0 引言
虚拟电厂通过传感、通信、预测、能量管理、市场交易等技术手段，聚合规模小、地理位置分散的分布式发电、储能、可控负荷、电动汽车等资源，与大电网友好互动，参与电力系统运行和电力市场交易[15, 28-30]。在提升电网安全运行水平和提高可再生能源消纳的基础上，实现资源的优化配置，为参与各方带来增值收益[8, 28-30]。新型电力系统的发展成为未来趋势，在新的发电、输电、配电、用电势态下，虚拟电厂是当前国家开展新型电力系统建设，实现“碳达峰、碳中和”目标的一个重要建设方向[6, 18, 28-30]，在破解清洁能源消纳难题、绿色能源转型方面发挥重要作用，它能够提升能源服务，实现对分布式能源的响应分配、灵活潜力挖掘、实时协调控制，参与电力交易市场和需求响应[13, 27, 29-30]。
目前，国内外学者在虚拟电厂的需求响应、优化调度、控制策略、综合服务、运营管理等方面已经有了一些基础性研究，文献[2]针对可再生能源消纳的问题进行了分析，在对虚拟电厂的基本概念进行详细阐述的基础上提出了基于虚拟电厂的消纳可再生能源能力提升措施；文献[7]对需求响应模式、负荷分类建模的研究成果进行了总结，并根据负荷用电特点总结出各类负荷通用模型，以期实现大规模负荷群控制；文献[11]引入了集群服务商对包含多类型资源虚拟电厂的集群进行合理管控，构建虚拟电厂集群系统架构，为解决虚拟电厂“源-荷”资源差异性和可再生能源波动性问题提供了解决思路；文献[21]构建了虚拟电厂“批发-零售”两级市场交易体系，并建立了虚拟电厂协调优化机理，为营造合理的商业模式提供了理论参考；文献[26]采取了虚拟电厂同时参与直接电力交易市场与调峰市场的运营模式，提出了基于条件风险价值理论的虚拟电厂日前优化运行模型，实现了对期望成本进行合理分配。综合以上分析，已有研究相对缺乏对虚拟电厂智慧运营管控平台的研究，尤其缺乏从系统框架与综合功能视角对虚拟电厂智慧运营管控平台的分析，亟需进一步开展相关方面研究。
基于此，本文将从系统框架和综合功能2个视角，对虚拟电厂智慧运营管控平台进行深度剖析和阐述。在分析虚拟电厂运营管控框架及其参与市场框架的基础上，对虚拟电厂能源生态系统进行分析，基于平台体系框架和平台结构框架2个维度分析虚拟电厂智慧运营管控平台系统框架，并进一步剖析虚拟电厂智慧运营管控平台综合功能，最后从多个方面对虚拟电厂智慧运营管控平台建设目标进行总结与展望。
1 虚拟电厂能源技术框架
1.1 虚拟电厂运营管控框架
正因为虚拟电厂聚合了多种能源资源，包括可调灵活负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式能源等，所以才可以在电网中扮演“正电厂”或“负电厂”的角色，配合系统填谷，快速响应指令，配合保障系统稳定并获得经济补贴，甚至可进一步等同于电厂参与容量、电量、辅助服务等各类电力市场，获得经济效益[5, 16, 22]。以往传统的电力系统削峰填谷，基本是通过火电厂实现的，满足峰值负荷需要大量投资电厂和配套电网；而通过虚拟电厂只需要在建设、运营、激励等环节满足较少投资，就可以实现有效的削峰填谷功能，是一种相对省钱的解决思路[7, 16, 27-28]。可见，通过虚拟电厂来进行电力调峰，将有助于少建或不建传统的火力发电厂调峰，大力推动电力行业“碳达峰、碳中和”目标的落地[14-16, 19]。虚拟电厂作为新型电力系统转型中的重要配置，在政策扶持、技术验证、商业模式等方面都日趋成熟。可预见，虚拟电厂成为未来解决能源变革的重要手段，即将迈入快速增长期[16, 19, 30]。
1.2 虚拟电厂参与市场框架
图1
图1
虚拟电厂参与市场框架示意图
Fig. 1
Schematic diagram of participation market framework of virtual power plant
基于屋顶光伏、分布式风电等大量分散式发电资源，虚拟电厂通过整合包括分布式光伏、风电等在内的分散式发电资源，在电力市场运营中参与电能量市场与辅助服务市场，并且提高电力系统与光伏、风电等清洁能源波动性的相互适应性[9, 12, 15, 24]。在低碳运行方面，虚拟电厂通过市场利益分配，提高分散式风电、分布式光伏等可再生能源、储能系统、柔性灵活负荷等各类分布式发电市场参与积极性和便利性，增加分布式发电规模效应，促进供需互动，减少分布式发电随机性、波动性对电力系统的影响，提高电力系统可再生能源接纳能力，提供系统低碳环保运行能力[6-8, 11, 28]。在新能源消纳方面，通过虚拟电厂的运行机制实现传统能源与新能源之间的互补协同调度与电网的优化运行，以最大程度地平抑新能源电力的强随机性、波动性，提高新能源的利用率[15-19, 24, 30]。
1.3 虚拟电厂能源生态系统
虚拟电厂系统和服务平台将发、输、配、用电聚合在一起，内部的每一部分都是一个小能源系统，虚拟电厂丰富了智能电网的内涵，也扩展了智能电网的外延，为保证安全、可靠、优质、高效的电力供应，满足经济社会发展对电力的多样化需求，解决能源与环保问题提供了可行的解决方案。
电网对运行安全有着严格要求，而电网安全的首要目标就是保证发、用电的实时平衡，需要发电侧的不断调节去拟合负荷曲线[17-20, 24]。但是，新能源发电严重依赖于光照强度、风力强度等自然资源，具有随机性、间歇性和波动性的特点，对负荷的支撑能力不足[4, 12, 20-23]。若规模化直接并入电网发电，将会对电网造成巨大冲击，威胁电力系统安全以及供电的稳定性[9, 13-14, 22]。另外，由于小型分布式新能源发电设施、储能设施、可控制用电设备、电动汽车等的持续发展普及，在用电侧，很多电力用户也从单一的消费者转变为混合形态的产销者，并且各类激增的大功率用电设备(如充电桩)也使电网供应尖峰负荷时压力倍增，不能任由其尖峰负荷集中叠加出现。因而，在新的发用电背景下，虚拟电厂技术应运而生，虚拟电厂技术为保障电力能源的安全高效利用开辟了一条新的路径[3-5, 13, 23]。
