范 帥，危怡涵，何光宇，李祖毅

（1. 電力傳輸與功率變換教育部重點實驗室（上海交通大學），上海市 200240；2. 伊利諾伊理工大學電氣與計算機工程學院，芝加哥 60616，美國）

0 引言

中國提出建設以新能源為主導的新型電力系統(tǒng)，從源頭上為“碳達峰”和“碳中和”奠定了堅實的基礎(chǔ)［1-2］。然而，新能源雖然可以提供充裕的電能，但同時也大幅削弱了發(fā)電側(cè)的靈活調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)平衡壓力巨大［3］。調(diào)節(jié)能力的極度匱乏已成為新型電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

在廣域的電力需求側(cè)，大量的柔性負荷蘊藏著巨大的靈活調(diào)節(jié)潛力，如電動汽車、空調(diào)、熱水器、工業(yè)生產(chǎn)線等［4］。一方面，這類負荷占比很大，僅空調(diào)負荷就占諸多地區(qū)尖峰負荷50%以上；另一方面，這類負荷具備能量存儲特性，如果可以大規(guī)模地協(xié)同這些柔性負荷開展常態(tài)化的調(diào)節(jié)，就可以有效為上級電網(wǎng)提供所需的調(diào)節(jié)服務，從根本上彌補新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的不足［5］。

為此，國內(nèi)外都提出開展需求響應，引導需求側(cè)資源改變自身用電模式，幫助電網(wǎng)削峰填谷、消納新能源［6-7］。美國在此領(lǐng)域起步較早，PJM 等市場開展了緊急需求響應、經(jīng)濟需求響應等多類項目［8］。中國上海、廣東、江蘇、湖南等諸多省市也都開展了需求響應項目［9］。例如，上海市建設了需求側(cè)管理平臺，用于發(fā)布需求響應公告、公布需求響應績效等［10］，并開展約定響應和實時響應2 類項目，既有緩解電力供應不足的削峰需求響應［11］，也有用于緩解負備用緊張、提升新能源消納能力的填谷需求響應［12］。廣東省明確了現(xiàn)貨市場下的需求響應實施方案，引入了響應競價機制［13］。同時，虛擬電廠（virtual power plant，VPP）作為一種整合柔性負荷及分布式電源的聚合體，也可以通過需求響應參與電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)［14］。

然而，當前需求響應的實施規(guī)模、實施頻次都較為有限，產(chǎn)生的效果也未達到預期。據(jù)統(tǒng)計，2019 年全年8 省共實施需求響應25 次［15］，對電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)貢獻十分有限。2021 年上半年，廣東等地都面臨著缺電難題，需求響應補償達到競價上限4.5 元/（kW·h），卻僅吸引了不足總需求量10%的負荷削減，難以從根本上解決缺電的問題［16］。

此外，基于價格信號挖掘用戶調(diào)節(jié)潛力也是得到廣泛研究的需求響應機制。最為常見的是峰谷分時電價，但在實際應用中也出現(xiàn)了負荷倒掛反彈等現(xiàn)象［17］。近年來，國家發(fā)展和改革委員會也發(fā)布通知進一步完善分時電價機制［18］。

學界就如何開展和實施需求響應也進行了諸多探索。文獻［19］提出了現(xiàn)貨市場環(huán)境下售電商開展需求響應的相關(guān)機制；文獻［20］在其基礎(chǔ)上討論了如何確定需求響應的補貼定價；文獻［21-22］則設計了基于電力套餐的需求響應機制，提出了商業(yè)化發(fā)展框架；文獻［23-24］提出了基于獎勵券的需求響應機制，可借助社交媒體達到比傳統(tǒng)機制更好的推廣效果；為克服常規(guī)分時電價的不足，文獻［25］提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的個性化電價定制方法；文獻［26］提出了基于新能源消納貢獻的需求響應機制，可顯著提升系統(tǒng)新能源消納能力；文獻［27-28］提出了負荷準線的概念并設計了準線需求響應機制，可克服基線負荷存在的諸多爭議問題，量化用戶在需求響應中對系統(tǒng)平衡產(chǎn)生的實際貢獻；文獻［29］提出基于區(qū)塊鏈的需求響應機制，具有高可用性、低違約性的優(yōu)勢；文獻［30-31］采用長短期記憶網(wǎng)絡、Q學習網(wǎng)絡等人工智能算法改進了現(xiàn)有的需求響應實施方案。

隨著雙碳目標的快速推進和新能源發(fā)電的大力建設，新型電力系統(tǒng)也對需求響應提出了全新的期望和要求［32］，因此，有必要對需求響應機制的發(fā)展特征、分類方式、研究現(xiàn)狀以及在未來的適應性等方面進行全面的探討與分析。首先，本文分析了新型電力系統(tǒng)下需求響應可發(fā)揮的作用及其應具備的特征；其次，針對當前需求響應機制種類繁多、分類不明的問題，提出按照需求響應中用戶貢獻評價方式進行分類，即非直接評價型與直接評價型，并進一步明確為價格型、基線型、準線型，分別介紹了各類需求響應機制的研究現(xiàn)狀；進而，分析了各類機制在新型電力系統(tǒng)下的適應性，指出了價格型、基線型機制存在的局限性，對比論證了準線型需求響應在新型電力系統(tǒng)下的應用優(yōu)勢，也指出了準線型需求響應有待解決的問題；最后，提出了需求響應機制的發(fā)展與展望。

