面向源荷互動的建筑-電網數據共享現狀與展望*

肖偉棟 劉 耀 蔣純冰 張 吉 劉曉華△ 彭 放

(1.國家電網有限公司華北分部,北京;2.清華大學,北京;3.國家電網有限公司大數據中心,北京)

0 引言

數據作為新的生產要素,正在改變全社會的生產生活方式[1]。能源產業與數字技術融合發展是新時代推動我國能源產業基礎高級化、產業鏈現代化的重要引擎[2]。新型電力系統是實現“雙碳”目標的關鍵[3]。伴隨著新型電力系統建設的不斷推進[4],電力系統迫切需要借助于先進的計算機技術與大數據分析技術更新和提升電力技術監督手段[5],以保障新型電力系統的安全穩定運行[6]。云計算、大數據、電力物聯網、移動互聯網、人工智能、區塊鏈、邊緣計算等“云大物移智鏈邊”數字化新興技術為電力系統數字化轉型提供了有力支持[7]。

建筑部門是電力系統重要的終端用戶,也是造成碳排放的主要責任領域之一,建筑相關用能(含建造和運行)約占我國社會總能耗的1/3[8]。為促進建筑節能,住房城鄉建設部2007年發布《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見》[9],要求對建筑能耗數據進行實時監測,作為建筑能源審計、節能診斷和節能改造等工作的重要依據。2010年起,隨著能耗統計、能源審計、能效公示工作在全國的展開,國家根據各地工作進展,陸續支持具備條件的省市建立能耗監測平臺。2011年7月,住房城鄉建設部組織編制并印發了《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統數據上報規范》,用以指導各省(市)級監測系統的數據上傳工作,規范部級監測系統和省(市)級監測系統之間數據傳輸的內容、方式和格式,保證數據的統一性、完整性和準確性。2017年1月,為進一步規范省級公共建筑能耗監測平臺與部級監測平臺之間的數據傳輸,強化數據的分析應用,住房城鄉建設部修訂印發了《省級公共建筑能耗監測系統數據上報規范》,省級公共建筑能耗監測平臺的政策文件體系初步健全。在人工智能、大數據等新技術的推動下,建筑也正邁向信息化和智能化[10]。

數據對電力系統運行、對建筑節能工作推進等均具有重要意義,也是重要的研究熱點。建筑數據方面,李懷等人總結了我國建筑智能化系統應用的現存問題,指出多數智能化系統有數據記錄功能,但無自動分析功能,大量極具價值的運行數據無法有效用于指導運行[11]。劉伊生等人對建筑全壽命周期內多源異構的用能數據展開敘述,發現現有獲取渠道來源多樣,統計口徑不統一,無法獲取目標用能信息[12]。劉燁等人對民用建筑現狀指標數據調研分析發現,現有微觀數據存在采集數據不統一、能源邊界不一致、數據不互通共享等問題[13]。電網數據方面,國網北京市電力公司提出了基于“云邊”協同技術的能源數據知識挖掘和基于區塊鏈的數據知識共享框架[14],形成了以互聯網技術為支撐,電網、天然氣、供水、交通等其他網絡緊密耦合的復雜多網流系統[15]。廣西電網為滿足企業進行數據交互、統一開發與應用的需求,提出了電力系統數據共享應用平臺架構設計,以提供數據信息作為主要服務[16]。文獻[17]對電力系統中的數據共享應用進行了綜述,并研究了數據共享對相關利益者的價值和風險。文獻[18]從電力零售的角度提出了電力側和用電側交易的數據共享機制,說明了數據共享可以降低能源交易中的不確定性,從而提高決策盈利能力。文獻[19]系統地梳理了數據共享中確權和隱私保護2個關鍵問題,為可信的數據開放共享提供了根本保障。

如何實現建筑與電力系統之間的數據協同、數據共享,對更好地滿足建筑用戶的使用需求[20]、更好地服務于電力系統的運行調節[21]、更好地促進新型電力系統的源荷有效互動[22]等具有重要意義。但當前尚未形成以促進源荷互動為目標的數據共享模式或機制。為此,本文聚焦于如何實現電力系統與建筑等用戶側的數據共享和源荷互動,對建筑用電側和電力供應側用電數據的監測與應用現狀進行調研,分析建筑與電網互動模式與互動機制的現狀,并從技術、市場與運行機制3個維度提出相應的發展需求和政策建議,以期為建筑能源系統的革新和未來建筑-電網友好互動提供有益參考。

