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需求侧管理：需求响应、智能能源系统和智能负载
IEEE高级成员Peter Palensky和IEEE高级成员Dietmar Dietrich
摘要——能源管理是指优化我们所知道的最复杂和最重要的技术创新之一：能源系统。虽然在优化能源生产和分配方面有着丰富的经验，但正是需求方越来越受到研究和工业界的关注。需求侧管理（DSM）是一套改善消费侧能源系统的措施。它的范围从使用更好的材料来提高能源效率，到激励特定消费模式的智能能源关税，再到复杂的分布式能源实时控制。本文对DSM进行了概述和分类，分析了各种类型的DSM，并对该领域的最新示范项目进行了展望。
关键词——建筑自动化、需求响应、需求侧管理（DSM）、能源效率、能源管理、IEC 61850、负荷管理、调峰、智能电网。
一、简介
传统的电力能源系统的运行方式是单向的、自上而下的。为数不多的大型发电厂向电网供电，并试图保持供需平衡。这种平衡是运行电力系统的一个非常重要的方面。不稳定的可再生能源[1]和电迁移率对这种平衡提出了新的挑战，需要复杂的控制方法[2]。
将负载作为额外的自由度并不是什么新鲜事，但是负担得起的全球通信基础设施和嵌入式系统使得向负载中添加一些“智能”的部分变得相对容易。这一发展是由以下事实推动的：尽管电力设备的效率不断提高，但电力消费仍在以每年约百分之几的速度稳步增长。虽然发电可能不是什么问题，但正是电网的容量让许多相关人士感到担忧。
特别是一些雄心勃勃的项目，比如沙漠技术公司（位于北非的大型太阳能发电站，为欧洲提供能源）和北海的大型海上风力发电站，都对能源运输提出了更高的要求。电网可能很快就会面临限制，智能需求侧管理（DSM）是进一步扩大这些限制的一种方式。DSM还促进分布式发电：为了避免长距离的运输，就地发电的能量可以被就地负荷立即消耗掉。DSM的主要优势在于，智能地影响负荷比建造一个新的发电厂或安装一些电力存储设备要便宜。
图1 DSM的类别
DSM包括能源系统需求方面的所有工作，从更换旧白炽灯泡到紧凑型荧光灯（CFL），再到安装复杂的动态负荷管理系统。虽然DSM在过去是“公用事业驱动”的，但在不久的将来，它可能会向“客户驱动”的活动迈进。
参考文献[3]显示了实用程序的观点。作者进行了连续蒙特卡罗模拟，以评估随机电网组件中断的影响，以及DSM在这些情况下可以提供多大的帮助。确定了电力需求侧管理（DSM）对输电能力的贡献，以及电力需求侧管理（DSM）对预期可用输电能力短缺的关联和敏感性。这种集中的结构有时会被扁平的、自由的或有组织的市场驱动机制所补充（如果没有被取代的话）[4]。
根据所采取措施的时间和对客户过程的影响，DSM可分为以下几类（见图1）。
a）能源效率（EE）。
b）使用时间（TOU）。
c）需求响应（DR）。
d）旋转备用（SR）。
处理和完成“更快”的改变时，这些改变可能对客户过程产生的不需要的影响就越大。这些“过程”可以是生产输出、泵的动力，甚至可以是优化建筑中的人的舒适度或健康。DSM频谱的下边缘是能效措施。它们包括设备上的所有永久性变化（例如，用一个更好的通风系统替换一个效率低下的通风系统）或对系统物理性能的改进（例如，通过增加额外的绝缘材料来投资建筑外壳）。这些措施可立即和永久地节约能源和排放，因此是最受欢迎的方法。在本文中，能量守恒（EC，[5]）有时被视为DSM的一个单独类别，它是能量效率的一部分。EC关注用户和行为变化，以实现更高效的能源使用。
图2 提高能源效率对需求响应的影响
使用分时电价以更高的价格惩罚某些时间段（例如17:00–19:00），因此客户（重新）安排他们的流程以最小化成本。TOU价格表的变更意味着供应合同/关税的变化，因此，不会频繁发生。文献[6]表明，将DSM和TOU电价相结合，可显著提高安全性，并在风电份额较高的情况下，降低能源系统的成本和排放。
动态需求侧管理不一定能降低能耗，只会影响能耗模式。如果一个进程由于某种原因而受到干扰，那么一旦它再次出现绿灯，它可能不得不“赶上”。举个例子，一个抽水系统，因为它的储水箱可以很容易地在30分钟内排干。在排干之后，它必须再次装满它的水箱，因为它们在排水期间排干了。所谓的“反弹效应”（或回报）发生了，能源通常不被节省，甚至可能产生一个新的峰值（见图2）。
