曹望璋，李彬，孫毅，祁兵，鄭愛霞，沈秋英

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市 210003)

基于OpenADR擴(kuò)展的錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

曹望璋1，李彬1，孫毅1，祁兵1，鄭愛霞2，沈秋英2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市 210003)

由于不同開發(fā)商所開發(fā)的系統(tǒng)存在技術(shù)差異以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，導(dǎo)致我國現(xiàn)有需求響應(yīng)(demand response，DR)系統(tǒng)無法有效互聯(lián)互通，不利于需求響應(yīng)項(xiàng)目的推廣。該文基于OpenADR 2.0協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)框架，擴(kuò)展了可用于支撐錯(cuò)峰業(yè)務(wù)的信息接口、業(yè)務(wù)交互流程以及事件處理機(jī)制。依托SAC/TC549以及國際標(biāo)準(zhǔn)化思路，對(duì)參與錯(cuò)峰業(yè)務(wù)主體的角色、定位以及仿真功能需求進(jìn)行了分析，從參與錯(cuò)峰調(diào)度過程中所需的數(shù)據(jù)信息模型、調(diào)度策略、用戶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等方面出發(fā)，完成了錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。此外，該仿真平臺(tái)還提供了外部半實(shí)物接口，可以實(shí)現(xiàn)與DR動(dòng)態(tài)交互相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證及業(yè)務(wù)性能測(cè)試，給未來標(biāo)準(zhǔn)制定、政策實(shí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

OpenADR；負(fù)荷集成商；智能電網(wǎng)用戶接口；能源交互仿真

0 引 言

2015年3月15日，中共中央、國務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號(hào))，啟動(dòng)新一輪電力體制改革。隨著售電側(cè)業(yè)務(wù)逐漸放開，售電主體將明顯增多，售電價(jià)格也將更加靈活，發(fā)展自動(dòng)需求響應(yīng)(automated demand response，ADR)業(yè)務(wù)的商業(yè)主體及商業(yè)模式漸趨完善[1]。在需求響應(yīng)工作開展過程中，涉及到需求響應(yīng)機(jī)制的制定與評(píng)價(jià)，然而目前并沒有專用的ADR業(yè)務(wù)系統(tǒng)仿真平臺(tái)[2-3]。通過仿真手段，可為國家在制定需求響應(yīng)策略以及評(píng)估需求響應(yīng)策略效果等提供試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境。錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)，對(duì)于參與ADR項(xiàng)目的各個(gè)主體均具有重要的意義。需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的仿真，對(duì)于清晰定位需求響應(yīng)實(shí)施主體具有指導(dǎo)作用，同時(shí)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)仿真的結(jié)果可為需求響應(yīng)參與主體提供技術(shù)支撐[4]。需求響應(yīng)通信協(xié)議一致性測(cè)試是完善平臺(tái)建設(shè)的重要組成部分[5]。試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)可利用仿真平臺(tái)對(duì)需求響應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型、通信協(xié)議、業(yè)務(wù)邏輯、終端設(shè)備連通性、一致性等提供試驗(yàn)檢測(cè)服務(wù)，以此提升產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

