基于云-邊-端協同控制的綜合型虛擬電廠

鄭 冉 夏彥輝 趙學茂 黃暢想 董 宸

基于云-邊-端協同控制的綜合型虛擬電廠

鄭 冉 夏彥輝 趙學茂 黃暢想 董 宸

（陽光電源（南京）有限公司，南京 210012）

新型電力系統的建設與發展對電網的安全穩定運行提出了更高的要求，虛擬電廠（VPP）作為一種高級能源組網形態，可有效增強電網的靈活調節能力。首先，提出基于云-邊-端協同控制的綜合型虛擬電廠架構，分為就地層、邊緣層和集中控制層，分層分區對分布式能源（DER）進行整合與控制；其次，分析VPP參與調峰、調頻和調壓等電力輔助服務的運行模式，構建考慮調度成本和調節性能的數學模型；然后，剖析VPP參與電網緊急控制的可能性，并討論VPP與穩控系統的交互邏輯；最后，指出VPP發展的重要意義及其未來的研究方向。

虛擬電廠（VPP）；輔助服務；電力系統安全穩定；調峰調頻；分布式能源（DER）

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出和新型電力系統建設的不斷推進，風電、光伏、儲能等大量分布式能源（distributed energy resources, DER）并入電網，給電源供給側帶來了隨機性、波動性和間歇性等不確定因素；電動汽車呈爆發式增長，充電行為在空間和時間上均存在不確定性，在負荷消費側對電網提出了更高的響應需求。新能源消納、需求響應、電網平衡調節等問題愈發突出，電網安全穩定可靠運行面臨的挑戰越來越大，保障新能源全額消納、提高系統靈活調節能力顯得尤為重要[1-4]。虛擬電廠（virtual power plant, VPP）依托互聯網和現代通信技術，將多類型DER進行有機整合、協調控制，對外呈現為具備雙向調節能力的“全能型電廠”，可有效破解清潔能源消納難題，實現電源與負荷的靈活互動[5-7]。同時，隨著我國電力市場政策和商業模式的不斷完善，VPP作為獨立市場主體將深度參與電力現貨市場和輔助服務市場，為運營商和聚合商帶來最大化利益[8-9]。

目前，國內外已有針對VPP的調度運行控制和參與電力輔助服務的相關研究。VPP運行控制方面，文獻[10]基于“信息分離、決策協同”的分布式控制思想，利用拉格朗日對偶松弛原理構建了一種分散架構下多個VPP（multiple VPPs, MVPP）分布式協同優化調度模型。文獻[11]構建了基于多代理技術的VPP分層調控架構，提出其內部運行及參與大電網安全穩定控制的機制。文獻[12]計及VPP有功功率響應對電網頻率動態的影響，構建擴展系統頻率響應模型，提出了考慮暫態調頻能力的VPP預防控制方法。文獻[13]提出了VPP日前計劃-滾動計劃-實時調度在內的全時域優化調度框架，建立不同尺度優化模型并通過“多級調度、逐級細化”的思想實現優化魯棒性。文獻[14]采用標準交叉熵來量化電網靈活性，通過自適應重要抽樣方法對VPP的響應能力進行了評估。文獻[15]構建虛擬電廠內產消者互助的點對點電能共享機制，并以電價引導方式建立虛擬電廠與配電網的協同運行模型，調整最優出力策略，協助配電網安全運行。上述文獻對VPP的優化調度及其參與大電網穩定控制機制進行了研究，但沒有給出適用于工程應用的VPP參與緊急控制方案，兼具緊急控制和輔助服務功能的綜合型VPP尚未得到研究。

VPP參與電力輔助服務方面，文獻[16]分析總結了國內外VPP參與調峰調頻服務市場機制，為我國相關標準制度的制定提供了參考。文獻[17]對VPP內部資源的不確定性進行建模，建立了包含主、輔服務市場運行成本、收益的優化調度模型。文獻[18]建立了考慮調峰輔助服務的VPP運營模式，提出了計及條件風險價值（conditional value at risk, CVaR）的調峰市場投標策略，基于Shapley值將VPP參與電力市場的運營成本在各成員間進行合理分配。文獻[19]針對含多主體的VPP參與電能量市場與調峰市場的日前競標問題，提出一種VPP對外參與電能量市場和調峰市場、對內與各成員協作配合的內外協調競標策略。文獻[20]考慮可再生能源出力、負荷及市場電價的不確定性，基于隨機規劃理論提出日前、日內和實時市場多階段競價策略模型。文獻[21]研究了聚合儲能和可中斷負荷的VPP，以VPP調峰成本最低為目標建立調峰競標模型。文獻[22]面向調峰、調頻輔助服務對響應性能的不同需求，設計了可控負荷調峰性能和調頻性能指標，以此為依據對可控負荷進行分類聚合，形成優化投標策略。以上文獻多研究VPP參與調峰調頻的競標策略，對VPP內部資源的調用排序研究較少，對VPP參與電網緊急控制也未提及。

