物联技术在需求侧资源灵活接入的研究进展与应用展望

摘

要：近年来随着海量需求侧资源接入电网，海量数据与庞大计算量使得需求侧资源与电网的互动难以通过集中式实现。为应对该问题，需求侧资源管控也从集中式向分布式演变。在分布式管理模式下，需求侧资源以负荷聚合商所聚合成的负荷集群的方式与电网互动。因此，需求侧资源需要具有灵活接入不同负荷聚合商的能力，这对需求侧物联技术支撑提出了新的要求。以需求侧资源去中心化管理为背景，明确了需求侧资源灵活接入在物联架构中的体现，总结了物联技术在需求侧资源灵活接入中的进展，并对其发展前景进行了展望。关键词：需求侧响应；负荷聚合商；去中心化；灵活接入；物联技术引言电网的稳定运行依托于电力生产与电力消费的实时耦合。对于传统电网而言，发电侧利用负荷预测技术并结合量测数据实时控制发电机组的启停，从而保证电网中电力生产与消费的动态平衡。然而随着需求侧储能、电动汽车、智能家电等可控负荷的引入，电力生产和使用的界限逐渐模糊，需求侧用户也具备了参与电网调度的能力。此类有能力以不同形式与电网互动的资源，统称为需求侧资源。近年来，随着大量需求侧资源灵活接入电网，需求侧响应控制模型的复杂度与不确定性大大提高，系统内部信息交互量与计算规模也随之增加，这给实施集中式控制的需求侧响应带来了极大挑战。2017年，平健等人提出了去中心化的能量交易与需求侧资源管理机制，有助于应对广域需求侧资源所带来的海量数据聚合压力。但是在去中心化的管理模式中，需求侧资源接入的通用性与灵活性受到了广泛关注。本文以需求侧资源去中心化管理为背景，明确了需求侧资源灵活接入在物联架构中的体现，总结了3种物联技术在需求侧资源灵活接入中的进展，并对其发展前景进行了展望。集中式需求侧控制架构2015年，ArasSheikhi与ShahabBahrami提出了综合需求响应（integrateddemandresponse，IDR）的概念。在IDR的实施过程中，需求侧资源参照电力市场、碳市场等能源市场的价格信号，结合自身需求对用电行为进行调整与优化。就需求侧资源本身而言，资源所有者可以参与长期容量市场和日前批发市场的交易并从中获益。而就电网而言，需求侧资源与电网的互动有助于协助电网提高电力系统的稳定性、提升电网可再生能源消纳能力、削减负荷峰谷波动、延缓电网的建设投资。可见，对需求侧资源进行有效利用可以实现电网与用户的双赢。需求侧资源参与电网调度并非“即插即用”，而是需要借助信息流的接入实现对其用电行为的集中式控制。需求侧资源通过与之配对的高级计量基础设施（也称智能电表）（advancedmeteringinfrastructure，AMI），分级接入信息网。在用户与电网互动的过程中，控制子站采集所辖区域内所有需求侧资源的计量与监测数据，结合负荷预测与DR信号实现对需求侧资源用电的计划与控制。这种集中控制是借助如图1所示的需求侧资源集中控制架构实现的。图1

需求侧资源集中控制架构Fig.1

Centralizeddemand-sideresourcecontrolarchitecture在该架构中，信息网呈现固定的分层树状结构。所有用户需求侧资源运行数据经子站汇总到总站进行集中处理。总站通过树状信息网对所有需求侧资源实现集中控制。需求侧灵活接入2.1集中式控制架构的局限性随着大量需求侧资源灵活接入电网，IDR模型的复杂度与不确定性大大提高，系统内部信息交互量与计算规模也随之增加，出现了优化运行结果生成缓慢甚至不收敛的现象。在需求侧资源集中式控制的现状之下，IDR难以维持低时延下稳定运行。因此，随着需求侧资源数量激增，需求侧资源的管理也从集中式管理模式向分布式演变，去中心化的能量市场也应运而生。在分布式的管理模式中，用户参与响应更取决于局部市场与用户偏好，系统集中发布的指令或直接控制对响应的影响将会逐渐弱化。相比于传统的能源市场通常由少数大型能源供应商控制，分散化的能量市场通过技术和政策的支持，鼓励更多的参与者加入市场并以更加分散、灵活的方式管理和交易能源。在分散化的能量市场中，需求侧资源不再接受集中式控制，而是通过控制总站所辖区域内的多个负荷聚合商实现整合，以形成规模化的负荷集群，从而提供更大的市场交易能力和灵活性。然而，在集中式控制架构中，信息网的树状结构是固定的。需求侧资源所隶属的子站、分站也都是固定的。这使得需求侧资源不具有灵活形成负荷集群的能力，从而限制了其在去中心化的能量市场中与电网参与互动的能力。2.2需求侧灵活接入的特点为实现需求侧资源的灵活接入，需求侧架构需在传统集中式控制架构基础上实现连接结构的软化解耦，以确保树状结构的可调整性，从而赋予需求侧资源拥有灵活形成负荷集群的能力。然后，在子站层引入多个负荷聚合商，实现主站权限部分下放及需求侧资源分布式管理。需求侧信息架构的硬连接与软连接如图2所示。图2

