基于“三流分離-匯聚”的虛擬電廠架構設計

陳皓勇，黃宇翔，張揚，王斐，周亮，湯君博，吳曉彬

（1. 華南理工大學電力學院，廣東省 廣州市 510640；2. 廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東省 廣州市 510600）

0 引言

2021 年3 月15 日，中央財經委員會第九次會議指出，要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統[1]。2021 年10 月24日，國務院印發的《2030 年前碳達峰行動方案》明確提出，大力提升電力系統綜合調節能力，加快靈活調節電源建設，建設堅強智能電網，提升電網安全保障水平[2]。隨著新能源滲透率的逐步提高，其隨機性、間歇性、波動性帶來的電力電量平衡與頻率穩定問題[3-5]日益凸顯，僅依靠集中式的傳統電廠難以應對。虛擬電廠(virtual power plant，VPP)作為整合并調控靈活性資源、促進可再生能源消納、實現需求側響應的載體，是新型電力系統建設中不可或缺的一環[6]。

虛擬電廠的概念最早由著名經濟學家Shimon Awerbuch 提出[7]。其在著作《虛擬公共設施：新興產業的描述、技術及競爭力》中對虛擬電廠提出了明確的定義：虛擬電廠不存在實體，是獨立且以市場為驅動的各類市場實體之間的靈活合作方式，通過有效的合作就能夠為消費者提供其所需要的高效電能服務[8]。隨著世界各國可再生能源比例的逐步增加，虛擬電廠這一概念得到了世界各國的響應，此后虛擬電廠各項技術逐漸發展起來。歐洲的虛擬電廠主要以聚合“源”側資源、消納可再生能源為主。德國最大的虛擬電廠運營商Next-Kraftwerke，通過高效聚合超過4 000個分布式發電與儲能裝備，以參與能量市場或為電網提供輔助服務，通過虛擬電廠降低新能源波動性帶來的影響，同時促進了新能源本地消納。美國較少在“源”側采用虛擬電廠的概念，相關工程項目多以需求側響應為主。進入21世紀以來，美國各公司正在積極引導電力用戶成為產銷者，Swell Energy公司正在推動電力用戶安裝太陽能電池板與電池儲能單元，減少用戶從電網中購買的電力，并依照電網的需求進行充放電，以獲取收益。

相比之下，我國在虛擬電廠的研究與工程建設方面起步較晚，但發展勢頭迅猛。近年來，我國在華東與華北等地積極開展虛擬電廠試點。2018 年3 月，由國網冀北電力有限公司提交的《虛擬電廠用例》和《虛擬電廠架構與功能要求》2 項標準在國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)獲批正式立項。2019年12月，國網冀北電力有限公司建設的虛擬電廠示范工程正式投運[9-10]。廣州、深圳等城市的虛擬電廠也相繼投入運行。虛擬電廠作為能夠整合靈活性資源、促進新能源就地消納與調動負荷側積極性的載體，在新型能源體系和新型電力系統的建設中發揮關鍵作用[11]。

目前，世界范圍內的虛擬電廠仍處于起步與初級階段，虛擬電廠技術層面的發展與市場層面的創新仍有廣闊空間。其關鍵問題在于，虛擬電廠的技術研究與運行控制是電力系統自動化、電力電子技術、控制理論、通信技術與電力市場、電力經濟學等多學科融合、多難點交叉的復雜工作[12]。要解決這一問題，需厘清電力系統“能量流動”“信息交互”“價值傳遞”3 個層面的具體問題與耦合關系。因此，本文基于新型電力系統3層網絡系統(能量網絡、信息網絡、價值網絡)的基礎理論[13]，對虛擬電廠的信息傳遞、控制方法與市場模式進行分析，提出“三流分離-匯聚”的虛擬電廠架構，為我國虛擬電廠研究及建設提供參考。

1 新型能源體系的3層網絡架構

電能作為一種清潔、方便且容易傳輸、轉換和控制的能量形態，在能源轉型中處于中心環節，其他能量形式往往需要轉換為電能，相互耦合。電力與其他各類型能源的生產、傳輸與使用需要通過各種類型的網絡來實現，如電網、熱網、燃氣網等。由于本質上這些網絡傳遞的都是能量，只是能量的表現形式不同，所以可以統稱為能量網絡。能量網絡之間存在能量耦合，不同的能量網絡之間必然存在通過能量轉換設備(燃氣輪機、發電機、空調等)進行的不同能量形式的轉換，并遵循嚴格的物理學規律。

