智能电网论文：OpenADR的发展与运用综述

本文作者：高赐威、梁甜甜、李慧星、翟海保 单位：东南大学电气工程学院、华东电网有限公司

近年来，中国政府陆续出台了《需求侧管理办法》、《有序用电管理办法》、《需求侧城市试点财政奖励管理办法》等政策法规，为实施DR提供了必要的政策支持。同时，全国已建立起多种电价结构体系，包括分时电价、尖峰电价、丰枯电价等，部分省市(如安徽、浙江、上海等)还实行了直接负荷控制和可中断电价补偿政策，极大地促进了国内DR的发展[15]。另外，电力公司采取让电、错峰、轮休、避峰等措施进行有序用电管理，这种国内特有的负荷管理方式在用电高峰时极大地保障了电网的安全稳定运行。中国电科院联合国内大学、研究机构、电网公司、制造企业和服务提供商以IECPC118为平台，牵头成立了PC118智能电网用户接口专家组，开展自动需求响应(automateddemandresponse，Auto-DR)研究和国际标准制定工作。中国希望DR标准为工商业降低峰值负荷，满足迎峰度夏、有序用电需求服务[16]。

迄今为止，PC118工作组已完成了PC118标准制定技术报告初稿的编写，并提出了DR国家标准的制定计划。同时国家电网公司与霍尼韦尔公司合作在天津开展了智能电网DR示范与可行性项目，在泰达管委会、商业楼宇、办公楼和工厂用户方面部署了Auto-DR系统和装置，在高峰负荷削减方面发挥了重要作用。OpenADR，即开放式自动需求响应通信规范(openautomateddemandresponsecommunicationsspecification)是智能电网信息与通信技术的一部分，是辅助Auto-DR的技术手段，由美国劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory，LBNL)的DR研究中心(demandresponseresearchcenter，DRRC)完成研究工作。OpenADR通过开发低成本的通信架构，提高了工商业DR的可靠性、易操作性、鲁棒性和成本效益。当前基于现有通信信息技术的OpenADR已经成功应用于工商业的Auto-DR项目中[17]。

OpenADR简介

对OpenADR的研究起源于2002年加利福尼亚州的大规模用电危机，此后美国及其它各国的电网公司、政府等力求采用DR技术解决电力需求增长和高峰用电问题。在此背景下，OpenADR研究工作由劳伦斯伯克利实验室的DR研究中心具体承担[18]，其发展历程如图1所示[19-20]。通过一系列的试点和测试，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(OrganizationfortheAdvancementofStructuredInformationStandards，OASIS)和通用通信架构(utilitycommunicationsarchitecture，UCA)负责形成正式标准OpenADR2.0；2010年5月，OpenADR成为美国首批16条智能电网“互操作性”(interoperability)标准之一，“互操作性”意思是各功能单元之间进行通信或传递数据的能力；2011年进行了OpenADR2.0版本的认证和测试；2012年，OpenADR联盟将OpenADR2.0a作为美国的国家标准发布。OpenADR2.0比OpenADR1.0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DR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OpenADR2.0a，OpenADR2.0b和OpenADR2.0c框架规范，后一个规范均比前一个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)[21]。

Auto-DR项目能够有效地转移或削减负荷，但是，DR实现的技术模式和方法还未标准化，不利于相关DR应用的推广，无法解决DR技术、产品或系统之间的通用和互换问题，增加了实施DR项目的成本，不利于实现DR的完全自动化。因此，极有必要形成开放式的通信规范，使得任何电网公司或用户都能高效、可靠、便捷地使用信号系统、自动化服务器或自动化客户端。制定OpenADR标准的目的是减少成本，促进DR技术的互操作性，为DR技术的应用提供一个公用的、开放式、标准化的接口，使得电价和可靠性信息能够自动转换为负荷削减或转移信息，并利用现有的通信设施(例如因特网)高效、安全、便捷地将其从电网公司传送至工商业设备控制系统。OpenADR中开放式的通用数据模型使得工商业控制系统能够通过程序设置及时响应DR信号，并且响应的过程完全自动化，不带有任何人工介入[17]。