1 新型電力系統(tǒng)下需求響應的作用與特征

1.1 需求響應在新型電力系統(tǒng)中的作用

新型電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機組占比大幅削弱，新能源將成為電能的主要提供者。無論是何種新能源形式，其出力能力通常都取決于外部環(huán)境，難以人為控制，不僅無法隨負荷波動調(diào)節(jié)，還給系統(tǒng)運行引入了更多的調(diào)節(jié)負擔。傳統(tǒng)火電機組是以往電力調(diào)節(jié)的主力軍，但其在新型電力系統(tǒng)中占比非常有限，無法應對新能源和負荷雙側(cè)疊加的波動。由此可見，無論以哪種類型的新能源為主導，發(fā)電側(cè)的調(diào)節(jié)能力都將大量、持續(xù)地缺乏，這也成為新型電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

另一方面，電力需求側(cè)大量的柔性負荷可以通過諸多模式參與到系統(tǒng)運行中，如參與需求響應、參與輔助服務、參與新能源交易、參與中長期市場等［33］。上述不同的模式在用戶類型、實施目的、研究基礎(chǔ)等方面都有所不同。其中，需求響應在政策成熟度、用戶準入門檻等方面的要求都相對較低，中國諸多地區(qū)也都有研究和應用的基礎(chǔ)。隨著新型電力系統(tǒng)中需求側(cè)數(shù)字化、智能化水平的大幅提升，需求響應必將得到快速的發(fā)展，使大量的柔性負荷發(fā)揮聚沙成塔的效益，成為新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的主要來源之一。

1.2 新型電力系統(tǒng)下需求響應應具備的特征

新型電力系統(tǒng)將持續(xù)面臨巨大的調(diào)節(jié)負擔，需求響應也應得到大規(guī)模推廣和常態(tài)化實施。在此背景之下，需求響應機制應當具備全新的特征和發(fā)展目標［32，34］。為適應以新能源為主導的新型電力系統(tǒng)，需求響應機制首先應具備規(guī)?；?、常態(tài)化特征；同時，為使需求響應機制規(guī)模化、常態(tài)化實施具備可行性，還應具備輕量化、趣味化特征。因此，本文將新型電力系統(tǒng)下需求響應具備的特征總結(jié)為“四化”，包括：規(guī)模化、常態(tài)化、輕量化、趣味化。下文就“四化”特征做簡要分析：

1）規(guī)?；阂髴斢写罅?、多元的用戶群體參與到需求響應中。新型電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)能力缺口巨大，只有大幅提高需求響應用戶的占比，形成規(guī)?；枨箜憫膱?zhí)行效果才有充足的保障，才能顯著提升新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。此外，實現(xiàn)“雙碳”目標已成為中國重要的戰(zhàn)略目標，開展需求響應是將“社會”這一要素與能源系統(tǒng)有機融合的最佳手段［35］，規(guī)?；男枨箜憫獙⒅崿F(xiàn)人人可參與、人人皆參與的新型電力系統(tǒng)。

2）常態(tài)化：要求需求響應持續(xù)不斷地實施，成為新型電力系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)手段之一，而非僅在“非常時刻”開展。例如，在整個夏季可不間斷地開展需求響應，緩解負荷居高不下、水電滿發(fā)、新能源波動等帶來的調(diào)節(jié)難題。同時，常態(tài)化開展可以大幅提升VPP 等新業(yè)態(tài)的利用率和參與度，確保其良性健康發(fā)展。

3）輕量化：對需求響應實施流程的要求，即從機制的前期組織、執(zhí)行準備、實際響應、激勵分配等全流程來看，政府主管部門、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶都無須投入過多新的工作和設備。輕量化是機制大規(guī)模推廣、常態(tài)化實施的必要條件。

4）趣味化：對需求響應激勵形式的要求，應充分激發(fā)用戶參與需求響應的內(nèi)在動力，將單純給予用戶經(jīng)濟補貼拓展為提升用戶的參與感、娛樂感、榮譽感、獲得感等綜合收益。

2 需求響應分類方式及研究現(xiàn)狀

在分析各種需求響應機制能否滿足上述“四化”特征前，本章對現(xiàn)有機制進行分類，并分別討論其研究現(xiàn)狀。

2.1 需求響應分類方式

分類的基礎(chǔ)是確定分類原則?，F(xiàn)有研究依據(jù)是否直接采用電價作為響應引導信號，將需求響應分為價格型和激勵型2 類［7］。其中，常見的價格型需求響應包括峰谷分時電價、動態(tài)實時電價機制等［36］；激勵型需求響應則包括可中斷負荷、直接負荷控制、緊急電力需求響應等。但是，諸多研究提出的需求響應機制也并非典型的價格型或激勵型，例如基于電力套餐的需求響應機制［21］、基于獎勵券的機制［23-24］、基于新能源消納貢獻的機制［26］、基于負荷準線的需求響應［27-28］等。由此可見，單純依據(jù)是否涉及電價信號進行分類較為粗略，無法從本質(zhì)上區(qū)分各類機制，更不是需求響應能否滿足“四化”特征的關(guān)鍵性因素。

