隨著全球氣候問題愈發(fā)嚴峻，受極端天氣沖擊的傳統(tǒng)電網(wǎng)，大有潰不成軍之勢。
2021 年美國得州極寒天氣下的電網(wǎng)癱瘓，我國東北地區(qū)風(fēng)電輸出驟降導(dǎo)致的大范圍限電，2022 年川渝地區(qū)嚴重干旱，擊穿以水電為主的電力供應(yīng)，加州高溫天氣帶來的供電危機…… 無不說明日益惡化的能源供求關(guān)系。同時，波動性強，穩(wěn)定性差的可再生能源在能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的持續(xù)增加，也對電網(wǎng)適應(yīng)性提出了全新要求。
如何建立一套更加靈活、可靠且有效率的系統(tǒng)管理電力資源，滿足供需雙方的新需求，就成了當(dāng)務(wù)之急。
虛擬電廠，正是一個可能的答案。
何為虛擬電廠
虛擬電廠（Virtual Power Plant，簡稱 VPP），是一套高度智能的能源管理系統(tǒng)。它以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，統(tǒng)合電網(wǎng)中的分布式電源、儲能設(shè)施、可控負荷等資源，進行集中調(diào)度，參與電網(wǎng)的調(diào)度運行，為電力市場提供靈活性服務(wù)。虛擬電廠具有與電廠類似的功能，但沒有傳統(tǒng)意義上的廠房，故稱“虛擬電廠”。
1997 年，經(jīng)濟學(xué)家西蒙?阿韋布赫（Shimon Awerbuch）博士就提出了虛擬電廠的相關(guān)概念，他在《虛擬公共設(shè)施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競爭力》一書中將其定義為：受市場驅(qū)動的獨立實體間靈活合作，且能夠為消費者提供所需的高效電能服務(wù)而不必擁有相應(yīng)的資產(chǎn) [1]。
今年 8 月 26 日，國內(nèi)首家虛擬電廠管理中心在深圳揭牌，它接入分布式儲能、數(shù)據(jù)中心、充電站、地鐵等類型負荷聚合商 14 家，接入容量達 87 萬千瓦，接近一座大型煤電廠的裝機容量 [2]。該虛擬電廠可在電力供應(yīng)緊張時段，直接調(diào)度分散的充電樁、空調(diào)、儲能等用電資源，通過它們降低用電功率 [3]。
虛擬電廠最顯著的特征是兼具“源 — 荷”特性，既可以作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調(diào)峰，又可作為“負電廠”加大負荷消納，配合系統(tǒng)填谷；可快速響應(yīng)指令，配合保障電網(wǎng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟補償，也可直接像傳統(tǒng)電廠一樣，參與到電力市場交易、電力輔助服務(wù)交易等。
又由于虛擬電廠依托的是高度智能化的控制系統(tǒng)，并接入大量設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)，理論響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)能力也遠超傳統(tǒng)調(diào)峰手段，尤其適配以風(fēng)光電為首，需要電網(wǎng)做出快速反應(yīng)的可再生能源。
虛擬電廠的另一個優(yōu)勢，是優(yōu)秀的經(jīng)濟性。根據(jù)國家電網(wǎng)的測算，如果通過火電廠實現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，滿足 5% 的峰值負荷需要投資 4000 億元。而通過虛擬電廠實現(xiàn)這一目標(biāo)僅需投資 500 億~600 億元，即火電廠成本的 1/8~1/7，其性價比優(yōu)勢遠超傳統(tǒng)的冗余系統(tǒng)建設(shè)方案 [4]。
虛擬電廠的產(chǎn)業(yè)鏈由上游的基礎(chǔ)資源、中游的虛擬電廠運營商和下游電力需求方共同構(gòu)成：
