新型电力系统中虚拟电厂的技术创新与示范应用报告

康重庆教授 清华大学电机系主任清华四川能源互联网研究院院长清华大学能源互联网创新研究院院长天府永兴实验室新型电力系统研究中心主任 新型电力系统中的灵活资源山 “碳达峰、碳中和”目标 面临的重大挑战 分布式资源快速增长 能源转型、市场改革、电能替代、分布式资源等的发展，为新型电力系统引入新型资源的同时带来灵活性增量需求。 2030年分布式电源装机达5.05亿千瓦，占比17%，电网稳定运行遭遇挑战 灵活资源规模庞大、利用率低 终端电气化率稳步提升，灵活资源规模庞大2030年可达1.08亿千瓦。 ·电网实时平衡调节困难 电力系统“双高”特征明显，发电、负荷预测难度增加，源荷平衡困难，2030年电网调峰容量缺口约2亿千瓦。 重大转变 传统供需平衡：源侧调节为主新型系统平衡：需求侧主动参与 新型电力系统中的虚拟电厂 虚拟电厂(Virtual/PowerPlant，VPP)将柔性负荷、分布式电源、电动汽车和分布式储能等海量用户侧资源，通过信息网络技术和市场化手段，将分布在不同地域和电网区域的资源进行聚合，摆脱地理空间、电网拓扑约束，能够提升电网平衡调节能力、促进新能源消纳，具有显著的低碳特征。 虚拟电厂：科学问题与研究框架 2021年立项，储能与智能电网”专项5.1规模化灵活资源虚拟电厂聚合互动调控关键技术 物理视角：虚拟电厂分层分区 受邀在知名杂志T&DWorld上发表《TheUniqueOpportunity(andChallenges)ofVPpImplementation》 虚拟电厂分层分区调度组织模式与聚合分析理论 建立基于“伪测量“的配网状态感知能力与分区并行计算的拓扑变化辨识模型，支撑基于配网实时运行状态估计的虚拟电厂分区聚合，提出考虑“接入电压等级-市场代理关系-通信网络分区"的“信息-物理-社会”多维互动的灵活资源分层组织规则，为分层分区的虚拟电厂调度资源动态组合提供分析理论 物理视角：虚拟电厂动态聚合 研究成果《UpdateSchedulingforADMM-BasedEnergySharing受到国外知名工程学网站<AdvancesInEngineering>的报道 虚拟电厂的关键特征提炼与外特性规范化表征 提出虚拟电厂动态构建与可信量化分析理论及关键技术体系，形成规模化灵活资源虚拟电广外特性的通用指标评估体系及规范化建模方法，实现对源、储、荷侧共11类资源的建模和异质性统以及考虑不确定性的精度刻画提升 物理视角：虚拟电厂运行优化 虚拟电厂云侧协同优化基于动态鲁棒优化的虚拟电厂调峰优化模型 针对虚拟电厂运营商参与调峰辅助服务市场的日前调度阶段，构建了一种刻画虚拟电厂参与调峰辅助服务市场的可调空间统一模型，提出了基于动态鲁棒优化的虚拟电厂参与调峰目前运行优化模型，有效提高了虚拟电厂运营经济性，保证了电力系统运行可靠性 物理视角：虚拟电厂协同控制 虚拟电厂云边协同互动灵活调度-云边协同二次调频优化架构 明确了云边协同二次调频优化流程及功能，首先提出基于联邦学习的边侧资源调频潜力分析方法，而后考虑功率基线、等值模型和成本函数，构建基于闵可夫斯基和的同构多面体内逼近功率可行域聚合方法，其次建立云侧二次调频优化模型，在边侧分解调频指令，经仿真边侧控制响应时延为33ms Step2：边侧虚拟电厂聚合模型 功率基线：虚拟电厂根据当前各设备运行状态计算不参加调控时虚拟电厂功率基准值等值模型：结合各设备实时状态与调频潜力，确定虚拟电厂整体调频能力约束成本函数：根据各设备上报的二次调频响应成本求解虚拟电厂聚合响应成本 Step3：云侧二次调频优化模型 Step4：边侧指令分解 目标函数：用户收益、用户满意度综合最优约束条件：各类灵活资通调频能力约束、用户满意度约束、总调频量约束等 运营商发布二次调频服务需求多种类型的规模化灵洁活资滤共同参与调目标函数：运营商调控成本最低、社会福利最优约束条件：功率平衡约束、源侧机组约束、虚拟电厂调频能力约束遇频时间约束等 