1 用電數據監測與應用現狀

1.1 建筑用電側

建筑側用能數據通常來自于建筑能耗監測平臺,在分類分項能耗采集的基礎上(耗電量主要分為照明插座用電、供暖空調用電、動力用電、特殊用電[23]),集能耗監測、統計分析、能效評估與節能優化等功能模塊為一體[24]。通過建筑能耗數據及其他相關信息的采集,不僅可以使建筑用戶掌握能源系統運行情況,還可以幫助建筑物管理者對能源系統的低效率、準故障進行診斷,例如為暖通空調系統的優化運行提供基礎數據。據不完全統計,多個省市已對1.1萬余棟公共建筑(共2.4億m2)開展了能耗動態監測平臺建設,監測計量點超過11萬個[25],如表1所示。

表1 部分省市公共建筑能耗監測平臺運行狀況調研結果

在建筑能耗監測管理平臺建設基礎上,對于系統維護及數據的挖掘與應用方面尚存在提升空間,如何使平臺數據發揮出更大價值也是值得探索的問題。另一方面,建筑用能數據監測多是對單個建筑、建筑群的能耗監測,未來需要進一步回答如何將建筑自身監測目標與電力系統調節目標之間有效銜接的問題。

1.2 電力供應側

電力系統對用戶側用電數據建立了完備的計量采集體系,例如國家電網用電信息采集系統是對用戶的用電信息進行實時采集、處理和監控的系統,是智能電網用電環節的重要基礎和用戶用電信息的重要來源,為智能用電服務提供基礎用電信息數據,實現營銷業務的智能化應用,構建電網不同用戶之間的能量流、信息流、業務流的實時互動,系統框架如圖1所示。至今采集系統累計接入智能電能表5.2億只、采集終端4 600余萬臺,覆蓋率和采集成功率均達99%以上[36]。未來國家電網智能物聯電能表還將實現與客戶的用能互動和能效管理,支持國家分時電價政策執行,支撐電費實時結算需要,支持與用戶互動。

圖1 電力系統數據采集架構

為提升能源數據匯聚、管理和應用效率,國家電網大數據中心建設了“數據中臺”,用以提供“數據接入”“大數據計算存儲”“數據分析”“統一數據服務”“數據資產管理”“數據運營管理”六大功能服務,以打破數據壁壘,實現數據共享融通,推進公司用數據管理、用數據決策、用數據驅動存量業務優化與新興業務培育等。

從電力系統對用戶側用電數據的采集發展現狀來看,數據監測和采集是為了服務于用戶的用電計量。如何將電力系統的監測數據與未來電力系統需求的源荷互動目標相結合,如何在新型電力系統構建需求下推動電力用戶的計量數據發揮更大的作用,也是值得探索的重要問題。

2 建筑-電網互動模式

“雙碳”目標和新型電力系統建設需要建筑與電網之間進行友好互動,電網互動型能效建筑(grid-interactive efficient buildings,GEB)采用智能技術提供柔性負荷需求,優化能源成本,以滿足電網和用戶的需求和偏好[37]。當前建筑參與電網調節、響應電網供需關系變化的有效途徑通常有電力需求側響應(以下簡稱需求響應)及其衍生的負荷聚集商與虛擬電廠3種模式。

2.1 需求響應

需求響應是指電力用戶根據市場的價格信號或激勵機制主動調整用電方式的市場參與行為[38],以保證系統運行的安全性和可靠性[39],同時提高終端用電效率,實現節能降耗。2010年,國家發展改革委印發《電力需求側管理辦法》[40],支持和激勵電網企業和用戶主要在電力領域開展需求側管理;2015年,國家發展改革委發布《關于完善電力應急機制做好電力需求側管理城市綜合試點工作的通知》[41],首次突出了需求響應對提升城市電力應急保障能力的作用;2016年,國家發展改革委、國家能源局發布《電力發展“十三五”規劃》[42],指出要大力提高需求側響應能力;2017年,國家發展改革委、工業和信息化部、財政部、住房城鄉建設部、國務院國資委、國家能源局六部門聯合印發《關于深入推進供給側結構性改革 做好新形勢下電力需求側管理工作的通知》[43],結合新形勢和新任務,對2010年發布的《電力需求側管理辦法》進行修訂,在原基礎上擴展范圍,明確推進工業、建筑等領域電力需求側管理。

