葛鑫鑫，付志揚，徐 飛，王 飛，4，5，王俊龍，王 濤

（1. 華北電力大學(xué)電力工程系， 河北省保定市 071003；2. 華北電力大學(xué)數(shù)理系，河北省保定市 071003；3. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學(xué)），北京市 100084；4. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京市 102206；5. 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室（華北電力大學(xué)），河北省保定市 071003；6. 國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北省石家莊市 050022）

0 引言

大力發(fā)展以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的新能源，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)［1-4］，是推動中國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”的必由之路［5-6］。預(yù)計到2030 年，中國風(fēng)光總裝機容量將超過1 200 GW，成為裝機主體；到2060 年風(fēng)光發(fā)電量占比將超50%，成為電量主體［7］。風(fēng)光裝機容量和電量占比快速上升顯著增加了系統(tǒng)源側(cè)的不確定性［8］，加大了電力電量平衡難度，傳統(tǒng)“源隨荷動”的平衡模式難以為繼，嚴(yán)重影響新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［9］。

維持電力系統(tǒng)功率平衡需要系統(tǒng)具備充足的靈活性，即安全高效、快速爬坡的功率調(diào)節(jié)能力［10］。靈活調(diào)節(jié)電源占比提高的方式主要包括建設(shè)抽水蓄能電站、新型儲能電站和煤電靈活性改造等，然而，其建設(shè)和運維成本、機組改造和啟停成本均較高。國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》［2］明確提出：到2025 年，靈活調(diào)節(jié)電源占比達(dá)到24%左右，電力需求側(cè)響應(yīng)能力達(dá)到最大用電負(fù)荷的3%～5%［5］。相較于源側(cè)提升系統(tǒng)靈活性的方式，需求響應(yīng)通過聚合分布式資源（DER）挖掘荷側(cè)各類柔性負(fù)荷的主動響應(yīng)潛力，是邊際成本較低的靈活性資源供給方式［11］，能夠提升系統(tǒng)靈活性，促進(jìn)“源荷互動”，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)［12-14］。然而，如何高效聚合、協(xié)同調(diào)度荷側(cè)海量、分散、多元的DER，依托何種第三方主體開展大規(guī)模的需求響應(yīng)現(xiàn)實應(yīng)用，為系統(tǒng)提供可用的靈活性，是當(dāng)前研究的熱點。

作為實現(xiàn)需求響應(yīng)項目落地應(yīng)用的主體之一，虛擬電廠（VPP）基于先進(jìn)的量測、通信和控制技術(shù)，能實現(xiàn)荷側(cè)DER 的可觀、可測、可控，可有效提升系統(tǒng)靈活性水平和輸電系統(tǒng)運營商（TSO）、配電網(wǎng)系統(tǒng)運營商（DSO）對DER 的管理水平［15］。VPP通過聚合海量DER 形成了較大規(guī)模的響應(yīng)容量，可參與電力市場交易，促進(jìn)荷側(cè)靈活資源不同時空環(huán)境下的優(yōu)化配置。在建設(shè)全國統(tǒng)一大市場和深化電力市場化改革的背景下，對VPP 開展相關(guān)研究具有較高的現(xiàn)實價值和廣泛的應(yīng)用前景［16］。

目前，國內(nèi)外已有較多專家學(xué)者和科研院所對VPP 相關(guān)問題開展了大量研究［6，17-34］。本文通過對國內(nèi)外VPP 的相關(guān)研究進(jìn)行歸納總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究主要涉及兩方面：1）VPP 的商業(yè)模式，包括VPP 的運營架構(gòu)模式、聚合資源組成和成本收益分析等；2）VPP 的關(guān)鍵技術(shù)，包括智能計量、信息通信、資源聚合、狀態(tài)感知、競價調(diào)度和利益分配等。

新型電力系統(tǒng)正經(jīng)歷“源側(cè)出力隨機化、荷側(cè)用電復(fù)雜化”等深刻變革，本文旨在上述研究基礎(chǔ)上全面梳理VPP 相關(guān)研究現(xiàn)狀，分析歸納VPP 的關(guān)鍵技術(shù)、模型方法和商業(yè)模式，深入探討VPP 的未來結(jié)構(gòu)形態(tài)，為提升VPP 在新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中的作用提供支撐。需要注意的是，雖然智能計量和信息通信技術(shù)是VPP 關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，但其更多偏向于硬件測量、通信架構(gòu)和協(xié)議，與VPP的商業(yè)模式并無直接聯(lián)系。本文所指VPP 關(guān)鍵技術(shù)，僅針對VPP 優(yōu)化運營的資源聚合、狀態(tài)感知、競價調(diào)度和利益分配技術(shù)，以支撐VPP 優(yōu)化運營與現(xiàn)有業(yè)務(wù)能力提升。本文介紹了VPP 的概念、特點和功能，闡述了VPP 的商業(yè)模式。從狀態(tài)感知與靈活聚合、信息預(yù)測與容量估計、市場交易與優(yōu)化決策、補償結(jié)算與效益評估等方面梳理了VPP 的關(guān)鍵技術(shù)，剖析了現(xiàn)有技術(shù)模型方法的重點與難點。最后探討了新型電力系統(tǒng)下VPP 的發(fā)展方向。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠概念

結(jié)合現(xiàn)有研究以及示范工程實踐，VPP 是利用先進(jìn)的通信、量測、控制技術(shù)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的虛擬聯(lián)合體，實現(xiàn)對分布式電源、儲能、可控負(fù)荷、電動汽車等DER 的集群聚合與優(yōu)化控制，并作為整體參與電網(wǎng)調(diào)度運行與電力市場交易。其內(nèi)部資源在空間上分散分布而非一個集中的物理實體，故稱之為“虛擬”；在整體上協(xié)同一致實現(xiàn)與電廠相同的功能，故稱之為“電廠”。VPP 控制結(jié)構(gòu)分為集中和分散控制。集中控制結(jié)構(gòu)見圖1。分散控制結(jié)構(gòu)見圖2，該結(jié)構(gòu)下VPP 被劃分成彼此相互通信、自治和智能的子系統(tǒng)，通過協(xié)同合作完成調(diào)控任務(wù)。

圖1 VPP 的集中控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Centralized control structure of VPP

圖2 VPP 的分散控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Decentralized control structure of VPP

1.2 VPP 基本功能

依據(jù)VPP 所實現(xiàn)的功能，通?？蓪⑵浞譃樯虡I(yè)型VPP 以 及 技 術(shù) 型VPP［35］。其 中，前 者 側(cè) 重 于VPP 在能量、輔助服務(wù)等電力市場中的交易功能；后者則側(cè)重于VPP 依據(jù)系統(tǒng)調(diào)度指令直接參與配電網(wǎng)運行與管理。本文從綜合型VPP 的角度出發(fā)，將上述兩種類型視為綜合型VPP 的兩大功能模塊，同時兼顧市場交易與系統(tǒng)調(diào)度運行兩部分功能，且兩者相互配合、優(yōu)勢互補。

在參與系統(tǒng)調(diào)度運行層面，VPP 主要依據(jù)DSO的調(diào)控指令，通過對需求側(cè)的DER 進(jìn)行主動管理，緩解配電網(wǎng)阻塞和臺區(qū)電壓抬升［36］等問題，在滿足配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行需求的同時，提升區(qū)域自治水平、促進(jìn)分布式能源的就地消納與高效利用。如文獻(xiàn)［37］中，VPP 通過在調(diào)度周期內(nèi)靈活轉(zhuǎn)移負(fù)荷，以實現(xiàn)削峰填谷，有效促進(jìn)風(fēng)電的消納；文獻(xiàn)［38］中VPP 則依據(jù)系統(tǒng)安全運行約束構(gòu)建配電網(wǎng)阻塞模型管理模型，有效消除配電網(wǎng)線路過載問題。

