丁繼為，王 磊，劉順桂，孫 杰

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210018；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

商務(wù)樓宇負(fù)荷因?yàn)槠湄?fù)荷結(jié)構(gòu)的類似性以及良好的可控性，使其成為重要的需求響應(yīng)資源。在美國商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)已然成為研究的熱點(diǎn)，并且多個(gè)地區(qū)已經(jīng)建立商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的試點(diǎn)工程。

1 實(shí)施方法與機(jī)制

紐約ISO發(fā)布的基于市場的日前分區(qū)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)，（DA-LBMP），輔助服務(wù)成本，由于系統(tǒng)網(wǎng)損帶來的傳輸調(diào)整費(fèi)用（transmission adjustment charges）。MHP的定價(jià)如表1所示。

紐約的大部分電力用戶是通過削減服務(wù)供應(yīng)商參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的。負(fù)荷削減供應(yīng)商可以管理需求側(cè)資源整合負(fù)荷削減計(jì)劃已達(dá)到最大的需求響應(yīng)補(bǔ)償?shù)哪康?，幫助用戶評(píng)估自身需求響應(yīng)潛力并改進(jìn)負(fù)荷削減策略。與削減服務(wù)供應(yīng)商簽訂合同意味著用戶必須達(dá)到合同要求的最低的負(fù)荷削減要求，同時(shí)用戶將會(huì)獲得相應(yīng)的補(bǔ)償。

電價(jià)機(jī)制方面，紐約采用動(dòng)態(tài)電價(jià)。動(dòng)態(tài)電價(jià)是用來引入基于電價(jià)響應(yīng)的負(fù)荷，通過負(fù)荷高峰時(shí)段的高電價(jià)和負(fù)荷低谷時(shí)段的低電價(jià)，可以對(duì)系統(tǒng)的負(fù)荷需求進(jìn)行整形。太平洋油氣與電力（PG&E）尖峰電價(jià)和南加州愛迪生（SCE）實(shí)時(shí)電價(jià)都是動(dòng)態(tài)電價(jià)的實(shí)例。2005年開始，紐約州公共服務(wù)委員會(huì)要求這些機(jī)構(gòu)向負(fù)荷大于500 kW的非居民用戶提供日前小時(shí)電價(jià)作為默認(rèn)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，這種收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)被稱為MHP（mandatory hourly price）。MHP也是一種動(dòng)態(tài)電價(jià)機(jī)制，MHP定價(jià)依據(jù)主要有3個(gè)方面：

表1 MHP電價(jià)表

PJM的同步備用市場分為2級(jí)，第一級(jí)備用資源是那些在額定容量以下機(jī)組經(jīng)濟(jì)調(diào)度而預(yù)留的，這部分備用不會(huì)對(duì)其容量進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)椴⒉淮嬖跈C(jī)會(huì)成本，然而，它們會(huì)在備用事件發(fā)生時(shí)由于供應(yīng)同步備用而獲得一部分獎(jiǎng)勵(lì)。第二級(jí)備用資源是為了從次級(jí)層面為提供系統(tǒng)充足的備用而被調(diào)度的資源。這些備用資源確實(shí)存在因?yàn)樘峁┠茉炊兴鶕p失的可能因而會(huì)被支付一定的容量補(bǔ)償，補(bǔ)償值為所有資源的最大機(jī)會(huì)成本補(bǔ)償值，也被稱為市場出清價(jià)格（MCP）。第二級(jí)備用資源只在第一級(jí)備用資源容量不足以滿足備用要求并且第二級(jí)備用資源在每小時(shí)為單位的實(shí)時(shí)市場中全部出清才會(huì)被調(diào)用。

2 通信架構(gòu)

