基于云-邊-端協(xié)同控制的綜合型虛擬電廠

鄭 冉 夏彥輝 趙學(xué)茂 黃暢想 董 宸

基于云-邊-端協(xié)同控制的綜合型虛擬電廠

鄭 冉 夏彥輝 趙學(xué)茂 黃暢想 董 宸

（陽(yáng)光電源（南京）有限公司，南京 210012）

新型電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，虛擬電廠（VPP）作為一種高級(jí)能源組網(wǎng)形態(tài)，可有效增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力。首先，提出基于云-邊-端協(xié)同控制的綜合型虛擬電廠架構(gòu)，分為就地層、邊緣層和集中控制層，分層分區(qū)對(duì)分布式能源（DER）進(jìn)行整合與控制；其次，分析VPP參與調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等電力輔助服務(wù)的運(yùn)行模式，構(gòu)建考慮調(diào)度成本和調(diào)節(jié)性能的數(shù)學(xué)模型；然后，剖析VPP參與電網(wǎng)緊急控制的可能性，并討論VPP與穩(wěn)控系統(tǒng)的交互邏輯；最后，指出VPP發(fā)展的重要意義及其未來(lái)的研究方向。

虛擬電廠（VPP）；輔助服務(wù)；電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定；調(diào)峰調(diào)頻；分布式能源（DER）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等大量分布式能源（distributed energy resources, DER）并入電網(wǎng)，給電源供給側(cè)帶來(lái)了隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等不確定因素；電動(dòng)汽車呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，充電行為在空間和時(shí)間上均存在不確定性，在負(fù)荷消費(fèi)側(cè)對(duì)電網(wǎng)提出了更高的響應(yīng)需求。新能源消納、需求響應(yīng)、電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)等問(wèn)題愈發(fā)突出，電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大，保障新能源全額消納、提高系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力顯得尤為重要[1-4]。虛擬電廠（virtual power plant, VPP）依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代通信技術(shù)，將多類型DER進(jìn)行有機(jī)整合、協(xié)調(diào)控制，對(duì)外呈現(xiàn)為具備雙向調(diào)節(jié)能力的“全能型電廠”，可有效破解清潔能源消納難題，實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷的靈活互動(dòng)[5-7]。同時(shí)，隨著我國(guó)電力市場(chǎng)政策和商業(yè)模式的不斷完善，VPP作為獨(dú)立市場(chǎng)主體將深度參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，為運(yùn)營(yíng)商和聚合商帶來(lái)最大化利益[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外已有針對(duì)VPP的調(diào)度運(yùn)行控制和參與電力輔助服務(wù)的相關(guān)研究。VPP運(yùn)行控制方面，文獻(xiàn)[10]基于“信息分離、決策協(xié)同”的分布式控制思想，利用拉格朗日對(duì)偶松弛原理構(gòu)建了一種分散架構(gòu)下多個(gè)VPP（multiple VPPs, MVPP）分布式協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[11]構(gòu)建了基于多代理技術(shù)的VPP分層調(diào)控架構(gòu)，提出其內(nèi)部運(yùn)行及參與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的機(jī)制。文獻(xiàn)[12]計(jì)及VPP有功功率響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)的影響，構(gòu)建擴(kuò)展系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，提出了考慮暫態(tài)調(diào)頻能力的VPP預(yù)防控制方法。文獻(xiàn)[13]提出了VPP日前計(jì)劃-滾動(dòng)計(jì)劃-實(shí)時(shí)調(diào)度在內(nèi)的全時(shí)域優(yōu)化調(diào)度框架，建立不同尺度優(yōu)化模型并通過(guò)“多級(jí)調(diào)度、逐級(jí)細(xì)化”的思想實(shí)現(xiàn)優(yōu)化魯棒性。文獻(xiàn)[14]采用標(biāo)準(zhǔn)交叉熵來(lái)量化電網(wǎng)靈活性，通過(guò)自適應(yīng)重要抽樣方法對(duì)VPP的響應(yīng)能力進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[15]構(gòu)建虛擬電廠內(nèi)產(chǎn)消者互助的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享機(jī)制，并以電價(jià)引導(dǎo)方式建立虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行模型，調(diào)整最優(yōu)出力策略，協(xié)助配電網(wǎng)安全運(yùn)行。上述文獻(xiàn)對(duì)VPP的優(yōu)化調(diào)度及其參與大電網(wǎng)穩(wěn)定控制機(jī)制進(jìn)行了研究，但沒(méi)有給出適用于工程應(yīng)用的VPP參與緊急控制方案，兼具緊急控制和輔助服務(wù)功能的綜合型VPP尚未得到研究。

