王 飛，李美頤，張旭東，陳宋宋，李康平，姚良忠，王俊龍

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）,河北省保定市 071003；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷部,河北省石家莊市 050022；3.需求側(cè)多能互補優(yōu)化與供需互動技術(shù)北京市重點實驗室（中國電力科學研究院有限公司）,北京市 100192；4.上海交通大學智慧能源創(chuàng)新學院,上海市 200240；5.武漢大學電氣與自動化學院,湖北省武漢市 430072）

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)電力行業(yè)“雙碳”目標的必由之路［1-3］。新能源發(fā)電裝機與并網(wǎng)電量占比的不斷上升一方面大大削弱了系統(tǒng)電源側(cè)的靈活調(diào)節(jié)能力,另一方面新能源出力的隨機波動特性對系統(tǒng)的實時功率平衡能力提出了更高的要求,這令電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力匱乏和靈活調(diào)節(jié)需求增加之間的矛盾日益突出,僅依賴電源側(cè)可調(diào)節(jié)資源維持電力系統(tǒng)功率平衡的方式難以為繼［4］。需求響應(yīng)（DR）通過價格或激勵信號引導用戶改變用電行為,實現(xiàn)負荷與電網(wǎng)互動運行,在提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力、促進新能源消納等方面能夠發(fā)揮重要作用［5］。

DR 資源潛力評估是DR 研究中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題之一。目前關(guān)于“DR 潛力”尚未有統(tǒng)一定義,存在諸多不同 提法,如“DR 容量［6］”“響應(yīng)能力［7］”“可調(diào)度容量［8］”“可調(diào)節(jié)潛力［9］”“負荷調(diào)控潛力［10］”“負荷靈活性［11］”等。本文對于DR 潛力的定義為:在約定的控制方式下,用戶參與DR 以基線負荷為基準削減/增加負荷的能力［12］,這里基線負荷是指用戶如果不參與DR 本該消耗的負荷［13-15］。DR 潛力評估是指針對特定對象（如單一用戶、用戶集群等）評估其在約定的控制方式下參與DR 時某一時間段內(nèi)DR 潛力的大小。

DR 資源潛力評估作為DR 項目的關(guān)鍵支撐技術(shù),對于DR 實施過程中涉及的各個利益主體均有重要意義。本文DR 資源指可參與DR 的負荷資源,主要包括純電類負荷以及電動汽車、分布式儲能等雙向負荷,與柔性負荷的外延一致［16］。從參與DR的個體用戶來看,DR 潛力評估可以讓用戶更加了解自身的用電彈性,從而為其選擇合適的DR 項目提供科學依據(jù)［4］。從負荷聚合商、虛擬電廠等代理商的角度來看,代理商可根據(jù)聚合DR 潛力評估結(jié)果并結(jié)合自身風險偏好優(yōu)化市場投標策略,降低市場交易的決策風險,同時也可依據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化對用戶的激勵策略［17-18］。從電網(wǎng)調(diào)度的角度來看,DR潛力的準確評估是調(diào)度中心制定科學合理調(diào)度計劃的數(shù)據(jù)支撐,對充分發(fā)揮DR 削峰填谷、消納新能源、降低系統(tǒng)運行成本［19］等方面的作用來說至關(guān)重要。從政府的角度來看,DR 潛力評估結(jié)果是政府主管部門科學合理地制定電價和激勵政策的重要依據(jù),對推進DR 項目實施、挖掘DR 潛力非常重要［20］。

近幾年,國內(nèi)外學者對DR 潛力評估展開了廣泛的研究。文獻［21］梳理了DR 潛力的分類體系；文獻［22］總結(jié)了基于需求價格彈性系數(shù)法評估DR潛力的基本方法；文獻［23］對現(xiàn)有DR 潛力評估方法進行了簡單分類。然而,上述研究只考慮了DR潛力評估的單一層面,缺乏多維度、多場景、深層次的分析與總結(jié)。本文對DR 潛力評估及應(yīng)用場景進行系統(tǒng)性的分析、對比、總結(jié)和展望。首先,分別從DR 潛力的類別、DR 潛力評估的時間維度、DR 潛力評估的空間維度及DR 潛力評估的思路框架4 個角度,對DR 潛力評估的研究進展進行系統(tǒng)性總結(jié),并分析不同維度DR 潛力評估的應(yīng)用場景。隨后,總結(jié)了評估DR 潛力的實際項目現(xiàn)狀,以典型項目為例進行重點剖析,并通過國內(nèi)外案例對比分析中國DR 潛力評估項目未來的發(fā)展方向。然后,介紹了綜合DR、低碳DR 和動態(tài)DR 這3 類新型DR 概念,并在此基礎(chǔ)上對DR 潛力的應(yīng)用范圍進行了拓展。最后,展望了DR 潛力評估未來的研究方向。

1 DR 潛力評估方法

近年來,國內(nèi)外學者針對DR 潛力評估開展了廣泛的研究,各項研究側(cè)重點有所不同,本章將按照不同的分類維度對其進行梳理。

1.1 按照評估的DR 潛力類型分類

按照類型劃分,DR 潛力可分為理論DR 潛力、技術(shù)DR 潛力、經(jīng)濟DR 潛力和可用DR 潛力4 類,根據(jù)容量大小排序,理論DR 潛力≥技術(shù)DR 潛力≥經(jīng)濟DR 潛力≥可用DR 潛力［21］。

1.1.1 理論DR 潛力

理論DR 潛力是指負荷理論上可參與DR 的最大響應(yīng)容量,即當前負荷值（基線負荷）與理論極限響應(yīng)點的差值［24］。如圖1 所示,對于純用電負荷來說,當其參與DR 進行削峰時,理論上可通過關(guān)閉所有用電設(shè)備將負荷削減至0,即理論下調(diào)DR 潛力為基線負荷大?。划斬摵蓞⑴cDR 進行填谷時,理論上可將所有用電設(shè)備全部開啟,即理論上調(diào)DR 潛力為總安裝容量與基線負荷之差［25］。對于電動汽車和儲能等新型雙向負荷來說,以其處于充電狀態(tài)為例,理論上可通過增大充電功率實現(xiàn)上調(diào)節(jié),即理論上調(diào)DR 潛力為最大充電功率和當前運行功率的差值。而下調(diào)節(jié)則可通過切換至放電狀態(tài)來實現(xiàn),即理論下調(diào)DR 潛力為當前運行功率與最大放電功率之和。相比于純用電負荷,由于儲能類負荷具備雙向調(diào)節(jié)能力,其理論DR 潛力更大。理論DR 潛力的評估結(jié)果較為粗糙,通?？捎糜谂袛嘭摵墒欠襁m合參與DR,進而確定DR 的實施對象［21］。文獻［24］評估了德國典型負荷的理論DR 潛力,其2050 年的負荷削減潛力為0.8～1.6 GW,負荷轉(zhuǎn)移潛力為20～43 GW。文獻［25］評估了德國1 500 多家服務(wù)業(yè)公司的理論DR 潛力,約為子行業(yè)總用電量的35%。文獻［26］評估了歐洲30 個電力消費領(lǐng)域的理論總DR 潛力,每小時可提供負荷削減量61 GW,負荷增加68 GW。

