2018年，由國家電網(wǎng)有限公司主導(dǎo)發(fā)起的兩項(xiàng)“虛擬電廠”標(biāo)準(zhǔn)獲得國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission, IEC）批準(zhǔn)立項(xiàng)，虛擬電廠的概念在原本體系架構(gòu)上進(jìn)一步提升：虛擬電廠是聚合優(yōu)化“網(wǎng)源荷”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術(shù)和互動(dòng)商業(yè)模式，在傳統(tǒng)電網(wǎng)物理架構(gòu)上，依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息通信技術(shù)，聚合分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等尚未納入電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)控范圍的各類資源，進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行控制和市場交易，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)的多能互補(bǔ)、負(fù)荷側(cè)的靈活互動(dòng)，對電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)。
（來源：微信公眾號“能源評論?首席能源觀” 作者：王宣元）
01
虛擬電廠迎難而上
能源轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑。這需要在生產(chǎn)側(cè)推動(dòng)清潔能源替代化石能源，在消費(fèi)側(cè)推動(dòng)電能替代以降低社會(huì)整體碳排放。
我國新能源發(fā)展已取得顯著成效，電源結(jié)構(gòu)持續(xù)清潔化，截至2021年年底，我國新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到6.34億千瓦，占總發(fā)電裝機(jī)容量的26.7%。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)來自以下三方面：
一是提升靈活調(diào)節(jié)能力的挑戰(zhàn)。一方面，隨著新能源占比逐年提高，新能源的波動(dòng)性、隨機(jī)性和反調(diào)峰性導(dǎo)致電力系統(tǒng)面臨低谷時(shí)段消納難、尖峰時(shí)段保供難、波動(dòng)時(shí)段調(diào)節(jié)難的挑戰(zhàn)。另一方面，用戶側(cè)靈活異質(zhì)資源數(shù)量多、體量小、總量大，需“聚沙成塔”才能擔(dān)當(dāng)大任，而目前大量用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源尚未納入電力系統(tǒng)可調(diào)控范圍。消納保供的壓力疊加，系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)的能力亟須提升。以國網(wǎng)冀北電力有限公司（以下簡稱“國網(wǎng)冀北電力”）為例，截至9月29日，冀北電網(wǎng)新能源總裝機(jī)容量達(dá)到3576.5萬千瓦，占統(tǒng)調(diào)裝機(jī)比例達(dá)70.1%，電量占比達(dá)47.7%，新能源逐漸成為冀北電網(wǎng)的裝機(jī)主體和電量主體。這使國網(wǎng)冀北電力比其他省級電力公司更早面對能源轉(zhuǎn)型以及新能源高速發(fā)展、高比例接網(wǎng)所帶來的種種挑戰(zhàn)。
二是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)的本質(zhì)特征之一是高比例的新能源和高比例的電力電子設(shè)備，“雙高”電力系統(tǒng)下安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)，容易出現(xiàn)頻率超限次數(shù)增加、暫態(tài)過電壓等問題，如張北柔直電網(wǎng)屢次出現(xiàn)過寬頻帶振蕩現(xiàn)象。因此亟須突破現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，提升頻率的支撐能力、電壓調(diào)節(jié)能力以及暫態(tài)的穩(wěn)定能力，保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
三是可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的挑戰(zhàn)。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，儲(chǔ)能、分布式電源、可控負(fù)荷、微網(wǎng)等市場主體多元發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)協(xié)同高效的過程中矛盾日益突出，亟須加強(qiáng)市場運(yùn)營體系建設(shè)。針對如何將配電和輸電的可持續(xù)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、如何將多元主體下的市場運(yùn)營體系協(xié)調(diào)控制等課題，我國進(jìn)行了一系列研究與實(shí)踐。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的痛點(diǎn)之一在于提升系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，難點(diǎn)在于如何喚醒電網(wǎng)調(diào)度看不到、控不了的用戶側(cè)海量靈活異質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)從離散動(dòng)作的需求響應(yīng)到連續(xù)閉環(huán)運(yùn)營、可調(diào)控、可交易的新型電廠的轉(zhuǎn)變？如何解決能源轉(zhuǎn)型中低碳、安全、經(jīng)濟(jì)的三角矛盾？為了解決這些問題，國網(wǎng)冀北電力在國內(nèi)較早進(jìn)行了虛擬電廠實(shí)踐。
