王彩霞，時智勇，梁志峰，李欽淼，洪博文，黃碧斌，蔣莉萍

（1.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京市 102209；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京市 100032）

0 引言

隨著全球氣候問題日益凸顯，世界主要國家積極推進碳中和。加快發(fā)展非化石能源，尤其是風電、太陽能發(fā)電等新能源，是推動能源低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。2021年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)中電源結(jié)構(gòu)、用電結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)生態(tài)將發(fā)生深刻變化［1］，僅依靠電源側(cè)的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)難以保障新型電力系統(tǒng)的電力可靠供應和安全穩(wěn)定運行，并且成本高昂。相比之下，需求側(cè)的解決方案則通常規(guī)模較小，且選擇更加多元化，推動電力系統(tǒng)由“源隨荷動”向“源荷互動”轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮需求側(cè)資源在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中的作用十分迫切和必要［2-4］。

隨著分布式電源、儲電、儲熱、柔性調(diào)節(jié)等技術(shù)的應用，負荷用電特性發(fā)生重大變化。中國工業(yè)企業(yè)、商業(yè)建筑等用電負荷中蘊藏了巨大的可調(diào)節(jié)資源，但目前對需求側(cè)資源調(diào)節(jié)能力挖掘不足，受到了市場、政策、技術(shù)等多方面的約束，難以形成穩(wěn)定的負荷與電網(wǎng)協(xié)調(diào)互動能力，在新型電力系統(tǒng)中的作用發(fā)揮十分有限。諸多文獻對需求側(cè)資源的利用進行了研究，但相關(guān)研究仍基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)開展，新能源為主體的電力系統(tǒng)中，需求側(cè)資源利用的環(huán)境發(fā)生了深刻變化，其功能定位、市場機制、支持政策均需要重新考量；同時，需求側(cè)資源的類型也發(fā)生了深刻變化，由傳統(tǒng)單向利用向雙向互動轉(zhuǎn)變，其開發(fā)重點、支撐技術(shù)、商業(yè)模式均需要創(chuàng)新拓展。

本文圍繞以新能源為主體的電力系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)，從需求側(cè)資源的利用方式和實踐入手，研究未來需求側(cè)資源開發(fā)重點，分析了以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中需求側(cè)資源利用關(guān)鍵技術(shù)，并進行了展望。

1 需求側(cè)資源利用面臨的新形勢

從需求側(cè)資源利用的發(fā)展歷程來看，需求側(cè)資源利用方式主要包括有序用電、能效管理、需求響應、精準實時負荷控制等。有序用電是指在電力供應不足、突發(fā)事件等情況下，通過行政措施、經(jīng)濟手段、技術(shù)方法，依法控制部分用電需求，維護供用電秩序平穩(wěn)的管理工作。能效管理是指采取技術(shù)和管理措施，在用電環(huán)節(jié)制止浪費、降低電耗、實現(xiàn)電力電量節(jié)約的需求側(cè)資源利用方式。需求響應是指電力用戶根據(jù)價格信號或激勵措施，改變用電行為的需求側(cè)資源利用方式。精準實時負荷控制是指由電網(wǎng)運行機構(gòu)精準實時控制可快速響應的柔性負荷的需求側(cè)資源利用方式。

隨著中國電力市場改革的推進以及數(shù)字化技術(shù)應用，需求側(cè)資源在新型電力系統(tǒng)中的價值日益凸顯。中國2021年1月出現(xiàn)寒潮期間，在統(tǒng)籌全網(wǎng)支援能力、本地可用機組已全開滿發(fā)情況下，需求側(cè)資源在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用不可或缺。未來，在繼續(xù)做好發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)資源優(yōu)化利用的同時，將需求側(cè)資源納入電網(wǎng)規(guī)劃與運行管理，發(fā)揮需求側(cè)資源的靈活調(diào)節(jié)作用將成為保障新型電力系統(tǒng)電力可靠、穩(wěn)定和低成本供應的關(guān)鍵手段。

相比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)在電源結(jié)構(gòu)、用電結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)生態(tài)方面呈現(xiàn)新變化。在電源側(cè)，新能源裝機和發(fā)電占比將不斷提升，逐步成為電力系統(tǒng)中的新增裝機主體乃至電量供給主體，煤電逐步成為調(diào)節(jié)性電源。在用電側(cè)，一方面，冬季、夏季“雙峰”特征明顯，尖峰負荷持續(xù)時間只有30～50 h，冬季高峰負荷逐步接近或超過夏季負荷，受氣候變化影響，夏季極熱、冬季極寒等極端天氣下負荷可能急劇增長；另一方面，隨著第三產(chǎn)業(yè)和居民用電負荷占比增加，電網(wǎng)負荷峰谷差持續(xù)擴大。此外，隨著分布式新能源、儲能等發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)不斷創(chuàng)新，電力消費模式正在發(fā)生變化，更多的電力用戶參與到電力生產(chǎn)中，形成虛擬電廠、負荷聚合商、綜合能源系統(tǒng)等多種新業(yè)態(tài)。

與此同時，電力系統(tǒng)也將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

一是電力系統(tǒng)將面臨新的電力電量平衡難題，保供應壓力加大。新能源發(fā)電具有隨機性、波動性，從歷史統(tǒng)計規(guī)律看，季節(jié)上的大風期和冬夏用電高峰期不一致［5］，冬夏季高負荷期，新能源近六成的時間出力處于裝機容量的15%以下，電力平衡較緊張；從日內(nèi)電力供應看，極熱無風、晚峰無光，新能源發(fā)電能力與實際用電需求不匹配，晚峰時段新能源七成的時間處于裝機容量的15%以下。極端場景下負荷激增，新能源卻無能為力，如2020年末寒潮期間，湖南用電負荷快速增長，但超八成風電機組因冰凍無法發(fā)電，晚峰出力不足裝機容量2%，甚至出現(xiàn)瞬時為零的情況。

