虛擬電廠標準體系研究與需求分析

關鍵詞：虛擬電廠，新能源并網，能源革命，標準體系

0 引言

為了應對全球氣候變化，中國提出了2030年力爭實現碳達峰，20 6 0年力爭實現碳中和的宏偉目標。推動清潔可再生能源逐步替代化石能源，是我國實現碳達峰、碳中和戰(zhàn)略的重大支撐，是人類社會實現能源與經濟可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。目前以太陽能、風能等能源為主要能源形式的分布式能源系統(tǒng)進入了快速發(fā)展期。然而，清潔可再生能源普遍具有間歇性與波動性，高比例接入時，其不確定性與時空分布特性給傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時也阻礙了清潔可再生能源的消納。

為促進清潔可再生能源的有效消納，并對規(guī)?；姆植际劫Y源進行充分利用，虛擬電廠應運而生。虛擬電廠不但包括電源，也包括負荷側的資源整合，主要有需求響應、儲能、電動汽車群等，它通過先進的量測技術、通信技術、控制技術等把物理上不直接相連的分布式電源整合成一個整體，進行控制，以實現大量分布式電源有序接入，減少對電網的沖擊[1]。典型的虛擬電廠示意圖如圖1所示。

虛擬電廠是提高新能源消納率和能源利用率的重要解決方案，其發(fā)展是由控制氣候變化、能源供應安全和可再生能源規(guī)?；岣吣茉葱实念A期驅動的。而隨著虛擬電廠的迅猛發(fā)展以及其概念、理論及技術體系趨于成熟完善，涉及的需求響應、電力交易、微電網、分布式發(fā)電、分布式儲能、通信控制保護、能源管理平臺等多個產業(yè)將逐漸形成一個巨大的市場。在此背景下，急需建立虛擬電廠的標準體系，對虛擬電廠技術的有序健康發(fā)展及規(guī)范化進程發(fā)揮指導性的作用。然而目前虛擬電廠相關標準缺乏完整體系的現狀阻礙了虛擬電廠標準建設的進展。

在虛擬電廠標準化進程方面，當前國際標準化組織尚未提出虛擬電廠技術及其服務的標準架構；目前，僅在發(fā)電側單一發(fā)電資源的領域標準化較為成熟，虛擬電廠在基本概念、體系架構、核心技術等方面尚未形成共識，需要從資源高效聚合與利用領域對虛擬電廠標準化進行統(tǒng)籌。

另一方面，對于中國來說，搶占國際標準化制定的制高點，無疑將提高中國虛擬電廠的國際競爭力。中國在國際電工委員會（IEC）已發(fā)起成立分布式電力能源系統(tǒng)分技術委員會（SC 8B）并承擔秘書處工作，且下轄虛擬電廠工作組（WG4），專門負責虛擬電廠方面的標準化工作，為我國開展虛擬電廠技術的國際標準化工作提供了一定的便利。但據統(tǒng)計，由中國提交并正式發(fā)布的國際標準在國際標準化組織（ISO）、IEC標準占比僅為1.58%[2]，我國國際標準化水平與發(fā)達國家仍存在較大的差距。以我國牽頭發(fā)布IEC《以新能源為主體的零碳電力系統(tǒng)》白皮書[3]為契機，持續(xù)加強在相關技術領域開展主導國際標準制定的布局，積極提升我國的影響力和話語權。而虛擬電廠作為分布式清潔能源的高效消納和聚合方案，亟需立足虛擬電廠關鍵技術特征和問題，開展虛擬電廠標準體系分析。

針對以上現狀，首先對虛擬電廠所涉及的關鍵技術方向進行了梳理和分析，然后對目前主要的國際標準組織在虛擬電廠領域相關標準的發(fā)展現狀進行了分析和總結，最后對相關領域的國際標準化發(fā)展趨勢進行了展望，為后續(xù)虛擬電廠國際標準的制修訂提供參考。

1 我國虛擬電廠技術發(fā)展現狀

在我國，虛擬電廠的研究尚處于起步階段。虛擬電廠作為新型電力系統(tǒng)中能源互聯(lián)網技術的典型代表，通過信息-能量交互有效聚合大量分布式資源，實現廣域范圍的能源互聯(lián)與共享。虛擬電廠內部由可再生分布式能源（包括風電、光伏等）、可控分布式電源（包括燃氣輪機發(fā)電機組、小水電等）、電動汽車充電設施、溫控負荷和儲能（ES）等聚合而成，從而作為一個整體與上級電網交互，提高聚合資源的可調可控性[4]。

