毛曉波 沈博文 鄭 旭

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇 無錫 214100）

0 引言

受持續(xù)極端高溫天氣、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟恢復增長、南方水電大幅減發(fā)等因素影響，2022年度夏保供較往年尤其特殊，任務尤為艱巨：一是用電負荷高峰到來之早、持續(xù)之長、增幅之大前所未有；二是降溫負荷之高、短時供電缺口之大前所未有；三是省間中長期市場和現(xiàn)貨市場競爭之激烈前所未有[1]。迎峰度夏以來，河南省用電負荷快速攀升、屢創(chuàng)歷史新高，呈現(xiàn)“來得早、持續(xù)長、增幅大”的特點，6月下旬首次高溫負荷突破7 000萬kW，8月5日全網(wǎng)最高用電負荷7 792萬kW，較上年同期增長14.3%，負荷管理最大錯避峰負荷達到700萬kW，占最大負荷比例約9%。當前，國網(wǎng)江蘇已建成150萬kW實時需求響應資源庫，國網(wǎng)浙江已建成40萬kW多時間尺度需求響應資源庫?？芍袛嘭摵煽梢噪S意從并網(wǎng)上斷開連接，故常作為需求側(cè)控制、緩解負荷高峰的一種重要手段[2]。為進一步提升電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力和運行效率，支撐電網(wǎng)安全可靠運行，本文將對多主體參與的需求響應進行研究。

1 關鍵行業(yè)用電特征及負荷調(diào)控策略分析

1.1 用電特征

集成電路產(chǎn)業(yè)電力負荷主要由兩大類構(gòu)成，即工藝生產(chǎn)與公用工程。工藝生產(chǎn)有數(shù)百個生產(chǎn)工序步驟，這些生產(chǎn)步驟直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)出，如蝕刻、光刻、化學氣相沉積、清洗、離子注入等，而公用工程是支持工藝生產(chǎn)不可或缺的設施，如產(chǎn)生超純水（UPW）的水處理、N2生產(chǎn)、冷凍水、HVAC等。

公用工程還可以細分為兩類，直接在工藝生產(chǎn)中使用的（如超純水、工藝冷卻水、N2等）稱為“工藝生產(chǎn)公用工程”或“直接公用工程”，而間接參與工藝生產(chǎn)的（如用于建筑物冷卻的冷凍水、清潔干燥空氣等）被稱為“基礎設施公用工程”或“間接公用工程”。

以SK海力士半導體（中國）有限公司為例，企業(yè)主要生產(chǎn)、加工12英寸集成電路芯片，采取四班三運轉(zhuǎn)制，24 h不間斷生產(chǎn)，正常運行負荷約為31.7萬kW。主要用電特征如下：一是負荷較為穩(wěn)定，隨季節(jié)或時段波動較小；二是負荷極為敏感，對供電可靠性與電源品質(zhì)有嚴格的要求；三是生產(chǎn)負荷不具備調(diào)節(jié)潛力，受工藝流程、生產(chǎn)環(huán)境制約，生產(chǎn)負荷無法進行單獨調(diào)節(jié)，整條產(chǎn)線也不具備錯避峰能力。

企業(yè)為流水線生產(chǎn)，工藝流程嵌套耦合性較強，且對供電有著極高的要求，一旦發(fā)生電壓瞬降，不僅會對敏感的微電腦自動控制設備造成不可預期的傷害，也會使制程中斷，產(chǎn)生極大的損失。因此，在工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)，無法進行單個設備或若干個設備的調(diào)節(jié)或中斷，若其中某個設備中斷，設備重啟需由廠家專業(yè)人員操作，并經(jīng)過多次校核、聯(lián)調(diào)，整條產(chǎn)線往往需要一個月的時間恢復產(chǎn)能，造成的經(jīng)濟損失較為巨大。

此外，生物制藥產(chǎn)業(yè)整體的用電結(jié)構(gòu)與集成電路產(chǎn)業(yè)較為類似，企業(yè)為智能化、自動化的流水線生產(chǎn)，很難進行中斷，且企業(yè)對溫度、濕度、潔凈度要求更為嚴苛，環(huán)境數(shù)據(jù)需上報藥品監(jiān)督局并接受監(jiān)測。

1.2 負荷調(diào)控策略

（1）降低非生產(chǎn)性負荷，將辦公區(qū)域空調(diào)溫度調(diào)至26 ℃及以上，關閉不必要的照明設備。

（2）啟動備用柴油發(fā)電機組，對次關鍵的生產(chǎn)性負荷提前在低壓回路配置柴油發(fā)電機組接口，在負荷高峰時段，將該類負荷轉(zhuǎn)至由柴油發(fā)電機供電。

2 多主體參與的需求響應研究

2.1 空調(diào)能源站參與需求響應

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷（熱）源設備、水或風的傳輸循環(huán)系統(tǒng)、末端設備（風機盤管、空調(diào)機組等）組成，中央空調(diào)參與需求響應總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)參與需求響應總體架構(gòu)