由于分布式資源呈現容量小、體量大、分散廣等特點，VPP一般采用云-邊-端協同的信息架 構[23-24]。基于該架構，本文在集中層增設集中控制裝置，參與電力系統緊急控制；在邊緣層設置邊緣控制器，獲取電網頻率，參與電網一次調頻，擴展VPP的形態結構和業務功能。針對VPP參與電網穩定控制和電力輔助服務，分層分級實現DER的聚合和調控策略的分配執行。本文對VPP在電力系統調峰、調頻和調壓方面所起的關鍵作用進行論述，建立考慮簽約成本和調節性能的數學模型；探討VPP參與電網緊急控制的可能性，給出VPP與穩控系統交互的控制邏輯，在保障電網安全的同時，實現聚合商收益的最大化。

1 虛擬電廠系統架構

1.1 總體架構

本文提出的綜合型虛擬電廠包括就地控制層、邊緣控制層和集中控制層三級控制，可實現自下而上分布式資源的采集、匯集、上送，自上而下的策略分配、指令下發、命令執行，功能上具備min級控制（如調峰、調頻、調壓等電力輔助服務）和ms級控制（參與電網緊急控制）。典型的虛擬電廠控制系統架構如圖1所示。

圖1 虛擬電廠控制系統架構

就地控制層：通過源荷終端實現分布式資源運行狀態、功率數據、可調節量等信息的采集，上送至邊緣控制層進行資源聚合，同時接收邊緣控制層下達的控制指令并正確執行。

邊緣控制層：負責分區資源的聚合并上送至集中控制層，接收集中控制層的指令、策略分配，并下發調節指令至執行終端。邊緣控制器具備一定的邊緣計算能力，可獨立制定分區控制策略。

集中控制層：作為整個虛擬電廠的控制核心，接收多個邊緣控制器聚合信息，實現所有控制資源的匯聚整合并上傳至調度層；接收調度層下發的控制指令，調用最優策略算法求解，并將指令分解至邊緣控制器。集中控制層分為云端能量管理控制和區域集中控制。能量管理控制包括調峰、調頻、自動發電控制（automatic generation control, AGC）/自動電壓控制（automatic voltage control, AVC）、電力交易等，部署于云平臺，參與邀約型電力輔助服務，亦可與電網專有平臺通信，接受電網的直接調度。典型的虛擬電廠物理拓撲如圖2所示。區域集中控制指的是參與電網穩定控制，充分利用虛擬電廠聚合的控制資源，將其納入電網安全穩定控制系統的可控資源池，在電網安全穩定遭到破壞時，使散落在各地的分布式資源充分發揮作用，保障電網穩定運行，進一步鞏固電網的二三道防線。

1.2 運行效益

“源荷儲”綜合型虛擬電廠的調節能力更加靈活全面，調節電源可增加電網可供電能、緩解調峰壓力；調節負荷可提升需求響應能力、保障新能源消納；調節儲能的充放電可有效提升電力系統彈性，增強電網魯棒性。電網調度系統由傳統的發電側單向調度，轉變成供應側和需求側的雙向控制和調節，運行效率更高、更可靠。

一方面，虛擬電廠平臺通過參與電力現貨、輔助服務市場，為數量大、體量小的用戶側市場主體賺取高額收益；另一方面，虛擬電廠平臺使錯亂無序的分布式資源變得可觀、可測、可控，增大了電網的靈活調節能力，使電網更加安全穩定、可靠靈活，實現了電網與市場主體的互利共贏，電網與虛擬電廠的雙贏關系如圖3所示。

2 虛擬電廠參與輔助服務

2.1 電力調峰

針對當前電力供需緊張、電網調峰困難的問題，虛擬電廠作為將各類分布式資源“通信聚合、協調控制”衍生出來的一種新的能源形態，可大大緩解高峰用電緊張，促進清潔能源消納，起到削峰填谷、平衡電網供需的作用。虛擬電廠調峰是指大電網調峰能力不足時，虛擬電廠通過一定的優化策略限制分布式發電功率、控制儲能充放電功率、改變電動汽車充電速率、調節可控負荷等手段，調整自身功率曲線，以實現高峰用電和低谷負荷的雙向響應，并獲取相應的調峰收益補償。

