基于OpenADR擴展的錯峰業務仿真平臺設計

曹望璋，李彬，孫毅，祁兵，鄭愛霞，沈秋英

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京市 210003)

基于OpenADR擴展的錯峰業務仿真平臺設計

曹望璋1，李彬1，孫毅1，祁兵1，鄭愛霞2，沈秋英2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京市 210003)

由于不同開發商所開發的系統存在技術差異以及相關標準的缺失，導致我國現有需求響應(demand response，DR)系統無法有效互聯互通，不利于需求響應項目的推廣。該文基于OpenADR 2.0協議的標準框架，擴展了可用于支撐錯峰業務的信息接口、業務交互流程以及事件處理機制。依托SAC/TC549以及國際標準化思路，對參與錯峰業務主體的角色、定位以及仿真功能需求進行了分析，從參與錯峰調度過程中所需的數據信息模型、調度策略、用戶動態響應特性等方面出發，完成了錯峰業務仿真平臺的設計。此外，該仿真平臺還提供了外部半實物接口，可以實現與DR動態交互相關的標準驗證及業務性能測試，給未來標準制定、政策實行提供數據支撐。

OpenADR；負荷集成商；智能電網用戶接口；能源交互仿真

0 引 言

2015年3月15日，中共中央、國務院下發了《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號)，啟動新一輪電力體制改革。隨著售電側業務逐漸放開，售電主體將明顯增多，售電價格也將更加靈活，發展自動需求響應(automated demand response，ADR)業務的商業主體及商業模式漸趨完善[1]。在需求響應工作開展過程中，涉及到需求響應機制的制定與評價，然而目前并沒有專用的ADR業務系統仿真平臺[2-3]。通過仿真手段，可為國家在制定需求響應策略以及評估需求響應策略效果等提供試驗驗證環境。錯峰業務仿真平臺，對于參與ADR項目的各個主體均具有重要的意義。需求響應業務系統的仿真，對于清晰定位需求響應實施主體具有指導作用，同時需求響應業務系統仿真的結果可為需求響應參與主體提供技術支撐[4]。需求響應通信協議一致性測試是完善平臺建設的重要組成部分[5]。試驗檢測機構可利用仿真平臺對需求響應系統數據模型、通信協議、業務邏輯、終端設備連通性、一致性等提供試驗檢測服務，以此提升產業的標準化程度。

在國外ADR已取得較長遠的發展，但在中國還遠未實現，甚至在學術研究方面對于需求響應的完全自動化也極為初步，中國ADR的實現需要技術的支撐。全國智能電網用戶接口標準化技術委員會(SAC/TC549)在定義智能電網用戶接口領域國家標準時，也充分考慮了OpenADR的應用現狀，并參照其信息交換架構設計了ADR業務接口[6]。中國電力科學研究院報道了一種OpenADR 2.0的需求響應信息仿真系統，然而該系統采用靜態方式模擬，更多地側重于虛擬終端節點(virtual end node， VEN)與虛擬頂端節點(virtual top node，VTN)2種節點的交互信息加解密處理，不僅未考慮需求響應業務及實體行為的建模，而且需求響應業務信息的交互機制都考慮較少[7]。目前與需求響應業務系統相關的仿真技術報道較少，可作為本文參考的主要有文獻[8]中針對上海市的試點情況進行的基線仿真以及文獻[9]中的家庭能源管理系統的響應策略仿真。國家電網公司2015年也正式立項《適應我國售電側放開的自動需求響應仿真技術研究》總部科研項目，逐步細化仿真平臺的詳細功能。目前需求響應業務系統并沒有統一的系統建設規范，國內幾個需求響應試點城市也多采用私有化協議實現[10]。由于目前SAC/TC549協議設計仍處于起步階段，而國外標準引進繁雜，導致國內需求響應試點和應用缺少統一的信息交互模型，不同開發商開發的系統難以互聯互通，因而不利于需求響應項目的推廣。總體上，關于需求響應業務系統的仿真尚屬于初級階段，已有的算法仿真大多為靜態仿真，缺少基于事件的動態交互特性，無法真正地模擬需求側用戶的業務特征。