二是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行風險增加，保安全難度加大。新能源設(shè)備具有低抗擾性和弱支撐性，系統(tǒng)故障和極端情景下將嚴重沖擊電力系統(tǒng)安全［6］。近年來，中國新能源引發(fā)的電網(wǎng)安全事故時有發(fā)生，國外典型高比例新能源地區(qū)已出現(xiàn)新能源導致大規(guī)模停電的極端事故，如2019年8月英國大停電事故中新能源在系統(tǒng)發(fā)生擾動時大規(guī)模脫網(wǎng)，進一步加大了系統(tǒng)功率缺額［7］。

三是新能源跨越式發(fā)展情況下，將新能源利用率保持在較高水平難度加大。實現(xiàn)新能源高效利用面臨系統(tǒng)成本大幅上漲壓力。隨著新能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，實現(xiàn)大規(guī)模新能源高效利用需付出靈活性電源投資成本、平衡成本、運行損失成本和電網(wǎng)投資成本等系統(tǒng)成本，推高電力系統(tǒng)供應成本。初步研究顯示，新能源電量滲透率超過15%后，系統(tǒng)成本進入快速增長臨界點。

面向中國未來以新能源為主體的電力系統(tǒng)，需求側(cè)資源利用方式將以能效管理為基礎(chǔ)，以有序用電作保底，更加注重需求響應和精準實時負荷控制在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行中的作用。具體來講，需求側(cè)資源的主要作用可分為3類：第1類是保供應，即保障電力可靠供應，在新的電源結(jié)構(gòu)和用電結(jié)構(gòu)形勢下，支撐電力供需平衡；第2類是保安全，即保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)緊急情況下，作為常態(tài)化可調(diào)度資源；第3類是以最低的成本實現(xiàn)新能源高效利用。即需求側(cè)資源與發(fā)電側(cè)資源、電網(wǎng)側(cè)資源、儲能等協(xié)同利用，以最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)電力安全可靠供應與新能源高效利用。

2 國內(nèi)外需求側(cè)資源利用的實踐

2.1 需求側(cè)資源利用的國外實踐

歐美等發(fā)達國家和地區(qū)在需求側(cè)資源利用方面的研究開展較早，20世紀70年代美國最早提出了電力需求側(cè)管理，得益于較為成熟的政策法規(guī)和市場環(huán)境，歐美在需求側(cè)資源利用方面積累了豐富的經(jīng)驗［8-9］。

在應用場景方面，需求側(cè)資源廣泛應用于提升系統(tǒng)經(jīng)濟性、安全性、可靠供電以及節(jié)能增效。提升系統(tǒng)經(jīng)濟性方面，美國能源部報告顯示紐約獨立系統(tǒng)運營商（NYISO）、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商（ISO-NE）、賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭聯(lián)合電力市場（PJM）等區(qū)域輸電組織通過需求響應每年每千瓦分別獲益0.22、0.04、0.29美元［10］；提升安全性方面，如2006年，美國得克薩斯州電網(wǎng)發(fā)電容量瞬時缺失1 000 MW，頻率跌至59.7 Hz，需求側(cè)資源快速響應，總?cè)萘窟_到1 150 MW，在保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定方面起到關(guān)鍵作用［11］；保障可靠供電方面，2015年，德國日全食期間光伏出力呈“V”形變化，為解決供需不平衡問題，啟動了需求響應，減少負荷3 800 MW，約占光伏下降出力的46%；提升能效管理方面，日本積極引進需求側(cè)資源利用新形式，提出了“負電力”市場，實行終端用能產(chǎn)品能效領(lǐng)跑者制度。

在激勵機制方面，歐美均建立了“尖峰電價＋中斷補償”的激勵機制。美國采用居民用戶分時電價、工業(yè)用戶實時電價激勵機制，為用戶提供不同電價方案，激發(fā)用戶參與積極性，加州等地區(qū)逐步試點尖峰電價，削峰效果顯著。針對中斷負荷激勵，加大補償力度，如挪威提前15 min通知，補償標準達到了502倍電價，負荷種類不限；在美國加州對于提前30 min通知的中斷負荷，補償標準為120倍電價。

在市場建設(shè)方面，依托成熟的電力市場環(huán)境，歐美建立了較為完備的需求側(cè)資源參與各類細分市場的規(guī)則和交易機制。通過立法明確需求側(cè)資源參與容量市場、電量市場、輔助服務(wù)市場等各類市場的主體地位，市場主體主要包括配售電公司、負荷聚合商、工商業(yè)負荷等；利用方式包括以降低電價為目標的經(jīng)濟型利用方式和以保障電網(wǎng)安全可靠運行為目標的緊急型負荷控制利用方式；收益模式上普遍按照可用性和響應效果進行獎懲［12］。2019年，美國PJM中需求側(cè)資源平均收益達到了34.73美元/MW。2020年，美國聯(lián)邦能源委員會（FERC）批準了一項具有突破性的規(guī)則，允許分布式能源資源聚合商在批發(fā)電力市場上競爭，擴展了需求側(cè)資源的應用空間。

在商業(yè)模式方面，歐美形成了集合需求響應、能效管理、能源交易和數(shù)據(jù)增值服務(wù)的多元化商業(yè)模式。美國售電公司基于智能能源中心開展電力需求側(cè)資源利用，用戶在總用電成本和生產(chǎn)生活習慣不變的情況下，豐富了能源使用選擇權(quán)，有利于提高用戶滿意度。歐美也是負荷聚合商最為活躍的地區(qū)，為需求側(cè)資源的匯聚利用提供了良好的平臺環(huán)境，美國EnerNOC公司全球網(wǎng)絡(luò)運營中心每月可收集和評估近15億個能源數(shù)據(jù)點，為客戶提供可靠的需求響應能力和節(jié)能機會；德國Next Kraftwerke公司聚合其龐大的分布式電源與可調(diào)負荷參與電能量交易、輔助服務(wù)、需求響應以及峰谷套利，通過市場與技術(shù)手段并用，實現(xiàn)單體規(guī)模小、分布零散、調(diào)度和交易難度大、成本高的需求側(cè)資源獲利。澳大利亞等通過智能電表開展用戶友好互動、配電網(wǎng)運行管理等增值業(yè)務(wù)。

