美国需求响应技术和思考（上）

唐 楠，李艺丰，王蓓蓓，孔 林

（东南大学 电气工程学院，南京 210096）

随着电力市场的不断发展与完善，电力系统中的利益主体逐步多元化，需求侧资源在竞争市场中的作用正在被重新认识。在电力市场竞争中引入需求响应，通过价格信号和激励机制来发挥需求侧资源在市场中的作用，并将供应侧和需求侧的资源进行综合资源规划，这将是适应电力市场发展的必然要求。

需求响应（demand response，DR）强调电力用户直接根据市场情况主动做出调整负荷需求的行为，将负荷高峰时段的电力需求转移到负荷低谷时段，这将有效地避免或推迟使用率较低的“峰值发电厂”的建设，并起到降低电力成本，提高输电线路、变电站和电厂等电网资产的效用。

美国是实施需求响应项目最早的国家，其电力市场环境开放，也是世界上实施需求响应项目最多、种类最齐全的国家。目前，美国加州、PJM（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）和新英格兰等7个地区电力系统，以及美国PG&E和SCE等电力公司都已建立了基于市场运作的需求响应项目。根据各个ISO（independent system operators,ISO）/RTO（regional transmission organizations,RTO）的统计，2006年夏季高峰负荷时期，通过实施DR降低了系统1.4%～4.1%的高峰负荷［1］。另据统计，2000年全美高峰削减量达到22 901 MW，2010年全美高峰削减量达到32 845 MW，增长42%［2］。根据调查，美国现行的电力需求响应项目削减负荷的总潜力可达37 500 MW［3］。

政府政策一直是推动需求响应发展的重要力量。美国需求响应起步早，相关政策相对完备［4］。另外，新的需求响应关键技术能够显著提高用户参与DR项目的积极性，进一步挖掘DR资源的潜力。美国长期致力于需求响应关键技术研究，并将相关成果应用于DR项目，推动了需求响应项目在全国范围内的实施。

目前，我国需求响应项目的实施进程缓慢，相关需求响应关键技术的研究存在不足。在此背景下，本文对美国需求响应项目推行中采用的使能技术、电网友好设备和能量管理系统平台等关键支撑技术进行了梳理，从市场占有率层面对主流厂商的相关产品进行概述，为我国电力需求响应项目中关键支撑技术的研究工作开拓视野，提供参考，以促进需求响应项目在我国高效、有序地开展。

1 使能技术

使能技术是指帮助电力用户更方便灵活地参与需求响应项目的一系列关键技术。随着智能电网的发展和需求响应项目的普及，用户侧需要配套的技术支撑来充分调动用户主动调整用电的积极性，更好地配合需求响应项目的开展。美国的需求响应起步较早，也是世界上实施需求响应项目最多的国家，其十分重视使能技术的发展。2003年，加利福尼亚能源委员会与加州大学伯克利校区的跨学科研究团队签署合同，开展了需求响应使能技术开发项目（demand response enabling technology development,DRETD）［5—6］，致力于恒温控制器、无线通信设备、计量和传感器等的研究与开发。目前在这方面做得比较好的公司有Comverge，Atmel，Ambiant，LOXONE等。其中，Comverge是一个智能能源管理解决方案供应商，该公司于2013年2月4日推出了DirectLink系列产品，并凭借此系列产品获得了TMCnet网站颁发的2014年智能电网产品年度大奖［7］。下面对部分使能技术予以介绍。

1.1 智能控制开关

控制开关是一种能够控制电气设备开断的装置。传统控制开关结构简单，功能单一。与传统控制开关相比，智能控制开关新增了许多功能。以Comverge公司为例，其DirectLink智能控制开关产品新增的功能主要如下：利用已有的宽带网络替代复杂的网关；能够单独控制多台设备；用户可以提前对DR事件进行编程；其内置ZigBee通信允许户外远程测试等［7—9］。

