中國儲能網訊：隨著所有工商業(yè)用戶全部進入電力市場，用戶側參與電網互動和交易的政策機制逐步成熟，尤其近兩年國內缺電嚴重，多個省份陸續(xù)頒布了需求響應、虛擬電廠相關交易規(guī)則。筆者所在團隊近兩年圍繞虛擬電廠的建設與運營開展了一系列的研究和實踐工作。本文簡要介紹團隊在廣東省的虛擬電廠實踐案例，并提出對于虛擬電廠發(fā)展的系列思考，希望能夠為虛擬電廠從業(yè)者和關注者提供有益借鑒。
廣東省虛擬電廠建設實踐
廣東省虛擬電廠市場規(guī)則要點
廣東省于2022年3月22日印發(fā)《廣東省市場化需求響應實施細則（試行）》，規(guī)定了虛擬電廠管理要求和相關交易品種。廣東省虛擬電廠按照是否具備調度中心直接控制條件分為非直控型（邀約型）和直控型兩類，分別參與日前邀約需求響應交易和直控虛擬電廠容量與電能量交易。
日前邀約需求響應交易
調度中心預計運行日存在系統(tǒng)性或地區(qū)性電力供應緊張時，提前披露需求響應邀約信息，包括需求容量、時段和地區(qū)等。市場主體在D-1日以虛擬電廠為單元提交申報信息，包括可響應容量、時段和價格。調度中心按價格優(yōu)先、時間優(yōu)先原則排序，邊際定價出清，并向市場主體披露出清結果。運行日，市場主體須按中標結果執(zhí)行需求響應，基于基線負荷計算實際響應容量并給予補償，若實際響應容量未達中標量的50%以上，則需進行考核。
直控虛擬電廠容量與電能量交易
直控虛擬電廠準入要求較高，聚合容量需達到10兆瓦，滿足相關并網管理要求并經測試認定調節(jié)容量、持續(xù)時間、響應延時、調節(jié)速率、調節(jié)精度等性能參數。直控虛擬電廠可參與以半年或一年為周期的容量交易，采用報量報價、邊際出清模式，中標并按承諾投產可獲得容量補償。納入運行后，直控虛擬電廠可按現貨電能量與輔助服務交易規(guī)則參與交易和贏利，但目前具體交易、調用與結算方式尚未明確。
虛擬電廠運營平臺核心需求
虛擬電廠運營平臺建設需要在充分理解市場規(guī)則內涵的基礎上定位關鍵業(yè)務流程和核心技術路線。一方面，整體功能與業(yè)務流程設計應全面覆蓋虛擬電廠運營業(yè)務流程，有效增強聚合商全環(huán)節(jié)管理能力和效率；另一方面，關鍵的數據、策略和控制邏輯應由基于數據分析和建模優(yōu)化的算法程序精確計算給出，從而保障虛擬電廠決策和控制的準確性和可靠性，最大程度提升收益。
筆者團隊針對廣東省邀約需求響應與直控虛擬電廠兩類交易品種分別搭建了相應的管理運營平臺，以“云上SaaS服務+手機端小程序+邊緣網關能源物聯”的方式，為負荷聚合商參與廣東省需求響應交易提供信息化與智能化技術支撐。根據實踐經驗，廣東省虛擬電廠運營平臺的核心需求主要包括：資源篩選與響應能力評估，交易申報量價優(yōu)化，調度指令分解執(zhí)行，實時監(jiān)視與預警，收益分析與分配設計。
關于虛擬電廠發(fā)展的思考
思考一：關于市場規(guī)則
按虛擬電廠為電力系統(tǒng)運行提供的調節(jié)功能，其參與的交易品種可劃分為需求響應、電能量、輔助服務三類。其中，需求響應屬于偶發(fā)交易，在電網供需調節(jié)存在困難時觸發(fā)，具有交易頻次不確定、但補貼力度大的特點；電能量與輔助服務均屬于常態(tài)交易，服務于電力系統(tǒng)小時級與分鐘級平衡調節(jié)，交易頻次高，交易價格與常規(guī)機組共同競爭形成。根據技術實現與管理難度，虛擬電廠相關市場規(guī)則通常先由需求響應或控制要求較低的調峰輔助服務市場起步，具備實時控制能力時引入電力現貨市場，具備秒級精確控制能力時可參與調頻、備用等輔助服務市場。