VPP參與電力輔助服務(wù)方面，文獻(xiàn)[16]分析總結(jié)了國(guó)內(nèi)外VPP參與調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，為我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制度的制定提供了參考。文獻(xiàn)[17]對(duì)VPP內(nèi)部資源的不確定性進(jìn)行建模，建立了包含主、輔服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行成本、收益的優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[18]建立了考慮調(diào)峰輔助服務(wù)的VPP運(yùn)營(yíng)模式，提出了計(jì)及條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值（conditional value at risk, CVaR）的調(diào)峰市場(chǎng)投標(biāo)策略，基于Shapley值將VPP參與電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本在各成員間進(jìn)行合理分配。文獻(xiàn)[19]針對(duì)含多主體的VPP參與電能量市場(chǎng)與調(diào)峰市場(chǎng)的日前競(jìng)標(biāo)問(wèn)題，提出一種VPP對(duì)外參與電能量市場(chǎng)和調(diào)峰市場(chǎng)、對(duì)內(nèi)與各成員協(xié)作配合的內(nèi)外協(xié)調(diào)競(jìng)標(biāo)策略。文獻(xiàn)[20]考慮可再生能源出力、負(fù)荷及市場(chǎng)電價(jià)的不確定性，基于隨機(jī)規(guī)劃理論提出日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)多階段競(jìng)價(jià)策略模型。文獻(xiàn)[21]研究了聚合儲(chǔ)能和可中斷負(fù)荷的VPP，以VPP調(diào)峰成本最低為目標(biāo)建立調(diào)峰競(jìng)標(biāo)模型。文獻(xiàn)[22]面向調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)對(duì)響應(yīng)性能的不同需求，設(shè)計(jì)了可控負(fù)荷調(diào)峰性能和調(diào)頻性能指標(biāo)，以此為依據(jù)對(duì)可控負(fù)荷進(jìn)行分類聚合，形成優(yōu)化投標(biāo)策略。以上文獻(xiàn)多研究VPP參與調(diào)峰調(diào)頻的競(jìng)標(biāo)策略，對(duì)VPP內(nèi)部資源的調(diào)用排序研究較少，對(duì)VPP參與電網(wǎng)緊急控制也未提及。

由于分布式資源呈現(xiàn)容量小、體量大、分散廣等特點(diǎn)，VPP一般采用云-邊-端協(xié)同的信息架 構(gòu)[23-24]。基于該架構(gòu)，本文在集中層增設(shè)集中控制裝置，參與電力系統(tǒng)緊急控制；在邊緣層設(shè)置邊緣控制器，獲取電網(wǎng)頻率，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，擴(kuò)展VPP的形態(tài)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)功能。針對(duì)VPP參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制和電力輔助服務(wù)，分層分級(jí)實(shí)現(xiàn)DER的聚合和調(diào)控策略的分配執(zhí)行。本文對(duì)VPP在電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓方面所起的關(guān)鍵作用進(jìn)行論述，建立考慮簽約成本和調(diào)節(jié)性能的數(shù)學(xué)模型；探討VPP參與電網(wǎng)緊急控制的可能性，給出VPP與穩(wěn)控系統(tǒng)交互的控制邏輯，在保障電網(wǎng)安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚合商收益的最大化。

1 虛擬電廠系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

本文提出的綜合型虛擬電廠包括就地控制層、邊緣控制層和集中控制層三級(jí)控制，可實(shí)現(xiàn)自下而上分布式資源的采集、匯集、上送，自上而下的策略分配、指令下發(fā)、命令執(zhí)行，功能上具備min級(jí)控制（如調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等電力輔助服務(wù)）和ms級(jí)控制（參與電網(wǎng)緊急控制）。典型的虛擬電廠控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬電廠控制系統(tǒng)架構(gòu)

就地控制層：通過(guò)源荷終端實(shí)現(xiàn)分布式資源運(yùn)行狀態(tài)、功率數(shù)據(jù)、可調(diào)節(jié)量等信息的采集，上送至邊緣控制層進(jìn)行資源聚合，同時(shí)接收邊緣控制層下達(dá)的控制指令并正確執(zhí)行。

邊緣控制層：負(fù)責(zé)分區(qū)資源的聚合并上送至集中控制層，接收集中控制層的指令、策略分配，并下發(fā)調(diào)節(jié)指令至執(zhí)行終端。邊緣控制器具備一定的邊緣計(jì)算能力，可獨(dú)立制定分區(qū)控制策略。

