0  引言

    “十三五”時期，我國能源消費增長換檔減速，保供壓力明顯緩解，供需相對寬松，能源發(fā)展進入新階段。在供求關系緩和的同時，結構性、體制機制性等深層次矛盾進一步凸顯，成為制約能源可持續(xù)發(fā)展的重要因素^[1]。

    “十二五”期間，我國風電、太陽能裝機規(guī)模年均增長分別為34.6%、177%，達到13 075萬千瓦、4 318萬千瓦。風電、光伏發(fā)電等可再生能源出力具有波動性、間歇性等特點，當可再生能源并網(wǎng)容量達到一定比重時，將給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來諸多挑戰(zhàn)：增加電網(wǎng)調峰壓力^[2]，增加電網(wǎng)運行方式及備用容量配置難度^[3]，影響電能質量^[4]，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定性^[2]。

    我國可再生能源發(fā)展迅猛，一方面棄風棄光率居高不下，另一方面大量高載能負荷由于生產(chǎn)用電成本過高而停產(chǎn)^[5]，既要保證大電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性，也要提升可再生能源利用水平，制定兼顧經(jīng)濟性和安全性的調度原則和方式^[6]，進一步優(yōu)化電力調度運行成為下一階段電力發(fā)展規(guī)劃的重要內容。

    隨著通信設備水平、智能電網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電網(wǎng)側集中調度模式面臨極大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的負荷也隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，逐漸成為可參與統(tǒng)一調度的新資源。電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）明確提出大力提高電力需求側響應能力，建立健全基于價格激勵的負荷側響應措施；完善推廣電力需求側管理，提高負荷側大數(shù)據(jù)分析能力，增強負荷側響應能力。

    2015年3月國務院發(fā)布的《進一步深化電力體制改革的若干意見》（9號文）聚焦配電側和售電側，揭開了新一輪電力體制改革的序幕。本次電改首個放開即落在售電市場上進行，中國的電力供應商由此開始多元化發(fā)展。同時文件提出，通過市場競爭來確定發(fā)、售電價，讓電價切實反映電力資源價值。電價改革為推進中國電力零售市場化創(chuàng)造了條件。推進電力系統(tǒng)運行模式變革，加快電力市場（現(xiàn)貨）、電力輔助服務市場建設，增強用戶參與能源供應和平衡調節(jié)的靈活性和適應能力，也是新一輪電力體制改革的重要內容。

    隨著市場觀念逐漸引入電力系統(tǒng)，系統(tǒng)對需求側的重視程度和互動程度被提升到新的高度。需求側管理基本的類型包括削峰、填谷、負荷轉移、戰(zhàn)略性節(jié)電、戰(zhàn)略性負荷增長^[7]。需求響應(demand response，DR)是需求側管理的重要技術手段，指通過檢測用戶對價格或者激勵信號做出的響應，繼而改變正常電力消費模式的過程^[8]，用戶可通過需求響應項目，主動參與電網(wǎng)調度，提高用戶側經(jīng)濟效益的同時，輔助實現(xiàn)削峰填谷。

1  可聚合負荷

1.1  負荷分類

    隨著全球電力市場的發(fā)展，電力系統(tǒng)的利益主體逐步泛化，多類型需求側資源在電力系統(tǒng)運行等方面的作用正在被重新定義^[9]。含負荷、分布式電源以及儲能系統(tǒng)的廣義需求側資源^[10]能有效提高需求響應的維度和彈性，可控制的負荷改變了傳統(tǒng)負荷被動、剛性、靜止的特點^[11]。負荷不再是電網(wǎng)負擔，而成為含潛在收益的新型資源。

