虚拟电厂在上海的实践探索与前景分析
来源：微信公众号“中国电力”
赵建立1, 向佳霓1, 汤卓凡1, 漆磊2, 艾芊2, 王帝2, 殷爽睿2
(相关资料图)
1. 国网上海市电力公司，上海 200122;
2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030
引用本文
赵建立, 向佳霓, 汤卓凡, 等. 虚拟电厂在上海的实践探索与前景分析[J]. 中国电力, 2023, 56(2): 1-13.
ZHAO Jianli, XIANG Jiani, TANG Zhuofan, et al. Practice exploration and prospect analysis of virtual power plant in shanghai[J]. Electric Power, 2023, 56(2): 1-13.
引言
随着环境污染及能源紧缺情况日益加剧，传统化石能源逐渐退出电力系统的运行，海量分布式可再生新能源接入电网弥补能源缺额。但是由于分布式能源空间位置分散、单体容量小、出力波动等特点，电力调度中心难以用传统集中式调度方式调控规模化灵活分布式资源。针对目前不断涌现的海量分布式资源管控困难的问题，虚拟电厂技术作为一种有效的管理手段，利用先进的控制技术、通信技术，对分布式电源、储能、需求侧资源等分布式能源进行聚合和协调优化，消纳分布式资源出力的波动性，降低分布式能源的接入与调控成本。
从市场环境和运行功能2个层面来看，虚拟电厂可以分为商业型虚拟电厂与技术型虚拟电厂。围绕商业型虚拟电厂，考虑到多重不确定性因素对虚拟电厂交易调度策略的影响，部分研究采用信息间隙决策理论[1-2]、模糊规划[3]、随机优化[4-5]、鲁棒优化[6-7]以及机会约束规划[8]等手段处理不确定性，保证虚拟电厂交易调度优化过程中的可靠性。随着储能技术的发展，“共享储能”商业模式得到推广。文献[9-13]研究了虚拟电厂与储能联合运行时配置策略与控制方法，利用储能的灵活性平衡风光波动性资源出力，参与电力系统辅助服务，提升整体鲁棒性的同时兼顾一定的经济效益。为了描述虚拟电厂与电网[14]、虚拟电厂内部成员[15]以及虚拟电厂之间[16]的利益关联与冲突，部分研究采用博弈理论进行分析，从合作博弈或非合作博弈的角度，梳理设计了各主体的优化调度方案及利益分配模式。围绕技术性虚拟电厂，文献[17-19]考虑到仅仅采用经济性最优调度模型无法满足配电网安全性需求，权衡经济性与安全性提出优化调度策略。文献[20-22]以去中心化的区块链交易为背景，分析了基于P2P交易模式下的电能与其他经济性商品的差异性，并将网络安全约束加入交易管理方案中，消除潮流越限、网络阻塞等情况的出现。
在理论研究基础之上，虚拟电厂工程项目也相继开展。其中，欧美国家的虚拟电厂起步较早。21世纪伊始欧盟国家就开启了首个虚拟电厂项目VFCPP。而后随着相关技术的不断发展，更多的虚拟电厂项目也逐步启动。其中，由于能源结构与相关政策的差异，欧洲与美国的虚拟电厂项目不尽相同。欧洲国家在新能源领域的发展水平较高，并大力限制煤炭资源的出力，因此欧洲虚拟电厂聚焦于供电侧，通过聚合可再生新能源参与电力市场交易与电力系统运行。而美国则先选择需求侧作为虚拟电厂构建的出发点，将负荷侧列入可调资源，通过实行需求响应缓解电力供应的高峰压力。
上海市作为全国最先进行虚拟电厂项目建设的城市之一，如何结合上海的特点，综合考虑到负荷增长、新能源发展等情况，兼顾2种虚拟电厂建设模式是发展的重点。从能源结构特点来看，截至2021年年底上海风电、光伏装机容量占比约为40%，欧洲则预计2030年前新能源装机容量占比达到45%。从数据中不难看出，上海的发电结构与欧洲相近似。然而，上海市虚拟电厂没有简单复制欧洲模式，而是考虑到上海作为中国超大型城市之一，在工商业用电比例极高的情况下，如何向内挖掘与整合需求侧资源。从市场机制的特点来看，体制的特点使美国长期以来允许各个市场主体参与输配电交易的竞争中，打破公共事业单位的垄断，因此具有成熟的市场交易经验，允许各主体在市场中进行自由交易。而中国电力市场尚位于起步阶段，因此在上海市虚拟电厂建设初期，仍然是以邀约制为主。但随着相关政策的出台，电力市场建设初具规模，上海市虚拟电厂同样正走向自主交易型阶段。
现阶段上海市已在项目试点范围取得初步成功，有必要开展阶段性总结工作，一方面有助于优化完善自身项目建设，为后续虚拟电厂规模化与常态化运行提供坚实基础；另一方面也可为其他省市地区开展虚拟电厂项目提供参考与建设经验。
1.
