智能電網(wǎng)論文：OpenADR的發(fā)展與運用綜述
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本文作者：高賜威、梁甜甜、李慧星、翟海保 單位：東南大學電氣工程學院、華東電網(wǎng)有限公司
近年來，中國政府陸續(xù)出臺了《需求側(cè)管理辦法》、《有序用電管理辦法》、《需求側(cè)城市試點財政獎勵管理辦法》等政策法規(guī)，為實施DR提供了必要的政策支持。同時，全國已建立起多種電價結(jié)構(gòu)體系，包括分時電價、尖峰電價、豐枯電價等，部分省市(如安徽、浙江、上海等)還實行了直接負荷控制和可中斷電價補償政策，極大地促進了國內(nèi)DR的發(fā)展[15]。另外，電力公司采取讓電、錯峰、輪休、避峰等措施進行有序用電管理，這種國內(nèi)特有的負荷管理方式在用電高峰時極大地保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。中國電科院聯(lián)合國內(nèi)大學、研究機構(gòu)、電網(wǎng)公司、制造企業(yè)和服務提供商以IECPC118為平臺，牽頭成立了PC118智能電網(wǎng)用戶接口專家組，開展自動需求響應(automateddemandresponse，Auto-DR)研究和國際標準制定工作。中國希望DR標準為工商業(yè)降低峰值負荷，滿足迎峰度夏、有序用電需求服務[16]。
迄今為止，PC118工作組已完成了PC118標準制定技術(shù)報告初稿的編寫，并提出了DR國家標準的制定計劃。同時國家電網(wǎng)公司與霍尼韋爾公司合作在天津開展了智能電網(wǎng)DR示范與可行性項目，在泰達管委會、商業(yè)樓宇、辦公樓和工廠用戶方面部署了Auto-DR系統(tǒng)和裝置，在高峰負荷削減方面發(fā)揮了重要作用。openadr，即開放式自動需求響應通信規(guī)范(openautomateddemandresponsecommunicationsspecification)是智能電網(wǎng)信息與通信技術(shù)的一部分，是輔助Auto-DR的技術(shù)手段，由美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory，LBNL)的DR研究中心(demandresponseresearchcenter，DRRC)完成研究工作。OpenADR通過開發(fā)低成本的通信架構(gòu)，提高了工商業(yè)DR的可靠性、易操作性、魯棒性和成本效益。當前基于現(xiàn)有通信信息技術(shù)的OpenADR已經(jīng)成功應用于工商業(yè)的Auto-DR項目中[17]。
OpenADR簡介
對OpenADR的研究起源于2002年加利福尼亞州的大規(guī)模用電危機，此后美國及其它各國的電網(wǎng)公司、政府等力求采用DR技術(shù)解決電力需求增長和高峰用電問題。在此背景下，OpenADR研究工作由勞倫斯伯克利實驗室的DR研究中心具體承擔[18]，其發(fā)展歷程如圖1所示[19-20]。通過一系列的試點和測試，2009年4月，加州能源委員會了OpenADR通信規(guī)范1.0版本，并交由結(jié)構(gòu)化信息標準促進組織(OrganizationfortheAdvancementofStructuredInformationStandards，OASIS)和通用通信架構(gòu)(utilitycommunicationsarchitecture，UCA)負責形成正式標準OpenADR2.0；2010年5月，OpenADR成為美國首批16條智能電網(wǎng)“互操作性”(interoperability)標準之一，“互操作性”意思是各功能單元之間進行通信或傳遞數(shù)據(jù)的能力；2011年進行了OpenADR2.0版本的認證和測試；2012年，OpenADR聯(lián)盟將OpenADR2.0a作為美國的國家標準。OpenADR2.0比OpenADR1.0更全面，涵蓋了針對美國批發(fā)與零售市場的價格、可靠性信號的數(shù)據(jù)模型，并且根據(jù)滿足DR利益相關(guān)方和市場需求的程度，分為不同的產(chǎn)品認證等級，包括OpenADR2.0a，OpenADR2.0b和OpenADR2.0c框架規(guī)范，后一個規(guī)范均比前一個提供更多的服務和功能支持(如事件、報價和動態(tài)價格、選擇或重置、報告和反饋、注冊、傳輸協(xié)議、安全等級等)[21]。
