图1 2013—2017年间虚拟电厂领域的关键词共现网络图
Fig.1 Keyword co-occurrence network map in the virtual power plant field (2013—2017)
摘要 近年来，虚拟电厂技术不断发展、应用场景日渐多元、示范成效日益显著，作为新型电源，其已经成为新型电力系统中灵活资源的重要组成。得益于电力+物联网技术的融合发展，虚拟电厂的技术形态推动了分布式资源可测、可观、可调、可控“四可”运行能力的构建，但立足聚合视角信息-物理-社会多维耦合下的供需互动技术体系尚未全面突破，物理可信、信息可信、价值可信的“三信”运营模式亟待确立，以推动虚拟电厂由随机性资源向确定型资源转变，继而实现常态化运营与规模化应用。基于此，该文统计分析了国内虚拟电厂的研究热点，研判了虚拟电厂关键技术的变化趋势和演进方向，并探究了我国电力市场环境下虚拟电厂的发展潜力和技术瓶颈。同时，面向新型电力系统的构建需求，结合国内典型虚拟电厂示范工程的市场运营现状，从核心价值、角色定位、需求导向以及技术体系四个方面对其所面临的问题进行分析并给出建议，旨在为虚拟电厂的理论创新与技术发展提供参考。
关键词：虚拟电厂 运营问题 技术趋势 发展建议
随着以用户为中心的新型配用电系统加速构建，分布式发电的广泛配置、新型电力负荷的快速增长与电力系统人工智能物联网（Artificial Intelligenceinternet of Things, AIoT）的深度融合发展，为加快构建新型电力系统提供了重要转型方向[1]。虚拟电厂正在推动电力系统平衡方式与运营模式的新一轮改革。它可以通过能源+信息+物联网+人工智能的新型技术融合，整合广泛的分布式发电、储能装置、电动汽车及可调节负荷，实现安全、清洁与经济的需求侧资源聚合与优化控制[2]，提供多元的灵活性供给与开放的零售侧市场。近年来，我国持续推进虚拟电厂示范工程建设，全国范围内聚合运营的可调节能力已突破10 GW，但虚拟电厂的常态化市场运营仍存在较大的制约。为兼顾主网集中式与配电网分布式的新能源消纳与适配性调节需求，多级电网协同运行下的虚拟电厂运营生态亟待构建[3-4]。
作为新型电力系统中的新兴力量，虚拟电厂面向主-配电网新能源的消纳与平衡需求，持续优化电力系统中多时空的灵活性供给能力[5]。从当前国内的研究与实践情况来看，虚拟电厂不仅可以面向安全保供提供一定时序上的能量平衡服务，而且上海、深圳等多个示范工程在虚拟电厂二次调频、短时备用等连续性功率响应方面完成了调节能力验证。作为低碳且经济的“新型电源”，虚拟电厂规模化配置与常态化运营，将为应对电力系统源-荷随机风险、丰富电力系统调节手段提供有力支撑。特别是在发改价格〔2025〕136号的政策条件下，新能源全面入市将使得市场价格信号更加完整，为虚拟电厂增加调用需求、套利空间和可持续的商业模式。近日，国家能源局、发改委发布《关于加快推进虚拟电厂发展的指导意见》，该意见明确了虚拟电厂的标准定义、核心定位及发展目标（2027年2 000万调节能力，2030年5 000万调节能力），并在配套政策、顶层设计、关键技术、市场建设、运营管理与标准制定等多个方面提出了更具深远影响的指导意见，为虚拟电厂的规范化发展与规模化应用注入强劲动力。
在虚拟电厂技术体系的研究方面，已有不少国内外综述成果给出了关键结论。在核心概念界定层面，文献[6]将虚拟电厂定义为一种由分布式发电设备、储能系统和可控负荷构成的集合，并围绕该定义与微电网、传统火电机组、虚拟同步发电机等概念进行了对比分析。在技术架构设计层面，文献[7]围绕“规模化灵活资源运行特性、互动机理及可信聚合”这一关键科学问题，提出了计及虚拟电厂动态聚合、安全通信、协同调控、市场交易的信息-能量-价值多维融合研究框架与技术体系；文献[8]聚焦于能源互联网视角下的新一代虚拟电厂，从电气通信、计算机技术、能源管理、经济效益与地理条件五个维度，对虚拟电厂的关键技术进行了全面梳理。在技术体系分析层面，文献[9]探讨了虚拟电厂调控运行过程中不同优化求解方法的性能差异，指出了当前研究在约束条件设置、资源不确定性量化等方面的不足。文献[10]分析了影响虚拟电厂通信性能的关键参数，构建了对应评估框架，探讨了主流通信协议面向虚拟电厂不同业务的适用场景及优缺点，并展望了虚拟电厂通信技术的优化方向。文献[11]从市场运营视角切入，梳理了虚拟电厂参与不同时序交易品种的优化求解策略，分析了主流方法在跨市场协同参与、电网潮流分析等方面的实践局限性。整体上，现有研究成果已从不同维度论述了虚拟电厂的技术体系与运营问题，但大多聚焦于单一技术方向的解决方案。对于我国电力市场环境下的技术热点研判和运营制约剖析尚未开展相关研究。
此外，新型市场主体发展态势下，电网规划建设、电力系统运行、电力市场运营均发生重大变化，亟须科学分析新型电力系统中虚拟电厂的价值贡献与角色定位。当前阶段，虚拟电厂的发展制约仍然面临以下突出问题：①技术概念缺乏规范解读，导致技术形态差异大、应用场景分歧多，难以统一纳入电力系统规划与运营体系；②市场化定位不足，多时序、常态化的市场体系尚未建立，难以适配我国电力系统多维度调节需求和电力市场多元化运营环境；③需求侧灵活性发展路径尚不清晰，导致电网灵活性供-需匹配矛盾加剧，加大电网运行压力的同时降低新型主体的培育热情。
