陳啟鑫，高洪超，馮 成，陳宋宋，孔祥玉，康重慶

（1. 新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室（清華大學(xué)），北京市 100084；2. 需求側(cè)多能互補優(yōu)化與供需互動技術(shù)北京重點實驗室（中國電力科學(xué)研究院有限公司），北京市 100192；3. 天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津市 300072）

0 引言

“雙碳”目標下，需要大規(guī)模提升電力系統(tǒng)新能源消納能力，建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。面對高比例可再生能源，新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出電力電量平衡概率化、運行方式多樣化、電網(wǎng)潮流雙向化、穩(wěn)定機理復(fù)雜化、靈活資源稀缺化以及源荷界限模糊化（簡稱“六化”）的基本特征［1］。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在應(yīng)對新能源所帶來的波動性時，往往被動調(diào)節(jié)各類電源出力以維持系統(tǒng)運行穩(wěn)定；而隨著新能源比例逐漸增加，傳統(tǒng)運行模式愈加捉襟見肘，迫切需要拓展系統(tǒng)可調(diào)資源的邊界，使得更廣泛的資源參與到與電網(wǎng)的友好互動中，以提升電力系統(tǒng)的靈活運行能力［2］。為達成這一目標，在物理層面上需要在現(xiàn)有框架下發(fā)掘更多的閑散靈活資源，在信息層面上需要在觀測、控制能力上深入電網(wǎng)邊緣側(cè)，在社會層面上需要啟發(fā)主體的低碳用能意識，從物理-信息-社會3 個層面協(xié)同提升系統(tǒng)的實時平衡響應(yīng)能力，最終提高系統(tǒng)的消納裕度。與此同時，隨著售電側(cè)市場的逐步放開，能源互聯(lián)網(wǎng)逐步向配電網(wǎng)滲透，配電網(wǎng)分布式資源成為重要的能源開發(fā)和利用方式，其調(diào)節(jié)潛力愈發(fā)得到重視，“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃指出，需求側(cè)靈活資源占比要達到總負荷需求的3%～5%［3］。由于單個可調(diào)資源規(guī)模較小，為了提升其配置效率與經(jīng)濟性，需要通過虛擬電廠等聚合手段，形成海量、異質(zhì)、泛在的靈活資源儲備池，再參與到與電網(wǎng)的互動中。

與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比，虛擬電廠［4］具有以下特征：1）虛擬電廠同時具備發(fā)電、需求響應(yīng)兩個方向的靈活調(diào)節(jié)能力，可響應(yīng)新能源波動，提高電力電量平衡的魯棒性；2）虛擬電廠可在允許的有功-無功功率范圍內(nèi)快速、靈活地調(diào)整運行點，為系統(tǒng)多樣運行方式拓展可調(diào)區(qū)間，提高運行安全性；3）虛擬電廠可調(diào)節(jié)系統(tǒng)局部的能源供需態(tài)勢，實現(xiàn)域內(nèi)能量共享或潮流雙向傳輸；4）虛擬電廠的分散資源調(diào)節(jié)速度較快，為緊急控制、慣性支撐、穩(wěn)定控制等提供快速響應(yīng)；5）虛擬電廠實現(xiàn)了對用戶的數(shù)據(jù)采集與便捷互動，可更精確地掌握用戶側(cè)的運行特性與調(diào)節(jié)能力，釋放新的可調(diào)資源?；谝陨厦枋觯瑸榱烁玫匕l(fā)揮虛擬電廠在新型電力系統(tǒng)中的作用，需要對其運行外特性進行可信的等值表征，涉及對資源聚合、響應(yīng)能力刻畫、動態(tài)性能描述等關(guān)鍵問題開展深入的研究。

虛擬電廠作為商業(yè)實體而非分散資源的實際所有者，相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)應(yīng)從物理-信息-社會多個角度加以描述。首先，在物理層面，需要厘清設(shè)備的運行機理及網(wǎng)絡(luò)的分層分區(qū)特性，考慮到多類異質(zhì)分布式資源運行特征差異大、預(yù)測難，且海量資源的行為模式同時存在規(guī)律性和隨機性，需要對其進行分解；而分布式資源配置在不同層級的中低壓電網(wǎng)中，不同資源對象因線路容量和電壓等級等限制對系統(tǒng)其他潮流節(jié)點的負荷轉(zhuǎn)移因子可能接近零，調(diào)節(jié)能力可能隨電網(wǎng)層級顯著變化。在信息層面，分散泛在的分布式資源信息采集困難、數(shù)據(jù)種類繁雜而存儲量巨大，信息無法在有限的基礎(chǔ)通信設(shè)施中確保上下行數(shù)據(jù)的及時性和可靠性，對實際的響應(yīng)能力、動態(tài)性能造成負面影響。在社會層面，在與資源的互動中需要考慮激勵的有效性，下層分布式資源隸屬于不同利益主體，行為受個體有限理性約束，需要考慮個體決策的隨機性和策略性行為；在與上層的電網(wǎng)活動中，需要考慮多層級代理關(guān)系與多市場需求。例如，虛擬電廠面向不同物理區(qū)域的調(diào)峰、調(diào)頻、慣性支撐等多市場需求，其響應(yīng)能力量化指標會發(fā)生變化。此外，還要分析不同層面的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從耦合的視角去突破虛擬電廠的時變可行域辨識與外特性動態(tài)可信表征。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)圍繞虛擬電廠構(gòu)建與響應(yīng)能力評估等相關(guān)問題形成了一系列技術(shù)成果。文獻［4］提出了隨機柔性邊界表征模型，用于刻畫虛擬電廠的靈活可調(diào)邊界，利用機會約束規(guī)劃模型考慮了海量分布式資源出力的隨機性與波動性，提高了響應(yīng)能力的量化水平。文獻［5-6］分別論述了基于智慧樓宇制冷系統(tǒng)與社區(qū)居民空調(diào)負荷的需求響應(yīng)能力量化問題，前者通過數(shù)學(xué)仿真模型，探索了商業(yè)樓宇中電力電子裝置對于響應(yīng)能力提升的作用及量化能力，而后者則在物理能力解析的基礎(chǔ)上，引入深度學(xué)習(xí)去預(yù)測資源用戶對于不同電價下的響應(yīng)意愿。文獻［7］提出了基于用戶滿意度的設(shè)備物理動態(tài)模型，并考慮通信帶寬與控制復(fù)雜度的耦合約束關(guān)系，實現(xiàn)虛擬電廠基于市場均衡機制的大規(guī)模柔性負荷協(xié)同運行。然而，大部分研究理論聚焦在分布式資源物理層面的聚合與量化上，部分研究在物理-信息或物理-社會的耦合視角下開展研究，針對的資源類型比較單一、視角仍不全面，未能針對更多樣化的業(yè)務(wù)需求，尚未考慮通信性能對響應(yīng)性能的量化影響，或者未將用戶自主行為納入虛擬電廠的響應(yīng)能力量化體系中。

