周啟航，陳 晨，茍 競(jìng)

(1.四川電力科學(xué)研究院，四川，成都 610072;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川，成都 610065)

0 引言

負(fù)荷響應(yīng)(demand response，DR)是指電力用戶基于電價(jià)信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制作出響應(yīng)并改變傳統(tǒng)電力消費(fèi)模式的參與行為。當(dāng)電力供應(yīng)不足時(shí)，電力公司可以通過(guò)激勵(lì)機(jī)制使用戶減少用電負(fù)荷，用戶可以自行決定是否參與這類機(jī)制，讓那些愿意支付高電價(jià)的用戶，按他們的“正?！彼嚼^續(xù)用電，而那些愿意降低用電量或愿意將用電時(shí)間轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段使用的用戶將從此類機(jī)制獲益。

在美國(guó)，DR的基本理念已經(jīng)得到廣泛接受和認(rèn)同，目前美國(guó)是世界上實(shí)施DR項(xiàng)目最多、種類最齊全的國(guó)家。美國(guó)的激勵(lì)型DR包括直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷、負(fù)荷側(cè)投標(biāo)和回購(gòu)、容量及輔助服務(wù)市場(chǎng)等手段。2009年美國(guó)國(guó)家能源部向美國(guó)國(guó)會(huì)提交的智能電網(wǎng)研究報(bào)告［1］顯示，如果美國(guó)電網(wǎng)技術(shù)能使所有具有響應(yīng)能力的負(fù)荷均參與DR，可削減的高峰負(fù)荷量相當(dāng)于全美10年內(nèi)的高峰負(fù)荷增長(zhǎng)。美國(guó)電力市場(chǎng)通過(guò)鼓勵(lì)DR，吸引更多的電力市場(chǎng)參與者，分散市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，有效地促進(jìn)美國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)及其市場(chǎng)的良性發(fā)展。

1 美國(guó)電網(wǎng)的負(fù)荷響應(yīng)現(xiàn)況

DR、分布式電源(distributed generation，DG)和分布式能源儲(chǔ)備(distributed energy storage，DES)是目前新興的智能電網(wǎng)概念中的重要組成部分。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，現(xiàn)把這些資源統(tǒng)一稱為分布式能源資源(distributed energy resources，DER)。盡管智能電網(wǎng)框架下更多關(guān)注的是DER這一整體概念，但DR資源作為穩(wěn)定輸電網(wǎng)運(yùn)作的重要組成部分，更是整個(gè)電力批發(fā)市場(chǎng)的重要元素，因此在智能電網(wǎng)領(lǐng)域中具有重要意義。事實(shí)上，從輸電網(wǎng)和電力批發(fā)運(yùn)作模式來(lái)看，術(shù)語(yǔ)“虛擬發(fā)電廠”就是專指這些DR資源［2］。

在電能及其配套服務(wù)市場(chǎng)中，在獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(independent system operator，ISO)/區(qū)域輸電機(jī)構(gòu)(regional transmission organization，RTO)進(jìn)行中心控制與協(xié)調(diào)的環(huán)境下，DER/DR依據(jù)ISO/RTO市場(chǎng)設(shè)計(jì)和使用的運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)提供電能供應(yīng)、輔助服務(wù)、電力儲(chǔ)備等產(chǎn)品［4］。下面簡(jiǎn)要介紹美國(guó)電力界推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的主要?jiǎng)右蚝椭悄茈娋W(wǎng)框架下各種不同形式的DER。

不同的ISO/RTO應(yīng)用及控制DR資源的規(guī)則不同，具有不同的DR服務(wù)產(chǎn)品市場(chǎng)。另外，基于不同ISO/RTO的市場(chǎng)機(jī)制，DR/DER服務(wù)可以由一家或者多家市場(chǎng)參與者提供，包括負(fù)荷服務(wù)商(load serving entities，LSE)、配電公司(utility distribution companies，UDC)、電力服務(wù)提供商(electricity service providers，ESP)、終端用戶、負(fù)荷整合器和負(fù)荷削減服務(wù)提供商(curtailment service providers，CSP)。部分參與者擁有負(fù)荷、發(fā)電資源或發(fā)電備用資源。DR資源的擁有者、操作者和整合者之間如何協(xié)調(diào)合作是DR服務(wù)產(chǎn)品市場(chǎng)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

