（来源：IESPlaza综合能源服务网）

本文首先综述了超大城市级虚拟电厂的顶层设计理念，剖析其建设路径和发展模式；其次分析了多时序协同运营下虚拟电厂的安全保供技术体系，讨论了虚拟电厂在常态化、市场化运行的场景范例；然后围绕上海超大城市级虚拟电厂的建设情况和示范成效，提炼了虚拟电厂在新型电力系统构建中的支撑作用；最后结合超大城市级虚拟电厂的发展路径和创新实践，总结了我国虚拟电厂存在的发展壁垒及建议，为虚拟电厂的规模化应用提供支撑。

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规模化虚拟电厂的发展模式

针对我国虚拟电厂示范工程的发展现状与建设情况，规模化虚拟电厂的发展模式可归纳为两类，如图1所示。一类发展模式是以“源荷耦合，立体化体系”为主要特征，我国浙江省虚拟电厂示范工程为该模式的典型案例。该模式中，通过建立层级鲜明的广域资源管理机制，运用立体化市场运营模式对接省级电力市场，推动数据与信息的高效交互，实现省一地一聚合商一资源的广域资源协同、多级嵌套运营，继而建立“整体统筹、分布优化”的体系架构，提升分布式资源参与电网协同调控的积极性，丰富省内电力市场交易模式。同时，针对区域间资源协调互动能力有限的问题，构建“云端全局优化，云一边协同互动，边端快速响应”的虚拟电厂分布式协同互动调度与运行控制技术体系，实现协同调度，资源互济。

另一类发展模式是以“网荷互动，扁平化体系”为主要特征，设计虚拟电厂扁平化市场交易体系，支撑跨域多主体高频智能化交易，实现电网一聚合商一资源的网荷高效互动、动态精准响应，继而建立“海量互联规模响应，异质聚合分散决策”的运行形态。同时，针对多主体精准调控与多业务协调优化困难问题，开展复杂异构网络时延与同步的确定性控制，应用人工智能快速决策，实施多时间尺度多层级协调和紧急协同控制。

值得指出，超大城市级虚拟电厂的发展模式应注重扁平化结构，打破传统层级壁垒，突出协同高效、互动便捷的特点。超大城市级虚拟电厂的扁平化发展模式具有以下特征及优势：1)建立可适配各类资源接入规模持续扩大需求的虚拟电厂一体化管理调度平台，对内贯通调度系统、交易平台等虚拟电厂在聚合、调控、交易过程中所涉及的电网业务系统，对外面向虚拟电厂运营商自建技术支持系统开放标准化的统一入口。2)通过扁平化设计，虚拟电厂在规模化互联过程中可降低层级嵌套，提高其可扩展性。同时，此种结构能够减少信息传递层级，改善对通信设施的依赖，提高响应速度，实现与用户资源的高效互动。3)扁平化管理为运营商提供即插即用的灵活商业模式，简化虚拟电厂参与电网响应与电力交易的业务全流程，增强用户的参与感和满意度，有效推动虚拟电厂规模的快速增长。

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超大城市级虚拟电厂的顶层设计理念

超大型城市除楼宇、空调和照明等传统调节资源广泛外，其数字化产业升级进程相对较快，以5G基站、数据中心、电动汽车为主的新型电力负荷资源发展迅猛，因此超大型城市通常具有负荷峰谷差大的特点，尤其近年来负荷峰谷差在持续扩大。

但其尖峰负荷年持续小时并不长，仅十几小时到几十小时之间，若新建大量冗余电源以补充短时尖峰缺口，在经济层面和物理层面都不是最优途径。由此可见，超大型城市存在短时电量缺口的同时也拥有较为丰富的可聚集资源禀赋，为开展虚拟电厂的建设运营提供了良好的生态环境。但是，超大型城市工商业用户用能水平较高且灵活性挖掘潜力较大，同时换电站等新型负荷规模较大，使得多方利益主体诉求多样，迫切需要通过电力市场红利实现降本增效。由此造成虚拟电厂聚合资源体量巨大、与用户互动多且频的特点。若没有良好的虚拟电厂建设路径和发展模式，不仅不能降低电网面临的巨大运行压力，还会影响用户用能体验，无法满足节能降碳需求。因此，虚拟电厂的设计理念需兼顾电网可靠安全、用能清洁经济、模式普适便捷等特点。