除傳統的有線、無線通信技術外，近年來，隨著5G、Wi-Fi 6、低功耗廣域網(low power wide area network，LPWAN)、高速電力線載波(highspeed power line carrier，HPLC)等新型通信技術的普及，在物理層面的能量網絡之上，新型電力系統又建立了可實現信息處理、運行優化和實時控制的信息網絡[14]。由于大規模可再生能源接入，電源側的隨機性、間歇性與波動性日益增強，儲能和需求側響應的廣泛參與成為新型電力系統運行的必要手段，使得新型能源體系更趨復雜。新型能源體系中種類繁多的分布式資源的協同控制，離不開高可靠性、高效率的信息網絡的支持[13]。

在傳統電力系統中，大型集中式發電廠生產電能并經由多級變壓器與輸配電線路進行輸送。與之相對的是相對簡單的電力產業鏈形態，即傳統發電商集合競價、購電商批發購電(或由電網統購統銷)、用戶按合同(或相關規定)繳納電費。然而，隨著可再生能源的不斷接入、分布式儲能的建設與投運，在新型電力系統中，傳統的集中化交易市場將逐步轉變為多層級耦合、多交易品種協同的復雜開放性市場，且與供熱市場、一次能源市場相耦合。新型能源體系的價值傳遞將從原來的簡單流向變得復雜多樣。依托能量網絡層面的能量傳輸與轉換、信息網絡層面的信息傳遞與控制決策，由價值規律主導的價值網絡是新型能源體系得以蓬勃發展的關鍵因素。

因此，新型能源體系將呈現出“能量-信息-價值”3層網絡架構的形態[13]，如圖1所示，作為新型能源體系和新型電力系統的重要組成部分，虛擬電廠也將呈現出這種形態。目前，虛擬電廠的發展仍處于初級階段，不僅依賴電氣設備與電網技術的進一步發展，還涉及通信與控制技術、市場模式與交易機制等。

虛擬電廠的本質是聚合大量的靈活性資源，通過信息通信技術感知靈活性資源的運行狀態并進行實時控制，使其外特性像穩定可控的傳統電廠一樣，接受電網調度或參與電力市場交易。從物理機理的角度而言，新能源發電出力的隨機性、間歇性與波動性給虛擬電廠響應能力量化及實時運行控制帶來巨大挑戰。與此同時，大量電力電子設備的滲透與可調節負荷的增多對虛擬電廠動態聚合提出了更高要求。從信息傳遞來看，由于虛擬電廠接入的靈活性資源種類繁多、特性各異，所采取的通信方式與接口標準不同，同時考慮到虛擬電廠實時優化所需的低時延特性，現有的成熟通信技術仍需對虛擬電廠進行進一步優化與針對性部署。從價值與市場層面來看，由于我國尚未建成完全成熟的電力市場，虛擬電廠是否能夠參與電力市場、以何種方式參與電力市場以及開展何種產品交易等問題仍有待探索和實踐，此外，靈活性資源的利益分配也是虛擬電廠建設與運營所急需解決的問題[14]。以上這些問題是相互關聯的，需要在虛擬電廠的研究、投建與運營過程中逐步解決。

2 虛擬電廠的控制架構與運營模式

2.1 虛擬電廠信息感知與融合

與新型能源體系的3 層網絡結構相對應，虛擬電廠是能量、信息與價值高度融合的產物，虛擬電廠的一切決策與控制都需要基于實時監測與數據處理技術來進行。由于海量異質資源的接入，虛擬電廠需要一個多元化、分散化、高并發的復雜信息系統的支撐，低成本解決“物理-信息-經濟-社會”耦合復雜能源系統從“無序”向“有序”轉變的問題，實現系統平衡和穩定。

有別于微電網，由于虛擬電廠的分層分區架構呈現多樣化與時變性，其資源的電氣/地理分布特性與物理網絡約束并不固定。為準確獲知虛擬電廠的整體運行狀態，需要應用分布式信號處理技術，在分布式傳感器感知信息的基礎上進行融合估計。在分布式信號處理中，一組傳感器共同觀測環境狀態的信息。由于成本、頻譜帶寬限制和復雜度等因素的影響，傳感器將自身的觀測數據進行壓縮，只將部分信息傳輸至融合中心，再對環境狀態進行融合估計。通過傳感器只能感知系統的一部分，如何利用傳感器量化壓縮后的信號，獲得動態系統的整體狀態，是分布式信號處理的關鍵[15]。