虚拟电厂建设必要性分析
在能源转型的过程中，电能供用链体系中社会多方群体的利益关系相互交织，新能源发电厂商、用户、电网彼此之间的诉求各异。新能源发电厂商作为未来电能供应的主体之一，在现阶段个体体量较小，无法直接参与电力市场交易，也无法直接获取交易信息，为避免弃风弃光现象对其造成经济性损失，发电厂商应拥有获取电力供求信息的渠道。电力用户在经历电力系统能源转型的过程中，主要诉求是保障原有高质量的电能供应，并尽可能降低用能成本。但是在现阶段电网灵活性资源匮乏的情况下，电网公司需付出大量成本投建灵活性资源与改造原配网网架结构，造成电能生产成本上升，与降低用户用能成本的诉求背道而驰。
综上所述，社会发展与新型电力系统构建对电网提出新的要求：能够低成本消纳新能源，降低用户用能成本，激发新能源发电厂商积极性；发掘灵活性资源，保障电力系统安全稳定运行，改善电力系统局部供需平衡；进一步地，新能源逐步承担电力供应体系主体的责任，与传统发电厂一样为提供系统实时供需平衡资源，保持发电充裕性。
虚拟电厂的建设应用能够契合上述要求。首先针对新能源的大规模投建，虚拟电厂能够充分发掘灵活性资源，一方面是保障电力系统的安全稳定运行；另一方面也减缓电力系统投建和改造现有配电网架结构的经济压力。其次，虚拟电厂的建设能够以需求响应形式将电力用户纳入能源供给体系，在充分挖掘和利用需求侧资源的同时，为用户提供部分收益，降低用户的用能成本。最后，随着物联网、通信等技术的进步，虚拟电厂聚合分布式资源的能力提升，能够充分调动分布式能源的资源禀赋、时空特性，弥补风光等不确定性能源的出力波动性，等效成一种稳定出力的传统发电厂参与电力系统运行。
上海市作为典型的人口聚集、负荷密集区域，具有外来电比例高、本地资源禀赋不足的特点。从发电侧的角度出发，新能源发电资源在电力系统中的占比逐年提升，未来新能源占发电资源主体的比重将超过50%，预计“十四五”新增风电、太阳能发电装机1.19 GW、2.70 GW。同时，传统电力供应体系中以煤电为主的化石能源将逐步调整成为调节性资源。从用户侧的角度出发，随着CO2排放量的增加以及环境气候的变化，夏、冬两季出现极端性天气的概率变高，造成电力系统出现明显的双峰特征，且尖峰负荷的持续时间短暂。同时，随着第三产业与居民用电的发展，负荷峰谷差逐年拉大，最大峰谷差达48.5%（1312万kW）。物联网、信息通信等技术的广泛普及使得商业楼宇、电动汽车、分布式能源、5G基站等用户灵活资源快速发展。目前，上海市电动汽车保有量增长迅猛，截至2020年底，电动汽车保有量总规模居全国首位，占全国的9%。
在上述背景下，上海市成为全国首批建设虚拟电厂的城市之一，目前已取得一定成效，下面将介绍上海市虚拟电厂的发展技术路线，提炼上海市虚拟电厂的建设经验。
2.
上海市虚拟电厂发展技术路线
2.1 资源发掘
十四五规划中指出，加快发展方式绿色转型需要全面提高资源利用效率，强化重点用能单位节能管理，实施能量系统优化、节能技术改造等重点工程。上海市可调节负荷资源超过8760 MW，其中包括工业负荷1230 MW、商业负荷2160 MW、电动汽车负荷1000 MW等。为充分发挥资源优势，上海市电力公司将虚拟电厂项目聚焦于需求响应资源，引导电力用户的用能需求，实现电力用户由电能消费者到电能产消者的身份转变。
2.1.1 上海黄浦区商业建筑虚拟电厂示范项目
2020年上海市公共建筑能耗分析报告中指出，在上海市建筑的分项用电数据中，空调设备与照明类电器设备的用电总量占比超过70%[23]。在以空调负荷、照明负荷为主的电能消费体系下，商业建筑中的负荷具有灵活可调的性能，在电力市场中具有巨大的经济价值。
黄浦区作为上海市商业建筑的密集聚集区，拥有超过200幢大型商业建筑[24]，并且在原有建筑中配备能耗监测装置，有完备的基础条件实施需求响应项目。基于上述条件，上海市于2016年开展国家级需求管理示范项目“上海黄浦区商业建筑虚拟电厂示范项目”建设。项目的建设落地为电力系统安全运行提供保障，有效提高了可再生新能源的消纳水平，充分体现绿色节能理念。
目前黄浦区内约50%的商业建筑接入了虚拟电厂平台。项目采用资源审计注册，年度能力核定，滚动持续开发的方式开展资源能力的持续建设。同时，根据用户参与情况，对优质资源开展自动需求改造，采用自动需求响应技术实现对用户侧设备的调控。与传统的被动需求响应相比，自动需求响应能够更加及时调整设备的运行状态，保证了需求响应的灵活高效。截至目前，已经完成20%的资源自动需求响应改造。
