淺析電動汽車虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度

安科瑞 陳聰

摘要：大量電動汽車用戶的無序充電可能造成電網(wǎng)負(fù)荷劇烈波動，危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。隨著電動汽車入網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將電動汽車充電站及其周邊的分布式新能源發(fā)電聚合為虛擬電廠后進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，有助于改善電動汽車用戶充放電的經(jīng)濟(jì)性及滿意度，同時提高分布式新能源的利用率，平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動，但電動汽車充電站的整體充放電負(fù)荷是大量個體電動汽車用戶隨機(jī)行為的聚合，難以用數(shù)學(xué)模型描述。針對包含電動汽車的虛擬電廠，提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的交互式調(diào)度框架，以虛擬電廠內(nèi)電動汽車用戶的總效益。虛擬電廠控制平臺作為智能體決策電動汽車個體的充放電動作，無需掌握個體詳細(xì)模型，而是通過與區(qū)域電網(wǎng)環(huán)境的交互，不斷學(xué)習(xí)和更新動作策略，從而克服集中式優(yōu)化方法的局限性。該優(yōu)化調(diào)度框架采用深度確定性策略梯度算法進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明，與集中式優(yōu)化方法相比，該優(yōu)化算法提高了各電動汽車用戶的效益，并使電動汽車充放電負(fù)荷與分布式新能源發(fā)電協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)削峰填谷，改善了虛擬電廠的整體運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；電動汽車；電動汽車入網(wǎng)技術(shù)；分布式新能源；

1.為什么要搭建虛擬電廠

大量電動汽車的無序充電不僅會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且會給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。事實(shí)上，電動汽車充電負(fù)荷不僅具有較大的調(diào)節(jié)彈性，而且可以基于電動汽車入網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電側(cè)的角色轉(zhuǎn)換，具備很大的優(yōu)化調(diào)度潛力。通過搭建虛擬電廠整合區(qū)域配電網(wǎng)中的電動汽車充放電負(fù)荷及分布式新能源發(fā)電資源，合理引導(dǎo)電動汽車用戶的充放電行為，不但可以降低電動汽車車主的充電費(fèi)用，提高充電需求滿足程度，同時可使電動汽車充放電負(fù)荷與分布式新能源發(fā)電協(xié)調(diào)配合，提高新能源利用率，平抑虛擬電廠整體負(fù)荷的波動。虛擬電廠是電力系統(tǒng)中智能配電網(wǎng)運(yùn)行的重要技術(shù)，通過創(chuàng)建一個虛擬電廠控制平臺，可以將配電網(wǎng)中的電動汽車充放電負(fù)荷與分布式新能源聚合為一個整體參與電網(wǎng)運(yùn)行，更好地發(fā)掘電動汽車充放電負(fù)荷與分布式新能源的價值和效益。

然而，在上述包含電動汽車充放電負(fù)荷及分布式新能源的虛擬電廠中，電動汽車充電站的總負(fù)荷特性是大量個體電動汽車用戶隨機(jī)充放電行為的聚合，難以對其進(jìn)行的數(shù)學(xué)建模和準(zhǔn)確預(yù)測，這給傳統(tǒng)的基于負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行優(yōu)化計算的集中式調(diào)度模式帶來了挑戰(zhàn)。解決這一難點(diǎn)的一種有效途徑是采用基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的交互式優(yōu)化調(diào)度模式。該模式中，虛擬電廠控制平臺作為智能體，包含電動汽車個體用戶及分布式新能源的區(qū)域電網(wǎng)為智能體所在的環(huán)境。虛擬電廠控制平臺在不掌握電動汽車個體用戶詳細(xì)模型的情況下給出電動汽車個體的充放電動作決策，并通過與區(qū)域電網(wǎng)的交互評估當(dāng)前決策的性能，不斷學(xué)習(xí)和更新動作策略，直至得到令人滿意的優(yōu)化決策?；谥悄荏w與環(huán)境之間信息交互的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法可以在缺乏數(shù)學(xué)模型的情況下模擬順序決策問題并獲得對環(huán)境的響應(yīng)。這種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的交互式調(diào)度模式克服了傳統(tǒng)集中式調(diào)度的局限性，有望在虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度中得到應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外針對電動汽車充電優(yōu)化調(diào)度的研究主要關(guān)注電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的經(jīng)濟(jì)效益。第1類文獻(xiàn)提出將電動汽車充電負(fù)荷接入微電網(wǎng)：構(gòu)建了一個包含風(fēng)光、基礎(chǔ)負(fù)荷、儲能電池以及電動汽車代理商等對象的微電網(wǎng)，采用粒子群算法對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解；構(gòu)建了面向工業(yè)園區(qū)的包含電動汽車充電站的風(fēng)/光/柴獨(dú)立微電網(wǎng)模型，通過混合整數(shù)線性規(guī)劃算法，采用Matlab的YALMIP工具包對模型進(jìn)行求解。第2類文獻(xiàn)提出了針對電動汽車充電負(fù)荷的市場機(jī)制：提出了制定電力交易合約和兩級*賣的優(yōu)化策略，通過搭建分層區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，提高了電網(wǎng)對區(qū)域內(nèi)電動汽車充放電行為的優(yōu)化調(diào)度；采用市場機(jī)制方法進(jìn)行電動汽車充電量和本地負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)調(diào)度，避免因負(fù)荷聚集而導(dǎo)致配電系統(tǒng)阻塞。另一類文獻(xiàn)提出了消納電動汽車充電負(fù)荷的虛擬電廠：采用粒子群優(yōu)化算法，通過構(gòu)建虛擬電廠對高比例新能源、電動汽車和可控電源的出力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度；構(gòu)建了包含風(fēng)電、光伏、微燃?xì)鈾C(jī)組、儲能、基礎(chǔ)負(fù)荷和電動汽車負(fù)荷的虛擬電廠，制定了虛擬電廠與電動汽車用戶雙方經(jīng)濟(jì)效益的主從博弈定價策略。

