面向新型电力系统的灵活资源聚合技术应用场景分析及建设启示

王宣元，高洪超，张 浩，金 泰，刘 江

（1.国网冀北电力有限公司，北京 100053；2.清华大学，北京 100084；3.北京科技大学，北京 100083；4.华北电力大学，河北 保定 071000）

0 引言

近年来，随着能源低碳转型与电力市场改革的稳步推进，推动了用户侧需求的个性化发展、分布式能源技术的成熟应用及配电网应用场景的显著加深，灵活性资源在电力系统中的渗透率不断提高。推动灵活资源参与电力系统运行与电力市场交易是实现电力系统弹性稳定运行、分布式资源产业化发展、能源供给结构优化与综合能效提升的催化剂。

同时，我国正致力于构建以新能源为主体的新型电力系统，具有4个基本特征：① 广泛互联；② 智能互动；③ 灵活柔性；④ 安全可控。面向新型电力系统的聚合架构技术可以为海量、规模微小、多能异质、位置分散、需求多元的灵活资源提供智能互联、灵活聚类、柔性调控、可靠协同的技术，推动电网向能源互联网的技术升级，拓展高不确定性复杂耦合的电力系统的可调资源边界，满足新型电力系统的基本特征与技术需求。

目前，国内外灵活性资源的发展水平因能源分布与需求特征等因素彰显差异，但由于灵活性资源点多、量大、面广、异质等特点，均具有难以满足系统调度与电力市场准入要求的共同特征。国内外在探索聚合灵活资源辅助系统运行方面具有较多技术案例，但仍处于示范起步阶段，亟待完善具有技术规范性和标准化的范式分析。在灵活资源市场参与模式方面，文献［1］讨论德国灵活性资源的利用模式，并给出了对我国灵活性资源参与运营的具体建议。在互动关键技术方面，文献［2］对分布式资源为主体的2种能源互联网组态虚拟电厂与微电网进行了比较，从协调控制、智能计量和信息通信等方面进行了关键技术分析。文献［3］分析了碳中和背景下考虑清洁能源消纳的虚拟电厂多层级协同控制模式。文献［4］基于上海市虚拟电厂典型应用案例，总结了以虚拟电厂为聚合商聚合灵活性弹性资源的关键技术与平台建设及其调控交互和市场运营设计。文献［5］讨论了多类型灵活性资源聚合的虚拟电厂优化运行与控制策略模型。在案例综述分析方面，文献［6］围绕虚拟电厂的多代理系统、聚合管理方式、通信技术等技术进行了综述分析，并对分布式资源参与系统运行的互补特性、动态聚合与市场机制等方面进行了讨论与展望。文献［7］认为虚拟电厂是分布式能源并网管理的一种有效形式，利用欧洲虚拟电厂典型案例进行了总结，并从通信、控制与安全等方面提出了技术方向。

但是，上述文献主要从关键技术分析或单一技术场景角度出发，少有文献立足聚合技术应用场景的对比分析角度，全面梳理其具体特征、典型分类及技术分析，为灵活资源参与电力系统运行提供技术理论支撑。在此基础上，本文从资源接入、市场运营及调控协同3个方面，给出了新型电力系统下聚合架构技术建设的分析与建议，为资源-聚合-系统-市场多角度同步推进电网向能源互联网升级提供技术参考合力。

1 国内外典型技术应用场景

（1）丹麦EDISON项目-需求响应场景

丹麦EDISON（EDISON virtual power plant,EVPP）项目目的是聚合电动汽车资源，为电力系统提供需求响应服务。该项目采用的基本架构包括独立型架构和整合型架构2类，包含系统运营商（transmis⁃sion system operator，TSO），配网运营商（distribution system operator，DSO），电车（electric vehicle，EV），平衡服务商（balance responsible party，BRP）等，如图1所示［8］。在独立型架构中，EVPP作为市场主体，聚合资源直接参与电力市场，技术架构需要满足电力市场所需的准入条件，构建与电力系统运营平台和电力市场交易平台的交互接口，直接为电力系统提供辅助服务，同时对内架构应具备电动汽车优化调控和市场收益分摊功能；在整合型架构中，EVPP不直接参与电力市场，而是作为场外主体向市场参与者提供支持服务，来间接辅助电力系统运行，需在聚合架构中考虑与市场参与者的动态交互技术，同时应具备对内更加透明、具有公信力的收益分摊方法。

