虛擬電廠智慧運營管控平臺系統框架與綜合功能

鐘永潔，紀陵，李靖霞，左建勛，王紫東，吳世偉

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇省 南京市 211153）

0 引言

在“碳達峰、碳中和”背景和目標的驅動下，我國大力推動能源綠色轉型，控制化石能源總量，實施可再生能源替代，以堅強智能電網為樞紐平臺[1-3]，以源、網、荷、儲互動與多能互補集成為支撐[2-5]，集中式發電與分布式發電結構并舉[1,3-5]，構建以新能源為主體的，更加清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的新型電力系統[2,4-6]。因此，未來能源領域中，電力需求側必將重視多能綜合，使分布式能源規模化，加強對用戶側靈活性資源的開發和利用[4,7-10]。

傳統電力系統基于同步發電機組，采取“源隨荷動”的組織形式[5-6,11-13]，而在以新能源為主體的新型電力系統中，風電、光伏大規模接入，其出力具有隨機性、波動性特征，對系統運行影響巨大[2-4,14-16]。同時在負荷側，分布式發電、儲能等資源的引入，出現了大量產銷者，電力潮流由單向向多向轉變，用電隨機性上升，給電網調度帶來困擾[6,17-20]。因此，必須摒棄采用傳統措施的固有定式，采用創新發展的思維模式，尋求多元互動、多方參與的解決措施[9,21-24]。

《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》中提出：強化“源、網、荷、儲”各環節協調互動，充分挖掘系統靈活性調節能力和需求側資源，提升系統運行效率和電源開發綜合效益。通過虛擬電廠等一體化聚合模式，參與電力中長期交易、輔助服務、現貨市場交易等，為系統調節提供支撐能力[6,18,25-27]。

虛擬電廠通過傳感、通信、預測、能量管理、市場交易等技術手段，聚合規模小、地理位置分散的分布式發電、儲能、可控負荷、電動汽車等資源，與大電網友好互動，參與電力系統運行和電力市場交易[15,28-30]。在提升電網安全運行水平和提高可再生能源消納的基礎上，實現資源的優化配置，為參與各方帶來增值收益[8,28-30]。新型電力系統的發展成為未來趨勢，在新的發電、輸電、配電、用電勢態下，虛擬電廠是當前國家開展新型電力系統建設，實現“碳達峰、碳中和”目標的一個重要建設方向[6,18,28-30]，在破解清潔能源消納難題、綠色能源轉型方面發揮重要作用，它能夠提升能源服務，實現對分布式能源的響應分配、靈活潛力挖掘、實時協調控制，參與電力交易市場和需求響應[13,27,29-30]。

目前，國內外學者在虛擬電廠的需求響應、優化調度、控制策略、綜合服務、運營管理等方面已經有了一些基礎性研究，文獻[2]針對可再生能源消納的問題進行了分析，在對虛擬電廠的基本概念進行詳細闡述的基礎上提出了基于虛擬電廠的消納可再生能源能力提升措施；文獻[7]對需求響應模式、負荷分類建模的研究成果進行了總結，并根據負荷用電特點總結出各類負荷通用模型，以期實現大規模負荷群控制；文獻[11]引入了集群服務商對包含多類型資源虛擬電廠的集群進行合理管控，構建虛擬電廠集群系統架構，為解決虛擬電廠“源-荷”資源差異性和可再生能源波動性問題提供了解決思路；文獻[21]構建了虛擬電廠“批發-零售”兩級市場交易體系，并建立了虛擬電廠協調優化機理，為營造合理的商業模式提供了理論參考；文獻[26]采取了虛擬電廠同時參與直接電力交易市場與調峰市場的運營模式，提出了基于條件風險價值理論的虛擬電廠日前優化運行模型，實現了對期望成本進行合理分配。綜合以上分析，已有研究相對缺乏對虛擬電廠智慧運營管控平臺的研究，尤其缺乏從系統框架與綜合功能視角對虛擬電廠智慧運營管控平臺的分析，亟需進一步開展相關方面研究。