有时可以避免这种影响，但这可能导致过程质量下降。这种理想的“调峰”应用于通风系统意味着，如果它正常运行在50%，并被减掉半小时，则禁止用半个小时的100%补偿停机时间。
参考文献[7]区分以下内容。
a）基于激励的需求响应
bull;直接负载控制（DLC）：公用事业或电网运营商可自由访问客户流程。
bull;可中断/可限制比率：客户与有限库房签订特殊合同。
bull;紧急需求响应计划：对紧急信号的自愿响应。
bull;能力市场计划：客户保证在电网需要时投入使用。
bull;需求招标方案：客户可以以有吸引力的价格投标削减成本。
b）基于时间比率需求响应
bull;使用时间比率：采用静态价格表。
bull;临界峰值定价：一种较不确定的TOU变体。
bull;实时定价（RTP）：将整个销售市场的价格转发给终端客户。
参考文献[8]区分了以下内容。
bull;一级：荷载形状目标。
bull;二级：终端应用、技术替代方案和市场实施方法。
另一种查看需求响应的不同类型的方法是区分以下几点。
bull;市场需求响应：实时定价、价格信号和激励，以及
bull;物理需求响应：电网管理和应急信号。
市场DR依赖于形成价格和交易产品的特定市场。这样的市场并不快，这就是为什么大多数交易都是提前一天完成的。一个例外是实时定价（RTP），即能源现货市场（如莱比锡的EEX欧洲能源交易所）的数据被毫不延迟地转发给最终用户。系统动力学（SDS）是分析和优化市场机制的一种典型方法。参考文献[9]显示了设计DSM能源价格的SD方法。价格分成容量和数量两部分，得出政府主导的政策。
将电网拥堵或风电供应过剩反映到价格上，可能会引发稳定的客户行为。这误导了一些人，认为像RTP这样的货币激励措施可以解决现有的所有能源网问题。然而，有限的客户弹性和未映射到价格上的物理情况导致了这样一个事实，即电网缓解的实际负荷削减不能仅通过价格来实现。
这就是物理DR发挥作用的地方。如果电网或其基础设施的某些部分（电力线路、变压器、变电站等）因维护或故障而性能下降，它将发出具有约束力的需求管理请求。
市场和物理灾难恢复的良好混合通常是运行网格优化所必需的。
旋转储备（SR）由负载实现，代表DSM频谱的上部（即快速）端。不幸的是，这个词本身在整个能量共同体中使用得很松散。本文将旋转储备看作一次控制（有功功率输出直接取决于频率）和二次控制（附加有功功率恢复频率和电网状态）[10]。这通常是管理发电厂的任务。如果负荷以“降速控制”或其他智能方式将其电力消耗与电网状态相关联，则负荷可充当“虚拟”（或负）旋转备用。最简单的方法是，如果频率下降，设备使用较少的功率（图3）。
这可以以自主方式（类似于主控制）或协调方式（类似于二级控制）发生。根据DSM的类型，需要不同的技术手段，尤其是通信手段。
比较DSM的不同特点，很明显EE是最受欢迎的。它节省能源和排放，而大多数其他类型只是及时改变它。因此，第一个目标必须始终是提高效率。在此基础上，动力就可以被优化了。根据系统的边界条件（电子技术条件、市场条件、系统能力），可以选择一种或另一种动态DSM方法。当然，自动化投资和财务激励的盈亏平衡点决定了系统能走多远。
图3 当电网频率降低时，合作用户会退缩
图4 基于网络的能源信息系统 [11]
二 、需求侧管理
A.能源效率
提高建筑或工业场地的能源效率始于对相关过程的信息和了解。实际上，每个客户站点都存在浪费能源的隐藏问题：压缩空气泄漏、错误配置的控制、肮脏的过滤器、损坏的设备等。事实上，除非使用像[11]这样的能源效率分析工具，否则这些小问题往往被忽略。这种能源信息系统（EIS，图4）的典型部分如下。
bull;数据采集基础设施（传感器网络、数据日志、网关、调制解调器等）。
bull;一个具有数据库、计算和分析算法、警报和报告功能的应用服务器。
bull;用于可视化和配置的用户界面。经典计算如下。
bull;基线与峰值负荷比较：高基线可能源于备用电源或旧设备（例如绝缘不良）。
bull;时间序列的每周比较：经常在夜间和周末意外的照明或通风。
图5 能量控制器开关（关闭）设备
bull;基准点：将您的表现与他人进行比较，这对多站点客户（如超市连锁店）特别有用。
bull;过程相关性：你的能量消耗是否与外界温度或太阳能的增加密切相关。
