OpenADR2.0標準架構及應用

張鐵峰,張 旭,趙 云,肖 勇,孫宇軍,王 巖,胡 軍

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京100084；3. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣東廣州510080)

OpenADR2.0標準架構及應用

張鐵峰1,2,張 旭1,趙 云3,肖 勇3,孫宇軍3,王 巖3,胡 軍2

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京100084；3. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣東廣州510080)

開放式自動需求響應通信規(guī)范(OpenADR)提供了一種基于價格信號和需求響應事件的標準化通信架構。重點闡述了OpenADR2.0標準的主要內容、通信架構、傳輸機制、服務類型和安全機制。最后，介紹了OpenADR的應用案例及國內的研究進展。實踐表明，OpenADR可支持自動需求響應，具有大規(guī)模部署潛力，大大提升了需求響應的可靠性、魯棒性及成本效益。中國應加快制定和完善自動需求響應相關標準，促進全球能源互聯(lián)背景下的用戶互動響應與社會節(jié)能減排。

OpenADR2.0；需求響應；節(jié)能減排；通信規(guī)范；用戶互動

0 引言

需求響應(Demand Response, DR)是電網(wǎng)實現(xiàn)低碳和發(fā)展清潔能源的重要手段。DR可定義為：電力市場中的用戶針對市場價格信號或激勵機制做出響應, 并改變正常用電模式的市場參與行為[1-2]。需求側管理是自上而下的活動，缺乏市場機制約束，政府或電網(wǎng)公司通過制定電價、節(jié)能措施進行負荷管理，側重于長期行為的影響，并未充分考慮用戶利益。作為需求側管理的一種技術，DR引入了市場機制，用戶以經濟手段自愿參與市場競爭[3]，既可優(yōu)化用電方式、降低系統(tǒng)運營成本，又能在短時間內提高電網(wǎng)需求彈性，實現(xiàn)削峰填谷，電力供需平衡等目標[4]。因此，DR引起了人們的關注。當前，多個發(fā)達國家基于能源戰(zhàn)略考慮，已將需求側資源置于與發(fā)電側資源同等甚至優(yōu)先的地位[5，6]。隨著電力市場化改革的推進，電力需求側管理將具有更大的發(fā)展空間[7]。

OpenADR最早由美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的DR研究中心(Demand Response Research Center, DRRC)研究開發(fā)，最初用于支持加州能源政策項目，利用動態(tài)電價改善電網(wǎng)的經濟性和穩(wěn)定性。2012 年，OpenADR2.0a 作為美國的國家標準發(fā)布[8]；2014年，IEC批準OpenADR2.0作為公共可用規(guī)范并列入Smart Grid Interoperability Panel(SGIP)的標準目錄。

1 OpenADR2.0概述

OpenADR1.0支持動態(tài)電價，主要定義了一種通信數(shù)據(jù)模型，為服務器端和客戶端的通信創(chuàng)建了技術框架，對通信規(guī)約問題進行了描述和闡述[9]。相比之下，OpenADR2.0提供更加全面的功能以滿足多樣化的市場需求，涵蓋了美國電力批發(fā)與零售市場交易、可靠性信號、分布式能源管理的數(shù)據(jù)模型，除支持動態(tài)電價外還可應用于輔助服務(快速DR)、分布式能源、間歇性可再生資源、大規(guī)模儲能、電動汽車及就地發(fā)電。已發(fā)布的OpenADR2.0版本包括：OpenADR2.0a適用于中低端嵌入式設備，僅支持基本的DR服務和市場；OpenADR2.0b專為高端嵌入式設備設計并且具有對于歷史、實時和未來數(shù)據(jù)報告和反饋的能力。OpenADR2.0b提供額外的反饋和報告功能，包括歷史使用記錄、基線和預測信息，有助于DR服務提供商預測和驗證其DR資源的性能。表1總結了OpenADR1.0和OpenADR2.0的差異[10]。

