美國電力需求響應概述

張 沛，房艷焱

（埃森哲（中國），北京 100022）

1 美國需求側管理的起源和發展

電力需求側管理(Demand Side Management，DSM)，又稱電力負荷側管理，也可簡稱需求側管理，是國際上推行的綜合資源規劃方法的一項主要內容。需求側管理是指通過政府、電力企業和用戶的共同努力，采取有效的激勵機制和適宜的運作方式，優化用戶的電力使用狀況或方式，提高終端用電效率，降低高峰負荷和節約電量，實現最低成本的電力服務，使電力企業和用戶雙方都能獲益的方法。需求側管理是一項旨在以經濟激勵為主要手段，引導和刺激廣大電力用戶優化用電方式、提高終端用電效率、實現重大電力節約的節電管理系統工程。

需求側管理是在早期節電和負荷管理的基礎上發展起來的，起始時間可以追溯到20世紀70年代中期。為應對2次世界能源危機以及日益嚴重的環境壓力，美國在世界上率先開展電力需求側管理，取得了顯著成效，并帶動了需求側管理在全世界的發展。目前已有30多個國家和地區實施了需求側管理。近30年的實踐證明，需求側管理為世界經濟的可持續增長作出了積極的貢獻。國際能源署2004年的一份報告顯示，自從20世紀70年代石油危機以來，發達國家通過采取包括需求側管理在內的多種提高能效的措施，使得其GDP能耗降低了約50%。

20世紀70年代的能源危機促使美國及其他西方工業國開始重視能源問題、重視節能節電，以提高能源利用的綜合效益。1978年春，美國聯邦電力監管委員會（Federal Energy Regulatory Commission，簡稱FERC）制定了一系列的節能節電政策和法規，要求各州電力企業（包括國營和私營）實施“最小成本計劃（least cost plan，簡稱 LCP）”和“需求側管理”。隨后，30多個州的電力或能源法規委員會也制定了相應的政策法規。其中，實施效果最顯著的是1983年加利福尼亞州公共電力委員會制定的“需求側管理成本效益分析實施標準（Standard Practice for Cost Benefit Analysis of DSM Programs）”。

l993年，美國用于需求側管理的費用達27.4億美元，占全美公共電力事業收入的1%。1995年后，美國電力工業開始改革和重組，需求側管理工作一度受到影響。為繼續推動需求側管理事業的發展，一些州建立了系統效益收費制度，通過在電價中加收1%～3%的費用，專門用于需求側管理工作。目前美國已有18個州實施了系統效益收費制度。例如：加利福尼亞州系統效益收費占電費收入的2%～3%，每年用于節電工作的投資約2.18億美元。蒙大拿州系統效益收費占2.4%，緬因州占2%，俄勒岡州占3%，馬薩諸塞州則高達3.7%。

需求側管理項目開展以來，取得了巨大的經濟效益和社會效益。據統計，2000年美國共有962個電力公司參與需求側管理項目實施，涉及1300多項需求側管理計劃，參與用戶達2000萬個以上，削減高峰用電負荷0.4%至1.4%，相當于負荷增長率的20%至40%。據權威部門統計，1994年美國因實施需求側管理而減少的高峰負荷達2500萬kW，節電524.8億kWh。2000年美國通過實施需求側管理計劃，實際減少高峰負荷2290萬kW，節電537億kWh。

2006年，美國人口為3億人，GDP為12.9萬億美元。全美電力裝機容量為10.7億kW，其中燃煤機組3.35億kW，燃油和燃氣機組5.08億kW，核電1.05億kW，水電0.77億kW，非水電可再生能源發電0.26億kW。2009年，美國電力科學研究院（EPRI）開展了一項關于能源效率與需求響應潛力的研究。根據該項研究，2008年全年美國電力消耗為37170億kWh，預計到2020年，美國全年電力消費將增長26%，達到46960億kWh。

美國能源消耗中，工業能耗占33%，其中前4000家用能大戶消耗的能源占工業總能耗的47%。美國能源消耗具體分布情況如圖1所示。

圖1 美國能源消耗分布情況

目前，美國約有30個州對需求側管理的投入較多，另外20個州投入較少。實施需求側管理的平均成本是0.03美元/kWh,相當于新建電廠成本的1/3～1/2，成本效益很可觀。2006年全美需求側管理總投資達到22億美元，其中有5個州（加利福尼亞州、康涅狄格州、馬薩諸塞州、新澤西州和紐約州）每年能效項目的投資超過1億美元。