在重點技術(shù)方面，分布式電源、儲能等需求側(cè)資源進入市場，創(chuàng)新應用蜂窩技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)得到了推動［13-14］。美國通過創(chuàng)建能源數(shù)據(jù)云平臺實現(xiàn)對智能電表數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析、預測，提高需求響應的精準度；美國某負荷聚合商集中控制加州地區(qū)的電池儲能，向電力公司提供需求響應服務(wù)；愛爾蘭某公司通過聚合電動汽車參與需求響應；法國和比利時聚合商通過物聯(lián)網(wǎng)將工商業(yè)負荷以及分布式電源聚合以提升需求側(cè)資源利用水平。

2.2 需求側(cè)資源利用的國內(nèi)實踐

國內(nèi)需求側(cè)資源利用以需求響應優(yōu)先、有序用電保底［15］。2014年以來，中國上海、北京、江蘇、天津等省市相繼實施了削峰、填谷需求響應。2016年，江蘇省大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)投運。

在應用場景方面，中國需求響應實踐主要集中于江蘇、浙江、上海、江西、山東等中東部負荷密集、峰谷差較大的地區(qū)，針對送、受端電網(wǎng)在冬季供暖、迎峰度夏、電網(wǎng)極端故障等場景下的新能源利用、供需平衡、事故支撐等需求，形成了削峰、填谷、精準實時負荷控制3種具體實施方式。削峰方面，2016年，江蘇為了緩解迎峰度夏期間電網(wǎng)供需壓力、解決局部負荷過載問題，通過尖峰電價和可中斷負荷補貼，工商業(yè)自主響應負荷3.52 GW；填谷方面，如2020年10月前3日，江蘇通過需求響應累計填谷13.4 GW，促進清潔能源利用86.9 GW·h，保障了長假期間電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；精準負荷控制方面，為提升華東電網(wǎng)最大可受直流饋入容量，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，江蘇實現(xiàn)了3.76 GW秒級、2.60 GW毫秒級的精準切負荷能力，參與用戶達1 788個。

在激勵機制方面，江蘇、天津等地建立針對工業(yè)用戶的尖峰電價機制，利用提價收入建立資金池，用于需求響應補貼及相關(guān)平臺系統(tǒng)建設(shè)。天津區(qū)分填谷和削峰需求響應進行補貼管理，同時根據(jù)電力供需情況，確定啟動需求響應的類型和規(guī)模。江蘇、山東等地制定了分級補償標準，補償標準與響應持續(xù)時間和響應前通知時間有關(guān)。

在市場建設(shè)方面，江蘇率先出臺需求響應實施細則，江蘇、山東以單邊市場競價方式采購需求側(cè)資源；浙江出臺鼓勵第三方參與輔助服務(wù)市場的試點方案，建立需求響應補貼和市場“雙重”機制。

在商業(yè)模式方面，中國需求側(cè)資源利用的商業(yè)模式較為傳統(tǒng)和單一，多由電網(wǎng)公司組織，用戶獨立參與，最終通過中標容量和實際響應效果獲得補償。近年來，以分布式電源、可調(diào)節(jié)負荷為代表的新型需求側(cè)資源庫不斷拓展，新的商業(yè)模式不斷得到嘗試，如上海積極推動虛擬電廠運營試點參與中長期需求響應，成功組織虛擬電廠參與需求響應市場化試點交易3次（端午填谷、國慶填谷、迎峰度冬削峰），有效交易出清容量總計151.5 MW，有效支撐了上海電網(wǎng)用電高峰期的調(diào)峰需求。

在技術(shù)方面，江蘇電網(wǎng)和浙江電網(wǎng)分別依托自主研發(fā)的需求響應平臺，積極開展多類型用戶的負荷柔性控制改造及智能終端部署，研發(fā)各類可調(diào)節(jié)智能終端和負荷集控系統(tǒng)，滿足電力供需平衡和動態(tài)響應的不同要求。江蘇電網(wǎng)利用大數(shù)據(jù)分析，智能挖掘潛在客戶。上海的自動需求響應客戶端為用戶參與需求響應提供了便捷條件。

3 面向新型電力系統(tǒng)的需求側(cè)資源利用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 需求側(cè)資源利用關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對需求側(cè)資源技術(shù)的研究主要包括2類：一類是需求側(cè)資源的利用技術(shù)，另一類是需求側(cè)資源利用的支撐技術(shù)。其中需求側(cè)資源的利用技術(shù)包括運行控制技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度技術(shù)以及協(xié)同規(guī)劃技術(shù)。需求側(cè)資源利用支撐技術(shù)主要以“大云物移智鏈”為基礎(chǔ)的計算、通信、交易等技術(shù)。

