虛擬電廠智能調(diào)控技術(shù)初探

摘""要："隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，可再生能源消納及并網(wǎng)問題所受重視日益提高。虛擬電廠通過聚合多種資源，利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對能源的優(yōu)化調(diào)控和高效利用。本文綜述虛擬電廠智能調(diào)控技術(shù)，首先，從虛擬電廠參與并網(wǎng)落地角度出發(fā)，對虛擬電廠并網(wǎng)運(yùn)行控制與響應(yīng)性能測試裝置進(jìn)行分析；然后，聚焦于以綠色低碳為目標(biāo)的虛擬電廠資源聚合與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，總結(jié)當(dāng)前研究的技術(shù)優(yōu)勢與不足，進(jìn)一步探討了虛擬電廠在提升電網(wǎng)靈活性和促進(jìn)新能源消納方面的潛力，為虛擬電廠的進(jìn)一步發(fā)展提供方向參考。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；優(yōu)化調(diào)控；并網(wǎng)運(yùn)行；技術(shù)體系

中圖分類號：TM73""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和對可再生能源利用的日益重視，虛擬電廠作為一種新型的能源管理和調(diào)度方式，受到了廣泛關(guān)注。虛擬電廠通過聚合分布式發(fā)電、儲能、電動汽車和可調(diào)節(jié)負(fù)荷等資源，借助先進(jìn)的信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對能源的優(yōu)化調(diào)控和高效利用。在歐美、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家，虛擬電廠的理論研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，成為提升電網(wǎng)靈活性、促進(jìn)新能源消納的重要手段。

在國內(nèi)，虛擬電廠的研究和試點(diǎn)應(yīng)用也逐步展開，河北、江蘇、上海、廣東、浙江等地相繼開展了相關(guān)項(xiàng)目。然而，目前國內(nèi)在技術(shù)規(guī)范、裝置研發(fā)和安全防護(hù)等方面仍存在不足，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和高效的資源聚合方法。同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)以綠色低碳為目標(biāo)的資源優(yōu)化調(diào)控，以及對電力系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行有效監(jiān)測和溯源，仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文將綜述虛擬電廠智能調(diào)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析國內(nèi)外在技術(shù)規(guī)范、裝置研發(fā)和安全防護(hù)方面的差距，探討面向綠色低碳目標(biāo)的虛擬電廠資源整合與優(yōu)化控制技術(shù)，旨在為虛擬電廠的進(jìn)一步發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1""虛擬電廠并網(wǎng)運(yùn)行控制與響應(yīng)性能測試裝置

1.1"技術(shù)規(guī)范

美國OpenADR協(xié)議在國外應(yīng)用較為廣泛，但因成本高和技術(shù)復(fù)雜，在國內(nèi)推廣有限。2017年，南方電網(wǎng)公司啟動中美智能電網(wǎng)合作項(xiàng)目，提出選取深圳和佛山建設(shè)樓宇需求響應(yīng)示范工程，以及建設(shè)需求響應(yīng)實(shí)證平臺，基于OpenADR協(xié)議完成中美需求響應(yīng)產(chǎn)品的互檢驗(yàn)認(rèn)證。該示范項(xiàng)目投資約為100萬，可調(diào)節(jié)能力僅為200kW，單位成本高。目前國內(nèi)虛擬電廠并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)入調(diào)度業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互缺乏權(quán)威、統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)。

1.2"安全防護(hù)

目前，國內(nèi)通常采用在配電網(wǎng)遠(yuǎn)動終端中安裝安全防護(hù)設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)與主系統(tǒng)之間的身份驗(yàn)證及數(shù)據(jù)的加密與解密功能。當(dāng)前采用的主要安全防護(hù)手段為硬件加密方式，具有較高的安全性能。由于設(shè)備種類多樣，主網(wǎng)與配網(wǎng)之間的標(biāo)準(zhǔn)化難度較大，尤其在配網(wǎng)側(cè)，加密設(shè)備制造商數(shù)量眾多，產(chǎn)品在性能和兼容性上存在顯著差異，且設(shè)備成本較高，增加了系統(tǒng)集成的挑戰(zhàn)。這些因素阻礙了虛擬電廠等新型電力系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，限制了其在電力網(wǎng)絡(luò)中的普及和發(fā)展。