集中控制層：作為整個(gè)虛擬電廠的控制核心，接收多個(gè)邊緣控制器聚合信息，實(shí)現(xiàn)所有控制資源的匯聚整合并上傳至調(diào)度層；接收調(diào)度層下發(fā)的控制指令，調(diào)用最優(yōu)策略算法求解，并將指令分解至邊緣控制器。集中控制層分為云端能量管理控制和區(qū)域集中控制。能量管理控制包括調(diào)峰、調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）/自動(dòng)電壓控制（automatic voltage control, AVC）、電力交易等，部署于云平臺(tái)，參與邀約型電力輔助服務(wù)，亦可與電網(wǎng)專有平臺(tái)通信，接受電網(wǎng)的直接調(diào)度。典型的虛擬電廠物理拓?fù)淙鐖D2所示。區(qū)域集中控制指的是參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制，充分利用虛擬電廠聚合的控制資源，將其納入電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可控資源池，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定遭到破壞時(shí)，使散落在各地的分布式資源充分發(fā)揮作用，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步鞏固電網(wǎng)的二三道防線。

1.2 運(yùn)行效益

“源荷儲(chǔ)”綜合型虛擬電廠的調(diào)節(jié)能力更加靈活全面，調(diào)節(jié)電源可增加電網(wǎng)可供電能、緩解調(diào)峰壓力；調(diào)節(jié)負(fù)荷可提升需求響應(yīng)能力、保障新能源消納；調(diào)節(jié)儲(chǔ)能的充放電可有效提升電力系統(tǒng)彈性，增強(qiáng)電網(wǎng)魯棒性。電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)由傳統(tǒng)的發(fā)電側(cè)單向調(diào)度，轉(zhuǎn)變成供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的雙向控制和調(diào)節(jié)，運(yùn)行效率更高、更可靠。

一方面，虛擬電廠平臺(tái)通過(guò)參與電力現(xiàn)貨、輔助服務(wù)市場(chǎng)，為數(shù)量大、體量小的用戶側(cè)市場(chǎng)主體賺取高額收益；另一方面，虛擬電廠平臺(tái)使錯(cuò)亂無(wú)序的分布式資源變得可觀、可測(cè)、可控，增大了電網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力，使電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定、可靠靈活，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與市場(chǎng)主體的互利共贏，電網(wǎng)與虛擬電廠的雙贏關(guān)系如圖3所示。

2 虛擬電廠參與輔助服務(wù)

2.1 電力調(diào)峰

針對(duì)當(dāng)前電力供需緊張、電網(wǎng)調(diào)峰困難的問(wèn)題，虛擬電廠作為將各類分布式資源“通信聚合、協(xié)調(diào)控制”衍生出來(lái)的一種新的能源形態(tài)，可大大緩解高峰用電緊張，促進(jìn)清潔能源消納，起到削峰填谷、平衡電網(wǎng)供需的作用。虛擬電廠調(diào)峰是指大電網(wǎng)調(diào)峰能力不足時(shí)，虛擬電廠通過(guò)一定的優(yōu)化策略限制分布式發(fā)電功率、控制儲(chǔ)能充放電功率、改變電動(dòng)汽車充電速率、調(diào)節(jié)可控負(fù)荷等手段，調(diào)整自身功率曲線，以實(shí)現(xiàn)高峰用電和低谷負(fù)荷的雙向響應(yīng)，并獲取相應(yīng)的調(diào)峰收益補(bǔ)償。

圖3 電網(wǎng)與虛擬電廠的雙贏關(guān)系

虛擬電廠參與調(diào)峰需在電網(wǎng)輔助服務(wù)平臺(tái)提前申報(bào)，調(diào)度/交易中心公布市場(chǎng)出清結(jié)果，虛擬電廠進(jìn)行自主或自動(dòng)響應(yīng)。其中，邀約型虛擬電廠按照中標(biāo)結(jié)果自主進(jìn)行市場(chǎng)響應(yīng)，直調(diào)型虛擬電廠可直接接收調(diào)度指令自動(dòng)響應(yīng)。調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)虛擬電廠上報(bào)的預(yù)測(cè)用電數(shù)據(jù)和實(shí)際用電數(shù)據(jù)，評(píng)估實(shí)際調(diào)節(jié)情況和有效調(diào)節(jié)電量，按日前市場(chǎng)出清價(jià)和有效調(diào)節(jié)電量予以補(bǔ)償。