为了推动OpenADR技术的发展，满足利益相关方互操作的需要，深入挖掘Auto-DR潜力，成立了专门的OpenADR联盟组织，旨在通过合作、教育、培训、检测和认证等方式开发、采用并遵守OpenADR标准。OpenADR联盟向所有的相关单位开放，联盟成员分为设备供应商(例如系统集成商或控制系统供应商)、电力企业、政府和研究机构，OpenADR联盟理事会成员主要包括霍尼韦尔公司(Honeywell)、太平洋燃气与电力公司(PG&E)、南加州爱迪生电力公司(SCE)、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)等具有一定影响力的成员单位，负责引导并参与设定联盟的具体战略目标和运营政策。如今，OpenADR联盟的主要供应商已超过60个并且在不断增长，除了联盟理事会成员外，还包括西门子公司(Siemens)、江森自控公司(JohnsonControls)、银泉网络公司(SilverSpringNetworks)、圣地亚哥天然气和电力公司(SDG&E)、堪萨斯城市电力电灯公司(KCP&L)、内华达能源公司(NVEnergy)、尔刚能源公司(ErgonEnergy)等[19]，并已数次邀请我国国家电网公司参与其中。

OpenADR对开放式Auto-DR中的通信规范问题进行了描述和阐释，它定义了一种通信数据模型，通过预先安装和编程好的控制系统对DR信号做出反应，自动完成通信过程及用户侧响应策略。作为一种通用的通信规约，OpenADR能够支撑各种DR项目的实施。OpenADR通信规范系统性地介绍了OpenADR的通信架构、数据模型、功能规范、应用程序接口(applicationprogramminginterfaces，API)规范、安全策略和开发计划等，重点定义了需求响应自动化服务器(demandresponseautomationserver，DRAS)的功能接口与特点，基于自动化平台，通过通信客户端为用户提供包含动态电价在内的各种DR项目信息。该规范也用于指导电网公司、能源或企业管理单位、集成商、硬件和软件厂商等如何使用DRAS的功能来实现各种DR项目的自动化。OpenADR通信规范针对电价和DR激励信息提出了通信数据模型，但不包括有关电力削减或转移策略的详细信息。OpenADR的通信系统能够连续运行、协调并传输电价或激励信息至工商业控制系统。自动化客户端可以连续监测这些信息，并将其转换为设备内部的自动控制策略[17]。

OpenADR的通信架构

OpenADR通信架构如图2所示，用户或负荷聚合商(loadaggregator)借助应用程序设计接口API，通过因特网与DRAS通信，同样，电网公司也借助API通过因特网与DRAS通信[22]。通信架构的设计确定了通信系统的结构以及数据模型中需要涉及的实体(即任何可以接受或发送信息的硬件或软件进程)，OpenADR为所有实体提供了相关的通用数据模型，为高效传输信息提供了基础。通信架构中，DRAS是Auto-DR项目基础设施的一个重要组成部分，从电力公司角度来看，DRAS是通过通用的信息映射结构建立动态电价或DR激励信息配置文件的载体，使得Auto-DR项目的通信能够完全自动化[23]，它的功能和特点促进了用户响应的自动化程度，OpenADR标准通过DRAS为所有DR供应商和用户提供了通用的语言和平台。OpenADR1.0中定义了3种典型DRAS接口：1）电力公司/ISO接口，用于发布动态电价或DR事件信息；2）用户操作员接口，用于追踪或接收电价或事件类DR信息，并配置信息映射结构；3）客户端接口，支持OpenADR客户端使用简单或智能客户端信息[24]。3种接口如图3所示，根据实际情况，不一定要求上述3种接口都有，例如当DRAS属于电力公司并整合在其信息技术基础设施中时，电力公司接口是不需要的[17]。

