一、背景介紹

“雙碳”目標對清潔能源的大力開發(fā)與廣泛使用進一步提出要求?

隨著“雙碳”目標的提出，電力作為清潔、高效的二次能源，將在支撐社會經(jīng)濟發(fā)展，服務(wù)民生用能需求，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系中發(fā)揮更加重要的作用。推動電力的大規(guī)模應(yīng)用構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。?

電力市場化程度不斷加深，多地試點推進建設(shè)電力現(xiàn)貨市場

在近五年間，多地開始試點建設(shè)電力現(xiàn)貨市場。中國電力市場交易電總量快速增加，2021年市場交易電量占全社會用電量已經(jīng)來到45.5%，電力市場化程度進一步加深。?

整合發(fā)電端和用電端，靈活調(diào)節(jié)負載端和運輸端；參與電力市場運行全過程

虛擬電廠即虛擬化的電廠，是一種通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、微網(wǎng)、電動汽車等分布式能源資源的聚合和協(xié)調(diào)協(xié)同優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng) 。?

二、系統(tǒng)特點

“源-網(wǎng)-荷-儲-數(shù)” 多資源聚合虛擬電廠調(diào)控仿真系統(tǒng)主要針對新能源/電氣專業(yè)的老師/學生而開發(fā)的智能電網(wǎng)科研/教學設(shè)備。系統(tǒng)的核心在于中央控制與能量調(diào)配，本系統(tǒng)采用集中管理的方式對一次側(cè)接入進行電能調(diào)度分配；

（1）可實現(xiàn)模擬光伏，模擬風電、蓄電池、超級電容、模擬負載、燃料電池、充電樁等多種一次側(cè)設(shè)備的互聯(lián)，各個設(shè)備都單獨可控，通過IEC61850規(guī)約，實現(xiàn)四遙數(shù)據(jù)的控制。

（2）實現(xiàn)虛擬電廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、功率控制、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電計劃設(shè)定等。

（3）用戶側(cè)分布式資源聚合仿真功能，仿真分析多類型分布式資源聚合策略，包括考慮經(jīng)濟性的聚合策略、環(huán)保性聚合策略、發(fā)用電擬合聚合策略、調(diào)節(jié)速率最優(yōu)聚合策略、可控性能最優(yōu)聚合策略、以及考慮分布式資源通信基礎(chǔ)的聚合策略。

（4）分布式資源發(fā)用電預(yù)測功能，虛擬電廠包含不同類型的分布式電源、負荷、儲能等資源，其發(fā)用電預(yù)測分析是虛擬電廠實現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)。其功能主要包括：分布式光伏（風電）發(fā)電預(yù)測、負荷用電預(yù)測與特性分析。

（5）參與電力市場競價決策仿真功能，虛擬電廠參與電力市場競價決策模擬虛擬電廠參與電力市場交易，能夠根據(jù)電力市場規(guī)則和虛擬電廠自身特性，模擬虛擬電廠競價決策，包括實時仿真、多層次市場模擬、競價決策、指標分析功能。

（6）參與電網(wǎng)互動需求響應(yīng)仿真功能，仿真系統(tǒng)動態(tài)展示虛擬電廠資源參與電網(wǎng)互動過程的運行狀態(tài)和響應(yīng)效果，實現(xiàn)需求響應(yīng)全業(yè)務(wù)流程可視化，進一提升管理水平。

（7）參與碳交易仿真功能，虛擬電廠碳交易仿真功能包括碳市場競價策略分析和碳市場運行狀態(tài)分析兩大模塊。虛擬電廠碳市場競價策略分析模塊實現(xiàn)。

（8）配置分級保護和計量裝置，在智能電網(wǎng)內(nèi)部故障、外部故障情況下，均保證其準確、快速動作，使系統(tǒng)安全運行。

（9）針對高校學生，充分考慮了學生的具體知識結(jié)構(gòu)與層次，使得學生可以充分理解智能電網(wǎng)的特點與結(jié)構(gòu)；學生可以在本系統(tǒng)中進行系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、軟件控制等多個專業(yè)的知識進行實訓。

