王澎，張逸超，代桃桃，王連成

（1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061；3.山東海興電力科技有限公司，濟(jì)南250101）

開放式自動(dòng)需求響應(yīng)規(guī)范研究

王澎1，張逸超2，代桃桃3，王連成3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061；3.山東海興電力科技有限公司，濟(jì)南250101）

近年來，我國大力推進(jìn)可再生能源的發(fā)展，由于可再生能源出力具有間歇性和不確定性的特點(diǎn)，如何促進(jìn)可再生能源消納是目前面臨的一大難題。需求響應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地促進(jìn)清潔能源的消納，然而我國目前還沒有與之相關(guān)的正式標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。開放式自動(dòng)需求響應(yīng)（Open Automated Demand Response，OpenADR）規(guī)范作為美國智能電網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)的基本組成部分、DR領(lǐng)域最新的研究成果之一，提高了需求響應(yīng)的可靠性、穩(wěn)定性和高效性。介紹了OpenADR的發(fā)展歷程、通信規(guī)范、涉及服務(wù)以及安全機(jī)制，證明了OpenADR標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性。對于我國DR標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒意義。

開放式自動(dòng)需求響應(yīng)；需求響應(yīng)；智能電網(wǎng)

0 引言

清潔和互動(dòng)是智能電網(wǎng)的兩大主要特征。近年來，由于化石燃料的短缺和自然環(huán)境的惡化，世界各國都在大力發(fā)展清潔能源，我國也制定了一系列新能源政策推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。截至2015年，我國的風(fēng)電、光伏裝機(jī)和發(fā)電容量位居世界第一位。然而，由于可再生能源出力具有間歇性、波動(dòng)性和不確定性的特點(diǎn)，給電網(wǎng)的發(fā)電預(yù)測和調(diào)度帶來了一定困難，如何促進(jìn)可再生能源的消納是目前面臨的一個(gè)問題［1］。

需求響應(yīng)（DR）是智能電網(wǎng)框架下的重要互動(dòng)資源，通過利用公共事業(yè)公司、獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（ISO）和第三方服務(wù)提供商，將當(dāng)前用電信息傳遞到用戶側(cè)，用戶根據(jù)自身情況改變用電行為，用以緩解用電高峰電能不足，保證電力供需平衡的服務(wù)。需求響應(yīng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中已經(jīng)使用多年，通常通過電話、郵件、短信等方式通知電力客戶，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷。近年來，由于大量間歇性可再生能源和分布式電源接入電網(wǎng)，使響應(yīng)事件完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需要人工干預(yù)的自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)（ADR）受到大量關(guān)注。很多發(fā)達(dá)國家從能源戰(zhàn)略高度考慮，已將需求側(cè)資源置于與發(fā)電側(cè)資源同等甚至優(yōu)先的地位［2］。

作為美國智能電網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)的基本組成部分，開放的自動(dòng)需求響應(yīng)通信規(guī)范（OpenADR）是自動(dòng)需求響應(yīng)領(lǐng)域的最新研究成果之一，旨在自動(dòng)操作電力客戶的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制和轉(zhuǎn)移。OpenADR還可提供連續(xù)的動(dòng)態(tài)價(jià)格信號(hào)，如以天數(shù)或小時(shí)為單位的實(shí)時(shí)電價(jià)，依據(jù)DR信號(hào)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的交互，使響應(yīng)事件完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著DR業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，OpenADR標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新與完善。標(biāo)準(zhǔn)化是支持智能電網(wǎng)發(fā)展、規(guī)范智能電網(wǎng)建設(shè)的根本，需求響應(yīng)相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施也要遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［3］。目前我國還沒有制定正式的需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因此，OpenADR對于我國DR標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒意義。

