談竹奎，曾鳴

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京102206；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽550002)

0 引言

為了推動綠色低碳發(fā)展，我國提出了“力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。2020年12月12日在氣候雄心峰會上，國家主席習(xí)近平宣布：到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1.2 TW以上。如在2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，我國需再增0.6 TW的可再生能源裝機(jī)。由于風(fēng)電、太陽能發(fā)電的隨機(jī)性、波動性，單純依賴電力供應(yīng)側(cè)調(diào)節(jié)的模式來滿足以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)運行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的要求是十分困難的[1]。因此須挖掘電力需求側(cè)資源的可調(diào)節(jié)能力，結(jié)合市場化運作，達(dá)到與供應(yīng)側(cè)資源相匹配的效果[2 - 3]。本文從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度，以價格為手段，提出一種基于實時電價的需求響應(yīng)理論，達(dá)到通過需求側(cè)響應(yīng)實現(xiàn)電網(wǎng)供需平衡的效果。

需求響應(yīng)(demand response，DR)是指電力市場中的用戶針對市場價格信號或者激勵機(jī)制而做出反應(yīng)，參與電力系統(tǒng)的調(diào)控，改變傳統(tǒng)電力消費模式的市場參與行為[4]。需求響應(yīng)的激勵機(jī)制和措施劃分為兩種主要類型：基于價格的需求響應(yīng)和基于激勵的需求響應(yīng)。

在基于價格的需求響應(yīng)中，為了實現(xiàn)電網(wǎng)供需實時平衡，實時電價應(yīng)運而生。理論上實時電價是隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化而實時更新的[5]。實時電價能夠表現(xiàn)出需求響應(yīng)在新能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的作用，實時電價是最理想的電價模式[6]。

最早的實時電價理論是基于邊際成本的實時電價[7 - 8]，后來實時電價理論越來越多，包括基于能耗調(diào)度理論的實時電價算法[9]、基于統(tǒng)計需求彈性模型的實時電價算法[10]、基于效益模型的實時電價算法[11 - 16]、基于阻塞管理的實時電價算法[17]等，人工智能的發(fā)展也為實時電價提供了新的模型[18]。

長期以來存在技術(shù)手段的不足、通信、控制、計量和結(jié)算等門檻，以及用戶響應(yīng)疲憊等問題[19]，尤其以風(fēng)電和光伏為代表的可再生能源出力具有隨機(jī)性、間歇性、波動性等特點，其預(yù)測難度遠(yuǎn)大于負(fù)荷預(yù)測[20]，造成電價理論的實時性和時段精細(xì)度均難以滿足以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需求。

1)實時性不足。這些實時電價理論，雖然借用了實時電價的概念，實際執(zhí)行的是根據(jù)發(fā)電預(yù)測和歷史數(shù)據(jù)等計算決策出次日(或幾小時后)響應(yīng)的時段以及該時段鼓勵或削減需求量對應(yīng)的電價[21 - 22]。無法達(dá)到新型電力系統(tǒng)中平抑新能源發(fā)電的分鐘級波動的目的。

2)時段精細(xì)度不足。傳統(tǒng)的準(zhǔn)實時電價一般以小時、30 min甚至15 min作為一個時段來計算實時電價，這種精細(xì)度無法做到在時段間隙內(nèi)的負(fù)荷波動，以適應(yīng)新能源的間歇性。

3)電價計算過于復(fù)雜，過于依賴外界條件，依賴后臺的復(fù)雜計算，不利于短時內(nèi)迅速調(diào)整，不利于與用戶的實時互動。

長期以來大部分文獻(xiàn)中的實時電價實際是一種準(zhǔn)實時電價，無法平抑可再生能源出力的隨機(jī)性、間歇性、波動性。為了滿足以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需求，本文從分析準(zhǔn)實時電價的缺點開始，指出實時需求響應(yīng)的含義和特征，并從單設(shè)備負(fù)荷調(diào)節(jié)能力出發(fā)，提出設(shè)備潛力聚合法的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型，根據(jù)模型進(jìn)行求解，從而提出了一種實時電價計算方案和實時需求響應(yīng)理論。算例分析驗證了理論的可行性。

