1. 引言
大规模源网荷系统 [1] 通过对可中断负荷改造，将其升级为虚拟发电厂，可在突发特高压闭锁事件特别是用电高峰时(也包括其他突发电源或电网紧急事件或自然灾害情况下)紧急响应，将大电网的事件应急处理时间从原先的分钟级提升至毫秒级，显著增强了大电网极端运行情况下的电网弹性承受能力和弹性恢复能力 [2] [3] [4] 。
本平台从中立者或第三方的立场出发，一方面通过调度系统对停电过程中各种线路工况、负荷信息进行采集，另一方面通过对源网荷系统的动作进行采集、快照来取证；然后，在需要事件详细分析判定的时候，将这些数据在本平台回放，对所有的源网荷有序减供事件进行事件情景再现，可以分析事件的每一个步骤和每一个动作的依据和实际的后果，判别任意的虚拟发电机组是否越过实现预案中的安全边界，如果越过则提供详细的情景快照作为佐证，从而有效地将虚拟电厂的安全边界内合规的投切，与事故减供有效区分开来，并对事故减供的负载功率进行客观的记录统计，监测是否达到《电力安全事故应急处置和调查处理条例》(国务院令第599号)中的事故认定要求 [5] [6] 。
2. 源网荷事件再现平台设计
2.1. 江苏源网荷及华东频控系统整体框架
江苏大规模源网荷友好互动系统及华东电网频率紧急协调控制系统按照分层控制架构设计，整体框架如如图1所示。
整个系统涉及华东区域的8个特高压直流子站，8个抽水蓄能子站，苏州南部地区1个江苏切负荷控制中心站、4个500 kV分区切负荷控制子站、252个电网侧变电站以及810个负荷用户控制终端。作为国家电网公司系统保护建设试点工作，可以在电网遭遇大功率直流闭锁的瞬间，根据功率缺额，自动采取多种紧急控制措施，为系统频率安全提供快速、精准、有效的支撑，为提升大电网运行安全水平、促进清洁能源消纳提供有力保障。
Figure 1. Framework of Jiangsu “Source-Grid-Load” System
图1. 江苏源网荷系统的整体框架图
2.2. 虚拟电厂及虚拟发电机组建模
为了实现对源网荷事件的再现，本平台将更多地从管理信息系统的角度，通过软件模型(特定的数据结构)对源网荷有序减供事件中涉及的各个实体及行为进行描述，并以可视化的方式实现源网荷负荷减供事件的重构、展现以及反演，其中，直流调制、抽蓄电站相对比较简单，也属于传统调频范畴 [7] [8] [9] [10] ，考虑到篇幅所限，将另文描述，而虚拟电厂、虚拟发电机组是整个源网荷的核心，故从以下几个方面予以重点论述：
1) 虚拟电厂知识元构建
虚拟电厂对应电网中一部分实际电力用户，他们参与了源网荷系统的项目建设，进行相关线路的改造，安装了相应的源网荷控制终端和专用光纤通道或专业4G无线信道，将其升级改造为虚拟电厂，集中受控于附件相应的源网荷控制子站(目前主要有木渎子站、吴江子站、太仓子站和玉山子站)，这些子站又通过木渎中心站受控于华东频控和江苏调度，这些虚拟电厂可在突发特高压闭锁事件时进行毫秒级响应，对厂内全部负荷或部分负荷进行瞬间切除(虚拟电厂瞬时并网发电)，实现电网的供需平衡，从而将大电网的事件应急处理时间从原先的分钟级提升至毫秒级，显著增强了大电网极端运行情况下的电网弹性承受能力和弹性恢复能力。
虚拟电厂的建模与传统的电厂有一定的差异，主要表现于需要充分考虑负荷的自身停电特性、响应速度、安全边界和损失模型等特点。一般按照响应性能与运营性质的不同，源网荷系统将参与的虚拟电厂分为公益型毫秒级电厂和商业型分钟/小时级电厂，前者为可中断负荷所有者，按照相关法律义务性地参与到应急虚拟电厂的建设和运行中来，不宜盈利为目地，而将各种可中断负荷改造为虚拟电厂的费用以及运行维护成本，由政府、社会与电力公司共同筹措，其一个重要特征，就是该虚拟电厂由电力公司调度中心实时控制，可以实现该厂全部或部分虚拟发电机毫秒级的投运与停产；而后者由中断负荷所有者或第三方公司投资建设，当电网出现负荷缺口，由电力公司实时发布需求，这些分钟/小时级商业型电厂可以根据自己效益模型参与负荷需求侧的及时响应，调度中心按照各补偿的效果和投产的要价了选择供给方，如同常规的应急电厂，而其建设投资与运维成本远小于普通的应急电厂，从而达到社会资源利用率最大化。
对于任一虚拟电厂而言，其拥有的虚拟发电机的类型往往是多种多样的，主要体现于投运经营成本和越界发电(负荷停电时长超过安全边际)的风险代价，其实质上有可中断负荷的自身特征所决定的。由此可见，虚拟电厂是多种类型虚拟发电机的组合，调度中心调度的基本单位并非是虚拟电厂，而是虚拟发电机VDG，所以虚拟电厂的知识元表示中没有太多的调度属性，其知识元的定义如表1所示。
