2018年，由國家電網有限公司主導發(fā)起的兩項“虛擬電廠”標準獲得國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）批準立項，虛擬電廠的概念在原本體系架構上進一步提升：虛擬電廠是聚合優(yōu)化“網源荷”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術和互動商業(yè)模式，在傳統(tǒng)電網物理架構上，依托互聯(lián)網和現(xiàn)代信息通信技術，聚合分布式電源、儲能、負荷等尚未納入電網現(xiàn)有調控范圍的各類資源，進行協(xié)同優(yōu)化運行控制和市場交易，實現(xiàn)電源側的多能互補、負荷側的靈活互動，對電網提供調峰、調頻、備用等輔助服務。

（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

能源轉型是實現(xiàn)“雙碳”目標的主要途徑。這需要在生產側推動清潔能源替代化石能源，在消費側推動電能替代以降低社會整體碳排放。

我國新能源發(fā)展已取得顯著成效，電源結構持續(xù)清潔化，截至2021年年底，我國新能源發(fā)電裝機容量達到6.34億千瓦，占總發(fā)電裝機容量的26.7%。

構建新型電力系統(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，新能源的波動性、隨機性和反調峰性導致電力系統(tǒng)面臨低谷時段消納難、尖峰時段保供難、波動時段調節(jié)難的挑戰(zhàn)。另一方面，用戶側靈活異質資源數(shù)量多、體量小、總量大，需“聚沙成塔”才能擔當大任，而目前大量用戶側可調節(jié)資源尚未納入電力系統(tǒng)可調控范圍。消納保供的壓力疊加，系統(tǒng)靈活調節(jié)的能力亟須提升。以國網冀北電力有限公司（以下簡稱“國網冀北電力”）為例，截至9月29日，冀北電網新能源總裝機容量達到3576.5萬千瓦，占統(tǒng)調裝機比例達70.1%，電量占比達47.7%，新能源逐漸成為冀北電網的裝機主體和電量主體。這使國網冀北電力比其他省級電力公司更早面對能源轉型以及新能源高速發(fā)展、高比例接網所帶來的種種挑戰(zhàn)。

二是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)的本質特征之一是高比例的新能源和高比例的電力電子設備，“雙高”電力系統(tǒng)下安全穩(wěn)定運行面臨挑戰(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)的運行機理，提升頻率的支撐能力、電壓調節(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)定運行。

三是可持續(xù)高質量發(fā)展的挑戰(zhàn)。隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，儲能、分布式電源、可控負荷、微網等市場主體多元發(fā)展，在實現(xiàn)協(xié)同高效的過程中矛盾日益突出，亟須加強市場運營體系建設。針對如何將配電和輸電的可持續(xù)協(xié)調優(yōu)化控制、如何將多元主體下的市場運營體系協(xié)調控制等課題，我國進行了一系列研究與實踐。

構建新型電力系統(tǒng)的痛點之一在于提升系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力，難點在于如何喚醒電網調度看不到、控不了的用戶側海量靈活異質資源，實現(xiàn)從離散動作的需求響應到連續(xù)閉環(huán)運營、可調控、可交易的新型電廠的轉變？如何解決能源轉型中低碳、安全、經濟的三角矛盾？為了解決這些問題，國網冀北電力在國內較早進行了虛擬電廠實踐。

02

冀北實踐成果頗豐

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)電單元為主要目標的虛擬電廠研究項目。2006年至今，北美和歐洲分別進行了以聚合可控負荷和聚合分布式電源為主的虛擬電廠實踐，澳大利亞也在2019年進行了以聚合用戶側儲能為主的虛擬電廠實踐。

我國的虛擬電廠發(fā)展歷程始于2016年，江蘇率先從需求側管理的層面進行嘗試，開展了全球單次規(guī)模最大的需求響應，實現(xiàn)毫秒級的快速精準穩(wěn)控切負荷。

2019年，國網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，參與華北（京津唐）調峰輔助服務市場。同年，上海建設了黃浦智能樓宇，參與需求側管理。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踐處于應用模式的第一階段——邀約型，主要服務于需求響應，開展需求側管理。國網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)的靈活調節(jié)能力，實現(xiàn)連續(xù)閉環(huán)調控和市場運營，面向源荷儲各類可調節(jié)資源。第三階段的虛擬電廠有很強的自主性，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)運營。

2019年年底，經國家能源局批復，華北能源監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨立主體參與華北電力調峰輔助服務市場規(guī)則（試行）》，冀北虛擬電廠作為我國首個以市場化方式運營的虛擬電廠示范工程投運。