在國外ADR已取得較長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，但在中國還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)，甚至在學(xué)術(shù)研究方面對(duì)于需求響應(yīng)的完全自動(dòng)化也極為初步，中國ADR的實(shí)現(xiàn)需要技術(shù)的支撐。全國智能電網(wǎng)用戶接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC549)在定義智能電網(wǎng)用戶接口領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也充分考慮了OpenADR的應(yīng)用現(xiàn)狀，并參照其信息交換架構(gòu)設(shè)計(jì)了ADR業(yè)務(wù)接口[6]。中國電力科學(xué)研究院報(bào)道了一種OpenADR 2.0的需求響應(yīng)信息仿真系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)采用靜態(tài)方式模擬，更多地側(cè)重于虛擬終端節(jié)點(diǎn)(virtual end node， VEN)與虛擬頂端節(jié)點(diǎn)(virtual top node，VTN)2種節(jié)點(diǎn)的交互信息加解密處理，不僅未考慮需求響應(yīng)業(yè)務(wù)及實(shí)體行為的建模，而且需求響應(yīng)業(yè)務(wù)信息的交互機(jī)制都考慮較少[7]。目前與需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)的仿真技術(shù)報(bào)道較少，可作為本文參考的主要有文獻(xiàn)[8]中針對(duì)上海市的試點(diǎn)情況進(jìn)行的基線仿真以及文獻(xiàn)[9]中的家庭能源管理系統(tǒng)的響應(yīng)策略仿真。國家電網(wǎng)公司2015年也正式立項(xiàng)《適應(yīng)我國售電側(cè)放開的自動(dòng)需求響應(yīng)仿真技術(shù)研究》總部科研項(xiàng)目，逐步細(xì)化仿真平臺(tái)的詳細(xì)功能。目前需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)并沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范，國內(nèi)幾個(gè)需求響應(yīng)試點(diǎn)城市也多采用私有化協(xié)議實(shí)現(xiàn)[10]。由于目前SAC/TC549協(xié)議設(shè)計(jì)仍處于起步階段，而國外標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn)繁雜，導(dǎo)致國內(nèi)需求響應(yīng)試點(diǎn)和應(yīng)用缺少統(tǒng)一的信息交互模型，不同開發(fā)商開發(fā)的系統(tǒng)難以互聯(lián)互通，因而不利于需求響應(yīng)項(xiàng)目的推廣?？傮w上，關(guān)于需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的仿真尚屬于初級(jí)階段，已有的算法仿真大多為靜態(tài)仿真，缺少基于事件的動(dòng)態(tài)交互特性，無法真正地模擬需求側(cè)用戶的業(yè)務(wù)特征。

本文基于SAC/TC549現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于OpenADR擴(kuò)展的錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)，并著力于為國家在制定需求響應(yīng)策略以及評(píng)估需求響應(yīng)執(zhí)行效果等方面提供驗(yàn)證環(huán)境。通過仿真技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)策略仿真，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證，以及對(duì)未來標(biāo)準(zhǔn)制定提供支撐，為國家開展需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化工作提供技術(shù)支持。

1 OpenADR系統(tǒng)框架

1.1 電網(wǎng)與用戶的信息交互

OpenADR提供了一個(gè)公用的、開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的需求響應(yīng)接口。該協(xié)議目前基于電力企業(yè)、用戶及第三方服務(wù)的應(yīng)用層，構(gòu)建了低成本的標(biāo)準(zhǔn)信息通信架構(gòu)及業(yè)務(wù)交互邏輯[11-12]。該協(xié)議內(nèi)容詳細(xì)描述了發(fā)布服務(wù)的VTN和訂閱了該信息服務(wù)的VEN間的行為?？紤]到OpenADR的底層傳輸機(jī)制相對(duì)陳舊，仿真平臺(tái)的架構(gòu)將基于OpenADR的應(yīng)用層框架設(shè)計(jì)，并引入標(biāo)準(zhǔn)的底層適配接口及高級(jí)控制策略。

OpenADR協(xié)議基本框架可由電網(wǎng)側(cè)、需求響應(yīng)服務(wù)器(demand response automation server，DRAS)、負(fù)荷集成商以及用戶群所構(gòu)成[13]。在協(xié)議中DRAS主要負(fù)責(zé)電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)之間的電能調(diào)度，可優(yōu)化電能分配并且跟蹤、采集、錄入、匯總用戶側(cè)用電行為信息(可中斷、可轉(zhuǎn)移、可削減能力)。DRAS也可負(fù)責(zé)電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)之間的信息交互，如需求響應(yīng)項(xiàng)目業(yè)務(wù)信息發(fā)布，用戶側(cè)通過需求響應(yīng)項(xiàng)目參與智能電網(wǎng)。負(fù)荷集成商主要負(fù)責(zé)任務(wù)指標(biāo)下放，如：需求響應(yīng)項(xiàng)目業(yè)務(wù)中的電價(jià)、錯(cuò)峰調(diào)度時(shí)的削減量等。用戶側(cè)主要通過智能用電管理以及分布式能源調(diào)度作為響應(yīng)的基礎(chǔ)。

