用戶側(cè)DR資源聚合管理支撐,并對用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。但居民用戶在參與DR業(yè)務(wù)過程中,由于信息接口及通信協(xié)議的不足與落后,導(dǎo)致DR事件、用戶確認(rèn)信息及負(fù)荷量測數(shù)據(jù)等信息交互過程仍舊較為繁瑣[2],在信息傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性、成本經(jīng)濟(jì)性等方面難以適應(yīng)未來電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)自主、靈活性的要求,無法充分發(fā)揮用戶DR資源的作用,更無法進(jìn)一步推廣DR業(yè)務(wù)的實(shí)施[3]。

 

在政策方面,國家發(fā)改委發(fā)布的《電力發(fā)展十三五規(guī)劃》明確了未來DR業(yè)務(wù)定位,也提出了加強(qiáng)需求響應(yīng)能力建設(shè)、延續(xù)試點(diǎn)城市工作成果的方向[4]。根據(jù)2018年1月22日能源局發(fā)布的2017年全社會用電量數(shù)據(jù),全年用電量63077億kW•h,其中城鄉(xiāng)居民生活用電量高達(dá)8695億kW•h,同比增長7.8%,可柔性調(diào)節(jié)的DR資源比例逐步攀升,未來中國城鄉(xiāng)居民用戶參與需求響應(yīng)具有巨大的潛力[5]。在標(biāo)準(zhǔn)化方面,SAC/TC549全國智能電網(wǎng)用戶接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會自2014年成立以來,制定了包括《電力需求響應(yīng)系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范(GB/T 32672—2016)》[6]、《智能電網(wǎng)用戶自動需求響應(yīng)：分散式空調(diào)系統(tǒng)終端技術(shù)條件(GB/T 34116—2017)》[7]、《電力需求響應(yīng)系統(tǒng)功能規(guī)范(GB/T 35681—2017)》[8]、《需求響應(yīng)效果監(jiān)測與綜合效益評價導(dǎo)則(GB/T 32127—2015)》[9]等在內(nèi)的一系列國家標(biāo)準(zhǔn),并且還有涵蓋DR資源信息模型、安全規(guī)范等系列標(biāo)準(zhǔn)正在制定過程中。在學(xué)術(shù)研究方面,關(guān)于不同類型DR資源參與電網(wǎng)互動特性研究已經(jīng)成為供需互動領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[10]針對電動汽車參與自動需求響應(yīng)(automated demand response,ADR)項(xiàng)目,提出了一種基于供需兩側(cè)協(xié)同優(yōu)化的充放電策略,提高了電動汽車的總體響應(yīng)水平。文獻(xiàn)[11]將空調(diào)負(fù)荷等效為虛擬儲能裝置進(jìn)行建模分析,并針對削峰場景進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]針對家庭智能負(fù)荷參與需求響應(yīng)提出了一種基于啟動時延的家庭負(fù)荷控制模型,該方法在降低峰谷差、短時削減負(fù)荷高峰具有很好的效果。

 

傳統(tǒng)的ADR業(yè)務(wù)主要定位于削減電網(wǎng)的峰值負(fù)荷,解決輸電系統(tǒng)的約束問題或者提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,隨著大量分布式電源接入電網(wǎng)后,還可以通過本地DR資源實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的風(fēng)光擾動特性匹配,以降低大電網(wǎng)的實(shí)時平衡需求[13]。某些特定的DR資源還可為電網(wǎng)提供輔助服務(wù),其業(yè)務(wù)類型通常要在分鐘級甚至秒級完成[14]。以往,電力公司往往依靠發(fā)電機(jī)組來提供輔助服務(wù)(尤其是具有快速響應(yīng)能力的燃?xì)鉁u輪機(jī)),調(diào)節(jié)方式單一,如果能夠引導(dǎo)負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)的需求改變用能特征,輔助服務(wù)的成本和可用性將大幅改善。政策的引導(dǎo)對于DR業(yè)務(wù)的發(fā)展至關(guān)重要,如：美國加州公用事業(yè)委員會為了實(shí)現(xiàn)高峰削減5%負(fù)荷的目標(biāo),專門制定政策改變加州的DR實(shí)施規(guī)則,并于2018年1月1日起正式禁用化石燃料備用機(jī)組參與DR服務(wù),若某些特定場景一定要化石燃料備用機(jī)組參與DR,則通過經(jīng)濟(jì)手段進(jìn)行懲罰[15]。我國具有世界上潛在規(guī)模最大的需求響應(yīng)市場,目前已具備了基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)形態(tài)雛形,未來還將進(jìn)一步發(fā)揮需求側(cè)資源在電網(wǎng)供需互動平衡方面的作用。本文基于DR業(yè)務(wù)在國內(nèi)外的試點(diǎn)建設(shè)及業(yè)務(wù)應(yīng)用情況,針對DR業(yè)務(wù)大規(guī)模推廣實(shí)施過程中所面臨的諸多問題進(jìn)行了剖析,以期促進(jìn)未來DR業(yè)務(wù)在我國的發(fā)展。

