0 引言

智能電網用戶需求側的半實物仿真技術研究具有重要意義。通過需求側資源互聯特性分析、互聯策略設計,有利于對分布式電源、可調負荷系統/設備、分散式儲能、電動汽車等需求側資源進行規模化調節,形成可靈活調控的需求側響應資源,支撐電網側與需求側通過互動進行削峰填谷,保障電力供需平衡,以提高區域電力系統的整體運行效率。

通過對需求側資源進行半實物仿真互聯,能夠形成針對可再生能源消納場景的互聯調控策略,用于規模化調節分布式電源、可調負荷系統/設備、分散式儲能、電動汽車等需求側資源,從而跟蹤可再生能源出力,配合電網側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勢,因此選擇半實物仿真調控策略更加真實、可靠、經濟。

通過研發規范化和系統化的需求側資源互聯仿真軟件,為需求側資源互聯策略模擬運行與修正完善提供技術支撐,解決節能服務業務開展過程中需求側系統/設備互動策略適應性差、互動能力差等問題,保障需求側系統/設備高效地參與能效管理、需求響應等節能服務業務,推動節能服務業務開
展^[2]。格蘭富實驗室（Grundfos Dormitory Lab,GDL）是虛擬電網整合實驗室（Virtual Grid Integration Laboratory, VirGIL）協仿真平臺的實驗平臺,對包括180名學生居住的12層建筑進行了數值仿真,裝有記錄電能消耗、水量使用和室內氣候條件等數據的傳感器。本文基于VirGIL協仿真平臺開展了需求側半實物仿真技術的研究,并集成了包括蓄冰空調、蓄熱電鍋爐、智能家居等業務子系統,為我國需求側技術的應用提供了參考數值模型的設計思路。

 1 需求響應系統仿真技術發展

1.1 需求響應技術發展

電力需求響應簡稱需求響應（Demand Response,DR）,在智能電網中應用較為廣泛,它使得供電側和用戶側的信息交互更為靈活,是重要的互動資源,智能電網為需求響應的進一步應用與實踐提供了新的發展平臺。當電力市場的價格提高或系統可靠性受到威脅時,需求側資源響應電價變化或促使節約電力的激勵機制,改變正常用電模式的行為^[3-4]。在解決需求側管理（Demand Side Management,DSM）的相關問題時,需求響應起到至關重要的作用,也是推動智能電網和整個電力行業發展的關鍵技術,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運行的穩定性和可靠性,并帶來良好的經濟效益。

最初,主要依靠人工方式實現需求響應,用戶手動控制設備來實現供電側與用戶側之間的信息交互。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進行轉變。

1.2 國內外需求響應仿真技術發展

國外在需求響應系統實體建模和系統設計方面技術成果較為顯著。霍尼韋爾公司研究實驗室將設備的能源管理和控制作為大規模優化問題,考慮供電側和需求側2方面的可再生發電、蓄電技術以及動態電價和負荷管理等問題,提出了與優化構想相關的能量管理系統模型^[5]。克拉克森大學通過蒙特卡羅模擬,提出了解決家用電器實時優化需求響應管理問題所用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架構,使其可在智能電網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3個主要模塊構成的分層結構,設計了基于此架構的家庭能源管理模式^[7]。

南京農業大學提出了一種居民用電優化模型,分別對時間和空間進行分層,為新型用電優化模型的建立提供了依據^[8]。華北電力大學提出了一種基于實時電價的智能用電系統框架,并分析了智能用電系統的信息交互流程^[9]。中國電力科學研究院提出了自動需求響應研究框架,分析了各模塊的研究任務,并設計了系統的總體業務信息流程^[10]。國內對冰蓄冷空調及冷熱電聯產（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）的仿真模塊搭建技術的研究較為成熟,對仿真模型的多環境優化研究較為深入,而在搭建政府、電網企業等主體仿真模型的相關理論及數字物理混合仿真技術方面的相關研究還亟待進一步完善。

