魏向向，楊德昌，葉斌

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京市 100083；2.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術研究院，合肥市 230000)

能源互聯(lián)網(wǎng)中虛擬電廠的運行模式及啟示

魏向向1，楊德昌1，葉斌2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京市 100083；2.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術研究院，合肥市 230000)

全球能源互聯(lián)網(wǎng)方興未艾，虛擬電廠(virtual power plant, VPP)的建設不僅是全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設中的重要組成部分，也是我國解決資源短缺、環(huán)境污染的重要手段，為此，理解和掌握虛擬電廠的關鍵技術和運行原理具有重要意義。該文旨在分析虛擬電廠的運行模式，可為虛擬電廠在我國的建設提供理論和實踐經(jīng)驗。首先，基于現(xiàn)有文獻對虛擬電廠的表述，明確了虛擬電廠概念、典型特征，并依據(jù)功能不同，將虛擬電廠分為商業(yè)型虛擬電廠(commercial virtual power plant , CVPP)和技術型虛擬電廠(technical virtual power plant , TVPP)兩大類。其次，從物理結構、信息模型、市場角色等方面詳細闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)和虛擬電廠之間的關系。再次，歸納了德國虛擬電廠中典型示范工程的運行原理及運行狀況。最后，基于我國當前配電系統(tǒng)的發(fā)展水平和電力體制改革的相關政策，展望了虛擬電廠技術在我國的應用前景，并對有待解決的關鍵問題提出建議，為虛擬電廠的構建者和決策者提供理論依據(jù)。

可再生能源；虛擬電廠；能源互聯(lián)網(wǎng)；電力體制改革

0 引 言

隨著化石能源的減少，氣候變化加劇，一場新的能源革命已悄然興起?？稍偕茉创?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源勢不可擋，其中，因分布式電源(distributed energy resources，DERs)具有經(jīng)濟性好、可靠強、靈活度高、環(huán)保性強等特點而成為研究熱點。然而，盡管DERs 優(yōu)點諸多，但依然存在諸多棘手問題，比如：位置分散、難以實現(xiàn)大規(guī)模儲能、發(fā)電隨機性大和穩(wěn)定性低等，在一定程度上限制了其上網(wǎng)運行能力[1]。2015年國務院頒發(fā)的40號文件明確指出：“互聯(lián)網(wǎng)+”可在很大程度上將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與經(jīng)濟社會各領域?qū)崿F(xiàn)融合，以期推動技術進步，提升效率和變革組織結構，增加實體經(jīng)濟的創(chuàng)新能力和生產(chǎn)能力，廣泛形成以互聯(lián)網(wǎng)為基礎設施和創(chuàng)新要素的發(fā)展新形態(tài)。其中，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”是保障我國能源安全戰(zhàn)略、加快生態(tài)文明建設的必然要求，也是促進我國能源消費革命變革的必然選擇。構建能源互聯(lián)網(wǎng)不但是一種集能源生產(chǎn)、消費以及政策體制的重要變革手段，而且還會對人類社會生活方式產(chǎn)生一次根本性革命。基于已有的能源生產(chǎn)消費方式和能源體制不是真正的建設能源互聯(lián)網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng)就是要通過根本性的技術革命，強有力地推動能源的生產(chǎn)、消費、體制變革和結構調(diào)整[2-3]。

建立可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的虛擬電廠(virtual power plant, VPP)是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要手段，其本質(zhì)是把分散在四處、與不同層級的電網(wǎng)相連的新能源電站和儲能等設備集合起來進行集中控制調(diào)度并完成市場運營[4]。目前，VPP技術在歐美發(fā)達國家有著較為成熟的發(fā)展，而我國由于能源體制中發(fā)電、輸配電、用電三方的相對獨立，國內(nèi)尚未形成相關成熟的VPP成套解決技術，VPP基本處于前期研究階段[5]。借助VPP先進的通訊技術、智能量測技術、數(shù)據(jù)處理技術等，不但可以實現(xiàn)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的實時信息傳遞，打破發(fā)電、輸電和用電三方相對獨立的局面，還可以智能控制發(fā)電側(cè)的行為，當新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)時，電網(wǎng)可以安全高效地運行。