圖1 不同類型DR 潛力示意圖Fig.1 Schematic diagram of different types of DR potential

1.1.2 技術(shù)DR 潛力

本文的技術(shù)DR 潛力是在理論DR 潛力的基礎(chǔ)上考慮技術(shù)約束（如可控負荷轉(zhuǎn)移時間、DR 時長、負荷中斷次數(shù)、荷電狀態(tài)約束等）后的DR 潛力［21］,即基線負荷與考慮技術(shù)約束后的響應(yīng)負荷之差。相較理論DR 潛力,技術(shù)DR 潛力的評估適用性更強,可在輔助確定DR 實施對象的基礎(chǔ)上為DR 實施方案的制定提供重要參考。文獻［27］通過對負荷用電過程的定性分析以及對問卷調(diào)查結(jié)果的定量計算,評估了中國內(nèi)蒙古西部第二產(chǎn)業(yè)在考慮技術(shù)約束下的DR 潛力。評估結(jié)果表明,所研究范圍內(nèi)50%以上工業(yè)企業(yè)的高峰負荷轉(zhuǎn)移的技術(shù)DR 潛力小于高峰負荷的10%。文獻［28］評估了丹麥工業(yè)、商業(yè)以及居民用戶的技術(shù)DR 潛力,并使用了EnergyPLAN 軟件對未來DR 發(fā)展情景進行了模擬。

1.1.3 經(jīng)濟DR 潛力

經(jīng)濟DR 潛力是在技術(shù)DR 潛力的基礎(chǔ)上,進一步考慮實施DR 所需的前期投資與運行成本約束后的DR 潛力［21］,即基線負荷與考慮技術(shù)和經(jīng)濟約束后響應(yīng)負荷之差。換言之,如果用戶參與DR 在技術(shù)上可行,但響應(yīng)后并不具有經(jīng)濟效益,那么該用戶的經(jīng)濟DR 潛力將在技術(shù)DR 潛力的基礎(chǔ)上進一步縮減。經(jīng)濟DR 潛力的評估結(jié)果能輔助DR 實施者估計DR 項目的成本效益［29］。文獻［29］通過研究不同的工業(yè)過程及其技術(shù)和經(jīng)濟特性,評估了德國部分工業(yè)行業(yè)的技術(shù)和經(jīng)濟DR 潛力。文獻［30］通過對工廠運營商、研究機構(gòu)、設(shè)備制造商等信息的搜集,確定了制冷系統(tǒng)的特征參數(shù),從而評估了德國曼海姆市制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟DR 潛力。

1.1.4 可用DR 潛力

可用DR 潛力是在經(jīng)濟DR 潛力的基礎(chǔ)上進一步考慮用戶響應(yīng)意愿后實際可獲得的潛力大?。?1］,即基線負荷與考慮技術(shù)、經(jīng)濟及意愿約束后響應(yīng)負荷之差。對于經(jīng)濟不敏感的用戶,即便參與DR 具有可行性和經(jīng)濟性,也可能選擇不參與或不完全參與,其實際激發(fā)出來的潛力小于經(jīng)濟DR 潛力。可用DR 潛力的評估結(jié)果一般應(yīng)用于對評估精度較高的場景,如負荷聚合商的市場交易決策,用于降低決策風險、提升收益［18］。文獻［30］通過調(diào)查問卷分析用戶的響應(yīng)意愿估算可用DR 潛力相對技術(shù)DR 潛力的權(quán)重系數(shù),進而評估了德國曼海姆市制冷系統(tǒng)的可用DR 潛力,約為2.8 GW,相當于德國最大電力需求的4%～6%。文獻［31］建立了基于霍克斯過程的用戶參與度模型,評估電熱水器的可用DR潛力。文獻［32］采用彈性系數(shù)法評估了空調(diào)負荷集群在不同激勵和價格條件下的可用DR 潛力。

以上文獻評估了不同類型的DR 潛力,但目前關(guān)于DR 潛力的分類尚未有權(quán)威統(tǒng)一的標準,不同的DR 潛力類型服務(wù)于不同的應(yīng)用需求,現(xiàn)有文獻比較雜亂,難以確定其評估的DR 潛力屬于哪一類別。其次,目前大部分研究側(cè)重于理論DR 潛力和技術(shù)DR 潛力,對經(jīng)濟DR 潛力和可用DR 潛力的研究不夠深入。經(jīng)濟DR 潛力和可用DR 潛力的評估關(guān)鍵是用戶激勵響應(yīng)行為的準確建模,現(xiàn)有文獻結(jié)合消費者心理學、行為經(jīng)濟學等原理對用戶的激勵響應(yīng)行為開展了初步研究,但是仍然存在模型考慮因素不夠全面、魯棒性較差等問題。

1.2 按照評估的時間尺度分類

參考負荷預測時間尺度劃分,本文將DR 潛力的評估分為超短期、短期和中長期,不同時間尺度的DR 潛力評估結(jié)果服務(wù)于不同的應(yīng)用需求,其應(yīng)用場景總結(jié)如圖2 所示。

1.2.1 超短期

超短期DR 潛力評估時間尺度一般為分鐘級到小時級［4］,服務(wù)于電網(wǎng)實時調(diào)度及負荷聚合商輔助服務(wù)市場交易策略的制定。文獻［33］提出了面向?qū)崟r電價下的生產(chǎn)者和消費者的多階段綜合響應(yīng)模型,從而評估用戶參與實時市場的DR 潛力。文獻［34］綜合考慮用戶出行需求和電池損耗,建立了一種規(guī)?；妱悠噷崟rDR 潛力的評估模型。文獻［35］提出基于并行梯度決策樹的溫控負荷集群日內(nèi)超短期DR 潛力預測模型。

1.2.2 短期

短期DR 潛力評估時間尺度一般為日級到星期級［4］,服務(wù)于電網(wǎng)日（星期）調(diào)度以及負荷聚合商日前市場交易策略的制定。文獻［36］基于用戶行為預測數(shù)據(jù)評估了電動汽車虛擬電廠的日前DR 潛力,并綜合考慮響應(yīng)時間裕度和荷電狀態(tài)裕度對日內(nèi)DR 潛力進行動態(tài)修正。文獻［37］采用家庭智能管理系統(tǒng)對用戶的響應(yīng)行為進行模擬,并提出了基于分位數(shù)回歸的日前DR 潛力概率預測模型。

1.2.3 中長期

中長期DR 潛力評估的時間尺度為月級到年級［4］,服務(wù)于電力系統(tǒng)規(guī)劃以及容量市場交易,通常需要綜合考慮未來各類用戶的負荷增長、削峰率、用戶參與率等來建立評估模型。如文獻［38］綜合分析用戶的長期DR 潛力、中期DR 潛力以及響應(yīng)水平,建立了基于中長期時間維度DR 潛力的系統(tǒng)動力學模型,從而為DR 激勵機制設(shè)計提供依據(jù)。文獻［24］通過對德國各行業(yè)未來電力需求、靈活負荷比例等進行分析,進而評估了德國2035 年和2050 年各類負荷的DR 潛力。文獻［39］對中國某區(qū)域電網(wǎng)2013—2022 年的DR 潛力進行了評估,并推廣評估了華北分部所有區(qū)域電網(wǎng)的DR 潛力。

以上文獻評估了不同時間尺度的DR 潛力,但目前針對超短期DR 潛力研究較少。超短期DR 潛力評估的難點在于用戶在給定外部激勵信號下的響應(yīng)行為受到很多因素的耦合影響,且具有明顯的時變特性,通常需要結(jié)合其他因素的預測結(jié)果進行預測,由此增加了預測誤差的來源。同時,由于基線和響應(yīng)后負荷不能同時存在,DR 潛力并不存在嚴格意義上的真實值,難以判斷不同時間尺度DR 潛力評估的準確性。