图1 丹麦EDISON项目技术架构Fig.1 Technology architecture of EDISON program

（2）欧盟FENIX项目-电能量交易场景

欧盟FENIX项目（flexible electricity network to integrate the expected energy solution project,FENIX）目的是聚合风电、热电联产（combined heat and pow⁃er，CHP）等多种分布式资源（distributed energy re⁃sources,DER）参与日前电能量市场，提供备用、调压等辅助服务［9］。该项目采用的技术架构可以分解为感知-聚合-协同3层级，如图2所示。在感知视角，为DER引入智能终端（FENIX box，FB），用以实现资源的状态感知、参数采集、端侧控制，并构建与虚拟电厂（virtual power plant，VPP）的交互接口；在聚合视角，开发商业VPP（commercial VPP，CVPP）架构，CVPP对内通过FB实现资源聚合，对外建立与电力市场交易系统、电力系统运行平台的交互接口，实现聚合资源参与电力市场、辅助电力系统运行；在协同视角，开发技术VPP（technical VPP，TVPP）架构，建立与CVPP和配电网运营系统的交互交口（该项目中将TVPP直接嵌放在配电网运营系统中），TVPP通过与CVPP交互获得资源聚合状态和采集信息，并通过与配电网运营系统的交互获取节点潮流信息，从而提供调压服务。

图2 欧盟FENIX项目技术架构Fig.2 Technology architecture of UN FENIX program

（3）冀北虚拟电厂示范项目-调峰服务场景

冀北虚拟电厂示范项目目的是聚合电蓄热锅炉、智慧楼宇和工商业可调节、数字中心、电动汽车等分布式资源，为电力系统提供辅助服务。该项目采用的技术架构是“云、管、边、端”体系，如图3所示。在“端”，为DER引入智能公网终端，实现资源的自动感知、主动通信、主动决策及响应控制；在“边”，配置智能边端，利用边缘计算，实现局部资源的聚合与解聚合，同时基于软件定义技术，提高资源的数据采集与处理效率；在“管”，采用基于物联网的公网传输及加密技术，在保障数据信息安全可靠传输的同时降低通信基础设施的投入成本；在“云”，技术架构模块分为几个方面：① 资源接入，引入物模型技术，通过数字化描述辨识资源类型，大大提高了资源配置效率；② 架构性能，利用虚拟化技术，提高资源动态接入能力及海量信息的并发处理能力；③ 高级应用，部署资源动态聚类、协同优化调控、市场申报策略、效益价值分配等模块，同时建立了与电力系统运行平台、电力市场交易系统的交互接口，实现持续在线闭环响应电网指令。

图3 冀北虚拟电厂示范项目技术架构Fig.3 Technology architecture of North Hebei VPP program

（4）江苏源网荷储友好互动-紧急控制场景

江苏源网荷储友好互动控制系统目的是聚合分散式空调、智慧照明、商业楼宇等可调节分布式资源，为电力系统安全可靠运行提供大规模负荷可中断控制服务。该项目采用的技术架构可分解为3层级混合式架构体系，如图4所示。首先，在客户设备层，引入互动智能终端，实现负荷聚合平台与分布式资源的互联互通，包括设备状态、运行参数、控制指令、可控需求等；其次，在负荷聚合层，建立与上层控制主站的交互接口，部署容量聚合、控制策略、容量上报、调控响应等功能模块，实现可调节资源的聚合监管和优化调控；最后，在主站协同层，主站层架构分为国调分中心级和省调企业级双层子架构，子架构间交互柔性可调资源聚合状态和柔性互动控制参数，企业级底层子架构需建立与负荷聚合层聚合商平台和客户设备层大容量可调节负荷集群的交互接口，实时采集并分析聚合可控容量、制定协同控制策略。

图4 江苏源网荷储友好互动控制项目技术架构Fig.4 Technology architecture of supply⁃grid⁃load⁃storage friendly coordinated control program of Jiangsu province