綜上，本文聚焦虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建與可信量化的理論范式，首先，分析了虛擬電廠靈活資源的運行特性及解析方法，實現(xiàn)不同類型分布式資源的定性分類；其次，論述了虛擬電廠聚合分布式資源多視角下的技術(shù)難點，并提出動態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵支撐技術(shù)，實現(xiàn)虛擬電廠分布式資源的優(yōu)化組合；隨后，針對虛擬電廠服務(wù)能力的量化需求，分析了不同視角下的關(guān)鍵影響因素及其核心關(guān)鍵技術(shù)，從而在虛擬電廠的動態(tài)構(gòu)建基礎(chǔ)上實現(xiàn)精準量化；此外，本文討論了虛擬電廠物理-信息-社會不同視角的耦合互動關(guān)系；最后，總結(jié)了本文的主要貢獻，并展望了虛擬電廠服務(wù)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 虛擬電廠資源的運行特性

分布式資源具有可調(diào)、可控、難觀、難測的特點，類型多元且調(diào)節(jié)特性迥異。常見的分布式資源按照靜態(tài)功率特性分類，可分為源（發(fā)出電力）、荷（消耗電力）、儲（存儲電力）3 類。同一類資源的功率外特性可由其時間序列進行描述。例如，從歷史出力數(shù)據(jù)出發(fā)，分布式光伏與分布式風(fēng)電均具有規(guī)律性和間歇波動特性，其中的規(guī)律性表征了設(shè)備因為環(huán)境條件（如光照、風(fēng)速）等變化而變化的運行機理，可通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對其功率時序特征進行預(yù)測［8］。

除此之外，也需要通過解析的方法對其功率特性的限制進行表征。對于電源，如分布式水電、分布式三聯(lián)供機組等，其外特性的功率維持時間受到其存儲能量的限制，其功率爬坡速度受到其物理設(shè)備的限制，需要將物理機理也納入運行特性的參數(shù)化解析中［9］。對于負荷，如商業(yè)樓宇、居民負荷、工業(yè)園區(qū)等，還需引入可中斷或可平移的容量和時間來反饋調(diào)節(jié)能力與調(diào)節(jié)意愿［10］。對于儲能資源，分布式儲能與電動汽車物理特性相近，需要通過充放電狀態(tài)、充放電功率、額定功率、容量及效率來確定其可響應(yīng)容量及時長［11］。越來越多的主體不限于某一種特定的類型。例如，數(shù)據(jù)中心和5G 通信基站，同時擁有負荷（服務(wù)器和發(fā)射天線）和儲能（備用不間斷電源（UPS））等，當計算其可調(diào)容量時，則需要考慮歷史運行曲線、剛性計算/通信負載、最小備用儲能容量，綜合求出其荷-儲聯(lián)合可調(diào)可行域［12］。此外，不同類型資源的劃分不是一成不變的，如對于商業(yè)樓宇中的暖通空調(diào)負荷，由于其熱動態(tài)的延遲慣性特性，可被視為帶靜息放電功率的廣義儲能設(shè)備，其調(diào)節(jié)特性限制與儲能相似。

在資源特性刻畫技術(shù)方面，針對分布式發(fā)電，可采用預(yù)測模型進行出力特性的刻畫，同時，基于設(shè)備參數(shù)給出爬坡、響應(yīng)時間等特性描述［13］；針對包括電動汽車、分布式儲能、UPS 等儲類資源，可通過數(shù)學(xué)模型解析電化學(xué)儲能的運行特征［14］；針對可中斷、可調(diào)節(jié)負荷，可通過線性函數(shù)描述其運行時序和調(diào)節(jié)區(qū)間［15］。但是，由于分布式資源的物理運行特性常常是時變、非線性的，傳統(tǒng)的解析建模方法可能失效，需要采用機理數(shù)據(jù)融合的技術(shù)手段，使得解析模型和數(shù)據(jù)相互補充、相互印證，實現(xiàn)模型可信度、可行性、可解釋性的提升。