針對(duì)商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的架構(gòu)，目前主流的是基于OpenADR的通信架構(gòu)，該架構(gòu)主要理念是集中控制原則，即中心控制器通過能量信息路徑負(fù)責(zé)控制各個(gè)樓層的負(fù)荷，各個(gè)樓層負(fù)荷再根據(jù)OpenADR信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。目前在美國這種基于OpenADR架構(gòu)的需求響應(yīng)架構(gòu)已經(jīng)普遍用于商務(wù)樓宇用戶參與需求響應(yīng)的場景中。OpenADR是一種公共機(jī)構(gòu)或運(yùn)營商與電力用戶之間發(fā)送/接收需求響應(yīng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)模型，該模型主要基于客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，在該架構(gòu)中需求響應(yīng)信號(hào)通過客戶端發(fā)送到各個(gè)樓宇或工業(yè)用戶，用戶自動(dòng)根據(jù)特定需求響應(yīng)信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。

為了使定價(jià)和需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，紐約采用的方法就是OpenADR通信架構(gòu)，主要核心技術(shù)有：OpenADR服務(wù)器，用于接收系統(tǒng)可靠性信息以及電價(jià)信息；設(shè)備側(cè)的OpenADR客戶端，用于接收系統(tǒng)可靠性信息和電價(jià)信息；樓宇管理系統(tǒng)（BMS），用于管理和激活控制策略。紐約大用戶示范工程采用OpenADR 1.0版本，其通信架構(gòu)示意圖如圖1所示。日前小時(shí)電價(jià)可以從紐約ISO網(wǎng)站獲得，需求響應(yīng)事件通知從用戶削減服務(wù)供應(yīng)商（CSP）獲得。根據(jù)電價(jià)以及系統(tǒng)可靠性信息，可以得到針對(duì)次日每個(gè)時(shí)段的運(yùn)行方式。這些信息經(jīng)過處理OpenADR服務(wù)器將會(huì)把24 h電價(jià)和相應(yīng)的運(yùn)行方式發(fā)給各設(shè)備以激活預(yù)先編譯好的次日控制策略。同時(shí)OpenADR服務(wù)器會(huì)記錄樓宇15 min的表計(jì)信息并且監(jiān)測整日的電力負(fù)荷需求。所有信息交互過程都通過128 bit的SSL加密的安全網(wǎng)絡(luò)連接完成。所有設(shè)備都可以在任何時(shí)候通過聯(lián)網(wǎng)的OpenADR客戶端口選擇退出自動(dòng)需求響應(yīng)計(jì)劃。選擇退出計(jì)劃是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行需要事先計(jì)劃好的某個(gè)特殊時(shí)段，時(shí)段可以是幾個(gè)小時(shí)也可以是幾天。

圖1 紐約示范工程OpenADR通信架構(gòu)

為了保證需求響應(yīng)電價(jià)信息和需求響應(yīng)事件相關(guān)信息的開放性，并且為了減少自動(dòng)交易成本，加州提供一個(gè)協(xié)同的不受限于特定供應(yīng)商的平臺(tái)，采用OpenADR信息交互模型。首先需求響應(yīng)信號(hào)由自動(dòng)需求響應(yīng)服務(wù)器（DRAS）發(fā)布到因特網(wǎng)，所有試驗(yàn)點(diǎn)都會(huì)持續(xù)地通過客戶端監(jiān)測服務(wù)器所發(fā)布的需求側(cè)事件。一旦接收到需求響應(yīng)事件的信號(hào)時(shí)，試點(diǎn)的終端會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖2所示的針對(duì)特定試點(diǎn)的預(yù)編譯的信息形式。

圖2 加州示范工程系統(tǒng)通信架構(gòu)

3 需求響應(yīng)技術(shù)

商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)，依托于控制協(xié)調(diào)技術(shù)、信息技術(shù)和智能計(jì)量技術(shù)，根本上實(shí)現(xiàn)商務(wù)樓宇實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的是針對(duì)樓宇內(nèi)用電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，通常商務(wù)樓宇內(nèi)具有較大需求響應(yīng)潛力的設(shè)備為中央空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，因此商務(wù)樓宇的需求響應(yīng)技術(shù)通常是指中央空調(diào)需求響應(yīng)技術(shù)和照明設(shè)備需求響應(yīng)技術(shù)。