多源信息融合又稱為多傳感信息融合，這是20世紀70年代提出來的概念，首先應用于軍事領域。多傳感信息融合系統充分利用多個傳感器資源，通過對各種觀測信息的合理支配與使用，在空間-時間上依據某種優化準則將互補與冗余信息結合起來，產生對觀測環境的一致性解釋或描述，同時產生新的融合結果。運用信息融合技術，將分層分區的虛擬電廠中廣泛分布的大量傳感器的觀測信息整合起來，獲得整個虛擬電廠的準確運行狀態，是虛擬電廠運行控制的基礎。

2.2 虛擬電廠的控制架構

虛擬電廠將大量具有不確定性的分布式資源整合，形成可觀可控的整體，實現從“無序”向“有序”轉變。這些分布式資源主要包括各種分布式電源、儲能系統、可控負荷以及電動汽車等，一般接入配電網，形成虛擬電廠的能量網絡。在信息網絡層面，虛擬電廠的控制架構主要包括集中式控制、分散式控制、分布式控制3類[16-17]。

2.2.1 集中式控制

虛擬電廠典型集中式控制架構如圖2 所示。虛擬電廠各可控單元的所有信息均傳遞至控制協調中心(control coordination center，CCC)，虛擬電廠中所有單元的控制權均在控制協調中心，各單元的發電、用電計劃及實時的調控信號也由控制中心制定。這種控制架構需要控制協調中心擁有強大計算能力與多單元控制力，通信壓力大且計算量繁重，兼容性和擴展性也不理想，并不適合海量靈活性資源的虛擬電廠。

圖2 虛擬電廠集中式控制架構Fig. 2 Centralized control architecture of VPP

2.2.2 分散式控制

虛擬電廠典型分散式控制架構如圖3 所示。虛擬電廠包括高層與低層2 個控制層級，在低層控制中，本地控制中心管理本區域內有限個發電、用電單元，彼此進行信息交換，并將匯集的信息傳遞到高層控制中心；高層控制中心將任務分解并分配到本地控制中心，本地控制中心負責制定每一個單元的具體控制方案。由于下層控制系統的存在，不需要將每個可控單元的數據都上傳到集中式的控制中心中，上下層協同的控制架構具有較好的延展性，能夠避免因數據集中傳輸而帶來的數據擁堵與高時延問題。

圖3 虛擬電廠分散式控制架構Fig. 3 Decentralized control architecture of VPP

2.2.3 分布式控制

虛擬電廠典型分布式控制架構如圖4 所示，分布式通信與控制的主要標志就是對控制單元進行子系統的劃分。這些子系統通過各自的智能代理彼此通信并相互協作，實現集中式控制架構中控制協調中心的功能，但避免了數據冗余。分布式控制架構的虛擬電廠需要依賴更高效通信網絡進行數據交換與處理，同時需要更有效的算法進行高并發的數據協調計算。

圖4 虛擬電廠分布式控制架構Fig. 4 Distributed control architecture of VPP

2.3 虛擬電廠的運營模式

與控制架構相對應，虛擬電廠的端對端(peerto-peer，P2P)交易市場也分為集中式市場、分散式市場和分布式市場3種類型。在價值網絡層面，形成聚合商-聚合商、聚合商-用戶、用戶-用戶的復雜交易模式和復雜端對端交易網絡[18]。

從對外特性而言，虛擬電廠按照所包含主體資源的不同，可分為需求側資源型、供給側資源型和混合資源型3種(對外表現為產銷者特性)。按虛擬電廠的功能特征或運行方案，又分為商業型虛擬電廠(commercial virtual power plant，CVPP)與技術型虛擬電廠(technology virtual power plant，TVPP)[19]。CVPP主要目標是通過聚合分散式資源參與市場或接受調度機構的需求響應邀約，實現靈活資源投資成本回收與持續運營發展。TVPP主要目標在于聚合可調的靈活資源并接受電網的調度與控制，為電力系統提供備用容量或者實現電力系統的實時平衡。根據不同場景與不同功能，2種虛擬電廠所聚合的資源與調控的方式也有所不同[20]。

