孫智卿，王守相，周 凱，劉天宇

（天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

基于負(fù)荷分解的用戶側(cè)自動需求響應(yīng)系統(tǒng)

孫智卿，王守相，周 凱，劉天宇

（天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

針對用戶側(cè)負(fù)荷如何自動化、智能化地參與需求響應(yīng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于負(fù)荷分解的用戶側(cè)自動需求響應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過負(fù)荷分解算法辨識得到各類設(shè)備的電氣信息，并計(jì)算用戶實(shí)時(shí)的需求響應(yīng)資源，通過感知電網(wǎng)緊急狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動切負(fù)荷的激勵型需求響應(yīng)?？紤]到高滲透率分布式能源接入用戶側(cè)的趨勢，提出以促進(jìn)分布式能源消納為目標(biāo)的日前調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)用戶參與價(jià)格型需求響應(yīng)。最后，實(shí)際測試結(jié)果表明系統(tǒng)部署便捷、易于推廣，可有效實(shí)現(xiàn)用戶不同類型的自動需求響應(yīng)。

需求響應(yīng)；能量管理；負(fù)荷分解；切負(fù)荷；日前調(diào)度

隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對電力需求的增長，電網(wǎng)在面臨著電力供應(yīng)緊張局面的同時(shí)，還存在間歇式可再生能源大量接入的問題，以及系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的巨大壓力。除了從電源側(cè)尋求解決方案之外，更應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)掘用戶側(cè)資源，特別是小容量用戶資源整合。強(qiáng)勁的需求增長、有限的發(fā)電能力、薄弱的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和高滲透率的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電作為主要驅(qū)動力構(gòu)成了在用戶側(cè)實(shí)施需求響應(yīng)的有利條件。需求響應(yīng)通過引導(dǎo)用戶對價(jià)格或者激勵信號做出響應(yīng)，能夠提高用電效率并優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，然而現(xiàn)有技術(shù)條件下，主要依賴于人工操作，因而其響應(yīng)速度較慢，在可靠性、靈活性、效率等方面存在問題[1]。而自動需求響應(yīng)[2]在傳統(tǒng)需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上應(yīng)用智能化終端和自動化技術(shù)，使參與響應(yīng)的用戶通過互動化的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)，接受響應(yīng)信號自動實(shí)施預(yù)設(shè)的需求響應(yīng)策略，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的實(shí)時(shí)化、自動化和智能化。

自動需求響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和推廣的必備條件包括政策和解決方案兩方面。一方面，價(jià)格型和激勵型需求響應(yīng)政策的制定是用戶參與需求側(cè)管理的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)；另一方面，基于智能用電和高級量測技術(shù)的用戶側(cè)自動需求響應(yīng)系統(tǒng)UADRS（user automated demand response system）是讓更多用戶參與其中的有效解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)與智能電網(wǎng)其他環(huán)節(jié)電力信息的實(shí)時(shí)雙向互動，支持智能用電設(shè)備和傳統(tǒng)用電負(fù)荷的集成，智能化地實(shí)現(xiàn)適合不同用戶特點(diǎn)的價(jià)格型和激勵型需求響應(yīng)。目前，國內(nèi)外研究者對于自動需求響應(yīng)的研究集中在系統(tǒng)整體架構(gòu)[3-4]、響應(yīng)機(jī)理建模[5-6]和響應(yīng)效果評估[7]等方面，較少針對用戶側(cè)的實(shí)際系統(tǒng)方案和與之結(jié)合的各類響應(yīng)策略執(zhí)行。

本文針對自動需求響應(yīng)在用戶側(cè)的實(shí)現(xiàn)問題，提出基于負(fù)荷分解的UADRS方案，通過負(fù)荷分解算法，實(shí)現(xiàn)對不同用電設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)資源量，實(shí)現(xiàn)用戶通過智能化切負(fù)荷參與系統(tǒng)緊急控制的激勵型需求響應(yīng)。同時(shí)，針對分布式電源接入問題，系統(tǒng)以促進(jìn)可再生能源消納為目的，生成日前用能調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)價(jià)格型需求響應(yīng)。實(shí)際系統(tǒng)的測試表明，該方案能夠降低用戶參與需求響應(yīng)的成本，簡化參與方式，減小響應(yīng)不確定性，有效實(shí)現(xiàn)不同類型的需求響應(yīng)。