上游基礎(chǔ)資源：可調(diào)負荷、分布式電源和儲能設(shè)備?？煽刎摵芍攸c是工業(yè)、商業(yè)和公共建筑、居民等，不同應(yīng)用場景負荷可調(diào)潛力差異較大，商業(yè)和公共建筑可調(diào)負荷主要是空調(diào)、照明、動力等，相對容易管理；居民可調(diào)負荷分布散、單點容量小、聚合難度較大。分布式電源指的是小型分布式光伏、風(fēng)電、火電、水電等機組。儲能包括機械儲能、化學(xué)儲能等。
中游虛擬電廠運營商：包括資源聚合商與技術(shù)服務(wù)。資源聚合商主要依靠物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，整合、優(yōu)化、調(diào)度、決策來自各層面的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)虛擬電廠核心功能 —— 協(xié)調(diào)控制，是虛擬電廠產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。技術(shù)服務(wù)商則重點聚焦虛擬電廠軟件平臺建設(shè)，為資源聚合商提供技術(shù)服務(wù)。
下游電力需求方：公共事業(yè)企業(yè)（電網(wǎng)公司）、能源零售商（售電公司）及一切參與電力市場化交易的主體，實現(xiàn)電力交易、調(diào)峰調(diào)頻和需求側(cè)響應(yīng)的參與并獲取收益。
當(dāng)前的虛擬電廠在國內(nèi)尚未構(gòu)建起清晰的商業(yè)模式，但在國外有兩種相對成熟的范例可供參考。其一是側(cè)重于分布式發(fā)電單位，通過參與電力交易來獲取收益；另一種則是側(cè)重于用戶端的電力資源，通過提供輔助服務(wù)來獲取收益。
第一種商業(yè)模式在歐洲較為普遍。這種模式下，虛擬電廠主要通過提供技術(shù)支持，優(yōu)化發(fā)電成本，降低不必要損失，從而收取傭金；或是輔助發(fā)電單位接入電網(wǎng)，完成電力交易，獲取服務(wù)費及溢價部分分成。代表性企業(yè)為德國虛擬電廠公司 Next Kraftwerke，該公司也是歐洲最大的虛擬電廠運營商。
Next Kraftwerke 盈利模式大致分為三種，一是向可再生能源發(fā)電企業(yè)提供服務(wù)，協(xié)助發(fā)電商監(jiān)測發(fā)電情況，節(jié)省不必要的成本；二是向電網(wǎng)側(cè)提供短期柔性儲能服務(wù)，提供來自發(fā)電側(cè)的調(diào)峰、調(diào)頻服務(wù)賺取收益；三是通過控制需求側(cè)，服務(wù)電網(wǎng)側(cè)，以賺取相應(yīng)費用。
截至 2022 年二季度，Next Kraftwerke 已管理 14414 個分布式發(fā)電設(shè)備，包括生物質(zhì)發(fā)電裝置、熱電聯(lián)產(chǎn)、水電站、風(fēng)光電站等高度多樣化設(shè)備，總管理規(guī)模達到 10836MW [5]。
第二種模式則常見于美國電力市場。具體表現(xiàn)為，能源零售商開展虛擬電廠計劃，通過提供低價儲能電池或現(xiàn)金，換取家庭一部分電力的控制權(quán)，必要時給零售商提供電力，零售商的虛擬電廠聚合這些儲能并在用電峰期提供給需要的用戶，從而獲取輔助服務(wù)收益。
并非救世主
我們需要明確一點，虛擬電廠確實有諸多積極意義，但不意味著要徹底顛覆現(xiàn)有的能源供應(yīng)體系，也不具備解決所有問題的能力。
首先，虛擬電廠只是更高效地統(tǒng)籌了分布式的發(fā)電資源以及各種形式的可用發(fā)電能力或存量電力，并實現(xiàn)更智能地調(diào)配用電，但無法從根本上解決“短缺”。
舉例來說，川渝地區(qū)剛剛過去的嚴重缺電，就是由于嚴重旱情造成水電系統(tǒng)發(fā)電能力驟降四到五成，而水電又在當(dāng)?shù)匕l(fā)電結(jié)構(gòu)中占比超 80%，疊加高溫帶來的居民用電量大幅上漲，導(dǎo)致巨大的電力缺口 [6]。
這是虛擬電廠無力解決的?；仡櫘?dāng)時的情況，即使當(dāng)?shù)亟ㄓ谐墒斓奶摂M電廠系統(tǒng)，也只可能進行有限度的優(yōu)化，進一步降低未被關(guān)注的不必要消耗，以更有效率的方式保障居民用電，但對于巨大的缺口本身無能為力，保障工業(yè)生產(chǎn)更無從談起。