當(dāng)前美國(guó)電力市場(chǎng)擁有多個(gè)ISO/RTO，包括紐約ISO(NYISO)，賓州—新澤西—馬里蘭地區(qū)的ISO(PJM)，新英格蘭地區(qū)ISO(ISO-NE)，中西部ISO(MISO)，加州ISO(CAISO)，德州電力系統(tǒng)委員會(huì)(ERCOT)，和西南電網(wǎng)(SPP)。在美國(guó)電力工業(yè)市場(chǎng)化的過(guò)程中，ISO/RTO形成了各自的電力市場(chǎng)。這些電力市場(chǎng)通常包括更加細(xì)化的電力服務(wù)市場(chǎng):電能市場(chǎng)(日前及實(shí)時(shí))、電能備用市場(chǎng)及發(fā)電容量市場(chǎng)等。

2 美國(guó)智能電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

智能電網(wǎng)建設(shè)的涉及面非常廣泛，其利益相關(guān)者主要包括國(guó)家、電網(wǎng)公司、用戶、設(shè)備制造商、電建公司等。美國(guó)智能電網(wǎng)的利益相關(guān)者主要包括:電力終端用戶(工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶)、電力服務(wù)零售商、輸配電服務(wù)提供商、政府相關(guān)的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、大型的電力交易商/經(jīng)紀(jì)人/市場(chǎng)、可靠性協(xié)調(diào)委員會(huì)、產(chǎn)品服務(wù)提供商、能源政策制定者、政府監(jiān)管部門、智能電網(wǎng)倡導(dǎo)者、標(biāo)準(zhǔn)化組織和相關(guān)金融機(jī)構(gòu)。圖1所示為美國(guó)智能電網(wǎng)利益相關(guān)者示意圖。

圖1 美國(guó)智能電網(wǎng)的利益相關(guān)者

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和市場(chǎng)設(shè)計(jì)狀況，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方在近期(2～5年)內(nèi)將有更多的工作需要完成，尤其是DR在居民用戶區(qū)域內(nèi)如何應(yīng)用的問(wèn)題。不僅系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方需要一個(gè)支持DR的具有足夠靈活性的電力系統(tǒng)平臺(tái)，發(fā)電側(cè)各方也對(duì)系統(tǒng)的靈活性有著高度的要求，其中代表性的是風(fēng)能和太陽(yáng)能的發(fā)電方。支持DR技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐驗(yàn)證可以提高風(fēng)能與太陽(yáng)能安全并網(wǎng)的可行性與靈活性，從而實(shí)現(xiàn)更多的可再生能源配置。其他的DR利益相關(guān)者，包括技術(shù)開(kāi)發(fā)人員和各類用戶，必須協(xié)調(diào)合作，保證技術(shù)發(fā)展?jié)M足所有DR參與者的利益和需求。

2.1 發(fā)展基于用戶的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

電能消費(fèi)者的主要類別包括工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶。對(duì)于工業(yè)和商業(yè)用戶，他們對(duì)能源管理的了解程度比較高，針對(duì)這些用戶的DR技術(shù)也是相對(duì)成熟的。但對(duì)于居民層面的情況就不一樣了，居民層面的負(fù)荷分析還沒(méi)有成熟的商業(yè)模式，還需要更多的分析和通信設(shè)施以使得居民用戶與智能電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，居民用戶一般來(lái)說(shuō)不能自由選擇電力服務(wù)類型或者基于電價(jià)來(lái)調(diào)整他們的用電方式，從而無(wú)法管理他們的電能消耗。智能電網(wǎng)具有非常良好的前景，那是因?yàn)樗峁┙o居民用戶以自由選擇電力服務(wù)類型和基于電價(jià)來(lái)調(diào)整用電方式的能力，從而使廣大居民用戶智能用電，同時(shí)也為用戶節(jié)省了更多的金錢。北美電力公司中常用的兩種用戶政策是:用戶反饋與差異化服務(wù)定價(jià)［10］。