1 OpenADR發(fā)展歷程

2000年，美國加州的電力系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的電力短缺問題，旋轉(zhuǎn)備用中斷。問題的出現(xiàn)歸結(jié)于對負(fù)荷預(yù)測的估計(jì)不足。當(dāng)時(shí)，只有大工業(yè)客戶的電力需求是可以被控制的，大多數(shù)的商業(yè)和住宅用戶的用電都不可控，無法通過調(diào)節(jié)來降低在用電高峰時(shí)的負(fù)荷。

2003年加州能源委員會(huì)在勞倫斯伯利克里實(shí)驗(yàn)室建立了需求響應(yīng)中心（DRRC），開展對相關(guān)領(lǐng)域的測試。經(jīng)過不斷試點(diǎn)和試驗(yàn)，2009年4月OpenADR1.0版本發(fā)布，2012年，OpenADR聯(lián)盟在OASIS能源互操作標(biāo)準(zhǔn)EI1.0規(guī)范的基礎(chǔ)上形成了作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)之一的OpenADR2.0版本。OpenADR2.0版本相對于OpenADR1.0版本増加了針對零售和批發(fā)市場的DR價(jià)格以及事件信號(hào)的數(shù)據(jù)模型，相關(guān)產(chǎn)品只要滿足OpenADR2.0的相關(guān)協(xié)議，就能夠?qū)崿F(xiàn)與需求響應(yīng)服務(wù)器的通信，真正實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的自動(dòng)化。OpenADR發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 OpenADR發(fā)展歷程

圖2 OpenADR運(yùn)行機(jī)制

2 OpenADR通信規(guī)范

OpenADR是一種基于開放標(biāo)準(zhǔn)的通信數(shù)據(jù)模型，包括信息傳輸與安全機(jī)制，依靠現(xiàn)有的通信協(xié)議（HTTP、XMMP）使用XML方式實(shí)現(xiàn)電力服務(wù)提供商與終端用戶之間的信息交互，完成電力服務(wù)供應(yīng)商與終端用戶間的信息加密、傳輸和解密過程。

2.1 OpenADR數(shù)據(jù)模型

OpenADR的節(jié)點(diǎn)可以分為VTN（Virtual Top Nodes）和VEN（Virtual End Nodes）兩種類型。

VTN是負(fù)責(zé)傳輸電網(wǎng)條件到控制需求側(cè)的實(shí)體，能夠和電網(wǎng)以及下級(jí)的VEN進(jìn)行通信。VEN是能響應(yīng)上級(jí)VTN消息并能控制電力能源需求的實(shí)體，能夠接收并傳遞電網(wǎng)信息。OpenADR2.0中不存在對等的通信，所有的通信活動(dòng)都是在VTN和VEN之間進(jìn)行的，VTN和VEN之間沒有直接的互動(dòng)與聯(lián)系。

OpenADR2.0有簡易和復(fù)雜兩種運(yùn)行模式。在簡易模式中，只有一個(gè)VTN對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)VEN。VTN是發(fā)布消息的服務(wù)器，如電力供應(yīng)商；VEN是訂購此類信息的用戶端，如終端用戶。

在復(fù)雜模式中，會(huì)有多個(gè)VTN和多個(gè)VEN，一個(gè)實(shí)體可以兼具上一級(jí)的VEN和下一級(jí)的VTN兩種身份。VEN既可以是能源的生產(chǎn)者，也可以是能源消費(fèi)者，如圖3中B所示，具體一個(gè)實(shí)體在系統(tǒng)中承擔(dān)何種身份是由其所處位置決定的。VTN和VEN對于時(shí)間、屬性、狀態(tài)等信息的雙向交換是相互獨(dú)立的，OpenADR聯(lián)盟沒有規(guī)定節(jié)點(diǎn)如何對信息做出響應(yīng)，系統(tǒng)可以自行選擇合適的方式發(fā)送和接收信息。OpenADR中的節(jié)點(diǎn)可以被單獨(dú)的評估和測試，從而保證了OpenADR的通信框架規(guī)范和系統(tǒng)的互操作性。