畢竟虛擬電廠縱有天大的本事，也不可能虛空生電，“變”出電力堵住缺口。
這一點在當(dāng)前的歐洲能源危機與美國的加州、得州電力危機中同樣適用 —— 虛擬電廠既沒有能力填補天然氣短缺，也無法從根本上解決供需矛盾，它所做的只是整合、協(xié)調(diào)與管理，并不具備從根本上解決問題的能力。
說到底，一套可靠的能源系統(tǒng)，無論具體的發(fā)電結(jié)構(gòu)如何，無論其依賴傳統(tǒng)化石能源發(fā)電還是各類可再生能源，發(fā)電量必須能夠滿足需求。
其次，虛擬電廠的建設(shè)遠不止開發(fā)一套全新的數(shù)字控制系統(tǒng)，同樣依賴匹配其功能的設(shè)備進行運作。
例如在對虛擬電廠的描述中，經(jīng)常將新能源車搭載的動力電池視作一種分布式的臨時儲能工具，但在當(dāng)前實踐中，不是所有充電樁都具備從車載電池獲取電力的功能，自然也就不可能向電網(wǎng)輸電。此種現(xiàn)象也廣泛存在于被納入虛擬電廠構(gòu)想，但尚不具備智能管理條件的各類電力設(shè)備。
當(dāng)前的電網(wǎng)若想適應(yīng)虛擬電廠的調(diào)控方式，將會需要較為廣泛的技術(shù)設(shè)施升級?？紤]到電網(wǎng)龐大的體量與復(fù)雜性，相應(yīng)的基建將會是相當(dāng)繁瑣且長期的系統(tǒng)性工程。
作為一種理想化的管理系統(tǒng)，虛擬電廠對新時代的電力系統(tǒng)的必要性不可忽視，但這也不意味著它可以超越現(xiàn)有電網(wǎng)，或是要徹底取代現(xiàn)有的能源供應(yīng)模式。我們沒必要，也不應(yīng)該對虛擬電網(wǎng)抱有不切實際的幻想，更要警惕借機炒作的風(fēng)氣。
特別的風(fēng)險
虛擬電廠與傳統(tǒng)電力設(shè)施結(jié)合后，設(shè)備的大規(guī)模互聯(lián)，高度智能化的運作方式，加上傳統(tǒng)電力設(shè)施自身特征，帶來了一種在過往并不突出的風(fēng)險：網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。
對于能源行業(yè)的“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”來說，接入數(shù)字技術(shù)與全新的控制系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，但將過去有限聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備并入一個更復(fù)雜的大型系統(tǒng)之中，會將一些原本相對安全的環(huán)節(jié)暴露在可能的網(wǎng)絡(luò)攻擊之下。
以虛擬電廠為例，整個系統(tǒng)由大量設(shè)備互聯(lián)構(gòu)成，而這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)攻擊可能發(fā)生在任何并網(wǎng)設(shè)備上，且處于末端的設(shè)備也不太可能具有與核心設(shè)備相近的安全性，致使其在網(wǎng)絡(luò)攻擊中格外脆弱，極大地增加了防范難度。
“微電網(wǎng)”也是一個相似的例子。高度復(fù)雜化的本地電網(wǎng)使得系統(tǒng)運行高度依賴計算機網(wǎng)絡(luò)進行控制與管理，但也提高遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險，以及被攻破后可能造成的潛在損失。
另一方面，日益凸顯的暴露風(fēng)險，也與能源行業(yè)自身特質(zhì)有關(guān)。
能源行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)社會基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，對任何社會組成部分都有著毋庸置疑的重要性，而這在行業(yè)的具體發(fā)展過程中，表現(xiàn)為了一種對新技術(shù)的保守態(tài)度。