黄浦虚拟电厂按年度常态化制定全年度虚拟发电任务，任务主要按月度周期执行，设定全资源调度，精确调度，累计执行次数等目标，并针对资源发电执行情况，对前50家优质资源进行年度性政策补贴。截至2021年底，上海市黄浦区智慧虚拟电厂平台已纳入黄浦区商业楼宇130幢，注册响应资源约60 MW商业建筑需求响应资源开发。包含了冷水机组、风冷热泵、电热锅炉、动力照明、充电桩等大量设备。黄浦区虚拟电厂实现了在不降低用户用能体验的前提下，针对用户的一楼一策个性化定制。
2.1.2 上海嘉定区泛在电力物联网智慧充放电示范试点项目
随着电动汽车保有量持续快速增长以及电网转型升级步伐加快，电动汽车作为与电网连接的消费端用户，其广泛互联、智能互动的电力物联网技术和业务形态愈加显著，将成为未来能源互联网的重要一环。上海市嘉定供电公司与国网电动汽车服务有限公司合作开展泛在电力物联网智慧充放电示范试点项目，应用V2G技术和有序充电技术，统筹协调电动汽车与电网电力电量平衡，有效提高电动汽车与电网协调运行的有序性、可靠性、经济性，促进清洁能源消纳，减少弃风弃光。预计到2030年，家庭电动乘用车将达8000万辆，通过V2G充电桩以及有序充电业务的开展，国家电网将节约投资1750亿元，为社会节约投资1430亿元，共计节约3180亿元。同时，电动汽车年消纳清洁能源将超过 2000 亿kW·h。
嘉定供电公司开展的电动汽车智慧充放电业务，融入共享充电理念，通过智慧能源系统平台调控，实现电动汽车有序充电。智慧充放电业务采用线上线下结合的模式,建立“云-管-端”的整体系统架构。其中用户端层面由能源路由器(新一代智能电能表)实现电动汽车、储能、分布式电源、微电网、蓄热电采暖等新型用能设备的即插即用、数据感知、采集和控制。能源控制器作为配变台区智能管理单元，实现台区负荷数据收集和台区内客户侧设备的智能控制。云平台负责电网与用户需求的平衡，实现全网负荷调度，为客户提供优质服务。
开展智慧充放电项目解决了居民区充电困难的问题。通过制定居民区充电网络规划，研制通用的标准化设备，统一协调解决建设难题，基于有序充电、邻近车位共享等业务方式，减少建桩数量，解决建桩难题，降低充电成本，避免出现无序建设、零星接入和重复施工等现象。智慧有序充电建设通过对用户充电行为、用能行为的灵活引导与主动调控，降低配变峰值负荷超过30%，将80%充电量优化调整到了配变负荷低谷时段，使配变接纳充电桩能力提高4倍，显著提升配电网资源利用率，实现削峰填谷。
2.2 市场交易
2.2.1 政策规则介绍
2018年9月，华东能源监督局发布了关于印发《华东电力调峰辅助服务市场试点方案》和《华东电力调峰辅助服务市场运营规则（试行）》的通知，华东电力调峰辅助服务市场于2018年9月底开展模拟运行，2019年1月1日起正式运行。规则中明确规定，市场卖方主体为调峰能力不低于30万kW及以上的燃煤机组、新投产电价市场化的抽水蓄能机组等，并适时考虑逐步扩大至其他具备规定调峰能力的发电资源。2020年4月，华东能源监督局发布了《上海电力调峰辅助服务运营规则（试行）》，明确规定上海市电力调峰辅助服务市场中包含虚拟电厂调峰交易，从此虚拟电厂可正式作为独立市场主体参与调峰市场提供辅助服务。
上海电力调峰辅助服务运营规则中指出，市场类型按照时间类型分为日前市场、日内市场以及实时市场。日前市场对应提前24 h发起的调峰需求，日内市场对应提前三四小时发起的调峰需求，实时市场对应未来15 min发起的调峰需求。
在日前市场中，虚拟电厂通过对内部成员的负荷预测、新能源发电预测，确定次日的基准出力曲线或用电曲线，调度中心发布未来24 h内间隔15 min共96个调峰需求点。此时，虚拟电厂在基准曲线的基础上，申报每个时间点的交易电量与电价。调度中心以统一边际电价进行市场交易出清，并发布出清结果。虚拟电厂在接收出清结果后与调度中心签订合约，并在次日按照出清结果发用电。由于负荷以及新能源出力的不确定性，实际负荷与预测值之间、虚拟电厂实时运行出力与日前出清结果之间往往存在偏差，因此需要引入日前市场与实时市场。在日内市场与实时市场中，调度中心发布未来三四小时或15 min之后的调度需求，虚拟电厂在日前交易结果的基础上进行申报，在实时市场中还应提供响应时间，同样由调度中心统一按照边际电价进行出清，虚拟电厂接收出清结果并执行交易计划。最终，虚拟电厂的收益按月度由实际执行的电量进行结算补偿。具体交易流程如图1所示。
图1 交易流程示意
Fig.1 Schematic diagram of transaction process
在上海电力调峰辅助服务市场中，为保障参与交易的虚拟电厂能够提供可靠的调峰能力，设置参与市场的虚拟电厂调峰容量不低于1 MW·h，并且要求虚拟电厂内用电信息采集时间周期小于15 min，响应时间不超过15 min，要求响应持续时间不小于30 min。