2 虛擬電廠資源的動態(tài)構(gòu)建

虛擬電廠的構(gòu)建觸發(fā)來自電力系統(tǒng)的調(diào)控需求，但調(diào)控需求的動態(tài)變化是由運行環(huán)境動態(tài)、市場運營動態(tài)、信息網(wǎng)絡(luò)動態(tài)3 個維度耦合驅(qū)動的。圖1所示為虛擬電廠構(gòu)建的驅(qū)動關(guān)聯(lián)關(guān)系，主要表現(xiàn)在分布式資源并網(wǎng)改變了系統(tǒng)的物理拓撲結(jié)構(gòu)，也間接調(diào)整了系統(tǒng)潮流的傳輸路徑。同時，用戶資源參與市場的決策和方式直接影響到系統(tǒng)能量流動的供需關(guān)系，而安全可靠的信息通信將物理和市場的動態(tài)變化反饋給系統(tǒng)運營商以調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)控需求，從而觸發(fā)虛擬電廠組建靈活資源響應(yīng)系統(tǒng)的變化。由于系統(tǒng)運行狀態(tài)、市場供需形勢、信息傳輸方式是時刻變化的，故虛擬電廠的構(gòu)建也需動態(tài)形成且在線辨識參數(shù)以達到動態(tài)跟蹤的目的。由于調(diào)峰、調(diào)頻等不同需求維度的系統(tǒng)調(diào)控需求與市場交易品種的組織時序相關(guān)，故虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的時間維度也應(yīng)與參與的市場交易類型一致，以實時優(yōu)化虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的資源配置。圖2 給出了不同的調(diào)控和響應(yīng)需求的虛擬電廠構(gòu)建時序。

圖1 虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的驅(qū)動關(guān)系Fig.1 Driving relationship of dynamic construction for virtual power plant

圖2 虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的觸發(fā)時序Fig.2 Trigger timing of dynamic construction for virtual power plant

2.1 動態(tài)構(gòu)建的理論分析

2.1.1 物理視角：系統(tǒng)運行狀態(tài)

系統(tǒng)運行的動態(tài)是基于能量流的狀態(tài)感知與評估。在資源個體方面，分布式設(shè)備在外部條件和內(nèi)生需求的刺激下，發(fā)生行為模式的遷移或者變化，如溫度刺激下的空調(diào)啟動、電動汽車使用時的離樁行為等，這將引起系統(tǒng)供需情況的時空變化，從而激發(fā)電力系統(tǒng)的區(qū)域調(diào)控需求；在資源集群方面，動態(tài)構(gòu)建還需考慮電力網(wǎng)絡(luò)本身的物理運行限制，包括接入電網(wǎng)的電壓等級以及線路、變壓器等的功率容量限制，虛擬電廠組合范圍應(yīng)確保資源調(diào)節(jié)在某一電壓等級網(wǎng)絡(luò)是有效的，并且調(diào)控前后配電網(wǎng)的線路容量和變壓器容量限制應(yīng)得到滿足。需要說明的是，線路與變壓器的容量限制也會隨著需求的變化而變化，在考慮線路和變壓器老化成本的情況下實現(xiàn)其運行容量動態(tài)調(diào)整，以確保虛擬電廠構(gòu)建范圍的可行性［16］。

2.1.2 信息視角：信息承載支撐

信息網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)主要表現(xiàn)在資源數(shù)據(jù)接入和上下行傳輸兩個階段。在資源數(shù)據(jù)的接入階段，多址接入方式的性能表現(xiàn)因通信環(huán)境差異而不同，通信環(huán)境又因海量智能終端的接入方式?jīng)Q策而時變。因此，如何感知通信承載環(huán)境并優(yōu)化接入方式成為虛擬電廠感知資源的前提［17］。在資源數(shù)據(jù)的傳輸階段，上下行數(shù)據(jù)的可靠性影響到虛擬電廠的響應(yīng)性能，通信設(shè)備數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)組織方式將通過響應(yīng)時延、等值容量等指標限制虛擬電廠的資源組合范圍。因此，如何刻畫通信約束在虛擬電廠物理可行域的投影是面向不同業(yè)務(wù)場景資源組合的重要參考［18］。

2.1.3 社會視角：交易互動關(guān)系

交易互動對虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的影響主要表現(xiàn)在運營決策變化和策略行為兩個方面。虛擬電廠與用戶資源的管控方式可分為直控型和代理型，其中代理型也可分為兩種：一種是直接委托代理，一種是間接代理（即通過其他聚合商代理后加入虛擬電廠運營）。虛擬電廠的資源優(yōu)化組合需要考慮多層次代理模式的分層影響，而用戶資源的代理決策又因商業(yè)模式變化而變化，故需要動態(tài)調(diào)整代理關(guān)系信息。而交易策略對動態(tài)構(gòu)建的影響是，分布式設(shè)備在經(jīng)濟激勵的刺激下，主動改變自身的運行策略，如在價格激勵下改變功率輸送方向、用電量和用電時間［19］。因此，辨識并劃分資源對象的響應(yīng)類型和偏好，既能在虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建中有針對性地提升可靠性，又能通過合理的激勵設(shè)計實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)。

