汪莞喬，蘇 劍，潘 娟，張 慧，高凱強(qiáng)，劉 川

（1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 100192；2. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的加快推進(jìn)，能源生產(chǎn)加速清潔化、能源消費(fèi)高度電氣化、能源配置日趨平臺(tái)化、能源利用日益高效化［1］。能源格局的深刻調(diào)整，必將給電力系統(tǒng)帶來深刻變化。大量分布式新電源、儲(chǔ)能及可調(diào)負(fù)荷等靈活資源具有容量小、種類多、參數(shù)各異、點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)［2］，造成電網(wǎng)可控性、調(diào)節(jié)能力不足，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、高效管理帶來巨大挑戰(zhàn)。

虛擬電廠是新型電力系統(tǒng)框架下上述問題的一種應(yīng)對(duì)手段。虛擬電廠將廣泛分布的風(fēng)、光、水等可再生能源小型電站和分散的負(fù)荷用戶聚集成具備統(tǒng)調(diào)模式的集中式電廠，提供了分布式資源直接參與大電網(wǎng)平衡的路徑和方法，將原本海量的無序資源變得高效有序可調(diào)節(jié)。虛擬電廠的此類特性對(duì)于各類間歇性分布式發(fā)電（DG）穩(wěn)定接入電網(wǎng)、調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差具有積極作用。

虛擬電廠依賴通信系統(tǒng)對(duì)各類資源進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，其通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備統(tǒng)一靈活接入能力、集中控制調(diào)度能力和端到端的時(shí)延控制能力［3］。虛擬電廠業(yè)務(wù)的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施面臨諸多挑戰(zhàn)。有線、無線、公網(wǎng)、專網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，帶來業(yè)務(wù)質(zhì)量控制及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的難題；采集類、視頻類、控制類等業(yè)務(wù)統(tǒng)一處理，需要在保證數(shù)據(jù)安全的同時(shí)提供云計(jì)算與邊緣計(jì)算協(xié)同［4］。同時(shí)，跨網(wǎng)絡(luò)、跨運(yùn)營商缺少有效的面向電網(wǎng)客戶的質(zhì)量監(jiān)測和控制機(jī)制，缺少從用戶視角的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理。

目前，國內(nèi)外已有針對(duì)虛擬電廠相關(guān)問題的研究成果。面向分布式資源協(xié)同互動(dòng)的平臺(tái)，如清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院的CloudPSS、許繼綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)與仿真分析系統(tǒng)、西門子的MMESD等［5-6］，都考慮了多種能源形式的建模、仿真和分析，引導(dǎo)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行。在工程應(yīng)用上，江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)于2016 年初步建成，統(tǒng)籌調(diào)節(jié)電源側(cè)處理和快速精準(zhǔn)切除1.1 GW可中斷負(fù)荷，解決“迎峰度夏”期間電網(wǎng)頻率失穩(wěn)、斷面越限等問題［7］。上海虛擬電廠通過分布式能源（DER）、儲(chǔ)能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、充電樁等能源要素聚合，參與源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)6 家虛擬電廠接入平臺(tái)，共計(jì)提供88.3 MW 柔性可調(diào)節(jié)負(fù)荷，接入負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)1.2 GW 可控負(fù)荷資源，開展調(diào)峰輔助服務(wù)、需求側(cè)響應(yīng)等多品種交易［8］。德國RegModHarz 項(xiàng)目將光伏、風(fēng)電、沼氣、生物質(zhì)能及儲(chǔ)能多種DER 通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)，通過與區(qū)域家庭用戶安裝的能源管理系統(tǒng)交互，依據(jù)電價(jià)調(diào)控用電時(shí)間和用電量［9］。歐盟FENIX 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)聚合多種DER 參與日前電力市場交易，制定發(fā)電計(jì)劃并輔助電網(wǎng)潮流穩(wěn)定。澳大利亞AGL 項(xiàng)目使用儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力市場，在5 min 結(jié)算交易間隔內(nèi)進(jìn)行充放電，改善分布式光伏供需失衡的狀況［10］。國外的虛擬電廠項(xiàng)目主要依賴于公用通信網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)虛擬電廠的數(shù)據(jù)交互除租用電信運(yùn)營商無線公網(wǎng)傳輸以外，還采用電力光纖專網(wǎng)和電力無線專網(wǎng)等多種方式混合組網(wǎng)［11-12］。一方面，終端接入規(guī)模、接入范圍及數(shù)據(jù)與電網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互動(dòng)頻次都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的用電信息采集業(yè)務(wù)范圍；另一方面，可控負(fù)荷的多樣性（如光伏發(fā)電、空調(diào)、照明、工業(yè)非連續(xù)性生產(chǎn)負(fù)荷）對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性提出了更高的要求。

