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能源革命的實現(xiàn)高度依賴于未來高比例的可再生能源系統(tǒng)，特別是就地開發(fā)、就地消納的分布式可再生能源。隨著電源和負(fù)荷類別的多元化和分散化，為了保證功率的平衡，虛擬電廠這一可參與電網(wǎng)的調(diào)度運行、可為電力市場提供能量和靈活性服務(wù)的管理系統(tǒng)應(yīng)運而生。在電力供需不平衡時，虛擬電廠將發(fā)揮削峰填谷的作用。在成熟的電力市場環(huán)境下，它可以帶領(lǐng)小型電廠和生產(chǎn)型消費者進(jìn)入大型市場， 使其能夠參與電力交易。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集中與分層分群

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，電源結(jié)構(gòu)將從以化石能源為主逐漸過渡到以清潔、可再生的風(fēng)電、水電、光伏發(fā)電以及光熱等為主。分布式發(fā)電、用能電氣化和靈活負(fù)荷的充分利用是電力的未來，也是能源的未來。

4月26日召開的中央財經(jīng)委員會第十一次會議提出“發(fā)展分布式智能電網(wǎng)，建設(shè)一批新型綠色低碳能源基地，加快完善油氣管網(wǎng)”?？梢钥闯觯植际街悄茈娋W(wǎng)的發(fā)展也開始提?速。

虛擬電廠是分布式資源主體參與市場的一種形式，不論是研究虛擬電廠，還是分布式智能電網(wǎng)，首先要研究電網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，它是電網(wǎng)的最頂層描述（模型）?？紤]電網(wǎng)問題必須優(yōu)先考慮體系結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和體系已經(jīng)與20世紀(jì)電網(wǎng)發(fā)展所依據(jù)的基本原理和假設(shè)有所不同。早期的電力系統(tǒng)采用了統(tǒng)一電力系統(tǒng)的發(fā)展模式。建立結(jié)構(gòu)合理的大型電力系統(tǒng)不僅便于電能生產(chǎn)與消費的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度和分配，減少總裝機容量，節(jié)省動力設(shè)施投資，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，而且有利于地區(qū)能源資源的合理開發(fā)利用，更大限度地滿足地區(qū)國民經(jīng)濟日益增長的用電需求。

傳統(tǒng)的集中控制模式能夠處理數(shù)百甚至數(shù)千個監(jiān)測點和控制點的信息，當(dāng)獨立系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)一步擴大時，集中控制模式就難以適應(yīng)了，于是20世紀(jì)20年代至50年代互聯(lián)系統(tǒng)模式應(yīng)運而生?；ヂ?lián)系統(tǒng)由若干電力系統(tǒng)組成，通過聯(lián)絡(luò)線或其他設(shè)備連接起來，并建立了互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)?；ヂ?lián)系統(tǒng)發(fā)電和潮流控制理論提出了“控制區(qū)”的概念，后來更名為平衡區(qū)，意指區(qū)域內(nèi)電功率能夠保持近乎瞬時的凈功率平衡。

平衡區(qū)的運行規(guī)范可概括為：每個平衡區(qū)有義務(wù)維持其對外的和事先約定的交易日的計劃功率，同時其內(nèi)部發(fā)電的調(diào)節(jié)需要隨時吸收其自身負(fù)荷的變化（即凈功率平衡），即使在該區(qū)域內(nèi)有大的擾動時，也需達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，平衡區(qū)如何運作以完成該目標(biāo)是其自己的事。歷史上，統(tǒng)一電力系統(tǒng)實際上是單平衡區(qū)系統(tǒng)。從電網(wǎng)的安全角度出發(fā)，各平衡區(qū)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)或者優(yōu)化，產(chǎn)生平衡區(qū)間的功率交換計劃，各群必須履行此計劃中所規(guī)定的任務(wù)。以我國西北地區(qū)為例，從西部往東部傳輸可再生能源時，直流輸電功率并非隨著西北地區(qū)風(fēng)光發(fā)電出力的波動而波動，實際上是相對平穩(wěn)的。