1）需求側(cè)資源參與系統(tǒng)調(diào)頻和安全穩(wěn)定運行的控制技術(shù)研究

面向未來新型電力系統(tǒng)，需求側(cè)資源發(fā)揮保安全、保供應的作用需要納入電力系統(tǒng)運行控制體系。目前，已有需求側(cè)資源利用的運行控制研究主要集中在調(diào)頻和保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行領(lǐng)域。調(diào)頻方面，文獻［16］提出一種大功率缺失下頻率響應負荷聚合建模與分散控制方法；文獻［17］研究了通過模糊控制調(diào)節(jié)需求側(cè)各類變頻空調(diào)的出力，輔助發(fā)電機組改善系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)頻性能。保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行方面，文獻［18］介紹了支撐特高壓互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的負荷友好互動技術(shù)，提出了毫秒級緊急控制、秒級次緊急控制、分鐘級常規(guī)控制3種模式，并介紹江蘇電網(wǎng)在負荷參與電網(wǎng)友好互動方面的工程實踐；文獻［19］提出了備調(diào)池的概念，將溫控負荷、電動汽車、電儲能等納入需求側(cè)資源備調(diào)池，通過聚合需求側(cè)可控負荷資源，為電力系統(tǒng)低頻減載提供負荷削減，并通過資源池內(nèi)多類可控負荷協(xié)同控制，提供較長時域的負荷削減持續(xù)時間，為電力系統(tǒng)頻率故障排除及頻率恢復爭取時間。需求側(cè)資源單體容量小，分布廣而散，在實際應用中難以做到接收自動發(fā)電控制（AGC）指令并進行連續(xù)調(diào)節(jié)，而在電網(wǎng)二次調(diào)頻領(lǐng)域應用較少，但隨著電動汽車、用戶側(cè)分布式儲能的普及，需求側(cè)資源參與二次調(diào)頻逐漸被關(guān)注［20］。已有研究已在將需求側(cè)資源納入電網(wǎng)運行控制方面做了有益探索，未來仍需豐富需求側(cè)資源參與系統(tǒng)運行控制的類型，特別是將需求側(cè)資源納入安全防御體系的運行控制的研究亟待開展。

2）以新能源高效利用為目標的需求側(cè)資源優(yōu)化調(diào)度策略研究

將需求側(cè)資源常態(tài)化納入系統(tǒng)調(diào)度是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要內(nèi)容。需要綜合考量需求側(cè)資源的成本、調(diào)節(jié)特性等，并與儲能、常規(guī)電源等做好協(xié)同優(yōu)化。目前，需求側(cè)資源尚未常態(tài)化納入調(diào)度計劃安排中，考慮需求側(cè)資源在系統(tǒng)優(yōu)化運行方面的重要價值，部分文獻分別從大電網(wǎng)和園區(qū)層面進行了研究。大電網(wǎng)中，相關(guān)研究主要集中在經(jīng)濟調(diào)度和促進新能源利用領(lǐng)域。文獻［21-22］以系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)和棄風率最小為目標函數(shù)，構(gòu)建了考慮火電深度調(diào)峰主動性與需求響應的含儲能電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；文獻［23］以多目標安全為約束，兼顧發(fā)電側(cè)與需求側(cè)柔性負荷的雙側(cè)協(xié)調(diào)配合，建立了機組組合優(yōu)化模型。在配電網(wǎng)以及園區(qū)環(huán)境下，需求側(cè)資源優(yōu)化調(diào)度的目的在于提升能源綜合利用效率。文獻［24］以綜合能源系統(tǒng)中能耗成本、污染排放、風電消納等多個調(diào)度為目標，建立了考慮綜合需求響應的優(yōu)化模型；文獻［25］設(shè)計了園區(qū)多能源系統(tǒng)綜合需求側(cè)響應策略，以解決傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)能源利用效率低、電能緊缺等問題。已有研究多以降低新能源棄電率為優(yōu)化目標，考慮需求側(cè)資源與電源的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，對需求側(cè)資源利用、儲能、電源調(diào)節(jié)等成本的綜合比對與系統(tǒng)優(yōu)化考慮不足，且在源網(wǎng)荷儲一體化調(diào)度與需求側(cè)資源聚合體的分層控制協(xié)調(diào)方面需要進一步深化研究。

3）考慮需求側(cè)資源的多目標協(xié)同規(guī)劃技術(shù)研究

將需求側(cè)資源常態(tài)化納入系統(tǒng)規(guī)劃，在規(guī)劃階段做好各類資源協(xié)同、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)是提高系統(tǒng)效率、降低系統(tǒng)成本的重要內(nèi)容。目前，需求側(cè)資源利用尚無專項的規(guī)劃，也未被納入電力系統(tǒng)規(guī)劃之中，文獻［26］研究顯示預計“十四五”期間大部分地區(qū)需求響應占最大負荷的比例達到5%左右，為應對電力供需矛盾應將需求響應納入電力規(guī)劃。面向高比例新能源電力系統(tǒng)，部分文獻對考慮需求側(cè)資源的網(wǎng)源規(guī)劃進行了研究，文獻［27］闡述了靈活性資源規(guī)劃的迫切性，并提出了包含需求側(cè)資源的源網(wǎng)荷儲四元結(jié)構(gòu)平衡的規(guī)劃模型；文獻［28］提出了考慮廣義需求側(cè)資源的江蘇“十四五”電源規(guī)劃方案；文獻［29］提出考慮環(huán)境成本和需求側(cè)管理的電源規(guī)劃模型；文獻［30］提出考慮可再生能源與需求響應協(xié)同增效的規(guī)劃方法。在配電網(wǎng)方面，需求側(cè)資源的規(guī)劃更多是提升分布電源的接入水平。如文獻［31］考慮主動管理與需求側(cè)管理研究主動配電網(wǎng)分布式光伏最大準入容量配置方法；文獻［32］考慮分布式電源和需求側(cè)響應的配電網(wǎng)綜合規(guī)劃以提高配電網(wǎng)運行的良好經(jīng)濟性和安全可靠性。將需求側(cè)資源作為新型電力系統(tǒng)的常態(tài)化資源納入規(guī)劃，如何評估需求側(cè)資源的潛力、特性、成本，并與其他資源做好協(xié)同，仍需進一步深化研究。