1 UADRS設(shè)計(jì)

1.1 UADRS概述

需求響應(yīng)已經(jīng)在工商業(yè)用戶和居民用戶中有著多種實(shí)際應(yīng)用，不同需求響應(yīng)機(jī)制特點(diǎn)如表1所示?，F(xiàn)階段需求響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠大用戶，而響應(yīng)資源一般有專業(yè)人員操作，因此UADRS主要針對小容量的居民用戶和一般商業(yè)用戶。在響應(yīng)機(jī)制方面，系統(tǒng)的價(jià)格型需求響應(yīng)主要考慮目前國內(nèi)廣泛實(shí)行的分時(shí)電價(jià)；而激勵型需求響應(yīng)，目前主要采用的直接負(fù)荷控制，以及可中斷負(fù)荷機(jī)制需要遠(yuǎn)程通信接收激勵信號，且存在延時(shí)，因而系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上加入對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，當(dāng)電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)情況下實(shí)施智能化切負(fù)荷策略，實(shí)現(xiàn)緊急需求響應(yīng)。

表1 不同需求響應(yīng)機(jī)制特點(diǎn)Tab.1 Feature of different demand response mechanisms

在系統(tǒng)功能方面，UADRS的實(shí)現(xiàn)可以基于現(xiàn)有的用戶能量管理系統(tǒng)。針對居民、商業(yè)、工業(yè)等不同用戶類型，通用電氣、霍尼韋爾、施耐德等傳統(tǒng)企業(yè)都推出了家庭/樓宇/工業(yè)能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)可視化、能效初步分析等功能。而自動需求響應(yīng)需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的功能包括：①簡化系統(tǒng)部署，降低系統(tǒng)成本；②挖掘用電信息，實(shí)時(shí)反饋；③獲取電網(wǎng)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)互動；④整合分布式能源，自動生成和執(zhí)行優(yōu)化策略。

1.2 UADRS的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以智能電表為分界點(diǎn)，系統(tǒng)架構(gòu)分為發(fā)電設(shè)備層、監(jiān)控設(shè)備層和用電設(shè)備層，如圖1所示。其中發(fā)電設(shè)備層包括接入用戶的分布式可再生能源、儲能設(shè)備、逆變器、通信設(shè)備和室外傳感器等。用電設(shè)備層包括通過智能插座監(jiān)控或不監(jiān)控的普通電器，通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器控制的帶遙控功能電器，以及具有通信功能的智能家電和室內(nèi)傳感器。監(jiān)控設(shè)備層包括智能電表、負(fù)荷分解模塊、局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和負(fù)責(zé)人機(jī)交互的各類遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。智能電表實(shí)現(xiàn)與上級響應(yīng)平臺的互動，區(qū)域內(nèi)參與需求響應(yīng)的用戶組成需求響應(yīng)集群，服務(wù)商將響應(yīng)信息以需求響應(yīng)資源聚合體的方式上傳至需求側(cè)管理中心，管理中心進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)響應(yīng)資源的整體協(xié)調(diào)。

圖1 UADRS架構(gòu)Fig.1 System framework of UADRS

現(xiàn)有的用戶能量管理系統(tǒng)普遍采用基于Zig-Bee或Wi-Fi的智能插座方式實(shí)現(xiàn)對用戶負(fù)荷的監(jiān)測和控制。UADRS中加入非侵入式監(jiān)測模塊，在電氣入戶端口對電壓、電流進(jìn)行采樣，根據(jù)不同用電設(shè)備的電氣特征，通過負(fù)荷分解算法實(shí)現(xiàn)對聚合電氣量的分解，在重要設(shè)備中加入紅外轉(zhuǎn)發(fā)或智能插座等控制設(shè)備，系統(tǒng)不會因用戶設(shè)備數(shù)量的增多而顯著增加成本，且易于部署。此外，通過監(jiān)測接入點(diǎn)的頻率、電壓，還能夠感知出某些電網(wǎng)運(yùn)行異常情況，相比于智能電表接收激勵信號的過程，不存在通信延時(shí)，使得系統(tǒng)具備了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)需求響應(yīng)的條件。