典型樓宇的中央空調(diào)系統(tǒng)改造主要針對冷水機組、循環(huán)水泵和末端設備三大部分，詳細改造方案如下。

（1）冷水機組的改造：冷水機組的主機部分為設備廠家整機出廠，自身集成變頻調(diào)速裝置。改造方案是對調(diào)速控制系統(tǒng)增加接口和通信板，能夠響應需求響應控制指令，遠程改變運行參數(shù)；安裝溫度傳感器，調(diào)節(jié)冷凍水出水溫度。

（2）循環(huán)水泵的改造：采用變頻調(diào)節(jié)技術改變冷凍水、冷卻水系統(tǒng)水泵電動機的轉(zhuǎn)速，使輸送能耗隨流量的增減而增減，這樣除了可以節(jié)約大量電能，系統(tǒng)的啟動特性和運行特性也能得到很大的改善[3]。循環(huán)水泵加裝了變頻調(diào)速設備和響應調(diào)控裝置，就可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境條件適當采用需求響應策略，動態(tài)調(diào)整循環(huán)頻率，改變流速，控制水泵的流量和揚程，提高設備運行效率，降低能耗，改善DR控制效果。

（3）末端設備的改造：針對每一個風機終端加裝電動水閥（開關型）和控制模塊，可自動控制開關及送風量的大小，對于不需要的房間或樓層將水閥關閉，用電高峰時段響應DR控制，適當減少出風量。

（4）末端全局溫度控制的改造：加裝房間溫控裝置，增加控制模塊，可以遠程響應電網(wǎng)需求響應指令，調(diào)節(jié)房間的溫度設置。

2.2 路燈及公建亮化參與需求響應

我國的照明和公共照明用電量約占全國電力消耗總量的12%和5%。隨著城市化發(fā)展進程的加速，城市照明設施的數(shù)量也以10%～20%的速度遞增，城市照明具有需求響應開發(fā)潛力，通過對路燈及亮化參與需求響應進行研究，可為電力節(jié)能減排的規(guī)劃和管控提供宏觀層面的技術支撐。

路燈及亮化參與需求響應按道路、行政區(qū)、責任區(qū)、景區(qū)等進行管理，同時對不同場景下的照明資源實施定時控制、經(jīng)緯度控制、調(diào)光控制、景觀智能控制、光照度控制、聯(lián)合策略控制等，以實現(xiàn)各類照明設施與電網(wǎng)的需求響應互動。

智能照明管理系統(tǒng)與電網(wǎng)的需求響應互動，可實時監(jiān)控供電情況，改善電路負荷不均衡，優(yōu)化供電性能參數(shù)，針對城市居民的行為和活動模式，照明環(huán)境中的方向、緯度和海拔等特征進行預判和調(diào)控，根據(jù)不同情況實時調(diào)整參與需求響應的方式。

照明設備改造方法：

（1）對照明系統(tǒng)的一、二次系統(tǒng)進行分項、分路改造，同時增加相應的智能控制開關，以便于負荷緊張時段實施需求響應策略，在不影響正常照明的情況下，控制個別回路中照明設備的關閉和開啟。

（2）針對個別有條件的地方，整體更換亮度可調(diào)及配有智能插座或智能開關的燈具，以響應需求響應控制，在用電高峰期，在保證照明質(zhì)量的前提下，適當調(diào)弱每盞燈的亮度。

（3）針對不同工作區(qū)間和業(yè)務場景下的照明需要研究人工照明節(jié)能控制策略，包括時間表控制、局部光環(huán)境控制、光電感應開關控制、聲控開關控制等，建立對應上述控制策略的系統(tǒng)架構(gòu)；以恒照度為控制目標，制定自然光和人工照明聯(lián)合優(yōu)化控制策略。

2.3 儲能參與需求響應

用戶側(cè)儲能參與需求響應方案：通過PCS（儲能變流器）與用電設備相連接，同時每個電池組均裝有BMS（鋰電池管理系統(tǒng)）對電池的充放電進行在線管理，BMS與PCS通過以太網(wǎng)與EMS相連，執(zhí)行充放電策略。可以在用電負荷低谷時充電，在用電尖峰或客戶變電所過載時放電以降低負荷尖峰，平滑負荷波動，削峰填谷。

2.4 充電樁參與需求響應

充電樁作為負荷資源可實現(xiàn)根據(jù)需求參與削峰填谷，同時由于其負荷的可調(diào)節(jié)性，充電樁可將負荷需求在時間維度上進行伸縮。通過實時監(jiān)控充電樁設備，可采集統(tǒng)計充電樁的用電量，總結(jié)用電規(guī)律，進而對數(shù)據(jù)進行深度分析和累加，逐步實現(xiàn)充電樁大數(shù)據(jù)分析，準確發(fā)掘可柔性控制充電樁，通過對充電槍輸出功率的柔性控制，精確計算受電網(wǎng)的調(diào)峰能力（V2G模式可以參照分布式儲能逆向控制）。