1.3 按照評估的空間尺度分類

按照評估的空間尺度劃分,可分為單一用戶、用戶集群、城市、國家、大洲。不同空間維度DR 潛力評估的應(yīng)用場景總結(jié)如圖3 所示。單一用戶的DR潛力評估結(jié)果可為用戶自身提供選取合適DR 項目的依據(jù),同時也可為DR 項目實施者選擇合適的目標用戶提供參考［40］。中小用戶需要通過負荷聚合商參與電力市場交易。因此,用戶集群的DR 潛力評估結(jié)果可以為負荷聚合商的競價策略提供參考信息、降低決策風險［41］。城市、國家及大洲層面的DR潛力分析結(jié)果可用于評估DR 的經(jīng)濟和社會效益,從而為相關(guān)政策的制定提供依據(jù),同時也可為電力系統(tǒng)的規(guī)劃提供必要的輸出數(shù)據(jù)［20］。本文從空間維度對其進一步劃分,分為單一用戶和用戶聚合層面兩個維度進行文獻梳理。

圖3 不同空間尺度DR 潛力評估的應(yīng)用場景Fig.3 Application scenarios of DR potential assessment in different spatial scales

1.3.1 單一用戶

單一用戶DR 潛力的評估通常需要對可調(diào)負荷進行精細化建模,通過分析負荷的成分和響應(yīng)特性來評估DR 潛力。不同類型的用戶存在不同的負荷構(gòu)成與負荷特性,構(gòu)建DR 潛力評估模型時需具體分析。根據(jù)用戶類型不同,現(xiàn)有針對單一用戶DR潛力評估的研究可細分為工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶。

1）工業(yè)用戶

工業(yè)用戶負荷容量大、負荷穩(wěn)定、便于集中控制,可以快速準確地調(diào)整其峰荷時間來參與DR,DR 潛力巨大。工業(yè)生產(chǎn)負荷的用電行為較為固定,只有部分負荷可以通過拉閘限電、調(diào)整作業(yè)時間和順序等方式提供DR 潛力［42］。文獻［43］分析了適合參與DR 的工業(yè)負荷及其DR 潛力。

工業(yè)負荷按調(diào)節(jié)方式可分為連續(xù)調(diào)節(jié)型、離散調(diào)節(jié)型和轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)型3 類。連續(xù)調(diào)節(jié)型工業(yè)負荷靈活度高,其生產(chǎn)過程中功率是靈活可調(diào)的,如電弧爐可通過調(diào)整其功率來適當升高或降低爐溫,不會對冶煉化學還原反應(yīng)產(chǎn)生影響,具有連續(xù)調(diào)節(jié)能力。離散調(diào)節(jié)型工業(yè)負荷廣泛存在高載能行業(yè)中［44］,其生產(chǎn)工序是可中斷的,如電解鋁負荷功率調(diào)節(jié)速率非常快,調(diào)整其用電計劃只會影響產(chǎn)品產(chǎn)量,不會影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全,但不能頻繁調(diào)節(jié),表現(xiàn)出典型的離散調(diào)節(jié)特性。轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)型工業(yè)負荷可在提前通知情況下將負荷用電時間平移到其他時段。如還原爐負荷可通過控制其開機時間實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移,水泥廠中的柔性負荷可采用非連續(xù)性生產(chǎn)方式調(diào)節(jié)用電時間,而不會影響產(chǎn)品質(zhì)量［45］。值得注意的是,工業(yè)負荷的調(diào)節(jié)特性不是一成不變的,在不同生產(chǎn)調(diào)度要求下可體現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)特性,如電解鋁負荷既可作為離散調(diào)節(jié)型負荷,也可以通過改變電解槽電壓靈活調(diào)節(jié)負荷功率,表現(xiàn)出連續(xù)調(diào)節(jié)特性［46］。

不同行業(yè)工業(yè)負荷的生產(chǎn)流程差異較大,對單一工業(yè)用戶的DR 潛力評估需結(jié)合具體工業(yè)生產(chǎn)流程的時間、空間兩方面的調(diào)節(jié)特性進行分析。文獻［47］將中國江蘇省某鋼鐵廠中的除塵機作為連續(xù)調(diào)節(jié)型負荷,軋機生產(chǎn)線作為離散調(diào)節(jié)型負荷,制氧機、空壓機作為轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)型負荷,以負荷最小化為目標函數(shù),考慮生產(chǎn)過程、功率平衡等約束條件建立了優(yōu)化調(diào)度模型,進而評估了該鋼鐵廠不同時段的DR 潛力。文獻［48］對西班牙一家工業(yè)火腿廠的干燥室進行技術(shù)分析,在滿足濕度、溫度的技術(shù)約束下對冷卻系統(tǒng)的DR 潛力進行評估,表明在不影響工廠生產(chǎn)需求的情況下,該火腿廠的削峰技術(shù)DR 潛力可達到總功率的50%以上。文獻［49］以一家汽車裝配制造系統(tǒng)為例,基于馬爾可夫決策過程對系統(tǒng)在DR 計劃下的狀態(tài)演變進行建模,利用Promodel 軟件進行仿真,實現(xiàn)了實時DR 潛力的評估。文獻［10］提出了基于改進灰靶-前景理論的大用戶負荷DR 潛力評估模型,分別對用戶的檢修、輪休、錯時和避峰DR 潛力進行了研究。

不同行業(yè)的工業(yè)負荷用電差異較大,不同工廠的生產(chǎn)調(diào)度要求也有所不同,且大量非線性、沖擊性負荷難以建模［50］,對工業(yè)用戶DR 潛力評估的難點集中在對工業(yè)負荷生產(chǎn)過程的精細化建模及建模后的應(yīng)用推廣方面。目前,大部分工業(yè)設(shè)備已經(jīng)配備了測量、控制和通信基礎(chǔ)設(shè)施,相關(guān)數(shù)據(jù)更加容易采集和處理［51］,未來有望在工業(yè)負荷的生產(chǎn)過程精細化建模上實現(xiàn)突破,以及推進數(shù)據(jù)驅(qū)動在單一工業(yè)用戶DR 潛力的評估應(yīng)用。

2）商業(yè)用戶

與工業(yè)負荷相比,商業(yè)用戶中沖擊性負荷很少且負荷行為不受生產(chǎn)流程的約束［50］。典型商業(yè)用戶如酒店、辦公樓、商場、學校的可調(diào)負荷主要為溫控負荷及照明負荷,可以通過空調(diào)的設(shè)定溫度、照明負荷光線強弱的控制策略調(diào)整提供DR 潛力。

可調(diào)節(jié)的溫控負荷主要包括空調(diào)和電熱水器。電熱水器由于具有儲能特性,可以適當調(diào)溫或短暫切斷［52］,其用電時間也可以進行較大范圍的轉(zhuǎn)移［30］,具有靈活的DR 潛力［53］?？照{(diào)可通過改變設(shè)定溫度或開關(guān)狀態(tài)進行功率調(diào)節(jié)［54］,同時由于空調(diào)-建筑系統(tǒng)具有一定的蓄熱能力,空調(diào)功率發(fā)生變化后建筑內(nèi)溫度變化存在滯后效應(yīng),因此也有一些文獻將其建模為虛擬儲能［55］。樓宇照明負荷是商業(yè)用戶的重要DR 資源,可通過調(diào)整亮度或關(guān)停部分照明設(shè)備提供DR 潛力,響應(yīng)速度快［56］。文獻［56］利用EnergyPlus 軟件仿真評估了中國北京一棟寫字樓在改變空調(diào)系統(tǒng)溫度設(shè)定值時的DR 潛力。文獻［57］對樓宇空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水泵系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)、冷凝器系統(tǒng)及風機盤管系統(tǒng)分別進行物理建模,建立優(yōu)化模型對中國上海某商業(yè)樓宇的空調(diào)DR 潛力進行了評估。文獻［58］采用綜合能量管理系統(tǒng)對中國蘭州一棟商業(yè)樓宇中的供暖、通風、空調(diào)系統(tǒng)以及電池等負荷進行建模,建立了基于決策樹模型的商業(yè)樓宇DR 潛力預測模型。文獻［59］總結(jié)了不同商業(yè)用戶的適宜溫度約束條件,通過建立優(yōu)化模型對酒店、辦公樓、學校等典型商業(yè)用戶的負荷轉(zhuǎn)移潛力進行了評估。結(jié)果表明,商業(yè)樓宇DR 潛力受冷負荷與用電時間影響,不同類型商業(yè)樓宇體現(xiàn)出不同的DR 潛力特性。