1 VPP的基本概念、典型特征及分類

1.1 基本概念

VPP的概念的出現(xiàn)已有10余年之久，然而直至目前，國內(nèi)外仍未對VPP這一概念進行權威或官方的定義。已有的國內(nèi)外文獻中，均是以不同的項目背景對VPP進行定義[6-9]。文獻[6]中VPP被定義為基于互聯(lián)網(wǎng)通信技術，通過整合不同發(fā)電機組而形成的企業(yè)。文獻[7]基于歐盟VPP的實體項目，VPP被定義為是整合各類分布式能源并表征其參數(shù)，并能夠包括分布式能源輸出的網(wǎng)絡影響。文獻[8]通過整合現(xiàn)有文獻和項目，VPP被定義為通過結合分布式發(fā)電機組(distributed generation，DG)、可控負荷(dispatchable load，DL)和分布式儲能設施(distributed energy storage，DES)，利用相關的調(diào)控技術以及通信技術實現(xiàn)對各類DER進行調(diào)控的載體。文獻[9]中提到VPP在一個安全的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，依靠軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)電力需求方和儲能方的優(yōu)化調(diào)度。

綜上，本文將VPP定義為：通過整合各類DG和DL，利用先進的通信技術、協(xié)調(diào)控制技術，結合數(shù)據(jù)分析算法、優(yōu)化預測算法，實現(xiàn)對發(fā)售電側(cè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，達到社會效益與經(jīng)濟效益的最大化。從廣義上來說，不但可以將發(fā)電側(cè)的不同類型分布式發(fā)電單元聚合在一起，也能將儲能側(cè)、需求側(cè)可控的負荷有機地結合在一起。從狹義來說，VPP是不同類別，不同數(shù)量的電源聚合體。在電網(wǎng)運行過程中，電網(wǎng)運行調(diào)度中心不直接控制這些發(fā)電機組或儲能裝置，而是通過控制VPP的控制中心實現(xiàn)，該中心以一個整體的形式參與電網(wǎng)的運行和調(diào)度[10-11]。

1.2 典型特征

(1)VPP生產(chǎn)的電能具有環(huán)保性、可再生性和高效性。VPP通過利用新型可再生能源和節(jié)能調(diào)控技術，大大降低了對環(huán)境的影響。VPP通過建立運行機制，實現(xiàn)傳統(tǒng)能源與新能源之間的互補協(xié)同調(diào)度，輔助電網(wǎng)的優(yōu)化運行，以最大程度地抑制新能源電力的隨機波動性，提高新能源的利用率[12]。

(2)VPP具有地域分布上的分散性與運行調(diào)度上的協(xié)同性。虛擬發(fā)電廠通過控制中心對分布在不同區(qū)域發(fā)電機組進行集中管理，可實現(xiàn)有效整合區(qū)域內(nèi)各種形態(tài)和特性的電源及用電負荷，對區(qū)域內(nèi)的發(fā)電和用電單元實施經(jīng)濟高效的控制[13]。

(3)VPP角色的多樣性。VPP不但可以作為代理人集合大量的發(fā)展分布式和可再生能源發(fā)電進行統(tǒng)一的管理和市場交易，還可以扮演售電商的角色，設計靈活的售電套餐[14]。

(4)VPP具有廣泛的互動性。VPP通過整合發(fā)電側(cè)管理、需求側(cè)響應、儲能管理、中央調(diào)度、電力交易，參與電力產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)并與各個環(huán)節(jié)的市場參與者形成互動[15]。

(5)VPP可實現(xiàn)預測功率和管理控制的智能化。VPP可綜合氣象數(shù)據(jù)、預報信息，并對影響用電需求的因素進行深入分析，實現(xiàn)對發(fā)電側(cè)的輸出功率預測和用電側(cè)的用電功率預測[16]。

1.3 分 類

VPP可提供多樣的管理和輔助服務[17]。按VPP在市場中的角色不同，可將VPP分為商業(yè)型虛擬電廠(commercial virtual power plant，CVPP)和技術型虛擬電廠(technical virtual power plant，TVPP)[18]，其運行的基本框架如圖1所示。圖中：DSO為配電系統(tǒng)運營機構(distribution system operator)，TSO為輸電系統(tǒng)運營機構(transmission system operator)。下文將基于這2類VPP，詳細描述其運行原理。