1.2 平臺(tái)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在OpenADR通信架構(gòu)中，明確規(guī)范了電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)以及負(fù)荷集成商的功能和角色定位。仿真平臺(tái)子系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是由需求響應(yīng)服務(wù)器、單個(gè)負(fù)荷集成商或者多個(gè)負(fù)荷集成商以及其下多個(gè)用戶群所構(gòu)成。其中負(fù)荷集成商對(duì)應(yīng)為OpenADR協(xié)議中需求響應(yīng)服務(wù)器的虛擬終端節(jié)點(diǎn)VEN端，也可作為用戶群的虛擬頂端VTN端。負(fù)荷集成商與用戶群之間的信息交互方式在2.0版本中可劃分為PUSH模式以及PULL模式。基于OpenADR協(xié)議的平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2種模式的傳送機(jī)制，并且在該子系統(tǒng)中完成基本的信息交互過程，具體如圖1所示。

圖1 OpenADR規(guī)范下的分級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)

在發(fā)送的中間需要智能地加入DRAS，通過采集和獲取電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷集成商、用戶側(cè)的信息，實(shí)現(xiàn)三者之間的互動(dòng)[14]。其中按照OpenADR 2.0a以及2.0b中所規(guī)定，將發(fā)布信息的服務(wù)器和負(fù)荷集成商設(shè)定為VTN，將訂購聚合商服務(wù)的用戶設(shè)定為VEN。

多個(gè)VEN同時(shí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)VTN管理，而在某些情況下，VEN同樣也可以作為VTN。當(dāng)VEN管轄著下一級(jí)多個(gè)VEN時(shí)，此時(shí)VEN可視為其所負(fù)責(zé)的VEN用戶群的VTN[15-16]。具體實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖2所示，可見實(shí)際協(xié)議應(yīng)用是在圖1的基礎(chǔ)上，由DRAS引伸出多個(gè)負(fù)荷集成商，在DRAS的統(tǒng)一規(guī)劃下，負(fù)荷集成商向下又管轄著多個(gè)用戶群。

圖2 DRAS系統(tǒng)框架模型

2 信息交互模塊設(shè)計(jì)

考慮到信息領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展速度較快，本文在設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)過程中將采用模塊式設(shè)計(jì)，以便后續(xù)仿真平臺(tái)升級(jí)。仿真平臺(tái)信息模塊是實(shí)現(xiàn)整體動(dòng)態(tài)交互的基礎(chǔ)。而該信息交互模塊主要分為2點(diǎn)：信息交互機(jī)制以及基礎(chǔ)底層業(yè)務(wù)信息類型。

2.1 平臺(tái)業(yè)務(wù)交互邏輯

在需求響應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的重要部分，如：運(yùn)行策略、節(jié)點(diǎn)功能模型、協(xié)議棧和系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行規(guī)則均采用模塊化設(shè)計(jì)，不同功能單元采用封裝接口的方法對(duì)接。本文在已有的OpenADR架構(gòu)上采用OMNeT++軟件建模，并設(shè)定對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫用來統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果，可動(dòng)態(tài)追溯仿真平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行效果。最后在模擬過程采用B/S架構(gòu)，以完善用戶側(cè)獲取服務(wù)器信息的自動(dòng)化及ADR信息的智能下發(fā)。

當(dāng)前OpenADR協(xié)議仿真平臺(tái)主要基于規(guī)范定義的PUSH及PULL模型傳送機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)引入了響應(yīng)和未響應(yīng)、反饋和未反饋的情況分析。

圖3為錯(cuò)峰削減量任務(wù)分配執(zhí)行邏輯，用戶和集成商之間交互時(shí)，應(yīng)先完成注冊(cè)，在注冊(cè)的基礎(chǔ)上再完成報(bào)告注冊(cè)，以便兩者之間的信息獲取，最后通過事件參與需求響應(yīng)。錯(cuò)峰業(yè)務(wù)交互可通過EiEvent和EiOpt這2類服務(wù)開展。

圖3 錯(cuò)峰削減量任務(wù)分配執(zhí)行邏輯

(1)在PUSH模型中，由于VEN存在防火墻等安全機(jī)制，因此VEN不會(huì)主動(dòng)向VTN獲取消息，VTN只能被動(dòng)地向VEN推送消息，如圖3注冊(cè)、報(bào)告、事件3個(gè)環(huán)節(jié)所示。