2.2 動態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

圍繞不同系統(tǒng)調(diào)控需求下，虛擬電廠如何組織分布式資源實現(xiàn)優(yōu)化組合這一關(guān)鍵難點，本節(jié)給出了4 項核心技術(shù)，具體如圖3 所示。

圖3 虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Key technologies in dynamic construction for virtual power plant

2.2.1 虛擬電廠外特性的通用規(guī)范描述

站在虛擬電廠角度，為了強化虛擬電廠與傳統(tǒng)機組的特性對標、同臺競爭，需要對虛擬電廠動態(tài)性能進行規(guī)范化的描述。通過統(tǒng)一的外特性刻畫，允許調(diào)度機構(gòu)將虛擬電廠統(tǒng)一納入電力電量平衡的調(diào)控體系，以更好地發(fā)揮其作用。站在系統(tǒng)運行角度，虛擬電廠外特性刻畫的準確程度影響著調(diào)度出清結(jié)果的有效性和經(jīng)濟性。例如，當刻畫區(qū)域小于實際可調(diào)區(qū)域時，可能會使得系統(tǒng)運行于次優(yōu)解；而當刻畫區(qū)域大于實際運行可行域時，系統(tǒng)調(diào)度可能會出現(xiàn)實際不可行的情況。當前，由于缺乏規(guī)范化的性能評價方法來評估虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的準確性，難以支撐虛擬電廠在新型電力系統(tǒng)中的責任分攤與價值認定。

虛擬電廠的可行域是多維的，其外特性是海量分布式資源運行特性的動態(tài)包絡(luò)，不同資源對象因物理屬性差異對虛擬電廠外特性的支撐作用也不相同，不同資源對象的物理運行特性通過參數(shù)化表征為可量化計算的物理量，這些物理變量協(xié)同支撐了虛擬電廠的運行外特性。例如，商業(yè)樓宇的可中斷負荷容量參數(shù)為虛擬電廠的上調(diào)能力提供了支撐。因此，需要分析分布式資源解析參數(shù)與虛擬電廠響應(yīng)特征的對應(yīng)關(guān)系，梳理虛擬電廠參與不同業(yè)務(wù)場景的性能需求。原則上，虛擬電廠的外特性（即虛擬電廠服務(wù)能力）可以大致表征為以下7 個維度，即調(diào)節(jié)曲線、最大上調(diào)能力、最大下調(diào)能力、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)持續(xù)時間、響應(yīng)時延，具體如圖4所示。

圖4 分布式資源的參數(shù)化解析及虛擬電廠通用規(guī)范化描述Fig.4 Parametric analysis of distributed energy resources and general standardized description of virtual power plant

2.2.2 基于特性提取的資源分類標簽技術(shù)

靈活資源參數(shù)在線動態(tài)辨識是虛擬電廠構(gòu)建的基礎(chǔ)，而動態(tài)組合優(yōu)化則是構(gòu)建的手段［20］。虛擬電廠靈活資源組合可行域的確定可通過3 個步驟實現(xiàn)：1）面向不同時空維度的調(diào)控需求，確定基于能量流的分布式資源物理可行空間；2）在物理可行資源中，確定基于信息流的資源數(shù)據(jù)通信可行路徑和時延，調(diào)整分時序響應(yīng)容量；3）在此基礎(chǔ)上，基于業(yè)務(wù)流的資源用戶響應(yīng)意愿和概率辨識，最終確定動態(tài)構(gòu)建的可行對象。在第1 個步驟中，虛擬電廠待組合分布式資源的物理可行域主要取決于資源類型、控制方式、資源物理接入節(jié)點、響應(yīng)特性（包括調(diào)節(jié)量、調(diào)節(jié)時間、響應(yīng)時延）等關(guān)鍵物理信息，這些信息需要通過特性提取進行標簽化以達到細化分類。

物理層面的資源動態(tài)組合需要考慮分布式資源所接入的不同電壓等級，在考慮電網(wǎng)線路潮流和變壓器容量限制的基礎(chǔ)上，再根據(jù)負荷潮流轉(zhuǎn)移因子進行分區(qū)，從而實現(xiàn)對于不同分布式資源的分層分區(qū)，明確靈活資源在虛擬電廠中的“層-區(qū)”關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，針對不同響應(yīng)類型的用戶分別進行響應(yīng)特征的辨識和標簽化：

1）對于委托控制型用戶資源，從分布式資源的實際物理過程出發(fā)，結(jié)合發(fā)用能行為的時序約束、運行條件、剛性約束，計算其在秒級、分鐘級、小時級不同時序上提供調(diào)頻、爬坡、備用、調(diào)峰等服務(wù)的能力。

2）對于自動響應(yīng)型用戶資源，量化評估考慮主觀性影響的資源響應(yīng)基線值標準，采用過濾式選擇等特征提取技術(shù)，以實現(xiàn)不同外部因素下分布式資源響應(yīng)容量和特征的動態(tài)標簽化。

3）對于獨立決策型用戶資源，基于專家軌跡最大熵原則，分析資源用戶的行為軌跡和影響因素。虛擬電廠針對多獨立決策型資源場景，構(gòu)建多強化學(xué)習(xí)代理主體的市場均衡模型［21］，進行市場均衡的動態(tài)演化分析，從而對不同市場環(huán)境下用戶資源的響應(yīng)容量和響應(yīng)概率進行標簽化。

