能源革命的實現高度依賴于未來高比例的可再生能源系統，特別是就地開發、就地消納的分布式可再生能源。隨著電源和負荷類別的多元化和分散化，為了保證功率的平衡，虛擬電廠這一可參與電網的調度運行、可為電力市場提供能量和靈活性服務的管理系統應運而生。在電力供需不平衡時，虛擬電廠將發揮削峰填谷的作用。在成熟的電力市場環境下，它可以帶領小型電廠和生產型消費者進入大型市場， 使其能夠參與電力交易。

電網結構的集中與分層分群

隨著我國“雙碳”目標的提出，電源結構將從以化石能源為主逐漸過渡到以清潔、可再生的風電、水電、光伏發電以及光熱等為主。分布式發電、用能電氣化和靈活負荷的充分利用是電力的未來，也是能源的未來。

4月26日召開的中央財經委員會第十一次會議提出“發展分布式智能電網，建設一批新型綠色低碳能源基地，加快完善油氣管網”�？梢钥闯�，分布式智能電網的發展也開始提 速。

虛擬電廠是分布式資源主體參與市場的一種形式，不論是研究虛擬電廠，還是分布式智能電網，首先要研究電網的體系結構，它是電網的最頂層描述（模型）。考慮電網問題必須優先考慮體系結構。

當前，我國的電網結構和體系已經與20世紀電網發展所依據的基本原理和假設有所不同。早期的電力系統采用了統一電力系統的發展模式。建立結構合理的大型電力系統不僅便于電能生產與消費的集中管理、統一調度和分配，減少總裝機容量，節省動力設施投資，提高系統運行的安全性和穩定性，而且有利于地區能源資源的合理開發利用，更大限度地滿足地區國民經濟日益增長的用電需求。

傳統的集中控制模式能夠處理數百甚至數千個監測點和控制點的信息，當獨立系統的規模進一步擴大時，集中控制模式就難以適應了，于是20世紀20年代至50年代互聯系統模式應運而生。互聯系統由若干電力系統組成，通過聯絡線或其他設備連接起來，并建立了互聯的標準�；ヂ撓到y發電和潮流控制理論提出了“控制區”的概念，后來更名為平衡區，意指區域內電功率能夠保持近乎瞬時的凈功率平衡。

平衡區的運行規范可概括為：每個平衡區有義務維持其對外的和事先約定的交易日的計劃功率，同時其內部發電的調節需要隨時吸收其自身負荷的變化（即凈功率平衡），即使在該區域內有大的擾動時，也需達到此標準，平衡區如何運作以完成該目標是其自己的事。歷史上，統一電力系統實際上是單平衡區系統。從電網的安全角度出發，各平衡區之間進行協調或者優化，產生平衡區間的功率交換計劃，各群必須履行此計劃中所規定的任務。以我國西北地區為例，從西部往東部傳輸可再生能源時，直流輸電功率并非隨著西北地區風光發電出力的波動而波動，實際上是相對平穩的。

由于我國的電網系統一直置于高壓輸電系統的能量管理系統下，覆蓋了眾多的發電機組和變電站，數十年來，在管理和控制電力系統以確保其經濟可靠運行方面取得了巨大成功。但如果將這個系統和它的底層集中操作范式擴展到配電系統，并擴展到未來電力系統中成千上萬個生產型消費者，就會導致效率和可靠性降低。

對于如何解決這一問題，有人提出設想：未來的配電網、微電網、建筑單元（大樓、工廠和住宅等）與輸電系統的差異將逐步消失，具有本地發電和雙向電力潮流的特點，且都將配有能量管理系統，并按照集群（cluster）的理念實現各自的凈功率平衡。其實這里所謂的群就是前述的平衡區，其所對應的智能電網就是分布式智能電網。

互聯輸電系統是若干個平衡區（即區域性輸電網）互聯起來的群集（clusters），每個平衡區是一個集群；每個區域性輸電網是若干個配電網互聯起來的群集，每個配電網是若干個微網、建筑單元組成的群集，每個微網又可以是由若干個建筑單元互聯起來的群集，由此形成多層的群集層次結構。如果這個圖扁平化，則形成群集嵌套。

與平衡區相似，每個集群都有發電或負荷、智能控制（能量管理系統）和通信功能。集群的基本功能包括：進行發電或負荷調度；當地的反饋控制，以用于平滑波動；通過削減發電或負荷來緩解故障。