1.3"裝置研發(fā)

當(dāng)前，終端技術(shù)的研發(fā)在國內(nèi)外均主要集中于需求響應(yīng)及其自動化方面。然而，由于國內(nèi)需求響應(yīng)系統(tǒng)尚未與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)有效整合，且采用邀約管理模式，難以滿足調(diào)度對網(wǎng)絡(luò)安全和實(shí)時(shí)互動的高要求。因此，現(xiàn)有的需求響應(yīng)終端在用戶資源的并網(wǎng)認(rèn)證、控制和響應(yīng)能力測試方面存在較多不足，迫切需要針對虛擬電廠的特定業(yè)務(wù)需求進(jìn)行定制研發(fā)，這也是國內(nèi)首次在該領(lǐng)域的嘗試。隨著全域物聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，從負(fù)荷資源與電網(wǎng)互動的授信接入角度來看，亟需開發(fā)基于通用通信協(xié)議的SDK加密授信裝置，以實(shí)現(xiàn)軟硬件一體化、輕量化的接入方案，為未來能源系統(tǒng)的可靠性提供技術(shù)支撐。

2""面向綠色低碳目標(biāo)的虛擬電廠資源整合與優(yōu)化控制技術(shù)

虛擬電廠通常由多種部分構(gòu)成，包括分布式發(fā)電、儲能、電動汽車、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等，借助先進(jìn)的信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，參與電力市場以及電網(wǎng)運(yùn)行，是面向電網(wǎng)的電能量與輔助服務(wù)需求而形成的分布式靈活性資源聚合體。其近年來得到迅猛發(fā)展，為電力系統(tǒng)的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了有效途徑。如何對多種用能信息如用戶的用能特征、碳排放特征及分布式資源調(diào)度調(diào)控特征等進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫，是研究面向綠色低碳的虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也可為其資源聚合與優(yōu)化調(diào)控提供基礎(chǔ)與指導(dǎo)。

2.1"用戶用能特性刻畫

針對用戶集群，王冬等[1]提出了一種面向需求響應(yīng)資源的聚類算法，該方法首先對用戶的負(fù)荷信息進(jìn)行壓縮和提取，并將其與可調(diào)負(fù)荷的出力特性與響應(yīng)特性等加以結(jié)合，建立了需求響應(yīng)資源的表示空間。并基于模糊C均值的資源聚類算法，對資源進(jìn)行聚類，最后對系統(tǒng)已執(zhí)行的需求響應(yīng)效果進(jìn)行充分挖掘，利用老化函數(shù)、響應(yīng)達(dá)標(biāo)情況的評分，實(shí)現(xiàn)資源聚類的修正，TROTTA"G[2]根據(jù)用戶的消費(fèi)模式及驅(qū)動因素，利用K-means方法將用戶進(jìn)行分組，促進(jìn)削峰填谷，利用多項(xiàng)概率回歸方法研究影響用電負(fù)荷曲線的用戶特征。Ran"Lv等人[3]的研究提出了一個基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠（VPP）框架，專門針對住宅用戶群體的需求響應(yīng)（DR）進(jìn)行研究。然而上述文獻(xiàn)沒有考慮用戶一段時(shí)間的行為變化趨勢，鑒于此，劉友波等[4]提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)噪聲的完全集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMDAN）和深度信念網(wǎng)絡(luò)（DBN）結(jié)合的用戶側(cè)凈負(fù)荷預(yù)測方法，通過CEEMDAN將原始凈負(fù)荷數(shù)據(jù)分解為若干個頻率、幅值不一的本征模態(tài)函數(shù)（IMF），然后使用DBN逐一對各個IMF分量進(jìn)行特征提取和時(shí)序預(yù)測，得到最終用戶側(cè)短期凈負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。在用戶碳排放特性方面，LI"B等[5]探究了電動汽車充電特性對風(fēng)光儲綜合能源系統(tǒng)碳排放的影響，調(diào)整綜合能源系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，在系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)與碳排放達(dá)標(biāo)，曾鳴等[6]建立了一個理論模型來量化發(fā)電設(shè)備和農(nóng)村居民供暖設(shè)備的碳排放，分析了電采暖系統(tǒng)的碳排放特性，結(jié)果表明碳排放差異主要源于環(huán)境溫度等氣候條件、電采暖農(nóng)村常住人口數(shù)量和電煤消耗量3個關(guān)鍵因素，CARPINELLI"G等[7]同時(shí)考慮了電力系統(tǒng)平衡、出行需求平衡、碳排放等一系列約束，提出了電力與交通耦合系統(tǒng)的長期協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，探究了氫氣電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)在耦合系統(tǒng)中的低碳效應(yīng)。在分布式資源調(diào)控特性方面，OLIVELLA-ROSELL"P等[8]提出了一種智能能源服務(wù)提供商，并基于此探討了在分布式能源高度滲透的配電網(wǎng)中如何滿足配電系統(tǒng)運(yùn)營商對靈活性的需求。VAHEDIPOUR-DAHRAIE"M等[9]提出了微電網(wǎng)中分布式資源的調(diào)度策略，綜合考慮經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、電能質(zhì)量目標(biāo)、節(jié)能目標(biāo)等，實(shí)現(xiàn)對分布式資源的調(diào)控。目前，針對虛擬電廠內(nèi)部用戶能耗特性、碳排放行為的研究較為分散，而從系統(tǒng)性角度對不同特性進(jìn)行刻畫的研究仍待進(jìn)一步進(jìn)行，深入探討這些因素之間的相互作用，對于提升虛擬電廠的低碳運(yùn)行能力至關(guān)重要。