(2)在PULL模型中，VEN的防火墻等安全防護(hù)措施將會(huì)關(guān)閉，VEN會(huì)主動(dòng)向VTN拉取消息，同樣VTN會(huì)向VEN推送消息。

通過錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)可以對(duì)智能電網(wǎng)用戶參與需求響應(yīng)的行為進(jìn)行量化評(píng)估，并為后續(xù)電網(wǎng)公司電價(jià)政策制定以及錯(cuò)峰調(diào)度算法的設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)，也可為試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供基礎(chǔ)的校核數(shù)據(jù)。圖4給出了OMNeT++軟件下的仿真平臺(tái)運(yùn)行界面，VTN與VEN的部署和配置可以根據(jù)仿真的需求動(dòng)態(tài)設(shè)定，其傳遞的消息通過cMessage類承載，其中注冊(cè)成功的

圖4 VTN-VEN交互仿真圖形用戶界面

用戶會(huì)被成功分配注冊(cè)ID編號(hào)，未注冊(cè)用戶既包括未注冊(cè)的需求側(cè)用戶，也包括暫時(shí)脫離管理的用戶，用non-registration標(biāo)識(shí)。

仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)了VTN、VEN服務(wù)的半實(shí)物接口，并通過本地環(huán)回地址捕獲OpenADR報(bào)文[17]，具體報(bào)文如圖5所示。由于采用標(biāo)準(zhǔn)的XML文本，仿真數(shù)

圖5 拉取的VTN-VEN數(shù)據(jù)報(bào)文

據(jù)流具有較強(qiáng)的可讀性。通過B/S架構(gòu)，僅需修改相應(yīng)的IP地址，即可將本文所設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)直接部署在云端模擬真實(shí)的交互環(huán)境。

2.2 錯(cuò)峰業(yè)務(wù)底層服務(wù)設(shè)計(jì)

在擴(kuò)展OpenADR通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰業(yè)務(wù)時(shí)，基于其信息交互需求，本文選用了EI 1.0中規(guī)定的EiEvent、EiOpt、EiReport、EiRegistration等4類服務(wù)。結(jié)合錯(cuò)峰業(yè)務(wù)的信息交互需求，分別建立如下幾類錯(cuò)峰業(yè)務(wù)服務(wù)：錯(cuò)峰任務(wù)下發(fā)及負(fù)荷響應(yīng)(采用EiEvent)、錯(cuò)峰項(xiàng)目選擇(采用EiOpt)、錯(cuò)峰執(zhí)行效果評(píng)估(采用EiReport)、用戶側(cè)資源注冊(cè)和等級(jí)劃分(采用EiRegistration)，如圖6所示。仿真平臺(tái)還引入了EI 1.0規(guī)范中定義的數(shù)據(jù)類支撐錯(cuò)峰業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)[18]，如： EMIX類、WS-Calendar類、Streams類等，考慮上述3類均具有標(biāo)準(zhǔn)的用法，在此不再贅述。

圖6 支撐錯(cuò)峰業(yè)務(wù)的OpenADR服務(wù)遴選

利用OpenADR規(guī)范中所定義的服務(wù)，可以構(gòu)建不同類別的交互業(yè)務(wù)，本文以錯(cuò)峰業(yè)務(wù)為例給出了OpenADR的業(yè)務(wù)搭載模式，出現(xiàn)用戶負(fù)荷削減情況時(shí)將采用如圖7所示流程[19]。其中當(dāng)出現(xiàn)緊急情況負(fù)荷削減的要求時(shí)，電網(wǎng)和負(fù)荷集成商將會(huì)發(fā)送需求響應(yīng)事件請(qǐng)求(oadrDistributeEventType)，回應(yīng)用戶選擇是否響應(yīng)需求響應(yīng)事件(oadrCreatedEventType)，如果選擇響應(yīng)(oadrRequestEventType)，則會(huì)同時(shí)附加上用戶所具備參與調(diào)控的能力(oadrResponseType)。其中，oadrRequestEventType、oadrResponseType 2項(xiàng)僅有確定參與調(diào)控的用戶才會(huì)返回。