需求侧信息架构的硬连接与软连接Fig.2

Hardandsoftconnectionofdemandsideinformationarchitecture相较于依赖硬连接的需求侧集中式控制架构，软连接架构的推广对于电网侧与用户侧都拥有重要意义。首先，对于用户而言，在传统集中式控制架构中，用户同电网运营方事先签订需求响应协议，响应形式单一。而软连接与负荷聚合商的引入给予了用户根据偏好选择不同响应方案的权利，无形中提升了用户参与条件的意愿。其次，软连接提升了需求侧资源聚合的灵活性，充分发挥需求侧资源边际成本低，反应时间短的优势，使得需求侧资源能够更灵活地匹配区域用电缺口，平抑可再生能源波动，并在电力市场拥有更大获利空间。然而，需求侧信息架构连接的软化对物联技术支持提出了更高的要求。需求侧物联技术进展33.1第五代通信技术（5G）电力系统中，电力可控设备间的互联互通程度决定了电力系统的稳定运行与抗风险能力。对输电网而言，高压线路已经普及了光纤通信，实现了沿线电力设备间的互联互通。相较输电网，配电网的电力设备深入到千家万户，呈现出有可控设备数量众多，连接结构复杂多变的特点。考虑到建设成本等因素，在配电网系统中实现光纤覆盖几乎是不可能的。目前，配电网末端海量电力设备并未实现完全的互联互通，这对需求侧资源参与电网互动造成了极大的阻碍。近年来，5G技术取得了长足的进步并已经实现规模商用。首先，5G技术属于无线物联技术，相较于光纤通信等有线物联技术，不存在信息网络受制于有线连接结构的问题，为海量需求侧资源的低成本灵活接入提供了极大便利。其次，5G