對此，我國出臺了一系列政策，支持虛擬電廠技術和產業(yè)的發(fā)展。2015年國務院發(fā)布《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，明確提出，鼓勵專業(yè)化能源服務公司與用戶合作或以“合同能源管理”模式建設分布式電源。2015年7月國務院印發(fā)《關于積極推進“互聯(lián)網+”行動指導意見》提出“互聯(lián)網+”智慧能源行動。2016年7月，國家能源局發(fā)布《關于實施“互聯(lián)網+”智慧能源示范項目的通知》，鼓勵在工業(yè)園區(qū)或者開發(fā)區(qū)等，推動綠色能源的靈活自主微平衡交易，開展化石能源互聯(lián)網交易平臺試點，開展分布式電源直供負荷試點，在試點區(qū)域內探索“過網費”標準和輔助服務費標準、交易監(jiān)管等政策創(chuàng)新。

在此背景下，2 019 年年底，經國家能源局批復，華北能源監(jiān)管局印發(fā)了《第三方獨立主體參與華北電力調峰輔助服務市場規(guī)則（試行）》，國家電網冀北公司建成全國首個經國家能源局批復以市場化方式運營的虛擬電廠示范工程，實現了原先不在調度范圍內的用戶側可調資源的感知、聚合、優(yōu)化、調控與運營，為電力系統(tǒng)提供連續(xù)柔性的調節(jié)能力，有效促進新能源消納。

2 虛擬電廠標準化的現狀

2.1 虛擬電廠國際標準

IEC是世界上成立最早的國際性電工標準化機構，其宗旨是，促進電氣、電子工程領域中標準化及有關問題的國際合作，增進國際間的相互了解。IEC在虛擬電廠領域已有一定的研究。目前，IEC在虛擬電廠領域的相關標準有以下兩項。

（1）IEC TS 63189-1：2023《虛擬電廠：第一部分 架構與功能要求》[5]

該標準首先給出了虛擬電廠管理系統(tǒng)（virtualpower plant management system，VMS）、分布式資源（distributed energy resources，DER）、需求響應（demand response，DR）等虛擬電廠相關術語的定義。然后，介紹了虛擬電廠由微電網、發(fā)電單元、儲能裝置、可控負荷和VMS組成，并分別介紹其在虛擬電廠中的作用。接著分別從集中式控制和分布式控制兩種控制方式，介紹控制架構、通信系統(tǒng)與適合的應用場景。最后，對虛擬電廠的核心功能要求，如：狀態(tài)監(jiān)測和通信、預測、聚合和優(yōu)化、輔助服務、電力市場交易功能等層面進行了流程的梳理，并提出了技術要求。

（2）IEC TS 63189-2：2023《虛擬電廠：第二部分 用例》[6]

該標準同樣先給出了虛擬電廠相關術語的定義。然后介紹虛擬電廠本身的需求，包括隱私保護、網絡安全、互操作性、可靠性、運行風險評估等方面。接著針對虛擬電廠的各參與方，包括VPP參與者、DER所有者、系統(tǒng)操作員、電力市場運營商，介紹其參與流程、在虛擬電廠中的作用、相應的應用場景和功能。最后介紹虛擬電廠用例的形成方法和編寫形式。

總體來看，現有的虛擬電廠標準主要提供了一個基礎的框架，但并未對諸如狀態(tài)監(jiān)測和通信、預測、聚合和優(yōu)化、輔助服務、電力市場交易等虛擬電廠核心技術要求進行詳細規(guī)范。

2.2 虛擬電廠國內標準

虛擬電廠是我國能源綠色低碳發(fā)展的必然要求，是順應新型電力系統(tǒng)“雙高”發(fā)展趨勢的必然產物，推進虛擬電廠技術發(fā)展是助力國家“雙碳”目標實現和能源安全新戰(zhàn)略落地的重點抓手，是我國能源市場化改革和能源轉型的必然要求?；趪鴥忍摂M電廠發(fā)展現狀和發(fā)展趨勢，從適用性、系統(tǒng)性、先進性和實用性等角度出發(fā)，通過全國標準信息公共服務平臺、國家標準全文公開系統(tǒng)、國家標準網等網站平臺，梳理國標、地標、行標、團標、企標等不同層次的虛擬電廠標準，見表1[7]。