新增的功能使智能控制开关能够在需求响应项目中更智能地控制用电设备，进一步帮助用户节省电费、优化负荷曲线。运用已有的宽带网络有利于电力公司利用双向通信实施自动定价或者高级负荷控制等DR项目；单独控制多台设备的功能能够节省项目周期的硬件成本和安装成本。另外，对DR事件提前预编程的功能有助于自动定价项目的实施。

1.2 智能温控器

恒温控制器一般装于热水器、暖通、空调等设备上，用以对这些设备进行恒定的温度控制。在传统恒温控制器的基础上，智能温控器新增了许多功能。以Comverge公司为例，其DirectLink智能温控器产品的功能［10—11］主要包括：①允许用户事先对其编程；②能够基于互联网协议（Internet protocol，IP）不断地进行遥测并提供近乎实时的信息反馈；③内置用户可更换的通信模块，大大提高了通信的灵活性；④能够记录并剖析事件，形成温控器的遥测报告，包括压缩机的运行时间、温度设定值、室温等。

其中，近乎实时的信息反馈的功能使电力公司更加清晰地了解实时负荷及DR事件中的削减负荷情况；预编程的功能使得用户能够根据电价信息提前对被控设备的温度进行设定，在接收电力公司发布的电价信息后，智能温控器通过已经编好的程序来调节设备的温度设定值，及时地对电价作出响应，从而便于设备自动参与基于电价的需求响应项目；剖析和事件记录功能便于事故诊断或根据用户的偏好设定、外界激励强弱对需求响应效果的影响进行数据挖掘［12］。

1.3 家庭电能显示器

家庭电能显示器（in-home display，IHD）是一种交互设备，它能通过安全的无线网络从智能电能表收集并显示用户的用电数据。各国开展的相关试验已经表明，室内显示器能够帮助用户节省5%到15%的用电量［13］。目前，IHD发展较快，从简单的分段式LCD显示器到具有薄膜晶体管显示屏和触摸屏的显示器，复杂程度不一。以Atmel公司的室内显示装置为例，该公司的显示器经由家庭局域网从智能计量表获取信息，而不像传统显示器那样通过内置传感器来获取电能消费信息［14］，从而简化了信息传送的过程，缩短了信息延迟的时间。另外，显示器不仅可以显示用电信息，而且能够显示电力供应商提供的合理用电建议。

信息延迟时间的缩短提高了电价等信息的准确度。另外，参与DR项目的用户能够根据家庭电能显示器显示的电力消费实时数据和用电建议在必要的时刻改变用电习惯，及时对DR事件信号作出响应。

1.4 能量球

能量球［13］是一个简单的技术设备，它不能提供大量的用电信息，但能够通过发出不同颜色的光来提醒用户电网负荷所处的水平。这项技术的优势在于，用户不需靠近显示表查看电价变化，就可以远距离了解某时刻电网负荷达到何种水平，确定是否关闭非必要的电器设备。另外，由于能量球不能显示数字化信息，所以这项使能技术一般不会单独使用，而需要与个性化的简报、电子邮件以及上面提到的家庭电能显示器等设备配合使用。

目前，美国许多电力公司已经在居民和商业需求响应项目中采用了能量球，例如：PG&E以及南加州爱迪生公司。项目中应用最多的是Ambiant设备公司生产的能量球产品［16］。它可以通过提供电力消费的实时数据来帮助用户在必要的时候改变使用习惯，从而配合DR项目的实施。例如：如果能量球发出绿光，说明负荷需求较低；发出黄光，表明负荷需求适中；发出红光，表明负荷需求较高，提醒用户电网过负载的几率增大。接收到红光信号后，有转移负荷潜力的用户通过削减该时段非必要的负荷，给电网提供某种形式的辅助服务，从而达到提高电网可靠性的目的。

