丁繼為，王 磊，劉順桂，孫 杰

（1.東南大學 電氣工程學院，南京 210018；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

商務樓宇負荷因為其負荷結構的類似性以及良好的可控性，使其成為重要的需求響應資源。在美國商務樓宇參與需求響應已然成為研究的熱點，并且多個地區(qū)已經(jīng)建立商務樓宇參與需求響應的試點工程。

1 實施方法與機制

紐約ISO發(fā)布的基于市場的日前分區(qū)節(jié)點邊際電價，（DA-LBMP），輔助服務成本，由于系統(tǒng)網(wǎng)損帶來的傳輸調(diào)整費用（transmission adjustment charges）。MHP的定價如表1所示。

紐約的大部分電力用戶是通過削減服務供應商參與需求響應項目的。負荷削減供應商可以管理需求側資源整合負荷削減計劃已達到最大的需求響應補償?shù)哪康模瑤椭脩粼u估自身需求響應潛力并改進負荷削減策略。與削減服務供應商簽訂合同意味著用戶必須達到合同要求的最低的負荷削減要求，同時用戶將會獲得相應的補償。

電價機制方面，紐約采用動態(tài)電價。動態(tài)電價是用來引入基于電價響應的負荷，通過負荷高峰時段的高電價和負荷低谷時段的低電價，可以對系統(tǒng)的負荷需求進行整形。太平洋油氣與電力（PG&E）尖峰電價和南加州愛迪生（SCE）實時電價都是動態(tài)電價的實例。2005年開始，紐約州公共服務委員會要求這些機構向負荷大于500 kW的非居民用戶提供日前小時電價作為默認的收費標準，這種收費標準被稱為MHP（mandatory hourly price）。MHP也是一種動態(tài)電價機制，MHP定價依據(jù)主要有3個方面：

表1 MHP電價表

PJM的同步備用市場分為2級，第一級備用資源是那些在額定容量以下機組經(jīng)濟調(diào)度而預留的，這部分備用不會對其容量進行補償，因為并不存在機會成本，然而，它們會在備用事件發(fā)生時由于供應同步備用而獲得一部分獎勵。第二級備用資源是為了從次級層面為提供系統(tǒng)充足的備用而被調(diào)度的資源。這些備用資源確實存在因為提供能源而有所損失的可能因而會被支付一定的容量補償，補償值為所有資源的最大機會成本補償值，也被稱為市場出清價格（MCP）。第二級備用資源只在第一級備用資源容量不足以滿足備用要求并且第二級備用資源在每小時為單位的實時市場中全部出清才會被調(diào)用。

2 通信架構

針對商務樓宇參與需求響應的架構，目前主流的是基于OpenADR的通信架構，該架構主要理念是集中控制原則，即中心控制器通過能量信息路徑負責控制各個樓層的負荷，各個樓層負荷再根據(jù)OpenADR信號進行響應。目前在美國這種基于OpenADR架構的需求響應架構已經(jīng)普遍用于商務樓宇用戶參與需求響應的場景中。OpenADR是一種公共機構或運營商與電力用戶之間發(fā)送/接收需求響應信號的標準通信數(shù)據(jù)模型，該模型主要基于客戶端/服務器架構，在該架構中需求響應信號通過客戶端發(fā)送到各個樓宇或工業(yè)用戶，用戶自動根據(jù)特定需求響應信號觸發(fā)動作。