考慮邊界約束下的中標(biāo)容量再分配，是虛擬電廠調(diào)峰的核心策略。虛擬電廠平臺(tái)根據(jù)中標(biāo)時(shí)間和中標(biāo)容量，將響應(yīng)時(shí)間劃分為多個(gè)控制周期，每個(gè)控制周期調(diào)用高級(jí)應(yīng)用模塊計(jì)算出各分布式資源的調(diào)峰功率，將調(diào)峰指令下發(fā)給邊緣控制器，由邊緣控制器分解至各聚合資源。其中，中標(biāo)時(shí)間包含開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和中標(biāo)容量等。本文從工程實(shí)踐出發(fā)，以虛擬電廠調(diào)峰成本最低為目標(biāo)，結(jié)合各聚合資源的特性和調(diào)用成本，以及各資源的功率、容量約束，實(shí)現(xiàn)各類資源調(diào)峰容量的分配。

虛擬電廠調(diào)峰控制策略流程如圖4所示，以15min為周期進(jìn)行分時(shí)控制，每個(gè)控制周期重復(fù)執(zhí)行下列步驟4）～步驟5），直至響應(yīng)時(shí)段結(jié)束。

1）從電力交易中心獲取中標(biāo)時(shí)間段、中標(biāo)容量和運(yùn)行基線。由于各省政策不同，有的省份直接推送運(yùn)行基線，有的省份需虛擬電廠自行計(jì)算基線，一般為距離響應(yīng)日最近3～5個(gè)不參加響應(yīng)的同類日期負(fù)荷平均值。

圖4 虛擬電廠調(diào)峰控制策略流程

5）功率分配。根據(jù)各聚合資源調(diào)峰簽約價(jià)格從低到高排序，并根據(jù)排序依次加和各資源可調(diào)功率，直至達(dá)到調(diào)整功率；若簽約價(jià)格相同，則按照可調(diào)功率從大到小排序。DER實(shí)時(shí)可調(diào)功率見(jiàn)表1，風(fēng)電、光伏在正常情況下按照最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）最大功率發(fā)電，故只考慮參與填谷，即降低出力。虛擬電廠調(diào)峰功率示意圖如圖5所示。

表1 DER實(shí)時(shí)可調(diào)功率

圖5 虛擬電廠調(diào)峰功率示意圖

需要指出的是，本文提出的調(diào)峰策略充分考慮了分布式新能源的調(diào)節(jié)能力。海量分布式能源參與電力調(diào)峰是新型電力系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)，相關(guān)省市已經(jīng)開(kāi)始了試點(diǎn)。山東在春節(jié)期間為保障電網(wǎng)安全和供熱穩(wěn)定，安排分布式光伏參與調(diào)峰；河南將分散式風(fēng)電、分布式光伏納入市場(chǎng)主體范圍，參與河南電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)管理。

2.2 一次調(diào)頻

電力系統(tǒng)擾動(dòng)引起的有功功率缺額會(huì)導(dǎo)致頻率發(fā)生變化，一次調(diào)頻可以快速響應(yīng)負(fù)荷變化，維持系統(tǒng)供需平衡，提高頻率穩(wěn)定性。VPP可利用按區(qū)域部署的邊緣控制器實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率-時(shí)間（）曲線，當(dāng)頻率越過(guò)死區(qū)時(shí)，按照一定的調(diào)節(jié)速率上調(diào)或下調(diào)聚合資源的有功功率，使頻率回到死區(qū)，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的分區(qū)控制。

虛擬電廠一次調(diào)頻控制流程如圖6所示，具體如下。

1）周期性地測(cè)量節(jié)點(diǎn)頻率。

4）將優(yōu)先級(jí)指標(biāo)D由小到大排序，依序加和各調(diào)節(jié)資源的可控有功功率P，迭代判斷加和值是否超過(guò)有功功率調(diào)節(jié)量Δ，一旦超過(guò)則停止加和。由此得到各調(diào)節(jié)資源參與一次調(diào)頻的順序及調(diào)節(jié)量。

圖6 虛擬電廠一次調(diào)頻控制流程

2.3 AVC調(diào)壓

低壓380V分布式能源大多不具備完善的AVC功能及通信條件，不能直接參與配電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制，浪費(fèi)了寶貴的無(wú)功調(diào)節(jié)資源。虛擬電廠可充分發(fā)揮所聚合分布式資源的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，自動(dòng)接收調(diào)度下達(dá)的電壓無(wú)功指令，根據(jù)虛擬電廠內(nèi)部實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)制定安全可靠的控制策略，對(duì)廠內(nèi)無(wú)功設(shè)備（分布式風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等）進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度指令的自動(dòng)調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制，為電網(wǎng)提供有效的電壓支撐。