Auto-DR項目能夠有效地轉(zhuǎn)移或削減負荷，但是，DR實現(xiàn)的技術(shù)模式和方法還未標準化，不利于相關(guān)DR應用的推廣，無法解決DR技術(shù)、產(chǎn)品或系統(tǒng)之間的通用和互換問題，增加了實施DR項目的成本，不利于實現(xiàn)DR的完全自動化。因此，極有必要形成開放式的通信規(guī)范，使得任何電網(wǎng)公司或用戶都能高效、可靠、便捷地使用信號系統(tǒng)、自動化服務器或自動化客戶端。制定OpenADR標準的目的是減少成本，促進DR技術(shù)的互操作性，為DR技術(shù)的應用提供一個公用的、開放式、標準化的接口，使得電價和可靠性信息能夠自動轉(zhuǎn)換為負荷削減或轉(zhuǎn)移信息，并利用現(xiàn)有的通信設施(例如因特網(wǎng))高效、安全、便捷地將其從電網(wǎng)公司傳送至工商業(yè)設備控制系統(tǒng)。OpenADR中開放式的通用數(shù)據(jù)模型使得工商業(yè)控制系統(tǒng)能夠通過程序設置及時響應DR信號，并且響應的過程完全自動化，不帶有任何人工介入[17]。
為了推動OpenADR技術(shù)的發(fā)展，滿足利益相關(guān)方互操作的需要，深入挖掘Auto-DR潛力，成立了專門的OpenADR聯(lián)盟組織，旨在通過合作、教育、培訓、檢測和認證等方式開發(fā)、采用并遵守OpenADR標準。OpenADR聯(lián)盟向所有的相關(guān)單位開放，聯(lián)盟成員分為設備供應商(例如系統(tǒng)集成商或控制系統(tǒng)供應商)、電力企業(yè)、政府和研究機構(gòu)，OpenADR聯(lián)盟理事會成員主要包括霍尼韋爾公司(Honeywell)、太平洋燃氣與電力公司(PG&E)、南加州愛迪生電力公司(SCE)、勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)等具有一定影響力的成員單位，負責引導并參與設定聯(lián)盟的具體戰(zhàn)略目標和運營政策。如今，OpenADR聯(lián)盟的主要供應商已超過60個并且在不斷增長，除了聯(lián)盟理事會成員外，還包括西門子公司(Siemens)、江森自控公司(JohnsonControls)、銀泉網(wǎng)絡公司(SilverSpringNetworks)、圣地亞哥天然氣和電力公司(SDG&E)、堪薩斯城市電力電燈公司(KCP&L)、內(nèi)華達能源公司(NVEnergy)、爾剛能源公司(ErgonEnergy)等[19]，并已數(shù)次邀請我國國家電網(wǎng)公司參與其中。
OpenADR對開放式Auto-DR中的通信規(guī)范問題進行了描述和闡釋，它定義了一種通信數(shù)據(jù)模型，通過預先安裝和編程好的控制系統(tǒng)對DR信號做出反應，自動完成通信過程及用戶側(cè)響應策略。作為一種通用的通信規(guī)約，OpenADR能夠支撐各種DR項目的實施。OpenADR通信規(guī)范系統(tǒng)性地介紹了OpenADR的通信架構(gòu)、數(shù)據(jù)模型、功能規(guī)范、應用程序接口(applicationprogramminginterfaces，API)規(guī)范、安全策略和開發(fā)計劃等，重點定義了需求響應自動化服務器(demandresponseautomationserver，DRAS)的功能接口與特點，基于自動化平臺，通過通信客戶端為用戶提供包含動態(tài)電價在內(nèi)的各種DR項目信息。該規(guī)范也用于指導電網(wǎng)公司、能源或企業(yè)管理單位、集成商、硬件和軟件廠商等如何使用DRAS的功能來實現(xiàn)各種DR項目的自動化。OpenADR通信規(guī)范針對電價和DR激勵信息提出了通信數(shù)據(jù)模型，但不包括有關(guān)電力削減或轉(zhuǎn)移策略的詳細信息。OpenADR的通信系統(tǒng)能夠連續(xù)運行、協(xié)調(diào)并傳輸電價或激勵信息至工商業(yè)控制系統(tǒng)。自動化客戶端可以連續(xù)監(jiān)測這些信息，并將其轉(zhuǎn)換為設備內(nèi)部的自動控制策略[17]。