圖1 VPP運行的基本框架Fig.1 Basic framework of VPP operation

(1) CVPP分布在電能批發(fā)市場，能夠平衡電力批發(fā)市場的交易組合，通過出價和要價的方式為TSO提供服務[19]。DER向CVPP遞交運行參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、邊際成本等信息，控制中心整合輸入數(shù)據(jù)并創(chuàng)建唯一的配置文件，表示了所有DER的聯(lián)合容量。分析市場提供的信息后，CVPP將優(yōu)化潛在收益，制定最優(yōu)的發(fā)電計劃，并與傳統(tǒng)發(fā)電廠一起參與電力市場競標。一旦競標獲得市場的授權，CVPP則與電力交易所和遠期市場簽訂合同，并向TVPP提交DER發(fā)電計劃和運行成本等相關信息。

(2) TVPP 分布在系統(tǒng)管理側(cè)，主要為所在地區(qū)的DSO和TSO 提供平衡服務和其他配套服務[20]。包含運行參數(shù)、發(fā)電計劃、市場競價、邊際成本在內(nèi)的DER輸入信息是由CVPP提供的。而TVPP則通過整合CVPP提供的參數(shù)信息，按照一定的計算規(guī)則，計算得到本地系統(tǒng)中各DER做出的貢獻，最終形成了TVPP的運行成本和運行特性。TSO對評估技術型虛擬電廠和傳統(tǒng)發(fā)電廠的成本以及運行特性，一旦TVPP得到技術確認，TVPP的發(fā)電計劃將獲得系統(tǒng)認可，隨后便控制各DER實行分配的發(fā)電計劃。

2 VPP與能源互聯(lián)網(wǎng)的關系

能源互聯(lián)網(wǎng)是基于先進的通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術，對于以電能和電力系統(tǒng)為基礎的能源互聯(lián)網(wǎng)，將電能生產(chǎn)端、使用側(cè)、能源交易市場以及能源傳輸配送網(wǎng)絡通過智能的監(jiān)測和控制手段有效地結合在一起，實現(xiàn)電能與其他能源的靈活轉(zhuǎn)化和互補，優(yōu)化生產(chǎn)和使用效率，并同時通過創(chuàng)新商業(yè)模式促進產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟效益最大化[21]。虛擬電廠則是集合不同類型分布式能源并對其實行統(tǒng)一調(diào)度和智能控制來模仿傳統(tǒng)大型發(fā)電廠的功能[22]，同時還是參與電網(wǎng)運行和電力市場的功能單位，如果再和需求側(cè)負荷管理結合起來，則其不僅具備協(xié)調(diào)和確保新能源上網(wǎng)的功能，同時還可提高能源利用效率。虛擬電廠與能源互聯(lián)網(wǎng)的關系如圖2所示。

圖2 VPP在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要地位Fig.2 Significance of VPP in energy internet

由圖2(a)可知：虛擬電廠利用先進的計量技術收集負荷與電廠運行狀態(tài)參數(shù)，利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)投資組合的優(yōu)化和需求側(cè)管理與響應，也可優(yōu)化新能源熱電廠與儲能電動汽車。根據(jù)圖2(b)可知：VPP能與能源互聯(lián)網(wǎng)的參與者進行互動，比如：電力市場、電網(wǎng)公司的運營及發(fā)用電側(cè)等。因此，VPP是能源互聯(lián)的重要組成部分，是建設能源互聯(lián)網(wǎng)的重要切入點。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，智能計量系統(tǒng)采集到的大量能源數(shù)據(jù)，需依靠虛擬電廠強大的“大腦”進行分析處理，這里所說的“大腦”指的是集中式的能效數(shù)據(jù)管理平臺，如圖3所示。

圖3 能源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)Fig.3 Energy data management system

從功能上來說，能源互聯(lián)網(wǎng)可對DERs進行整合、優(yōu)化，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，當VPP作為電網(wǎng)的交易代理者、電廠運營商時，也可參與電力市場的運營，整合優(yōu)化能源資源，通過協(xié)調(diào)發(fā)電端與用電端，實現(xiàn)效益的最大化。VPP運營商參與電力市場運營形式如圖4所示。

圖4 VPP運行商參與的運營模塊Fig.4 Participating operation module of VPP operator

從圖4可知，VPP的通信方式均為雙向通信，通過利用雙向通信技術，實現(xiàn)與發(fā)電側(cè)、電力需求側(cè)、電力交易市場和電網(wǎng)調(diào)節(jié)市場的相互對接，使得虛擬電廠運營商可通過整合、優(yōu)化、調(diào)度、決策來自各層面的數(shù)據(jù)信息，參與電力市場交易，提高虛擬電廠的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制能力，實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益的最優(yōu)化。