不同類型的商業(yè)用戶可調(diào)負荷結(jié)構(gòu)差異不大,均以溫控負荷與樓宇照明負荷為主,但負荷用電狀態(tài)受商業(yè)用戶日常經(jīng)營管理影響,負荷數(shù)量規(guī)模受商業(yè)建筑規(guī)模影響,負荷靈活可調(diào)范圍受商業(yè)用戶舒適度要求影響。因此,商業(yè)用戶DR 潛力評估的重點集中在研究具體商業(yè)用戶的負荷分布與舒適度要求下的DR 潛力?，F(xiàn)有文獻多建立優(yōu)化模型評估商業(yè)用戶的DR 潛力,但仍存在假設(shè)條件過多、實際應(yīng)用困難等問題。

3）居民用戶

居民用戶可調(diào)負荷的分類尚未統(tǒng)一,目前一種主流的分類方法是將其分為可削減、可平移和溫控負荷3 類［12］?？上鳒p負荷的功率可進行調(diào)節(jié),如亮度可調(diào)的照明設(shè)備等［60］。可平移負荷在提前通知的情況下其運行時段可進行轉(zhuǎn)移,但是用電量保持不變,如洗碗機、洗衣機等。溫控負荷是指受到溫度影響并且可在一定溫度范圍內(nèi)進行功率調(diào)節(jié)的負荷［61］,如空調(diào)、熱水器等。

居民用戶的DR 潛力與一天中的時間和環(huán)境溫度有很強的相關(guān)性［62］,用電不確定性強［63］,且單體居民用戶的DR 潛力較小,難以達到市場準入門檻。因此,居民用戶DR 潛力評估集中在聚合層面,目前對單一用戶的DR 潛力評估主要面向工商業(yè)用戶。也有少量文獻針對單一居民用戶DR 潛力進行評估,如文獻［32］基于非侵入式負荷分解算法建立了單個居民用戶空調(diào)負荷的DR 潛力評估模型。

1.3.2 聚合層面

聚合層面的DR 潛力評估可應(yīng)用于電力市場交易或輔助進行區(qū)域電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計,具有重要的應(yīng)用價值。相比單個用戶,聚合層面DR 潛力的評估需綜合考慮負荷間的時空耦合聯(lián)系以及模型計算的復雜度,評估難度更大。根據(jù)聚合對象不同,可分為同類負荷聚合與異類負荷聚合。

1）同類負荷聚合

同類負荷聚合的DR 潛力通常通過典型單體負荷DR 潛力評估模型推廣得到,現(xiàn)有同類負荷聚合DR 潛力研究以溫控負荷和電動汽車為典型代表。

在溫控負荷聚合方面,文獻［64］建立典型單體空調(diào)的DR 潛力模型,并基于閔可夫斯基求和算法得到了變頻空調(diào)集群的聚合DR 潛力。文獻［65］基于參數(shù)辨識方法將溫控負荷分為4 類,建立典型溫控負荷DR 潛力分析模型,聚合得到溫控負荷集群DR 潛力的動態(tài)評估方法。文獻［66］基于典型溫控負荷模型,建立了溫控負荷集群的DR 潛力評估方法,并探究了不同溫度調(diào)整量和不同響應(yīng)規(guī)模下的溫控負荷DR 潛力。文獻［67］建立了單一用戶在不同電價以及舒適性要求影響下的響應(yīng)模型,并就實際運行數(shù)據(jù)不足的情況,提出了基于概率密度估計的大規(guī)模異構(gòu)空調(diào)負荷DR 潛力評估方法。文獻［68］以DR 潛力最大化為目標函數(shù),建立了考慮用戶舒適度的空調(diào)集群優(yōu)化調(diào)度模型,實現(xiàn)了DR 潛力的評估。文獻［69］在此基礎(chǔ)上定量分析了DR 持續(xù)時間、提前通知時間、溫度設(shè)定范圍等因素對DR潛力的影響。

在電動汽車聚合方面,文獻［70］基于用戶出行時間和補償價格的用戶參與度模型評估了電動汽車集群的DR 潛力。文獻［71］采用閔可夫斯基求和算法將電動汽車集群聚合為廣義儲能設(shè)備,并進一步基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立了電動汽車充電站日前和實時DR 潛力預測模型。文獻［72］首先建立了電動汽車集群并網(wǎng)的聚合模型,并提出了考慮并網(wǎng)功率約束和充放電計劃的插電式電動汽車集群DR 潛力評估模型。文獻［73］建立了考慮時空分布特性的電動汽車出行活動模型,并基于蒙特卡洛和二項分布法評估了電動汽車集群的DR 潛力。文獻［74］評估了自動DR 機制下光儲一體的電動汽車充電站DR潛力。

2）異類負荷聚合

目前,對異類負荷的聚合DR 潛力評估思路主要有兩類:（1）先評估同類負荷聚合DR 潛力,再進行分類疊加；（2）考慮異類負荷間的耦合響應(yīng)特性進行評估。

第1 類方法不考慮異類負荷間的耦合效應(yīng),對負荷聚合DR 潛力進行分類累加,應(yīng)用范圍廣,但評估精度受限,廣泛應(yīng)用于區(qū)域DR 潛力的評估。文獻［75］以中國佛山市為例,分析了重點行業(yè)DR 潛力系數(shù),為評估區(qū)域DR 潛力提供數(shù)據(jù)支撐。文獻［76］評估了中國河南省各行業(yè)的削峰DR 潛力,全省的DR 潛力可由各行業(yè)用戶疊加匯總得到。文獻［28］、文獻［77］和文獻［78］分別自下而上疊加匯總了丹麥、德國、巴西全國范圍內(nèi)的DR 潛力。文獻［79］使用OSEMOSYS 軟件評估了葡萄牙的工業(yè)、居民以及第三產(chǎn)業(yè)的DR 潛力。

第2 類方法通?？紤]異類負荷間的耦合響應(yīng)特性建立負荷集群參與DR 項目的協(xié)同優(yōu)化模型,通過求解可行域評估聚合DR 潛力。文獻［80］采用極端能量場景方法建立了考慮時間耦合特性的虛擬電池模型,并以經(jīng)濟效益最大化建立目標函數(shù),通過求解功率可行域評估了電動汽車和暖通空調(diào)兩類負荷的聚合DR 潛力。文獻［81］基于異類負荷的單體模型,采用Fourier-Motzkin 消元法推導出異類負荷的精確聚合可行域,由此評估異類負荷的聚合DR 潛力,其約束條件數(shù)量與資源數(shù)量呈線性關(guān)系,降低了模型計算復雜度。

聚合層面的DR 潛力評估仍存在以下幾個難點:（1）海量資源聚合的DR 潛力評估計算復雜度大,亟須探究降維有效的聚合DR 潛力評估方法；（2）不同負荷資源具有不同的響應(yīng)速度、響應(yīng)容量等特性,難以用統(tǒng)一的模型進行建模,其聚合DR 潛力難以精準評估；（3）現(xiàn)有文獻對多種類、多場景下的異構(gòu)負荷之間的耦合響應(yīng)特性缺乏深度的剖析與研究。未來可結(jié)合態(tài)勢感知、分析推演等技術(shù)深度剖析異構(gòu)負荷之間的耦合響應(yīng)特性［82］,建立精準化的聚合DR 潛力評估模型。