在市場交易層面，多元化的DER 為VPP 提供了差異化的聚合外特性［39］，使VPP 能夠參與包括能量市場，調(diào)峰、調(diào)頻、備用輔助服務(wù)市場［40］等不同的市場交易，不同的市場有不同的要求［41］。

1.3 VPP 典型示范工程

國內(nèi)外典型VPP 示范工程概覽如表1 所示。

表1 國內(nèi)外典型VPP 示范工程概覽Table 1 Overview of typical VPP demonstration projects at home and abroad

歐洲是目前世界上VPP 最集中的地區(qū)，許多示范工程已較為成熟，構(gòu)建起了完備的商業(yè)模式與市場生態(tài)鏈。據(jù)Guidehouse Insights 預(yù)測，2028 年歐洲VPP 的市場年收入將超過30 億美元。由于歐洲各國分布式電源的滲透率較高，故而其VPP 項目所關(guān)注的重點為分布式電源的可靠并網(wǎng)，以及VPP 通過分布式能源在電力市場中的盈利模式。相較而言，美國的電力負(fù)荷用電需求較高，在VPP 的試點過程中主要側(cè)重于用戶側(cè)柔性負(fù)荷的主動響應(yīng)。亞太地區(qū)發(fā)展較為成熟的VPP 試點為澳大利亞的VPP 示范工程，主要資源為用戶側(cè)儲能。

不同國家、不同地區(qū)的VPP 試點項目各具特色，是針對不同地區(qū)資源稟賦與電網(wǎng)實際需求所開展的有益探索。其中，歐美地區(qū)VPP 試點在商業(yè)模式、市場生態(tài)鏈和DER 智能管控平臺建設(shè)方面，具有突出優(yōu)勢，對中國VPP 的發(fā)展具有廣泛而深遠(yuǎn)的借鑒意義。相較之下，中國VPP 試點大多直接參與電網(wǎng)調(diào)度運行，通過運營管控平臺實時控制DER 響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令，雖然響應(yīng)速率快、調(diào)控效果好，但仍然面臨商業(yè)模式相對單一、市場參與率低、用戶主動響應(yīng)意愿不高等主要問題，其運營關(guān)鍵技術(shù)如狀態(tài)感知與靈活聚合、信息預(yù)測與容量估計、市場交易與優(yōu)化決策、補償結(jié)算與效益評估等方面，尚存技術(shù)瓶頸。然而，在良好的需求側(cè)柔性資源基礎(chǔ)、國家政策的大力支持、國外成熟的試點建設(shè)經(jīng)驗以及技術(shù)研究水平提升等多方有利條件的共同催化下，未來中國VPP 在商業(yè)模式和技術(shù)應(yīng)用層面將得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

中國在電力系統(tǒng)供需平衡形式日益嚴(yán)峻的背景下也廣泛開展了VPP 的試點應(yīng)用，如江蘇、冀北、上海、浙江、天津等地。江蘇作為典型的受端電網(wǎng)，其VPP 試點構(gòu)建了DER 的互動控制架構(gòu)，在電網(wǎng)突發(fā)緊急事故的情況下提供快速可中斷的負(fù)荷控制服務(wù)，保證網(wǎng)內(nèi)功率平衡與頻率穩(wěn)定。同樣作為東部負(fù)荷中心的上海，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，全市電力負(fù)荷峰谷差不斷增長。上海大型商業(yè)建筑最為密集的黃浦區(qū)，其商業(yè)樓宇能耗占全區(qū)總能耗的65%。結(jié)合上述特點，上海開展了商業(yè)建筑VPP 示范項目，服務(wù)于電網(wǎng)削峰填谷；近期，上海同樣也在拓展工業(yè)以及居民領(lǐng)域的柔性資源。地處中部的冀北則具有更為豐富的“煤改電”資源，設(shè)立了張家口作為蓄熱式電鍋爐專項試點。此外，冀北VPP 搭建了“云-管-邊-端”技術(shù)架構(gòu)以及VPP 與電力市場交易系統(tǒng)的自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化接口，為中國VPP 參與市場提供調(diào)峰輔助服務(wù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 虛擬電廠商業(yè)模式

商業(yè)模式的概念是在1957 年由美國學(xué)者Bellman 首次提出。隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，商業(yè)模式在不同時期被賦予了不同的內(nèi)涵。2016 年，德國學(xué)者Wirtz 經(jīng)過調(diào)研總結(jié)，給出了商業(yè)模式的普適定義，即企業(yè)各項經(jīng)營活動的一種聚合表現(xiàn)形式，主要應(yīng)包括企業(yè)運營的價值主張、資源組成、經(jīng)營模式和成本收益這4 個部分［50］。其中，價值主張是指企業(yè)的價值點，需要在滿足客戶根本訴求的同時創(chuàng)造企業(yè)獨特的價值，是商業(yè)模式的核心。價值主張與企業(yè)提供某類業(yè)務(wù)或者具備某項功能的區(qū)別在于，前者是后者的內(nèi)在價值體現(xiàn)，后者是前者的外在表現(xiàn)形式；資源組成是指企業(yè)擁有或代理的有形、無形資產(chǎn)或資源；經(jīng)營模式是指企業(yè)通過提供不同業(yè)務(wù)，創(chuàng)造營收的方式；成本收益是指企業(yè)經(jīng)營過程中產(chǎn)生的支出與收入。VPP 商業(yè)模式中各組成部分間的邏輯關(guān)系如圖3 所示。

圖3 VPP 商業(yè)模式Fig.3 Business model of VPP

VPP 的價值主張包含兩點：1）為系統(tǒng)運營商提供高效安全、快速爬坡的靈活性；2）為海量、分散、多元、異構(gòu)的DER 創(chuàng)造參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)或市場交易的機會，使其獲得一定收益。VPP 的價值主張與其資源組成、經(jīng)營模式和成本收益密切相關(guān)，是VPP 優(yōu)化運營的核心。VPP 的資源組成是其本身定義的一部分，包括各種類型的DER。不同的DER 投資組合方式，經(jīng)動態(tài)聚合后可以形成不同的聯(lián)盟［51］，決定了VPP 的經(jīng)營模式，是其參與不同類型電力市場交易和為系統(tǒng)運營商提供不同種類服務(wù)的基礎(chǔ)，同時也是其成本收益的結(jié)算主體。VPP 的經(jīng)營模式包括參與不同類型市場交易或者為系統(tǒng)運營商提供各類服務(wù)，經(jīng)營模式不僅決定了VPP 的成本收益，同樣也會反作用于DER 的優(yōu)化選擇，如新增或淘汰DER 聯(lián)盟成員，使聯(lián)盟成員更好地服務(wù)于VPP當(dāng)前的經(jīng)營模式［52］。VPP 的成本收益經(jīng)效益評估后將通過資金鏈的傳導(dǎo)反作用于VPP 的經(jīng)營模式，并影響DER 聯(lián)盟的利益分配。

本章將著重討論不同DER 投資組合下VPP 的經(jīng)營模式以及不同經(jīng)營模式下VPP 的成本收益，并對其進(jìn)行梳理，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 VPP 經(jīng)營模式與成本收益Fig.4 Business model and cost benefit of VPP

