虛擬電廠在上海的實(shí)踐探索與前景分析
趙建立1, 向佳霓1, 湯卓凡1, 漆磊2, 艾芊2, 王帝2, 殷爽睿2
1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122;
2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030
引用本文
Cited
趙建立, 向佳霓, 湯卓凡, 等. 虛擬電廠在上海的實(shí)踐探索與前景分析[J]. 中國(guó)電力, 2023, 56(2): 1-13.
ZHAO Jianli, XIANG Jiani, TANG Zhuofan, et al. Practice exploration and prospect analysis of virtual power plant in shanghai[J]. Electric Power, 2023, 56(2): 1-13.
引言
隨著環(huán)境污染及能源緊缺情況日益加劇，傳統(tǒng)化石能源逐漸退出電力系統(tǒng)的運(yùn)行，海量分布式可再生新能源接入電網(wǎng)彌補(bǔ)能源缺額。但是由于分布式能源空間位置分散、單體容量小、出力波動(dòng)等特點(diǎn)，電力調(diào)度中心難以用傳統(tǒng)集中式調(diào)度方式調(diào)控規(guī)模化靈活分布式資源。針對(duì)目前不斷涌現(xiàn)的海量分布式資源管控困難的問題，虛擬電廠技術(shù)作為一種有效的管理手段，利用先進(jìn)的控制技術(shù)、通信技術(shù)，對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能、需求側(cè)資源等分布式能源進(jìn)行聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，消納分布式資源出力的波動(dòng)性，降低分布式能源的接入與調(diào)控成本。
從市場(chǎng)環(huán)境和運(yùn)行功能2個(gè)層面來看，虛擬電廠可以分為商業(yè)型虛擬電廠與技術(shù)型虛擬電廠。圍繞商業(yè)型虛擬電廠，考慮到多重不確定性因素對(duì)虛擬電廠交易調(diào)度策略的影響，部分研究采用信息間隙決策理論[1-2]、模糊規(guī)劃[3]、隨機(jī)優(yōu)化[4-5]、魯棒優(yōu)化[6-7]以及機(jī)會(huì)約束規(guī)劃[8]等手段處理不確定性，保證虛擬電廠交易調(diào)度優(yōu)化過程中的可靠性。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，“共享儲(chǔ)能”商業(yè)模式得到推廣。文獻(xiàn)[9-13]研究了虛擬電廠與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行時(shí)配置策略與控制方法，利用儲(chǔ)能的靈活性平衡風(fēng)光波動(dòng)性資源出力，參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，提升整體魯棒性的同時(shí)兼顧一定的經(jīng)濟(jì)效益。為了描述虛擬電廠與電網(wǎng)[14]、虛擬電廠內(nèi)部成員[15]以及虛擬電廠之間[16]的利益關(guān)聯(lián)與沖突，部分研究采用博弈理論進(jìn)行分析，從合作博弈或非合作博弈的角度，梳理設(shè)計(jì)了各主體的優(yōu)化調(diào)度方案及利益分配模式。圍繞技術(shù)性虛擬電廠，文獻(xiàn)[17-19]考慮到僅僅采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度模型無法滿足配電網(wǎng)安全性需求，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性與安全性提出優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)[20-22]以去中心化的區(qū)塊鏈交易為背景，分析了基于P2P交易模式下的電能與其他經(jīng)濟(jì)性商品的差異性，并將網(wǎng)絡(luò)安全約束加入交易管理方案中，消除潮流越限、網(wǎng)絡(luò)阻塞等情況的出現(xiàn)。
在理論研究基礎(chǔ)之上，虛擬電廠工程項(xiàng)目也相繼開展。其中，歐美國(guó)家的虛擬電廠起步較早。21世紀(jì)伊始?xì)W盟國(guó)家就開啟了首個(gè)虛擬電廠項(xiàng)目VFCPP。而后隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的虛擬電廠項(xiàng)目也逐步啟動(dòng)。其中，由于能源結(jié)構(gòu)與相關(guān)政策的差異，歐洲與美國(guó)的虛擬電廠項(xiàng)目不盡相同。歐洲國(guó)家在新能源領(lǐng)域的發(fā)展水平較高，并大力限制煤炭資源的出力，因此歐洲虛擬電廠聚焦于供電側(cè)，通過聚合可再生新能源參與電力市場(chǎng)交易與電力系統(tǒng)運(yùn)行。而美國(guó)則先選擇需求側(cè)作為虛擬電廠構(gòu)建的出發(fā)點(diǎn)，將負(fù)荷側(cè)列入可調(diào)資源，通過實(shí)行需求響應(yīng)緩解電力供應(yīng)的高峰壓力。
上海市作為全國(guó)最先進(jìn)行虛擬電廠項(xiàng)目建設(shè)的城市之一，如何結(jié)合上海的特點(diǎn)，綜合考慮到負(fù)荷增長(zhǎng)、新能源發(fā)展等情況，兼顧2種虛擬電廠建設(shè)模式是發(fā)展的重點(diǎn)。從能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，截至2021年年底上海風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量占比約為40%，歐洲則預(yù)計(jì)2030年前新能源裝機(jī)容量占比達(dá)到45%。從數(shù)據(jù)中不難看出，上海的發(fā)電結(jié)構(gòu)與歐洲相近似。然而，上海市虛擬電廠沒有簡(jiǎn)單復(fù)制歐洲模式，而是考慮到上海作為中國(guó)超大型城市之一，在工商業(yè)用電比例極高的情況下，如何向內(nèi)挖掘與整合需求側(cè)資源。從市場(chǎng)機(jī)制的特點(diǎn)來看，體制的特點(diǎn)使美國(guó)長(zhǎng)期以來允許各個(gè)市場(chǎng)主體參與輸配電交易的競(jìng)爭(zhēng)中，打破公共事業(yè)單位的壟斷，因此具有成熟的市場(chǎng)交易經(jīng)驗(yàn)，允許各主體在市場(chǎng)中進(jìn)行自由交易。而中國(guó)電力市場(chǎng)尚位于起步階段，因此在上海市虛擬電廠建設(shè)初期，仍然是以邀約制為主。但隨著相關(guān)政策的出臺(tái)，電力市場(chǎng)建設(shè)初具規(guī)模，上海市虛擬電廠同樣正走向自主交易型階段。
現(xiàn)階段上海市已在項(xiàng)目試點(diǎn)范圍取得初步成功，有必要開展階段性總結(jié)工作，一方面有助于優(yōu)化完善自身項(xiàng)目建設(shè)，為后續(xù)虛擬電廠規(guī)?；c常態(tài)化運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；另一方面也可為其他省市地區(qū)開展虛擬電廠項(xiàng)目提供參考與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。
1.虛擬電廠建設(shè)必要性分析
在能源轉(zhuǎn)型的過程中，電能供用鏈體系中社會(huì)多方群體的利益關(guān)系相互交織，新能源發(fā)電廠商、用戶、電網(wǎng)彼此之間的訴求各異。新能源發(fā)電廠商作為未來電能供應(yīng)的主體之一，在現(xiàn)階段個(gè)體體量較小，無法直接參與電力市場(chǎng)交易，也無法直接獲取交易信息，為避免棄風(fēng)棄光現(xiàn)象對(duì)其造成經(jīng)濟(jì)性損失，發(fā)電廠商應(yīng)擁有獲取電力供求信息的渠道。電力用戶在經(jīng)歷電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的過程中，主要訴求是保障原有高質(zhì)量的電能供應(yīng)，并盡可能降低用能成本。但是在現(xiàn)階段電網(wǎng)靈活性資源匱乏的情況下，電網(wǎng)公司需付出大量成本投建靈活性資源與改造原配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，造成電能生產(chǎn)成本上升，與降低用戶用能成本的訴求背道而馳。