開放規(guī)范是為了讓任何人都能實現(xiàn)雙向的通信系統(tǒng)。OpenADR2.0通信標準涵蓋了服務器端和客戶端之間的通信數(shù)據(jù)模型，但不包括客戶端負荷削減或轉移策略等詳細信息，有利于其在供應商中的部署和應用[11]。

表1 OpenADR1.0與OpenADR2.0的差異

OpenADR2.0通信標準系統(tǒng)性地介紹了OpenADR2.0的節(jié)點和設備類型、服務類型、傳輸機制、數(shù)據(jù)模型擴展和安全策略等。為了滿足更廣泛的互操作性測試和認證要求，標準中為每一項服務提供了一套清晰的必選的和可選的屬性集。同時為不同的產品創(chuàng)建功能配置文件，以滿足當今及未來的市場需求。自動化客戶端連續(xù)監(jiān)測實時信息，將其轉換成連續(xù)的自動控制和響應策略，提高了電力供應的動態(tài)優(yōu)化能力[12]。

2 OpenADR2.0通信架構

OpenADR2.0是一個開放的、互操作性的通信標準，遵循了OASIS EI 1.0標準的概念，定義了DR服務器端(Virtual Top Node，虛擬頂端節(jié)點)和DR客戶端(Virtual End Node，虛擬終端節(jié)點)之間的通信模型。其標準通信架構如圖1所示[13]。OpenADR2.0節(jié)點組成一個樹如圖2所示。最簡單的情況下，樹只有一對VTN-VEN即一個樹跳[14]。OpenADR2.0不存在對等的通信，例如：VTN 不能和其他VTN進行直接通信，同樣的，VEN也不直接和其他VEN通信[15]。

圖1 OpenADR2.0標準通信架構

虛擬頂端節(jié)點(Virtual Top Node, VTN)：作為一個服務器，由電力公司或獨立系統(tǒng)運營商操作，發(fā)布和發(fā)送DR信息到VEN或中間服務提供商。VTN可以和電網(wǎng)以及域內VEN或系統(tǒng)通信。VTN也可作為VEN和另一個VTN交互，如圖2節(jié)點2。

圖2 OpenADR2.0節(jié)點分層架構示例

虛擬終端節(jié)點(Virtual End Node, VEN)：作為一個客戶端，可以是能量管理系統(tǒng)或能接收響應DR信息的終端設備。VEN控制資源以響應電網(wǎng)DR信息，VEN可以和VTN進行雙向通信，接收DR信息并且能夠向VTN發(fā)送響應信息。資源可以是電表、負荷或者發(fā)電設備。同樣，VEN也可以作為VTN與其他VEN交互。

通常情況下，DR會涉及服務提供商(負荷集成商)參與，此時節(jié)點會構成多層結構，在這種情況下，中間節(jié)點，如圖2中節(jié)點2，3，6就有VTN和VEN兩種功能。在任一交互過程中，一個參與者被定義為VTN，其余的作為VENs，每個交互事件都是彼此獨立的。OpenADR2.0不包括VEN響應DR信息的具體策略，VEN可采用其支持的協(xié)議對接收的信息進行轉換并發(fā)送至下游節(jié)點。具體的部署方案依賴于電力公司或獨立系統(tǒng)運營商和現(xiàn)場之間的協(xié)議。

OpenADR2.0支持HTTP和XMPP兩種傳輸機制以適應不同的部署場景，其中2.0b VEN選擇支持HTTP或XMPP，或者可以同時支持。VTN必須同時支持HTTP和XMPP。OpenADR2.0消息交換包含PUSH模式和PULL模式。在PUSH模式下，VTN發(fā)起通信，并發(fā)送信號到VEN。為實現(xiàn)PUSH模式，VEN必須公開一個URL端點創(chuàng)建通道支持VTN發(fā)送電價和可靠性信號。然而，出于安全考慮，客戶不希望其服務器的URL端點公開，因此，在PUSH模式下進行通信面臨一定的技術挑戰(zhàn)。在PULL模式中，VEN通過定期查詢獲取VTN更新的信息發(fā)起通信。PULL模式可以查詢獨立系統(tǒng)運營商或者電力公司發(fā)布的日前電價信號。為實現(xiàn)PULL模式，VEN需要定期查詢VTN更新，雖然避免了網(wǎng)絡安全問題，但由于有限的查詢頻率和更高要求的帶寬而產生延遲。OpenADR客戶應考慮自身通信需求選擇通信方式和技術要求。

