淺談新型電力系統(tǒng)背景下虛擬電廠運(yùn)營體系研究-安科瑞葉西平

摘要：隨著智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)以及自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)的日益發(fā)展，分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、可控負(fù)荷等需求側(cè)資源有望成為發(fā)電側(cè)可調(diào)資源的有效替代資源，通過響應(yīng)電力市場中的電價(jià)信號(hào)或政府和能源行業(yè)的政策激勵(lì)參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施，參與電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的可靠性。虛擬電廠在不改變每個(gè)分布式能源并網(wǎng)方式的前提下，以一個(gè)“集合體”的形式對(duì)外呈現(xiàn)，參與電力市場運(yùn)營。虛擬電廠的提出打破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中物理概念上的發(fā)電廠之間、發(fā)電側(cè)和用電側(cè)之間的界限。本文通過虛擬電廠及其運(yùn)營體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)能源智慧化生產(chǎn)、運(yùn)營、管理，支撐河北建設(shè)低碳電力系統(tǒng)、保證主網(wǎng)和配網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)供電。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)調(diào)度，虛擬電廠，運(yùn)營體系，低碳電力

0引言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型提出了更高要求，隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模不斷提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)資源的調(diào)度空間與間歇性新能源規(guī)模矛盾凸顯，電網(wǎng)面臨新能源利用率低、調(diào)度精益化水平有待提升等突出問題。目前河北南網(wǎng)地區(qū)仍面臨諸多問題亟待解決，對(duì)電網(wǎng)企業(yè)、負(fù)荷聚合商、政府部門和用電客戶都提出了挑戰(zhàn)。

政府部門：“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)對(duì)能源轉(zhuǎn)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(wěn)定和的電力供應(yīng)，不希望出現(xiàn)拉閘限電的狀況。電網(wǎng)企業(yè)：當(dāng)前電源側(cè)調(diào)節(jié)資源潛力有限，電源側(cè)調(diào)節(jié)資源潛力挖掘進(jìn)入瓶頸期，電網(wǎng)調(diào)度模式為“源隨荷動(dòng)”，難以保障電網(wǎng)安全、、運(yùn)行。負(fù)荷聚合商：用戶側(cè)存在大量分散且可調(diào)的柔性負(fù)荷資源，目前還未推廣至多元需求側(cè)資源，還未形成面向所有可調(diào)資源的負(fù)荷聚合商資源聚合，缺乏直接手段開展常態(tài)化調(diào)用用戶側(cè)資源。

基于上述問題，需打造了一個(gè)面向電網(wǎng)聚合商與分布式能源的服務(wù)窗口，實(shí)現(xiàn)分布式資源的協(xié)同管控，提高電網(wǎng)彈性，增加電網(wǎng)削峰填谷能力，促進(jìn)清潔能源消納，推動(dòng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)友好協(xié)同調(diào)節(jié)。

1工作思路

針對(duì)大規(guī)模分布式資源參與電網(wǎng)互動(dòng)調(diào)節(jié)的重大應(yīng)用需求，解決多元分布式資源接入電網(wǎng)過程中存在的問題，實(shí)現(xiàn)分布式資源的協(xié)同管控，提高電網(wǎng)彈性，增加電網(wǎng)削峰填谷能力，促進(jìn)清潔能源消納，推動(dòng)利益相關(guān)方管理，加強(qiáng)各方責(zé)任溝通，以“技術(shù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)”的理念，開發(fā)虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)，打造一個(gè)面向電網(wǎng)聚合商與分布式能源的服務(wù)窗口，堅(jiān)持創(chuàng)造平臺(tái)應(yīng)用價(jià)值大化，保障項(xiàng)目順利實(shí)施。

以安全穩(wěn)定用電需求導(dǎo)向，深入調(diào)研痛點(diǎn)難點(diǎn)