02
冀北實(shí)踐成果頗豐
1997年，虛擬電廠的概念被提出。從2001年起，歐洲各國就開始開展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標(biāo)的虛擬電廠研究項(xiàng)目。2006年至今，北美和歐洲分別進(jìn)行了以聚合可控負(fù)荷和聚合分布式電源為主的虛擬電廠實(shí)踐，澳大利亞也在2019年進(jìn)行了以聚合用戶側(cè)儲(chǔ)能為主的虛擬電廠實(shí)踐。
我國的虛擬電廠發(fā)展歷程始于2016年，江蘇率先從需求側(cè)管理的層面進(jìn)行嘗試，開展了全球單次規(guī)模最大的需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)毫秒級的快速精準(zhǔn)穩(wěn)控切負(fù)荷。
2019年，國網(wǎng)冀北電力的虛擬電廠（以下簡稱“冀北虛擬電廠”）示范工程投運(yùn)，參與華北（京津唐）調(diào)峰輔助服務(wù)市場。同年，上海建設(shè)了黃浦智能樓宇，參與需求側(cè)管理。今年，深圳也建成了虛擬電廠管理平臺。
目前我國江蘇、上海開展的虛擬電廠實(shí)踐處于應(yīng)用模式的第一階段——邀約型，主要服務(wù)于需求響應(yīng)，開展需求側(cè)管理。國網(wǎng)冀北電力正在探索第二階段——市場型虛擬電廠，旨在提升系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)閉環(huán)調(diào)控和市場運(yùn)營，面向源荷儲(chǔ)各類可調(diào)節(jié)資源。第三階段的虛擬電廠有很強(qiáng)的自主性，因此被稱為自主型虛擬電廠，可以在成熟電力市場環(huán)境下長期商業(yè)運(yùn)營。
2019年年底，經(jīng)國家能源局批復(fù)，華北能源監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨(dú)立主體參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場規(guī)則（試行）》，冀北虛擬電廠作為我國首個(gè)以市場化方式運(yùn)營的虛擬電廠示范工程投運(yùn)。
冀北虛擬電廠是按照云、管、邊、端的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)的。用戶側(cè)智能終端能進(jìn)行建模、計(jì)量、通信和控制，邊緣智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和計(jì)算。虛擬電廠通過用戶側(cè)智能終端和邊緣智能網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)高效采集和控制，并進(jìn)行用戶資源的聚合。在通信網(wǎng)絡(luò)上，虛擬電廠采用的是4G、5G、光纖等原有的電力網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)。虛擬電廠的核心，也就是虛擬電廠的大腦，在虛擬電廠智能管控平臺。虛擬電廠智能管控平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行構(gòu)建的，它的主要功能應(yīng)用包括聚合優(yōu)化調(diào)控、交易結(jié)算、運(yùn)營綜合分析等。虛擬電廠智能管控平臺通過大數(shù)據(jù)和人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，可以進(jìn)行能源托管、能源資產(chǎn)組合、運(yùn)營監(jiān)測與評估等服務(wù)。由于涉及海量資源，在冀北虛擬電廠的建設(shè)中，筑牢安全體系也是非常重要的一環(huán)，全面的安全架構(gòu)策略為資源安全提供了保障。
國網(wǎng)冀北電力還研發(fā)了基于公有云和邊緣協(xié)同的虛擬電廠智能管控平臺，建立調(diào)度、交易、營銷與用戶側(cè)的數(shù)據(jù)交互接口，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠持續(xù)在線響應(yīng)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）調(diào)控指令。虛擬電廠智能管控平臺支持海量資源標(biāo)準(zhǔn)化接入、聚合優(yōu)化、協(xié)同調(diào)控、市場交易等，并為用戶側(cè)提供方便接入的手段，譬如通過手機(jī)軟件接入，從而實(shí)現(xiàn)能源資產(chǎn)托管和資源優(yōu)化控制。
智能管控平臺具有四個(gè)基礎(chǔ)支撐：海量接入、能力開放、安全可靠和生態(tài)合作。所謂海量接入，不僅是指海量資源（包括多種類型終端和應(yīng)用）的標(biāo)準(zhǔn)化接入，還包括智能管控平臺支持彈性擴(kuò)展億級連接和百萬級消息并發(fā)處理的能力。能力開放，指的是管控平臺具備豐富的應(yīng)用程序編程開放接口，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用高效集成和業(yè)務(wù)快速上線。安全可靠，指的是云化部署能為虛擬電廠提供可靠的安全保障，對業(yè)務(wù)進(jìn)行全方位監(jiān)測和防護(hù)。生態(tài)合作，指的是虛擬電廠智能管控平臺從應(yīng)用、平臺、網(wǎng)關(guān)、設(shè)備四個(gè)層次打造全方位的生態(tài)開放系統(tǒng)。目前智能管控平臺主要應(yīng)用于協(xié)同異步通信、精細(xì)化建模、人工智能調(diào)控決策和分布式微服務(wù)四個(gè)方面。