▌政策支持发展

超大城市级虚拟电厂的顶层设计应强调政策引导，为其规范化、规模化和市场化建设指明清晰方向。由政府主管部门出台一批支持性、引导性政策文件，以培育虚拟电厂市场主体为目标，分阶段分批次渐进发展，最终使其成为新型电力系统中不可或缺的调节力量。发展初期，在政府主管部门的组织下，启动需求响应试点和相关机制建设，为虚拟电厂转型奠定扎实基础。在需求响应试点成熟的前提下，政府部门发布虚拟电厂高质量工作方案，以V2G(Vehicle to Grid)、新型储能、分布式能源以及空调负荷4类资源为重点，推动虚拟电厂建设，并构建虚拟电厂运营平台，实施虚拟电厂技术。进一步地，政府主管部门成立工作组，从资源拓展、制度和技术等多方面推进虚拟电厂运营体系深化工作，使其向多元化、智能化发展。从需求侧响应到虚拟电厂，从试点应用到全面深化，政策支持都是实现超大城市级虚拟电厂发展建设的关键环节。

▌市场激励应用

超大城市级虚拟电厂的顶层设计应侧重于构建高效、灵活的市场机制，以激发虚拟电厂的内在动力和市场潜力。在不同发展阶段中，通过需求响应、辅助服务及现货市场的推动，逐步实现顶峰／填谷、调频与局部精准调用的应用。在发展初期，根据电力需求响应实施方案的发布，推动虚拟电厂以平台对接方式接入虚拟电厂管理系统，主要通过价格信号和邀约手段激励用户提供平衡适配，从而实现削峰填谷，缓解电网压力。接着，通过调频辅助服务市场规则的发布将虚拟电厂纳入电力调节辅助服务市场范畴，推动虚拟电厂从静态的负荷调节转向动态的调频服务，拓宽其市场参与空间与商业价值。随着现货市场实施细则的发布，不断探索虚拟电厂自主响应市场价格可行性，并深入研究虚拟电厂参与现货市场交易的具体实施规则。通过不断完善市场体系，促进虚拟电厂与能源市场的深度融合，激励虚拟电厂的持续应用。

▌标准推动规范

超大城市级虚拟电厂的顶层设计还需立足于科技引领、技术驱动的核心理念，强调标准化引领，构建一个高效、智能、互动的虚拟电厂技术标准体系，巩固提升虚拟电厂领域高等级标准创制能力和话语权。通过制定虚拟电厂各类资源并网运行和聚合响应技术标准，确保不同能源系统、设备和服务之间的无缝对接，为开展虚拟电厂规划、设计、建设和验收提供重要技术参考，并在虚拟电厂的推广应用和持续发展上发挥基础性作用。与此同时，精准聚焦虚拟电厂资源聚合优化、信息通信技术革新等关键领域，有序推进科技研发项目，体系化开展虚拟电厂的深度攻关与创新实践。通过标准推动虚拟电厂规范化的运营模式，保障信息安全，提升用户体验，推动虚拟电厂在安全保供、绿色发展中发挥示范作用，为构建智慧城市能源互联网提供有力支撑。

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多时空协同的虚拟电厂调控技术体系

研究虚拟电厂关键技术是实现其常态化、市场化运营的重要支撑。本章围绕虚拟电厂多时空协同的虚拟电厂调控技术体系展开，从精准响应、区域协同、快速调频3个维度提炼了虚拟电厂所需关键技术，并剖析了超大城市级虚拟电厂在3个业务中的场景范例，旨在为虚拟电厂的安全保供能力提供解决方案。