本文基于SAC/TC549現有的工作基礎，設計基于OpenADR擴展的錯峰業務仿真平臺，并著力于為國家在制定需求響應策略以及評估需求響應執行效果等方面提供驗證環境。通過仿真技術既可以實現業務策略仿真，又可以實現對現有標準的驗證，以及對未來標準制定提供支撐，為國家開展需求響應標準化工作提供技術支持。

1 OpenADR系統框架

1.1 電網與用戶的信息交互

OpenADR提供了一個公用的、開放式、標準化的需求響應接口。該協議目前基于電力企業、用戶及第三方服務的應用層，構建了低成本的標準信息通信架構及業務交互邏輯[11-12]。該協議內容詳細描述了發布服務的VTN和訂閱了該信息服務的VEN間的行為。考慮到OpenADR的底層傳輸機制相對陳舊，仿真平臺的架構將基于OpenADR的應用層框架設計，并引入標準的底層適配接口及高級控制策略。

OpenADR協議基本框架可由電網側、需求響應服務器(demand response automation server，DRAS)、負荷集成商以及用戶群所構成[13]。在協議中DRAS主要負責電網側和用電側之間的電能調度，可優化電能分配并且跟蹤、采集、錄入、匯總用戶側用電行為信息(可中斷、可轉移、可削減能力)。DRAS也可負責電網側和用電側之間的信息交互，如需求響應項目業務信息發布，用戶側通過需求響應項目參與智能電網。負荷集成商主要負責任務指標下放，如：需求響應項目業務中的電價、錯峰調度時的削減量等。用戶側主要通過智能用電管理以及分布式能源調度作為響應的基礎。

1.2 平臺子系統結構

在OpenADR通信架構中，明確規范了電網側、用戶側以及負荷集成商的功能和角色定位。仿真平臺子系統整體結構如圖1所示，需求響應業務系統是由需求響應服務器、單個負荷集成商或者多個負荷集成商以及其下多個用戶群所構成。其中負荷集成商對應為OpenADR協議中需求響應服務器的虛擬終端節點VEN端，也可作為用戶群的虛擬頂端VTN端。負荷集成商與用戶群之間的信息交互方式在2.0版本中可劃分為PUSH模式以及PULL模式。基于OpenADR協議的平臺系統設計2種模式的傳送機制，并且在該子系統中完成基本的信息交互過程，具體如圖1所示。

圖1 OpenADR規范下的分級系統架構

在發送的中間需要智能地加入DRAS，通過采集和獲取電網側、負荷集成商、用戶側的信息，實現三者之間的互動[14]。其中按照OpenADR 2.0a以及2.0b中所規定，將發布信息的服務器和負荷集成商設定為VTN，將訂購聚合商服務的用戶設定為VEN。

多個VEN同時對應著一個VTN管理，而在某些情況下，VEN同樣也可以作為VTN。當VEN管轄著下一級多個VEN時，此時VEN可視為其所負責的VEN用戶群的VTN[15-16]。具體實際應用結構如圖2所示，可見實際協議應用是在圖1的基礎上，由DRAS引伸出多個負荷集成商，在DRAS的統一規劃下，負荷集成商向下又管轄著多個用戶群。

圖2 DRAS系統框架模型

2 信息交互模塊設計

考慮到信息領域技術發展速度較快，本文在設計仿真平臺過程中將采用模塊式設計，以便后續仿真平臺升級。仿真平臺信息模塊是實現整體動態交互的基礎。而該信息交互模塊主要分為2點：信息交互機制以及基礎底層業務信息類型。