1 實時需求響應(yīng)介紹

1.1 實時需求響應(yīng)的含義

實時需求響應(yīng)(real-time demand response，RDR)就是利用實時電價作為信號，促進(jìn)需求方主動進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)的自動需求響應(yīng)。這里有三方面含義：一是利用實時電價作為信號；二是自動需求響應(yīng)；三是需求方的主動響應(yīng)。

這3個概念在現(xiàn)有的需求響應(yīng)理論和實際中都有，但不可能同時出現(xiàn)在一起。如現(xiàn)有的自動需求響應(yīng)[23]都是用戶將設(shè)備托管給DR聚合商或調(diào)度機(jī)構(gòu)的，一般由ADR服務(wù)器直接控制[24]以達(dá)到響應(yīng)的目的，是被動響應(yīng)。再如，基于電價的需求響應(yīng)目前尚未實現(xiàn)實時響應(yīng)。同時現(xiàn)有自動需求響應(yīng)只有基于激勵的，沒有基于電價的。實時需求響應(yīng)是目前唯一將3個概念融為一體的需求響應(yīng)理論。

本文中這3個概念與現(xiàn)有的需求響應(yīng)理論和實際中概念有所不同。首先實時電價在實時性上與現(xiàn)有實時電價有較大不同。其次自動需求響應(yīng)不再將用戶設(shè)備托管給DR聚合商或調(diào)度機(jī)構(gòu)來被動響應(yīng)，而是用戶設(shè)備根據(jù)實時電價實時智能地決定如何參與響應(yīng)。從這個角度說，實時需求響應(yīng)是自主響應(yīng)[25]而不應(yīng)是直接調(diào)度式的需求響應(yīng)互動模式。

圖1描述了需求響應(yīng)可以嵌入到電力系統(tǒng)管理的各個時段，但傳統(tǒng)需求響應(yīng)(圖中虛框所述)中，基于價格的需求響應(yīng)在小于15 min的輔助服務(wù)市場上無法發(fā)揮作用[26]。圖1表明實時需求響應(yīng)恰好填補(bǔ)了這個空白。

圖1 實時需求市場與項目的時間跨度

1.2 實時需求響應(yīng)是新型電力系統(tǒng)下的需求響應(yīng)

電力系統(tǒng)是一個超大規(guī)模的非線性時變能量平衡系統(tǒng)。電能以光速傳播，發(fā)電、輸電、用電瞬時完成，因此要實時保持平衡。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)采取的生產(chǎn)組織模式是實時的“源隨荷動”，即用一個精準(zhǔn)實時可控的傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，去匹配一個基本可測的用電系統(tǒng)，并在實際運行過程中滾動調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全可靠運行。在這個過程中，實時平衡的任務(wù)是由精準(zhǔn)實時可控的傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)來完成的。需求響應(yīng)主要作用是用于平抑經(jīng)預(yù)測發(fā)現(xiàn)的未來部分時段上的電量(而不是實時負(fù)荷)缺口，因此實時要求不高，只要以日負(fù)荷預(yù)測保持一致即可。在時間顆粒度上，以小時為單位即可滿足要求，甚至分峰、谷、平3個時段即可。與此對應(yīng)，傳統(tǒng)需求響應(yīng)理論的實時電價實際是根據(jù)前一天的負(fù)荷預(yù)測和電價優(yōu)化后發(fā)布的第二天執(zhí)行的分時電價。

新能源大規(guī)模接入從根本上改變了“源隨荷動”的運行模式。在新能源高占比電力系統(tǒng)中，因新能源隨機(jī)性、波動性影響巨大，發(fā)電出力無法按需實時控制。在用電側(cè)大量分布式新能源接入以后，用電負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性也大幅下降。這意味著，無論是發(fā)電側(cè)還是用戶側(cè)都不可實時精準(zhǔn)控制，傳統(tǒng)的技術(shù)手段和生產(chǎn)模式已無法適應(yīng)高占比新能源電網(wǎng)的運行需求。如果通過需求側(cè)資源參與電網(wǎng)的實時平衡，需求響應(yīng)的實時性應(yīng)與新能源的變化實時性(一般為分鐘級)保持一致，須達(dá)到分鐘級。由于智能表計的計費最小間隔為1 min或5 min，因此實時電價更新周期應(yīng)對應(yīng)為1 min或5 min。