根據(jù)充電樁運行數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，用戶大多選擇在晚上下班后立即充電，從而與晚高峰用電時段重合，造成了嚴重的尖峰負荷[4]。因此，本文構(gòu)思了含“云、管、邊、端”的充電樁參與需求響應的系統(tǒng)，系統(tǒng)功能及架構(gòu)如下：

云：云端部署在省級客戶側(cè)用能服務平臺，海量數(shù)據(jù)均匯總到云端，具有數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)籌分析和效果評估等功能，云端也負責優(yōu)化策略生成及電網(wǎng)管理。

管：包括互聯(lián)網(wǎng)、光纖、GPRS虛擬專網(wǎng)、4G專網(wǎng)、5G專網(wǎng)等多種通信管道，可支持有線通信和無線通信兩種方式。

邊：在電動汽車充電站部署的可控負荷互動網(wǎng)關，包括本地用能優(yōu)化控制、大電網(wǎng)互動策略執(zhí)行，通過邊緣計算能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)企業(yè)及園區(qū)實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，更好地支撐本地業(yè)務及時處理執(zhí)行，是實現(xiàn)多能互補、能效提升的重要基礎。

端：包含采集智能電表和充電樁控制模塊，采集各類傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并對充電樁進行控制。

目前主流的電動汽車充電站需求響應模型針對充電樁與電網(wǎng)友好互動應用場景，在充分采集監(jiān)測各項末端數(shù)據(jù)的基礎上，通過對影響電動汽車充電的因素進行分析，利用可控負荷互動網(wǎng)關對充電樁進行柔性負荷控制，參與電網(wǎng)需求響應活動，在對用戶生產(chǎn)無擾或微擾的情況下，實現(xiàn)電網(wǎng)與充電樁的互動。

2.5 虛擬電廠、微電網(wǎng)、智慧園區(qū)參與需求響應

虛擬電廠、微電網(wǎng)、智慧園區(qū)參與需求響應是聚合優(yōu)化“網(wǎng)源荷儲”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術和互動商業(yè)模式，它依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息通信技術，通過精細的能源管理方式整合分布式電源、可控負荷和儲能裝置等設備，為破解清潔能源消納難題，實現(xiàn)電源側(cè)多能互補，促進負荷側(cè)靈活互動，構(gòu)建安全、經(jīng)濟、高效、可靠的電網(wǎng)提供了一種新的運營方案。

虛擬電廠、微電網(wǎng)、智慧園區(qū)參與需求響應主要由分布式發(fā)電、用電負荷、配電設施、監(jiān)控、保護和自動化裝置等組成（必要時含儲能裝置），是一個能夠基本實現(xiàn)內(nèi)部電量平衡的小型供用電系統(tǒng)[5]。虛擬電廠、微電網(wǎng)、智慧園區(qū)參與需求響應是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)度、平衡、控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，對大電網(wǎng)而言，可視為一個可控負荷群體。

智慧園區(qū)、微電網(wǎng)、虛擬電廠等場景參與需求響應主要工作是通過園區(qū)、微電網(wǎng)、虛擬電廠本身已經(jīng)建設的能量管理系統(tǒng)執(zhí)行需求響應指令。將自動需求響應系統(tǒng)與智慧園區(qū)、微電網(wǎng)、虛擬電廠等場景的能量管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，在能量管理系統(tǒng)中建設自動需求響應系統(tǒng)子站，通過微電網(wǎng)能量管控系統(tǒng)實現(xiàn)需求響應指令執(zhí)行。如一般傳統(tǒng)園區(qū)可以通過對園區(qū)主要耗能設備包括中央空調(diào)、照明、熱水、電梯、辦公及通風等的改造和監(jiān)控，實現(xiàn)自動需求響應系統(tǒng)的接入要求。

自動需求響應系統(tǒng)核心為自動響應主站系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測用戶負荷，在負荷超標或與調(diào)度系統(tǒng)對接出現(xiàn)的負荷缺口時，或者基于目前區(qū)域電價變化體系，主站系統(tǒng)根據(jù)響應能力制定響應策略并將削峰調(diào)峰事件下發(fā)給用戶，同時進行用戶響應效果評估。主站系統(tǒng)功能包括：注冊用戶、設備實時監(jiān)測、有序調(diào)峰、虛擬削峰事件效果評價、用戶用能分析、需求響應用戶GIS展示等。

3 結(jié)束語

本文首先分析了關鍵行業(yè)用電特征，主要關注電子與醫(yī)藥行業(yè)相關負荷，給出了恰當?shù)呢摵烧{(diào)控策略；之后研究了包含空調(diào)能源站、路燈及公建亮化、充電樁、儲能、虛擬電廠等在內(nèi)的多主體參與的需求響應方案，并給出了各主體參與需求響應的方式以及優(yōu)化改進策略等。