最后，通過以上標簽化過程，不同資源對象所在控制層級及響應(yīng)容量、響應(yīng)概率等特性得以刻畫，在系統(tǒng)發(fā)布特定調(diào)控需求時，虛擬電廠基于多維空間的時變可行域投影交集，形成滿足不同業(yè)務(wù)響應(yīng)要求的資源隊列組合優(yōu)化。

2.2.3 基于硬件在環(huán)的物理-信息耦合運行技術(shù)

在物理可行域中，分布式資源依托龐大的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)完成高頻信息采集與知識生成。然而，受通信節(jié)點數(shù)量、數(shù)據(jù)清洗能力、通信可靠水平和安全防護約束等限制，資源對象的復(fù)雜接入環(huán)境對虛擬電廠的動態(tài)響應(yīng)性能和資源組合優(yōu)化具有重要影響。因此，需要研究分布式資源物理-信息耦合運行方法，分析資源多維信息與響應(yīng)性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，評估資源數(shù)據(jù)的通信時延對其虛擬電廠外特性的影響，從而優(yōu)化資源組合。

一方面，是在現(xiàn)有基礎(chǔ)通信設(shè)施下的資源量化，在分布式資源物理參數(shù)解析和特性提取的基礎(chǔ)上，基于態(tài)勢感知技術(shù)，辨識不同設(shè)備數(shù)據(jù)接入和傳輸時延，從而形成不同時序下虛擬電廠響應(yīng)容量的修正。另一方面，則涉及5G 通信網(wǎng)絡(luò)拓展下的資源量化［22］，兼顧虛擬電廠的運營投資壓力，可以采用兩種運營模式獲取5G 通信的使用權(quán)：1）租賃模式下的虛擬電廠需要評估不同業(yè)務(wù)場景下快速通信的收益提升，從而以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標制定租賃5G通信切片，繼而影響虛擬電廠動態(tài)聚合中電力網(wǎng)與通信網(wǎng)耦合運行的響應(yīng)決策；2）自開發(fā)模式下的虛擬電廠需要梳理自投資靈活資源或長協(xié)服務(wù)的資源設(shè)備的地理位置與電網(wǎng)調(diào)控需求的映射關(guān)系，研究基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的靈活網(wǎng)絡(luò)拓撲自組織技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的虛擬隔離和時延控制，繼而在虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建過程中，將信息網(wǎng)絡(luò)管控納入資源組合的決策中，以提高資源配置能力。

2.2.4 基于行為邏輯解析的激勵機制與互動技術(shù)虛擬電廠不擁有分布式資源的實際所有權(quán)，其只能通過多樣化的商業(yè)模式對資源進行激勵，從而實現(xiàn)動態(tài)構(gòu)建。因此，需要從經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)的角度對用戶響應(yīng)決策的影響進行分析。分布式資源的消費形式和分布式資源用戶的消費行為成為商業(yè)模式設(shè)計的關(guān)鍵因素。目前，虛擬電廠主要采用的互動模式是動態(tài)激勵［23］，需要辨識分布式資源的響應(yīng)意愿、偏好設(shè)置和響應(yīng)概率，指導(dǎo)虛擬電廠鎖定動態(tài)組建對象。

需要引入非侵入式的辨識技術(shù)，基于發(fā)用資源的電表數(shù)據(jù)進行曲線分解［24］，獲取表后的資源數(shù)量、消費形式及規(guī)模，并通過解讀發(fā)用能行為模式，獲取不同用戶對象的消費偏好及其他社會經(jīng)濟信息［25］。一方面，有利于指導(dǎo)虛擬電廠對資源動態(tài)特性的標簽分類；另一方面，用戶模式識別也可作為管控手段的重要參考，虛擬電廠可通過辨識的社會信息制定電力商品或設(shè)計電力套餐，提高分布式資源的響應(yīng)積極性，并引導(dǎo)分布式資源行為。一類方法是基于分位數(shù)回歸、數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型將不同資源對象進行靈活性分類，通過制定相應(yīng)的激勵策略提高用戶資源響應(yīng)虛擬電廠調(diào)控指令的積極性，但這些方法忽略了設(shè)備間的差異，無法實現(xiàn)精細化的設(shè)備調(diào)控，從而造成響應(yīng)偏差；另一類方法是引入數(shù)學(xué)解析模型，通過經(jīng)濟學(xué)中的彈性等指標刻畫資源對象在不同激勵價格下的響應(yīng)意愿與敏感度，允許動態(tài)設(shè)定激勵價格去提高虛擬電廠單一時刻聚合容量，但該類方法強依賴于所設(shè)定的參數(shù)。當參數(shù)變化時，響應(yīng)意愿和敏感度也會發(fā)生變化，即對參數(shù)相當敏感，可能會因參數(shù)估計誤差造成調(diào)控無法達成預(yù)期效果［26］。隨著人工智能技術(shù)在消費行為中邏輯解讀的探索應(yīng)用，可以通過強化學(xué)習(xí)辨識資源對象影響下的行為模式切換路徑，解構(gòu)影響行為模式切換的關(guān)鍵因素，從而辨識資源用戶不同場景下的決策偏好［22］。例如，可以通過深度學(xué)習(xí)預(yù)測電力市場的供需情況及價格趨勢，基于強化學(xué)習(xí)實現(xiàn)虛擬電廠與分布式資源的互動博弈，以虛擬電廠運營成本最小化為目標激勵用戶資源的動態(tài)聚合意愿［27］。