    文獻[12]從負荷特征的角度，將用戶負荷分為趨勢負荷、周期負荷及隨機負荷，文獻[13]將用戶負荷分解為習慣相關與氣候相關成分。文獻[14]將負荷按可計劃、可控、可監(jiān)視和可檢測分類，總結出多種用電場景，具有可推廣性。文獻[15]考慮居民用戶溫控負荷的差異性，提出了面向多類溫控負荷的聚合模型，并分析溫控負荷對DR項目的響應效果。文獻[16]認為民用負荷可分解為環(huán)境類與習慣類負荷，通過聚類和基于代理的分析模型得到HVAC、照明負荷以及4種家用負荷（洗衣烘干類，爐與烤箱類，洗碗機，廣播播放器類）的負荷曲線，進而解決家用負荷能耗問題。文獻[17]對商業(yè)樓宇進行了負荷分類，通過仿真分析獲得了商業(yè)負荷數(shù)量與負荷轉移效果之間的聯(lián)系和影響。

    文獻[11]將負荷分為不可平移、可平移和可削減負荷三類，文獻[9]將負荷分為三類，與生活密切相關的強制負荷，不可中斷但可延遲的可平移負荷，以及可中斷可延遲的可計劃負荷。文獻[18]討論了面向需求響應的分散和集中負荷控制，分散控制與集中控制有效結合時才能獲得更好效果，對市場環(huán)境下負荷參與需求響應提供了具體方法。

1.2  可聚合負荷

    由于負荷側資源單個容量較小、數(shù)量眾多、隨機性較強，直接參與電力批發(fā)市場并不現(xiàn)實^[19]。在眾多需求側負荷中，需求響應更多地著眼于動態(tài)可控負荷。

    動態(tài)可控負荷是在一定的控制策略下或經(jīng)過簡單改造后可以靈活控制、快速調整負荷水平的用戶側負荷的統(tǒng)稱^[20]。大量的中小型動態(tài)可控負荷組合成邏輯上的需求側復合體，形成規(guī)模效應，可實現(xiàn)這一過程的負荷統(tǒng)稱為可聚合負荷。則負荷聚合可定義為：將數(shù)量眾多的可調控性負荷資源整合為一個或多個容量大、可控制的邏輯聚合體。

    聚合體在啟動時間、持續(xù)時間、控制方式上具有相似性，由于容量遠超單個用戶側負荷，將提升系統(tǒng)運行的可靠性，適應調峰、調頻等多種場景。負荷聚合的目的主要包含三方面^[21]：（1）調度潛力巨大；（2）挖掘需求響應潛力，提供多種輔助服務；（3）適應系統(tǒng)需求。其優(yōu)勢在于，不僅能夠平抑間歇性能源負荷波動、降低系統(tǒng)峰谷差，而且與增加裝機容量相比，投資成本低，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

    文獻[21]對大量分散、隨機性高的負荷進行集中建模，將負荷聚合分為主動聚合、被動聚合兩類，系統(tǒng)分析了各自的聚合對象和應用場景。其中，主動負荷聚合的對象主要可分為：可轉移負荷、可中斷負荷、可平移負荷。

1.3  負荷聚合商的定義和作用

    發(fā)達國家提出一種新的專業(yè)化機構，負荷聚合商^[22]（Load Aggregator，LA），是一個整合用戶需求響應并提供給市場購買者的獨立組織，不僅可以為中小負荷提供參與市場調節(jié)的機會，還可以通過專業(yè)的技術手段充分發(fā)掘負荷資源，提供市場需要的輔助服務產(chǎn)品。

針對LA的定義，文獻[23]定義LA為一家公司，在提供需求響應資源的電力終端用戶，以及想購買這些資源的電力系統(tǒng)參與者之間充當中間人，使他們更多地有效參與電力市場。文獻[24]定義LA可以是“市政當局或其他政府實體、能源服務提供商、調度協(xié)調者、配電公司、代表單一或許多負荷的其他實體”。

    文獻[21]在每次系統(tǒng)調度之前，LA從上級調度部門獲取分配的系統(tǒng)功率缺額并制定負荷增加削減目標。用戶側可控性負荷的邏輯聚合體，以需求側響應的方式參與系統(tǒng)運行，一方面可降低用戶的用電成本，還可以促進間歇性能源消納，降低棄風棄光率。

