上海市黄浦区建筑需求响应研究

黄浦区发展改革委员会

杭州赫智电子科技有限公司

1 背景及意义

黄浦区是上海商业建筑最密集的中心城区，大型商业建筑数量超过200 幢，面积近1 000 万m2，年耗电量约13 亿kWh，峰值负荷近500 MW，楼宇能耗占全区总能耗的65%以上。从2014年开始，根据国家发展改革委部署，上海市经信委组织开展了需求响应的探索实践工作，其中参与试点的商业楼宇很多来自黄浦区。2015年和2016年黄浦区有50幢建筑参加了上海市的需求响应试点。从夏季、冬季、过渡季不同季节的试点情况来看，黄浦区商业建筑峰值负荷削减潜力巨大，单体建筑最大负荷削减可达25%，全部建筑平均负荷削减达到10%（持续4个小时）。

目前，黄浦区已完成了区域建筑能源监测平台的建设工作，基本实现商业建筑能源监测监管全面覆盖，区域内的充电桩、可再生能源以及储能系统等也将陆续接入平台。为加强长效机制建设，黄浦区还把全面推进建筑能耗监测，建立大数据平台，在全市率先开展电力需求侧管理试点，实现对区内重点建筑、重点企业能耗数据的实时监测和科学管理等列入“十三五”规划。

黄浦区开展需求侧响应有助于发掘商业建筑领域规模化需求响应的虚拟资源，实现更全面的需求侧管理能力提升；有助于推动电力市场化机制建设，通过电力需求侧响应资源挖掘和虚拟电厂建设，实现商业建筑智能更新和节能管理有机融合，在推动能源消费智能化的同时为商业建筑提升需求侧资源效益。

2 国内外研究现状

2.1 需求响应技术现状

（1）国内研究现状

需求响应是建立在高效、安全和双向交互的通信体系上面，只有这样才能实现供电侧和用电侧的灵活互动。目前国内市面上的一些智能终端设备（智能家居的应用）已经成为了需求响应的基础设施，比如智能电表、智能插座和智能温控器等设备。中国目前已完成国家电力需求侧管理平台建设，各需求响应重点试点省市的系统也陆续接至该平台。

从2013年国家开展电力需求响应城市综合试点建设以来，北京、上海、江苏、广东等省市分别实施了需求响应项目试点工作。经过3年的试点培育，我国需求响应试点工作形成了政府主导，电网企业支持参与，负荷集成商规模化、系统性整合电力用户资源，电力用户广泛主动参与的需求响应工作体系。

（2）国外研究现状

美国电力市场环境开放，是世界上实施需求响应项目最多、种类最齐全的国家，其需求响应起步较早，相关政策法规相对比较完善，处于世界领先水平，其中的OpenADR标准更是被一些国家作为自己的需求响应标准基础。

2002年的美国加州大规模电力危机引起了政府、科研及产业界对需求响应的重视，此后，美国以及其他各国的电网公司等力求采用需求响应技术来解决需求增长和高峰用电的问题。以此为契机，美国劳伦斯伯克利国家实验室开始研究需求响应通信协议，并主要承担对OpenADR的研究工作。通过一系列的试点和测试，在2009年4月，加州能源委员会发布了OpenADR通信规范1.0版本，并交由结构化信息标准促进组织和通用通信架构负责形成正式标准OpenADR 2.0；2010年5月，OpenADR成为美国首批16条智能电网“互操作性标准之一”，“互操作性”是指各功能单元之间进行通信和传递数据的能力；2011年进行了OpenADR 2.0版本的认证和测试；2012年，OpenADR联盟将OpenADR 2.0a作为美国的国家标准发布。OpenADR 2.0比OpenADR 1.0更全面，涵盖了针对美国批发与零售市场的价格、可靠性信号的数据模型，并且根据满足需求响应利益相关方和市场需求的程度，分为不同的产品认证等级，包括OpenADR 2.0a，OpenADR 2.0b，OpenADR 2.0c框架规范，后一个规范均比前一个规范提供更多的服务和功能支持（如事件、报价和动态价格、选择或重置、报告和反馈、注册、传输协议、安全等级等）。