2構(gòu)建實(shí)施

2.1 應(yīng)用平臺構(gòu)建

虛擬電廠平臺系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測、系統(tǒng)運(yùn)行管理、資源分析與建模、結(jié)算管理等功能部署于管理信息大區(qū)，交易申報與信息發(fā)布、可視化展示等功能部署于互聯(lián)網(wǎng)大區(qū)，方便外界資源接入，兩部分平臺之間通過強(qiáng)邏輯隔離裝置進(jìn)行信息交互，分別簡稱為外平臺與內(nèi)平臺。

外平臺作為聚合商與虛擬電廠用戶等社會資源的接入端口與申報發(fā)布端口，主要與智慧能源服務(wù)平臺、電力交易平臺、虛擬電廠用戶等交互；內(nèi)平臺主要與電網(wǎng)資源業(yè)務(wù)中臺、數(shù)據(jù)中臺、調(diào)度系統(tǒng)、虛擬電廠用戶等交互。虛擬電廠運(yùn)營平臺采用統(tǒng)一的虛擬電廠聚合商接口，各虛擬電廠聚合商可通過此架構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)一步與所管控虛擬電廠進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令交互，并可集成多類型微服務(wù)，例如綜合能源服務(wù)公司、電動汽車公司、第三方負(fù)荷聚合商等主體的

自建能量管理系統(tǒng)或管理平臺。

虛擬電廠運(yùn)營平臺針對不同時間尺度的調(diào)控指令與交易、運(yùn)營數(shù)據(jù)交互需求，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)通路，包括信息上傳與需求計劃下發(fā)通路等。運(yùn)營平臺與調(diào)度系統(tǒng)通過多道安全防護(hù)進(jìn)行出力計劃與調(diào)節(jié)需求等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建調(diào)控信息通路；運(yùn)營平臺與智慧能源服務(wù)平臺、交易平臺通過相關(guān)技術(shù)支持功能進(jìn)行市場信息、出清與結(jié)算數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建市場信息通路。

針對輔助服務(wù)、需求響應(yīng)、電能量交易等所需的數(shù)據(jù)交互類型，運(yùn)營平臺代理進(jìn)行交易申報，接收相應(yīng)上級平臺發(fā)布的市場出清結(jié)果、調(diào)節(jié)需求或計劃曲線，通過預(yù)設(shè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，將其分解下發(fā)至各虛擬電廠聚合商，在建設(shè)前期也可直接發(fā)送至底層虛擬電廠用戶，并進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行情況的監(jiān)測、接收、運(yùn)行評估；此外運(yùn)營平臺還通過交易數(shù)據(jù)通路，接收輔助服務(wù)市場的月度結(jié)算信息并分解下發(fā)至聚合商或虛擬電廠用戶。

2.2 試點(diǎn)應(yīng)用

組織開展虛擬電廠試點(diǎn)參與平臺調(diào)峰、調(diào)頻的洽談、改造及接入，并逐步拓展接入多元資源的種類與規(guī)模，針對接入的聚合商或負(fù)荷資源開展調(diào)控業(yè)務(wù)的模擬運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)靈活資源的有效耦合利用與深度互動，以及光伏新能源棄限電量消納。