圖3 電網與虛擬電廠的雙贏關系

虛擬電廠參與調峰需在電網輔助服務平臺提前申報，調度/交易中心公布市場出清結果，虛擬電廠進行自主或自動響應。其中，邀約型虛擬電廠按照中標結果自主進行市場響應，直調型虛擬電廠可直接接收調度指令自動響應。調度機構根據虛擬電廠上報的預測用電數據和實際用電數據，評估實際調節情況和有效調節電量，按日前市場出清價和有效調節電量予以補償。

考慮邊界約束下的中標容量再分配，是虛擬電廠調峰的核心策略。虛擬電廠平臺根據中標時間和中標容量，將響應時間劃分為多個控制周期，每個控制周期調用高級應用模塊計算出各分布式資源的調峰功率，將調峰指令下發給邊緣控制器，由邊緣控制器分解至各聚合資源。其中，中標時間包含開始時間、結束時間和中標容量等。本文從工程實踐出發，以虛擬電廠調峰成本最低為目標，結合各聚合資源的特性和調用成本，以及各資源的功率、容量約束，實現各類資源調峰容量的分配。

虛擬電廠調峰控制策略流程如圖4所示，以15min為周期進行分時控制，每個控制周期重復執行下列步驟4）～步驟5），直至響應時段結束。

1）從電力交易中心獲取中標時間段、中標容量和運行基線。由于各省政策不同，有的省份直接推送運行基線，有的省份需虛擬電廠自行計算基線，一般為距離響應日最近3～5個不參加響應的同類日期負荷平均值。

圖4 虛擬電廠調峰控制策略流程

5）功率分配。根據各聚合資源調峰簽約價格從低到高排序，并根據排序依次加和各資源可調功率，直至達到調整功率；若簽約價格相同，則按照可調功率從大到小排序。DER實時可調功率見表1，風電、光伏在正常情況下按照最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）最大功率發電，故只考慮參與填谷，即降低出力。虛擬電廠調峰功率示意圖如圖5所示。

表1 DER實時可調功率

圖5 虛擬電廠調峰功率示意圖

需要指出的是，本文提出的調峰策略充分考慮了分布式新能源的調節能力。海量分布式能源參與電力調峰是新型電力系統的未來趨勢，相關省市已經開始了試點。山東在春節期間為保障電網安全和供熱穩定，安排分布式光伏參與調峰；河南將分散式風電、分布式光伏納入市場主體范圍，參與河南電力調峰輔助服務市場管理。

2.2 一次調頻

電力系統擾動引起的有功功率缺額會導致頻率發生變化，一次調頻可以快速響應負荷變化，維持系統供需平衡，提高頻率穩定性。VPP可利用按區域部署的邊緣控制器實時跟蹤監測點的頻率-時間（）曲線，當頻率越過死區時，按照一定的調節速率上調或下調聚合資源的有功功率，使頻率回到死區，實現一次調頻的分區控制。

虛擬電廠一次調頻控制流程如圖6所示，具體如下。

1）周期性地測量節點頻率。

4）將優先級指標D由小到大排序，依序加和各調節資源的可控有功功率P，迭代判斷加和值是否超過有功功率調節量Δ，一旦超過則停止加和。由此得到各調節資源參與一次調頻的順序及調節量。

圖6 虛擬電廠一次調頻控制流程

2.3 AVC調壓

低壓380V分布式能源大多不具備完善的AVC功能及通信條件，不能直接參與配電網的無功電壓控制，浪費了寶貴的無功調節資源。虛擬電廠可充分發揮所聚合分布式資源的無功調節能力，自動接收調度下達的電壓無功指令，根據虛擬電廠內部實時運行狀態制定安全可靠的控制策略，對廠內無功設備（分布式風電、光伏、儲能等）進行優化協調分配，實現對調度指令的自動調節和閉環控制，為電網提供有效的電壓支撐。

針對園區級以微電網形式運行的虛擬電廠，對并網點電壓進行實時監視，接收配電網AVC系統全網無功優化后下發的電壓值指令，根據電壓差值和電壓無功靈敏度，可得到總無功調節量D。

式中：set為調度中心下發的目標電壓值；pcc為虛擬電廠并網點的當前電壓值；U-Q為并網點的無功-電壓靈敏系數。無功電壓靈敏系數U-Q反映并網點電壓與注入無功之間的關系，可通過現場測試計算得到。

