需求響應(yīng)技術(shù)在調(diào)節(jié)電力供需矛盾中的應(yīng)用

石懷德，郝為民

（中國電力科學研究院，北京 100192）

1 基于需求響應(yīng)技術(shù)的供需雙向調(diào)節(jié)機制概述

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，電力供應(yīng)季節(jié)性、時段性緊缺呈現(xiàn)常態(tài)化的趨勢，能源供應(yīng)保障問題日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨新課題和新挑戰(zhàn)。從需求側(cè)管理的角度去觀察，用電負荷可被視為與發(fā)電能力、電網(wǎng)傳輸能力一樣可以動態(tài)調(diào)度管理的資源。而采用需求響應(yīng)技術(shù)科學配置、調(diào)度需方資源來解決電網(wǎng)供需矛盾，可以為用電客戶響應(yīng)電網(wǎng)需求、通過調(diào)整自身用電方式來間接參與電力系統(tǒng)的運營和管理創(chuàng)造條件，是現(xiàn)代電網(wǎng)邁向智能化、互動化的關(guān)鍵所在。

在歐美發(fā)達國家的需求側(cè)管理實踐中，需求響應(yīng)技術(shù)是調(diào)配需方資源的最為有效的手段，通過經(jīng)濟激勵、價格補償?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)尖峰時段和緊急事態(tài)下的用電負荷削減。這種調(diào)控方式可以有效緩解缺電壓力、削峰填谷、降低供用電成本、提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用率，達到節(jié)約能源和保護環(huán)境的目的。

結(jié)合我國電力市場開放程度、電力總體供需形勢和電網(wǎng)公司需求側(cè)管理業(yè)務(wù)需求，本文提出應(yīng)用需求響應(yīng)技術(shù)調(diào)節(jié)電力供需矛盾，基于電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控和供需平衡分析對需方資源的統(tǒng)一配置和管理，構(gòu)建電力供需雙向調(diào)節(jié)機制。該運作機制應(yīng)包括電力供需平衡分析和電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控、需求響應(yīng)項目組織實施、響應(yīng)效果及性能評價、需方補償與激勵4個部分，如圖1所示。

圖1 電力供需雙向調(diào)節(jié)機制組成

圖1中，“電力供需平衡分析和電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控”業(yè)務(wù)為電力供需雙向調(diào)節(jié)機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和負荷削減需求；“需求響應(yīng)項目組織實施”業(yè)務(wù)負責組織具體需求響應(yīng)項目來實現(xiàn)各類負荷削減需求；通過“響應(yīng)效果及性能評價”業(yè)務(wù)基于“電力供需平衡分析和電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控”提供的用電客戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評價“需求響應(yīng)項目組織實施”業(yè)務(wù)發(fā)布的各類具體的需求響應(yīng)項目響應(yīng)性能、執(zhí)行效果；最終通過“需方補償與激勵”為參與需求響應(yīng)的客戶提供經(jīng)濟補償和其他激勵。

2 電力供需平衡分析

對電力系統(tǒng)進行供需平衡分析是組織實施各種需求響應(yīng)項目的基礎(chǔ)，為不同項目的負荷削減需求提供參照。考慮到不同類型需方資源調(diào)配方式和響應(yīng)時間有很大的區(qū)別，此分析可細分為基于電網(wǎng)動態(tài)調(diào)度的動態(tài)分析和按照日、周、月、年等時間頻度劃分的靜態(tài)分析；按照覆蓋區(qū)域的不同還可分為區(qū)域性供需平衡分析和局部供需平衡分析。

2.1 動態(tài)供需平衡分析

對于電力系統(tǒng)的動態(tài)供需平衡分析，主要是為了有效應(yīng)對在電網(wǎng)動態(tài)調(diào)度工作中參加運行的機組輸出功率上限、參與峰谷調(diào)節(jié)的機組調(diào)節(jié)容量和爬坡速率難以滿足負荷的動態(tài)變化所引起的系統(tǒng)動態(tài)供需失衡［1］，以及當電網(wǎng)正常運行過程中由于某一個或幾個元件因故障退出運行，該元件所帶的初始負荷在其他元件上的重新分配所引發(fā)連鎖的過負荷故障［2—4］。在電網(wǎng)動態(tài)調(diào)度需方資源的過程中，可以對系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點的阻抗模比值（節(jié)點阻抗模與戴維南阻抗模之比)進行監(jiān)控、分析，當節(jié)點阻抗模比值和電壓較低下時，可以通過在阻抗模比值最小的節(jié)點及其源流路徑(從電源到負荷的路徑)上的各類電源節(jié)點組織下屬客戶組織實施可快速響應(yīng)的需求響應(yīng)項目，從而有效緩解電壓失穩(wěn)、線路跳閘危機，為提高緊急運行方式的堅韌度創(chuàng)造條件。

