張舒菡

目前，智能電網(wǎng)已成為世界電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢，符合社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然要求。文章針對智能電網(wǎng)條件下的用戶需求響應(yīng)展開深入分析和總結(jié)，調(diào)研國內(nèi)外需求響應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從需求響應(yīng)概念、激勵(lì)機(jī)制、效益評估、支持平臺技術(shù)、應(yīng)用于風(fēng)電消納等方面對國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合典型案例深入剖析，指出當(dāng)下實(shí)施需求響應(yīng)存在的問題和相關(guān)對策，以期為我國智能用電和需求響應(yīng)的發(fā)展提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng) 需求響應(yīng) 電力工業(yè) 負(fù)荷

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，其功能是將供電側(cè)到用戶側(cè)的重要設(shè)備，通過靈活的電力網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)相連，形成高效完整的用電信息服務(wù)體系和服務(wù)平臺，構(gòu)建電網(wǎng)與用戶電力流、信息流、業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)互動(dòng)的新型供用電關(guān)系。通過互動(dòng)化策略，調(diào)動(dòng)用戶參與需求響應(yīng)或直接進(jìn)行遠(yuǎn)程優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的柔性化，指導(dǎo)用戶或直接進(jìn)行用電方式優(yōu)化，支撐供電側(cè)的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。智能用電系統(tǒng)建設(shè)的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的能源使用效率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和有序用電，對電網(wǎng)建設(shè)、節(jié)能環(huán)保、電能質(zhì)量管理會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隨著智能電網(wǎng)和電力市場的發(fā)展與完善，需求側(cè)資源在競爭市場中的作用正在被重新認(rèn)識，在電力市場競爭中引入需求響應(yīng)，通過價(jià)格信號和激勵(lì)機(jī)制來增加需求側(cè)在市場中的作用，并將供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的資源進(jìn)行綜合資源規(guī)劃，面向靈活互動(dòng)智能用電的需求響應(yīng)成為發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，我國制定了一系列計(jì)劃推動(dòng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，從政策、后備科研支撐層面保證了靈活互動(dòng)的智能用電技術(shù)的發(fā)展。2009年，國家電網(wǎng)公司首次向社會公布了智能電網(wǎng)的發(fā)展計(jì)劃。2011年國家科技部開展了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）智能電網(wǎng)重大專項(xiàng)的研究，其中有相當(dāng)大的比例是涉及智能用電方面的研究。2012年，科技部發(fā)布《智能電網(wǎng)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，提出“十二五”期間我國將建設(shè)5-10個(gè)智能電網(wǎng)示范城市、50個(gè)智能電網(wǎng)示范園區(qū)。

在需求響應(yīng)相關(guān)工程建設(shè)方面，截止目前，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)27個(gè)省級電力公司已經(jīng)完成省級用電信息采集系統(tǒng)主站的構(gòu)建，累計(jì)安裝智能電表約2億只。在智能用電方面，智能小區(qū)、智能樓宇和智能園區(qū)的建設(shè)成為中國最具典型的智能用電實(shí)踐。2010年，國家電網(wǎng)首次在河北、北京、上海和重慶4個(gè)省市開展智能樓宇和小區(qū)試點(diǎn)工程建設(shè)，建成2個(gè)智能樓宇和6個(gè)智能小區(qū)。2011年，甘肅白銀、山東東營以及江蘇南京等地區(qū)開始建設(shè)國內(nèi)首批智能園區(qū)，開展大用戶能效監(jiān)測、管理方案的實(shí)踐。目前，國家電網(wǎng)公司已在17個(gè)省級公司建設(shè)28個(gè)智能小區(qū)，在上海、重慶、浙江建設(shè)3個(gè)智能樓宇。2012年，霍尼韋爾與天津泰達(dá)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)共同開展并完成中國首個(gè)智能電網(wǎng)需求響應(yīng)項(xiàng)目。

1.2 國外現(xiàn)狀

世界發(fā)達(dá)國家基于發(fā)展新能源、節(jié)能減排、提高電網(wǎng)運(yùn)營效率、改善供電服務(wù)質(zhì)量等需要，陸續(xù)開展了需求響應(yīng)相關(guān)的智能用電服務(wù)的研究和實(shí)踐工作。

（1）為推動(dòng)智能用電的發(fā)展，各國立法先行，發(fā)布了相關(guān)政策法規(guī)，支持智能用電。

在歐洲，智能用電的發(fā)展主要源自歐盟倡導(dǎo)清潔、可持續(xù)、高效的能源戰(zhàn)略。2006年，歐盟發(fā)布《歐洲可持續(xù)的、競爭的和安全的電能策略》，提出智能用電服務(wù)方面的目標(biāo)；2009年，奧巴馬政府將智能電網(wǎng)建設(shè)提升為國家戰(zhàn)略，此后明確將45億美元?jiǎng)潛芙o美國能源部，用于促進(jìn)電網(wǎng)現(xiàn)代化、整合DR設(shè)備和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)技術(shù)，此外美國政府要求能源部啟動(dòng)電網(wǎng)數(shù)字信息技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，以支持智能電表、需求響應(yīng)等相關(guān)技術(shù)評價(jià)與研究工作，同時(shí)啟動(dòng)智能電網(wǎng)區(qū)域示范計(jì)劃，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）在技術(shù)發(fā)展方面，一系列技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在相關(guān)政策刺激下得到發(fā)展。