2.3 溝通推動政策出臺

溝通相關(guān)部門推動河北調(diào)頻輔助服務(wù)市場規(guī)則的出臺，確認(rèn)虛擬電廠主體角色，鼓勵前期按照“報量不報價”的原則參與服務(wù)；后期根據(jù)電力現(xiàn)貨市場建設(shè)情況，推動虛擬電廠相關(guān)補(bǔ)貼政策出臺。一方面，規(guī)定可再生能源發(fā)電應(yīng)盡量并網(wǎng)，并進(jìn)一步完善現(xiàn)行的分時電價辦法，鼓勵和促進(jìn)用電高峰時用戶節(jié)電和分布式能源發(fā)電。另一方面，應(yīng)區(qū)別對待不同職能的虛擬電廠。

3 安科瑞智慧能源管理平臺助力虛擬電廠快速發(fā)展

3.1安科瑞智慧能源管理平臺

AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺，對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)視、智能預(yù)測、動態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺的企業(yè)級子系統(tǒng)。

圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面

3.2平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲-充”各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時降低對電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。

圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺結(jié)構(gòu)

3.3平臺功能

3.3.1.能源數(shù)字化展示

通過展示大屏實(shí)時顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)行情況。

3.3.2.優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲能和可控負(fù)載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。

3.3.3.智能預(yù)測

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測，并與實(shí)際功率進(jìn)行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

3.3.4.能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。

3.3.5.有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。

3.3.6.運(yùn)維巡檢

系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。

3.4設(shè)備選型

除了智慧能源管理平臺外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，組成了完整的“云-邊-端”能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護(hù)和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺、能源綜合計費(fèi)管理平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁運(yùn)營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

3.5安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.5.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

3.5.2實(shí)時監(jiān)控

實(shí)時監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.5.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

3.5.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

3.5.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

3.5.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

3.5.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

3.5.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

3.5.9系統(tǒng)硬件配置

1. 總結(jié)

電動汽車虛擬電廠是一種新興的電力系統(tǒng)調(diào)度模式，通過將大量分布式的電動汽車充電站整合成一個虛擬的集中式電廠，實(shí)現(xiàn)對電動汽車充電需求的優(yōu)化調(diào)度。強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過與環(huán)境的交互來學(xué)習(xí)如何在給定狀態(tài)下采取合適行動以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的含電動汽車虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度中，可以采用以下步驟：

1. 狀態(tài)定義：首先需要定義系統(tǒng)的狀態(tài)，包括電動汽車的當(dāng)前充電狀態(tài)、電池剩余電量、電網(wǎng)負(fù)荷等。此外，還可以考慮天氣、時間等因素。

2. 動作定義：在給定狀態(tài)下，可以定義一系列可能的動作，如調(diào)整充電功率、切換充電站等。這些動作會影響電動汽車的充電需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。

3. 獎勵函數(shù)設(shè)計：為了引導(dǎo)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法朝著優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)前進(jìn)，需要設(shè)計一個獎勵函數(shù)來衡量每個動作的價值。獎勵函數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況和調(diào)度目標(biāo)來設(shè)計，如降低電網(wǎng)負(fù)荷波動、提高充電效率等。

4. 策略學(xué)習(xí)：通過與環(huán)境的交互，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法會學(xué)習(xí)到一個策略，即在給定狀態(tài)下選擇合適動作的方法。這個策略可以用于指導(dǎo)電動汽車虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度。

5. 模型訓(xùn)練與驗證：為了驗證所學(xué)習(xí)到的策略的有效性，可以將訓(xùn)練好的模型應(yīng)用于實(shí)際的電動汽車虛擬電廠系統(tǒng)中，觀察其調(diào)度效果。如果效果不佳，可以調(diào)整獎勵函數(shù)或策略，重新進(jìn)行訓(xùn)練和驗證。

6. 實(shí)時調(diào)度：在實(shí)際應(yīng)用中，電動汽車虛擬電廠需要實(shí)時地根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)和學(xué)習(xí)到的策略進(jìn)行調(diào)度。

總之，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的含電動汽車虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)對電動汽車充電需求的智能調(diào)度，降低電網(wǎng)負(fù)荷波動，提高充電效率，為電動汽車的大規(guī)模普及提供支持。

參考文獻(xiàn)

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版