OpenADR数据模型

通用数据模型作为系统的核心部分，定义了模型中访问和交换元素的语义，从而促进了DR项目的开展。数据模型可以用几个实体关系图表示，每个实体关系图通过实体、关系、属性描述数据结构，每个实体的特性包括实体名、主键、外键及属性域。为了在各个实体间高效共享模型数据，OpenADR定义了一套可扩展标记语言(extensiblemarkuplanguage，XML)格式化信息，用来描述模型元素的标识符和值[13]。图4显示了电力公司/ISO开始一个DR事件时涉及到的所有实体，在所有实体中，电力公司/ISODR事件(UtilityDREvent)实体用来详细描述与一个DR时间相关的所有信息。图4中，每个电网公司DR事件实体包含一系列相关的事件信息实例；电网公司项目(UtilityProgram)实体描述关于DR项目的所有信息，从DRAS和参与者的角度用一系列的属性描述项目是如何管理和执行的，属性包括名称、时间、参与者、执行优先权等；事件信息类型(EventInfoType)实体是电力公司项目实体的一部分，用来详细描述信息类型，例如实时电价、负荷削减或转移量等，属性包括名称、上下限、变化时间表等；参与者账户(ParticipantAccount)实体则描述了所有与参与者有关的信息，属性包括参与者名称、资格证书、所属群体、参与项目等[17]。

OpenADR的相关应用

系统及装置。1）负荷管理装置。美国著名的DR服务提供商霍尼韦尔公司在各种用户、各种设备上安装了约150万个基于OpenADR的负荷管理装置来支撑DR，其中一种数字触屏式可编程恒温器UtilityPRO，在居民和商业建筑中安装了大约40万个，能够在电力高峰期帮助限制能源消耗，以促进电力公司的DR项目。2）智能终端通信模块。银泉网络公司为各种智能终端设备配置了基于OpenADR的通信模块，用于接收和传输实时数据信息。该通信模块能够连接电网公司侧的通信网络和用户侧的家庭局域网。同时，银泉网络公司还和许多供应商合作配置了电表中的通信模块，促进了高级量测体系的开发。3）DR系统。霍尼韦尔公司旗下的智能电网服务供应商Akuacom建立了一套应用OpenADR的DR系统，其开放式的智能电网通信架构用于自动传输电价和DR激励信号。该系统的核心部分就是支撑OpenADR的软件操作平台——DRAS。4）DR交易网络。UtilityIntegrationSolutions股份有限公司(UISOL)成功地将OpenADR整合到他们的DR交易网络(demandresponsebusinessnetwork，DRBizNet)中，使得电力公司和用户间的DR交易操作过程能够完全自动化。

自2003年至今，美国开展了大量的OpenADR研究和实践。OpenADR联盟成员在加州和美国其他地区也进行了许多DR试点和现场试验，开发出许多OpenADR相关的系统和装置，验证了OpenADR标准在实际Auto-DR项目中的可操作性。

1）加州电力公司动态尖峰电价项目。加州电力公司曾利用动态尖峰电价来削减尖峰负荷。2003—2005年夏季，劳伦斯伯克利实验室开展了一系列测试，目的有2个：一是开发并评估传输DR信号的通信技术，因为各个商业建筑的控制系统使用的是不同的协议和通信功能；二是了解和评估用户使用的用电控制策略。该项目中各个用户的平均和最大峰荷削减情况如表1所示，负荷基线(即不执行DR项目时各个用户的电力需求)基于气候敏感基线模型计算[25-26]。2003、2004年只是用动态价格模拟测试，2005年正式采用了尖峰电价进行结算。文献[27]和[28]介绍了2005年尖峰电价的设计方法和测试结果，包括在现场试验当中用到的通信设施，用以传输电价或激励信号至设备能量管理控制系统(energymanagementandcontrolsystems，EMCS)或相关的建筑自动化控制系统。同时，文献[27]还给出了一个尖峰电价项目的负荷形状案例研究。在该项目中，太平洋燃气与电力公司就利用了劳伦斯伯克利国家实验室和Akuacom公司开发的DRAS将尖峰电价传输到终端设备。

2）太平洋燃气与电力公司参与需求侧竞价项目。2007年夏季，加州开展了尖峰电价和需求侧竞价(demandbidding，DBP)项目，通过自动化技术和通信技术的应用，让许多不同类型的用户高效地参与到DR项目中。其中太平洋燃气与电力公司预期通过安装、测试并运行Auto-DR系统，削减15MW的峰荷时段电力负荷。文献[29]阐述了太平洋燃气与电力公司基于自动化平台执行需求侧竞价项目的方法，结果显示2007年Auto-DR系统的安装和运行情况已经超出了太平洋燃气与电力公司的预定目标。在参与项目之前用户只需要确定他们的负荷削减量和时间，而其实际执行则是基于OpenADR的Auto-DR技术的全自动化过程。