國內已有諸多省份開放了虛擬電廠等第三方主體和用戶資源參與市場交易的政策與規(guī)則，但所處階段有所差異。據筆者團隊調研統(tǒng)計，目前已有上海、江蘇、廣東、浙江、山東、河南等14個省（區(qū)）、直轄市出臺了虛擬電廠參與需求響應新政策，其中除廣東、浙江等省份已引入需求響應市場化交易確定補償價格以外，其余大部分省份仍為固定價格補償。電能量交易方面，目前僅山西、山東出臺了虛擬電廠參與電力現貨市場交易的具體規(guī)則，但暫未了解到具體運行項目案例。輔助服務方面，以華北、華中、西北等區(qū)域調峰市場與上海、浙江等省內調峰市場為主，隨著一批、二批現貨試點省份進入連續(xù)運行，省內調峰市場的功能正在削弱；南方區(qū)域、江蘇、浙江允許虛擬電廠參與調頻、備用等輔助服務交易或實施兩個細則補償，但實踐案例極少。
上述幾類交易品種中，僅有需求響應具有較好的盈利空間，但其交易頻次不確定，總體收益存在較大波動；受限于各現貨試點省份峰谷價差不足的現狀，虛擬電廠參與電能量交易的獲利空間有限，且與售電業(yè)務存在一定程度的功能重合，虛擬電廠建設的增量效益不明顯；調峰輔助服務市場補貼力度小，且市場規(guī)模逐步萎縮，難以成為虛擬電廠的主要收入來源。因此，雖然業(yè)內普遍看好虛擬電廠的發(fā)展趨勢和前景，但目前國內的市場規(guī)則、交易品種尚未形成可驗證、可持續(xù)的收益空間，各方對于投資建設虛擬電廠仍然非常謹慎。
隨著各省電力市場體系逐步發(fā)展成熟、交易品種豐富和增加，虛擬電廠可參與的交易場景與收益渠道也將越來越多。只有通過合理的市場規(guī)則設計，全面準確衡量虛擬電廠發(fā)揮的容量價值、能量價值、調節(jié)能力價值，根據其為電力系統(tǒng)運行創(chuàng)造的效益或節(jié)約的成本恰當地分配收益，才能促進虛擬電廠的蓬勃發(fā)展，為新能源的充分與高效消納打好資源基礎。
思考二：關于商業(yè)模式
虛擬電廠運營模式是三層架構，上層是電力交易運營機構，中層是負荷聚合商（或虛擬電廠運營商），下層是各類電力用戶和能源設備資產。上層與中層的交互模式與利益分配由市場規(guī)則決定，虛擬電廠商業(yè)模式真正的關鍵和核心是負荷聚合商與能源資產持有方之間的權責互動與利益分配關系。虛擬電廠與售電業(yè)務的商業(yè)模式有較大的相似之處，同樣是三層主體，同樣是聚合與代理終端電力用戶參與批發(fā)市場競爭，本質上都屬于負荷聚合商或售電公司依托終端用戶的能源資產和用電行為、借助批發(fā)與零售端的信息不對稱和技術不對稱獲利。然而，虛擬電廠的商業(yè)模式又比售電業(yè)務復雜得多，體現在以下幾個方面：
接入成本高。虛擬電廠需要對能源設備進行監(jiān)測、分析和控制，必須部署相應的傳感器、控制器以及邊緣計算和通信裝置，接入和二次遷移成本較高。針對非自有資產或者用戶黏性不足的情況下，負荷聚合商對用戶設備接入的投資持謹慎態(tài)度。當前，電網公司正在加大對負荷控制系統(tǒng)與終端的投入，未來或許有望像售電市場一樣，實現商業(yè)運營與物理控制的分離，負荷聚合商只需按照規(guī)范接入電網公司物聯網平臺即可實現能源設備的通信與控制，而且可隨時切換所連接的用戶資產，極大降低全社會在用戶側能源設備數字化接入方面的投入。
資源要求高。與售電業(yè)務主要看重用戶負荷曲線特性不同，虛擬電廠更關注用戶能源設備的調節(jié)性和可控性?，F階段，受限于生產運行安全以及客戶舒適度與滿意度等方面的考慮，針對工商業(yè)用戶的設備用電控制技術仍未有大規(guī)模實踐，負荷聚合商多數以聚合獨立可控能源資產為主，如分布式光伏、儲能、充電樁等，以利于起步。因此，部分負荷聚合商選擇自行投資此類可控能源資產作為接入對象，從而提升虛擬電廠的調節(jié)和控制能力。
