應事件,這種響應可以降低對一些設備的功率,也可以將信號進一步傳輸到其他VEN,這種情況下,VEN將成為新交互過程的
VTN。

本仿真系統的VTN為需求響應服務平臺,VEN為需求響應終端模塊,它們相互傳遞基于OpenADR2.0b的需求響應和價格等信息。而供電側仿真平臺和需求響應中心屬于供電側的系統,服務商負責維護需求響應服務平臺,發生需求響應事件時,通知各個參與用戶及時作出反饋和相應措施^[17]。

3.2 用戶側仿真

在用戶側,各參與用戶都有能夠接收需求響應信息的需求響應終端模塊,該模塊可以是一個獨立的用戶終端設備,也可以是用戶能源管理系統的嵌入式模塊。當用戶接收到需求響應或價格等信息后,按照相應的需求響應控制策略控制用電設備,可以實現電網削峰填谷、緩解供電緊張、提高電網運行效率等功能。用戶需求側仿真系統總體架構如圖2
所示。

圖2 用戶需求側仿真系統總體架構Fig.2 Overall structure of demand-side simulation system for users

需求響應的服務平臺可以根據需求響應中心傳輸的電價、事件信息以及用戶的需求情況對任務進行調整,并分配給用戶;可以將各用戶的反饋信息進行總結,形成供用戶查詢的評估結果,并實現需求響應平臺與用戶之間的信息交互。

 4 用戶用能系統仿真

隨著用戶側智能設備的逐漸增多,用戶側設備的接入方式也從被動參與向主動參與變化,同時,不同參與主體,還需要進行互相協商。而當前的仿真技術還停留在傳統的資源調控,仿真技術支撐薄弱。可以通過建立包含分布式電源、分散式儲能、電動汽車、空調及電熱鍋爐等多元化資源互聯場景,模擬不同調控策略下的運行效果,提出多元化需求側資源互聯模式下的調控策略優化方法,可為多元化需求側資源互聯仿真與驗證提供技術支撐,為構建低碳環保型用能環境提供支撐。

4.1 用能設備仿真理論

需求側仿真技術主要基于系統仿真理論及自動控制理論,在此基礎上構建分布式電源、用戶側儲能等系統數字仿真模型。

系統仿真理論利用數學公式、邏輯公式和算法等表示系統實際狀態和輸入輸出的關系。當建立數學模型比較困難時,通常可以使用仿真技術。Matlab具有強大的圖形處理及仿真模擬等功能,可進行仿真模塊的搭建^[18]。可利用Matlab及其動態仿真工具Simulink對參與自動需求響應的實體進行仿真模塊搭建,通過軟件對自動需求響應建模,建立包括需求側分布式電源、電動汽車、分散式儲能、空調及電熱鍋爐等實體對象,并構建合適網絡拓撲用以仿真。系統仿真理論可用于需求側仿真軟件的研發和
測試。

自動控制理論以自動控制系統為研究對象,在運動和發展的過程中觀察系統,揭示出相同類型或所有類型系統共有的規律,對控制系統的行為進行數學描述,建立數學模型,在此基礎上對系統進行分析和綜合,進而逐步提高系統的自動控制性能。自動控制理論在需求側仿真研究中可用于需求側互聯參與主體之間通過信息交互實現自動信息調整,用于需求側終端設備/系統模型之間的自我調控,通過信息反饋實現對模型的分析與控制校正,為搭建需求側典型系統/設備互聯平臺提供理論基礎。

4.2 實踐應用

用戶側用能仿真系統可包含蓄冰空調半實物仿真系統、蓄熱電鍋爐半實物仿真系統、智能家居半實物仿真系統等一系列應用。電力需求側管理與智能用電仿真管理平臺架構如圖3所示。

圖3 電力需求側管理與智能用電仿真管理平臺架構Fig.3 Power demand side management and intelligent power simulation management platform architecture

4.2.1 蓄冰空調半實物仿真系統

蓄冰空調半實物仿真系統各組成部分包括主機、水泵、風機盤管、蓄冰系統等,實驗室環境作為該空調系統的負荷。系統原理是：在用電低谷時段,啟動壓縮機冷卻功能,將水冷卻成冰,儲存能量,在用電高峰時段使冰熔化吸熱,從而達到空調制冷的效果。蓄冰空調主要利用削峰填谷的方式將能量轉移,平衡負荷,進而達到節約能源和經濟成本的
目的。