本文聚焦虛擬電廠的發(fā)展現(xiàn)狀，分析虛擬電廠對(duì)帶寬、時(shí)延等通信指標(biāo)的要求，提出虛擬電廠本地通信層和遠(yuǎn)程通信層兩級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，探討了本地多通信技術(shù)互補(bǔ)和5G 虛擬專網(wǎng)在虛擬電廠各級(jí)通信及業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，并針對(duì)虛擬電廠通信的時(shí)延控制、安全可靠接入等方面進(jìn)行展望。

1 虛擬電廠概念與通信需求分析

1.1 虛擬電廠的定義與通信基礎(chǔ)設(shè)施

虛擬電廠在學(xué)術(shù)界存在多種定義，文獻(xiàn)［13-17］從不同角度對(duì)虛擬電廠做出描述。在文獻(xiàn)［13］中，虛擬電廠被定義為可靈活組合的DER，可用于在電力交易市場中簽訂合同并向系統(tǒng)運(yùn)營商提供服務(wù)。在文獻(xiàn)［14］中，虛擬電廠被定義為對(duì)DG、可控負(fù)載和儲(chǔ)能設(shè)備的集合進(jìn)行集中控制的信息和通信系統(tǒng)。在文獻(xiàn)［15］中，虛擬電廠被定義為DER 的集合，包括不同的DER 技術(shù)、響應(yīng)負(fù)載和儲(chǔ)能設(shè)備，它們在集成時(shí)具有類似于大型傳統(tǒng)發(fā)電廠的靈活性和可控性。在文獻(xiàn)［16］中，虛擬電廠被定義為一組分散的發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)，為了作為一個(gè)獨(dú)特的發(fā)電廠運(yùn)行而聚合在一起。發(fā)電機(jī)可以使用化石能源和可再生能源。虛擬電廠的核心是一個(gè)能源管理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)、可控負(fù)載和儲(chǔ)能的電力流。在文獻(xiàn)［17］中，虛擬電廠被定義為可能分散在中壓配電網(wǎng)絡(luò)不同位置點(diǎn)、不同類型DER 的集合。

本文認(rèn)為虛擬電廠是由地理上分散的分布式發(fā)電裝置、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置組成的系統(tǒng)，通過通信系統(tǒng)和控制手段實(shí)現(xiàn)聚合功能，從而作為整體可調(diào)度的控制單元運(yùn)行，并可參與市場交易。

信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于虛擬電廠中電力生產(chǎn)、傳輸、運(yùn)行各環(huán)節(jié)，為虛擬電廠內(nèi)部能源管理和控制提供雙向通信保障。其通過接收虛擬電廠內(nèi)部每個(gè)元素狀態(tài)的信息［18］，預(yù)測可再生能源主要來源和輸出功率，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和管理，并協(xié)調(diào)虛擬電廠元素之間的電力流，控制DG、儲(chǔ)能元件和可控負(fù)載的運(yùn)行［19］。虛擬電廠中的通信基礎(chǔ)設(shè)施依賴于虛擬電廠控制方式［20］，主要由電力終端設(shè)備、交換設(shè)備和傳輸設(shè)備組成。如圖1 所示，部署方式主要有集中式、分散式兩種方式［21］，其中，集中式部署支持虛擬電廠集中控制，虛擬電廠可以通過能源管理系統(tǒng)集中處理虛擬電廠內(nèi)部所有單元的信息，并進(jìn)行決策控制；分散式部署支持虛擬電廠的分散控制和完全分散控制，在虛擬電廠內(nèi)部進(jìn)行分級(jí)和模塊化，設(shè)定多層級(jí)控制協(xié)調(diào)中心，每層級(jí)控制協(xié)調(diào)中心處理下級(jí)的終端信息，并將處理結(jié)果反饋給上一層級(jí)；控制協(xié)調(diào)中心也可獨(dú)立自治，對(duì)所轄區(qū)域的分布式資源進(jìn)行優(yōu)化，下級(jí)協(xié)調(diào)控制中心只接收上級(jí)信息，但不受到上級(jí)約束和控制。

圖1 虛擬電廠通信基礎(chǔ)設(shè)施部署方式Fig.1 Deployment mode of communication infrastructure of virtual power plant（VPP）

1.2 虛擬電廠應(yīng)用對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求

虛擬電廠業(yè)務(wù)具有短期業(yè)務(wù)數(shù)量大、業(yè)務(wù)并發(fā)率高［22］、業(yè)務(wù)跨區(qū)域廣和負(fù)載波動(dòng)大的特點(diǎn)。表1總結(jié)虛擬電廠各業(yè)務(wù)對(duì)通信時(shí)延、帶寬、可靠性及安全的需求，表中數(shù)據(jù)為結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際需求估算的結(jié)果。具體通過3 個(gè)典型應(yīng)用進(jìn)行分析。

