虛擬電廠：既不虛擬，也不發電，更不建廠
時間：22-10-17 來源：
不發電，也不建廠的虛擬電廠究竟是用來做什么的？在頻出供電危機的傳統電網和波動性強的可再生能源之間又起到一個什么作用？
本期創創錦囊，我們將深入分析虛擬電廠的優勢與劣勢，探索其商業模式以及未來走向。
隨著全球氣候問題愈發嚴峻，受極端天氣沖擊的傳統電網，大有潰不成軍之勢。
2021年美國得州極寒天氣下的電網癱瘓，我國東北地區風電輸出驟降導致的大范圍限電，2022年川渝地區嚴重干旱，擊穿以水電為主的電力供應，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系。同時，波動性強，穩定性差的可再生能源在能源供應結構中的持續增加，也對電網適應性提出了全新要求。
如何建立一套更加靈活、可靠且有效率的系統管理電力資源，滿足供需雙方的新需求，就成了當務之急。
虛擬電廠，正是一個可能的答案。
01
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。它以物聯網為基礎，統合電網中的分布式電源、儲能設施、可控負荷等資源，進行集中調度，參與電網的調度運行，為電力市場提供靈活性服務。虛擬電廠具有與電廠類似的功能，但沒有傳統意義上的廠房，故稱“虛擬電廠”。
1997年，經濟學家西蒙·阿韋布赫（Shimon Awerbuch）博士就提出了虛擬電廠的相關概念，他在《虛擬公共設施：新興產業的描述、技術及競爭力》一書中將其定義為：受市場驅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而不必擁有相應的資產 。
今年8月26日，國內首家虛擬電廠管理中心在深圳揭牌，它接入分布式儲能、數據中心、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 。該虛擬電廠可在電力供應緊張時段，直接調度分散的充電樁、空調、儲能等用電資源，通過它們降低用電功率 。
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”向系統供電調峰，又可作為“負電廠”加大負荷消納，配合系統填谷；可快速響應指令，配合保障電網穩定并獲得經濟補償，也可直接像傳統電廠一樣，參與到電力市場交易、電力輔助服務交易等。
又由于虛擬電廠依托的是高度智能化的控制系統，并接入大量設備的物聯網，理論響應速度與調節能力也遠超傳統調峰手段，尤其適配以風光電為首，需要電網做出快速反應的可再生能源。
虛擬電廠的另一個優勢，是優秀的經濟性。根據國家電網的測算，如果通過火電廠實現電力系統的削峰填谷，滿足5%的峰值負荷需要投資4000億元。而通過虛擬電廠實現這一目標僅需投資500億~600億元，即火電廠成本的1/8~1/7，其性價比優勢遠超傳統的冗余系統建設方案 。
虛擬電廠的產業鏈由上游的基礎資源、中游的虛擬電廠運營商和下游電力需求方共同構成：
上游基礎資源：可調負荷、分布式電源和儲能設備。可控負荷重點是工業、商業和公共建筑、居民等，不同應用場景負荷可調潛力差異較大，商業和公共建筑可調負荷主要是空調、照明、動力等，相對容易管理；居民可調負荷分布散、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、風電、火電、水電等機組。儲能包括機械儲能、化學儲能等。
中游虛擬電廠運營商：包括資源聚合商與技術服務。資源聚合商主要依靠物聯網、大數據等技術，整合、優化、調度、決策來自各層面的數據信息，實現虛擬電廠核心功能——協調控制，是虛擬電廠產業鏈的關鍵環節。技術服務商則重點聚焦虛擬電廠軟件平臺建設，為資源聚合商提供技術服務。
下游電力需求方：公共事業企業（電網公司）、能源零售商（售電公司）及一切參與電力市場化交易的主體，實現電力交易、調峰調頻和需求側響應的參與并獲取收益。
當前的虛擬電廠在國內尚未構建起清晰的商業模式，但在國外有兩種相對成熟的范例可供參考。其一是側重于分布式發電單位，通過參與電力交易來獲取收益；另一種則是側重于用戶端的電力資源，通過提供輔助服務來獲取收益。
第一種商業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支持，優化發電成本，降低不必要損失，從而收取傭金；或是輔助發電單位接入電網，完成電力交易，獲取服務費及溢價部分分成。代表性企業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電企業提供服務，協助發電商監測發電情況，節省不必要的成本；二是向電網側提供短期柔性儲能服務，提供來自發電側的調峰、調頻服務賺取收益；三是通過控制需求側，服務電網側，以賺取相應費用。
截至2022年二季度，Next Kraftwerke已管理14414個分布式發電設備，包括生物質發電裝置、熱電聯產、水電站、風光電站等高度多樣化設備，總管理規模達到10836MW 。
第二種模式則常見于美國電力市場。具體表現為，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金，換取家庭一部分電力的控制權，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，從而獲取輔助服務收益。
02
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有的能源供應體系，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籌了分布式的發電資源以及各種形式的可用發電能力或存量電力，并實現更智能地調配用電，但無法從根本上解決“短缺”。
舉例來說，川渝地區剛剛過去的嚴重缺電，就是由于嚴重旱情造成水電系統發電能力驟降四到五成，而水電又在當地發電結構中占比超80%，疊加高溫帶來的居民用電量大幅上漲，導致巨大的電力缺口 。
這是虛擬電廠無力解決的。回顧當時的情況，即使當地建有成熟的虛擬電廠系統，也只可能進行有限度的優化，進一步降低未被關注的不必要消耗，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，保障工業生產更無從談起。