1.4 按照評估的思路框架分類

國內(nèi)外對DR 潛力的研究采用的分析方法各有不同,但其總體框架存在著一些共性?，F(xiàn)有評估方法可分為機理驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動,其優(yōu)缺點總結(jié)如表1 所示。

表1 DR 潛力評估方法的對比Table 1 Comparison of DR potential assessment methods

1.4.1 機理驅(qū)動

機理驅(qū)動方法從被評估對象的響應(yīng)特性、機理角度出發(fā),建立DR 潛力評估模型,目前典型的機理驅(qū)動的DR 潛力評估方法包括用電過程分析法和需求價格彈性系數(shù)法。

用電過程分析法的理論依據(jù)在于各類用戶DR潛力很大程度上取決于其用電特性,對用電過程進行分析時需要較多數(shù)據(jù)支撐,且涉及行業(yè)具體生產(chǎn)流程,評估工作量大［83］。文獻［84］探討了溫控負荷聚合功率與室外溫度、溫度設(shè)定值等參數(shù)之間的關(guān)系,并提出計及響應(yīng)不確定性的DR 潛力評估模型。文獻［85］對數(shù)據(jù)中心的功耗進行了精細化建模,在此基礎(chǔ)上分析了其DR 潛力。文獻［86］提出了基于負荷對比的DR 潛力評估方法,該方法將兩年內(nèi)相似時間但不同天氣的負荷進行比較分析,確定空調(diào)負荷變化的上下限,從而評估DR 潛力。

需求價格彈性系數(shù)法采用需求價格彈性來定量表征電力價格變化對于用戶響應(yīng)行為特性的影響［22］,從而評估用戶的DR 潛力。該方法可應(yīng)用于所有類型用戶,但DR 潛力評估結(jié)果過于依賴價格彈性系數(shù)且并沒有考慮實際負荷特性約束,可能會引起較大的評估誤差［87］。文獻［22］詳細介紹了需求價格彈性系數(shù)法評估DR 潛力的流程,并對其影響因素進行了分析。文獻［32］采用需求價格彈性系數(shù)法評估了某配電臺區(qū)的DR 潛力,并探究了激勵大小與DR 潛力之間的關(guān)系。文獻［39］基于價格彈性評估了某區(qū)域電網(wǎng)在不同電力市場場景下的削峰DR 潛力。文獻［88］基于需求價格彈性系數(shù)法建立了分時電價場景下的居民用戶的DR 潛力評估模型。文獻［89］基于分位數(shù)回歸和帶有懲罰的B 樣條算法提出了概率價格彈性模型并利用居民和工業(yè)用戶數(shù)據(jù)進行驗證,仿真結(jié)果表明:由于技術(shù)和運營方面的限制,下調(diào)價格對工業(yè)用戶的DR 潛力影響更小。

1.4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動

數(shù)據(jù)驅(qū)動方法不關(guān)注被評估對象的內(nèi)在響應(yīng)機理,而是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等機器學習算法建立影響因素和DR 潛力之間的映射模型來進行潛力評估。然而,這些模型多屬于黑箱式模型,難以直觀地解釋內(nèi)部機制,且對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求較高。此外,在泛化性、魯棒性等方面也存在許多難點,導致其難以適應(yīng)復雜的現(xiàn)實場景,實際中鮮有應(yīng)用。文獻［90］基于Ecogird2.0 項目實驗數(shù)據(jù),建立了DR 潛力與時間、環(huán)境溫度之間的映射函數(shù),并依據(jù)實時收集的數(shù)據(jù)對模型進行實時更新。文獻［91］基于EnergyPlus 軟件模擬得到的DR 潛力數(shù)據(jù),建立了DR 潛力與室外溫度的分段線性回歸模型。文獻［92］在考慮負荷基線差異和季節(jié)波動特性的非侵入式負荷分解的基礎(chǔ)上,提出了一種從單體用戶到大型聚合負荷群均適用的運行DR 潛力評估方法。文獻［93］基于高斯混合模型,提出了由智能電表數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時DR 潛力評估方法。文獻［94］針對電動汽車和電熱水器系統(tǒng),提出了基于時域卷積網(wǎng)絡(luò)與Transformer 模型相結(jié)合的DR 潛力預測模型,并探究了不同DR 持續(xù)時間下的DR 潛力。文獻［95］對數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在DR 領(lǐng)域的應(yīng)用進行了綜述。

1.4.3 機理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動

為了克服機理驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的局限性,也有學者提出機理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的DR 潛力評估方法。然而,該方法需要消耗大量的計算資源與時間,需要解決如何優(yōu)化模型參數(shù)和計算復雜性的問題。文獻［96］首先基于機理特性建立了樓宇DR 潛力分析模型,并利用歷史及在線數(shù)據(jù)對該模型的參數(shù)進行修正,從而建立了機理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的樓宇DR 潛力評估模型。文獻［97］采用行為經(jīng)濟學中的遺憾匹配機制模擬用戶自適應(yīng)響應(yīng)行為并采用機器學習算法進行優(yōu)化求解,提出了考慮多時間尺度不確定性的DR 潛力評估方法。文獻［98］建立了基于等效熱參數(shù)模型的空調(diào)負荷理論DR 潛力評估模型,并進一步考慮用電行為隨機性,建立了基于深度學習的DR 潛力預測模型。

2 DR 潛力評估示范項目

2.2.1 美國項目案例概況

2006 年,美國聯(lián)邦能源管理委員會對全美各行業(yè)可用DR 潛力進行了全面評估,截至2022 年3 月共計公布16 份研究報告,采用“用電過程分析法”自下而上匯總了每年全美各機構(gòu)收集的數(shù)據(jù)及DR 潛力評估結(jié)果,評估對象覆蓋工業(yè)、商業(yè)、居民用戶。

2.2.2 美國項目案例評估結(jié)論

2.1 DR 潛力評估項目概況

DR 潛力的實際評估項目大多采用“自下而上”法評估聚合層面的DR 潛力。美國的PJM 市場和澳大利亞的NEM 市場于2006 年開展了第1 批DR 潛力評估項目［23］。此后,世界各地陸續(xù)開展DR 潛力評估項目,輔助本地的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和DR 政策的制定。表2 總結(jié)了DR 潛力評估項目的研究實例,主要來自美國、英國、澳大利亞等DR 發(fā)展比較成熟的國家［99-128］。由表2 可知:1）現(xiàn)有DR 潛力評估項目以評估可用DR 潛力和技術(shù)DR 潛力為主；2）現(xiàn)有DR 潛力評估項目大多對區(qū)域內(nèi)各類型用戶進行分析,由于經(jīng)濟、負荷、激勵政策差異,不同國家各類型負荷DR 潛力占比有較大差異；3）DR 潛力評估項目以中長期評估為主,常依據(jù)未來預估的負荷增長率、用戶參與度等進行評估；4）由于數(shù)據(jù)條件限制,現(xiàn)有DR 潛力評估項目以機理驅(qū)動類方法為主,未來有望進一步探索數(shù)據(jù)驅(qū)動在DR 潛力評估項目中的應(yīng)用。

表2 DR 潛力評估項目研究總結(jié)Table 2 Research summary of DR potential assessment projects

本文以美國聯(lián)邦能源管理委員會“Assessment of demand response and advanced metering staff report”項目［99-104］及中國“上海DR 市場潛力及效益評估”項目［121］為例進行具體介紹。

