0 引言

智能電網(wǎng)用戶需求側(cè)的半實物仿真技術(shù)研究具有重要意義。通過需求側(cè)資源互聯(lián)特性分析、互聯(lián)策略設(shè)計,有利于對分布式電源、可調(diào)負荷系統(tǒng)/設(shè)備、分散式儲能、電動汽車等需求側(cè)資源進行規(guī)模化調(diào)節(jié),形成可靈活調(diào)控的需求側(cè)響應(yīng)資源,支撐電網(wǎng)側(cè)與需求側(cè)通過互動進行削峰填谷,保障電力供需平衡,以提高區(qū)域電力系統(tǒng)的整體運行效率。

通過對需求側(cè)資源進行半實物仿真互聯(lián),能夠形成針對可再生能源消納場景的互聯(lián)調(diào)控策略,用于規(guī)模化調(diào)節(jié)分布式電源、可調(diào)負荷系統(tǒng)/設(shè)備、分散式儲能、電動汽車等需求側(cè)資源,從而跟蹤可再生能源出力,配合電網(wǎng)側(cè)對可再生能源進行消納,從而提高可再生能源利用率^[1]。由于半實物仿真與實物仿真等方式相比成本更低,與數(shù)字化仿真相比更接近真實情況,在模擬真實場景方面具有更大優(yōu)勢,因此選擇半實物仿真調(diào)控策略更加真實、可靠、經(jīng)濟。

通過研發(fā)規(guī)范化和系統(tǒng)化的需求側(cè)資源互聯(lián)仿真軟件,為需求側(cè)資源互聯(lián)策略模擬運行與修正完善提供技術(shù)支撐,解決節(jié)能服務(wù)業(yè)務(wù)開展過程中需求側(cè)系統(tǒng)/設(shè)備互動策略適應(yīng)性差、互動能力差等問題,保障需求側(cè)系統(tǒng)/設(shè)備高效地參與能效管理、需求響應(yīng)等節(jié)能服務(wù)業(yè)務(wù),推動節(jié)能服務(wù)業(yè)務(wù)開
展^[2]。格蘭富實驗室（Grundfos Dormitory Lab,GDL）是虛擬電網(wǎng)整合實驗室（Virtual Grid Integration Laboratory, VirGIL）協(xié)仿真平臺的實驗平臺,對包括180名學(xué)生居住的12層建筑進行了數(shù)值仿真,裝有記錄電能消耗、水量使用和室內(nèi)氣候條件等數(shù)據(jù)的傳感器。本文基于VirGIL協(xié)仿真平臺開展了需求側(cè)半實物仿真技術(shù)的研究,并集成了包括蓄冰空調(diào)、蓄熱電鍋爐、智能家居等業(yè)務(wù)子系統(tǒng),為我國需求側(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了參考數(shù)值模型的設(shè)計思路。

 1 需求響應(yīng)系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展

1.1 需求響應(yīng)技術(shù)發(fā)展

電力需求響應(yīng)簡稱需求響應(yīng)（Demand Response,DR）,在智能電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛,它使得供電側(cè)和用戶側(cè)的信息交互更為靈活,是重要的互動資源,智能電網(wǎng)為需求響應(yīng)的進一步應(yīng)用與實踐提供了新的發(fā)展平臺。當電力市場的價格提高或系統(tǒng)可靠性受到威脅時,需求側(cè)資源響應(yīng)電價變化或促使節(jié)約電力的激勵機制,改變正常用電模式的行為^[3-4]。在解決需求側(cè)管理（Demand Side Management,DSM）的相關(guān)問題時,需求響應(yīng)起到至關(guān)重要的作用,也是推動智能電網(wǎng)和整個電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),可以給用戶帶來便利的生活體驗,也可以幫助提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性,并帶來良好的經(jīng)濟效益。

最初,主要依靠人工方式實現(xiàn)需求響應(yīng),用戶手動控制設(shè)備來實現(xiàn)供電側(cè)與用戶側(cè)之間的信息交互。但是人工方式可靠性及有效性較差,從而開始向自動需求響應(yīng)進行轉(zhuǎn)變。