在發(fā)電設(shè)備層中，現(xiàn)有能量管理系統(tǒng)一般不考慮分布式能源的監(jiān)控問題，而UADRS通過串口通信方式接入了分布式發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及風(fēng)速、照度、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)。此外室內(nèi)環(huán)境中部署了4類無線傳感器，分別監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、照度和人員活動。

UADRS通過部署智能局域網(wǎng)關(guān)匯總各類數(shù)據(jù)，采用一個基于ARM Cortex-A9低功耗嵌入式智能終端作為系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與硬件的數(shù)據(jù)交互和需求響應(yīng)功能，用戶則通過人機(jī)交互界面在平板、手機(jī)等遠(yuǎn)程監(jiān)控終端中對系統(tǒng)進(jìn)行操作。而需求響應(yīng)信息通過智能電表與區(qū)域集群服務(wù)商和需求側(cè)管理中心交互。

1.3 UADRS的功能結(jié)構(gòu)

基于之前描述的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)功能可劃分為運(yùn)行于服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口程序和需求響應(yīng)程序，以及運(yùn)行于遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的人機(jī)交互界面兩部分，如圖2所示。

圖2 UADRS功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure of UADRS

數(shù)據(jù)接口程序中實(shí)現(xiàn)發(fā)電、用電、傳感器設(shè)備的通信解析、數(shù)據(jù)庫操作和響應(yīng)策略執(zhí)行，而負(fù)荷分解算法在非侵入式監(jiān)測模塊中實(shí)現(xiàn)，負(fù)荷分解結(jié)果與其他設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過通用接口程序存入數(shù)據(jù)庫。需求響應(yīng)程序中主要功能包括：①分布式發(fā)電與負(fù)荷預(yù)測為生成日前調(diào)度計(jì)劃提供依據(jù)；②用能挖掘與分析是通過分析用戶的用能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出能效優(yōu)化建議；③激勵型響應(yīng)包括接收激勵信號的直接負(fù)荷控制響應(yīng)和自動感知電網(wǎng)緊急運(yùn)行狀態(tài)的智能化切負(fù)荷響應(yīng)；④日前用能調(diào)度根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)和用戶需求制定優(yōu)化用能計(jì)劃，以定時(shí)任務(wù)方式執(zhí)行。

人機(jī)交互界面具體實(shí)現(xiàn)功能包括：①用戶能效信息概覽，展示用戶最關(guān)心的用電、發(fā)電、環(huán)境、需求響應(yīng)信息；②設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯示設(shè)備實(shí)時(shí)用電曲線，實(shí)現(xiàn)對溫控設(shè)備溫度、調(diào)光設(shè)備亮度條調(diào)節(jié)、普通插座設(shè)備開關(guān)操作等，分為直接操作和定時(shí)任務(wù)兩種方式；③歷史數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)；④系統(tǒng)用能分析，以月報(bào)形式顯示用能挖掘與分析結(jié)果；⑤系統(tǒng)設(shè)定，參數(shù)包括房間設(shè)備信息、電價(jià)結(jié)構(gòu)、響應(yīng)偏好等。為保證系統(tǒng)在不同終端中操作的兼容性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)開發(fā)基于嵌入式Linux，采用C++/Qt開發(fā)保證系統(tǒng)可以跨平臺移植，并選取SQLite3為嵌入式數(shù)據(jù)庫。