2.2"資源聚合建模

國內(nèi)外針對虛擬電廠中各類靈活資源的聚合模型與指令分解已有大量研究。靈活性資源的聚合模型大致可以分為兩類：表征狀態(tài)空間和描述可接納功率集合。第一類方法中，BAROT"S等[10]針對溫控負(fù)荷建立了二維狀態(tài)空間模型，用以展現(xiàn)聚合體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，基于此，提供了將控制信號分解至負(fù)荷單體的方法。第二類方法中，ZHAO"L等[11]對于各負(fù)荷側(cè)資源的外特性，包括功率和能量邊界，采用邊界值相加的方式得到其聚合靈活性。MüLLER"F"L等[12]提出了異質(zhì)靈活負(fù)荷聚合的外近似方法，通過加入冗余約束使得各靈活負(fù)荷的多胞體具有相同的系數(shù)矩陣，從而簡化聚合過程。ANWAR"M"B等[13]提出以虛擬電池的形式表征溫控負(fù)荷的靈活性，并通過求解同構(gòu)多胞體對其進(jìn)行內(nèi)近似，從而簡化閔可夫斯基求和過程，并推導(dǎo)了相應(yīng)的功率算術(shù)分解方法。Yunchen"Feng等[14]研究了多能源耦合虛擬電廠的聚合機(jī)制，通過構(gòu)建多能源耦合系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)體系，優(yōu)化了分布式能源的接入和網(wǎng)絡(luò)的靈活管理，進(jìn)而提出了一種多能源耦合網(wǎng)絡(luò)的聚合模型。Li等人[15]的研究提供了一個雙層優(yōu)化框架，用于協(xié)調(diào)虛擬電廠和主動配電網(wǎng)的調(diào)度，特別強(qiáng)調(diào)了靈活資源聚合和電池容量退化的建模，這對于資源聚合建模是一個重要的貢獻(xiàn)。Ghasemi-Olanlari等人[16]的研究構(gòu)建了一個考慮分布式發(fā)電單元故障風(fēng)險(xiǎn)的虛擬電廠資源聚合模型，通過兩階段隨機(jī)優(yōu)化策略，有效提升了虛擬電廠在日前市場的資源聚合效率和市場競爭力，為虛擬電廠資源聚合建模提供了新的視角和方法。Bhuiyan等人[17]的研究為虛擬電廠資源聚合建模提供了全面的技術(shù)回顧和框架，深入探討了下一代虛擬電廠在資源聚合、智能控制和市場運(yùn)作方面的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，為虛擬電廠的資源聚合建模提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。王成山等[18]構(gòu)建了同時(shí)考慮靈活性費(fèi)用和電量費(fèi)用的指令分解模型，實(shí)現(xiàn)利潤導(dǎo)向的最優(yōu)分解。目前的工作僅限于對各類分布式發(fā)電資源物理運(yùn)行特性的整合與分解，尚沒有針對低碳電力系統(tǒng)環(huán)境下虛擬電廠資源聚合及調(diào)控指令分解的研究，具體而言，缺乏計(jì)及碳排放特性的聚合方法和分解方法。

