中國儲能網(wǎng)訊：本文從虛擬電廠面臨的資源聚合管理難、負(fù)荷特性分析復(fù)雜等問題切入，初步探索研究了虛擬電廠負(fù)荷資源精細(xì)化管理的方法，并基于此簡要闡述了虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場的相關(guān)案例。希望通過本文的分享，能為虛擬電廠領(lǐng)域的從業(yè)人員提供全新的思路與實(shí)用的方法，共同推動虛擬電廠的建設(shè)與發(fā)展。
正文
近年來，我國用電負(fù)荷快速增長與極端天氣頻發(fā)共同增加電網(wǎng)保供壓力，大規(guī)模具有間接性、隨機(jī)性、波動性等特征的可再生能源接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)的“雙峰”“雙高”特征日益凸顯，其穩(wěn)定性受到?jīng)_擊，但社會各方面對電力安全穩(wěn)定供應(yīng)的要求不斷提高，迫切需要兜牢電力安全保供的底線。在此背景下，虛擬電廠應(yīng)運(yùn)而生。
虛擬電廠建設(shè)運(yùn)營難點(diǎn)之負(fù)荷資源管理
虛擬電廠聚合了大量需求側(cè)資源，這類資源具有區(qū)域空間分散、單體容量小、負(fù)荷特性各異等特征。因此，如何對多源異構(gòu)資源進(jìn)行有效的聚合管理（形成虛擬發(fā)電機(jī)組）以及如何準(zhǔn)確識別可調(diào)節(jié)資源聚合后的負(fù)荷特性（機(jī)組發(fā)電特征），是虛擬電廠在面對電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求時(shí)，能夠基于負(fù)荷資源實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度決策（機(jī)組調(diào)用可行性、經(jīng)濟(jì)性研判下的出力調(diào)節(jié)策略），需要解決的基礎(chǔ)與關(guān)鍵問題。
在多源異構(gòu)資源的管理上，筆者認(rèn)為主要存在以下問題：一方面，當(dāng)前用戶側(cè)能源管理智能化、數(shù)字化水平參差不齊，絕大多數(shù)用戶尚未建立分項(xiàng)計(jì)量與監(jiān)測控制能力；另一方面，海量異構(gòu)資源缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，其調(diào)節(jié)特性、可調(diào)潛力、調(diào)控方式等都不盡相同，聚合后統(tǒng)一管理難度大。
不過，隨著IoT、負(fù)荷預(yù)測、仿真聚合等技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，也支持我們能夠綜合考慮可調(diào)資源的可調(diào)時(shí)段、可調(diào)能力、調(diào)節(jié)特性及調(diào)控成本等特性，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠資源的靜態(tài)標(biāo)簽化管理與動態(tài)優(yōu)化聚合管理。
虛擬電廠負(fù)荷資源精細(xì)化管理方法
精準(zhǔn)地對多源異構(gòu)資源進(jìn)行描述是實(shí)現(xiàn)負(fù)荷資源精細(xì)化管理的基礎(chǔ)。
通過對負(fù)荷資源精細(xì)化描述方式的研究，筆者認(rèn)為需要考慮負(fù)荷資源物理屬性、用戶主觀意愿、生產(chǎn)工作需要、生活舒適度需求等多方因素，才能生動、形象地描述負(fù)荷資源，其主要通過以下方法實(shí)現(xiàn)：
（一）在資源排查階段，以標(biāo)簽化方式開展資源入庫
設(shè)計(jì)用戶基礎(chǔ)屬性、用戶負(fù)荷特征、技術(shù)評價(jià)屬性、經(jīng)濟(jì)評價(jià)屬性等多維標(biāo)簽，從地理區(qū)域、資源類型、行業(yè)類別、時(shí)間尺度等方面進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)負(fù)荷資源的標(biāo)簽化分類管理。
具體分類維度包括：管理單位、電網(wǎng)分區(qū)、重點(diǎn)輸電斷面等區(qū)域維度；重點(diǎn)行業(yè)、上下游關(guān)系等行業(yè)產(chǎn)業(yè)維度；剛性控制、柔性調(diào)節(jié)、用戶自主調(diào)節(jié)、第三方負(fù)荷聚合商自主調(diào)節(jié)等負(fù)荷調(diào)節(jié)性質(zhì)維度。
（二）在資源運(yùn)行階段，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源池動態(tài)運(yùn)營
基于資源排查數(shù)據(jù)以及負(fù)荷預(yù)測模型，從行業(yè)潛力、負(fù)荷重要性等級、時(shí)間尺度等維度建立多時(shí)段、多品類的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)動態(tài)可調(diào)資源池。