（10）針對做科研的老師，開放部分一次側(cè)設(shè)備的軟硬件資料，包括板級硬件圖紙以及軟件驅(qū)動源代碼、算法源代碼等，開放上位機軟件的源代碼程序。提供整體的系統(tǒng)的基礎(chǔ)開發(fā)平臺，方便用戶二次開放，提供詳細而豐富的培訓課程，使用戶可快速入門并掌握整體系統(tǒng)，大大提高科研實驗的效率。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由發(fā)電側(cè)系列設(shè)備、儲能側(cè)系列設(shè)備、用電側(cè)系列設(shè)備、二次側(cè)控制設(shè)備、配電保護、測量設(shè)備及需求側(cè)軟件平臺等幾個部分組成，每個部分都可按照客戶的需求進行靈活搭配。

1、直流母線、交流母線

2、光伏模擬/真實系統(tǒng)

3、風機模擬/真實系統(tǒng)

4、鋰電/超級電容/水電儲能系統(tǒng)

5、模擬分級負載系統(tǒng)

6、柴油機模擬系統(tǒng)/充電樁負載

7、故障模擬系統(tǒng)

8、虛擬電廠控制系統(tǒng)

9、虛擬電廠決策與調(diào)度系統(tǒng)

10、配電保護系統(tǒng)

四、智能電網(wǎng)主控控制系統(tǒng)

4.1 智能電網(wǎng)中央控制器

智能電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)，通過對智能電網(wǎng)系統(tǒng)進行高速數(shù)據(jù)采集，收集全網(wǎng)電氣參數(shù)， 對全網(wǎng)運行狀態(tài)進行采集和監(jiān)視， 并在此基礎(chǔ)上進行邏輯運算，得出控制策略對智能電網(wǎng)進行實施調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)智能電網(wǎng)電源、儲能、負荷的實時動態(tài)調(diào)節(jié)功能，保證智能電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行。

（1）技術(shù)特點

1）數(shù)據(jù)采集

中央控制器的測控模塊，可實現(xiàn)對智能電網(wǎng)系統(tǒng)進線、分布式電源、儲能、負荷、母線等各回路電氣量及開關(guān)位置等信號量的采集，并將采集數(shù)據(jù)通過高速網(wǎng)絡(luò)快速傳送到中央控制器的主控單元。

2）控制操作

通過中央控制器的測控模塊，可實現(xiàn)對智能電網(wǎng)各回路開關(guān)及設(shè)備的控制操作，實現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

3）分布式電源調(diào)節(jié)

中央控制器可以通過通信接口實現(xiàn)對智能電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源進行調(diào)節(jié)，根據(jù)需要控制各電源有功、無功出力。

4）儲能單元調(diào)節(jié)

中央控制器可以通過通信接口控制儲能系統(tǒng)的充放電功率， 從而滿足智能電網(wǎng)運行方式的需要。

5）智能電網(wǎng)運行模式實時控制

中央控制器的主控單元，可以根據(jù)調(diào)度指令、系統(tǒng)自動、手動進行智能電網(wǎng)運行模式的控制。

中央控制器內(nèi)置智能電網(wǎng)并網(wǎng)運行、孤網(wǎng)運行、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)、全網(wǎng)停電等多種控制模式。根據(jù)不同的運行工況和控制目標實現(xiàn)智能電網(wǎng)的實時控制，保證智能電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

6）通信功能

中央控制器可以與智能電網(wǎng)系統(tǒng)的各個智能控制單元進行通信， 通過通信實現(xiàn)對各控制單元的控制和調(diào)節(jié)。同時中央控制器還可以通過通信接口與智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，接受監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度。

7）高速采集

中央控制器配置高速全電量采集模塊，并能夠高速傳輸，滿足系統(tǒng)實時性要求。

8）實時模式控制

通過高速采集，快速控制，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時調(diào)節(jié)與控制。

9）新型高速實時工業(yè)以太網(wǎng)

中央控制器采用新型高速實時工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高速傳輸，從而滿足對智能電網(wǎng)系統(tǒng)實時控制的要求。