2011年11月11日，IEC成立IEC PC118，秘書處設(shè)在中國國家電網(wǎng)公司。PC118包含2個(gè)工作組，其中W G2負(fù)責(zé)制定電力需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，建立了3個(gè)DR標(biāo)準(zhǔn)工作任務(wù)小組，任務(wù)是CIM-DR擴(kuò)展，Open ADR適配器研制以及符合CIM規(guī)則的IEC DR標(biāo)準(zhǔn)。

2 需求響應(yīng)機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)研究

需求響應(yīng)指電力用戶根據(jù)價(jià)格信號或激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng)，改變固有習(xí)慣用電模式的行為實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)在于電力用戶對電力公司激勵(lì)措施的響應(yīng)行為，以及電力用戶調(diào)整自身用電方式所引起的負(fù)荷特性變化，而這種響應(yīng)行為的方式與強(qiáng)度取決于用戶自身的響應(yīng)特性。需求響應(yīng)措施按照用戶不同的響應(yīng)方式可劃分為2種類型：基于價(jià)格的需求響應(yīng)（price-based demandresponse， PBDR）和基于激勵(lì)的需求響應(yīng)（incentive-based demand response， PBDR）

在基于價(jià)格的需求響應(yīng)項(xiàng)目中，價(jià)格對用戶電力消費(fèi)行為的影響作用最大，一般采用需求價(jià)格彈來定量表征電力價(jià)格變化對于用戶響應(yīng)行為特性的影響。經(jīng)常采用負(fù)荷價(jià)格彈性來反映電力消費(fèi)需求對電價(jià)變動(dòng)的敏感程度。也用替代彈性來衡量在電價(jià)變化峰時(shí)段用電量和谷時(shí)段用電量的比例變化。而在工程中數(shù)據(jù)量較小時(shí)可采用弧彈性來描述需求價(jià)格彈性。也有文獻(xiàn)用多智能體的方法和電力消費(fèi)者心理學(xué)模型來模擬用戶對于價(jià)格的響應(yīng)特性。在基于激勵(lì)的需求響應(yīng)項(xiàng)目中，一般以響應(yīng)量、響應(yīng)速度、響應(yīng)持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)頻率、響應(yīng)間隔時(shí)間、可響應(yīng)性和響應(yīng)通知時(shí)間等特性對可中斷負(fù)荷、直接負(fù)荷控制等項(xiàng)目的響應(yīng)特性建模。也采用回歸的思想模擬電力用戶在具體需求響應(yīng)項(xiàng)目下對不同的電價(jià)和激勵(lì)信號的響應(yīng)效果。在具體分析用戶響應(yīng)特性時(shí)，對電力用戶按照需求響應(yīng)特性進(jìn)行聚類可簡化問題分析的繁瑣性，分類把握用戶的需求響應(yīng)特性。

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，先進(jìn)的通信、控制等需求響應(yīng)支撐技術(shù)增強(qiáng)了用戶的響應(yīng)能力。需求響應(yīng)自動(dòng)化提高了需求響應(yīng)的靈活性和效率，使得電網(wǎng)和用戶的參與更加容易，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室針對需求響應(yīng)自動(dòng)化制定了開放式自動(dòng)需求響應(yīng)通信規(guī)范OpenADRo

需求響應(yīng)項(xiàng)目中，根據(jù)參與主體不同、需求響應(yīng)項(xiàng)目不同，優(yōu)化決策中的決策變量、決策目標(biāo)、約束條件也是不同的。

電力公司將基于激勵(lì)的需求響應(yīng)參與發(fā)電調(diào)度優(yōu)化決策時(shí)，決策變量是各個(gè)需求響應(yīng)用戶或負(fù)荷聚集商的負(fù)荷削減量和削減時(shí)間，或直接負(fù)荷控制的控制策略。目標(biāo)函數(shù)一般是發(fā)電成本最低、網(wǎng)損最小化、需求響應(yīng)項(xiàng)目激勵(lì)補(bǔ)償最小化、本身收益最大化、阻塞補(bǔ)償最小化似及碳排放最小化等。將基于價(jià)格的需求響應(yīng)參與優(yōu)化決策時(shí)，決策變量則是能夠滿足削峰填谷要求的電價(jià)政策，優(yōu)化目標(biāo)一般是日負(fù)荷曲線最大峰荷最小化、日負(fù)荷曲線峰谷差最小化，以及用戶的滿意度最大化等。