蓄冷-放冷的功能可以驗證采用蓄冷技術開展需求響應業務的實際效果,可以實現系統仿真,模擬進出水溫度控制、與電網負荷互動控制等各種調控模式,在半實物仿真系統上進行實驗驗證,達到空調優化運行的目的,驗證仿真實驗的能力。蓄冰空調半實物仿真系統如圖4所示。

圖4 蓄冰空調半實物仿真系統Fig.4 Ice-storage air conditioning hardware-in-the-loop co-simulation system

4.2.2 蓄熱電鍋爐半實物仿真系統

蓄熱電鍋爐利用低谷時段的電力將蓄熱體加熱到一定溫度,并且滿足低谷時段建筑物的供暖負荷,蓄熱電鍋爐的原理與蓄冰空調很類似,同樣是利用削峰填谷的思想,將用電低谷時段的電量儲存起來,在用電高峰時段釋放,既滿足了用戶的用電需求,又節約了高峰時段的電能,并且達到了避免高峰用電的目的。蓄熱電鍋爐半實物仿真系統響應需求側管理與智能用電仿真平臺發出的電價信號,可以降低運行費用,平衡電網負荷,充分利用低谷電能,削峰填谷,節約電能,對環保也起到一定作用。可通過實驗室模擬蓄熱電鍋爐削峰填谷運行策略,測試仿真的實際運行效果。蓄熱電鍋爐半實物仿真系統如圖5所示。

圖5 蓄熱電鍋爐半實物仿真系統Fig.5 Heat storage electric boiler hardware-in-the-loop co-simulation system

4.2.3 智能家居半實物仿真系統

智能家居半實物仿真系統主要用于住宅、建筑、家用電器等,將互聯網等技術應用到家居設施中,例如空調、熱水器、洗衣機等,形成智能家居系統,為用戶帶來舒適便捷的生活體驗,同時提高家居系統的自動化水平。目前國內外正逐步加深對智能家居的研究和應用,并制定了一系列智能家居通信協議支撐其應用與實踐。美國BACnet協議是一種針對智能建筑的通信協議,在規范樓宇內空調、給排水和供配電等樓宇設備自動控制方面均有應用^[19]。歐洲的KNX總線協議則主要應用于燈光照明控制、電動窗簾控制、暖通控制和暗訪控制,可提供家庭、樓宇自動化的解決方案,由于費用高昂,KNX技術主要應用于公共設施。Zigbee聯盟制定的SEP2.0標準也是一項智能能源應用的規范,主要針對電表公司及用戶室內的主要用電設備（空調、熱水器等）^[20]。

很多家電廠商的智能家電已經投入使用,例如,美國通用電氣的Wink智能家居系統、蘋果公司的Homekit技術、德國西門子的“家居互聯”、韓國樂金電子的HomeChat等,國內品牌中,美的M-Smart智慧家居系統、海爾的智能空調、格蘭仕的“G+”平臺,都體現了智能家居系統的應用廣泛。

智能家居系統中,家電廠商為智能家電提供了云平臺,實現人與家電、家電與家電、家電與主站之間的通信。用戶可以通過手機APP與家電進行互動,服務商可以通過家電云平臺的應用程序與家電進行互動。家電云平臺可以為需求響應系統提供數據采集與控制的方法,聚合系統可以將用電數據通過云平臺發送至各家電。智能家電可通過設備接口或制造商云平臺接口實現與電網的互動,但互動需要以通信協議和信息模型為基礎。智能家電與智能電網互動能夠促進節能減排技術的應用推廣,既給居民用戶帶來了便捷、可靠、經濟的能源服務,又能為家電企業、電網企業等帶來可觀的經濟效益和積極的社會效益。智能家居半實物仿真系統示意如圖6所示。

圖6 智能家居半實物仿真系統示意Fig.6 Smart home hardware-in-the-loop co-simulation system

 5 結語

本文基于OpenADR協議,對智能電網用戶需求側的仿真進行了研究,分析了協仿真平臺的應用情況,介紹了用戶用能側的3個半實物仿真系統：蓄冰空調半實物仿真系統、蓄熱電鍋爐半實物仿真系統和智能家居半實物仿真系統,這3種系統在實際生活中應用比較廣泛,不僅可以為用戶的生活帶來便利,還可以為電力行業帶來經濟效益。

需求響應作為電力系統與用戶進行信息交互的關鍵技術手段,對于智能電網的資源優化和調控配置等方面起到舉足輕重的作用,自動需求響應使得供電側和用戶側之間的交互自動完成,將成為需求響應的發展趨勢。

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