由于我國的電網(wǎng)系統(tǒng)一直置于高壓輸電系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)下，覆蓋了眾多的發(fā)電機組和變電站，數(shù)十年來，在管理和控制電力系統(tǒng)以確保其經(jīng)濟可靠運行方面取得了巨大成功。但如果將這個系統(tǒng)和它的底層集中操作范式擴展到配電系統(tǒng)，并擴展到未來電力系統(tǒng)中成千上萬個生產(chǎn)型消費者，就會導(dǎo)致效率和可靠性降低。

對于如何解決這一問題，有人提出設(shè)想：未來的配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、建筑單元（大樓、工廠和住宅等）與輸電系統(tǒng)的差異將逐步消失，具有本地發(fā)電和雙向電力潮流的特點，且都將配有能量管理系統(tǒng)，并按照集群（cluster）的理念實現(xiàn)各自的凈功率平衡。其實這里所謂的群就是前述的平衡區(qū)，其所對應(yīng)的智能電網(wǎng)就是分布式智能電網(wǎng)。


互聯(lián)輸電系統(tǒng)是若干個平衡區(qū)（即區(qū)域性輸電網(wǎng)）互聯(lián)起來的群集（clusters），每個平衡區(qū)是一個集群；每個區(qū)域性輸電網(wǎng)是若干個配電網(wǎng)互聯(lián)起來的群集，每個配電網(wǎng)是若干個微網(wǎng)、建筑單元組成的群集，每個微網(wǎng)又可以是由若干個建筑單元互聯(lián)起來的群集，由此形成多層的群集層次結(jié)構(gòu)。如果這個圖扁平化，則形成群集嵌套。

與平衡區(qū)相似，每個集群都有發(fā)電或負(fù)荷、智能控制（能量管理系統(tǒng)）和通信功能。集群的基本功能包括：進(jìn)行發(fā)電或負(fù)荷調(diào)度；當(dāng)?shù)氐姆答伩刂?，以用于平滑波動；通過削減發(fā)電或負(fù)荷來緩解故障。

分層分群的概念看似與當(dāng)今的電力系統(tǒng)并無太大不同，但一個關(guān)鍵區(qū)別是，潮流不再只是從大型電力系統(tǒng)到用戶的單向流動。首先，配電系統(tǒng)或大電網(wǎng)上的大多數(shù)節(jié)點乃至終端用戶的電表都可以注入和輸出功率，并且可以在這兩個模式之間平穩(wěn)地切換。其次，這些特點再加上不同規(guī)模的經(jīng)濟高效的儲能，變革勢在必行，其中至少要對配電系統(tǒng)運行進(jìn)行變革。從大系統(tǒng)和批發(fā)市場運營商的角度來看，他們希望每個輸電和配電接口都可以在充當(dāng)負(fù)荷節(jié)點和充當(dāng)供應(yīng)節(jié)點之間切換運行方式。

美國西北太平洋國家實驗室通過分層優(yōu)化解耦研究，也確認(rèn)了這種分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，所有群協(xié)作作為一個常見的優(yōu)化問題，定會產(chǎn)生必要的協(xié)調(diào)信號。在局部，每個群都可以使用協(xié)調(diào)框架內(nèi)的本地目標(biāo)和約束條件來執(zhí)行優(yōu)化。需要強調(diào)的是，上述分層分群的電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)不需舍棄成功的能量管理系統(tǒng)或運行良好的輸電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運行的做法，僅是使其變得更簡單（對外圍設(shè)備不承擔(dān)任何責(zé)任）。

對能源清潔低碳轉(zhuǎn)型有積極作用

虛擬電廠的概念與實踐對分布式電源發(fā)展、能源清潔低碳轉(zhuǎn)型有著積極意義。

電網(wǎng)被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，而互聯(lián)網(wǎng)則是21世紀(jì)最偉大的創(chuàng)新。互聯(lián)網(wǎng)是智能的，可以輕松地適應(yīng)接連不斷的具有顛覆性的信息革命快速變化的情景。在新的電力時代，電網(wǎng)也將像互聯(lián)網(wǎng)一樣智能化。