事實上，無論何種需求響應機制，其目標都是引導用戶友好用電，使其有助于系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。因此，如何評價用戶參與需求響應對系統(tǒng)產(chǎn)生的貢獻尤為重要，是機制能否滿足“四化”特征的關(guān)鍵因素。

為此，本文提出一種全新的分類原則：圍繞用戶的實際負荷曲線，按照用戶對系統(tǒng)產(chǎn)生貢獻的評價方式對需求響應機制進行分類，如圖1 所示。

圖1 需求響應機制分類示意圖Fig.1 Schematic diagram of classification of demand response mechanisms

依據(jù)用戶對系統(tǒng)貢獻的評價方式，可分為非直接評價和直接評價2 類。其中，非直接評價主要是指價格型需求響應，而直接評價又可根據(jù)評價時的基準曲線分為基線型和準線型需求響應2 類：基線型需求響應是以假設自身不參與響應時的基準值為參考評價用戶貢獻，比較對象是自身，評價要點是用戶自身努力程度；準線型需求響應是以系統(tǒng)給出的理想負荷形狀為參考評價用戶貢獻，比較對象在外部，評價要點是用戶對系統(tǒng)的友好程度。

為了便于討論，后文將需求響應總體劃分為價格型、基線型和準線型3 類。

2.2 價格型需求響應

價格型需求響應是指采用電價的變化引導用戶改變原有的用電方式。美國很多地區(qū)都制定了居民分時電價，如PG&E 公司將電價分為夏季和冬季兩大類型，其中夏季又按照1.3∶1∶0.8 的比例劃分峰、平、谷電價。英國和澳洲也均有地區(qū)采用分時電價套餐，如澳洲區(qū)分居民和工商業(yè)用戶，面向不同用戶類別進一步細分不同的方案，所得不同方案在價格折扣、折扣條件、計劃執(zhí)行時長、計劃退出費用等方面都存在差異。中國早在1984 年就開始試行峰谷電價，峰谷價差一般限定在2～3 倍；2003 年電力體制改革后又大力推行分時電價機制，目前國內(nèi)諸多省市都采用了分時電價，價差比例各不相同［37］。以山東省為例，電價劃分為峰價（08：30—11：30，16：00—21：00）、平價（07：00—08：30，11：30—16：00，21：00—23：00）和谷價（00：00—07：00，23：00—00：00）三段。上海市采用的分時電價對不同季節(jié)、不同類型和不同規(guī)模用戶都有所區(qū)分［38］，其時段劃分方式如附錄A 圖A1—圖A3 所示。隨著新能源的快速發(fā)展，部分學者提出了通過分時電價機制提升電力供應能力［39］，國家發(fā)展和改革委員會也出臺政策要求進一步優(yōu)化完善分時電價機制［18］。

分時電價的應用難點在于如何確定價格的浮動率。文獻［40］最早提出基于價格彈性矩陣來對用戶的需求-價格彈性進行建模，包含自彈性和互彈性等指標，當前諸多研究也都基于類似的彈性矩陣方法展開［41-42］。為了確定彈性系數(shù)，文獻［43］采用統(tǒng)計學方法，基于多維度價格-需求函數(shù)表征用戶行為；文獻［44］考慮了電力價格、家庭收入、家庭規(guī)模、戶主年齡、環(huán)保意識等因素，基于調(diào)查問卷和江蘇統(tǒng)計年鑒獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)開展了彈性系數(shù)的測算；文獻［45］采用歐盟1996—2016 年的居民與工商業(yè)電力用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于動態(tài)面板數(shù)據(jù)模型得到用戶彈性系數(shù)的區(qū)間；文獻［46］計算了澳大利亞南部地區(qū)的價格彈性系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同時間、不同用戶類型的價格彈性均不相同，提出應在設置電價浮動率前對目標地區(qū)開展試驗。由此可見，電價浮動率的設置較強地依賴于試驗統(tǒng)計信息，且價格彈性與個體類型、時間環(huán)境等外界因素均有很強的關(guān)聯(lián)性，精準估計價格彈性系數(shù)在實際應用中非常困難。

除分時電價外，也有研究將電力市場的節(jié)點邊際電價直接反映到用電側(cè)形成動態(tài)變化的實時電價［47］。但從實際應用來看，國內(nèi)尚未有相關(guān)試點，國外也僅在小規(guī)模電網(wǎng)中進行了嘗試［48］。其原因在于，電價是國民經(jīng)濟的重要指標，電價的制定和調(diào)整必須充分考慮發(fā)電、輸電、配售電等各方利益，發(fā)揮其優(yōu)化資源配置、組織生產(chǎn)、促進流通、平衡利益等一系列重要作用。在中國，電價也受到高度重視，需由政府主管部門（發(fā)改、物價等）嚴格管理，隨機性過強的動態(tài)電價實施可行性不足。因此，分時電價機制基本代表了價格型需求響應，后續(xù)探討也主要以分時電價為對象。