在發(fā)電側(cè)，VPP通過制定發(fā)電計劃，節(jié)約發(fā)電成本，減少電能浪費，對于新能源發(fā)電，讓其參與上網(wǎng)競價，提高能源的利用率，同時，還可以讓發(fā)電的管理更加科學、有序。

在交易側(cè)，VPP通過智能融合實時市場數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化能源投資組合方式，對即將進行的交易數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和管理，最終使電力交易側(cè)合理有序地運行。

在售電側(cè)，通過先進的量測技術，實時反饋用戶側(cè)的電能需求信息，實現(xiàn)對用戶側(cè)用電特性的分析，根據(jù)用戶用電量的大小，系統(tǒng)自動對用戶及負荷進行分類，為制定發(fā)電計劃提供依據(jù)和參考。

在用電側(cè)，VPP可實時監(jiān)控用戶用電狀況，對于配備有新能源發(fā)電的用戶，智能調(diào)整和優(yōu)化用戶的用電方式，減少電能浪費，同時，還可以核對用電賬單信息，讓用戶用上放心電、舒心電。

在電網(wǎng)側(cè)，VPP可實現(xiàn)電網(wǎng)實時監(jiān)測，管理負荷信息，使得電網(wǎng)得以持續(xù)高效穩(wěn)定地運行，并在電網(wǎng)故障時，進行分析判斷，最大限度地降低損失。

因此，VPP可以實現(xiàn)在發(fā)電、交易、售電、用電、電網(wǎng)運行五個環(huán)節(jié)上形成一個如圖5所示的有機整體。

圖5 VPP形成的有機整體Fig.5 Forming organic whole of VPP

能源互聯(lián)可理解為借助通訊技術與智能管理技術，將電力網(wǎng)、燃料網(wǎng)等能源節(jié)點通過信息網(wǎng)互聯(lián)起來，以實現(xiàn)能量的雙向流動和對等交換，VPP與能源互聯(lián)網(wǎng)的關系如圖6所示。

圖6 能源互聯(lián)網(wǎng)與VPPFig.6 Energy internet and VPP

從圖6可知，基于強大的通信網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)反饋的熱力網(wǎng)狀態(tài)信息，VPP不但可以制定合理的產(chǎn)熱計劃，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)熱力網(wǎng)和燃料網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，而且可以優(yōu)化熱電耦合聯(lián)合優(yōu)化運行；對于交通網(wǎng)，通過反饋的電動車行駛停泊信息流，VPP為交通網(wǎng)制定充電站運行計劃。因此，在能源互聯(lián)網(wǎng)的框架內(nèi)，VPP能夠?qū)⑷剂暇W(wǎng)、交通網(wǎng)、電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)實現(xiàn)互通互聯(lián)，達到能源利用效益最大化。另外，在信息網(wǎng)與電力網(wǎng)組成的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)與用戶之間的交易關系如圖6所示，該交易以VPP為核心，通過對各DER運行狀態(tài)參數(shù)進行計量，利用VPP的能量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)、售電側(cè)的協(xié)調(diào)控制，其中，對用戶負荷的控制可通過VPP直接發(fā)出電價控制策略，也可通過電力市場，借助第三方能源服務商和投資商實現(xiàn)。

綜上可知，VPP兼具發(fā)電、交易、售電、用電和電網(wǎng)的功能，是連接智能電網(wǎng)和智能電力市場的紐帶，是安全高效地利用分布式能源的重要工具，是能源互聯(lián)網(wǎng)的一個重要功能模塊，將是實現(xiàn)能源互聯(lián)的前提和基礎。

3 VPP的典型應用

VPP概念自提出以來，很快被用于實際項目，目前歐美各國的VPP建設已經(jīng)取得了很大進步和世界范圍內(nèi)巨大影響。其中，德國的綠色能源計劃在所有歐美國家里是最激進的，在下決心放棄核電后，德國政府計劃到2020年，基于可再生能源提供的電力占到全部電能需求的三分之一，到2050年，這一比例提高至80%。目前德國在建設VPP方面經(jīng)驗豐富，并建設了一批示范性項目，因此，本文以VPP在德國的運營為例，重點分析VFCPP項目、ProVPP項目及web2energy項目的運行原理及運行狀況。