在需求響應(yīng)項(xiàng)目中，激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

基于激勵(lì)的需求響應(yīng)項(xiàng)目中，用戶參與需求響應(yīng)可通過2種方式獲得補(bǔ)償額：一種方法類似于獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商ISO（independent system operator）、電力交易中心PX（power exchange）等機(jī)構(gòu)對用戶的停電價(jià)格進(jìn)行評估；另一種方法是由用戶申報(bào)可中斷負(fù)荷容量及其相應(yīng)的缺電成本。針對后一種情況，用戶有策略性上報(bào)缺電成本的傾向，可通過設(shè)計(jì)激勵(lì)相容的激勵(lì)機(jī)制，使用戶在上報(bào)真實(shí)類型時(shí)獲得最大利潤，鼓勵(lì)用戶上報(bào)真實(shí)的缺電成本。也有文獻(xiàn)提出基于信用積分激勵(lì)理論，計(jì)算消費(fèi)、獎(jiǎng)懲積分，并用多余積分兌換電費(fèi)或可避免電量等。

由于電力工業(yè)和電力商品的特性，使得電力市場在較長的一段時(shí)間內(nèi)并不是理想的完全競爭市場，而是自然壟斷的行業(yè)。不把需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)同等對待就不能形成一個(gè)真正良性運(yùn)作的電力市場。需求響應(yīng)就是保證單邊市場穩(wěn)定性，降低寡頭發(fā)電廠市場力的一個(gè)有效措施。單邊發(fā)電市場中，寡頭發(fā)電廠商操縱市場價(jià)格的能力，即為其市場力。根據(jù)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的古諾模型，提高需求價(jià)格彈性、增加需求響應(yīng)能力，是降低市場力的有效方法，比降低發(fā)電廠商的市場參與份額更容易實(shí)現(xiàn)。將需求響應(yīng)引入競爭市場，增加需求側(cè)在市場中的作用，使市場競爭更為有效，價(jià)格更為合理，促進(jìn)電力市場的良性發(fā)展，因此需求響應(yīng)項(xiàng)目可以稱為電力批發(fā)市場的減震器。

大規(guī)模風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)調(diào)度帶來巨大困難，利用需求響應(yīng)來配合可再生能源發(fā)電運(yùn)行以降低可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性是在技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上都極佳的解決方案，多個(gè)國家要求采用需求響應(yīng)來保障新能源的接入。將需求響應(yīng)和可再生能源消納的促進(jìn)關(guān)系融入單邊開放和雙邊開放的電力市場組織結(jié)構(gòu)，形成交易和價(jià)格機(jī)制采用潛在動(dòng)態(tài)博弈理論分析用戶之前的協(xié)調(diào)和互動(dòng)，通過實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制引導(dǎo)用戶在風(fēng)電出力高峰時(shí)多用電，低谷時(shí)少用電，并結(jié)合一定數(shù)量的可控負(fù)荷和動(dòng)態(tài)需求響應(yīng)，使用戶的負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力互補(bǔ)，從而平緩新能源波動(dòng)，減少系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高新能源的接納能力。需求響應(yīng)與可再生能源發(fā)電組合的模式也開創(chuàng)了需求響應(yīng)項(xiàng)目的新型運(yùn)作方式，Pedro S等人構(gòu)建了考慮可再生能源和用戶不確定性的基于電價(jià)的需求響應(yīng)長期、中期和短期市場均衡模型。在微網(wǎng)中，可以采用居民溫控負(fù)荷的直接負(fù)荷控制和常規(guī)發(fā)電、儲能的聯(lián)合調(diào)控來抑制分布式新能源引起的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)。為了更精確的選用合適的需求響應(yīng)用戶來緩解新能源發(fā)電的波動(dòng)性，采用頻域互譜分析的方法，對風(fēng)力發(fā)電曲線與用戶需求曲線的頻域波動(dòng)特征進(jìn)行比對，找出匹配風(fēng)力發(fā)電的需求響應(yīng)目標(biāo)用戶群體，分析風(fēng)電的滲透接入對需求響應(yīng)策略的影響。另外，自動(dòng)需求響應(yīng)的采用能夠有效緩解由于間歇性可再生能源接入帶來的電力供需矛盾，但其成本只有使用儲能裝置的10%。

需求響應(yīng)支持技術(shù)包括高級量測系統(tǒng)、電能公共服務(wù)平臺、需求響應(yīng)系統(tǒng)、智能用電設(shè)備等多種技術(shù)，前兩者目前已經(jīng)規(guī)?；瘧?yīng)用，為需求響應(yīng)提供規(guī)?；瘧?yīng)用支撐。高級量測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)用戶智能電能表用電信息采集，電能服務(wù)平臺主要實(shí)現(xiàn)用戶內(nèi)部用電、用能信息采集。

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作者單位

河南項(xiàng)城市第一高級中學(xué) 河南省周口市項(xiàng)城市 466200