2.3 基線型需求響應

基線型需求響應是指以基線負荷作為用戶貢獻評價標準的需求響應機制?；€負荷是指如果不實施需求響應，用戶可能出現(xiàn)的負荷曲線［49-50］。例如，圖2 中黑色虛線即表示用戶基線負荷，實際運行中11：00—20：00 用戶參與了需求響應，實際負荷如綠色實線所示，因此，即認為該用戶的負荷削減量為基線負荷與實際負荷的差值，如圖2 中的紅色實線所示，也是用戶產(chǎn)生的貢獻?；谪摵上鳒p量和補償單價，可對應計算該用戶在需求響應中的經(jīng)濟效益［50］。附錄A 表A1 總結(jié)了上海市2020—2021 年5 次開展基線型需求響應的詳細方案。在研究領(lǐng)域，文獻［23-24］提出的通過獎勵券開展需求響應也是采用基線負荷計算用戶貢獻，因此同樣可看作為基線型需求響應。

圖2 基線型需求響應效果評價示意圖Fig.2 Schematic diagram of performance evaluation of customer baseline load based demand response

基線型需求響應的要點和難點在于如何公平、準確、高效地為每一個參與用戶制定基線。目前，大多數(shù)地區(qū)都采用基于特定日歷史數(shù)據(jù)平均值的方法。美國各電力市場采用HighXofY 法，即以過去未開展需求響應的Y 天的負荷曲線作為歷史數(shù)據(jù)集，按一定規(guī)則選取其中X 天的負荷曲線取平均值作為基線負荷［51］。例如，PJM 市場在工作日采用High4of5，周末采用High2of3；New York ISO 在工作日采用High5of10，周末同樣采用High2of3［51］。中國各地大多也采用類似的平均值法確定基線。例如，2020 年上海迎峰度夏需求響應中，約定8 月21 日為響應日，則將用戶8 月17—20 日的負荷曲線平均值作為基線負荷［11］；實時的需求響應則采取前1 h 負荷作為基線，詳見附錄A 表A1 總結(jié)。

在研究領(lǐng)域，諸多文獻提出基于擬合、聚類、人工智能等方法的基線算法，以獲得更高的精確度。文獻［50］提出基于回歸的方法，可以考慮歷史負荷、溫度、濕度或日出/日落等外部信息；文獻［52］基于歷史負荷特性對用戶進行分類，再分別計算基線；文獻［53］考慮了多種環(huán)境因素，并納入小時、日等多維度的時間信息，基于分類和概率模型對基線負荷進行精細化預測；文獻［54］采用人工智能的方法，提出基于棧式自動編碼器的居民基線負荷估計算法，具備較高的精確度和魯棒性，可以應對異常負荷數(shù)據(jù)。當然，上述研究需要大量的數(shù)據(jù)支撐，多屬于黑箱式預測算法，在數(shù)據(jù)采集、通信存儲、用戶接受度等方面仍存在諸多難點，實際中鮮有應用。

2.4 準線型需求響應

準線型需求響應是采用文獻［27-28］中提出的負荷準線作為評價標準的需求響應機制。如果說基線是在衡量用戶相對自己改變了多少，有多少個用戶就需有多少條基線，那么準線則描述了什么樣的負荷是對系統(tǒng)友好的，并用該曲線引導多元的用戶自主進行響應。因此，準線型需求響應是一種以目標為導向的機制。為便于后文與基線型、價格型機制的對比，本節(jié)簡要介紹其實施流程，可以總結(jié)為3 個步驟，如圖3 所示。

圖3 準線型需求響應機制示意圖Fig.3 Schematic diagram of customer directrix load based demand response mechanism

1）電力部門根據(jù)調(diào)節(jié)需求，制定并向全社會發(fā)布負荷準線。負荷準線是指可良好平抑系統(tǒng)內(nèi)不可調(diào)節(jié)資源（新能源、剛性負荷等）產(chǎn)生的波動的理想負荷曲線的輪廓形狀。一般而言，可在扣除新能源出力后將凈負荷曲線翻轉(zhuǎn)，并取其輪廓線的形狀作為準線。參與需求響應的負荷，與負荷準線形狀相似度越高，就說明其對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的貢獻越大；換言之，任何參與需求響應的用戶只需在能力范圍內(nèi)調(diào)整用電方式，使其自身負荷曲線盡量接近準線即可。當然，實際中也可以根據(jù)負荷尖峰等信息，采取特別的手段處理準線（如加權(quán)修正等）。

2）廣大報名參與需求響應的用戶（只需具有獨立表計即可）在準線的引導和激勵之下，各自調(diào)整負荷曲線以接近負荷準線。負荷準線僅為用戶提供了一個自主響應的目標，并非要求用戶將負荷曲線完全調(diào)整為準線。用戶可以在基本不影響自身工作和生活的前提下，對用電習慣做輕微調(diào)整，使負荷曲線與準線盡可能接近。準線型需求響應不提倡少數(shù)用戶為參加需求響應大力改變其用電方式，更希望大規(guī)模用戶輕微改變用電習慣，發(fā)揮規(guī)模化推廣的優(yōu)勢，顯著提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。