為了使定價和需求響應實現(xiàn)自動化，紐約采用的方法就是OpenADR通信架構，主要核心技術有：OpenADR服務器，用于接收系統(tǒng)可靠性信息以及電價信息；設備側的OpenADR客戶端，用于接收系統(tǒng)可靠性信息和電價信息；樓宇管理系統(tǒng)（BMS），用于管理和激活控制策略。紐約大用戶示范工程采用OpenADR 1.0版本，其通信架構示意圖如圖1所示。日前小時電價可以從紐約ISO網(wǎng)站獲得，需求響應事件通知從用戶削減服務供應商（CSP）獲得。根據(jù)電價以及系統(tǒng)可靠性信息，可以得到針對次日每個時段的運行方式。這些信息經(jīng)過處理OpenADR服務器將會把24 h電價和相應的運行方式發(fā)給各設備以激活預先編譯好的次日控制策略。同時OpenADR服務器會記錄樓宇15 min的表計信息并且監(jiān)測整日的電力負荷需求。所有信息交互過程都通過128 bit的SSL加密的安全網(wǎng)絡連接完成。所有設備都可以在任何時候通過聯(lián)網(wǎng)的OpenADR客戶端口選擇退出自動需求響應計劃。選擇退出計劃是根據(jù)設備運行需要事先計劃好的某個特殊時段，時段可以是幾個小時也可以是幾天。

圖1 紐約示范工程OpenADR通信架構

為了保證需求響應電價信息和需求響應事件相關信息的開放性，并且為了減少自動交易成本，加州提供一個協(xié)同的不受限于特定供應商的平臺，采用OpenADR信息交互模型。首先需求響應信號由自動需求響應服務器（DRAS）發(fā)布到因特網(wǎng)，所有試驗點都會持續(xù)地通過客戶端監(jiān)測服務器所發(fā)布的需求側事件。一旦接收到需求響應事件的信號時，試點的終端會將信號轉化為圖2所示的針對特定試點的預編譯的信息形式。

圖2 加州示范工程系統(tǒng)通信架構

3 需求響應技術

商務樓宇參與需求響應，依托于控制協(xié)調(diào)技術、信息技術和智能計量技術，根本上實現(xiàn)商務樓宇實現(xiàn)需求響應的是針對樓宇內(nèi)用電設備的協(xié)調(diào)控制技術，通常商務樓宇內(nèi)具有較大需求響應潛力的設備為中央空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，因此商務樓宇的需求響應技術通常是指中央空調(diào)需求響應技術和照明設備需求響應技術。

3.1 樓宇照明系統(tǒng)參與需求響應

當電力系統(tǒng)的電力負荷緊缺時，系統(tǒng)可能僅僅需要少數(shù)時段內(nèi)的負荷削減，在當前商業(yè)負荷占比日益上升的背景下，作為商業(yè)樓宇負荷重要組成部分的照明設備成為重要的樓宇需求響應資源。據(jù)研究統(tǒng)計表明，在商務樓宇負荷中有接近百分之35%的電力負荷為照明設備。若樓宇內(nèi)部未安裝照明設備亮度調(diào)節(jié)控制器，那么通常照明設備的需求響應方式局限于關閉部分照明設備這一方式。關閉部分照明設備是較為直接便捷的照明設備參與需求響應的手段，因此文獻[6]、文獻[7]分別提出了基于照明設備亮度調(diào)節(jié)的需求響應優(yōu)化模型。文獻[6]中首先研究了各點的照度與其所處位置的照明設備功率、照明設備的安裝點位置以及日光照度的關系，其表達式如式（1）所示式中：fA表示A點的綜合照度，Pi表示第i個照明設備功率，αi為A點的綜合照度與第i個照明設備功率的關系因數(shù)；ω為A點的位置信息，βA為A點的綜合照度與A點的位置信息之間的關系因數(shù)；λA為A點的自然光照度。

基于式（1），該文解決了考慮用戶照度需求的照明設備最大負荷削減量以及為了達到削減量ΔP，滿足用戶最低照度需求的照明亮度調(diào)節(jié)優(yōu)化方法。

文獻[8]中所提出的照明設備亮度調(diào)節(jié)需求響應方法與上述方法類似，也是考慮滿足用戶一定的照度需求的照明設備燈光亮度調(diào)節(jié)的優(yōu)化，但是在文獻[8]的優(yōu)化模型中，采用各點照度變化率波動最小作為優(yōu)化目標，其表達式如式（2）所示