2.3"協(xié)調(diào)優(yōu)化

虛擬電廠和微電網(wǎng)的方法存在較大的相似性。國內(nèi)機(jī)構(gòu)也做出大量虛擬電廠及微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)研究，文升等[19]以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，以準(zhǔn)入容量為約束條件，建立分布式電源最優(yōu)布置模型，并提供簡化的實(shí)用化計(jì)算方法。劉鵬等[20]基于改進(jìn)的前推回代法模型計(jì)算了分布式能源不同接入位置下對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響情況，該方法同時(shí)考慮了分布式能源有功與無功之間出力的影響效應(yīng)，對電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行分析具有重要作用。丁明等[21]研究了以蓄電池和鈉硫電池為儲能設(shè)備的微電網(wǎng)（虛擬電廠）的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，討論了不同優(yōu)化目標(biāo)、控制策略以及微電網(wǎng)與主網(wǎng)的交互電價(jià)等因素對微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。Zhengwei"Jiang等[22]建立了一個虛擬電廠聚合響應(yīng)能力的日前評估模型，通過優(yōu)化方法計(jì)算了聚合資源的多維響應(yīng)能力指標(biāo)，為虛擬電廠的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供了決策支持。楊佩佩等[23]建立了包含排放成本的微電網(wǎng)（虛擬電廠）經(jīng)濟(jì)模型，從成本和效益兩個方面分析了微電網(wǎng)（虛擬電廠）的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[24]通過模型預(yù)測控制方法，為虛擬電廠中異構(gòu)負(fù)載的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供了一種有效的控制策略，以提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和效率。文獻(xiàn)[25]構(gòu)建了一種考慮碳交易的多虛擬電廠混合博弈優(yōu)化調(diào)度模型，提升了虛擬電廠聯(lián)盟的經(jīng)濟(jì)性和低碳型。文獻(xiàn)[26]基于共享儲能系統(tǒng)，提出了一種多虛擬電廠雙層優(yōu)化調(diào)度方法，旨在提高虛擬電廠運(yùn)行效率及新能源消納。當(dāng)前，虛擬電廠的協(xié)調(diào)運(yùn)行研究主要集中在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型和優(yōu)化算法上，而針對清潔能源參與虛擬電廠以促進(jìn)低碳運(yùn)行、電網(wǎng)阻塞管理及電壓管理的研究仍顯不足。此外，關(guān)于超大城市中聚合大量靈活性資源的虛擬電廠與電網(wǎng)的互動行為研究也相對薄弱。