互聯(lián)網(wǎng)之所以智能，因為它是從全球互聯(lián)網(wǎng)到局域網(wǎng)這樣一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣一種分群分層方式的構(gòu)造，使得網(wǎng)絡(luò)責(zé)任分?jǐn)偝蔀榭赡堋Ｃ恳粋€互聯(lián)網(wǎng)子域的協(xié)議棧都是分層結(jié)構(gòu)，有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、通信層。這些子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議非常明確。明確的分工特別適合技術(shù)創(chuàng)新，所以互聯(lián)網(wǎng)的智能化分布在整個網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

從互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗來看，分層分群體系結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)具有與互聯(lián)網(wǎng)一樣的層次結(jié)構(gòu)特點和運行范式，因而也會像互聯(lián)網(wǎng)一樣的智能。它特別適合未來電網(wǎng)發(fā)展，尤其體現(xiàn)在以下六個方面：

一是可以更好地利用多變的可再生能源，當(dāng)可再生能源由當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者運營時，他們對資源的預(yù)測、計劃和控制有更好的了解。二是可為生產(chǎn)型消費者賦權(quán)。生產(chǎn)型消費者將受到機制的激勵，積極安裝和運行高效設(shè)備，例如光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、電動汽車充電系統(tǒng)以及信息和通信系統(tǒng)等。三是與外圍設(shè)備分擔(dān)責(zé)任。在數(shù)字化時代，因為硬件變得越來越便宜，軟件變得越來越智能，外圍設(shè)備的智能化管理模式與電網(wǎng)運營商在管理其子電網(wǎng)方面相似。四是納米電網(wǎng)、迷你電網(wǎng)和微電網(wǎng)的無縫集成。新范式的責(zé)任分擔(dān)功能與當(dāng)今的納米電網(wǎng)、迷你電網(wǎng)和微電網(wǎng)的自治或半自治理念兼容，有助于它們的無縫集成。此外，允許群集的半自治運行能防止生產(chǎn)型消費者“逃離”電網(wǎng)。五是快速適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新：分層分群的體系結(jié)構(gòu)使整合創(chuàng)新技術(shù)變得容易。六是增強韌性和抵御不斷增加的網(wǎng)絡(luò)攻擊。平衡區(qū)理念可把分布式電源的使用同來自電網(wǎng)的各種壓力解耦，并提供一種可以更具體地應(yīng)用于提升分布式電源容量系統(tǒng)韌性（且不降低配電的可靠性）的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，大電網(wǎng)的運行部門不要求配電層次上任何詳細(xì)的可觀性，同時還可避免安全事故擴大化和網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。

從虛擬電廠的發(fā)展來看，如果一個配電區(qū)域發(fā)電量大于用電量，它就可以向輸電系統(tǒng)運營商輸出正功率；滿足平衡區(qū)定義條件的虛擬電廠，如果同時遵守相同的運行規(guī)范，就可以助力保障未來超復(fù)雜電網(wǎng)的可靠性。如此，隨著虛擬電廠的發(fā)展，就會逐步形成一個個相對獨立的功率平衡區(qū)，從而加速分層分群電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的形成。因此，一定要把電網(wǎng)分層分群體系結(jié)構(gòu)中的功率平衡區(qū)作為虛擬電廠的范式。

同時應(yīng)明確以下三點：首先，平衡區(qū)的運行規(guī)范是平衡區(qū)內(nèi)自行實現(xiàn)凈功率平衡與優(yōu)化，各平衡區(qū)間圍繞總體目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)。其次，虛擬電廠需滿足平衡區(qū)定義中的條件，且最好遵守相同的運行規(guī)范，以確保未來超復(fù)雜電網(wǎng)的可靠責(zé)任。最后，監(jiān)管結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)行業(yè)結(jié)構(gòu)（包括市場結(jié)構(gòu)）和控制、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)應(yīng)保持一致。配電層次的虛擬電廠聚合的全部分布式電源，只能由一個當(dāng)?shù)氐呐潆娤到y(tǒng)運營商（DSO）管理，且每個分布式電源都由當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)和大容量電力系統(tǒng)之間的單一接口進(jìn)行電氣定義。

原標(biāo)題： 余貽鑫院士：從未來電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)看虛擬電廠