河北南網(wǎng)地處河北省中南部，服務(wù)人口5100余萬，電網(wǎng)負(fù)荷以工商業(yè)用電為基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)、居民生活用電時(shí)段性、季節(jié)性特征顯著，峰谷差率較高。近三年，河北南網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模迅猛增長，如何解決電網(wǎng)負(fù)荷特性惡化、大規(guī)模新能源接入等帶來的問題是本文研究。通過歸納分析我們發(fā)現(xiàn)問題主要涉及管理層面和技術(shù)層面。管理層面的問題：虛擬電廠的實(shí)施需要用戶及大量私有分布式電源的支持，要求相關(guān)部門積極宣傳參與虛擬電廠的益處，并制定一系列的鼓勵(lì)機(jī)制，現(xiàn)階段，電力市場還不夠完善，缺乏政策支持。技術(shù)層面的問題：一方面，傳統(tǒng)需求側(cè)資源管理方式粗放，自動(dòng)化水平低，參與成本高，精度低，可靠性差，負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間尺度較長，難以滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的時(shí)效性要求；另一方面，需求側(cè)所存在的大量具備調(diào)節(jié)潛力的分布式電源，包括分布式光伏、分布式風(fēng)電、電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能等，這些分布式電源通常電壓等級(jí)低、主體多樣，并且單體規(guī)模較小、總體數(shù)量較多、空間布局較分散，無法直接接受調(diào)度指令。

以痛點(diǎn)難點(diǎn)為導(dǎo)向，構(gòu)建虛擬電廠業(yè)務(wù)生態(tài)

通過利益相關(guān)方訴求分析（見表1），電網(wǎng)企業(yè)會(huì)同政府部門、能源聚合商和用電客戶，在現(xiàn)有工作模式基礎(chǔ)上，深入了解利益相關(guān)方需求，整合各方資源，建立一套完整的利益相關(guān)方識(shí)別、溝通、分析和參與機(jī)制，將虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)建設(shè)工作從電網(wǎng)企業(yè)單一推動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦骼嫦嚓P(guān)方齊參與，通過搭建虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)，吸引客戶入駐，通過主動(dòng)需求響應(yīng)、分布式交易等業(yè)務(wù)聯(lián)系，形成虛擬電廠業(yè)務(wù)生態(tài)。

2構(gòu)建實(shí)施

2.1架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1虛擬電廠分層響應(yīng)架構(gòu)

虛擬電廠的運(yùn)行架構(gòu)整體上分為三個(gè)層次，包括上級(jí)管理層、中間協(xié)調(diào)層和底部執(zhí)行層，如圖1所示，自上而下將信息和指令層層發(fā)布，自下而上將執(zhí)行情況層層反饋，實(shí)現(xiàn)多級(jí)能源互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度；中間協(xié)調(diào)層為虛擬電廠運(yùn)營商，是用戶、儲(chǔ)能等分布式資源的綜合管理者，負(fù)責(zé)內(nèi)部各主體的協(xié)調(diào)運(yùn)行、儲(chǔ)能等分布式資源的投資和建設(shè)，以及多能源需求的協(xié)調(diào)；底層包括具備互動(dòng)能力的用戶和其他分布式資源。

圖1虛擬電廠分層互動(dòng)架構(gòu)

2.2.2面向市場的互動(dòng)響應(yīng)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(nèi)交互階段、響應(yīng)量判定與結(jié)算階段，如圖2所示。

虛擬電廠運(yùn)營商提前一天，通過負(fù)荷預(yù)測、用能分析等手段，對(duì)次日是否啟動(dòng)互動(dòng)機(jī)制、次日具體互動(dòng)計(jì)劃等進(jìn)行優(yōu)決策。日前決策階段主要包括負(fù)荷預(yù)測、市場競價(jià)、發(fā)布需求響應(yīng)邀約和競價(jià)撮合等環(huán)節(jié)。在日內(nèi)互動(dòng)過程中，運(yùn)營商對(duì)日前調(diào)度計(jì)劃中存在的偏差或緊急情況進(jìn)行修正和再調(diào)度。