2 適用于UADRS的負(fù)荷分解算法

負(fù)荷分解是基于非侵入式監(jiān)測的負(fù)荷量測方法，1980年代由Hart最先提出[8]。相比于采用智能插座等獨(dú)立量測裝置的侵入式負(fù)荷監(jiān)測存在硬件成本高、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺陷，該方法通過在電力接口處采集功率等負(fù)荷特征對電器設(shè)備進(jìn)行辨識，設(shè)備簡單，易于部署。此外，傳統(tǒng)負(fù)荷模型可以通過統(tǒng)計(jì)綜合法確定用戶中各類負(fù)荷的比例，但自動需求響應(yīng)具有實(shí)時(shí)性，需要在線對用戶的負(fù)荷，主要是具有響應(yīng)能力的負(fù)荷進(jìn)行識別。因此UADRS采用非侵入式負(fù)荷在線監(jiān)測和分解方法，分解算法流程如圖3所示。

圖3 負(fù)荷分解算法流程Fig.3 Flow of load disaggregation algorithm

分解模塊采集到經(jīng)過信號調(diào)理的電壓、電流信號，并計(jì)算得到功率、頻率、諧波等電能參數(shù)；再通過信息篩選進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪、設(shè)備啟停判斷和壞數(shù)據(jù)檢測處理，提高算法識別準(zhǔn)確率；特征匹配過程是通過負(fù)荷特征庫中功率階躍特征、穩(wěn)態(tài)電流波形特征和暫態(tài)電流特征進(jìn)行匹配，采用文獻(xiàn)[9]中提出電力負(fù)荷三重可信度匹配辨識算法。當(dāng)檢測到負(fù)荷啟停時(shí)，先依據(jù)功率特征匹配大型負(fù)荷，若不處于大型負(fù)荷列表中，再依據(jù)暫態(tài)特征匹配各模板中負(fù)荷，記錄下啟停負(fù)荷類型、功率與可信度。周期性進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特征匹配，確定正在運(yùn)行負(fù)荷的組成成分，記錄當(dāng)前各負(fù)荷類型比例、功率與可信度，并且與暫態(tài)特征匹配和功率能效特征匹配記錄進(jìn)行比較修正，比較修正過程依據(jù)可信度進(jìn)行，優(yōu)先修正可信度較小的記錄，完成負(fù)荷特征三重匹配，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分解。負(fù)荷辨識結(jié)果通過串口通信傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器將智能插座、紅外信號操作或智能電器的采集數(shù)據(jù)在辨識結(jié)果中進(jìn)行進(jìn)一步修正，特別是確定空調(diào)、熱水器等大功率溫控負(fù)荷的用能數(shù)據(jù)，用于計(jì)算用戶實(shí)時(shí)需求響應(yīng)資源。

3 UADRS的激勵型需求響應(yīng)方案

現(xiàn)有需求響應(yīng)機(jī)制一般適用于較長時(shí)間尺度的電網(wǎng)運(yùn)行任務(wù)，即使采用直接負(fù)荷控制強(qiáng)制遠(yuǎn)程操作用戶設(shè)備，也存在通信延時(shí)等問題，而自動需求響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)使得用戶側(cè)資源可以參與到更緊急的電力系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)中，如以緊急需求響應(yīng)EDR（emergency demand response）的方式參與系統(tǒng)低頻低壓減載。

3.1 UADRS參與EDR的響應(yīng)機(jī)理

傳統(tǒng)自適應(yīng)低頻減載策略流程為系統(tǒng)擾動后測量各個發(fā)電機(jī)端頻率變化率，然后計(jì)算出系統(tǒng)的頻率變化率和功率缺額，則系統(tǒng)的減載量為

式中：N為發(fā)電機(jī)數(shù)量；ΔPi為第i臺發(fā)電機(jī)的功率缺額；Pthr為設(shè)定閾值；Hi為第i臺發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)；f0為系統(tǒng)的額定頻率；fi為第i臺發(fā)電機(jī)出口的母線頻率。根據(jù)式（1）計(jì)算出減載量，分配基本輪和特殊輪各輪切負(fù)荷量并依次切除，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常頻率。