3 虛擬電廠服務(wù)的可信量化

虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的目標是，在考慮信息-物理耦合可行域的基礎(chǔ)上，辨識市場運營和商業(yè)模式對分布式資源用戶的參與決策影響，從而實現(xiàn)符合不同系統(tǒng)調(diào)控需求的資源組合。然而，如何定量刻畫虛擬電廠的外特性仍需從物理-信息-社會耦合視角進行分析、評估與量化，生成描述虛擬電廠響應(yīng)能力的物理參數(shù)值，從而形成虛擬電廠響應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)控和市場交易結(jié)果的性能邊界。

3.1 可信量化的理論分析

3.1.1 物理視角：自然分區(qū)與動態(tài)特性

一方面，在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)監(jiān)測終端不足的情況下，需要研究配電網(wǎng)潮流的辨識與監(jiān)測技術(shù)，強化分布式資源集群的物理邊界和潮流貢獻，保證量化對象的有效性［28-29］。另一方面，不同資源對象的行為模式相互影響，如儲能的充放行為與分布式發(fā)電的出力大小和時序相互制約、分布式風(fēng)光間出力時序的互補性等，從而形成資源運行特性的相關(guān)性；然后，在虛擬電廠的資源優(yōu)化組合中，需要考慮不同資源組合的互補性與相關(guān)性，以便為虛擬電廠考慮資源互補協(xié)同的響應(yīng)邊界量化提供參考。

3.1.2 信息視角：環(huán)境感知與動態(tài)路徑

需要充分考慮信息“感、傳、算、用”等實際環(huán)節(jié)對于虛擬電廠決策、運行的影響。在感知、傳輸層，需要研究通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境辨識技術(shù)，實時優(yōu)化傳輸間隔、多址接入、帶寬分配等環(huán)節(jié)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性；在應(yīng)用層，有限的通信基礎(chǔ)設(shè)施決定了虛擬電廠與交易、調(diào)度等多平臺的數(shù)據(jù)流通存在局限性，需要考慮不同業(yè)務(wù)場景下數(shù)據(jù)的差異化價值，動態(tài)開拓低時延傳輸路徑，確保集群聯(lián)盟的穩(wěn)定響應(yīng)特性。此外，虛擬電廠逐步在調(diào)頻、備用、爬坡等多市場交易品種中獲得主體地位，這些快速響應(yīng)的業(yè)務(wù)需求驅(qū)動虛擬電廠運營商主動降低通信時延對其響應(yīng)性能的影響。

3.1.3 社會視角：多元服務(wù)與有限理性

靈活資源虛擬電廠作為市場主體參與交易，需要承擔履約責任和考核義務(wù)。響應(yīng)能力的可信量化對于虛擬電廠自身來說，有利于其檢驗核準自身在電力市場中的投標準確性和市場競爭力，從而有效規(guī)避因響應(yīng)能力不達標或有損的情況下的市場運營風(fēng)險。單個資源的合理利用是系統(tǒng)優(yōu)化運行的基礎(chǔ)。虛擬電廠作為新型市場主體，可以聚合參與不同時間尺度的能量市場，也可以參與輔助服務(wù)市場提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、需求響應(yīng)等服務(wù)。然而，分布式資源容量有限，面向多元的市場交易品種，如何科學(xué)、有效、經(jīng)濟地分配可調(diào)容量是虛擬電廠資源組合優(yōu)化和經(jīng)濟性提升的重要難題。若通過準入機制對用戶資源參與的市場品種進行限制，則會降低用戶參與的積極性。若將容量分配責任賦予用戶，則用戶會因為缺乏市場認知而降低感知易用性。因此，靈活資源虛擬電廠可基于不同資源對象、不同市場環(huán)境下的用戶資源歷史運行數(shù)據(jù)，引入機理數(shù)據(jù)融合方法，解構(gòu)不同資源對象的運行容量與市場收益的映射關(guān)系和決策過程，從而智能辨識資源在多元市場交易品種下的容量決策和分配策略［30］。

3.2 可信量化的關(guān)鍵技術(shù)

圍繞動態(tài)組建的虛擬電廠聚合分布式資源服務(wù)能力量化分析這一關(guān)鍵難點，本節(jié)給出了4 項核心技術(shù)，具體如圖5 所示。

圖5 虛擬電廠可信量化的關(guān)鍵技術(shù)Fig.5 Key technologies in trustworthy quantification of virtual power plant

3.2.1 聚合多維不確定性的表征技術(shù)

針對分布式發(fā)電，通過引入魯棒理論刻畫發(fā)用能行為的可信區(qū)間［31］；針對分布式用能，基于行為模式提取表征其狀態(tài)切換路徑與概率。但是，由于虛擬電廠響應(yīng)邊界取決于海量資源個體本征屬性、信息可靠性與決策隨機性等多重不確定性因素的限制，相較于硬邊界劃分，通過概率分位數(shù)回歸的方法描述其不同置信區(qū)間的可行域大小是更為合理的方法，而如何確定調(diào)控邊界的置信區(qū)間，以提高可行域刻畫的準確性和系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性也有待進一步衡量，需要研究不同影響因素對資源時空特性的量化影響。同時，考慮資源間不確定性互補協(xié)同對虛擬電廠的性能修正，從而形成多維不確定性在同一空間的映射投影，以達到虛擬電廠全要素可行域的等值量化。