技术的高容量特性可以实现海量设备的接入，每平方千米范围最多可以支持100万个终端，可以充分支持区域内所有的需求侧资源实现灵活接入。除高容量特性外，相较于4G、3G技术，5G技术也具有高速率、低时延的特点。5G通信在峰值速率、区域速率和边缘速率这3个指标相较于4G技术都有明显优势。其区域速率（系统同时支持总速率）是4G技术的约1000倍。5G技术致力于借助通信网络实现万物高速灵活互联，这与实现大量需求侧资源灵活接入与管理的需求不谋而合。需求侧资源的有效管理依赖于IDR模型的反馈调节机制。量测数据的采集汇总与控制指令的分级下发是完成反馈调节的2个重要步骤。而5G技术的引入对于这2个步骤都有着显著地提升。现阶段，智能电表已在需求侧实现普及，然而受制于数据量的压力，大量智能电表仅上传当日用电量，这对于IDR模型几乎没有意义。大量细颗粒度的量测数据被舍弃，这使得量测数据的实效性大幅降低，实时控制的精准性也受到较大影响。早在20世纪70年代，非侵入式辨识技术就被学者提出。然而由于其所需的功率量测数据颗粒度较细，传统的物联技术无法支撑数据采集而导致至今尚未投产。对于5G技术而已，其高速率高容量特性能够充分打破该技术壁垒，使得大量需求侧资源细粒度量测数据的采集成为可能。对于控制指令的分级下发，传统IDR致力于实现长时间尺度内需求侧负荷的削峰填谷，而随可再生能源渗透率增加，具有较高实效性的短时间尺度IDR调频也变得不可或缺。这对海量需求侧资源的实时控制的信息时延提出了要求，5G通信的端到端时延小于10ms，能够很好支持秒级的调频需求。3.2标准化的通信接口与协议标准化的接口与协议是支撑需求侧资源灵活接入并参与IDR的根本。在需求侧资源参与响应的推广试点中，由于缺少统一标准与规范，各IDR设备制造商所生产的AMI终端等产品存在接口不一、通信协议多样的问题，造成了电网与需求侧资源的互联互通受到影响。为了使接口与协议互相兼容，项目过程中的开发量也大幅增加。非标准化的接口与通信协议导致需求侧资源接入受限，也阻碍了IDR业务的规模化发展。对此，美国劳伦斯伯克利国家实验室需求响应研究中心于2009年发布了开放式自动需求响应规约OpenADR1.0（openautomateddemandresponse），并在2012年发布了OpenADR2.0版本，对初版内容进行了适当修饰。该架构对AMI系统内元件的接口与通信协议进行了标准化规约，并已在加利福尼亚州开展了大量实践并积累了丰富的经验。澳大利亚也于2014年基于居民可控资源负荷颁布了AS/NZS4755系列规约。该规定明确了家用空调、家用热水器、电动车家用充电桩等硬件接口及通信协议指令，并同时确定了家用电器需求响应等级并进行了标注。在后续的试点中，该规约为需求侧资源带来了良好兼容性，确保了其灵活接入的能力。中国同样也致力于推进需求响应产品接口与通信协议的统一化。2014年8月，SAC/TC549全国智能电网用户接口标准化技术委员会在北京成立。该委员会主要负责IDR、能效管理等智能用电服务领域国家标准制修订工作。自委员会成立以来已颁布3个国标，另有《电力需求响应系统安全防护规范》正在起草中。该委员会共有4个工作组，其中第二工作组主要关注IDR相关领域标准的制定。该工作组牵头建立了国内首套包括IDR系统、终端、接口、测评、与管理要求的标准，并提出了电力需求响应标准体系。该标准正文共7章，包括范围、规范性引用文件、术语和定义、信息交换一般原则和要求、信息模型、信息交换服务和信息交换机制；该标准还有附录4章，分别为需求响应信息交互典型场景、JSON语法、HTTP封装与JSON报文示例、缩略语。该标准第5章与第6章中对应的JSON代码、HTTP接口、消息队列遥测传输等协议都在附录中提供了示例，为正文进行了具象化补充与解释说明，更为IDR产品的生产厂商提供了标准模版。3.3边缘计算技术随着需求响应技术的推广，配电网末端接入的需求侧资源数量急剧增长，导致集中式控制架构内部信息交互量与运算负担呈几何倍数增长。同时，大量的需求侧资源接入在信息网边缘形成了巨量数据流，对信息网形成了较大压力。需求侧资源带宽配置普遍不高，如果通道被大量冗杂数据挤占，甚至会影响到IDR的数据采集与指令下发，给配电网的运行带来极大的不稳定性。为应对该问题，边缘计算技术（edge

computing）应运而生。边缘计算技术是指将计算资源和数据处理能力分布到离用户设备更近的边缘节点上，以降低云端计算压力与数据链路平均长度，从而使系统更好地支持大量需求侧资源的灵活接入。图3为应用于需求侧资源管理的云边协同架构。图3

应用于需求侧资源管理的云边协同架构Fig.3Cloud-edgecollaborativearchitectureappliedtodemand-sideresourcemanagement应用于需求侧资源管理的云边协同架构分为云、管、边、端4层。该结构中，区域内需求侧资源组成了终端层。该层所有量测数据通过边缘算力完成数据汇总、清洗、处理、分析，再将其输出结果通过子站同步到云端总站。总站借助云管边端结构实现广域数据汇总，进行分析与推演，从而完成海量需求侧资源与电网的高效互动。国外相关研究已经起步，Moghaddam等人在2017年提出了边缘计算在需求侧响应中使用的案例。在其算例中，作者将部分原本由云端负责的计算任务分散到网络的边缘进行。通过与完全集中式云计算的比较，证实了边缘数据技术对系统运行速率确有提升。在国内，李彬等人在2018年参考了欧洲电信标准化协会提出的边缘计算框架，并依据国内IEC62939标准，设计了自动需求响应边缘计算（automateddemandresponseedgecomputing，ADR-EC）节点的分层架构模型。边缘计算的实质是借助云管边端架构，在边缘进行数据二次汇总前的预处理，从而降低核心节点计算压力与核心节点周边数据量。该技术可以充分对应需求侧集中式控制架构，在子站部署算力，从而对区域内所有用户的量测数据进行预处理再上报控制中心计算集群。在协助实现需求侧资源灵活接入上，使用边缘计算架构具有两大优势。首先，需求侧资源的灵活接入基于用户终端与子站管控平台的解耦，给系统带来更大灵活性的同时也引入了较多不确定性。部署子站与用户端间的边缘算力能够在系统不确定性增加时为上层平台输送更加有序、稳定、清洁的数据，提高了系统整体的鲁棒性。其次，为实现需求侧资源灵活接入，用户加入/退出子站所辖集群是一个需要实时评估的过程，该过程需要充分考虑用户偏好，也更适合由边缘算力完成，而非通过更长的数据链路汇总到主站进行集中决策。未来需求侧物联发展展望4需求侧灵活接入方兴未艾，其发展对于电网侧与用户侧都具有重要意义。然而其蓬勃发展持续对需求侧物联技术提出了新的要求。随着需求响应技术在配电网末端的广泛普及，需求侧资源物联技术在以下2个方面有着进一步提升的空间。4.1电力定制化芯片随着数字电网建设的日益成熟，电力系统体现出了高度电力电子化的特点。通用工业级芯片已在电力行业得到广泛应用，基本能够满足电力系统现阶段的需求。但随着电网日益电力电子化，通用工业级芯片在诸如需求侧资源管理、能量交易等特有领域逐渐无法满足系统所需的可靠性、经济性与兼容性。电力定制化芯片（power