基于此，本文將從系統框架和綜合功能2 個視角，對虛擬電廠智慧運營管控平臺進行深度剖析和闡述。在分析虛擬電廠運營管控框架及其參與市場框架的基礎上，對虛擬電廠能源生態系統進行分析，基于平臺體系框架和平臺結構框架2個維度分析虛擬電廠智慧運營管控平臺系統框架，并進一步剖析虛擬電廠智慧運營管控平臺綜合功能，最后從多個方面對虛擬電廠智慧運營管控平臺建設目標進行總結與展望。

1 虛擬電廠能源技術框架

1.1 虛擬電廠運營管控框架

虛擬電廠其實不是一個新概念或新事物，它的提出已有20余年，21世紀初在德國、英國、法國、荷蘭等歐洲國家興起，并已擁有多個成熟的示范項目，其在主要關注分布式能源可靠并網的同時，構筑電力市場中穩定的商業模式[13-15,21]。虛擬電廠顧名思義就是虛擬化的電廠，它不是一個真實的物理電廠，但起到了電廠的作用：發出電能，參與能量市場；通過調節功率來參與輔助服務市場調峰、調頻等[16-17,22-23]。虛擬電廠內部通過信息技術將發電、用電、儲能等資源進行梳理聚合，與外部集控系統、管理平臺配合，進行協同控制、協同優化，實現數據分析、運行策略調整[15-16,24]。

虛擬電廠對外進行能量傳輸，根據市場變化需求進行碳市場、電力市場交易[8,13,27]。因此，可以將虛擬電廠理解為一種能發揮電廠作用的某種“黑匣子”[6,14-16,24]，它不需要新建一個物理電廠，但是對外既可以作為“正電廠”向系統供電，也可以作為“負電廠”接收系統的電力[2-4,16,29]。“黑匣子”包含分布式電源、多元化儲能設施、電動汽車、可控負荷等資源[4,16,20]。但只有這些資源還不足以使之成為有效的能源系統，虛擬電廠還需要一套技術和系統來將它們智能地聚合起來[16-17,23-25]。

虛擬電廠依托現代信息通信和先進的智能控制技術，把分布式電源、儲能、負荷等分散在電網的各類資源相聚合，進行協同優化運行控制和市場交易[4,16,26-28]，構建以電為中心，多類型、多能流、多主體資源的聚合，實現電源側的多能互補、負荷側的靈活互動，對電網提供調峰、調頻、備用等輔助服務，并為用戶和分布式能源等市場主體提供參與電力市場交易的途徑[3-6,18-20]。

正因為虛擬電廠聚合了多種能源資源，包括可調靈活負荷、儲能、微電網、電動汽車、分布式能源等，所以才可以在電網中扮演“正電廠”或“負電廠”的角色，配合系統填谷，快速響應指令，配合保障系統穩定并獲得經濟補貼，甚至可進一步等同于電廠參與容量、電量、輔助服務等各類電力市場，獲得經濟效益[5,16,22]。以往傳統的電力系統削峰填谷，基本是通過火電廠實現的，滿足峰值負荷需要大量投資電廠和配套電網；而通過虛擬電廠只需要在建設、運營、激勵等環節滿足較少投資，就可以實現有效的削峰填谷功能，是一種相對省錢的解決思路[7,16,27-28]。可見，通過虛擬電廠來進行電力調峰，將有助于少建或不建傳統的火力發電廠調峰，大力推動電力行業“碳達峰、碳中和”目標的落地[14-16,19]。虛擬電廠作為新型電力系統轉型中的重要配置，在政策扶持、技術驗證、商業模式等方面都日趨成熟。可預見，虛擬電廠成為未來解決能源變革的重要手段，即將邁入快速增長期[16,19,30]。