綜上所述，社會(huì)發(fā)展與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)電網(wǎng)提出新的要求：能夠低成本消納新能源，降低用戶用能成本，激發(fā)新能源發(fā)電廠商積極性；發(fā)掘靈活性資源，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，改善電力系統(tǒng)局部供需平衡；進(jìn)一步地，新能源逐步承擔(dān)電力供應(yīng)體系主體的責(zé)任，與傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣為提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)供需平衡資源，保持發(fā)電充裕性。
虛擬電廠的建設(shè)應(yīng)用能夠契合上述要求。首先針對(duì)新能源的大規(guī)模投建，虛擬電廠能夠充分發(fā)掘靈活性資源，一方面是保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面也減緩電力系統(tǒng)投建和改造現(xiàn)有配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壓力。其次，虛擬電廠的建設(shè)能夠以需求響應(yīng)形式將電力用戶納入能源供給體系，在充分挖掘和利用需求側(cè)資源的同時(shí)，為用戶提供部分收益，降低用戶的用能成本。最后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)的進(jìn)步，虛擬電廠聚合分布式資源的能力提升，能夠充分調(diào)動(dòng)分布式能源的資源稟賦、時(shí)空特性，彌補(bǔ)風(fēng)光等不確定性能源的出力波動(dòng)性，等效成一種穩(wěn)定出力的傳統(tǒng)發(fā)電廠參與電力系統(tǒng)運(yùn)行。
上海市作為典型的人口聚集、負(fù)荷密集區(qū)域，具有外來電比例高、本地資源稟賦不足的特點(diǎn)。從發(fā)電側(cè)的角度出發(fā)，新能源發(fā)電資源在電力系統(tǒng)中的占比逐年提升，未來新能源占發(fā)電資源主體的比重將超過50%，預(yù)計(jì)“十四五”新增風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)1.19 GW、2.70 GW。同時(shí)，傳統(tǒng)電力供應(yīng)體系中以煤電為主的化石能源將逐步調(diào)整成為調(diào)節(jié)性資源。從用戶側(cè)的角度出發(fā)，隨著CO2排放量的增加以及環(huán)境氣候的變化，夏、冬兩季出現(xiàn)極端性天氣的概率變高，造成電力系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的雙峰特征，且尖峰負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間短暫。同時(shí)，隨著第三產(chǎn)業(yè)與居民用電的發(fā)展，負(fù)荷峰谷差逐年拉大，最大峰谷差達(dá)48.5%（1312萬kW）。物聯(lián)網(wǎng)、信息通信等技術(shù)的廣泛普及使得商業(yè)樓宇、電動(dòng)汽車、分布式能源、5G基站等用戶靈活資源快速發(fā)展。目前，上海市電動(dòng)汽車保有量增長(zhǎng)迅猛，截至2020年底，電動(dòng)汽車保有量總規(guī)模居全國(guó)首位，占全國(guó)的9%。
在上述背景下，上海市成為全國(guó)首批建設(shè)虛擬電廠的城市之一，目前已取得一定成效，下面將介紹上海市虛擬電廠的發(fā)展技術(shù)路線，提煉上海市虛擬電廠的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。
2.上海市虛擬電廠發(fā)展技術(shù)路線
2.1 資源發(fā)掘
十四五規(guī)劃中指出，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型需要全面提高資源利用效率，強(qiáng)化重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理，實(shí)施能量系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能技術(shù)改造等重點(diǎn)工程。上海市可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源超過8760 MW，其中包括工業(yè)負(fù)荷1230 MW、商業(yè)負(fù)荷2160 MW、電動(dòng)汽車負(fù)荷1000 MW等。為充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，上海市電力公司將虛擬電廠項(xiàng)目聚焦于需求響應(yīng)資源，引導(dǎo)電力用戶的用能需求，實(shí)現(xiàn)電力用戶由電能消費(fèi)者到電能產(chǎn)消者的身份轉(zhuǎn)變。
2.1.1 上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項(xiàng)目
2020年上海市公共建筑能耗分析報(bào)告中指出，在上海市建筑的分項(xiàng)用電數(shù)據(jù)中，空調(diào)設(shè)備與照明類電器設(shè)備的用電總量占比超過70%[23]。在以空調(diào)負(fù)荷、照明負(fù)荷為主的電能消費(fèi)體系下，商業(yè)建筑中的負(fù)荷具有靈活可調(diào)的性能，在電力市場(chǎng)中具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
黃浦區(qū)作為上海市商業(yè)建筑的密集聚集區(qū)，擁有超過200幢大型商業(yè)建筑[24]，并且在原有建筑中配備能耗監(jiān)測(cè)裝置，有完備的基礎(chǔ)條件實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目?；谏鲜鰲l件，上海市于2016年開展國(guó)家級(jí)需求管理示范項(xiàng)目“上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項(xiàng)目”建設(shè)。項(xiàng)目的建設(shè)落地為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保障，有效提高了可再生新能源的消納水平，充分體現(xiàn)綠色節(jié)能理念。
目前黃浦區(qū)內(nèi)約50%的商業(yè)建筑接入了虛擬電廠平臺(tái)。項(xiàng)目采用資源審計(jì)注冊(cè)，年度能力核定，滾動(dòng)持續(xù)開發(fā)的方式開展資源能力的持續(xù)建設(shè)。同時(shí)，根據(jù)用戶參與情況，對(duì)優(yōu)質(zhì)資源開展自動(dòng)需求改造，采用自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)設(shè)備的調(diào)控。與傳統(tǒng)的被動(dòng)需求響應(yīng)相比，自動(dòng)需求響應(yīng)能夠更加及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證了需求響應(yīng)的靈活高效。截至目前，已經(jīng)完成20%的資源自動(dòng)需求響應(yīng)改造。
黃浦虛擬電廠按年度常態(tài)化制定全年度虛擬發(fā)電任務(wù)，任務(wù)主要按月度周期執(zhí)行，設(shè)定全資源調(diào)度，精確調(diào)度，累計(jì)執(zhí)行次數(shù)等目標(biāo)，并針對(duì)資源發(fā)電執(zhí)行情況，對(duì)前50家優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行年度性政策補(bǔ)貼。截至2021年底，上海市黃浦區(qū)智慧虛擬電廠平臺(tái)已納入黃浦區(qū)商業(yè)樓宇130幢，注冊(cè)響應(yīng)資源約60 MW商業(yè)建筑需求響應(yīng)資源開發(fā)。包含了冷水機(jī)組、風(fēng)冷熱泵、電熱鍋爐、動(dòng)力照明、充電樁等大量設(shè)備。黃浦區(qū)虛擬電廠實(shí)現(xiàn)了在不降低用戶用能體驗(yàn)的前提下，針對(duì)用戶的一樓一策個(gè)性化定制。
2.1.2 上海嘉定區(qū)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧充放電示范試點(diǎn)項(xiàng)目