技術要求高。售電業(yè)務的核心在營銷與交易，而虛擬電廠除交易外，還需做到細顆粒度的預測、分析和控制，并且需要搭建安全可靠的通信架構和運營平臺，技術要求非常高。因此，虛擬電廠運營的難度和風險相比售電也大大增加，需要自建或者委托專業(yè)團隊開展全過程的業(yè)務與技術支撐。
互動耦合強。售電業(yè)務在批發(fā)端與零售端相對解耦，售電公司的收益空間是兩者差價，從這個意義上說，售電公司與終端用戶的利益是對立的。然而，虛擬電廠的調節(jié)能力來自于用戶的主動響應，負荷聚合商與用戶的利益是緊密綁定的。負荷聚合商需要制訂更有吸引力的價格或分成套餐，更充分地激勵用戶主動配合調節(jié)，更頻繁和有效地與用戶產生互動，才能獲得更大的市場回報。
虛擬電廠的商業(yè)探索尚在早期，相信隨著市場走向成熟，更復雜、精巧、有效的商業(yè)模式會不斷涌現，參與到虛擬電廠建設與運營行業(yè)當中的角色與利益相關方也將越來越多，筆者對此充滿期待。
思考三：關于資源主體
虛擬電廠對調節(jié)能力的渴求決定了并非所有用戶側能源設備都適合接入和聚合。筆者團隊立足國內虛擬電廠發(fā)展現狀，對數個行業(yè)和企業(yè)開展了調研、思考和初步實踐，認為虛擬電廠應優(yōu)先接入的資源主體分為以下幾類：
獨立可控能源設施。虛擬電廠應首先考慮接入相對獨立、與工商業(yè)生產生活耦合小、通信與控制能力成熟的能源設施，如分布式光伏、儲能、小水電、自備電廠等。此類設施可實現與網供電之間的靈活切換，調節(jié)精度和可靠性高，可借助此類設備實現用戶凈計量負荷的精準調節(jié)，獲取分時電價套利以及需求響應、輔助服務補償收益。
垂直領域分布式用電主體。具有廣域覆蓋屬性的垂直領域分布式用電主體也是良好的虛擬電廠資源，如通信基站、加油站、充電樁、換電站（柜）等。此類資源通常單點用電量不大、調節(jié)能力有限，但是一個區(qū)域內往往布點密集且同屬一家企業(yè)管理，以面的優(yōu)勢彌補點的不足，是天然可聚合的分布式資源。
高度標準化、調節(jié)潛力大的制冷制熱設備。制冷制熱設備隨處可見，占全社會用電量的比例較大，壓縮制冷制熱、電制熱原理技術成熟且高度標準化。熱力學系統(tǒng)的慣性特征使得此類設備具有較大的調節(jié)潛力，且近年來冰蓄冷、固體蓄熱技術逐步發(fā)展成熟。此類設備具有非常好的聚合調節(jié)屬性，可結合具體應用場景制訂虛擬電廠調控策略。
具有較大調節(jié)彈性的高耗能工業(yè)。工業(yè)負荷雖然電量占比大，但由于各類生產運行約束的限制，調節(jié)難度非常高。不同行業(yè)的生產流程工藝差異巨大，難以標準化，且對于部分行業(yè)而言，虛擬電廠創(chuàng)造的效益不足以支撐相應的改造成本。因此，筆者建議優(yōu)先考慮生產流程中存在儲能、儲料環(huán)節(jié)，從而具備一定調節(jié)彈性的高耗能工業(yè)，如鋼鐵（儲熱）、陶瓷（儲熱）、紡織（儲熱）、水泥（儲料）等，尤其應關注能源電氣化程度較高的行業(yè)。
虛擬電廠聚合資源的選擇極為關鍵，直接決定了調節(jié)潛力和收益空間。隨著技術的進步與發(fā)展，可供聚合的資源將越來越多，作為負荷聚合商，對此問題應當時刻保持思考。在此，也呼吁相關行業(yè)的生產制造設備廠商可以結合未來能源與市場結合的發(fā)展趨勢，提前介入相關的技術研發(fā)，為能源設備的靈活調節(jié)奠基物理基礎。
思考四：關于核心技術
