楼宇负荷需求响应系统方案设计与实证分析

史 纪，张之涵，杨 义，刘 俊，姜政杰，单小伟

（1. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2. 深圳市康拓普信息技术有限公司，广东深圳 518000；3. 北京慧和仕科技有限责任公司，北京 100085）

0 引言

随着经济快速发展，空调负荷成为导致夏冬两季电网尖峰负荷及峰谷差持续增大的主要原因［1］。影响空调负荷的主要因素包含天气状况、人类活动、经济发展水平、地域文化习惯，其中天气状况是最为紧密直接的因素［2—3］。南方地区经济发达、天气炎热，最大空调负荷占用电负荷峰值的比重已超过30%［4］，深圳作为南方一线城市，比重甚至接近50%，对负荷高峰的影响巨大。空调负荷的快速增长，使得台区配电台变在某些用电时段处于超载运行状态，严重影响用户的用电安全和供电可靠性。而对配电台变进行增容、扩容又涉及经济性和工程实施难大等问题，所以对楼宇用电负荷，特别是实施包含空调负荷调控的需求响应，可以减少高峰用电量、缓解配电台变的超载压力，提高供配电设施的安全性和可靠性。

目前，对空调负荷调控方面的研究，主要集中在模型和优化运行策略方面，实用性还有待论证。文献［5］构建了空调模型并提出了需求响应方案，但其方案只考虑了温度策略，较为单一；文献［6］划分了空调刚性和柔性负荷调节的方式，但是并未列举柔性调节的具体策略；文献［7］提出了空调群互补调控方法，但是缺乏对整体调控系统架构的诠释，使空调群控缺失了重要环节。

在需求响应方面，国内外也早已展开相关研究，在20世纪初英国就开始了有关音频脉冲电力负荷控制技术的研究应用。2009年，美国劳伦斯伯克利国家实验室发布了OpenADR1.0，是国际上第一个需求侧响应典范。2017年澳大利亚可再生能源管理中心和新南威尔士政府开始共同实施需求响应项目，遵循AS4755 系列标准，实现了536 MW 的需求响应容量，有效降低了夏季高峰负荷。

2015年至今，我国已经在北京、上海、江苏、浙江、天津等多个省市开展了需求响应试点工作，对缓解地区用电高峰起到一定作用。2019年6月25日，美国伯克利实验室与南方电网公司深入合作，建立了自有知识产权的技术及标准体系，为今后电力市场开发后的规模化虚拟调峰机组及参与电力市场交易提供了实证基础。

目前，虽然国内多个省市已经开展了需求响应项目的实证和小范围推广应用，但却鲜有文献提及自动需求响应产品的协议一致性、功能完善性和环境适应性在实际工程中的验证，难以深度挖掘包含空调负荷调控的需求响应技术的潜力，并完成最终可复制推广。

本文提出了自动需求响应系统的总体架构，设计了需求响应主站、聚合商子站和需求响应终端的部署方案［8］。对需求响应策略及可调控负荷进行了量化评估。同时完成楼宇示范工程建设，搭建需求响应实证环境，并在示范工程应用了基于中国新行标的需求响应终端产品和双向通信适配器。最终经过筛选，选取深圳罗湖供电公司新旧两栋办公楼开展自动需求响应实证验证。

1 自动需求响应系统架构

自动需求响应系统的实现，整体结构分为需求响应主站系统、通信系统、需求响应子站、用户侧需求响应终端、量测设备及末端设备［9］。主站系统为需求响应顶层管理节点；子站系统类似于网关，功能和主站相似；用户侧需求响应终端为末端功能节点。主站系统对所有接入用户进行统一管理和调度，按计划生成需求响应事件，通过子站下发到用户侧终端执行，完成需求响应各类模式的业务实现。整体系统架构如图1所示。

图1 需求响应系统架构Fig.1 Demand response system architecture

1.1 需求响应子站系统架构

需求响应负荷聚合商子站系统又可以分为3层：聚合层、网络层和资源层，如图2所示。

图2 需求响应子站架构Fig.2 Demand response sub system architecture

资源层包括各个不同类型的末端用户用能设备，通过需求响应终端、需求响应控制器及次级需求响应聚合系统接入需求响应体系。其中需求响应终端或控制器获取的用能设备的状态数据和运行数据，从下而上经过通信网络上传到聚合层，经过聚合层按照需求响应计划进行分析与决策，最终输出需求响应事件并又自上而下到达末端资源层，实现需求响应系统的实时信息互动。通过整个流程的互动即可完成需求响应资源潜力预测、实时需求响应策略优化、区域用能需求响应策略分解等需求［10］。