OpenADR的通信架構(gòu)
OpenADR通信架構(gòu)如圖2所示，用戶或負荷聚合商(loadaggregator)借助應用程序設計接口API，通過因特網(wǎng)與DRAS通信，同樣，電網(wǎng)公司也借助API通過因特網(wǎng)與DRAS通信[22]。通信架構(gòu)的設計確定了通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)模型中需要涉及的實體(即任何可以接受或發(fā)送信息的硬件或軟件進程)，OpenADR為所有實體提供了相關(guān)的通用數(shù)據(jù)模型，為高效傳輸信息提供了基礎。通信架構(gòu)中，DRAS是Auto-DR項目基礎設施的一個重要組成部分，從電力公司角度來看，DRAS是通過通用的信息映射結(jié)構(gòu)建立動態(tài)電價或DR激勵信息配置文件的載體，使得Auto-DR項目的通信能夠完全自動化[23]，它的功能和特點促進了用戶響應的自動化程度，OpenADR標準通過DRAS為所有DR供應商和用戶提供了通用的語言和平臺。OpenADR1.0中定義了3種典型DRAS接口：1）電力公司/ISO接口，用于動態(tài)電價或DR事件信息；2）用戶操作員接口，用于追蹤或接收電價或事件類DR信息，并配置信息映射結(jié)構(gòu)；3）客戶端接口，支持OpenADR客戶端使用簡單或智能客戶端信息[24]。3種接口如圖3所示，根據(jù)實際情況，不一定要求上述3種接口都有，例如當DRAS屬于電力公司并整合在其信息技術(shù)基礎設施中時，電力公司接口是不需要的[17]。
OpenADR數(shù)據(jù)模型
通用數(shù)據(jù)模型作為系統(tǒng)的核心部分，定義了模型中訪問和交換元素的語義，從而促進了DR項目的開展。數(shù)據(jù)模型可以用幾個實體關(guān)系圖表示，每個實體關(guān)系圖通過實體、關(guān)系、屬性描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個實體的特性包括實體名、主鍵、外鍵及屬性域。為了在各個實體間高效共享模型數(shù)據(jù)，OpenADR定義了一套可擴展標記語言(extensiblemarkuplanguage，XML)格式化信息，用來描述模型元素的標識符和值[13]。圖4顯示了電力公司/ISO開始一個DR事件時涉及到的所有實體，在所有實體中，電力公司/ISODR事件(UtilityDREvent)實體用來詳細描述與一個DR時間相關(guān)的所有信息。圖4中，每個電網(wǎng)公司DR事件實體包含一系列相關(guān)的事件信息實例；電網(wǎng)公司項目(UtilityProgram)實體描述關(guān)于DR項目的所有信息，從DRAS和參與者的角度用一系列的屬性描述項目是如何管理和執(zhí)行的，屬性包括名稱、時間、參與者、執(zhí)行優(yōu)先權(quán)等；事件信息類型(EventInfoType)實體是電力公司項目實體的一部分，用來詳細描述信息類型，例如實時電價、負荷削減或轉(zhuǎn)移量等，屬性包括名稱、上下限、變化時間表等；參與者賬戶(ParticipantAccount)實體則描述了所有與參與者有關(guān)的信息，屬性包括參與者名稱、資格證書、所屬群體、參與項目等[17]。
OpenADR的相關(guān)應用
系統(tǒng)及裝置。1）負荷管理裝置。美國著名的DR服務提供商霍尼韋爾公司在各種用戶、各種設備上安裝了約150萬個基于OpenADR的負荷管理裝置來支撐DR，其中一種數(shù)字觸屏式可編程恒溫器UtilityPRO，在居民和商業(yè)建筑中安裝了大約40萬個，能夠在電力高峰期幫助限制能源消耗，以促進電力公司的DR項目。2）智能終端通信模塊。銀泉網(wǎng)絡公司為各種智能終端設備配置了基于OpenADR的通信模塊，用于接收和傳輸實時數(shù)據(jù)信息。該通信模塊能夠連接電網(wǎng)公司側(cè)的通信網(wǎng)絡和用戶側(cè)的家庭局域網(wǎng)。