虛擬電廠智慧管控平臺的技術(shù)研究

杜 慧

（中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160）

當(dāng)前，國內(nèi)可再生能源發(fā)展迅猛，社會用電短期峰值負(fù)荷不斷攀升，加之極端天氣的影響，導(dǎo)致部分區(qū)域電力供需緊張。電網(wǎng)“雙高”“雙峰”特性明顯，備用容量不足。在極端情況下，2030年電網(wǎng)備用容量缺口將達(dá)到2 億千瓦。虛擬電廠作為提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的重要手段之一，對緩解電力緊張將發(fā)揮重要作用，市場前景廣闊。

1 虛擬電廠的發(fā)展現(xiàn)狀

參與電力系統(tǒng)運(yùn)行的虛擬電廠可以理解為將不同空間的可調(diào)節(jié)（可中斷）負(fù)荷、儲能、微電網(wǎng)、電動汽車、分布式電源等一種或多種資源聚合起來，實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力市場交易的智慧能源系統(tǒng)。它既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調(diào)峰，又可作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納配合系統(tǒng)填谷；既可快速響應(yīng)指令配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務(wù)等各類電力市場獲得經(jīng)濟(jì)收益。當(dāng)前國外虛擬電廠已實現(xiàn)商業(yè)化，國內(nèi)還處于初期發(fā)展階段，以研究示范為主。

2 智慧管控平臺的技術(shù)研究

2.1 總體架構(gòu)

虛擬電廠智慧管控平臺建設(shè)工作在架構(gòu)上分為4 層，各層之間具備一定的獨(dú)立性，4 層配合共同組成了虛擬電廠運(yùn)營管控技術(shù)架構(gòu)，進(jìn)而支持海量分布式資源的泛在介入，并應(yīng)對多市場主體的建設(shè)運(yùn)營需求。數(shù)據(jù)流和功能視角，各層相互依賴。穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)平臺層應(yīng)在采用高可靠、彈性擴(kuò)展的云計算和邊云協(xié)同的分布式計算技術(shù)基礎(chǔ)上，通過微服務(wù)架構(gòu)、邊緣計算架構(gòu)、邊云協(xié)同架構(gòu)等分層魯棒架構(gòu)，實現(xiàn)彈性擴(kuò)展、灰度發(fā)布、動態(tài)調(diào)整，即對智慧應(yīng)用支持在線擴(kuò)展，亦可對集采終端及優(yōu)化策略進(jìn)行在線升級和優(yōu)化。虛擬電廠智慧管控平臺4 層模塊的具體實施路線如圖1。

圖1 虛擬電廠智慧管控平臺架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent management and control platform architecture of virtual power plant

2.1.1 感知層（數(shù)據(jù)采集）

感知層由虛擬電廠多個分布式資源端側(cè)的邊緣計算裝置、測量采集裝置（DCS 或SCADA）、協(xié)同響應(yīng)裝置以及現(xiàn)場通訊總線構(gòu)成的邊緣計算協(xié)同響應(yīng)子系統(tǒng)。系統(tǒng)通過邊緣-云計算協(xié)同優(yōu)化實現(xiàn)海量分布式資源在虛擬電廠層面的聚合感知和優(yōu)化協(xié)同，例如：在儲能系統(tǒng)現(xiàn)場側(cè)安裝邊緣計算裝置，實現(xiàn)與儲能控制系統(tǒng)的接口，實時采集系統(tǒng)的充放電狀態(tài)及儲電量參數(shù)，并依據(jù)實時電價以及多級優(yōu)化調(diào)控需求進(jìn)行充放電的協(xié)同控制。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層（通信管理）

虛擬電廠智慧管控平臺網(wǎng)絡(luò)通信層顧名思義是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和指令調(diào)度的通信渠道，該部分應(yīng)基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建構(gòu)安全可靠的通信渠道，采用廣域網(wǎng)、虛擬專網(wǎng)、光纖、RS485、CAN、Modbus 等多種通訊技術(shù)混合構(gòu)建現(xiàn)場總線網(wǎng)。在主站側(cè)，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)和安全接入技術(shù)，由物聯(lián)網(wǎng)平臺提供高可靠、彈性擴(kuò)展的云端泛在接入通道，實現(xiàn)與智能網(wǎng)關(guān)裝置的數(shù)據(jù)傳輸。在分布式能源資源側(cè)，由智能網(wǎng)關(guān)裝置提供基于現(xiàn)場總線的感知終端、控制終端等裝置的數(shù)據(jù)采集和傳輸，該智能網(wǎng)關(guān)裝置應(yīng)滿足國家及行業(yè)入網(wǎng)安全評測標(biāo)準(zhǔn)，保障與云端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊安全。