隨著電動(dòng)汽車保有量持續(xù)快速增長(zhǎng)以及電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐加快，電動(dòng)汽車作為與電網(wǎng)連接的消費(fèi)端用戶，其廣泛互聯(lián)、智能互動(dòng)的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和業(yè)務(wù)形態(tài)愈加顯著，將成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的重要一環(huán)。上海市嘉定供電公司與國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司合作開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧充放電示范試點(diǎn)項(xiàng)目，應(yīng)用V2G技術(shù)和有序充電技術(shù)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)電力電量平衡，有效提高電動(dòng)汽車與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的有序性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)清潔能源消納，減少棄風(fēng)棄光。預(yù)計(jì)到2030年，家庭電動(dòng)乘用車將達(dá)8000萬輛，通過V2G充電樁以及有序充電業(yè)務(wù)的開展，國(guó)家電網(wǎng)將節(jié)約投資1750億元，為社會(huì)節(jié)約投資1430億元，共計(jì)節(jié)約3180億元。同時(shí)，電動(dòng)汽車年消納清潔能源將超過 2000 億kW·h。
嘉定供電公司開展的電動(dòng)汽車智慧充放電業(yè)務(wù)，融入共享充電理念，通過智慧能源系統(tǒng)平臺(tái)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車有序充電。智慧充放電業(yè)務(wù)采用線上線下結(jié)合的模式,建立“云-管-端”的整體系統(tǒng)架構(gòu)。其中用戶端層面由能源路由器(新一代智能電能表)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、分布式電源、微電網(wǎng)、蓄熱電采暖等新型用能設(shè)備的即插即用、數(shù)據(jù)感知、采集和控制。能源控制器作為配變臺(tái)區(qū)智能管理單元，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)負(fù)荷數(shù)據(jù)收集和臺(tái)區(qū)內(nèi)客戶側(cè)設(shè)備的智能控制。云平臺(tái)負(fù)責(zé)電網(wǎng)與用戶需求的平衡，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度，為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。
開展智慧充放電項(xiàng)目解決了居民區(qū)充電困難的問題。通過制定居民區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，研制通用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決建設(shè)難題，基于有序充電、鄰近車位共享等業(yè)務(wù)方式，減少建樁數(shù)量，解決建樁難題，降低充電成本，避免出現(xiàn)無序建設(shè)、零星接入和重復(fù)施工等現(xiàn)象。智慧有序充電建設(shè)通過對(duì)用戶充電行為、用能行為的靈活引導(dǎo)與主動(dòng)調(diào)控，降低配變峰值負(fù)荷超過30%，將80%充電量?jī)?yōu)化調(diào)整到了配變負(fù)荷低谷時(shí)段，使配變接納充電樁能力提高4倍，顯著提升配電網(wǎng)資源利用率，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。
2.2 市場(chǎng)交易
2.2.1 政策規(guī)則介紹
2018年9月，華東能源監(jiān)督局發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《華東電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)試點(diǎn)方案》和《華東電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》的通知，華東電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)于2018年9月底開展模擬運(yùn)行，2019年1月1日起正式運(yùn)行。規(guī)則中明確規(guī)定，市場(chǎng)賣方主體為調(diào)峰能力不低于30萬kW及以上的燃煤機(jī)組、新投產(chǎn)電價(jià)市場(chǎng)化的抽水蓄能機(jī)組等，并適時(shí)考慮逐步擴(kuò)大至其他具備規(guī)定調(diào)峰能力的發(fā)電資源。2020年4月，華東能源監(jiān)督局發(fā)布了《上海電力調(diào)峰輔助服務(wù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》，明確規(guī)定上海市電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中包含虛擬電廠調(diào)峰交易，從此虛擬電廠可正式作為獨(dú)立市場(chǎng)主體參與調(diào)峰市場(chǎng)提供輔助服務(wù)。
上海電力調(diào)峰輔助服務(wù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則中指出，市場(chǎng)類型按照時(shí)間類型分為日前市場(chǎng)、日內(nèi)市場(chǎng)以及實(shí)時(shí)市場(chǎng)。日前市場(chǎng)對(duì)應(yīng)提前24 h發(fā)起的調(diào)峰需求，日內(nèi)市場(chǎng)對(duì)應(yīng)提前三四小時(shí)發(fā)起的調(diào)峰需求，實(shí)時(shí)市場(chǎng)對(duì)應(yīng)未來15 min發(fā)起的調(diào)峰需求。
在日前市場(chǎng)中，虛擬電廠通過對(duì)內(nèi)部成員的負(fù)荷預(yù)測(cè)、新能源發(fā)電預(yù)測(cè)，確定次日的基準(zhǔn)出力曲線或用電曲線，調(diào)度中心發(fā)布未來24 h內(nèi)間隔15 min共96個(gè)調(diào)峰需求點(diǎn)。此時(shí)，虛擬電廠在基準(zhǔn)曲線的基礎(chǔ)上，申報(bào)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的交易電量與電價(jià)。調(diào)度中心以統(tǒng)一邊際電價(jià)進(jìn)行市場(chǎng)交易出清，并發(fā)布出清結(jié)果。虛擬電廠在接收出清結(jié)果后與調(diào)度中心簽訂合約，并在次日按照出清結(jié)果發(fā)用電。由于負(fù)荷以及新能源出力的不確定性，實(shí)際負(fù)荷與預(yù)測(cè)值之間、虛擬電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行出力與日前出清結(jié)果之間往往存在偏差，因此需要引入日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)。在日內(nèi)市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，調(diào)度中心發(fā)布未來三四小時(shí)或15 min之后的調(diào)度需求，虛擬電廠在日前交易結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行申報(bào)，在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中還應(yīng)提供響應(yīng)時(shí)間，同樣由調(diào)度中心統(tǒng)一按照邊際電價(jià)進(jìn)行出清，虛擬電廠接收出清結(jié)果并執(zhí)行交易計(jì)劃。最終，虛擬電廠的收益按月度由實(shí)際執(zhí)行的電量進(jìn)行結(jié)算補(bǔ)償。具體交易流程如圖1所示。
圖1 交易流程示意
Fig.1 Schematic diagram of transaction process
在上海電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中，為保障參與交易的虛擬電廠能夠提供可靠的調(diào)峰能力，設(shè)置參與市場(chǎng)的虛擬電廠調(diào)峰容量不低于1 MW·h，并且要求虛擬電廠內(nèi)用電信息采集時(shí)間周期小于15 min，響應(yīng)時(shí)間不超過15 min，要求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間不小于30 min。
