淺談新型電力系統背景下虛擬電廠運營體系研究

摘要：隨著智能電網關鍵技術以及自動需求響應技術的日益發展，分布式發電、儲能、電動汽車、可控負荷等需求側資源有望成為發電側可調資源的有效替代資源，通過響應電力市場中的電價信號或政府和能源行業的政策激勵參與需求響應項目的實施，參與電網調度運行，提高電力系統的可靠性。虛擬電廠在不改變每個分布式能源并網方式的前提下，以一個

“集合體"的形式對外呈現，參與電力市場運營。虛擬電廠的提出打破了傳統電力系統中物理概念上的發電廠之間、發電側和用電側之間的界限。本文通過虛擬電廠及其運營體系建設，實現能源智慧化生產、運營、管理，支撐河北建設低碳電力系統、保證主網和配網安全經濟有效供電。

關鍵詞：電網調度，虛擬電廠，運營體系，低碳電力

1引 言

“碳達峰、碳中和"目標對電網發展和能源轉型提出了更高要求，隨著新能源并網規模不斷提高，傳統電網調節資源的調度空間與間歇性新能源規模矛盾凸顯，電網面臨新能源利用率低、調度精益化水平有待提升等突出問題。目前河北南網地區仍面臨諸多問題亟待解決，對電網企業、負荷聚合商、政府部門和用電客戶都提出了挑戰。

政府部門：“碳達峰、碳中和"目標對能源轉型提出了更高要求，提倡使用清潔能源，降低碳排放。用戶客戶：廣大用戶希望得到可靠、穩定和優質的電力供應，不希望出現拉閘限電的狀況。電網企業：當前電源側調節資源潛力有限，電源側調節資源潛力挖掘進入瓶頸期，電網調度模式為“源隨荷動"，難以保障電網安全、有效運行。負荷聚合商：用戶側存在大量分散且可調的柔性負荷資源，目前還未推廣至多元需求側資源，還未形成面向所有可調資源的負荷聚合商資源聚合，缺乏直接手段開展常態化調用用戶側資源。

基于上述問題，需打造了一個面向電網聚合商與分布式能源的服務窗口，實現分布式資源的協同管控，提高電網彈性，增加電網削峰填谷能力，促進清潔能源消納，推動源網荷儲友好協同調節。

1工作思路

針對大規模分布式資源參與電網互動調節的重大應用需求，解決多元分布式資源接入電網過程中存在的問題，實現分布式資源的協同管控，提高電網彈性，增加電網削峰填谷能力，促進清潔能源消納，推動利益相關方管理，加強各方責任溝通，以“技術驅動業務"的理念，開發虛擬電廠運營平臺，打造一個面向電網聚合商與分布式能源的服務窗口，堅持創造平臺比較大的應用價值，保障項目順利實施

1.1 以安全穩定用電需求導向，深入調研痛點難點

河北南網地處河北省中南部，服務人口5100余萬，電網負荷以工商業用電為基礎，農業、居民生活用電時段性、季節性特征顯著，峰谷差率較高。近三年，河北南網新能源裝機規模迅猛增長，如何解決電網負荷特性惡化、大規模新能源接入等帶來的問題是本文研究的方面。通過歸納分析我們發現問題主要涉及管理層面和技術層面。

管理層面的問題：虛擬電廠的實施需要用戶及大量私有分布式電源的支持，要求相關部門積極宣傳參與虛擬電廠的益處，并制定一系列的鼓勵機制]，現階段，電力市場還不夠完善，缺乏政策支持。

技術層面的問題：一方面，傳統需求側資源管理方式粗放，自動化水平低，參與成本高，精度低，可靠性差，負荷調節響應時間尺度較長，難以滿足電力系統安全運行的時效性要求；另一方面，需求側所存在的大量具備調節潛力的分布式電源，包括分布式光伏、分布式風電、電動汽車、分布式儲能等，這些分布式電源通常電壓等級低、主體多樣，并且單體規模較小、總體數量較多、空間布局較分散，無法直接接受調度指令。