虛擬電廠通過分布式能源管理系統將分散安裝的清潔能源、可控負荷和儲能聚合作為一個特別的電廠參與電網運行[9,16,19-20]。匯聚的資源可以是發電側的“正電廠”，也可以是用戶側的“負電廠”，還可以是包含發電、用電的綜合電廠，其核心思想就是把各類分散可調電源、可控負荷、儲能聚合起來，通過數字化的手段形成一個虛擬的電廠來做統一的管理和調度，同時作為聚合主體參與電力市場[16-18,22,30]。所以，虛擬電廠本質上是一套軟件平臺系統，它聚合了現有的分布式資源，并通過協同控制參與電力市場，從而起到真實的物理電廠作用[3,14-16,27]。

1.2 虛擬電廠參與市場框架

虛擬電廠以價值為驅動，整合各柔性靈活資源、參與電力批發市場各類交易，為電網運營提供容量和輔助服務，提高電力系統的經濟性和可靠性，并促進可再生能源的高效優化整合[2,8,15,21,26]，虛擬電廠參與市場框架如圖1所示。

基于屋頂光伏、分布式風電等大量分散式發電資源，虛擬電廠通過整合包括分布式光伏、風電等在內的分散式發電資源，在電力市場運營中參與電能量市場與輔助服務市場，并且提高電力系統與光伏、風電等清潔能源波動性的相互適應性[9,12,15,24]。在低碳運行方面，虛擬電廠通過市場利益分配，提高分散式風電、分布式光伏等可再生能源、儲能系統、柔性靈活負荷等各類分布式發電市場參與積極性和便利性，增加分布式發電規模效應，促進供需互動，減少分布式發電隨機性、波動性對電力系統的影響，提高電力系統可再生能源接納能力，提供系統低碳環保運行能力[6-8,11,28]。在新能源消納方面，通過虛擬電廠的運行機制實現傳統能源與新能源之間的互補協同調度與電網的優化運行，以最大程度地平抑新能源電力的強隨機性、波動性，提高新能源的利用率[15-19,24,30]。

在電力市場交易方面，虛擬電廠主要通過調度靈活性資源提供輔助服務。隨著電力市場機制的逐步完善，以及售電市場的建設，以虛擬電廠為核心的售電公司將逐步參與電力市場交易。虛擬電廠運營商作為一個獨立的市場主體，代理自己服務范圍內的分布式能源、柔性負荷、儲能系統等靈活性資源與電力市場[3-6,15,28]。

通過虛擬電廠智慧運營管控平臺實現柔性靈活負荷與分布式能源的聚合管理，通過資源整合進行統一的經濟調度，結合各試點區域售電側“開放”與發電側“競價”上網的電力市場改革現狀，對虛擬電廠的交易策略進行建模。針對虛擬電廠同時具備分布式能源的發電特征，以及柔性負荷的用戶特征，賦予虛擬電廠聚“售電商”和“發電商”的雙重角色，通過現有競爭報價系統中的電力市場交易模型，對多場景下的虛擬電廠的競價策略進行優化和利益均衡，實現利益最大化。同時，通過虛擬電廠的集中整合與優化調度，可以作為響應資源參與電力系統的削峰填谷等輔助服務，以及針對性的需求側響應服務[4-6,12,24]。

1.3 虛擬電廠能源生態系統

目前，我國電力系統主要是以火力發電為主，水電、風電、光伏發電、核電等發電形式作為補充的電力能源系統。傳統電力能源生態系統總體上圍繞電力的生產和消耗[16]，大體上可分為發電側、輸配側、用電側，傳統電力能源生態系統發電、輸電、配電、用電界限較為清晰，生產者與消費者關系也是相對明確，能源系統為典型的“源隨荷動”運行模式[3,16,19-21]。相對于傳統電力能源生態系統，虛擬電廠的能源生態系統出現了明顯變化，發電、輸電、配電、用電界限相互交叉，生產者與消費者的角色同時兼有，根據需求可以改變角色身份特征，運行方式特征為“源荷互動”[5,16,19,27]。