表1 虛擬電廠業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求Table 1 Communication network requirements of VPP business

1）調(diào)頻響應(yīng)：虛擬電廠可通過靈活調(diào)控內(nèi)部DER 使其整體外特性追蹤調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）信號(hào)以提供調(diào)頻服務(wù)［23］。儲(chǔ)能是虛擬電廠參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的重要單元，由于電網(wǎng)中可再生能源的滲透率不斷升高，光伏、風(fēng)電與儲(chǔ)能結(jié)合形成聯(lián)合系統(tǒng)參加電網(wǎng)調(diào)頻，可有效改善電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)速度和精度。虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)頻對(duì)于通信時(shí)延提出了更高的要求，集中式的新能源廠站和儲(chǔ)能站一般通過光纖直連的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)時(shí)延控制，400 V 以下電壓等級(jí)的戶用能源及電動(dòng)汽車還需要借助5G、寬帶電力線載波（HPLC）與微功率無線雙模通信等技術(shù)來保證通信時(shí)延及可靠性。

2）用電負(fù)荷需求響應(yīng)：用電負(fù)荷需求響應(yīng)指電力市場中的需求側(cè)用戶根據(jù)電力價(jià)格或者激勵(lì)措施，通過改變自己正常的電力消費(fèi)模式參與電力市場或電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。需求側(cè)用戶的重點(diǎn)領(lǐng)域包括工業(yè)、建筑和交通等。代表性負(fù)荷有工業(yè)用戶的流水線車間、建筑領(lǐng)域中的空調(diào)負(fù)荷，以及交通領(lǐng)域中的岸電、公共交通和電動(dòng)車等。電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)之間的通信需要解決電能價(jià)格、需量電費(fèi)和負(fù)荷調(diào)度等信息交互［24］，100 個(gè)以內(nèi)專變用戶需求響應(yīng)時(shí)延要求不高于200 ms。參與調(diào)頻的直接控制負(fù)荷或可中斷負(fù)荷等負(fù)荷控制方法的時(shí)延要求為小于50 ms。

3）電力市場：虛擬電廠可作為獨(dú)立的個(gè)體參與電力市場的電能交易。通信的信息源包括能源資源、環(huán)境氣象、能量生產(chǎn)、輸配、負(fù)荷需求、實(shí)時(shí)電價(jià)等信息［25］。所涉及的電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括用電信息采集系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)等，利用更廣泛的智能傳感器和電子設(shè)備通信接口進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，千數(shù)量級(jí)交易用戶對(duì)于通信時(shí)延的要求為秒級(jí)，帶寬低于2 Mbit/s。

1.3 虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)的需求指標(biāo)

虛擬電廠對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、可靠性、頻率范圍、帶寬和安全問題有一定的要求。

1）時(shí)延：虛擬電廠中的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括用戶側(cè)分布式資源的終端設(shè)備數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)控制信號(hào)。虛擬電廠的可聚合特性將克服時(shí)間和空間的差異，可跨區(qū)域?qū)⒍喾N資源聚合成一個(gè)可整體協(xié)調(diào)控制的融合體［26］。該融合體內(nèi)的資源依賴于通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)交互。由于通信過程中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、外部環(huán)境等條件約束會(huì)影響通信時(shí)延，可按通信需求設(shè)計(jì)虛擬電廠通信技術(shù)解決方案。一些常規(guī)任務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感，如高級(jí)計(jì)量、戶用分布式光伏調(diào)控，要求數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為秒級(jí)［27］。一些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用對(duì)通信時(shí)延要求很高，例如虛擬電廠參與大電網(wǎng)調(diào)頻要求傳輸時(shí)延小于100 ms。

2）可靠性：網(wǎng)絡(luò)可靠性通常以高資源冗余為代價(jià)，犧牲時(shí)延、傳輸速率來抵御多重故障的影響［28］。需要通信鏈路進(jìn)行冗余備份的虛擬電廠業(yè)務(wù)主要包括參與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)峰響應(yīng)、調(diào)頻響應(yīng)業(yè)務(wù)［29］，以調(diào)度控制類業(yè)務(wù)為主，通信可靠性通常要求為99.999%。高級(jí)計(jì)量等信息管理類業(yè)務(wù)由于其點(diǎn)多面廣、對(duì)時(shí)延不敏感的特性，對(duì)通信鏈路的容差范圍較大［30］，可靠性通常要求為99.9%。