1.5 智能插座

目前市场上出现的普通插座从功能上划分主要有5种，即漏电保护型插座、定时型插座、主路控制型插座、遥控型插座以及计量型插座。这些插座功能单一，难以满足用户多样性要求。智能插座是智能家居的重要组成部分，是将计算机、通信、控制和测量技术应用于一体的新一代插座产品，具有智能化、节能化、便捷化等特点。其中较典型的智能插座设备是LOXONE公司生产的SMART SOCKET AIR。SMART SOCKET AIR［17］可以通过无线插头方便地控制家用电器，包括洗衣机、电视机、灯具等。该插座能够精确地告知用户家用电器的功率消耗量，并每隔5 min更新一次电能和功率信息。

智能插座能够利用无线电遥控方式实现对电器的远程控制，这将便于参与DR项目的用户根据DR事件信号在家中或户外对家用电器进行控制［18—19］，及时对DR事件作出响应。另外，智能插座不仅能够测量电器的用电情况及电器使用时间，而且可以通过设置，自动将电器用电量按电价换算成电费，让用户轻松获知电器运行中耗费的电能，以及需要支付的电费。

2 电网友好型用电设备

传统的终端用电设备，如：空调、热水器、冰箱以及照明灯具等，功能单一，不能满足智能电网需求响应项目的要求。而电网友好型用电设备是在传统用电设备的基础上加以改造并能够与电网灵活互动、根据实际所需自动地控制负荷的终端用电设备。

电网友好型用电设备能够与电网进行双向信息交换。用电设备接收电网发出的事件通知和电价信息后，根据这些信息自行调节运行模式，从而有效地避免了电网过载或供用电负荷不平衡的情况。用户可以利用计算机、移动电话或家电产品自带的装置，了解住宅的电力消费状况以及产品运行状态，并根据电网状态对用电方案进行及时调整。

下面以使用频率较高、耗电量占电网总负荷比重较大的照明灯具、空调、热水器、冰箱为例予以介绍。

2.1 智能照明灯具

照明设备是最为常见的终端用电设备。与其他终端相比，单个居民用户的照明负荷相对较低，但晚间随着照明需求的增大及用户的增多，用户侧照明负荷将显著增加，在某些时段可能会出现用电高峰。商业用户也有类似的特点，且照明用电量比居民大得多，这将进一步加重电网在夜间的供电负担。因此，在照明终端设备实施需求响应，对于电网的削峰填谷具有重要的作用。

传统照明设备功能单一，灵活性差，不能与智能电网进行互动。而智能照明设备，即智能发光二极管（light-emitting diode，LED）灯具，在性能方面有了很大的改善，具有更多的功能。以Digital Lumens公司推出的智能LED灯具为例［20］，主要功能如下：①具有智能集成在场感应的能力，在检测到特定区域有人在场时打开灯具，无人时自动关闭或调暗；②设有独立定位的LED灯条，每个灯条都可以旋转（在每个方向旋转10°～40°），以便在需要时发出直射光；③能够感应日光并估算可用日光强度，根据可用日光调节灯具的输出；④能够基于DR信号调整灯具亮度，更好地参与需求响应项目；⑤能够记录灯具的功耗、小时数、在场事件以及通过日光采集节约的电能等。其中，新增功能①、②、③使得智能照明灯具能够根据外界环境灵活地调整灯具强度，实现节能的目的；新增功能④使得智能照明灯具能够灵活地参与DR项目；新增功能⑤不仅有助于用户了解灯具的使用情况，而且方便电力公司对DR项目的效果进行数据挖掘。

2.2 智能空调

随着空调在商业建筑和居民用户中使用率的增加，空调负荷占总负荷的比重日益增大，在空调需求较大的冬季和夏季更为显著。研究表明，空调负荷越是集中，其启停对当地电网的影响越大。因此，空调终端也可以作为电网削峰填谷和负荷整形的设备。近来，美国的一项调查表明，在对空调负荷实施控制后，峰荷时段的居民空调负荷削减量在0.3～1.5 kW之间。与传统空调相比，智能空调增设了远程控制模块、传感器模块及与智能插座友好接入的模块等，因而具备了更多的功能。例如：能够感知外部温度，自动控制空调开关；能够连接无线网络，用户可在任何地方通过手机或电脑对其进行控制；能够感知用电高峰时电价的上涨，并自动调整设备使用时间，更好地参与DR项目；能够根据用户的电费预算和天气预报向用户提供空调设置建议；拥有多种冷却模式和多种风扇速度，方便用户根据实际情况进行切换等［21—22］。