分布式電源具有高能效、低排放、發電靈活、靠近負荷中心等優勢，但隨著大量分布式電源接入電網，新能源出力的隨機性給系統供需平衡帶來了更大的不確定性，制約可再生能源電源有效利用[16,23-25]。高滲透率的可再生能源電源可造成系統實時運行的供需不平衡，傳統的運行調度方式所遵循的“發電跟蹤負荷”的思路不符合“源荷雙側調度”的未來電網的發展[16-18]。在我國能源低碳轉型的道路上，虛擬電廠也將作為支撐電力系統穩定運行的一個重要抓手[16,18-20]。

虛擬電廠系統和服務平臺將發、輸、配、用電聚合在一起，內部的每一部分都是一個小能源系統，虛擬電廠豐富了智能電網的內涵，也擴展了智能電網的外延，為保證安全、可靠、優質、高效的電力供應，滿足經濟社會發展對電力的多樣化需求，解決能源與環保問題提供了可行的解決方案。

電網對運行安全有著嚴格要求，而電網安全的首要目標就是保證發、用電的實時平衡，需要發電側的不斷調節去擬合負荷曲線[17-20,24]。但是，新能源發電嚴重依賴于光照強度、風力強度等自然資源，具有隨機性、間歇性和波動性的特點，對負荷的支撐能力不足[4,12,20-23]。若規模化直接并入電網發電，將會對電網造成巨大沖擊，威脅電力系統安全以及供電的穩定性[9,13-14,22]。另外，由于小型分布式新能源發電設施、儲能設施、可控制用電設備、電動汽車等的持續發展普及，在用電側，很多電力用戶也從單一的消費者轉變為混合形態的產銷者，并且各類激增的大功率用電設備(如充電樁)也使電網供應尖峰負荷時壓力倍增，不能任由其尖峰負荷集中疊加出現。因而，在新的發用電背景下，虛擬電廠技術應運而生，虛擬電廠技術為保障電力能源的安全高效利用開辟了一條新的路徑[3-5,13,23]。

隨著分布式能源發電技術的逐步成熟與推廣，越來越多的分布式能源被廣泛運用于電力系統用戶側，作為配網中不可或缺的清潔能源，分布式能源的加入既有效降低了用戶側的碳排放水平，又緩解了電力供需間的不平衡現象[7-9,18,30]。另外，如何實現“源網荷儲”電力電量平衡、儲能管理、策略運營和優化協調運行等功能，成了未來價值投資的關鍵技術[5,12-13,24]，而虛擬電廠作為分布式能源管理的重要技術手段，在工業界和學術界都得到了廣泛的研究和運用，其以技術可行、經濟合理、互利共贏的模式實現低碳、經濟轉型，推動“碳達峰、碳中和”目標實施[18-20,26]。

2 虛擬電廠智慧運營管控平臺系統框架

2.1 虛擬電廠智慧運營管控平臺體系框架

虛擬電廠是聚合優化“源、網、荷、儲、售、服”清潔發展的新一代智能控制技術和互動商業模式。在傳統電網物理架構上依托互聯網和現代信息通信技術，把分布式電源、儲能、負荷等分散在電網的各類資源聚合，進行協同優化運行控制，參與電力系統運行和電力市場交易，實現電源側的多能互補、負荷側的靈活互動，對電網提供調峰、調頻、備用等輔助服務。虛擬電廠智慧運營管控平臺體系框架[14-16]如圖2 所示。

圖2 虛擬電廠智慧運營管控平臺體系框架示意圖Fig. 2 Schematic diagram of system framework of intelligent operation management and control platform for virtual power plant

虛擬電廠智慧運營管控平臺系統架構主要從安全性視角進行設計，分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。由于負荷側、分布式電源物理網絡接入類型眾多，包括無線公網、專線公網、光纖專網等，這些資源接入平臺時，需經過“安全接入區”進行隔離和防護。平臺與電網運營系統、電力交易平臺交互時，須經過防火墻隔離。在平臺內部，控制大區和管理大區之間，通過正反向隔離裝置進行隔離。