分層分群的概念看似與當今的電力系統并無太大不同，但一個關鍵區別是，潮流不再只是從大型電力系統到用戶的單向流動。首先，配電系統或大電網上的大多數節點乃至終端用戶的電表都可以注入和輸出功率，并且可以在這兩個模式之間平穩地切換。其次，這些特點再加上不同規模的經濟高效的儲能，變革勢在必行，其中至少要對配電系統運行進行變革。從大系統和批發市場運營商的角度來看，他們希望每個輸電和配電接口都可以在充當負荷節點和充當供應節點之間切換運行方式。

美國西北太平洋國家實驗室通過分層優化解耦研究，也確認了這種分層分群的電網體系結構。本質上，所有群協作作為一個常見的優化問題，定會產生必要的協調信號。在局部，每個群都可以使用協調框架內的本地目標和約束條件來執行優化。需要強調的是，上述分層分群的電網體系結構不需舍棄成功的能量管理系統或運行良好的輸電系統的網絡運行的做法，僅是使其變得更簡單（對外圍設備不承擔任何責任）。

對能源清潔低碳轉型有積極作用

虛擬電廠的概念與實踐對分布式電源發展、能源清潔低碳轉型有著積極意義。

電網被認為是20世紀最偉大的發明，而互聯網則是21世紀最偉大的創新。互聯網是智能的，可以輕松地適應接連不斷的具有顛覆性的信息革命快速變化的情景。在新的電力時代，電網也將像互聯網一樣智能化。

互聯網之所以智能，因為它是從全球互聯網到局域網這樣一個網絡結構。這樣一種分群分層方式的構造，使得網絡責任分攤成為可能。每一個互聯網子域的協議棧都是分層結構，有應用層、傳輸層、網絡層、通信層。這些子網絡的協議非常明確。明確的分工特別適合技術創新，所以互聯網的智能化分布在整個網絡的層次結構當中。

從互聯網的發展經驗來看，分層分群體系結構的電網具有與互聯網一樣的層次結構特點和運行范式，因而也會像互聯網一樣的智能。它特別適合未來電網發展，尤其體現在以下六個方面：

一是可以更好地利用多變的可再生能源，當可再生能源由當地利益相關者運營時，他們對資源的預測、計劃和控制有更好的了解。二是可為生產型消費者賦權。生產型消費者將受到機制的激勵，積極安裝和運行高效設備，例如光伏發電系統、電池儲能系統、電動汽車充電系統以及信息和通信系統等。三是與外圍設備分擔責任。在數字化時代，因為硬件變得越來越便宜，軟件變得越來越智能，外圍設備的智能化管理模式與電網運營商在管理其子電網方面相似。四是納米電網、迷你電網和微電網的無縫集成。新范式的責任分擔功能與當今的納米電網、迷你電網和微電網的自治或半自治理念兼容，有助于它們的無縫集成。此外，允許群集的半自治運行能防止生產型消費者“逃離”電網。五是快速適應技術創新：分層分群的體系結構使整合創新技術變得容易。六是增強韌性和抵御不斷增加的網絡攻擊。平衡區理念可把分布式電源的使用同來自電網的各種壓力解耦，并提供一種可以更具體地應用于提升分布式電源容量系統韌性（且不降低配電的可靠性）的結構。在該結構下，大電網的運行部門不要求配電層次上任何詳細的可觀性，同時還可避免安全事故擴大化和網絡安全漏洞。

從虛擬電廠的發展來看，如果一個配電區域發電量大于用電量，它就可以向輸電系統運營商輸出正功率；滿足平衡區定義條件的虛擬電廠，如果同時遵守相同的運行規范，就可以助力保障未來超復雜電網的可靠性。如此，隨著虛擬電廠的發展，就會逐步形成一個個相對獨立的功率平衡區，從而加速分層分群電網體系結構的形成。因此，一定要把電網分層分群體系結構中的功率平衡區作為虛擬電廠的范式。

同時應明確以下三點：首先，平衡區的運行規范是平衡區內自行實現凈功率平衡與優化，各平衡區間圍繞總體目標進行協調。其次，虛擬電廠需滿足平衡區定義中的條件，且最好遵守相同的運行規范，以確保未來超復雜電網的可靠責任。最后，監管結構、電網行業結構（包括市場結構）和控制、協調結構應保持一致。配電層次的虛擬電廠聚合的全部分布式電源，只能由一個當地的配電系統運營商（DSO）管理，且每個分布式電源都由當地配電網和大容量電力系統之間的單一接口進行電氣定義。