深度｜新电改背景下 我国如何促进电力需求响应向常态化转型？

摘要

随着“互联网+智慧能源”的推进和电气信息技术的深度融合,电力需求响应业务也被赋予了诸如新能源消纳、辅助服务等新的使命,并面临着从紧急态向常态化的转型。目前我国电力需求响应试点项目建设已为需求响应业务发展积累了丰富经验,但在大规模复制推广方面还存在一些瓶颈。基于国内外需求响应发展现状,结合我国已经发布的相关政策、技术标准以及现有试点城市的建设情况,从政策机制保障、信息化支撑、平台部署及组织实施层面剖析当前所存在的问题,并结合实际工作情况尝试给出若干未来发展建议。

李彬1, 陈京生1, 李德智2, 石坤2, 杨斌3, 祁兵1, 孙毅1, 奚培锋4

1．华北电力大学 电气与电子工程学院,北京市 昌平区 102206

2．需求侧多能互补优化与供需互动技术北京市重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京市 海淀区 100192

3．国网江苏省电力有限公司,江苏省 南京市 210024

4. 上海市智能电网需求响应重点实验室(上海电器科学研究所(集团)有限公司),上海市 普陀区 200063

0 引言

在国家发改委的组织下,江苏、上海、北京、佛山等地陆续实施了电力需求响应的试点建设工作,通过政府主导、电网企业实施的方式和电力用户互动,并在执行过程中适当引入了负荷聚合商、服务商等第三方新型实体的参与。根据2015—2017年的需求响应(demand response,DR)试点执行情况,可以看出我国需求响应无论从负荷规模还是单次响应体量上,都稳居国际前列[1]。在上述DR试点城市中,均引入了负荷聚合商作为中间机构,为DR管理系统(第三方机构或电网企业)提供用户侧DR资源聚合管理支撑,并对用户进行业务指导。但居民用户在参与DR业务过程中,由于信息接口及通信协议的不足与落后,导致DR事件、用户确认信息及负荷量测数据等信息交互过程仍旧较为繁琐[2],在信息传输的实时性、可靠性、成本经济性等方面难以适应未来电力需求响应业务自主、灵活性的要求,无法充分发挥用户DR资源的作用,更无法进一步推广DR业务的实施[3]。

在政策方面,国家发改委发布的《电力发展十三五规划》明确了未来DR业务定位,也提出了加强需求响应能力建设、延续试点城市工作成果的方向[4]。根据2018年1月22日能源局发布的2017年全社会用电量数据,全年用电量63077亿kW•h,其中城乡居民生活用电量高达8695亿kW•h,同比增长7.8%,可柔性调节的DR资源比例逐步攀升,未来中国城乡居民用户参与需求响应具有巨大的潜力[5]。在标准化方面,SAC/TC549全国智能电网用户接口标准化技术委员会自2014年成立以来,制定了包括《电力需求响应系统通用技术规范(GB/T 32672—2016)》[6]、《智能电网用户自动需求响应：分散式空调系统终端技术条件(GB/T 34116—2017)》[7]、《电力需求响应系统功能规范(GB/T 35681—2017)》[8]、《需求响应效果监测与综合效益评价导则(GB/T 32127—2015)》[9]等在内的一系列国家标准,并且还有涵盖DR资源信息模型、安全规范等系列标准正在制定过程中。在学术研究方面,关于不同类型DR资源参与电网互动特性研究已经成为供需互动领域的热点问题。文献[10]针对电动汽车参与自动需求响应(automated demand response,ADR)项目,提出了一种基于供需两侧协同优化的充放电策略,提高了电动汽车的总体响应水平。文献[11]将空调负荷等效为虚拟储能装置进行建模分析,并针对削峰场景进行了优化。文献[12]针对家庭智能负荷参与需求响应提出了一种基于启动时延的家庭负荷控制模型,该方法在降低峰谷差、短时削减负荷高峰具有很好的效果。

