摘要

 

隨著“互聯網+智慧能源”的推進和電氣信息技術的深度融合,電力需求響應業務也被賦予了諸如新能源消納、輔助服務等新的使命,并面臨著從緊急態向常態化的轉型。目前我國電力需求響應試點項目建設已為需求響應業務發展積累了豐富經驗,但在大規模復制推廣方面還存在一些瓶頸。基于國內外需求響應發展現狀,結合我國已經發布的相關政策、技術標準以及現有試點城市的建設情況,從政策機制保障、信息化支撐、平臺部署及組織實施層面剖析當前所存在的問題,并結合實際工作情況嘗試給出若干未來發展建議。

 

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 電氣與電子工程學院,北京市 昌平區 102206

 

2．需求側多能互補優化與供需互動技術北京市重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司),北京市 海淀區 100192

 

3．國網江蘇省電力有限公司,江蘇省 南京市 210024

 

4. 上海市智能電網需求響應重點實驗室(上海電器科學研究所(集團)有限公司),上海市 普陀區 200063

 

0 引言

 

在國家發改委的組織下,江蘇、上海、北京、佛山等地陸續實施了電力需求響應的試點建設工作,通過政府主導、電網企業實施的方式和電力用戶互動,并在執行過程中適當引入了負荷聚合商、服務商等第三方新型實體的參與。根據2015—2017年的需求響應(demand response,DR)試點執行情況,可以看出我國需求響應無論從負荷規模還是單次響應體量上,都穩居國際前列[1]。在上述DR試點城市中,均引入了負荷聚合商作為中間機構,為DR管理系統(第三方機構或電網企業)提供用戶側DR資源聚合管理支撐,并對用戶進行業務指導。但居民用戶在參與DR業務過程中,由于信息接口及通信協議的不足與落后,導致DR事件、用戶確認信息及負荷量測數據等信息交互過程仍舊較為繁瑣[2],在信息傳輸的實時性、可靠性、成本經濟性等方面難以適應未來電力需求響應業務自主、靈活性的要求,無法充分發揮用戶DR資源的作用,更無法進一步推廣DR業務的實施[3]。

 

在政策方面,國家發改委發布的《電力發展十三五規劃》明確了未來DR業務定位,也提出了加強需求響應能力建設、延續試點城市工作成果的方向[4]。根據2018年1月22日能源局發布的2017年全社會用電量數據,全年用電量63077億kW•h,其中城鄉居民生活用電量高達8695億kW•h,同比增長7.8%,可柔性調節的DR資源比例逐步攀升,未來中國城鄉居民用戶參與需求響應具有巨大的潛力[5]。在標準化方面,SAC/TC549全國智能電網用戶接口標準化技術委員會自2014年成立以來,制定了包括《電力需求響應系統通用技術規范(GB/T 32672—2016)》[6]、《智能電網用戶自動需求響應：分散式空調系統終端技術條件(GB/T 34116—2017)》[7]、《電力需求響應系統功能規范(GB/T 35681—2017)》[8]、《需求響應效果監測與綜合效益評價導則(GB/T 32127—2015)》[9]等在內的一系列國家標準,并且還有涵蓋DR資源信息模型、安全規范等系列標準正在制定過程中。在學術研究方面,關于不同類型DR資源參與電網互動特性研究已經成為供需互動領域的熱點問題。文獻[10]針對電動汽車參與自動需求響應(automated demand response,ADR)項目,提出了一種基于供需兩側協同優化的充放電策略,提高了電動汽車的總體響應水平。文獻[11]將空調負荷等效為虛擬儲能裝置進行建模分析,并針對削峰場景進行了優化。文獻[12]針對家庭智能負荷參與需求響應提出了一種基于啟動時延的家庭負荷控制模型,該方法在降低峰谷差、短時削減負荷高峰具有很好的效果。

 