因此，以上述讨论为基础，本文作出以下三个方面的核心贡献：①基于文献统计与热点分析，客观讨论虚拟电厂技术体系的发展轨迹与演进趋势，并提出前沿方向；②针对虚拟电厂的发展与运营问题，从顶层设计视角深入分析了其影响因素与制约原因，并对相关问题的解决思路进行推论；③提出了新型电力系统下，适应我国电力市场环境的虚拟电厂可持续发展建议，为突破虚拟电厂的运营制约问题提供参考。
本文以中国知网数据库作为数据源，按照2013—2017、2018—2021、2022—2024年三个阶段汇总与虚拟电厂技术研究相关的全部“EI中文期刊名录”的学术论文。数据选取《电力系统自动化》、《电工技术学报》、《中国电机工程学报》等13家EI期刊在虚拟电厂技术研究领域共发表的论文201篇。其中，2013—2017共有48篇，2018—2021共有66篇，2022—2024共有87篇，成果数量上呈现明显的增长趋势。在此基础上，利用VOSviewer对上述文献进行关键词共现分析，挖掘虚拟电厂的研究热点，提炼技术发展趋势。
在2013—2017年期间，虚拟电厂技术研究的共现关键词出现频次超过2次的有23个，共现网络如图1所示。可将其研究热点划分为5个集群，具体见表1。从图1和表1可以看出，出现频次最高集群是研究如何通过鲁棒优化解决电力市场的不确定性问题，其次是研究虚拟电厂在旋转备用、能量市场及需求响应等多种交易品种下的竞价策略、商业模式及区块链等可信体系构建，核心优化算法还是以传统的粒子群算法等启发式算法为主。综上所述，在虚拟电厂领域的研究初期，学者更为关注新型市场主体的市场运营机制和商业模式设计。
图1 2013—2017年间虚拟电厂领域的关键词共现网络图
Fig.1 Keyword co-occurrence network map in the virtual power plant field (2013—2017)
表1 2013—2017年间虚拟电厂领域共现关键词集群
Tab.1 Co-occurrence keyword clusters in the virtual power plant field (2013—2017)
集群编号节点数关键词 17电力市场、不确定性、鲁棒优化 25旋转备用市场、能量市场、需求响应、商业模式 34虚拟电厂、智能电网、粒子群优化 43分布式能源、电动汽车、需求侧资源 53能源互联网、区块链
在2018—2021年期间，虚拟电厂技术研究的共现关键词出现频次超过2次的有21个，共现网络如图2所示。可将其研究热点划分为4个集群，具体见表2。从图2和表2可以看出，出现频次最高集群是研究如何通过鲁棒优化解决虚拟电厂运行优化调度的不确定性问题，体现虚拟电厂的灵活性价值，提高系统的运行可靠性。其次是在虚拟电厂的优化调度、多时间尺度协同以及多目标优化三个层面开展研究。可见，虚拟电厂的研究热点逐步由市场运营转向调度控制，致力于推动虚拟电厂精细化运营的技术发展。
图2 2018—2021年间虚拟电厂领域的关键词共现网络图
Fig.2 Keyword co-occurrence network map in the virtual power plant field (2018—2021)
表2 2018—2021年间虚拟电厂领域共现关键词集群
Tab.2 Co-occurrence keyword clusters in the virtual power plant field (2018—2021)
集群编号节点数关键词 18优化调度、不确定性、灵活性、鲁棒优化、非合作博弈 25协调优化、利润分配 34多时间尺度、合作博弈、机会规划约束 44多目标优化、云储能、辅助服务
在2022—2024年期间，虚拟电厂技术研究的共现关键词出现频次超过2次的有45个，共现网络如图3所示。可将其研究热点划分为6个集群，具体见表3。从图3和表3可以看出，虽然出现频次最高的集群仍是研究虚拟电厂在电力市场的投标策略以及运行优化调度，但研究方向更加多元。
（1）低碳运行：绿色减碳是新型电力系统的重要目标也是关键底色，虚拟电厂正是突破可靠、清洁、经济不可能三角的关键解决方案。一方面，虚拟电厂的技术本征是互联网形态下的轻资产“资源”，具有明显低碳属性；另一方面，虚拟电厂可以聚合灵活资源助力主网新能源的平衡调节，也可以代理分布式发电进入批发市场与零售市场实现多级消纳。因此，虚拟电厂与电网的清洁互动以及虚拟电厂本身的低碳权益成为关键研究方向。
（2）聚合置信：虚拟电厂作为特殊的随机性资源，在统一的电力系统调度体系下实现一致性兼容存在较大技术制约。一方面，虚拟电厂代理发电分布式资源物理特性波动大、用户意愿随机性强，同时还受到大规模异构通信网络的信息时延和丢包影响，造成运行特性稳定性交叉、扰动频繁，尚未形成虚拟电厂稳定运行机理，因此虚拟电厂的聚合置信是其安全运行区间的重要表征，也是纳入电力系统常态化调节运行的关键一步。
（3）安全防护：虚拟电厂依托广泛的物联网实现及时通信和互通互联，既要满足动态兼容能力还要满足高可靠、低时延的业务要求。冗长的通信链路和开放的接入节点使得虚拟电厂风险加剧，但是繁琐的用户脱敏与信息的动态加密又不断降低其动态性能的表现。因此，开展虚拟电厂隐私防护、边缘计算、时延控制等研究，提高虚拟电厂信息视角上的可靠成为新的重点议题。
虚拟电厂作为需求侧资源参与市场运营的一种组织模式，它在物理形态上与微电网、分布式能源系统存在技术目标的差异，同时在组织形态上也与需求响应服务商、售电公司存在业务场景的差异。
