需求響應技術在調節電力供需矛盾中的應用

石懷德，郝為民

（中國電力科學研究院，北京 100192）

1 基于需求響應技術的供需雙向調節機制概述

隨著經濟和社會的發展，電力供應季節性、時段性緊缺呈現常態化的趨勢，能源供應保障問題日益突出，電網發展面臨新課題和新挑戰。從需求側管理的角度去觀察，用電負荷可被視為與發電能力、電網傳輸能力一樣可以動態調度管理的資源。而采用需求響應技術科學配置、調度需方資源來解決電網供需矛盾，可以為用電客戶響應電網需求、通過調整自身用電方式來間接參與電力系統的運營和管理創造條件，是現代電網邁向智能化、互動化的關鍵所在。

在歐美發達國家的需求側管理實踐中，需求響應技術是調配需方資源的最為有效的手段，通過經濟激勵、價格補償的方式來實現尖峰時段和緊急事態下的用電負荷削減。這種調控方式可以有效緩解缺電壓力、削峰填谷、降低供用電成本、提高電網資產利用率，達到節約能源和保護環境的目的。

結合我國電力市場開放程度、電力總體供需形勢和電網公司需求側管理業務需求，本文提出應用需求響應技術調節電力供需矛盾，基于電網狀態監控和供需平衡分析對需方資源的統一配置和管理，構建電力供需雙向調節機制。該運作機制應包括電力供需平衡分析和電網狀態監控、需求響應項目組織實施、響應效果及性能評價、需方補償與激勵4個部分，如圖1所示。

圖1 電力供需雙向調節機制組成

圖1中，“電力供需平衡分析和電網狀態監控”業務為電力供需雙向調節機制提供基礎數據支撐和負荷削減需求；“需求響應項目組織實施”業務負責組織具體需求響應項目來實現各類負荷削減需求；通過“響應效果及性能評價”業務基于“電力供需平衡分析和電網狀態監控”提供的用電客戶基礎數據，評價“需求響應項目組織實施”業務發布的各類具體的需求響應項目響應性能、執行效果；最終通過“需方補償與激勵”為參與需求響應的客戶提供經濟補償和其他激勵。

2 電力供需平衡分析

對電力系統進行供需平衡分析是組織實施各種需求響應項目的基礎，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配方式和響應時間有很大的區別，此分析可細分為基于電網動態調度的動態分析和按照日、周、月、年等時間頻度劃分的靜態分析；按照覆蓋區域的不同還可分為區域性供需平衡分析和局部供需平衡分析。

2.1 動態供需平衡分析

對于電力系統的動態供需平衡分析，主要是為了有效應對在電網動態調度工作中參加運行的機組輸出功率上限、參與峰谷調節的機組調節容量和爬坡速率難以滿足負荷的動態變化所引起的系統動態供需失衡［1］，以及當電網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連鎖的過負荷故障［2—4］。在電網動態調度需方資源的過程中，可以對系統關鍵節點的阻抗模比值（節點阻抗模與戴維南阻抗模之比)進行監控、分析，當節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點及其源流路徑(從電源到負荷的路徑)上的各類電源節點組織下屬客戶組織實施可快速響應的需求響應項目，從而有效緩解電壓失穩、線路跳閘危機，為提高緊急運行方式的堅韌度創造條件。

2.2 供需靜態平衡分析

對于電力系統的靜態供需平衡分析，主要是為了應對由于已知的電煤緊張、溫度、自然災害、產業結構不合理、輸電阻塞等因素導致的帶有可預知性、時段性、區域性等特征的電力供需的靜態不平衡問題。基于電網靜態平衡分析，可以對網省、區域及熱點地區電網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，然后根據缺口覆蓋范圍自下而上組織響應速度一般或較差的需求響應項目，時間允許的情況下還可以通過建設熱泵、蓄冷（熱）項目等常態能效項目削減緊缺地區的尖峰負荷，并考慮優化分時電價、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 需求響應項目組織實施

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

結合目前需求側管理和需求響應各研究理論，需求響應技術是以客戶同電網公司雙向互動方式實現電網削峰填谷的有效手段，但是完整的需求響應框架需要一個完全開放的電力市場（包括競爭性發電市場、零售市場、輔助服務市場等）以及靈活的電價政策。而我國電價管理按統一政策、統一定價、分級管理的原則，并且尚未形成成熟的輔助服務市場，這決定了我國需求響應技術無法照搬國外模式。因此從組織實施的角度，電力供需雙向調節機制的實施體系應對各類需方資源進行響應性能分級，同時通過可在現行電價機制下可平滑接入的各種需求響應技術手段對不同性能級別需方資源的調度和互動。