美國的需求側管理工作主要有以下幾類：

（1）節能信息宣傳。通過廣播、電視、報紙，或直接隨電費賬單向用戶傳遞節能信息，提高用戶節能意識。

（2）提供技術咨詢和技術服務。

（3）為需求側管理項目提供貸款或給予補貼。

（4）推廣蓄冷（熱）設備，或免費為用戶安裝高效節能用電設備，以控制和轉移用電負荷。

（5）實行靈活的價格政策，設置可中斷電價，引導用戶優化用電方式。

在美國，需求側管理工作已經形成了完整的產業鏈，從規劃、設計、設備到實施、服務、驗證、評估與跟蹤等各環節都有成熟的模式，并由專業隊伍執行。能源部在工業能效方面與美國多所大學合作，培養潛在的專業人才。

2 美國需求響應的主要模式和應用狀況

2008年，聯邦能源監管委員會開展了關于需求響應和高級計量的調查，向全美50個州的3407家機構發出了調查問卷，這些機構均屬于供電行業，包括投資者擁有的公用事業公司、市政實體、農村電力合作社、電力營銷商、州和聯邦機構以及需求響應的供應商。調查內容包括：用戶數量、用電量、高級表計的數量和使用情況及現有需求響應和實時費率項目等。該調查旨在獲得所有公共和私有的供電提供方在需求響應和高級表計方面的狀況，從而完成各個大區的需求響應資源評估。根據該調查，需求響應計劃被分為激勵型需求響應計劃或按時計費的計劃。

2.1 激勵型需求響應計劃

激勵型需求響應計劃是通過一種控制負荷的直接手段來幫助用戶減少電力負荷，因此經常被負荷服務機構、電力公用事業企業或電網運營商用于降低經營成本和提高運行可靠性，特別是在緊急情況下，快速的、可預見的需求響應是非常必要的。

2.1.1 直接負荷控制

直接負荷控制是一種最常見的需求響應計劃類型，在這種需求響應活動中，計劃發起方可以在簡短通知之后，遠程關閉或周期控制用戶的用電設備（例如：空調器或熱水器）。直接負荷控制通常用于在系統高峰期平衡供需，同時也可用于避免高峰期的電力采購。1968年，曾經出現過基于表計和消費者設備的直接負荷控制計劃，在20世紀80年代和90年代此類計劃得到了極大發展。調查表明，2006年以來，參與直接負荷控制的用戶增長了3.5%，數量上從495萬家增加至513萬家。

圖2顯示了不同地區和類型機構參與直接負荷控制計劃的用戶數量。私營企業中，參與直接負荷控制計劃的用戶數量最多，約占所有直接負荷控制計劃用戶的78%。在所有地區中，FRCC和RFC這2個地區參與的用戶數量最多。大約13%的FRCC用戶參與了直接負荷控制計劃。MRO地區也有較高的用戶參與率，略大于10%。在這一地區，有2家公用事業公司具有明顯的高參與率。在FRCC地區，佛羅里達電力與照明公司經營著最大的直接負荷控制計劃，該計劃已覆蓋782227戶用戶，2006年以來增加了41657戶（增長比例為5.6%）。在MRO地區，由美國北部電力公司運營的該計劃位居第2位，擁有370797戶用戶，2006年以來增加87480戶（增長比例為30.9%）。南加州愛迪生公司增長最大，報告顯示增加了284336戶，增長比例為71%。

2.1.2 中斷/縮減優惠

圖2 參與直接負荷控制的用戶數量的地區和機構類型分布

中斷/縮減優惠是指與優惠零售價格相結合的電量縮減選擇，如果用戶同意在系統緊急情況下減少若干負荷，那么將為用戶提供一定的折扣或信用積分獎勵。這是另一種常用的需求響應計劃。供電企業通常將該計劃提供給其最大的工業和商業用戶。圖3顯示了提供中斷/縮減優惠計劃的機構類型和地區分布情況。所有類型的機構都可參與中斷/縮減優惠計劃。參與機構數量最多的地區是MRO、SERC和RFC。

圖3 參與中斷/縮減優惠的機構數量的地區和機構類型分布

2.1.3 緊急需求響應，容量市場和與需求投標/回購

緊急需求響應計劃為那些自愿在特殊情況下縮減電量的用戶提供激勵性的補償。這種縮減是自愿的，如果用戶在某時不愿意縮減電量也可以不縮減。一般情況下，補償的金額和等級都是事先約定的。