4）“大云物移智鏈”下需求側(cè)資源利用支撐技術(shù)研究

需求側(cè)資源潛力挖掘和作用發(fā)揮離不開“大云物移智鏈”等各類先進技術(shù)的支撐。文獻［33］開展了電力需求側(cè)的大數(shù)據(jù)應用研究，從幾個典型應用案例出發(fā)分析了電力大數(shù)據(jù)應用的瓶頸問題；文獻［34］從需求側(cè)響應、有序用電和能效管理3個方面對基于數(shù)據(jù)挖掘的電力需求側(cè)管理進行了綜述；文獻［35-36］分別研究了人工智能和深度強化學習技術(shù)在需求響應方面的應用；文獻［37］提出了一種以電網(wǎng)側(cè)云平臺為主導、聚合商內(nèi)部分散協(xié)同加用戶側(cè)邊緣控制主動響應的能源互聯(lián)網(wǎng)供需資源協(xié)調(diào)控制框架及方法；文獻［38］提出一種需求響應邊緣節(jié)點云部署方法，緩解電網(wǎng)需求側(cè)管理平臺處理海量業(yè)務(wù)的壓力，提高電力用戶底層終端的管理質(zhì)量；文獻［39］從工作量證明機制、互聯(lián)共識、智能合約、信息安全等方面剖析了區(qū)塊鏈在自動需求響應系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。量測和通信技術(shù)作為用戶參與需求響應的支持技術(shù)［40-43］，是承擔用戶管控用電設(shè)備、參與電力交易和電網(wǎng)互動任務(wù)的基礎(chǔ)技術(shù)［44］。面向新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，需求側(cè)資源具有海量的通信節(jié)點，并對通信實時性、可靠性、安全性提出了更高要求，有必要對基礎(chǔ)性、通用性的通信技術(shù)開展研究。

3.2 面向新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需求側(cè)資源利用關(guān)鍵技術(shù)研究探討

1）考慮需求側(cè)資源利用的新型電力系統(tǒng)安全防御及韌性提升技術(shù)

高比例新能源接入情況下，電力系統(tǒng)運行機理更加復雜，故障不確定性更強，傳統(tǒng)安全防御體系不具備靈活應對不確定性故障的能力，無法保障復雜故障條件下的電網(wǎng)安全運行。需要將需求側(cè)資源納入電網(wǎng)安全防御體系，研究需求側(cè)資源與源、儲等資源的系統(tǒng)運行控制，提出綜合考慮源網(wǎng)荷儲各類資源的電力系統(tǒng)安全防御設(shè)防標準和韌性提升方法。

2）源網(wǎng)荷儲一體化分層協(xié)同調(diào)度技術(shù)

將需求側(cè)資源作為常態(tài)化資源納入電網(wǎng)調(diào)度體系，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)同調(diào)度，是發(fā)揮需求側(cè)資源作用的關(guān)鍵。源網(wǎng)荷儲協(xié)同調(diào)度技術(shù)包括大規(guī)模源網(wǎng)荷儲多維度協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法、大規(guī)?？芍袛嘭摵删珳士刂萍夹g(shù)、基于多安全約束的大規(guī)模精準負荷恢復技術(shù)、負荷優(yōu)化控制技術(shù)、調(diào)度營銷一體化控制技術(shù)等。

3）新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲協(xié)同規(guī)劃技術(shù)

一方面，分布式電源和電動汽車的發(fā)展，使得負荷曲線發(fā)生根本性變化，用電設(shè)備隱蔽性也不斷增加，需要采取更加靈活的監(jiān)測手段，如使用非侵入式量測方式和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，對需求側(cè)資源進行識別和分析建模。

另一方面，需要建立面向新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲協(xié)同規(guī)劃的典型場景，研究靈活調(diào)節(jié)資源平衡技術(shù)，綜合比對源網(wǎng)荷儲各類調(diào)節(jié)資源的利用成本與調(diào)節(jié)特性，研究滿足源網(wǎng)荷儲協(xié)同發(fā)展的規(guī)劃方法及全環(huán)節(jié)成本綜合效益評估技術(shù)，研究在極端氣候條件下源網(wǎng)荷儲協(xié)同保障供能安全的可靠性評估技術(shù)。

4）面向海量通信節(jié)點的需求側(cè)資源互動通信技術(shù)

未來，隨著需求側(cè)資源種類和規(guī)模的不斷增加，需求響應的復雜性、互動性和靈活性也不斷增強［45］，各類傳統(tǒng)和新興資源的檢測、識別和管理的要求也不斷提高，并出現(xiàn)多技術(shù)、多層級、多主體的綜合管控平臺［46］，在豐富需求側(cè)資源利用手段的同時，也極大地增加了協(xié)調(diào)控制和運營管理的難度。未來需求側(cè)資源小型化、分散化和數(shù)字化的趨勢日益明顯，對信息通信的要求也不斷提高。一方面需要建立電網(wǎng)與需求側(cè)資源統(tǒng)一的互操作協(xié)議，統(tǒng)一、安全、高效的互操作協(xié)議可以為復雜業(yè)務(wù)交互邏輯提供有力支撐。另一方面，需求側(cè)資源利用模式和應用場景對通信服務(wù)的質(zhì)量要求也各有不同，需要制定合理的通信服務(wù)并輔以通信自適應控制策略加以優(yōu)化。面對海量需求側(cè)資源的接入以及互動水平的提升，網(wǎng)絡(luò)安全問題應引起高度重視，部分聚合商已經(jīng)具備了大型發(fā)電廠同等容量規(guī)模的資源，在網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)方面需要做到隔離、認證等多重防護。