總的來說，我國在虛擬電廠標準化方面尚未形成完備的虛擬電廠標準體系，相關的標準化工作在各個層面僅形成了初步的進展，在系統(tǒng)建設、信息化管理、資源互動、調峰調頻等方面的內容形成了部分標準對虛擬電廠技術進行規(guī)范。

3 虛擬電廠標準體系構建研究

本章根據上文對虛擬電廠標準現狀的分析，進行虛擬電廠標準體系構建的研究。本章通過對標準體系目標、需求、適用性、結構的研究，利用系統(tǒng)工程學中標準化系統(tǒng)工程六維模型、工作分解結構、平行分解法、屬種（過程）劃分法，構建出以科學理論為基礎的結構合理、內容邏輯完備的虛擬電廠標準體系。

3.1 虛擬電廠標準范疇劃定

虛擬電廠標準術語規(guī)定的范疇應包括如下方面。

從主要目標用戶角度，包含：城市商業(yè)綜合體；工商企業(yè)及園區(qū)；政府、醫(yī)院、學校和小區(qū)物業(yè)。

覆蓋的主要發(fā)電資源有：風、光、氣、生物質能等類別。

從涉及的主要物理對象角度看，主要覆蓋了：源、網、荷、儲的環(huán)節(jié)，具體包含有風、光、氣等多種形式的一次資源或由其轉化得到的二次電力能源；在用戶“圍墻”邊界內的供能管網，例如：園區(qū)中壓配網、戶用供網、小型微網及充電網絡；能源負荷則包含不同用能特性的終端用能設備設施；儲能設備包括一般的儲能裝置和既可作為可控負荷又可儲能的電動汽車等。

從數據信息層面來說，涉及到本地與云端兩個部分。本地即為傳統(tǒng)的OT部分，主要是SCADA和自動化，云端包含支撐本地數據向云端采集處理、傳輸通信、存儲管理、分析加工、展示應用的相關云、大、物、移互聯(lián)網ICT技術。

從專業(yè)服務角度，涉及的主要有能源管理、協(xié)調控制、系統(tǒng)運維以及增值服務需求等類別[8]。

3.2 基于系統(tǒng)工程學的虛擬電廠標準體系架構設計

在明確虛擬電廠的標準范疇界定后，進一步開展虛擬電廠標準體系的具體構建研究。系統(tǒng)工程學是目前廣泛應用于標準體系構建的理論，它以生產設計一種產品的視角來看待標準體系設計的過程，從而整體、系統(tǒng)地對其進行布局安排。目前，此理論已成功應用于國際空間站相關標準體系等一系列應用場景中[9]。

因此，在構建虛擬電廠標準體系時，始終從整體的視角進行布局，將設計出一個有機的、不斷發(fā)展的整體作為原則。綜合全局考慮設計的內外部要素，將標準設計目標對象、相關行業(yè)標準體系等外部要素與標準子類、具體內容等內部要素之間的交互關系和各子體系之間的影響進行統(tǒng)一兼顧的考慮。使設計出的虛擬電廠標準體系上下層級與平行關系之間都環(huán)環(huán)相扣，具有緊密的邏輯對應關系。

將虛擬電廠標準體系的設計過程視為一項工程項目，則以工程研制的視角可以將設計流程分為以下5個步驟。

（1）要求定義

確定標準體系建設目標，根據收集分析行業(yè)發(fā)展現狀、標準化現狀以及相關文件規(guī)定的建設依據，對體系應包含的內容范疇、專業(yè)領域等指標作出計劃規(guī)定。