圖2虛擬電廠參與市場流程圖

2.2應(yīng)用平臺(tái)構(gòu)建

虛擬電廠平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測、系統(tǒng)運(yùn)行管理、資源分析與建模、結(jié)算管理等功能部署于管理信息大區(qū)，交易申報(bào)與信息發(fā)布、可視化展示等功能部署于互聯(lián)網(wǎng)大區(qū)，方便外界資源接入，兩部分平臺(tái)之間通過強(qiáng)邏輯隔離裝置進(jìn)行信息交互，分別簡稱為外平臺(tái)與內(nèi)平臺(tái)。

外平臺(tái)作為聚合商與虛擬電廠用戶等社會(huì)資源的接入端口與申報(bào)發(fā)布端口，主要與智慧能源服務(wù)平臺(tái)、電力交易平臺(tái)、虛擬電廠用戶等交互；內(nèi)平臺(tái)主要與電網(wǎng)資源業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、調(diào)度系統(tǒng)、虛擬電廠用戶等交互。虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)采用統(tǒng)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(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)一步與所管控虛擬電廠進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令交互，并可集成多類型微服務(wù)，例如綜合能源服務(wù)公司、電動(dòng)汽車公司、第三方負(fù)荷聚合商等主體的自建能量管理系統(tǒng)或管理平臺(tái)。

虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)針對(duì)不同時(shí)間尺度的調(diào)控指令與交易、運(yùn)營數(shù)據(jù)交互需求，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)通路，包括信息上傳與需求計(jì)劃下發(fā)通路等。運(yùn)營平臺(tái)與調(diào)度系統(tǒng)通過多道安全防護(hù)進(jìn)行出力計(jì)劃與調(diào)節(jié)需求等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建調(diào)控信息通路；運(yùn)營平臺(tái)與智慧能源服務(wù)平臺(tái)、交易平臺(tái)通過相關(guān)技術(shù)支持功能進(jìn)行市場信息、出清與結(jié)算數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建市場信息通路。

針對(duì)輔助服務(wù)、需求響應(yīng)、電能量交易等所需的數(shù)據(jù)交互類型，運(yùn)營平臺(tái)代理進(jìn)行交易申報(bào)，接收相應(yīng)上級(jí)平臺(tái)發(fā)布的市場出清結(jié)果、調(diào)節(jié)需求或計(jì)劃曲線，通過預(yù)設(shè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，將其分解下發(fā)至各虛擬電廠聚合商，在建設(shè)前期也可直接發(fā)送至底層虛擬電廠用戶，并進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行情況的監(jiān)測、接收、運(yùn)行評(píng)估；此外運(yùn)營平臺(tái)還通過交易數(shù)據(jù)通路，接收輔助服務(wù)市場的月度結(jié)算信息并分解下發(fā)至聚合商或虛擬電廠用戶。

針對(duì)AGC輔助調(diào)頻、實(shí)時(shí)調(diào)峰等短時(shí)間尺度調(diào)控類型所需的數(shù)據(jù)交互類型，結(jié)合現(xiàn)有調(diào)度管控體系與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營平臺(tái)主要負(fù)責(zé)日前的相關(guān)用戶參與市場信息與調(diào)節(jié)能力統(tǒng)計(jì)、上報(bào)以及調(diào)控模型構(gòu)建等。在調(diào)頻市場開放的情況下，在日前經(jīng)調(diào)度系統(tǒng)日前預(yù)出清后，將結(jié)果分解并通知各個(gè)參與用戶，為后續(xù)運(yùn)行提前安排好生產(chǎn)計(jì)劃；日內(nèi)則利用調(diào)度系統(tǒng)已有的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，在滿足安全防護(hù)要求的情況下，直接調(diào)控各類實(shí)時(shí)管控資源；為保證指令的時(shí)延要求，實(shí)時(shí)控制信息繞過虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)，此時(shí)平臺(tái)主要起到用戶審核、信息統(tǒng)計(jì)、日前通知、收益結(jié)算等功能。