3.1 需求響應項目的性能分級

根據客戶響應性能的不同劃分為高性能需求響應項目、一般性能需求響應項目和低性能需求響應項目。

按照響應性能來講，高性能需求響應項目可界定為30 min以內可以做出有效響應的需求響應項目，主要用來應對突發性電源故障、電網短期時段性過負荷問題。電網緊急狀態發生時，首先分輪次啟動,在電網故障緩解和一般性能需求響應項目啟動后優先釋放這類需方資源。

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

低性能需求響應項目為8 h以上做出有效響應的需求響應項目，主要用來入替釋放一般性能需求響應項目，應對節能減排需求、電網常態性供應緊張等問題。

3.2 按技術手段組織的需求響應項目

需方資源調度方法具體由可中斷負荷、緊急需求響應、直接負荷輪流控制和用電設備托管等構成。

按照技術手段來說，可中斷負荷需求響應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、響應時間及經濟激勵方法、年響應最大次數等，在電網高峰時段或緊急事態下向用戶發出負荷中斷信號，經用戶響應后削減部分次要負荷和次次要負荷。可中斷負荷一般適用大型工商業用戶。通過可中斷負荷需求響應項目，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濟補償相結合的方式削減尖峰負荷。

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

緊急需求響應是指當電力系統出現過載、線路故障或發電機故障等緊急狀況時，在前一日對用戶進行削減負荷預警，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業務探索通過完全經濟手段調控的方式實現客戶自愿削減負荷，并可測試不同行業客戶需求響應的彈性。

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

●響應時間約束：應充分考慮不同行業，客戶主要用能設備停限電所需準備時間以及由于生產工藝決定的設備間的關聯關系，降低停電對客戶用能造成的損失。

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

●雙電源及輪休約束：應全面考慮客戶電源配置關系，避免通過不同進線間的負荷轉移、安排輪休又參加需求響應項目等投機行為，確保需求響應項目執行有效。

4 響應效果及性能評價

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

4.1 需方負荷監測

需方負荷監測應利用光通信和多種通信技術結合的方式，全面集成配網SCADA提供的電源節點實時負荷數據，并實現對專變大用戶的主要生產設備、商業樓宇的電鍋爐、空調等主要用能設備用能數據的分項計量和實時上傳。全面的需方負荷監測為客戶基本負荷的核定和需求響應項目的執行性能評級提供數據支持，為客戶補貼計算提供依據。

4.2 客戶基本負荷界定及響應性能界定

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的情況下，每小時可能消耗的負荷，這是對未發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性能和實際貢獻，并依此對用戶進行獎懲和評價需求響應項目的總體性能。其計算規則應規避用戶為獲取經濟補貼而采取的投機行為，應充分考慮氣象因子、生產規模因子和歷史負荷控制因子及參與需求響應項目影響因子對實際負荷的影響，選取的負荷樣本空間應剔除異常數據，然后可根據基于多元線性回歸的方法進行客戶基本負荷計算。在事故發生期間基于負荷采集數據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性能，項目整體響應性能的算術平均值即為需求響應項目的總體響應性能。

5 需方補償與激勵

實施需求響應項目的關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，這就需要構建激勵補償運作機制。根據國外的需求響應項目實施經驗，需方補償與激勵一般分為價格優惠和激勵補償。

5.1 價格優惠型需方補償

結合我國目前需求側管理實際情況，價格優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“按質論價、高質高價”的原則和電力客戶對供電連續性和可靠性不同需求來制定不同服務水平的電價/補貼政策,為客戶差異化電力供應服務和電費的核算標準。

容量/需量基本費減免是指在客戶參與需求響應項目期間對其自愿參與削減的負荷應減免的相應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行效果難以準確度量的困難，執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激勵的費用來源。

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

6 結束語

綜上所述，構建基于需求響應技術的電力供需雙向調節機制是電力需求側管理由傳統行政調控向經濟與行政相結合的關鍵所在。本文在電力供需平衡分析、需求響應項目組織實施、響應效果及性能評價、需方補償與激勵4個部分展開了論述，為需求響應技術在我國的接入提出了一些框架性的措施和建議。

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