1.2 國內(nèi)外需求響應(yīng)仿真技術(shù)發(fā)展

國外在需求響應(yīng)系統(tǒng)實體建模和系統(tǒng)設(shè)計方面技術(shù)成果較為顯著。霍尼韋爾公司研究實驗室將設(shè)備的能源管理和控制作為大規(guī)模優(yōu)化問題,考慮供電側(cè)和需求側(cè)2方面的可再生發(fā)電、蓄電技術(shù)以及動態(tài)電價和負荷管理等問題,提出了與優(yōu)化構(gòu)想相關(guān)的能量管理系統(tǒng)模型^[5]。克拉克森大學(xué)通過蒙特卡羅模擬,提出了解決家用電器實時優(yōu)化需求響應(yīng)管理問題所用2種方法的屬性^[6]。荷蘭能源公司提出了用于智能建筑中負荷管理的系統(tǒng)架構(gòu),使其可在智能電網(wǎng)中進行自動負荷管理,并提出了由準入控制、負荷平衡和需求響應(yīng)3個主要模塊構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu),設(shè)計了基于此架構(gòu)的家庭能源管理模式^[7]。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了一種居民用電優(yōu)化模型,分別對時間和空間進行分層,為新型用電優(yōu)化模型的建立提供了依據(jù)^[8]。華北電力大學(xué)提出了一種基于實時電價的智能用電系統(tǒng)框架,并分析了智能用電系統(tǒng)的信息交互流程^[9]。中國電力科學(xué)研究院提出了自動需求響應(yīng)研究框架,分析了各模塊的研究任務(wù),并設(shè)計了系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)信息流程^[10]。國內(nèi)對冰蓄冷空調(diào)及冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）的仿真模塊搭建技術(shù)的研究較為成熟,對仿真模型的多環(huán)境優(yōu)化研究較為深入,而在搭建政府、電網(wǎng)企業(yè)等主體仿真模型的相關(guān)理論及數(shù)字物理混合仿真技術(shù)方面的相關(guān)研究還亟待進一步完善。

 2 需求側(cè)協(xié)仿真平臺應(yīng)用

2.1 需求側(cè)協(xié)仿真互動協(xié)議

開放式自動需求響應(yīng)（Open Automated Demand Response,OpenADR）是關(guān)于自動需求響應(yīng)中通信規(guī)范問題的描述,定義了一種通信數(shù)據(jù)模型,以及供電側(cè)和用戶側(cè)之間信息交換的標準和規(guī)范,使用戶側(cè)措施可自動完成。只要滿足OpenADR2.0的相關(guān)協(xié)議,就可以實現(xiàn)需求響應(yīng)的開放化和自動化^[11-13]。開放是指可以讓任何對象實現(xiàn)雙向信令系統(tǒng),并提供向自動客戶端發(fā)布信息的服務(wù)器。OpenADR基于已有的標準通信協(xié)議,利用現(xiàn)有的設(shè)施高效、靈活地將需求響應(yīng)、價格、可靠性信息等從供電側(cè)傳送至用戶側(cè)。

OpenADR2.0由虛擬根節(jié)點（Virtual Top Nodes,
VTN）和虛擬端節(jié)點（Virtual End Nodes,VEN）組成。VTN負責給其他節(jié)點分發(fā)并傳送事件信息,VEN負責接收信息的下游通信節(jié)點,VTN和VEN分別對應(yīng)于供電側(cè)和用戶側(cè)。這些節(jié)點可以使用各種協(xié)議進行通信,可以以PUSH模式（VTN發(fā)起通信）或PULL模式（VEN從VTN請求信息開始一系列消息交換）進行通信。VTN/VEN還可以通過諸如XML消息和存在協(xié)議（Extensible Messaging and Presence Protocol,XMPP）的其他傳輸機制進行通信。

OpenADR2.0涉及多項服務(wù)：對VEN、VTN、電表等不同角色的參與者信息進行注冊標記的服務(wù);為2個參與者建立關(guān)聯(lián)的服務(wù),作為進一步交互的基礎(chǔ);從市場環(huán)境中獲取信息的服務(wù),在市場環(huán)境中保存變化少的信息,以減少信息交互;事件服務(wù),是響應(yīng)價格的核心需求響應(yīng)事件功能和信息模型,在交易中鑒別不同類別的事件,并傳遞可靠性信息、緊急信息等;實時電價服務(wù),可用于實施能源市場交互,并傳遞價格信號;反饋報告,設(shè)置周期性或一次性的資源狀態(tài)信息;可用性服務(wù),用于VEN在市場環(huán)境中確定接收和響應(yīng)事件的各時段;VEN臨時改變自身可用性計劃的服務(wù)等^[14]。