2.1 平臺業務交互邏輯

在需求響應業務系統仿真平臺的設計過程中，對構成系統的重要部分，如：運行策略、節點功能模型、協議棧和系統內核運行規則均采用模塊化設計，不同功能單元采用封裝接口的方法對接。本文在已有的OpenADR架構上采用OMNeT++軟件建模，并設定對應的數據庫用來統計仿真結果，可動態追溯仿真平臺的實際運行效果。最后在模擬過程采用B/S架構，以完善用戶側獲取服務器信息的自動化及ADR信息的智能下發。

當前OpenADR協議仿真平臺主要基于規范定義的PUSH及PULL模型傳送機制進行設計，同時引入了響應和未響應、反饋和未反饋的情況分析。

圖3為錯峰削減量任務分配執行邏輯，用戶和集成商之間交互時，應先完成注冊，在注冊的基礎上再完成報告注冊，以便兩者之間的信息獲取，最后通過事件參與需求響應。錯峰業務交互可通過EiEvent和EiOpt這2類服務開展。

圖3 錯峰削減量任務分配執行邏輯

(1)在PUSH模型中，由于VEN存在防火墻等安全機制，因此VEN不會主動向VTN獲取消息，VTN只能被動地向VEN推送消息，如圖3注冊、報告、事件3個環節所示。

(2)在PULL模型中，VEN的防火墻等安全防護措施將會關閉，VEN會主動向VTN拉取消息，同樣VTN會向VEN推送消息。

通過錯峰業務仿真平臺可以對智能電網用戶參與需求響應的行為進行量化評估，并為后續電網公司電價政策制定以及錯峰調度算法的設計提供必要依據，也可為試驗檢測機構提供基礎的校核數據。圖4給出了OMNeT++軟件下的仿真平臺運行界面，VTN與VEN的部署和配置可以根據仿真的需求動態設定，其傳遞的消息通過cMessage類承載，其中注冊成功的

圖4 VTN-VEN交互仿真圖形用戶界面

用戶會被成功分配注冊ID編號，未注冊用戶既包括未注冊的需求側用戶，也包括暫時脫離管理的用戶，用non-registration標識。

仿真平臺設計了VTN、VEN服務的半實物接口，并通過本地環回地址捕獲OpenADR報文[17]，具體報文如圖5所示。由于采用標準的XML文本，仿真數

圖5 拉取的VTN-VEN數據報文

據流具有較強的可讀性。通過B/S架構，僅需修改相應的IP地址，即可將本文所設計仿真平臺直接部署在云端模擬真實的交互環境。

2.2 錯峰業務底層服務設計

在擴展OpenADR通信協議實現錯峰業務時，基于其信息交互需求，本文選用了EI 1.0中規定的EiEvent、EiOpt、EiReport、EiRegistration等4類服務。結合錯峰業務的信息交互需求，分別建立如下幾類錯峰業務服務：錯峰任務下發及負荷響應(采用EiEvent)、錯峰項目選擇(采用EiOpt)、錯峰執行效果評估(采用EiReport)、用戶側資源注冊和等級劃分(采用EiRegistration)，如圖6所示。仿真平臺還引入了EI 1.0規范中定義的數據類支撐錯峰業務的實現[18]，如： EMIX類、WS-Calendar類、Streams類等，考慮上述3類均具有標準的用法，在此不再贅述。

圖6 支撐錯峰業務的OpenADR服務遴選

利用OpenADR規范中所定義的服務，可以構建不同類別的交互業務，本文以錯峰業務為例給出了OpenADR的業務搭載模式，出現用戶負荷削減情況時將采用如圖7所示流程[19]。其中當出現緊急情況負荷削減的要求時，電網和負荷集成商將會發送需求響應事件請求(oadrDistributeEventType)，回應用戶選擇是否響應需求響應事件(oadrCreatedEventType)，如果選擇響應(oadrRequestEventType)，則會同時附加上用戶所具備參與調控的能力(oadrResponseType)。其中，oadrRequestEventType、oadrResponseType 2項僅有確定參與調控的用戶才會返回。