3.1 虛擬燃料電池發(fā)電廠

虛擬燃料發(fā)電廠(virtual fuel cell power plant, VFCPP)是由德國、荷蘭等國家發(fā)起的，于2001—2005年完成的VPP試點項目[23]。

VFCPP通過整合不同的燃料電池，以負荷曲線為依據(jù)，利用通信協(xié)議，VPP控制中心與能量管理器共享數(shù)據(jù)信息，在負荷用電量達到燃料電池最大出力時，控制中心發(fā)出協(xié)調(diào)優(yōu)化指令，盡可能地提高生產(chǎn)效益和能源利用效率。

現(xiàn)場的通信方式采用LON總線協(xié)議，基于綜合業(yè)務數(shù)字(integrated services digital network, ISDN)技術或模擬數(shù)字解調(diào)器技術，以電話線為傳輸載體，實現(xiàn)現(xiàn)場系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的遠端通信。中央建筑控制系統(tǒng)則每天讀取數(shù)據(jù)采集器所存儲的測量值與附加值，并通過互聯(lián)網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(virtual private network, VPN)通道與控制中心相連[24]。具體的通信規(guī)則如圖7所示。

圖7中，建筑控制系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)之間的通信是基于TCP/IP協(xié)議的VPN通道。當準備工作做好后，中央控制中心的一末端與燃料電池供熱器的另一末端進行大范圍的雙向通信連接測試。

該VFCPP項目以實驗的方式，驗證了VPP的概念，為后續(xù)大范圍的虛擬電廠建設提供運行經(jīng)驗和相關技術支持。

3.2 ProVPP項目

基于VFCPP的運行經(jīng)驗，專業(yè)虛擬發(fā)電廠(professional virtual power plant，ProVPP)項目由德國西門子公司和RWE 發(fā)電公司于2008年聯(lián)合發(fā)起，德國的Niederense村作為該項目的試點地區(qū)正式進入運行。

在ProVPP項目中，通過將新能源發(fā)電與用電大戶(例如：煉鋁廠、大型鋼廠等高耗能企業(yè))進行聯(lián)合，利用能量調(diào)度系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，使得電力供應趨于一體化、結構化，具體運行模式如圖8所示。

圖7 VFCPP的通信規(guī)則Fig.7 Communication rules of VFCPP

圖8 ProVPP項目的VPP結構Fig.8 VPP structure of ProVPP

分布式發(fā)電管理系統(tǒng)(distributed energy management system，DEMS)是該項目的核心，也是該項目的智能管理和控制中心，不但可以顯示發(fā)電系統(tǒng)的當前狀態(tài)，還可以生成預測和報價信息，以及按系統(tǒng)制定好的發(fā)電計劃控制電能的生產(chǎn)。與此同時，該系統(tǒng)集成了TVPP與CVPP的功能，一方面為業(yè)主提供整個電廠系統(tǒng)內(nèi)各機組的實時負荷狀況和發(fā)電量等狀態(tài)參數(shù)，另一方面，還自動將發(fā)電廠的運行狀態(tài)信息與市場預測信息相比較，自動生成預測數(shù)據(jù)信息。值得指出的是，在DEMS系統(tǒng)預測發(fā)電量之前，該系統(tǒng)甚至會考慮天氣情況。最終，在電力貿(mào)易商給出報價之前，發(fā)電經(jīng)理批準DEMS所給出的價格后，DEMS將給每座虛擬電廠分配運行計劃，這個運行發(fā)電計劃準確設定了各發(fā)電廠在規(guī)定時間必須生產(chǎn)的電量[8, 25]。

3.3 Web2energy項目

Web2energy項目是歐盟在2010年發(fā)起的VPP項目，項目預計于2010—2015年完成，若ProVPP項目是電力供給趨向于一體化、結構化的產(chǎn)物，則Web2energy項目是智能科技服務于人類生活的典型案例，因為該項目的實施依據(jù)智能電網(wǎng)的三大支柱：智能計量技術、智能管理技術與智能配電自動化技術[26-27]。