specific

integrated

circuit，PSIC）是电气工程与集成电路的学科交叉产物，其设计与制造高度依赖于计算及多物理场仿真、芯片设计、场景算法、芯片测试等技术的高度融合与统一，相比通用工业级芯片，电力定制芯片具有稳定、低成本、低延迟、低功耗等优点。目前，由中国数字电网研究院基于继电保护、配电自动化、新能源、计量自动化等多个场景开发的FUXI系列定制化芯片正处于验证阶段。FUXI系列芯片由通用模块和电力专用模块共同组成，在保留部分通用功能的同时加入了基于特定场景用途的定制化模块，提升了芯片在特别领域的性能。在未来，随着适用于需求侧资源管理的电力定制化芯片量产普及，系统的表现会得到进一步提升。4.2需求侧资源集群间的区块链技术在需求侧资源分布式管理与边缘计算技术的双重推动背景下，中心化、发散式的数据流架构并非是最高效的。尽管借助相应的物联技术在中心化、发散式的数据流架构中实现了连接解耦与算力下放，同级单元之间缺乏直接沟通的手段仍然制约着需求侧资源进入完全分散化的能量市场。区块链技术作为一种分布式记账系统，其架构具有去中心化的特征，这是值得需求侧物联架构所借鉴的。不同于中心化、发散式的数据流架构，区块链架构实现了同级别单元间的全连接与协同联动，使其能够很好地适配当下能量市场去中心化与海量需求侧资源分散自治的趋势。然而，完全去中心化的管理模式与数据流对于需求侧来说也是不现实的。完全分散与扁平化的需求侧管理无法保证可控资源运行的同步性，在区域内出现大规模电力缺口或故障时也无法进行全局统筹从而尽可能减少故障损失。因此，借鉴于区块链的技术特点，未来需求侧物联架构将向弱中心化趋势发展。弱中心化的区块链协同联动架构如图4所示。在弱中心化区块链协同联动架构中，区域内的需求侧资源调度主要依靠子站间的协同联动控制，甚至在一般情况下，主站不介入所辖区域内的IDR运行。在该架构下，子站收集所辖区域内需求侧资源的聚合功率与调节潜力并与其他子站共享。若某子站所辖区域内出现较大的电力缺口或者负荷波动，该子站会以发布形式向其他子站购买裕度或调节潜力以实现区域内能量的供需平衡，如此便实现了层级内子站间的协同联动调控。当区域内发生大范围电力缺口或波动，大量由子站发布的裕度或能量购买需求未得到及时响应时，处于更高层级的主站才会介入全局调控，并要求相应节点弃电以保证所辖区域内不发生系统崩溃、大面积停电等事故，将故障损失降至最小化。相较于传统发散式信息网架构，弱中心化区块链协同联动架构不仅大幅降低了主站的数据量与计算量，还进一步减少了数据流的平均长度，提高了需求侧资源参与响应的效率。图4

弱中心化的区块链协同联动架构Fig.4

Weaklycentralizedblockchaincollaborativelinkagearchitecture4.3需求侧资源的信息物理融合信息物理系统（cyber-physicalsystem，CPS）是一个包含物理环境、信息网络与融合计算的多维复杂系统。依托3C（computing、communication、