3）電力部門在事后以用戶實際負荷曲線與準線的接近程度進行激勵。準線型需求響應是根據(jù)實際負荷曲線與準線的接近程度進行評價，而非負荷削減大小，這與基線型需求響應有著本質(zhì)差異。接近程度越高，說明這個用戶是有助于電力平衡、新能源消納的電網(wǎng)友好型用戶，也是需求響應希望引導的方向。此外，由于用戶行業(yè)不同、規(guī)模大小不同，評價也可分賽道進行。

3 不同需求響應機制的適應性分析

本章基于第1 章提出的需求響應“四化”特征，分別討論各類機制在新型電力系統(tǒng)下的適應性。

3.1 價格型需求響應適應性分析

分時電價作為最具代表性的價格型需求響應機制，在實施過程中相對簡單，具備常態(tài)化實施的特征，也便于大規(guī)模推廣。但是，分時電價在實際中仍面臨諸多問題，如峰谷倒掛現(xiàn)象。以中國山東省為例，現(xiàn)貨市場電價的最高峰多次出現(xiàn)在07：00 左右，并非分時電價的峰時段；相反，在峰價時段，現(xiàn)貨電價卻大幅下降［17］。

新型電力系統(tǒng)中，新能源大力發(fā)展、儲能日益增加、負荷側(cè)日漸靈活多變，預先設定分時電價的辦法可能很難發(fā)揮出其預想的調(diào)節(jié)效果，具體問題包括：

1）難以準確、動態(tài)地反映調(diào)節(jié)需求。峰、谷、平的時段劃分通常依據(jù)典型負荷統(tǒng)計規(guī)律形成，而如今電源結(jié)構(gòu)、負荷類型變化迅速，真實的峰谷時段可能隨之改變，峰谷錯位倒掛現(xiàn)象由此產(chǎn)生。同時，隨著需求響應的大規(guī)模推廣，典型負荷已難以統(tǒng)計描述，新型電力系統(tǒng)每天的峰谷時間可能是不斷變化甚至差異巨大的。然而，面向用戶的零售電價核定流程相對復雜，不便于動態(tài)調(diào)節(jié)。采用事前既定的分時電價去引導用戶，類似于刻舟求劍，難以發(fā)揮預期效果，甚至會起到反作用。

2）即使分時電價的峰谷劃分完全準確，也并沒有給出明確的調(diào)控目標，容易過調(diào)、欠調(diào)、反彈等。除時段劃分之外，合理確定高峰電價與低谷電價浮動率也是面臨的難題。理論研究大多基于價格彈性系數(shù)等［45］，需建立在充分的試驗和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上［46］；但另一方面，電價調(diào)整又是嚴肅且敏感的話題，無法頻繁調(diào)整試錯，實際中更多是依據(jù)經(jīng)驗值加以設定。過于激進的浮動率容易造成新的負荷“峰”與“谷”；反之，過于保守的浮動率則難以調(diào)動用戶響應積極性。

3）只能利用日級別的靈活性，無法利用小時乃至分鐘級別的靈活性。目前，峰谷分時電價機制一般將全天分為3～4 個價格段，用戶需將峰時的用電挪到平或谷時段才能套利，這就要求用戶具有日級別的用電靈活性，如將工廠生產(chǎn)計劃調(diào)整到谷電時段。但實際中很多負荷的靈活性體現(xiàn)在分鐘/小時級別，如空調(diào)可以早開15 min、熱水器可以停用30 min，但這些負荷并不便于在峰、平、谷這樣較粗大的時間尺度上去轉(zhuǎn)移，也就無法充分地挖掘其靈活調(diào)節(jié)潛力。最明顯的就是冬夏季大規(guī)模使用的空調(diào)負荷，雖然空調(diào)在負荷尖峰時段占比超過50%且具備較好的柔性調(diào)節(jié)能力，但如果僅依靠分時電價從粗大的時間段上進行引導，空調(diào)的靈活性就基本無法發(fā)揮。

4）激勵與電價完全耦合，商業(yè)模式靈活性不足。分時電價對大規(guī)模的工業(yè)用戶而言更偏向于一種需求管理手段，影響非常大。但對廣大居民用戶、公共單位等而言，分時電價起到的激勵作用又非常有限。同時，隨著新型電力系統(tǒng)的建設，VPP 等新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，依靠分時電價套利的商業(yè)模式靈活性不足，很難維持這些新興主體的可持續(xù)發(fā)展。

總體而言，以分時電價為代表的價格型需求響應雖易于常態(tài)化實施，推廣也相對容易，但因完全依賴于電價調(diào)節(jié)而使得該機制靈活性受限，對用戶的用電需求引導也并不直接，很難支撐新型電力系統(tǒng)對需求側(cè)發(fā)揮調(diào)節(jié)能力的迫切要求。