針對(duì)園區(qū)級(jí)以微電網(wǎng)形式運(yùn)行的虛擬電廠，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，接收配電網(wǎng)AVC系統(tǒng)全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化后下發(fā)的電壓值指令，根據(jù)電壓差值和電壓無(wú)功靈敏度，可得到總無(wú)功調(diào)節(jié)量D。

式中：set為調(diào)度中心下發(fā)的目標(biāo)電壓值；pcc為虛擬電廠并網(wǎng)點(diǎn)的當(dāng)前電壓值；U-Q為并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功-電壓靈敏系數(shù)。無(wú)功電壓靈敏系數(shù)U-Q反映并網(wǎng)點(diǎn)電壓與注入無(wú)功之間的關(guān)系，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)算得到。

針對(duì)區(qū)域級(jí)虛擬電廠，DER散落在不同的接入位置，沒(méi)有明確的并網(wǎng)點(diǎn)，此時(shí)虛擬電廠可將聚合的無(wú)功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分區(qū)分層，多空間尺度參與配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)壓。配電網(wǎng)AVC系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合電網(wǎng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)過(guò)在線仿真校核得到樞紐節(jié)點(diǎn)（母線、線路、變壓器等）的電壓值，根據(jù)電壓越限程度計(jì)算出該元件電壓回到正常值所需的無(wú)功缺額，并調(diào)節(jié)所屬范圍的無(wú)功設(shè)備。虛擬電廠可作為其中一個(gè)無(wú)功調(diào)節(jié)源，接收無(wú)功指令并將其分解至底層控制終端執(zhí)行，電壓越限元件所覆蓋的虛擬電廠無(wú)功資源可有效提升電壓運(yùn)行水平。

虛擬電廠總無(wú)功調(diào)節(jié)量可按各DER無(wú)功調(diào)節(jié)裕度與VPP整體無(wú)功裕度趨于一致的原則進(jìn)行分配。

式中：max[]為各DER的實(shí)時(shí)最大可發(fā)無(wú)功功率，=1, 2,…,；為分布式無(wú)功可調(diào)資源的總數(shù)；min[]為各DER的實(shí)時(shí)最大吸收無(wú)功功率；cur[]為各DER的當(dāng)前無(wú)功功率；D為調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的無(wú)功增量指令或根據(jù)電壓指令計(jì)算得到的無(wú)功調(diào)節(jié)量；tar[]為各DER的目標(biāo)無(wú)功功率值。

得到各DER的無(wú)功設(shè)定值為

3 虛擬電廠參與緊急控制

3.1 調(diào)控信息流

電力系統(tǒng)遭受較嚴(yán)重的故障擾動(dòng)后，必要時(shí)允許采取切機(jī)、切負(fù)荷、直流緊急功率控制和抽水蓄能電站切泵等穩(wěn)定控制措施，以保持穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)荷、直流控保等被控對(duì)象是一種稀缺資源，可控資源接入穩(wěn)控系統(tǒng)，需額外增加穩(wěn)控設(shè)備、光纖通道、通信設(shè)備等，成本昂貴。聚集了分布式能源、儲(chǔ)能、充電樁/站、可中斷負(fù)荷等資源的虛擬電廠，可作為電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)的被控對(duì)象，納入穩(wěn)控系統(tǒng)的控制資源，接收穩(wěn)控主/子站的控制命令，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)響應(yīng)，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低大面積停電風(fēng)險(xiǎn)。

虛擬電廠參與電網(wǎng)緊急控制可復(fù)用虛擬電廠管控平臺(tái)的三層控制架構(gòu)，在集中控制層增設(shè)集中控制器，與電力系統(tǒng)的第二道防線——穩(wěn)控系統(tǒng)通信，快速交互可切信息和控制命令，以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式下內(nèi)部可切可調(diào)資源的整體優(yōu)化，以及與大電網(wǎng)間的控制閉環(huán)。虛擬電廠參與緊急控制的信息流如圖7所示。其中，虛擬電廠集中控制器與穩(wěn)控系統(tǒng)的通信方式可根據(jù)安裝位置靈活選擇。當(dāng)集中控制器安裝在裝設(shè)穩(wěn)控裝置的變電站內(nèi)時(shí)，與站內(nèi)穩(wěn)控裝置可通過(guò)光纖/以太網(wǎng)連接，采用面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）通信協(xié)議；當(dāng)集中控制器獨(dú)立安裝時(shí)，可通過(guò)光纖/E1轉(zhuǎn)換設(shè)備經(jīng)同步數(shù)字體系SDH 2M線路與遠(yuǎn)方穩(wěn)控子站連接，采用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（high level data link control, HDLC）通信協(xié)議。