物理视角：上海工程面向二次调频的辅助服务测试 探索安全一区+APC、5G切片等多种方式接入的虚拟电厂调频能力，通过实时负荷变化趋势由电网D5000发送调节指令，为电力系统的安全稳定运行提供二次调频服务 信息视角：虚拟电厂安全接入 虚拟电厂海量异构智能终端实时安全接入技术 提出基于被动式设备指纹的电力物联网终端接入认证方法，采用双向长短期记忆网络实现终端身份识别并采用固定窗口滑动采样机制和SMOTE采样方法解决特征矩阵维度不一致和样本不平衡问题，从而提高了终端身份识别的准确率。提出面向虚拟电厂海量异构智能终端的轻量级安全接入方法采用标识公钥生成技术进行密钥生成与轻量级管理，实现终端设备标识与公钥的绑定，有效降低传统PKi认证方式密钥管理难度及建设成本。 适配方案与虚拟电厂用户通信现网应用一致 信息视角：虚拟电厂信息控制 虚拟电厂通信资源按需调配及确定性网络低时延控制技术 面向虚拟电厂细粒度网络状态感知需求，设计了多源协同时间同步及混合互补网络测量方法，提出的基于1376.1协议改造的业务通道带内测量方案可实现us级时延测量精度。构建了软件定义通信控制架构，在控制层研究流量高精度预测方法、通信资源调度方法，支撑网络资源调配及低时延控制 信息视角：虚拟电厂隐私防护 虚拟电厂用户隐私数据场景化动态脱敏技术 研究虚拟电厂用户隐私数据场景化动态脱敏技术，提出基于虚拟电厂用户敏感数据场景适配的动态脱敏保护方法，通过决策树、差分隐私等技术实现脱敏策略的最优化选择，脱敏速率仿真结果为30000-35000条/秒，兼顾数据可用性、安全性和脱敏速率，保障虚拟电厂用户隐私安全。 差分隐私保护等级较高时，模型仍具有良好可用性与安全性 信息视角：虚拟电厂信息控制现场检测 在上海市黄浦区商业楼宇虚拟电厂（新茂大厦），进行边缘聚合通信控制模组研发与部署，并开展边缘聚合通信控制模组现场性能测试。现场在线测试侧得处理时延为12.3ms，满足处理时延≤20ms的性能指标要求。研发的通信调度子系统演示了已部署的边缘聚合通信控制模组实际接入情况，以及运行数据与数据交互情况。 社会视角：虚拟电厂可信交易 虚拟电厂多层级市场机制与主侧链可信交易体系构建 结合不同市场的层级特点设计了虚拟电厂主侧链治理结构，设计了主侧多链上多种类型区块的信息构成 链上、链下区块存储数据划分17 社会视角：虚拟电厂市场策略 虚拟电厂参与能量及辅助服务市场时的资源聚合层交易模式 提出了一种资源聚合体与虚拟电厂运营商之间的内部交易模式，设计了在参与需求响应、辅助服务市场时虚拟电厂运营商的定价策略以及精细化负荷资源响应行为方案 社会视角：虚拟电厂交易技术 交易流程数据服务及智能合约化表征技术 提出基于区块链的分布式电力交易隐私结算模型，使用Pederson同态承诺隐藏窗口电价使用公钥加密技术以及基于离散对数的零知识证明（GSP证明）设计可验证加密机制，加密交易电价。公钥加密技术保证了窗口(内部)电价的可监管性，在数据上链存储阶段小GSP证明规避未正确加密以及电价越界的恶意行为，保证链上数据的合法性，维护系统稳定性 对链上用户错误数据，结合零知识证明技术以智能合约为载体发起投诉感罚， 社会视角：虚拟电厂交易技术适配规模化灵活资源虚拟电厂高并发联盟链的仿真测试方法 建立了联盟链仿真器，模拟了电力交易、共识过程等核心环节步骤，还原联盟链真实运行属性，建立了“参数输入-离散事件驱动仿真-性能输出”的完备仿真流程，以发现电力交易联盟链最优部署方案 对比结果表明在10余个节点的情况下，为了满足共识时间0.7秒的需求，本课题适合采用物理系统实证方法，该方法在实验室内测试精度与实际生产环境相比，仅相差通信延时经测试4个节点的交易共识时间可达成0.73s。20 核心装备：虚拟电厂边缘通信控制模组 核心装备一：边缘聚合通信控制模组 进展：已完成3款边缘聚合通信控制模组研发，已完成第4款低功耗双通道型边缘聚合通信模组硬件。