（2）需求分析

調研現存體系的內容、業(yè)務涵蓋面、適用性等現狀，將其與目標進行對比，發(fā)掘兩者差距，得出標準需求，以此指導標準體系構建下一步的進行。

（3）產品設計

對照體系建立原則、目標以及需求，進行頂層設計構建標準體系大框架，進而細化具體結構層級設計。

（4）產品實現

確定子類所在子體系、子類名稱及其內容。將體系內各版塊的級別、類別進行劃分，并歸入不同子類。

（5）產品驗證

在虛擬電廠標準體系建立完成后，不斷根據體系需求的改變而優(yōu)化、修正體系框架。

具體流程如圖2所示。

3.3 虛擬電廠標準體系綜合分析

結合電力行業(yè)其他相近技術領域，如：微電網、能源互聯(lián)網等技術領域標準體系的成熟經驗，根據虛擬電廠聚合多資源進行有序調控和管理的特點，突出虛擬電廠的信息化技術，充分考慮虛擬電廠參與電力市場交易對調控和運維的影響，對標準化的要素進行系統(tǒng)分析，形成如圖3所示的虛擬電廠標準體系總體結構。

其中：（1）基礎標準應涵蓋總則、術語、圖形標準、命名規(guī)則、安全與環(huán)保等內容，為標準體系規(guī)定范疇、明確一系列定義和基礎知識。（2）在業(yè)務標準中，應規(guī)定虛擬電廠的規(guī)劃設計標準。此外，還應規(guī)定工程建設相關標準，并在虛擬電廠系統(tǒng)運營方面作出標準規(guī)范。最后，制定驗收與評價標準，規(guī)范成效評估的業(yè)務流程。（3）在建立信息化標準時，不僅應涵蓋平臺標準和終端標準，還應對系統(tǒng)試驗檢測過程進行規(guī)范。同時，智能應用方面的內容也應在體系中作出相關標準化規(guī)定。（4）在增值服務標準中，應規(guī)定虛擬電廠的優(yōu)化用能和需求響應相關標準，同時制定多資源協(xié)同調度標準。此外，還應涵蓋碳交易相關標準，從而組成體系化的增值服務標準架構。

4 虛擬電廠標準體系框架

虛擬電廠標準體系經過前文的大體框架設計已經具有了初步的規(guī)模，根據現有標準及相關行業(yè)標準體系的參考和比對，本節(jié)將對子類、標準系列進行細化設計，并最終得出虛擬電廠標準體系布局方案。

4.1 基礎標準

如圖4所示為虛擬電廠基礎標準子體系，為虛擬電廠標準提供通用性條款和規(guī)范支撐，組成部分包括虛擬電廠總則、術語、圖形標準、命名規(guī)劃以及安全規(guī)定等方面相關標準。

4.2 業(yè)務標準

如圖5所示為虛擬電廠業(yè)務標準子體系。

規(guī)劃設計子類在虛擬電廠計劃建設階段對建設目標的資源負荷條件分析、勘察規(guī)劃設計方法選擇和具體執(zhí)行作出規(guī)范，是提升虛擬電廠整體能效的標準尺度和關鍵支撐，包括虛擬電廠項目規(guī)劃、工程勘察、資源估計、設計技術與負荷分析等領域的相關標準。

工程建設子類是在虛擬電廠項目投入建設后，對工程建設工作和設備安裝配置工作的執(zhí)行做出規(guī)范，包括虛擬電廠工程建設實施、虛擬電廠設備建設安裝等工作相關的標準。

系統(tǒng)運營子類意在指導虛擬電廠實現多資源高效協(xié)調運行，制定合理計劃滿足系統(tǒng)內不同負荷對電能質量的需求，該子體系由虛擬電廠多資源協(xié)同管理、虛擬電廠運行控制、虛擬電廠多資源協(xié)調優(yōu)化等領域的相關標準組成。

系統(tǒng)運維子類為保證虛擬電廠安全運行、可靠供能提供支持，組成包括虛擬電廠運維檢修、虛擬電廠故障診斷兩部分的相關標準。

驗收與評價子類對虛擬電廠工程規(guī)劃建設成果以及運行過程的評判工作做出規(guī)范，對檢驗工程建設、運行情況有重要意義。其組成包括虛擬電廠規(guī)劃設計評價、虛擬電廠設備調試、虛擬電廠工程驗收、虛擬電廠發(fā)電效果評估、虛擬電廠項目成效評估等。