圖3 VTN和VEN的信息交互

2.2 OpenADR通信架構(gòu)

OpenADR的通信架構(gòu)如圖4所示，DARS（Demand Response Automation Serve）是其架構(gòu)的核心。電力公司或ISO發(fā)出電量的供需信息，通過電網(wǎng)側(cè)接口傳輸至DRAS，由DRAS內(nèi)的通用信息模塊（CIM）建立DR激勵(lì)信息，轉(zhuǎn)換成DR事件傳輸至用戶側(cè)接口，終端用戶接收信息并進(jìn)行識(shí)別、判斷，最終做出預(yù)設(shè)的自動(dòng)響應(yīng)或臨時(shí)放棄響應(yīng)行為，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的自動(dòng)化。同樣，終端用戶也可以將電力需求信息反饋至DRAS，DRAS通過電網(wǎng)側(cè)接口將信息傳輸至電力公司，方便其進(jìn)行電力調(diào)度。OpenADR的通信架構(gòu)確定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及需要包括的實(shí)體，為DR信息的高效傳輸創(chuàng)造了條件。

圖4 OpenADR通信架構(gòu)

2.3 OpenADR通信特征

持續(xù)、安全、可靠。提供持續(xù)、安全、可靠的雙向通信架構(gòu)，位于終端的用戶能夠從能源服務(wù)提供商處接收并確認(rèn)需求響應(yīng)信號(hào)。

轉(zhuǎn)換。將需求響應(yīng)事件信息轉(zhuǎn)換為持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)促進(jìn)需求響應(yīng)的自動(dòng)化。這些信號(hào)被設(shè)計(jì)于實(shí)現(xiàn)能源管理控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)或其他終端控制的互操作。

自動(dòng)化。終端用戶通過接收外部信號(hào)，通過使用預(yù)先設(shè)定的需求響應(yīng)策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

自愿退出。當(dāng)需求響應(yīng)事件的觸發(fā)時(shí)間不能夠被需求響應(yīng)的參與者所接受時(shí)，可以對其提供自愿退出和重置功能。

完整的數(shù)據(jù)模型。描述一個(gè)完整的數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)用以傳遞價(jià)格、可靠性與其他DR激勵(lì)信號(hào)。

可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。針對不同形式的DR項(xiàng)目、終端樓宇和動(dòng)態(tài)電價(jià)，提供了可擴(kuò)展的通信體系結(jié)構(gòu)。

開放標(biāo)準(zhǔn)?；陂_放標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)構(gòu)成了通信模型的基礎(chǔ)［4-7］。

3 基于OASIS EI1.0標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的OpenADR2.0服務(wù)

OpenADR聯(lián)盟在OASIS能源互操作標(biāo)準(zhǔn)EI1.0的基礎(chǔ)之上創(chuàng)建了OpenADR2.0的配置文件，擴(kuò)展了OpenADR在DR領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足了DR用戶和市場的需求，涉及的服務(wù)包括［7］：注冊，對競標(biāo)方、VTN、VEN等參與者信息進(jìn)行注冊服務(wù)以識(shí)別身份；登記，為參與者之間建立相互關(guān)聯(lián)的服務(wù)以便進(jìn)行信息交互；市場環(huán)境，從市場中獲取消息的服務(wù)，將不需要改變或者極少改變的信息保存下來，有利于減少冗余信息的交互；事件，與DR相關(guān)的信息模型，用于在交易中傳遞可靠性信息或緊急信息；實(shí)時(shí)電價(jià)，實(shí)時(shí)電價(jià)服務(wù)，用于發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)信息；報(bào)告和反饋，設(shè)置不同周期遠(yuǎn)程采集設(shè)備的當(dāng)前的各種信息狀態(tài)，并對今后一段時(shí)間的工作狀態(tài)做出預(yù)測；可用性，可用性服務(wù)，由VEN選擇在哪些時(shí)間段接受和響應(yīng)事件，在哪些時(shí)間段退出響應(yīng)；選擇或重置，用于VEN臨時(shí)改變自身的可用性計(jì)劃，opt-in表示VEN可用，opt-out表示VEN臨時(shí)不可用。