圖7 基于OpenADR的負(fù)荷削減業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

在執(zhí)行錯(cuò)峰過程中，設(shè)定此時(shí)負(fù)荷集成商側(cè)需要負(fù)荷削減量為Qcl。此時(shí)下級(jí)存在多個(gè)可用于錯(cuò)峰的用戶集U={u1,u2,…,un}。該類型的用戶特征是可中斷負(fù)荷容量大，大部分屬于彈性負(fù)荷，同時(shí)用戶自主參與需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的意愿偏大且簽訂了相關(guān)合同。負(fù)荷集成商根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先采用錯(cuò)峰潛力較大的用戶集Up={c1,c2,…,ck}，將其納入至錯(cuò)峰預(yù)備的隊(duì)列中。負(fù)荷商會(huì)根據(jù)事件緊急情況，選擇全人工、半自動(dòng)或者全自動(dòng)的調(diào)控模式。因?yàn)橄鄬?duì)緊急情況，負(fù)荷集成商會(huì)直接采用全自動(dòng)模式，將之前已簽訂過協(xié)議的用戶電氣設(shè)備關(guān)停，實(shí)現(xiàn)可中斷負(fù)荷控制。

而本文中假定采用半自動(dòng)方式，負(fù)荷集成商VTN發(fā)送信息給下級(jí)的VEN，該信息的有效載荷為oadrDistributeEvent，具體內(nèi)容包括eiResponse(表示是否能夠接受請(qǐng)求)、requestID(請(qǐng)求ID)、vtnID(VTN ID號(hào))、schemaVersion(版本號(hào))。而作為回應(yīng)用戶VEN會(huì)反饋回信息，該信息的有效載荷為oadrCreatedEvent，該載荷具體內(nèi)容包括: eiCreatedEvent(選擇是否響應(yīng)某個(gè)需求響應(yīng)事件), schemaVersion(版本號(hào))。如果VEN回饋的是響應(yīng)該事件，則附帶oadrRequestEvent載荷，該載荷帶有屬性oadrRequestEvent(請(qǐng)求該錯(cuò)峰事件)。同樣其中應(yīng)該還有oadrResponse載荷用于告訴VTN自身能參與的能力，例如該用戶i在t時(shí)刻可中斷負(fù)荷為qi(t)。而負(fù)荷集成商會(huì)判斷此時(shí)所有用戶參與的中斷負(fù)荷總量∑qi(t)是否大于原先設(shè)定的總負(fù)荷削減值Qcl，當(dāng)大于時(shí)將會(huì)停止調(diào)控，否則繼續(xù)輪詢可參與的用戶。

3 實(shí)體邏輯模塊設(shè)計(jì)

實(shí)體邏輯模塊設(shè)計(jì)主要是支撐整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)。該部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、集成商模型的構(gòu)建。其中涉及到?jīng)Q策以及通信等各個(gè)方面。該模塊在信息交互模塊的基礎(chǔ)上利用信息流交互實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變更輸出結(jié)果并進(jìn)行展示。

3.1 用戶側(cè)互動(dòng)模型設(shè)計(jì)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ppat為用戶開始自愿參與負(fù)荷控制控時(shí)的激勵(lì)價(jià)格；Δpj為集成商給用戶額外增加的補(bǔ)償費(fèi)用；Kj為系數(shù)。

用戶執(zhí)行電網(wǎng)側(cè)下發(fā)的負(fù)荷削減或增長(zhǎng)的任務(wù)量Qj時(shí)，并不會(huì)完全精確執(zhí)行?？赡艹霈F(xiàn)超額完成或者部分完成的情況Qj′。該值與Qj之間服從方差為δj(0<δj<1)的正態(tài)分布。不同用戶的δj值根據(jù)用戶的情況而確定。

3.2 集成商互動(dòng)模型設(shè)計(jì)

(5)

