陈皓勇：虚拟电厂的电力物联网关键技术

华南理工大学电力学院华南理工大学电力学院陈皓勇教授简历1995年9月-2000年6月1990年9月-1995年7月2006年12月-至今2000年6月-2006年12月2015年3月-2016年6月2012年12月-2013年1月2008年7月-2008年8月2007年2月-2007年5月教授、博士生导师、IEEE高级会员入选多个国家级、省部级人才计划电力系统及其自动化、电气工程学科风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室/广东省绿色能源技术重点实验室/广东省风电控制与并网工程实验室常务副主任兼首席专家华南理工大学电力经济与电力市场研究所所长国家科技奖励评审专家等西安交通大学，电力工程系，讲师、副教授美国圣路易斯华盛顿大学，Olin商学院，访问学者美国哥伦比亚大学，电气工程系，访问教授澳大利亚昆士兰大学，访问教授香港理工大学，电机工程学系，访问教授研究方向复杂（大规模、随机性、混杂性、分布式、网络化）电力&能源系统建模、分析、优化与控制论数学优化论数学优化概率论/数理分析/代数微分方程数学工程领域应用基础信息/通信优化/控制线性/非线性系统网络理论经济管理/传热学/流体力学/金融学新能源发电与基础理分层集群新型电力系统虚拟电厂的电力物联网关键技术虚拟电厂的通信与安全挑战前景展望分层集群新型电力系统虚拟电厂的电力物联网关键技术虚拟电厂的通信与安全挑战前景展望战略支持2020年9月2020年9月，习近平主席在七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2020年9月2020年9月2021年3月2021年3月，中央财经委员会第九次会议提出，“实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”。2021年3月2021年3月2022年4月2022年4月，中央财经委员会第十一次会议提出“发展分布式智能电网，建设一批新型绿色低碳能源基地”。2022年4月2022年4月2022年10月2022年10月，习近平总书记在党的二十大报告提出“深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加大油气资源勘探开发和增储上产力度，加快规划建设新型能源体系”。2022年10月2022年10月战略支持2021年11月，工业和信息化部印发《“十四五”信息通信行业发展规划》1、《规划》内容《规划》围绕建设新型数字基础设施、拓展数字化发展空间、构建新型行业管理体系、加强网络安全保障体系和能力建设、跨地域跨行业统2、《规划》总体目标3、《规划》支持电力物联网技术创新发展（节选）加快构建并形成以技术创新为驱动、以新一代通信网络为基础、以数据和算力设施为核心、以融合基础设施为突破的新型数字基础设施体协同推进社会生活新型基础设施部署。支持基础电信企业利用物联网、网络切片等技术与电网企业合作建设智能电力物联网。分布式能源与可再生能源日本分布式项目以冷热电联供和太阳能光伏发电为主日本分布式项目以冷热电联供和太阳能光伏发电为主，分布式发电总装机容量约3600万kW，占全国总量的13.4%。丹麦在Bornholm示范工程中面向居民商业用户实施的实时电力市场，配电网向各分布式电源聚合商下发实时价格。美国PJM允许负荷削减服务商(curtailmentserviceprovider，CSP)参与其容量市场。国际应用定义国际应用定义目标：我国将提高国家自主贡献力度目标：我国将提高国家自主贡献力度，力争二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。举措：实施可再生能源替代行动，改革电力体制，构建以新能源为主体的新型电力系统。二十大精神：加快规划建设新型能源体系，确保能源安全。国内环境国际能源署Agency，IEA）将接入配电网或位于负荷中心附近的天然气分布式能源、分布式可再生能源，以及分布式储能、需求侧响应和能效技术等均纳入分布式能源（DER）的范畴。 {分层集群新型电力系统研究背景新型电力系统下系统稳新型电力系统下系统稳定控制的结构性困境日趋明显，迫切需要新型系统拓扑的协同控制参与电网动态响应，提升大电网运行安全水平受端电网潜在有功功率缺额扰动的扰动量增大增加了交流系统有功-无功间的耦合程度，扰动下动态响应更加复杂网侧交直流、多直流间耦合更加紧密源侧低短路比特征突出，荷侧动态特性越来越复杂，安全稳定支撑能力不断被削弱新能源功率不确定性导致电网功率缺额出现的次数或幅度均会增加电力系统受扰后的稳定特性由传统机电模式主导向机电-电磁多模式耦合交互影响演化能量多层级电力网络、互联集群的结构控制电源侧、电网侧与负荷侧分布式资源协同控制市场集群端对端交易、调频辅助服务、虚拟电厂交易等研究分层集群的新型电力系统重点运行与控制《中国电机工程学报》2023年第2期pp.581~594新能源并网给电力系统运行稳定带来影响分层集群新型电力系统三层网络架构电力与能源的商品交易电力与能源的商品交易及价值共创基于ICE技术对能源生产、储运和利用进行调控物理实现能源的生产、储运和利用一般都要基于电网、热网、气网等网络进行价值共创信息调控随着新型电力系统、综合能源、电力电子和数字化等技术的发展和应用，新型能源体系将呈现出“能量—信息—价值”三层网络架构的形态。分层集群新型电力系统体系结构大电网能源资源大范围优化配置枢纽平台的主体作用不变，但对其优化配置的灵活、高效能力要求将极大提高输电网与配用电网络的关系由主从依附转变为相互支撑输电网与配用电网络的关系由主从依附转变为相互支撑主动配电网以分布式电源和用户为主体的分布式电网广泛存在，形成具有供需平衡能力的电力交换网络，电力用户实现灵活互动用电侧建立以电力为枢纽的电/冷/热/气/储等综合能源耦合网络，实现终端能源消费结构的优化管理与灵活互济最终实现：消纳新能源电力以新能源为主体分层集群新型电力系统研究问题究新能源电力系统动态多智能主体、分布式建模/分析/分层集群新型电力系统虚拟电厂的电力物联网关键技术虚拟电厂的通信与安全挑战前景展望电力物联网的三重含义物联网技术（LPWAN、5G等）在电力行业的应用，作为传统电力信息化、自动化的延伸，其主要作用是获取尚未覆盖的边缘数据，并应用于电力系统规划、运行与控制。“电力+”物联网（数据科学视角）通过物联网技术获取电力用户用电数据，通过数据科学方法可以处理用电数据中所包含的大量有价值的社会经济信息，并为各行各业提供决策支撑。即基于电力线通信（PLC）的物联网技术，利用电力线作为通信介质(如宽带电力线载波HPLC)，网随电通，可传输其他非电气量数据(如水、电、气、热四表合一集抄)。虚拟电厂赋能新型电力系统建设116173169253265广东某风电场短期预测与实测曲线对比2005007:05:0021:15:004:20:008:40:0022:50:0020:05:007:30:0021:40:004:45:009:05:0023:15:0020:30:007:05:0021:15:004:20:008:40:0022:50:0020:05:007:30:0021:40:004:45:009:05:0023:15:0020:30:006:157:158:4520:15-连续7天-连续7天低于20%广东某海上风电低出力持续超7天量1广东某光伏电站（6万千瓦）典型日出力曲线调控中心调控中心信息流能量流传统电厂虚拟电厂虚拟电厂负荷新型电力系统源-网-荷-储互动虚拟电厂是新型电力系统不可或缺的重要组成部分新型电力系统中，新能源随机性、间歇性和波动性特性引起供需平衡困难，频率稳定问题突出，仅依靠传统电厂的调节能力难以应对，迫切需要唤醒需求侧沉睡的资源。虚拟电厂赋能新型电力系统建设“能量-信息-价值”三流“分离-汇聚”能量流能量流信息流价值流虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软硬件系统，实现分布式发电、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源资源的聚合和协同优化，以作为一个具有“源-荷”双重身份的特殊电厂参与电力市场交易和电网运行，实现“能量-信息-价值”三流“分离-汇聚”。虚拟电厂赋能新型电力系统建设网荷网荷多层级聚合管理体系源分布式可信交易平台承载通信控制系统大规模终端访问认证价值实现：能源共享、泛在智能、绿色低碳分布式协同调控运行分布式电源、储能及可调负荷等灵活资源具有容量小、种类多、参数各异、点多面广等特点，虚拟电厂需要依靠安全、强大的通信网络实现灵活资源多层级聚合管理、端对端的可信能源交易和“源-网-荷-储”协同调控运行。