（技术经济及管理专业论文）电力备用市场中的交易模型与方法研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文丫 6 0 8 5 4 摘要 摘要 引入竞争性的电力市场后， 我国电力工业取得了初步的改革成果。 有数据显示， 一些地区的电厂上网电价较之于引入电力市场前，有了一定的下降。这说明开放电 力市场的选择是正确的。传统电力工业环境下，维持系统安全可靠运行的备用服务 由电网拥有的发电厂无偿提供; 而在电力市场环境下， 发电厂从电网公司分离出来， 提供备用服务与否就成了发电厂自己的选择。由于备用服务对电网安全运行具有至 关重要的作用，电网公司有义务提供激励促使发电商提供充足的备用服务，以维持 电网安全可靠的运行。 正是基于这种环境，本论文选择了对备用市场系列问题进行研究作为主要内 容，总结了国内外对备用服务的研究成果，对备用服务进行了定义、分类，分别从 发电商、电网公司和用户的角度研究备用服务的定价、市场模式等问题，给出了定 价方法的数学模型，并对提出的数学模型给出了算例分析，验证模型的可行性。 关键词:辅助服务，备用服务市场，报价，购买成本，社会成本 abs tract o u r e l e c t r i c i n d u s t r y h a s o b t a i n e d s o m e a c h i e v e me n t t h r o u g h t h e i n t r o d u c e o f c o m p e t it i v e e l e c t r i c m a r k e t . t h e d a t a i d e n t i f i e s t h a t t h e e l e c t r i c i t y p r i c e h a s d e c r e a s e d i n s o m e a r e a . a l l t h o s e s h o w t h a t i t i s t h e r i g h t w a y t o o p e n e l e c t r i c m a r k e t . i n t h e t r a d i t i o n a l e n v i r o n m e n t , t h e s e r v i c e s w h i c h m a i n t a i n t h e s e c u r e a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n o f t h e g r i d i n c l u d e r e s e r v e s , a n d t h e s e s e r v i c e s w e r e p r o v i d e d b y t h e g e n e r a t o r s t h a t o w n e d b y t h e g r i d ; h o w e v e r , u n d e r t h e e l e c t r i c m a r k e t c o n d i t i o n , g e n e r a t o r s a r e u n b u n d l e d f r o m t h e g r i d , a n d t h e y h a v e t h e i r o w n c h o i c e s t o p r o v i d e r e s e r v e s o r n o t . o n t h e o t h e r h a n d , t h e r e s e r v e s p l a y a s i g n i f i c a n t r o l e i n t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n o f t h e g r i d , i n o r d e r t o m a i n t a i n t h e g r i d o p e r a t e i n a s e c u r e a n d r e l i a b l e w a y , t h e s t a t e g r i d s h o u l d e n c o u r a g e t h e g e n e r a t o r s t o p r o v i d e e n o u g h r e s e r v e s e r v i c e s . u n d e r t h i s c o n d i t i o n , t h i s p a p e r c h o o s e t o s t u d y t h e p r o b l e m s o f r e s e r v e s i n t h e e l e c t r i c m a r k e t . i t s u m ma r i e s t h e t h e o r y o f r e s e r v e s a l l o v e r t h e w o r l d , a n d a n a l y s i s t h e p r o b l e m s o f p r i c i n g a n d m a r k e t d e s i g n o f t h e r e s e r v e s , f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f t h e g e n e r a t o r s , s t a t e g r i d a n d c u s t o m e r s r e s p e c t i v e l y . i n e a c h c h a p t e r , i t p r e s e n t s s o m e m a t h e m a t i c m o d e l s t o s o l v e t h e p r i c i n g p r o b l e m s o f r e s e r v e s , a n d g i v e s n u m e r i c a l a n a l y s i s o f t h e t h e s e m