传统的ADR业务主要定位于削减电网的峰值负荷,解决输电系统的约束问题或者提升系统运行的经济性,随着大量分布式电源接入电网后,还可以通过本地DR资源实现区域范围内的风光扰动特性匹配,以降低大电网的实时平衡需求[13]。某些特定的DR资源还可为电网提供辅助服务,其业务类型通常要在分钟级甚至秒级完成[14]。以往,电力公司往往依靠发电机组来提供辅助服务(尤其是具有快速响应能力的燃气涡轮机),调节方式单一,如果能够引导负荷根据电网的需求改变用能特征,辅助服务的成本和可用性将大幅改善。政策的引导对于DR业务的发展至关重要,如：美国加州公用事业委员会为了实现高峰削减5%负荷的目标,专门制定政策改变加州的DR实施规则,并于2018年1月1日起正式禁用化石燃料备用机组参与DR服务,若某些特定场景一定要化石燃料备用机组参与DR,则通过经济手段进行惩罚[15]。我国具有世界上潜在规模最大的需求响应市场,目前已具备了基础的业务形态雏形,未来还将进一步发挥需求侧资源在电网供需互动平衡方面的作用。本文基于DR业务在国内外的试点建设及业务应用情况,针对DR业务大规模推广实施过程中所面临的诸多问题进行了剖析,以期促进未来DR业务在我国的发展。

1 需求响应业务发展

1.1 国外情况

国外需求响应相关技术研究起步较早,已经建立了相对较为完善的市场体系并投入运营。如：法国的Tempo电价需求响应电价项目、爱尔兰国家能源监管委员会推行的削减负荷激励、德国的双向能源管理等。美国的需求响应项目类型最全、相关政策也最为完善,由劳伦斯伯克利国家实验室推行的开放式自动需求响应(open automated demand response,OpenADR)协议也是目前在需求响应领域应用最为广泛的标准化协议[16-18],目前OpenADR联盟也正在致力于该标准在分布式电源(distributed energy resource,DER)领域的推广应用[19]。美国BQDM试点项目通过爱迪生电力公司以降价拍卖方式确定价格,并以出清价格进行结算[21]。美国国防部正在探索使用电动汽车电池的充电能力提供辅助服务,特别是频率调节,洛杉矶空军基地将大量的电动汽车聚合后参与CAISO辅助服务调节市场投标。CAISO通过需求响应自动化服务器(demand response automation server,DRAS)与其通信,并通过ICCP协议保持每4 s与自动发电控制系统(automatic generation control,AGC)系统连通,由DRAS负责完成ICCP与OpenADR协议的调度指令转换,继而使用EiEvent传递指令。电动汽车聚合体的实时远动信号以OpenADR协议上传并转换为ICCP格式上报AGC系统,从而实现电网与负荷的双向交互[21]。CAISO在2017年7月结合DER和储能参与DR市场的条件,又对原有的市场规则进行了重新修订。电网企业可以根据负荷情况控制电动汽车充放电,采用最优化调度的方式提供辅助服务,为每辆电动汽车赢得了近100美元/月的收益。文献[22]给出了暖通空调(heating, ventilation and air conditioning,HVAC)系统作为商业楼宇负荷参与电网频率调节的应用,并建议在对用户室内温度控制最小影响的目标下,可以提供最大负荷15%左右的调控能力。电动汽车也是作为电网频率调节的重要负荷,既可以实现峰值负荷削减也可以实现频率调节的目标[23]。在实施快速DR项目时,除了考虑通信网络等基础设施的建设,还需要考虑所有中间环节存在的随机性,通过上级发布的价格或者激励信息形成快速闭环控制链。在具有反馈性的控制系统中,客户系统和设备之间形成了闭环的控制链条,需要交互双方能更积极参与网络化操作。充分发挥需求侧资源的快速跟踪响应能力,并使其参与处理随机的风能和太阳能发电曲线匹配,这在大规模储能成本降低前具有重要意义[24]。