2.2 供需靜態(tài)平衡分析

對于電力系統(tǒng)的靜態(tài)供需平衡分析，主要是為了應(yīng)對由于已知的電煤緊張、溫度、自然災(zāi)害、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、輸電阻塞等因素導致的帶有可預(yù)知性、時段性、區(qū)域性等特征的電力供需的靜態(tài)不平衡問題。基于電網(wǎng)靜態(tài)平衡分析，可以對網(wǎng)省、區(qū)域及熱點地區(qū)電網(wǎng)特點和負荷特性進行分級分層分析，確定不同層次缺口指標，然后根據(jù)缺口覆蓋范圍自下而上組織響應(yīng)速度一般或較差的需求響應(yīng)項目，時間允許的情況下還可以通過建設(shè)熱泵、蓄冷（熱）項目等常態(tài)能效項目削減緊缺地區(qū)的尖峰負荷，并考慮優(yōu)化分時電價、尖峰電價、可中斷負荷電價、高可靠性電價的費率模式等方式引導客戶改善用電方式。

3 需求響應(yīng)項目組織實施

根據(jù)美國能源部的研究報告，電力市場下的需求響應(yīng)（demand response，DR）可以按照用戶不同的響應(yīng)方式劃分為以下2種類型：基于價格的DR(pricebased DR)和基于激勵的DR(incentive-based DR)。

結(jié)合目前需求側(cè)管理和需求響應(yīng)各研究理論，需求響應(yīng)技術(shù)是以客戶同電網(wǎng)公司雙向互動方式實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷的有效手段，但是完整的需求響應(yīng)框架需要一個完全開放的電力市場（包括競爭性發(fā)電市場、零售市場、輔助服務(wù)市場等）以及靈活的電價政策。而我國電價管理按統(tǒng)一政策、統(tǒng)一定價、分級管理的原則，并且尚未形成成熟的輔助服務(wù)市場，這決定了我國需求響應(yīng)技術(shù)無法照搬國外模式。因此從組織實施的角度，電力供需雙向調(diào)節(jié)機制的實施體系應(yīng)對各類需方資源進行響應(yīng)性能分級，同時通過可在現(xiàn)行電價機制下可平滑接入的各種需求響應(yīng)技術(shù)手段對不同性能級別需方資源的調(diào)度和互動。

3.1 需求響應(yīng)項目的性能分級

根據(jù)客戶響應(yīng)性能的不同劃分為高性能需求響應(yīng)項目、一般性能需求響應(yīng)項目和低性能需求響應(yīng)項目。

按照響應(yīng)性能來講，高性能需求響應(yīng)項目可界定為30 min以內(nèi)可以做出有效響應(yīng)的需求響應(yīng)項目，主要用來應(yīng)對突發(fā)性電源故障、電網(wǎng)短期時段性過負荷問題。電網(wǎng)緊急狀態(tài)發(fā)生時，首先分輪次啟動,在電網(wǎng)故障緩解和一般性能需求響應(yīng)項目啟動后優(yōu)先釋放這類需方資源。

一般性能需求響應(yīng)項目為4～8 h之內(nèi)可以做出有效響應(yīng)的需求響應(yīng)項目，主要用來入替釋放高性能需求響應(yīng)項目，應(yīng)對時效性要求不高的趨勢性用電短缺。

低性能需求響應(yīng)項目為8 h以上做出有效響應(yīng)的需求響應(yīng)項目，主要用來入替釋放一般性能需求響應(yīng)項目，應(yīng)對節(jié)能減排需求、電網(wǎng)常態(tài)性供應(yīng)緊張等問題。