4 OpenADR安全機(jī)制

OpenADR的安全機(jī)制體現(xiàn)在信息的傳輸環(huán)節(jié)和加密環(huán)節(jié)。在規(guī)定的安全機(jī)制下，VTN和VEN實(shí)現(xiàn)對DR信息的交互，從而保證了DR信息的安全可靠。

HTTP協(xié)議工作在TCP協(xié)議下，是一種可靠性較高、面向連接的傳輸協(xié)議。信息的傳輸環(huán)節(jié)，VTN和VEN必須支持最基本的HTTP傳輸機(jī)制，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況和需要，對于XMPP等傳輸機(jī)制選擇性支持。對于頂層的VTN，需要支持所有的傳輸機(jī)制。

OpenADR2.0提供了標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和高等級(jí)兩個(gè)級(jí)別的安全定義。在標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的安全級(jí)別下，使用TLS在VTN與VEN之間建立安全通道進(jìn)行通信。在高安全等級(jí)下，要另外使用XML簽名，簽署的OpenADR事件會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中以備查驗(yàn)。

OpenADR2.0的安全機(jī)制采用開放式的體系結(jié)構(gòu)，并沒有采用特殊的專有的安全機(jī)制。加密環(huán)節(jié)主要使用RSA和ECC兩種公鑰加密算法。RSA算法使用更為廣泛，有更多的證書提供商從而更容易選擇一個(gè)最佳匹配；相較于RSA加密算法，ECC提供了更為高效的加密操作，如數(shù)字簽名。同樣的加密強(qiáng)度下，ECC密鑰的長度更短，因而更加高效。為了保證安全性和良好的互操作性，OpenADR2.0要求其產(chǎn)品要同時(shí)支持上述兩種算法，VTN必須同時(shí)支持官方授權(quán)的RSA和ECC證書，VEN可以選擇使用其中的一個(gè)或多個(gè)證書。

5 OpenADR優(yōu)越性

OpenADR作為DR領(lǐng)域最新的研究成果之一，為DR的發(fā)展指明了方向。如今，各國政府和公共事業(yè)部門都旨在應(yīng)用OpenADR管理不斷增長的電力需求和電力系統(tǒng)峰值容量。這種低成本的通訊基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提高了DR的可靠性、穩(wěn)定性和高效性。

開放的規(guī)范。采用開放的數(shù)據(jù)模型，提供標(biāo)準(zhǔn)化的DR通信以及信號(hào)傳輸模型，實(shí)現(xiàn)對于動(dòng)態(tài)電價(jià)、可靠性信息、DR突發(fā)事件的傳遞。

靈活性。為端到端技術(shù)提供了開放的通信接口與協(xié)議，靈活性強(qiáng)，互操作性好，開放度高。

創(chuàng)新和互操作性。鼓勵(lì)開放式創(chuàng)新、提高互操作性。允許在設(shè)備端設(shè)置控制，鼓勵(lì)企業(yè)通過技術(shù)和策略去降低運(yùn)營和維護(hù)成本。

易于集成。促進(jìn)能源管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集成（EMCS），使集中照明系統(tǒng)以及其他終端設(shè)備能夠直接接收DR信號(hào)。

遠(yuǎn)程訪問。便于終端用戶根據(jù)自身情況實(shí)時(shí)退出需求響應(yīng)事件或修改控制策略。

6 OpenADR項(xiàng)目實(shí)踐

美國DRRC在制定OpenADR規(guī)范的過程中，也開展了一系列的相關(guān)試驗(yàn)和實(shí)踐，驗(yàn)證OpenADR規(guī)范在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