3.1 樓宇照明系統(tǒng)參與需求響應(yīng)

當(dāng)電力系統(tǒng)的電力負(fù)荷緊缺時(shí)，系統(tǒng)可能僅僅需要少數(shù)時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷削減，在當(dāng)前商業(yè)負(fù)荷占比日益上升的背景下，作為商業(yè)樓宇負(fù)荷重要組成部分的照明設(shè)備成為重要的樓宇需求響應(yīng)資源。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)表明，在商務(wù)樓宇負(fù)荷中有接近百分之35%的電力負(fù)荷為照明設(shè)備。若樓宇內(nèi)部未安裝照明設(shè)備亮度調(diào)節(jié)控制器，那么通常照明設(shè)備的需求響應(yīng)方式局限于關(guān)閉部分照明設(shè)備這一方式。關(guān)閉部分照明設(shè)備是較為直接便捷的照明設(shè)備參與需求響應(yīng)的手段，因此文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]分別提出了基于照明設(shè)備亮度調(diào)節(jié)的需求響應(yīng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]中首先研究了各點(diǎn)的照度與其所處位置的照明設(shè)備功率、照明設(shè)備的安裝點(diǎn)位置以及日光照度的關(guān)系，其表達(dá)式如式（1）所示式中：fA表示A點(diǎn)的綜合照度，Pi表示第i個(gè)照明設(shè)備功率，αi為A點(diǎn)的綜合照度與第i個(gè)照明設(shè)備功率的關(guān)系因數(shù)；ω為A點(diǎn)的位置信息，βA為A點(diǎn)的綜合照度與A點(diǎn)的位置信息之間的關(guān)系因數(shù)；λA為A點(diǎn)的自然光照度。

基于式（1），該文解決了考慮用戶照度需求的照明設(shè)備最大負(fù)荷削減量以及為了達(dá)到削減量ΔP，滿足用戶最低照度需求的照明亮度調(diào)節(jié)優(yōu)化方法。

文獻(xiàn)[8]中所提出的照明設(shè)備亮度調(diào)節(jié)需求響應(yīng)方法與上述方法類似，也是考慮滿足用戶一定的照度需求的照明設(shè)備燈光亮度調(diào)節(jié)的優(yōu)化，但是在文獻(xiàn)[8]的優(yōu)化模型中，采用各點(diǎn)照度變化率波動(dòng)最小作為優(yōu)化目標(biāo)，其表達(dá)式如式（2）所示

式中：xk表示k點(diǎn)的綜合照度變化比例，即即平均照度變化率。

3.2 中央空調(diào)參與需求響應(yīng)

中央空調(diào)是一類重要的溫控負(fù)荷（TCL），通過適當(dāng)?shù)目刂剖侄我约氨匾耐ㄐ偶夹g(shù)，中央空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減，從而使得中央空調(diào)成為商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的另一個(gè)重要的負(fù)荷資源。

大型的中央空調(diào)控制系統(tǒng)是十分復(fù)雜的，因而其控制措施主要包括以下幾個(gè)方面：冷凍水循環(huán)系統(tǒng)控制，空調(diào)空氣循環(huán)系統(tǒng)控制，變風(fēng)量運(yùn)行，余熱再利用，風(fēng)道靜壓重設(shè)以及送風(fēng)溫度重設(shè)。上述控制方式之間是具有一定耦合關(guān)系的，且中央空調(diào)系統(tǒng)受通信系統(tǒng)以及外界環(huán)境的影響，因而造成了中央空調(diào)系統(tǒng)參與需求響應(yīng)的控制策略的復(fù)雜性。為了規(guī)避中央空調(diào)需求響應(yīng)控制策略過于復(fù)雜，可以采用全局自動(dòng)調(diào)溫設(shè)備（GTR），通過自動(dòng)調(diào)溫設(shè)備，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求響應(yīng)信號(hào)自動(dòng)重設(shè)室內(nèi)溫度設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的自動(dòng)需求響應(yīng)。這里的需求響應(yīng)信號(hào)可以是電價(jià)信息也可以激勵(lì)信號(hào)等。通過通信系統(tǒng)運(yùn)行商將需求響應(yīng)信號(hào)發(fā)送到各個(gè)樓宇的樓宇管理系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，向全局自動(dòng)調(diào)溫裝置發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)整體整體的負(fù)荷改變。從實(shí)用性角度來看，這種基于自動(dòng)調(diào)溫設(shè)備的中央空調(diào)需求響應(yīng)策略簡單可靠，響應(yīng)速度較快，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