式中：xk表示k點的綜合照度變化比例，即即平均照度變化率。

3.2 中央空調(diào)參與需求響應

中央空調(diào)是一類重要的溫控負荷（TCL），通過適當?shù)目刂剖侄我约氨匾耐ㄐ偶夹g，中央空調(diào)系統(tǒng)可以實現(xiàn)負荷削減，從而使得中央空調(diào)成為商務樓宇參與需求響應的另一個重要的負荷資源。

大型的中央空調(diào)控制系統(tǒng)是十分復雜的，因而其控制措施主要包括以下幾個方面：冷凍水循環(huán)系統(tǒng)控制，空調(diào)空氣循環(huán)系統(tǒng)控制，變風量運行，余熱再利用，風道靜壓重設以及送風溫度重設。上述控制方式之間是具有一定耦合關系的，且中央空調(diào)系統(tǒng)受通信系統(tǒng)以及外界環(huán)境的影響，因而造成了中央空調(diào)系統(tǒng)參與需求響應的控制策略的復雜性。為了規(guī)避中央空調(diào)需求響應控制策略過于復雜，可以采用全局自動調(diào)溫設備（GTR），通過自動調(diào)溫設備，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求響應信號自動重設室內(nèi)溫度設定值，從而實現(xiàn)中央空調(diào)的自動需求響應。這里的需求響應信號可以是電價信息也可以激勵信號等。通過通信系統(tǒng)運行商將需求響應信號發(fā)送到各個樓宇的樓宇管理系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)根據(jù)這些信號進行響應，向全局自動調(diào)溫裝置發(fā)送控制信號，從而實現(xiàn)中央空調(diào)整體整體的負荷改變。從實用性角度來看，這種基于自動調(diào)溫設備的中央空調(diào)需求響應策略簡單可靠，響應速度較快，具有很高的實用價值。

文獻[11]則提出了一種基于數(shù)據(jù)驅動的中央空調(diào)控制模型，通過歷史數(shù)據(jù)以及運行經(jīng)驗，建立了風機模型以及樓宇的熱力學模型，其模型如式（3）—式（6）所示。

風機的功率模型為

式中：Pfan(t)表示t時刻單個風機的功率，c1為常數(shù)，v(t)為送風速率。

根據(jù)送風流速，即可得到送風流量的表達式，如式（4）所示

式中：m(t)表示單個風機的送風流量，c2為常數(shù)。

在實際中，送風機通常采用變頻調(diào)速裝置，且采用閉環(huán)控制，其送風速率方程可以表示為如式（5）所示

式中：τ1為時間常數(shù)，u(t)為風機變頻控制器控制目標速率。

對于變風量系統(tǒng)的中央空調(diào)，系統(tǒng)會自動得到當前所需送風流量進而得到送風速率，風機變頻控制系統(tǒng)則跟蹤所需送風速率，因此可以建立如式（6）所示方程

式中：τ2為時間常數(shù)，vd(t)即實時跟蹤的t時刻單個風機的送風速率，md(t)即t時刻所需要的送風流量。

根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的熱力學方程，可以建立室內(nèi)所需送風流量與設定溫度之間的關系，因此可以通過改變室內(nèi)設定溫度值實現(xiàn)對送風機轉速的控制，而根據(jù)模型可知風機功率是正比于轉速的立方的，因此中央空調(diào)系統(tǒng)即可根據(jù)上述模型通過改變室內(nèi)設定溫度值實現(xiàn)送風機參與系統(tǒng)調(diào)頻服務。

4 運行效果

從實際運行效果來看，商務樓宇參與需求響應的主要效果可以分為3個方面，分別是參與系統(tǒng)調(diào)頻、提供備用以及參與系統(tǒng)調(diào)峰。