根據(jù)所在地區(qū)特點(diǎn)，確定重點(diǎn)關(guān)注的資源類型（比如暖通空調(diào)系統(tǒng)、電熱水器、電動汽車充放電負(fù)荷等），對于重點(diǎn)資源開展基于本體物理模型和表達(dá)用戶主觀使用意愿的控制模型，提出重點(diǎn)資源的精細(xì)化建模方法；對于一般通用型負(fù)荷，根據(jù)運(yùn)行特性、并網(wǎng)方式、接入條件、客戶管理等特征，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)擬合分類資源屬性特征。
此外，通過實(shí)時(shí)動態(tài)分回路的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對資源池的動態(tài)化調(diào)控運(yùn)營，提高對可調(diào)節(jié)資源的分層分區(qū)分類精益管理能力。
（三）在資源應(yīng)用階段，以等值聚合助力電網(wǎng)運(yùn)行支撐
實(shí)現(xiàn)模型交互與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通用化后，將各類可調(diào)節(jié)資源聚合為滿足電網(wǎng)實(shí)際控制需求的虛擬電廠等值模型，虛擬電廠對外等值為類似傳統(tǒng)火電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，提取可調(diào)功率上下限、響應(yīng)時(shí)間、爬坡速率等技術(shù)參數(shù)，對內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的控制策略，涵蓋中長期、日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)多時(shí)間尺度。同時(shí)，考慮電功率平衡約束、熱功率平衡約束、可調(diào)節(jié)資源運(yùn)行約束等約束條件，實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源的優(yōu)化控制。最后，虛擬電廠上報(bào)包含等值模型、基準(zhǔn)功率、成本函數(shù)等部分在內(nèi)的聚合模型，納入電網(wǎng)日前、日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度和APC 閉環(huán)控制，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等運(yùn)行支撐。
虛擬電廠負(fù)荷資源精細(xì)化管理實(shí)踐
下面，本文將以公共快充、公交專用、單位專用等多類型充電站集群參與電網(wǎng)削峰調(diào)峰輔助服務(wù)為例，闡述虛擬電廠如何依托負(fù)荷資源精細(xì)化管理能力，實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)方式下，發(fā)揮可調(diào)能力并響應(yīng)調(diào)節(jié)需求的應(yīng)用案例。
（一）充電設(shè)施標(biāo)簽化入庫
在充電設(shè)施信息建檔時(shí)，對充電站類型、充電站容量、充電樁數(shù)量、充電樁輸出功率、電氣位置、充電樁是否可控及其調(diào)控方式等信息進(jìn)行錄入維護(hù)。
在用戶信息建檔時(shí)，為用戶提供車輛品牌、型號、電池容量、是否營運(yùn)車輛等信息的維護(hù)入口，實(shí)現(xiàn)對充電設(shè)施與用戶關(guān)鍵檔案信息的標(biāo)簽化管理。
（二）充電資源池動態(tài)運(yùn)營
電動汽車充電站負(fù)荷受諸多因素影響而動態(tài)變化，一方面，季節(jié)、天氣與溫度情況、節(jié)假日與道路等社會因素都會通過影響用戶用車需求與電池荷電狀態(tài)，間接影響充電站負(fù)荷；另一方面，不同用戶群體的用車需求、充電方式與充電習(xí)慣都有所不同，起始充電時(shí)間與充電時(shí)長的隨機(jī)性也會導(dǎo)致充電站負(fù)荷曲線變化。
（1）受季節(jié)、天氣與溫度影響：
春秋兩季，氣候宜人，溫度一般在18-26度之間，電動汽車空調(diào)使用頻次較低，且電池性能受溫度影響小，因此用車能耗低，車輛補(bǔ)電頻次低，充電站負(fù)荷也相對平穩(wěn)。
但是在冬夏兩季，電動汽車空調(diào)使用頻次高，冬天低溫更是會影響電池性能縮短續(xù)航里程，造成電動汽車能耗大幅升高，車輛補(bǔ)電需求增加，間接提高充電站負(fù)荷。
（2）受節(jié)假日影響：
例如私家車，工作日一般是滿足上下班出行需求，日行里程相對穩(wěn)定，充電有計(jì)劃、頻次較低；而在節(jié)假日，外出活動增加，日行里程增加，充電行為隨時(shí)發(fā)生且無固定點(diǎn)位。