傳統的ADR業務主要定位于削減電網的峰值負荷,解決輸電系統的約束問題或者提升系統運行的經濟性,隨著大量分布式電源接入電網后,還可以通過本地DR資源實現區域范圍內的風光擾動特性匹配,以降低大電網的實時平衡需求[13]。某些特定的DR資源還可為電網提供輔助服務,其業務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電機組來提供輔助服務(尤其是具有快速響應能力的燃氣渦輪機),調節方式單一,如果能夠引導負荷根據電網的需求改變用能特征,輔助服務的成本和可用性將大幅改善。政策的引導對于DR業務的發展至關重要,如：美國加州公用事業委員會為了實現高峰削減5%負荷的目標,專門制定政策改變加州的DR實施規則,并于2018年1月1日起正式禁用化石燃料備用機組參與DR服務,若某些特定場景一定要化石燃料備用機組參與DR,則通過經濟手段進行懲罰[15]。我國具有世界上潛在規模最大的需求響應市場,目前已具備了基礎的業務形態雛形,未來還將進一步發揮需求側資源在電網供需互動平衡方面的作用。本文基于DR業務在國內外的試點建設及業務應用情況,針對DR業務大規模推廣實施過程中所面臨的諸多問題進行了剖析,以期促進未來DR業務在我國的發展。

 

1 需求響應業務發展

 

1.1 國外情況

 

國外需求響應相關技術研究起步較早,已經建立了相對較為完善的市場體系并投入運營。如：法國的Tempo電價需求響應電價項目、愛爾蘭國家能源監管委員會推行的削減負荷激勵、德國的雙向能源管理等。美國的需求響應項目類型最全、相關政策也最為完善,由勞倫斯伯克利國家實驗室推行的開放式自動需求響應(open automated demand response,OpenADR)協議也是目前在需求響應領域應用最為廣泛的標準化協議[16-18],目前OpenADR聯盟也正在致力于該標準在分布式電源(distributed energy resource,DER)領域的推廣應用[19]。美國BQDM試點項目通過愛迪生電力公司以降價拍賣方式確定價格,并以出清價格進行結算[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,特別是頻率調節,洛杉磯空軍基地將大量的電動汽車聚合后參與CAISO輔助服務調節市場投標。CAISO通過需求響應自動化服務器(demand response automation server,DRAS)與其通信,并通過ICCP協議保持每4 s與自動發電控制系統(automatic generation control,AGC)系統連通,由DRAS負責完成ICCP與OpenADR協議的調度指令轉換,繼而使用EiEvent傳遞指令。電動汽車聚合體的實時遠動信號以OpenADR協議上傳并轉換為ICCP格式上報AGC系統,從而實現電網與負荷的雙向交互[21]。CAISO在2017年7月結合DER和儲能參與DR市場的條件,又對原有的市場規則進行了重新修訂。電網企業可以根據負荷情況控制電動汽車充放電,采用最優化調度的方式提供輔助服務,為每輛電動汽車贏得了近100美元/月的收益。文獻[22]給出了暖通空調(heating, ventilation and air conditioning,HVAC)系統作為商業樓宇負荷參與電網頻率調節的應用,并建議在對用戶室內溫度控制最小影響的目標下,可以提供最大負荷15%左右的調控能力。電動汽車也是作為電網頻率調節的重要負荷,既可以實現峰值負荷削減也可以實現頻率調節的目標[23]。在實施快速DR項目時,除了考慮通信網絡等基礎設施的建設,還需要考慮所有中間環節存在的隨機性,通過上級發布的價格或者激勵信息形成快速閉環控制鏈。在具有反饋性的控制系統中,客戶系統和設備之間形成了閉環的控制鏈條,需要交互雙方能更積極參與網絡化操作。充分發揮需求側資源的快速跟蹤響應能力,并使其參與處理隨機的風能和太陽能發電曲線匹配,這在大規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)將可調度類型業務作為能夠在很短時間范圍內快速降低系統負荷需求的確定性技術手段,其隨機波動性相對較小。對于某些特殊的可調度類型的業務(如：尖峰電價)亦可以提前24 h發布,這需要電力企業能夠對用戶負荷與價格之間的關系進行準確的評估[25]。我國DR試點項目提前通知時間則分別為30 min、4 h、24 h,并根據緊急程度不同設置了不同額度的資金獎勵標準。在DR的測量與驗證過程中,對于用戶削減負荷的實際貢獻可以通過計量系統估算,對于某些瞬時的緊急事件可能轉瞬即逝,按照目前15min的采樣頻率過于粗糙。隨著信息通信網絡技術的快速發展,未來將能夠實現精細化的量測,可以達到5 min甚至1 min的采樣精度。