2 虚拟电厂智慧运营管控平台系统框架
2.1 虚拟电厂智慧运营管控平台体系框架
图2
图2
虚拟电厂智慧运营管控平台体系框架示意图
Fig. 2
Schematic diagram of system framework of intelligent operation management and control platform for virtual power plant
虚拟电厂智慧运营管控平台系统架构主要从安全性视角进行设计，分为感知层、网络层、平台层和应用层。由于负荷侧、分布式电源物理网络接入类型众多，包括无线公网、专线公网、光纤专网等，这些资源接入平台时，需经过“安全接入区”进行隔离和防护。平台与电网运营系统、电力交易平台交互时，须经过防火墙隔离。在平台内部，控制大区和管理大区之间，通过正反向隔离装置进行隔离。
2.2 虚拟电厂智慧运营管控平台结构框架
图3
图3
虚拟电厂智慧运营管控平台结构框架示意图
Fig. 3
Schematic diagram of structural framework of intelligent operation management and control platform for virtual power plant
虚拟电厂智慧运营管控平台结构框架包括1个平台、2张网络、4个中心和多方应用[16]。
1）1个平台：基于云平台部署虚拟电厂智慧运营管控平台，采用云平台架构部署，可实现设备数据和互动信息的计算、存储、集成能源运行管理、交易、服务功能，聚合优化各类可调度资源与电力系统实时交互，参与电网调度、调峰、调频、辅助服务和电力市场交易。
2）2张网络：构建以智能配电网、园区微电网为核心的多能流网络和以“云管边端”架构为核心的电力物联网，通过电力物联网实现电力能量网络的贯通、聚合，构建园区虚拟电厂智慧运营管控平台。
3）4个中心：包括资源管理中心、计算分析中心、运行控制中心和交易管理中心，根据业务分类，基于“微应用”服务架构的多方应用分别部署于各中心，支持应用弹性伸缩，即快速部署和快速下线。根据应用需求，可扩展能量管理中心，能量管理中心实现基于资源状态和市场信息的资源监视和控制策略制定，实现多能流全程掌控、监视、调配。
4）多方应用：对电力系统，提升系统灵活调节和新能源消纳能力；对售电公司、电力用户，提供便捷参与电力互动的技术手段、市场化参与的渠道与可持续的商业模式；对电网公司，提高资源可观可控性，提升电网安全稳定运行水平；对发电企业、园区企业，提升存量机组利用效率，促进新能源消纳；对新兴市场主体，拓展业务模式，形成商业新业态。
虚拟电厂智慧运营管控平台基于电力物联网可接入风力发电、光伏发电、柴油发电、燃气发电、储能等分布式电源和电动汽车等柔性负荷，同时基于平台的运行控制中心，可控制电力能量的合理流动。同时，平台支持和调度中心、电力市场交易管理中心进行信息交互。
3 虚拟电厂智慧运营管控平台综合功能
3.1 综合功能结构蓝图
虚拟电厂智慧运营管控平台是对虚拟电厂主站管辖下的虚拟电厂终端进行监控和管理的平台。智慧运营管控平台与虚拟电厂终端之间进行信息交互，对含电动汽车、储能设备、可控资源在内的各类用户柔性负荷、分布式发电资源进行数据采集和调节控制。
通过智慧运营管控平台，可实时了解用户负荷以及分布式发电资源的运行情况，并对信息进行分类、处理，以不同的形式(如报表、曲线、饼图、柱状图等)进行展示，方便运行维护人员实时了解资源的运行状态，基于不同的调控策略对虚拟电厂终端进行调控，同时，智慧运营管控平台通过用户管理、发电运营和售电运营，参与电力系统辅助服务市场，其具体综合功能结构如图4所示。
图4
图4
虚拟电厂智慧运营管控平台功能结构示意图
Fig. 4
Schematic diagram of functional structure of intelligent operation management and control platform for virtual power plant
虚拟电厂智慧运营管控平台通过公网或者电力专网，与用户负荷及分布式发电资源进行信息通信。系统与营销业务应用系统交互电力市场信息，包括电力价格、用户合同等；与调度自动化系统交互电网调控信息，包括接收电网负荷信息、电网调控指令，发送调控结果等；与用户采集终端交互用户电量数据，包括接收所有电力用户的电量数据，发送聚合电力用户的电量数据等。
3.2 综合功能物理结构
虚拟电厂智慧运营管控平台一般部署在负荷聚合商机房，其综合功能物理架构如图5所示。
图5
图5
虚拟电厂智慧运营管控平台物理结构示意图
Fig. 5
Schematic diagram of physical architecture of intelligent operation management and control platform for virtual power plant
从安全分区上分为安全Ⅰ区和安全Ⅳ区。安全Ⅰ区包括监控和能量管理服务器、前置服务器、时间同步装置、安全接入区、监控工作站等设备，通过“无线物联专网”，接入各类用户资源(包括风力发电、光伏发电、电动汽车、智慧楼宇、储能系统等)。安全Ⅳ区包括电力市场交易服务器、Web发布服务器、安全接入网关、安全隔离装置、交易工作站等设备，通过互联网向用户终端发布电力交易信息、用户资源运行状况等信息。
3.3 综合功能场景应用
1）面向电力系统，提升新型电力系统的灵活调节、“源网荷储”互动和新能源消纳能力。