3 OpenADR2.0服務類型

3.1 事件

DR事件由VTN發(fā)送到VEN，發(fā)送信號給VEN控制資源實現(xiàn)響應。事件信號中包含開始時間，持續(xù)時間以及有關削減量的信息或更新的電價。VEN通過響應確認其選擇加入或拒絕參與事件。在OpenADR2.0中，事件可以使用PUSH和PULL兩種模式。在PUSH模式下，VTN創(chuàng)建DR事件并發(fā)送給VEN；在PULL模式下，VEN主動請求DR事件，VEN可以發(fā)送周期性的或一次性的請求獲取DR事件，DR事件作為響應由VTN發(fā)送。事件使用一個或多個事件元素描述了該信號包含的單獨事件、信號值和時間段，使用響應需求元素控制VEN是否發(fā)送響應。OpenADR2.0事件字段信息如表2所示。

表2 OpenADR2.0事件字段信息

3.2 報告

通常由VEN發(fā)送到VTN，報告能量消耗或VEN端資源的連接狀態(tài)。圖3為Open ADR2.0報告類型。VEN和VTN之間報告能力包括注冊報告能力、請求報告、發(fā)送報告、取消報告。首先在元數(shù)據(jù)報告該VEN向VTN注冊所有的報告能力。根據(jù)已注冊的能力信息，VTN可以在必要時請求適當?shù)膱蟾?。在OpenADR2.0b中，不支持改變報告能力的注冊，因此所有功能必須立刻注冊。換言之，無論何時功能發(fā)生改變(例如資源的添加或刪除)，該注冊過程必須重新進行。

元數(shù)據(jù)報告：用于指定VEN的報告功能，例如取樣頻率、測量單位、緩沖數(shù)據(jù)量、受控資源等。包含一個或多個類型的報告并且每個報告具有其自身的描述和規(guī)范。報告ID指元數(shù)據(jù)報告為每個報告分配一個ID，在相互通信的過程中區(qū)分不同的報告；報告名OpenADR2.0b中所有VTN和VEN部署必須通過元數(shù)據(jù)報告注冊，否則無法實現(xiàn)報告能力。

圖3 OpenADR2.0報告類型

數(shù)據(jù)報告：用于報告測量或計算的實際數(shù)據(jù)。包括歷史報告和遙測報告。數(shù)據(jù)報告的核心內容是“數(shù)據(jù)點”代表測量或計算的確切數(shù)值。元數(shù)據(jù)報告指定每一數(shù)據(jù)報告的點的歷史值，特定類型包括歷史使用；歷史使用指VEN記錄使用的數(shù)據(jù)日志并且允許VTN查詢。遙測報告指實時周期性地報告，包括遙測使用和遙測狀態(tài)；遙測使用指VEN到VTN周期性地報告使用數(shù)據(jù)；遙測狀態(tài)指一個資源的狀態(tài)，周期性地從VEN到VTN的報告。

3.3 注冊

注冊可以選擇由VEN查詢VTN開始以確定其需要的配置文件，傳輸機制和可支持擴展功能。這個查詢操作可以采用OpenADR聯(lián)盟支持的任何傳輸機制的啟動。對查詢的響應包括所有VTN支持配置文件，傳輸機制和擴展功能。VEN可以根據(jù)所接收的信息確定正式注冊的最佳配置。VEN確定與VTN通信的配置之后創(chuàng)建注冊，發(fā)送的注冊信息包括：注冊ID、venID、配置文件名稱、傳輸機制名稱、傳輸?shù)刂?、XML簽名等。VTN對每一個注冊發(fā)送的響應信息包括：響應對象、注冊ID、venID、vtnID、配置文件和傳輸機制的集合及名稱。注冊ID標識注冊實例，用于該注冊實例后續(xù)操作，例如重新登記和取消登記。如果VEN的注冊信息發(fā)生改變，可以引用注冊ID隨時進行重新注冊。如果VTN注冊信息發(fā)生改變，VTN可要求VEN重新注冊。VTN或VEN都可以取消注冊另一方發(fā)送響應信息。