1.2 以痛點難點為導向，構建虛擬電廠業務生態

通過利益相關方訴求分析（見表1），電網企業會同政府部門、能源聚合商和用電客戶，在現有工作模式基礎上，深入了解利益相關方需求，整合各方資源，建立一套完整的利益相關方識別、溝通、分析和參與機制，將虛擬電廠運營平臺建設工作從電網企業單一推動轉變為各利益相關方齊參與，通過搭建虛擬電廠運營平臺，吸引客戶入駐，通過主動需求響應、分布式交易等業務聯系，形成虛擬電廠業務生態。

2構建實施

2.1 架構設計

（1）虛擬電廠分層響應架構

虛擬電廠的運行架構整體上分為三個層次，包括上級管理層、中間協調層和底部執行層，

如圖1所示，自上而下將信息和指令層層發布，自下而上將執行情況層層反饋，實現多級能源互動協調優化調度；中間協調層為虛擬電廠運營商，是用戶、儲能等分布式資源的綜合管理者，負責內部各主體的協調運行、儲能等分布式資源的投資和建設，以及多能源需求的協調；底層包括具備互動能力的用戶和其他分布式資源。

圖1 虛擬電廠分層架構

（2）面向市場的互動響應流程

完整的虛擬電廠參與市場包括以下階段：日前決策階段、日內交互階段、響應量判定與結算階段，如圖2所示。

圖2 虛擬電廠參與市場流程

虛擬電廠運營商提前一天，通過負荷預測、用能分析等手段，對次日是否啟動互動機制、次日具體互動計劃等進行決策。日前決策階段主要包括負荷預測、市場競價、發布需求響應邀約和競價撮合等環節。在日內互動過程中，運營商對日前調度計劃中存在的偏差或緊急情況進行修正和再調度。

2.2 應用平臺構建

虛擬電廠平臺系統運行監測、系統運行管理、資源分析與建模、結算管理等功能部署于管理信息大區，交易申報與信息發布、可視化展示等功能部署于互聯網大區，方便外界資源接入，兩部分平臺之間通過強邏輯隔離裝置進行信息交互，分別簡稱為外平臺與內平臺。

外平臺作為聚合商與虛擬電廠用戶等社會資源的接入端口與申報發布端口，主要與智慧能源服務平臺、電力交易平臺、虛擬電廠用戶等交互；內平臺主要與電網資源業務中臺、數據中臺、調度系統、虛擬電廠用戶等交互。虛擬電廠運營平臺采用統一的虛擬電廠聚合商接口，各虛擬電廠聚合商可通過此架構基礎進一步與所管控虛擬電廠進行數據與指令交互，并可集成多類型微服務，例如綜合能源服務公司、電動汽車公司、第三方負荷聚合商等主體的

自建能量管理系統或管理平臺。

虛擬電廠運營平臺針對不同時間尺度的調控指令與交易、運營數據交互需求，設置不同的數據通路，包括信息上傳與需求計劃下發通路等。運營平臺與調度系統通過多道安全防護進行出力計劃與調節需求等數據交互，構建調控信息通路；運營平臺與智慧能源服務平臺、交易平臺通過相關技術支持功能進行市場信息、出清與結算數據等數據交互，構建市場信息通路。

針對輔助服務、需求響應、電能量交易等所需的數據交互類型，運營平臺代理進行交易申報，接收相應上級平臺發布的市場出清結果、調節需求或計劃曲線，通過預設的協調優化策略，將其分解下發至各虛擬電廠聚合商，在建設前期也可直接發送至底層虛擬電廠用戶，并進行實際運行情況的監測、接收、運行評估；此外運營平臺還通過交易數據通路，接收輔助服務市場的月度結算信息并分解下發至聚合商或虛擬電廠用戶。