2.1.3 平臺層（平臺支撐）

虛擬電廠智慧管控平臺的平臺層主要的任務(wù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)計算資源供給。故而平臺層應(yīng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集云平臺和大數(shù)據(jù)處理計算云平臺，并在平臺層實現(xiàn) LaaS 和PaaS 的云計算服務(wù)資源，實現(xiàn)技術(shù)的可擴(kuò)展性、可復(fù)制。

該層提供虛擬化的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，并在其上構(gòu)建基于 LOT 平臺的設(shè)備接入、狀態(tài)感知、遠(yuǎn)程控制的服務(wù)，以及數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘及人工智能的大數(shù)據(jù)處理服務(wù)。該層還應(yīng)為虛擬電廠高級應(yīng)用提供軟件運(yùn)行環(huán)境支撐，提供服務(wù)注冊、服務(wù)監(jiān)控、服務(wù)治理、組態(tài)編輯等基礎(chǔ)組件和分布式資源模型、經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法、數(shù)據(jù)建模算法、優(yōu)化控制算法等專業(yè)應(yīng)用組件。

2.1.4 應(yīng)用層（控制與優(yōu)化）

應(yīng)用層部分包括用戶側(cè)的 APP、虛擬電廠運(yùn)營、大屏展示系統(tǒng)3 部分組成，均采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，以支持應(yīng)用的高穩(wěn)定性和并發(fā)性。

用戶側(cè) APP 向用戶提供設(shè)備資源的查看監(jiān)視，參與響應(yīng)交易的收益分析，接收參與虛擬電廠的調(diào)控等基本功能。虛擬電廠運(yùn)營分為基礎(chǔ)資源管理，參與輔助調(diào)峰市場交易的分布式能源資源側(cè)聚合預(yù)測、交易申報，分布式能源資源側(cè)設(shè)備的監(jiān)視、信息的發(fā)布，調(diào)度指令的接收，與分布式能源資源側(cè)響應(yīng)策略分解，以及交易計算管理、交易完成后的資源評估和整個電廠的運(yùn)營分析，形成適用于智慧電廠的運(yùn)營管理中控艙。大屏展示系統(tǒng)提供泛在接入監(jiān)視、虛擬電廠交易運(yùn)營監(jiān)視等，實現(xiàn)智慧監(jiān)盤系統(tǒng)，實現(xiàn)少人化、智慧化。

工業(yè)數(shù)據(jù)方面，相比于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用，存在兩大技術(shù)遷移挑戰(zhàn)：小數(shù)據(jù)規(guī)模和工程化落地。針對工業(yè)設(shè)計場景的研發(fā)設(shè)計數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本方案推出專用的AI 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，通過MLSMS（Multi-Level Surrogate Management System）多級代理學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)對虛擬電廠端數(shù)據(jù)分布動態(tài)變化的多模式挑戰(zhàn)。通過AI 算法TFEnseblmeANN 和RQHierarchicalLearning 應(yīng)對工業(yè)研發(fā)場景“小數(shù)據(jù)集規(guī)?！毕拗疲ㄟ^AutoML 超參優(yōu)化引擎幫助工程師化解算法使用門檻高的AI 工程化落地難題。

2.2 應(yīng)用架構(gòu)