從市場博弈、風險收益與利益分配而言，從聚合商的角度綜合考慮多類型市場主體的收益，是商業型虛擬電廠的主要存在形式，是分布式資源投資組合并參與不同市場的策略呈現。商業型虛擬電廠基于負荷預測、響應能力量化與用戶需求上報等形式，與日前形成整體負荷曲線與預期調節量，制定參與電能量與輔助服務市場的最優策略，并由虛擬電廠市場主體進行市場競標，將競標結果反饋至調度機構與技術型虛擬電廠。

從電網運行者的角度綜合考慮分布式資源運行參數與不確定性對本地電力系統的實時影響，進行調度指令分解與偏差快速響應，是技術型虛擬電廠的主要存在形式。在獲得商業性虛擬電廠的出力計劃及中標曲線后，技術型虛擬電廠通過對資源的物理機理建模，結合本地拓撲與資源不確定性，對虛擬電廠資源出力進行日前計劃分解，在日內實時追蹤出力信號并及時修正[21]。技術型虛擬電廠主要依賴資源運行信息的實時監測、低時延的通信網絡與精準的資源閉環控制系統。

除對外特性分類外，虛擬電廠還延伸出了多種商業模式，如分布式交易、多虛擬電廠聯合備用等。近年來，端對端能源交易受到越來越多的關注[22-23]，研究證實，虛擬電廠內的資源可以通過合理端對端交易實現市場均衡并提升社會福利。相較于以自然壟斷和規模效應為特點的傳統集中式電力市場，端對端能源交易模式是典型的“共享經濟”。在虛擬電廠內，用戶可以與其他用戶(或資源)共享多余的本地發電量，也可以對需求響應、容量備用等其他資源進行交易，實現“賣家多賺錢，用戶少花錢”的多方互利共贏。與此同時，新型數字技術(如區塊鏈等)的應用進一步提高了端對端交易的可靠性。為避免端對端交易中高頻次所帶來的高額交易費用與高并發性所帶來的數據傳輸堵塞問題，采用區塊鏈與智能合約技術可以快速撮合出清并結算資源之間的交易量與交易價格，實現分布式資源高頻次交易的可信保障。

3 虛擬電廠的“三流分離-匯聚”架構

如前所述，虛擬電廠具有“能量-信息-價值”3 層網絡架構。能量網絡是虛擬電廠的基礎，虛擬電廠存在的本質意義是通過改變靈活性資源的控制方式，達到促進新能源消納、優化電網運行、消除電網阻塞、延緩發輸電投資的目的[8]。在能量網絡層面，通過聚合大量靈活性資源，優化其能量輸入、輸出，一方面，可以促進新能源發電直接供應本地負荷，使新能源就地消納；另一方面，也可以控制靈活性資源參與電網的調峰調頻、削峰填谷。在能量網絡基礎上，虛擬電廠又衍生出涵蓋狀態監測、信息交互、優化調度、互動控制等多方面的信息網絡[15]。虛擬電廠運行的關鍵在于信息感知與通信，即通過多層級聚合與協同控制技術，使得分散且性質各異的靈活性資源對外展現出整體可觀可控的特性，虛擬電廠對外的靈活性、適應性與魯棒性都需要強大的信息網絡層技術支撐。虛擬電廠作為“源、荷、儲”聚合并接入“網”的產物，在市場中常常扮演產銷者這一角色。虛擬電廠與聚合商的出現豐富了電力市場的交易方式和價值流向。一方面，靈活性資源所有者和聚合商需要通過參與電網互動調節以獲取利潤；另一方面，聚合商也要為其所聚合的靈活性資源支付費用。價值網絡是虛擬電廠價值實現、靈活性資源調節潛力挖掘的載體。

虛擬電廠是“物理-信息-經濟-社會”耦合的復雜能源系統，從“能量-信息-價值”3 層網絡的視角進行分析將更加清晰。能量網絡提供各靈活性資源的基礎模型與運行參數，而信息網絡通過信息感知、優化調度與實時控制等手段，實現海量靈活性資源的優化運行與實時控制[24]，價值網絡支撐電價、其他價格信號調節供需以及市場主體的價值實現。清晰地分辨虛擬電廠能量流、信息流、價值流，研究其分離和匯聚過程，有助于透徹理解虛擬電廠建設與運營的內在邏輯，從而設計出適合我國國情的解決方案。為此，本文提出“三流分離-匯聚”的虛擬電廠架構設計方案，如圖5所示。

