深圳供电局迈向“世界一流”能源企业，包括打破“三高一限”供电禀性制约、解决资源节约型发展方向与高冗余规划之间的矛盾、应对电力现货交易市场机制不完善问题、弥补电改背景下实时定价策略缺失问题、解决可再生能源发展与消纳不充分问题。为达成上述愿景，团队选择虚拟电厂和需求响应作为核心技术抓手，开展了涉及新技术、新政策、新业态的综合研究。下面提纲挈领的介绍一下，深圳供电局依托中美绿色合作项目在虚拟电厂方面的实践经验。
一、背景及目标
深圳在虚拟电厂领域的实践的发端之一是一场国际合作。中美绿色合作伙伴计划始于2008年，是中美之间开展具体务实合作的一个平台。其通过促成两国有关地方政府、企业和研究机构之间自愿结对，共同努力探索绿色发展的创新模式。联合秘书处由中国国家发改委和美国国务院共同牵头。2017年，深圳供电局联合美国自然资源保护协会、清华大学等单位成功申报了当年度的中美绿色合作伙伴计划，成为国内首家入选该计划的电网企业。合作主题为：市场机制下价格驱动的绿色电力供需友好互动关键技术及示范应用项目。
图1 合作项目签约仪式（华盛顿特区 2018.6）
在合作之始，团队制定了两个愿景，其一是助力深圳市实现“碳达峰”，包括助力削减多元用户碳排放（探索工业、交通、建筑的绿色低碳技术）、助力低碳消费理念推广（培育供需互动新模式，倡导绿色低碳新生活）等“降碳”举措，以及助力能源结构优化（力争实现可再生能源发电100%消纳）、助力产业结构优化（积极拓展能源互联网服务业务）等“增绿”举措；其二是助力深圳供电局迈向“世界一流”能源企业，包括打破“三高一限”供电禀性制约、解决资源节约型发展方向与高冗余规划之间的矛盾、应对电力现货交易市场机制不完善问题、弥补电改背景下实时定价策略缺失问题、解决可再生能源发展与消纳不充分问题。为达成上述愿景，团队选择虚拟电厂和需求响应作为核心技术抓手，开展了涉及新技术、新政策、新业态的综合研究。下面提纲挈领的介绍一下，深圳供电局依托中美绿色合作项目在虚拟电厂方面的实践经验。
二、研究内容及结论
（一）虚拟电厂国际发展情况
研究团队在全球范围内对虚拟电厂的发展概况进行了调研，调研发现：
图2 国际虚拟电厂发展概况
1．总体来看，国外虚拟电厂技术处于从示范项目到商业应用的过渡期，参与研发的主力军为电网和用户之外的第三方运营商（例如负荷集成商），研究热点包括资源聚合和优化策略、电力市场竞标方案等。目前，欧洲和北美处于领跑地位，各国在技术和经济的侧重点上存在差异，例如欧洲侧重分布式电源的聚合，而北美更侧重需求侧管理。
2．国内虚拟电厂处于初期发展阶段，以研究示范为主；相关领域的推进主体为：政府做引导，电网唱主角。国内项目的总体特征为：大部分虚拟电厂示范工程实现了初步的用户用能监测；较少有项目实现了虚拟电厂的优化调度及对分布式能源的闭环控制。
3．当前虚拟电厂的核心研究领域包括系统架构设计、资源优化调控策略、电力市场参与模式等。我本人于2019年入选IEC TC8/SC8B WG4工作组，参与了世界首套虚拟电厂国际标准，IEC 63189系列标准，的编写工作，并在其中承担了虚拟电厂控制模式部分的主笔工作。简要分享一下在虚拟电厂核心研究领域一些国际共识：
在“系统架构设计”方面，虚拟电厂技术架构有集中式、半分布式（或叫做分层式）、完全分散式三种。
图3 典型虚拟电厂控制架构
在“资源优化调控策略”方面，主流策略包括3类：
以经济效益最优为目标；
以新能源最大化消纳为目标；
以系统运行最优、最小化配网网损等为目标。
在“电力市场参与模式”方面，主要做法有2类：
