虛擬電廠智能運營技術與平臺架構研究

摘要：在“雙碳”目標下，分布式電源、電動汽車等新型源荷迅速發展，顯著改變了配電網形態，對城市配電網安全穩定運行帶來新挑戰。虛擬電廠通過高效聚合、協同調度各類可調節資源，可以有效提升配電網運行承載力，對于電網安全經濟運行意義重大。圍繞支撐虛擬電廠運營的關鍵技術及平臺架構開展研究。首先對支撐虛擬電廠智能運營的關鍵技術進行分析，包括靈活性資源建模與聚合優化技術、功率預測與可調容量估計技術、市場交易與優化決策技術;其次對虛擬電廠市場運營架構進行分析，并針對海量資源接入、資源聚合優化、市場交易決策等核心需求，設計虛擬電廠智能運營平臺總體架構;最后結合實際業務需求設計虛擬電廠智能運營平臺功能架構，以期推進虛擬電廠運營商系統的規范化與智能化建設。

關鍵詞：虛擬電廠;資源聚合;市場運營;平臺架構;新型配用電系統

中圖分類號：TU852

文獻標志碼：A文章編號：1674-8417（2024）06-0014-07

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.06.003

0引言

在“雙碳”目標下，分布式電源、電動汽車等新型源荷迅速發展，顯著改變了配電網形態，對城市配電網安全穩定運行帶來新挑戰。分布式電源出力和電動汽車充電負荷的隨機性、波動性特征明顯，能量供需不匹配問題突出。國家能源局指出，需深入挖掘電力負荷側資源靈活性以滿足新型電力系統供需匹配與靈活運行的需求，虛擬電廠分布式靈活性資源聚合與優化運行技術成為上述問題的重要解決方案之一［1-3］。

虛擬電廠通過先進的數字化技術、控制技術、物聯網技術與信息通信技術，將分布式電源、儲能與可調節負荷等資源進行聚合，可提升電力系統靈活調節能力，緩解電網峰谷差大、局部電力供應緊張等問題，保障電力安全可靠供應。并且，虛擬電廠通過引導具有負荷調節能力的用戶參與需求響應、輔助服務等市場，有助于提升電網對新能源的消納水平。此外虛擬電廠可引導可調節資源以市場化方式廣泛參與電網互動，獲得經濟收益，降低用電成本，提高全社會經濟效益［4］。

目前歐洲、北美、澳大利亞等地區和國家均已開展了虛擬電廠工程實踐，我國在上海、廣東、江蘇、浙江、福建、湖南等多地展開了虛擬電廠示范性的探索，根據特定區域的能源結構與地理空間等特性，虛擬電廠通過優化其運行方式、響應策略與商業模式，實現了多能互補、削峰平谷、提升能效、緩解阻塞、綠色消納等多種效益。然而，由于城市能源系統其運行方式多樣、用能行為復雜、可調資源繁雜等現狀，當下城市虛擬電廠在實現自主、智能運營方面仍存在距離，特別體現在資源聚合、可調潛力評估、優化策略等方面［5］。當前有部分研究人員對虛擬電廠運營關鍵技術與平臺架構設計開展研究，但大多聚焦于電網側的虛擬電廠運行管控平臺層面［6-9］。

本文針對當前虛擬電廠規范化、規?；?、可持續化的發展需求，從虛擬電廠運營商角度，開展支撐虛擬電廠運營的關鍵技術及平臺架構的研究。首先對支撐虛擬電廠運營的關鍵技術進行分析，包括靈活性資源建模與聚合優化技術、功率預測與可調容量估計技術、市場交易與優化決策技術;其次對虛擬電廠市場運營架構進行分析，并針對海量資源接入、資源聚合優化、市場交易決策等核心需求，設計虛擬電廠智能運營平臺總體架構;最后結合實際業務需求設計虛擬電廠智能運營平臺功能架構，旨在助力虛擬電廠運營商實現聚合運營平臺建設，進一步提升新型電力系統靈活調節能力。

1虛擬電廠運營關鍵技術1.1虛擬電廠概念

虛擬電廠是通過先進的數字化技術、控制技術、物聯網技術與信息通信技術，將分布式電源、儲能與可調負荷等分布式資源進行聚合管理和優化控制，并參與電網運行及電力市場的運營實體。虛擬電廠概念示意圖如圖1所示。其內部資源在空間上分散分布而非一個集中的物理實體，故稱為“虛擬”;在整體上協同一致實現與電廠相同的功能，故稱為“電廠”。虛擬電廠聚合的可調節資源呈現總體數量多、單點容量小、特性差異大、空間分散的特點，這些資源若直接接受電網調控中心的集中調控，會增加運行成本。因而，在可調節資源和電網之間引入虛擬電廠作為中間層，由虛擬電廠對可調節資源進行建模、聚合、調控和優化，電網調控中心直接對虛擬電廠進行調控。同時，引入虛擬電廠運營商作為新興市場主體，代理可調節資源直接參與電力市場交易［10］。