文獻(xiàn)[11]則提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的中央空調(diào)控制模型，通過歷史數(shù)據(jù)以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立了風(fēng)機(jī)模型以及樓宇的熱力學(xué)模型，其模型如式（3）—式（6）所示。

風(fēng)機(jī)的功率模型為

式中：Pfan(t)表示t時(shí)刻單個(gè)風(fēng)機(jī)的功率，c1為常數(shù)，v(t)為送風(fēng)速率。

根據(jù)送風(fēng)流速，即可得到送風(fēng)流量的表達(dá)式，如式（4）所示

式中：m(t)表示單個(gè)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)流量，c2為常數(shù)。

在實(shí)際中，送風(fēng)機(jī)通常采用變頻調(diào)速裝置，且采用閉環(huán)控制，其送風(fēng)速率方程可以表示為如式（5）所示

式中：τ1為時(shí)間常數(shù)，u(t)為風(fēng)機(jī)變頻控制器控制目標(biāo)速率。

對(duì)于變風(fēng)量系統(tǒng)的中央空調(diào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)得到當(dāng)前所需送風(fēng)流量進(jìn)而得到送風(fēng)速率，風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)則跟蹤所需送風(fēng)速率，因此可以建立如式（6）所示方程

式中：τ2為時(shí)間常數(shù)，vd(t)即實(shí)時(shí)跟蹤的t時(shí)刻單個(gè)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)速率，md(t)即t時(shí)刻所需要的送風(fēng)流量。

根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的熱力學(xué)方程，可以建立室內(nèi)所需送風(fēng)流量與設(shè)定溫度之間的關(guān)系，因此可以通過改變室內(nèi)設(shè)定溫度值實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，而根據(jù)模型可知風(fēng)機(jī)功率是正比于轉(zhuǎn)速的立方的，因此中央空調(diào)系統(tǒng)即可根據(jù)上述模型通過改變室內(nèi)設(shè)定溫度值實(shí)現(xiàn)送風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)。

4 運(yùn)行效果

從實(shí)際運(yùn)行效果來看，商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的主要效果可以分為3個(gè)方面，分別是參與系統(tǒng)調(diào)頻、提供備用以及參與系統(tǒng)調(diào)峰。

4.1 參與調(diào)頻

商務(wù)樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)通過對(duì)室內(nèi)風(fēng)機(jī)的變頻控制實(shí)現(xiàn)參與系統(tǒng)調(diào)頻。文獻(xiàn)[12]則在佛羅里達(dá)大學(xué)某一商務(wù)樓建立了參與調(diào)頻的試點(diǎn)，在該試點(diǎn)樓宇內(nèi)部將裝設(shè)風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)器、變風(fēng)量控制器、制冷單元控制器等控制設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，通過裝設(shè)輔助服務(wù)控制器，建立中央空調(diào)參與調(diào)頻服務(wù)的閉關(guān)控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[13]則從仿真模型的角度建立了商務(wù)樓宇中央空調(diào)參與調(diào)頻服務(wù)的仿真模型，其主要依據(jù)也是空調(diào)風(fēng)機(jī)的功率模型以及室內(nèi)熱力學(xué)方程。仿真結(jié)果均表明中央空調(diào)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻，其風(fēng)機(jī)功率偏差與調(diào)頻信號(hào)趨于一致，調(diào)頻效果良好，滿足輔助服務(wù)市場的調(diào)頻需求。在實(shí)際中，以PJM市場為例，已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)采取樓宇調(diào)頻的試點(diǎn)，根據(jù)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的一些相關(guān)項(xiàng)目報(bào)告顯示，樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)參與調(diào)頻對(duì)調(diào)頻信號(hào)的響應(yīng)情況十分良好，最大誤差不超過10%，可以作為調(diào)頻資源參與輔助服務(wù)。