3）頻率范圍：虛擬電廠更多考慮在本地通信層采用更低頻段（低于2 GHz）的無線通信技術(shù)［31］。較低的頻率可以增強(qiáng)無線電信號(hào)的傳輸能力，克服高頻下非視距傳輸衰減嚴(yán)重的問題，提供高質(zhì)量和低成本的通信服務(wù)。470～510 MHz 頻段的微功率無線、遠(yuǎn)距離無線電（LoRa）與HPLC 進(jìn)行雙模通信，將廣泛應(yīng)用于虛擬電廠。

4）帶寬：虛擬電廠帶寬需求取決于其所包含的分布式資源的數(shù)量以及數(shù)據(jù)傳輸規(guī)模。虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)與其他業(yè)務(wù)共享帶寬，依據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率的需求可以分為寬帶業(yè)務(wù)和窄帶業(yè)務(wù)兩種類型［32］。在虛擬電廠的信息匯聚層面，面向虛擬電廠管控中心、大型聚合商出口的海量負(fù)荷和分布式電源信息采集與調(diào)度控制類業(yè)務(wù)均屬于寬帶業(yè)務(wù)，其對(duì)通信帶寬的要求在2 至幾十兆比特每秒之間；調(diào)峰響應(yīng)、電力市場交易等窄帶業(yè)務(wù)，對(duì)于通信帶寬的要求一般低于2 Mbit/s。

5）安全：虛擬電廠的通信安全要求包括通信通道安全和數(shù)據(jù)安全。虛擬電廠面向海量終端接入，并且需要靈活參與日前、日內(nèi)電力市場交易，涉及終端靈活接入認(rèn)證和多交易主體的用戶敏感數(shù)據(jù)處理。一方面，需基于現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)架構(gòu)，增加面向海量終端設(shè)備與上級(jí)主站的動(dòng)態(tài)雙向身份認(rèn)證，保護(hù)用戶用電信息的隱私性；另一方面，對(duì)用戶負(fù)荷進(jìn)行聚合調(diào)控必須保證不被惡意干擾或盜取權(quán)限；此外，需根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型設(shè)置不同的安全隔離措施［33］，避免因安全隔離措施增加通信時(shí)延而影響虛擬電廠時(shí)敏業(yè)務(wù)。

2 虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照區(qū)域劃分為電力通信接入網(wǎng)和電力通信骨干網(wǎng)［34］。

電力通信骨干網(wǎng)按照功能可以劃分為：傳輸網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)和支撐網(wǎng)三部分［33］。傳輸網(wǎng)基于電力光纜網(wǎng)架，通過同步數(shù)字體系（SDH）和光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)，為整個(gè)電力通信提供底層的數(shù)據(jù)傳輸能力［35］。按照區(qū)域可分為省際、省級(jí)和地市3 個(gè)層級(jí)。業(yè)務(wù)網(wǎng)以傳輸網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建，主要包含實(shí)時(shí)防御系統(tǒng)、電話視頻等電網(wǎng)自有業(yè)務(wù)、調(diào)度控制系統(tǒng)及管理信息系統(tǒng)［36］。支撐網(wǎng)主要包含數(shù)字同步網(wǎng)、通信管理系統(tǒng)等。

電力通信接入網(wǎng)可以按照電壓等級(jí)劃分為10 kV 電力通信接入網(wǎng)和400 V 電力通信接入網(wǎng)［37］，主要承載配電網(wǎng)業(yè)務(wù)。電力通信接入網(wǎng)包括HPLC、無源光網(wǎng)絡(luò)（xPON）、電力無線專網(wǎng)、4G/5G無線公網(wǎng)、衛(wèi)星通信等。10 kV 電力通信接入網(wǎng)承載分布式電源調(diào)控、負(fù)荷控制［38］、配電自動(dòng)化（三遙）、配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)等業(yè)務(wù)；400 V 電力通信接入網(wǎng)主要承載用電信息采集、負(fù)荷監(jiān)控、電動(dòng)汽車充電樁管理等業(yè)務(wù)。

2.2 虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信方式

虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是以現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)絡(luò)資源為基礎(chǔ)，融合原有的需求響應(yīng)、負(fù)荷管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，高頻采集臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)、分布式電源和電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控等多源、多種類的數(shù)據(jù)。虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)形態(tài)多樣，屬于多主體異構(gòu)融合的通信網(wǎng)絡(luò)。為保證安全、實(shí)時(shí)傳輸，虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)需要合理分層、分區(qū)，與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)既共享又區(qū)分，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量更高的通信服務(wù)。虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩級(jí)架構(gòu)，即本地通信層和遠(yuǎn)程通信層，如圖2 所示。