1.3 實時需求響應(yīng)的特征

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，實時電價以及基于實時電價的實時需求響應(yīng)具有實時性、最優(yōu)性、主動參與性及響應(yīng)端智能性等優(yōu)點。

1)實時性

用戶能夠近似實時地掌握系統(tǒng)和市場的實時供求關(guān)系信號——實時電價，用戶側(cè)設(shè)備能夠?qū)π盘栕龀鰧崟r響應(yīng)。用戶通過能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備[26]，自動接收到實時電價信息，然后根據(jù)自己的用能特性設(shè)置的應(yīng)用模式、當(dāng)前運行狀態(tài)和外界參數(shù)(包括電價、新能源發(fā)電負(fù)荷等)等自動立即進(jìn)行響應(yīng)。

2)最優(yōu)性

實時需求響應(yīng)的時間尺度較短，在電力電量平衡方面可以實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，在一定程度上可以避免偏差，達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)響應(yīng)的效果。例如預(yù)測正午時刻分布式能源出力最大，為鼓勵用電而降低電價。突如其來的狂風(fēng)暴雨可能使得出力迅速短缺，為滿足負(fù)荷平衡應(yīng)提高電價，但傳統(tǒng)需求響應(yīng)的實時性不足卻使得用戶繼續(xù)執(zhí)行低電價。實時需求響應(yīng)根據(jù)新型電力系統(tǒng)的供需情況實時優(yōu)化調(diào)整電價，響應(yīng)為最優(yōu)的。

3)主動參與性

主動參與性的含義包含兩個方面，第一方面用戶可以主動的選擇參與或者不參與需求響應(yīng)。第二個方面用戶可以主動的選擇甚至定制參與需求響應(yīng)的優(yōu)化策略。用戶可以根據(jù)自身當(dāng)天的實際用能需求，提前在用戶側(cè)的能量管理系統(tǒng)中輸入響應(yīng)的邊界條件和行為習(xí)慣，系統(tǒng)的邊緣計算能力會幫助其主動優(yōu)化運行方式，實施負(fù)荷控制。

4)響應(yīng)端的智能性

用戶側(cè)的能量管理系統(tǒng)接收供電側(cè)發(fā)送的信號后，能夠根據(jù)自身的負(fù)荷用能情況，智能進(jìn)行用戶側(cè)響應(yīng)策略優(yōu)化并自動執(zhí)行。

除了上述優(yōu)點外，從技術(shù)角度，實時需求響應(yīng)還具有信息交互標(biāo)準(zhǔn)化、決策智能化和執(zhí)行自動化等特征。

2 設(shè)備潛力聚合法的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型

為滿足不同場景，實時需求響應(yīng)的響應(yīng)模式、應(yīng)用場景、具體算法將有很多種，但無論哪種算法，應(yīng)力求避免復(fù)雜的優(yōu)化算法，便于快速地、實時地計算。本文僅以負(fù)荷零售商和負(fù)荷聚商對自己的內(nèi)部用戶實施實時需求響應(yīng)為例，結(jié)合有限的場景來介紹實時需求響應(yīng)理論。

2.1 負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型

一般來說，用戶特別是居民用戶的需求響應(yīng)有著難以量化的特點，因此精細(xì)化響應(yīng)建模非常必要。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，單用電(用能)設(shè)備的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)容量可以通過能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備(或者用能設(shè)備本身)自動識別出來。單用能設(shè)備的調(diào)節(jié)方式一般是根據(jù)電價的高低對單設(shè)備進(jìn)行投切或模式切換，因此單設(shè)備潛力聚合法的用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型類似于如圖2的一個階梯型曲線。圖中，縱軸為負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，用R(MW)表示；橫軸為電價變化，用Δp(元/MWh)表示。