基于每个分布式能源的运行参数、边际运行成本、调度计划等信息设计不同的分布式能源聚合方案与竞价策略，以此为基础参与电力市场进行交易，实现虚拟电厂运营商经济效益的最大化。
基于博弈论、机器学习法、情景分析法等理论构建基于多代理的竞争电力市场模拟器，并将其应用于虚拟电厂参与日前交易决策。
（二）深圳发展虚拟电厂的动力来源
虚拟电厂的开发建设与电网企业的外部环境、内部需求、本地负荷特征等密切相关，故研究团队对这些问题开展了细致的调研与分析。
调研结果显示：
国家、电力行业、地区层面对深圳电网业务升级的要求，部分可以通过虚拟电厂来解决，例如电力供需互动、电网智能化提升等；
深圳电网“三高一限”的资源特征也需要开发虚拟电厂这类辅助型资源调度手段；
深圳本地负荷增长快、峰谷差大、空调和电动汽车等可调度弹性负荷多的特点，适合于发展需求响应技术。
综合这些因素，研究团队认为，支持深圳发展虚拟电厂有三方面的基础：
首先，深圳是电力市场改革的首批试点，盈利模式的改变促使电网企业做业务拓展。
其次，电力负荷快速增长与电力设施可用土地资源受限之间的矛盾日益凸显，从可持续发展的角度考虑，电力供需互动技术的研发与应用势在必行。
再者，以新能源汽车为代表具有可调度潜力新增大容量负荷的快速发展，给电网安稳运行带来挑战的同时，也为虚拟电厂这类综合能源技术的发展提供了土壤。
（三）虚拟电厂国内外异同分析
为了更好的制定深圳发展虚拟电厂的技术路线，研究团队从可控资源类型、商业运营模式、激励方式、政策支持及关键技术5个维度，对比了国外、国内以及深圳在发展虚拟电厂问题上的异同。通过对比分析，研究团队认为以实现自动化需求响应为目标建立全自动虚拟电厂是符合深圳当前实际的发展方向。
表1 国内外虚拟电厂发展环境及技术路线对比
（四）深圳虚拟电厂技术路线
通过上述综合论证，研究团队认为目前深圳可供虚拟电厂调控的资源种类多、分散分布，且虚拟电厂相关的体制机制及市场规则尚未建立，因此深圳当前适宜选择的系统架构为半分布式/分层架构。
结合国内外调研成果，研究团队本着稳健发展的原则，提出了深圳虚拟电厂“三步走”发展策略，推荐总研发周期5-6年。
图4 深圳虚拟电厂技术路线图
第一步，计划用时2年，研究重点包括必要性和可行性论证、技术框架构建及关键技术开发、软硬件原型机开发、关键环节试点验证。
第二步，计划用时2年，研究重点包括系统性的技术开发与完善、市场机制研究、标准规范编制、规模化示范等。
第三步，计划用时2年，研究重点为商业化虚拟电厂平台研发及建设。
与前两步不同的是，第三步工作的开展需要一定的触发条件，即虚拟电厂相关市场机制的建立。
（五）资源条件及控制策略
在可控资源方面，深圳主要有空调负荷、电动汽车充电负荷、分布式电源与储能3大类，前两者是目前的优质资源。利用这些资源，研究团队重点关注了三类问题的解决策略，即削峰、调频、电压优化。
削峰方面，采用的控制策略为：以经济效益最优和调峰效果最优为目标，优化调控虚拟电厂出力，支持系统有功平衡。
调频方面，控制策略的创新包括：提出了“基于规则”虚拟电厂优化调度算法，结合不同类型可调控资源响应特性的差异，同时考虑用户参与度和用能舒适度，提出了多类型虚拟电厂协同频率控制策略，能够在频率调节过程中充分利用虚拟电厂的可调节容量。
配电线路电压优化方面，以配电网运行的安全性和经济性为出发点，以电压指标最优和网损最小为目标，考虑系统潮流约束、运行约束、可控负荷运行约束，提出了配电网多时间尺度电压优化控制策略，可以降低由于配电网线路过载可能引起的配电网电压波动。
（六）试点方案
在选点原则方面，研究团队主要有三方面的考虑：
能够快速汇聚成规模的可调度资源
能体现深圳虚拟电厂可控资源特征