需求响应负荷聚合商子站为需求响应的主要业务实现，子站根据系统在线资源的需求响应能力，经过数据汇总和分析，编排组合生成需求响应计划和需求响应策略。在执行需求响应调节时，聚合层将需求响应信号或负荷限额指令发送到需求响应通信前置服务器，前置服务收到信息后即按照计划将需求响应信号发送给终端或控制器，由终端或控制器设备完成对接入设备的控制操作；在系统运行过程中，前置服务器同步接收来自末端终端或控制器上传的用户响应能力、设备运行状态等数据，并传输到子站数据汇总计算组件进行分类处理，为子站进行需求响应决策等功能提供数据和依据。

1.2 需求响应终端

用户侧的需求响应终端是实现整个需求响应控制的关键设备，在整个业务层，其属于末端下位结点（国标）角色。主要技术要求包括如下几方面：一是符合电力需求响应系统规范；二是可与智能楼宇控制系统、能效管理系统实现控制交互；三是具备直接连接数字化的充放电储能设备、楼宇中央空调主控制器、循环水泵变频控制装置、风机盘管末端数字控制器、用能计量设备、数字化的环境参量设备等需求响应资源的能力；四是可对接入电参量、热工参量、状态参量、环境参量等数据进行建模并实时运算；五是能够自动匹配需求响应信号和资源状态，进行智能调节并上报实时响应能力，以满足虚拟发电机组和应急需求响应等业务需求。

1.3 需求响应策略

在接收到需求响应指令后，需求响应终端根据降负荷容量，在策略库中选择适当的调控策略并执行。

实证项目主要围绕空调系统进行柔性调控，具体分析中央空调系统可调节负荷的各种控制策略，但在实际工况中，所有调控策略不可能同时执行。用户侧需求终端需要依据具体情况进行分析，在满足用户舒适度的情况下完成需求响应指令，选择最佳的需求响应调控策略［11］。

除了主流的中央空调系统主机控制外，本项目还加入了末端风机、照明设备、开水炉等设备的控制，增加了需求响应可调容量，提高了需求响应的精细化程度。文献［12］—文献［16］提出了空调负荷以刚柔组合控制模式参与需求响应的总体调控思路和实现方式。结合实际情况，整理得到具体调控策略见表1。

表1 需求响应调控策略Table 1 Demand response regulation strategy

1.4 双向适配

需求响应主站系统、子站系统与终端产品，作为参与电力需求响应的主要组成部分，满足各部分之间的通信互连互通及互操作的要求。由于国内外电力需求响应通信标准的差异，无法实现电力需求响应系统和产品的国际通用化，导致了商业合作与产品推广的局限性。通过建设需求响应双向通信适配器，可以实现http 与MQTT 协议的并行应用和转换，以及xml 与json 两种格式的数据传输文件的转换。

以双向适配器连接OpenADR 主站及新行标终端测试，可以实现OpenADR 与DLT1867 的通信适配，报文互相转换，从而打破由于通信规范的差异导致的地域局限，为中外电力需求响应合作与产品推广剪除屏障。双向适配器功能组织架构如图3所示。

图3 双向适配器功能组织架构Fig.3 Protocal adaptor function organization architecture

2 实证项目建设

2.1 实证楼宇选取

项目实证楼宇选取深圳市供电局位于罗湖区深南东路4020号的办公大楼两栋（新、旧大楼）。

其中旧大楼地上有12层，地下1层，楼宇制冷采用中央空调，空调机房在12楼顶。空调系统包含主体2台、冷却泵3台、冷冻泵3台及冷却塔2台。楼内没有电开水器，每层都安装有若干空调机组作为空调末端。该建筑变配电系统采用室外变压器供电，电压等级为10 kV，空调系统设备安装容量为270 kW。

新大楼共32 层，其中1—24 层为办公区域，24层以上为移动基站。大楼使用中央空调制冷，空调系统设备安装负荷约为700 kW，冷冻机房位于地下一层，空调系统包含主体3台、冷却泵3台、冷冻泵3台及冷却塔4台。照明主要采用T8、T5及LED照明灯具，具有新风机组，并且安装有若干电开水器。