4.2 虛擬電廠能源與管理系統(tǒng)

智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)是微網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞和能量管理中心，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建傳感測控網(wǎng)絡(luò)，對智能微網(wǎng)各種類設(shè)備運行、環(huán)境狀態(tài)及人員管理進行綜合的信息感知，監(jiān)控BMS和PCS的運行信息，集成微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電和儲能監(jiān)控、供電監(jiān)控、計費管理等功能。同時接收電網(wǎng)調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)度指令，并根據(jù)當前電池組和微網(wǎng)逆變器的運行信息合理的分配調(diào)度指令。

系統(tǒng)特點

• 智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)覆蓋微網(wǎng)發(fā)電、儲能、能量轉(zhuǎn)換、供配電及整體調(diào)度的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對微網(wǎng)全方位的監(jiān)測監(jiān)控管理，保障微網(wǎng)各環(huán)節(jié)安全可靠運行。

• 研旭智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是整個智能電網(wǎng)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，通過對各回路智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)視與控制。

• 研旭智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)全面遵循國際標準，采用面向?qū)ο?、組件化分層、分布設(shè)計思想。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上分為三層：

• 數(shù)據(jù)接口層：數(shù)據(jù)接口專門用于數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

• 數(shù)據(jù)處理層：包括實時數(shù)據(jù)庫環(huán)境、事件服務(wù)器環(huán)境、計算環(huán)境、歷史數(shù)據(jù)環(huán)境、校時服務(wù)器環(huán)境等。

• 數(shù)據(jù)應(yīng)用層：包括數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能，同時包含基于此數(shù)據(jù)開發(fā)的眾多通用或擴展應(yīng)用模塊，比如負荷預(yù)測、功率分析等。

功能特點

（1）數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)包括各種信息量（量測量、狀態(tài)量等）的采集：

1）量測量包括測量對象的三相電壓、 線電壓、 電流、 零序電壓， 零序電流，直流電壓， 直流電流、 有功功率、 無功功率、 功率因數(shù)、 變壓器溫度等，以及有功電度、無功電度等電度量。

2）狀態(tài)量可分為位置信號和保護信號：位置遙信包括各種開關(guān)、刀閘、接觸器的合、分狀態(tài)，遠方就地位、設(shè)備運行狀態(tài)等；保護遙信包括各類保護跳閘動作的啟動、出口、失敗，各路開入、開出錯誤、采樣錯誤、定值錯誤、壓板狀態(tài)，計算機運行及通信狀態(tài)，設(shè)備告警信息，溫度檢測設(shè)備的過限與否等信息。

系統(tǒng)接收由通信處理機傳送上來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過各種計算及邏輯處理后，數(shù)據(jù)結(jié)果存儲到系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中。 通過人機界面進行展現(xiàn)及交互，實現(xiàn)監(jiān)控功能。同時系統(tǒng)并能檢測出狀態(tài)變位、模擬量越限、保護出口、裝置異常等，生成事件及告警信息。

（2）監(jiān)視與報警

系統(tǒng)能在計算機屏幕上對主要電氣設(shè)備的運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進行圖形化監(jiān)視，當所采集的模擬量發(fā)生越限、數(shù)字量變位及計算機系統(tǒng)自診斷故障時，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的處理策略立即處理這些報警信息。

（3）遙控

SCADA 系統(tǒng)可以對智能電網(wǎng)系統(tǒng)的任何一個可遙控對象進行遙控操作?？梢詫崿F(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的斷路器、電動隔離開關(guān)等的“分” 、 “合”閘控制操作。對于開關(guān)等的遙控操作，采用“選擇－確認－執(zhí)行”模式以確保操作被安全地執(zhí)行。整個操作過程將被完整記錄到操作日志中以供以后查詢。

（4） 設(shè)定值遙調(diào)

通過對智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源有功無功出力、 儲能系統(tǒng)的充放電功率等參數(shù)，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)運行狀態(tài)的調(diào)整。SCADA 系統(tǒng)可以遠程對智能電網(wǎng)的各分布式電源的出力、儲能系統(tǒng)的充放電功率等進行設(shè)置值調(diào)節(jié)。

