虹橋商務區電力需求響應質量技術創新體系與應用

◆ 周雷勇 宗明 段若晨 / 文

一、引言

電力需求響應是指通過需求側的調荷能力，利用電力需求的彈性來降低電力高峰時段的負荷，緩解電力供應緊張，避免傳統拉閘限電等措施給企業正常生產經營和居民生活造成的嚴重影響，實現電網柔性控制目標[1]。

電力需求側管理概念被引入我國已有20多年，在我國節能減排和經濟發展中發揮了重要作用。但是，當前電力需求響應技術的研究、應用和推廣仍然處于摸索起步階段，雖然已經有了一些試點工程，但一方面我國需求響應應用的政策經濟條件還較為缺乏，有關自動需求響應的應用極為有限；另一方面，需求響應實現的技術模式和方法還未標準化，無法解決需求響應技術、產品或系統之間的通用和互換問題，增加了實施需求響應項目的成本，不利于自動需求響應技術的推廣[2]。因此，迫切需要結合現代質量管理理念，對需求響應進行分析和研究。

本文以用戶需求為核心，充分運用多種質量管理及技術開發工具，建立基于前端分析、過程實施、推廣應用的質量技術創新體系，覆蓋需求響應的各個流程：電網負荷信息的收集及處理→區域用戶的用電分析→需求響應的過程模型及方法研究→用電及需求響應的信息交互方法研究→建設需求響應應用示范，最終形成一套可實用化的電力需求響應信息服務平臺。

二、基于QFD質量屋的前端分析

基于QFD質量屋方法，將客戶需求進行詳細梳理，指導相應技術方案形成。首先，與相關政府部門、電網負控中心、供電公司、用電用戶等單位建立信息互通渠道，收集區域相關的用戶供電點、電源線路信息，以及用戶負控信息、用戶電費賬單、用電歷史、需求響應激勵政策（包括負荷容量、負荷控制要求、停電信息、電價政策、節能服務信息等）各類相關信息，并對上述信息進行分析處理，為用戶用電分析及需求響應服務奠定基礎。然后，針對區域內用戶的內部用電數據、電網采集數據、單位能耗采集數據進行精細化比對及分析，研究用戶用電的分類排序方法，用以評估不同類型用戶的需求響應能力[3]。

“質量屋”是質量功能配置（QFD）的核心，是一種確定客戶需求和相應服務之間聯系的圖示方法，由矩陣框架直觀表達。質量屋一般由WHATS矩陣、HOWS矩陣、相互關系矩陣以及評價矩陣組成。其中，WHATS矩陣表示需求什么；HOWS矩陣表示針對需求如何做；相互關系矩陣表示WHATS項和HOWS項的相互關系；評價矩陣表示HOWS項的組織度、技術成本、競爭力及可行性等。質量屋建立完成后，通過定性和定量分析，得到輸出項HOWS矩陣，即完成了從客戶需求到滿足需求手段的轉換。

本項目中，首先明確客戶主要需求為負荷控制、停電信息、電價政策及節能服務，重要性分別為1～4分，相應提供的技術手段為約定需求響應、實時需求響應及補償結算，將關系矩陣程度定義為強（5分）、中（3分）、弱（1分），由此建立“質量屋”。如圖1所示。

根據用戶需求重要性及相互關系矩陣，通過計算可得各技術手段得分為：約定響應9分、實時響應23分、補償結算19分，表明實時需求響應技術解決用戶需求的能力最強。通過質量屋分析，可以為各類需求響應手段進行綜合評估，為技術方案的制定提供理論依據。

三、基于TRIZ理論的過程實施

發明問題解決理論（TRIZ理論）的核心是技術進化原理，其核心思想主要體現在三個方面：首先，無論是一個簡單產品還是復雜技術系統，其核心技術的發展都是遵循著客觀規律發展演變的，即具有客觀的進化規律和模式。其次，各種技術難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力。第三，技術系統發展的理想狀態是用盡量少的資源實現盡量多的功能。基于核心思想，提出了諸如發明原理、發明問題解決算法及標準解等矛盾消除算法。在利用TRIZ解決問題的過程中，需要首先將問題表述為TRIZ問題，然后利用TRIZ工具，求出該問題的普適解或模擬解，最后將該解轉化為領域的解或特解[4]。

圖1 “質量屋”矩陣圖

圖2 過程實施

本項目中，主要問題共四個：用戶響應方法確定、負荷分配模型搭建、結算補償策略制定以及信息交互方法研究。運用TRIZ理論，梳理技術實施過程中可能存在的技術障礙，通過對矛盾的分析，利用消除沖突的邏輯方法推出相應解法，最終解決矛盾，消除障礙，得出過程實施方案。

1.確定用戶響應方法（圖2-1）

首先依據區域特點，將用戶（S）按照類型分為不同類別（S1、S2、S3……），并基于用電分類排序方法分析區域用戶特征，評估不同類型用戶的需求響應能力，為區域管理者（或電能服務商）制定形成多級響應模型及方案（F）。