同時，銀泉網(wǎng)絡公司還和許多供應商合作配置了電表中的通信模塊，促進了高級量測體系的開發(fā)。3）DR系統(tǒng)。霍尼韋爾公司旗下的智能電網(wǎng)服務供應商Akuacom建立了一套應用OpenADR的DR系統(tǒng)，其開放式的智能電網(wǎng)通信架構(gòu)用于自動傳輸電價和DR激勵信號。該系統(tǒng)的核心部分就是支撐OpenADR的軟件操作平臺——DRAS。4）DR交易網(wǎng)絡。UtilityIntegrationSolutions股份有限公司(UISOL)成功地將OpenADR整合到他們的DR交易網(wǎng)絡(demandresponsebusinessnetwork，DRBizNet)中，使得電力公司和用戶間的DR交易操作過程能夠完全自動化。
自2003年至今，美國開展了大量的OpenADR研究和實踐。OpenADR聯(lián)盟成員在加州和美國其他地區(qū)也進行了許多DR試點和現(xiàn)場試驗，開發(fā)出許多OpenADR相關(guān)的系統(tǒng)和裝置，驗證了OpenADR標準在實際Auto-DR項目中的可操作性。
1）加州電力公司動態(tài)尖峰電價項目。加州電力公司曾利用動態(tài)尖峰電價來削減尖峰負荷。2003—2005年夏季，勞倫斯伯克利實驗室開展了一系列測試，目的有2個：一是開發(fā)并評估傳輸DR信號的通信技術(shù)，因為各個商業(yè)建筑的控制系統(tǒng)使用的是不同的協(xié)議和通信功能；二是了解和評估用戶使用的用電控制策略。該項目中各個用戶的平均和最大峰荷削減情況如表1所示，負荷基線(即不執(zhí)行DR項目時各個用戶的電力需求)基于氣候敏感基線模型計算[25-26]。2003、2004年只是用動態(tài)價格模擬測試，2005年正式采用了尖峰電價進行結(jié)算。文獻[27]和[28]介紹了2005年尖峰電價的設計方法和測試結(jié)果，包括在現(xiàn)場試驗當中用到的通信設施，用以傳輸電價或激勵信號至設備能量管理控制系統(tǒng)(energymanagementandcontrolsystems，EMCS)或相關(guān)的建筑自動化控制系統(tǒng)。同時，文獻[27]還給出了一個尖峰電價項目的負荷形狀案例研究。在該項目中，太平洋燃氣與電力公司就利用了勞倫斯伯克利國家實驗室和Akuacom公司開發(fā)的DRAS將尖峰電價傳輸?shù)浇K端設備。
2）太平洋燃氣與電力公司參與需求側(cè)競價項目。2007年夏季，加州開展了尖峰電價和需求側(cè)競價(demandbidding，DBP)項目，通過自動化技術(shù)和通信技術(shù)的應用，讓許多不同類型的用戶高效地參與到DR項目中。其中太平洋燃氣與電力公司預期通過安裝、測試并運行Auto-DR系統(tǒng)，削減15MW的峰荷時段電力負荷。文獻[29]闡述了太平洋燃氣與電力公司基于自動化平臺執(zhí)行需求側(cè)競價項目的方法，結(jié)果顯示2007年Auto-DR系統(tǒng)的安裝和運行情況已經(jīng)超出了太平洋燃氣與電力公司的預定目標。在參與項目之前用戶只需要確定他們的負荷削減量和時間，而其實際執(zhí)行則是基于OpenADR的Auto-DR技術(shù)的全自動化過程。
3）西雅圖動態(tài)電價測試項目。2008年11月，勞倫斯伯克利實驗室開展了一項動態(tài)電價測試項目[25]，在西雅圖地區(qū)的部分商業(yè)建筑中安裝了基于OpenADR的Auto-DR系統(tǒng)，用以削減冬季的早高峰負荷，通過現(xiàn)場試驗驗證了開展Auto-DR項目的可行性。OpenADR系統(tǒng)利用因特網(wǎng)和政府或企業(yè)局域網(wǎng)傳輸DR信號，商業(yè)建筑中設備能量管理控制系統(tǒng)接收到DR信號后開始自動執(zhí)行控制策略。該項目設置了常態(tài)和高電價2種水平的電價，在早高峰負荷的3h內(nèi)電價變?yōu)楦唠妰r狀態(tài)，但該電價僅用于測試，用戶的實際電費依然按照原來的單一電價結(jié)算。結(jié)果表明，商業(yè)建筑的平均負荷削減量達到14%，其中暖通空調(diào)和照明設備是最佳的DR資源。