近年來,隨著樓宇能源系統的智能化發展,建筑領域成為電力需求側管理的重要應用場景。公共建筑中可調節負荷主要有空調、電蓄熱、照明、儲能等,可控性較強;居民住宅中可調節負荷主要有分散式空調、電熱水器、電冰箱、電動汽車等,單個用戶通常功率小、分布分散,但數量龐大、靈活性較高。閻俏等人將建筑內用電負荷按可參與需求響應的程度進行了分類,建立了集中空調系統柔性調控策略的響應能力計算模型,提出了一種綜合響應能力雙層優化決策方法[44]。程杉等人計及建筑蓄熱能力,提出了考慮綜合需求響應的樓宇綜合能量優化管理方法[45]。袁金斗等人提出了樓宇可調節負荷樹狀普查體系,在云管邊端的物理架構下設計了樓宇可調節負荷參與電力需求響應的信息交互規范[46]。

2.2 負荷聚集商

建筑-電網交互往往有容量門檻和調節性能要求,建筑可調節負荷體量小、不確定性大,而且不同建筑之間的負荷差異也很大,單一建筑用戶難以滿足準入條件。為了給閑置的中小負荷提供參與市場調節的途徑,負荷聚集商作為一種專業化負荷側資源管理模式,整合分散的用戶需求響應資源并將其引入市場交易[47]。

建筑負荷聚集商負責匹配電網調節需求和建筑調節能力,需要配置電力市場交易算法、建筑可調節潛力評估算法、建筑收益分配算法等,以滿足對電網管理平臺的交易需求,對建筑的調節目標拆解下發、效果檢測、效益分配等需求[48],基于建筑負荷聚集商的電力交互模式如圖2所示。此外,負荷聚集商平臺還會根據建筑的特性和需求提供柔性改造服務,催生新的業態。魏震波等人基于納什討價還價理論,對負荷調峰效果、負荷聚集商出清能力等因素進行量化并作為不同博弈主體的談判籌碼,提出了計及聯盟內部博弈的負荷聚集商優化運營策略[49]。

圖2 基于建筑負荷聚集商的電力交互模式

2.3 虛擬電廠

虛擬電廠是電力需求響應的創新模式,將分布式發電、需求側響應和儲能等資源統一協調控制,響應電網調度指令的物聯網技術使得分散資源更經濟、高效地參與輔助服務市場,參與邀約響應項目,充分發揮調峰、調頻、調壓作用[50]。該技術的核心是建立在高效、安全和雙向交互的通信體系上,通過各類優化算法對虛擬電廠內的組成元素進行調度控制,實現供電側和用電側的靈活互動,其組成架構如圖3所示。

將建筑尤其是大體量的公共建筑打造成電網中的虛擬電廠,是非常有潛力的用戶側調節資源創新模式。自2016年起,上海市積極開展國家級需求側管理示范項目“上海黃浦區商業建筑虛擬電廠示范項目”,投入日常運行的公共建筑130幢,面積達627萬m2[51]。虛擬發電資源潛力主要來源為集中空調系統、照明系統、生活用水及新風系統負荷,虛擬發電機資源模型注冊了550個可調資源(其中空調資源占比74%,其他資源占比26%)。從試點情況來看,黃浦區商業建筑峰值負荷削減潛力巨大,單體建筑最大負荷削減可達25%,全部建筑平均負荷削減達到10%(持續4 h),10%的商業建筑具備分鐘級自動需求響應能力。2018年至今,虛擬電廠累計發電調度超過1 200幢次,累計響應削峰負荷超200 MW。

3 建筑-電網互動機制

從用戶響應電網調度的動機角度來看,建筑-電網互動機制可以分為兩大類:基于價格的需求響應和基于激勵的需求響應[52],如圖4所示。

圖4 建筑-電網互動機制

3.1 價格機制

基于價格的需求響應互動機制是指終端消費者直接面對多種價格信號并自主改變固有用電模式,主要包括:分時電價、實時電價、尖峰電價[53]。

1) 分時電價。

分時電價是一種有效反映電力系統不同時段供電成本差別的電價機制。可根據不同時段劃分為峰谷電價,根據不同日期劃分為豐枯電價[54],根據不同季節劃分為季節電價。我國峰谷分時電價制度出現于20世紀80年代,直至2003年國家發展改革委下發《關于運用價格杠桿調節電力供求促進合理用電有關問題的通知》[55]后分時電價得到全面推廣。