圖2 單用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)能力曲線

為了得出一個聚合了多個用戶組成的綜合用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型，需要將不同用戶的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力曲線進(jìn)行累加。當(dāng)綜合的用戶數(shù)量足夠多，就可以得到一個連續(xù)的曲線，如圖3所示。

圖3 多用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)能力曲線

負(fù)荷調(diào)節(jié)能力可以用式(1)—(2)表示。

R=f調(diào)(Δp)

(1)

Δp=g調(diào)(R)

(2)

式中f調(diào)(Δp) 和g調(diào)(R)互為反函數(shù)。在實際使用時，甚至只是對每個單負(fù)荷設(shè)備的調(diào)節(jié)能力總加獲得的并形成每個電價對應(yīng)的調(diào)節(jié)能力的二維表即可，不需要擬合計算。使用時極為迅速，適合用于實時需求響應(yīng)的實時計算。

2.2 市場占有率模型

在供電或售電市場上，電價是影響負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商市場占有率一個及其重要的因素。在平衡點上，一旦電價下降，市場占有率將有所增加。隨著電價繼續(xù)下降，市場占有率一般不會線性增加。一旦電價上升，市場占有率將會下降。該函數(shù)比較復(fù)雜，但我們一般更關(guān)注電價在小區(qū)間內(nèi)變化帶來的占有率變化，此時的市場占有率曲線近似一條直線，如圖4所示。

設(shè)P=Δp×t，則：

ΔM=-a×P，a>0

(3)

式中：ΔM為市場占有率的變化量；Δp為電價變化值；t為電價變化持續(xù)時間；a為市場占有率與Δp×t的系數(shù)，圖4中表現(xiàn)為曲線斜率。

圖4 電價×?xí)r間-市場占有率簡化模型曲線

2.3 電價約束條件

整個模型還存在著兩個約束條件。

約束條件1：無論電價如何變化，執(zhí)行實時需求響應(yīng)給用戶帶來的電費支出不大于不執(zhí)行實時需求響應(yīng)給用戶帶來的電費支出。這個條件可以稱為實時需求響應(yīng)的用戶條件。

約束條件2：無論電價如何變化，負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商應(yīng)保證市場占有率不下降。這個條件稱為實時需求響應(yīng)的負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商市場占有率條件。

3 實時需求響應(yīng)的求解過程

3.1 實時需求響應(yīng)場景

實時需求響應(yīng)的具體應(yīng)用場景很多，本文按以下場景來求解。

根據(jù)超短期負(fù)荷預(yù)測，負(fù)荷零售商或負(fù)荷聚合商預(yù)測出未來某一時段，合同交易電量和預(yù)測消耗電量存在差額。這個差額產(chǎn)生的原因有多種情況，可能來自通過超短期預(yù)測發(fā)現(xiàn)原來的負(fù)荷預(yù)測不準(zhǔn)，或者來自自家電廠電能或分布式能源出力不足等。為了滿足電能的供需平衡，這個差額電量可以在現(xiàn)貨市場進(jìn)行交易，但是現(xiàn)貨市場中的實時電價高；另一方面也可以通過實時需求響應(yīng)進(jìn)行彌補(bǔ)。負(fù)荷零售商或負(fù)荷聚合商對用戶的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力分析發(fā)現(xiàn)用戶調(diào)節(jié)能力能夠彌補(bǔ)這個差額，因此負(fù)荷零售商或負(fù)荷聚合商就決定在內(nèi)部實施實時需求響應(yīng)，精準(zhǔn)地調(diào)動用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，從而避免在現(xiàn)貨市場上采購高價電量帶來的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險。

3.2 實時需求響應(yīng)求解步驟

實時需求響應(yīng)最關(guān)鍵的問題是實時電價的計算問題，這個實時電價一般包括在負(fù)荷有缺額需要調(diào)動用戶需求響應(yīng)的響應(yīng)高電價p1和響應(yīng)后為了避免市場占有率不下降等約束的平時低電價p2，在該模式下應(yīng)用流程一般分為以下幾個步驟：

1)負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商對缺口的差額進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果為功率差額ΔC，缺額時間為t；