3.2.2 基于硬件在環(huán)的特性辨識與性能量化

考慮硬件在環(huán)的因素，充分考慮量測、通信等環(huán)節(jié)在虛擬電廠中所扮演的角色，實現(xiàn)虛擬電廠物理-信息協(xié)同優(yōu)化。該技術(shù)需評估時效性、可靠性、連接度等通信指標對于虛擬電廠業(yè)務(wù)的運行價值，并實現(xiàn)基于此價值的通信優(yōu)化，形成通信系統(tǒng)為虛擬電廠服務(wù)的基本框架。例如，通過設(shè)備多址接入優(yōu)化，權(quán)衡不同設(shè)備接入對可靠性造成的經(jīng)濟性影響，形成最優(yōu)接入方案。對于時延要求高的業(yè)務(wù)場景，如調(diào)頻、慣性支撐、緊急控制等，實現(xiàn)不同可靠程度和不同時延下虛擬電廠可信調(diào)節(jié)容量評估，基于評估結(jié)果對通信系統(tǒng)有利于新型通信技術(shù)（如5G 切片）等進行性能改進，在保證虛擬電廠自身收益的同時提升虛擬電廠調(diào)節(jié)的可信度。

3.2.3 基于用戶在環(huán)的模式提取與邏輯解析

考慮人在環(huán)路的因素，實現(xiàn)個體行為動態(tài)特性辨識技術(shù)。該技術(shù)需實現(xiàn)面向不同類型用戶主體的行為邏輯解析，采用數(shù)據(jù)機理融合的方法理解并解釋不同類型資源對象的行為特征與有限理性的決策行為，分解出用戶的策略性行為、隨機性行為等，并能夠采用統(tǒng)一框架進行定量描述，解構(gòu)出對資源對象行為模式有顯著影響的相關(guān)要素，對資源對象的行為決策偏好進行參數(shù)化、解析化表達，形成虛擬電廠用戶主體行為特征知識圖譜，用于虛擬電廠社會側(cè)因素的分析。除此之外，為了更好地利用交易信息和運行狀態(tài)進行消費行為邏輯的挖掘，可以引入逆強化學(xué)習(xí)，逆向解析用戶的策略行為，去辨識資源用戶決策的過程和目標［32］，模擬分布式資源面向不同市場交易品種的參與決策和傾向，從而提前鎖定和區(qū)分響應(yīng)資源和協(xié)同資源，以提高虛擬電廠對外響應(yīng)能力的量化水平。

3.2.4 面向不同調(diào)控需求的等值量化技術(shù)

1）解析-幾何等值法。對每一個可調(diào)資源的可行域特征進行描述，并辨識出相關(guān)的調(diào)節(jié)特性參數(shù)，即調(diào)節(jié)曲線、最大上調(diào)能力、最大下調(diào)能力、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)持續(xù)時間、響應(yīng)時延，形成標準化、類型化的單位可行域，再通過幾何加和的方式對所有設(shè)備的可行域進行加總，形成總可行域。此種方法具有可解釋性強的特征，但需規(guī)定標準化的可行域幾何形狀以及相關(guān)參數(shù)表征，忽略了分布式設(shè)備之間的差異細節(jié)，并且當設(shè)備數(shù)量過多時，存在煩瑣、復(fù)雜的難題。

2）高拓展性的調(diào)控組織法。通過試探的方法不斷搜尋系統(tǒng)的運行邊界點，如某個運行點可行則加入可行域，不可行則縮小搜索范圍，直到找到足夠多的臨界邊界點，形成最終運行邊界。此種方法直接明了，但缺乏可解釋性，且計算速度不可控，同時也存在疏漏邊界的可能。

3）機理-數(shù)據(jù)融合等值計算。通過數(shù)據(jù)機理融合，可引入分時段的馬爾可夫特性刻畫技術(shù)，辨識用戶資源的行為子模式，在數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎(chǔ)上考慮用戶設(shè)備運行的物理約束，以增加數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的可解釋性。例如，對于工業(yè)負荷識別，可著重考慮其設(shè)備的物理運行的工序流程。一方面，有利于用戶用能信息的分解存儲和高效降維；另一方面，可以通過用戶資源不同行為模式切換路徑的概率表征，指導(dǎo)資源按照動態(tài)特性進行集群分類和響應(yīng)能力估算。

4 虛擬電廠信息-物理-社會的耦合關(guān)系

4.1 多視角耦合分析

物理-信息-社會并非3 個割裂的獨立視角，而是相互依賴、相互影響的。下文將從虛擬電廠中資源的個體行為和集群行為角度詳述物理-信息-社會多視角耦合所產(chǎn)生的研究問題，如圖6 所示。

圖6 虛擬電廠物理-信息-社會耦合關(guān)系Fig.6 Coupling relationship of physics-cyber-society of virtual power plant