虚拟电厂的三层网络架构状态量测控制指令状态量测控制指令能量网络电网分布式风电分布式光伏储能电动汽车中央空调备用…调频市场市场工业用户商业用户居民用户交易策略市场激励调度自动化系统虚拟电厂调控管理系统价值网络能量市场交易中心信息网络调度中心通信视角控制视角信息视角虚拟电厂的信息网络构建云侧边侧端侧调度中心调度系统互联网/无线公网5G局域网互终端k有线局域网互终端k云侧边侧端侧调度中心调度系统互联网/无线公网5G局域网互终端k有线局域网互终端k市场交易系统聚合商运营管理系统m互联网/无线公网互终端k加密模块互联网/无线公网聚合商运营管理系统1有线专网/互联网虚拟电厂调控管理系统虚拟电厂的信息网络（通信视角）终端VPP3VP虚拟专网互联网端边云 纵向通信方式包括：5G，光纤专网，虚拟专网，互联网横向通信方式包括：有线/无线局域网，5G，光纤专网，虚拟专网，互联网以及异构网络互通虚拟电厂的信息网络（通信视角）海量异构终端的通信连接是虚拟电厂协调控制的关键环节，本质上即为电力物联网，形成复杂异构通信网络。虚拟电厂是实现电力物联网泛在感知，解决用户侧“最后一公里”通信问题的突破口之一。智能交互终端的通信接入方式应因地制宜，根据通信性能与通信距离需求合理选择通信技术，进一步推进虚拟电厂通信网络深度覆盖。终端通信接入有线网络端到端时延较小，且技术成熟，但部署比较困难。4G、窄带物联网（LPWAN）等无线网络时延及确定性保障不足，难以承载虚拟电厂的快速控制类业务。5G技术提供了高速、低延迟的通信网络，可以支持虚拟电厂中各种设备之间的实时通信和数据传输，是虚拟电厂物联网通信的良好解决方案。终端通信接入 虚拟电厂的信息网络（信息视角）虚拟电厂是信息网络与能量网络高度结合的大规模、复杂的高维的动态系统。随着传感技术的不断发展，智能交互终端需要采集的数据变得更加多元化、小型化、数据数量更为庞大。但鉴于虚拟电厂系统的高维特性，通常很难有足够的传感器节点，使得系统完全可观测。在经典的分布式感知问题中，一组分散的传感器节点观测环境的状态信息，传感器将自身观测结果的部分信息传输至融合中心，由融合中心对环境的状态进行估计。••集中式信号处理••••分布式信号处理••虚拟电厂的信息网络（信息视角）虚拟电厂的业务数据多样，且灵活资源运行状态多变，对数据处理和计算能力要求较高。分布式状态估计(DSE)可以避免繁杂的海量数据集中式处理，提高数据并发处理效率，如联邦学习等分布式学习框架，可以在兼顾各方数据隐私（数据“可算不可见”）的基础上实现虚拟电厂内部资源的分层分区动态优化聚合和集群响应能力量化分析。虚拟电厂的信息网络（控制视角）虚虚拟电厂NY虚拟电厂实正厂校多时点虚拟电厂Y虚拟电厂的信息网络（控制视角）采用集群智能等方法研究海量灵活资源多层级动态聚合互动的虚拟电厂多智能主体协同控制技术，实现虚拟电厂在多应用场景、复杂耦合、响应行为不确定条件下的快速响应与实时控制。基于黎卡提方程的纳什均衡解法多nJixTQix+uTRiudtn人博弈LQDG模型—无控制—无控制—传统方法—本方法快速电压波动根节点电压曲线频率波动曲线分层集群新型电力系统虚拟电厂的电力物联网关键技术虚拟电厂的通信与安全挑战前景展望虚拟电厂的通信与安全挑战（通信时延）确定性通信网络方案确定性通信网络方案虚拟电厂电力通信网络确定性的两个关键：从2C的"从2C的"到2B的"测量：根据编排后的通道，进行测量，根据测量结果，确定链路是否需要再优化保障：根据对网络的测量结果（历史测量数据编排网络，形成信息通道虚拟电厂的通信与安全挑战（通信时延）确定性通信网络方案实现过程资源调度数据结果场景业务标基本逻辑：从虚拟电厂业务应用场景出发，差异化满足业务承载需求；将通信通道的时延不确定转化为确定。保障过程：先明确目标，充分保障；再识别场景，精准保障。虚拟电厂的通信与安全挑战（设备接入）集成集成认证安全载体电力物联网设备物联网应用应用场景：虚拟电厂设备接入。保障过程：通过基于国秘算法和设备身份认证的安全接入技术，防止虚拟电厂终端被恶意操控或冒用。终端防冒充、防异常操控授权ID分发中心认证中心挑战应答签发灌装认证服务安全产线虚拟电厂的通信与安全挑战（恶意攻击）系统防恶意攻击应用场景：应用场景：虚拟电厂系统安防。保障过程：通过云边侧持续的流量监测、行为监控、漏洞扫描等技术，防止虚拟电厂系统