2.2 美國DR 潛力評估案例

1）不同行業(yè)部門的評估結(jié)果

該項目初期聚焦于不同行業(yè)部門的DR 潛力評估,2006—2012 年 間 評 估 了2006、2008、2010、2012 年居民、工商業(yè)、電力批發(fā)市場及其他類型負荷的可用削峰DR 潛力［99-104］,評估結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明:（1）美國預估可用DR 潛力在2006 年至2012 年間穩(wěn)步增長,其中工商業(yè)用戶將貢獻最多的響應(yīng)量,預估增速可達到31%；（2）隨著電力批發(fā)市場DR 計劃的逐步落實,將有更多的客戶參與電力批發(fā)市場的交易,未來的DR 潛力十分可觀。

圖4 美國2006—2012 年可用DR 潛力評估結(jié)果Fig.4 Assessment results of available DR potential in the U.S.from 2006 to 2012

2）不同區(qū)域?qū)嶓w的評估結(jié)果

該項目自2011 年以來關(guān)注零售市場的DR 潛力,2011—2018 年北美電力可靠性公司（NorthAmerican Power Reliability Corporation,NERC）下屬8 個區(qū)域?qū)嶓w的零售市場可用DR 潛力評估結(jié)果如表3 所示［105-111］。從表3 中可見:（1）DR 潛力評估結(jié)果由于各區(qū)域的DR 項目策略、客戶群體以及不同區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢的不同呈現(xiàn)明顯的差異性；（2）宏觀角度上全美可用DR 潛力在2011—2016 年穩(wěn)步增長,2017 年開始小幅降低。

表3 不同區(qū)域?qū)嶓w零售市場DR 潛力的評估結(jié)果Table 3 Assessment results of DR potential of retail markets of different regional bodies

3）不同獨立系統(tǒng)運營商的實際響應(yīng)量

美國2020 年修訂的《國家節(jié)能政策法案》要求各機構(gòu)報告每年的實際響應(yīng)量,文獻［111-112］匯總了不同獨立系統(tǒng)運營商2018—2020 年的實際響應(yīng)量,總結(jié)在表4 中。從表4 可見:（1）DR 政策是影響DR 潛力的關(guān)鍵因素,如CAISO 系統(tǒng)運營商在2018 年允許代理客戶參與日前和實時批發(fā)市場的交易,挖掘了更多客戶參與DR 計劃,并實現(xiàn)了800 MW 的DR 潛 力 漲 幅；2020 年P(guān)JM 容 量 市 場 對其交易的響應(yīng)資源提出了更嚴格的要求,可參與市場的響應(yīng)資源減少導致PJM 市場2019—2020 年總響應(yīng)量減少12%；（2）突發(fā)公共事件會改變負荷需求分布情況,從而影響DR 潛力。如全球新型冠狀病毒感染疫情使得美國部分工商業(yè)負荷需求轉(zhuǎn)移到居民負荷,部分地區(qū)DR 潛力降幅高達15%［129］。

表4 不同獨立系統(tǒng)運營商DR 潛力的評估結(jié)果Table 4 Assessment results of DR potential of different independent system operators

2.3 中國DR 潛力評估案例

2.3.1 中國項目案例概況

2014 年5 月29 日,上海 正式啟動了“DR 試點城市”項目,平均削減高峰負荷超過10%。2015 年,自然資源保護協(xié)會對上海在直接負荷管理及可削減負荷兩類激勵型DR 項目下的可用DR 潛力進行了評估［121］。該項目采用“用電過程分析法”,通過分析各類用戶典型負荷曲線自下而上評估DR 潛力。

2.3.2 中國項目案例評估結(jié)論

1）不同行業(yè)部門的評估結(jié)果

基于上述方法,該項目對2020 年、2025 年及2030 年上海DR 可用DR 潛力進行評估,DR 潛力發(fā)揮程度分為基本、中等、最佳3 級,評估結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可見:（1）上海市工商業(yè)可削減負荷項目預期貢獻DR 潛力的主要份額,這與中國負荷結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系；（2）不同于工商業(yè)空調(diào)負荷,居民空調(diào)直接負荷控制項目能夠為DR 市場潛力做出顯著貢獻。

圖5 上?？捎肈R 潛力評估結(jié)果Fig.5 Assessment result of available DR potential in Shanghai

2）不同終端用電設(shè)備的評估結(jié)果

基于更充分的負荷特性與用戶響應(yīng)數(shù)據(jù),自然資源保護協(xié)會于2016 年進一步對上海市商業(yè)樓宇不同終端用電設(shè)備的DR 潛力進行評估［122］,具體評估數(shù)據(jù)及細節(jié)見文獻［122］。評估結(jié)果表明:（1）空調(diào)是造成高峰負荷的主要原因,但也是商業(yè)樓宇提供DR 潛力的重要負荷；（2）除空調(diào)之外,其他用電終端設(shè)備也可提供DR 潛力,特別是可調(diào)節(jié)的照明和插座設(shè)備。

2.4 國外案例對中國的啟示

美國、英國等發(fā)達國家在DR 潛力評估及應(yīng)用方面積累了廣泛的經(jīng)驗,中國可借鑒其研究成果實現(xiàn)DR 潛力評估項目在以下幾方面的突破。

1）提高數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量。中國DR 潛力評估項目的很多假設(shè)都是建立在國際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的,僅考慮了部分試點用戶的負荷響應(yīng)情況。隨著DR試點的開展,未來需建立本地DR 數(shù)據(jù)庫,充分挖掘本地負荷特性及用戶行為特性,提高DR 潛力評估的準確性。

2）評估負荷在不同DR 項目下的DR 潛力［121］。美國FERC 機構(gòu)評估了用戶在直接負荷控制、動態(tài)電價等不同DR 項目下的DR 潛力［103］。為充分挖掘用戶的DR 潛力,建議中國提供滿足不同用戶的多元化DR 項目,同時評估用戶在不同項目下的DR潛力。

3）評估負荷在不同應(yīng)用場景的DR 潛力。文獻［118］評估了美國西部互聯(lián)區(qū)域內(nèi)工業(yè)負荷可應(yīng)用于監(jiān)管、應(yīng)急、提供靈活性、作為容量儲備等場景的DR 潛力,而中國DR 潛力評估項目仍局限于削峰場景,未來需進一步探究不同應(yīng)用場景的DR 潛力。

4）定期評估DR 潛力。DR 潛力與經(jīng)濟發(fā)展水平、用戶響應(yīng)意愿、多元負荷特性等因素密切相關(guān),具有明顯的時變特性。因此,建議利用更新的數(shù)據(jù)定期對DR 潛力進行評估,探究DR 潛力的變化趨勢,為未來的DR 計劃提供重要參考信息。

3 DR 潛力評估應(yīng)用范圍擴展

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進,系統(tǒng)對于負荷側(cè)調(diào)節(jié)的實際需求也在不斷變化,DR 的作用和價值不斷被深化,一些新型DR 概念相繼被提出。本章將先介紹綜合DR、低碳DR、動態(tài)DR 這3 類新型DR,在此基礎(chǔ)上對DR 潛力估計面向新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍擴展進行分析。

3.1 綜合DR

隨著多能源系統(tǒng)的發(fā)展以及能源市場的改革,電、氣、熱、冷等不同能源形式之間相互耦合、相互替代的關(guān)系不斷加深。在上述背景下,綜合DR 應(yīng)運而生。綜合DR 是需求側(cè)在綜合能源網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)DR 的衍生和擴展,不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)DR 在時間上削減和轉(zhuǎn)移負荷,還能將用能種類轉(zhuǎn)換與時間轉(zhuǎn)移相結(jié)合,充分利用多能互補特性激活綜合能源網(wǎng)絡(luò)的DR 潛力［130］。在綜合DR 中,除了需對傳統(tǒng)DR 中可削減、可轉(zhuǎn)移等負荷進行建模,還需對微型燃氣輪機、電制氫設(shè)備等可實現(xiàn)不同能源間相互轉(zhuǎn)換的可轉(zhuǎn)換負荷建立響應(yīng)模型。