（1）微电网可以是虚拟电厂中一个参与实体，但是微电网更倾向于局域的安全自治与能量管理，同时受资源管控范围的影响，通常只能作为一个虚拟电厂单元（即虚拟机组）参与聚合运营。相比之下，分布式能源系统更多倾向于多种能源形式下的本地化能源供给模式，以能源效率提升与自平衡优化为目标。当存在市场套利空间或能量盈余时，分布式能源系统可通过动态构建触发机制聚合为虚拟电厂主体，进而参与批发市场进行获利。
图3 2022—2024年间虚拟电厂领域的关键词共现网络图
Fig.3 Keyword co-occurrence network map in the virtual power plant field (2022—2024)
表3 2022—2024年间虚拟电厂领域共现关键词集群
Tab.3 Co-occurrence keyword clusters in the virtual power plant field (2022—2024)
集群编号节点数关键词 117电力市场、鲁棒优化、双层优化、优化调度、时空耦合特性、碳交易 27电-碳联合市场、低碳经济调度、碳捕集 36动态聚合、聚合算法、可行域 46信息-物理-社会、信息交互 55时延控制、边缘计算、D2D通信 64“车-路”信息融合、信息间隙决策理论
（2）虚拟电厂可聚合的资源类型更加多元，因而可呈现比需求响应服务商更加灵活的调节服务能力。虚拟电厂运营商可以基于需求响应服务机制提供用能响应，也可以利用上下可调性能服务电网调峰、爬坡、调频等其他调节时序的平衡服务需求。在售电业务场景上，虚拟电厂可以是售电公司，但是不具备调节能力的售电公司则不是虚拟电厂。源于虚拟电厂的技术内涵，“少用电等于多发电”是基于系统运行理论的平衡理念。因而，虚拟电厂基于聚合实现“电厂”容量、基于互动实现“电厂”特性，基于调节实现“电厂”出力，需求侧资源的灵活性释放成为虚拟电厂发展的本质驱动力。
通过上述分析可以得知，虚拟电厂的本质不是客观存在的实体，是在与电网的多元供需互动下形成的运行模式，这一“新型主体”既存在形态上的虚拟，也存在特性上的虚拟。这一创新技术的引入，首先启发市场的机制改革，即如何适应虚拟电厂这一新型市场主体的发展；其次是冲击系统的运行方式，即如何将虚拟电厂纳入统一的调度运营体系；最后才是驱动技术的创新升级，即如何建立安全-清洁-经济的虚拟电厂技术支撑体系。结合研究热点的统计结果可见，虚拟电厂的热点变化符合这一推论，同样符合我国新型电力系统建设进程的阶段性特征。起步阶段，研究热点更多聚焦于开展商业模式与市场机制的设计，以推动新型主体的价值互动。随着市场的逐步放开，学者将研究方向聚焦于虚拟电厂的运行调控优化，基于分布式资源的运行控制理论，强化虚拟电厂聚合与解聚合的物理互动。在此基础上，信息物理融合发展下，虚拟电厂高可靠、高置信、高精度的运行能力是其常态化纳入系统调节的技术基础，不确定性处理、海量信息交互与隐私风险防控成为制约虚拟电厂发展的新议题，亟待建立完善的技术体系以支撑规模化、高并发、多模态、强异构的信息互动。因此，信息-物理-社会多维互动与资源协同成为虚拟电厂的关键难题。
总之，虚拟电厂的关键技术已经从单一的物理视角逐渐演变为物理-价值融合，再演变为信息-物理-社会多视角的高度耦合。从物理视角分析，虚拟电厂的运行决策问题从单个优化目标扩展到多个目标，规划问题中的约束边界从基于预测值的定量约束变为基于多个场景的鲁棒约束，呈现出复杂性的趋势。从社会视角分析，虚拟电厂的市场运行决策问题已经从数学分析建模发展到基于人工智能的机理数据融合建模，市场的决策主体已经从聚合者之间的零和博弈逐渐扩展到聚合者与资源用户之间的合作博弈。从信息视角分析，虚拟电厂的信息管理问题已经从原来的小规模样本数据逐渐发展到了大数据场景。同时，随着接入资源类型的多元化、智能终端的差异化、通信方式的多样化，虚拟电厂与分布式资源之间、分布式资源之间的通信网络已经从简单单一的通信协议转变为复杂定制的通信协议，呈现出异构发展的趋势。综上所述，虚拟电厂关键技术仍然面临着许多技术瓶颈，信息-物理-价值耦合视角下的分布式资源交互机制、聚合运算的高维不确定性建模以及满足电力系统多时间尺度调节要求的快速求解技术将成为未来的重点研究趋势。
2.1.1 技术目的
虚拟电厂作为能源互联网的典型技术组态，一方面具有能源互联网的技术特征，依托物联网物理设施，实现海量分布式资源与新型电力系统的互通、互联、互动[12]；另一方面具有能源互联网的运营属性，依托互联网运营思维，挖掘需求侧分布式资源的灵活调节潜力，进而聚合服务系统运行[13]。虚拟电厂的创新引擎，不能仅仅立足于电力系统的物理形态转变，要既有能源转型的多维需求驱动，也有电力市场建设的商业模式拉动，还有互联网发展生态下的关联产业联动[14]。首先，新型电力系统下新能源占比和新型电力负荷快速增长，供-需多重波动性和随机性加剧了系统灵活性缺口，而灵活性改造和调节容量扩容成本高、回收期长导致搁浅成本问题，虚拟电厂成为调节容量建设的重要技术手段[15]；其次，我国电力市场加速建设，电改十年来，部分地区现货市场已转入正式运行，调峰、爬坡、快速调频等新型调节需求日渐多元，虚拟电厂成为释放电力市场改革红利的重要技术方式[16-17]；最后，虚拟电厂业务开启了电力行业与其他社会行业互通运营的商业模式，助力海量、异质、多元的工商业用户进行调节潜力挖掘，激励用户主动支撑电网安全可靠运行，从而构建能源+互联网新生态。
2.1.2 技术范畴