圖7 虛擬電廠參與緊急控制的信息流

用于緊急控制的終端資源有：分布式光伏、風(fēng)電數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時(shí)有功功率、可上調(diào)/下調(diào)功率、可調(diào)狀態(tài)等；分布式儲(chǔ)能數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時(shí)充/放電功率、最大可充/放電功率、電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）、SOC上/下限、可調(diào)狀態(tài)等；充電樁數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時(shí)充電功率、最小/最大充電功率、可控狀態(tài)等；可中斷負(fù)荷數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時(shí)可切功率、可切狀態(tài)等。

邊緣控制器將各自轄區(qū)內(nèi)的終端資源進(jìn)行分類匯集，集中控制器負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、整合全域虛擬電廠所覆蓋的控制資源，形成虛擬電廠總可切/可調(diào)機(jī)組信息和總可切/可調(diào)負(fù)荷信息，上送至上級(jí)穩(wěn)控子站，并接受穩(wěn)控子站的控制命令，按照一定規(guī)則分解、下發(fā)、執(zhí)行。

3.2 控制邏輯

大電網(wǎng)改變運(yùn)行狀態(tài)一般有兩種情況：一種是根據(jù)供需平衡、季節(jié)差異、保電需求等因素主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式；另一種是由于不可預(yù)見(jiàn)的故障擾動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)發(fā)生改變。虛擬電廠可根據(jù)接收到的控制指令自動(dòng)切換控制模式。在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，虛擬電廠運(yùn)行在電力市場(chǎng)收益模式，根據(jù)輔助服務(wù)中標(biāo)容量和價(jià)格，以最大化收益為目標(biāo)，調(diào)整DER的運(yùn)行狀態(tài)；在緊急狀態(tài)下，虛擬電廠接收穩(wěn)控系統(tǒng)下發(fā)的切機(jī)、切負(fù)荷、功率調(diào)節(jié)等控制命令，切換為緊急控制模式，根據(jù)離線整定的控制策略執(zhí)行命令分解。

虛擬電廠參與緊急控制的控制邏輯如圖8所示，具體如下。

圖8 虛擬電廠參與緊急控制的控制邏輯

1）虛擬電廠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穩(wěn)控系統(tǒng)的控制指令，穩(wěn)控裝置識(shí)別電網(wǎng)故障，判斷是暫穩(wěn)問(wèn)題還是過(guò)載問(wèn)題；下發(fā)不同的指令類別，包括切機(jī)、切負(fù)荷、功率調(diào)節(jié)，以及過(guò)切或欠切控制原則。

3）邊緣控制層將DER調(diào)整量具體分配至資源采集層的各執(zhí)行終端，各自轄區(qū)內(nèi)的控制資源立即響應(yīng)執(zhí)行。

虛擬電廠參與電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制，具備切機(jī)執(zhí)行站、切負(fù)荷執(zhí)行站的功能，豐富了穩(wěn)控系統(tǒng)的資源配置，降低了尋找電網(wǎng)稀缺控制資源的難度，減少了電網(wǎng)建設(shè)的投資成本。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

以某工業(yè)園區(qū)虛擬電廠為例，該VPP聚合了3個(gè)光伏電站、3個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備、3臺(tái)充電樁、2個(gè)可中斷負(fù)荷。聚合資源參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 聚合資源參數(shù)

4.2 調(diào)峰算例

日前調(diào)峰中標(biāo)時(shí)段為12:00—13:00，中標(biāo)容量1.5MW?h，中標(biāo)類型為削峰。12:00，VPP聚合資源的實(shí)時(shí)功率見(jiàn)表2，該時(shí)刻VPP基線功率為9.05MW。以15min為控制步長(zhǎng)，將中標(biāo)時(shí)段劃分為1、2、3、4四個(gè)控制周期，可得1時(shí)段VPP目標(biāo)功率為7.55MW，12:00時(shí)刻VPP并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)時(shí)功率為8.8MW，故計(jì)算得出需向下調(diào)整功率1.25MW，調(diào)用調(diào)峰控制算法得到該時(shí)段各DER的目標(biāo)功率。