針對區域級虛擬電廠，DER散落在不同的接入位置，沒有明確的并網點，此時虛擬電廠可將聚合的無功調節能力進行分區分層，多空間尺度參與配電網系統調壓。配電網AVC系統從數據采集與監控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統獲取實時采集數據，結合電網參數和網絡拓撲經過在線仿真校核得到樞紐節點（母線、線路、變壓器等）的電壓值，根據電壓越限程度計算出該元件電壓回到正常值所需的無功缺額，并調節所屬范圍的無功設備。虛擬電廠可作為其中一個無功調節源，接收無功指令并將其分解至底層控制終端執行，電壓越限元件所覆蓋的虛擬電廠無功資源可有效提升電壓運行水平。

虛擬電廠總無功調節量可按各DER無功調節裕度與VPP整體無功裕度趨于一致的原則進行分配。

式中：max[]為各DER的實時最大可發無功功率，=1, 2,…,；為分布式無功可調資源的總數；min[]為各DER的實時最大吸收無功功率；cur[]為各DER的當前無功功率；D為調度系統下發的無功增量指令或根據電壓指令計算得到的無功調節量；tar[]為各DER的目標無功功率值。

得到各DER的無功設定值為

3 虛擬電廠參與緊急控制

3.1 調控信息流

電力系統遭受較嚴重的故障擾動后，必要時允許采取切機、切負荷、直流緊急功率控制和抽水蓄能電站切泵等穩定控制措施，以保持穩定運行。發電機組、可控負荷、直流控保等被控對象是一種稀缺資源，可控資源接入穩控系統，需額外增加穩控設備、光纖通道、通信設備等，成本昂貴。聚集了分布式能源、儲能、充電樁/站、可中斷負荷等資源的虛擬電廠，可作為電網穩控系統的被控對象，納入穩控系統的控制資源，接收穩控主/子站的控制命令，在電網發生故障時及時響應，保證電網穩定運行，降低大面積停電風險。

虛擬電廠參與電網緊急控制可復用虛擬電廠管控平臺的三層控制架構，在集中控制層增設集中控制器，與電力系統的第二道防線——穩控系統通信，快速交互可切信息和控制命令，以實現不同運行方式下內部可切可調資源的整體優化，以及與大電網間的控制閉環。虛擬電廠參與緊急控制的信息流如圖7所示。其中，虛擬電廠集中控制器與穩控系統的通信方式可根據安裝位置靈活選擇。當集中控制器安裝在裝設穩控裝置的變電站內時，與站內穩控裝置可通過光纖/以太網連接，采用面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）通信協議；當集中控制器獨立安裝時，可通過光纖/E1轉換設備經同步數字體系SDH 2M線路與遠方穩控子站連接，采用高級數據鏈路控制（high level data link control, HDLC）通信協議。

圖7 虛擬電廠參與緊急控制的信息流

用于緊急控制的終端資源有：分布式光伏、風電數據信息，包括實時有功功率、可上調/下調功率、可調狀態等；分布式儲能數據信息，包括實時充/放電功率、最大可充/放電功率、電池系統荷電狀態（state of charge, SOC）、SOC上/下限、可調狀態等；充電樁數據信息，包括實時充電功率、最小/最大充電功率、可控狀態等；可中斷負荷數據信息，包括實時可切功率、可切狀態等。

邊緣控制器將各自轄區內的終端資源進行分類匯集，集中控制器負責統計、整合全域虛擬電廠所覆蓋的控制資源，形成虛擬電廠總可切/可調機組信息和總可切/可調負荷信息，上送至上級穩控子站，并接受穩控子站的控制命令，按照一定規則分解、下發、執行。

3.2 控制邏輯

大電網改變運行狀態一般有兩種情況：一種是根據供需平衡、季節差異、保電需求等因素主動調整系統運行方式；另一種是由于不可預見的故障擾動導致運行狀態隨時發生改變。虛擬電廠可根據接收到的控制指令自動切換控制模式。在電網正常運行狀態下，虛擬電廠運行在電力市場收益模式，根據輔助服務中標容量和價格，以最大化收益為目標，調整DER的運行狀態；在緊急狀態下，虛擬電廠接收穩控系統下發的切機、切負荷、功率調節等控制命令，切換為緊急控制模式，根據離線整定的控制策略執行命令分解。

虛擬電廠參與緊急控制的控制邏輯如圖8所示，具體如下。

圖8 虛擬電廠參與緊急控制的控制邏輯

1）虛擬電廠實時監測穩控系統的控制指令，穩控裝置識別電網故障，判斷是暫穩問題還是過載問題；下發不同的指令類別，包括切機、切負荷、功率調節，以及過切或欠切控制原則。