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、協調與管理，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，無論具體的發電結構如何，無論其依賴傳統化石能源發電還是各類可再生能源，發電量必須能夠滿足需求。
其次，虛擬電廠的建設遠不止開發一套全新的數字控制系統，同樣依賴匹配其功能的設備進行運作。
例如在對虛擬電廠的描述中，經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輸電。此種現象也廣泛存在于被納入虛擬電廠構想，但尚不具備智能管理條件的各類電力設備。
當前的電網若想適應虛擬電廠的調控方式，將會需要較為廣泛的技術設施升級。考慮到電網龐大的體量與復雜性，相應的基建將會是相當繁瑣且長期的系統性工程。
作為一種理想化的管理系統，虛擬電廠對新時代的電力系統的必要性不可忽視，但這也不意味著它可以超越現有電網，或是要徹底取代現有的能源供應模式。我們沒必要，也不應該對虛擬電網抱有不切實際的幻想，更要警惕借機炒作的風氣。
03
特別的風險
虛擬電廠與傳統電力設施結合后，設備的大規模互聯，高度智能化的運作方式，加上傳統電力設施自身特征，帶來了一種在過往并不突出的風險：網絡安全漏洞。
對于能源行業的“數字化轉型”來說，接入數字技術與全新的控制系統有著至關重要的作用，但將過去有限聯網的關鍵設備并入一個更復雜的大型系統之中，會將一些原本相對安全的環節暴露在可能的網絡攻擊之下。
以虛擬電廠為例，整個系統由天量設備互聯構成，而這導致網絡攻擊可能發生在任何并網設備上，且處于末端的設備也不太可能具有與核心設備相近的安全性，致使其在網絡攻擊中格外脆弱，極大地增加了防范難度。
“微電網”也是一個相似的例子。高度復雜化的本地電網使得系統運行高度依賴計算機網絡進行控制與管理，但也提高遭到網絡攻擊的風險，以及被攻破后可能造成的潛在損失。
另一方面，日益凸顯的暴露風險，也與能源行業自身特質有關。
能源行業作為現代工業社會基礎中的基礎，對任何社會組成部分都有著毋庸置疑的重要性，而這在行業的具體發展過程中，表現為了一種對新技術的保守態度。
能源行業并非排斥新技術，只是對可靠性與安全性的高要求，不可避免地導向了對新技術的嚴格監管以及相應的低采用率。這在硬件上表現為相對緩慢的更新換代與較為漫長的驗證周期；在軟件層面則意味著控制系統更久的投資周期與使用壽命，尤其是與那些系統升級非常頻繁的行業相比（例如消費電子）。
具體來說，能源行業在運作良好的情況下，往往只會更換接近使用壽命的設備，對數字系統的升級需求也談不上非常強烈。即使是當下，以風光電為代表的可再生能源帶來了全方面的沖擊，整個行業的發展仍以數年為一個階段推進，縱向比較明顯加速，但橫向對比其它行業仍然堪稱審慎。
但這種發展節奏，并不適應“數字時代”的發展模式。
傳統能源行業“沉穩行事”的風格，在應對花樣繁多且詭秘多變的網絡攻擊時，很可能會表現為危險的遲鈍，無法有效應對危機。
我們在近年已經看到了這樣的實例。
相對早期的，有2015年，烏克蘭電力公司遭受網絡入侵，導致烏克蘭一半以上地區出現大規模停電；2019~2020年,委內瑞拉電力系統多次遭到網絡攻擊，導致大規模停電；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 。
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，被迫關閉整個管道系統。這導致美國多地出現燃油短缺和恐慌性購買，燃油價格飆升，甚至迫使聯邦政府宣布進入國家緊急狀態。恐慌持續到13日運輸系統重新上線，才有所緩解。在2022年初，歐洲包括阿姆斯特丹、安特衛普在內的數個碼頭同樣遭遇大范圍網絡攻擊，石油裝卸和轉運嚴重受阻，向內陸城市轉運石油的駁船也出現延誤 。
在我國，某省電力網絡安全監測數據顯示，2020年該省電力網遭受網絡攻擊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、專業化攻擊呈現大幅增長的跡象，能源系統面臨的安全壓力越來越大
如若類似成功的網絡攻擊出現在的虛擬電廠系統中，結合其特性，則可能導致蔓延整個電網的大范圍癱瘓，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智能化進程而日益升高的潛在風險，將會是未來高度智能化的能源網絡必須回答的問題。
另一方面，能源行業不太可能僅靠自身就完成數字基礎設施建設，不可避免地會引入外部合作者，如網絡供應商、云服務供應商等，但這些供應商對安全性與可靠性的要求往往較低。
例如，亞馬遜云服務在近年不止一次出現大面積宕機，甚至有過系統全面崩潰，所有服務暫不可用的情況。能源行業不可能接受這樣的風險，其造成的破壞與損失，也遠超單純的交易系統關閉或物流混亂。
想要化解此類風險，能源行業可能也需要建立一套全新的協作框架，從供應商處購買更高安全級別的數字服務，更適應互聯網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濟性，如何與其他行業建立更有效的合作機制，也將會是能源行業在數字時代繞不開的難題。
04
技術之外
作為一種相對前瞻性的概念，虛擬電廠在發展過程中面對的，也不僅僅只是技術問題。
作為處于早期探索階段的行業，當前國內電力市場對虛擬電廠的定位與發展路線較為模糊，缺乏頂層設計。諸如誰建設、誰運營、誰監管、誰參與、系統如何設計、定價機制、技術標準、補貼發放等關鍵問題，甚至都還不明確，行業的長期發展面臨很大困難。
關鍵政策的缺失導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，可能會導致一些資源的浪費，也不利于未來統一接入大電網。
虛擬電廠具體的商業模式同樣需要進一步探索。雖然在運作模式上有所不同，虛擬電廠的本質仍然是電力交易，然而我國當前的電力市場并不是完全開放的。不完全市場化的電力產業，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，現階段國內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。
摘自——長江創創社區
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