    市場環(huán)境下，LA作為電網(wǎng)側和用戶側中間重要的協(xié)調機構，可以是電網(wǎng)公司調度部門，也可以是市場環(huán)境下獨立的第三方機構^[21]。LA的作用是：

    （1）LA提供的需求響應整合服務可以延緩電源和輸配電線路的投資，降低發(fā)電成本[25]和用電成本，輔助系統(tǒng)削峰填谷，改善系統(tǒng)運行經(jīng)濟性；

    （2）LA作為中介機構，可以整合用戶需求響應資源并將他們引入市場交易，提高需求側閑置資源利用率，同時也為其他電力系統(tǒng)參與者帶來利益[22]；

    （3）傳遞價格信號，提高基于價格的需求響應效率；

    （4）促進可再生能源消納，提高系統(tǒng)對可再生能源的接納能力，降低棄風棄光率。

2  負荷聚合商參與電力市場的框架設計

    負荷聚合商（LA）可以為具有潛在產(chǎn)品價值的需求響應資源提供參與市場調節(jié)的機會，已由產(chǎn)品代理商發(fā)展成服務整合者^[22]。

    文獻[26]將LA定位于需求響應市場的參與主體。圖1為LA參與電力市場的框架設計。

    LA作為一個重要的市場主體可以有選擇地進入各種市場，負荷聚合技術是負荷聚合商的核心競爭力之一^[21]。文獻[19]作為市場主體之一的負荷聚合商，LA不僅經(jīng)營電能批發(fā)零售等傳統(tǒng)業(yè)務，還承擔著整合負荷側分布式電源和需求響應資源、引導用戶有序用電、代表用戶與配電系統(tǒng)運營機構(Distribution System Operator，DSO)通信等多重任務。

    文獻[26]在綜述中國和美國電力需求響應的實施對象、市場手段和執(zhí)行方式，以及需求響應效益分析基礎上，從參與主體、職責劃分等角度闡述了需求響應市場建立初期的商業(yè)模式。提出了含兩個階段的適應我國電力市場改革進程的、面向電力需求側主動響應的市場框架。第一階段注重厘清需求響應產(chǎn)品的類型、競價與出清方式，批發(fā)市場與零售市場關系等，隨著市場改革的深入，市場秩序的逐步理順；第二階段的電力價格出現(xiàn)波動，這一階段將建立日前市場、實時市場，逐步豐富零售市場中的各類型需求響應項目。

    隨著電力市場改革的不斷推進，9號文明確提出在發(fā)電側和售電側開展有效競爭，培育獨立的市場主體，著力構建主體多元、競爭有序的電力交易格局。隨著售電側主體多元化，文獻[27]售電主體將主導售電側的市場競爭，而LA就是其中一類新興的獨立售電主體。

    售電公司作為新興主體之一，在拓展用戶負荷上具有先天優(yōu)勢，或者說具備負荷聚合技術的第三方機構可以整合升級為售電公司，二者在售電市場開放初期，可以作為共同體進入售電側競爭市場。

3  我國負荷聚合商參與電力市場的運營機制

3.1  負荷聚合商的應用場景

    負荷聚合在滿足經(jīng)濟層面要求的基礎上，需要在技術層面保證負荷聚合的可行性^[21]，技術層面的應用體現(xiàn)在調頻、調峰、平抑可再生能源波動等方面，此外，LA作為一類市場主體對緩解電網(wǎng)高峰電量需求、減緩發(fā)輸電容量擴建具有重要的作用^[27]。