2 架构分类及技术特征

2.1 典型技术架构分类

（1）“云、管、边、端”技术架构

云-管-边-端技术架构包含4个层级，自上而下分别为云端平台（云）、传输管道（管）、边缘节点（边）和终端设备（端）［10］。终端设备采集信息并传递给边缘节点，通过边缘计算、数据预处理后将信息通过多种加密传输方式传递到聚合云平台，再与电力系统调度机构发布的调度信息和电力交易机构发布的市场信息互动，实现虚拟电厂等聚合商聚合灵活性资源参与电力系统运行与电力市场交易，各层级功能及包含元素如图5所示。

图5 需求侧资源辅助系统运行云-管-边-端技术架构Fig.5 Cloud⁃channel⁃edge⁃terminal technology architecture

该架构侧重于聚合架构技术的纵、横双维度切分，既形成生态融合、安全通信、智慧边缘、终端感知4个横向维度的功能架构分层，也通过先进安全通信技术将多层功能纵向交互打通，进行互感、互通、互知。

（2）“云、群、端”技术架构

云-群-端技术架构包含3个层级，自上而下分别为云端管控平台（云）、聚类集群（群）、终端设备（端）。分布式资源终端设备通过自然形成和聚类形成的方式聚集成资源集群，再以聚合模型的方式将信息传递至聚合商云端管控平台，云端平台也可以分解模型的方式将信息传递至资源集群端，再以解聚合的方式反馈至资源端，实现信息的双向互动，最后结合电力系统调度机构和交易机构完成对虚拟电厂等聚商平台的控制，各个层级功能及包含的元素如图6所示［11］。

图6 需求侧资源辅助系统运行云-群-端技术架构［11］Fig.6 Cloud⁃cluster⁃terminal technology architecture

该架构同样采用纵、横双维度解析方案，但侧重于聚焦海量分散灵活性资源云边协同互动与集群动态构建，该架构中边缘计算能力的挖掘与拓延是突破动态聚类与快速解聚合能力的关键技术之一。

（3）“单元级、系统级、SoS”技术架构

基于信息物理系统（communication physical sys⁃tem，CPS）的技术架构包含3个层级，交互范围由小到大分别为单元智慧感知、系统优化协同、系统开放运营。资源设备配置智能终端组建为单元级，负责状态感知、信息采集和通信；单元级间通过工业网络集成构成系统级子架构，实现资源间的互联互通、协同优化与市场策略；系统级子架构间构建交互接口，实现系统、交易与聚合商平台的信息智慧识别和数据自动驱动，形成异构闭环赋能体系，各层级功能及包含元素如图7所示。

图7 需求侧资源辅助系统运行多层级CPS技术架构Fig.7 Hierarchical CPS technology architecture

该架构侧重于采用新型电力系统聚合技术的交叉互动解决方案，分解成不同组建范围的模块化架构，便于海量分散灵活资源的多层级组建和交互，形成组态灵活、拓展便捷的技术架构体系。

值得强调的是，不同聚合技术架构并不会对分布式资源聚合参与电力系统运行产生性能上的差异化影响，但是对于面向新型电力系统的聚合技术应用的可持续性贡献则有不同，需要根据具体应用场景选择适合发展规划需求的聚合技术。具体比较分析如表1所示。

表1 聚合技术架构的比较分析Table 1 Comparative analysis of aggregation technology architecture