3.2 基線型需求響應適應性分析

基線型需求響應是目前諸多省市試點的需求響應項目，但已出現(xiàn)響應規(guī)模不足、執(zhí)行頻次不高的問題。2021 年4 月，為緩解電力緊缺的問題，中國廣東省實施了需求響應，激勵單價競價結(jié)果已達“天花板”價格（4.5 元/（kW·h）），約為燃煤標桿價的10 倍，但參與積極性不高，難以從根本上解決電力緊缺問題［13］。在學界，已有諸多文獻指出了基線負荷存在的爭議和不足，包括難以精確計算［55］、集中化程度過高［28］、用戶可能造假［50］、不能反映用戶真實貢獻［27］等。從新型電力系統(tǒng)的發(fā)展來看，基線型需求響應也難以滿足“四化”特征：

1）無法適應規(guī)?；_展的要求?；€型需求響應相對繁瑣，實施方需在事前為每個用戶計算基線負荷，并據(jù)此向用戶發(fā)出邀約。在規(guī)?；瘜嵤┣闆r下，制定數(shù)百萬用戶基線、向其發(fā)出邀約、確認邀約等過程，會帶來巨大的通信、存儲和計算負擔。同時，不同用戶必然有不同的基線，實施方可能會懷疑用戶是否有意改變基線，用戶反過來也會質(zhì)疑計算得到的基線是否準確、公平，容易引發(fā)雙方爭議，相關(guān)案例已屢見不鮮。例如，美國Rumford 造紙廠就在需求響應中因基線造假爭議被聯(lián)邦能源管理委員會處罰300 萬美元［56］。

2）無法適應常態(tài)化開展的要求。新型電力系統(tǒng)需要常態(tài)化的調(diào)節(jié)能力，因此，需求響應也應當作為一種重要調(diào)節(jié)手段得到常態(tài)化實施，這與每年一兩次、每次幾小時的需求響應完全不同。當需求響應連續(xù)數(shù)日實施時，用戶不再具有典型的未參與需求響應時的負荷曲線，此時也無法按照相關(guān)標準去計算基線。此外，對聚合了諸多自發(fā)電設備（光伏、柴油發(fā)電機等）和儲能系統(tǒng)的VPP 而言，與電網(wǎng)連接的邊界節(jié)點功率值可能有很大的調(diào)整空間，即便有豐富的歷史負荷曲線，也很難為其確定基線負荷［57］。

3）機制的激勵效果與可持續(xù)性不強。基線型需求響應機制在很大程度上依賴于經(jīng)濟補貼，需要付出很大的成本去改變那些長期占用峰荷、占用爬坡資源的不良負荷［58］，并未形成一種良性的供需友好互動形態(tài)，很難規(guī)?；⒊B(tài)化地持續(xù)進行。

3.3 準線型需求響應適應性分析

相比于基線型和價格型需求響應，準線型需求響應更加有利于需求響應的大規(guī)模推廣和常態(tài)化實施，同時因其足夠簡單而具備輕量化特征，也可為趣味化的激勵形式奠定基礎(chǔ)。

為了更加深入地探討其在新型電力系統(tǒng)下的適應性，下文將準線型需求響應與價格型、基線型需求響應分別進行對比分析。

3.3.1 與價格型需求響應的對比

3.1 節(jié)總結(jié)了以分時電價為代表的價格型需求響應存在的問題，包括引導信號不準確、過調(diào)或欠調(diào)、靈活性利用不足、缺乏商業(yè)模式等。相比而言，準線型需求響應則可以良好地解決這一系列問題，如表1 所示。

表1 價格型需求響應與準線型需求響應的特征對比Table 1 Characteristic comparison of price-based demand response and customer directrix load based demand response

1）準確設置引導信號方面。負荷準線與分時電價類似，都是一種引導信號，但分時電價是間接引導，而準線則是直接給定負荷調(diào)整的目標。準線型需求響應機制的基本思路是引導可調(diào)資源去滿足不可調(diào)的剛性負荷、新能源發(fā)電等，準線是依照每天實際負荷及新能源波動計算得到的，反映了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的客觀需求。與預先設置的分時電價相比，準線可以更加直接、準確地引導用戶何時多用電、何時少用電。同時，準線并不直接涉及電價，可以更加靈活地進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

2）響應效果方面。分時電價只能通過不同的電價階梯促進用戶在低價時多用少發(fā)、高價時少用多發(fā)，但并沒有具體的與功率值有關(guān)的引導信號。與之不同，準線型需求響應機制直接給出了負荷調(diào)控需要滿足的形狀，相當于為每一個參與者提出了具體的可量化的調(diào)控目標。一旦用戶出現(xiàn)過調(diào)節(jié)，其自身收益也必然下降，理性的用戶便不會有動機去過度響應；如果所有的用戶都按所給目標進行調(diào)控，則全天的峰谷差也會得到最大化的消減。

3）靈活性利用方面。與分時電價機制不同，準線型需求響應機制給出的是連續(xù)的功率變化引導信號，可以比價格信號更加精細，這些分鐘/小時級的靈活性都可以得到有效利用。同時，在規(guī)模化推廣、常態(tài)化實施下，將有多樣的商業(yè)模式涌現(xiàn)，新型電力系統(tǒng)所需要的靈活性將大量迸發(fā)。