本地通信層的主要構(gòu)成為用戶側(cè)資源（如DER、用戶側(cè)的海量負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置等）、終端設(shè)備（如采集器、智能電表、逆變器等）和集控設(shè)備［39］（如遠(yuǎn)動(dòng)裝置、集中器、配電自動(dòng)化終端、臺(tái)區(qū)融合終端等），本地通信層終端設(shè)備的信息匯集至一個(gè)或多個(gè)集控設(shè)備，并上傳至遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備，通信設(shè)備多以模組的形式嵌入終端設(shè)備和集控設(shè)備中。如表2 所示，本地通信可采用HPLC、RS-485、RS-232、微功率無線等方式［40-41］?？紤]到未來電力業(yè)務(wù)擴(kuò)展，本地設(shè)備還應(yīng)支持雙模通信接口［42］、載波IP 化接口等。其中HPLC 廣泛應(yīng)用于下行端側(cè)及用戶側(cè)設(shè)備，如智能電表、智慧開關(guān)［43］等；雙模通信從通信信道上對(duì)HPLC 進(jìn)行了補(bǔ)充，允許470～510 MHz 的無線通信；RS-485 則對(duì)端側(cè)存量及新增設(shè)備進(jìn)行有線接入，如智能電容器、換相開關(guān)、無功補(bǔ)償?shù)?；以太網(wǎng)主要用于設(shè)備本地運(yùn)維、參數(shù)配置等；微功率無線［44］利用2.4 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)本地的無源無線傳感器接入，采集變壓器樁頭溫度、低壓臺(tái)區(qū)環(huán)境溫度等。

表2 虛擬電廠的通信技術(shù)Table 2 Communication technologies of VPP

遠(yuǎn)程通信層的主要通信設(shè)備包括各級(jí)交換機(jī)、匯聚路由器、加密裝置、安全接入網(wǎng)關(guān)等，用于虛擬電廠終端和管理側(cè)平臺(tái)的信息交互，具備單路或者獨(dú)立雙路上行通道，每個(gè)通道均支持電力專網(wǎng)通信和運(yùn)營商公網(wǎng)通信，多種通信方式混合組網(wǎng)。遠(yuǎn)程通信方式主要包括：xPON、工業(yè)以太網(wǎng)、4G/5G 通信、電力LTE 無線專網(wǎng)、電力光纖專網(wǎng)等。其中，4G/5G 運(yùn)營商公網(wǎng)通信能夠很好地滿足終端采集數(shù)據(jù)的回傳；電力LTE 無線專網(wǎng)具有230 MHz 和1 800 MHz 兩個(gè)頻段，目前在部分省市部署，由于采用電力專有頻段，安全性較高；光纖專網(wǎng)結(jié)合xPON和工業(yè)以太網(wǎng)，技術(shù)成熟且容量大、安全可靠性高，支持高帶寬和低時(shí)延，適用于可靠性要求較高的業(yè)務(wù)場景。利用云邊端協(xié)同實(shí)現(xiàn)虛擬電廠多層級(jí)協(xié)調(diào)控制［45］，管控平臺(tái)實(shí)時(shí)與調(diào)控平臺(tái)交互，通過遠(yuǎn)程通信層下發(fā)調(diào)控策略，經(jīng)由邊側(cè)集控設(shè)備進(jìn)行計(jì)算形成調(diào)控指令，通過本地通信層下發(fā)到終端執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)整快速響應(yīng)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定，參與電力市場交易獲得經(jīng)濟(jì)收益。

在安全方面，參照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”十六字安全方針，通過隔離裝置和硬件防火墻構(gòu)建橫向安全邊界，設(shè)置電力專用縱向加密認(rèn)證裝置，實(shí)現(xiàn)通信報(bào)文的機(jī)密性、完整性保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)訪問控制功能。

隨著分布式電源和用電設(shè)備的增加，以及采集數(shù)據(jù)規(guī)模逐步擴(kuò)大，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)利用率都會(huì)提出更高的要求［46-47］。一方面，海量的末端分布式資源需要依賴于高頻采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，通過通信手段聚合成一個(gè)滿足電力系統(tǒng)需要、能可靠并網(wǎng)的整體。因此，本地通信網(wǎng)絡(luò)必然對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和通信成本高度敏感。另一方面，外部聚合商參與虛擬電廠的交易與運(yùn)行控制，將會(huì)打破原有的以電力專網(wǎng)為主的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，會(huì)逐漸演變成以互聯(lián)網(wǎng)大區(qū)為溝通媒介跨區(qū)通信，以及公專網(wǎng)一體化的虛擬電廠通信網(wǎng)新架構(gòu)。此外，虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)在滿足原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，改進(jìn)組網(wǎng)可信鑒權(quán)認(rèn)證和輕量化加密功能，具備對(duì)接入終端設(shè)備的身份、網(wǎng)絡(luò)和安全進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制的能力。

3 虛擬電廠信息通信關(guān)鍵技術(shù)