对于这两座楼宇的选取，原则上要求满足实证要求及需求响应条件，具有较好的研究和实证价值。

2.2 项目建设

对于新办公大楼，主要进行了量测控制网络的全新建设，如图4所示。

图4 新大楼改造示意图Fig.4 Construction schematic of new office building

（1）中央空调系统：新装三相智能电能表12个，新装冷水机组通信面板3个，更换中央空调智能控制面板100个及Zigbee无线通信器100个；

（2）末端设备:新装照明智能开关集成30 个、单相电能表30个及Zigbee无线通信器30个，新装电开水器智能开关4 个、Zigbee 无线通信器4 个，为新风机新装变频器2台、Zigbee无线通信器2个。

对于旧办公大楼，主要进行量测控制网络的改造优化，改造方案和新大楼类似。

中央空调系统：更换安装三相智能电能表10个，更换安装冷水机组通信面板2个，更换中央空调智能控制面板20个、Zigbee无线通信器20个，安装冷冻水泵3台变频器、冷却水泵3台变频器、冷却塔风机2台变频器，安装温湿度传感器7个，加装水泵控制模块6个，冷却塔控制模块1个，管道传感器5个。

2.3 平台软硬件建设

新旧大楼分别安装有1套需求响应终端柜，柜内部署1套需求响应终端及配件，需求响应终端柜体采用壁挂式安装，柜内配备有工控机可手动远程控制中央空调系统运行信息。软件平台系统功能模块可分为移动应用、需求响应模块、综合展示、综合管理等模块组成。需求响应系统软件功能架构如图5所示。

图5 实证软件功能架构Fig.5 Software functions architecture

3 项目实证分析

3.1 需求响应效果分析

深圳处于我国南方，天气较为炎热。在不考虑极端天气的情况下，深圳全年平均气温在23 ℃左右，高温在30～36 ℃，低温在16 ℃左右。

根据实证大楼实际调研可知，中央空调系统全年不间断运行，4月到10月为负荷高峰时段。每日空调系统7:50开启，18:00关闭，如果有安排值班，则根据实际情况开启关闭。

实证大楼10月15日参与需求响应，接受需求响应指令下降负荷200 kW，根据表1 的需求响应调控策略对实证楼宇进行调控。图6为实证楼宇需求响应负荷曲线，其中蓝色曲线为楼宇总负荷基线，橙色曲线为楼宇实际负荷曲线。由图6可知，13:15开始负荷调控，约1 h后负荷下降200 kW。14:15—14:45参与需求响应，14:45开始恢复负荷，16:00前恢复至正常负荷水平。

图6 实证楼宇需求响应负荷曲线Fig.6 Empirical building demand response load curves

3.2 经济效益分析

深圳需求响应实证投资建设约为40万元，其中根据可降低负荷评估，每栋楼宇可降低负荷约为100 kW，两栋楼宇夏季运行阶段可以降低负荷能够达到200 kW左右。

如果建设发电容量为200 kW的火力调频电厂，建设成本约为74.92 万元，发电成本约为53.84 万元，合计138.76 万元。其中，由于售电收益相较于成本数值过小，暂不考虑。

由分析可知，需求响应相较于火力发电成本节约超过70%。

4 结束语

本文提出了楼宇负荷需求响应系统的平台构架，设计了从需求响应聚合商子站到末端设备的部署方案，提出了中央空调系统、照明设备及其他末端设备的调控策略，并全新研制了需求响应双向适配装置，实现OpenADR与DLT1867的通信适配与报文转换，打破了地域局限，促进了国内外电力需求响应合作与产品推广。

本实证项目首次应用了需求响应信息交互新国标，实现终端设备方便安装、可迁移重复利用，验证了无线及有线需求响应终端的建设方法，探索了符合我国国情的需求响应模式，实现了楼宇负荷作为缓解电网区域堵塞、变电站容量的需求响应应用，并结合广东电力市场现货交易，帮助售电公司避免偏差考核，激励居民开展需求响应，解决台区变压器扩容难题。

未来，需求响应系统将在工业、商业、居民建筑中大量应用，基于需求响应的可调负荷虚拟机组研究将是未来的主要研究方向之一。