虚拟电厂的具体形态与一般互联网运营平台具有相似的属性和特征，均是基于商业模式的激励和粘性，实现海量用户资产的聚合与利用，从而满足灵活性需求的供给方（电力用户）和需求方（电力系统）的服务匹配和互利双赢。但是，灵活性供需匹配又不同于一般互联网运营平台的服务匹配特征。因电力系统本身的物理特性、安全属性、可靠要求等原因，虚拟电厂的技术体系成为包括但不限于互联网技术框架的交叉领域，如灵活性供需的实时平衡、动态加密和快速高频通信需求，则在信息-物理-社会多维视角下产生了一系列的关键技术问题亟待突破[18]。首先，能量视角下的分布式资源互动机理，涉及主配电网的协同管控[19]。虚拟电厂作为主电网与配电网的中间平台，承担了分布式资源的能量管理与聚合运营角色，亟待解决兼顾主配电网安全可行域的复杂调控问题[20]；其次，社会视角下的价值传导机制，需要满足多元利益主体的个性化需求，不仅涵盖用户资源的成本回收，还涉及与传统调节资源的市场博弈，以及新型调节需求的匹配映射问题[21-22]；最后，信息视角下的异构通信承载能力，亟须推动电力通信基础理论研究，包括虚拟电厂与电力系统运营平台的虚拟专网低成本构建、虚拟电厂与边-端装置的安全接入、可靠通信与动态加密问题，确保聚合容量和动态性能的可靠性和鲁棒性[23-24]。
2.1.3 技术价值
虚拟电厂的技术框架是信息-物理-社会多维立体的关键技术体系，那么技术价值也体现在多维互动与资源协同下的泛在价值。国家层面，虚拟电厂技术可以拉动电动汽车、通信设施、新型储能、芯片、绿色金融等多个行业与能源互联网产业经济的快速融合和高效发展，打造“新制造、新业态、新服务”，提升电力领域的新质生产力，创新能源互联网经济链条和链主角色；行业层面，虚拟电厂高可靠、清洁化、经济性地拓展了灵活调节容量，为电源侧引入更加灵活的消纳主体，为电网侧提供了更加充裕的调节边界，为用户侧开创了更为低碳经济的用能方式，为储能侧释放了更多潜在商业模式的市场红利，多点发力共同支撑新型能源体系构建[25]；用户层面，虚拟电厂可激励更多分布式资源的配置和利用效率，提高绿色用能水平，降低综合用能成本，同时可提高高比例新能源下电力用户对系统运行和供需匹配的认知水平，启发用户低碳用能意识，助力践行“双碳”目标、推进碳普惠[26]。
2.2.1 角色定位
虚拟电厂示范成效逐见成色、应用场景日渐多元，而虚拟电厂的市场机制和商业模式仍处于起步阶段，资源利用率低下、响应频次不足成为限制虚拟电厂规模化发展和应用的关键难题[27]。尽管我国虚拟电厂的发展以需求响应为起步，但是虚拟电厂的物理特性、技术要求和应用场景明显区别于需求响应服务。需求响应是基于政府行政手段和需求响应资金补贴的一种电力安全保供响应服务机制。在物理形态上，虚拟电厂与需求响应资源高度重叠，前者是可兼具上下调节能力的“新型电源”，从美国PJM的特性描述来看，利用调节区间、调节时长以及类储能的等效荷电状态（State of Charge, SOC）来刻画，因为虚拟电厂聚合的容量有限，所以聚合外特性与类储能装置具有很高的相似性，所以在调峰、爬坡、调频等快调能力和精准控制上具有较好的动态性能，而需求响应更多倾向于电网供给容量不足场景下的下调型能量响应[28]；在通信网络上，虚拟电厂因业务不同可在电网专网的生产控制大区和运营管理大区、互联网大区按需部署，入市快调业务的市场主体需要具备与电力系统调度平台的互联互通能力，实现与传统机组一致的响应能力校核；在市场运营上，虚拟电厂应逐步被视为与传统机组一样的市场主体身份，起步阶段可以建立适应第三方市场主体发展的市场过渡机制，逐步过渡至全时序、多品种的可持续化市场运营生态，聚合商和资源用户的市场效益不仅限于市场收益的价值传导，还应建立聚合商与多元用户的灵活商业模式，激励聚合商挖掘与竞争优质的调节资源。
2.2.2 运营生态
由于我国的虚拟电厂建设以需求响应为起步，导致虚拟电厂与负荷聚合商、需求响应服务商等市场主体的业务体系界限不明，难以进一步挖掘多类型需求侧资源与不同系统调度需求的适配能力，抑制了分布式储能、通信基站、电动汽车及换电站等优质灵活资源向虚拟电厂建设标准的技术升级和过渡，既抬高了需求响应成本，又降低了资源用户的响应意愿。现有的价值传导机制仍未捋顺虚拟电厂与需求响应的差异化贡献，导致政府性资金补贴、尖峰电价资金池、用户侧响应成本传导成为虚拟电厂市场化运营的基础成本[29]。但是部分地区的补贴机制下的市场运营可持续性差，同时难以充分评估灵活资源的市场价值，无法充分反映电力系统运行成本，因此亟须梳理以电力安全保供为目标的需求响应服务和以系统安全稳定运行为目标的虚拟电厂的差异化运营和管理方式。在新型电力系统和新型电力市场运营体系中，逐步推动虚拟电厂与传统调节容量共同支撑电力系统运行的技术体系和市场生态，在发挥调峰、调频等市场服务能力的同时，进一步探讨高比例新能源和新型电力负荷高比例渗透下新型市场主体与爬坡、惯量等灵活性增量需求的适配能力，特别是应对短时平衡问题的备用市场建设，能够在安全保供的技术目标下实现配网规划与运营向经济导向型的过渡，利用新资源支撑新需求[30-31]。
2.2.3 主体培育
虚拟电厂的技术发展依托能源互联网技术体系，而虚拟电厂的运营生态依赖互联网思维和平台化手段，因此社会聚合商的主体培育成为虚拟电厂发展的重要组成[32]。具体体现在：首先，虚拟电厂代理的响应资源大多为电力行业外部资产，响应可靠性很大程度上依赖市场激励，需要更加灵活的管理机制和商业模式提高用户粘性，以提升虚拟电厂动态性能的可靠性和鲁棒性[33-34]；其次，虚拟电厂聚合商不但在物理视角上避免了海量分布式资源与电力系统的互联互通压力，同时承担了市场收益分配的商务角色，市场化程度更高，用户资源的灵活性挖掘动力更大，更有利于工商业用户的灵活性改造和接入[35]；最后，虚拟电厂业务具有更加广泛的社会影响和责任，传统业务体系下电力用户对电力系统实时的供需形式缺少认识，而虚拟电厂业务体系下电力用户行为切换成为市场获益的依据和手段[36]。基于此，电力用户将更容易获取新能源的波动和供给趋势，有利于启发电力用户切实践行低碳，培育清洁、经济的用能行为。互联网互动模式下的社会主体低碳商业模式将更为灵活，可与电力用户日常行为进行捆绑，推动低碳能源转型的全社会自主协同[37-38]。同时，可催生面向社会能源治理的用户大数据中心，做好电网公司、社会主体与资源用户的多方信息互动监管和隐私防护，推动虚拟电厂的新质生产力稳步发展[39]。