在结算时，由于市场处于建设初期，为维护市场主体积极性，鼓励更多主体参与市场调峰，交易规则中并未规定考核标准细则，即结算时按照实际出力进行结算，而不考虑实际出力与计划出力的偏差。
2.2.2 上海市虚拟电厂市场化交易机制设计
虚拟电厂市场化交易立足于利用虚拟电厂可控制、可调节的资源特性，通过市场手段构建虚拟电厂生态模式，优化电网运行特性。根据应用场景和时间维度的不同，设计了4个交易品种。从时间维度出发分为中长期交易与短期交易。详细交易类型与相关信息如表1所示。
表1 交易类型
Table 1 Transaction types
中长期交易定位于获取虚拟电厂较为稳定的调节能力，为电网提供可被随时、快速调用的调节资源，分为中长期备用交易与中长期调峰交易。中长期备用交易按照月度单边竞价，提供次月高峰时段，可在10 min内被调用的备用容量；中长期调峰交易同样按照月度单边竞价，提供次月可供调用的调峰容量。
短期交易定位于进一步挖掘虚拟电厂调节能力，解决电厂侧的短期交易，为电厂侧减少一部分费用支出，分为新能源发电曲线调节交易与替代调峰交易。新能源发电曲线调节交易在D–2日与风电、光伏企业交易，帮助其调整发电曲线偏差；替代调峰交易在D–2日与火电企业交易，帮助其在用电低谷时段进行调峰。
针对不同的交易品种，上海市电力公司从准入机制、交易出清等方面进行了详细的机制设计。
（1）准入机制。为确保虚拟电厂主体能够顺利参与市场化交易，要求虚拟电厂主体满足市场信息的交互要求、市场计量的周期与精度要求。同时，为适应调峰市场规则，要求虚拟电厂最小调节功率不小于1 MW。在市场建立初期，响应时间、爬坡速率等技术指标的要求与试点单位的现有能力相匹配。
（2）交易申报。针对中长期交易，虚拟电厂可以分时段申报调节容量与价格；针对短期交易，需要确定虚拟电厂替代调峰曲线（间隔15 min）或者偏差调节曲线（间隔5 min）及价格分成比例。
（3）交易出清。在交易出清阶段，采用响应速度、调节速率、可持续时间、交易执行度等性能指标对申报价格进行修正，促使虚拟电厂主动提高自身技术指标。
（4）交易执行。调度中心完成次日虚拟电厂的预调用计划后，虚拟电厂根据计划确定次日各类聚合资源的调用容量，形成调用方案。次日，调度中心对虚拟电厂进行实时调用。
（5）偏差量执行。偏差量由营销部门通过对比虚拟电厂基线与交易执行量进行认定，当虚拟电厂调节容量、响应时间未达到调用需求时，将对虚拟电厂进行考核。结算时，由电力交易中心计算虚拟电厂补偿费用、偏差考核费用等信息，并出具结算凭证。
2.3 运营调度
如图2所示，完整的虚拟电厂的运营架构能够划分为3个层次：资源层、聚合层、平台层。资源层主要由不同类型用户响应终端的可调节资源组成，包括分布式电源、小火电、新能源、常规用户负荷、储能设施、电动汽车、充电桩等。聚合层主要通过不同类型、不同区域的虚拟电厂侧系统将单体容量小、资源数量多、种类丰富的可调节资源进行汇聚和优化控制。平台层包括调度平台、电力交易平台、虚拟电厂管理平台。通过各平台的协调配合实现虚拟电厂的注册、交易、运行、结算全流程管理。
图2 虚拟电厂运营架构
Fig.2 Virtual power plant operation architecture
2.3.1 虚拟电厂运行管理与监控平台
上海市构建城市级分布式可调节资源集控平台，并按照“四三二一”运行体系实现对虚拟电厂的协同调度。“四”是指以用能设备、电力用户、负荷集成商、市级平台为基础构建的虚拟发电单元、虚拟机组、虚拟电厂、虚拟电厂运控中心4级模型。“三”指按照容量最大、体验最佳、均衡控制等运行模式实现上述四级模型之间的3层聚合，通过即插即用设计实现用户规模的弹性汇聚。“二”指综合用能优化以及用户与电网之间能量交换的优化。“一”指建设市级虚拟电厂运行管理与监控平台，实现上海市全部虚拟电厂资源的统一管理与调度。目前，上海市虚拟电厂运行管理与监控平台接入12家虚拟电厂，所涵盖资源类型包括工商业楼宇、三联供、电动汽车、铁塔基站等。虚拟发电机组共10078户，削峰能力107310 kW，填谷能力79300 kW。
虚拟电厂运行管理平台包含的顶层概念数据实体有：虚拟电厂注册管理、虚拟电厂发电资源注册、精准负荷预测、发电任务调度执行、调节能力实时上报、运行效果辅助决策与调节效果考核。接入的各个虚拟电厂将各个发电资源的当前运行状态与参数上报至运行管理平台，再依据实时发电资源的设备状态、发电状态、储能状态、负荷状态、电厂对电网送受电情况以及各终端可调能力，作为实时的发电任务调度依据。在每次调控任务完成后，运管平台提供结算、技术参数、偏差率考核等功能。使用大数据技术，对各个虚拟电厂、不同类型的发电资源进行发电效果评估，评估维度包括斜坡能力、恢复能力、经济效益、社会效益等，以促进虚拟电厂对调度控制过程的优化。