2.1 經(jīng)營模式

不同DER 投資組合方式在時間的作用下使得VPP 對外呈現(xiàn)的整體特性不同，決定了VPP 可以通過參與市場交易或者系統(tǒng)調(diào)節(jié)，提供不同的業(yè)務(wù)以創(chuàng)造營收。換而言之，這也意味著VPP 具有不同的經(jīng)營模式。若DER 聯(lián)盟中，分布式電源和可控負(fù)荷占比較高，VPP 內(nèi)部電源出力大于其負(fù)荷需求，VPP 整體將對外呈現(xiàn)“電廠”特性，具有傳統(tǒng)電廠的功能，是系統(tǒng)電力電量的供應(yīng)商。從市場交易角度，VPP 可以參與不同時間尺度，如中長期或現(xiàn)貨下的能量或者輔助服務(wù)市場交易［53-54］。VPP 通過獲取DER 聯(lián)盟的成本特性，向市場上報競標(biāo)價格與出力范圍，參與市場集中競價，一旦中標(biāo)，市場管理者將按照出清電價對VPP 成交量進(jìn)行出清；從系統(tǒng)調(diào)節(jié)角度，VPP 也可以充當(dāng)?shù)谌焦β势胶庵黧w，通過響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)度指令，為TSO 提供實時功率平衡服務(wù)，或為DSO 提供阻塞管理或電壓控制等服務(wù)［51，55］。若DER 聯(lián)盟中，分布式電源、可控負(fù)荷和儲能占比低，傳統(tǒng)負(fù)荷占比相對較高（一般出現(xiàn)在VPP 建立初期），VPP 內(nèi)部負(fù)荷需求大于其電源出力，VPP 整體對外則呈現(xiàn)“負(fù)荷”特性。此時，如果VPP 執(zhí)行需求響應(yīng)，則其可以參與輔助服務(wù)市場交易或響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度指令；如果不執(zhí)行需求響應(yīng)，則VPP 可與DSO 合作協(xié)同調(diào)度DER，減少分布式電源不確定性對配電網(wǎng)的影響［56］，或者與其他零售商協(xié)同合作，優(yōu)化零售商參與中長期或現(xiàn)貨能量市場的購電策略，目標(biāo)是使售電公司購電成本最?。?7］。

2.2 成本收益

不同經(jīng)營模式下，VPP 成本收益的組成和來源不同。若VPP 作為“電廠”，參與能量市場或輔助服務(wù)市場交易時，其收益來源于市場。市場管理者按照不同類型市場的出清電價、成交量以及具體結(jié)算機制對VPP 的投標(biāo)方案進(jìn)行結(jié)算，VPP 獲得收益。因VPP 內(nèi)部資源參與了市場的交易過程，并提供了能量或輔助服務(wù)資源，VPP 需向DER 聯(lián)盟支付補償金，此為VPP 在該模式下的成本。補償?shù)某Ｒ娦问揭话憧煞譃椋菏虑昂霞s型［58］、激勵定價型［59］和事后核算型［60］。事前合約型是指VPP 與DER 聯(lián)盟就補償單價和補償機制在事前進(jìn)行了合同約定，事后按照合同的約定進(jìn)行補償；激勵定價型是指VPP 事前向DER 聯(lián)盟所有成員廣播激勵單價，由各聯(lián)盟成員自主響應(yīng)，事后按激勵單價對用戶進(jìn)行補償；事后核算型是指VPP 參與市場交易后，按照聯(lián)盟成員響應(yīng)的貢獻(xiàn)度對其進(jìn)行補償。當(dāng)VPP 為TSO 或DSO提供相關(guān)服務(wù)時，其收益來源于TSO 或DSO 對VPP 給予的獎勵或補償［58］，其成本與參與市場交易大致類似，有所不同的是，如果VPP 提供的響應(yīng)信號未能很好滿足TSO 或DSO 的調(diào)度指令，其還將面臨一部分懲罰成本。若VPP 作為“負(fù)荷”且執(zhí)行需求響應(yīng)時，其收益來源與作為“電廠”參與輔助服務(wù)市場或響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度指令時相同，其成本與作為“電廠”參與響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度指令時相同；不執(zhí)行需求響應(yīng)時，VPP 收益來源于與DSO 或零售商的合作，收益多少取決于兩者之間的收益分配機制，其成本為對DER 聯(lián)盟的經(jīng)濟補償。

3 支撐VPP 商業(yè)模式優(yōu)化運營的關(guān)鍵技術(shù)

VPP 在各種商業(yè)模式下的優(yōu)化運營需要一系列關(guān)鍵技術(shù)的支撐才可以實現(xiàn)，具體如表2 所示。

表2 VPP 運營關(guān)鍵技術(shù)分析Table 2 Analysis on key technologies of VPP operation

VPP 的關(guān)鍵技術(shù)主要包含：1）狀態(tài)感知與靈活聚合；2）信息預(yù)測與容量估計；3）市場交易與優(yōu)化決策；4）補償結(jié)算與效益評估。狀態(tài)感知與靈活聚合技術(shù)是實現(xiàn)分散式小容量資源匯聚形成大規(guī)模VPP 的前提。市場電價的波動、負(fù)荷與電量的未來變化對VPP 市場交易有直接的重要影響，VPP 可調(diào)節(jié)容量隨時間變化的準(zhǔn)確估計是其優(yōu)化投標(biāo)的重要依據(jù)，因此，信息預(yù)測與容量估計技術(shù)就成為VPP進(jìn)行市場交易的必備基礎(chǔ)。不同場景和市場條件下的交易策略與優(yōu)化決策決定了VPP 的運營效益和承擔(dān)風(fēng)險。對分布式靈活資源的經(jīng)濟補償是VPP市場化運營下承擔(dān)的主要成本，而效益評估則是其聚合方式和經(jīng)營策略改進(jìn)的科學(xué)指導(dǎo)。4 項關(guān)鍵技術(shù)之間環(huán)環(huán)相扣，共同支撐VPP 各種商業(yè)模式下的優(yōu)化運營：技術(shù)1）為技術(shù)2）提供資源特性分析結(jié)果，作為技術(shù)2）預(yù)測和估計模型的輸入信息；技術(shù)2）為技術(shù)3）提供基礎(chǔ)信息預(yù)測結(jié)果，作為技術(shù)3）制定市場優(yōu)化決策模型的輸入信息；技術(shù)3）為技術(shù)4）提供優(yōu)化交易運營結(jié)果，作為技術(shù)4）補償結(jié)算和效益評估的計算依據(jù)；技術(shù)4）為技術(shù)1）提供歷史技術(shù)經(jīng)濟性能分析結(jié)果，作為技術(shù)1）資源靈活聚合與精準(zhǔn)畫像的重要參考。

3.1 狀態(tài)感知與靈活聚合

狀態(tài)感知與靈活聚合包括異構(gòu)資源精準(zhǔn)建模以及資源靈活優(yōu)化聚合兩部分，是輔助VPP 洞察和了解DER 運行特性的基礎(chǔ)性工作，助力VPP 實現(xiàn)需求側(cè)資源的精確感知、充分利用及價值挖掘。

3.1.1 電力客戶畫像技術(shù)