3.4 選項

VEN可創(chuàng)建選入和選出的調度表發(fā)送給VTN，用于定義臨時改變的可用性。結合長期的調度表和市場背景需求，這些臨時性的調度表給出了VEN對接收到的事件的響應意愿。VEN使用選項服務實現(xiàn)以下目標：確定VEN臨時可用時段、確定VEN臨時不可用時段、對之前確認的事件選擇選入或選出。VEN能夠創(chuàng)建的選項類型為選入，選出，或兩者兼而有之。如果選項服務只包含venID作為標識，則該調度表適用于VEN所控制的所有資源。通過添加其他的標識信息可指定調度表適用的特定資源，因此，VEN可以同時創(chuàng)建多個不同的選項調度表，提高了DR的靈活性。

4 OpenADR2.0安全機制

在OpenADR中所有的信息交換，服務器端和客戶端必須使用公鑰基礎設施證書完成身份驗證包括雙向認證及消息完整性和機密性。OpenADR2.0定義了標準和高級兩種安全級別。標準安全級別使用傳輸層安全協(xié)議建立VTN和VEN之間的安全通信通道。高級安全級別額外使用XML簽名文檔提供不可抵賴性。

采用開放式的安全體系結構和普通的安全機制，RSA和ECC公鑰加密算法[16]。盡管RSA具有更廣泛的應用，但ECC提供了更高效的加密操作并且對于相同的加密強度，ECC密鑰相比RSA密鑰短很多可有效的加密嵌入式設備。

OpenADR2.0要求所有節(jié)點要配備由認證機構(CA)頒發(fā)的公共/私有密鑰對和數(shù)字證書，由供應商承擔其每個設備證書發(fā)放和管理的成本。同級的通信需要使用數(shù)字證書進行互相驗證。OpenADR2.0要求使用VEN的標識符(venID)及VEN的數(shù)字證書生成的獨特信息進行認證。為使VTN驗證消息的發(fā)送者確實是已經注冊的有效VEN的venID，VTN執(zhí)行venID和數(shù)字證書之間的一對一映射完成驗證。

5 OpenADR應用實踐

自2003年開始，美國進行了大量OpenADR試點和示范項目，太平洋燃氣與電力公司通過開展四種不同的DR項目使更多不同類型的用戶高效地參與其中[17]。西雅圖城市電力公司動態(tài)電價項目和紐約自動DR示范項目驗證了暖通空調和照明設備是理想的DR資源[18-19]。OpenADR制定了基于標準的機器可讀的格式，簡化了用戶的交互過程，減少了用戶端負擔[19]。實踐驗證了OpenADR可支持自動DR，具有大規(guī)模部署潛力。

5.1 OpenADR2.0應用實踐

勞倫斯伯克利實驗室開展了一項快速DR測試項目，目的是確定小負荷實現(xiàn)快速DR方法?？焖傩枨箜憫x為響應的需求側資源不需要提前通知并有快速響應時間(分鐘至秒級)。在測試地點安裝了基于開源軟件的低成本設備保證終端的快速響應，采用OpenADR2.0滿足系統(tǒng)的遙測需求，通過高級量測體系和用戶側的家庭局域網(wǎng)發(fā)送實時用電數(shù)據(jù)作為遙測數(shù)據(jù)。研究表明，利用物聯(lián)網(wǎng)技術和智能家居設備作為調度資源實現(xiàn)低成本快速DR具有可行性。各個設備網(wǎng)絡接口不一致成為系統(tǒng)廣泛部署的最大障礙[20]。