3）西雅图动态电价测试项目。2008年11月，劳伦斯伯克利实验室开展了一项动态电价测试项目[25]，在西雅图地区的部分商业建筑中安装了基于OpenADR的Auto-DR系统，用以削减冬季的早高峰负荷，通过现场试验验证了开展Auto-DR项目的可行性。OpenADR系统利用因特网和政府或企业局域网传输DR信号，商业建筑中设备能量管理控制系统接收到DR信号后开始自动执行控制策略。该项目设置了常态和高电价2种水平的电价，在早高峰负荷的3h内电价变为高电价状态，但该电价仅用于测试，用户的实际电费依然按照原来的单一电价结算。结果表明，商业建筑的平均负荷削减量达到14%，其中暖通空调和照明设备是最佳的DR资源。

4）加州DR资源参与辅助服务市场项目。2009年，加州独立系统运营商(CAISO)开展了一个试点项目，将非居民用户的DR资源作为非旋转备用竞价参与日前辅助服务市场。DR资源必须满足非旋转备用的要求：①10min内可开始响应；②响应可持续2h；③能向CAISO提供实时的遥测数据。在加州辅助服务市场中，这些DR资源与其它所有发电资源一起进行优化求解，每个参与用户的设备上都安装了实时遥测装置，以保证CAISO能够对其负荷情况进行实时监测。当需要使用DR资源时，利用OpenADR通信装置将信号传输至参与用户的设备能量管理控制系统，从而触发其自动响应策略。试点项目结果表明，OpenADR通信架构可用于该辅助服务市场[30-31]。

5）加州小型商业建筑Auto-DR试点项目。2009年，加州在部分小型商业建筑中对OpenADR系统进行测试。据调查显示，加州小型商业建筑的夏季尖峰负荷为1012GW，占据了整个夏季尖峰负荷的10%15%。文献[32]阐述了小型商业建筑利用OpenADR通信架构自动参与DR的方法。该项目中，DR信号分为10级(09级)，第0级是正常用电模式，第9级是削减负荷量最多的用电模式，如果设备的负荷削减量不够，CAISO会发送更高等级的信号至设备控制系统，反之发送更低等级的信号。现场试验显示，小型商业建筑利用OpenADR通信架构参与尖峰时段的负荷削减完全可行。

结论

1）Auto-DR是美国发展智能电网的战略性技术之一，是通过调动用户资源，降低高峰负荷，提高电网可靠性，减少电厂投资和环保压力，促进新能源接入的关键技术。DR标准化有利于促进Auto-DR的互操作，带动智能电网与用户互动技术的发展。OpenADR的发展历程表明，先进技术的发展和推广一方面有赖于技术本身的先进性和其带来的巨大收益潜力，另一方面也需要高效的技术研发体系和有效的推广形式，通过联合研究团体、设备制造企业、产品应用企业等单位，促进相关技术的研发和推广。

2）OpenADR在美国已发展近10a，并且已有多个成功应用的案例，初步展现出其巨大的技术优势和商业潜力，促进了美国Auto-DR的发展。但是OpenADR是在美国的电力市场环境下开发出来的，有一整套与电力市场相对应的政策法规，如果将其推广到中国，可能会出现适应性和操作性问题，如何完善OpenADR使其适应中国的电力体制还有待进一步的研究和实践。

3）中国期望Auto-DR的开展能够有助于降低工商业高峰负荷，为有序用电管理提供技术支持。虽然我国在Auto-DR技术方面刚刚起步，但发展势头良好。同时，DR技术标准的制定有助于促进设备制造企业、产品应用企业、服务提供商等单位研发相关的产品和服务，吸引更多的电力用户参与DR项目，从而降低用电成本，产生巨大的环保效益和社会效益。国内电力企业已经认识到相关问题的重要意义，电网企业牵头制定的DR技术标准也已进入起草阶段。

4）我国电力行业应进一步重视并加快DR标准的制定，参考OpenADR的制定方法，结合IECPC118的工作内容，从业务信息模型、通信协议、一致性和安全要求、测试和评估内容等方面制定适应国内电力体制的DR技术标准，促进Auto-DR在中国的发展。