在結(jié)算時(shí)，由于市場(chǎng)處于建設(shè)初期，為維護(hù)市場(chǎng)主體積極性，鼓勵(lì)更多主體參與市場(chǎng)調(diào)峰，交易規(guī)則中并未規(guī)定考核標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，即結(jié)算時(shí)按照實(shí)際出力進(jìn)行結(jié)算，而不考慮實(shí)際出力與計(jì)劃出力的偏差。
2.2.2 上海市虛擬電廠市場(chǎng)化交易機(jī)制設(shè)計(jì)
虛擬電廠市場(chǎng)化交易立足于利用虛擬電廠可控制、可調(diào)節(jié)的資源特性，通過市場(chǎng)手段構(gòu)建虛擬電廠生態(tài)模式，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行特性。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和時(shí)間維度的不同，設(shè)計(jì)了4個(gè)交易品種。從時(shí)間維度出發(fā)分為中長(zhǎng)期交易與短期交易。詳細(xì)交易類型與相關(guān)信息如表1所示。
表1 交易類型
Table 1 Transaction types
中長(zhǎng)期交易定位于獲取虛擬電廠較為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力，為電網(wǎng)提供可被隨時(shí)、快速調(diào)用的調(diào)節(jié)資源，分為中長(zhǎng)期備用交易與中長(zhǎng)期調(diào)峰交易。中長(zhǎng)期備用交易按照月度單邊競(jìng)價(jià)，提供次月高峰時(shí)段，可在10 min內(nèi)被調(diào)用的備用容量；中長(zhǎng)期調(diào)峰交易同樣按照月度單邊競(jìng)價(jià)，提供次月可供調(diào)用的調(diào)峰容量。
短期交易定位于進(jìn)一步挖掘虛擬電廠調(diào)節(jié)能力，解決電廠側(cè)的短期交易，為電廠側(cè)減少一部分費(fèi)用支出，分為新能源發(fā)電曲線調(diào)節(jié)交易與替代調(diào)峰交易。新能源發(fā)電曲線調(diào)節(jié)交易在D–2日與風(fēng)電、光伏企業(yè)交易，幫助其調(diào)整發(fā)電曲線偏差；替代調(diào)峰交易在D–2日與火電企業(yè)交易，幫助其在用電低谷時(shí)段進(jìn)行調(diào)峰。
針對(duì)不同的交易品種，上海市電力公司從準(zhǔn)入機(jī)制、交易出清等方面進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)制設(shè)計(jì)。
（1）準(zhǔn)入機(jī)制。為確保虛擬電廠主體能夠順利參與市場(chǎng)化交易，要求虛擬電廠主體滿足市場(chǎng)信息的交互要求、市場(chǎng)計(jì)量的周期與精度要求。同時(shí)，為適應(yīng)調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)則，要求虛擬電廠最小調(diào)節(jié)功率不小于1 MW。在市場(chǎng)建立初期，響應(yīng)時(shí)間、爬坡速率等技術(shù)指標(biāo)的要求與試點(diǎn)單位的現(xiàn)有能力相匹配。
（2）交易申報(bào)。針對(duì)中長(zhǎng)期交易，虛擬電廠可以分時(shí)段申報(bào)調(diào)節(jié)容量與價(jià)格；針對(duì)短期交易，需要確定虛擬電廠替代調(diào)峰曲線（間隔15 min）或者偏差調(diào)節(jié)曲線（間隔5 min）及價(jià)格分成比例。
（3）交易出清。在交易出清階段，采用響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)速率、可持續(xù)時(shí)間、交易執(zhí)行度等性能指標(biāo)對(duì)申報(bào)價(jià)格進(jìn)行修正，促使虛擬電廠主動(dòng)提高自身技術(shù)指標(biāo)。
（4）交易執(zhí)行。調(diào)度中心完成次日虛擬電廠的預(yù)調(diào)用計(jì)劃后，虛擬電廠根據(jù)計(jì)劃確定次日各類聚合資源的調(diào)用容量，形成調(diào)用方案。次日，調(diào)度中心對(duì)虛擬電廠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用。
（5）偏差量執(zhí)行。偏差量由營(yíng)銷部門通過對(duì)比虛擬電廠基線與交易執(zhí)行量進(jìn)行認(rèn)定，當(dāng)虛擬電廠調(diào)節(jié)容量、響應(yīng)時(shí)間未達(dá)到調(diào)用需求時(shí)，將對(duì)虛擬電廠進(jìn)行考核。結(jié)算時(shí)，由電力交易中心計(jì)算虛擬電廠補(bǔ)償費(fèi)用、偏差考核費(fèi)用等信息，并出具結(jié)算憑證。
2.3 運(yùn)營(yíng)調(diào)度
如圖2所示，完整的虛擬電廠的運(yùn)營(yíng)架構(gòu)能夠劃分為3個(gè)層次：資源層、聚合層、平臺(tái)層。資源層主要由不同類型用戶響應(yīng)終端的可調(diào)節(jié)資源組成，包括分布式電源、小火電、新能源、常規(guī)用戶負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)施、電動(dòng)汽車、充電樁等。聚合層主要通過不同類型、不同區(qū)域的虛擬電廠側(cè)系統(tǒng)將單體容量小、資源數(shù)量多、種類豐富的可調(diào)節(jié)資源進(jìn)行匯聚和優(yōu)化控制。平臺(tái)層包括調(diào)度平臺(tái)、電力交易平臺(tái)、虛擬電廠管理平臺(tái)。通過各平臺(tái)的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的注冊(cè)、交易、運(yùn)行、結(jié)算全流程管理。
圖2 虛擬電廠運(yùn)營(yíng)架構(gòu)
Fig.2 Virtual power plant operation architecture
2.3.1 虛擬電廠運(yùn)行管理與監(jiān)控平臺(tái)
上海市構(gòu)建城市級(jí)分布式可調(diào)節(jié)資源集控平臺(tái)，并按照“四三二一”運(yùn)行體系實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電廠的協(xié)同調(diào)度?！八摹笔侵敢杂媚茉O(shè)備、電力用戶、負(fù)荷集成商、市級(jí)平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建的虛擬發(fā)電單元、虛擬機(jī)組、虛擬電廠、虛擬電廠運(yùn)控中心4級(jí)模型。“三”指按照容量最大、體驗(yàn)最佳、均衡控制等運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)上述四級(jí)模型之間的3層聚合，通過即插即用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用戶規(guī)模的彈性匯聚?！岸敝妇C合用能優(yōu)化以及用戶與電網(wǎng)之間能量交換的優(yōu)化?！耙弧敝附ㄔO(shè)市級(jí)虛擬電廠運(yùn)行管理與監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上海市全部虛擬電廠資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度。目前，上海市虛擬電廠運(yùn)行管理與監(jiān)控平臺(tái)接入12家虛擬電廠，所涵蓋資源類型包括工商業(yè)樓宇、三聯(lián)供、電動(dòng)汽車、鐵塔基站等。虛擬發(fā)電機(jī)組共10078戶，削峰能力107310 kW，填谷能力79300 kW。