    LA可輔助制定用電計劃。文獻[19]基于可行性假設，提出了LA電能獲取策略的宏觀架構，分別對分布式發(fā)電出力、日前電力批發(fā)市場電價的不確定因素建模，獲得LA電能獲取策略的不確定性模型。所建魯棒雙層優(yōu)化模型在支路容量、不確定因素等三種場景中仿真結果顯示，在兼顧經(jīng)濟性和風險的情況下，可通過給定不同的魯棒程度要求，確定用電計劃和預期收益。

    LA可提高需求側用戶經(jīng)濟效益。文獻[28]以ＬＡ實時調度消除或減小用戶用電違約風險為首要考慮因素，將微型燃氣輪機、儲能作為緊急性備用，次要考慮克服儲能成本的日前效益最大化，提出了的含宏觀層、微觀層的微網(wǎng)雙層調度結構，微觀層將LA設置成總分結構，從設計上提升了LA的整體響應能力和消納分攤能力。模型設置用電貢獻度和用電置信度兩個指標表征不同類型負荷中，可中斷負荷的重要程度以及違約風險。設置考慮用戶經(jīng)濟收入和用電意愿度的消納分攤權值，通過仿真，分析了總分式LA對不同負荷在不同策略置信度情況下，微網(wǎng)運營成本、ＬＡ總成本和ＬＡ總收益影響之間的作用關系。

    微觀層決策過程顯示，各LA與用戶簽訂合同，從而獲取用戶的可中斷負荷用電決策權，從權責上界定各方權利和義務，保證可實施性。各LA以調度命令為目標，根據(jù)用戶的消納分攤權由高到低安排調度，以保證用戶的經(jīng)濟利益和LA的調度計劃可靠性

    LA可提升需求側響應的激勵作用。文獻[27]將負荷分為峰荷、腰荷、基荷三類，通過仿真計算，獲得了不同的違約電量下的儲能配置容量，通過對等級劃分標準的影響分析，探討資源等級劃分及相應的補償價格，進而研究了市場機制設計對LA提升其資源等級的激勵引導作用。設置違約百分比分級表征不同LA違約情況，并制定相應的等級化補償標準，以扶持、培育優(yōu)質LA主體，體現(xiàn)了培育優(yōu)質市場主體的改革思維。

3.2  負荷聚合商的商業(yè)模式

    文獻[26]將當前中國電力市場架構分為三個參與主體：政府（監(jiān)管者）、電網(wǎng)公司（電能供應商）需求響應提供商（需求響應聚合商和電力用戶）、計入電力其他環(huán)節(jié)用戶。電力市場參與主體可分為：政府、電網(wǎng)公司、售電公司（電能批發(fā)商）、綜合能源服務公司、負荷聚合商、終端用戶。負荷聚合商與各主體關系如圖2所示。

    （1）LA與售電公司：具有配電網(wǎng)運營權的售電公司，可以有自己的配電設備和配電網(wǎng)絡，在配電區(qū)域內與電網(wǎng)企業(yè)享有同等權利和責任，LA則不具備同等條件。LA基于負荷聚合技術，可向售電公司提供輔助服務等增值業(yè)務。

    （2）LA與電網(wǎng)公司：LA作為需求側主體之一，代表聚合后的部分終端用戶，可向電網(wǎng)公司提供削峰填谷等具有一定規(guī)模的需求側響應，既輔助服務

    （3）LA與綜合能源服務公司：后者主要服務對象為園區(qū)、工業(yè)企業(yè)、大型公共建筑等，以能效診斷、節(jié)能改造為重點，LA的服務對象相對具體，為包含工業(yè)、商業(yè)、居民的可聚合負荷。

    可聚合負荷將決策權交付LA需簽訂交管合同，合同內容應包括^[7]（不限于）：合同有效期；調配時間；調配容量；補償費用。

4  我國負荷聚合商參與電力市場的關鍵問題

4.1  負荷聚合的量化模型及調控策略

    傳統(tǒng)上的負荷聚合，是將負荷的外部特性聚集后進行集中調配，要想把負荷聚合與需求響應相融合，對電網(wǎng)提供輔助服務，需從需求側、系統(tǒng)運營商和通信３個方面加以研究^[20]，同時，需考慮負荷聚合的不確定性^[21]，目前負荷聚合不確定性的研究成果較少。