2.3.1 与新型电力系统的关系
新型电力系统中高比例新能源和高渗透新型电力负荷，逐步改变了系统运行边界和电力需求模式，导致电力系统的灵活性充裕度面临巨大挑战[40-41]。特别地，尽管需求侧资源的灵活性挖掘与利用问题已经成为共识，但似乎虚拟电厂的建设动机仍以电力系统的安全防线为主要驱动力[42]。事实上，在这一巨大优势之外，虚拟电厂的运营能够更好地激励资源用户在新型能源体系下的行为管理和自主响应，切实改善传统系统中“以用定发”带来的资源容量不足、配置效率低下、新能源消纳不充分等问题[43-44]。因此，虚拟电厂不但是新型电力系统中的重要资源组成，也是新型能源体系下的关键业务领域。
2.3.2 与系统经济性的关系
虚拟电厂作为特殊的平台化“虚拟机组”，具有典型的轻资产和低碳化特征，为电力系统拓展了低成本调节容量，这将有利于提高资源容量的充裕水平，改善市场化博弈空间，进而降低新型电力系统的运行成本，同时缓解重资产机组建设的成本回收和搁浅成本问题。另外，虚拟电厂的市场运营高度依赖电力市场生态，可以通过聚合方式引入更多电力用户参与市场运营，一方面可以共同分摊市场改革红利，降低用能成本；另一方面可以激励用户自主配置容量，延缓配电网升级改造投资；还可以为新型负控体系下的新型数字资产进行边端协同配置，避免重复投资[45-46]。
2.3.3 与系统可靠性的关系
新型电力系统的规划配置中，已经逐步将虚拟电厂等分布式资源聚合容量统一纳入配置决策[47-48]。新型电力系统下的规划配置不但要考虑能量平衡，还要考虑灵活性充裕度。随着虚拟电厂聚合容量和主体规模不断提高，聚合容量将成为电力系统可靠性的重要支撑性资源。海外电力市场中，已有先例将虚拟电厂的聚合容量纳入容量市场，聚合商在可信体系下确保时间尺度的容量充足，即可获得容量补偿。尽管现有虚拟电厂工程中下调能力远远高于上调能力，但是考虑电网安全和资源时空特性的有序性下调策略是保障关键负荷可靠运转的高效举措[49]。
2.3.4 与系统清洁性的关系
虚拟电厂助力电力系统清洁运行的贡献主要体现在两个方面，一是虚拟电厂聚合的灵活资源具有较好的时空特性，可以更好地跟随新能源波动，提高消纳水平[50]；二是分布式发电的潮流反送仍存在较大制约，而带来的配电网电压越限问题愈发凸显[51]。虚拟电厂一方面可以通过资源协同的聚合运营兼顾配电网运行问题，提高分布式发电的本地化消纳和区域自平衡能力；另一方面可以基于商业模式代理分布式发电参与现货市场，降低保障性收购模式下的系统出力成本。
2.4.1 电力通信
正如前文所述，虚拟电厂依托庞大的异构通信网络进行互动互联，相比于传统通信网络更为复杂。由于电网的特殊性，虚拟电厂业务体系下的信息互动将在公网和专网中高频穿越、隔离和加密，信息管理的时延性和有序性是虚拟电厂容量置信的重要影响因素[51]。另外，虚拟电厂的通信范围广、链条长、层级多，电网平台与聚合商平台虚拟专网的切片容载是经济性和可靠性均衡下的重要决策对象，高性能将提升运营成本、低性能将降低响应质量影响收益。同时，聚合商与边缘装置的海量数据传递一方面可能引发用户数据的泄露风险；另一方面快速调频业务下会引发数据流量成本暴增，带来过高的非期望投入，从而降低经济效率，因此不同类型数据的价值评估与传递更新机制成为关键[52]。另外，边缘装置与智慧终端之间一般基于局域网络进行信息互递，而通信方式的最优决策与通信环境及接入位置关系较大，抑制信息阻塞带来的数据丢包率是虚拟电厂高质量、高可靠运行的关键技术问题[53-54]。
2.4.2 人工智能
互联网模式下的虚拟电厂运营中人工智能将发挥重要作用[12, 55]。首先，虚拟电厂是信息-物理-社会融合下的复杂系统，虚拟电厂的运行可行域受个体资源物理特性、通信状态和用户有限理性的耦合影响，是一个高维不确定性下的非凸问题。基于人工智能的机理数据融合方法可以更好地提炼影响因素之间的内生关联性，从而提高聚合容量的置信水平。其次，个体资源的物理特征，特别是大工业电力负荷的特性解析十分复杂，资源灵活性参数提炼困难，同时资源行为模式的外界影响因素愈发多元，为资源的动态性能和响应基线刻画带来较大困难，人工智能可以更加精准地辨识行为模式的切换规律和物理参数，为虚拟电厂提供更加精准的刻画能力[56]。最后，人工智能在虚拟电厂的交易决策和协同控制方面也存在较大技术优势，数据驱动可以更高效地助力聚合商辨识市场主体的行为轨迹和决策过程，有利于提高市场交易中的中标概率和收益空间，同时识别不同类型资源的响应偏差和偏差概率，提高响应精度[57]。这里值得强调的是，尽管数据获取仍然存在较多壁垒，但是市场化程度逐步提高后，基于人工智能的运营决策将是聚合商的核心技术能力。
2.4.3 用户安全