虛擬電廠業(yè)務架構層次多、流程復雜，除基礎物聯和通信技術外，還涉及特性分析、聚合等值、邊界預測、交易決策、調度分解、安全控制等復雜計算技術。這六大技術共同組成貫穿虛擬電廠運營全流程的核心技術體系：
資源運行特性分析。資源運行特性分析主要解決應當聚合哪些資源的問題。各地規(guī)則對虛擬電廠均有調節(jié)容量、時長、速率、精度方面的參數要求，因此在虛擬電廠的建設階段就應當針對擬聚合資源的運行特性進行深入分析，考慮不同資源的協同和互補特性，合理劃定聚合集群，以滿足虛擬電廠性能參數要求。
資源聚合等值計算。資源聚合等值計算的目的是得到聚合體的對外等效調節(jié)能力與成本特性。需要對所聚合的各類資源進行建模，精細考慮各種能源設備的運行約束，包括設備自身參數、安全約束、經濟約束、環(huán)境約束等等，將多個設備各自的調節(jié)能力空間和對應的調節(jié)成本映射為聚合體的等效外部特性，并最大程度保障等值調節(jié)能力和成本的準確性和可行性。等值計算技術是串聯虛擬電廠與底層資源的紐帶，是保障虛擬電廠運營可靠性的關鍵。
邊界條件分析預測。為了準確評估虛擬電廠的調節(jié)能力，需要預測各類設備的功率曲線或需求，如用電負荷曲線、分布式光伏發(fā)電功率曲線等，對于較復雜的用電負荷，還需要結合社會和商業(yè)因素，如充電站功率預測需要考慮電動車流量等。此外，還需預測虛擬電廠參與的交易品種價格，可能包括需求響應、電力現貨、輔助服務等，作為交易策略優(yōu)化模型的輸入。
市場交易策略優(yōu)化。隨著市場發(fā)展成熟，虛擬電廠相關交易品種將要求報量報價參與出清。虛擬電廠報量的基礎來自于功率預測和聚合等值計算，報價的基礎來自于市場價格預測和自身成本等值。在兩者基礎上，如何考慮調節(jié)能力與成本評估的不準確性，如何結合對市場供需關系和競爭態(tài)勢的認識，如何權衡聚合商與不同電力用戶之間的利益分配關系，從而做出收益與風險取得最佳平衡的報量報價策略，是很大程度上決定虛擬電廠收益的關鍵問題。
調度指令協調分解。與聚合等值相對，當市場運營機構向負荷聚合商下發(fā)調度指令時，聚合商需要將調度指令分解下發(fā)到所聚合的設備單元并確保調度指令精準執(zhí)行。需要充分考慮各資源的運行約束、調節(jié)能力和調節(jié)成本，分解得出各資源的出力或用電曲線，使得各資源盡可能安全、經濟、高效地協同完成整體調度指令。
安全可靠設備控制。調度指令下發(fā)是一個遠程計算的過程，無法完全滿足控制的安全性和精準性。虛擬電廠部署在資源側的本地控制單元應當具備對接收到的調度指令進行安全校驗和分散控制的功能，一方面基于本地的低時延狀態(tài)數據綜合評估設備運行風險、確保指令可執(zhí)行，一方面控制設備各部件協同動作、精準執(zhí)行調度指令。
總之，虛擬電廠建設與運營是一個系統(tǒng)性工程，涉及到市場環(huán)境、商業(yè)模式、技術、產品、服務等方方面面。總結而言，虛擬電廠行業(yè)的健康發(fā)展需要從市場機制、管理體系、關鍵技術、產業(yè)生態(tài)等各方面綜合發(fā)力。政府部門與電力交易中心應明確相關政策、市場規(guī)則并營造合理的收益空間，電網公司積極接納虛擬電廠等第三方主體參與電網運行調節(jié)，各類能源投資商、運營商、電力用戶、設備制造商開展廣泛合作形成產業(yè)生態(tài)，才能促進虛擬電廠的可持續(xù)發(fā)展，真正為實現“雙碳”目標和新型電力系統(tǒng)建設提供助力。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2022年10期，作者系北京清能互聯科技有限公司技術總監(jiān)