美國電科院研發(fā)了電動汽車參與DR的技術。文獻[21]闡述了電動汽車利用OpenADR2.0 通信架構自動參與DR的方法。VTN將DR事件發(fā)送到一個中心服務器，該服務器負責轉發(fā)到每個電動汽車制造商的管理系統(tǒng)。最終，DR消息通過各制造商專有的遠程信息處理系統(tǒng)發(fā)送到每一輛電動汽車，實現(xiàn)了DR調度電動汽車的有序充電。電動汽車參與快速DR需從技術和效益方面綜合考慮，進一步促進其參與輔助服務。

OpenADR2.0應用于快速DR和分布式能源提高了源網(wǎng)互動性，進一步改善了DR的靈活性和效率，提高了電網(wǎng)對新能源接入的能力，更好地滿足當今及未來的市場需求。

5.2 國內需求響應試點應用項目

國內需求響應領域的研究和實踐剛剛起步，主要集中在需求響應理論框架和標準體系研究。結合需求響應關鍵內容，從體系架構、信息模型、通信協(xié)議、一致性與安全策略等方面制定和完善相關標準，促進需求響應技術發(fā)展和推廣部署。

國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)公司在電力需求側管理方面投入了大量人力物力開展標準體系的建設，并按照國家能源發(fā)展戰(zhàn)略進行示范工程建設[5]。中國電科院智能電網(wǎng)用戶接口標委會(SAC/TC549)已獲OpenADR一致性測試實驗室資質，將有效指導國內DR技術研發(fā)，有利于增強不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通能力。南網(wǎng)科研院制定了DR綜合效益評價國際標準(IEEE P2030.6)與國家標準(GB/T 32127-2015)，并在佛山、南寧等城市開展了試點應用項目。

6 結論

(1)自動需求響應實現(xiàn)了供應側和需求側資源的綜合規(guī)劃，有效發(fā)揮了需求側資源提供實時調節(jié)服務的能力，提高了新能源電力系統(tǒng)的利用效率和安全穩(wěn)定性。OpenADR能夠與控制系統(tǒng)交互通信，通過預編程自動響應DR事件或價格信號，無需人工干預，簡化了多個信號系統(tǒng)的實現(xiàn)，有利于樓宇自動化的部署。因此，需求側資源能更有效的參與系統(tǒng)運行，實現(xiàn)了源荷互動和協(xié)同增效。

(2)OpenADR2.0作為美國的國家標準正在進行國際標準化推廣，旨在滿足現(xiàn)有和未來的輔助服務市場快速DR的需求，其具有顯著的大規(guī)模部署潛力。目前，OpenADR已經在美國、中國、澳大利亞、歐洲、日本等地進行部署。需求響應研究中心研究OpenADR如何采用實時方式協(xié)調資源和DR信息以滿足市場結構變化和新能源接入的新的通信要求，促進DR成為供應側系統(tǒng)的可行競爭者。最終，將支持電網(wǎng)—用戶實現(xiàn)負荷和分布式能源的智能管理。

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A Review of Standard Architecture and Application of OpenADR2.0

ZHANG Tiefeng1,2, ZHANG Xu1, ZHAO Yun3, XIAO Yong3,SUN Yujun3, WANG Yan3, HU Jun2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003,China; 2. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

OpenADR provides a standardized communication architecture based on price signals and DR events. In this paper, the contents of OpenADR2.0 are presented, and the communication architecture, transport protocol, services and security of OpenADR2.0 are described. Further, the practices of OpenADR are presented. Practices show OpenADR can support automatic demand response and greatly improve the reliability, robustness and cost-effectiveness of DR, with potential for large-scale deployment. China should facilitate the development of DR standards and launch the implementation projects of automatic demand response, and ultimately promote user interaction and energy conservation and emission reduction under the background of global energy interconnection.

OpenADR2.0; demand response; conservation and emission reduction; communications specification; user interaction

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.010

2016-09-13。

南方電網(wǎng)公司重大科技專項(CSGTRC-K142036)；教育部中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2014MS101)。

TM73

A

1672-0792(2017)03-0055-06

張鐵峰(1974-)，男，副教授，博士，主要研究方向為智能電網(wǎng)信息通信技術與決策支持。