式中：αs為指標(biāo)s的權(quán)重大??；ks為指標(biāo)s的數(shù)值；K為指標(biāo)集合。

集成商在分析完用戶參與潛力之后可以決定是否選取用戶，選取的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可以多樣化(補(bǔ)償費(fèi)用最小化或者選取最大容量用戶等)。給用戶j分配的任務(wù)為Qj。最后所有在編的調(diào)控用戶總完成任務(wù)量為Qtask。

(6)

3.3 通信模型設(shè)計(jì)

在已制定的OpenADR協(xié)議中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提出的設(shè)計(jì)理念，其底層傳輸協(xié)議可以采用HTTP協(xié)議、XMPP協(xié)議或者用戶自定義的傳輸協(xié)議。本文中的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)采用應(yīng)用層重傳方式，降低了底層網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求，使得模塊之間的通信鏈路建模相對(duì)簡(jiǎn)單，這樣就避免了采用TCP 協(xié)議時(shí)的握手、確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制等復(fù)雜機(jī)制。同時(shí)，通過簡(jiǎn)化傳輸層設(shè)計(jì)還可以降低控制消息經(jīng)過多層封裝的冗余。

因此，在平臺(tái)的底層通信網(wǎng)絡(luò)模型中，引入了在通信交互消息時(shí)存在的丟包率ppl。該丟包率會(huì)影響用戶執(zhí)行任務(wù)完成程度。

在本文中設(shè)定集成商給一個(gè)用戶j發(fā)送信息可能出現(xiàn)丟包情況，而用戶給集成商發(fā)送消息不會(huì)出現(xiàn)。發(fā)送n次出現(xiàn)丟包k的概率服從二次分布，如式(7)所示：

(7)

(8)

式中：n為比當(dāng)前消息優(yōu)先級(jí)別高的服務(wù)類型種類；ki為當(dāng)前i類型報(bào)文在對(duì)應(yīng)級(jí)別隊(duì)列中的排序；c(k)為報(bào)文長(zhǎng)度；v為路由器處理速度；τ為其他因素所造成的附加延時(shí)。

4 仿真功能實(shí)例

本文實(shí)現(xiàn)了能將用戶數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真平臺(tái)并觀察仿真模塊輸出削峰業(yè)務(wù)結(jié)果的功能。而且仿真實(shí)體模塊的設(shè)計(jì)集成了已有文獻(xiàn)成果，確保了仿真結(jié)果的正確性。為國家在制定需求響應(yīng)策略以及評(píng)估需求響應(yīng)執(zhí)行效果等方面提供具有較大可行性的驗(yàn)證環(huán)境，最后引入了通信對(duì)業(yè)務(wù)的影響。

4.1 調(diào)控策略仿真框架設(shè)置

基于OpenADR核心功能，在不同的輸入激勵(lì)情況下觀察在多種不同參量下的協(xié)議傳送方式及變化情況，通過模擬下發(fā)電網(wǎng)需求及價(jià)格激勵(lì)信號(hào)，獲取具有全局統(tǒng)一時(shí)標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并最終導(dǎo)出執(zhí)行結(jié)果，具體如圖8所示。

把原始真實(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真平臺(tái)的每個(gè)模塊，通過信息交互模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)內(nèi)部每個(gè)實(shí)體邏輯模塊的通信，最后由模塊內(nèi)部產(chǎn)生輸出結(jié)果。

4.2 錯(cuò)峰業(yè)務(wù)策略仿真

本文仿真采用隨機(jī)選擇的30戶用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)錯(cuò)峰仿真，其中激活用戶數(shù)為10戶(完成注冊(cè)過程)，錯(cuò)峰調(diào)度算法根據(jù)業(yè)務(wù)需要，目前平臺(tái)可支持不同策略的嵌入。

電網(wǎng)側(cè)將需求響應(yīng)服務(wù)器的錯(cuò)峰調(diào)度任務(wù)分解至用戶，目前平臺(tái)集成了隨機(jī)分配、最大容量?jī)?yōu)先、最快響應(yīng)優(yōu)先3種算法。3種算法中隨機(jī)分配算法不會(huì)結(jié)合任務(wù)用戶情況以及評(píng)估模型，而另外2種則會(huì)結(jié)合。