 

1.2 國內情況

 

目前我國試點城市已經基本完成了各自的DR資源庫建設,其具體的試點實施方式均有所差異,如表1所示。但隨著試點工作和資金支持結束,大規模需求響應業務的實施仍然舉步維艱,其根本原因在于現有的電力市場環境尚且無法有效支撐DR業務的推進,仍然缺少長效、穩定的政策支持[26]。國網江蘇電力是我國需求響應體量最大的網省公司,也曾創下了單次響應量352萬kW的世界記錄。2017年11月,江蘇電力基于負荷柔性調控需求響應友好互動平臺正式投運,對具備一定蓄能、調節能力的負荷納入到平臺作為可調節容量進行管理,業務模式也逐步從強制拉閘限電轉變為柔性調節(提前蓄能、溫度控制、調節風量等),該平臺也可推動我國需求響應向常態化、無感知柔性調控階段發展。此外江蘇省在電力改革背景下為了實現需求響應業務常態化,現已做了大量關于柔性調控、供需友好互動的工作,目前已經具備了秒級、毫秒級的控制通道。

 

表1 我國DR試點情況分析

 

江蘇省經信委、物價局核定尖峰電價收入,通過增收電費的方式對需求響應實施專項補貼,對其他省市實施需求響應時的資金來源具有一定的借鑒意義。然而,在售電側放開背景下,需求響應也被賦予了諸如新能源消納、輔助服務等新的使命[27-28]。在“互聯網+”背景下,可以進一步梳理需求響應在不同場景下的職能,剖析在全產業鏈條下的收益者和潛在增值服務,其業務增收的方式還可以進一步拓展,并適當引入金融衍生服務。未來可將需求響應服務平臺打造為新型能源信息服務平臺,參考互聯網典型的商業模式進行運作,從而保障需求響應項目的長期投入應用。目前各個試點的補貼方式雖然并不完全相同,但大多采用固定的補貼標準,而且除了江蘇、北京、上海等試點地方政府愿意資助DR項目實施,部分地方政府出資意愿不強,因此需要建立完善的成本回收市場機制,未來需要進一步加強激勵型DR業務的發展,設計靈活的規則提升用戶的參與積極性。

 

2 需求響應業務推進的關鍵問題分析

 

目前北京、江蘇等幾個試點城市均實施了需求響應,也取得了一定的效果,但在未來大規模推廣應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、互操作管理、安全風險)、平臺部署及業務實施層面(平臺部署實施、精細化DR管理、補貼結算、商業模式)3個大類進行了劃分,如圖1所示。其中政策保障是決定DR業務能否順利開展的前提條件;通信組網、互操作管理方面是緩解網絡壓力、減少網絡建設成本、確保DR信息交互的實時性、可靠性及提高系統互操作性的基礎條件,安全風險則重點討論未來如何通過高效的安全防護措施保障DR實施過程中各個環節的安全問題;平臺部署、DR行為建模、補貼結算、商業模式是DR參與主體(如：節能服務公司、售電商、負荷聚合商)在大規模實施DR項目過程需要重點考慮的幾個方面,而下面本文將分別從上述3個層面分析影響需求響應業務大規模實施的關鍵問題。

 

 

圖1 影響需求響應業務推進的3個層面