创新：面向边缘复杂网络环境及应用需求制定系列化开发路线，均采用国产化、工业级设计，支持4G/5G、北斗、边缘计算与人工智能，具备精确时延测量能力。。成效：已有23台设备在上海市虚拟电厂示范工程稳定运行累积支撑可调资源参与需求响应峰53次，积降低负荷107.4MW。 核心装备：虚拟电厂边缘聚合管控装置 核心装备二：虚拟电厂边缘聚合管控装置 口进展：完成虚拟电厂边缘聚合管控装置硬件架构设计及原理样机研制，构建了容器化的边缘计算软件框架，设计了基于发布订阅的云边-边边-边端业务交互机制 口成效：实现分布式资源监测、就地资源聚合，辅助服务响应、就地协同控制等功能，能源互 核心装备：虚拟电厂聚合互动调控运营支撑系统 核心装备三：虚拟电厂运营管控系统 提出了虚拟电厂动态构建与可信量化关键技术体系，建立了虚拟电厂分层分区动态构建方法及仿真验证软件具备规模化灵活资源虚拟电厂动态聚合、安全通信、协同管控与可信交易等核心业务能力 国重示范工程建设进展 浙江省级广域虚拟电厂 上海超大城市虚拟电厂 示范背景 示范背景 电力强省、清洁能源大省“两山理论”发源地高清洁能源消纳需求多元分布式源荷资源地市、聚合商交织建设 示范特点台州 示范特点 超大城市大受端电网，拥有丰富灵活负荷资源多元化负荷互动扁平化运营体系“主-侧链”平行区块链架构 省级广域资源跨区分布，拥有丰富的分布式清洁能源；分布式源荷耦合立体化运营体系构建“主-次主-侧链”多级区块链架构 国重示范工程建设进展两大示范工程已陆续完成示范工程可研配套批复 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院文件国网浙江省电力有限公司经济技术研究院文件 国网上海市电力公司经济技术研究院文件 浙电经研设【2022】642号 新电经研设2023】416号 3网上电经研院审（2023)1859号 国网浙江经研院关于国网浙江电力-基于国网浙江电力-台区异常集约化管理采集配套功能建设-开发实施项目等28个营投数字化项目可行性研究报告的评审意见 国网江经院关于升国网电力用户博制令负荷管理应用建设-开发实施项日等10个营销投人数字化项目可行性研开究报告的评审意见 国网上海经研院关于2023年评审营销投人智能用电国网上海营服中心上海市虚拟电广资源规划实施与应用可行性研究的评审意见 国网上海市电力公司营锁务中心： 国网新津家电办有限公司！ 受国网上海市电力公可售销部、国网上海营乘中心要托，国网上海经研院（国网上海电力设计有原公间）于2023年12月5日采用选理移动办公非聚集方大主持强开了营销入暂单用电国网上海管限中心上海市重总电厂资源规划实施与空用项目可研损鲁评审会议。参加会权的有；国网上海市电力会司营销部，数字化部，国网上海常原中心，设计单佳（上海电力锁计院有服公司） 国网新江蓄电力有限公司： 受国清上省电力有限分司委托，国网新江省电力有限公司热技术研究院于近期在杭州组织开了国网新江电力-用户侧制等费荐管理应用建设-开发实施项日等10个营销投入数字化项目可行性研究损鲁的评审会试。参加评审会议的有国网源江者电力有限公司相关部门、国网新江信通公同政及设计单位等。与会专家听取了可研编制单位关于项目可研损告的汇报，对项目建设的必要性，内客及投资估算进行了深入计论。根据会议计论意见 受国网新江有电力有限公司委托，国网新江备电力有限公司整济技术研究院于进期在杭州组织召开了国网新证电交-台区异常集约化管理采集配套功能建设-开发实地项目等2不级数车化项目可行性研究损告的评审会议。参加评审会议成有易新江省电力有限分司相关部门，国网案江质美司以及设开单位等。与会专家听取了可研编制单位关于项自专损告的工损，对项目建设的必要性，内客及悼量估策进行了深入讨论。根据会仅讨论 会议听取了设计单位对工理根专的介缩，并线行了详暂深入 国重示范工程建设进展 示范工程：浙江省级虚拟电