電力客戶畫像技術(shù)是根據(jù)用戶社會屬性、生活習(xí)慣和用能行為等信息抽象出的一個標(biāo)簽化過程。標(biāo)簽化是高度精煉的特征標(biāo)識，是把數(shù)據(jù)形象化的一種方法，是電力客戶畫像技術(shù)的基礎(chǔ)。典型的電力客戶標(biāo)簽主要包括電力用戶的年齡、消費能力、家庭人口、用能態(tài)度和負(fù)荷電量信息等，反映了一個電力客戶的基本屬性以及行為傾向［61］。通過對客戶標(biāo)簽信息的數(shù)據(jù)化處理，如在時域或頻域上對用戶的負(fù)荷電量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和選擇，進(jìn)一步建立多元特征-標(biāo)簽分類識別模型，從而實現(xiàn)特征到標(biāo)簽的映射，形成整體的電力客戶畫像。電力客戶畫像技術(shù)能夠助力VPP 的個性化、精準(zhǔn)化服務(wù)。對于VPP 而言，可以利用客戶畫像技術(shù)精準(zhǔn)定位具有高參與意愿、高需求響應(yīng)潛力的優(yōu)質(zhì)用戶，同時也可依據(jù)畫像結(jié)果制定個性化的需求響應(yīng)合約，提高終端需求響應(yīng)用戶的參與積極性。目前，主流的客戶畫像方法通過機器學(xué)習(xí)的方式實現(xiàn)，根據(jù)所需有標(biāo)簽樣本數(shù)的不同，可以分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)（所有樣本均為有標(biāo)簽）以及半監(jiān)督學(xué)習(xí)（部分樣本有標(biāo)簽）方法。由于用戶標(biāo)簽數(shù)據(jù)本質(zhì)上需要通過調(diào)查問卷或者實地調(diào)研的方式進(jìn)行獲取，這需要耗費大量的人力、物力，因此，相較而言，半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法能憑借其所需有標(biāo)簽樣本數(shù)少的優(yōu)勢，在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。然而，有標(biāo)簽樣本數(shù)量減少，意味著模型輸入的有效信息減少，半監(jiān)督學(xué)習(xí)要想達(dá)到與有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法相同的畫像精度，還需要深入挖掘用戶數(shù)據(jù)中蘊含的潛在價值和規(guī)律，并提取更加多元的數(shù)據(jù)特征來進(jìn)一步提升畫像精度［62］。未來，自監(jiān)督學(xué)習(xí)等新型機器學(xué)習(xí)算法將在客戶畫像的效率、準(zhǔn)確率以及實用性提升等方面助力VPP 篩選優(yōu)質(zhì)的需求響應(yīng)用戶。

3.1.2 異構(gòu)資源精準(zhǔn)建模

異構(gòu)資源精準(zhǔn)建模面向的對象是VPP 中具有柔性調(diào)節(jié)能力的廣義負(fù)荷資源，包括可削減和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、電動汽車、分布式儲能等。傳統(tǒng)負(fù)荷的描述方法一般可分為物理建模以及數(shù)據(jù)建模兩大類。前者從資源本身運行特性出發(fā)進(jìn)行描述，如溫控負(fù)荷熱力學(xué)模型的構(gòu)建［63］；后者則通常針對某一類型的資源，通過其歷史數(shù)據(jù)集運行狀態(tài)，利用相較而言更為簡化的模型描述其泛在特性［64］。

然而，由于資源種類多樣、運行參數(shù)各異，廣義負(fù)荷資源呈現(xiàn)類別異構(gòu)特性。同時，同一類型負(fù)荷（如溫控負(fù)荷）中同樣存在物理屬性各異的負(fù)荷（如空調(diào)與熱水器），呈現(xiàn)參數(shù)異構(gòu)特性［65］。故而，一方面需面向單一資源，考慮其基本物理屬性、用戶主觀意愿、舒適度需求等多方因素，研究異構(gòu)資源精細(xì)化建模方法；另一方面需面向資源集群，分析其泛化特征與抽象等效性，研究資源聚合體的等值建模方法，從而為VPP 代理海量DER 參與電網(wǎng)調(diào)控運行提供精細(xì)化的建模技術(shù)支撐。

3.1.3 資源動態(tài)優(yōu)化聚合

資源動態(tài)優(yōu)化聚合是在異構(gòu)資源特性建模的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同目標(biāo)（如不同的電網(wǎng)調(diào)控需求、不同市場參與需求），匹配并匯聚一定量具有時域互補性、功能互補性的多元DER 形成可調(diào)度資源池的過程，是一個多目標(biāo)、多尺度靈活優(yōu)化聚合問題，可以理解為靈活性資源的優(yōu)化配置問題［66］，也有文獻(xiàn)從合作博弈角度出發(fā)，將其稱之為多代理系統(tǒng)的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)生成問題［51］。

不同DER 的特性不同，可分為以下3 類：一是定量補償型資源，基于激勵信號進(jìn)行主動調(diào)節(jié)。此類資源在個體層面參與響應(yīng)，根據(jù)收益參考或合約內(nèi)容進(jìn)行自主響應(yīng)，受各類主客觀因素影響，響應(yīng)不確定度大，且所需提前通知的時長最長，單位響應(yīng)容量所需補償最低；二是權(quán)益讓渡型資源，由VPP 與DER 協(xié)定后，獲得資源群的控制權(quán)限，從而通過信息物理融合系統(tǒng)直接執(zhí)行優(yōu)化控制操作，在可調(diào)節(jié)資源集群的層面參與響應(yīng)，這一響應(yīng)方式不確定度較小、時效性高，同時控制成本也相應(yīng)更高；三是分布式儲能，可依據(jù)VPP 所制定的充放電計劃進(jìn)行實時充放電調(diào)整，基本無不確定性、時效性高，其成本相較最高。

為實現(xiàn)多目標(biāo)、多尺度靈活的優(yōu)化聚合，VPP需綜合考慮各類可調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)能力、可調(diào)節(jié)時段、調(diào)節(jié)不確定性以及調(diào)控成本等進(jìn)行優(yōu)化決策，達(dá)到?jīng)Q策經(jīng)濟性與魯棒性之間的納什均衡。優(yōu)化聚合的方法主要為主動優(yōu)化方法，相關(guān)研究主要針對不同應(yīng)用場景（包括削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)壓等）對聚合參數(shù)在時間、速度、容量等方面的不同要求，構(gòu)建計及多應(yīng)用場景、多區(qū)域空間聯(lián)動和多時間尺度的需求側(cè)資源動態(tài)聚合模型。如文獻(xiàn)［67-69］分別面向調(diào)頻需求、新能源消納需求以及配電網(wǎng)調(diào)壓需求，構(gòu)建了需求側(cè)資源的優(yōu)化聚合策略。

3.2 信息預(yù)測與容量估計

信息預(yù)測與容量估計技術(shù)包括市場電價預(yù)測、分布式光伏預(yù)測、響應(yīng)容量估計三部分內(nèi)容。無論是在VPP 參與市場交易或是直接依據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行出力調(diào)節(jié)的過程中，均需要VPP 掌握其自身資源特性以及市場特性，服務(wù)于后續(xù)市場側(cè)交易策略以及內(nèi)部優(yōu)化調(diào)控策略的制定。