2) 實時電價。

實時電價是一種動態定價機制,更新周期可以達到1 h或者更短,能反映短期內生產電能的成本,包含日前實時電價機制和日內實時電價機制[56]。實時電價能夠彌補分時電價當系統出現短期容量短缺時不能給予用戶進一步削減負荷的激勵的不足。此外,實時電價的更新周期是確定電價體系時的一個重要考慮因素,周期越短,則電價的杠桿作用發揮越充分,但對技術支持的要求也越高。目前,國外實時電價的更新周期最短可達5 min,而我國仍處于實時電價理論研究和電力市場建設初期。

3) 尖峰電價。

尖峰電價是在分時電價和實時電價的基礎上發展起來的動態電價機制[57],在峰時段電價基礎上向上浮動部分電價,上浮的電價比例稱為疊加尖峰費率。2021年7月國家發展改革委通知建立尖峰電價機制,上浮比例不低于20%,其疊加的尖峰費率可以反映電力系統的真實供電成本。

截至2021年,我國已在29個省市實施了分時電價機制[58],各地普遍按日劃分峰、平、谷時段,執行峰谷分時電價,部分省市在此基礎上增加了尖峰時段。上海等地按季劃分為夏季、非夏季。然而過去大部分省市長時間未進行分時時段劃分調整,缺乏動態調整機制,存在時段劃分不夠準確、峰谷電價價差偏小等問題,缺乏對需求側調節的作用。2021年8月,國家發展改革委發布《關于進一步完善分時電價機制的通知》[59],要求各地完善峰谷電價機制,強化尖峰電價、深谷電價機制與電力需求側管理政策的銜接協同,充分挖掘需求側調節能力,上年或當年預計最大系統峰谷差率超過40%的地方,峰谷電價比原則上不低于4∶1,其他地方原則上不低于3∶1,并建立尖峰電價機制,尖峰電價在峰段電價基礎上上浮比例原則上不低于20%。受此新政影響,各省市結合電力系統凈負荷特性,均對分時電價時段劃分和峰谷電價差進行調整,適當增大了電價差,并建立了定期動態調整機制,加強與現貨電能量市場的銜接。另外山東省提出在容量市場運行前,參與現貨電能量市場的發電機組容量補償費用從用戶側收取,并參考現貨電能量市場分時電價信號,探索基于峰荷責任法的容量補償電價收取方式,引導電力用戶削峰填谷[60]。

3.2 激勵機制

基于激勵的需求響應互動機制是指在電力系統的安全性受到威脅或穩定裕度低于標準值時,采用直接補償或電價折扣的方式來激勵和引導用戶及時調整負荷、優化用電行為。其中主要包括兩類激勵模式[52],分別是:基于計劃的激勵模式,包括直接負荷控制、可調度負荷控制;基于市場的激勵模式,用戶上報可調節容量范圍、時段等信息,或參與市場競價,在得到調度指令后及時調節負荷,包括需求側競價、容量市場項目、輔助服務項目、緊急需求響應。

目前,基于計劃的邀約激勵模式相對較多,多地省政府根據管理辦法類、指導意見類文件要求,出臺本省實施方案類、電力價格類、電力市場類政策。政府、電網公司提前與用戶或者負荷聚集商簽訂約定實施響應、實時需求響應等協議,然后在接收信號后進行邀約確認、響應執行、響應監測、執行終止、效果評估、補貼發放等。在實施方案及細則中,對邀約激勵項目的申請條件、實施流程、基線負荷、補償標準、補償資金來源進行明確,其中典型補償標準匯總如表2所示。

4 發展需求與政策建議

建筑與電力系統交互的意義在于用電側需求和供電側能力的信息互通與資源優化配置,但是目前建筑與電網間的互動方式尚不能充分發揮建筑實時參與電力系統調節的作用,規模化分布式資源的物理節點分散、信息獲取困難、利益主體眾多,其聚合互動輔助電力系統運行還需要破解諸多技術瓶頸[69],比如:安全通信網絡承載海量異構終端的低時延信息互動問題、電力系統優化調度及靈活資源間的協同控制問題、用戶參與電力市場體系的商業互動模式問題等。

4.1 發展需求

1) 技術方面。

電網數字化轉型將融合多專業系統數據。一是大規模靈活資源優化配置、運行調控策略與電網運行控制等理論研究與實踐應用有待深入;二是需求響應資源雙向互動技術、通信技術、能效管理系統及終端等技術和標準需要進一步完善;三是需求響應能力評估、效益評估等相關技術仍然欠缺,利用先進的數字化技術,加強對可調節資源的監測、分類、預測和展示,利用海量多維數據進行智能決策、自動執行決策等,使得需求響應更加實時、智慧、可靠。