2.2 虛擬電廠智慧運營管控平臺結構框架

虛擬電廠智慧運營管控平臺主要可分為資源管理中心、計算分析中心、運行控制中心和交易管理中心等，虛擬電廠智慧運營管控平臺結構框架[10,16,22]如圖3所示。資源管理中心負責對用戶和資源的管理。運行控制中心完成對資源的控制。計算分析中心完成對資源的可調度潛力分析等分析計算功能。交易管理中心負責虛擬電廠與電力交易中心以及虛擬電廠與資源用戶的交易管理、競價策略制定和申報等功能[16-18,26]。

圖3 虛擬電廠智慧運營管控平臺結構框架示意圖Fig. 3 Schematic diagram of structural framework of intelligent operation management and control platform for virtual power plant

虛擬電廠智慧運營管控平臺結構框架包括1個平臺、2張網絡、4個中心和多方應用[16]。

1）1 個平臺：基于云平臺部署虛擬電廠智慧運營管控平臺，采用云平臺架構部署，可實現設備數據和互動信息的計算、存儲、集成能源運行管理、交易、服務功能，聚合優化各類可調度資源與電力系統實時交互，參與電網調度、調峰、調頻、輔助服務和電力市場交易。

2）2 張網絡：構建以智能配電網、園區微電網為核心的多能流網絡和以“云管邊端”架構為核心的電力物聯網，通過電力物聯網實現電力能量網絡的貫通、聚合，構建園區虛擬電廠智慧運營管控平臺。

3）4個中心：包括資源管理中心、計算分析中心、運行控制中心和交易管理中心，根據業務分類，基于“微應用”服務架構的多方應用分別部署于各中心，支持應用彈性伸縮，即快速部署和快速下線。根據應用需求，可擴展能量管理中心，能量管理中心實現基于資源狀態和市場信息的資源監視和控制策略制定，實現多能流全程掌控、監視、調配。

4）多方應用：對電力系統，提升系統靈活調節和新能源消納能力；對售電公司、電力用戶，提供便捷參與電力互動的技術手段、市場化參與的渠道與可持續的商業模式；對電網公司，提高資源可觀可控性，提升電網安全穩定運行水平；對發電企業、園區企業，提升存量機組利用效率，促進新能源消納；對新興市場主體，拓展業務模式，形成商業新業態。

虛擬電廠智慧運營管控平臺基于電力物聯網可接入風力發電、光伏發電、柴油發電、燃氣發電、儲能等分布式電源和電動汽車等柔性負荷，同時基于平臺的運行控制中心，可控制電力能量的合理流動。同時，平臺支持和調度中心、電力市場交易管理中心進行信息交互。

3 虛擬電廠智慧運營管控平臺綜合功能

3.1 綜合功能結構藍圖

虛擬電廠智慧運營管控平臺是對虛擬電廠主站管轄下的虛擬電廠終端進行監控和管理的平臺。智慧運營管控平臺與虛擬電廠終端之間進行信息交互，對含電動汽車、儲能設備、可控資源在內的各類用戶柔性負荷、分布式發電資源進行數據采集和調節控制。

通過智慧運營管控平臺，可實時了解用戶負荷以及分布式發電資源的運行情況，并對信息進行分類、處理，以不同的形式(如報表、曲線、餅圖、柱狀圖等)進行展示，方便運行維護人員實時了解資源的運行狀態，基于不同的調控策略對虛擬電廠終端進行調控，同時，智慧運營管控平臺通過用戶管理、發電運營和售電運營，參與電力系統輔助服務市場，其具體綜合功能結構如圖4所示。

虛擬電廠智慧運營管控平臺通過公網或者電力專網，與用戶負荷及分布式發電資源進行信息通信。系統與營銷業務應用系統交互電力市場信息，包括電力價格、用戶合同等；與調度自動化系統交互電網調控信息，包括接收電網負荷信息、電網調控指令，發送調控結果等；與用戶采集終端交互用戶電量數據，包括接收所有電力用戶的電量數據，發送聚合電力用戶的電量數據等。