能源行業(yè)并非排斥新技術(shù)，只是對可靠性與安全性的高要求，不可避免地導(dǎo)向了對新技術(shù)的嚴格監(jiān)管以及相應(yīng)的低采用率。這在硬件上表現(xiàn)為相對緩慢的更新?lián)Q代與較為漫長的驗證周期；在軟件層面則意味著控制系統(tǒng)更久的投資周期與使用壽命，尤其是與那些系統(tǒng)升級非常頻繁的行業(yè)相比（例如消費電子）。
具體來說，能源行業(yè)在運作良好的情況下，往往只會更換接近使用壽命的設(shè)備，對數(shù)字系統(tǒng)的升級需求也談不上非常強烈。即使是當(dāng)下，以風(fēng)光電為代表的可再生能源帶來了全方面的沖擊，整個行業(yè)的發(fā)展仍以數(shù)年為一個階段推進，縱向比較明顯加速，但橫向?qū)Ρ绕渌袠I(yè)仍然堪稱審慎。
但這種發(fā)展節(jié)奏，并不適應(yīng)“數(shù)字時代”的發(fā)展模式。
傳統(tǒng)能源行業(yè)“沉穩(wěn)行事”的風(fēng)格，在應(yīng)對花樣繁多且詭秘多變的網(wǎng)絡(luò)攻擊時，很可能會表現(xiàn)為危險的遲鈍，無法有效應(yīng)對危機。
我們在近年已經(jīng)看到了這樣的實例。
相對早期的，有 2015 年，烏克蘭電力公司遭受網(wǎng)絡(luò)入侵，導(dǎo)致烏克蘭一半以上地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模停電；2019~2020 年，委內(nèi)瑞拉電力系統(tǒng)多次遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊，導(dǎo)致大規(guī)模停電；2020 年，巴西電力公司遭受勒索軟件攻擊，被黑客勒索 1400 萬美元等等 [7]。
近期的，2021 年 5 月 7 日，美國最大燃油管道運營商科洛尼爾管道運輸公司，遭遇黑客攻擊，被迫關(guān)閉整個管道系統(tǒng)。這導(dǎo)致美國多地出現(xiàn)燃油短缺和恐慌性購買，燃油價格飆升，甚至迫使聯(lián)邦政府宣布進入國家緊急狀態(tài)?？只懦掷m(xù)到 13 日運輸系統(tǒng)重新上線，才有所緩解。在 2022 年初，歐洲包括阿姆斯特丹、安特衛(wèi)普在內(nèi)的數(shù)個碼頭同樣遭遇大范圍網(wǎng)絡(luò)攻擊，石油裝卸和轉(zhuǎn)運嚴重受阻，向內(nèi)陸城市轉(zhuǎn)運石油的駁船也出現(xiàn)延誤 [8]。
在我國，某省電力網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2020 年該省電力網(wǎng)遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊 42 萬余次，其中高危攻擊占比高達 65.4%，境外攻擊占比 18.27%，主要來自美國、印度等國家。高危攻擊、專業(yè)化攻擊呈現(xiàn)大幅增長的跡象，能源系統(tǒng)面臨的安全壓力越來越大 [7]。
如若類似成功的網(wǎng)絡(luò)攻擊出現(xiàn)在的虛擬電廠系統(tǒng)中，結(jié)合其特性，則可能導(dǎo)致蔓延整個電網(wǎng)的大范圍癱瘓，帶來的損失也將隨著覆蓋范圍的增長迅速擴大。
如何化解隨能源系統(tǒng)智能化進程而日益升高的潛在風(fēng)險，將會是未來高度智能化的能源網(wǎng)絡(luò)必須回答的問題。
另一方面，能源行業(yè)不太可能僅靠自身就完成數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不可避免地會引入外部合作者，如網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商、云服務(wù)供應(yīng)商等，但這些供應(yīng)商對安全性與可靠性的要求往往較低。
例如，亞馬遜云服務(wù)在近年不止一次出現(xiàn)大面積宕機，甚至有過系統(tǒng)全面崩潰，所有服務(wù)暫不可用的情況。能源行業(yè)不可能接受這樣的風(fēng)險，其造成的破壞與損失，也遠超單純的交易系統(tǒng)關(guān)閉或物流混亂。