智能計量技術主要是針對消費者參與的能源市場，通過智能計量技術，消費者的用電情況可被遠程獲取。利用上述先進的量測技術，可讀取短期內(nèi)遠程測量值，接收電力信號的價格變化并使其可視化，管理干擾信息與故障信息，監(jiān)控分布式能源的出力、存儲與負荷控制。另外，智能計量技術還能監(jiān)測當前電力需求和價格，通過對電力的需求、變化和預測進行監(jiān)視，服務樓宇自動化和智能家居。據(jù)此，用戶可根據(jù)各階段電力需求和電力價格合理使用耗電負載，達到社會和經(jīng)濟效益的最大化[24,26]。利用智能計量技術，以VPP的形式，獲得大量關于需求側(cè)、DER與電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)信息，是CVPP部分功能的實現(xiàn)，為智能能源管理系統(tǒng)和智能配電自動化技術提供數(shù)據(jù)支持。

通過對實時數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控，利用智能能源管理系統(tǒng)，更好地協(xié)調(diào)小型電力企業(yè)。通過讓風電場、太陽能電場與大量可控的水電站與熱電聯(lián)產(chǎn)并行運行，在VPP的框架內(nèi)，能量管理系統(tǒng)可利用可控發(fā)電機對風能或者太陽能預測偏差進行補償，實現(xiàn)對發(fā)電側(cè)和負載端的管理，制定發(fā)電側(cè)的運行計劃，是TVPP部分功能的實現(xiàn)。在這種運行方式下，與單一的市場準入相比，所有的參與者均可實現(xiàn)更高的效率和補貼費用。

當電力供應中斷時，傳統(tǒng)的電力檢修，直至恢復供電的平均時長在1 h以上，對于本項目，供電恢復僅需幾 min的時間，大大縮減了電力中斷的時間，提高電力供應的可靠性。

基于IEC61968/70的模型數(shù)據(jù)庫是VPP控制中心的核心組成，該數(shù)據(jù)庫涵蓋了控制系統(tǒng)運行所需的全部數(shù)據(jù)信息。其中，基于IEC61850的協(xié)議是VPP的控制中心、遠程終端單元和自動測量系統(tǒng)的通信協(xié)議?？刂撇呗钥梢苑譃橐韵?類：(1)利用智能測量技術獲得的大量需求側(cè)及電網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)自動為需求側(cè)生成管理方案，達到控制儲能單元的充放電和切換可控負荷的目的；(2)控制中心通過結合負荷運行狀態(tài)、電價歷史數(shù)據(jù)和天氣狀況，預測需求側(cè)和發(fā)電側(cè)的運行信息，輸出可控發(fā)電機組的發(fā)電量[27]。

與此同時，根據(jù)平均負荷使用情況，建立了需求響應獎勵制度：在18：00左右，通過短信或者郵件收到前1天的負荷運行的時間表，其中，負荷運行高峰用紅燈表示，用電較少時段用綠燈表示，該項目將會對在紅燈時段削減用電負荷或綠燈時段增加用電負荷的用戶進行獎勵。

基于智能測量技術、智能管理技術與智能配電技術的Web2energy項目VPP結構框架如圖9所示。

從圖9可知，VPP的控制中心集合了CVPP和TVPP的功能，通過先進的雙向通訊技術，將發(fā)電側(cè)、需求側(cè)與VPP的控制中心連接起來，并對其進行控制。該項目相關工作人員利用3年的時間建立并完善了該項目，大體上可分為7個步驟，具體計劃完成時間及計劃流程如表1所示。

自從該項目實施以來，取得顯著的經(jīng)濟和社會效益，該項目方案降低了當?shù)鼐用袢粘Ｓ秒娏康?%，由紅燈時段轉(zhuǎn)移至綠燈時段負荷需求約為15%，該項目驗證了以VPP形式實現(xiàn)發(fā)用電側(cè)管理、電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理的可行性。

圖9 VPP 體系結構Fig.9 VPP system agriculture

通過對ProVPP項目與Web2energy項目的運行狀況分析可知，德國目前運營的虛擬電廠可被看作CVPP、TVPP、發(fā)電端和需求側(cè)虛擬電廠的綜合體，同時還包含了各類分布式可再生能源，利用先進的通訊技術和數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)了發(fā)電端和用電端的智能互聯(lián)，因此，建設虛擬電廠是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設的重要步驟。