2.4"電碳監(jiān)測和溯源

Liu等人[27]的研究深入探討了人工智能技術(shù)在大規(guī)模可再生能源整合中的應(yīng)用，特別是在虛擬電廠資源聚合建模和電碳監(jiān)測及溯源方面的實(shí)際應(yīng)用和挑戰(zhàn)，為實(shí)現(xiàn)碳中和轉(zhuǎn)型提供了寶貴的技術(shù)見解和未來研究方向。TRANBERG"B等[28]基于歐盟電力市場，提出了一種實(shí)時(shí)潮流跟蹤的電-碳核算方法，從而顯著提升電力交易過程中碳排放核算的透明度，使得監(jiān)管機(jī)構(gòu)和市場參與者可以隨時(shí)獲得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。DE"CHALENDAR"J"A等[29]基于美國電力系統(tǒng)建立了經(jīng)濟(jì)投入-產(chǎn)出模型，從而對電-碳在電網(wǎng)中的流向進(jìn)行跟蹤，并利用BAlevel的公開數(shù)據(jù)集分析地理位置與時(shí)間對電能交換和碳交易軌跡的影響。同時(shí)，國內(nèi)外亦有相關(guān)學(xué)者提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電能與碳排放交易跟蹤方法。MNATSAKANYAN"A等[30]與LI"J等[31]分別總結(jié)出了基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠和基于云能量存儲（Cloud"Energy"Storage，CES）的電力系統(tǒng)的基本模型，兩者其中均涉及到有關(guān)于潮流跟蹤與溯源、碳排放交易追蹤與匹配等需求。區(qū)塊鏈技術(shù)作為具有去中心化、時(shí)間可追溯性、自治性、開放性等眾多優(yōu)秀特性的技術(shù)，大大提高了電能與碳排放交易追蹤與溯源的效率。AL"SADAWI"A等[32]給出基于區(qū)塊鏈和智能合約的碳排放交易市場，并提出了一個綜合的三階段分層區(qū)塊鏈框架，該框架在物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈中采用智能合約，以確保系統(tǒng)的完整性，并達(dá)到公平交易狀態(tài)，這有利于在提高電網(wǎng)的碳交易市場的交易便捷性、透明性和可追溯性。Kexin"Wang等人[33]設(shè)計(jì)了一個包含電力、供熱、燃?xì)夂椭评湄?fù)荷的多能源流框架，并提出了相應(yīng)的用戶側(cè)碳排放模型，利用區(qū)塊鏈智能合約確保碳排放數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性。文獻(xiàn)[34]提出了一個全面的碳排放監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控發(fā)電園區(qū)內(nèi)的固定碳排放源，并支持對開放區(qū)域無組織碳排放的監(jiān)測。目前“電碳”監(jiān)測模型已在國網(wǎng)四川省電力公司初步上線可動態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測四川電力行業(yè)碳排放與減排情況。由此可見，國內(nèi)外目前已對電碳智能監(jiān)測與溯源方面研究已有初步探索，但研究成果較少，且大多基于電力系統(tǒng)中的電能與碳交易、碳排放的監(jiān)測與追溯。目前在虛擬電廠背景中，綜合考慮碳排放實(shí)時(shí)監(jiān)測，電碳計(jì)算和能耗評估多方面，缺乏系統(tǒng)和深入的研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要有以下不足，側(cè)重于單獨(dú)對某一類資源的運(yùn)行特性進(jìn)行聚合建模，缺乏考慮不同類別資源的聚合的研究，缺乏考慮低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的聚合和指令分解方法；在優(yōu)化調(diào)控方面，目前多采用經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，缺乏對碳排放約束、阻塞和電壓管理的考慮；同時(shí)，也缺乏對碳排放檢測和追溯。因此，在推進(jìn)分布式資源通過虛擬電廠參與電網(wǎng)互動調(diào)節(jié)時(shí)，探討如何高效準(zhǔn)確地整合和優(yōu)化虛擬電廠的多種資源，必須將綠色低碳目標(biāo)以及各類資源的復(fù)雜多樣性納入考量。

結(jié)論

發(fā)展虛擬電廠是推進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)可再生能源消納的必然趨勢。通過對已有的虛擬電廠技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析和考察，對于實(shí)現(xiàn)我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)具有重大意義。

本文基于國內(nèi)外對于虛擬電廠的有關(guān)研究。從虛擬電廠智能調(diào)控技術(shù)、并網(wǎng)運(yùn)行控制與響應(yīng)性能測試裝置、以綠色低碳為目標(biāo)的資源聚合與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)三個方向出發(fā)，分析了相關(guān)研究的技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)不足。對推動我國虛擬電廠的進(jìn)一步發(fā)展、實(shí)現(xiàn)多樣化分布式靈活性資源的大量接入、滿足我國城市電網(wǎng)日益增長的安全穩(wěn)定性要求提供了理論依據(jù)和參考。

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作者簡介：王士吉（1991—""），男，漢族，湖南祁陽人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)。