2.3.2 调度控制平台
调度控制平台负责根据电网运行情况提出市场需求，远期具备向虚拟电厂下达控制指令的能力。针对调度控制技术，上海市电力公司进行了探索性的规范设计，对调度技术提出了具体要求，包括调控系统需及时掌握可调资源用户调节容量，支持的调控方式以及用户响应方式等。
调度系统需具备掌握可调资源用户的可调节容量的能力：若因故障、检修等异常导致的可调容量发生变化，调度系统应立即申报。并且建立可调节容量核查机制，定期或不定期核实实际可调节容量；调度系统所支持的调控方式可以分为3类：连续协调、离散协调以及开关协调；调度系统支持的用户相应方式分为人工响应以及自动响应。
2021年“五一”长假末尾，上海市电力公司开展了国内首次以“双碳”为主题的电力需求响应行动。运用虚拟电厂技术，精准调控工业生产、商业楼宇、微电网、分布式能源、冷热电三联供、储能设施、冰蓄冷、公共充电站、小区居民充电桩等不同负荷资源，不仅是国内同类需求响应行动中可调节资源种类最全、充电桩负荷规模最大、基站储能参与度最高的一次，同时还首次融入了“智慧减碳”概念。
2022年春节期间，上海市电力公司基于“无感调控”模式开展了2022年首次填谷需求响应。此次响应针对电动汽车有序充电、能源站自动调控、建筑用能控制系统（cyber physical systems，CPS）等3个主题场景，在不影响用户正常生产、生活秩序的前提下，用户侧智能终端自动接受需求响应调控指令，按照预置策略本地分解执行，事后按照预定计划自动恢复，全程无人工现场干预。与传统调用模式相比，“无感调控”户均影响更小、用户积极性更强、调控精度更高、响应时效更快、电网调控更可靠，助力需求响应常态化开展。
2.4 信息通信
面对虚拟电厂空间分布广、信息交互频繁、电网调峰调频需求愈发迫切的环境，现有通信系统面临着来自4个方面的问题：（1）统计复用造成的时延不可控；（2）通信网络分布式管理引发的网络资源利用率低；（3）控制层和设备层断面连接多、协议杂、刷新频率各异，网络兼容性差；（4）控制向末梢延伸引发的暴露面扩大，传统的“围堵式”安全防护体系无法满足安全防护要求。
为应对来自虚拟电厂发展带来的挑战，上海市电力公司开展了面向虚拟电厂的新型通信系统建设，促进现有通信系统向统一灵活的接入网络架构、集中式控制调度、端到端安全防控体系以及弹性通道、时延可控的虚拟电厂新型通信系统的演进和发展，为虚拟电厂助力新型电力系统建设提供了坚实的通信基础。
2.4.1 面向虚拟电厂的新型通信系统建设
为适应海量分布式可调资源接入对通信网络造成的影响，新型通信系统需同虚拟电厂一样具有聚合能力，以此提供虚拟电厂业务差异化、安全可靠承载和按需资源调度的需求。新型通信系统按照“软、硬件解耦”“承载、控制、业务分离”的原则自底向上分为承载层、控制层、资源层。
在承载层，传统IP网面临服务质量（quality of service，QoS）无法严格保障、基于媒体接入控制（media access control，MAC）共享的“软隔离”安全级别不高、带宽分配不灵活等问题。为满足虚拟电厂调控业务在时延、隔离度上的承载需求，承载层开展确定性时延网络建设。通过确定性网络有界低时延、低抖动、低丢包、高精度、泛在连接等特性，为高可靠、低时延的虚拟电厂调度业务提供可靠确定性的网络条件。上海市电力公司采用切片分组网（slicing packet network，SPN）开展确定性时延网络建设。SPN属于IP化的确定性光传输网络技术，是利用切片以太网技术并融合密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）的新一代传送网络系统。SPN网络底层采用通道灵活以太网技术（flex Ethernet，FlexE）技术，通过固定时隙调度机制，保证通道承载业务的时延、抖动及安全隔离要求；同时通过通道化、端口绑定、子速率等多种带宽分配机制，保障业务带宽分配的灵活性。向上使用源路由技术，并通过软件定义网络（SDN）控制器与源节点通讯，实现了网络上所有SPN节点间的路径自动计算与生成，并自动生成保护路径，使网络具有抗多点故障下的业务恢复能力，确保了虚拟电厂控制类业务的安全可靠。网络具备毫秒级时延、百微秒级抖动的确定性指标能力。
在控制层，针对传统网络分布式路由算法固有的缺乏全局拓扑信息、易陷于局部最优解、全网资源利用率不均衡等问题，上海市电力公司通过引入基于SDN思想的集中控制器，构建了具有全局视图、实时监测能力的“上帝视角”，将传统的网络设备解耦为通用转发设备和控制器，通过集中控制器实时获取全网的拓扑信息，与上层资源调度平面协同处理，将用户的需求转变为网络控制策略，将传统网络“面向无连接”方式转变为“面向连接”方式，在实现差异化业务按需承载的同时，提升了全网资源利用率和“比特”价值。平均带宽利用率提升20%以上，降低数据网网络核心节点设备负载率30%以上。