而在目前以調(diào)度直控為主的二次調(diào)頻服務(wù)過程中，需要對(duì)虛擬電廠參與調(diào)頻，尤其是聚合小電廠參與調(diào)頻的模式進(jìn)行進(jìn)一步符合實(shí)際情況的設(shè)計(jì)，具體如圖3所示。

圖3平臺(tái)架構(gòu)圖

2.3試點(diǎn)應(yīng)用

組織開展虛擬電廠試點(diǎn)參與平臺(tái)調(diào)峰、調(diào)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(guī)模，針對(duì)接入的聚合商或負(fù)荷資源開展調(diào)控業(yè)務(wù)的模擬運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)靈活資源的有效耦合利用與深度互動(dòng)，以及光伏新能源棄限電量消納。

2.4溝通推動(dòng)政策出臺(tái)

溝通相關(guān)部門推動(dòng)河北調(diào)頻輔助服務(wù)市場規(guī)則的出臺(tái)，確認(rèn)虛擬電廠主體角色，鼓勵(lì)前期按照“報(bào)量不報(bào)價(jià)”的原則參與服務(wù)；后期根據(jù)電力現(xiàn)貨市場建設(shè)情況，推動(dòng)虛擬電廠相關(guān)補(bǔ)貼政策出臺(tái)。一方面，規(guī)定可再生能源發(fā)電應(yīng)盡量并網(wǎng)，并進(jìn)一步完善現(xiàn)行的分時(shí)電價(jià)辦法，鼓勵(lì)和促進(jìn)用電高峰時(shí)用戶節(jié)電和分布式能源發(fā)電。另一方面，應(yīng)區(qū)別對(duì)待不同職能的虛擬電廠。

3 安科瑞智慧能源管理平臺(tái)助力虛擬電廠快速發(fā)展

3.1安科瑞智慧能源管理平臺(tái)

AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)是針對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺(tái)的企業(yè)級(jí)子系統(tǒng)。

圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)主界面

3.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充”各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集測控裝置、光伏、儲(chǔ)能、充電樁、常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。

圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.3平臺(tái)功能

3.3.1.能源數(shù)字化展示

通過展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)行情況。

3.3.2.優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲(chǔ)能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲(chǔ)能和可控負(fù)載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對(duì)比等。

3.3.3.智能預(yù)測

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)際功率進(jìn)行對(duì)比分析，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

3.3.4.能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對(duì)標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。

3.3.5.有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。

3.3.6.運(yùn)維巡檢

系統(tǒng)支持任務(wù)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(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。

3.4設(shè)備選型

除了智慧能源管理平臺(tái)外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，組成了完整的“云-邊-端”能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護(hù)和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)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(yè)級(jí)的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺(tái)、能源綜合計(jì)費(fèi)管理平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁運(yùn)營管理云平臺(tái)、智慧消防云平臺(tái)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

4結(jié)論

新型電力系統(tǒng)背景下，通過虛擬電廠運(yùn)營平臺(tái)的建設(shè)，形成虛擬電廠負(fù)荷資源感知、運(yùn)行優(yōu)化、集控平臺(tái)建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)環(huán)境下用戶側(cè)資源的開放共享及融合創(chuàng)新，使得虛擬電廠作為能源供給與能源消費(fèi)的融合點(diǎn)，提高能源效率、降低能源成本、促進(jìn)能源低碳化，推動(dòng)分布式能源和智能電網(wǎng)的發(fā)展。研究成果符合低碳綠色發(fā)展要求，適應(yīng)國家節(jié)能減排工作實(shí)際需求，支撐能源消費(fèi)變革，具有廣闊的市場前景。

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審核編輯 黃宇