    文獻[29]分析了居民負荷用電特點，將居民用戶負荷分為三類，以相鄰時段負荷方差最小為優(yōu)化目標，建立居民負荷雙層調度模型，考慮了居民用戶調度可行性，保證負荷削減偏差最小的同時，最大化負荷聚合商的利潤。算例仿真分析結果表明，所建立的分層調度模型可有效實現(xiàn)居民負荷的需求響應，并使得電網(wǎng)公司、LA和用戶三方均受益。文獻[30]對空調系統(tǒng)的建模方法、空調負荷的聚合模型以及控制模式進行了詳細綜述與分析，在空調負荷的調控策略中未考慮調度空調負荷對用戶舒適度的影響，對空調負荷的調度方式、合作方式等問題未加以論述。

    負荷聚合模型的運行控制是一個多變量（大量控制對象）、多目標（如經(jīng)濟指標最優(yōu)、用戶滿意度最高等）、非線性的動態(tài)隨機控制模型^[21]。目前聚合模型及其調配策略在實際負荷中的部署實施方面，還需要進一步研究。

4.2  我國電力市場建設

    我國目前正處于電力市場改革起步階段，售電側市場運營機制尚未成熟，需求側響應所需的智能電網(wǎng)技術、通信技術、高級量測體系等關鍵技術的應用處于起步階段。LA作為重要的市場參與主體，在國內尚未出現(xiàn)。LA整合需求側資源的技術手段和應用尚處在理論研究階段，但是其應用潛力將對電力系統(tǒng)的運行帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。在國內推廣負荷聚合商，不僅需要理論和技術上的論證，還需要電力市場機制的不斷完善。我國應加快售電側改革進程，加快培育多市場主體，通過市場手段更好的優(yōu)化需求側響應資源，建立有效的LA運營機制。

5  結論

    本文對LA的應用場景、商業(yè)模式、關鍵問題進行了分析，構建了LA參與的市場框架，對各市場主體的區(qū)別和業(yè)務范疇進行了綜述。

    LA作為電力市場的重要市場主體，不僅為中小用戶提供參與需求側響應的機會，改善需求側資源的經(jīng)濟型，還可以在電網(wǎng)調峰調頻、可再生能源消等問題上提供輔助服務，降低電網(wǎng)建設和運營成本。我國這一重要領域目前處于空白期，雖然其潛力巨大，但是從理論研究走向工程實際還要依靠政策支持和我國電力市場大環(huán)境建設的不斷完善。

參考文獻

[1] 國家發(fā)改委，國家能源局.能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃.2016.

[2] 劉純,黃越輝,張楠,等. 基于智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)基礎平臺的新能源優(yōu)化調度[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2015,39(01):159-163.

[3] 張國強,吳文傳,張伯明. 考慮風電接入的有功運行備用協(xié)調優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2011,35(12):15-19

[4] 江木,吳文傳,張伯明,等. 省級電網(wǎng)分層分區(qū)有功實時調度模型與方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2009,33(22):10-13

[5] 晉宏楊,孫宏斌,郭慶來,等. 基于能源互聯(lián)網(wǎng)用戶核心理念的高載能-風電協(xié)調調度策略[J]. 電網(wǎng)技術,2016,40(1):139-145.

[6] 國家發(fā)改委，國家能源局.電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）.2016.

[7] 王建學,王錫凡,王秀麗. 電力市場可中斷負荷合同模型研究[J]. 中國電機工程學報,2005(09):11-16.

[8] 高賜威,梁甜甜,李揚. 自動需求響應的理論與實踐綜述[J]. 電網(wǎng)技術,2014,38(2):352-359.

