智能电网用户需求侧半实物仿真技术研究

0 引言

智能电网用户需求侧的半实物仿真技术研究具有重要意义。通过需求侧资源互联特性分析、互联策略设计,有利于对分布式电源、可调负荷系统/设备、分散式储能、电动汽车等需求侧资源进行规模化调节,形成可灵活调控的需求侧响应资源,支撑电网侧与需求侧通过互动进行削峰填谷,保障电力供需平衡,以提高区域电力系统的整体运行效率。

通过对需求侧资源进行半实物仿真互联,能够形成针对可再生能源消纳场景的互联调控策略,用于规模化调节分布式电源、可调负荷系统/设备、分散式储能、电动汽车等需求侧资源,从而跟踪可再生能源出力,配合电网侧对可再生能源进行消纳,从而提高可再生能源利用率^[1]。由于半实物仿真与实物仿真等方式相比成本更低,与数字化仿真相比更接近真实情况,在模拟真实场景方面具有更大优势,因此选择半实物仿真调控策略更加真实、可靠、经济。

通过研发规范化和系统化的需求侧资源互联仿真软件,为需求侧资源互联策略模拟运行与修正完善提供技术支撑,解决节能服务业务开展过程中需求侧系统/设备互动策略适应性差、互动能力差等问题,保障需求侧系统/设备高效地参与能效管理、需求响应等节能服务业务,推动节能服务业务开
展^[2]。格兰富实验室（Grundfos Dormitory Lab,GDL）是虚拟电网整合实验室（Virtual Grid Integration Laboratory, VirGIL）协仿真平台的实验平台,对包括180名学生居住的12层建筑进行了数值仿真,装有记录电能消耗、水量使用和室内气候条件等数据的传感器。本文基于VirGIL协仿真平台开展了需求侧半实物仿真技术的研究,并集成了包括蓄冰空调、蓄热电锅炉、智能家居等业务子系统,为我国需求侧技术的应用提供了参考数值模型的设计思路。

 1 需求响应系统仿真技术发展

1.1 需求响应技术发展

电力需求响应简称需求响应（Demand Response,DR）,在智能电网中应用较为广泛,它使得供电侧和用户侧的信息交互更为灵活,是重要的互动资源,智能电网为需求响应的进一步应用与实践提供了新的发展平台。当电力市场的价格提高或系统可靠性受到威胁时,需求侧资源响应电价变化或促使节约电力的激励机制,改变正常用电模式的行为^[3-4]。在解决需求侧管理（Demand Side Management,DSM）的相关问题时,需求响应起到至关重要的作用,也是推动智能电网和整个电力行业发展的关键技术,可以给用户带来便利的生活体验,也可以帮助提高电力系统运行的稳定性和可靠性,并带来良好的经济效益。

最初,主要依靠人工方式实现需求响应,用户手动控制设备来实现供电侧与用户侧之间的信息交互。但是人工方式可靠性及有效性较差,从而开始向自动需求响应进行转变。

1.2 国内外需求响应仿真技术发展

国外在需求响应系统实体建模和系统设计方面技术成果较为显著。霍尼韦尔公司研究实验室将设备的能源管理和控制作为大规模优化问题,考虑供电侧和需求侧2方面的可再生发电、蓄电技术以及动态电价和负荷管理等问题,提出了与优化构想相关的能量管理系统模型^[5]。克拉克森大学通过蒙特卡罗模拟,提出了解决家用电器实时优化需求响应管理问题所用2种方法的属性^[6]。荷兰能源公司提出了用于智能建筑中负荷管理的系统架构,使其可在智能电网中进行自动负荷管理,并提出了由准入控制、负荷平衡和需求响应3个主要模块构成的分层结构,设计了基于此架构的家庭能源管理模式^[7]。

南京农业大学提出了一种居民用电优化模型,分别对时间和空间进行分层,为新型用电优化模型的建立提供了依据^[8]。华北电力大学提出了一种基于实时电价的智能用电系统框架,并分析了智能用电系统的信息交互流程^[9]。中国电力科学研究院提出了自动需求响应研究框架,分析了各模块的研究任务,并设计了系统的总体业务信息流程^[10]。国内对冰蓄冷空调及冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）的仿真模块搭建技术的研究较为成熟,对仿真模型的多环境优化研究较为深入,而在搭建政府、电网企业等主体仿真模型的相关理论及数字物理混合仿真技术方面的相关研究还亟待进一步完善。

 2 需求侧协仿真平台应用

2.1 需求侧协仿真互动协议

开放式自动需求响应（Open Automated Demand Response,OpenADR）是关于自动需求响应中通信规范问题的描述,定义了一种通信数据模型,以及供电侧和用户侧之间信息交换的标准和规范,使用户侧措施可自动完成。只要满足OpenADR2.0的相关协议,就可以实现需求响应的开放化和自动化^[11-13]。开放是指可以让任何对象实现双向信令系统,并提供向自动客户端发布信息的服务器。OpenADR基于已有的标准通信协议,利用现有的设施高效、灵活地将需求响应、价格、可靠性信息等从供电侧传送至用户侧。