2.搭建負荷分配模型（圖2-2）

首先需要對電網負控單位（S1、S2、S3……）發出具體削減負荷需求。根據用戶當前負荷狀態，以及多級響應模型及方案，研究制定區域范圍內的負荷分配模型（F），最終確定參與需求響應的用電用戶范圍及響應級別（S）。

3.制定結算補償策略（圖2-3）

通過采集用戶需求響應的執行情況（S11），負控單位（電網）提供的結算信息（S12）等基礎信息（S1），對用戶需求響應執行結果進行精細化結算補償（S2），形成政策框架內的區域用戶結算補償策略（F）。

4.實現海量信息交互（圖2-4）

基于移動技術及互聯網技術，首先研究能耗信息（S11）、負控需求（S12）、執行結果（S13）等能源信息的交互方法（F1），隨后確定區域管理單位（S21）、電能服務商（S22）、電力用戶（S23）等用戶信息的交互方法（F2），最終提出各類信息交互方案（F）。

四、基于PDCA循環的推廣應用

圖3 PDCA循環原理圖

P D C A循環又稱戴明環，是全面質量管理的思想基礎和方法依據。PDCA循環圍繞最終目標（Goal），將質量管理分為四個階段，即計劃（Plan）、執行（Do）、檢查（Check）、處理（Action）。在質量管理活動中，要求把各項工作按照作出計劃、計劃實施、檢查實施效果，然后將成功地納入標準，不成功的留待下一循環去解決。基本原理如圖3所示。本文基于PDCA循環，對推廣應用結果進行閉環管控，從而確保應用效果[5]。

1.計劃（Plan）

首先制定推廣應用計劃。以用戶電力需求響應為目標，在對虹橋智能配用電大數據分析的基礎上，分析虹橋商務區配電網負荷時間維度的規律性，以及虹橋商務區能源中心分布式電源的并網可能給電網帶來的影響，將需求響應分為三種級別，對區域內的需求響應負荷分配、結算及激勵分配設計出兩種基本模式，形成電力需求響應試點計劃及具體日程表。

2.執行（Do）

通過前期數據分析，選定虹橋商務區內十個地塊用戶及兩個能源站作為試點對象。隨后按照計劃中的時間節點，主動聯系各試點用戶，實時跟蹤其設備安裝情況及數據接入情況。同時，平臺可以向用戶發布檢修、停電通知與電價等服務性信息和對電力用戶用電安全性、合理性與節約用電的指引性信息。

3.檢查（Check）

對用戶數據進行動態分析，并實時接受用戶反饋，分析計劃執行過程中存在的各類問題。

4.處理（Action）

對相關問題進行及時處理，同時不斷修正計劃中存在的問題，實現平臺的改進優化，確保需求響應的質量要求。

對于存在問題較多的用戶，將重新制定推廣應用計劃，并再次執行PDCA循環，直至所有問題得到解決，確保項目順利實施。

五、經濟及社會效益

1.經濟效益

項目的實施，從需求響應的自動完成性考慮，可以節約相關人力成本，從“削峰填谷”效果、能源利用率及電費節約角度考慮，具有較好的經濟效益。

表1 人力成本評估表

表2 電費成本評估表

以虹橋能源中心2號站峰平谷發電量分布來看，站內機組發電主要集中在峰平時段。由于冷熱負荷高峰與電網的用電高峰時間段相同，因此機組的使用對電網的削峰填谷十分有利，有助于合理調度能源中心三聯供機組運行方式，在減少對電網影響的同時增加其運行的經濟效益。

減少人力：該項目應用前，每家用戶需要配備專人進行需求響應，再安排人員進行相關操作。應用后，系統可以自動進行需求響應，僅需安排相關兼職人員進行定期巡查（人數記為0.5），以10家試點用戶為例，人力成本支出可以大大降低。詳情見表1。

減少電費：該項目應用前，用電高峰主要集中在電價高峰時段。應用后，通過需求響應在用電高峰時段自動切入三聯供等方式，而在電價低谷時段，再將負荷接入電網，從而大大減少了電費支出。詳情見表2。

2.社會效益

隨著電力市場化改革的推進和商業模式的進一步發展，電力需求響應將在社會中扮演越來越重要的角色。本項目的成功試點，為容量輔助服務、需求側競價等措施的推廣應用拓寬了渠道，為進博會等重要保電活動提供了思路，為需求響應的后續發展奠定了基礎。同時，該項目的實施，有助于推動電力需求側管理從以“供電服務為中心”向“電力用戶需求為中心”的轉變，通過電網各種目標之間相互協調去實現該目標，使電網公司能夠對已有數據進行統一控制，并在電網和用戶之間建立一座橋梁，形成雙方共贏的局面。

六、結論與展望

本文重點介紹了基于各類質量管理工具形成的虹橋商務區電力需求響應體系，提出了一種適用于各類用戶及能源站的需求響應能力評估策略及需求響應方法，并開發了結合理論研究的需求響應服務平臺，促進供能方與用能方的信息交流，完成線上操作需求響應流程。

本項目社會及經濟效益顯著，推廣價值巨大，下階段將嘗試在全上海區域進行推廣應用，更好地服務各類能源站及新能源用戶，更好地支撐電力供給側改革。