2.2 标准聚合架构模型

根据灵活性资源参与电力系统运行的国内外技术案例和典型技术架构分析，提出底层终端平台、中层管控平台和上层主网3层管控平台框架。其中，底层终端平台负责对灵活性资源的边缘化管控，中层管控平台负责对海量灵活性资源的聚合代理管控，上层主网平台为聚合代理管控平台与电力系统内外部平台的交互运营。基于3层级运营管控模式，提出3种灵活性资源参与主网运行的标准技术架构，如图8所示：① 底层终端-中层管控-上层主网3层级能量-信息交互架构，该架构中，底层灵活性资源通过运营商平台或智能终端与中层管理平台完成数据的通信交互，由中层管理平台管理灵活性资源的准入、聚合、调度等协同优化运行，代理接入资源参与主网运行或组织用户间交易与能源共享，并实现利益分配；② 底层终端-上层主网2层级能量-信息交互架构，该架构中，要求需求侧运营商聚合一定规模的灵活性资源，并建立符合电网系统调度技术要求的运营商平台，直接参与主网系统运行与电力市场，运营商平台接收调度机构发出的控制指令，并分解到所聚合的可调节负荷资源终端，实现闭环控制；③ 该架构为上述2种参与方式的混合体系架构，即灵活性资源可以建设满足电网调度技术要求的运营商平台，直接与电网调度平台和电力市场平台连接参与主网，也可以选择为灵活性资源安装智能终端或将需求侧运营商平台接入中层管控平台，实现与电网系统和电力市场的互动参与。

图8 需求侧资源辅助系统运行混合体系标准技术架构Fig.8 Standard technology architecture for demand⁃side resources to assist the operation of power system

考虑到面向海量灵活资源的电力市场建设仍处于起步示范阶段，聚合架构技术的标准化分析对于灵活资源辅助系统运行和参与电力市场的建设具有重要指导意义，符合新型电力系统构建的灵活性挖掘定位。混合体系标准架构的给出更符合我国电力市场改革进程中第三方市场主体鼓励接入、机制不足、门槛不清晰的实际场景，有利于不同规模、不同投资主体的灵活资源聚合商动态接入电网，有利于市场用户参与意愿的激励与培育，也有利于以动态需求为导向辅助电力系统经济稳定运行，更有利于多元化市场开放运营生态的构建。混合体系架构将电力能源的物理-信息-价值融合通过互联网思维与市场化手段得以贯通，利用数据机理融合技术实现通信-电力-市场交叉融合机理的探索，并不排异于现有典型聚合技术架构，而是从技术应用推广、系统调控管理、市场出清约束等统一化的实际角度出发，鼓励典型聚合技术架构的标准化融合。

标准化融合的聚合技术架构为新型电力系统的市场化运营先进性提供可能，中层管理平台的引进实现了海量物理资源的高效动态聚合和多元利益主体的聚合代理参与。随着分布式灵活资源市场化机制灵活度的不断提升，标准化融合架构能够兼容电力批发市场、辅助服务市场、主配电网多级耦合电力市场、分布式交易市场等多种市场参与方式，更符合新型电力系统下多元、复杂的市场运营环境，更容易实现市场主体多种利益诉求与不同交易意愿的满足。此外，标准化混合模型准许了更多元的市场参与方式，有利于提高灵活资源的主动参与意愿、提升用户资源利用率。

3 技术成效分析

本文以冀北虚拟电厂技术应用场景为实例，讨论了引入中层聚合商资源管理平台的经济技术优势，论证了建立中层聚合商管理平台对提升电网调节能力及市场竞争能力的综合成效。

（1）电网灵活调节能力提升

虚拟电厂通过引入中层管理平台，采用混合式聚合技术架构，利用广域分散灵活资源的灵活调节能力，积极在线响应电网调度实时指令。在电网负荷晚高峰时段，虚拟电厂有效管理灵活资源的用电行为，实现了用电消费的后延，到电网低谷、风电大发时段，虚拟电厂激励灵活资源积极响应，快速抬升低谷用电负荷，提升电网综合运行能效和安全稳定运行水平，有效促进了新能源消纳，具体实际运行示例如图9所示。

图9 虚拟电厂智慧用能移峰曲线Fig.9 Peak shift through smart energy utilization of VPP

（2）虚拟电厂市场竞争力提高

该虚拟电厂技术架构中建立了虚拟电厂管控平台与调度系统平台、交易系统平台的标准化通用接口，实现了不同业务系统的高频在线握手和数据驱动贯通，虚拟电厂聚合灵活资源通过自动发电控制（automatic generation control，AGC）在线响应电网调控指令。此外，混合式聚合技术架构的采用，为特性多样、规模灵活、位置分散的海量资源实现了技术-管理-服务一体化，提升了市场竞争优势，在该市场运营期间，冀北虚拟电厂的市场运营收益占比近60%，论证了灵活的聚合技术架构具有较好的经济性优势。