尽管用户安全一直成为电力用户参与虚拟电厂业务的重要考量因素，但我国互联网生态已有成熟的用户隐私防护体系，为电力用户的数据安全和隐私防护提供了良好的技术基础[58]。当然，虚拟电厂业务体系仍在不断拓展，用户隐私和数据安全的未及之处仍然存在。从终端设备到边缘装置，再到云边互动，以及与电力专网的高频交互，均需要引入加密环节[59]。常态化加密影响通信时延，轻量化加密带来网络风险，因此构建符合虚拟电厂业务体系的通信网络安全和防护体系势在必行[60]。值得注意的是，用户安全不仅仅涉及数据传递过程，还涉及聚合商主体、边端设备、核心网装置等诸多通信节点，亟须建立统一规范的技术标准，继而确保装置的合规性和标准化，以便于不同虚拟电厂的性能评价和响应检测可在同一维度下开展评估[61]。另外，针对聚合商平台、核心通信网络、边-端采集装置的用户隐私和安全防护也需要政府及各级能源主管部门、电网公司及社会主体等多领域、多层级的协同监管。
2.4.4 可信体系
虚拟电厂不同于一般互联网运营平台，由于电力行业及电力系统的特殊属性，虚拟电厂的动态聚合、安全通信、可信交易及协同调控均需要在可复核、可追溯的可信体系下开展运营[62]。首先，虚拟电厂的动态性能是海量用户行为模式切换与协同的结果，而电力系统运行对于聚合容量外特性的技术要求与置信水平应该与传统机组无差别。为了保证虚拟电厂运行的可靠性水平，对于用户行为、资源状态及调节轨迹实现过程记录，从而支持用户基线的精准评估和结算依据。其次，虚拟电厂的业务体系层级更多，既可以聚合海量用户参与主网运行，也可以在聚合过程中兼顾配网安全与局域消纳的电力共享，一方面可信体系下的交易共识效率更高；另一方面需要可信体系开展分布式交易的记录和溯源。最后，未来虚拟电厂作为特殊电源，在容量补偿机制乃至容量市场中获得主体资质，可信体系的构建可以助力聚合商与用户资源开展长协代理模式，还可以提升虚拟电源在容量市场中的置信水平。
1）建立健全虚拟电厂技术标准，规范虚拟电厂业务场景和准入规则
应建立健全虚拟电厂技术标准体系，完善虚拟电厂业务场景、准入规则及技术规范，合理统筹虚拟电厂技术标准牵头企业资质、示范工程经验及核心技术及装备领域，建立流畅的技术标准编制与示范工程建设的互通互补机制，确保起步阶段技术创新与工程应用的合理适配。需要鼓励各级能源主管部门建立虚拟电厂技术标准及业务体系培训机制，提升政府相关部门、电网公司、社会主体及资源用户对虚拟电厂的认知水平，持续扩大技术标准的推广及应用范围。推进虚拟电厂示范工程质量评估标准及考核机制设计，从而推动虚拟电厂在不同业务体系下的长周期运转测试和服务能力认证，为虚拟电厂的常态化运行提供激励政策。
2）持续推进需求侧灵活性挖掘，加强虚拟电厂的规划配置和顶层设计
鼓励各省区能源主管部门根据所在省区能源结构、电力网络、市场供需及资源禀赋情况，制定面向5G基站、数据中心、电动汽车、空调、电锅炉等新型电力负荷分批、分类统一接入虚拟电厂的政策文件，同时进一步推动工商业电力用户的灵活性挖掘，鼓励大型工商业用户进行灵活性改造，进而向调节主体转变。各省区应科学评估电力系统的灵活性供需矛盾，量化灵活性时空供需缺口，结合省区灵活资源容量和市场运营水平，合理统筹需求侧资源开发类型和规模，建立明晰的需求侧灵活资源发展路径，减缓灵活性供需矛盾带来的市场机制失灵问题。坚持需求导向、按需配置、因地制宜的顶层设计方案，推动虚拟电厂高质量有序发展。
3）合理制定虚拟电厂市场机制和商业模式，推动可持续市场化运营生态
完善适应虚拟电厂参与的电力市场交易体系，在优化需求响应、现货等电能量市场基础上，持续改进虚拟电厂参与调峰、调频等存量调节品种的市场机制及交易规则，创新设计面向爬坡、短时备用等增量调节品种的虚拟电厂运营规范及算法。厘清虚拟电厂真实运营成本，设计面向虚拟电厂、聚合商及资源用户的多层级价值传导机制，建立虚拟电厂在多元市场交易品种中的衔接机制及成本分摊机制，科学管控聚合商与资源用户的商业模式，明确资源用户用能价格和市场收益的监管办法。科学评估虚拟电厂等新型电源与传统电源的市场力，鼓励各省区根据电力市场建设情况开展虚拟电厂常态化运营市场试点，特别是现货市场转正地区的规模化应用，充分释放市场空间、丰富电网调节手段。
4）全面提升虚拟电厂多时间尺度调度技术，强化虚拟电厂多品种灵活性供给水平
建立虚拟电厂安全管控机制，提升虚拟电厂参与常态化系统调控的运行风险评估和预警能力，推动虚拟电厂与传统机组统一纳入电力系统调度体系，推动虚拟电厂在新型电力系统中的常态化运行。构建面向虚拟电厂的多时序调度资源的组织规范与运行规则，完善虚拟电厂日前、日内、实时不同时间尺度下的协同调控技术，建立虚拟电厂随机运行风险防范机制及防御手段，提高虚拟电厂运行可靠性水平。同时，针对配电网安全问题，构建面向分布式发电承载与消纳的虚拟电厂配电网侧优化运行调控体系，提升配电网侧源网荷储本地化协同能力。鼓励电网企业、能源企业及社会资本企业等主体加大虚拟电厂软硬件产品研发力度，持续推进物联网、人工智能、区块链等领域的技术创新与融合应用，提高虚拟电厂运行水平和运营效率，强化符合电网安全技术要求的虚拟电厂软硬件产品，推动面向虚拟电厂的电力新质生产力发展。
本文以虚拟电厂的技术热点分析为基础，重点提炼了虚拟电厂技术研究的演进趋势，以及不同技术方向下关键问题的本征变化。同时，结合我国虚拟电厂技术的研究现状及示范工程的运营瓶颈，本文讨论了虚拟电厂概念共识对于技术发展的正向推动作用，分析了虚拟电厂的市场壁垒带来的运营困境，剖析了虚拟电厂在新型电力系统构建下的协同作用，同时提出了虚拟电厂关键技术的重点发展方向，为虚拟电厂的理论创新、技术发展、常态运营及推广应用提供重要参考。