3.2 按技術(shù)手段組織的需求響應(yīng)項目

需方資源調(diào)度方法具體由可中斷負荷、緊急需求響應(yīng)、直接負荷輪流控制和用電設(shè)備托管等構(gòu)成。

按照技術(shù)手段來說，可中斷負荷需求響應(yīng)項目是指同客戶簽訂可中斷負荷合同，約定削減負荷的大小、響應(yīng)時間及經(jīng)濟激勵方法、年響應(yīng)最大次數(shù)等，在電網(wǎng)高峰時段或緊急事態(tài)下向用戶發(fā)出負荷中斷信號，經(jīng)用戶響應(yīng)后削減部分次要負荷和次次要負荷?？芍袛嘭摵梢话氵m用大型工商業(yè)用戶。通過可中斷負荷需求響應(yīng)項目，可逐步擴大合同限電在有序用電工作中的比例，從而探索以行政管控和經(jīng)濟補償相結(jié)合的方式削減尖峰負荷。

直接負荷輪流控制和用電設(shè)備托管指在系統(tǒng)高峰時段或緊急狀態(tài)下，在15 min以內(nèi)通知用電客戶，通過遠端控制裝置關(guān)閉或者循環(huán)控制用戶的用電設(shè)備的供電電源或控制系統(tǒng)來實現(xiàn)負荷削減。參與直接負荷控制的客戶一般為小型工商業(yè)用戶、亮化工程、智能園區(qū)、智能樓宇的重點用能設(shè)備,且參與的可控制負荷一般是那種短時間的停電對其生產(chǎn)流水線、經(jīng)營影響不大的負荷。通過開展直接負荷輪流控制和用電設(shè)備托管需求響應(yīng)項目，探索以智能用電服務(wù)和設(shè)備柔性管理的方式實現(xiàn)客戶響應(yīng)。

緊急需求響應(yīng)是指當電力系統(tǒng)出現(xiàn)過載、線路故障或發(fā)電機故障等緊急狀況時，在前一日對用戶進行削減負荷預(yù)警，并在真正削減負荷2 h前通知用戶。有別于可中斷負荷，參與緊急需求響應(yīng)的客戶是被期望而不是強制要求削減負荷，用戶可以因削減負荷得到相應(yīng)補償。如果上述情況下用戶不削減負荷，也不會受到處罰。通過開展緊急需求響應(yīng)業(yè)務(wù)探索通過完全經(jīng)濟手段調(diào)控的方式實現(xiàn)客戶自愿削減負荷，并可測試不同行業(yè)客戶需求響應(yīng)的彈性。

在電網(wǎng)實際運行和需方資源的組織管理上，根據(jù)靜態(tài)電力供需平衡分析和動態(tài)電力調(diào)度中的負荷削減需求和時間約束需求，對電源節(jié)點進行溯源分析和下屬客戶可調(diào)控負荷及其響應(yīng)性能進行分析，并結(jié)合系統(tǒng)運行的各類約束條件形成具體需求響應(yīng)項目。其考慮的主要約束條件有：

●響應(yīng)時間約束：應(yīng)充分考慮不同行業(yè)，客戶主要用能設(shè)備停限電所需準備時間以及由于生產(chǎn)工藝決定的設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，降低停電對客戶用能造成的損失。

●保供電約束：應(yīng)細分用電客戶，全力保障學校、醫(yī)院等重要客戶的電力供應(yīng)，針對突發(fā)事件導致的電力供應(yīng)中斷應(yīng)確保滿足該類客戶的保安容量的電力供應(yīng)。

●雙電源及輪休約束：應(yīng)全面考慮客戶電源配置關(guān)系，避免通過不同進線間的負荷轉(zhuǎn)移、安排輪休又參加需求響應(yīng)項目等投機行為，確保需求響應(yīng)項目執(zhí)行有效。

4 響應(yīng)效果及性能評價

對實際需求響應(yīng)的響應(yīng)效果及性能開展科學評價，是對需求響應(yīng)項目進行性能分級和對需方資源進行補償與激勵的基礎(chǔ)。

4.1 需方負荷監(jiān)測

需方負荷監(jiān)測應(yīng)利用光通信和多種通信技術(shù)結(jié)合的方式，全面集成配網(wǎng)SCADA提供的電源節(jié)點實時負荷數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對專變大用戶的主要生產(chǎn)設(shè)備、商業(yè)樓宇的電鍋爐、空調(diào)等主要用能設(shè)備用能數(shù)據(jù)的分項計量和實時上傳。全面的需方負荷監(jiān)測為客戶基本負荷的核定和需求響應(yīng)項目的執(zhí)行性能評級提供數(shù)據(jù)支持，為客戶補貼計算提供依據(jù)。