圖7 基于OpenADR的負荷削減業務設計

在執行錯峰過程中，設定此時負荷集成商側需要負荷削減量為Qcl。此時下級存在多個可用于錯峰的用戶集U={u1,u2,…,un}。該類型的用戶特征是可中斷負荷容量大，大部分屬于彈性負荷，同時用戶自主參與需求響應業務的意愿偏大且簽訂了相關合同。負荷集成商根據系統數據優先采用錯峰潛力較大的用戶集Up={c1,c2,…,ck}，將其納入至錯峰預備的隊列中。負荷商會根據事件緊急情況，選擇全人工、半自動或者全自動的調控模式。因為相對緊急情況，負荷集成商會直接采用全自動模式，將之前已簽訂過協議的用戶電氣設備關停，實現可中斷負荷控制。

而本文中假定采用半自動方式，負荷集成商VTN發送信息給下級的VEN，該信息的有效載荷為oadrDistributeEvent，具體內容包括eiResponse(表示是否能夠接受請求)、requestID(請求ID)、vtnID(VTN ID號)、schemaVersion(版本號)。而作為回應用戶VEN會反饋回信息，該信息的有效載荷為oadrCreatedEvent，該載荷具體內容包括: eiCreatedEvent(選擇是否響應某個需求響應事件), schemaVersion(版本號)。如果VEN回饋的是響應該事件，則附帶oadrRequestEvent載荷，該載荷帶有屬性oadrRequestEvent(請求該錯峰事件)。同樣其中應該還有oadrResponse載荷用于告訴VTN自身能參與的能力，例如該用戶i在t時刻可中斷負荷為qi(t)。而負荷集成商會判斷此時所有用戶參與的中斷負荷總量∑qi(t)是否大于原先設定的總負荷削減值Qcl，當大于時將會停止調控，否則繼續輪詢可參與的用戶。

3 實體邏輯模塊設計

實體邏輯模塊設計主要是支撐整個平臺運行的基礎。該部分的主要功能是實現對用戶、集成商模型的構建。其中涉及到決策以及通信等各個方面。該模塊在信息交互模塊的基礎上利用信息流交互實現動態變更輸出結果并進行展示。

3.1 用戶側互動模型設計

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ppat為用戶開始自愿參與負荷控制控時的激勵價格；Δpj為集成商給用戶額外增加的補償費用；Kj為系數。

用戶執行電網側下發的負荷削減或增長的任務量Qj時，并不會完全精確執行。可能出現超額完成或者部分完成的情況Qj′。該值與Qj之間服從方差為δj(0<δj<1)的正態分布。不同用戶的δj值根據用戶的情況而確定。

3.2 集成商互動模型設計

(5)

式中：αs為指標s的權重大小；ks為指標s的數值；K為指標集合。

集成商在分析完用戶參與潛力之后可以決定是否選取用戶，選取的最終實現目標可以多樣化(補償費用最小化或者選取最大容量用戶等)。給用戶j分配的任務為Qj。最后所有在編的調控用戶總完成任務量為Qtask。

(6)

3.3 通信模型設計

在已制定的OpenADR協議中，根據標準委員會提出的設計理念，其底層傳輸協議可以采用HTTP協議、XMPP協議或者用戶自定義的傳輸協議。本文中的仿真平臺設計采用應用層重傳方式，降低了底層網絡的技術需求，使得模塊之間的通信鏈路建模相對簡單，這樣就避免了采用TCP 協議時的握手、確認、窗口、重傳、擁塞控制等復雜機制。同時，通過簡化傳輸層設計還可以降低控制消息經過多層封裝的冗余。

因此，在平臺的底層通信網絡模型中，引入了在通信交互消息時存在的丟包率ppl。該丟包率會影響用戶執行任務完成程度。

在本文中設定集成商給一個用戶j發送信息可能出現丟包情況，而用戶給集成商發送消息不會出現。發送n次出現丟包k的概率服從二次分布，如式(7)所示：

(7)