虛擬電廠運(yùn)行管理平臺(tái)包含的頂層概念數(shù)據(jù)實(shí)體有：虛擬電廠注冊(cè)管理、虛擬電廠發(fā)電資源注冊(cè)、精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電任務(wù)調(diào)度執(zhí)行、調(diào)節(jié)能力實(shí)時(shí)上報(bào)、運(yùn)行效果輔助決策與調(diào)節(jié)效果考核。接入的各個(gè)虛擬電廠將各個(gè)發(fā)電資源的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)上報(bào)至運(yùn)行管理平臺(tái)，再依據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)電資源的設(shè)備狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)、負(fù)荷狀態(tài)、電廠對(duì)電網(wǎng)送受電情況以及各終端可調(diào)能力，作為實(shí)時(shí)的發(fā)電任務(wù)調(diào)度依據(jù)。在每次調(diào)控任務(wù)完成后，運(yùn)管平臺(tái)提供結(jié)算、技術(shù)參數(shù)、偏差率考核等功能。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)各個(gè)虛擬電廠、不同類型的發(fā)電資源進(jìn)行發(fā)電效果評(píng)估，評(píng)估維度包括斜坡能力、恢復(fù)能力、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等，以促進(jìn)虛擬電廠對(duì)調(diào)度控制過程的優(yōu)化。
2.3.2 調(diào)度控制平臺(tái)
調(diào)度控制平臺(tái)負(fù)責(zé)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況提出市場(chǎng)需求，遠(yuǎn)期具備向虛擬電廠下達(dá)控制指令的能力。針對(duì)調(diào)度控制技術(shù)，上海市電力公司進(jìn)行了探索性的規(guī)范設(shè)計(jì)，對(duì)調(diào)度技術(shù)提出了具體要求，包括調(diào)控系統(tǒng)需及時(shí)掌握可調(diào)資源用戶調(diào)節(jié)容量，支持的調(diào)控方式以及用戶響應(yīng)方式等。
調(diào)度系統(tǒng)需具備掌握可調(diào)資源用戶的可調(diào)節(jié)容量的能力：若因故障、檢修等異常導(dǎo)致的可調(diào)容量發(fā)生變化，調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)立即申報(bào)。并且建立可調(diào)節(jié)容量核查機(jī)制，定期或不定期核實(shí)實(shí)際可調(diào)節(jié)容量；調(diào)度系統(tǒng)所支持的調(diào)控方式可以分為3類：連續(xù)協(xié)調(diào)、離散協(xié)調(diào)以及開關(guān)協(xié)調(diào)；調(diào)度系統(tǒng)支持的用戶相應(yīng)方式分為人工響應(yīng)以及自動(dòng)響應(yīng)。
2021年“五一”長(zhǎng)假末尾，上海市電力公司開展了國(guó)內(nèi)首次以“雙碳”為主題的電力需求響應(yīng)行動(dòng)。運(yùn)用虛擬電廠技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)樓宇、微電網(wǎng)、分布式能源、冷熱電三聯(lián)供、儲(chǔ)能設(shè)施、冰蓄冷、公共充電站、小區(qū)居民充電樁等不同負(fù)荷資源，不僅是國(guó)內(nèi)同類需求響應(yīng)行動(dòng)中可調(diào)節(jié)資源種類最全、充電樁負(fù)荷規(guī)模最大、基站儲(chǔ)能參與度最高的一次，同時(shí)還首次融入了“智慧減碳”概念。
2022年春節(jié)期間，上海市電力公司基于“無感調(diào)控”模式開展了2022年首次填谷需求響應(yīng)。此次響應(yīng)針對(duì)電動(dòng)汽車有序充電、能源站自動(dòng)調(diào)控、建筑用能控制系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）等3個(gè)主題場(chǎng)景，在不影響用戶正常生產(chǎn)、生活秩序的前提下，用戶側(cè)智能終端自動(dòng)接受需求響應(yīng)調(diào)控指令，按照預(yù)置策略本地分解執(zhí)行，事后按照預(yù)定計(jì)劃自動(dòng)恢復(fù)，全程無人工現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。與傳統(tǒng)調(diào)用模式相比，“無感調(diào)控”戶均影響更小、用戶積極性更強(qiáng)、調(diào)控精度更高、響應(yīng)時(shí)效更快、電網(wǎng)調(diào)控更可靠，助力需求響應(yīng)常態(tài)化開展。
2.4 信息通信
面對(duì)虛擬電廠空間分布廣、信息交互頻繁、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求愈發(fā)迫切的環(huán)境，現(xiàn)有通信系統(tǒng)面臨著來自4個(gè)方面的問題：（1）統(tǒng)計(jì)復(fù)用造成的時(shí)延不可控；（2）通信網(wǎng)絡(luò)分布式管理引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)資源利用率低；（3）控制層和設(shè)備層斷面連接多、協(xié)議雜、刷新頻率各異，網(wǎng)絡(luò)兼容性差；（4）控制向末梢延伸引發(fā)的暴露面擴(kuò)大，傳統(tǒng)的“圍堵式”安全防護(hù)體系無法滿足安全防護(hù)要求。
為應(yīng)對(duì)來自虛擬電廠發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，上海市電力公司開展了面向虛擬電廠的新型通信系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)現(xiàn)有通信系統(tǒng)向統(tǒng)一靈活的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、集中式控制調(diào)度、端到端安全防控體系以及彈性通道、時(shí)延可控的虛擬電廠新型通信系統(tǒng)的演進(jìn)和發(fā)展，為虛擬電廠助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的通信基礎(chǔ)。
2.4.1 面向虛擬電廠的新型通信系統(tǒng)建設(shè)
為適應(yīng)海量分布式可調(diào)資源接入對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)造成的影響，新型通信系統(tǒng)需同虛擬電廠一樣具有聚合能力，以此提供虛擬電廠業(yè)務(wù)差異化、安全可靠承載和按需資源調(diào)度的需求。新型通信系統(tǒng)按照“軟、硬件解耦”“承載、控制、業(yè)務(wù)分離”的原則自底向上分為承載層、控制層、資源層。
在承載層，傳統(tǒng)IP網(wǎng)面臨服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）無法嚴(yán)格保障、基于媒體接入控制（media access control，MAC）共享的“軟隔離”安全級(jí)別不高、帶寬分配不靈活等問題。為滿足虛擬電廠調(diào)控業(yè)務(wù)在時(shí)延、隔離度上的承載需求，承載層開展確定性時(shí)延網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。通過確定性網(wǎng)絡(luò)有界低時(shí)延、低抖動(dòng)、低丟包、高精度、泛在連接等特性，為高可靠、低時(shí)延的虛擬電廠調(diào)度業(yè)務(wù)提供可靠確定性的網(wǎng)絡(luò)條件。上海市電力公司采用切片分組網(wǎng)（slicing packet network，SPN）開展確定性時(shí)延網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。SPN屬于IP化的確定性光傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是利用切片以太網(wǎng)技術(shù)并融合密集波分復(fù)用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）的新一代傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。SPN網(wǎng)絡(luò)底層采用通道靈活以太網(wǎng)技術(shù)（flex Ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)，通過固定時(shí)隙調(diào)度機(jī)制，保證通道承載業(yè)務(wù)的時(shí)延、抖動(dòng)及安全隔離要求；同時(shí)通過通道化、端口綁定、子速率等多種帶寬分配機(jī)制，保障業(yè)務(wù)帶寬分配的靈活性。向上使用源路由技術(shù)，并通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制器與源節(jié)點(diǎn)通訊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上所有SPN節(jié)點(diǎn)間的路徑自動(dòng)計(jì)算與生成，并自動(dòng)生成保護(hù)路徑，使網(wǎng)絡(luò)具有抗多點(diǎn)故障下的業(yè)務(wù)恢復(fù)能力，確保了虛擬電廠控制類業(yè)務(wù)的安全可靠。網(wǎng)絡(luò)具備毫秒級(jí)時(shí)延、百微秒級(jí)抖動(dòng)的確定性指標(biāo)能力。