2）面向发电企业，为新能源机组提供新增调峰辅助服务能力，降低调峰市场总成本，促进新能源消纳；缓解传统火电机组深度调峰压力，提升存量机组利用效率。
3）面向电网公司，提高分散在配电网负荷侧中可调节资源的可观性、可控性和实时响应能力，提升电网安全稳定运行水平；提高设备使用效率，减少电网的投资与建设。
4）面向电力用户，为分布式光伏、充电汽车、用户侧储能等产销结合的新型用户提供“售电”的途径，提供参与电力市场的交易渠道、可持续的商业模式；蓄热式电锅炉、智能楼宇、工商业用户可根据价格信号主动选择用电行为，降低用能成本。
4 结论
作为“虚拟电厂聚合商”的资源管理和监控、智慧运营、管控、参与电力市场的重要技术平台，虚拟电厂智慧运营管控平台具有很大的市场潜力，发展应用前景广阔。
虚拟电厂智慧运营管控平台在国内研究刚起步，目前尚未有可批量推广的产品。各省正在筹建智慧运营管控平台，此平台是未来虚拟电厂省级主站的基础，基于此平台也可以扩展虚拟电厂能量管理系统。由于电力市场的不断发展，虚拟电厂在省级电力市场规则下的发展和应用需进一步摸索和完善，在推进虚拟电厂智慧运营管控平台建设中，需要重点关注并实现如下目标。
1）技术性目标：通过虚拟电厂智慧运营管控平台建设，以最低的经济和环境成本保证电网平衡，为解决电力供需平衡提供技术手段。
2）经济性目标：虚拟电厂智慧运营管控平台是连接零售市场与批发市场的智能化桥梁，帮助分布式能源所有商、负荷聚合商、负荷代理商及终端用户等实现价值最大化、利润最大化。
3）角色定位：作为数字虚拟发电厂，通过配电网参与电力系统整体运行调度；在电力批发市场竞争模式下，可以作为独立的辅助服务提供商；在电力零售竞争模式下，可以作为零售商、负荷聚合商、负荷代理商参与电力零售市场。
4）未来发展：发挥数字化和互联网技术优势，通过智能化地管理多样性分布式电源、作为网络资源的协同共享体，利用大数据分析海量能源数据，创造新的商业模式。
随着能源革命与数字革命的推进，虚拟电厂获得了前所未有的发展机会。其中，大数据、云计算、边缘技术、人工智能技术使得虚拟电厂获得了智能化资源识别、场景资源适配、广域调度能力；移动互联、物联网技术使得分布式资源的规模化聚合问题得以解决。丰富化、共享型的应用场景，使得用电客户参与意愿更强、参与机会更多、参与收益更高。可以预期，虚拟电厂的发展前景十分广阔，而虚拟电厂智慧运营管控平台关键技术研究和发展应用程度将直接决定虚拟电厂发展前景。
参考文献
新形势下发电企业在综合能源服务领域的业务分析
[J]．
Business analysis on integrated energy services of power generation enterprises under the new circumstances
[J]．
一种基于虚拟电厂技术的城市可再生能源消纳能力提升方法
[J]．
A method for improving the accommodating capability of urban renewable energy based on virtual power plant technology
[J]．
Hierarchical multi-objective fuzzy collaborative optimization of integrated energy system under off-design performance
[J]．
输配一体化综合能源系统的运行多指标评估方法
[J]．
Multi-index evaluation for integrated energy system operation connecting transmission and distribution levels
[J]．
园区与区域能源互联网需求互动的动态协同优化运行分析
[J]．
Dynamic cooperative optimization and operation analysis of interaction demand between community and regional energy internet
[J]．
5G network-based internet of things for demand response in smart grid：a survey on application potential
[J]．
民用可控负荷参与需求响应的控制策略
[J]．
Control strategy of civil controllable load participating in demand response
[J]．
虚拟电厂的优化调度技术与市场机制设计综述
[J]．
Review of optimal dispatching technology and market mechanism design for virtual power plants
[J]．
风电和电动汽车组成虚拟电厂参与电力市场的博弈模型
[J]．
Game model of electricity market involving virtual power plant composed of wind power and electric vehicles
[J]．
元电力：新一代智能电网
[J]．
Meta-power： next-generation smart grid
[J]．
考虑电能交互共享的虚拟电厂集群多时间尺度协调运行策略
[J]．
Multi-time scale coordinated operation strategy of virtual power plant clusters considering power interactive sharing
[J]．