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Abstract In recent years, virtual power plant (VPP) technology has continuously developed, with increasingly diverse application scenarios and significant demonstration effects. As a new type of power source, VPP has become an integral component of flexible resources in new power systems. Benefiting from the integrated development of power and IoT technologies, the VPP technical paradigm promotes the construction of operational capabilities for distributed resources characterized by being measurable, observable, adjustable, and controllable (“four controllability features”). However, the technical framework for supply-demand interaction under cyber-physical-social multi-dimensional coupling from the aggregation perspective has not yet achieved a comprehensive breakthrough, and an operational paradigm ensuring physical assurance, cyber assurance, and value assurance (“triple assurance”) urgently requires establishment. It is critical for transforming VPP from a stochastic resource to a deterministic resource, thereby enabling normalized operation and large-scale applications.
This study first conducts a quantitative analysis of academic publications on VPP technology in EI-indexed Chinese journals across three temporal segments (2013—2017, 2018—2021, and 2022—2024), through which research hotspots in this domain are systematically identified. Research findings reveal that during the initial phase (2013—2017), domestic scholars predominantly focused on VPP market operation mechanisms and business model design. In the second stage (2018—2021), the research hotspots progressively shifted from market operations to dispatch control. In the third phase (2022—2024), while focusing on bidding strategies in electricity markets and operational optimization algorithms for VPP, the research direction demonstrates a trend of diversified developments toward low-carbon operation, credibility assurance through aggregation, and security protection.