2.2 用戶反饋政策

用戶反饋政策的原則在于讓用電客戶更直觀地看到其節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益，從而讓用戶更好地理解和改變他們的用電行為。用戶反饋可以通過(guò)很多方式來(lái)提供，從每個(gè)月的賬單到即時(shí)的消費(fèi)與電價(jià)讀數(shù)，其中一些方式的成本較高。

當(dāng)前北美電力公司的用戶反饋政策還存在一些問(wèn)題。由于目前用戶反饋?lái)?xiàng)目的參與用戶知道電網(wǎng)及電力公司提供的技術(shù)和激勵(lì)機(jī)制是針對(duì)短期用電行為的，所以調(diào)查結(jié)果僅反映出用戶是如何應(yīng)對(duì)短期的用電行為激勵(lì)的。而只有在用戶認(rèn)識(shí)到激勵(lì)機(jī)制將會(huì)是長(zhǎng)期的，并且能使長(zhǎng)期的理性用電策略得到最優(yōu)回報(bào)時(shí)，整個(gè)電網(wǎng)(包括用戶端的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))才可能發(fā)生積極的變化。這也是各地不同時(shí)期的用戶反饋調(diào)查項(xiàng)目結(jié)果不一致的原因之一。當(dāng)前的調(diào)查項(xiàng)目的設(shè)計(jì)不能充分控制漸進(jìn)性的基礎(chǔ)設(shè)施改變對(duì)調(diào)查結(jié)果造成的影響，導(dǎo)致項(xiàng)目針對(duì)DR的長(zhǎng)期影響的結(jié)論不準(zhǔn)確，可能被高估或者低估。

2.3 差異化服務(wù)定價(jià)政策

不論是靜態(tài)定價(jià)還是動(dòng)態(tài)定價(jià)，電力定價(jià)都反映了實(shí)際的發(fā)電與輸電成本。所謂差異化服務(wù)定價(jià)，就是指不同需求的用戶可以自由選擇不同級(jí)別的服務(wù)方式，而電力供應(yīng)商根據(jù)用戶的選擇提供差異化的服務(wù)，并根據(jù)這些服務(wù)所消耗的不同成本來(lái)決定從靜態(tài)定價(jià)到動(dòng)態(tài)定價(jià)的差異化定價(jià)方式。傳統(tǒng)電網(wǎng)沒(méi)有用戶端的響應(yīng)機(jī)制，無(wú)法提供用戶端的實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)定價(jià)與反饋。而智能電網(wǎng)的一個(gè)主要好處就是可以動(dòng)態(tài)定價(jià)，而非單純的靜態(tài)定價(jià)，但是這一點(diǎn)又引出了很多與電力價(jià)格息息相關(guān)的重要問(wèn)題，包括電價(jià)是否應(yīng)該反映實(shí)時(shí)的真實(shí)價(jià)格，是否提供用戶選擇等等。許多智能用戶問(wèn)卷項(xiàng)目顯示分時(shí)定價(jià)可以將高峰用電量降低15%左右，而在用戶側(cè)應(yīng)用一些智能電網(wǎng)的新興技術(shù)可以將這一數(shù)字翻倍。研究表明知情程度和消費(fèi)行為存在著關(guān)系，當(dāng)用戶可以更快更詳細(xì)地知曉實(shí)時(shí)電價(jià)信息的時(shí)候，用戶為了節(jié)省開(kāi)支而傾向于在高峰時(shí)段減少用電，從而實(shí)現(xiàn)高峰期的負(fù)荷削減。一般稱這樣的用戶為“智能用戶”。美國(guó)加州的電力提供商估計(jì)，基于DR技術(shù)的智能用戶所節(jié)省的能源將會(huì)占智能電網(wǎng)所節(jié)省的能源總量三分之一到二分之一。因此，智能用戶是智能電網(wǎng)配置的一個(gè)重要部分。