（3）社会环境经济效益显著

基于开放共享的标准化聚合架构模型，虚拟电厂技术服务国家冬奥会清洁电力供应，聚合优化冬奥场馆与新能源实时弹性互动，逐级缓解新能源随机波动性，实现冬奥场馆建设绿电全覆盖。此外，累计服务新能源消纳电量17.64亿kWh，最终使冀北地区电供暖用户侧电价控制在0.15元/kWh左右，惠及79 335户电力用户，释放改革红利3.28亿元，实现高新技术企业和电能替代用户用电成本平均降低20%以上，减少CO2排放约169.14万t。

4 技术分析及发展建议

电网传统的调度端与负荷端之间要建立联系，面临着网络链条长、跨越平台数量多、信息交互壁垒大、互联网安全风险大等诸多问题。要解决调度对负荷集群的连续控制这个国内乃至国际难题，需要发挥互联网思维，应用互联网技术，不断推动电网朝数字化、智慧化方向发展。基于上述的灵活性资源参与主网运行的架构建设方式，从技术难度、资金投入、管理运营等方面进行了对比分析，得到以下启示。

（1）引入中层管控平台，有利于激发灵活性资源参与动力

首先，独立的中层管理平台技术功能完善，具备与电网调度平台和电力市场交易平台的交互接口，无需灵活性资源或运营商打通业务流程，准入程序更为便捷；其次，独立的中层管理平台可以为灵活性资源或运营商提供良好的技术支撑，不需要建立相关的技术团队支撑运营；再次，非集群化的小规模灵活性资源寻找负荷侧聚合运营商渠道不明确，双边协议成本大，会降低用户资源参与意愿；最后，中层管理平台允许灵活性资源选择安装智能终端即可参与接入，无需承担或投入大量资金以建设满足技术要求的灵活性资源运营商平台，减少市场初期运营成本和资金压力。

（2）引入中层管控平台，有利于开展满足个性化需求的多元业务与服务

首先，独立的中层管理平台对于资源的准入审批、状态感知与运行监管也更为独立，有利于提高灵活性资源的管理效率；其次，独立的中层管理平台可以容纳更加多元异质的灵活性资源，而负荷侧运营商通常更倾向聚合本地响应特征相似的资源；最后，调度平台通常使用电网专网直控需求侧运营商平台，数据由电表采集传输，而独立的中层管理平台可以在公网建立与灵活性资源的通信，满足更多监管需求和精细化服务。

（3）引入中层管控平台，有利于实现资源动态拓展和提升协同响应能力

首先，需求侧运营商通常倾向聚合本地资源，对于由于技术和信息壁垒较难开展的异质异域资源的聚合，需求侧运营商平台的不断拓展会增大现有调度平台的通信负担；其次，现有的调度技术支持系统接口数量有限，面对资源的不断海量拓展，难以满足动态运营拓展需求；最后，中层管理平台的引入有利于高可靠响应调度指令，允许灵活性资源更大范围的协同互动，无需调度参与协调，而多运营商平台间的协同需要更多的交互机制，用户行为不确定性和资源出力不确定性双高背景下的响应协同壁垒仍存在。

尽管信息-能量融合的3层聚合架构技术具有较大优势，但市场运营初期应采用混合聚合架构体系，开放更多元、自主的参与方式，对于集群化灵活性资源、满足一定规模并有能力建设灵活性资源平台的运营商，可直接建立与主网平台的交互接口，在线辅助系统运行并制定参与管理办法。随着市场规模的快速扩张，电力系统调度与交易的准入要求会持续动态调整。因此，面向全链条电力用户应引入中间管理平台，提供低门槛、甚至无规模要求的动态弹性、便捷拓展的接入方式，并提出合理的商业运营模式和透明的价值分配方法，激发更广泛灵活的资源参与电力系统运行，提高电力资源配置效率，提升电力系统灵活性。