(8)

式中：n為比當前消息優先級別高的服務類型種類；ki為當前i類型報文在對應級別隊列中的排序；c(k)為報文長度；v為路由器處理速度；τ為其他因素所造成的附加延時。

4 仿真功能實例

本文實現了能將用戶數據導入仿真平臺并觀察仿真模塊輸出削峰業務結果的功能。而且仿真實體模塊的設計集成了已有文獻成果，確保了仿真結果的正確性。為國家在制定需求響應策略以及評估需求響應執行效果等方面提供具有較大可行性的驗證環境，最后引入了通信對業務的影響。

4.1 調控策略仿真框架設置

基于OpenADR核心功能，在不同的輸入激勵情況下觀察在多種不同參量下的協議傳送方式及變化情況，通過模擬下發電網需求及價格激勵信號，獲取具有全局統一時標的實時運行數據，并最終導出執行結果，具體如圖8所示。

把原始真實數據導入仿真平臺的每個模塊，通過信息交互模塊的設計，實現仿真平臺內部每個實體邏輯模塊的通信，最后由模塊內部產生輸出結果。

4.2 錯峰業務策略仿真

本文仿真采用隨機選擇的30戶用戶進行動態錯峰仿真，其中激活用戶數為10戶(完成注冊過程)，錯峰調度算法根據業務需要，目前平臺可支持不同策略的嵌入。

電網側將需求響應服務器的錯峰調度任務分解至用戶，目前平臺集成了隨機分配、最大容量優先、最快響應優先3種算法。3種算法中隨機分配算法不會結合任務用戶情況以及評估模型，而另外2種則會結合。

圖8 ADR仿真平臺內部模塊間的數據流

隨機分配算法采用隨機分配權重調度策略下放削減指標，每個用戶都會隨機擁有一個分配的權值p，0

在不同算法條件下，負荷集成商分配給單用戶的任務執行情況，可以支撐基于用戶行為特征的電網互動模型驗證。圖9給出了所選定用戶(用戶1)在采用隨機分配算法、最大容量優先算法、最快響應優先算法時所獲取的任務及相應完成量。如圖9所示，用戶1在隨機算法分配下，由于分配的權值p是由電腦固定生成，并未結合任何的評估模型以及用戶實際能執行的任務額度(具備較大隨機性)，因此分配的任務量高達640 kW，但實際在當時只能執行約200 kW，最終平均10次迭代下來完成率約為30.8%；而在最快響應調度算法下，由于在參考了集成商的評估模型以及用戶可完成的任務額度基礎上獲得分配的權值，因此不會出現分配任務量遠超用戶實際能執行的情況，最終經過10次迭代計算后發現平均完成率約為46.3%，但是具有較大的隨機性，不適用于電網穩定性調度；在最大容量算法中，由于用戶1本身可調節負荷容量較小，比用戶1容量大的用戶較多，因此未被納入錯峰隊列中。

圖9 不同錯峰算法下的削減量比較(單用戶行為)

仿真平臺還支持單用戶在某一特定算法下的削減量分布情況分析。圖10為單用戶采用隨機分配算法時的任務完成量分布。如圖10所示，該參量服從正態分布，并且在主值區間外較小的概率會存在一定的異常數據，該數據代表無響應和丟包等條件下用戶負荷削減的情況。該結果與第3節的用戶模型構建中設定的在t時段內用戶任務完成大小的概率服從正態分布相對應。該仿真數據可作為后續智能電網用戶參與需求響應項目時潛力評估、進行調度的重要依據。

圖10 基于隨機分配算法完成的削減量分布(單用戶行為)

圖11給出了基于SAC/TC549需求的負荷集成商調度任務的執行結果。3種分配方法均可以實現用戶資源調配，基于最大容量優先的分配策略性能穩定，最小方差僅為0.082，其他2種方法均高于0.085。扣除未調配用戶的情況，最快響應算法的調配完成率高達62.5%，具有最好的性能。同時，還可以看出用戶1、用戶7的可調度負荷容量較小，因此最大容量優先算法在滿足任務調度后即停止對該用戶的調度。而用戶4歷史響應速度較慢，因此最快優先算法在滿足任務調度之后停止了對該用戶的調用。