圍繞分布式能源資源側(cè)資源接入、虛擬電廠市場運(yùn)營和優(yōu)化協(xié)同調(diào)控的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用物理網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實現(xiàn)分布式資源的萬物互聯(lián)、人機(jī)交互和市場運(yùn)營。其中，感知層采用邊緣計算技術(shù)，支持節(jié)點(diǎn)規(guī)模更大，采集的數(shù)據(jù)具有更全面的末端感知和協(xié)同優(yōu)化調(diào)控，涵蓋虛擬電廠的發(fā)電、儲能和可控負(fù)荷等分布式能源資源側(cè)資源的各設(shè)備乃至各元件；傳輸層以先進(jìn)的通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺作為支撐，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，建設(shè)泛在、低延時的感知“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和安全、可靠的協(xié)同管控體系；數(shù)據(jù)層將數(shù)據(jù)壁壘打通，統(tǒng)一匯集虛擬電廠所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，搭建“共享型”虛擬電廠創(chuàng)新業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)平臺，通過前后端分離、動靜分離架構(gòu)來滿足信息安全防護(hù)；應(yīng)用層則協(xié)同虛擬電廠管控業(yè)務(wù)體系的建設(shè)，通過分布式微服務(wù)提升平臺的高負(fù)載、高可用和高性能，同時提供通用配網(wǎng)模型、預(yù)測算法、調(diào)度策略等專業(yè)組件來強(qiáng)化市場化交易和優(yōu)化協(xié)同的支撐，向虛擬電廠運(yùn)營商和用戶提供更加智能化、人性化的服務(wù)，使數(shù)據(jù)價值得以體現(xiàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)遵從國網(wǎng)信息運(yùn)營維護(hù)體系和安全保障體系，從下到上共分為基礎(chǔ)設(shè)施層、支撐層、應(yīng)用層及展現(xiàn)層，各層間通過軟件定義的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實現(xiàn)各層的互聯(lián)互通。展現(xiàn)層的多種獨(dú)立前端應(yīng)用界面可通過統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)訪問后端應(yīng)用層封裝的應(yīng)用程序編程接口業(yè)務(wù)功能，后端應(yīng)用層是以運(yùn)行于Docker 容器引擎中的微服務(wù)，提供統(tǒng)一的統(tǒng)一資源標(biāo)識符URI（Uniform Resource Identifier）資源響應(yīng)；支撐層基于Spring Cloud 提供各類基礎(chǔ)框架服務(wù)，并適配各類應(yīng)用的交互。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型架構(gòu)決定了項目數(shù)據(jù)描述的一致性和準(zhǔn)確性。根據(jù)項目業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特性，考慮各業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)度，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)信息、交易運(yùn)營、協(xié)同優(yōu)化和信息交互4 大類。

2.4 平臺支撐應(yīng)用開發(fā)

虛擬電廠運(yùn)營管控平臺需要滿足多方參與虛擬電廠新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新業(yè)務(wù)需求，其建設(shè)要綜合考慮其虛擬電廠業(yè)務(wù)準(zhǔn)入，虛擬電廠市場化運(yùn)營，分布式資源聚合優(yōu)化和協(xié)同響應(yīng)等多種業(yè)務(wù)。

2.5 虛擬電廠智慧管控平臺創(chuàng)新功能

2.5.1 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云管邊端的整體技術(shù)架構(gòu)

云側(cè)采用基于微服務(wù)微應(yīng)用的云平臺架構(gòu)，研發(fā)分散市場交易服務(wù)平臺。虛擬電廠智慧管控平臺具備用戶畫像、智能聚合、云邊互動、多能優(yōu)化、市場交易、迭代評估等功能，實現(xiàn)了分散資源通過手機(jī)、PC 等移動終端與電力系統(tǒng)實時彈性交互。管側(cè)采用4G、5G、光纖等信息通信技術(shù)，兼容支持多種傳輸方式，承載控制、運(yùn)行、狀態(tài)等信息，實現(xiàn)分散資源和智能管控平臺的大并發(fā)量、低時延海量數(shù)據(jù)快速雙向安全傳輸。邊側(cè)采用即插即用的邊緣網(wǎng)關(guān)，通過云邊協(xié)同、邊緣計算和多場景業(yè)務(wù)、多網(wǎng)絡(luò)模式自適應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)分散資源通過物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入平臺。端側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)化智能終端，通過工業(yè)高速CPU、智能傳感器及微功率無線自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)分散資源狀態(tài)感知、實時柔性控制。技術(shù)平臺從4 個方面應(yīng)實現(xiàn)技術(shù)突破：

1）支持多種類型終端和應(yīng)用接入，支持彈性擴(kuò)展億級連接和百萬級消息并發(fā)處理。

2）虛擬電廠智慧管控平臺具備豐富API 開放接口，實現(xiàn)應(yīng)用高效集成和業(yè)務(wù)快速上線。

3）虛擬電廠智慧管控平臺云化部署，可實現(xiàn)系統(tǒng)彈性擴(kuò)容、組件化系統(tǒng)應(yīng)用安裝。

4）面向海量用戶資源，從應(yīng)用、平臺、網(wǎng)關(guān)、設(shè)備4個層次打造全方位的生態(tài)開放系統(tǒng)，滿足不同類型用戶的個性化業(yè)務(wù)需求。