2)初步計算這個差額是否能完全由供電區(qū)域內(nèi)所供負(fù)荷的實時需求響應(yīng)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，前面模式分析已經(jīng)假設(shè)用戶擁有的可調(diào)節(jié)能力完全能夠彌補(bǔ)負(fù)荷缺額，因此根據(jù)式(3)計算出p1=g調(diào)(R)；

3)為了保證負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商的市場占有率不下降，需要在非缺額時段下調(diào)電價以提升占有率，來平衡響應(yīng)造成的占有率下降。下調(diào)電價的幅度p2可以按照電價約束條件進(jìn)行計算。

假設(shè)用戶的平均負(fù)荷為C平，缺口前合同功率為C0，上調(diào)電價p1后，用戶設(shè)備接收到實時電價后，立即啟動實時需求響應(yīng)，響應(yīng)結(jié)果使得用戶的負(fù)荷仍然保持在C0。

用戶在響應(yīng)時段t內(nèi)消耗的電量為：

E響=C0×t/60

(4)

用戶因為電價上調(diào)所多交的電費為：

S多=p1×C0×t/60=g調(diào)(ΔC)×C0×t/60

(5)

對于其他非響應(yīng)時段，用戶使用的電量為：

E平=C平×24-E響=C平×24-C0×t/60

(6)

用戶在非響應(yīng)時段因為電價下降少交電費為：

S少=p2×E平=p2×(C平×24-C0×t/60)

(7)

根據(jù)約束條件1，只有當(dāng)S少≥S多時，用戶才有意愿實施需求響應(yīng)，即：

p2×(C平×24-C0×t/60)≥g調(diào)(ΔC)×C0×t/60

(8)

p2≥g調(diào)(ΔC)×C0×t/(C平×1 440-C0×t)

(9)

以上為假設(shè)某一天只有一個時段發(fā)現(xiàn)負(fù)荷與預(yù)測的負(fù)荷有缺口，如果多個時段，缺口功率不一樣，計算方式與上述類似，只是上述計算過程的累加。

負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商因為需求響應(yīng)導(dǎo)致的市場競爭力下降為：

|ΔM減|=|-a×p1×t|=a×p1×t

(10)

負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商平時電價下降帶來的市場占有率提升為：

|ΔM增|=|-a×p2×(1440-t)|=a×p2×(1 440-t)

(11)

根據(jù)約束條件2，即|ΔM增|≥|ΔM減|

a×p2×(1 440-t)≥a×p1×t

(12)

p2≥p1×t/(1 440-t)

(13)

如果每天需求響應(yīng)時段不止一次，則：

p2≥∑(p1i×ti)/(1 440-∑ti)

(14)

式中：∑ti為響應(yīng)時段總分鐘數(shù)；p1i×ti為第i次響應(yīng)時的響應(yīng)高電價p1與響應(yīng)時間tit的乘積。

在實際計算時還應(yīng)進(jìn)行潮流約束校核、電價最高最低約束等各類約束校核。這些與常規(guī)的需求響應(yīng)并無不同，不再詳述。

3.3 實時需求響應(yīng)成本效益分析

如不實施實時需求響應(yīng)，出現(xiàn)負(fù)荷缺口時，負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商需要從現(xiàn)貨市場購買高價實時電量，增加的購電的成本為：

Q不實施響應(yīng)=(p實-p0)×ΔC×t/60

(15)

式中：p實為現(xiàn)貨市場上的實時電價；p0為對用戶的零售電價。

如果實施實時需求響應(yīng)，一方面由于零售電價將上浮p1，因此售電收入將增加，收入增量即用戶所多交的電費S多。另一方面在平時的非響應(yīng)時段將下調(diào)零售電價p2，因此售電收入相應(yīng)也將下降，收入減量即零售電價下降而少交的電費S少，實施需求響應(yīng)的成本為：

Q實施響應(yīng)=S少-S多=p2×E平-g調(diào)(ΔC)×C0×t/60

(16)