▌日前到小时级精准响应

基于灵活资源的系统供需能量精准调配，能降低系统整体高峰负荷、促进新能源消纳并保证系统可靠供电。因此，为充分释放需求侧灵活性，使各类用户资源参与到电力系统运行中，虚拟电厂运营商与用户签订合同，将各类能够提供相应服务的用户进行分类、整合，并最终交由电网运营平台统一调控。其中，为了实现精准的能量供需偏差响应，采用日前到小时级的多时间尺度滚动评估与适配技术。日前阶段每日执行一次，基于电网供需缺口，通过激励手段向用户发起日前响应邀约。日内阶段基于历史负荷曲线和电网发布的负荷准线，采用主成分分析和谱系聚类挖掘用电模式，并利用熵权法计算特征指标得分，结合特征评分与综合评分进行潜力评估。同时以15min尺度进行滚动实时评估，根据评估结果和电网需求对用户发起日内小时级邀约。该体系为虚拟电厂运营商参与电网供需平衡提供全面信息，继而引导用户更加实时和准确地响应电网需求。

以上述技术体系为支撑，国网上海电力公司在电网系统内通过融合多时间尺度技术、差异化业务场景、多样化负荷类型构建“电力需求侧可调节资源一张图”，同时，基于大数据、人工智能、物联网等关键技术形成多元异构感知融合的“新型用能资源一张网”，从而打造资源精细化管理和公共服务能力基座，实现可调节资源的电系溯源定位和可调能力检索，提升资源的“可观、可测、可调、可控”能力。如附录图A1所示，调度中心结合局部电气分区、供电区域潮流控制需求，通过源网荷储协同调控系统向“一图一网”发布局部精准调用需求，“一图一网”根据“站一线一变一户一资源”全景拓扑，实现需求侧资源双向追溯，智能生成精细化需求侧资源响应方案。

▌本地化到跨区域的削峰填谷

电力系统中可再生能源渗透率不断提高，迫切需要具备调峰能力的灵活资源129|。随着虚拟电厂在电力调峰市场中的参与度增加，多重利益主体的隐私保护需求愈发强烈。因此，为避免因市场交易关键信息、敏感数据泄露而引发恶意竞价、扰乱市场秩序等问题，采用基于区块链和隐私计算的虚拟电厂参与电力调峰辅助服务市场隐私保护交易技术。根据“服务提供商．区块链．电力调度控制中心”交易架构，并配合隐私保护交易智能合约，利用价格混淆随机预言机技术、Shamir秘密共享技术和Paillier同态加密算法，实现交易的可信、自动化及隐私保护。以上述技术为支撑，国网上海电力公司开展虚拟电厂调峰业务。通过源网荷储协同调控系统与虚拟电厂运管平台、电力交易平台交互虚拟电厂数据、模型台账、交易数据以及调控需求。

其中，虚拟电厂电力交易平台负责组织报量报价和结算，源网荷储协同调控系统负责发布日前／日内顶峰／填谷需求，虚拟电厂运营管理平台负责指令分解下达和执行评估，日前计划编制系统负责将虚拟电厂出清结果纳入发用电平衡。

此外，除本地化削峰填谷外，保供能力富余省份还可支持需求侧可调节资源互济交易，旨在优化电力资源配置、提高电力系统运行效率。这一交易机制主要涉及上海、江苏、浙江、安徽等地，其核心是利用虚拟电厂等富余需求侧可调节资源，进行跨省电能的互济。具体来说，华东网调通过构建考虑省级虚拟电厂富余调节资源情况和网络约束条件的省问多通道联络线安全域模型，实现对多联络线、大规模省问电力系统模型可行域的高效、精细刻画。随后基于安全域模型进行省问市场优化出清，可同时满足省问和省内市场出清目标需求，实现本地化到跨区域调峰的高效协同运行。