除了这些静态的效率数据之外，这些系统的动态特性也很明显。经验丰富的设施管理人员或智能算法可以解释消耗参数并找到降低峰值负载的方法。如果能源供应合同出现峰值，这将是一个有价值的结果。如果对物流的改变无能为力，可能需要自动化设备。
B.能量控制器
如果设备运行需要消耗驱动调整，可以使用能量控制器。这种装置通常安装在电能表上，监测消耗趋势。如果趋势指向不需要的水平，控制器会根据某些优先级和其他规则关闭设备（图5）。
配置这样的能量控制器可能是一个非常复杂的任务。尤其是在添加或删除用户时，稳定性取决于对规则的明智选择。如何根据消费趋势确定优先级的一个简单示例如图6所示。图中显示了一个“测量周期”（国家相关时间通常为15或30分钟，表示计费的最小时间周期）。每一个周期，趋势从零开始，单调地向上移动。功率消耗的越多（底部曲线），能量消耗曲线就越陡。
一旦消费轨迹穿过一条上限线，消费者的某些类别（或群体、优先级）将被关闭（或职责循环等）。图6假设了三个设备类别，C1是最重要的类别，C3是最不重要的类别。由于所有设备都允许在初始状态下运行，所以轨道开始变陡。它比理想（虚线）曲线更陡峭，所以它必须穿过“c3 off”，关闭最不重要的曲线，作为使曲线变平的第一个措施。在本例中，这是不够的，因此一段时间后它会交叉“C2 off”，同时第2类设备也会关闭：现在只允许打开第1类设备。由此得到的（太）平曲线穿过“C1 on”，但由于C1设备无论如何都是被调高的，因此该曲线没有任何影响。通过“C2 on”允许再次打开第2类设备，以此类推。“全部关闭”将产生水平能量轨迹。有了这样一个系统，消费轨迹（如果实际可行）将在期末达到目标。
图6 在最大需求监视器中选择优先级
请注意，t1和t2期间的功耗不同。虽然这两个间隔都表示“允许的设备类是1和2。这表明一个类别中的设备可以打开，但不必打开，因为它们有自己的独立控制和计划。
目标也可以随时间段而变化。有了这个，就可以遵循一个给定的负载图表，始终假设在物理上过程允许这样做。
图7 OpenADR客户机和系统操作员连接到DRAS
C.需求响应
多种多样的需求响应（DR）提供了更快的响应。通常，信号是广播的，例如由配电或传输系统操作员（DSO/TSO）广播。此信号可能包含一个价格或卸载/移位命令。最后期限不一定是瞬间的：信号可能指的是第二天中午12:00的情况，因为通常可以预测电网的紧急情况。
经典的直接负荷控制（DLC）假设负荷完全处于控制之下，即，它们按照指令执行。所有的智能都在控制器中实现，理想情况下，控制器使用负载模型做出合理的决策。参考文献[12]使用了负荷的随机状态空间模型，并模拟了城市电力系统。结果显示成本和运输损失都有所节省。
一个用于自动需求响应的现代系统，OpenADR [13]，[14]是由劳伦斯伯克利国家实验室的需求响应研究中心（DRRC）的博士领导研究小组开发的。OpenADR是一种开放规范，是一种开放源代码的参考实现，它使用发布者订阅服务器模型来实现分布式、面向客户机-服务器的DR基础设施。其主要组成部分如下（图7）。
bull;需求响应自动化服务器（DRAS）。
bull;客户站点上的DRAS客户端
bull;互联网作为通信基础设施。
客户端通常只是一个通信库，被控件制造商用来使他们的产品可以打开。客户可以订阅DR程序，如关键的峰值定价或需求竞价，而DRAS则充当简单的市场平台和订阅管理器。它保存了参与客户和他们所订阅的程序的数据库。
例如，如果公用事业公司或系统运营商向DRAS发出紧急消息，服务器会将该消息转发给所有参与“紧急程序”的客户端。由于财务激励与此类事件的反应相关，因此DRAS需要记录事务处理。
由于采用了其他的负载模型和在线反馈，上述系统几乎是开环控制。参考文献[15]结合了纹波控制1和广域相量测量系统，基于分布式电压/电流测量设备使用的全球定位系统（GPS）时间戳。Z增加这种反馈回路的结果是能量系统的广域控制。假设10%的负荷可通过纹波控制进行控制，作者估计在输电走廊损失中约有30%的节约，在控制功率节约中约有40%。
参考文献[16]分析了DSM的业务影响。分析了四种商业模式，并模拟了300户家庭的三种不同类型的电气设备：存储负荷（如锅炉）、可移
资料编号：[4975]
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