 2 需求側協仿真平臺應用

2.1 需求側協仿真互動協議

開放式自動需求響應（Open Automated Demand Response,OpenADR）是關于自動需求響應中通信規范問題的描述,定義了一種通信數據模型,以及供電側和用戶側之間信息交換的標準和規范,使用戶側措施可自動完成。只要滿足OpenADR2.0的相關協議,就可以實現需求響應的開放化和自動化^[11-13]。開放是指可以讓任何對象實現雙向信令系統,并提供向自動客戶端發布信息的服務器。OpenADR基于已有的標準通信協議,利用現有的設施高效、靈活地將需求響應、價格、可靠性信息等從供電側傳送至用戶側。

OpenADR2.0由虛擬根節點（Virtual Top Nodes,
VTN）和虛擬端節點（Virtual End Nodes,VEN）組成。VTN負責給其他節點分發并傳送事件信息,VEN負責接收信息的下游通信節點,VTN和VEN分別對應于供電側和用戶側。這些節點可以使用各種協議進行通信,可以以PUSH模式（VTN發起通信）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：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;為2個參與者建立關聯的服務,作為進一步交互的基礎;從市場環境中獲取信息的服務,在市場環境中保存變化少的信息,以減少信息交互;事件服務,是響應價格的核心需求響應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,可用于實施能源市場交互,并傳遞價格信號;反饋報告,設置周期性或一次性的資源狀態信息;可用性服務,用于VEN在市場環境中確定接收和響應事件的各時段;VEN臨時改變自身可用性計劃的服務等^[14]。

總而言之,OpenADR的目的是基于開放標準的通信數據模型,通過需求響應價格和事件信息實現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 協仿真平臺VirGIL

在需求響應的研究中,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,優先于市場控制行為,可以使用仿真技術評估目標需求響應。協仿真結合特定領域的仿真技術,具有很大優勢。例如,配電網規劃模型和通信模型能夠從整體和細節的角度評估需求響應,在運營實踐方面具有更加堅強的基礎。勞倫斯伯克利國家實驗室開發的協仿真平臺虛擬電網整合實驗室平臺（VirGIL）,可證明需求響應的潛力^[15]。VirGIL是一個模塊化的協仿真平臺,用于研究需求響應策略、建筑舒適性、通信網絡與電力系統運行之間的相互作用,它將商業電力系統仿真與建筑和通信網絡的模型相結合,目的是估計DR策略對電網的影響。VirGIL架構基于功能模型接口（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構,可以簡單地交換和測試不同的協仿真工具。

VirGIL對新型仿真技術進行簡單整合,并結合電力系統、通信網絡、建筑模型和控制工程中使用的最先進的仿真技術。如果需要,在VirGIL中開發的模塊結構可以轉換到其他電力系統模型中,以整體動態的方式來評估能源、控制和通信系統的
策略。

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

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

DR服務提供商的優化和控制模塊聚集了來自外部數據提供商的數據（例如電價）和配電網模型。這些數據應用于OMNeT++中仿真的OpenADR協議,將需求響應策略傳遞給協仿真實驗平臺。OpenADR信息隨后由控制器進行處理,并轉換為控制指令,控制通風設備風扇模型。通風設備系統的操作點影響室內CO₂模型,在半實物仿真系統中,模型由實際硬件組件替代。

OMNeT++是一款基于組件的、模塊化的、開放的網絡仿真軟件,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勢。因此,在VirGIL平臺中使用OMNeT++軟件可以更好地模擬OpenADR協議的信息交換和傳遞。

 3 智能電網用戶需求側系統仿真

智能電網用戶需求側仿真系統的搭建遵循利用現有技術解決問題的思路,以現有成熟技術為基礎,降低成本,參照標準OpenADR2.0b實現。

3.1 供電側仿真

在OpenADR2.0b中,網絡中的節點被分為2組：VTN和VEN。VTN是向其他節點發布和傳遞事件信息的節點,VEN是接收響應信息的通信節點,這些節點可以使用多種協議進行通信,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備。通常在交互中,VTN作為服務器,向VEN提供信息,VEN本身響應該信息。例如,VTN作為宣告需求響應事件的實體,VEN響應該需求響