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、華東電網有限公司

近年來，中國政府陸續出臺了《需求側管理辦法》、《有序用電管理辦法》、《需求側城市試點財政獎勵管理辦法》等政策法規，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構體系，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DR的發展[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，這種國內特有的負荷管理方式在用電高峰時極大地保障了電網的安全穩定運行。中國電科院聯合國內大學、研究機構、電網公司、制造企業和服務提供商以IECPC118為平臺，牽頭成立了PC118智能電網用戶接口專家組，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。同時國家電網公司與霍尼韋爾公司合作在天津開展了智能電網DR示范與可行性項目，在泰達管委會、商業樓宇、辦公樓和工廠用戶方面部署了Auto-DR系統和裝置，在高峰負荷削減方面發揮了重要作用。OpenADR，即開放式自動需求響應通信規范(openautomateddemandresponsecommunicationsspecification)是智能電網信息與通信技術的一部分，是輔助Auto-DR的技術手段，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通過開發低成本的通信架構，提高了工商業DR的可靠性、易操作性、魯棒性和成本效益。當前基于現有通信信息技術的OpenADR已經成功應用于工商業的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模用電危機，此后美國及其它各國的電網公司、政府等力求采用DR技術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，加州能源委員會發布了OpenADR通信規范1.0版本，并交由結構化信息標準促進組織(OrganizationfortheAdvancementofStructuredInformationStandards，OASIS)和通用通信架構(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“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據的能力；2011年進行了OpenADR2.0版本的認證和測試；2012年，OpenADR聯盟將OpenADR2.0a作為美國的國家標準發布。OpenADR2.0比OpenADR1.0更全面，涵蓋了針對美國批發與零售市場的價格、可靠性信號的數據模型，并且根據滿足DR利益相關方和市場需求的程度，分為不同的產品認證等級，包括OpenADR2.0a，OpenADR2.0b和OpenADR2.0c框架規范，后一個規范均比前一個提供更多的服務和功能支持(如事件、報價和動態價格、選擇或重置、報告和反饋、注冊、傳輸協議、安全等級等)[21]。

Auto-DR項目能夠有效地轉移或削減負荷，但是，DR實現的技術模式和方法還未標準化，不利于相關DR應用的推廣，無法解決DR技術、產品或系統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DR的完全自動化。因此，極有必要形成開放式的通信規范，使得任何電網公司或用戶都能高效、可靠、便捷地使用信號系統、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技術的互操作性，為DR技術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換為負荷削減或轉移信息，并利用現有的通信設施(例如因特網)高效、安全、便捷地將其從電網公司傳送至工商業設備控制系統。OpenADR中開放式的通用數據模型使得工商業控制系統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技術的發展，滿足利益相關方互操作的需要，深入挖掘Auto-DR潛力，成立了專門的OpenADR聯盟組織，旨在通過合作、教育、培訓、檢測和認證等方式開發、采用并遵守OpenADR標準。OpenADR聯盟向所有的相關單位開放，聯盟成員分為設備供應商(例如系統集成商或控制系統供應商)、電力企業、政府和研究機構，OpenADR聯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盟的具體戰略目標和運營政策。如今，OpenADR聯盟的主要供應商已超過60個并且在不斷增長，除了聯盟理事會成員外，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)、內華達能源公司(NVEnergy)、爾剛能源公司(ErgonEnergy)等[19]，并已數次邀請我國國家電網公司參與其中。

OpenADR對開放式Auto-DR中的通信規范問題進行了描述和闡釋，它定義了一種通信數據模型，通過預先安裝和編程好的控制系統對DR信號做出反應，自動完成通信過程及用戶側響應策略。作為一種通用的通信規約，OpenADR能夠支撐各種DR項目的實施。OpenADR通信規范系統性地介紹了OpenADR的通信架構、數據模型、功能規范、應用程序接口(applicationprogramminginterfaces，API)規范、安全策略和開發計劃等，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電價在內的各種DR項目信息。該規范也用于指導電網公司、能源或企業管理單位、集成商、硬件和軟件廠商等如何使用DRAS的功能來實現各種DR項目的自動化。OpenADR通信規范針對電價和DR激勵信息提出了通信數據模型，但不包括有關電力削減或轉移策略的詳細信息。OpenADR的通信系統能夠連續運行、協調并傳輸電價或激勵信息至工商業控制系統。自動化客戶端可以連續監測這些信息，并將其轉換為設備內部的自動控制策略[17]。

OpenADR的通信架構

OpenADR通信架構如圖2所示，用戶或負荷聚合商(loadaggregator)借助應用程序設計接口API，通過因特網與DRAS通信，同樣，電網公司也借助API通過因特網與DRAS通信[22]。通信架構的設計確定了通信系統的結構以及數據模型中需要涉及的實體(即任何可以接受或發送信息的硬件或軟件進程)，OpenADR為所有實體提供了相關的通用數據模型，為高效傳輸信息提供了基礎。通信架構中，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構建立動態電價或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，用于發布動態電價或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，并配置信息映射結構；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基礎設施中時，電力公司接口是不需要的[17]。

OpenADR數據模型

通用數據模型作為系統的核心部分，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。數據模型可以用幾個實體關系圖表示，每個實體關系圖通過實體、關系、屬性描述數據結構，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據，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時間相關的所有信息。圖4中，每個電網公司DR事件實體包含一系列相關的事件信息實例；電網公司項目(UtilityProgram)實體描述關于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行的，屬性包括名稱、時間、參與者、執行優先權等；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的相關應用