2.2 市场机制现状

（1）国内的市场机制

北京、上海、江苏、广东等省市的参与主体均是政府部门，电网企业，负荷集成商，电力用户，这些需求响应试点基本上都按照了预先设置的响应策略，进行了负荷削减，达到了预期的负荷削减目标。目前都采取了激励机制，以补贴的方式激励用户参与需求响应试点，引导用户主动削减尖峰负荷。按照提前通知的时间不同分别设定不同的需求响应补贴，比如北京的试点中，提前30min给予120元/kW，提前24 h给予80元/kW的补贴。负荷集成商可以通过合约的形式参与需求响应，一旦达到合约规定的次数就可以领取补贴，否则按比例领取或无法领取。这些补贴的来源一部分是政府的资金补贴，另外也可以来自于尖峰电价时增收的电费，让电力用户以电费的形式抵扣。

（2）国外的市场机制

美国和欧洲的需求响应市场起步较早，在多年的实践中对各类市场机制进行了试点研究和应用。

1）实时电价（RTP）市场机制试点

实时电价（RTP，Real Time Pricing）机制的电价不是提前设定的，而是每天持续波动，直接反映批发市场价格，与日前或实时市场购电成本挂钩。这样一种将批发市场价格和零售价格直接联系起来的机制，起到了将价格响应性直接引入到零售市场，将2个市场联动起来的作用。

2）尖峰电价（CPP）市场机制试点

PG&E在分时电价的基础上设置了两种不同的尖峰电价模式，如图1所示，其中展示了一整天的正常TOU价格变化曲线，非尖峰电价的价格曲线和尖峰电价日的价格曲线，其中尖峰电价日有两条特殊的曲线：一条是中等的价格曲线，发生在12时～15时之间，价格是平常分时电价中Part-Peak价格的3倍；另外一条是高价格曲线，发生在15时～18时，实施的平常TOU中On-Peak价格的5倍。通过这种尖峰电价的形式来抑制尖峰负荷的产生或者削减尖峰负荷。

图1 尖峰电价价格曲线

3）需求侧竞价市场机制试点

在需求响应的实施过程中，接近2/3的用户选择了需求侧竞价。PG&E的尖峰电价的设计方式是为了在6个小时的关键高峰期，吸引用户能够主动灵活的通过需求响应策略调节自己的高峰负荷。但是很多用户更加倾向于参与需求侧竞价，因为活动参与都是自愿的，用户还可以在连续的两个小时内为任何的需求响应活动出价。对于整个需求响应的活动而言，需求侧竞价更具有吸引力，用户只需要定义他们能够减少多少负荷和减少负荷开始到结束的过程时间。如果用户的情况不便参加当天的需求响应活动，可以完全退出所有的尖峰电价和需求侧竞价的需求响应活动。

4）小结

a）技术不再是限制各国发展需求响应的瓶颈，但是自动需求响应技术对于部分国家而言仍然具有挑战性。

b）有效的市场机制是需求响应发展的催化剂，前期的政府引导和支持必不可少。

c）不同国家的需求响应市场机制各有所取，是立足于本国电力市场特点的选择。其中美国需求响应工作开展最早，发展最为成熟，值得借鉴。

d）我国的需求响应工作相对起步晚，但发展迅猛，单次需求响应的体量已创世界第一。作为最大的需求响应潜力市场，我国在自动需求响应实践方面暂时还未取得世界领先性的突破。

3 黄浦区建筑楼宇负荷特性及需求响应技术的实现

3.1 商业建筑负荷特性

黄浦区目前的商业建筑主要分为商贸中心，金融大厦，写字楼，政府办公楼和酒店等，主要用能设备包括空调系统、电梯系统、照明和其他电力系统。

商贸中心、金融中心、行政中心、写字楼属间歇性使用建筑，负荷早晚变化较大，在使用时间内，商贸中心的负荷变化波动较写字楼小。而酒店全年以及全天存在冷、热、电负荷，负荷变化最为平缓，波动的相对幅度最小。

商业建筑的制冷设备基本上都属于中央空调系统，采用空调机组、水循环系统和风机判断末端系统进行制冷。只有少部分使用了分体式空调，比如黄浦区的机关办公1号楼和学校教学楼部分。照明系统的灯光基本上使用的是筒灯，荧光灯和办公区域的栅格灯。其他负荷如电梯和插座都与用户的使用习惯有相关性。

因此黄浦区商业建筑的需求响应潜力主要来源为中央空调系统、照明系统、电梯以及插座负荷。其中，中央空调系统需求响应潜力最大，其次为照明，电梯和插座负荷需根据用户不同的用电习惯进行挖掘。