新增的功能不仅使智能空调具有了节能和控制灵活的特点，而且其感知电价上涨的特性可以使智能空调更好地参与到DR项目中。若智能空调用户选择参与DR项目，在接收峰时电价信号后，智能空调会自动缩短运行时间以对电价信号作出响应，从而削减峰时负荷。另外，智能空调还可以根据天气预报，对可能的高峰负荷时段进行预测并事先对空调的运行进行设置，从而有效地避开峰荷。

2.3 智能热水器

热水器是另一种负荷占比较大的用电设备［23］，其负荷曲线没有明显的季节性特征，较为平滑。美国能源信息署报告称，热水器耗电量占一个典型家庭电能消费总量的17.7%。传统热水器的储水箱中存储的水需要一直保持较高的温度，即当恒温器检测到水温低于预设值时，会触发加热元件重新对水进行加热，这对于仅在早上和晚上用热水器的用户来说，显然是不经济的。而智能热水器［24—25］装有按需加热器，即仅在需要热水的时候对水进行加热，这克服了上述传统热水器不经济的缺点。除此之外，智能热水器还具有以下优点：具有多种用户可选的运行模式，包括节能模式、假期模式和正常模式等，并能够根据用户所选的模式自动进行调整；能够远程监视和控制热水器的温度、加热持续时间及功率水平等。

智能热水器不仅能够实现节能的目的，而且可以方便其在DR项目中根据DR事件信号作出相应的响应。例如：在需要削减负荷的DR事件中，用户可以选择较为节能的运行模式以对DR信号作出响应，从而实现削峰的目的。

2.4 智能冰箱

冰箱是日常生活中普及率较高的家用电器。正常运行时，冰箱的控制系统通过启动和关停压缩机来调整其内部的温度。与传统冰箱相比，智能冰箱新增了以下功能［26—27］：具有多种调节模式，能够根据环境温度自动调节箱内温度，以降低冰箱能耗；采用电力线通信（power line communication，PLC）智能远程控制技术，在电力信号中加入网络信号，实现冰箱与互联网的连接，使用户能够通过手机、平板电脑等移动终端控制冰箱；内置动态需求控制器，即在传统冰箱的基础上增加一个动态的需求控制器，该控制器能够在分时电价下，根据预置程序自动调节冰箱的运行模式和运行状态。

新增的功能可以方便用户通过移动终端灵活地查看和控制冰箱的运行状态。另外内置的动态需求控制器使得智能冰箱能够更好地参与DR项目。例如：若智能冰箱能够与当地电力公司进行通信，在收到电力公司发出的尖峰电价信号后，智能冰箱中内置的动态需求控制器将会对压缩机的运行进行合理控制，使得冰箱在满足箱内各区域必要温度要求的前提下尽量避免类似除霜之类的高耗能运行或将高耗能运行推迟到电网负荷低谷时段运行，从而实现削峰填谷和节约电费的目的。

2.5 电动汽车

电动汽车作为正在培育和发展的战略性新兴产业之一，已成为新能源汽车发展的主要方向，也将成为21世纪最具发展潜力的交通工具［28—29］。可以预计，随着未来电动汽车的普及，将有大量电动汽车接入电网进行充放电，这将对电力系统的运行与规划产生不利的影响。为了应对这种不利影响，使电动汽车和智能电网更为有效地融合，美国市场上出现了新一代电动汽车［30—31］。