4.1 參與調(diào)頻

商務樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)通過對室內(nèi)風機的變頻控制實現(xiàn)參與系統(tǒng)調(diào)頻。文獻[12]則在佛羅里達大學某一商務樓建立了參與調(diào)頻的試點，在該試點樓宇內(nèi)部將裝設風機變頻驅動器、變風量控制器、制冷單元控制器等控制設備。在此基礎上，通過裝設輔助服務控制器，建立中央空調(diào)參與調(diào)頻服務的閉關控制結構。文獻[13]則從仿真模型的角度建立了商務樓宇中央空調(diào)參與調(diào)頻服務的仿真模型，其主要依據(jù)也是空調(diào)風機的功率模型以及室內(nèi)熱力學方程。仿真結果均表明中央空調(diào)風機參與調(diào)頻，其風機功率偏差與調(diào)頻信號趨于一致，調(diào)頻效果良好，滿足輔助服務市場的調(diào)頻需求。在實際中，以PJM市場為例，已經(jīng)在多個地區(qū)采取樓宇調(diào)頻的試點，根據(jù)勞倫斯伯克利實驗室的一些相關項目報告顯示，樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)參與調(diào)頻對調(diào)頻信號的響應情況十分良好，最大誤差不超過10%，可以作為調(diào)頻資源參與輔助服務。

4.2 提供備用

非旋轉備用是指系統(tǒng)額外的發(fā)電容量，但正常時段這部分容量是不需要接入電力系統(tǒng)的，但當系統(tǒng)需要時，在允許的延時范圍內(nèi)，這部分發(fā)電容量必須能夠接入電網(wǎng)。文獻[14]表明在實時市場中，需求響應資源可以作為一種可調(diào)度資源為系統(tǒng)等效地提供非旋轉備用。商務樓宇除了可以通過風機參與調(diào)頻服務，還可以基于自動需求響應技術，依靠中央空調(diào)以及照明設備的快速需求響應為系統(tǒng)提供分旋轉備用。通過實際研究樓宇參與需求響應最快響應速度達到10 min以內(nèi)。首先基于加州樓宇參與需求響應的通信架構自動需求響應服務器會將需求響應預案發(fā)布到自動需求響應服務器，服務器提前一天或提前2 h將樓宇需求響應預案發(fā)送到各個樓宇管理系統(tǒng)，各個樓宇將會根據(jù)預案在相應時段為系統(tǒng)提供非旋轉備用。當需求響應事件發(fā)生時，系統(tǒng)電價信息發(fā)布，電價信息會分為3個等級，分別為正常、中等和高。若樓宇接收到正常電價不需要進行負荷削減，此時系統(tǒng)實時預測表明沒有發(fā)電資源緊缺的情況，用戶僅僅提供非旋轉備用即可，其余設備正常用電；若樓宇接收到中等電價信息，說明系統(tǒng)負荷偏大，電力資源出現(xiàn)緊缺，樓宇可以通過一些慢速的響應方式，實現(xiàn)一定的負荷削減，緩解系統(tǒng)壓力；若樓宇接收到高電價，說明系統(tǒng)處于緊急情況，可靠性收到了威脅，樓宇必須通過快速的響應實現(xiàn)負荷削減。

5 對國內(nèi)商務樓宇參與需求響應的啟發(fā)

根據(jù)上述對美國商務樓宇參與需求響應的研究，可以總結對中國商務樓宇參與需求響應的諸多建設性建議和啟發(fā)。首先，商務樓宇參與求響應必須建立一套需求響應市場機制，只有合理的市場機制才能促成商務樓宇參與需求響應。通信技術是另一個必須的技術，只有發(fā)展電網(wǎng)—用戶雙向互動技術，建立健全完善的自動需求響應通信架構，才能使得商務樓宇參與需求響應得以實現(xiàn)。針對商務樓宇參與需求響應，其控制策略主要包括空調(diào)的自動控制以及照明設備的優(yōu)化組合控制，這都依賴于智能控制終端的應用和推廣。

因此，建立健全市場機制，發(fā)展和構建雙向互動通信技術以及推廣智能控制終端將成為下階段我國發(fā)展商務樓宇參與需求響應的重要工作。

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