6.1 太平洋燃?xì)夤拘枨箜憫?yīng)項(xiàng)目

2007年，美國加州電力公司開展了需求響應(yīng)實(shí)踐，旨在利用OpenADR的技術(shù)規(guī)范以及auto-DR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用戶負(fù)荷的自動(dòng)化控制，達(dá)到削減峰荷的目的。該項(xiàng)目參與用戶廣泛且項(xiàng)目實(shí)施高效，用戶事前確定同意符合削減的容量和時(shí)間，auto-DR系統(tǒng)即可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況整合資源實(shí)現(xiàn)尖峰負(fù)荷的削減。通過此項(xiàng)需求響應(yīng)實(shí)踐，加州地區(qū)削減峰荷超過15 MW［8］。

6.2 西雅圖動(dòng)態(tài)電價(jià)項(xiàng)目

2008年，DRRC對西雅圖地區(qū)的部分商業(yè)用戶推廣基于OpenADR規(guī)范的auto-DR系統(tǒng)，用以進(jìn)行削減用電峰荷的試驗(yàn)。OpenADR系統(tǒng)利用自身的通信架構(gòu)發(fā)出DR信號(hào)，auto-DR系統(tǒng)接收到DR信號(hào)做出自動(dòng)響應(yīng)，執(zhí)行最優(yōu)策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，參與項(xiàng)目的商業(yè)用戶峰荷顯著降低14%，特別是照明以及采暖設(shè)備成效顯著，驗(yàn)證了OpenADR現(xiàn)場應(yīng)用的可行性［9］。

6.3 加州地區(qū)DR資源參與電力市場服務(wù)項(xiàng)目

2009年，加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（CAISO）開展了DR資源參與電力市場服務(wù)的實(shí)踐，參與電力市場競價(jià)的DR資源需要滿足作為非旋轉(zhuǎn)備用的要求：響應(yīng)速度快，要求10 min以內(nèi)做出響應(yīng)；持續(xù)時(shí)間長，要求響應(yīng)能夠維持2 h；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，可以提供實(shí)時(shí)的遙測數(shù)據(jù)。這些DR資源通過電網(wǎng)側(cè)接口傳輸至DRAS，連同其他發(fā)電資源共同進(jìn)行優(yōu)化求解，最終做出響應(yīng)。該項(xiàng)試點(diǎn)項(xiàng)目表明DR資源可以通過OpenADR的通信架構(gòu)參與電力市場服務(wù)［10］。

7 結(jié)語

OpenADR作為美國智能電網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)的基本組成部分、DR領(lǐng)域的最新研究成果之一，旨在自動(dòng)響應(yīng)DR事件，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制和轉(zhuǎn)移，促進(jìn)可再生能源的消納。OpenADR經(jīng)過一系列的試點(diǎn)和測試，證明了其在DR領(lǐng)域的有效性和優(yōu)越性。隨著DR業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，OpenADR標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新與完善。文章介紹了OpenADR的發(fā)展歷程、通信規(guī)范、涉及服務(wù)以及安全機(jī)制，對于我國DR標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒意義。

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Research of Open Automated Demand Response Specification

WANG Peng1，ZHANG Yichao2，DAI Taotao3，WANG Liancheng3
（1.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China；2.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Shandong Hising Power Tech Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

In recent years，renewable energy technology has been constantly developing in China.Taking full advantage of renewable energy is a great challenge，because of the intermittent and uncertainty features.The application of the demand-response technology can effectively promote the use of renewable energy，while relative formal standards have not yet issued in China at present.OpenADR which is an essential part of the American national standard for smart grid and one of latest research results on DR field，has effectively improved the reliability，stability and efficiency of the demand-response.The development history，communication specification，service involved and the security principles of OpenADR are introduced in this paper，demonstrating the superiority of OpenADR.It provides important reference for the development of DR standards in China.

OpenADR；demand response；smart grid

TP391

A

1007－9904（2016）12－0029－05

2016-08-04

王澎（1988），男，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面研究工作。