（5）模式控制

支持并網(wǎng)啟動、離網(wǎng)啟動、并轉(zhuǎn)孤、孤轉(zhuǎn)并等多種智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式遠方切換。

（6）模擬置位

系統(tǒng)具有手動模擬置位操作功能，系統(tǒng)無法采集到某個設(shè)備(如開關(guān)、刀閘等)的狀態(tài)或采集到的數(shù)據(jù)不可信時，或調(diào)試需要進行置數(shù)時，系統(tǒng)對具有權(quán)限的操作員,可以通過人工設(shè)置遙信點的狀態(tài)和遙測點的數(shù)值。調(diào)試操作時可以通過人工置數(shù)的信息，在畫面上用明顯的符號設(shè)置相應(yīng)的標志。

（7）權(quán)限管理

為保證系統(tǒng)操作的安全性， 系統(tǒng)對所有用戶進行統(tǒng)一管理， 登錄的身份不同，其操作的范圍也不同。

系統(tǒng)可根據(jù)要求對系統(tǒng)的操作權(quán)限進行分級，定義不同的用戶組，每個用戶組被賦予特定的權(quán)限，屬于同一用戶組的用戶擁有相同的權(quán)限。

（8）日志管理

系統(tǒng)提供功能完備的日志管理工具，負責收集保存系統(tǒng)所有運行狀況(各前置通道狀態(tài)、系統(tǒng)各進程狀態(tài)、系統(tǒng)各節(jié)點狀態(tài))、系統(tǒng)運行時的各種報警事件（系統(tǒng)自身產(chǎn)生的各種事件和報警、開關(guān)動作記錄） 、操作與維修記錄等信息。用戶可根據(jù)日志類型、分操作員、分等級按時間段進行查詢與選擇打印。

（9）實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫管理建立在高效內(nèi)存管理及索引機制之上，是面向?qū)ο蟮?、開放的、分布式大容量實時關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過共享內(nèi)存、先進算法等多種技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)庫對實時性、一致性、可預(yù)見性、及大吞吐量等方面的要求。

（10）歷史數(shù)據(jù)的保存與轉(zhuǎn)儲

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過各種算術(shù)及邏輯處理后，數(shù)據(jù)結(jié)果存儲到系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫中， 歷史服務(wù)的功能是按照不同的存儲周期和預(yù)先的設(shè)定的存儲策略將實時數(shù)據(jù)寫入商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，歷史服務(wù)同時還負責日、月、年各統(tǒng)計量的統(tǒng)計工作。

4.3 虛擬電廠決策和支持系統(tǒng)

用戶側(cè)分布式資源聚合仿真功能?

虛擬電廠是聚合用戶側(cè)各類型分布式資源，該功能將仿真分析多類型分布式資源聚合策略，包括考慮經(jīng)濟性的聚合策略、環(huán)保性聚合策略、發(fā)用電擬合聚合策略、調(diào)節(jié)速率最優(yōu)聚合策略、可控性能最優(yōu)聚合策略、以及考慮分布式資源通信基礎(chǔ)的聚合策略?？稍O(shè)置連續(xù)多個聚合運行時間段以及分布式資源間在配電網(wǎng)中的分散位置，選擇集中式、分散式、分布式等多類型聚合架構(gòu)，實現(xiàn)分布式資源多時空尺度調(diào)頻響應(yīng)能力的量化評估；分布式資源通信狀況設(shè)置功能，設(shè)置包括聚合調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生通信時延、干擾以及中斷等情況；分布式資源聚合響應(yīng)能力評估功能，包括聯(lián)絡(luò)線功率上下限、爬坡率、響應(yīng)時間等方面的指標評估；考慮不同類型分布式資源物理約束條件等不確定性因素，在仿真平臺進行模擬計算，用于驗證自定義的聚合策略和算法。針對各類數(shù)據(jù)進行分析和綜合，將這些數(shù)據(jù)以圖表、曲線等形式直觀展示，實時反映虛擬電廠的有功功率曲線與可調(diào)節(jié)功率曲線，為多類型分布式資源有效參與市場調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