3）邊緣控制層將DER調整量具體分配至資源采集層的各執行終端，各自轄區內的控制資源立即響應執行。

虛擬電廠參與電網安全穩定控制，具備切機執行站、切負荷執行站的功能，豐富了穩控系統的資源配置，降低了尋找電網稀缺控制資源的難度，減少了電網建設的投資成本。

4 算例分析

4.1 參數設置

以某工業園區虛擬電廠為例，該VPP聚合了3個光伏電站、3個儲能設備、3臺充電樁、2個可中斷負荷。聚合資源參數見表2。

表2 聚合資源參數

4.2 調峰算例

日前調峰中標時段為12:00—13:00，中標容量1.5MW?h，中標類型為削峰。12:00，VPP聚合資源的實時功率見表2，該時刻VPP基線功率為9.05MW。以15min為控制步長，將中標時段劃分為1、2、3、4四個控制周期，可得1時段VPP目標功率為7.55MW，12:00時刻VPP并網點實時功率為8.8MW，故計算得出需向下調整功率1.25MW，調用調峰控制算法得到該時段各DER的目標功率。

1時段儲能和充電樁的功率調整如圖9所示。1時段（即12:00—12:15）儲能1～3和充電樁1～3參與本次削峰調節，其中儲能增加放電功率1 199.4kW，充電樁減少充電功率50.6kW，共削峰1 250kW。2～4時段，將根據屆時的實時功率重新調用算法進行功率分配。可見，調峰算法優先調節簽約價格低的資源，在滿足調峰考核達標的基礎上，降低了支付給聚合資源的成本費用，實現了VPP運營商的調峰利益最大化。

圖9 T1時段儲能和充電樁的功率調整

4.3 調壓算例

本VPP聚合的無功資源包括光伏、儲能設備，設備實時無功功率總量為1 631.3kvar，當前并網點無功功率為1 831.3kvar。現接收上級無功調度指令為1 000kvar，需下調無功功率831.3kvar。采用等無功裕度分配算法，可得到各資源的無功功率目標值。無功設備的功率調整分配見表3。

表3 無功設備的功率調整分配

各無功設備調整后的無功功率下調裕度均為0.555 3，共下調無功功率831.3kvar，滿足調度指令，將調壓責任均攤到各無功設備。

一次調頻和緊急控制均是根據功率指令，按各DER優先級排序，采取過調或過切的方式進行功率分配，區別在于一次調頻功率指令來自VPP邊緣控制器自身，緊急控制功率指令來自遠方穩控子站，這里不再贅述。

5 結論

虛擬電廠是新型電力系統中非常重要的調控資源，隨著新能源滲透率的不斷提高，VPP發揮的功效愈發明顯。本文構建了基于云-邊-端協同控制的“源荷儲”綜合型虛擬電廠，將電氣聯系微弱的海量異構用戶側分布式資源采用“通信聚合、協調控制”的方式進行整合，參與調峰、調頻、調壓等電力輔助服務，提出了VPP參與電網緊急控制的策略，為VPP內部資源的優化協調和聚合商收益分配提供了參考。需要說明的是，目前國內虛擬電廠的商業模式和運行機制尚未成熟，下一步將在虛擬電廠參與電力市場報價機制、虛擬電廠通信技術、智能計量與考核等方面開展研究。

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Integrated virtual power plant based on cloud-edge-terminal collaborative control

ZHENG Ran XIA Yanhui ZHAO Xuemao HUANG Changxiang DONG Chen

(Sungrow Power Supply (Nanjing) Co., Ltd, Nanjing 210012)

The construction and development of new power system put forward higher requirements for the safe and stable operation of power grid. Virtual power plant (VPP), as an advanced energy network form, can effectively enhance the flexible adjustment ability of power grid. Firstly, an integrated virtual power plant architecture based on cloud-edge-terminal collaborative control is proposed, which is divided into stratum, edge layer and centralized control layer, and integrates and controls the distributed energy resources (DER) in stratified zones. Secondly, the operation mode of VPP participating in power auxiliary services such as peak regulating, frequency regulating and voltage regulating is analyzed, and the mathematical model considering the dispatching cost and regulating performance is constructed. Then, the possibility of VPP participating in power grid emergency control is analyzed, and the interaction logic between VPP and stability control system is discussed. Finally, the significance of the development of VPP and the future research direction of virtual power plant are pointed out.

virtual power plant (VPP); ancillary services; power system security and stability; peak regulation and frequency modulation; distributed energy resources (DER)

2023-07-05

2023-07-18

鄭 冉（1991—），男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向為電力系統分析和控制、虛擬電廠。