圖8 ADR仿真平臺(tái)內(nèi)部模塊間的數(shù)據(jù)流

隨機(jī)分配算法采用隨機(jī)分配權(quán)重調(diào)度策略下放削減指標(biāo)，每個(gè)用戶都會(huì)隨機(jī)擁有一個(gè)分配的權(quán)值p，0

在不同算法條件下，負(fù)荷集成商分配給單用戶的任務(wù)執(zhí)行情況，可以支撐基于用戶行為特征的電網(wǎng)互動(dòng)模型驗(yàn)證。圖9給出了所選定用戶(用戶1)在采用隨機(jī)分配算法、最大容量?jī)?yōu)先算法、最快響應(yīng)優(yōu)先算法時(shí)所獲取的任務(wù)及相應(yīng)完成量。如圖9所示，用戶1在隨機(jī)算法分配下，由于分配的權(quán)值p是由電腦固定生成，并未結(jié)合任何的評(píng)估模型以及用戶實(shí)際能執(zhí)行的任務(wù)額度(具備較大隨機(jī)性)，因此分配的任務(wù)量高達(dá)640 kW，但實(shí)際在當(dāng)時(shí)只能執(zhí)行約200 kW，最終平均10次迭代下來完成率約為30.8%；而在最快響應(yīng)調(diào)度算法下，由于在參考了集成商的評(píng)估模型以及用戶可完成的任務(wù)額度基礎(chǔ)上獲得分配的權(quán)值，因此不會(huì)出現(xiàn)分配任務(wù)量遠(yuǎn)超用戶實(shí)際能執(zhí)行的情況，最終經(jīng)過10次迭代計(jì)算后發(fā)現(xiàn)平均完成率約為46.3%，但是具有較大的隨機(jī)性，不適用于電網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)度；在最大容量算法中，由于用戶1本身可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量較小，比用戶1容量大的用戶較多，因此未被納入錯(cuò)峰隊(duì)列中。

圖9 不同錯(cuò)峰算法下的削減量比較(單用戶行為)

仿真平臺(tái)還支持單用戶在某一特定算法下的削減量分布情況分析。圖10為單用戶采用隨機(jī)分配算法時(shí)的任務(wù)完成量分布。如圖10所示，該參量服從正態(tài)分布，并且在主值區(qū)間外較小的概率會(huì)存在一定的異常數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)代表無響應(yīng)和丟包等條件下用戶負(fù)荷削減的情況。該結(jié)果與第3節(jié)的用戶模型構(gòu)建中設(shè)定的在t時(shí)段內(nèi)用戶任務(wù)完成大小的概率服從正態(tài)分布相對(duì)應(yīng)。該仿真數(shù)據(jù)可作為后續(xù)智能電網(wǎng)用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)潛力評(píng)估、進(jìn)行調(diào)度的重要依據(jù)。

圖10 基于隨機(jī)分配算法完成的削減量分布(單用戶行為)

圖11給出了基于SAC/TC549需求的負(fù)荷集成商調(diào)度任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。3種分配方法均可以實(shí)現(xiàn)用戶資源調(diào)配，基于最大容量?jī)?yōu)先的分配策略性能穩(wěn)定，最小方差僅為0.082，其他2種方法均高于0.085?？鄢凑{(diào)配用戶的情況，最快響應(yīng)算法的調(diào)配完成率高達(dá)62.5%，具有最好的性能。同時(shí)，還可以看出用戶1、用戶7的可調(diào)度負(fù)荷容量較小，因此最大容量?jī)?yōu)先算法在滿足任務(wù)調(diào)度后即停止對(duì)該用戶的調(diào)度。而用戶4歷史響應(yīng)速度較慢，因此最快優(yōu)先算法在滿足任務(wù)調(diào)度之后停止了對(duì)該用戶的調(diào)用。

圖11 多用戶錯(cuò)峰任務(wù)分解數(shù)據(jù)分析

由于3種算法最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果都將滿足約束關(guān)系式(6)，因此調(diào)控后的優(yōu)化負(fù)荷效果一致。