2) 虚拟电厂知识元录入管理
再现平台为虚拟电厂的录入管理提供专门的窗口界面，其处于源网荷系统信息一级目录之下，如图2所示。
该窗口支持虚拟电厂的定义、建模以及记录基本的增删改查操作，以及相应的权限控制，其中，该虚拟电厂的签约状态、当前运行状态(热备/发电/故障)，热备容量、当前出力总量等属性都是源网荷系统动态监测与管理的内容。
3) 虚拟发电机组知识元构建
如同常规的实体电厂，任一个虚拟电厂一般都有多组不同规格、不同特性的虚拟发电机构成，它们对于不同性质的用户线路负荷实体，一个普通的用户线路负荷必须进行整体化改造，包括各种测控设备的追加，安全防范设施的增强，尤其各种事故预案的制定、人员的培训和规范化的演练非常重要(因其发生的小概率性，这也是极易被基层管理、运维人员忽视的环节)，才能获得一个可以与虚拟发电机对应的用户线路负荷。这是由于用户负荷的特殊性，如果使用和处置不当，很容易产生很大的次衍生灾害，甚至人身伤亡事故，如出现类似这样的问题，将会形成巨大的社会反响。
虚拟发电机组模型是整个源网荷有序减供事件建模中关键，它也是调度中心可以直接控制和进行优
Figure 2. Management interface for virtual power plant
图2. 虚拟电厂管理窗口
Table 1. Definition for virtual power plant element
表1. 虚拟电厂知识元定义
化组合的最小单位。虚拟发电机组知识元化首先需要进行了必要的抽象化，提取其与源网荷有序减供直接或间接相关的关键要素，忽略大量的各种次要因素，尽快建立起精简有效的模型，以达到真正可测量可控值可推理的效果。表2的数据模式为虚拟发电机结构化、知识元化的电气模型：
虚拟发电机组从其负荷的重要程度或经济损失及次衍生灾害的大小来分，目前分为1~6类，第1，2类一般是指可中断的照明线路、办公空调线路或者可中断的辅助生产性负荷，这类负荷无论是突然中断或者长时间中断都不会引起人身等次衍生灾害，也不会有重大的经济损失，从应急管理的角度来看，它们属于优质的全天候虚拟发电机组，支持瞬时投产发电(全天任何时段都允许突然停电)，也支持长时间运行(也可视为不存在停电时长的限制，即不会因长时间停电造成人身或财产的重大损失)，但是这类负荷缺点是一般单机的发电出力都比较小，非常分散，用户拓展的任务量大，相应的单位千瓦改造费用高。
而对于3~6类线路负荷而言，一般对应于重要的用户负荷，其特点是要么不允许长时间停电，要么不允许随意停电。如炼钢炉，如果长时间停电将可能导致涨炉，一方面导致重大的经济损失，另一方面可能引发人身伤害，这类线路负荷一般称为，时长型虚拟发电机组，其一般能支持瞬时投产发电(即随时可停电)，但不能允许长时间运行；而有些线路负荷则是不允许随意停电，即在一天内某一时段可以投产发电，但某些时段则不允许，否则会有重大的经济损失甚至人身伤害，这类线路负荷一般称为，时段型虚拟发电机组。
4) 虚拟发电机组知识元录入管理
虚拟发电机是源网荷系统管理和调度的基本单位，虽然目前是按负荷突然停电后果分类分批操控，但随着管理精细化的推进，以单个虚拟发电机为操控单元是必然的选择。系统支持虚拟发电机的定义、
Table 2. Definition for virtual power generator element
表2. 虚拟发电机组知识元定义
建模以及记录基本的增删改查操作，以及响应的权限控制，其中，该虚拟发电机的负荷性质、签约状态、补偿模型(效益计算模型)、当前运行状态(热备/发电/故障)，热备容量、当前出力总量等属性都是源网荷系统动态监测与管理的内容。
这里虚拟发电机组的信息被分成2个表，一个表主要存储其相对静态的慢变化量，另一个表则存储带有时标的当前热备容量、当前发电出力等快变化量。
2.3. 源网荷场景-预案-情景-事件统一配置管理
一个完整的源网荷事件可以分为：初态、事件触发、系统感知、系统决策与指令下发、系统响应、系统恢复等多种情景，而每一种情景有时又可分为多个特定的场景，如图3所示。
Figure 3. Relationship of scene and situation
图3. 场景–情景对应关系图
针对不同的场景则需要有响应的预案，这样构成一个具有层次关系的场景/预案–情景–事件结构图。与源网荷有序减供相关的各种场景数据，往往需要调度中心获取，包括各线路的实时功率信息以及频率、潮流的录波信息，这些数据以时间为索引保存在系统实时快照库中。
