电力需求侧响应综合评估模型及实例验证研究

黄浦区发展改革委员会

上海电力学院

上海东方延华节能技术服务股份有限公司

1 前言

经济的飞速发展和电力消费量的不断增加导致的电力供应和电力需求之间的矛盾越来越大。通过盲目增加装机容量来满足用电高峰时段的电力需求，势必造成电力资源的极大浪费，加重企业和用户的负担[1]。近年来，电力需求侧管理在中国越来越受到重视，需求响应作为电力需求侧管理的解决方案之一，在保障电网稳定运行、抑制电价上升，节能减排方面具有重要作用[2]。

为贯彻党的十八大创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，落实《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》要求，黄浦区“十三五”规划纲要提出：要全面推进“互联网+”智慧能源发展,建立建筑能耗大数据平台，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。2015年黄浦区实施了电力需求侧响应试点（一期）项目，实现基于黄浦区能耗监测平台的需求响应管理。为探索区域智慧能源发展，进一步有效缓解高峰用电负荷，黄浦区还在2017年进一步开展实施了“黄浦区电力需求响应试点（二期）项目”。

综合评估已实施的需求响应项目效果有助于正确认识需求侧响应的作用[3]，建立具有地区特色的方法模型有助于指导制定科学合理的电价和激励政策，在电力体制改革和激发用户参与电网互动的当下更具有重要的理论和现实意义。

2 电力需求侧响应评估研究现状及改进方向

2.1 电力需求响应效果评估方法的现状

针对电力需求响应评估，2015年我国发布了《需求响应效果监测与综合效益评价导则》（GB/T 32127-2015），随后又发布了《电力需求响应系统通用技术规范》（GB/T 32672-2016），这两个标准奠定了电力需求响应实施和效果评价的基础。

相关研究提出的两个核心指标，一个是负荷削减量，另一个是电量削减量。在两个核心指标的基础上，就能够构建整个评价指标体系，并把指标体系分为供给侧（电网）和需求侧（负荷）两个部分，总结来说可以用图1描述。

图1 需求侧响应指标的构成

上海市政府对于电力需求响应的效果十分重视，自2012年开始大力推广电力需求侧响应项目开始就一直对项目的实施效果进行跟进，并不断调整评估的方法和手段，长期以来上海市一直将电力需求侧响应作为降低工业成本方面的一个技术手段[5]，而从电力需求响应的工作业绩和区域特点来看，黄浦区重点关注的目标是节能降耗，这与黄浦区的区域特点有极大的关系。黄浦区地域狭窄，人口密度大，工业占比极低，办公及商业建筑用能是主要节能目标，因而需要将电力需求响应与建筑节能进行结合，才能走出一条适合本区发展的正确路线。

2.2 具有区域特色的电力需求响应效益评估方法

本文建议，运用后评估手段引导电力需求响应的发展方向，使之能够与建筑节能结合，从而形成有黄浦特点的需求响应评估指标体系，主要思路如图2所示。

图2描述了黄浦区电力需求响应指标体系的改进方向，这一思路以负荷削减与电量削减指标体系为基础，包含空调系统节能和围护结构改造节能、照明节能以及建立相互联系的指标体系形成良性互动机制。

图2 黄浦区电力需求响应指标体系改进思路

3 需求侧响应综合评估模型

依据上述对黄浦区电力需求响应效益评估方法改进方向，结合有关需求侧响应的国家标准规定的指标体系的研究分析，建立适合于上海市黄浦区需求侧响应项目的实施情况的评估模型。

3.1 需求响应效益评估模型

在经济效益评估方面，本文按照2015年发布的《需求响应效果监测与综合效益评价导则》（GB/T 32127-2015）进行计算。为了方便对效益的评估，可将需求响应效益按不同的受益主体分为发电企业效益、电网企业效益、电力用户效益、社会效益4类，如图3。

图3 需求响应效益要素分析

3.2 需求响应与建筑节能联合效益模型

根据《民用建筑能效测评标识标准》的相关规定，“单位面积全年采暖通风空调及照明系数耗能量”是一个最为基本的指标参数（本文简称为年度单位能耗，单位kWh/m2），这个指标适用于公共建筑，对于民用建筑则不包含照明能耗。本研究中，将以此参数为例尝试建立公共建筑节能与需求响应间的联动关系，并拟定相关指标制定原则。为了建立联合效益模型，需要厘清各个指标之间的理论关系，整体关系如图4所示。