 

1 需求響應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展

 

1.1 國外情況

 

國外需求響應(yīng)相關(guān)技術(shù)研究起步較早,已經(jīng)建立了相對較為完善的市場體系并投入運(yùn)營。如：法國的Tempo電價需求響應(yīng)電價項(xiàng)目、愛爾蘭國家能源監(jiān)管委員會推行的削減負(fù)荷激勵、德國的雙向能源管理等。美國的需求響應(yīng)項(xiàng)目類型最全、相關(guān)政策也最為完善,由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室推行的開放式自動需求響應(yīng)(open automated demand response,OpenADR)協(xié)議也是目前在需求響應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議[16-18],目前OpenADR聯(lián)盟也正在致力于該標(biāo)準(zhǔn)在分布式電源(distributed energy resource,DER)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[19]。美國BQDM試點(diǎn)項(xiàng)目通過愛迪生電力公司以降價拍賣方式確定價格,并以出清價格進(jìn)行結(jié)算[21]。美國國防部正在探索使用電動汽車電池的充電能力提供輔助服務(wù),特別是頻率調(diào)節(jié),洛杉磯空軍基地將大量的電動汽車聚合后參與CAISO輔助服務(wù)調(diào)節(jié)市場投標(biāo)。CAISO通過需求響應(yīng)自動化服務(wù)器(demand response automation server,DRAS)與其通信,并通過ICCP協(xié)議保持每4 s與自動發(fā)電控制系統(tǒng)(automatic generation control,AGC)系統(tǒng)連通,由DRAS負(fù)責(zé)完成ICCP與OpenADR協(xié)議的調(diào)度指令轉(zhuǎn)換,繼而使用EiEvent傳遞指令。電動汽車聚合體的實(shí)時遠(yuǎn)動信號以O(shè)penADR協(xié)議上傳并轉(zhuǎn)換為ICCP格式上報(bào)AGC系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與負(fù)荷的雙向交互[21]。CAISO在2017年7月結(jié)合DER和儲能參與DR市場的條件,又對原有的市場規(guī)則進(jìn)行了重新修訂。電網(wǎng)企業(yè)可以根據(jù)負(fù)荷情況控制電動汽車充放電,采用最優(yōu)化調(diào)度的方式提供輔助服務(wù),為每輛電動汽車贏得了近100美元/月的收益。文獻(xiàn)[22]給出了暖通空調(diào)(heating, ventilation and air conditioning,HVAC)系統(tǒng)作為商業(yè)樓宇負(fù)荷參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的應(yīng)用,并建議在對用戶室內(nèi)溫度控制最小影響的目標(biāo)下,可以提供最大負(fù)荷15%左右的調(diào)控能力。電動汽車也是作為電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的重要負(fù)荷,既可以實(shí)現(xiàn)峰值負(fù)荷削減也可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的目標(biāo)[23]。在實(shí)施快速DR項(xiàng)目時,除了考慮通信網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),還需要考慮所有中間環(huán)節(jié)存在的隨機(jī)性,通過上級發(fā)布的價格或者激勵信息形成快速閉環(huán)控制鏈。在具有反饋性的控制系統(tǒng)中,客戶系統(tǒng)和設(shè)備之間形成了閉環(huán)的控制鏈條,需要交互雙方能更積極參與網(wǎng)絡(luò)化操作。充分發(fā)揮需求側(cè)資源的快速跟蹤響應(yīng)能力,并使其參與處理隨機(jī)的風(fēng)能和太陽能發(fā)電曲線匹配,這在大規(guī)模儲能成本降低前具有重要意義[24]。

 

北美電力可靠性委員會(North American Electric Reliability Council,NERC)將可調(diào)度類型業(yè)務(wù)作為能夠在很短時間范圍內(nèi)快速降低系統(tǒng)負(fù)荷需求的確定性技術(shù)手段,其隨機(jī)波動性相對較小。對于某些特殊的可調(diào)度類型的業(yè)務(wù)(如：尖峰電價)亦可以提前24 h發(fā)布,這需要電力企業(yè)能夠?qū)τ脩糌?fù)荷與價格之間的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的評估[25]。我國DR試點(diǎn)項(xiàng)目提前通知時間則分別為30 min、4 h、24 h,并根據(jù)緊急程度不同設(shè)置了不同額度的資金獎勵標(biāo)準(zhǔn)。在DR的測量與驗(yàn)證過程中,對于用戶削減負(fù)荷的實(shí)際貢獻(xiàn)可以通過計(jì)量系統(tǒng)估算,對于某些瞬時的緊急事件可能轉(zhuǎn)瞬即逝,按照目前15min的采樣頻率過于粗糙。隨著信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,未來將能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化的量測,可以達(dá)到5 min甚至1 min的采樣精度。

 

1.2 國內(nèi)情況

 