2) 市場方面。

需求響應是電力需求側管理在競爭性電力市場下的新發展,良好的市場化機制是需求響應資源融入市場、參與電力系統運行的基礎。我國電力市場建設還處于初期階段,尤其是現貨市場、輔助服務市場等建設尚在起步探索階段,缺乏完整成熟的市場體系和運行機制支撐需求響應資源價值的開發。因此,應加快推動將需求響應納入電力市場,探索建立科學合理的定價機制,健全包括尖峰電價、中斷補償、將用戶側資源納入輔助服務市場等在內的需求側響應激勵機制。

3) 運行機制方面。

一是用戶市場意識有待培育;二是缺乏較為成熟的商業模式,負荷聚集商或電力用戶可獲得的經濟收益期待值有限;三是缺乏健全的需求響應市場運行機制,各類市場主體的角色不明晰,參與渠道仍未完全暢通;四是目前需求響應地區發展不平衡,缺乏可復制、可推廣的電力需求響應市場建設方案。

4.2 政策建議

1) 支持數據平臺建設與長效數據治理。

不斷加快需求響應數字化轉型,對接電力業務系統、負荷聚集商系統等,支持虛擬電廠、中低壓用戶等多種主體參與。實施響應全流程管理和線上辦理。深化需求響應大數據分析,在響應潛力挖掘、響應行為分析、行業用電趨勢預測等領域深化大數據應用,為政策制定、發展規劃等提供支撐,科學指導需求響應工作。因此,應加強支持需求響應數據平臺建設,并采取監督體制保障數據長效治理。

2) 統一部署及組織實施。

需求響應試點過程中,由于缺乏統一的標準規范,各需求響應服務商的業務流程、需求響應基線負荷計算方法不一致,需求響應產品制造商所生產的需求響應系統、終端等接口型式不一、通信協議多樣,這對需求響應業務監管、需求響應系統互聯互通、需求響應產品檢測認證等造成了極大影響,既無法提高需求響應業務的運行水平,又直接阻礙了需求響應業務的規模化發展。因此,亟需加快開展需求響應領域標準化工作,從標準體系入手,通過研究不斷完善電力需求響應標準體系框架,促使國內產學研相關單位在標準制(修)訂、驗證等環節相互協作,推動國內需求響應業務更好、更快地發展。

3) 完善市場化長效機制。

電價是激勵用戶改變用電結構、調整用電方式的根本手段。在不完全競爭的電力市場下,我國現行的單一制電價或分時分類電價機制,使得大量用戶群體對電價的敏感度較低,且各類用戶電價交叉補貼嚴重,導致電力資源的極大浪費。因此需要研究不同的電價政策對用戶群體行為的影響,建立適應需求響應的技術經濟模型和電價敏感度模型,更重要的是研究適合市場競爭、準確反映電力供需變化的完善電價機制,加大激勵力度,擴大實施范圍,引導和激勵電力用戶參與電力需求側管理。

5 結論

未來新型電力系統中,源荷互動成為智能電網發展和建筑能源系統低碳轉型的關鍵環節,如何實現建筑與電力系統之間的數據協同、數據共享,對促進新型電力系統建設具有重要意義。本文對目前建筑與電網的互動模式與機制展開了研究,主要結論如下:

1) 建筑側能耗管理平臺的建設與平臺上留存的數據如何更好地發揮其價值還有待進一步探索,未來也需要進一步回答如何將建筑自身監測目標與電力系統調節目標之間有效銜接的問題。

2) 新型電力系統需要重新認識電力需求側對供需平衡的重要作用,目前建筑與電網間的互動方式主要表現為基于價格/激勵的需求響應,不能充分發揮建筑實時參與電力系統調節的作用,互動輔助電力系統運行還需要破解數據安全通信、優化調度、商業模式等諸多技術瓶頸。

3) 電力系統中用戶的用電數據與電力系統的數據之間如何有效共享、有效整合,還需要新的模式和機制,應進一步在整合電網企業、電力用戶、電能服務公司等的用電數據資源方面發展新的利用方式,真正實現源荷互動,在滿足建筑等電力用戶需求的基礎上更好地服務于電力系統的調節目標。