2.4. 源网荷事件再现的可视化
以信息可视化手段实现源网荷互动事件的再现，通过平台论证过的各种源网荷有序减供计划和调度方案的匹配，将不符合而减供者直接判断为事故减供，对于符合而减供者，则依据安全运行边界包络线进行判别。
图4展示的是江苏电力应急中心的展示大屏，分为一块5773 × 1280的主屏，和两块3840 × 3250的侧屏，其中侧屏用于展示一些慢变化量和次要信息，实时动态的信息主要展示与主屏。主屏基本可以分为三个部分，左边围绕虚拟发电机组(可切线路)展开，利用地图展示了机组在苏州地区乃至江苏地区的分布情况，支持地图的缩放以及各个机组详细信息的调阅，同时用不同的色彩以及闪烁，动态地表示该机组目前处在热备、投产、恢复的不同状态。地图侧面的虚拟发电机组的列表，可以实时地查阅每个机组当前的热备功率、当前的发电出力以及发电指令持续时长，补偿金额，签约状态。同时支持信息的多维展示，可以按当前热备容量大小展示，也可以按当前机组出力大小展示，也可以按发电指令持续时长展示或按补偿金额展示。
大屏中间部分是一个消息指令窗，其真实地按顺序展示了整个事件过程中不同阶段，控制中心发布的每一条消息和每一条指令，以及直流调制、抽水蓄能、虚拟发电机组不同时刻的动作响应情况，指令窗侧面这是一个情景的解说窗口，方便用户更细致地了解各阶段的详细信息。
大屏的右边是围绕整个电网运行工况来展示，如图5中则所示。左边是先有的四个虚拟发电机组控制子站的运行情况，其中绿色的区间表示按供电协议可用的发电容量，蓝色的区域是指技术已经完成改制，可以进行毫秒级快切的负荷(但用户协议尚未签订)，而红色区域是本子站最大可以切除的负荷，但目前只能用拉闸限电的方式进行成片区切除，还没有完成精确快切的技术改造，也没有完成用户协议。中间部分和右边反映事件发生过程中直流调制、抽蓄电站、电网频率以及重要潮流断面的实施变化情况。
3. 5-24实切演练的实例分析
整个实切演练经过2个多月的精心准备，动用大量人力、物力，虽然取得了成功，但过程中暴露出来的不少问题，在此进一步深入细致的分析。
Figure 4. Visualization platform for event playback
图4. 事件推演再现的可视化平台
Figure 5. Operation condition of Huadong grid
图5. 华东电网运行工况图
1) 锦苏特高压直流被人工闭锁后，江苏电网瞬间缺少3000 MW电力供应，苏州市六分之一区域存在全部停电或者更大面积停电的风险，然而本次缺额的供给主要是依靠切除天荒坪等7座抽蓄电站共计约2025 MW正在抽水的机组来弥补的，而抽蓄机组有时并不能提供这么大的补偿，这需要进一步增加虚拟电厂的补偿量；
2) 本次演练中启用了世界首套“大规模源网荷友好互动系统”，及时调度“虚拟电厂”资源(切除了可中断负荷25.5万千瓦，用户数233户)；控制实际下发负荷切除量本是278 MW，而实际切除量为255 MW，除了有15条线路(虚拟发电机)因按原来的设定小于10 KW下限没有启动外，另有33条线路因负控开关的拒动而未能实现有效减供(虚拟发电机未能投产发电)，这也是目前虚拟电厂建设过程中最常见故障问题，是后期繁重的检测检修任务中的一部分。
3) 这次参与快切的负荷(虚拟电厂)都是小功率不重要的照明、空调、辅助设备等非生产性负荷，在系统里属于第一层级的负荷，它们的优势在于全天候随时可以使用，但单机的功率很小，将其改造为虚拟电厂的效益成本很低，导致可热备的虚拟电厂总发电量增长缓慢，难以满足实际的需求。一种有效的解决办法就是，将钢铁企业这种尽早全面纳入到协议电厂名单中来，结合轮切等先进理论重复发挥这些时段性大功率虚拟发电厂的效能。
4) 从系统响应性能看，无论的虚拟电厂，还是直流调制或是抽蓄电厂其指令响应能力基本都能满足毫秒级的性能，但问题是整体上有些参差不齐，如抽蓄电站的响应速度有些有了数据级的差距，其主要延迟往往不是通道方面，更多是来自子站控制中心的延迟以及用户端控制终端的延迟，因此这些环节软件性能的优化，尖峰负荷的控制都是需要进一步努力的方向。
4. 总结
该展示平台实现了以负荷减供事件为中心，对相关数据、信息以快照方式予以采集存储，在需要事件详细分析判定的时候，将这些数据在本平台回放，对所有的源网荷有序减供事件进行事件情景再现，可以分析事件的每一个场景，用于支持源网荷系统负荷减供事件的事前预想、事中决策辅助和事后判断，以客观验证任意一次负荷减供事件的合理性、必要性和科学性。