在控制層，針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布式路由算法固有的缺乏全局拓?fù)湫畔?、易陷于局部最?yōu)解、全網(wǎng)資源利用率不均衡等問題，上海市電力公司通過引入基于SDN思想的集中控制器，構(gòu)建了具有全局視圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的“上帝視角”，將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備解耦為通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和控制器，通過集中控制器實(shí)時(shí)獲取全網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，與上層資源調(diào)度平面協(xié)同處理，將用戶的需求轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)控制策略，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)“面向無連接”方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊嫦蜻B接”方式，在實(shí)現(xiàn)差異化業(yè)務(wù)按需承載的同時(shí)，提升了全網(wǎng)資源利用率和“比特”價(jià)值。平均帶寬利用率提升20%以上，降低數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備負(fù)載率30%以上。
在資源層，面對(duì)協(xié)議復(fù)雜多樣、不同廠家網(wǎng)管難以兼容、跨域跨網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS保障等問題，對(duì)統(tǒng)一資源調(diào)度的能力、可靠性提出了更高的要求。上海市電力公司開展通信資源智能調(diào)度系統(tǒng)部署，如圖3所示。該系統(tǒng)向下屏蔽不同廠家控制器的差異，向上將用戶需求翻譯成控制器可以理解的策略并下發(fā)執(zhí)行，同時(shí)引入基于人工智能的流量預(yù)測(cè)算法，提升資源調(diào)度的準(zhǔn)確性，使業(yè)務(wù)保障方式變得按需靈活。配置指令數(shù)量從原有的成百上千條精簡(jiǎn)到現(xiàn)有的20條以下，新業(yè)務(wù)的上線時(shí)間從原來的小時(shí)級(jí)、天數(shù)級(jí)縮短到現(xiàn)在的分鐘級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)“一鍵指配”，按需保障業(yè)務(wù)端到端服務(wù)質(zhì)量。
2.4.2 “端云邊”新型通信系統(tǒng)安全架構(gòu)
為應(yīng)對(duì)虛擬電廠終端本體安全、接入可信安全、業(yè)務(wù)行為安全、數(shù)據(jù)安全等自下而上的安全挑戰(zhàn)，上海市電力公司通過終端威脅感知、可信安全交互、業(yè)務(wù)安全檢測(cè)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)安全管控等方面構(gòu)建虛擬電廠安全防御體系，提出“端管云”安全整體解決方案，為虛擬電廠保駕護(hù)航。
在端側(cè)，針對(duì)光纖傳輸竊聽篡改安全風(fēng)險(xiǎn)，利用光纖內(nèi)生安全理論，基于物理層安全內(nèi)源式防御信道模型，研制電力內(nèi)生安全光通信終端，完成虛擬電廠平臺(tái)生產(chǎn)控制區(qū)到承載網(wǎng)站點(diǎn)兩側(cè)部署。安全光通信是以抵御線路或節(jié)點(diǎn)竊聽攻擊為目的，以增強(qiáng)抗截獲信息防護(hù)能力為手段的新體制光通信技術(shù)，不依賴于附加的外部協(xié)商過程，是完全由通信系統(tǒng)自身提供對(duì)信息傳輸內(nèi)源式防護(hù)的安全光通信方式。內(nèi)生安全終端通過把傳統(tǒng)光通信信道噪聲區(qū)和信號(hào)區(qū)進(jìn)行了重新劃分，攻擊者在竊聽光信號(hào)的時(shí)候只能竊聽到混疊的信號(hào)，恢復(fù)出來信息的誤碼率趨近于50%，從信息論的角度說，竊聽者獲得的信息量趨近為0，從而解決通信加密、隱藏和竊聽發(fā)現(xiàn)一體化的安全問題，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠通信系統(tǒng)“通密一體、傳防融合”，大大降低敏感數(shù)據(jù)被竊聽、被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。
在管側(cè)，遵循《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》和《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)方案》等要求，創(chuàng)新性提出具有高度共識(shí)的“安全I(xiàn)區(qū)+”的概念?！鞍踩獻(xiàn)區(qū)+”是在原有安全一區(qū)的防護(hù)基礎(chǔ)上，加入負(fù)荷調(diào)控模塊。能夠確保在原有I、II區(qū)電網(wǎng)控制功能不受影響的條件下，進(jìn)一步強(qiáng)化了可調(diào)節(jié)負(fù)荷數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。
在“云”側(cè)，完成網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)和數(shù)據(jù)安全管控平臺(tái)部署。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)基于大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，結(jié)合虛擬電廠多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景，從攻擊發(fā)生時(shí)系統(tǒng)對(duì)象的不同空間層次、攻擊持續(xù)時(shí)間以及破壞正常業(yè)務(wù)邏輯的行為表征等多個(gè)維度進(jìn)行攻擊關(guān)聯(lián)和推理，實(shí)現(xiàn)攻擊路徑回溯及可視化。同時(shí)，通過與安全設(shè)備聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攻擊事件的智能處置。數(shù)據(jù)安全管控平臺(tái)，采用服務(wù)化、組件化方式，打造敏感數(shù)據(jù)識(shí)別、分類分級(jí)、數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)水印、虛擬數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)加密等安全服務(wù)能力，構(gòu)建敏捷高效的數(shù)據(jù)安全能力資源池，為虛擬電廠業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中的個(gè)人信息、客戶敏感信息、企業(yè)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)等提供持續(xù)先進(jìn)的數(shù)據(jù)安全能力服務(wù)，保障數(shù)據(jù)各環(huán)節(jié)安全可控。
3.上海市虛擬電廠前景展望及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
3.1 前景展望
3.1.1 分布式資源擴(kuò)圍