冀北虛擬電廠是按照云、管、邊、端的技術架構進行建設的。用戶側智能終端能進行建模、計量、通信和控制，邊緣智能網關負責數(shù)據存儲、分析和計算。虛擬電廠通過用戶側智能終端和邊緣智能網關來實現(xiàn)高效采集和控制，并進行用戶資源的聚合。在通信網絡上，虛擬電廠采用的是4G、5G、光纖等原有的電力網絡、無線通信網絡。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)網云平臺進行構建的，它的主要功能應用包括聚合優(yōu)化調控、交易結算、運營綜合分析等。虛擬電廠智能管控平臺通過大數(shù)據和人工智能進行數(shù)據分析和挖掘，可以進行能源托管、能源資產組合、運營監(jiān)測與評估等服務。由于涉及海量資源，在冀北虛擬電廠的建設中，筑牢安全體系也是非常重要的一環(huán)，全面的安全架構策略為資源安全提供了保障。

國網冀北電力還研發(fā)了基于公有云和邊緣協(xié)同的虛擬電廠智能管控平臺，建立調度、交易、營銷與用戶側的數(shù)據交互接口，實現(xiàn)虛擬電廠持續(xù)在線響應電網自動發(fā)電控制（AGC）調控指令。虛擬電廠智能管控平臺支持海量資源標準化接入、聚合優(yōu)化、協(xié)同調控、市場交易等，并為用戶側提供方便接入的手段，譬如通過手機軟件接入，從而實現(xiàn)能源資產托管和資源優(yōu)化控制。

智能管控平臺具有四個基礎支撐：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用）的標準化接入，還包括智能管控平臺支持彈性擴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用程序編程開放接口，能實現(xiàn)應用高效集成和業(yè)務快速上線。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)務進行全方位監(jiān)測和防護。生態(tài)合作，指的是虛擬電廠智能管控平臺從應用、平臺、網關、設備四個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用于協(xié)同異步通信、精細化建模、人工智能調控決策和分布式微服務四個方面。

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《電力輔助服務管理辦法》；今年1月，國家能源局相繼印發(fā)了《關于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》《“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)域電力并網運行管理實施細則》《南方區(qū)域電力輔助服務管理實施細則》，山西省能源局也印發(fā)了《虛擬電廠建設與運營管理實施方案》。

國網冀北電力的虛擬電廠自2019年起參與華北（京津唐）調峰輔助服務市場運營，納入了電網調度計劃和自動發(fā)電控制閉環(huán)控制。目前京津唐的輔助服務市場主要針對低谷新能源調峰，一般在每年11月到次年的4月開展，每天開展11個小時。截至目前，冀北虛擬電廠已在線連續(xù)提供調峰服務超過4800小時，累計增發(fā)新能源電量3701萬千瓦時，虛擬電廠運營商和用戶收益達673.70萬元。

在2022年北京冬奧會電力保供工作中，冀北虛擬電廠發(fā)揮了重要作用。在服務奧運場館時，虛擬電廠技術還將電與熱聯(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，為電網提供調峰服務，促進清潔能源消納。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施實現(xiàn)了100%綠電供應。冀北虛擬電廠支撐了奧運史上首次全部場館采用綠電，其關鍵技術研究及應用被納入國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項。

冀北虛擬電廠平臺上有兩家運營商——冀北綜合能源公司和恒實科技，國網綜合能源集團等多家運營商也在自建系統(tǒng)或平臺。2019-2020年火電、虛擬電廠統(tǒng)一報價出清機制下，月出清均價較高；自2020年執(zhí)行火電、虛擬電廠分別報價出清機制以來，市場出清價格明顯下降。

從冀北虛擬電廠的實踐可以看出，實現(xiàn)虛擬電廠的規(guī)模化發(fā)展，我們還需在以下四個方面繼續(xù)發(fā)力。

首先，要加強頂層設計，完善政策機制和標準體系。一是完善負荷側（配電側）資源納入新型電力系統(tǒng)的體系設計，負荷供應商需要從系統(tǒng)需求和負荷側資源的特點出發(fā)，參與新型電力系統(tǒng)體系的設計；二是完善參與市場類型、準入、機制、商業(yè)模式的設計；三是完善標準和管理體系，加強可信調節(jié)能力、實際調節(jié)量、運行參數(shù)等的標準化管理體系建設，響應時間、響應速度等電廠化的運行管理參數(shù)也需要進一步明確。

其次，應持續(xù)優(yōu)化核心技術，推進產業(yè)鏈高質量發(fā)展。除了政策機制的鼓勵引導，技術的不斷優(yōu)化才是推動虛擬電廠走向市場化的關鍵。如何更好地將虛擬電廠納入電網調控、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難題。

再次，加強網絡和信息安全體系建設。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)網絡和信息安全是一個重要課題，目前來看加強安全體系建設是最優(yōu)路徑。

最后，為了引導虛擬電廠行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，還應將其納入新興業(yè)務整體布局，借鑒國外經驗，避免聚合平臺不良競爭。

（作者系國網冀北電力科技創(chuàng)新部主任；編輯整理：本刊實習記者馮睿哲）