3.2.1 市場電價預(yù)測

市場電價的準(zhǔn)確預(yù)測是VPP 在市場交易過程中進(jìn)行精準(zhǔn)投標(biāo)報價、實現(xiàn)利潤最大化的基礎(chǔ)與前提，作為電力系統(tǒng)的經(jīng)典課題已得到了廣泛的研究。依據(jù)預(yù)測的時間尺度不同，可分為中長期預(yù)測、短期（日前電價）預(yù)測和超短期（實時電價）預(yù)測；依據(jù)預(yù)測內(nèi)容的不同，可分為確定性預(yù)測與概率性預(yù)測，前者預(yù)測結(jié)果為確定的電價數(shù)值，后者則同時給出電價的取值及其概率分布情況。由于電價受多種耦合因素的影響，具有明顯的時變特性和不確定性，相較于確定性預(yù)測，概率預(yù)測能夠為VPP 提供更多參考信息，降低決策風(fēng)險。如文獻(xiàn)［70］基于免疫遺傳機制以及貝葉斯概率法則構(gòu)建了市場出清電價的概率預(yù)測方法，可得到未來負(fù)荷準(zhǔn)確的波動范圍。依據(jù)預(yù)測方法的不同，主要可分為時間序列法以及機器學(xué)習(xí)模型兩大類。前者包括自回歸滑動平均模型［71］和差分自回歸滑動平均模型［72］等。機器學(xué)習(xí)模型包括隨機森林［73］、極限學(xué)習(xí)機［74］、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［75］、貝葉斯深度學(xué)習(xí)［76］等。近年來，出力具有隨機波動性的新能源在系統(tǒng)中的滲透率不斷提升，對供需平衡以及電力市場的電價走勢變化帶來了較大的沖擊。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下全面分析電價變化影響因素并進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測同樣將是VPP 進(jìn)行市場交易的重要工作。

3.2.2 負(fù)荷與電量預(yù)測

電力市場的有序放開為售電側(cè)引入了競爭機制［77］，在此背景下，VPP 作為電力市場新型主體參與市場競爭成為趨勢。根據(jù)交易時間尺度的不同，VPP 可參與中長期市場與現(xiàn)貨市場進(jìn)行交易，在此過程中，需要準(zhǔn)確的中長期、短期、實時電力電量預(yù)測作為其參與市場交易的重要支撐。此外，上述3 個時間尺度的預(yù)測結(jié)果對于VPP 調(diào)度運行、日前開機計劃制定與日內(nèi)實時調(diào)度均具有重要的指導(dǎo)意義［78］。中長期電力電量預(yù)測一般采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)方法，但由于中長期尺度數(shù)據(jù)包含信息少、傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)挖掘能力有限等問題，難以滿足VPP 對預(yù)測精度的需求。因此，一些研究者針對如何利用多時間尺度信息提升中長期預(yù)測精度進(jìn)行探究，如文獻(xiàn)［79］提出了一種基于高分辨率數(shù)據(jù)的月度用電量預(yù)測方法，文獻(xiàn)［80］利用年、月、日3 種時間分辨率數(shù)據(jù)，有效提升了負(fù)荷預(yù)測精度。短期、實時時間尺度下的高分辨率數(shù)據(jù)基本能為預(yù)測模型提供充足的訓(xùn)練樣本，以長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［81］、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［82］為代表的深度學(xué)習(xí)算法憑借其強大的數(shù)據(jù)挖掘能力，在短期、實時電力電量預(yù)測方面得到了廣泛應(yīng)用。從空間角度來看，電力電量預(yù)測可分為用戶集群級預(yù)測、城市電網(wǎng)級預(yù)測和地區(qū)電網(wǎng)級預(yù)測。由于VPP 轄域內(nèi)的DER 用戶所處地理位置分散，用戶數(shù)量和容量規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于城市級與地區(qū)電網(wǎng)級，因此，VPP 的負(fù)荷與電量預(yù)測屬于用戶集群級預(yù)測。與城市電網(wǎng)級和地區(qū)電網(wǎng)級的電力電量預(yù)測考慮的因素、采用的方法和技術(shù)路線不同，VPP 的負(fù)荷與電量預(yù)測建模更加精細(xì)化，通常需要考慮不同種類資源用戶的負(fù)荷模式差異性，使用聚類算法和面向不同類用戶群的預(yù)測模型得到全局預(yù)測結(jié)果。隨著電動汽車、分布式光伏等分布式能源的大規(guī)模接入，電力電量預(yù)測的復(fù)雜性明顯增加［83］，深入探究新型電力系統(tǒng)建設(shè)對配電網(wǎng)帶來的影響以進(jìn)一步提升電力電量預(yù)測精度，對VPP 發(fā)展而言同樣起到重要的推動作用。

3.2.3 分布式光伏預(yù)測

在中國分布式光伏整縣開發(fā)政策的推動下［84］，配電網(wǎng)中分布式光伏呈現(xiàn)爆發(fā)性增長態(tài)勢，其出力的隨機波動特性對VPP 的優(yōu)化運營提出了較大挑戰(zhàn)，需要事先對其進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。傳統(tǒng)集中式光伏預(yù)測以歷史出力數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報和實測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過人工智能算法進(jìn)行預(yù)測［85-86］。然而，集中式光伏出力預(yù)測方法無法直接應(yīng)用于分布式光伏出力預(yù)測。一方面，分布式光伏由于自身單個容量小、安裝分散、投資小等原因不會專門配備相關(guān)氣象或云圖觀測設(shè)施，導(dǎo)致缺乏相關(guān)實測或預(yù)測數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)缺失問題導(dǎo)致分布式光伏功率預(yù)測一般只能依靠自身的功率數(shù)據(jù)，無法套用集中式光伏功率預(yù)測方法；另一方面，即便在具備了良好的數(shù)據(jù)條件后，分布式光伏與集中式光伏在出力特性、氣象功率耦合特性等方面存在顯著差異，集中式光伏功率預(yù)測方法與技術(shù)路線并不適用于分布式光伏。此外，現(xiàn)實情況中配電臺區(qū)還存在一部分沒有安裝單獨表計的表后分布式光伏［87-89］。具有隨機間歇特性的光伏出力和同樣具有隨機波動特性的用戶負(fù)荷疊加耦合，使兩者精準(zhǔn)估計難度劇增。故而，需要首先探究用戶負(fù)荷與表后光伏的解耦方法，將電網(wǎng)中這一部分“不可見”的分布式光伏分量辨識出來，與實際用電負(fù)荷解耦，而后分別進(jìn)行預(yù)測。由于氣象條件變化導(dǎo)致配電網(wǎng)各臺區(qū)間分布式光伏存在強時空相關(guān)性，需要考慮各臺區(qū)間分布式光伏子集群在時間和空間維度存在的關(guān)聯(lián)性，并對其進(jìn)行量化表征，進(jìn)而實現(xiàn)分布式光伏的出力預(yù)測。