系統及裝置。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，其中一種數字觸屏式可編程恒溫器UtilityPRO，在居民和商業建筑中安裝了大約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據信息。該通信模塊能夠連接電網公司側的通信網絡和用戶側的家庭局域網。同時，銀泉網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。3）DR系統。霍尼韋爾公司旗下的智能電網服務供應商Akuacom建立了一套應用OpenADR的DR系統，其開放式的智能電網通信架構用于自動傳輸電價和DR激勵信號。該系統的核心部分就是支撐OpenADR的軟件操作平臺——DRAS。4）DR交易網絡。UtilityIntegrationSolutions股份有限公司(UISOL)成功地將OpenADR整合到他們的DR交易網絡(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聯盟成員在加州和美國其他地區也進行了許多DR試點和現場試驗，開發出許多OpenADR相關的系統和裝置，驗證了OpenADR標準在實際Auto-DR項目中的可操作性。

1）加州電力公司動態尖峰電價項目。加州電力公司曾利用動態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：一是開發并評估傳輸DR信號的通信技術，因為各個商業建筑的控制系統使用的是不同的協議和通信功能；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年只是用動態價格模擬測試，2005年正式采用了尖峰電價進行結算。文獻[27]和[28]介紹了2005年尖峰電價的設計方法和測試結果，包括在現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(energymanagementandcontrolsystems，EMCS)或相關的建筑自動化控制系統。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公司開發的DRAS將尖峰電價傳輸到終端設備。

2）太平洋燃氣與電力公司參與需求側競價項目。2007年夏季，加州開展了尖峰電價和需求側競價(demandbidding，DBP)項目，通過自動化技術和通信技術的應用，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，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行需求側競價項目的方法，結果顯示2007年Auto-DR系統的安裝和運行情況已經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，而其實際執行則是基于OpenADR的Auto-DR技術的全自動化過程。

3）西雅圖動態電價測試項目。2008年11月，勞倫斯伯克利實驗室開展了一項動態電價測試項目[25]，在西雅圖地區的部分商業建筑中安裝了基于OpenADR的Auto-DR系統，用以削減冬季的早高峰負荷，通過現場試驗驗證了開展Auto-DR項目的可行性。OpenADR系統利用因特網和政府或企業局域網傳輸DR信號，商業建筑中設備能量管理控制系統接收到DR信號后開始自動執行控制策略。該項目設置了常態和高電價2種水平的電價，在早高峰負荷的3h內電價變為高電價狀態，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算。結果表明，商業建筑的平均負荷削減量達到14%，其中暖通空調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資源作為非旋轉備用競價參與日前輔助服務市場。DR資源必須滿足非旋轉備用的要求：①10min內可開始響應；②響應可持續2h；③能向CAISO提供實時的遙測數據。在加州輔助服務市場中，這些DR資源與其它所有發電資源一起進行優化求解，每個參與用戶的設備上都安裝了實時遙測裝置，以保證CAISO能夠對其負荷情況進行實時監測。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，從而觸發其自動響應策略。試點項目結果表明，OpenADR通信架構可用于該輔助服務市場[30-31]。

5）加州小型商業建筑Auto-DR試點項目。2009年，加州在部分小型商業建筑中對OpenADR系統進行測試。據調查顯示，加州小型商業建筑的夏季尖峰負荷為1012GW，占據了整個夏季尖峰負荷的10%15%。文獻[32]闡述了小型商業建筑利用OpenADR通信架構自動參與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會發送更高等級的信號至設備控制系統，反之發送更低等級的信號。現場試驗顯示，小型商業建筑利用OpenADR通信架構參與尖峰時段的負荷削減完全可行。

結論

1）Auto-DR是美國發展智能電網的戰略性技術之一，是通過調動用戶資源，降低高峰負荷，提高電網可靠性，減少電廠投資和環保壓力，促進新能源接入的關鍵技術。DR標準化有利于促進Auto-DR的互操作，帶動智能電網與用戶互動技術的發展。OpenADR的發展歷程表明，先進技術的發展和推廣一方面有賴于技術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研發體系和有效的推廣形式，通過聯合研究團體、設備制造企業、產品應用企業等單位，促進相關技術的研發和推廣。

2）OpenADR在美國已發展近10a，并且已有多個成功應用的案例，初步展現出其巨大的技術優勢和商業潛力，促進了美國Auto-DR的發展。但是OpenADR是在美國的電力市場環境下開發出來的，有一整套與電力市場相對應的政策法規，如果將其推廣到中國，可能會出現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高峰負荷，為有序用電管理提供技術支持。雖然我國在Auto-DR技術方面剛剛起步，但發展勢頭良好。同時，DR技術標準的制定有助于促進設備制造企業、產品應用企業、服務提供商等單位研發相關的產品和服務，吸引更多的電力用戶參與DR項目，從而降低用電成本，產生巨大的環保效益和社會效益。國內電力企業已經認識到相關問題的重要意義，電網企業牽頭制定的DR技術標準也已進入起草階段。

4）我國電力行業應進一步重視并加快DR標準的制定，參考OpenADR的制定方法，結合IECPC118的工作內容，從業務信息模型、通信協議、一致性和安全要求、測試和評估內容等方面制定適應國內電力體制的DR技術標準，促進Auto-DR在中國的發展。