從式(16)來看，由于負(fù)荷聚合商或負(fù)荷零售商在負(fù)荷缺額時段實施了相對高的零售電價，帶來了售電收入的增加，彌補(bǔ)了一定的損失。當(dāng)S少=S多時，Q實施響應(yīng)=0，此時從實時市場上高價購電的風(fēng)險通過需求響應(yīng)完全得到規(guī)避。

從式(16)還可以看出，要使得Q實施響應(yīng)最小，p2必須在滿足約束情況下，取最小值。

4 實時需求響應(yīng)的應(yīng)用算例

假設(shè)在電力零售市場中，某擁有分布式發(fā)電設(shè)備的負(fù)荷零售商的市場占有率30%，該負(fù)荷零售商對用戶的銷售電價為0.5元/kWh。該負(fù)荷零售商的購電價格為0.48元/kWh，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測，原來簽訂的未來一天的合同購電量為2 640 MWh，平均負(fù)荷為110 MW。負(fù)荷零售商在9:14時，發(fā)現(xiàn)即將有一陣暴雨發(fā)生，暴雨持續(xù)時間為9:15—10:45，此時擁有的分布式發(fā)電設(shè)備將減出力。造成負(fù)荷缺口如表1所示(為了簡化計算，所有算例計算中的時段間隔全部采用以15 min為單位進(jìn)行)。負(fù)荷零售商在90 min平均缺額25 MW，缺額電量37.5 MWh。此時現(xiàn)貨市場的電價為0.8元/kWh，由于該負(fù)荷缺額過大，在現(xiàn)貨市場上購買高價電的損失較大。這個損失可以應(yīng)用實時需求響應(yīng)來彌補(bǔ)。

表1 負(fù)荷缺口

經(jīng)過分析得知，用戶的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力函數(shù)：

R=50arctan(0.02Δp)或Δp=50tan(0.02R)

(17)

步驟一，根據(jù)式(17)計算出每時段需求響應(yīng)上調(diào)的響應(yīng)電價p1見表1中最右列。

步驟二，根據(jù)約束條件1計算p2。

用戶在第一個時段因為電價提升所多交的電費為：

S多1=p1×C01×t/60=685元

(18)

所有的響應(yīng)時段中，用戶因為電價提升所多交的電費為：

S多= ∑S多i=5 585.75元

(19)

對于其余非響應(yīng)時段，用戶使用電量：

E平=110×24-∑C0i×15/60=2 438 MWh

(20)

根據(jù)約束條件1，即p2×E平=S少≥S多，計算出：

p2≥0.002 29 元/kWh

(21)

步驟三：根據(jù)約束條件2來計算p2。

p2≥∑(p1i×ti)/(1 440-∑ti)≥0.001 84元/kWh

(22)

結(jié)合步驟二和三，應(yīng)取p2≥0.002 29元/kWh。

步驟四：實時需求響應(yīng)實施效果評估。

不采用實時需求響應(yīng)時，負(fù)荷零售商需要在現(xiàn)貨市場以0.8元/kWh元的電價進(jìn)行購電以彌補(bǔ)缺額電量37.5 MWh，但是對用戶的銷售電價仍然為0.5元/kWh，多承擔(dān)的購電成本：

Q不實施響應(yīng)=(p實-p0)×∑ΔCi×ti/60=11 250元

(23)

負(fù)荷零售商實施需求響應(yīng)的成本：

Q實施響應(yīng)=平時時段少收的電費-響應(yīng)時段多收的電費=p2×E平-∑(p1i×C0i×ti/60)

(24)

根據(jù)p2的具體取值，成本分析如表2所示?？梢娡ㄟ^對用戶實施實時需求響應(yīng)，是能夠規(guī)避從現(xiàn)貨市場上高價購電的風(fēng)險的，當(dāng)非響應(yīng)時段的下調(diào)電價幅度為0.002 29元/kWh時，是能夠完全規(guī)避這種風(fēng)險。為了提升用戶參與需求響應(yīng)的積極性，平時下調(diào)的電價可以適當(dāng)高于計算的電價，如本例中，只要平時下調(diào)的電價不高于0.006元/kWh，都能夠部分彌補(bǔ)因負(fù)荷缺額造成不得已在市場上購置高價電造成的損失。