基于上述分析，面向新型电力系统下海量灵活性资源的聚合技术给出如下发展建议。

（1）开放参与模式与准入机制，降低用户资源门槛

现阶段，随着我国各省电力现货试点的逐步开展、售电侧市场的稳步放开，灵活资源参与电力市场运营与辅助电力系统运行得以探索。但起步示范阶段，灵活资源参与的标准化模式与市场准入机制仍不明确，用户主动参与的意愿仍不能得到满足。因此，亟需建立灵活开放的灵活性资源参与模式和准入机制。首先，面向新型电力系统的聚合技术，应采用兼容灵活接入模式的混合体系架构，允许灵活资源集群通过自建聚合平台直接参与电网运行，也可以允许单一、小规模的灵活分散资源无歧视地接入中层管理平台；其次，建立明确的准入机制，准入机制设计在考虑容量规模、响应速率等因素的基础上，还应该考虑资源特性的互补特征，发挥合作博弈价值的同时提升灵活资源的利用率、降低用户资源准入门槛，推动灵活资源参与电网运行的规模化、产业化、标准化发展。

（2）资源用户培育机制配套，保障市场稳定运营

随着第一代和第二代虚拟电厂技术的涌现，我国的灵活性资源参与电力市场交易已经从示范起步阶段迈向培育探索阶段［12］。因此，立足资源用户和投资主体的消费者行为，设计合理的培育机制和配套政策，将有利于引导潜在调节资源的挖掘、推动社会投资主体的参与、推动灵活性资源产业规模化发展。首先，电力市场应逐步放开准入标准，推动更多灵活性资源聚合商等新兴市场主体便捷化有序参与，逐步培育其市场主体责任。其次，架构中的市场交易技术需要深度应用基于人工智能的数据机理融合模型，采用“内涵化”的建模方式，将资源用户行为、理性决策、非对称博弈等因素内涵到数学函数中，实现满足个体利益最大化、有限理性和个性化需求的电力消费者行为的可信预见。此外，“双碳”背景下，聚合技术体系中也要着力捋顺电力市场与碳市场的融合关系，通过合理的价值传导机制设计、碳流溯源和绿电溯源，充分利用构建的区块链技术的信用体系，提升电力用户对低碳用能的理性认知，激励用户主动购买绿证，基于市场化手段实现新型电力系统的绿色电力消纳可持续运营，助力推动电力领域的碳中和进程。

（3）引导产业技术标准化，提升市场化效率

新能源为主体的新型电力系统将进一步扩大电力系统灵活调节资源的缺口，灵活性资源的市场化运营将成为电网灵活调节能力的有力补充。但现阶段灵活资源参与电力市场仍缺乏可复制、可推广、易推动的标准化技术。因此，应充分考虑资源主体多样化、系统调控需求复杂化、市场环境多元化等重要因素，建立适应多种调控体系-多市场运营环境的灵活性资源辅助电力系统运行与参与电力市场运营的技术标准，有利于实现电网调度对聚合商等资源聚合体的统一化管理，也有利于聚合商等新兴市场主体的交易技术完善。同时，灵活性资源的投资主体更多为社会开放资本，对电力市场知识理解不足，对市场环境和政策解读困难。因此，还需建立灵活性资源参与电力市场运营的用例技术标准，提出包含业务流、信息流与资金流的标准化商业模型、技术要求与支撑系统的全链条标准化作业程序，打通技术行业壁垒，提升技术应用效率。

5 结束语

在电力系统新能源渗透率不断提高、电网低成本智慧用能资源匮乏、海量灵活性资源互动协同壁垒的背景下，本文针对海量灵活性资源参与电力系统运行与电力市场交易的架构技术问题，梳理了国内外经典技术案例，分析了面向新型电力系统的聚合技术架构的具体特征与分类，立足资源接入、市场运营与调控协同的多维视角，给出了多层级聚合技术的具体分析与发展建议。在我国“双碳”愿景进入全面落实阶段，为构建以新能源为主体的新型电力系统提供了具有灵活调节能力、弹性消纳裕度、智慧互联协同、持续在线响应的技术解决方案。随着海量资源的动态拓展、市场环境的多元变化、系统需求的复杂耦合，未来将围绕灵活资源信息的高并发处理、海量用户隐私保护和分散资源的快速配置等问题进一步探索聚合技术架构演进升级。