圖5 基于“三流分離-匯聚”的虛擬電廠架構Fig. 5 VVP architecture based on "three flow separation-convergence"

由于虛擬電廠所包含的大量分布式靈活資源(可控單元)仍然要接入電網(主要是配電網)，其運行將受到電網的約束并接受電力調度控制中心的調度，同時也為電網運行提供支撐[18]。因此，在物理層面，分布式資源的能量流匯聚到電網(包括電力用戶)。在調度控制層面，虛擬電廠對分布式資源進行多層級聚合，通過信息交互實現對分布式資源的優化調度與實時控制，改變電能或其他形式能量的大小和流向，參與電網調節與運行，在這個過程中，需要考慮分布式資源和所在電網的協調問題[24]。在信息層面，分布式資源的信息流匯聚到虛擬電廠(應理解為技術型虛擬電廠)的調控管理平臺。虛擬電廠所聚合的分布式資源往往由聚合商投資運營，聚合商作為市場主體，通過所擁有的分布式資源參與各級市場來獲取利益。在價值層面，分布式資源的價值流匯聚到聚合商(應理解為商業型虛擬電廠)運營管理平臺，并進一步上傳到各級電力交易平臺。虛擬電廠和聚合商所掌握的信息可能有所不同，比如聚合商可能不掌握電網信息，而虛擬電廠往往掌握“網”“源”的全部信息。在一定的條件下，虛擬電廠和聚合商也可以由同一個主體來承擔，即信息流與價值流可能重合。全部分布式資源可按并網點進行分組，本文稱之為“虛擬機組”，即結構相對簡單的最小調控/交易單元(虛擬機組內所包含的多個分布式資源不再進一步細分，而是始終作為一個整體參與調度和交易)。只有參與調度控制和市場交易的主體一致，才不會導致權利與義務的錯配。對于調度，電廠是管理主體，而非調控對象，機組才是物理真實的調控對象。對市場交易而言，機組也是參與交易的報價單元。

虛擬機組劃分得過大，將導致電網安全難以保證；而虛擬機組劃分得過小，將導致聚合商失去靈活調配資源的空間。虛擬機組應按照電網分層分區的結果，動態聚合為一個分區內同一聚合商所有用戶控制單元的聚合體。虛擬電廠調控系統以戶表為單位進行建模和數據采集，每個戶表下所有資源的聚合體即為用戶控制單元。虛擬機組也是“能量-信息-價值”三流合一的環節，在虛擬機組之外，三流則先分離再經由各自的路徑匯聚，如何接收所在電網及其他外部環境的信息(包括運行信息與價值信息等)并進行決策與控制，是虛擬電廠能否長期穩定運行的關鍵。因此，要建設能夠適應市場環境和高效、可靠運行的虛擬電廠，重點在于電網、虛擬電廠、聚合商與分布式資源的有效協同[24]。本文所提出的基于“三流分離-匯聚”的虛擬電廠架構，分別從能量流動、信息交互與價值傳遞方面描述了虛擬電廠“源網荷儲”互動的運作方式，為解決該多主體協同問題起到參考借鑒作用。

4 結論

基于分層集群的新型電力系統的3 層網絡架構，針對虛擬電廠的信息感知、控制架構與運營模式進行分析，提出了“三流分離-匯聚”的虛擬電廠設計理念，并對各層網絡內涵進行深度分析，得到如下結論：

1）隨著電力電子、信息通信和人工智能等技術的發展，各類終端設備走向智能化和數字化，能夠更加主動地參與系統的運行控制及高頻次的交易。虛擬電廠作為能夠主動聚合靈活性資源、參與電網調節和電力市場交易的載體，是新型電力系統的重要一環。

2）虛擬電廠是一個廣域、分布式、自治的復雜系統，涉及主體類型眾多，點多面廣，關聯復雜，其架構設計較難，而能量流、信息流、價值流的精確分析為之提供了一個邏輯清晰的視角。“三流分離-匯聚”的架構設計思路能為虛擬電廠設計、建設和運營提供有益的指導。

3）虛擬電廠涉及電力系統、電力電子、優化與控制、信息與通信、經濟管理、人工智能等不同學科，是一個典型的多學科交叉問題，需要在基礎理論與方法上有所突破，并且緊密結合工程應用開展研究。