圖11 多用戶錯峰任務分解數據分析

由于3種算法最終實現的結果都將滿足約束關系式(6)，因此調控后的優化負荷效果一致。

圖12(a)為集成商在1周內(0～168 h)某個時間段錯峰效果圖。該圖給出了3種情形下的總用戶負荷曲線，分別為原始負荷、優化后的負荷、出現丟包時的優化負荷。可發現集成商在收到調控請求后基本能保證用戶負荷總容量的5%削減，但是存在丟包情況時，用戶優化負荷曲線將會出現部分毛刺。將圖12(a)中所圈位置放大得到圖12(b)，分析得知由于出現丟包的突發情況，部分用戶未收到請求。此時未收到請求的用戶將不會對集成商的負荷調控做出任何回應，導致集成商實際優化負荷與預期優化后的結果存在偏差。

圖12 錯峰業務任務出現丟包率時的影響

5 結 論

本文基于openADR標準協議，構建了一個具有可靈活擴展的錯峰業務仿真平臺，可支撐用戶行為建模、調度/響應策略建模、激勵政策模擬等功能。通過平臺的模擬運行，可為需求響應機制以及錯峰避峰策略等的仿真分析提供技術參考及量化數據支撐。同時，對于檢測機構而言，目前正缺少一個針對ADR業務系統的通用測試平臺，可利用仿真平臺的半實物接口對需求響應仿真協議、終端設備連通性等提供試驗檢測服務，從而規范需求響應業務的市場化行為。

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(編輯 張小飛)

Design of OpenADR Extension Based Load Dispatching Simulation Platform

CAO Wangzhang1, LI Bin1, SUN Yi1, QI Bing1, ZHENG Aixia2, SHEN Qiuying2

(1. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

Because of the technical differences of system developed by different developers and the lack of specifications, the existing demand response (DR) system cannot effectively inter-connect each other, which is not conducive to DR project promotion. This paper expands the information interface, business interaction process and event processing mechanism for load dispatching based on the standard framework of OpenADR 2.0. According to the architecture of SAC/TC549 and international standardization trend, this paper aanalyzes the role and function of each entity in dispatching program, as well as the simulation functional requirements. Then, this paper designs the simulation platform for load dispatching from aspects of data information model, interactive mechanism, dispatching strategies, user dynamic response characteristics, etc. Furthermore, this platform can provide hardware-in-loop interface, and realize the standard verification and service performance test for dynamic interaction with DR, which can provide data support for future standard setting and policy implementation.

open automated demand response (OpenADR); load aggregator; smart grid user interface; energy interoperation simulation

國家重點研發計劃項目(2016YFB0901104)；國家自然科學基金項目(51307051)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(2014ZP03, 2015ZD01)；國網公司科技項目(適應我國售電側放開的自動需求響應仿真技術研究)

TM 73

A

1000-7229(2016)11-0086-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.013

2016-07-12

曹望璋(1993)，男，碩士研究生，研究方向為需求側管理等相關技術；

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事智能用電、自動需求響應技術方面的研究工作；

孫毅(1972)，男，教授，主要從事電力大數據與電網節能相關技術的研究工作；

祁兵(1965)，男，教授，主要從事電力節能、自動需求響應相關技術的研究工作；

鄭愛霞(1968)，女，碩士，主要從事電網設備運維、電能質量、節能降損、電能計量等方面的管理與技術研究工作；

沈秋英(1979)，女，博士，主要從事電能計量、計量資產等方面的管理與技術研究工作。

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFB0901104); National Natural Science Foundation of China(51307051); Fundamental Research Funds for the Central Universities(2014ZP03, 2015ZD01)