3.2 需求响应终端设备设计

需求响应是建立在高效、安全和双向通信的基础之上，只有这样才能实现供电侧和用电侧的双向互动。楼宇能源管理系统（BEMS）记录用户的电量和负荷信息，每分钟将采集到的信息数据通过通信网络传送给需求响应平台，平台对当前的数据进行分析，制定最优的电价策略和削减方案逐级下传。BEMS系统接收到削减方案即控制策略后，下达具体的削减指令给需求响应设备，不同的设备进行不同的削减。由于电梯负荷控制尚存在一定的风险，现针对于中央空调系统，照明系统，插座负荷设备进行需求响应设备的设计。以中央空调系统和照明系统为例，分为变频控制系统，电量采集系统，智能温控器系统和智能照明系统四大系统（图2），并进行分类描述。

图2 楼宇能源管理系统

3.3 需求响应控制策略

中央空调系统是需求响应比较理想的控制对象。首先，中央空调系统在商业建筑中创造了大量的电力需求，通常是总需求的1/3到2/3。第二，建筑物的热效应性质使得系统短暂的改变而不影响用户的日常生活。第三，中央空调系统很多设备都已经实现了自动化，比如目前的BA楼宇控制系统。

不同商业建筑的中央空调系统的建筑类型，设备和EMCS（能源管理控制系统）。综合这些因素来看，最佳的需求响应控制策略是在实现电力需求调节目标的基础上，最大限度地减少对建筑物的用户生产生活的负面影响。一般有以下两大类的控制策略，一个是全局的温度调整，另一个是对冷却系统或者送风系统的调整。表1为控制策略的分类与定义。

3.4 平台设计

需求响应技术的实现离不开需求响应平台的建设，平台主要包含负荷调控和节能两大主要功能，通过对不同建筑物整体的能耗设备进行综合监控、数据分析、策略形成、负荷响应、进行最优化调控管理，实现高效节能化。

表1 控制策略分类

在需求响应平台（图3）的总体架构关系中，总体分为设备层，网络层和平台。设备层主要起数据采集和策略执行的功能，网络层采用需求响应协议进行通信交互。

图3 需求响应平台总体框架图

需求响应平台的业务（图4）包括首页、集中管控模块、控制策略模块、数据分析模块、报警中心模块、负荷响应模块和系统管理模块。

图4 业务架构图

可根据黄浦区不同建筑自身的负荷特性，专业定制相应的楼宇能源管理系统。选取合适的需

4 市场机制及政策研究

研究发现，当前需求响应的机制主要分为两类：激励性机制和价格型机制，两种机制的比较分析状况如表2 所示。

结合中国电力市场特点，建议采取以下市场机制：

（1）自动需求响应发展初期：由于市场条件不成熟、自动需求响应关键技术发展变革的前期投资成本较高，应以政府财政资本为主引导市场求响应设备，搭建设备层的控制系统，运用物联网、云计算、大数据等创新技术，实现电力流与信息流的同步，达到楼宇用户负荷 “电器粒度”的精细化管理，对具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷进行自动化控制，提供楼宇用户参与需求响应、电器策略控制和直接控制等功能，为楼宇电能管理者提供良好的决策支持。

表2 激励性机制和价格型机制比较

构建需求响应平台，对接发、输、配、售、用电及可再生能源等多种能源数据实现需求侧管理，打造热备用虚拟电厂，适配商业建筑、社区、储能系统、电动汽车、分布式能源等多类型用户；着力大数据分析挖掘，提供数据支撑服务；面向多部门监管，形成有效联动管理机制。主体形成和参与。政府应组织制定自动需求响应的规划、实施办法以及实施细则，引导电能服务机构等第三方主体的参与以扩大社会公众对自动需求响应的认知度。

（2）自动需求响应发展成熟期：随着市场日趋成熟，政府专项补贴不在发挥主要作用，市场参与主体为自动需求响应项目提供资金，多种融资渠道，例如银行贷款，多主体共同出资的混合投资方式等。自动需求响应应充分利用需求侧管理平台资源为电网提供虚拟电厂辅助服务，为客户提供能效服务和合同能源方案等增值服务，通过收取咨询费或管理费的方式，构建成熟期企业新的盈利模式。