3.2.4 響應(yīng)容量估計

需求側(cè)資源響應(yīng)容量的預(yù)測回答了VPP 中需求側(cè)柔性資源可以在什么時段提供多少靈活性的問題，直接關(guān)系到其投標(biāo)策略的制定［90］。相較于前兩類信息的預(yù)測，目前需求側(cè)資源響應(yīng)容量估計尚屬于新興領(lǐng)域，相關(guān)研究較少。現(xiàn)有針對響應(yīng)容量估計的研究多從負(fù)荷的物理特性出發(fā)［91-95］，其理論依據(jù)在于各類資源的需求響應(yīng)容量絕大程度上取決于其用電特性。實際上，資源的需求響應(yīng)容量通常分為理論響應(yīng)容量、技術(shù)響應(yīng)容量、經(jīng)濟響應(yīng)容量和可用響應(yīng)容量4 類，容量大小依次遞減。從物理特性入手計算所得結(jié)果屬于理論響應(yīng)容量，其大于資源的實際可用響應(yīng)容量。因此，在考慮資源物理特性的基礎(chǔ)上，仍需要在數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動算法等方面著手對響應(yīng)容量估計做更進(jìn)一步的探索。然而，數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析方法仍存在三方面難點：1）柔性資源需求響應(yīng)特性（包括響應(yīng)量、響應(yīng)時長、響應(yīng)速率等）受多元復(fù)雜因素影響，如氣象因素（氣溫、濕度）、節(jié)假日因素、激勵價格、響應(yīng)前負(fù)荷工作狀態(tài)、歷史響應(yīng)情況因素等，需要利用電氣工程學(xué)、行為經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域知識共同挖掘具有強相關(guān)性的影響因子；2）目前需求響應(yīng)項目實施的時間較短，尚未積累足夠的實際響應(yīng)數(shù)據(jù)支撐預(yù)測模型的外推與訓(xùn)練，需要研究小樣本學(xué)習(xí)技術(shù)等適用于歷史數(shù)據(jù)不足情況下的預(yù)測方法；3）由于VPP聚合的DER 中含有一部分儲能資源，其響應(yīng)容量存在序貫約束，即相鄰時刻的響應(yīng)容量存在約束關(guān)系，需要在聚合模型中考慮其時序耦合特性。

3.3 市場交易與優(yōu)化決策

市場交易與優(yōu)化決策包括市場側(cè)的優(yōu)化投標(biāo)策略、用戶側(cè)的優(yōu)化定價策略以及資源優(yōu)化調(diào)度策略三部分。從數(shù)學(xué)層面而言，上述3 個方面均是優(yōu)化問題；而在物理層面上則是VPP 運營過程中與不同主體之間進(jìn)行利益博弈以達(dá)到均衡優(yōu)化的過程。

3.3.1 優(yōu)化投標(biāo)策略

在市場側(cè)進(jìn)行交易的過程中，VPP 基于資源狀態(tài)感知與信息預(yù)測的結(jié)果，考慮市場價格、用戶響應(yīng)行為等在內(nèi)的多重不確定性因素影響，進(jìn)行市場側(cè)投標(biāo)方案的優(yōu)化決策。不確定性問題影響下的VPP 市場化投標(biāo)策略主要可分為三大類：第1 類是隨機優(yōu)化方法［96］，基于不確定變量的概率分布函數(shù)，模擬大量的樣本來表示由不確定參數(shù)引起的各種可能的場景，如文獻(xiàn)［97］中提出了兩階段隨機優(yōu)化模型用于處理電力需求以及用戶行為的不確定性；第2 類是模糊優(yōu)化方法［98］，這一方法基于模糊邏輯，可以模擬人腦處理自然界中的不確定性，能夠根據(jù)不準(zhǔn)確的非數(shù)值信息做出模糊判斷，主要通過隸屬度函數(shù)和模糊集實現(xiàn)規(guī)則推理，如文獻(xiàn)［99］使用模糊理論對影響市場出清價格的供暖負(fù)荷進(jìn)行建模；第3 類是魯棒優(yōu)化方法［100］，與隨機及模糊優(yōu)化方法不同，魯棒優(yōu)化通過不確定集的方式描述變量，并且在求解過程中考慮在最壞的情況下滿足整體的優(yōu)化需求，故而其結(jié)果一般非常保守。這一穩(wěn)健的優(yōu)化方法在電力市場投標(biāo)報價、發(fā)電廠發(fā)電計劃優(yōu)化等場景中得到了廣泛的應(yīng)用，如文獻(xiàn)［101］構(gòu)建了兩階段分布魯棒優(yōu)化模型以處理VPP 中風(fēng)光資源出力的不確定性。上述方法的綜合應(yīng)用往往能起到優(yōu)勢互補的效果，如文獻(xiàn)［102］在日前模型中通過兩階段隨機優(yōu)化方法處理需求側(cè)柔性資源靈活性以及調(diào)節(jié)信號的不確定性；在日內(nèi)模型中，則是構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式魯棒機會約束模型進(jìn)行求解，兩種方法的搭配滿足了時效性、魯棒性以及精確性等多方面的要求。

3.3.2 優(yōu)化定價策略

VPP 基于系統(tǒng)運營商所設(shè)定的需求響應(yīng)補償價格進(jìn)行用戶側(cè)激勵價格的制定，即最優(yōu)定價問題，其實現(xiàn)的效果是通過價格信號激勵用戶參與響應(yīng)。用戶接受VPP 給予的獎勵價格后，結(jié)合自身用電舒適度、工作效率和響應(yīng)收益等各方面因素做出決策，自愿參與響應(yīng)。對于VPP 而言，如何定價是其盈利的關(guān)鍵問題。一方面，如果制定的補償價格過低，用戶參與響應(yīng)的積極性不高，若提供的需求響應(yīng)量無法滿足要求將面臨懲罰；另一方面，若制定的補償價格過高，則用于激勵用戶的成本過高，VPP 的利潤也會有所損失。故而，如何確定最優(yōu)的定價對于VPP 而言至關(guān)重要?，F(xiàn)有研究通過博弈論［103-105］、在線學(xué)習(xí)［106-107］等方式刻畫定價過程中VPP 與用戶之間的利潤博弈問題。實際上，VPP 在市場側(cè)的最優(yōu)投標(biāo)策略與在用戶側(cè)的最優(yōu)定價策略是內(nèi)在耦合、相互影響的。目前，相關(guān)研究大多將這兩者分開單獨考慮，無法計及兩個過程之間的聯(lián)動，這使得VPP 的決策有失全局性，同樣會帶來利潤損失風(fēng)險。因此，VPP 市場投標(biāo)和激勵定價的聯(lián)合優(yōu)化是需要進(jìn)一步探究的重要問題。

3.3.3 資源優(yōu)化調(diào)度

市場出清完成后，VPP 依據(jù)中標(biāo)結(jié)果，優(yōu)化決策各類DER 的序貫優(yōu)化調(diào)控策略，保證實際執(zhí)行效果。從不同的角度可對現(xiàn)有優(yōu)化調(diào)度方法進(jìn)行劃分：1）從調(diào)度過程中的不確定性問題處理方面，可將調(diào)度方法分為隨機［108］、魯棒［109］等類型，具體方法可參見3.3.1 節(jié)。2）從優(yōu)化問題的求解方法層面，通?？煞譃閿?shù)學(xué)算法以及智能算法兩類。前者包括混合整數(shù)線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等模型［110］和在線分布式優(yōu)化算法［111］；后者則包括改進(jìn)的遺傳算法［112］、自適應(yīng)免疫遺傳算法［113］、量子遺傳算法［114］、粒子群算法［115］等。3）從調(diào)控模式層面可分為集中式、分布式以及混合式控制模式，如文獻(xiàn)［21］中針對集中-分布式VPP 組織結(jié)構(gòu)，研究其調(diào)峰、調(diào)頻等性能指標(biāo)的刻畫與聯(lián)合市場投標(biāo)策略。4）從優(yōu)化目標(biāo)層面，可分為經(jīng)濟性目標(biāo)、技術(shù)性以及綜合型目標(biāo)三大類。經(jīng)濟性目標(biāo)為最大化VPP 收益［116］；可靠性目標(biāo)為最優(yōu)跟蹤目標(biāo)功率曲線，如文獻(xiàn)［117］提出“刺激-反饋”控制機制，實現(xiàn)VPP 的自趨優(yōu)在線負(fù)荷跟蹤控制，文獻(xiàn)［118］則針對電動汽車提出了日前電力調(diào)度和實時功率跟蹤的體系架構(gòu)；綜合型目標(biāo)一般為包括經(jīng)濟性、可靠性等在內(nèi)的多重目標(biāo)的綜合，如文獻(xiàn)［119］將經(jīng)濟效益、碳排放量、等效負(fù)荷方差等目標(biāo)納入了VPP 的優(yōu)化調(diào)度模型。