能源互联网群体智能协同控制与优化技术
[J]．
Swarm intelligence collaborative control and optimization technology of energy internet
[J]．
含电-热-气-冷子系统的区域综合能源系统多场景优化调度
[J]．
Multi-scenario optimal dispatch of integrated energy system with power，heating，gas，and cooling subsystems
[J]．
考虑虚拟电厂参与的售电公司双层优化调度模型
[J]．
A bi-level optimal dispatching model of electricity retailers integrated with VPPs
[J]．
虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述
[J]．
Overview on the characteristics，connotation and development status of virtual power plants in China
[J]．
碳中和背景下全球能源互联网构建的关键技术及展望
[J]．
Key technologies and prospects for the construction of Global energy Internet under the background of carbon neutral
[J]．
Multi-objective optimization for cyber- physical-social systems：a case study of electric vehicles charging and discharging
[J]．
新能源为主体电力系统的需求侧资源利用关键技术及展望
[J]．
Key issues and prospects of demand-side resource utilization for power systems with new energy as the mainstay
[J]．
Review of modeling and control strategy of thermostatically controlled loads for virtual energy storage system
[J]．
泛在电力物联网下虚拟电厂运营机制及关键技术
[J]．
Operation mechanism and key technologies of virtual power plant under ubiquitous internet of things
[J]．
考虑源-荷-储多能互补的冷-热-电综合能源系统优化运行研究
[J]．
Research on optimal operation of cold-thermal-electric integrated energy system considering source-load-storage multi-energy complementarity
[J]．
考虑不确定性和储能系统的虚拟电厂与能效电厂联合调度优化模型及仿真应用
[J]．
Cooperative scheduling optimization model and simulation application for virtual power plant and efficiency power plant considering uncertainty and energy storage system
[J]．
含虚拟电厂的风电并网系统分布式优化调度建模
[J]．
Decentralized optimal dispatching modeling for wind power integrated power system with virtual power plant
[J]．
Agent-based aggregated behavior modeling for electric vehicle charging load
[J]．
考虑调峰辅助服务的虚拟电厂运营模式
[J]．
Operation mode of virtual power plant considering peak regulation auxiliary service
[J]．
A multi-time-scale economic scheduling strategy for virtual power plant based on deferrable loads aggregation and disaggregation
[J]．
泛在电力物联网研究现状分析
[J]．
Analysis of research status for ubiquitous power Internet of things
[J]．
基于合作博弈的能源互联网经济能效分层协同优化调度
[J]．
Hierarchical collaborative optimal scheduling of economy energy efficiency in energy internet based on cooperative game
[J]．
Multi-energy storage system model based on electricity heat and hydrogen coordinated optimization for power grid flexibility
[J]．