在個體行為方面，物理特性的解析需要資源運行數(shù)據(jù)的支持，終端信息采集、處理和傳送能力的可靠程度影響到個體資源響應(yīng)的可信度。因此，物理性能上響應(yīng)能力的量化分析需要將資源終端的通信感知與決策能力納入考量。同樣，用戶資源的信息獲取為確定資源狀態(tài)和偏好設(shè)置提供了認知邊界，越來越多的用戶將依靠智能管控終端實現(xiàn)局域能量管理，利用邊緣智能代行決策，故用戶的決策和其信息設(shè)備強耦合，影響了資源的響應(yīng)能力。同時，即使不依賴于信息終端，用戶所獲取的各種信息（如天氣預(yù)報信息、電價推銷信息等）也將影響用戶決策的理性邊界，從而改變用戶的策略行為和隨機行為，這也反向影響到資源個體的行為模式。因此，資源個體行為的精細刻畫需要在物理-信息-社會多視角下的局部耦合優(yōu)化。

在集群性能方面，聚合的總物理特性作為個體設(shè)備物理特性的加總，需要整合終端設(shè)備所提供的物理信息，若終端設(shè)備提供信息不同步或丟失，會造成最終總物理特性的偏移；虛擬電廠為了更好地協(xié)同個體資源，需要辨識用戶偏好和決策，可能會與用戶進行多步談判與協(xié)商。因此，需要處理高頻并發(fā)的用戶訴求和交流信息，而信息傳送的及時性、可靠性會對交易結(jié)果和運行方案等產(chǎn)生影響；系統(tǒng)控制與市場運行的邊界愈加模糊，協(xié)商的價格成為迭代的控制信號，頻繁地在虛擬電廠和資源之間傳遞。在不合理的用戶策略或在不可靠、不及時的信息傳輸下，可以預(yù)見，市場價格、供需關(guān)系會像控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性一樣，出現(xiàn)頻繁波動甚至不穩(wěn)定、不收斂的情況，造成量-價關(guān)系的大規(guī)模變化，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成壓力。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)的支撐關(guān)系

本文圍繞動態(tài)構(gòu)建與可信量化問題，分別總結(jié)提煉了4 項關(guān)鍵技術(shù)，各項關(guān)鍵技術(shù)之間通過能量流、信息流與價值流形成關(guān)聯(lián)關(guān)系，彼此支撐、相互影響，如圖7 所示。

圖7 虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)支撐關(guān)系Fig.7 Supporting relationship of key technologies for virtual power plant

首先，虛擬電廠的通用規(guī)范化描述明確了虛擬電廠的外特性形態(tài)，為虛擬電廠的等值量化技術(shù)提供了量化指標，反之則為虛擬電廠外特性的刻畫提供了量化結(jié)果；其次，不同資源對象標簽化的有效程度依賴于資源動態(tài)特性的準確性表征，而基于配電網(wǎng)潮流辨識的資源分層分區(qū)與不確定性的刻畫技術(shù)為其標簽化提供了分類依據(jù)；再次，物理-信息的耦合運行考慮了虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建過程中的資源組合間信息傳輸?shù)挠行?，而信息傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性對虛擬電廠不同時序下的響應(yīng)容量具有重要影響，需要硬件在環(huán)的性能評估來進行量化；最后，考慮人為因素的商業(yè)模式設(shè)計是激勵用戶資源響應(yīng)虛擬電廠調(diào)控的重要環(huán)節(jié)，而如何面向不同類型的發(fā)用能主體開發(fā)有效的商業(yè)互動模型，需要基于用戶行為邏輯解析，為虛擬電廠運營商提供用戶的決策偏好與影響因素。同時，在不同市場環(huán)境下基于用戶在環(huán)的行為模式提取與行為軌跡辨識，則成為虛擬電廠響應(yīng)能力量化分析的重要信息。

綜上所述，虛擬電廠的動態(tài)構(gòu)建與可信量化分別基于能量流、信息流與價值流形成關(guān)聯(lián)互動，關(guān)鍵技術(shù)間彼此牽制、形成約束，形成虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建與可信量化理論中的關(guān)鍵技術(shù)體系。

5 結(jié)語

本文從分布式資源與電力系統(tǒng)的互動機理出發(fā)，討論了虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建與可信量化的理論框架與關(guān)鍵技術(shù)，梳理了分布式資源物理特性與虛擬電廠外特性的對應(yīng)關(guān)系，提出了虛擬電廠的通用規(guī)范化描述方法。立足于物理-信息-社會耦合視角，分別分析了系統(tǒng)運行狀態(tài)、信息承載支撐、交易互動關(guān)系對虛擬電廠動態(tài)構(gòu)建的影響，并提出虛擬電廠資源優(yōu)化組合的關(guān)鍵支撐技術(shù)。此外，分析了自然分區(qū)與行為隨機、環(huán)境感知與動態(tài)路徑、多元服務(wù)與有限理性對虛擬電廠可信量化的影響，并討論了突破多重不確定性在虛擬電廠服務(wù)量化的核心技術(shù)內(nèi)容。結(jié)合上述分析，給出了虛擬電廠資源-集群不同層次的多視角耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系和關(guān)鍵技術(shù)間的支撐邏輯。

此外，結(jié)合新型電力系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜化、通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化以及市場環(huán)境多元化的發(fā)展趨勢，虛擬電廠仍面臨諸多挑戰(zhàn)，還應(yīng)深入考慮高度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的知識生成、多元業(yè)務(wù)場景下的信息網(wǎng)絡(luò)管控，以及復(fù)雜調(diào)控方式下的協(xié)同運行策略和開放共享市場下的形態(tài)演進等方面的影響，從而完善虛擬電廠服務(wù)新型電力系統(tǒng)的可持續(xù)能力。