表2 實時需求響應(yīng)實施效果對比

5 實時需求響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)概述

5.1 實時電價實用化需求解決的技術(shù)問題

前面已經(jīng)闡明，實時電價是最理想的電價模式[6]。但長期以來受到技術(shù)限制而無法走向?qū)嵱没渲饕獑栴}有以下幾點。

1)傳統(tǒng)技術(shù)對實時電價的實時性支撐不足。實時電價計算的基礎(chǔ)是負(fù)荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測，而傳統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測均難以做到實時。傳統(tǒng)計量系統(tǒng)以日、小時為單位進(jìn)行計量，難以支撐以分鐘為單位的實時結(jié)算。

2)與用戶友好互動的技術(shù)手段不足。傳統(tǒng)的電價信號的傳遞是通過電話和網(wǎng)站等手段告知用戶，無法滿足實時性要求。用戶響應(yīng)的結(jié)果往往是根據(jù)響應(yīng)記錄第二天進(jìn)行結(jié)算而無法滿足實時性。

3)用戶響應(yīng)自動化手段不足。傳統(tǒng)的響應(yīng)是用戶手動調(diào)整用電設(shè)備，生產(chǎn)方式等，而不是自動進(jìn)行。為了平抑新能源的間歇性和波動性就需要頻繁快速響應(yīng)，因此響應(yīng)必須是自動的，以避免用戶響應(yīng)疲憊[7]。現(xiàn)有的自動需求響應(yīng)雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)自動，但是通過由調(diào)度端直接控制的，無法讓用戶根據(jù)電價主動調(diào)節(jié)。

4)調(diào)節(jié)能力與響應(yīng)特性自動識別手段不足。系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行可調(diào)節(jié)能力的識別，在不同電價下系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)能力，從而獲知在不同供需情況下保證平衡應(yīng)實行的電價。系統(tǒng)應(yīng)能夠識別出不同類型負(fù)荷的響應(yīng)特性，從而進(jìn)行分類管理和調(diào)節(jié)控制。由于實時需求響應(yīng)必須是自動的，因此，這些識別也應(yīng)該是自動的。

實時電價和實時需求響應(yīng)能否實用化，關(guān)鍵看能否解決上述問題。

5.2 實時需求響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

實時需求響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)應(yīng)至少包括三大外部支持系統(tǒng)和四大功能模塊，這些系統(tǒng)和模塊都必須滿足實時性的要求。

圖5 實時需求響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

5.2.1 實時需求響應(yīng)的外部支持系統(tǒng)

1)數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。負(fù)責(zé)采集需求響應(yīng)需要有的數(shù)據(jù)以及設(shè)備的狀態(tài)等信息。該系統(tǒng)成為任何需求響應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)配，并且具備實時性。

2)負(fù)荷預(yù)測與發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)。包括對用戶設(shè)備的負(fù)荷預(yù)測和新能源等發(fā)電預(yù)測。一般情況下，負(fù)荷預(yù)測實時性不高。但隨著接入的間隙性、波動性的新能源的提高，對新能源的實時負(fù)荷預(yù)測將逐漸成為未來電網(wǎng)不可缺少的一部分。

3)電能計量計費系統(tǒng)。對響應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行計量和結(jié)算。當(dāng)前計量計費系統(tǒng)最多以小時為單位進(jìn)行計量，這是實時需求響應(yīng)推廣最大的技術(shù)阻礙。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，電能計量計費系統(tǒng)計量和結(jié)算的顆粒度將會越來越細(xì)，并具備分鐘級的計量功能，這個問題必然會被解決。

5.2.2 實時需求響應(yīng)系統(tǒng)模塊

1)實時電價計算模塊。該模塊首先建立實時電價的模型，在模型基礎(chǔ)上，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)負(fù)荷(發(fā)電設(shè)備等)的狀態(tài)，并根據(jù)由用戶實時友好互動模塊傳遞過來的當(dāng)前負(fù)荷設(shè)備可調(diào)節(jié)能力與響應(yīng)特性，快速計算出下一分鐘需要實施的實時電價，并將電價通過用戶友好互動模塊實時發(fā)送到用戶端智能決策與自動負(fù)荷控制模塊中。