4）加州DR資源參與輔助服務市場項目。2009年，加州獨立系統(tǒng)運營商(CAISO)開展了一個試點項目，將非居民用戶的DR資源作為非旋轉(zhuǎn)備用競價參與日前輔助服務市場。DR資源必須滿足非旋轉(zhuǎn)備用的要求：①10min內(nèi)可開始響應；②響應可持續(xù)2h；③能向CAISO提供實時的遙測數(shù)據(jù)。在加州輔助服務市場中，這些DR資源與其它所有發(fā)電資源一起進行優(yōu)化求解，每個參與用戶的設備上都安裝了實時遙測裝置，以保證CAISO能夠?qū)ζ湄摵汕闆r進行實時監(jiān)測。當需要使用DR資源時，利用OpenADR通信裝置將信號傳輸至參與用戶的設備能量管理控制系統(tǒng)，從而觸發(fā)其自動響應策略。試點項目結(jié)果表明，OpenADR通信架構(gòu)可用于該輔助服務市場[30-31]。
5）加州小型商業(yè)建筑Auto-DR試點項目。2009年，加州在部分小型商業(yè)建筑中對OpenADR系統(tǒng)進行測試。據(jù)調(diào)查顯示，加州小型商業(yè)建筑的夏季尖峰負荷為1012GW，占據(jù)了整個夏季尖峰負荷的10%15%。文獻[32]闡述了小型商業(yè)建筑利用OpenADR通信架構(gòu)自動參與DR的方法。該項目中，DR信號分為10級(09級)，第0級是正常用電模式，第9級是削減負荷量最多的用電模式，如果設備的負荷削減量不夠，CAISO會發(fā)送更高等級的信號至設備控制系統(tǒng)，反之發(fā)送更低等級的信號。現(xiàn)場試驗顯示，小型商業(yè)建筑利用OpenADR通信架構(gòu)參與尖峰時段的負荷削減完全可行。
結(jié)論
1）Auto-DR是美國發(fā)展智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略性技術(shù)之一，是通過調(diào)動用戶資源，降低高峰負荷，提高電網(wǎng)可靠性，減少電廠投資和環(huán)保壓力，促進新能源接入的關(guān)鍵技術(shù)。DR標準化有利于促進Auto-DR的互操作，帶動智能電網(wǎng)與用戶互動技術(shù)的發(fā)展。OpenADR的發(fā)展歷程表明，先進技術(shù)的發(fā)展和推廣一方面有賴于技術(shù)本身的先進性和其帶來的巨大收益潛力，另一方面也需要高效的技術(shù)研發(fā)體系和有效的推廣形式，通過聯(lián)合研究團體、設備制造企業(yè)、產(chǎn)品應用企業(yè)等單位，促進相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣。
2）OpenADR在美國已發(fā)展近10a，并且已有多個成功應用的案例，初步展現(xiàn)出其巨大的技術(shù)優(yōu)勢和商業(yè)潛力，促進了美國Auto-DR的發(fā)展。但是OpenADR是在美國的電力市場環(huán)境下開發(fā)出來的，有一整套與電力市場相對應的政策法規(guī)，如果將其推廣到中國，可能會出現(xiàn)適應性和操作性問題，如何完善OpenADR使其適應中國的電力體制還有待進一步的研究和實踐。
3）中國期望Auto-DR的開展能夠有助于降低工商業(yè)高峰負荷，為有序用電管理提供技術(shù)支持。雖然我國在Auto-DR技術(shù)方面剛剛起步，但發(fā)展勢頭良好。同時，DR技術(shù)標準的制定有助于促進設備制造企業(yè)、產(chǎn)品應用企業(yè)、服務提供商等單位研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品和服務，吸引更多的電力用戶參與DR項目，從而降低用電成本，產(chǎn)生巨大的環(huán)保效益和社會效益。國內(nèi)電力企業(yè)已經(jīng)認識到相關(guān)問題的重要意義，電網(wǎng)企業(yè)牽頭制定的DR技術(shù)標準也已進入起草階段。
4）我國電力行業(yè)應進一步重視并加快DR標準的制定，參考OpenADR的制定方法，結(jié)合IECPC118的工作內(nèi)容，從業(yè)務信息模型、通信協(xié)議、一致性和安全要求、測試和評估內(nèi)容等方面制定適應國內(nèi)電力體制的DR技術(shù)標準，促進Auto-DR在中國的發(fā)展。