虛擬電廠的發(fā)展可以按照資源聚合的水平分為2個(gè)階段。第1階段為需求響應(yīng)型虛擬電廠，此時(shí)虛擬電廠中所聚合的資源以需求側(cè)資源為主，通過對(duì)用戶側(cè)資源進(jìn)行聚合調(diào)控實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助性業(yè)務(wù)。隨著虛擬電廠內(nèi)部分布式資源的不斷豐富，虛擬電廠的第2階段將實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)中各類資源的聚合，包括大容量?jī)?chǔ)能、大規(guī)模新能源、電力用戶等，因此第2階段的虛擬電廠為混合型虛擬電廠。與第1階段相比，第2階段的虛擬電廠在供電可靠性、電量規(guī)模方面更勝一籌，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供更豐富的輔助性服務(wù)。
目前上海市虛擬電廠處于第1階段的發(fā)展過程中，以工商業(yè)建筑、電動(dòng)汽車為主體，分別在黃浦區(qū)與嘉定區(qū)構(gòu)建了虛擬電廠。國(guó)內(nèi)虛擬電廠項(xiàng)目在冀北地區(qū)同樣投入運(yùn)營(yíng)。冀北虛擬電廠工程接入實(shí)時(shí)控制蓄熱式電采暖、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、智能家居、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電站、分布式光伏等 11類 19家泛在可調(diào)資源。從資源聚合的角度出發(fā)，冀北虛擬電廠處于發(fā)展的第2階段，聚合了更為多樣化的資源類型，能夠充分發(fā)揮不同資源的時(shí)空互補(bǔ)性，提高整體供電可靠性。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式資源充分發(fā)掘與利用，應(yīng)全面開展可調(diào)節(jié)資源現(xiàn)狀排摸和規(guī)劃布局，掌握上海目前可調(diào)節(jié)資源規(guī)模與分布情況，并做好未來可調(diào)節(jié)資源的規(guī)劃布局，進(jìn)一步擴(kuò)大可調(diào)節(jié)資源規(guī)模，根據(jù)不同電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多類型可調(diào)節(jié)資源的靈活接入、信息采集、監(jiān)視及控制。
3.1.2 多樣化市場(chǎng)建設(shè)
華東市場(chǎng)中對(duì)于賣方主體具有明確限制條件，虛擬電廠主體暫時(shí)無法參與省間市場(chǎng)交易。因此，目前上海市虛擬電廠僅能參與上海市內(nèi)輔助服務(wù)市場(chǎng)。
縱觀全國(guó)范圍內(nèi)的電力輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)，華北能源監(jiān)督局在2020年11月以《華北監(jiān)管局關(guān)于繼續(xù)開展第三方獨(dú)立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)試點(diǎn)工作的通知》印發(fā)了《第三方獨(dú)立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則》，鼓勵(lì)滿足條件的分布式儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、虛擬電廠等獨(dú)立主體參與調(diào)峰市場(chǎng)。華北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中，調(diào)峰資源充足省份中的虛擬電廠等第三方獨(dú)立主體與火電機(jī)組可在工作日規(guī)定時(shí)間內(nèi)報(bào)量報(bào)價(jià)參與華北市場(chǎng)，以調(diào)峰成本最小完成華北市場(chǎng)邊際出清。在華北市場(chǎng)出清結(jié)果基礎(chǔ)上，包括在華北市場(chǎng)中未中標(biāo)的虛擬電廠等主體參與省網(wǎng)市場(chǎng)，以同樣方式完成省網(wǎng)市場(chǎng)出清。
隨著華東市場(chǎng)的逐步發(fā)展以及虛擬電廠資源主體規(guī)模的擴(kuò)大，未來上海虛擬電廠也有望參與省間的調(diào)峰市場(chǎng)。關(guān)于省間市場(chǎng)與市內(nèi)市場(chǎng)的協(xié)調(diào)也可以借鑒華北市場(chǎng)的組織流程，在市內(nèi)調(diào)峰資源充足（無須在省間市場(chǎng)購買電量）的情況下，采取先省間再市內(nèi)的出清策略。
除此之外，上海市調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)則與華北電力調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)則在申報(bào)電價(jià)上存在部分差異。華北調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)定虛擬電廠等第三方獨(dú)立主體申報(bào)價(jià)格上限為600元/(MW·h)，而上海調(diào)峰市場(chǎng)僅為100元/(MW·h)。同時(shí)，上海市日內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)中價(jià)格設(shè)置同樣存在不合理之處，日內(nèi)市場(chǎng)調(diào)峰價(jià)格上限為400元/(MW·h)，而需求響應(yīng)削峰填谷價(jià)格為800元/(MW·h)。日前與日內(nèi)市場(chǎng)中價(jià)格設(shè)置的不合理性可能影響虛擬電廠參與市場(chǎng)的積極性。
國(guó)內(nèi)虛擬電廠項(xiàng)目除了在調(diào)峰市場(chǎng)上有過實(shí)踐探索外，江蘇能源監(jiān)督管理局在2020年7月發(fā)布《江蘇電力輔助服務(wù)（調(diào)頻）運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》，允許虛擬電廠作為綜合能源服務(wù)商參與江蘇電力調(diào)頻市場(chǎng)。與調(diào)峰輔助服務(wù)相比，調(diào)頻輔助服務(wù)對(duì)虛擬電廠的響應(yīng)精度、響應(yīng)速度與響應(yīng)時(shí)間有更高、更嚴(yán)格的要求。目前，江蘇調(diào)頻市場(chǎng)對(duì)虛擬電廠的要求并不高，僅考慮了調(diào)節(jié)精度與響應(yīng)速度2個(gè)方面，對(duì)響應(yīng)時(shí)間不做要求，可見調(diào)頻市場(chǎng)建設(shè)仍處于初期水平。上海市虛擬電廠所包含的資源主體以電動(dòng)汽車、需求響應(yīng)為主，與傳統(tǒng)的火電機(jī)組相比，在響應(yīng)時(shí)間上更具優(yōu)勢(shì)。隨著未來上海市虛擬電廠的建設(shè)發(fā)展，可以將虛擬電廠納入電力調(diào)頻資源，逐步建立并完善電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。
3.1.3 云邊協(xié)同調(diào)度
現(xiàn)階段上海市電力公司建設(shè)了市級(jí)虛擬電廠運(yùn)行管理與監(jiān)控平臺(tái)與調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了上海市全部虛擬電廠資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度，能夠很好地適應(yīng)目前虛擬電廠建設(shè)初期現(xiàn)狀。但隨著未來海量分布式資源不斷涌現(xiàn)，伴隨著資源主體類型不一、位置分散、運(yùn)行環(huán)境多變等方面的問題，虛擬電廠管控平臺(tái)的運(yùn)行將難以為繼。
因此，上海市電力調(diào)度中心將部署“云邊協(xié)同+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+人工智能”架構(gòu)的虛擬電廠協(xié)同互動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式資源友好并網(wǎng)與靈活支撐。云邊協(xié)同調(diào)控技術(shù)建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)之上[25]。在分布式資源主體側(cè)，智能終端設(shè)備基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的特性曲線、負(fù)荷需求等信息上傳至邊緣服務(wù)器，并響應(yīng)其調(diào)度指令。邊緣服務(wù)器作為虛擬電廠云端與分布式資源終端的中間節(jié)點(diǎn)，利用人工智能技術(shù)處理來自分布式資源層海量信息數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為資源外特性參數(shù)上傳至虛擬電廠云端平臺(tái)。虛擬電廠云端平臺(tái)利用各資源集群的參數(shù)信息結(jié)合智能算法完成內(nèi)部資源的優(yōu)化整合。