1.2關鍵技術分析

支撐虛擬電廠運營的關鍵技術主要包含：①靈活性資源建模與聚合優化技術;②功率預測與可調容量估計技術;③市場交易與優化決策技術。虛擬電廠運營關鍵技術分析如表1所示。靈活性資源建模與聚合優化技術是指輔助虛擬電廠掌握可調資源運行特性的基礎性工作。源荷功率的變化對虛擬電廠參與市場交易有重要影響，可調節容量的準確估計是其優化投標的重要依據。不同場景和市場條件下的交易策略與優化決策決定了虛擬電廠的運營效益［10］。

（1）靈活性資源建模與聚合優化技術。

靈活性資源聚合技術包括資源建模與優化聚合兩部分，是輔助虛擬電廠洞察和了解可調資源運行特性的基礎性工作。資源建模是指建立模型對各類分布式資源進行描述，包括柔性負荷、儲能系統、電動汽車等，其描述方法可分為物理建模與數據建模。物理建模從資源本身的物理性質出發對資源進行建模，數據建模是從資源的歷史運行數據出發建立模型描述資源特性。一方面需要面向單一資源，考慮其基本物理屬性、用戶主觀意愿、舒適度需求等多方因素，研究單一資源建模方法;另一方面需要面向資源集群，分析其泛化特征與抽象等效性，研究資源聚合體的等值建模方法。資源優化聚合是指在資源建模的基礎上，根據不同調控目標，從空間和時間維度聚合海量分布式資源，形成可調度資源池的過程，是一個多目標、多尺度靈活優化聚合問題。資源聚合的方法通常采用最優化技術，針對不同應用場景（包括削峰填谷、調頻等）對聚合參數在時間、速度、容量等方面的不同要求，構建計及多應用場景、多區域空間聯動和多時間尺度的需求側資源動態聚合模型［10-12］。

（2）功率預測與可調容量估計技術。

虛擬電廠參與電網調度運行和電力市場需要掌握其資源的運行狀態與趨勢，預測技術的準確度將影響虛擬電廠調度和市場策略的制定。虛擬電廠的預測任務主要包括源荷功率預測以及資源可調容量估計。源荷功率預測方法與傳統預測方法類似，可根據時間尺度的不同對其進行劃分，中長期的負荷預測一般采用傳統的統計學方法，短期的負荷預測則可采用深度學習算法，光伏出力預測一般結合歷史出力數據和氣象預測數據，采用機器學習算法進行預測。資源可調容量估計是指虛擬電廠在特定時間段能夠參與調度的資源容量，是指導虛擬電廠參與電網調度運行和電力市場交易的關鍵?，F有研究大多從負荷的物理特性出發進行估計，其依據在于各類資源的可調容量受其用能與響應特性的直接影響。此外，氣象條件、用戶響應行為、激勵價格等也是影響可調容量的重要因素，須進一步量化其相關性?？紤]到數學模型的局限性，可從模型數據混合驅動的角度對資源響應容量的估計進行研究［13-15］。

（3）市場交易與優化決策技術。

虛擬電廠運營商作為獨立的市場主體代理可調節資源參與電力市場交易，虛擬電廠市場化運營受到電力市場規則、電力系統運行需求、內部可調節資源利益多方面影響。虛擬電廠運營商根據交易規則代理可調節資源參與中長期、輔助服務、現貨市場等，虛擬電廠基于資源狀態感知與信息預測的結果，考慮市場價格、用戶響應行為等在內的多重不確定性因素影響，進行市場競價申報。目前不確定性問題影響下的虛擬電廠市場化投標策略主要可分為隨機優化方法、模糊優化方法與魯棒優化方法。市場出清完成后，虛擬電廠依據中標結果，優化決策各類可調節資源的序貫優化調控策略，保證實際執行效果。從調度過程中的不確定性問題處理方面，可將調度方法分為隨機、魯棒等類型;從優化問題的求解方法層面，可分為數學算法以及智能算法兩類;從優化目標層面，分為經濟性目標、技術性以及綜合型目標三大類［16-20］。