分布式資源發(fā)用電預(yù)測功能

虛擬電廠包含不同類型的分布式電源、負荷、儲能等資源，其發(fā)用電預(yù)測分析是虛擬電廠實現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)。其功能主要包括：分布式光伏（風電）發(fā)電預(yù)測、負荷用電預(yù)測與特性分析。其預(yù)測方法包括聯(lián)邦學習、云模型預(yù)測、時間序列法、關(guān)聯(lián)規(guī)則法、綜合性方法等等。其中聯(lián)邦學習預(yù)測方法針對分布式電源的出力不確定性和電源分布范圍廣，等情況進行進一步優(yōu)化，得到精度優(yōu)秀的分布式預(yù)測模型；云模型預(yù)測方法利用云模型的不確定性篩選出相關(guān)度較高的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)云模型對相關(guān)特征集進行篩選，構(gòu)建分布式電源預(yù)測數(shù)據(jù)特征集；時間序列預(yù)測方法基于歷史數(shù)據(jù)集，用于計算分布式電源的發(fā)電預(yù)測；關(guān)聯(lián)規(guī)則預(yù)測方法應(yīng)用類似于碳排放檢測、綠點核算減排量和碳足跡跟蹤以及根據(jù)碳足跡對電碳耦合進行分析；綜合性方法將集合以上各類型方法，將預(yù)測結(jié)果做加權(quán)優(yōu)化。

參與電力市場競價決策仿真功能?

虛擬電廠參與電力市場競價決策模擬虛擬電廠參與電力市場交易，能夠根據(jù)電力市場規(guī)則和虛擬電廠自身特性，模擬虛擬電廠競價決策，包括實時仿真、多層次市場模擬、競價決策、指標分析功能。該功能根據(jù)不同電力市場規(guī)則，優(yōu)化虛擬電廠的競價策略，提升電力市場的競爭力，包括虛擬電廠競價優(yōu)化決策與競價指標狀態(tài)分析兩大模塊。競價優(yōu)化決策模塊實現(xiàn)：虛擬電廠參與中長期電力市場競價決策、參與現(xiàn)貨市場競價決策、參與輔助服務(wù)競價決策；可實現(xiàn)不同電力市場規(guī)則模擬設(shè)置，虛擬電廠根據(jù)規(guī)則進行競價策略優(yōu)化計算；競價指標狀態(tài)分析模塊實現(xiàn)：虛擬電廠參與多類型市場的數(shù)據(jù)指標分析；指標可視化分析和對比功能，基于以上各類型市場運算結(jié)果，將各類數(shù)據(jù)以圖表、曲線等形式直觀展示，使用戶能快速了解不同市場情況，為虛擬電廠參與市場決策提供數(shù)據(jù)支持。

參與碳交易仿真功能

虛擬電廠碳交易仿真功能包括碳市場競價策略分析和碳市場運行狀態(tài)分析兩大模塊。虛擬電廠碳市場競價策略分析模塊實現(xiàn)：一、虛擬電廠參與碳交易的競價決策，出售或購買碳配額及收益分析功能；二、出售CCER策略及收益分析功能，包括光伏發(fā)電機組和風電機組發(fā)電量分析、清潔能源使用比例分析等。碳市場收益分析模塊幫助虛擬電廠的運營者直觀的了解到參與碳市場的各項收益情況。碳市場運行狀態(tài)分析模塊中包含：一、市場運行指標分析功能，包括國內(nèi)碳排放權(quán)交易量、交易額和交易價格的波動特征等指標；二、可視化決策功能，針對運行指標等各項數(shù)據(jù)的進行綜合，將這些數(shù)據(jù)以圖標等形式直觀展示，反應(yīng)碳市場的實際運行狀態(tài)，為虛擬電廠的運營者提供碳市場運營數(shù)據(jù)支持。

五、智能電網(wǎng)系統(tǒng)實景展示圖