本文針對(duì)未來虛擬電廠本地和遠(yuǎn)程通信需求，提出了本地多通信技術(shù)互補(bǔ)及遠(yuǎn)程5G 虛擬專網(wǎng)技術(shù)。

3.1 本地多通信技術(shù)互補(bǔ)

虛擬電廠本地側(cè)接入負(fù)荷種類繁多，同時(shí)與大電網(wǎng)互動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)的信息交互帶來了海量終端接入和通信盲區(qū)等一系列問題?，F(xiàn)有的終端通信技術(shù)體制多為以HPLC 為主，470～510 MHz 頻段的微功率無線技術(shù)為輔，存在公用頻段易受干擾、通信帶寬難以滿足秒級(jí)信息交互需求等弊端。采用WiFi Halow和Mesh 自組網(wǎng)本地多通信技術(shù)互補(bǔ)的方式可以有效實(shí)現(xiàn)通信覆蓋延伸和鏈路通道備份。WiFi Halow 技術(shù)采用IEEE 802.11ah 協(xié)議，單節(jié)點(diǎn)理論最多支持8 191 臺(tái)終端設(shè)備［48］，且解決了WiFi 傳輸范圍小的問題，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)至1.5 km 的傳輸范圍。寬窄帶Mesh 自組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)方式靈活，支持網(wǎng)狀組網(wǎng)和鏈狀組網(wǎng)等多種組網(wǎng)方式，并且可以通過多跳實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，解決本地通信盲區(qū)問題。

圖3 描述了虛擬電廠本地通信技術(shù)互補(bǔ)的應(yīng)用模式，WiFi Halow 及Mesh 自組網(wǎng)技術(shù)既可以作為獨(dú)立的通信鏈路，也可以作為HPLC 的備份通信鏈路。在虛擬電廠本地通信層，負(fù)荷、DER、儲(chǔ)能等多種業(yè)務(wù)終端通過HPLC+微功率無線/WiFi Halow/Mesh 自組網(wǎng)等多通信技術(shù)互為備份的即插即用通信單元進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)傳輸。目前WiFi 聯(lián)盟推薦頻段為915～925 MHz，但此頻段在國內(nèi)已分配給電信運(yùn)營商使用，并非公用頻段，可考慮使用230 MHz電力專用頻段，采用中頻載波聚合的方式將該頻段內(nèi)40 個(gè)25 kHz 頻點(diǎn)進(jìn)行聚合，滿足WiFi Halow 最小1 MHz 的通信帶寬要求。

圖3 虛擬電廠本地通信技術(shù)互補(bǔ)應(yīng)用Fig.3 Complementary application of VPP local communication technology

Mesh 自組網(wǎng)具有的自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒍嗵酚傻忍攸c(diǎn)導(dǎo)致其對(duì)外部惡意干擾的抵抗能力較差，在實(shí)施過程中存在鏈路干擾的問題。文獻(xiàn)［49］提出了基于鏈路部分重疊信道分配博弈模型，區(qū)分不同等級(jí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)［50］提出信道替換的區(qū)域性抗干擾方法，通過干擾區(qū)域附近的部分節(jié)點(diǎn)信道替換減小干擾對(duì)于鏈路質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)［51］設(shè)計(jì)了一種基于協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)干擾模型量度方法，并提出了一種啟發(fā)式的干擾最小化拓?fù)淇刂扑惴?，該分布式算法能保證網(wǎng)絡(luò)連通，并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的路徑干擾最小化。

3.2 遠(yuǎn)程5G 虛擬專網(wǎng)

虛擬電廠在參與電網(wǎng)的互動(dòng)運(yùn)行中，使得分布式電源控制、需求響應(yīng)等控制類業(yè)務(wù)逐漸向中低壓配電網(wǎng)延伸。4G 無線網(wǎng)絡(luò)可以解決此類場景光纖覆蓋盲區(qū)的問題，但是4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及安全性不滿足虛擬電廠控制業(yè)務(wù)需求。5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠特性使得5G 網(wǎng)絡(luò)與虛擬電廠業(yè)務(wù)的結(jié)合越來越緊密。傳統(tǒng)時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）為有線網(wǎng)絡(luò)，存在成本高、靈活性差等局限性。第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）已經(jīng)支持5G 與TSN 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［52-53］，將5G 系統(tǒng)作為TSN 虛擬網(wǎng)橋嵌入TSN 集中化管控整體架構(gòu)下。一方面，在5G 終端用戶側(cè)和用戶面功能（UPF）網(wǎng)元側(cè)分別增加轉(zhuǎn)換器模塊，將TSN 功能暴露給5G 網(wǎng)絡(luò)；另一方面，增加5G 控制面TSN應(yīng)用功能實(shí)體，實(shí)現(xiàn)TSN 業(yè)務(wù)流在5G 網(wǎng)絡(luò)中的精準(zhǔn)傳輸。可以利用端到端確定性5G+TSN 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上傳至云端業(yè)務(wù)系統(tǒng)，基于精準(zhǔn)時(shí)間門控的優(yōu)化調(diào)度來消除抖動(dòng)，用專用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，保障精度。如圖4 所示，基于電信運(yùn)營商現(xiàn)有5G 公共網(wǎng)絡(luò)，采用物理資源塊（PRB）靜態(tài)預(yù)留、靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)和關(guān)鍵核心網(wǎng)元自建或租用等方式，構(gòu)建涵蓋終端、接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、安全接入?yún)^(qū)等各環(huán)節(jié)的電力5G 虛擬專網(wǎng)。圖中，IPRAN 為基于IP 協(xié)議的接入網(wǎng)，SPN 為切片分組網(wǎng)。