图4给出了建筑节能指标与电力需求响应指标间的联系，基于这一联系就能够构建出联合能效指标体系，其核心内容包括如下几个方面。

图4 需求响应与建筑节能联合能效指标体系

（1）核心指标是“年单位能耗”和“单位面积的电气容量”（简称为单位电气容量）。这两个指标结合起来能够体现单位面积的建筑能耗与单位面积电气容量配置间的关系，同时两个指标间的比值能够反映出节能工作的空间，可以作为节能工作的基础。

（2）对于公共建筑而言照明面积通常较大，也是节能的重点之一，因此需要单独考虑，在全部能耗中可以将照明能耗单列出来，因此需要确定照明在总能耗中的占比Rei；公共建筑的照明负荷是一个变化的量，与照明面积Si有关，同时与照明电器的容量有关，一般情况下照明电器的总容量与负荷间有固定的比例关系Rli可以反映平均的照明负荷。

（3）对于公共建筑而言暖通负荷是最大用电负荷源，在全部能耗中一般占较大比例，在总能耗中的占比Reh；公共建筑的暖通负荷是一个变化的量，与供暖（冷）面积Si有关，也与环境因素和围护结构的保温性能有关，一般情况下暖通电器的总容量与负荷间有固定的比例关系Rlh可以反映平均的暖通负荷。

（4）虽然电气总容量能够反映设计时的平均负荷水平，但是最大负荷的值往往与使用（用能）策略有极大的关系，因此最大负荷是可以进行优化调整的，这也是电力需求响应系统的重要功能。

（5）贡献率是本次研究中尝试提出的一个新指标，用于描述实施需求侧响应的建筑在负荷控制策略方面的合理性，可用于对比分析各建筑控制策略的优劣及特点。

（6）建筑能耗监测系统和电力需求响应系统是实现联合效益实现的信息化平台基础，需要进行改进，实现对建筑能耗和负荷数据进行实时采集和监视，进而能够建立合理可用的联合效益指标体系。

4 综合评估模型的实例分析

依据第3章中建立的对于不同利益方的效益评估数学模型，对黄浦区需求侧响应项目的二期工程所实施的3次预约式需求响应情况进行综合效益评估。从而得到电力用户效益子系统、电网企业效益子系统、发电厂效益子系统、社会效益子系统的各指标值及相关关系。

4.1 试点运行数据计算结果

本项目的实例仿真基于黄浦区需求侧响应二期工程 2017 年 1 月 12 日 14：00 ～ 15：00 的试点运行中的10家用电建筑的响应效果数据（表1）进行模型验证。

通过《需求响应效果监测与综合效益评价导则》（GB/T 32127-2015）中计算公式，对10栋建筑需求响应数据进行计算，结果如表2所示。

通过计算结果可以看出实施需求响应项目对用户、电网、发电企业以及社会均有一定经济效益。需求响应项目实施后，电力用户参与进行负荷响应，使得系统的峰荷降低、负荷率提高。参与用户由于电价补偿或者激励补偿而获益，非参与用户、参与用户由于系统负荷变化得到可靠性效益。政府对参与用户进行补贴，使得参与用户的成本降低，得到收益；对参与的供方企业（电网企业和发电企业）进行补贴，使其成本降低，得到收益。

4.2 电力需求响应与建筑节能联合效益分析实例

（1）单位能耗

根据3.2节提出了联合效益模型，本文选取参与黄浦区电力需求响应的10栋建筑的数据进行了试评估，梳理计算了几个典型的指标。对于年度单位能耗的计算结果如图5所示。

图5 各建筑年度单位能耗与年度能耗指标对比

从图5中可以看出，各个建筑的年度单位能耗的差异较大，而且总能耗与年度单位能耗的排名并不一致，因此可以考虑应用建筑单位能耗指标来对建筑需求响应的空间进行评价，年度能耗及年度单位能耗较高需求响应空间较大，如建筑5及建筑8，在需求响应项目实施时可优先考虑。

表1 栋建筑需求响应效果数据

表2 10栋建筑需求响应经济效益

（2）负荷系数

最大负荷系数能够反映负荷削减的空间，本文对黄浦区参与需求响应的建筑的最大负荷系数和年度能耗进行了对比，结果如图6所示。

图6 各建筑最大负荷系数与年度能耗指标对比

图6 显示出各建筑年度能耗与最大负荷系数并不是对应的，通常年度能耗大的建筑最大负荷系数也较大，但是年度能耗小的建筑最大负荷系数并不低，这说明不少建筑还有通过需求侧响应技术减低峰值负荷的空间，对于年度能耗大、最大负荷系数高的建筑，如建筑1和建筑8需求响应空间大。