03
規(guī)模化發(fā)展靠什么
目前，發(fā)展虛擬電廠新業(yè)態(tài)、推動(dòng)虛擬電廠規(guī)模化的政策相繼出臺。2021年12月，國家能源局印發(fā)了《電力輔助服務(wù)管理辦法》；今年1月，國家能源局相繼印發(fā)了《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》；6月，國家能源局南方監(jiān)管局印發(fā)了《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》《南方區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，山西省能源局也印發(fā)了《虛擬電廠建設(shè)與運(yùn)營管理實(shí)施方案》。
國網(wǎng)冀北電力的虛擬電廠自2019年起參與華北（京津唐）調(diào)峰輔助服務(wù)市場運(yùn)營，納入了電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃和自動(dòng)發(fā)電控制閉環(huán)控制。目前京津唐的輔助服務(wù)市場主要針對低谷新能源調(diào)峰，一般在每年11月到次年的4月開展，每天開展11個(gè)小時(shí)。截至目前，冀北虛擬電廠已在線連續(xù)提供調(diào)峰服務(wù)超過4800小時(shí)，累計(jì)增發(fā)新能源電量3701萬千瓦時(shí)，虛擬電廠運(yùn)營商和用戶收益達(dá)673.70萬元。
在2022年北京冬奧會(huì)電力保供工作中，冀北虛擬電廠發(fā)揮了重要作用。在服務(wù)奧運(yùn)場館時(shí)，虛擬電廠技術(shù)還將電與熱聯(lián)系起來，合理利用低谷電能供熱，在降低場館供熱成本的同時(shí)，為電網(wǎng)提供調(diào)峰服務(wù)，促進(jìn)清潔能源消納。通過全國統(tǒng)一電力交易平臺，國家體育館、北京冬奧組委辦公園區(qū)、延慶場館群、張家口賽區(qū)等11家冬奧場館及配套設(shè)施實(shí)現(xiàn)了100%綠電供應(yīng)。冀北虛擬電廠支撐了奧運(yùn)史上首次全部場館采用綠電，其關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用被納入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)。
冀北虛擬電廠平臺上有兩家運(yùn)營商——冀北綜合能源公司和恒實(shí)科技，國網(wǎng)綜合能源集團(tuán)等多家運(yùn)營商也在自建系統(tǒng)或平臺。2019-2020年火電、虛擬電廠統(tǒng)一報(bào)價(jià)出清機(jī)制下，月出清均價(jià)較高；自2020年執(zhí)行火電、虛擬電廠分別報(bào)價(jià)出清機(jī)制以來，市場出清價(jià)格明顯下降。
從冀北虛擬電廠的實(shí)踐可以看出，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的規(guī)?；l(fā)展，我們還需在以下四個(gè)方面繼續(xù)發(fā)力。
首先，要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，完善政策機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)體系。一是完善負(fù)荷側(cè)（配電側(cè)）資源納入新型電力系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)，負(fù)荷供應(yīng)商需要從系統(tǒng)需求和負(fù)荷側(cè)資源的特點(diǎn)出發(fā)，參與新型電力系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)；二是完善參與市場類型、準(zhǔn)入、機(jī)制、商業(yè)模式的設(shè)計(jì)；三是完善標(biāo)準(zhǔn)和管理體系，加強(qiáng)可信調(diào)節(jié)能力、實(shí)際調(diào)節(jié)量、運(yùn)行參數(shù)等的標(biāo)準(zhǔn)化管理體系建設(shè)，響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度等電廠化的運(yùn)行管理參數(shù)也需要進(jìn)一步明確。
其次，應(yīng)持續(xù)優(yōu)化核心技術(shù)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展。除了政策機(jī)制的鼓勵(lì)引導(dǎo)，技術(shù)的不斷優(yōu)化才是推動(dòng)虛擬電廠走向市場化的關(guān)鍵。如何更好地將虛擬電廠納入電網(wǎng)調(diào)控、參與市場交易和安全高效通信仍是我們下一步要攻克的技術(shù)難題。
再次，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和信息安全體系建設(shè)。由于虛擬電廠是近用戶的，在用戶數(shù)眾多的情況下，如何保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和信息安全是一個(gè)重要課題，目前來看加強(qiáng)安全體系建設(shè)是最優(yōu)路徑。
最后，為了引導(dǎo)虛擬電廠行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，還應(yīng)將其納入新興業(yè)務(wù)整體布局，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，避免聚合平臺不良競爭。
（作者系國網(wǎng)冀北電力科技創(chuàng)新部主任；編輯整理：本刊實(shí)習(xí)記者馮睿哲）
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