從實(shí)際操作角度講，差異化服務(wù)定價(jià)政策主要包括平價(jià)電價(jià)政策、實(shí)時(shí)電價(jià)政策與混合政策3種。對(duì)于平價(jià)電政策，用戶白天與晚上用電價(jià)格是相同的。這導(dǎo)致用戶在非高峰時(shí)段被多收了錢，而在高峰時(shí)段又被少收了錢。該策略并不鼓勵(lì)用戶從高峰時(shí)段改變到非高峰時(shí)段用電，因此無(wú)法減少設(shè)施的壓力。對(duì)于實(shí)時(shí)電價(jià)策略，電價(jià)的制定基于實(shí)時(shí)的供需關(guān)系和發(fā)電、輸電、配電的實(shí)際成本。因此，電價(jià)沒(méi)有被多收取或者少收取，但用戶可能并未在高峰時(shí)段減少電能使用，這將導(dǎo)致高昂的電費(fèi)。第3種定價(jià)方式是用戶在兩個(gè)極端之間妥協(xié)，通過(guò)分時(shí)計(jì)價(jià)的策略來(lái)使得用戶和電力公司都受益。分時(shí)計(jì)價(jià)減小了用戶在高峰時(shí)段用電被收取高昂費(fèi)用的可能，而且還鼓勵(lì)用戶進(jìn)行用電模式的轉(zhuǎn)移。

2.4 自動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)

分析者認(rèn)為只有創(chuàng)造了一個(gè)無(wú)縫全自動(dòng)化電網(wǎng)與用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，才有可能實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的全部潛力。用戶不可能也不必時(shí)時(shí)關(guān)注電價(jià)，而是提前設(shè)置用電偏好的參數(shù)，在電價(jià)變動(dòng)或者需要響應(yīng)的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行用戶反饋。利用全自動(dòng)的技術(shù)可以在許多領(lǐng)域讓房屋所有人、建筑管理人和商業(yè)操作員來(lái)根據(jù)電價(jià)自動(dòng)調(diào)整需求。這種自動(dòng)終端用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)與響應(yīng)的潛力已經(jīng)在多種情況下被證明。比如，在美國(guó)加州，當(dāng)電價(jià)超過(guò)一定程度時(shí)，許多供電商與工廠合作來(lái)配置能源管理系統(tǒng)以減小各種負(fù)荷(包括照明、電梯、加熱、通風(fēng)和制冷)。

智能電網(wǎng)和智能儀表項(xiàng)目在自動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)和能效方面提供了最優(yōu)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。把這些成功方法從工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到居民領(lǐng)域，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究，如:用戶反饋和自動(dòng)化計(jì)數(shù)的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)問(wèn)題;ICT選項(xiàng)對(duì)自動(dòng)DR的影響;不同用戶類型對(duì)自動(dòng)DR設(shè)計(jì)的最優(yōu)要求［11］等問(wèn)題。

3 智能電網(wǎng)中負(fù)荷響應(yīng)的一個(gè)新模式

隨著實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)(尤其是先進(jìn)的電表測(cè)量和信息通信技術(shù))的成熟，這里基于文獻(xiàn)［12］提出一個(gè)基于激勵(lì)機(jī)制的DR協(xié)議設(shè)計(jì)方案，該方案利用自動(dòng)調(diào)溫器控制的負(fù)荷(thermostatically-controlled load，TCL)來(lái)吸收可再生能源發(fā)電中的間斷性。典型的TCL包括商業(yè)制冷和空調(diào)負(fù)荷。

圖2 TCL協(xié)議設(shè)計(jì)

負(fù)荷服務(wù)商(load serving entity，LSE)設(shè)計(jì)協(xié)議，為終端用戶提供激勵(lì)機(jī)制并鼓勵(lì)用戶參與。這個(gè)協(xié)議提供了不同層次的設(shè)置點(diǎn)調(diào)整極限和潛在的折扣，據(jù)此將用戶分在不同的控制組。用戶閱讀協(xié)議的條款和報(bào)價(jià)，然后決定簽訂哪一種協(xié)議。用戶的決定依賴于自身的效用函數(shù)，所謂效用函數(shù)，是指權(quán)衡舒適度高低和省錢多少的函數(shù)。LSE隨后觀察簽訂各個(gè)合約的人群，跟隨可再生能源的輸出。圖2為該模式的主要框架。