4.3 信息化標準

如圖6所示為虛擬電廠信息化標準子體系。

信息化平臺標準子類是虛擬電廠信息化、智能化管理的平臺建設基礎，是實現虛擬電廠多方信息交互，深入開展多資源協(xié)調優(yōu)化和出力數據監(jiān)測分析的重要保障，包括虛擬電廠運行管控平臺、虛擬電廠交易與服務平臺、虛擬電廠仿真平臺、虛擬電廠信息安全、虛擬電廠信息系統(tǒng)接口、智能網關技術等技術領域的諸多標準。

系統(tǒng)終端標準子類為客戶提供智能調控、數據量測、遠動作業(yè)、通信、數據價值挖掘的服務提供技術保障，組成部分包括虛擬電廠控制終端、虛擬電廠量測終端、虛擬電廠移動作業(yè)終端、虛擬電廠通信終端等用客戶側終端技術領域標準。

試驗檢測子類為虛擬電廠信息平臺和多種終端設備的可靠運行提供規(guī)范基礎，該子體系由虛擬電廠平臺調試、虛擬電廠平臺維護、虛擬電廠終端調試和虛擬電廠終端檢測幾部分標準組成。

智能應用子類為虛擬電廠實現多資源靈活管控提供技術支持，該子體系由虛擬電廠智慧用能管理、虛擬電廠多資源狀態(tài)監(jiān)測以及虛擬電廠智能運維等相關的技術標準構成。

4.4 增值服務標準

如圖7所示為虛擬電廠增值服務標準子體系。

優(yōu)化用能標準子類是虛擬電廠運營商為分布式電源、儲能設備、可控負荷、可調機組等多類資源提供高效、具有競爭力的虛擬電廠聚合方案的依據。該子體系包括虛擬電廠系統(tǒng)后評價、能源審計、能效評估以及能源托管代運維等相關標準。

需求響應子類為虛擬電廠各資源參與需求響應的調度提供技術保障，組成部分包括虛擬電廠系統(tǒng)終端、需求響應基線負荷計算方法、虛擬電廠調峰業(yè)務、虛擬電廠調頻業(yè)務等技術領域標準。

多資源協(xié)同調度子類為各資源主動參與虛擬電廠運行調節(jié)提供規(guī)范。各類資源擁有者與虛擬電廠運營商達成交易，各資源通過調節(jié)出力和負荷參與虛擬電廠優(yōu)化調控。該子體系由多資源互補效果評估、多資源協(xié)調互動流程、多資源控制要求幾部分標準組成。

碳交易子類為虛擬電廠中的清潔資源以虛擬電廠作為一個整體參與碳交易提供保障。該子體系的組成部分包括虛擬電廠項目碳管理、虛擬電廠綠電交易、虛擬電廠碳交易代理等碳交易過程的標準。

5 標準體系明細表

上述的虛擬電廠標準體系，在結構上包含4個子體系，15個大類；在清潔能源類型上包含光伏、風能、生物質3種清潔能源；在用能場景方面包含工業(yè)園區(qū)、商業(yè)樓宇、農業(yè)用能、公共機構、居民用能5種典型場景。

其中，結合當前虛擬電廠技術發(fā)展中對項目驗收與評價相關規(guī)范的需求增加，故在業(yè)務標準子體系中增加了驗收與評價子類?；谀壳疤摂M電廠中，多資源耦合、節(jié)能咨詢、碳市場交易等業(yè)務規(guī)模逐漸發(fā)展，故將增值服務標準子類單獨開辟為一個子體系，內涵優(yōu)化用能、需求響應、多資源協(xié)同調度和碳交易4個子類。經過調查，平臺技術標準屬于信息化的范疇，故將平臺技術納入新增的信息化標準子體系內，并根據目前虛擬電廠中增加的終端設備、工程實驗和智慧用能管理等需求，新增了系統(tǒng)終端、試驗檢測和智能應用子類。

總體框架中提出了53個標準系列。以上內容具體對應體系內條目舉例見表2。

6 結語

本文提出的虛擬電廠標準體系框架始終從整體的視角進行布局，將設計出一個有機的、不斷發(fā)展的整體作為原則，結構合理，細節(jié)內容涵蓋廣，對目前零散、缺乏體系化的虛擬電廠標準未來科學合理發(fā)展具有指導性意義。