2.5.2 安全架構(gòu)體系

虛擬電廠智慧管控平臺向上主要與調(diào)度中心EMS 系統(tǒng)及交易中心全國統(tǒng)一電力交易平臺交互。與調(diào)度中心的交互包括日前交易申報及調(diào)度計劃下達(dá)、實時數(shù)據(jù)上傳及AGC 指令下發(fā)，以及接收日前市場結(jié)算信息；與交易平臺的交互包括用戶注冊信息同步、月度結(jié)算信息下發(fā)及分解等。虛擬電廠智慧管控平臺與物聯(lián)網(wǎng)平臺乃至每個端側(cè)資源的信息交互，與其向上交互信息有機(jī)結(jié)合，相互配合，共同實現(xiàn)虛擬電廠的閉環(huán)運(yùn)行。虛擬電廠智慧管控平臺針對開放式接入風(fēng)險，應(yīng)該建立完善的信息安全保障體系。

3 虛擬電廠研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)

3.1 虛擬電廠資源特征提取及量化技術(shù)

虛擬電廠可聚合資源多種多樣，不僅包含了風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等分布式發(fā)電機(jī)組，還包含儲能以及柔性負(fù)荷等具有產(chǎn)銷一體性的雙向互動單元。在對資源特征進(jìn)行提取時，將采集到大量數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，不良數(shù)據(jù)的存在會產(chǎn)生哪些影響等，是這部分內(nèi)容研究的關(guān)鍵問題。

在對資源調(diào)節(jié)潛力進(jìn)行量化分析時，需要考慮到用戶響應(yīng)的不確定性對虛擬電廠整體響應(yīng)特性的影響，另外資源的調(diào)節(jié)潛力也會受到氣象條件及日期的影響，如夏季空調(diào)負(fù)荷會上升，光伏出力也會增加，節(jié)假日與工作日電動汽車的充放電行為會有所改變。上述因素均會對資源調(diào)節(jié)特性產(chǎn)生影響，是研究的難點(diǎn)之一。

3.2 虛擬電廠優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制技術(shù)

虛擬電廠的互動資源在類型、規(guī)模、數(shù)量、地理和電氣分布等方面復(fù)雜多樣，如何合理設(shè)計資源配置方案，發(fā)揮分布式資源的規(guī)模效益，是構(gòu)建多能虛擬電廠需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也可為其優(yōu)化運(yùn)行提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

組成虛擬電廠的參與者比較復(fù)雜且位置分散，因此在進(jìn)行現(xiàn)貨市場決策時如何協(xié)調(diào)各方的利益以及保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場的關(guān)鍵問題。如何合理協(xié)調(diào)分布式電源的出力波動特性、用戶用電行為的不確定性、儲能的充放電特性、可控負(fù)荷的響應(yīng)特性等問題之間的互動關(guān)系，是探索虛擬電廠協(xié)調(diào)控制方法的難點(diǎn)。

3.3 虛擬電廠智慧管控平臺

虛擬電廠智慧管控平臺的研發(fā)方面，通信技術(shù)、信息采集系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、智能終端等單元都依靠虛擬網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，如何構(gòu)建虛擬電廠專用的虛擬網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵問題之一。另外，外部運(yùn)營平臺建設(shè)、內(nèi)部調(diào)控交互機(jī)制設(shè)計也是平臺研發(fā)過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

虛擬電廠智慧管控平臺的成功研發(fā)，將為虛擬電廠在國內(nèi)的建設(shè)起到示范作用，推動實現(xiàn)虛擬電廠在國內(nèi)的大范圍應(yīng)用。虛擬電廠主要借助于先進(jìn)的通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換，依賴軟件技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理等功能，對虛擬電廠智慧管控平臺進(jìn)行研發(fā)，還將推動國內(nèi)通信技術(shù)與軟件技術(shù)的智能化發(fā)展，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域、通信領(lǐng)域甚至科技領(lǐng)域都有著重大影響。

隨著數(shù)字革命的推進(jìn)，大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣技術(shù)、人工智能技術(shù)使虛擬電廠獲得了智能化資源識別、場景資源適配、廣域調(diào)度能力，移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使分布式資源的規(guī)模化聚合問題得以解決，可以預(yù)測，數(shù)字化、智能化、云共享、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等方面的發(fā)展都會推動虛擬電廠的發(fā)展。