該方案使用預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)的方法來(lái)進(jìn)行最優(yōu)控制，因?yàn)镸PC具有很好的表現(xiàn)和性質(zhì)。它可以處理線性二次型控制中的不等式約束，而且僅僅需要一步的風(fēng)能信號(hào)預(yù)測(cè)。該方案應(yīng)用了一個(gè)博弈論模型來(lái)解決LSE和簽訂調(diào)溫器控制協(xié)議的終端用戶之間的互動(dòng)行為。LSE和用戶可以不斷地尋找針對(duì)對(duì)方的最佳行為，然后使用迭代來(lái)尋找雙方都滿意的平衡狀態(tài)。

這一機(jī)制可以讓LSE控制用戶的TCL，因此顯著地提升了LSE的靈活性。若LSE希望有更多的負(fù)荷被釋放，則僅需要改變協(xié)議中的參數(shù)來(lái)改變控制組的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［12］中的案例分析證實(shí)了TCL在合適的參數(shù)下可以非常準(zhǔn)確地跟蹤給定的風(fēng)能輸出。LSE可以改變協(xié)議參數(shù)來(lái)達(dá)到目標(biāo)，比如最小化最大跟蹤誤差，或?qū)嵭袇f(xié)議的總費(fèi)用等。TCL協(xié)議設(shè)計(jì)作為一種新的DR模式，是一個(gè)靈活有效的方法，可以幫助LSE減少可再生能源的多變性和間斷性。這一新模式可以被電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方用于匹配可再生能源，從而使可再生能源安全并網(wǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)論

智能化的電網(wǎng)能夠支持更大規(guī)模的和更豐富靈活的DR機(jī)制。在電力系統(tǒng)中，DR所扮演的角色正在由最初的調(diào)峰工具轉(zhuǎn)變成為具有更為多元化功能的角色。提出了一種專門匹配可再生發(fā)電資源(如風(fēng)力發(fā)電廠)的DR機(jī)制，可以使負(fù)荷良好地實(shí)時(shí)匹配風(fēng)電發(fā)電量變化，從而為大規(guī)模風(fēng)電安全并網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。創(chuàng)新的多元化DR機(jī)制可以幫助智能電網(wǎng)充分實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益最大化。

［1］DOE(U.S.Department of Energy)，Smart Grid System Report［R］，2009.

［2］Ipakchi A.，Albuyeh F.Grid of the Future［J］.IEEE Power and Energy Mag.，2009(9):52-62.

［3］NETL(National Energy Technology Laboratory)，Understanding the Benefits of Smart Grids［R］.Pittsburgh，2010.

［4］Lightner E.M.，Widergren S.E.An Orderly Transition to a Transformed Electricity System［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(1):3-10.

［5］Rahimi F.，Ipakchi A.Demand Response as a Market Resource Under the Smart Grid Paradigm［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(1):82-88.

［6］Parvania M.，F(xiàn)otuhi-Firuzabad M.Demand Response Scheduling by Stochastic SCUC［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(1):89-98.

［7］Yunfei Wang，Pordanjani，I.R.，Xu，W.An Event-Driven Demand Response Scheme for Power System Security Enhancement［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(1):23-29.

［8］Saele H.，Grande O.S.Demand Response From Household Customers:Experiences From a Pilot Study in Norway［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(1):102-109.

［9］Le-Ren Chang-Chien，Luu Ngoc An，Ta-Wei Lin，et al.Incorporating Demand Response With Spinning Reserve to Realize an Adaptive Frequency Restoration Plan for System Contingencies［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1145-1153.

［10］Samadi P.，Mohsenian-Rad H.，Schober R.，et al.Advanced Demand Side Management for the Future Smart Grid Using Mechanism Design［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1170-1180.

［11］Logenthiran T.，Srinivasan D.，Tan Zong Shun.Demand Side Management in Smart Grid Using Heuristic Optimization［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1244-1252.

［12］Xu Li.，Deng S.J.An Incentive-based Demand Response Contract Design for Themostatically Controlled Loads［D］.Working Paper，Georgia Institute of Technology，2012.