3.2 低碳DR

在中國“雙碳”戰(zhàn)略目標的背景下,電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型需求愈加迫切,低碳DR 的概念被提出。傳統(tǒng)的DR 機制從“電”視角出發(fā),以促進電力系統(tǒng)供需平衡為導向。而低碳DR 從“碳”視角出發(fā),以降低電力系統(tǒng)碳排放為導向,是一種通過給予電力用戶不同用電行為下所產(chǎn)生的相應(yīng)用電碳排放信息,引導用戶改變其自身用電行為,從而降低系統(tǒng)碳排放的減碳新機制［131］。在低碳DR 機制下,用戶可通過用電碳排放因子來獲知自身用電行為產(chǎn)生的碳排放量,其DR 潛力主要受自身碳減排意愿和碳市場下的激勵影響［131］。

3.3 動態(tài)DR

隨著電動汽車、分布式儲能等具有良好動態(tài)響應(yīng)特性的資源在用戶側(cè)的廣泛接入,動態(tài)DR 開始受到學界的廣泛關(guān)注。關(guān)于動態(tài)DR 尚未有統(tǒng)一的定義,目前主要有3 種不同闡述:1）動態(tài)DR 是維持短時間尺度（秒級、分鐘級）電網(wǎng)供需平衡的一類DR,其重點在于響應(yīng)速度快和持續(xù)時間短［132］；2）動態(tài)DR 是多時間尺度連續(xù)滾動優(yōu)化的一類DR,其重點在于協(xié)調(diào)不同時間尺度的DR［133］；3）動態(tài)DR 是改善電網(wǎng)動態(tài)過程品質(zhì)的一種負荷調(diào)節(jié)手段,其重點在于改善電網(wǎng)受擾動后從穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)過程中的控制性能［134］。在上述3 種闡述中,第3 種闡述同時考慮了電網(wǎng)的動態(tài)變化過程特征和DR 資源的動態(tài)特性,相比于前兩者內(nèi)涵更加豐富。

3.4 DR 潛力評估應(yīng)用擴展

與傳統(tǒng)DR 相比,綜合DR 擴充了響應(yīng)資源,促進了多種能源之間的相互轉(zhuǎn)換,低碳DR 從“碳”視角出發(fā),改變了傳統(tǒng)DR 的機制導向,動態(tài)DR 將原先DR 的內(nèi)涵從“維持實時功率平衡”拓展到“改善電網(wǎng)動態(tài)過程品質(zhì)”。相應(yīng)的,DR 潛力估計的應(yīng)用范圍也需相應(yīng)進一步擴展。筆者認為,在新型DR視角下,DR 潛力評估應(yīng)用范圍應(yīng)拓展為“電碳耦合視角下需求側(cè)多能流資源動態(tài)響應(yīng)過程中的綜合性能指標體系”。與傳統(tǒng)DR 潛力評估相比,區(qū)別體現(xiàn)在如下3 個方面:

1）從“單一能源形式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嗄茉瘩詈闲问健?。已有DR 潛力評估多針對單一的電能源形式,較少考慮電、氣、熱、冷等不同能源形式之間耦合響應(yīng)效益。綜合DR 通過不同能源形式之間的轉(zhuǎn)換來向電網(wǎng)提供靈活性,相比于純電力DR,綜合DR 的響應(yīng)靈活性更強但響應(yīng)機理更加復雜。為充分利用多能互補特性激活綜合能源網(wǎng)絡(luò)的DR 潛力,對綜合DR 中能量轉(zhuǎn)化設(shè)備的響應(yīng)速度、響應(yīng)持續(xù)時間等性能指標提出了更高的要求。相應(yīng)的,需求側(cè)資源DR 潛力的內(nèi)涵不應(yīng)局限于容量這個單一指標,而應(yīng)該是包含響應(yīng)容量、響應(yīng)時延、響應(yīng)精度、響應(yīng)持續(xù)時間、平均響應(yīng)速率、響應(yīng)恢復速率等諸多指標在時間上的分布,即構(gòu)成DR 潛力評估的綜合性能指標體系。

2）從“電”視角轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娞捡詈稀币暯恰Ｒ延蠨R 潛力評估多從“電”視角出發(fā),評估DR 資源的負荷調(diào)控潛力。針對新的應(yīng)用范圍,DR 資源的DR 潛力應(yīng)包含負荷調(diào)控潛力和負荷減碳潛力兩部分。隨著電力系統(tǒng)碳計量研究的深入,現(xiàn)有研究已經(jīng)可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)全過程碳排放的計量,為評估DR 資源的減碳潛力提供基礎(chǔ)。與當前單一“電”視角下的DR 潛力相比,探究“電碳耦合”視角下的DR 潛力問題有利于充分發(fā)揮DR 資源的減碳潛力,助力“雙碳”目標的實現(xiàn),屬于面向新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍拓展。

3）從“離線靜態(tài)評估”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸诰€動態(tài)評估”。已有DR 潛力評估多是離線靜態(tài)的,較少考慮資源DR 潛力的動態(tài)變化。因為動態(tài)DR 最終要服務(wù)于電網(wǎng)動態(tài)過程品質(zhì)的改善,需求側(cè)資源DR 潛力也不應(yīng)僅僅局限在離線的靜態(tài)層面,而需要對負荷資源的DR 潛力進行在線動態(tài)評估,方可支撐基于動態(tài)DR 的各類功能及其相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 研究重點展望

隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,未來DR 將具備如下4 個特征:1）綜合化,即可實現(xiàn)電、氣、熱、冷等不同能源形式的耦合響應(yīng)；2）低碳化,即促進電力系統(tǒng)碳減排；3）動態(tài)化,即具有更快的響應(yīng)速度；4）常態(tài)化,即長時間持續(xù)地開展DR。在上述背景下,DR 潛力評估被賦予了新的要求,本章從多能源虛擬電廠DR 潛力評估、電碳耦合背景下的DR 潛力評估、動態(tài)DR 背景下的DR 潛力評估和常態(tài)化DR 背景下的DR 潛力評估4 個方面對DR 潛力評估的未來研究重點進行展望。

4.1 多能源虛擬電廠DR 潛力評估

當前DR 潛力評估研究多局限于電力這一種能源形式,隨著電、氣、熱、冷等不同能源形式之間耦合的不斷加深,未來包含分布式電源（分布式光伏、微型燃氣輪機、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等）、分布式儲能、柔性負荷、電動汽車的多能源虛擬電廠將得到快速發(fā)展。然而,一方面,不同能流特性差異大,且不同能流之間存在相互轉(zhuǎn)換,相互耦合作用,其響應(yīng)機理更加復雜；另一方面,不同能流響應(yīng)時表現(xiàn)出不同的時間尺度,因此多能源虛擬電廠具有多時間尺度的特點［135］,需要協(xié)調(diào)不同響應(yīng)時間尺度上的DR 潛力。未來可從以下兩方面展開研究:

1）多能流虛擬電廠的響應(yīng)機理研究。需要分析能流的響應(yīng)特性及不同能流之間的轉(zhuǎn)換特性,在此基礎(chǔ)上建立多能流耦合的綜合響應(yīng)機理模型。此外,由于氣-熱網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性［135］,需提出多能流虛擬電廠的動態(tài)響應(yīng)機理模型。

2）多能流虛擬電廠DR 潛力時空分布研究。需要分析不同能流響應(yīng)的時間尺度差異,研究多能流虛擬電廠協(xié)調(diào)不同時間尺度的DR 資源方式,并在此基礎(chǔ)上評估多能流虛擬電廠DR 潛力的時空分布特性。