4 面向新型電力系統(tǒng)的需求側(cè)資源利用展望

4.1 總體原則

“十四五”期間中國新能源將實現(xiàn)超常規(guī)、跨越式發(fā)展，以新能源為主體的電力系統(tǒng)迫切需要需求側(cè)資源提升安全性、可靠性、經(jīng)濟性。目前，中國需求側(cè)資源的利用多以解決個別實際問題（例如迎峰度冬、度夏）為導向，尚未形成系統(tǒng)的開發(fā)思路和原則。因此，“十四五”期間需求側(cè)資源的利用迫在眉睫，需要及早明確總體原則。

一是承擔“共同但有區(qū)別”的系統(tǒng)責任。將需求側(cè)資源作為常態(tài)化資源納入電力系統(tǒng)運行管理，與各類發(fā)電機組類似，共同承擔支撐電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行的責任。初期，可以根據(jù)需求側(cè)資源特性以及電力系統(tǒng)應用場景不同，適當降低需求側(cè)資源承擔的責任。

二是結(jié)合系統(tǒng)需求，因地制宜開展。結(jié)合地區(qū)性系統(tǒng)需求，分地區(qū)、有側(cè)重地推進需求側(cè)資源利用。對于上海、江蘇等經(jīng)濟發(fā)達且有一定應用基礎(chǔ)的電力受端省市，重點探索需求側(cè)資源在保證電力可靠供應和安全穩(wěn)定運行中的作用；對于西北新能源富集地區(qū)，優(yōu)先探索需求側(cè)資源與儲能、火電機組靈活性改造等其他靈活性資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，降低電力系統(tǒng)供應成本。

三是政策引導，市場主導。初期，通過完善分時電價、補貼等激勵機制，推動需求側(cè)資源利用方式和規(guī)模持續(xù)發(fā)展。隨著中國電力市場的建設(shè)，應逐步將用戶或負荷聚合商作為市場主體，納入電力市場體系，更多地采用市場化的方式，調(diào)動需求側(cè)資源參與各類細分市場。

4.2 新能源為主體的電力系統(tǒng)需求側(cè)資源利用體系構(gòu)建

在明確總體利用原則的基礎(chǔ)上，對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和實踐經(jīng)驗，結(jié)合中國電力體制特點，從需求側(cè)資源的利用場景出發(fā)，分別從資源開發(fā)重點、運行管理、市場機制、政策措施以及商業(yè)模式5個方面對中國新型電力系統(tǒng)需求側(cè)資源的利用架構(gòu)進行設(shè)計，如表1所示。

表1 新型電力系統(tǒng)需求側(cè)資源利用架構(gòu)Table 1 Demand-side resource utilization architecture for new power system

1）資源開發(fā)重點

需求側(cè)資源潛力的開發(fā)取決于利用技術(shù)和市場機制［47］。隨著利用技術(shù)的提升和市場機制的成熟，需求側(cè)資源潛力也會持續(xù)增加。例如在美國，這一比例從2005年的3%升至2020年的6%。在中國，預計到2025年，需求側(cè)資源利用規(guī)模有望達到70 GW，約占最大負荷的4%。長期來看，未來高比例新能源電力系統(tǒng)的需求側(cè)資源利用規(guī)模有望達到20%以上的較高水平。

大工業(yè)用戶仍是目前需求側(cè)資源利用的主體，但隨著未來控制技術(shù)和管理手段的豐富完善，居民用戶的資源利用潛力和實際規(guī)模均將快速增加。目前，參與需求響應的用戶以工業(yè)負荷為主，規(guī)模占比達95%以上。未來，隨著用戶側(cè)儲能和電動汽車等多元新興負荷不斷涌現(xiàn)，居民負荷中可參與需求響應的占比將不斷攀升，并將逐步成為主要的需求響應資源［48-50］。根據(jù)國際可再生能源署的2050能源場景研究，預計全球電動汽車總數(shù)將達10億輛，電儲能容量達到12 TW·h，空調(diào)熱泵數(shù)驟增至2.5億臺以上，長途貨運等其他領(lǐng)域則可能使用電制氫及合成氣［51］。

不同需求側(cè)資源的特性存在較大差異，如表2所示，需要在資源潛力分析和實際利用時加以考慮，充分發(fā)揮各自特點。例如，大部分空調(diào)負荷、工業(yè)負荷、電蓄熱/冰蓄冷等可中斷負荷通常是分鐘級以上的響應，滿足電力供需平衡的長時間尺度要求，可視為常規(guī)需求側(cè)資源；電動汽車、用戶側(cè)儲能等則可實現(xiàn)秒級甚至毫秒級的快速響應，實現(xiàn)負荷精準控制，參與更加快速的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)，屬于調(diào)節(jié)性能更為優(yōu)越的動態(tài)響應資源。綜合來看，大工業(yè)負荷、空調(diào)負荷等是近期需求側(cè)資源開發(fā)的重點；用戶側(cè)儲能、電動汽車、電蓄熱和數(shù)據(jù)中心等不斷涌現(xiàn)的新興資源，代表了未來需求側(cè)資源開發(fā)的重點。

表2 需求側(cè)資源特性Table 2 Characteristics of demand-side resources

2）運行管理

已有研究將需求響應概念擴展到快速需求響應以及動態(tài)需求響應［52］，對需求側(cè)資源的響應速度更為關(guān)注，更加注重需求側(cè)資源在改善電網(wǎng)動態(tài)過程中的作用。實際運行中，目前對于參與需求響應的需求側(cè)資源以自主響應為主，響應時長一般為小時級，運行方式不受調(diào)度直接控制；對于參與精準負荷控制的需求側(cè)資源，目前已實現(xiàn)毫秒級、秒級及分鐘級的響應時間，且完全由調(diào)度控制，但規(guī)模仍然較小。對于未來的新型電力系統(tǒng)，需要根據(jù)不同應用場景，對需求側(cè)資源的控制模式、響應性能、量級要求和運行方式等進行精細化管理。