[9] 于雷,湯慶峰,張建華. 基于負荷資源分類建模和啟發(fā)式策略的家居型微電網(wǎng)優(yōu)化運行[J]. 電網(wǎng)技術,2015,39(8):2180-2187.

[10] 邢龍, 張沛超, 方陳, 等. 基于廣義需求側資源的微網(wǎng)運行優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(12): 7-12.

[11] 艾欣,許佳佳. 基于互動調度的微網(wǎng)與配電網(wǎng)協(xié)調運行模式研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2013(1):143-149.

[12] NI D, BESANGER Y, WURTZ F, et al. Time series method for short-term load forecasting using smart metering in distribution systems[C]. PowerTech, Trondheim, 19-23 June, 2011.

[13] GHOFRANI M, HASSANZADEH M, ETEZADI-AMOLI M, et al. Smart meter based short-term load forecasting for residential customers[C]. North American Power Symposium (NAPS), 4-6 Aug, 2011.

[14] Di Giorgio A, PIMPINELLA L, QUARESIMA A, et al. An event driven Smart Home Controller enabling cost effective use of electric energy and automated Demand Side Management[C]. 19th Mediterranean Conference on Control & Automation (MED), 20-23 June, 2011.

[15] WEI Z, KALSI K, FULLER J, et al. Aggregate model for heterogeneous thermostatically controlled loads with demand response[C]. Power and Energy Society General Meeting, 22-26 July, 2012.

[16] HOBBY J D, SHOSHITAISHVILI A, TUCCI G H. Analysis and methodology to segregate residential electricity consumption in different taxonomies[J]. IEEE Transactions on Smart Grid. 2012, 3(1): 217-224.

[17] ZHI Z, FEI Z, JIANHUI W. Agent-based electricity market simulation with demand response from commercial buildings[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(4): 580-588.

[18] SHUAI L, SAMAAN N, DIAO R, et al. Centralized and decentralized control for demand response[C]. Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), 17-19 Jan, 2011.

[19] 俞敏,倪琳娜,方鵬, 等. 計及分布式發(fā)電出力與電價不確定性的負荷聚合商電能獲取策略[J]. 電力建設,2018,39(1):10-18.

[20] 沈運帷,李揚,高賜威, 等. 需求響應在電力輔助服務市場中的應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(22):151-161.

[21] 孫玲玲,高賜威,談健, 等. 負荷聚合技術及其應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(6):159-167.

[22] 高賜威,李倩玉,李慧星, 等. 基于負荷聚合商業(yè)務的需求響應資源整合方法與運營機制[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2013,37(17):78-86.

[23] IKAHEIMO J，EVENS C，KARKKAINEN S. DER aggregator business:the finish case[R].VTT-R-06961-09.Helsinki,Finland:VTT Technical Research Centre of Finland 2010

[24] KIRBY B, O'MALLEY M, MA O, et al. Load participation in ancillary services workshop report[J]. Annals of Telecommunications-Annales Des Télécommunications, 2011, 25(7):312-318.

[25] FARIA P, VALE Z, SOARES J, et al. Demand response management in power systems using particle swarm optimization[J]. IEEE Intelligent Systems, 2013, 28(4):43-51.

[26] 丁一,惠紅勛,林振智, 等. 面向電力需求側主動響應的商業(yè)模式及市場框架設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(14):2-9

[27] 張開宇,宋依群,嚴正. 考慮用戶違約可能的負荷聚合商儲能配置策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2015,39(17):127-133.

[28] 李春燕,王東,張鵬, 等. 計及負荷聚合商調度優(yōu)先權的獨立微網(wǎng)雙層實時調度模型[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(6):37-43.

[29] 劉曉峰,高丙團,羅京, 等. 基于非合作博弈的居民負荷分層調度模型[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(14):54-60.

[30] 宋夢,高賜威,蘇衛(wèi)華. 面向需求響應應用的空調負荷建模及控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2016,40(14):158-167.

作者信息:

湯慶峰，何成明，董少嶠

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，北京 100038）