1時(shí)段儲(chǔ)能和充電樁的功率調(diào)整如圖9所示。1時(shí)段（即12:00—12:15）儲(chǔ)能1～3和充電樁1～3參與本次削峰調(diào)節(jié)，其中儲(chǔ)能增加放電功率1 199.4kW，充電樁減少充電功率50.6kW，共削峰1 250kW。2～4時(shí)段，將根據(jù)屆時(shí)的實(shí)時(shí)功率重新調(diào)用算法進(jìn)行功率分配?？梢?jiàn)，調(diào)峰算法優(yōu)先調(diào)節(jié)簽約價(jià)格低的資源，在滿足調(diào)峰考核達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，降低了支付給聚合資源的成本費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了VPP運(yùn)營(yíng)商的調(diào)峰利益最大化。

圖9 T1時(shí)段儲(chǔ)能和充電樁的功率調(diào)整

4.3 調(diào)壓算例

本VPP聚合的無(wú)功資源包括光伏、儲(chǔ)能設(shè)備，設(shè)備實(shí)時(shí)無(wú)功功率總量為1 631.3kvar，當(dāng)前并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功功率為1 831.3kvar?，F(xiàn)接收上級(jí)無(wú)功調(diào)度指令為1 000kvar，需下調(diào)無(wú)功功率831.3kvar。采用等無(wú)功裕度分配算法，可得到各資源的無(wú)功功率目標(biāo)值。無(wú)功設(shè)備的功率調(diào)整分配見(jiàn)表3。

表3 無(wú)功設(shè)備的功率調(diào)整分配

各無(wú)功設(shè)備調(diào)整后的無(wú)功功率下調(diào)裕度均為0.555 3，共下調(diào)無(wú)功功率831.3kvar，滿足調(diào)度指令，將調(diào)壓責(zé)任均攤到各無(wú)功設(shè)備。

一次調(diào)頻和緊急控制均是根據(jù)功率指令，按各DER優(yōu)先級(jí)排序，采取過(guò)調(diào)或過(guò)切的方式進(jìn)行功率分配，區(qū)別在于一次調(diào)頻功率指令來(lái)自VPP邊緣控制器自身，緊急控制功率指令來(lái)自遠(yuǎn)方穩(wěn)控子站，這里不再贅述。

5 結(jié)論

虛擬電廠是新型電力系統(tǒng)中非常重要的調(diào)控資源，隨著新能源滲透率的不斷提高，VPP發(fā)揮的功效愈發(fā)明顯。本文構(gòu)建了基于云-邊-端協(xié)同控制的“源荷儲(chǔ)”綜合型虛擬電廠，將電氣聯(lián)系微弱的海量異構(gòu)用戶側(cè)分布式資源采用“通信聚合、協(xié)調(diào)控制”的方式進(jìn)行整合，參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等電力輔助服務(wù)，提出了VPP參與電網(wǎng)緊急控制的策略，為VPP內(nèi)部資源的優(yōu)化協(xié)調(diào)和聚合商收益分配提供了參考。需要說(shuō)明的是，目前國(guó)內(nèi)虛擬電廠的商業(yè)模式和運(yùn)行機(jī)制尚未成熟，下一步將在虛擬電廠參與電力市場(chǎng)報(bào)價(jià)機(jī)制、虛擬電廠通信技術(shù)、智能計(jì)量與考核等方面開(kāi)展研究。

[1] 李政, 陳思源, 董文娟, 等. 碳約束條件下電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路徑研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(12): 3987-4001.

[2] 丁俊, 王欣怡, 邵燁楠, 等. 新型電力系統(tǒng)的影響因素分析[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(7): 42-45.

[3] 劉飛, 陶昕, 張祥成, 等. 基于電網(wǎng)消納能力的新能源發(fā)展策略研究[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(6): 50-55.

[4] 康重慶, 陳啟鑫, 蘇劍, 等. 新型電力系統(tǒng)規(guī)?；`活資源虛擬電廠科學(xué)問(wèn)題與研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(18): 3-14.

[5] ABBASI E. Coordinated primary control reserve by flexible demand and wind power through ancillary service-centered virtual power plant[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems, 2017, 27(12): e2452.

[6] 劉雨佳, 樊艷芳, 白雪巖, 等. 基于優(yōu)化計(jì)算型區(qū)塊鏈系統(tǒng)的虛擬電廠模型與調(diào)度策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(15): 4178-4191.

[7] 王宏, 魏曉強(qiáng), 李兵. 考慮風(fēng)電協(xié)議外送的調(diào)峰型電采暖虛擬電廠優(yōu)化配置方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(19): 135-144.