目前我國試點(diǎn)城市已經(jīng)基本完成了各自的DR資源庫建設(shè),其具體的試點(diǎn)實(shí)施方式均有所差異,如表1所示。但隨著試點(diǎn)工作和資金支持結(jié)束,大規(guī)模需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的實(shí)施仍然舉步維艱,其根本原因在于現(xiàn)有的電力市場環(huán)境尚且無法有效支撐DR業(yè)務(wù)的推進(jìn),仍然缺少長效、穩(wěn)定的政策支持[26]。國網(wǎng)江蘇電力是我國需求響應(yīng)體量最大的網(wǎng)省公司,也曾創(chuàng)下了單次響應(yīng)量352萬kW的世界記錄。2017年11月,江蘇電力基于負(fù)荷柔性調(diào)控需求響應(yīng)友好互動平臺正式投運(yùn),對具備一定蓄能、調(diào)節(jié)能力的負(fù)荷納入到平臺作為可調(diào)節(jié)容量進(jìn)行管理,業(yè)務(wù)模式也逐步從強(qiáng)制拉閘限電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝哉{(diào)節(jié)(提前蓄能、溫度控制、調(diào)節(jié)風(fēng)量等),該平臺也可推動我國需求響應(yīng)向常態(tài)化、無感知柔性調(diào)控階段發(fā)展。此外江蘇省在電力改革背景下為了實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)常態(tài)化,現(xiàn)已做了大量關(guān)于柔性調(diào)控、供需友好互動的工作,目前已經(jīng)具備了秒級、毫秒級的控制通道。

 

表1 我國DR試點(diǎn)情況分析

 

江蘇省經(jīng)信委、物價局核定尖峰電價收入,通過增收電費(fèi)的方式對需求響應(yīng)實(shí)施專項(xiàng)補(bǔ)貼,對其他省市實(shí)施需求響應(yīng)時的資金來源具有一定的借鑒意義。然而,在售電側(cè)放開背景下,需求響應(yīng)也被賦予了諸如新能源消納、輔助服務(wù)等新的使命[27-28]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下,可以進(jìn)一步梳理需求響應(yīng)在不同場景下的職能,剖析在全產(chǎn)業(yè)鏈條下的收益者和潛在增值服務(wù),其業(yè)務(wù)增收的方式還可以進(jìn)一步拓展,并適當(dāng)引入金融衍生服務(wù)。未來可將需求響應(yīng)服務(wù)平臺打造為新型能源信息服務(wù)平臺,參考互聯(lián)網(wǎng)典型的商業(yè)模式進(jìn)行運(yùn)作,從而保障需求響應(yīng)項(xiàng)目的長期投入應(yīng)用。目前各個試點(diǎn)的補(bǔ)貼方式雖然并不完全相同,但大多采用固定的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn),而且除了江蘇、北京、上海等試點(diǎn)地方政府愿意資助DR項(xiàng)目實(shí)施,部分地方政府出資意愿不強(qiáng),因此需要建立完善的成本回收市場機(jī)制,未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)激勵型DR業(yè)務(wù)的發(fā)展,設(shè)計(jì)靈活的規(guī)則提升用戶的參與積極性。

 

2 需求響應(yīng)業(yè)務(wù)推進(jìn)的關(guān)鍵問題分析

 

目前北京、江蘇等幾個試點(diǎn)城市均實(shí)施了需求響應(yīng),也取得了一定的效果,但在未來大規(guī)模推廣應(yīng)用時仍存在不少障礙,本文將目前的幾個方面的問題按政策保障層面(政策保障)、信息化支撐層面(通信組網(wǎng)、互操作管理、安全風(fēng)險)、平臺部署及業(yè)務(wù)實(shí)施層面(平臺部署實(shí)施、精細(xì)化DR管理、補(bǔ)貼結(jié)算、商業(yè)模式)3個大類進(jìn)行了劃分,如圖1所示。其中政策保障是決定DR業(yè)務(wù)能否順利開展的前提條件;通信組網(wǎng)、互操作管理方面是緩解網(wǎng)絡(luò)壓力、減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、確保DR信息交互的實(shí)時性、可靠性及提高系統(tǒng)互操作性的基礎(chǔ)條件,安全風(fēng)險則重點(diǎn)討論未來如何通過高效的安全防護(hù)措施保障DR實(shí)施過程中各個環(huán)節(jié)的安全問題;平臺部署、DR行為建模、補(bǔ)貼結(jié)算、商業(yè)模式是DR參與主體(如：節(jié)能服務(wù)公司、售電商、負(fù)荷聚合商)在大規(guī)模實(shí)施DR項(xiàng)目過程需要重點(diǎn)考慮的幾個方面,而下面本文將分別從上述3個層面分析影響需求響應(yīng)業(yè)務(wù)大規(guī)模實(shí)施的關(guān)鍵問題。

 

 

圖1 影響需求響應(yīng)業(yè)務(wù)推進(jìn)的3個層面