新型电动汽车将常规通信结构应用在电动汽车中，实现了电动汽车与电网设施之间的通信，从而使电动汽车参与DR项目成为了可能。若电动汽车用户报名参与了DR项目，在电网需要降低充电负载以缓解用电高峰电力紧张的情况下，充电站将发出DR信号询问电动汽车用户是否允许停止充电操作或者适度降低充电功率。用户将根据接收的信号作出选择，若允许，充电站会停止对电动车充电或降低充电功率以削减高峰时段的负荷。同时，电力公司会给那些在DR事件中削减负荷的电动汽车用户一定额度的补贴。可见，新型电动汽车不仅可以有效地避免电动车大量接入对电网可靠性、稳定性造成的负面影响，而且降低了电动汽车用户的充电费用。

3 能量管理系统平台

在需求响应项目中，用户根据电价或激励信号改变原有的用电模式，从而实现节省电费、改善负荷曲线的目的。在节能和转移电能方面，用户侧的潜力巨大，若想进一步挖掘用户改善负荷曲线的潜力，电网公司需要借助先进的能量管理系统平台来监测、控制和优化电能的使用［32］，这将给电网本身和用户自身带来更大的效益。需要说明的是，这里的能量管理系统平台是一个广义的概念，不同于能量管理系统（energy management system,EMS）。美国的第三方公司，例如：Honeywell、Digital Lumens、Melrok、Siemens，相继推出了不同的能量管理系统平台。这些能量管理系统平台能够借助前面叙述的使能技术和电网友好型用电设备，更加高效地挖掘DR潜力，最大化DR价值。

3.1 自动需求响应系统

自动需求响应系统（automated demand response，ADR）能够根据电力公司发出的DR事件信号自动地对用户侧负荷进行控制。该系统主要针对大电力用户（例如：负荷超过200 kW），并且允许用户事先制定负荷控制策略。当从ADR网关获得电力公司发出的电价信号和事件通知后，系统便使用这些控制策略自动对用户负荷进行调整。ADR系统能够帮助用户改善每天的能效，降低电网在用电高峰时段的负荷，从而可以避免或推迟“峰值发电厂”的建设。

以Honeywell开发的 ADR 系统［33］为例予以说明。Honeywell的ADR系统由需求响应自动化服务器（demand response automation server，DRAS）驱动，并与用户的能量管理系统相接。系统采用OpenADR通信协议实现DRAS、控制器和EMS之间的信息传递。该系统参与DR项目的具体过程如下：首先电力公司发出即将到来的DR事件信号，这些信号被DRAS接收并进行处理，然后DRAS向安装在用户设备上的控制器发出信号。由于控制器与EMS相连，EMS相继获得信号并按用户预先选定的负荷削减优先级列表对负荷进行削减。

Coastal pacific foods distributors（CPFD）在 DR项目中采用了Honeywell的ADR系统，取得了显著的成果。其中，所有参与用户每月总电费减少了35 000美元到50 000美元不等，并且在DR事件中的峰荷削减量达110 kW。

3.2 智能LED系统

智能 LED 照明系统［34—35］能够对用户安装的LED灯具进行全面的控制，不仅能够帮助用户节能，而且还能够参与需求响应项目，有效地降低电力负荷，缓解电力系统供电不足的情况。若智能LED照明系统参与DR项目，用户需要事先在智能LED照明系统中定义需求响应“配置文件”，当发生DR事件时，把某种环境下的LED灯具的亮度控制在某种强度之下；在DR事件触发时，智能LED照明系统能够根据需求响应“配置文件”对灯具的光照强度进行灵活地控制，从而有效地削减高峰负荷。

以Digital Lumens公司研发的智能LED系统为例予以说明。该系统起初不支持OpenADR通信协议，在参与DR项目过程中，用户收到DR通知后需手动地将系统切换到预先设置的“配置文件”，来调节和控制灯具光照强度。随着系统的不断升级，智能LED系统具有了支持OpenADR通信协议的特性，这使得系统能够根据DR信号自动地作出响应，即收到电力信号后，智能照明系统能自动调用相应的照明配置文件而不需用户手动操作，这大大简化了需求响应的过程，提高了用户侧的响应速率。