The study evaluates the changing trends and evolutionary directions of VPP core technologies. The findings demonstrate that VPP core technologies have evolved from a unitary technical perspective into a cyber-physical-social multi-perspective integrated system. Under this coupled perspective, distributed resource interaction mechanisms, high-dimensional uncertainty modeling for aggregation computing, and rapid-solving techniques meeting multi-timescale regulation requirements of power systems will constitute key future research trends. There are four constraints on the normalized operation and large-scale application of VPP within China's electricity market context from a top-level planning perspective: (1) Lack of consensus on conceptual thinking and discerning critical notions, such as technical purpose, technical scope, and technical value. (2) Urgent requirement to establish market positioning, due to the absence of an operational ecosystem and entity cultivation mechanisms adapted to its development. (3) Urgent requirement to analyze demand orientation, as relationships with the new power system, system economy, reliability, and cleanliness remain unclarified. (4) Incomplete technical frameworks in power communication, artificial intelligence, end-user security, and trusted architecture.
Aligned with the new power system construction requirements and informed by current market operations of typical domestic VPP demonstration projects, actionable recommendations for VPP sustainable development are put forward: (1) Establish and improve technical standards for VPP, business scenario planning, and access rules. (2) Continuously promote the mining of demand-side flexibility to strengthen the planning, configuration, and top-level design of VPP. (3) Reasonably formulate market mechanisms and business models for VPP, promoting a sustainable market-oriented operational ecosystem. (4) Comprehensively enhance multi-timescale dispatch technologies for VPP, reinforcing multi-category flexibility supply levels. These research outcomes are intended to provide references for the theoretical innovation and technological development of VPP.
keywords：Virtual power plants, operation challenges, technology trends, development suggestions
中图分类号：TM732
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250682
国家重点研发计划资助项目（2021YFB2401200）。
收稿日期 2025-04-24
改稿日期 2025-06-05
高洪超 男，1990年生，博士，助理研究员，研究方向为虚拟电厂、微电网、分布式能源系统的运行控制与市场运营。E-mail: hcgaoth@mail.tsinghua.edu.cn
康重庆 男，1969年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统规划、电力系统优化运行、可再生能源、低碳电力技术、负荷预测、电力市场。E-mail: cqkang@mail.tsinghua.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）