3.4 補償結(jié)算與效益評估

補償結(jié)算與效益評估面向市場交易過程結(jié)束后的結(jié)算與評價過程，包括基線負(fù)荷估計、收益分配策略以及綜合效益評估三部分內(nèi)容。

3.4.1 基線負(fù)荷估計

用戶基線負(fù)荷（CBL）估計主要面向VPP 中的柔性負(fù)荷，其定義為假設(shè)用戶未參與需求響應(yīng)時本應(yīng)消耗的用電負(fù)荷，是需求響應(yīng)實施效果認(rèn)定、補償結(jié)算的依據(jù)，同時也是計算用戶響應(yīng)能力的基礎(chǔ)［120］。然而，用戶參與需求響應(yīng)后，其CBL 在現(xiàn)實中就不復(fù)存在，無法通過測量得到（如圖5 所示），故需進(jìn)行估計。需要說明的是，CBL 估計與負(fù)荷預(yù)測有相似之處也有明顯區(qū)別。相似之處在于兩者都是對未知負(fù)荷進(jìn)行估計/預(yù)測，不同之處在于CBL 估計可以事前也可以事后，而負(fù)荷預(yù)測是對未來進(jìn)行預(yù)測，只能是事前進(jìn)行。此外，CBL 真實值無法通過表計測量，只能通過虛擬需求響應(yīng)事件驗證CBL估計精度；負(fù)荷預(yù)測真實值可以通過表計測量得到，經(jīng)誤差計算后可得到預(yù)測精度。CBL 估計的對象包括個體與集群用戶，個體CBL 估計主要面向單一用戶，估計結(jié)果主要服務(wù)于每一需求響應(yīng)參與者與VPP 之間補償金的事后結(jié)算；集群CBL 指的是VPP 所聚合用戶的CBL 之和，其估計結(jié)果主要服務(wù)于VPP 和上層系統(tǒng)運營商之間的補償結(jié)算。CBL估計的準(zhǔn)確性直接影響著需求響應(yīng)量的計算、用戶需求響應(yīng)貢獻(xiàn)度的精準(zhǔn)衡量，以及用戶、VPP、系統(tǒng)運營商三者的利益分配。常用的個體CBL 估計方法包括平均法［121］、回歸法［122］、對照組法［123］、同步模式匹配法等［124］；集群CBL 方面尚無針對性研究，目前主要通過個體用戶基線估計值直接累加的方式得到。后續(xù)可結(jié)合用戶時間以及空間層面的分布特點與關(guān)聯(lián)性，利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展相關(guān)研究，提升集群CBL 估計精度［125］。此外，隨著分布式光伏在配電臺區(qū)內(nèi)的滲透率提升，含分布式光伏用戶的集群CBL 估計也是值得研究的方向之一。

圖5 CBL 估計示意圖Fig.5 Schematic diagram of CBL estimation

3.4.2 收益分配策略

用戶參與需求響應(yīng)的積極性需要通過其響應(yīng)收益來保證，而這除了基線估計的準(zhǔn)確性之外，還與VPP 與用戶之間的收益分配策略直接相關(guān)。VPP與用戶之間通過信息共享，以整體思維整合內(nèi)外部資源，組成虛擬聯(lián)盟參與市場交易，過程中兩者“風(fēng)險共擔(dān)、效益共享”，最終實現(xiàn)雙贏的目的。但實際上各主體彼此獨立，VPP 與用戶之間同樣存在利潤的紛爭，兩者均希望自身的利潤最大化，故而適合采用博弈論進(jìn)行研究［126］。VPP 需要權(quán)衡自身利益以及用戶的經(jīng)濟補償制定合理的分配機制，保證用戶參與需求響應(yīng)項目的積極性以及“虛擬聯(lián)盟”的穩(wěn)定性，達(dá)到整體響應(yīng)效益最優(yōu)?，F(xiàn)有的響應(yīng)利潤分配機制包括Shapley 值法、均分法等，如文獻(xiàn)［127］提出了綜合考慮貢獻(xiàn)度、風(fēng)險水平以及利潤增長率的改進(jìn)Shapley 值法以解決VPP 中多主體之間的利潤公平分配問題。

3.4.3 綜合效益評估

在VPP 單次市場交易過程結(jié)束后，需要對此次事件整體的綜合效益進(jìn)行定量刻畫，包括技術(shù)層面的指標(biāo)完成度以及經(jīng)濟層面的效益分析，通過復(fù)盤總結(jié)不斷提升響應(yīng)執(zhí)行度，優(yōu)化外特性指標(biāo)，為下一次競價出清奠定基礎(chǔ)。同時，效益評估還需細(xì)化至VPP 中的各參與主體，使其明確自身的損益以便后續(xù)項目實施過程的優(yōu)化。通過構(gòu)建量化評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)整體-個體效益的分級綜合評估，這一過程也有利于政府機構(gòu)對相關(guān)政策的修訂與改進(jìn)。現(xiàn)有整體綜合效益評價方法包括系統(tǒng)動力學(xué)［128］、信用等級［129］、灰色綜合評價［130］等，如文獻(xiàn)［128］融合了經(jīng)濟學(xué)原理，利用系統(tǒng)動力學(xué)理論對考慮外部效益影響情況下需求響應(yīng)項目實施的綜合效益進(jìn)行了評估；文獻(xiàn)［129］提出了認(rèn)繳性能、調(diào)度時間可靠性、調(diào)度容量可靠性、負(fù)荷反彈量4 個指標(biāo)，并構(gòu)建了基于信用等級的VPP 綜合效益評估方法，為響應(yīng)效果評估及篩選歷史響應(yīng)性能更佳的用戶提供指導(dǎo)。

4 未來新型電力系統(tǒng)下VPP 技術(shù)展望

未來新型電力系統(tǒng)具備如下4 個特征：1）廣泛互聯(lián)，即電網(wǎng)互聯(lián)互通，可以實現(xiàn)各類發(fā)電資源充分共享和互為備用；2）智能互動，即DER 由傳統(tǒng)的部分感知、單向控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁叨雀兄?、雙向互動，實現(xiàn)了電力資源的智能高效配置；3）靈活柔性，即電網(wǎng)要充分具備調(diào)峰調(diào)頻能力，增強抗擾動能力，適應(yīng)新能源發(fā)展需要；4）低碳經(jīng)濟，即促進(jìn)綠色電力的消費，實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。VPP 與未來新型電力系統(tǒng)的特征高度契合，其基于先進(jìn)的量測、通信和控制技術(shù)，具備對DER 的可觀、可測、可控能力，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的廣泛互聯(lián)、智能互動和靈活柔性。此外，VPP 還可以設(shè)置不同的運行模式和優(yōu)化目標(biāo)，通過參與多類型市場交易，促進(jìn)未來新型電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行。然而，構(gòu)建未來新型電力系統(tǒng)的進(jìn)程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)正在發(fā)生著深刻的變革，對VPP 的發(fā)展提出了新的要求。與此同時，隨著其他新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，新的要求須與新的技術(shù)結(jié)合起來，助力VPP 的發(fā)展。本章從未來新型電力系統(tǒng)復(fù)雜場景下的基線負(fù)荷估計、多元輔助服務(wù)品種的提供、中長期容量市場交易、綜合需求響應(yīng)技術(shù)、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式交易和電碳聯(lián)合市場交易6 個方面對VPP 的發(fā)展進(jìn)行了展望。