在容量市場計劃中，用戶承諾提供預先指定的負荷減少量，但如果他們沒有達到縮減量，則將受到懲罰。作為義務承擔電量減少的補償，用戶將獲得相應的保障性補貼。容量市場計劃通常提供給批發市場供應商等運營裝機容量（ICAP）市場的RTO和ISO組織，并且同時提供配套的中斷/縮減價格表。

需求招標/回購計劃鼓勵大用戶提供電量縮減，這種縮減需要基于某種足夠引起他們興趣的優惠價格，或者去識別他們在參考價格內愿意縮減多少電量。

在過去10年間，緊急需求響應、容量市場和需求投標/回購計劃已經在批發市場大規劃采用，并且獲得了發展。自從2006年FERC調查以來，美國幾乎所有的地區都報告增加了這些新形式的激勵型需求側響應的使用。

在2008年FERC的調查中，有274家機構報告提供了此類計劃，比2006年增加了217%。這種增長主要由一些提供緊急需求響應計劃的機構的增加所驅動，此類機構從59個增加到了136個。有81個機構報告提供了容量市場計劃，有57個機構報告提供了需求招標/回購計劃。

如圖4所示，各地區都報告提供此類計劃的機構數量有所增加。此類3種計劃增加最多的每個地區（NPCC、RFC、MRO和ERCOT）還組織了由RTO和ISO組織運營的批發市場。

圖4 參與容量、需求招標與緊急計劃的機構數量的地區和機構類型分布

2.1.4 輔助服務市場

據調查反饋結果，有249個需求響應計劃用于輔助服務市場計劃。在該方案中，用戶在RTO和ISO等輔助服務市場中對其減少的電量進行招標出售。然而，許多受訪機構還將這些輔助服務市場計劃作為一種容量市場計劃或其他獎勵型計劃。為解決這種分類上的重疊，工作人員審查了2008年FERC調查報告的需求響應輔助服務市場計劃，確定在大多數計劃中，某些資源不能提供給輔助服務市場。因此，2008年FERC報告中不提供這種計劃的機構或用戶數量。

在ERCOT地區，截止到2007年底，為加入ERCOT的輔助服務市場市場，已經有130名用戶注冊為負荷電源（load acting as resources，LaaS），合計容量達2069 MW。在過去的2年半時間內，ERCOT使用過7次系統范圍的負荷電源，沒有一次是發生在ERCOT的高峰負荷時段。在2007年，由于3次系統范圍的事件，ERCOT使用了它的負荷電源，在那些事件中，平均需求響應為1164 MW。

在加利福尼亞州ISO組織中，參與負荷電源計劃允許合格負荷直接投標作為備用容量、儲備更換容量及參與補充能源市場。目前，加利福尼亞州水資源部門是該計劃的主要資源。約有2500 MW抽水蓄能水電設施由加利福尼亞水資源部運營，太平洋煤氣和電力與南加州愛迪生公司也參與了該計劃。

以同步儲能和調節為目的，PJM開展了輔助服務市場計劃。同步儲能是區域可靠性委員會（RFC）所要求的運營儲能的一個組成部分。目前，在任何地區，需求響應資源可能都無法提供超過25%的同步儲能需求。截止到2007年底，62戶用戶參加了同步儲備市場，并且在系統高峰期提供了125 MW的容量。

2.2 按時計費的計劃

2008年FERC的調查要求被調查者提供基于時間的價格計劃在美國范圍內的流行和使用信息。對比2008年和2006年的情況，提供基于時間的價格的機構數量從462家增加至503家，增長率為9%。2008年FERC的調查表明，有315家機構采用分時價格，100家機構提供實時價格，88家機構提供關鍵峰荷價格，這表明在所提供的計劃類型方面發生了顯著變化。調查結果顯示，提供分時價格的機構數量降低了14%，同時，提供實時價格和關鍵峰荷價格的機構有較大增加，2006年以來，分別增加66%和144%分別自2006。如表1所示。

表1 提供基于時間的價格的機構數量

（1）分時價格

分時價格是使用最普遍的按時計費計劃，特別是對于居民用戶。分時價格通常建立在一天之內的2個或更多期間基礎上，這種期間反應系統負荷處于高峰或低谷的不同，在高峰時段采用更高的價格。非高峰時段通常是在傍晚、夜間及周末。一個高峰時段的長度會發生變化，但通常會選擇在8：00～20：00之間，基于全天、全周或全年內其負荷系統的需求時間。有些分時價格只有2種價格，一個是峰段價格，另一個是非峰段價格，其他大都增加一個平段，共有3個時段。有些季節性價格在2個或更多不同季節有不同的價格。為大用戶提供的分時價格可能包括基于時間的容量和電量費用。