4）商業(yè)模式方面。首先，準線不直接涉及電價，既確保該方式不是一種強制管理措施，更賦予主管部門足夠的可操控性，可根據(jù)實際需求對準線加以調(diào)整，如按需對準線分段、加權(quán)、微調(diào)等，也可依據(jù)用戶特性分賽道開展。同時，得益于其靈活性，準線需求響應可支持多元的商業(yè)模式。例如，大用戶以常態(tài)化實施保障其可持續(xù)收益，居民小用戶則采用固定收益與期望收益相結(jié)合的方式。在宣傳到位的情況下，可形成明顯的財富效應、傳播效應，實現(xiàn)電網(wǎng)、用戶與社會的多方共贏。

3.3.2 與基線型需求響應的對比

3.2 節(jié)總結(jié)了基線型需求響應存在的問題，主要包括難以規(guī)?；茝V、常態(tài)化實施，以及激勵效果與可持續(xù)性不強。相比較而言，準線型需求響應能夠很好地解決這些問題：

1）規(guī)?；c常態(tài)化。從響應執(zhí)行前來看，準線型需求響應無須再為每個用戶單獨計算基線，也就無須事先和單個用戶進行交互，從而避免了計算基線等步驟，在規(guī)模化、常態(tài)化實施時更加簡單且公平。同時，準線的計算不再依賴于用戶的歷史負荷，在連續(xù)數(shù)日甚至數(shù)月的常態(tài)化開展中，也不再存在基線無法制定的問題。從響應執(zhí)行過程來看，準線型需求響應并不關(guān)注用戶歷史曲線如何，只在乎用戶實際為電網(wǎng)作出了多大貢獻，易于規(guī)?；茝V。此外，多個用戶的負荷之間可能具有互補性，聚合后總負荷與負荷準線更加相似。已有研究提出了基于準線型需求響應的用戶自組織聚合機制，可從根本上促進VPP 等聚合模式的自發(fā)形成［59］。

2）激勵效果與可持續(xù)性。在某種程度上，準線型、基線型需求響應都是一種“評價并激勵”的方式。但是，準線型與基線型需求響應在評價方式和激勵方法上存在本質(zhì)差異，其效果也有很大的不同。

基線型需求響應中，激勵價格雖然非常高（如廣東省的激勵價格達到了4.5 元/（kW·h）），但這個價格即便對于一個最高負荷為10 kW 的居民用戶而言，哪怕是把全部負荷都削減1 h，能獲得的補貼也只有45 元，吸引力仍非常有限，且實際中大多數(shù)用戶很難削減到10 kW 負荷。另一方面，4.5 元/（kW·h）這個價格對儲能、VPP 而言是極具吸引力的，但由于目前基線型需求響應開展次數(shù)非常有限，極低的年利用小時數(shù)導致其商業(yè)模式不可行，單靠這個收益，VPP 很難得到有效激勵與發(fā)展。

準線型需求響應滿足“四化”特征，激勵方法簡單直接，效果也更明顯。對大用戶而言，準線型需求響應強調(diào)提供可持續(xù)的商業(yè)模式，通過常態(tài)化實施保障VPP 等的良性發(fā)展。對中小型用戶而言，可充分發(fā)揮跨界思維［60］，如借助互聯(lián)網(wǎng)社交中的紅包抽獎等形式吸引用戶參與。由此，中小型用戶可通過輕微調(diào)整用電方式，獲得贏取大額收益的機會，從而可以在社會上形成財富效應、傳播效應，賦予用戶更強的參與感、娛樂感、榮譽感、獲得感。

3）激勵的公平性。準線型需求響應以用戶對電力平衡、促進新能源消納的實際貢獻作為激勵依據(jù)，而基線型需求響應更關(guān)注用戶相對自身的改變程度，因此在多個用戶橫向比較時，準線型需求響應具有更強的絕對公平性。若從用戶與自身的縱向比較來看，只要根據(jù)準線改善自身負荷，就能達到更佳的響應效果以獲得更多的激勵，因此，準線型需求響應也具有相對公平性。此外，由于基線是一條人為制定的假想曲線，并非真實存在，其客觀性、準確性及用戶的認可性都會影響需求響應的公平激勵。

除了上述優(yōu)勢以外，表2 也總結(jié)了執(zhí)行前、中、后2 類機制的主要特征。不難發(fā)現(xiàn)，準線型需求響應從實施的流程來看比基線型更為簡易，特別是在規(guī)?；?、常態(tài)化應用的情況下，對新型電力系統(tǒng)的支撐作用更加顯著。

表2 基線型與準線型需求響應的實施流程對比Table 2 Comparison of implementation process of customer baseline load based demand response and customer directrix load based demand response

3.3.3 對比小結(jié)

基于上述討論，下文圍繞是否滿足“四化”特征對比3 類機制，如表3 所示。價格型需求響應實施過程中雖具備輕量的特征，推廣應用并不困難，但價格的時段劃分、浮動率設置等都面臨諸多難題，且電價作為敏感問題很難靈活調(diào)整，也無法融入趣味化機制；基線型需求響應并非為規(guī)模化、常態(tài)化設計，過程較為繁瑣，難以作為新型電力系統(tǒng)重要的常態(tài)化調(diào)節(jié)手段；準線型需求響應具備輕量化、趣味化特征，由此保障其大規(guī)模推廣、常態(tài)化應用。