▌分钟级到毫秒级的快速调节

随着火力发电机组比例的降低，电力系统阻尼和惯量减小，导致电网难以保持频率稳定。因此，虚拟电厂除提供能量平衡服务外，也可利用内部灵活资源参与电网频率调整，支撑电力系统安全保供。当前，虚拟电厂为系统提供频率支撑已有大量理论与技术研究，技术可行性已得到充分论证，包括行为建模与客户画像、可调响应容量估计、广义动态聚合优化、指令分解与调控策略等关键技术。

然而，虚拟电厂的资源响应时延控制、上下行通信可靠性问题依然存在，导致其调频服务仍然存在诸多技术壁垒。因此，可从降低时延和通信控制方面开展技术攻关。通过梳理虚拟电厂分布式资源参与调频时的网络层级，并对其所用通信技术建模，得到各网络层级的解析化传输时延表达式，精确计算各分布式资源通信服务的端到端时延。然后，基于网络切片技术的特性，得出端到端时延与不同网络资源的关系，建立调频通信业务资源分配模型，为通信业务分配最优的网络资源。最后，根据虚拟电厂调频性能指标建立资源优化模型，根据最佳通信网络得出成本最低的资源选择方案，从而实现虚拟电厂分钟级到毫秒级的精准调频。

因此，在上述技术体系的支撑下，可对电网系统调频功能进行全面升级改造，引入虚拟电厂控制模块。以上海电网为例，在调度技术支持系统新建“1区+”虚拟电厂控制子系统，与原有控制区电网控制功能模块逻辑隔离，并部署自动功率控制模块，实现该子系统与虚拟电厂运营平台的互联互通，控制界面如图2所示。虚拟电厂控制子系统与虚拟电厂运营商平台采用标准化规约通信方式进行数据交互，采集汇聚虚拟电厂实际有功、调节上下限等数据发送给调度技术支持系统进行调频计算，得到虚拟电厂等值机总的调频指令，然后按照虚拟电厂可调容量裕度大小进行指令分解，下发给各虚拟电厂进行实时控制，从而完成调频响应业务。

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工程建设及示范成效

上海作为超大型城市，其可调资源丰富，总的预测可调节负荷近500万kW，其中电动车和楼宇资源优势明显，面积超2万m2的大型公共建筑近2000栋，新能源汽车突破150万辆，保有量居全球城市第一，车桩比保持全国领先，为上海建设虚拟电厂提供了丰沃的土壤。随着上海市数字化产业不断升级、新能源渗透率不断提高，电网的安全稳定运行将面临更多挑战。

▌超大城市电网能源供给仍面临随机性风险

1)新型电力负荷不断改变电力需求曲线。2024年上海电网尖峰负荷占比情况见图3。可以看出，2024年夏季大于97％(3909万kW)最高用电负荷天数共5天，累计18h；大于95％(3829万kW)最高用电负荷天数共10天，累计47h；大于90％(3627万kW)最高用电负荷天数共29天，累计186h。受尖峰电价政策影响，2024年夏季上海高温日最高负荷日趋平稳，尖峰负荷小时数明显拉长。

2)新能源受端电网能源供给安全面临风险。截至2024年7月，上海本地新能源装机容量约454万kW，其中，光伏占比超过76％。年度累计新增装机约57万kW，均为分布式光伏。据统计，7月28日12：17风机光伏出力创历史新高，首次突破300万kW大关，达到312万kW，较2023年迎峰度夏期间最大出力增长39．8％。在新能源保供支撑能力方面，光伏午峰出力同时率大于40％，对午峰时段的保供发挥了较好的支撑作用，但晚峰光伏无出力；风电高峰期间的同时率不到15％，支撑能力不足，8月2日11：11上海电网最高负荷时刻风电出力仅0．9万kW，当日06：00—17：00风电出力均低于6万kW，“极热无风”特征明显，具体新能源出力如图4所示。