圖4 5G 虛擬專網(wǎng)在虛擬電廠中的應(yīng)用Fig.4 Application of 5G virtual private network in VPP

5G 網(wǎng)絡(luò)性能相比于4G 網(wǎng)絡(luò)有大幅度提升，但是成本較高，無法廣泛應(yīng)用于海量的虛擬電廠終端，可在虛擬電廠涉控類業(yè)務(wù)終端的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中采用5G 虛擬專網(wǎng)。承載虛擬電廠控制類業(yè)務(wù)的5G電力虛擬專網(wǎng)應(yīng)采用5G 獨(dú)立組網(wǎng)模式。從業(yè)務(wù)終端側(cè)的安全監(jiān)測和訪問控制解決傳統(tǒng)方案在高動(dòng)態(tài)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中可擴(kuò)展性差、認(rèn)證頻繁等問題；在接入網(wǎng)側(cè)考慮與公網(wǎng)和其他行業(yè)共用小區(qū)，但電網(wǎng)專享PRB 靜態(tài)預(yù)留的5G 切片技術(shù)，不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信道使用不同PRB 資源，且預(yù)留的資源在任何時(shí)刻都不能分配給其他切片用戶使用，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)空口資源橫向隔離，滿足虛擬電廠的控制類業(yè)務(wù)隔離需求；在承載網(wǎng)側(cè)通過FlexE 接口對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行基于時(shí)隙的物理隔離；在核心網(wǎng)側(cè)可部署電力專用的UPF 網(wǎng)元，以及控制面的接入及移動(dòng)性管理功能（AMF）、會(huì)話管理功能（SMF）網(wǎng)元，當(dāng)虛擬電廠業(yè)務(wù)終端發(fā)起接入注冊流程時(shí)，核心網(wǎng)根據(jù)終端的切片標(biāo)識(shí)選擇電力專用AMF 網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)附著；當(dāng)終端發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，選擇專用UPF、SMF 網(wǎng)元提供服務(wù)。

4 虛擬電廠信息通信技術(shù)研究展望

虛擬電廠通信系統(tǒng)未來將面對(duì)海量、大規(guī)模、多類型數(shù)據(jù)終端接入，本章對(duì)于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延控制、安全可靠接入及兼顧網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)利用率的信息通信技術(shù)提出展望。

4.1 時(shí)延控制

虛擬電廠內(nèi)部分布式資源受環(huán)境和地理位置的影響，網(wǎng)絡(luò)傳輸條件和通信傳輸技術(shù)都會(huì)成為虛擬電廠時(shí)敏業(yè)務(wù)通信時(shí)延保障的瓶頸。一方面，需要設(shè)計(jì)云邊端協(xié)同的分布式通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，云端管控平臺(tái)將數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力下沉到邊端設(shè)備，邊緣集群服務(wù)器依照一定標(biāo)準(zhǔn)（地域分布、聚類算法等）聚合端側(cè)各類分布式資源，在邊側(cè)完成分布式資源的狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境信息、電能及電氣信息等大量數(shù)據(jù)采集和就地處理，可以實(shí)現(xiàn)虛擬電廠各區(qū)域內(nèi)自主調(diào)控，且可以通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)與云端管控平臺(tái)進(jìn)行信息交互，從而參與大電網(wǎng)互動(dòng)、電力交易等；另一方面，虛擬電廠分布式資源參與電網(wǎng)調(diào)控的量化時(shí)延需要研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)延帶內(nèi)遙測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)測量與細(xì)粒度監(jiān)測。此外，虛擬電廠時(shí)敏業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)路徑調(diào)度需要軟件定義通信控制技術(shù)，在數(shù)據(jù)層進(jìn)行虛擬電廠末端數(shù)據(jù)的采集、匯聚、傳輸和簡單處理；在控制層進(jìn)行虛擬電廠設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的配置、控制和資源調(diào)度；在應(yīng)用層進(jìn)行虛擬電廠業(yè)務(wù)應(yīng)用的構(gòu)建、部署和管理。通過人工智能流量預(yù)測，設(shè)計(jì)基于虛擬電廠實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流量的全局優(yōu)化調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度調(diào)控業(yè)務(wù)的按需彈性保障。