4 VPP在我國的應用前景及有待解決的關鍵問題

4.1 應用前景

盡管我國新能源起步較晚，但發(fā)展迅速，裝機量巨大，可在資源利用過程中仍存在只注重裝機數(shù)量，不注重裝機質(zhì)量，效率低，資源浪費的情況。因此，VPP可制定科學合理的新能源機組發(fā)電計劃，提高新能源的利用效率，減少資源浪費。“十二五”規(guī)劃以來，可再生能源的開發(fā)和利用得到政府部門的高度重視，加大力度推進分布式發(fā)電、電力需求側(cè)管理、智能電網(wǎng)建設等項工作是相關部門工作的重中之重，因此，VPP在我國將有廣闊的空間，具體表現(xiàn)為：

(1)VPP是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的最佳入口，也是我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設面向未來的窗口。VPP的社會和經(jīng)濟效益符合能源互聯(lián)網(wǎng)中利用可再生能源、改革能源生產(chǎn)方式、構建未來可持續(xù)能源供應體系、適應政府節(jié)能減排管制規(guī)定、推動能源消費革命、激活售電市場、實現(xiàn)開放服務的整體目標和基本要求。另外，虛擬電廠依靠的技術基礎是通信技術、協(xié)調(diào)控制技術和智能計量技術[28-29]，這也是構建能源互聯(lián)網(wǎng)的技術基礎。

(2)VPP可實現(xiàn)可再生能源安全高效的利用。VPP利用先進的通信技術、智能計量技術，實時監(jiān)測用電側(cè)消耗的功率，結合天氣情況，預測并控制發(fā)電側(cè)的輸出功率[30]，并通過能源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等更高層面的軟件構架實現(xiàn)多個DER的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，實現(xiàn)資源的安全高效利用。另外，我國新能源資源蘊藏量巨大，VPP可為消納新能源提供絕佳的技術手段，減少傳統(tǒng)能源的燃燒，實現(xiàn)能源的清潔利用。

(3)VPP的建設可大大提高傳統(tǒng)能源的利用效率，同時，也可降低電網(wǎng)運行成本。在VPP建設過程中，鑒于用戶在設計產(chǎn)品，體驗產(chǎn)品和口碑傳播等方面發(fā)揮的重要作用，可知，VPP的建設讓電力信息更加透明化，能源消費者的話語權大大增加。VPP在運行過程中，要求電力企業(yè)實現(xiàn)“以用戶為中心”，開放能源生產(chǎn)消費的每一個環(huán)節(jié)，讓消費者能夠有權自主選擇所消費的電力來源；同時還可以讓消費者一方面能消費全網(wǎng)電能，還可以利用自家新能源電站生產(chǎn)的電力，且在滿足自家電力充足時實現(xiàn)并網(wǎng)外銷。因此，VPP在提高能源電力系統(tǒng)效率的同時，又在一定程度上降低了電力生產(chǎn)和銷售成本。

(4) VPP的建設有助于完善我國的電力市場體制，加快能源市場改革，打破電力壟斷現(xiàn)狀。VPP不但可以整合優(yōu)化分布式能源，而且還參與電力市場運營過程，虛擬電廠在我國的建設，有助于實現(xiàn)建立多元化能源供應體系、抑制不合理消費、實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置、高效利用和自由買賣等目標。VPP利用配套的調(diào)控技術、通信技術實現(xiàn)對各類DER的整合調(diào)控[31-32]，在保證能量管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)電力供應主體的利潤最大化，這將從根本上改變可再生能源發(fā)電依靠國家補貼，在電力營銷中毫無優(yōu)勢的被動局面。

4.2 有待解決的關鍵問題

目前，我國對VPP的研究尚處于初級階段，若在國內(nèi)構建VPP，需結合我國整體的工業(yè)水平與特有的氣候、地理、可再生能源類型等相關自然條件，有針對性地設計VPP的結構和功能配置。因此，發(fā)展符合中國國情的，安全高效的VPP還將面臨以下難題：

(1)在技術方面，VPP需要研發(fā)配套的軟硬件技術，包括：配套的高級量測體系、強大的可視化界面和運行決策平臺[33]。虛擬電廠交易的基礎是對該區(qū)域內(nèi)發(fā)電設備特性以及負荷特性的準確把握，預測技術的好壞直接影響虛擬電廠運營的結果，而準確預測技術需依靠配套的高級量測體系。另外，在能源互聯(lián)網(wǎng)時代，信息和數(shù)據(jù)的經(jīng)營是能源和電力企業(yè)的重要核心競爭力。通過利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等先進的互聯(lián)網(wǎng)技術，電力企業(yè)可實現(xiàn)對消費者的消費行為深入洞察，并可為消費者提供精準的消費和營銷服務，實現(xiàn)資產(chǎn)效能最大化、污染最小化。然而負荷信息不全和參數(shù)不準一直是電力系統(tǒng)仿真分析和能量管理的重要問題，另外，如何制定通信標準，也將是面臨的挑戰(zhàn)。