北美电力可靠性委员会(North American Electric Reliability Council,NERC)将可调度类型业务作为能够在很短时间范围内快速降低系统负荷需求的确定性技术手段,其随机波动性相对较小。对于某些特殊的可调度类型的业务(如：尖峰电价)亦可以提前24 h发布,这需要电力企业能够对用户负荷与价格之间的关系进行准确的评估[25]。我国DR试点项目提前通知时间则分别为30 min、4 h、24 h,并根据紧急程度不同设置了不同额度的资金奖励标准。在DR的测量与验证过程中,对于用户削减负荷的实际贡献可以通过计量系统估算,对于某些瞬时的紧急事件可能转瞬即逝,按照目前15min的采样频率过于粗糙。随着信息通信网络技术的快速发展,未来将能够实现精细化的量测,可以达到5 min甚至1 min的采样精度。

1.2 国内情况

目前我国试点城市已经基本完成了各自的DR资源库建设,其具体的试点实施方式均有所差异,如表1所示。但随着试点工作和资金支持结束,大规模需求响应业务的实施仍然举步维艰,其根本原因在于现有的电力市场环境尚且无法有效支撑DR业务的推进,仍然缺少长效、稳定的政策支持[26]。国网江苏电力是我国需求响应体量最大的网省公司,也曾创下了单次响应量352万kW的世界记录。2017年11月,江苏电力基于负荷柔性调控需求响应友好互动平台正式投运,对具备一定蓄能、调节能力的负荷纳入到平台作为可调节容量进行管理,业务模式也逐步从强制拉闸限电转变为柔性调节(提前蓄能、温度控制、调节风量等),该平台也可推动我国需求响应向常态化、无感知柔性调控阶段发展。此外江苏省在电力改革背景下为了实现需求响应业务常态化,现已做了大量关于柔性调控、供需友好互动的工作,目前已经具备了秒级、毫秒级的控制通道。

表1 我国DR试点情况分析

江苏省经信委、物价局核定尖峰电价收入,通过增收电费的方式对需求响应实施专项补贴,对其他省市实施需求响应时的资金来源具有一定的借鉴意义。然而,在售电侧放开背景下,需求响应也被赋予了诸如新能源消纳、辅助服务等新的使命[27-28]。在“互联网+”背景下,可以进一步梳理需求响应在不同场景下的职能,剖析在全产业链条下的收益者和潜在增值服务,其业务增收的方式还可以进一步拓展,并适当引入金融衍生服务。未来可将需求响应服务平台打造为新型能源信息服务平台,参考互联网典型的商业模式进行运作,从而保障需求响应项目的长期投入应用。目前各个试点的补贴方式虽然并不完全相同,但大多采用固定的补贴标准,而且除了江苏、北京、上海等试点地方政府愿意资助DR项目实施,部分地方政府出资意愿不强,因此需要建立完善的成本回收市场机制,未来需要进一步加强激励型DR业务的发展,设计灵活的规则提升用户的参与积极性。

2 需求响应业务推进的关键问题分析

目前北京、江苏等几个试点城市均实施了需求响应,也取得了一定的效果,但在未来大规模推广应用时仍存在不少障碍,本文将目前的几个方面的问题按政策保障层面(政策保障)、信息化支撑层面(通信组网、互操作管理、安全风险)、平台部署及业务实施层面(平台部署实施、精细化DR管理、补贴结算、商业模式)3个大类进行了划分,如图1所示。其中政策保障是决定DR业务能否顺利开展的前提条件;通信组网、互操作管理方面是缓解网络压力、减少网络建设成本、确保DR信息交互的实时性、可靠性及提高系统互操作性的基础条件,安全风险则重点讨论未来如何通过高效的安全防护措施保障DR实施过程中各个环节的安全问题;平台部署、DR行为建模、补贴结算、商业模式是DR参与主体(如：节能服务公司、售电商、负荷聚合商)在大规模实施DR项目过程需要重点考虑的几个方面,而下面本文将分别从上述3个层面分析影响需求响应业务大规模实施的关键问题。

图1 影响需求响应业务推进的3个层面