針對AGC輔助調頻、實時調峰等短時間尺度調控類型所需的數據交互類型，結合現有調度管控體系與數據網絡，運營平臺主要負責日前的相關用戶參與市場信息與調節能力統計、上報以及調控模型構建等。在調頻市場開放的情況下，在日前經調度系統日前預出清后，將結果分解并通知各個參與用戶，為后續運行提前安排好生產計劃；日內則利用調度系統已有的調度數據網，在滿足安全防護要求的情況下，直接調控各類實時管控資源；為保證指令的時延要求，實時控制信息繞過虛擬電廠運營平臺，此時平臺主要起到用戶審核、信息統計、日前通知、收益結算等功能。而在目前以調度直控為主的二次調頻服務過程中，需要對虛擬電廠參與調頻，尤其是聚合小電廠參與調頻的模式進行進一步符合實際情況的

設計，具體如圖3所示。

圖3 平臺架構圖

2.3 試點應用

組織開展虛擬電廠試點參與平臺調峰、調頻的洽談、改造及接入，并逐步拓展接入多元資源的種類與規模，針對接入的聚合商或負荷資源開展調控業務的模擬運行，實現電源側與負荷側靈活資源的有效耦合利用與深度互動，以及光伏新能源棄限電量消納。

2.4 溝通推動政策出臺

溝通相關部門推動河北調頻輔助服務市場規則的出臺，確認虛擬電廠主體角色，鼓勵前期按照“報量不報價"的原則參與服務；后期根據電力現貨市場建設情況，推動虛擬電廠相關補貼政策出臺。一方面，規定可再生能源發電應盡量并網，并進一步完善現行的分時電價辦法，鼓勵和促進用電高峰時用戶節電和分布式能源發電。另一方面，應區別對待不同職能的虛擬電廠。

3 安科瑞智慧能源管理平臺助力虛擬電廠快速發展

3.1安科瑞智慧能源管理平臺

AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業微電網的能效管理平臺，對企業微電網分布式電源、市政電源、儲能系統、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態實時監視、智能預測、動態調配，優化策略，診斷告警，可調度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業微電網能效管理數字化、安全分析智能化、調整控制動態化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網運行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業級子系統。

圖1  AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面

    3.2平臺結構

系統覆蓋企業微電網“源-網-荷-儲-充"各環節，通過智能網關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、常規負荷數據，根據負荷變化和電網調度進行優化控制，促進新能源消納的同時降低對電網的至大需量，使之運行安全。

圖2  AcrelEMS 智慧能源管理平臺結構

      3.3平臺功能

3.3.1.能源數字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數據，快速了解能源運行情況。 

3.3.2.優化控制

直觀顯示能源生產及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統出力，并顯示優化前和優化后能源曲線對比等。

3.3.3.智能預測

結合氣象數據，歷史數據對光伏、風力發電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統和負荷控制實現優化調度，降低需量和用電成本。

3.3.4.能耗分析

采集企業電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量，進行同環比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。

3.3.5.有序充電

系統支持接入交直流充電樁，并根據企業負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯動控制，引導用戶有序充電，保障企業微電網運行安全。

3.3.6.運維巡檢

系統支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現運維流程閉環管理。

  3.4設備選型

除了智慧能源管理平臺外，還具備現場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業級的能源管理系統提供一站式服務能力。

安科瑞系統解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環保用電監管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監控系統、微電網能量管理系統、智能照明控制系統、電能質量治理系統、電氣消防系統、隔離電源絕緣監測系統等系統解決方案，覆蓋企業微電網各個環節，打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業微電網智慧能源管理系統。

4 結論

新型電力系統背景下，通過虛擬電廠運營141平臺的建設，形成虛擬電廠負荷資源感知、運行優化、集控平臺建設等關鍵技術的解決方案，實現能源互聯環境下用戶側資源的開放共享及融合創新，使得虛擬電廠作為能源供給與能源消費的融合點，提高能源效率、降低能源成本、促進能源低碳化，推動分布式能源和智能電網的發展。研究成果符合低碳綠色發展要求，適應國家節能減排工作實際需求，支撐能源消費變革，具有廣闊的市場前景。