考虑深圳虚拟电厂未来的业务拓展
图5 试点用户
激励方式方面，考虑到目前缺乏对用户提供直接货币补偿的机制，研究团队从虚拟电厂可能提供的增值服务入手，进行了一些探索，例如节能监测、资产管理、节能建议等。
基于上述考虑，研究团队最终选择了3家外部意向试点用户：深圳湾科技（生态园III区）、普天新能源（深圳民乐充电站和福田枢纽充电站）、欣旺达光明工业园微电网。
示范项目的总体部署方案：
主站部署方案为虚拟电厂主站系统部署于深圳110kV投控变电站内，由变电站提供设备运行所需电源、制冷等基础环境要求。
安防设置为本期虚拟电厂主站系统采用孤立系统设计和运行，同时，为满足安全防护要求，建设安全接入区、等保一体机和网络流量审计等系统。
用户接入方案分两种情况：
欣旺达工业园、福田充电站两个试点的虚拟电厂终端通过加密模块加密后，利用无线公网接入安全接入区；
深圳湾科技生态园试点，由于无线信号不佳，终端加密后通过运营商专线公网接入安全接入区。
（七）原型机开发
深圳虚拟电厂采用了“平台+终端”的原型机系统架构。
平台部分（VMS）包含SCADA服务器和应用服务器，可根据可调资源运行状态开展实时优化计算，并将计算结果指令通过智能终端下发至相连的分布式能源资源，进而控制其出力。
智能终端部分(LCU)同时采集相连的分布式能源资源的运行状态数据，并上传至平台原型进行优化计算。
图6 软硬件成果及第三方检测报告
目前整套原型机系统已经通过了第三方机构检测，并已在深圳110kV投控变电站安全试运行900天。
图7 系统运行曲线
本系统在软硬件层面的特色包括：
实现了系统的闭环、实时在线、全自动运行（在国内应该是处于领先位置）；
可在1秒钟内快速完成优化计算和指令下达；
测试显示，虚拟电厂系统可准确响应调度指令；
此外，原型机在功能扩展、通用性、安全性等方面均有可挖掘潜力。
在系统功能层面的亮点包括：
全资源整合、闭环优化调控：全面包含典型的源、荷、储可控资源，且均可参与调度调控，打通中小型分布式能源与调度的通信及调控，实现了真正意义的主动配电网；
实现友好互动：尊重用户体验，可实现柔性负荷自动控制，避免直接切断/关停负荷；
高可靠、易维护：平台优化功能开发采用容器技术，运行优化计算程序稳定可靠，实时性好，易于维护；
通用性强、功能易扩展：智能终端采用灵活的模块化设计，具备通用接口，可适应不同类型的分布式能源资源的接入，并可集成更多应用功能；
终端功能可定制：智能终端采用的RTU模块具有较强可编程能力，可灵活实现分布式能源用户所需的定制化逻辑控制功能，并保证现场运行稳定可靠。
三、实践中面临的挑战
1. 顶层设计方面，须对从产业化的高度对虚拟电厂技术架构做全面勾画，并制订细致的分步实施策略。
2. 安全问题方面，虚拟电厂技术在实现灵活电力资源与电网有效互联的同时，也带来了新的安全隐患，这种隐患在信息安全层面彰显的尤为突出。
3. 功能设置的有效性和经济性方面，面向不同的应用场景（城市、农村）、不同的运营者（电网公司、负荷集成商、用户）虚拟电厂宜具备哪些功能（有效性）和系统软硬件如何合理配置（经济性）。
4. 数据基础问题方面，从理论上讲，虚拟电厂可以为电力源网荷储提供一个高效的互动渠道，但真正实现这一点，需要相关各环节在虚拟电厂互动的方式、内容、权责等方面达成共识，并打好信息化基础。（信息壁垒和信息盲区）
5. 知识产权保护方面，现阶段，虚拟电厂技术在各研发单位还处于储备技术阶段，前期的投入刚刚看到产生效益的曙光，在此情形下，各家是靠“一招鲜吃遍天”，还是携手将虚拟电厂技术推向更高的平台，先共同把蛋糕做大，再竞争？这一点值得业内人士共同思考。