圖12(a)為集成商在1周內(nèi)(0～168 h)某個(gè)時(shí)間段錯(cuò)峰效果圖。該圖給出了3種情形下的總用戶負(fù)荷曲線，分別為原始負(fù)荷、優(yōu)化后的負(fù)荷、出現(xiàn)丟包時(shí)的優(yōu)化負(fù)荷。可發(fā)現(xiàn)集成商在收到調(diào)控請(qǐng)求后基本能保證用戶負(fù)荷總?cè)萘康?%削減，但是存在丟包情況時(shí)，用戶優(yōu)化負(fù)荷曲線將會(huì)出現(xiàn)部分毛刺。將圖12(a)中所圈位置放大得到圖12(b)，分析得知由于出現(xiàn)丟包的突發(fā)情況，部分用戶未收到請(qǐng)求。此時(shí)未收到請(qǐng)求的用戶將不會(huì)對(duì)集成商的負(fù)荷調(diào)控做出任何回應(yīng)，導(dǎo)致集成商實(shí)際優(yōu)化負(fù)荷與預(yù)期優(yōu)化后的結(jié)果存在偏差。

圖12 錯(cuò)峰業(yè)務(wù)任務(wù)出現(xiàn)丟包率時(shí)的影響

5 結(jié) 論

本文基于openADR標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，構(gòu)建了一個(gè)具有可靈活擴(kuò)展的錯(cuò)峰業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)，可支撐用戶行為建模、調(diào)度/響應(yīng)策略建模、激勵(lì)政策模擬等功能。通過平臺(tái)的模擬運(yùn)行，可為需求響應(yīng)機(jī)制以及錯(cuò)峰避峰策略等的仿真分析提供技術(shù)參考及量化數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，對(duì)于檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，目前正缺少一個(gè)針對(duì)ADR業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通用測(cè)試平臺(tái)，可利用仿真平臺(tái)的半實(shí)物接口對(duì)需求響應(yīng)仿真協(xié)議、終端設(shè)備連通性等提供試驗(yàn)檢測(cè)服務(wù)，從而規(guī)范需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)化行為。

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(編輯 張小飛)

Design of OpenADR Extension Based Load Dispatching Simulation Platform

CAO Wangzhang1, LI Bin1, SUN Yi1, QI Bing1, ZHENG Aixia2, SHEN Qiuying2

(1. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

Because of the technical differences of system developed by different developers and the lack of specifications, the existing demand response (DR) system cannot effectively inter-connect each other, which is not conducive to DR project promotion. This paper expands the information interface, business interaction process and event processing mechanism for load dispatching based on the standard framework of OpenADR 2.0. According to the architecture of SAC/TC549 and international standardization trend, this paper aanalyzes the role and function of each entity in dispatching program, as well as the simulation functional requirements. Then, this paper designs the simulation platform for load dispatching from aspects of data information model, interactive mechanism, dispatching strategies, user dynamic response characteristics, etc. Furthermore, this platform can provide hardware-in-loop interface, and realize the standard verification and service performance test for dynamic interaction with DR, which can provide data support for future standard setting and policy implementation.

open automated demand response (OpenADR); load aggregator; smart grid user interface; energy interoperation simulation

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0901104)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307051)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014ZP03, 2015ZD01)；國網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(適應(yīng)我國售電側(cè)放開的自動(dòng)需求響應(yīng)仿真技術(shù)研究)

TM 73

A

1000-7229(2016)11-0086-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.013

2016-07-12

曹望璋(1993)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾枨髠?cè)管理等相關(guān)技術(shù)；

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事智能用電、自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)方面的研究工作；

孫毅(1972)，男，教授，主要從事電力大數(shù)據(jù)與電網(wǎng)節(jié)能相關(guān)技術(shù)的研究工作；

祁兵(1965)，男，教授，主要從事電力節(jié)能、自動(dòng)需求響應(yīng)相關(guān)技術(shù)的研究工作；

鄭愛霞(1968)，女，碩士，主要從事電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維、電能質(zhì)量、節(jié)能降損、電能計(jì)量等方面的管理與技術(shù)研究工作；

沈秋英(1979)，女，博士，主要從事電能計(jì)量、計(jì)量資產(chǎn)等方面的管理與技術(shù)研究工作。

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFB0901104); National Natural Science Foundation of China(51307051); Fundamental Research Funds for the Central Universities(2014ZP03, 2015ZD01)