(2)在經(jīng)濟效益方面，因為VPP參與電力市場交易，運營商最關心的是怎樣獲得最大的收益。傳統(tǒng)大型電廠的發(fā)電計劃和優(yōu)化相對來說簡單，然而對于整合了大量分布式發(fā)電、儲能模塊和負荷單元的虛擬電廠而言，其發(fā)用電的不確定性、用戶的用電習慣、儲能的技術限制、電能與熱能交互的限制、不同發(fā)用電單位的優(yōu)先級確定以及隨時匹配的要求[34]，都對VPP的運營收益帶來挑戰(zhàn)。

(3)在管理方面，需鼓勵各方積極參與。第一，VPP實施需要大量DG所有者的支持，這就需要相關部門積極宣傳VPP的益處，并出臺政策鼓勵用戶參與VPP的建設，形成有利于VPP發(fā)展的輿論氛圍與環(huán)境。第二，探索建立有利于調(diào)動電網(wǎng)企業(yè)參與積極性的市場機制，加強配電網(wǎng)建設改造項目管理和投資管理，建立健全評價考核機制，建立“政府主導、企業(yè)參與、上下聯(lián)動、協(xié)同推進”的常態(tài)協(xié)調(diào)機制，可加大政府的補貼力度，制定相關的優(yōu)惠措施，引導和推動電網(wǎng)企業(yè)從售電服務向為電力用戶提供精細化節(jié)電服務的轉(zhuǎn)變，使其更好地發(fā)揮在優(yōu)化供需雙側(cè)資源配置方面的作用。

5 結 論

虛擬電廠實際上是一類特殊的智能化電廠，通過先進的通訊技術，實現(xiàn)發(fā)電側(cè)與用電側(cè)的信息智能融合，提高了電能利用率?？偟膩碚f，我國的虛擬電廠建設尚處于初級階段，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設的大面積展開，鑒于虛擬電廠是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要功能模塊，是建設能源互聯(lián)網(wǎng)的最佳切入口，因此，虛擬電廠建設也迫在眉睫。虛擬電廠具有諸多傳統(tǒng)發(fā)電廠無法比擬的優(yōu)勢，在我國將有廣闊的應用空間。

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(編輯 蔣毅恒)

Operation Mode of Virtual Power Plant in Energy Internet and Its Enlightenment

WEI Xiangxiang1, YANG Dechang1, YE Bin2

(1.College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2.State Grid Anhui Economic Research Institute, Hefei 23000, China)

Nowadays, the global energy internet is popular, and building the VPP (virtual power plant) is an important step to construct the global energy internet and an important means to relieve the energy shortages and environmental pollution in China. Therefore, it’s really important to understand and grasp the key technologies and operation principles of VPP. The purpose of this paper is to provide the theoretical and practical experience for the VPP construction in China by analyzing its operating mode. Firstly, based on the statement of VPP in other literatures, the detail concept and typical features of VPP are definitely summarized, and according to the different functions, the VPP is divided into two categories: CVPP (commercial virtual power plant) and TVPP (technical virtual power plant). Then, the relationships between energy internet and VPP are expounded in detail from different perspectives, such as physical structure, information model, market roles and so on. And then, we summary the operation principle and condition of the typical demonstration project of VPP in Germany. An last, according to the current development level of power distribution system and the relevant policies of power system reform in China, we discuss the application prospect of VPP in China, and propose the suggestions on the key issues to be resolved, which can provide a theoretical basis for the builders and decision maker of VPP.

renewable energy; virtual power plant; energy internet; power system reform

國家青年科學基金項目(51407186)

TM 76

A

1000-7229(2016)04-0001-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.001

2015-12-28

魏向向(1990)，男，碩士研究生，研究方向為新能源并網(wǎng)和配電網(wǎng)故障選線技術;

楊德昌(1983)，男，博士，副教授，研究方向為主動配電網(wǎng)狀態(tài)估計和微型能源系統(tǒng)的容量配置;

葉斌(1977)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、新能源接入等方面的技術研究工作。

Project supported by Scientific Funds for Young Scientists of China(51407186 )