4.1 復(fù)雜場景下的基線負(fù)荷估計

作為需求響應(yīng)補償結(jié)算的依據(jù)，CBL 估計面臨如下技術(shù)難點與挑戰(zhàn)：一方面，CBL 估計結(jié)果驗證困難，即用戶一旦執(zhí)行需求響應(yīng)，其CBL 真實值就不復(fù)存在，CBL 估計結(jié)果的準(zhǔn)確與否在現(xiàn)實中無法得到驗證；另一方面，未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，在分布式光伏、新型負(fù)荷、多需求響應(yīng)項目等多元復(fù)雜因素的耦合作用下，用戶用能場景更為多變，現(xiàn)有估計方法若未做適應(yīng)性調(diào)整，將產(chǎn)生較大誤差［89］。因此，仍需針對“個體-集群”用戶CBL 估計及其驗證方法開展進(jìn)一步研究，以提升估計精度。此外，針對難以準(zhǔn)確估計基線導(dǎo)致的VPP 利用率不高的問題，近年來也有相關(guān)研究提出了準(zhǔn)線型需求響應(yīng)機制［11］，未來可進(jìn)一步探索基于準(zhǔn)線的VPP 商業(yè)模式。

4.2 多元輔助服務(wù)品種

為了適應(yīng)未來新型電力系統(tǒng)中高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備接入的需要，VPP 需要在現(xiàn)有輔助服務(wù)如調(diào)峰、備用、調(diào)頻等基礎(chǔ)上，新增轉(zhuǎn)動慣量、爬坡、穩(wěn)定切負(fù)荷等新型輔助服務(wù)品種［131］，促進(jìn)新能源消納，提升系統(tǒng)可靠性和電能質(zhì)量，更好地保障系統(tǒng)安全運行。輔助服務(wù)新品種的增加將改變市場主體的技術(shù)準(zhǔn)入條件、參與機制、調(diào)用機制、考核機制、補償與分?jǐn)倷C制，需要VPP 設(shè)計新的商業(yè)模式，并更加關(guān)注能提供慣量支撐、快速響應(yīng)的DER，加強此類資源的狀態(tài)感知與靈活聚合、信息預(yù)測與容量估計和補償結(jié)算與效益評估技術(shù)，以適應(yīng)這種變化，發(fā)揮VPP 應(yīng)有的價值與作用。

4.3 中長期容量市場

容量市場的建立旨在以市場競爭的方式形成容量價格以實現(xiàn)發(fā)電容量成本回收，是電力市場的有機組成部分，有助于調(diào)節(jié)現(xiàn)貨市場的建設(shè)進(jìn)程［132］?！蛾P(guān)于深化電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的意見》和《電力中長期交易基本規(guī)則》等市場配套文件中也都明確指出要適時建立容量市場，保證電力系統(tǒng)長期容量的充裕性，為未來新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)提供靈活容量支持［133］。VPP 通過參與容量市場交易可以獲得在不確定性較高的能量市場和輔助服務(wù)市場以外的穩(wěn)定經(jīng)濟收入，可以幫助其對沖經(jīng)營風(fēng)險，豐富經(jīng)營模式。

4.4 綜合需求響應(yīng)

從響應(yīng)資源角度來說，綜合需求響應(yīng)（IDR）是需求側(cè)在綜合能源網(wǎng)絡(luò)中對常規(guī)需求響應(yīng)的擴展。相較于常規(guī)需求響應(yīng)，IDR 不僅能實現(xiàn)時間轉(zhuǎn)移和用能削減，還增加了響應(yīng)維度，促進(jìn)了多種能源之間的相互轉(zhuǎn)換［134］。因此，VPP 可以充分利用目前的技術(shù)手段和DER，考慮冷-熱-電-氣的相互轉(zhuǎn)化，執(zhí)行IDR，有效激發(fā)需求側(cè)資源的靈活性。

4.5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式交易

隨著VPP 聚合DER 單體數(shù)目的增多以及參與不同時間、空間尺度的市場交易增多，VPP 將面臨兩方面挑戰(zhàn)：1）與其他市場主體間缺乏公平可信、成本低廉的交易平臺，難以實現(xiàn)社會福利最大化；2）與DER 單體間缺乏公開透明的信息平臺，DER單體無法在信息對稱的環(huán)境下對VPP 進(jìn)行選擇，增加了信用成本［135］。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng)，具有信任成本低、信息不可篡改等特點，可以解決上述問題。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)還能滿足交易形式多樣、能源選擇類型多樣的分布式交易需求，有利于提升VPP 運營收益，促進(jìn)分布式光伏消納［136］。

4.6 電碳聯(lián)合市場交易

2017 年底，中國完成了國家碳排放權(quán)交易體系總體設(shè)計，并于2021 年7 月正式上線排放交易系統(tǒng)（ETS），進(jìn)行碳交易。截至2021 年底，ETS 碳排放配額累計成交額達(dá)80 億元［137］。而VPP 概念的提出，本身即蘊含了綠色低碳的屬性，VPP 通過協(xié)同控制各類DER，達(dá)到減碳的目的。因此，未來可以考慮VPP 參與電碳聯(lián)合市場交易。在電碳聯(lián)合市場交易的背景下，VPP 需要具備考慮碳排放的優(yōu)化運營技術(shù)、分析其碳減排效益與核算其碳資產(chǎn)的能力，以進(jìn)一步挖掘VPP 的綠色低碳價值，豐富VPP的商業(yè)模式，提升新能源消納水平，促進(jìn)節(jié)能減排。

5 結(jié)語

作為大規(guī)模實施需求響應(yīng)的第三方主體之一，VPP 通過高效聚合、協(xié)同調(diào)度各類DER，可以有效提升電力系統(tǒng)運行靈活性。本文圍繞VPP 的優(yōu)化運營問題，對其商業(yè)模式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。主要從價值主張、資源組成、經(jīng)營模式和成本收益4 個方面總結(jié)了VPP 的商業(yè)模式；從狀態(tài)感知與靈活聚合、信息預(yù)測與容量估計、市場交易與優(yōu)化決策、補償結(jié)算與效益評估4 個方面梳理了VPP 的關(guān)鍵技術(shù)，剖析了現(xiàn)有技術(shù)模型方法的重點與難點；從復(fù)雜場景下的基線負(fù)荷估計、多元輔助服務(wù)品種的提供、中長期容量市場交易、綜合需求響應(yīng)技術(shù)、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式交易和電碳聯(lián)合市場交易6 個方面對VPP 的發(fā)展進(jìn)行了展望。

智能化、數(shù)字化和信息化是VPP 發(fā)展的目標(biāo)。本文從VPP 智能化這一角度出發(fā)，針對VPP 優(yōu)化運營問題中的商業(yè)模式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。VPP 的智能計量［18］和信息通信技術(shù)［138］同樣是其關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，分別對應(yīng)VPP 的數(shù)字化和信息化特征，也是VPP 未來需要進(jìn)一步研究和發(fā)展的方向。