4.2 安全可靠接入

虛擬電廠業(yè)務(wù)的安全接入與可靠性要求強(qiáng)相關(guān)，往往呈現(xiàn)雙高現(xiàn)象。在安全性方面，虛擬電廠面臨著網(wǎng)絡(luò)邊界外延，數(shù)據(jù)融合共享等問題。一方面，網(wǎng)絡(luò)攻擊呈現(xiàn)集團(tuán)化、自動(dòng)化、組合型的特征，需要利用態(tài)勢感知、動(dòng)態(tài)防御、可信計(jì)算等一系列防御技術(shù)［54-56］，分級(jí)分域保障虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)安全；另一方面，海量終端的分布式資源安全接入需要研究終端輕量級(jí)接入認(rèn)證技術(shù)，可以提取終端唯一的時(shí)鐘晶振偏移、軟件環(huán)境、內(nèi)部版本號(hào)等終端軟硬件固有屬性，設(shè)計(jì)終端指紋認(rèn)證模型和加密算法指令集，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠終端的安全接入和可信認(rèn)證；此外，虛擬電廠用戶隱私數(shù)據(jù)可基于正則特征、校驗(yàn)特征的敏感識(shí)別方法進(jìn)行敏感數(shù)據(jù)精準(zhǔn)識(shí)別，制定面向不同場景及用戶的敏感數(shù)據(jù)脫敏策略，通過脫敏數(shù)據(jù)場景化和脫敏策略的精準(zhǔn)匹配保障虛擬電廠用戶隱私安全。在可靠性方面，虛擬電廠應(yīng)結(jié)合TSN 中IEEE的幀復(fù)制和幀消除機(jī)制（FRER），以及無線網(wǎng)絡(luò)中3GPP R16 的雙N3/N9、雙協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話、雙用戶設(shè)備（UE）等冗余傳輸機(jī)制，利用復(fù)制后的數(shù)據(jù)流通過不同傳輸路徑轉(zhuǎn)發(fā)后再消除冗余的方法，實(shí)現(xiàn)多鏈路并行高可靠的冗余傳輸，支撐虛擬電廠業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在分級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下可靠傳輸。

4.3 性能與效率兼顧

虛擬電廠終端接入設(shè)備多、服務(wù)對(duì)象廣、信息量大、業(yè)務(wù)周期峰值明顯，需占用大量通信資源，云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施面臨著為多種業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)服務(wù)與保障的挑戰(zhàn)，應(yīng)統(tǒng)籌通信網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)利用率。一方面，虛擬電廠要避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)級(jí)網(wǎng)絡(luò)資源靜態(tài)配置策略，規(guī)避“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，需要基于工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)、物理資源預(yù)留的無線硬切片、靈活以太網(wǎng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)虛擬電廠端到端專用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；另一方面，虛擬電廠也要消除目前面向企業(yè)用戶（ToB）專網(wǎng)犧牲網(wǎng)絡(luò)效率保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)而出現(xiàn)“過保障”的弊端。需進(jìn)行個(gè)體化的業(yè)務(wù)精準(zhǔn)策略定制，可基于邊緣計(jì)算等技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別業(yè)務(wù)類型，獲取實(shí)際業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS），實(shí)現(xiàn)差異化QoS 保障，以最恰當(dāng)?shù)馁Y源保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)性能和網(wǎng)絡(luò)資源利用率的雙優(yōu)。

5 結(jié)語

本文圍繞虛擬電廠的概念、特性、通信需求進(jìn)行介紹和分析，提出面向虛擬電廠海量分布式資源接入的兩級(jí)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。提出HPLC、WiFi Halow、Mesh 自組網(wǎng)等互補(bǔ)通信技術(shù)和5G 虛擬專網(wǎng)技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用模式，并對(duì)未來虛擬電廠信息通信技術(shù)的發(fā)展提出展望。隨著虛擬電廠的建設(shè)規(guī)模和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，虛擬電廠勢必要建設(shè)更加高效、安全、可靠的信息通信網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)大范圍、多時(shí)空尺度的分布式資源聚合調(diào)控。虛擬電廠通信技術(shù)將得到不斷發(fā)展與應(yīng)用，為構(gòu)建“源荷儲(chǔ)”資源協(xié)同互動(dòng)的新型電力系統(tǒng)提供重要支撐。