控制模式方面，保供應和降低電力供應成本的需求側(cè)資源以自主響應為主，調(diào)度機構(gòu)進行安全校核；保安全的需求側(cè)資源主要為緊急負荷控制，在電網(wǎng)需要時調(diào)度機構(gòu)可通過預先通知或緊急控制的模式利用需求側(cè)資源。

響應性能方面，保供應和降低電力供應成本的需求側(cè)資源側(cè)重于對響應時長的要求，一般為小時級；保安全的需求側(cè)資源側(cè)重于對響應速度的要求，根據(jù)不同的運行需要一般在毫秒級到數(shù)分鐘級。

量級要求方面，保供應和降低電力供應成本的需求側(cè)資源多為電量型負荷，容量大小一般根據(jù)電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性出發(fā)，由市場交易規(guī)模和交易價格確定；保安全的需求側(cè)資源多為功率型，從滿足電力系統(tǒng)安全可靠運行需求出發(fā)，由調(diào)度核定規(guī)模和響應量級。

運行方式方面，保供應和降低電力供應成本的需求側(cè)資源運行方式主要包括調(diào)峰和電力平衡，以應對高比例新能源電力系統(tǒng)上下調(diào)節(jié)能力不足和用電高峰時段系統(tǒng)發(fā)電能力不足的問題；保安全的需求側(cè)資源運行方式主要包括一二次調(diào)頻、緊急功率支撐、緊急負荷控制等，以應對暫態(tài)工況下電力系統(tǒng)調(diào)頻能力不足導致的頻率失穩(wěn)問題。

3）市場機制

成熟的電力市場環(huán)境與激勵政策可有效提高需求側(cè)資源服務(wù)電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行的積極性。歐美等國家和地區(qū)需求側(cè)資源主要通過常態(tài)化參與電力市場實現(xiàn)應用，對引導需求側(cè)資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)揮了重要作用。中國電力市場的建設(shè)為需求側(cè)主動響應提供了發(fā)展機遇［53］，相關(guān)研究給出了需求響應市場化交易分階段的設(shè)計思路，構(gòu)建需求側(cè)資源參與輔助服務(wù)、現(xiàn)貨市場、中長期市場的基本框架，并對日前、實時市場進行優(yōu)化分析［54］。在以新能源為主體的電力系統(tǒng)中，應以需求為導向，細化產(chǎn)品類型，發(fā)揮市場的資源優(yōu)化配置作用，調(diào)用不同類型需求側(cè)資源提供差異化的服務(wù)。需求側(cè)資源利用的市場機制設(shè)計主要包括市場類型、交易品種、交易標的以及價格機制。

市場類型方面，保供應的需求側(cè)資源利用以中長期和現(xiàn)貨等電能量市場為主；保安全的需求側(cè)資源利用以輔助服務(wù)市場和容量市場為主；降低電力供應成本的需求側(cè)資源利用以中長期、現(xiàn)貨市場和容量市場為主。

交易品種方面，保供應的需求側(cè)資源利用主要參與調(diào)峰和爬坡等輔助服務(wù)市場。調(diào)峰輔助服務(wù)市場本質(zhì)上屬于電能量市場，中國多個省份出臺的調(diào)峰輔助服務(wù)市場運營規(guī)則允許需求側(cè)資源與新能源進行雙邊交易，未來隨著現(xiàn)貨市場的成熟運營，調(diào)峰輔助服務(wù)市場將與現(xiàn)貨市場融合；保安全的需求側(cè)資源利用主要參與調(diào)頻和容量備用市場，隨著高比例新能源并網(wǎng)，電力系統(tǒng)對快速調(diào)頻、容量備用等靈活性資源需求迫切，該類新型市場交易品種為需求側(cè)資源利用提供了更多的選擇；降低電力供應成本的需求側(cè)資源利用主要參與調(diào)峰和容量備用交易。

交易標的方面，保供應的需求側(cè)資源交易標的為某些時段的電量；保安全的需求側(cè)資源交易標的以容量、調(diào)節(jié)里程為主。降低電力供應成本的需求側(cè)資源交易標的以電量和容量為主。

價格機制方面，保供應的需求側(cè)資源主要通過激勵性的電量電價來確定收益；保安全的需求側(cè)資源主要通過容量補償與調(diào)用后的有效電量、有效里程補償相結(jié)合確定收益，并突出按利用效果補償；降低電力供應成本的需求側(cè)資源主要通過減少電源電網(wǎng)投資、節(jié)約電量、容量備用成本等確定收益。

4）政策措施

“十三五”時期，中國電力需求側(cè)管理政策體系逐漸完善，并取得了顯著成效［55］。以新能源為主體的電力系統(tǒng)中，需求側(cè)資源的利用將面臨新形勢、新任務(wù)和新要求，已有研究主要集中在支持政策上，如提出財政資金支持電力需求側(cè)管理工作的政策建議［56］；建立投資補貼機制，以基金方式對新能源并網(wǎng)相關(guān)需求響應項目進行一次性投資補貼；通過峰谷分時電價對居民進行激勵等［57］。目前，中國需求側(cè)資源的利用形式較為單一，主要側(cè)重于削峰填谷，僅作為保障電力系統(tǒng)安全運行的補充手段，利用規(guī)模上仍然較小，用戶參與意識和意愿不強，因此需要加強政策頂層設(shè)計，發(fā)揮政策引導和驅(qū)動作用，近期應著重加快激勵機制、技術(shù)平臺、試點應用和標準完善等相關(guān)政策、措施的制定。