總而言之,OpenADR的目的是基于開放標準的通信數(shù)據(jù)模型,通過需求響應(yīng)價格和事件信息實現(xiàn)用戶與電力公司之間的信息交互,包括信息加密、傳輸、解密等過程,兩者之間的信息交互是雙向的。

2.2 協(xié)仿真平臺VirGIL

在需求響應(yīng)的研究中,對于潛力的評估缺乏合適工具是限制策略成功的主要因素。要解決這一問題,優(yōu)先于市場控制行為,可以使用仿真技術(shù)評估目標需求響應(yīng)。協(xié)仿真結(jié)合特定領(lǐng)域的仿真技術(shù),具有很大優(yōu)勢。例如,配電網(wǎng)規(guī)劃模型和通信模型能夠從整體和細節(jié)的角度評估需求響應(yīng),在運營實踐方面具有更加堅強的基礎(chǔ)。勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的協(xié)仿真平臺虛擬電網(wǎng)整合實驗室平臺（VirGIL）,可證明需求響應(yīng)的潛力^[15]。VirGIL是一個模塊化的協(xié)仿真平臺,用于研究需求響應(yīng)策略、建筑舒適性、通信網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)運行之間的相互作用,它將商業(yè)電力系統(tǒng)仿真與建筑和通信網(wǎng)絡(luò)的模型相結(jié)合,目的是估計DR策略對電網(wǎng)的影響。VirGIL架構(gòu)基于功能模型接口（Functional Mockup Interface,FMI）,FMI定義了仿真工具功能的標準接口,提供了一種模塊化結(jié)構(gòu),可以簡單地交換和測試不同的協(xié)仿真工具。

VirGIL對新型仿真技術(shù)進行簡單整合,并結(jié)合電力系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、建筑模型和控制工程中使用的最先進的仿真技術(shù)。如果需要,在VirGIL中開發(fā)的模塊結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)換到其他電力系統(tǒng)模型中,以整體動態(tài)的方式來評估能源、控制和通信系統(tǒng)的
策略。

例如,可使用VirGIL分析居民建筑控制通風設(shè)備的需求響應(yīng)潛力^[16]。VirGIL需求響應(yīng)評估用例情況如圖1所示。

圖1 VirGIL需求響應(yīng)評估用例情況Fig.1 VirGIL demand response evaluation case

DR服務(wù)提供商的優(yōu)化和控制模塊聚集了來自外部數(shù)據(jù)提供商的數(shù)據(jù)（例如電價）和配電網(wǎng)模型。這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于OMNeT++中仿真的OpenADR協(xié)議,將需求響應(yīng)策略傳遞給協(xié)仿真實驗平臺。OpenADR信息隨后由控制器進行處理,并轉(zhuǎn)換為控制指令,控制通風設(shè)備風扇模型。通風設(shè)備系統(tǒng)的操作點影響室內(nèi)CO₂模型,在半實物仿真系統(tǒng)中,模型由實際硬件組件替代。

OMNeT++是一款基于組件的、模塊化的、開放的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,主要面向離散事件,對于通信實體進行信息交換等方面的映射具有很強的優(yōu)勢。因此,在VirGIL平臺中使用OMNeT++軟件可以更好地模擬OpenADR協(xié)議的信息交換和傳遞。

 3 智能電網(wǎng)用戶需求側(cè)系統(tǒng)仿真

智能電網(wǎng)用戶需求側(cè)仿真系統(tǒng)的搭建遵循利用現(xiàn)有技術(shù)解決問題的思路,以現(xiàn)有成熟技術(shù)為基礎(chǔ),降低成本,參照標準OpenADR2.0b實現(xiàn)。

3.1 供電側(cè)仿真

在OpenADR2.0b中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點被分為2組：VTN和VEN。VTN是向其他節(jié)點發(fā)布和傳遞事件信息的節(jié)點,VEN是接收響應(yīng)信息的通信節(jié)點,這些節(jié)點可以使用多種協(xié)議進行通信,VTN/VEN可以通過XML和XMPP等機制進行通信,這些配置文件支持具有不同能力的終端設(shè)備。通常在交互中,VTN作為服務(wù)器,向VEN提供信息,VEN本身響應(yīng)該信息。例如,VTN作為宣告需求響應(yīng)事件的實體,VEN響應(yīng)該需求響