圖5顯示了NERC地區為居民用戶提供分時價格的機構數量。調查結果顯示，315家提供分時價格的機構中，有241家為其居民用戶提供分時價格。在這241家機構中，118家是私營公用事業企業，73家是非營利的合作供電機構。提供分時價格給居民用戶的機構數量最多的是MRO地區，共有65家；其次是RFC地區，有55家；然后為WECC地區，有47家。在ERCOT地區，只有3家機構報告提供居民分時價格。在ERCOT地區，私營公用事業企業和數量有限的不受管制的零售商都沒有提供分時價格。

圖5 實施居民分時價格的機構數量的地區和機構類型分布

圖6顯示了使用分時價格的居民用戶數量的地區分布情況。與其他所有地區相比，WECC地區使用分時價格的用戶數量明顯居多。其中，亞利桑那州公有事業公司的2家公司運營著最大的2個分時價格計劃——包括亞利桑那州公共服務和鹽河項目，他們占據了WECC總數的大部分，共有超過50戶用戶。盡管MRO和RFC地區報告了更多的分時價格機會，但是亞利桑那州的計劃還是覆蓋更多用戶。

（2）實時價格

圖6 實施涉及分時價格計劃的居民用戶數量的地區和機構類型分布

采用實時價格的情況下，零售電力價格在一天中的每個小時至少變化一次，這種變化直接反映最基本的電力成本。如果零售用戶直接暴露在這種價格中，那么電力成本變化與零售價格的直接關聯將使得零售市場引入實時價格響應成為可能。

根據調查反饋，有85家機構至少為零售用戶提供了一種實時價格計劃（見圖7）。這表明，與2006年FERC的調查結果相比，實現了54%的增長。盡管其絕對數量還較小，但是私營公用事業企業提供的實時價格占所有調查反饋提供者的55%。所有機構中，幾乎有一半提供零售實時價格的機構坐落于RFC（21家）和SERC（18家）地區。在RFC地區，有相對較多的機構提供實時價格，因為在新澤西、馬里蘭和賓夕法尼亞，默認大型用戶均為實時價格。

圖7 實施零售實時價格的機構數量的地區和機構類型分布

（3）關鍵峰荷價格

關鍵峰荷價格是零售分時價格中的一種新型方式，它將會在需要管理關鍵峰荷問題時指定一個很高的電力使用價格。關鍵峰荷價格事件可能由以下情況引發：系統突發事件，公用事業企業面臨非常高的電力批發市場采購價格以及運營高成本高峰單元。與分時價格不同，這種價格通常針對一年（或某一季節）中的每天的6～10 h。在關鍵峰荷發生時的價格并不預先指定。需要時，他們將很快決定并在短期內下發通知，每年當中只有有限的天數采用這種方式。關鍵峰荷價格可以同分時價格或者固定價格一起使用。在可靠性受到威脅時，這種價格將隨時發生，因此被認為是一種可靠的需求響應計劃。

關鍵峰荷價格有幾種演變形式，包括：

●定期關鍵峰荷電價。這種價格的特點是：價格上漲的時間和時段是預先確定的，但發生事件的日期將被通知或不通知。每年被通知的最大天數通常也被預先指定。該事件通常被提前通知，使得用戶有時間進行規劃從而減少電量消費。

●期間可變關鍵峰荷價格。這種價格的特點是：價格上漲的時間、期間和日期不會預先指定，通常在事件當天被通知。這種價格通常適用于當設備可允許針對關鍵峰荷價格進行自動響應的情況，如：溫控器。

●可變峰荷價格。這種價格綜合了以上2種價格的特點，有固定的價格時間表。基于這種價格，非峰時段和平時段電力價格被基于批發價格和市場條件事先指定一個時間長度，例如：一個月或更長。這種價格將使得批發市場和零售價格的聯系更加緊密。

●峰時回扣。這種方式為用戶提供固定的零售價格表，但是在關鍵峰荷期間，如果用戶負荷減少，那么將收到回扣。峰時回扣通常也被稱為關鍵峰荷回扣。

美國最早的一個關鍵峰荷電價項目由海灣電力公司在2000年開始實施。根據2008年FERC的調查結果，有194家機構實施具有關鍵峰荷價格因素的計劃。然而，大多數反饋者還是將此類價格列為分時價格或者其他固定需求響應計劃。例如：一些RTO和ISO組織表示，他們的批發需求響應計劃屬于關鍵峰荷價格。委員會的工作人員審查上報的計劃后確定，只有20家機構符合關于關鍵峰荷價格的定義。并且符合定義的計劃規模和數量都很小。最大的一家是由海灣電力公司經營的，涉及略少于9000名的居民用戶。南加州愛迪生由電力公司向最大需量大于等于500 kW的大用戶提供關鍵峰荷價格，涉及該計劃的用戶數為31個。