4.2 電碳耦合背景下的DR 潛力評估

隨著電碳耦合的不斷深入,電力用戶將逐步納入碳市場中,為有效促進DR 資源在碳市場下的交易,科學評估負荷在碳市場下的減碳潛力至關(guān)重要,未來可從以下3 個方面展開研究:

1）面向低碳DR 的碳排放計量研究。需要分析不同網(wǎng)絡(luò)拓撲下DR 資源運行的直接碳排放和間接碳排放,結(jié)合碳排放流等理論開展面向低碳DR 的碳排放計量研究,提出動態(tài)碳排放因子的科學計量方法,為評估DR 資源的減碳潛力提供依據(jù)。

2）面向碳減排核算的碳基線估計研究。傳統(tǒng)DR 中負荷基線估計只需考慮用戶用電行為的不確定性,是一個單不確定性問題。對于低碳DR,需要考慮碳排放從源側(cè)向荷側(cè)的時空轉(zhuǎn)移,因此,碳基線（即如果用戶不參與DR 本該消耗的負荷所對應(yīng)的碳排放量）的估計涉及源網(wǎng)荷各個環(huán)節(jié),源側(cè)和網(wǎng)側(cè)的不確定性也會影響碳基線估計的精度。因此,需要研究源、網(wǎng)、荷不確定性對碳基線估計的影響,提出碳基線的科學估計方法。

3）DR 資源的減碳潛力評估研究。需要結(jié)合上述碳排放計量研究和碳基線估計研究,針對不同應(yīng)用場景,從時間和空間兩個維度開展DR 資源的減碳潛力評估及影響因素分析研究。

4.3 動態(tài)DR 背景下的DR 潛力評估

動態(tài)DR 潛力評估對評估的時效性與準確性提出了更高的要求。然而,一方面,負荷資源的調(diào)節(jié)過程存在時序耦合約束,其響應(yīng)特性隨時間不同而發(fā)生變化,前序動作會影響后序調(diào)節(jié)能力的大小。另一方面,負荷調(diào)節(jié)受到天氣、用戶行為等多重因素影響,負荷調(diào)節(jié)潛力本身具有很強的時變特性,其DR潛力難以準確評估。未來可從以下兩方面展開研究:

1）適應(yīng)小樣本特性的動態(tài)DR 潛力評估。據(jù)統(tǒng)計,2019 年中國8 省市累計組織實施DR 共25 次,雖然這一數(shù)字在2021 年提升至61 次,但總體來看國內(nèi)開展DR 的次數(shù)仍然十分有限［136］。因此,用戶真實的響應(yīng)數(shù)據(jù)積累較少,且試點用戶的響應(yīng)規(guī)律還難以直接推廣到其他用戶上。動態(tài)DR 潛力評估這一小樣本特性使得依賴數(shù)據(jù)的評估方法難以奏效,因此,適應(yīng)小樣本特性的動態(tài)DR 潛力評估方法成為DR 潛力評估的關(guān)鍵問題。已有學者關(guān)注到這一問題并針對性開展了相關(guān)研究,如采用遷移學習方法將已有用戶數(shù)據(jù)遷移到未知用戶上［137］,或者采用分布魯棒的方法充分提取小樣本數(shù)據(jù)中的分布信息,再利用行業(yè)共性與用戶個性相結(jié)合的方式實現(xiàn)由典型用戶到一般用戶的大規(guī)模DR 潛力推演［138］,未來也可考慮數(shù)據(jù)增強的方法如生成對抗網(wǎng)絡(luò)來解決這一問題。

2）概率性動態(tài)DR 潛力評估。由于動態(tài)DR 潛力受到多種耦合因素的影響,具有很強的不確定性,確定性評估無法在需求側(cè)資源優(yōu)化調(diào)度和輔助服務(wù)市場投標策略制定等實時運行場景中給予準確參考。因此,需要開展概率性動態(tài)DR 潛力評估相關(guān)研究,通過區(qū)間、概率密度函數(shù)、分位數(shù)等形式給出DR 潛力未來的變化趨勢,從而為決策者提供更多參考信息,降低決策風險。

4.4 常態(tài)化DR 背景下的DR 潛力評估

在未來常態(tài)化DR 的背景下,基于過去歷史數(shù)據(jù)的基線負荷估計難以適用,為DR 潛力評估帶來了新的挑戰(zhàn)。有研究提出,準線型DR 在面向常態(tài)化DR 背景時具有更好的適應(yīng)性和可持續(xù)性［139］,有望通過準線解決常態(tài)化DR 背景下的DR 潛力評估難題,未來可從以下兩方面展開研究:

1）面向常態(tài)化DR 的準線優(yōu)化研究。準線型DR 的目標是引導用戶成為有助于高比例新能源消納的電網(wǎng)友好型用戶,負荷準線形態(tài)將直接決定DR 用戶平抑系統(tǒng)波動的效果［140］。因此,需要研究負荷準線的形態(tài)對用戶響應(yīng)行為的影響機理以及不同負荷準線平抑系統(tǒng)波動效果的差異,從而探究面向常態(tài)化DR 的準線優(yōu)化方法。

2）基于準線的DR 潛力評估研究。基于基線的DR 潛力評估方法關(guān)注用戶以基線負荷為基準調(diào)整負荷量的大小,其估計的準確性會因為負荷側(cè)面臨各種復雜的實際場景而面臨挑戰(zhàn)［141-143］。而基于準線的DR 潛力評估方法則關(guān)注用戶接近負荷準線趨勢的程度。因此,需研究如何基于準線與負荷特性量化用戶的DR 潛力大小,并探究不同負荷準線對用戶DR 潛力的影響。

5 結(jié)語

DR 資源潛力挖掘是提高新型電力系統(tǒng)的可控性及可調(diào)度性、降低系統(tǒng)附加建設(shè)投資成本的一種有效手段。隨著DR 市場化的不斷深入,未來將會有更多類型的用戶參與DR。準確的DR 資源潛力評估在電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、市場交易等方面具有重要作用。本文分別從評估的DR 潛力類型、評估的時間尺度、評估的空間尺度以及評估的思路框架4 個維度梳理了DR 潛力評估的研究進展,并分析了不同維度下DR 潛力評估的應(yīng)用場景；總結(jié)了DR 潛力評估的實際項目應(yīng)用,以典型項目為例進行重點剖析,并通過國內(nèi)外案例對比分析中國DR 潛力評估項目未來的發(fā)展方向；介紹了綜合DR、低碳DR和動態(tài)DR 這3 類新型DR,并在此基礎(chǔ)上對DR 潛力評估面向新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍擴展進行分析。最后,從多能源虛擬電廠DR 潛力評估、電碳耦合背景下的DR 潛力評估、動態(tài)DR 背景下的DR 潛力評估和常態(tài)化DR 背景下的DR 潛力評估4 個方面展望了未來的研究方向?？紤]到未來的發(fā)展需求,對DR 潛力評估研究提出以下幾點建議:

1）結(jié)合國內(nèi)DR 市場進程完善DR 潛力評估機制,建立DR 潛力評估數(shù)據(jù)庫并評估負荷在不同DR項目、不同應(yīng)用場景下的DR 潛力。

2）結(jié)合新型DR 概念深入開展DR 潛力評估研究。如結(jié)合綜合DR 概念開展多能源虛擬電廠DR潛力評估研究,結(jié)合動態(tài)DR 概念開展動態(tài)DR 潛力評估研究。

3）深入調(diào)研實際DR 潛力評估應(yīng)用的需求,加強理論研究與實際應(yīng)用的聯(lián)系。