想要化解此類風(fēng)險，能源行業(yè)可能也需要建立一套全新的協(xié)作框架，從供應(yīng)商處購買更高安全級別的數(shù)字服務(wù)，更適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的安全措施升級周期，但這無疑代表更多的成本，更低的利潤空間。
如何平衡安全性與經(jīng)濟性，如何與其他行業(yè)建立更有效的合作機制，也將會是能源行業(yè)在數(shù)字時代繞不開的難題。
技術(shù)之外
作為一種相對前瞻性的概念，虛擬電廠在發(fā)展過程中面對的，也不僅僅只是技術(shù)問題。
作為處于早期探索階段的行業(yè)，當(dāng)前國內(nèi)電力市場對虛擬電廠的定位與發(fā)展路線較為模糊，缺乏頂層設(shè)計。諸如誰建設(shè)、誰運營、誰監(jiān)管、誰參與、系統(tǒng)如何設(shè)計、定價機制、技術(shù)標(biāo)準、補貼發(fā)放等關(guān)鍵問題，甚至都還不明確，行業(yè)的長期發(fā)展面臨很大困難。
關(guān)鍵政策的缺失導(dǎo)致各地對虛擬電廠的理解并不一致，各種試點示范項目差異不小，可能會導(dǎo)致一些資源的浪費，也不利于未來統(tǒng)一接入大電網(wǎng)。
虛擬電廠具體的商業(yè)模式同樣需要進一步探索。雖然在運作模式上有所不同，虛擬電廠的本質(zhì)仍然是電力交易，然而我國當(dāng)前的電力市場并不是完全開放的。不完全市場化的電力產(chǎn)業(yè)，好處是電價能夠維持在低位，但卻極大地削弱了虛擬電廠的盈利能力，商業(yè)化運作也變得十分困難。
低電價同時也打擊了電力供給單位的參與積極性，現(xiàn)階段國內(nèi)的虛擬電廠主要以邀約為主，由政府部門牽頭，主動參與者有限。無法從社會上吸引足夠的參與者，意味著虛擬電廠將難以保障基本的供電能力。
如何探索一套符合我國電力市場特征的商業(yè)模式，也是虛擬電廠必須面臨的課題。
只能說作為一種新生事物，虛擬電廠要走的路，確實還很長。
References：
[1] 張玲：大漲 70% 后又暴跌，這一新風(fēng)口還能“上車”嗎.中國基金報. 2022.09.02 https://www.chnfund.com/ article / AR2022090200081489164238
[2] 史軍、程韌俐、李江南 & 劉傳書：國內(nèi)首家虛擬電廠管理中心在深成.科技日報，2022.08.26 http://stdaily.com/ index / kejixinwen / 202208/49189d3b60194341bc4ce848f51537f4.shtml
[3] 中國電力報：國內(nèi)首個網(wǎng)地一體虛擬電廠平臺來了！. 2021.11.29 https://mp.weixin.qq.com/ s / MIVFUv0RntRoP1wGTMTfWg
[4] 科學(xué)報：火電成本 1/7! 虛擬電廠急需頂層設(shè)計.中國電力網(wǎng). 2022.09.09 http://www.chinapower.com.cn/ zx / hyfx / 20220909/166521.html
[5] 德邦證券：德邦證券電力系列報告（二）：虛擬電廠，電改東風(fēng)已至，廣闊藍海將成. 2022.08.17
[6] 李欣憶：水電大省四川為何會電力緊缺？. 川觀新聞. 2022.08.17 https://cbgc.scol.com.cn/ news / 3665626
[7] 朱涵 & 林光耀：中國每年遭遇境外惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊超 200 萬次：如何防御高危攻擊？. 半月談. 2021.10.22 https://mp.weixin.qq.com/ s / Y8gOyn1qlO5axGP4V9F8Rg
[8] 陳銘：突發(fā)！黑客攻擊歐洲港口石油設(shè)施，油輪無法靠港！油價已飆至 7 年新高，萬億新能源賽道卷土重來？. 券商中國. 2022.02.06
本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：陳悶雷 編輯: 李拓
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