3 對我國需求側管理的啟示

3.1 需要充分調動各方參與者的積極性

需求側管理涉及政府部門、電力企業、用戶，甚至包括節能服務公司。需求側管理的成功需要采用各種方法充分調動他們的積極性，并充分發揮各自的作用。為了充分調動各方參與者的積極性并確保需求側管理的成功實施，應分析各方參與者的特點和利益需求，以便電力公司在推動需求側管理方案時不會受阻。

政府是社會利益的維護者，關心各方面的利益，更顧及整體利益，以保障社會持續健康的發展。政府在制定和實施需求側管理中起主導作用，是社會利益的代表。

電力企業是實施需求側管理的主體。如沒有相應的配套措施，開展需求側管理可能對其經濟利益帶來負面影響，為此英美國等國家制定了針對電力公司的激勵措施，主要包括成本回收、收入損失補償等，以調動電力公司開展需求側管理的積極性。成本回收是指將電力公司實施需求側管理項目的支出納入電價成本；收入損失補償是指政府通過采用售電收入調節機制，將售電收入與售電量部分脫鉤，使電力公司不至于因實施需求側管理減少售電量而遭受經濟上的損失。

節能服務公司以合同能源管理機制開展專業化的節能服務，已經成為美國、加拿大等國家利用市場機制開展需求側管理的重要方式，有效促進了全社會節能項目的實施。節能服務公司與愿意進行節能改造的用戶簽訂節能服務合同，為用戶的節能項目進行投資或融資，向用戶提供節能項目設計、施工、監測、管理及能源效率審計等一條龍服務，并通過與用戶分享項目實施后產生的節能效益來贏利和滾動發展，從而避免了用戶自身承擔項目可能遭遇的技術和財務等方面的諸多風險。在美國，節能服務公司已經發展成為一門新興產業。

3.2 探索適應不同地區的特有運營模式

由于不同地區的監管機制、電力市場化程度和電力企業經營模式存在差異性，因此不同地區采用不同的需求側管理模式會更容易操作。美國地域寬廣，各州的情況不盡相同，能效管理模式是根據當地的實際條件和歷史情況發展起來的，除了以電力公司為主導的DSM運作模式之外，還采取了以政府為主導和以中介機構為主導的2種運作模式。

借鑒美國的經驗，考慮到我國也存在地域遼闊、不同地區的市場化程度和用戶習慣有很大差異等特點，因此，需要在不同地區探索、研究適合各個地區的運營模式，以便充分調動本地區各方參與者的積極性，并開展容易在本地區見效的需求側管理方案。

3.3 將對電網技術和管理產生深遠影響

需求側管理是個系統工程，涉及營銷、規劃、運行等多個方面，對電網的規劃和運行等多個業務領域的技術和管理都將產生深遠的影響。

充分考慮我國國情，首先需要加快研究建立合適的需求側管理模式和組織體系，明確管理部門和執行機構，分清責權利，扎實推進監管協調、項目規劃、管理實施、能源審計、項目監測評估等工作的有效開展。同時，需要加快高效節電新技術和新產品的開發。目前國內節電產品的研究開發力量薄弱，節電產品生產企業小而分散，產品能效指標與發達國家差距較大，節能產品質量較差。為此，應抓緊培育一批節電產品生產骨干企業，推廣一批重點產品，對符合產業政策，有推廣價值的高新節電產品予以適當優惠，促進產業升級，并形成優勢產業。

另一個重要的方面是信息化，需要強大的信息系統實現對需求側管理的有力支撐，依賴功能強大的信息化系統推動需求側管理的廣泛開展。信息化的主要手段是應用用電管理系統（即“用電自動化產品”），此類系統是在2004年左右發展起來的新技術，可以集中監控用戶電力負荷，實時收集并分析電力公司配電變壓器的數據和終端用戶的用電信息，還可以捕獲設備的工作狀態，實現有序用電、錯峰用電、自動抄表和用電監測（防止竊電），保障電網供需平衡和減少用戶停電損失，加強電力企業與用戶間的信息交流，同時為電力企業線損管理、用電分析、負荷預測、電價評估和營銷決策提供有力的技術支持。

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