3.2 綜合功能物理結構

虛擬電廠智慧運營管控平臺一般部署在負荷聚合商機房，其綜合功能物理架構如圖5所示。

圖5 虛擬電廠智慧運營管控平臺物理結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of physical architecture of intelligent operation management and control platform for virtual power plant

從安全分區上分為安全Ⅰ區和安全Ⅳ區。安全Ⅰ區包括監控和能量管理服務器、前置服務器、時間同步裝置、安全接入區、監控工作站等設備，通過“無線物聯專網”，接入各類用戶資源(包括風力發電、光伏發電、電動汽車、智慧樓宇、儲能系統等)。安全Ⅳ區包括電力市場交易服務器、Web發布服務器、安全接入網關、安全隔離裝置、交易工作站等設備，通過互聯網向用戶終端發布電力交易信息、用戶資源運行狀況等信息。

3.3 綜合功能場景應用

1）面向電力系統，提升新型電力系統的靈活調節、“源網荷儲”互動和新能源消納能力。

2）面向發電企業，為新能源機組提供新增調峰輔助服務能力，降低調峰市場總成本，促進新能源消納；緩解傳統火電機組深度調峰壓力，提升存量機組利用效率。

3）面向電網公司，提高分散在配電網負荷側中可調節資源的可觀性、可控性和實時響應能力，提升電網安全穩定運行水平；提高設備使用效率，減少電網的投資與建設。

4）面向電力用戶，為分布式光伏、充電汽車、用戶側儲能等產銷結合的新型用戶提供“售電”的途徑，提供參與電力市場的交易渠道、可持續的商業模式；蓄熱式電鍋爐、智能樓宇、工商業用戶可根據價格信號主動選擇用電行為，降低用能成本。

4 結論

作為“虛擬電廠聚合商”的資源管理和監控、智慧運營、管控、參與電力市場的重要技術平臺，虛擬電廠智慧運營管控平臺具有很大的市場潛力，發展應用前景廣闊。

虛擬電廠智慧運營管控平臺在國內研究剛起步，目前尚未有可批量推廣的產品。各省正在籌建智慧運營管控平臺，此平臺是未來虛擬電廠省級主站的基礎，基于此平臺也可以擴展虛擬電廠能量管理系統。由于電力市場的不斷發展，虛擬電廠在省級電力市場規則下的發展和應用需進一步摸索和完善，在推進虛擬電廠智慧運營管控平臺建設中，需要重點關注并實現如下目標。

1）技術性目標：通過虛擬電廠智慧運營管控平臺建設，以最低的經濟和環境成本保證電網平衡，為解決電力供需平衡提供技術手段。

2）經濟性目標：虛擬電廠智慧運營管控平臺是連接零售市場與批發市場的智能化橋梁，幫助分布式能源所有商、負荷聚合商、負荷代理商及終端用戶等實現價值最大化、利潤最大化。

3）角色定位：作為數字虛擬發電廠，通過配電網參與電力系統整體運行調度；在電力批發市場競爭模式下，可以作為獨立的輔助服務提供商；在電力零售競爭模式下，可以作為零售商、負荷聚合商、負荷代理商參與電力零售市場。

4）未來發展：發揮數字化和互聯網技術優勢，通過智能化地管理多樣性分布式電源、作為網絡資源的協同共享體，利用大數據分析海量能源數據，創造新的商業模式。

隨著能源革命與數字革命的推進，虛擬電廠獲得了前所未有的發展機會。其中，大數據、云計算、邊緣技術、人工智能技術使得虛擬電廠獲得了智能化資源識別、場景資源適配、廣域調度能力；移動互聯、物聯網技術使得分布式資源的規模化聚合問題得以解決。豐富化、共享型的應用場景，使得用電客戶參與意愿更強、參與機會更多、參與收益更高。可以預期，虛擬電廠的發展前景十分廣闊，而虛擬電廠智慧運營管控平臺關鍵技術研究和發展應用程度將直接決定虛擬電廠發展前景。