在UADRS參與EDR時(shí)，通過負(fù)荷分解模塊在線監(jiān)測系統(tǒng)頻率，當(dāng)檢測到頻率跌落至響應(yīng)預(yù)設(shè)值時(shí)，通過判斷系統(tǒng)頻率變化率，確定是否啟動緊急需求響應(yīng)。其需求響應(yīng)資源以溫控負(fù)荷聚合體為主，具有速斷性，響應(yīng)速率更高，因此可以在低頻減載前觸發(fā)響應(yīng)，對系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐。EDR機(jī)理模型如圖4所示。

圖4中在系統(tǒng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，加入EDR策略，通過對溫控負(fù)荷聚合體進(jìn)行功率調(diào)整，系統(tǒng)功率擾動量Pd(t)由發(fā)電機(jī)功率Pg(t)減去需求響應(yīng)負(fù)荷功率Pagg(t)和其他負(fù)荷功率Pe(t)表示。

圖4 EDR機(jī)理模型Fig.4 Model of EDR mechanism

3.2 用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)資源計(jì)算

實(shí)時(shí)響應(yīng)資源計(jì)算是用戶參與需求響應(yīng)獲得收益的依據(jù)，參與響應(yīng)的設(shè)備資源根據(jù)人機(jī)交互界面中用戶的響應(yīng)偏好確定，一般為空調(diào)、熱水器等溫控負(fù)荷，計(jì)算得到實(shí)時(shí)狀態(tài)下可用于需求響應(yīng)的響應(yīng)容量QDR(t)為

式中：Pi(t)為響應(yīng)負(fù)荷的實(shí)時(shí)有功功率；n為用戶參與響應(yīng)的負(fù)荷數(shù)量；t為需求響應(yīng)中心下達(dá)的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間。一般切負(fù)荷需要在300 ms內(nèi)完成動作，因此EDR提前預(yù)估區(qū)域內(nèi)整體的實(shí)時(shí)響應(yīng)資源，減少計(jì)算時(shí)間。由于區(qū)域內(nèi)溫控負(fù)荷的整體功率只與負(fù)荷總功率和環(huán)境有關(guān)[11]，因?yàn)榫酆象w的實(shí)時(shí)響應(yīng)資源Pagg(t)為

式中：Pi為單個響應(yīng)設(shè)備額定功率；聚合體運(yùn)行系數(shù)Son(t)為運(yùn)行設(shè)備功率總和與聚合體額定功率總和的比值；聚合體規(guī)模系數(shù)Sagg為聚合體額定功率總和與系統(tǒng)全部負(fù)荷的功率總和的比值。

3.3 智能化切負(fù)荷策略

傳統(tǒng)需求響應(yīng)中采用直接負(fù)荷控制方式，對溫控負(fù)荷進(jìn)行切負(fù)荷操作，雖然短時(shí)期內(nèi)溫度不會發(fā)生較大變換，但會損害設(shè)備壽命。而UADRS可通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)裝置，以紅外信號調(diào)整設(shè)備的設(shè)定溫度，當(dāng)響應(yīng)結(jié)束后再恢復(fù)溫度，實(shí)現(xiàn)智能化切負(fù)荷。在系統(tǒng)響應(yīng)期間，由于設(shè)備控制對象的溫度變化范圍不大，因而對用戶的舒適度影響較小。

為驗(yàn)證UADRS參與系統(tǒng)緊急需求響應(yīng)的性能，選取空調(diào)作為響應(yīng)對象進(jìn)行仿真。仿真中設(shè)定響應(yīng)的激勵信號為頻率跌落至49.3 Hz，仿真時(shí)間800 s。假設(shè)該系統(tǒng)額定功率為300 MW，聚合體為20 000臺平均額定功率為2 000 W的空調(diào)，則聚合體規(guī)模系數(shù)為0.13，聚合體運(yùn)行系數(shù)為0.4。該小規(guī)模溫控負(fù)荷聚合體采取直接切除負(fù)荷的控制方式，需求響應(yīng)后空調(diào)聚合體功率、溫度變化和系統(tǒng)頻率變化如圖5所示。