针对上述挑战，上海市通过建设虚拟电厂，将城市中海量的灵活性资源聚沙成塔，充分挖掘用户侧灵活资源在尖峰时段的调节能力，在特定时段削峰填谷、保障安全、稳定供需、平抑电价。截至2024年9月，已累计培育运营商24家，接入用户1759户，申报可调节能力99．51万kW，较2022年同期实现了近3倍的增长f其中充换电站35．21万kW、楼宇空调24．36万kW、分布式三联供8．34万kW、用户侧储能6．13万kW、工业负荷21．48万kW、数据中心2．53万kW、其他资源1．46万kWl。

尤为值得一提的是，运营商队伍迅速壮大，众多新兴运营商如雨后春笋般涌现。例如闸北电厂，自2023年起从传统电厂转型升级为新型虚拟电厂，积极响应高质量发展号召，承担市场运营托底保障服务，开展中小负荷聚合商聚合代理试点，打造运营商平台标准化示范样板等重点任务，参与车网互动、新型储能、分布式能源、空调负荷等多类可调节资源的调控接入。目前，上海市虚拟电厂的市场运营在电网能量供需平衡、省问互济的资源协同、电网运行可靠性支持以及电力减碳方面已初具成效。

▌超大城市虚拟电厂多时空调控技术成效

1)电网能量供需平衡

结合电网需求和虚拟电厂实测验证需要，在迎峰度夏、度冬和节假日期间开展虚拟电厂日前、日内调用共计30余次，其中今年迎峰度夏以来调用超过20次，执行削峰调用指标情况如图5所示。其中，8月7日国网上海电力公司组织开展虚拟电厂中长期削峰响应，全市共22家虚拟电厂运营商参与此次响应申报。通过在线数据监测，本次调用最大削峰负荷70．43万kW(15：45)，创下了全国虚拟电厂实测调用最高记录。此轮调用包含分布式三联供、充换电、楼宇空调、数据中心、用户侧储能和工业负荷等多类资源，其中工业负荷、楼宇空调、充换电具有较强的调峰能力，平均响应负荷分别为23．80、16．92、17．62万kW。

2)省问互济的资源协同

7月22日，长三角省市问需求侧互济交易市场首次启动，上海9家经营主体、安徽2家经营主体参与市场。7月23日14：00—15：00，安徽为上海输送电力3．1万kW，成交电价1．245元／(kW．h)。7月23日20：00--21：00，上海为安徽输送电力3万kW，成交电价1．205元／(kW．h)。经上海市虚拟电厂运营管理平台实时监测，最大响应负荷2．02万kW(20：15)，平均响应负荷1．47万kW，标志着需求侧可调节资源交易正式由省内跨向省问，实现了省问交易全链路技术贯通。8月1日13：00--14：00实现了第二次省问互济交易(上海、江苏一浙江)，上海6家经营主体参与，最大响应负荷4．99万kW(13：30)，平均响应负荷4．25万kW。上海虚拟电厂省问交易响应情况如图6所示。

3)电网运行快速调节

聚合储能、分布式三联供机组、换电站等快速调频资源的虚拟电厂可通过有线或5G链路的方式接入上海电网调度系统。截至2024年8月，聚合容量共计9.4万kW，其中储能型虚拟电厂5.2万kW、换电站型虚拟电厂2.5万kW、综合型虚拟电厂1.7万kW。在此期间，国网上海电力公司通过多次与直接接入调度的虚拟电厂联合开展调频调用测试，充分验证了不同资源类型及不同接入方式下虚拟电厂参与调频的响应性能与稳定性。某次储能与分布式光伏联合调频试验情况如图7所示，根据试验结果可知，储能调频响应性能最佳，光伏也具备一定的调频能力。