4.2 客戶基本負荷界定及響應(yīng)性能界定

客戶基本負荷(customer baseline load，CBL)是指用戶在事故期間不實施需求響應(yīng)的情況下，每小時可能消耗的負荷，這是對未發(fā)生情況的一個估計值，基于基本負荷就可以計算用戶在事故期間的負荷削減量，進而評價用戶的響應(yīng)性能和實際貢獻，并依此對用戶進行獎懲和評價需求響應(yīng)項目的總體性能。其計算規(guī)則應(yīng)規(guī)避用戶為獲取經(jīng)濟補貼而采取的投機行為，應(yīng)充分考慮氣象因子、生產(chǎn)規(guī)模因子和歷史負荷控制因子及參與需求響應(yīng)項目影響因子對實際負荷的影響，選取的負荷樣本空間應(yīng)剔除異常數(shù)據(jù)，然后可根據(jù)基于多元線性回歸的方法進行客戶基本負荷計算。在事故發(fā)生期間基于負荷采集數(shù)據(jù)對客戶基本負荷同客戶實際負荷的差值進行積分計算即為該用戶的實際響應(yīng)性能，項目整體響應(yīng)性能的算術(shù)平均值即為需求響應(yīng)項目的總體響應(yīng)性能。

5 需方補償與激勵

實施需求響應(yīng)項目的關(guān)鍵是通過什么方式給用戶激勵才能充分激起用戶實施需求響應(yīng)，這就需要構(gòu)建激勵補償運作機制。根據(jù)國外的需求響應(yīng)項目實施經(jīng)驗，需方補償與激勵一般分為價格優(yōu)惠和激勵補償。

5.1 價格優(yōu)惠型需方補償

結(jié)合我國目前需求側(cè)管理實際情況，價格優(yōu)惠可通過可中斷負荷/高可靠性電價以及容量/需量基本費減免等方式來執(zhí)行。

其中高可靠性電價和可中斷負荷電價是一對計及可靠性因素而互為補充的電價政策，該政策根據(jù)“按質(zhì)論價、高質(zhì)高價”的原則和電力客戶對供電連續(xù)性和可靠性不同需求來制定不同服務(wù)水平的電價/補貼政策,為客戶差異化電力供應(yīng)服務(wù)和電費的核算標準。

容量/需量基本費減免是指在客戶參與需求響應(yīng)項目期間對其自愿參與削減的負荷應(yīng)減免的相應(yīng)容量基本費和需量基本費。

5.2 激勵補償型需方補償

在激勵補償方面，需求響應(yīng)激勵的費用來源可以采用城市附加費、高可靠性電價收益提取、政府公共基金劃撥等方式進行費用來源籌措。此外，由于尖峰電價存在實際執(zhí)行效果難以準確度量的困難，執(zhí)行尖峰電價造成的銷售電量實際損失無法度量，因此本激勵機制不建議采用尖峰電價作為需求響應(yīng)激勵的費用來源。

需方響應(yīng)補償?shù)念~度應(yīng)按照各類需求響應(yīng)項目負荷削減實際大小以及需求響應(yīng)項目的性能分級構(gòu)建數(shù)學模型進行綜合測算補償額度。需求響應(yīng)項目負荷削減實際大小按照可中斷負荷＜緊急需求響應(yīng)＜直接負荷輪流控制的次序；需求響應(yīng)項目的性能分級按照高性能需求響應(yīng)項目＞一般性能需求響應(yīng)項目＞低性能需求響應(yīng)項目的順序。

6 結(jié)束語

綜上所述，構(gòu)建基于需求響應(yīng)技術(shù)的電力供需雙向調(diào)節(jié)機制是電力需求側(cè)管理由傳統(tǒng)行政調(diào)控向經(jīng)濟與行政相結(jié)合的關(guān)鍵所在。本文在電力供需平衡分析、需求響應(yīng)項目組織實施、響應(yīng)效果及性能評價、需方補償與激勵4個部分展開了論述，為需求響應(yīng)技術(shù)在我國的接入提出了一些框架性的措施和建議。

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