在资源层，面对协议复杂多样、不同厂家网管难以兼容、跨域跨网业务QoS保障等问题，对统一资源调度的能力、可靠性提出了更高的要求。上海市电力公司开展通信资源智能调度系统部署，如图3所示。该系统向下屏蔽不同厂家控制器的差异，向上将用户需求翻译成控制器可以理解的策略并下发执行，同时引入基于人工智能的流量预测算法，提升资源调度的准确性，使业务保障方式变得按需灵活。配置指令数量从原有的成百上千条精简到现有的20条以下，新业务的上线时间从原来的小时级、天数级缩短到现在的分钟级，真正实现电力通信网“一键指配”，按需保障业务端到端服务质量。
图3 基于人工智能流量预测的通信资源调度系统
Fig.3 Communication resource scheduling system based on AI traffic prediction
2.4.2 “端云边”新型通信系统安全架构
为应对虚拟电厂终端本体安全、接入可信安全、业务行为安全、数据安全等自下而上的安全挑战，上海市电力公司通过终端威胁感知、可信安全交互、业务安全检测、统一数据安全管控等方面构建虚拟电厂安全防御体系，提出“端管云”安全整体解决方案，为虚拟电厂保驾护航。
在端侧，针对光纤传输窃听篡改安全风险，利用光纤内生安全理论，基于物理层安全内源式防御信道模型，研制电力内生安全光通信终端，完成虚拟电厂平台生产控制区到承载网站点两侧部署。安全光通信是以抵御线路或节点窃听攻击为目的，以增强抗截获信息防护能力为手段的新体制光通信技术，不依赖于附加的外部协商过程，是完全由通信系统自身提供对信息传输内源式防护的安全光通信方式。内生安全终端通过把传统光通信信道噪声区和信号区进行了重新划分，攻击者在窃听光信号的时候只能窃听到混叠的信号，恢复出来信息的误码率趋近于50%，从信息论的角度说，窃听者获得的信息量趋近为0，从而解决通信加密、隐藏和窃听发现一体化的安全问题，实现虚拟电厂通信系统“通密一体、传防融合”，大大降低敏感数据被窃听、被篡改的风险。
在管侧，遵循《电力监控系统安全防护规定》和《电力监控系统安全防护方案》等要求，创新性提出具有高度共识的“安全I区+”的概念。“安全I区+”是在原有安全一区的防护基础上，加入负荷调控模块。能够确保在原有I、II区电网控制功能不受影响的条件下，进一步强化了可调节负荷数据的安全保护。
在“云”侧，完成网络安全态势感知平台和数据安全管控平台部署。网络安全态势感知平台基于大数据、人工智能等新技术，结合虚拟电厂多种业务场景，从攻击发生时系统对象的不同空间层次、攻击持续时间以及破坏正常业务逻辑的行为表征等多个维度进行攻击关联和推理，实现攻击路径回溯及可视化。同时，通过与安全设备联动，实现对攻击事件的智能处置。数据安全管控平台，采用服务化、组件化方式，打造敏感数据识别、分类分级、数据脱敏、数据水印、虚拟数据库、数据加密等安全服务能力，构建敏捷高效的数据安全能力资源池，为虚拟电厂业务运行过程中的个人信息、客户敏感信息、企业经营数据等提供持续先进的数据安全能力服务，保障数据各环节安全可控。
3.
上海市虚拟电厂前景展望及经验总结
3.1 前景展望
3.1.1 分布式资源扩围
虚拟电厂的发展可以按照资源聚合的水平分为2个阶段。第1阶段为需求响应型虚拟电厂，此时虚拟电厂中所聚合的资源以需求侧资源为主，通过对用户侧资源进行聚合调控实现调峰、调频等辅助性业务。随着虚拟电厂内部分布式资源的不断丰富，虚拟电厂的第2阶段将实现源网荷储中各类资源的聚合，包括大容量储能、大规模新能源、电力用户等，因此第2阶段的虚拟电厂为混合型虚拟电厂。与第1阶段相比，第2阶段的虚拟电厂在供电可靠性、电量规模方面更胜一筹，能够为电力系统提供更丰富的辅助性服务。
目前上海市虚拟电厂处于第1阶段的发展过程中，以工商业建筑、电动汽车为主体，分别在黄浦区与嘉定区构建了虚拟电厂。国内虚拟电厂项目在冀北地区同样投入运营。冀北虚拟电厂工程接入实时控制蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等 11类 19家泛在可调资源。从资源聚合的角度出发，冀北虚拟电厂处于发展的第2阶段，聚合了更为多样化的资源类型，能够充分发挥不同资源的时空互补性，提高整体供电可靠性。
为实现对分布式资源充分发掘与利用，应全面开展可调节资源现状排摸和规划布局，掌握上海目前可调节资源规模与分布情况，并做好未来可调节资源的规划布局，进一步扩大可调节资源规模，根据不同电网应用场景，实现多类型可调节资源的灵活接入、信息采集、监视及控制。