4)基于虚拟电厂的电力减碳

2021年5月6日，上海首次进行规模化虚拟电厂电力减碳行动。上海虚拟电厂智慧楼宇的节能减碳监视如附录图A2所示，据统计，此次虚拟电厂在两日内累计调节电网负荷56．2万kW，消纳清洁能源123．6万kW．h，减少碳排放约336t。

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上海市虚拟电厂建设运营前景分析与发展路径

▌前景分析

作为超大型城市，上海在电力负荷和新能源接入方面面临着前所未有的挑战和机遇。随着电力市场化改革的深入，虚拟电厂能够通过市场激励机制，实现分布式能源与负荷的高效整合，为电网提供灵活性支持。未来，政策支持与市场化手段将进一步推动虚拟电厂建设的多元化发展。

1)多维价值体系化：由电能量价值为主，逐步向电能量价值、可靠性价值、灵活性价值以及低碳价值等多维价值体系转变。

2)多支撑市场机制：完善虚拟电厂参与现货市场和辅助服务市场的途径和机制，解决虚拟电厂利益分配难题。

3)多元资源组合：引导各类资源主动加入虚拟电厂，高效利用多能互补，满足系统多时空领域需求。

4)智慧调控系统：有效利用“大云物移智链”、元宇宙等新兴互联网技术，解决多维辨识监控、海量数据传输、协同高效调控等技术难题，打造“真材实料”灵活性资源库。

▌发展路径

为了稳步推进虚拟电厂的规模化、规范化与可持续化发展，上海市的虚拟电厂建设运营实践有如下发展路径：

1)稳步推进电力市场长效机制建设。促请政府出台虚拟电厂有关激励政策和制度性文件，培育积极市场；在资源调节能力建设方面，出台专项支持政策，如以空调、充电桩、分布式能源、新型储能等4项为重点，推进虚拟电厂建设；在市场运行机制方面，出台虚拟电厂的常态化交易机制与调用机制，以更好保障虚拟电厂的市场化运行。

2)完善丰富市场品种与商业模式。根据电力市场的实际需求与发展步伐，探索如何丰富和完善电能量现货及辅助服务等交易品种，提升市场活跃度。深化虚拟电厂的“降碳节能”价值，虚拟电厂参与电力市场交易有助于新能源消纳与环境效益提升，但新能源消纳与低碳效益如何关联仍待研究。以现货市场建设为契机，拓展灵活资源的常态化交易品种，打造“新能源消纳”+“源网荷储协调”+“可靠性提升”+“零碳绿色生态”四大应用场景。为进一步挖掘虚拟电厂低碳价值，探索虚拟电厂的容量价值回收机制，考虑电力市场和碳市场的有效互动。

3)推动资源建设由“大”向“精”。精准挖潜4类虚拟电厂特色资源，挖掘数据中心可调节资源，推广空调柔性负荷控制，推进电力储能示范应用，提升车网双向互动能力。从运营管理、聚合控制、效果评估等多方面提升虚拟电厂实效调用水平，促进运营商、可调资源逐步从大向精转变。

4)加快关键技术创新突破。随着聚合资源种类的不断增加，现有虚拟电厂的协调控制策略和预测模型可能难以有效驾驭海量资源的管控，实现收益最大化、能耗可控、高效计算的多目标优化成为亟待攻克的工程技术难题。当前快速响应策略敏捷性与速度上尚显不足，存在全局信息获取不完整、集中决策耗时较长、利益主体诉求多样和多层级交易协调困难等问题，影响整体响应效率。利用上海的物联网技术积累，不断丰富虚拟电厂信息安防体系，完善技术标准体系，实现对全量灵活资源的可观、可测、可调、可控。同时结合国家重点研发计划项目的研究成果，打造多链式主从结构的区块链交易平台，形成智能合约快速达成、防篡改的可信交易体系。（本文有删减）

作者：汤军，高洪超，余涛，康重庆