圖5 空調(diào)聚合體EDR仿真Fig.5 Simulation of EDR for air-conditioner aggregation

EDR開始后系統(tǒng)頻率得到快速回升，信號消失后，負(fù)荷將會按照原設(shè)定溫度繼續(xù)工作，而由于設(shè)備此刻全部處于關(guān)閉狀態(tài)，聚合體運(yùn)行系數(shù)降為0，穩(wěn)定狀態(tài)被打破，故均勻分布的室內(nèi)溫度集體趨向于降溫，并產(chǎn)生一定震蕩，系統(tǒng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定。

4 日前用能優(yōu)化調(diào)度策略

在電價(jià)機(jī)制靈活化、用戶能源多樣化、用電需求多元化的情境下，電力用戶尤其是家庭用戶越來越不可能有足夠的能力和精力去管理能源的優(yōu)化使用。因此UADRS中采用日前用能優(yōu)化調(diào)度策略，可以解決用戶側(cè)差異化電價(jià)、分布式能源接入等問題。

現(xiàn)階段分布式光伏接入主要采用直接并網(wǎng)模式，但是用戶的負(fù)荷特性和光伏電池的發(fā)電特性在時(shí)間上往往無法匹配，因此“余電上網(wǎng)”的低價(jià)售電收入往往無法抵消用戶負(fù)荷在晚間產(chǎn)生的高價(jià)公共電網(wǎng)電費(fèi)。所以在用戶負(fù)荷用能總量不變的前提下，提高分布式光伏“自發(fā)自用”比例，減少公共電網(wǎng)能量的使用才可以提高用戶收益，即實(shí)現(xiàn)分布式能源最大化地就地消納。

調(diào)度模型如文獻(xiàn)[12]所述。首先預(yù)測下一日分布式能源出力曲線和負(fù)荷曲線，特別是對溫控負(fù)荷預(yù)測；利用系統(tǒng)人機(jī)交互界面獲取用戶對溫控負(fù)荷的需求，以及洗衣機(jī)等主動可控負(fù)荷的定時(shí)任務(wù)需求；最后根據(jù)分布式能源出力和排除需調(diào)度負(fù)荷之后的負(fù)荷曲線，在保證用戶舒適度最大和滿足分布式電源、儲能約束的前提下，求解系統(tǒng)的最小用電費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)，得到各個調(diào)度周期的儲能充放電狀態(tài)，以及調(diào)度負(fù)荷工作狀態(tài)，生成最優(yōu)用電計(jì)劃。結(jié)合負(fù)荷分解算法和激勵型響應(yīng)，UADRS的系統(tǒng)響應(yīng)程序如圖6所示。

圖6 UADRS系統(tǒng)響應(yīng)程序流程Fig.6 Flow of system demand response in UADRS

系統(tǒng)通過非侵入式監(jiān)測數(shù)據(jù)分解得到負(fù)荷監(jiān)控信息，檢測到響應(yīng)信號后觸發(fā)激勵性需求響應(yīng)，并執(zhí)行響應(yīng)策略。當(dāng)前次預(yù)測數(shù)據(jù)誤差較大時(shí)，進(jìn)入預(yù)測流程更新預(yù)測數(shù)據(jù)；并判斷是否需更新調(diào)度計(jì)劃，需要則進(jìn)入日前調(diào)度流程，執(zhí)行調(diào)度策略后繼續(xù)監(jiān)控。

5 測試系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證UADRS中各項(xiàng)響應(yīng)技術(shù)的有效性，在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)部署如圖7所示。配電端口處部署負(fù)荷分解模塊，監(jiān)測負(fù)荷包括空調(diào)、熱水器、冰箱、洗衣機(jī)、智能電視、白熾燈等，其中空調(diào)和熱水器通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器控制，智能電視作為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。發(fā)電部分接入了2 kW光伏電池和總?cè)萘繛?00 A·h，額定電壓為12 V的鉛酸蓄電池。