3.1.2 多样化市场建设
华东市场中对于卖方主体具有明确限制条件，虚拟电厂主体暂时无法参与省间市场交易。因此，目前上海市虚拟电厂仅能参与上海市内辅助服务市场。
纵观全国范围内的电力辅助服务市场建设，华北能源监督局在2020年11月以《华北监管局关于继续开展第三方独立主体参与华北电力调峰辅助服务市场试点工作的通知》印发了《第三方独立主体参与华北电力调峰辅助服务市场规则》，鼓励满足条件的分布式储能、电动汽车、虚拟电厂等独立主体参与调峰市场。华北电力辅助服务市场中，调峰资源充足省份中的虚拟电厂等第三方独立主体与火电机组可在工作日规定时间内报量报价参与华北市场，以调峰成本最小完成华北市场边际出清。在华北市场出清结果基础上，包括在华北市场中未中标的虚拟电厂等主体参与省网市场，以同样方式完成省网市场出清。
随着华东市场的逐步发展以及虚拟电厂资源主体规模的扩大，未来上海虚拟电厂也有望参与省间的调峰市场。关于省间市场与市内市场的协调也可以借鉴华北市场的组织流程，在市内调峰资源充足（无须在省间市场购买电量）的情况下，采取先省间再市内的出清策略。
除此之外，上海市调峰市场规则与华北电力调峰市场规则在申报电价上存在部分差异。华北调峰市场规定虚拟电厂等第三方独立主体申报价格上限为600元/(MW·h)，而上海调峰市场仅为100元/(MW·h)。同时，上海市日内调峰市场中价格设置同样存在不合理之处，日内市场调峰价格上限为400元/(MW·h)，而需求响应削峰填谷价格为800元/(MW·h)。日前与日内市场中价格设置的不合理性可能影响虚拟电厂参与市场的积极性。
国内虚拟电厂项目除了在调峰市场上有过实践探索外，江苏能源监督管理局在2020年7月发布《江苏电力辅助服务（调频）运营规则（试行）》，允许虚拟电厂作为综合能源服务商参与江苏电力调频市场。与调峰辅助服务相比，调频辅助服务对虚拟电厂的响应精度、响应速度与响应时间有更高、更严格的要求。目前，江苏调频市场对虚拟电厂的要求并不高，仅考虑了调节精度与响应速度2个方面，对响应时间不做要求，可见调频市场建设仍处于初期水平。上海市虚拟电厂所包含的资源主体以电动汽车、需求响应为主，与传统的火电机组相比，在响应时间上更具优势。随着未来上海市虚拟电厂的建设发展，可以将虚拟电厂纳入电力调频资源，逐步建立并完善电力调频辅助服务市场。
3.1.3 云边协同调度
现阶段上海市电力公司建设了市级虚拟电厂运行管理与监控平台与调度平台，实现了上海市全部虚拟电厂资源的统一管理与调度，能够很好地适应目前虚拟电厂建设初期现状。但随着未来海量分布式资源不断涌现，伴随着资源主体类型不一、位置分散、运行环境多变等方面的问题，虚拟电厂管控平台的运行将难以为继。
因此，上海市电力调度中心将部署“云边协同+物联网技术+人工智能”架构的虚拟电厂协同互动调控系统，实现分布式资源友好并网与灵活支撑。云边协同调控技术建立在物联网技术与人工智能技术的发展基础之上[25]。在分布式资源主体侧，智能终端设备基于物联网技术将采集到的特性曲线、负荷需求等信息上传至边缘服务器，并响应其调度指令。边缘服务器作为虚拟电厂云端与分布式资源终端的中间节点，利用人工智能技术处理来自分布式资源层海量信息数据，并将其转化为资源外特性参数上传至虚拟电厂云端平台。虚拟电厂云端平台利用各资源集群的参数信息结合智能算法完成内部资源的优化整合。
云边协同架构下的虚拟电厂协同互动调控系统能够保证能源配置合理化，充分发挥边侧资源灵活性。
3.2 经验总结
3.2.1 上海市虚拟电厂交易情况总结
上海市虚拟电厂交易目前正由小规模试点项目逐步向规模化、常态化发展，表2列举了上海市自2019年虚拟电厂初步建成至今开展的部分交易。以“双碳目标虚拟电厂需求响应”为例，在2021年五一假期后首个工作日，上海通过能源互联网技术，在不影响生产生活用电的情况下，一次性腾出500 kW的负荷，是国内首次“双碳”主题的虚拟电厂需求响应行动。在工业企业、商业写字楼、储能电站、电动汽车充电站等11536家电力用户共同参与下，不到2天时间内，累计调节消纳清洁能源123.6万kW·h，减少碳排放约336 t。在2022年春节期间的“无感调控”填谷需求响应中，涵盖了1068户电力用户，实现需求响应最大填谷容量4.1万kW，累计填谷电量7.1万kW·h，消纳清洁能源2.2万kW·h，并且完成了低谷时段负备用调控能力技术测试。此次“无感调控”也为后续常态化开启需求响应提供助力，为电网运行安全性和经济性提供技术储备。
表2 上海市虚拟电厂交易开展情况
Table 2 Transactions of Shanghai virtual power plants