例如網(wǎng)約車，工作日公眾打車需求集中在上下班時(shí)間段，因此車輛補(bǔ)電時(shí)間往往與其錯(cuò)開，而節(jié)假日公眾打車需求相對減少且地點(diǎn)發(fā)生改變，大多數(shù)充電站日電量會下降，充電負(fù)荷時(shí)段特征也會發(fā)生變化。
（3）受用戶群體與充電方式影響：
不同用戶群體的用車行為與充電習(xí)慣不同。例如網(wǎng)約車，因?yàn)闋I運(yùn)需要以及夜間低價(jià)影響，充電時(shí)段往往集中在午間與夜間；公交車則因?yàn)闋I運(yùn)需要，充電行為往往根據(jù)公交線路營運(yùn)需求確定，較多時(shí)候也會集中在夜間由專人進(jìn)行充電；私家車白天用車，夜間基本用車，因此也可以選擇慢充方式進(jìn)行充電。由此可見，不同用戶群體、不同的充電方式與習(xí)慣也會影響充電站負(fù)荷。
通過對電動汽車充電站負(fù)荷的基本特性以及影響充電站負(fù)荷預(yù)測因素的研究分析，我們基于充電負(fù)荷、用戶充電訂單、環(huán)境溫度等歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用線性回歸、CNN、K-Means等負(fù)荷預(yù)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對充電站負(fù)荷的短期、超短期與實(shí)時(shí)負(fù)荷預(yù)測，從而對充電資源進(jìn)行動態(tài)管理，準(zhǔn)確地對其調(diào)節(jié)能力進(jìn)行描述，以滿足聚合調(diào)用的需要。
（三）充電資源等值聚合參與調(diào)節(jié)
某地電網(wǎng)預(yù)測次日10：00—10：30用電高峰時(shí)段供電緊張，向虛擬電廠發(fā)布協(xié)助削峰調(diào)峰需求，市場出清后，該充電站集群虛擬電廠需要在 10：00—10：30至少降低功率1173.60 kW。
為滿足本次電網(wǎng)削峰需求，虛擬電廠一邊調(diào)用負(fù)荷預(yù)測模塊對場站負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，一邊通過對調(diào)度需求的解析等值聚合場站資源，最終篩選出了9座充電站，滿足調(diào)節(jié)所要求的技術(shù)參數(shù)，其等值聚合原理示意圖5所示：
充電站A為公交專用站，充電站B為公共快充站，其預(yù)測負(fù)荷曲線差異較大，充電站A在10:00-10:30的負(fù)荷絕對值較低，削峰潛力基本為零；充電站B在10:00-10:30的負(fù)荷絕對值較高，削峰潛力相對較高，因此主要聚合B類型充電站。
在不關(guān)停充電站、不影響充電站經(jīng)營的情況下，為準(zhǔn)確響應(yīng)10：00—10：30壓降功率需求，充電站運(yùn)營商利用虛擬電廠負(fù)荷資源標(biāo)簽畫像功能，篩選出歷史充電時(shí)段與調(diào)節(jié)時(shí)段吻合、充電偏好場站包括調(diào)節(jié)場站、對充電價(jià)格敏感、充電場站隨機(jī)性高的用戶，實(shí)施用戶精準(zhǔn)營銷活動，同時(shí)聯(lián)動附近5km內(nèi)的場站組織場站級活動，結(jié)合調(diào)控事件事前、事中、事后全生命周期的消息觸達(dá)，引導(dǎo)用戶主動調(diào)整車輛補(bǔ)電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)控站點(diǎn)充電分流，避免參與調(diào)控的充電站在10：00—10：30發(fā)生高負(fù)載運(yùn)行現(xiàn)象，實(shí)際響應(yīng)情況如圖所示：
通過提供調(diào)峰輔助服務(wù)能夠獲得補(bǔ)貼收益，收益測算示意圖如下：
但是，因響應(yīng)調(diào)峰需求，充電站運(yùn)營商通常都需要通過營銷激勵(lì)措施調(diào)整用戶充電行為，這會產(chǎn)生額外的運(yùn)營成本，且成本隨著削峰響應(yīng)量的增加而增長，為了保障充電站參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)盈利，更為重要的是要在前期響應(yīng)申報(bào)時(shí)就做好投入產(chǎn)出測算。
結(jié)語
本文針對虛擬電廠業(yè)務(wù)中的痛點(diǎn)難點(diǎn)問題之一，初步提出了一些解決辦法，也基于此提供了虛擬電廠應(yīng)用實(shí)踐的相關(guān)案例，供大家參考。虛擬電廠業(yè)務(wù)涉及面非常廣泛，本人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，考慮也有不足之處，期待與各位的交流互動，提出更多新維度、新思路，為虛擬電廠平臺的建設(shè)提供高價(jià)值、深入型的建設(shè)方向。