3.3 智能建筑节能系统

智能建筑以建筑物为平台，采用计算机技术和通信技术对建筑物中的设备进行自动监控，并对信息资源进行管理［36］。智能建筑节能系统是一类能够对智能建筑中的照明系统、制冷/热系统、通风系统及其他能耗系统进行集中控制和综合优化管理的系统。另外，该系统还能与电网进行双向信息交互，可以在接收电网发出的动态电价信号后改变原有的用电模式，自动参与需求响应［37］项目。

以Melrok公司为例，该公司推出的EnergiStream系统能有效地解决建筑物能源成本飞涨这一问题。该系统能够从分散在建筑物中的传感器上收集数据，并将这些数据与其他相关资源（如：天气信息和定价信息）相结合，转化为可操作的简洁信息，然后以流的形式传送到基于云的远程服务器；系统还内置了与电力用户相连的ADR客户端，用户可以通过客户端获得DR事件的通知和定价信息，并根据获得的通知信息自动地做出响应。EnergiStream系统已成功运用于许多DR项目，包括美国能源部在加利福尼亚州的智能电网示范项目和美国绿色建筑委员会的需求响应合作项目［38—39］，取得了巨大的成效。

3.4 电力公司/ISO需求响应资源调度优化系统

前面介绍的系统旨在帮助用户有效地参与需求响应项目，而本节提出的优化系统则有助于电力公司/ISO更高效地管理需求响应项目（特别是在用电高峰期），最大化每个DR资源的价值，最小化DR的运行成本，更有效、更可靠地利用DR资源。

电力公司/ISO需求响应资源调度优化系统能够充分利用智能电网现有的投资设施来帮助电力公司全面管理需求响应项目。此类优化系统能够对可削减负荷进行精确的预测，方便电力公司对DR事件前参与用户的负荷水平进行了解；能够自动执行原先需手动操作的繁琐的需求响应流程，有效地避免人为误差；能够完整地报告DR事件的执行情况，便于电力公司在事件后查看各参与用户的负荷削减情况。

以西门子公司推出的需求响应管理系统（demand response management system，DRMS）［40—41］为例，对此类优化系统的执行流程予以说明。DRMS能够帮助电力公司管理任何针对商业和工业用户的DR项目。管理DR项目的过程分为事件前、事件中、事件后，各过程执行的内容如下。

（1）事件发生前。DRMS对单一负荷或聚合后的负荷进行负荷和失负荷预测，并对参与用户是否获得DR事件通知、获取通知后是否愿意参与DR事件等情况进行近乎实时的反馈，以方便电力公司了解参与用户在事件发生前的情况，减少不确定性。

（2）事件发生过程中。DRMS能够通过实时测量装置反馈的信息对实时事件进行监测。通过这些信息，运行人员能够判断目标负荷削减量是否满足，是否需要调用额外的资源。

（3）事件发生后。DRMS能够自动形成报表并根据报表计算负荷基线和负荷削减量等关键数据。这种自动化操作能够避免人工计算过程带来的误差，从而提高了运行效率和效果。

DRMS具有可靠、可扩展、开箱即用的功能。DRMS已经成功被用于Wabash Valley Power Association（WVPA）需求响应项目。在DRMS的帮助下，WVPA实施的需求响应项目取得了成功，总DR事件数削减了70%以上，并且避免了新调峰机组的建设，节约了成本［42—43］。

4 结束语

需求响应关键支撑技术在需求响应的发展过程中起着重要的作用，先进的支撑技术不仅能够挖掘DR潜力、提高DR响应速度，而且可以优化DR项目的管理等。本文详细分析了美国需求响应项目中的使能技术、电网友好设备和能量管理系统平台等关键支撑技术。研究表明，我国应借鉴美国需求响应的经验，加大对研发关键技术的投资并鼓励相关机构在使能技术、智能用电设备和能量管理系统平台等方面做出创新，积极推进相关技术试点项目的开展以促进需求响应项目在我国高效、有序地开展。

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