2虛擬電廠智能運營平臺架構設計2.1虛擬電廠市場運營架構

我國各省市虛擬電廠市場運營機構一般包括電力負荷管理中心、電力交易中心以及電力調度控制中心。電力負荷管理中心負責新型電力負荷管理平臺建設，負荷組織開展虛擬電廠平臺及聚合資源接入負荷管理系統的業務受理、資質審核、運行監測、能力校核、效果評估等服務。電力交易中心負責電力交易平臺建設，負責虛擬電廠市場交易的市場注冊、申報組織、交易出清、合同管理、結算依據出具、信息披露。電力調度控制中心負責電力調度平臺的建設，負責動態評估電力電量缺口并按需調用虛擬電廠資源，包括調用容量、調用時段、調用分區等。虛擬電廠運營商則需根據電力負荷管理中心相關要求辦理注冊手續、簽訂和履行響應代理協議、管控和運營響應資源、按時進行調節申報，并根據響應出清結果及時通知其代理用戶，負責對響應調節費用進行確認及其代理的用戶進行費用結算。

虛擬電廠運營平臺需遵循業務需求導向的設計原則，實現應用功能對于虛擬電廠參與市場交易業務的全覆蓋。虛擬電廠市場運營架構如圖2所示。虛擬電廠運營平臺對上需與新型電力負荷管理系統、電力交易平臺及電力調度平臺進行業務信息交互，對下要實現用戶可調資源的聚合協調。

（1）與新型電力負荷管理系統信息交互：虛擬電廠運營商平臺可結合DL/T1867—2018《電力需求響應信息交換規范》開發業務信息交互接口，將虛擬電廠基本信息模型類數據、實時數據、曲線數據、負荷預測數據及可調控能力數據接入新型電力負荷管理系統。

（2）與電力交易平臺信息交互：虛擬電廠運營商平臺需要按照各省市電力交易平臺數據接口規范實現交易數據交互，包括交易信息、報價信息、結算信息等。

（3）與電力調度平臺信息交互：虛擬電廠運營商平臺需要按照電力調度平臺提供的數據接口規范實現調度信息交互，接收調度信息等。

（4）與用戶側系統信息交互：根據用戶側實際情況可按需部署虛擬電廠終端，實現互操作協議解析、用戶現場協議轉換、資源實時數據接入監測，以及事件響應服務、資源調控策略服務等。

2.2虛擬電廠智能運營平臺總體架構

針對海量資源接入、資源聚合優化、市場交易決策等核心需求，結合云邊協同的理念，設計虛擬電廠運營管理平臺總體架構。虛擬電廠運營平臺總體架構如圖3所示。平臺總體架構分為邊緣層、基礎設施層、基礎平臺層和應用層。

（1）邊緣層：邊緣層主要對用戶側數據采集、異構數據的協議轉換與邊緣處理，實現底層

數據的匯聚處理，并實現數據向云端平臺的集

成，構建虛擬電廠運營平臺的數據基礎。

（2）基礎設施層：基礎設施層主要包括通信線路、網絡系統、主機服務器系統、存儲設備等基礎硬件設施，它是保證整個信息體系運行的前提。

（3）基礎平臺層：基礎平臺層主要包括通用PaaS平臺、大數據分析平臺、應用開發工具和微服務組件，構建靈活、可擴展的開發平臺，為虛擬電廠高級應用提供軟件運行環境支撐。通用PaaS平臺實現開發環境、運行環境、運營環境的構建，大數據分析平臺用以支持規?；`活性資源數據的分析建模、優化控制策略等專業應用組件，低代碼開發工具和微服務組件支撐業務單元的開發與部署。

（4）應用層：應用層主要實現虛擬電廠資源全景監測、功率預測、可調節潛力評估、交易決策與優化運行等業務功能，并面向虛擬電廠運營商、運維人員及代理用戶分別提供前端操作頁面。

2.3虛擬電廠智能運營平臺功能設計

本文結合實際業務需求，設計虛擬電廠智能運營平臺功能架構，主要包括運行監測、用戶信息管理、用戶可調節資源管理、預測分析、可調節潛力分析、交易決策、優化運行策略、結算管理、響應執行及配置管理十大功能模塊，實現對虛擬電廠聚合運營業務的全覆蓋。虛擬電廠智能運營平臺功能架構如圖4所示。