2)用戶實時友好互動模塊。該模塊用于配網(wǎng)端與用戶之間的自動地實時地信息交互。實時交互的信息有配網(wǎng)端計算出的實時電價，用戶端識別出來的用戶負(fù)荷特性和可調(diào)節(jié)能力等。

3)監(jiān)測與負(fù)荷識別模塊。該模塊具有對負(fù)荷等用戶設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測的功能，監(jiān)測結(jié)果將反饋到配網(wǎng)側(cè)。另該模塊可以通過人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)識別負(fù)荷在不同電價下的可調(diào)節(jié)能力和響應(yīng)特性。

4)智能決策與自動負(fù)荷控制模塊。該模塊自動接收實時電價信息，根據(jù)用戶預(yù)定的響應(yīng)策略和負(fù)荷特性進(jìn)行智能決策，自動決定響應(yīng)方式并自動進(jìn)行負(fù)荷控制?？刂频男Ч赏ㄟ^電能計量計費系統(tǒng)反饋配網(wǎng)側(cè)。

5.2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備

第5.2.2節(jié)中第2、3、4模塊可以集成在一個用戶與電網(wǎng)交互的設(shè)備中。在能源互聯(lián)網(wǎng)下，用戶為了接入能源互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)通過能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備[26]進(jìn)行接入。能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備也是體現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶端特征、實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)供能和用能有關(guān)的各類服務(wù)的終端執(zhí)行設(shè)備。通過能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，可使用能設(shè)備可觀可測甚至可控，同時還能體現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各種特征，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)各類服務(wù)的用戶端執(zhí)行設(shè)備[28]。這些服務(wù)包括節(jié)能服務(wù)、調(diào)頻服務(wù)、功率平衡服務(wù)、新能源接入服務(wù)、需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)，甚至包括其他增值服務(wù)等(如差異化計費、用戶設(shè)備維護(hù)、能源供應(yīng)服務(wù)、電力云平臺服務(wù)、能源金融服務(wù))。因此，完整意義的能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備本身就具有友好互動、監(jiān)測與負(fù)荷識別、智能決策與自動負(fù)荷控制等功能。文獻(xiàn)[27]研制了一種能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備——能源USB。

一方面，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)使得實時需求響應(yīng)越來越必要；另一方面，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得實時需求響應(yīng)的實用化越來越可能；因此實時需求響應(yīng)將是未來重要的需求響應(yīng)手段之一。

6 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前實時電價和需求響應(yīng)存在的問題，提出了一種新型電力需求響應(yīng)：電力實時需求響應(yīng)。明確指出電作為一種供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)瞬間平衡的特殊商品，實時電價是一種能夠反映電力實時供需關(guān)系的電價，以這種實時電價為信號的需求響應(yīng)將有著其他需求響應(yīng)無法比擬的優(yōu)勢。隨著售電側(cè)放開、電力體制改革、綜合能源管理和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的形勢下，電力實時需求響應(yīng)必然成為未來主要的需求響應(yīng)方式之一。本文通過設(shè)備潛力聚合法，構(gòu)建了基于負(fù)荷調(diào)節(jié)能力模型電力實時需求響應(yīng)體系，并闡述了理論中的關(guān)鍵算法和求解過程。

模型的計算過程表明，該模型簡單，高效，避免了大量的冗長的優(yōu)化計算，特別適用于實時電價的實時計算。算例的結(jié)果表明，本文提出實時需求響應(yīng)理論能夠規(guī)避在負(fù)荷出現(xiàn)缺額時從現(xiàn)貨市場上購置高價電的風(fēng)險，部分平抑了分布式能源的波動性和間歇性。

實時需求響應(yīng)在促進(jìn)新能源消納、規(guī)避市場風(fēng)險、參與輔助服務(wù)、促進(jìn)削峰填谷和負(fù)荷整形、甚至對電網(wǎng)的二次調(diào)頻均有著一定的作用。