一是完善需求側(cè)資源利用的激勵機制，提高需求側(cè)資源響應的積極性。明確市場過渡期需求側(cè)資源常態(tài)化納入系統(tǒng)運行的政策激勵機制，加大激勵力度，培育市場主體參與意識，根據(jù)電力系統(tǒng)不同應用場景對需求側(cè)資源的特性需求，以及相應需求側(cè)資源的稀缺程度，建立不同等級、不同幅度的激勵標準，設(shè)立專項資金，形成長期穩(wěn)定的資金來源。

二是推進技術(shù)支撐和平臺建設(shè)，為需求側(cè)資源利用提供物理基礎(chǔ)。采用先進的軟硬件技術(shù)作為支撐，實現(xiàn)信息交互和共享、用電在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、用電決策支持等功能。利用大數(shù)據(jù)、云計算等先進理念和技術(shù)，建設(shè)線上線下一體化客戶服務(wù)平臺，及時向用戶發(fā)布用能信息，引導用戶主動節(jié)約用能。推動智慧能源系統(tǒng)建設(shè)，通過綜合能源服務(wù)等挖掘需求側(cè)資源的潛力。

三是擴大需求側(cè)資源利用試點范圍，為需求側(cè)資源利用推廣積累經(jīng)驗。尤其是結(jié)合部分省份推進的源網(wǎng)荷儲調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，加大對保安全的需求側(cè)資源利用試點示范，持續(xù)完善需求側(cè)資源保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的相關(guān)技術(shù)要求，并在現(xiàn)有精準負荷控制試點的基礎(chǔ)上，豐富需求側(cè)資源應用模式和控制方式，從多樣性、靈活性、協(xié)同性等方面優(yōu)化完善運行調(diào)控手段。

四是完善技術(shù)標準，降低需求側(cè)資源利用的成本。加快需求側(cè)資源利用效果測量驗證、負荷聚合商響應技術(shù)、空調(diào)系統(tǒng)終端技術(shù)標準研究，為開展需求側(cè)資源利用提供統(tǒng)一的技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時，推動需求側(cè)資源利用平臺功能、互動終端接入、信息交換等方面的標準化建設(shè)。

5）商業(yè)模式與工程建設(shè)投資

歐美得益于成熟的售電側(cè)競爭機制和開放的市場環(huán)境，需求側(cè)資源利用的新模式、新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)。中國需求側(cè)資源利用尚未形成成熟的商業(yè)模式，部分試點示范尚未大面積推廣和商業(yè)化應用，負荷聚合商數(shù)量較少，盈利模式缺失。根據(jù)價格形成與疏導機制，可以分為3類。第1類滿足特定響應要求時，通過獲得一定的補償獲得收益。該模式下，對于不同的需求側(cè)資源利用方式，有明確的補貼標準，需求側(cè)資源提供相應的服務(wù)，通過中標容量和實際響應效果獲得補償。第2類是需求側(cè)資源納入電力市場，通過市場機制疏導成本。該模式下由大型的工商業(yè)用戶或者負荷聚合商、虛擬電廠等市場主體通過參與電能量市場、容量市場或輔助服務(wù)市場，提供相關(guān)的服務(wù)獲得收益。第3類是將需求側(cè)資源利用的相關(guān)成本納入電網(wǎng)輸配電價。該模式下電網(wǎng)為需求側(cè)資源服務(wù)的購買者，相關(guān)成本在用電側(cè)進行全電量分攤。第1類模式目前已經(jīng)采用，但存在補貼標準低、缺乏穩(wěn)定補貼資金來源的問題；第2類模式是未來的發(fā)展方向；第3類模式因全體電力用戶受益且難以分配具體時段的成本（如特定情況下保障系統(tǒng)安全），需要相關(guān)政策的支持。

新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，需求側(cè)資源利用的相關(guān)投資和工程建設(shè)將成為重要內(nèi)容。研究顯示，在供給側(cè)建設(shè)調(diào)峰電廠和配套電網(wǎng)滿足尖峰負荷的投資成本高達約1萬元/kW，在需求側(cè)開展需求響應削減尖峰負荷的投資成本僅為前者的14%～20%。以陜西電網(wǎng)2020年迎峰度冬高峰電力缺口1.5 GW測算，需投資150億元解決短時用電需求，而采取需求響應，則僅需要24億元（按照需求響應補貼20元/（kW·h），利用天數(shù)20 d，每天 高 峰時段4 h測算），在有效解決供需矛盾的同時，將大大減少全社會整體投資［58］。國家對需求響應能力建設(shè)提出明確要求，通過引導和激勵電力用戶挖掘調(diào)峰資源，形成占年度最大用電負荷3%左右的需求響應能力［59］。面對如此大規(guī)模需求側(cè)資源的利用，相關(guān)的終端設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、管理平臺建設(shè)投資需要穩(wěn)定的商業(yè)模式進行支撐。目前，國家-省級-企業(yè)信息化平臺架構(gòu)基本建成［60］，國家電力需求側(cè)管理平臺側(cè)重于監(jiān)測和目標考核，省級電力需求側(cè)管理平臺側(cè)重于組織和管理。未來應加快電網(wǎng)與負荷之間以控制運行為主要功能的設(shè)施建設(shè)投資，真正發(fā)揮需求側(cè)資源的價值。

5 結(jié)語

為應對以新能源為主體的電力系統(tǒng)在電力供應、安全穩(wěn)定運行等方面的新挑戰(zhàn)，必須將需求側(cè)資源充分調(diào)動起來，從技術(shù)、運行管理、市場、政策等方面協(xié)同發(fā)力，推動電力系統(tǒng)由“源隨荷動”向“源荷互動”轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)需求側(cè)資源在新能源為主體的電力系統(tǒng)中的大規(guī)模應用。

面向“十四五”時期乃至中遠期，如何在電力系統(tǒng)規(guī)劃以及運行管理中充分考慮需求側(cè)資源，將是未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟、低碳電力供應的一個重要考量，對實現(xiàn)中國能源革命與能源高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。