4.2 提供備用

非旋轉(zhuǎn)備用是指系統(tǒng)額外的發(fā)電容量，但正常時(shí)段這部分容量是不需要接入電力系統(tǒng)的，但當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，在允許的延時(shí)范圍內(nèi)，這部分發(fā)電容量必須能夠接入電網(wǎng)。文獻(xiàn)[14]表明在實(shí)時(shí)市場中，需求響應(yīng)資源可以作為一種可調(diào)度資源為系統(tǒng)等效地提供非旋轉(zhuǎn)備用。商務(wù)樓宇除了可以通過風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻服務(wù)，還可以基于自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)，依靠中央空調(diào)以及照明設(shè)備的快速需求響應(yīng)為系統(tǒng)提供分旋轉(zhuǎn)備用。通過實(shí)際研究樓宇參與需求響應(yīng)最快響應(yīng)速度達(dá)到10 min以內(nèi)。首先基于加州樓宇參與需求響應(yīng)的通信架構(gòu)自動(dòng)需求響應(yīng)服務(wù)器會(huì)將需求響應(yīng)預(yù)案發(fā)布到自動(dòng)需求響應(yīng)服務(wù)器，服務(wù)器提前一天或提前2 h將樓宇需求響應(yīng)預(yù)案發(fā)送到各個(gè)樓宇管理系統(tǒng)，各個(gè)樓宇將會(huì)根據(jù)預(yù)案在相應(yīng)時(shí)段為系統(tǒng)提供非旋轉(zhuǎn)備用。當(dāng)需求響應(yīng)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)電價(jià)信息發(fā)布，電價(jià)信息會(huì)分為3個(gè)等級(jí)，分別為正常、中等和高。若樓宇接收到正常電價(jià)不需要進(jìn)行負(fù)荷削減，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)預(yù)測表明沒有發(fā)電資源緊缺的情況，用戶僅僅提供非旋轉(zhuǎn)備用即可，其余設(shè)備正常用電；若樓宇接收到中等電價(jià)信息，說明系統(tǒng)負(fù)荷偏大，電力資源出現(xiàn)緊缺，樓宇可以通過一些慢速的響應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)一定的負(fù)荷削減，緩解系統(tǒng)壓力；若樓宇接收到高電價(jià)，說明系統(tǒng)處于緊急情況，可靠性收到了威脅，樓宇必須通過快速的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減。

5 對(duì)國內(nèi)商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的啟發(fā)

根據(jù)上述對(duì)美國商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的研究，可以總結(jié)對(duì)中國商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的諸多建設(shè)性建議和啟發(fā)。首先，商務(wù)樓宇參與求響應(yīng)必須建立一套需求響應(yīng)市場機(jī)制，只有合理的市場機(jī)制才能促成商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)。通信技術(shù)是另一個(gè)必須的技術(shù)，只有發(fā)展電網(wǎng)—用戶雙向互動(dòng)技術(shù)，建立健全完善的自動(dòng)需求響應(yīng)通信架構(gòu)，才能使得商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)，其控制策略主要包括空調(diào)的自動(dòng)控制以及照明設(shè)備的優(yōu)化組合控制，這都依賴于智能控制終端的應(yīng)用和推廣。

因此，建立健全市場機(jī)制，發(fā)展和構(gòu)建雙向互動(dòng)通信技術(shù)以及推廣智能控制終端將成為下階段我國發(fā)展商務(wù)樓宇參與需求響應(yīng)的重要工作。

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