虚拟电厂建设带来的收益可以从3个方面分析。对于参与响应的用户以及虚拟电厂运营商而言，收益最直观地体现在提供响应而获得的电网补贴与奖励方面，这也是目前激励用户参与虚拟电厂需求响应的主要手段之一。对于电网公司而言，虚拟电厂交易的规模化、常态化开展带来的效益来源于电网运营规划方面减少的成本。面对逐年拉大的负荷峰谷差以及不可控高比例新能源广泛接入，电网在灵活性调度资源上捉襟见肘，而投资建设或改造现有配网网架结构需要付出极高代价与成本，因此通过开展虚拟电厂交易进行削峰填谷，是一项性价比极高的举措。对于社会而言，虚拟电厂需求响应带来的效益来自对清洁能源的消纳，以及碳排放的减少，助力中国早日实现碳达峰、碳中和的伟大目标。
3.2.2 上海市虚拟电厂建设经验推广
（1）运营流程。
在运营流程方面，涉及电网中多个部门的协同合作，各个部门的职能作用保障了虚拟电厂业务的顺利开展。在虚拟电厂参加市场交易之前需经过虚拟电厂管理中心的审核，判断其是否满足准入条件。满足准入条件后，方可实施信息、数据和物理系统的接入，建立市场主体的账户，形成相关档案。至此虚拟电厂管理中心完成对虚拟电厂的审核通过。之后，在交易中心完成对虚拟电厂市场主体的注册后，营销部门与主体签订合约。虚拟电厂正式完成在交易中心和营销部门的注册备案，接下来参与到交易流程中。
交易流程由虚拟电厂交易、调度中心、交易中心、营销部、财务部、虚拟电厂管理平台、虚拟电厂、终端用户共同参与，协调开展。调度中心负责提出调度需求；交易中心负责发布需求并进行市场出清以及结算出清结果；虚拟电厂管理平台记录虚拟电厂响应情况；财务部门负责结算响应结果；虚拟电厂则是组织终端用户参与市场申报；终端用户执行出清结果。
整套运营流程中各部门的相互协作配合具有可复制性与借鉴性，能够在其他城市构建虚拟电厂业务时提供参考。
（2）机制设计。
虚拟电厂在建设初期时，往往起步较为困难，可能难以满足电网为了维持稳定而提出的高质量需求。为此，在上海市的调峰市场交易机制设计中，充分考虑到虚拟电厂的建设情况，未对偏差考核机制进行详细设计，在结算时也不考虑虚拟电厂的调峰性能，而仅依据实际执行量进行结算。同时，在准入机制方面，也仅要求最小调节功率不小于1 MW，而对另外两个重要指标未做具体要求（响应时间与爬坡速率）。
上述机制设计极大地提高了虚拟电厂参与市场交易积极性，极大限度地促进了虚拟电厂的快速发展。但是，上海市虚拟电厂建设初期面临实际参与用户不足的问题。因此，如何吸引用户参与虚拟电厂的热情，提高用户响应的积极性，同样是建设的重点与难点。为此，虚拟电厂重新设计利润分配机制，将参与市场交易所得利润全部分配给参与响应的用户，而虚拟电厂本身通过其他业务进行盈利。该利润分配机制在初期能够吸引到很多群体参与到项目中，并通过用户间利润共享而维持用户的忠诚度，有利于扩大虚拟电厂市场主体的规模。
此种模式为其他城市开展虚拟电厂提供了新的思路，有助于其在建设初期快速站稳脚跟并逐步扩大规模。
4.
结语
上海市作为全国超大型城市之一，具有负荷密集、新能源发展迅速、资源禀赋不足等特点，因此，为满足社会发展与新型电力系统构建的需要，上海市积极建设虚拟电厂工程项目。本文介绍了上海市虚拟电厂的建设技术路线，回顾了虚拟电厂交易开展情况，展望未来虚拟电厂发展前景，进而总结上海虚拟电厂建设经验，为其他省市虚拟电厂项目提供参考与借鉴。
（1）从运营流程交易角度，梳理了上海市虚拟电厂业务流程，介绍流程中涉及的电网各部门之间的职能作用，为其他省市开展相关业务提供参考。
（2）从机制设计角度，分析了上海市虚拟电厂初期的准入机制、利润分配机制，提炼其快速发展的机理，为其他处于发展初期的虚拟电厂建设起到借鉴意义。
作者介绍
赵建立（1983—），男，硕士，高级工程师，从事智能用电及需求响应研究，E-mail：zhao_1883@163.com;
向佳霓（1996—），女，硕士，从事虚拟电厂、智能用电、需求响应研究，E-mail：934714166@qq.com;
汤卓凡（1993—），女，硕士，工程师，从事需求侧管理、可调节资源挖掘研究，E-mail：tangvera@126.com;
漆磊（2000—），男，硕士研究生，从事区块链、虚拟电厂研究，E-mail：qilei_hitsz@163.com;
艾芊（1969—），男，博士，教授，博士生导师，从事虚拟电厂规划与运行、大数据与数字孪生研究，E-mail：aiqian@sjtu.edu.cn;
王帝（1998—），男，硕士研究生，从事区块链、虚拟电厂研究，E-mail：929779082@qq.com;
殷爽睿（1995—），女，博士研究生，从事能源互联网及虚拟电厂优化运行研究，E-mail：yinsr28@sjtu.edu.cn.