表3 不同機制滿足“四化”特征的對比Table 3 Comparison of four characterized features satisfied by different mechanisms

3.3.4 待研究的問題

準線型需求響應雖在機制上具備較大的優(yōu)勢，但目前尚處于理論研究的初步階段，仍有諸多問題有待深入研究和解決：

1）不確定性問題。準線取決于新能源、剛性負荷的變化趨勢，如何克服這些不可控資源的不確定性對準線制定產(chǎn)生的影響是重要的問題。研究中需注意，準線強調(diào)變化趨勢而非精確的數(shù)值。

2）分區(qū)實施問題。受電力網(wǎng)絡約束的影響，準線型需求響應在不同地區(qū)實施時還應進一步考慮線路阻塞、臺區(qū)容量等問題，可在文獻［27］的基礎(chǔ)之上，采用潮流轉(zhuǎn)移因子等簡易的方法計算不同區(qū)域的負荷準線，進而開展分區(qū)的準線型需求響應。

3）單設備小用戶的響應問題。當用戶設備類型單一時，其跟隨準線的能力將非常有限。此時，可開展自組織聚合的研究［60］，鼓勵單設備小用戶自發(fā)地與具有互補特性的其他用戶形成聯(lián)盟，共同響應負荷準線。其中，自組織聚合的條件、流程和利益分配等都待進一步研究。

4 需求響應機制的發(fā)展與展望

上述研究探討了價格型、基線型、準線型需求響應在新型電力系統(tǒng)下的適應性，提出準線型需求響應能更好地滿足“四化”特征，可顯著提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。下文對其在未來的發(fā)展進行展望：

1）必要性。新型電力系統(tǒng)以新能源發(fā)電為主導，發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)能力嚴重下降，儲能集群雖可在一定程度上加以彌補，但其建設成本高、運維難度大、控制要求高、市場機制復雜［61］，新型電力系統(tǒng)不能也不應該完全依賴于儲能進行調(diào)控。相應地，準線型需求響應易于規(guī)?；茝V、常態(tài)化實施，可充分挖掘并協(xié)同廣域需求側(cè)高效且經(jīng)濟的調(diào)節(jié)潛力，與儲能集群共同提供新型電力系統(tǒng)必不可缺的靈活性。

2）可行性。從技術(shù)層面來看，開展準線型需求響應不依賴于新設備、新技術(shù)，在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上即可完成；從應用推廣來看，其實施流程較基線型需求響應有極大簡化，且大規(guī)模推廣時無需過多的增量投入；從商業(yè)模式來看，準線本質(zhì)上是描述并規(guī)定了系統(tǒng)內(nèi)各成員的調(diào)節(jié)責任，后續(xù)可基于準線構(gòu)建以調(diào)節(jié)貢獻為核心的市場機制，在“誰受益、誰付費”的原則下考核新能源產(chǎn)生的調(diào)節(jié)需求［62］，確保需求響應補貼激勵資金來源的合理性與持續(xù)性。

3）重要性。新型電力系統(tǒng)會影響到每一個人，其成功實施也依賴于每一個人。準線型需求響應可吸引廣大用戶融入新型電力系統(tǒng)的運行，是促進“社會”元素與能源系統(tǒng)有機融合的最佳途徑，也是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)友好互動最簡單、最輕量的方式。在人人可參與、人人皆參與的需求響應機制下，每個人都可為“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)作出貢獻。

5 結(jié)語

隨著雙碳目標的快速推進，建設以新能源為主導的新型電力系統(tǒng)已成為電力領(lǐng)域最迫切、重要的研究課題和應用需求。新型電力系統(tǒng)并非新能源發(fā)電設備的簡單并入與疊加，而是整個能源系統(tǒng)的革命，需求響應機制也同樣需要顛覆性研究。

在此背景下，本文明確指出新型電力系統(tǒng)亟待全新的需求響應機制，且這一機制須具備規(guī)?；?、常態(tài)化、輕量化、趣味化的“四化”特征。進一步，重新定義了需求響應機制的分類方法，按用戶貢獻評價方式將機制劃分為價格型、基線型和準線型3 類。分析了在新型電力系統(tǒng)下3 類機制的適應性，并將準線型需求響應機制與價格型、基線型需求響應機制逐一對比，指出準線型需求響應機制具備“四化”特征，可良好地支撐新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。

下一步的研究應當基于需求響應的“四化”特征要求，結(jié)合不同地區(qū)能源系統(tǒng)的具體情況，解決準線制定所面臨的不確定性處理、分區(qū)計算等技術(shù)問題，設計新型電力系統(tǒng)下需求響應的實施細則、流程和激勵補償規(guī)則。另一方面，除需求響應以外，需求側(cè)資源還可通過參與輔助服務市場等多種方式支撐新型電力系統(tǒng)運行，后續(xù)研究也應進一步探索不同模式的發(fā)展路徑和互補關(guān)系。

感謝張思遠、張沛超、洪居華、楊世海、郭炳慶、李康平等專家對本文工作的寶貴意見。

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