即使在一座建筑中，照明负荷、暖通负荷和动力负荷的峰值也不会出现在同一时刻，因此通过一定的控制策略是可以进一步优化需求响应的效果，将系统能耗除以所有时刻的最大值做归一化处理，图7为建筑8不同类负荷归一化的结果。

图7 建筑8不同类负荷归一化比较

由于不同建筑负荷类型不同，而且并不是每座建筑的负荷控制优化的目标都相同，可以通过照明负荷占比和暖通负荷占比系数进行区分，如图8所示。

图8 各建筑照明负荷系数与暖通负荷系数的对比

从图8可以看出，各建筑的负荷特性有极大的区别，例如建筑8、建筑10照明负荷占比相对较高；建筑5、建筑7暖通负荷占比较高。由于暖通负荷受季节影响较大，而照明负荷则相对稳定，因此对照明负荷系数较大的建筑存在进一步优化的空间。

（3）最大负荷贡献评价方法

贡献率指标是以评估范围内单个建筑最大负荷为基准，将某时刻该建筑能耗除以所有时刻最大值的归一化处理，则负荷响应时间内各建筑每个时刻的负荷就能够构成一条曲线，该曲线的平均值能够说明该建筑在所有待评建筑中的负荷占比，而曲线的形状能够说明需求响应策略的优劣。如果单个建筑的负荷曲线与所有建筑总负荷曲线的趋势一致，说明该建筑在“同时性”方面贡献是正向的，因而有可能加重尖峰负荷；反之，如果单个建筑的负荷曲线与所有建筑总负荷曲线的趋势显著不同，则能够起到平抑尖峰负荷的作用，因而控制策略方面表现较好。

将各建筑的小时负荷按所有建筑中最大负荷进行归一化后，能够看出各建筑负荷变化规律的差异，如图9所示。

从图9可以看出，能够通过负荷归一化的方法，对各建筑的高峰时段负荷贡献率进行评价。高峰时段的贡献率越低，曲线呈“凹”的趋势，如建筑1，说明该建筑需求响应的策略配置越合理，高峰时段贡献率较高，曲线呈凸的趋势，如建筑8，则说明该建筑的用电负荷总体的高峰负荷同时性较强，对于消峰的作用不够积极。通过贡献率指标，能够促进各建筑经营单位采用更加有效的需求响应策略。

图9 各点的负荷归一化对比

5 评估效果分析总结

本文在研究需求响应项目实施效果评估的基础上，建立了需求侧响应效益的综合评估模型，并将节能减排的概念引入了该模型，系统性地对黄浦二期需求响应试点工作中为用户侧、电网侧、发电侧、社会群体带来的效益进行评估，可以得到以下结论：

（1）在基于峰谷电价实施机制下，调整用电时段，转移高峰时期负荷，利用峰谷差价调整用电，可以明显的降低企业的用电成本。同时，在基于政府激励措施的实施下，也对用电企业带来了较大的经济效益，对于促进企业参与响应的积极性有较大的作用。

（2）通过对需求侧响应项目对电网企业的经济影响分析，需求侧响应项目的实施有效的降低了电网企业的投资成本，并且对峰时用电量的降低有较为显著的效果，提高了电网运行的效率，保证了供电可靠性。同时，通过对发电企业的经济效益影响的评估效果来看，需求侧响应项目的实施也降低了发电企业的投资建设成本，带来的经济效果也是比较明显。

（3）需求侧响应的实施不仅为用户侧、电网侧和发电侧带来显著的经济效益，同时还实现了节能减排效益，对于环境也有极大的保护作用，为社会碳减排、实现可持续发展做出贡献，极大的响应我国低碳发展的战略决策。

（4）需求响应的实施对于负荷率提升、可避免峰荷提升等具有一定的促进作用，说明需求响应还可带来削峰填谷、平滑负荷曲线、促进电网安全稳定的作用。

[1]王攀. 需求侧响应机制组合优化策略研究[D]. 华北电力大学(北京), 2016.

[2]董萌萌. 基于峰谷电价的需求响应效果评价[D]. 华北电力大学(北京)华北电力大学, 2014.

[3]李章允,王钢,丁茂生,汪隆君. 考虑负荷用电统计特性的需求响应潜力评估[J]. 中国科技论文,2017,12(05)：529-536.

[4]幸荣霞,谢开贵,周家启. 大电网可靠性评估中基于功率分解的削减负荷模型[C]// 中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会. 2004.

[5]陶小马，周雯.电力需求响应的研究进展及文献述评[J].北京理工大学学报（社会科学版）, 2014, 16(1)：32-40.