[8] 李英量, 周麗雯, 王德明, 等. 計(jì)及用戶分級(jí)的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2022, 50(16): 121-130.

[9] 張濤, 李逸鴻, 郭玥彤, 等. 考慮虛擬電廠調(diào)度方式的售電公司多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(11): 79-87.

[10] 李翔宇, 趙冬梅. 分散架構(gòu)下多虛擬電廠分布式協(xié)同優(yōu)化調(diào)度[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(7): 1852- 1863.

[11] 曹永吉, 張恒旭, 施嘯寒, 等. 規(guī)?；植际侥茉磪⑴c大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的機(jī)制初探[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(18): 1-8.

[12] 徐清文, 曹永吉, 張恒旭, 等. 考慮暫態(tài)調(diào)頻能力的虛擬電廠預(yù)防控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(18): 83-89.

[13] 李翔宇, 趙冬梅. 基于模糊-概率策略實(shí)時(shí)反饋的虛擬電廠多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(7): 1446-1455.

[14] WANG Yue. An adaptive importance sampling method for spinning reserve risk evaluation of generating systems incorporating virtual power plants[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2018, 33(5): 5082- 5091.

[15] 蘭威, 陳飛雄. 計(jì)及阻塞管理的虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行策略[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(6): 30-41.

[16] 李嘉媚, 艾芊, 殷爽睿. 虛擬電廠參與調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)的市場(chǎng)機(jī)制與國(guó)外經(jīng)驗(yàn)借鑒[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2022, 42(1): 37-56.

[17] 王文悅, 劉海濤, 季宇. 虛擬電廠可調(diào)空間統(tǒng)一建模及其參與調(diào)峰市場(chǎng)的優(yōu)化運(yùn)行策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(18): 74-82.

[18] 李嘉媚, 艾芊. 考慮調(diào)峰輔助服務(wù)的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)模式[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2021, 41(6): 1-13.

[19] 孫輝, 范軒軒, 胡姝博, 等. 虛擬電廠參與日前電力市場(chǎng)的內(nèi)外協(xié)調(diào)競(jìng)標(biāo)策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2022, 46(4):1248-1262.

[20] 宋巍, 王佳偉, 趙海波, 等. 考慮需求響應(yīng)交易市場(chǎng)的虛擬電廠多階段競(jìng)價(jià)策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(19): 35-45.

[21] YUAN Guili, CHEN Sixuan, DOU Xiaoxuan. Research on two-stage game strategy of virtual power plant in deep peak regulation auxiliary service market[C]//E3S Web of Conferences, 2021, 256: 01026.

[22] 關(guān)舒豐, 王旭, 蔣傳文, 等. 基于可控負(fù)荷響應(yīng)性能差異的虛擬電廠分類聚合方法及輔助服務(wù)市場(chǎng)投標(biāo)策略研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2022, 46(3): 933-944.

[23] 汪莞喬, 蘇劍, 潘娟, 等. 虛擬電廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(18): 15-25.

[24] 趙昊天, 王彬, 潘昭光, 等. 支撐云-群-端協(xié)同調(diào)度的多能園區(qū)虛擬電廠: 研發(fā)與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(5): 111-121.

Integrated virtual power plant based on cloud-edge-terminal collaborative control

ZHENG Ran XIA Yanhui ZHAO Xuemao HUANG Changxiang DONG Chen

(Sungrow Power Supply (Nanjing) Co., Ltd, Nanjing 210012)

The construction and development of new power system put forward higher requirements for the safe and stable operation of power grid. Virtual power plant (VPP), as an advanced energy network form, can effectively enhance the flexible adjustment ability of power grid. Firstly, an integrated virtual power plant architecture based on cloud-edge-terminal collaborative control is proposed, which is divided into stratum, edge layer and centralized control layer, and integrates and controls the distributed energy resources (DER) in stratified zones. Secondly, the operation mode of VPP participating in power auxiliary services such as peak regulating, frequency regulating and voltage regulating is analyzed, and the mathematical model considering the dispatching cost and regulating performance is constructed. Then, the possibility of VPP participating in power grid emergency control is analyzed, and the interaction logic between VPP and stability control system is discussed. Finally, the significance of the development of VPP and the future research direction of virtual power plant are pointed out.

virtual power plant (VPP); ancillary services; power system security and stability; peak regulation and frequency modulation; distributed energy resources (DER)

2023-07-05

2023-07-18

鄭 冉（1991—），男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析和控制、虛擬電廠。