（1）運行監測模塊：運行監測模塊實現虛擬

電廠內部可調資源總覽、可調資源地圖，可調控

資源能力統計、可調控資源分布、近期交易信息及設備離線預警查看等功能，幫助運營商掌握虛擬電廠整體運行情況。

（2）用戶信息管理模塊：用戶信息管理模塊主要包括用戶注冊賬號管理、用戶協議管理、用戶檔案管理等功能，幫助運營商管理用戶基本信息與代理協議。

（3）用戶可調資源管理模塊：用戶可調資源管理模塊主要實現用戶可調線路數據管理、用戶可調設備數據管理以及設備調節策略管理。

（4）預測分析模塊：預測分析模塊集成智能預測算法，實現用戶可調線路負荷預測、可調負荷功率預測、分布式電源功率預測。

（5）可調潛力分析模塊：可調潛力分析模塊按照分析范圍，分為可調負荷潛力分析、用戶以及虛擬電廠整體調節潛力分析。

（6）交易決策模塊：交易決策模塊主要實現與電力交易平臺的數據交互，實現交易信息獲取、參與市場申報競價、獲取交易出清結果等核心功能。

（7）優化運行模塊：優化運行模塊集成最優化算法，結合日前、日內及快速這3類不同時間尺度交易品種需求，制定虛擬電廠資源優化運行策略，并生成調用資源清單。

（8）結算管理模塊：結算管理模塊主要實現從電力交易平臺的交易結算信息獲取，并對結算結果進行評估、對代理用戶收益進行統計分析。

（9）響應執行模塊：響應執行模塊主要實現從新型負荷管理系統獲取需求響應信息，結合優化運行策略將響應任務分解并通知用戶，并對用戶進行響應監測與響應執行效果進行評估。

（10）配置管理模塊：配置管理模塊主要實現角色管理、日志管理、系統參數配置、基線設置以及交易套餐配置等功能。

3結語

在“雙碳”目標下，分布式電源、電動汽車等新型源荷迅速發展，顯著改變了配電網形態，對城市配電網安全穩定運行帶來新挑戰。分布式電源出力和電動汽車充電負荷的隨機性、波動性特征明顯，能量供需不匹配問題突出。虛擬電廠通過先進的數字化技術、控制技術、物聯網技術與信息通信技術，將分布式電源、儲能與可調節負荷等資源進行聚合，可提升電力系統靈活調節能力，緩解電網峰谷差大、局部電力供應緊張等問題。本文圍繞支撐虛擬電廠智能運營的關鍵技術及平臺架構開展研究。首先對支撐虛擬電廠運營的關鍵技術進行分析，包括靈活性資源建模與聚合優化技術、功率預測與可調容量估計技術、市場交易與優化決策技術;其次對虛擬電廠市場運營架構進行分析，并針對海量資源接入、資源聚合優化、市場交易決策等核心需求，結合云邊協同理念設計虛擬電廠運營平臺總體架構;最后結合實際業務需求設計虛擬電廠智能運營平臺功能架構。本研究旨在助力虛擬電廠運營商系統的規范化與智能化建設，以滿足虛擬精準響應發展要求，進一步提升新型電力系統靈活調節能力。

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收稿日期：20240417

ResearchonIntelligentOperationTechnologyand

PlatformArchitectureofVirtualPowerPlants

HUTongyue

［1.ShanghaiElectricalApparatusResearchInstitute（Group）Co.，Ltd.，Shanghai200063，China;

2.ShanghaiKeyLaboratoryofSmartGridDemandResponse，Shanghai200063，China;

3.NationalEnergySmartGridUser-EndElectricalEquipmentResearchand

Development（Experimental）Center，Shanghai200063，China］

Abstract：Underthe“dualcarbon”goals，therapiddevelopmentofdistributedpowersources，electricvehicles，andothernewsourcesandloadshassignificantlyalteredthemorphologyofdistributionnetworks，posingnewchallengestothesafeandstableoperationofurbandistributionnetworks.Virtualpowerplants，throughtheefficientaggregationandcoordinateddispatchofvariousadjustableresources，caneffectivelyenhancetheoperationalcapacityofdistributionnetworks，whichissignificantforthesafeandeconomicoperationofthepowergrid.Thispaperfocusesontheresearchofkeytechnologiesandplatformarchitecturetosupporttheoperationofvirtualpowerplants.Firstly，itanalyzesthekeytechnologiesthatsupporttheoperationofvirtualpowerplants，includingflexibilityresourcemodelingandaggregationoptimizationtechnology，powerpredictionandadjustablecapacityestimationtechnology，markettradingandoptimizationdecision-makingtechnology.Secondly，itanalyzesthemarketoperationarchitectureofvirtualpowerplantsanddesignstheoverallarchitectureofthevirtualpowerplantintelligentoperationplatformbasedonthecoreneedsofmassiveresourceaccess，resourceaggregationoptimization，andmarkettradingdecisions.Finally，thefunctionalarchitectureofthevirtualpowerplantintelligentoperationplatformisdesignedbasedonactualbusinessneeds，aimingtopromotethestandardizedandintelligentconstructionofthevirtualpowerplantoperatorsystem.

Keywords：virtualpowerplant;resourceaggregation;marketoperation;platformarchitecture;newpowerdistributionandutilizationsystem