OpenADR2.0由虚拟根节点（Virtual Top Nodes,
VTN）和虚拟端节点（Virtual End Nodes,VEN）组成。VTN负责给其他节点分发并传送事件信息,VEN负责接收信息的下游通信节点,VTN和VEN分别对应于供电侧和用户侧。这些节点可以使用各种协议进行通信,可以以PUSH模式（VTN发起通信）或PULL模式（VEN从VTN请求信息开始一系列消息交换）进行通信。VTN/VEN还可以通过诸如XML消息和存在协议（Extensible Messaging and Presence Protocol,XMPP）的其他传输机制进行通信。

OpenADR2.0涉及多项服务：对VEN、VTN、电表等不同角色的参与者信息进行注册标记的服务;为2个参与者建立关联的服务,作为进一步交互的基础;从市场环境中获取信息的服务,在市场环境中保存变化少的信息,以减少信息交互;事件服务,是响应价格的核心需求响应事件功能和信息模型,在交易中鉴别不同类别的事件,并传递可靠性信息、紧急信息等;实时电价服务,可用于实施能源市场交互,并传递价格信号;反馈报告,设置周期性或一次性的资源状态信息;可用性服务,用于VEN在市场环境中确定接收和响应事件的各时段;VEN临时改变自身可用性计划的服务等^[14]。

总而言之,OpenADR的目的是基于开放标准的通信数据模型,通过需求响应价格和事件信息实现用户与电力公司之间的信息交互,包括信息加密、传输、解密等过程,两者之间的信息交互是双向的。

2.2 协仿真平台VirGIL

在需求响应的研究中,对于潜力的评估缺乏合适工具是限制策略成功的主要因素。要解决这一问题,优先于市场控制行为,可以使用仿真技术评估目标需求响应。协仿真结合特定领域的仿真技术,具有很大优势。例如,配电网规划模型和通信模型能够从整体和细节的角度评估需求响应,在运营实践方面具有更加坚强的基础。劳伦斯伯克利国家实验室开发的协仿真平台虚拟电网整合实验室平台（VirGIL）,可证明需求响应的潜力^[15]。VirGIL是一个模块化的协仿真平台,用于研究需求响应策略、建筑舒适性、通信网络与电力系统运行之间的相互作用,它将商业电力系统仿真与建筑和通信网络的模型相结合,目的是估计DR策略对电网的影响。VirGIL架构基于功能模型接口（Functional Mockup Interface,FMI）,FMI定义了仿真工具功能的标准接口,提供了一种模块化结构,可以简单地交换和测试不同的协仿真工具。

VirGIL对新型仿真技术进行简单整合,并结合电力系统、通信网络、建筑模型和控制工程中使用的最先进的仿真技术。如果需要,在VirGIL中开发的模块结构可以转换到其他电力系统模型中,以整体动态的方式来评估能源、控制和通信系统的
策略。

例如,可使用VirGIL分析居民建筑控制通风设备的需求响应潜力^[16]。VirGIL需求响应评估用例情况如图1所示。

图1 VirGIL需求响应评估用例情况Fig.1 VirGIL demand response evaluation case

DR服务提供商的优化和控制模块聚集了来自外部数据提供商的数据（例如电价）和配电网模型。这些数据应用于OMNeT++中仿真的OpenADR协议,将需求响应策略传递给协仿真实验平台。OpenADR信息随后由控制器进行处理,并转换为控制指令,控制通风设备风扇模型。通风设备系统的操作点影响室内CO₂模型,在半实物仿真系统中,模型由实际硬件组件替代。

OMNeT++是一款基于组件的、模块化的、开放的网络仿真软件,主要面向离散事件,对于通信实体进行信息交换等方面的映射具有很强的优势。因此,在VirGIL平台中使用OMNeT++软件可以更好地模拟OpenADR协议的信息交换和传递。

 3 智能电网用户需求侧系统仿真

智能电网用户需求侧仿真系统的搭建遵循利用现有技术解决问题的思路,以现有成熟技术为基础,降低成本,参照标准OpenADR2.0b实现。

3.1 供电侧仿真

在OpenADR2.0b中,网络中的节点被分为2组：VTN和VEN。VTN是向其他节点发布和传递事件信息的节点,VEN是接收响应信息的通信节点,这些节点可以使用多种协议进行通信,VTN/VEN可以通过XML和XMPP等机制进行通信,这些配置文件支持具有不同能力的终端设备。通常在交互中,VTN作为服务器,向VEN提供信息,VEN本身响应该信息。例如,VTN作为宣告需求响应事件的实体,VEN响应该需求响