云邊協(xié)同架構(gòu)下的虛擬電廠協(xié)同互動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)能夠保證能源配置合理化，充分發(fā)揮邊側(cè)資源靈活性。
3.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
3.2.1 上海市虛擬電廠交易情況總結(jié)
上海市虛擬電廠交易目前正由小規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目逐步向規(guī)?；⒊B(tài)化發(fā)展，表2列舉了上海市自2019年虛擬電廠初步建成至今開展的部分交易。以“雙碳目標(biāo)虛擬電廠需求響應(yīng)”為例，在2021年五一假期后首個(gè)工作日，上海通過能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在不影響生產(chǎn)生活用電的情況下，一次性騰出500 kW的負(fù)荷，是國(guó)內(nèi)首次“雙碳”主題的虛擬電廠需求響應(yīng)行動(dòng)。在工業(yè)企業(yè)、商業(yè)寫字樓、儲(chǔ)能電站、電動(dòng)汽車充電站等11536家電力用戶共同參與下，不到2天時(shí)間內(nèi)，累計(jì)調(diào)節(jié)消納清潔能源123.6萬kW·h，減少碳排放約336 t。在2022年春節(jié)期間的“無感調(diào)控”填谷需求響應(yīng)中，涵蓋了1068戶電力用戶，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)最大填谷容量4.1萬kW，累計(jì)填谷電量7.1萬kW·h，消納清潔能源2.2萬kW·h，并且完成了低谷時(shí)段負(fù)備用調(diào)控能力技術(shù)測(cè)試。此次“無感調(diào)控”也為后續(xù)常態(tài)化開啟需求響應(yīng)提供助力，為電網(wǎng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性提供技術(shù)儲(chǔ)備。
虛擬電廠建設(shè)帶來的收益可以從3個(gè)方面分析。對(duì)于參與響應(yīng)的用戶以及虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商而言，收益最直觀地體現(xiàn)在提供響應(yīng)而獲得的電網(wǎng)補(bǔ)貼與獎(jiǎng)勵(lì)方面，這也是目前激勵(lì)用戶參與虛擬電廠需求響應(yīng)的主要手段之一。對(duì)于電網(wǎng)公司而言，虛擬電廠交易的規(guī)?；?、常態(tài)化開展帶來的效益來源于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃方面減少的成本。面對(duì)逐年拉大的負(fù)荷峰谷差以及不可控高比例新能源廣泛接入，電網(wǎng)在靈活性調(diào)度資源上捉襟見肘，而投資建設(shè)或改造現(xiàn)有配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要付出極高代價(jià)與成本，因此通過開展虛擬電廠交易進(jìn)行削峰填谷，是一項(xiàng)性價(jià)比極高的舉措。對(duì)于社會(huì)而言，虛擬電廠需求響應(yīng)帶來的效益來自對(duì)清潔能源的消納，以及碳排放的減少，助力中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的偉大目標(biāo)。
3.2.2 上海市虛擬電廠建設(shè)經(jīng)驗(yàn)推廣
（1）運(yùn)營(yíng)流程。
在運(yùn)營(yíng)流程方面，涉及電網(wǎng)中多個(gè)部門的協(xié)同合作，各個(gè)部門的職能作用保障了虛擬電廠業(yè)務(wù)的順利開展。在虛擬電廠參加市場(chǎng)交易之前需經(jīng)過虛擬電廠管理中心的審核，判斷其是否滿足準(zhǔn)入條件。滿足準(zhǔn)入條件后，方可實(shí)施信息、數(shù)據(jù)和物理系統(tǒng)的接入，建立市場(chǎng)主體的賬戶，形成相關(guān)檔案。至此虛擬電廠管理中心完成對(duì)虛擬電廠的審核通過。之后，在交易中心完成對(duì)虛擬電廠市場(chǎng)主體的注冊(cè)后，營(yíng)銷部門與主體簽訂合約。虛擬電廠正式完成在交易中心和營(yíng)銷部門的注冊(cè)備案，接下來參與到交易流程中。
交易流程由虛擬電廠交易、調(diào)度中心、交易中心、營(yíng)銷部、財(cái)務(wù)部、虛擬電廠管理平臺(tái)、虛擬電廠、終端用戶共同參與，協(xié)調(diào)開展。調(diào)度中心負(fù)責(zé)提出調(diào)度需求；交易中心負(fù)責(zé)發(fā)布需求并進(jìn)行市場(chǎng)出清以及結(jié)算出清結(jié)果；虛擬電廠管理平臺(tái)記錄虛擬電廠響應(yīng)情況；財(cái)務(wù)部門負(fù)責(zé)結(jié)算響應(yīng)結(jié)果；虛擬電廠則是組織終端用戶參與市場(chǎng)申報(bào)；終端用戶執(zhí)行出清結(jié)果。
整套運(yùn)營(yíng)流程中各部門的相互協(xié)作配合具有可復(fù)制性與借鑒性，能夠在其他城市構(gòu)建虛擬電廠業(yè)務(wù)時(shí)提供參考。
（2）機(jī)制設(shè)計(jì)。
虛擬電廠在建設(shè)初期時(shí)，往往起步較為困難，可能難以滿足電網(wǎng)為了維持穩(wěn)定而提出的高質(zhì)量需求。為此，在上海市的調(diào)峰市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)中，充分考慮到虛擬電廠的建設(shè)情況，未對(duì)偏差考核機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，在結(jié)算時(shí)也不考慮虛擬電廠的調(diào)峰性能，而僅依據(jù)實(shí)際執(zhí)行量進(jìn)行結(jié)算。同時(shí)，在準(zhǔn)入機(jī)制方面，也僅要求最小調(diào)節(jié)功率不小于1 MW，而對(duì)另外兩個(gè)重要指標(biāo)未做具體要求（響應(yīng)時(shí)間與爬坡速率）。
上述機(jī)制設(shè)計(jì)極大地提高了虛擬電廠參與市場(chǎng)交易積極性，極大限度地促進(jìn)了虛擬電廠的快速發(fā)展。但是，上海市虛擬電廠建設(shè)初期面臨實(shí)際參與用戶不足的問題。因此，如何吸引用戶參與虛擬電廠的熱情，提高用戶響應(yīng)的積極性，同樣是建設(shè)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為此，虛擬電廠重新設(shè)計(jì)利潤(rùn)分配機(jī)制，將參與市場(chǎng)交易所得利潤(rùn)全部分配給參與響應(yīng)的用戶，而虛擬電廠本身通過其他業(yè)務(wù)進(jìn)行盈利。該利潤(rùn)分配機(jī)制在初期能夠吸引到很多群體參與到項(xiàng)目中，并通過用戶間利潤(rùn)共享而維持用戶的忠誠(chéng)度，有利于擴(kuò)大虛擬電廠市場(chǎng)主體的規(guī)模。
此種模式為其他城市開展虛擬電廠提供了新的思路，有助于其在建設(shè)初期快速站穩(wěn)腳跟并逐步擴(kuò)大規(guī)模。
4.結(jié)語
上海市作為全國(guó)超大型城市之一，具有負(fù)荷密集、新能源發(fā)展迅速、資源稟賦不足等特點(diǎn)，因此，為滿足社會(huì)發(fā)展與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的需要，上海市積極建設(shè)虛擬電廠工程項(xiàng)目。本文介紹了上海市虛擬電廠的建設(shè)技術(shù)路線，回顧了虛擬電廠交易開展情況，展望未來虛擬電廠發(fā)展前景，進(jìn)而總結(jié)上海虛擬電廠建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為其他省市虛擬電廠項(xiàng)目提供參考與借鑒。
（1）從運(yùn)營(yíng)流程交易角度，梳理了上海市虛擬電廠業(yè)務(wù)流程，介紹流程中涉及的電網(wǎng)各部門之間的職能作用，為其他省市開展相關(guān)業(yè)務(wù)提供參考。
（2）從機(jī)制設(shè)計(jì)角度，分析了上海市虛擬電廠初期的準(zhǔn)入機(jī)制、利潤(rùn)分配機(jī)制，提煉其快速發(fā)展的機(jī)理，為其他處于發(fā)展初期的虛擬電廠建設(shè)起到借鑒意義。