圖7 UADRS測試平臺部署Fig.7 Layout of UADRS experimental platform

通過負(fù)荷分解模塊的非侵入式監(jiān)測，得到測試系統(tǒng)中空調(diào)、熱水器、冰箱等主要負(fù)荷的功率，參數(shù)與智能插座采集到的數(shù)據(jù)一致。進(jìn)一步對負(fù)荷分解數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到用戶的用能特性，如各類負(fù)荷的用電比例，通過對比歷史數(shù)據(jù)或獲取同類用戶標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，判斷用能設(shè)備是否用能正常，進(jìn)一步為用戶提供改善建議，用能特性分析月報(bào)界面示意如圖8所示。

圖8 基于負(fù)荷分解的用能特性分析Fig.8 Analysis of energy use based on load disaggregation

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的用戶需求設(shè)定和電價(jià)設(shè)定進(jìn)行日前調(diào)度測試，UADRS根據(jù)日前預(yù)測數(shù)據(jù)對儲能的充放電時(shí)間、空調(diào)、熱水器等溫控負(fù)荷的運(yùn)行周期，以及洗衣機(jī)、電飯鍋等主動可控負(fù)荷的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度。在滿足用戶對設(shè)備舒適度需求約束，以及蓄電池使用壽命的約束的前提下，得到優(yōu)化用電計(jì)劃通過智能用電仿真平臺的交互界面展示給用戶，優(yōu)化前后的負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Data curve of simulation result

從算例中可以看出，洗衣機(jī)和電飯鍋的使用時(shí)間調(diào)整到光伏較為充足的時(shí)段，空調(diào)也通過優(yōu)化縮短了使用時(shí)間，而由于熱水器提前加熱，為了維持水溫，比優(yōu)化前的運(yùn)行時(shí)間有所增加，但使用的是無法本地消納的光伏發(fā)電，所以雖然系統(tǒng)負(fù)荷有所提高，但需求響應(yīng)帶來的用戶收益更高。

6 結(jié)語

本文針對自動需求響應(yīng)在用戶側(cè)的實(shí)現(xiàn)，提出基于負(fù)荷分解的UADRS方案。系統(tǒng)通過負(fù)荷分解算法，實(shí)現(xiàn)對不同用電設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，計(jì)算得到用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)資源量，實(shí)現(xiàn)用戶通過智能化切負(fù)荷參與系統(tǒng)緊急控制的激勵型需求響應(yīng)，并針對分布式電源接入問題，系統(tǒng)以促進(jìn)可再生能源消納為目的，生成日前用能調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)價(jià)格型需求響應(yīng)。實(shí)際系統(tǒng)的測試表明，該方案能夠降低用戶參與需求響應(yīng)的成本，簡化參與方式，減小響應(yīng)不確定性，有效實(shí)現(xiàn)用戶不同類型的自動需求響應(yīng)。

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Automated Demand Response System in User Side Based on Load Disaggregation

SUN Zhiqing，WANG Shouxiang，ZHOU Kai，LIU Tianyu
（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An automated demand response system in user side based on load disaggregation is designed and implemented to encourage users to participate in demand response automatically and intelligently.The system recognizes the electrical information of various types of devices by a load disaggregation algorithm，and calculates the user's real-time demand response resource.In this way，the system accomplishes an incentive-based demand response，which involves an automatic load-shedding process when an emergency of power grid is identified.Considering the trend of high penetration of distributed energy into the user side，a day-ahead scheduling model is proposed to improve the consumption of distributed energy，by which more users are encouraged to take part in the price-based demand response.Finally，the test result shows that the developed system is highly applicable and easy to deploy，and it can be used effectively in implementing different types of automated demand responses.

demand response；energy management；load disaggregation；load shedding；day-ahead scheduling

TM73

A

1003-8930（2016）12-0064-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.011

孫智卿（1986—），男，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄苡秒娂夹g(shù)與電力需求側(cè)管理。Email：sunzq@tju.edu.cn

王守相（1973—），男，博士，教授，研究方向?yàn)榕潆娤到y(tǒng)分析、分布式發(fā)電系統(tǒng)分析與仿真。Email：sxwang@tju.edu.cn

周 凱（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘。Email：zhoukai13@163.com

2016-05-03；

2016-06-20

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（14JCYBJC21100）；國家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目（5211JN140001）