o d e l s , w h i c h v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s e m o d e l s . k e y wo r d s : a n c i l l a r y s e r v i c e , r e s e r v e ma r k e t s , b i d d i n g p r i c e , p r o c u r e me n t c o s t , s o c i a l c o s t 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 绪论 1备用市场简介 辅助服务并不是个新名词，即使是在传统的电力工业环境下，电网的安全可靠 运行也需要一些辅助的服务措施来维持，只是在垄断环境下，这些辅助服务由发电 商无偿提供，所以不需要研究其费用成本及定价等问题，因而没能引起人们足够的 重视。随着电力市场的建立，发电厂逐渐从电网分离出来，成为自负盈亏的实体， 他们的目标是实现自身的利润最大化，因此发电商不再无偿提供辅助服务，电网的 安全可靠性受到威胁，人们开始关注一直没引起足够重视的辅助服务。近几年来， 许多国家的电网运行都出现了故障，甚至出现了大面积的停电事件，给国民经济带 来了巨大的损失。如 1 9 9 9年夏天美国加州的停电，2 0 0 3 年 8月美国加拿大的大面 积停电，给人们的生活、工作、经济带了威胁。人们在研究这些停电事故发生的原 因时，注意到辅助服务在其中起到的重要作用。只有完全竞争的主电能市场是不够 的，还需要其他的辅助市场来协助电能安全可靠的输送到终端用户。因此，辅助服 务市场应运而生。 辅助服务定义为把电能安全、可靠的输送给用户所需要的所有措施，主要包括 调频、备用、无功电压支持与黑启动容量等。由于影响电网安全运行的因素很多， 不同国家、不同地区有不同的具体影响因素，因此目前没有统一的定义分类可以适 合于所有的电力市场。在这些辅助服务中，备用 ( 包括调频)是最重要的一部分， 其他一些辅助服务可以通过长期合约获得，而备用涉及到电网实时运行时的供需不 平衡问题，所以需要特别的关注。 本论文单独把备用辅助服务作为主要研究对象，提出了备用服务市场的概念。 所谓备用市场是指进行备用服务交易的场所，本着公平竞争、自愿互利的原则，对 参与备用市场的竞价者建立组织协调运行的管理机制和执行系统。这种执行系统包 括交易场所、交易管理系统、交易规则、计量和结算系统。备用市场的交易主体包 括备用的提供者、备用的需求者和市场的协调者，如发电商、用户和电网公司。备 用市场与主电能市场的关系有两种:一是完全独立于主电能市场，与主电能市场是 平衡的关系，它在主电能市场关闭之后开放;另一种是附属于主电能市场，与主电 能市场是主从的关系，参与者同时向主电能市场和备用市场报价，电网公司同时对 两个市场进行结算。 备用市场可分为日前备用市场、小时前备用市场和实时备用市场。日前备用市 场指在交易日的前一天开放，大部分的 备用交易在这个市场中 进行;小时前备用市 场在交易的前一个小时开放，主要用于对日 前市场的补充，一小部分的备用交易在 这个市场中进行;而实时备用市场就是指实时运行的备用市场，只有极小部分的备 用 ， 没 有 列 入 备 用 需 求 计 划 的 交 易 在 这 个 市 场 进 行 大 部 分 建 立 备 用 市 场 的 地 方 都 i 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 有前两种备用市场，第三种备用市场只存在于部分国家和地区。 2研究备用市场的意义 电力市场环境下，发输分离， 仅靠完全竞争的主电能市场不能保证电能安全可 靠的输送到用户端。主电能市场进行的只是电能的交易工作，很少涉及到辅助措施 的执行。这就需要辅助的备用市场来进行这些辅助措施的交易执行。不管备用市场 与主电能市场的关系如何，它的作用都是辅助主电能市场完全电能安全可靠输送工 作。虽然它起的只是辅助的作用，但是却是至关重要的。因为电能的不可存储性， 一旦生产出来就要立即被消费，所以用户使用的电能是发电厂即时生产出来。正是 因为电能的这个特性，主电能市场具有很大的不稳定性，因为它需要实时平衡，这 就要求发电机的稳定运行、精确的负荷预测和协调的输电管理等多方面工作的同时 完善。 在电力市场建立初期，很难能做到各方面都很完善，因此主电能市场不可避 免的出现供需不平衡局面，这就需要备用市场来弥补这个实时不平衡。基于上述原 因，对备用市场的研究意义重大。 备用市场进行交易的是备用服务，本论文研究的备用服务包括调频服务，有些 文献不把调频作为备用的一部分，调频是由一些具有 a g c( 自动发电控制)的机组 提供，它可在 1 0秒钟内弥补供需不平衡，又称为二次频率调整。因为调频也涉及 到弥补供需不平衡问题，它起的作用和备用服务类似，所以本文把调频作为备用市 场的一部分进行研究。 3国内外关于备用市场的相关文献 随着主电能市场的逐步完善，人们把更多的目 光放在了备用市场上面。关于备 用市场的文献很多，主要集中在美国的加州、纽约、新英格兰和英国的英格兰一 威 尔士这些地区，因为这些地区开放电力市场较早，实际运行中遇到的问题较多，所 以有很多的经验值得借鉴。 目前国内外关于研究备用市场计选择、 交易原则等问题; 第二阶段是理论与实践相结合阶段，介绍了备用的成本分析、定价原则等，并提出 了关于备用的定价模型，一些文章给出了实际运行的数据分析，说明了用这些模型 求解的正确性和有效性。 文献 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 给出了辅助服务的定义分类，并对辅助服 务市场的设计选择进行了介绍，提出了备用购买的数学模型。文献 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 从发电商的角度出发，研究了发电商参与主电能市场与备用市场的最优报价策 略，并考虑到对手的报价情形，通过估计对手的报价情形来最优化自己的利润。文 献 1 4 考虑了风险后研究发电商的最优报价策略。 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 分别 从不同的角度研究了策略报价的问题，出发点不是备用市场，但可以被备用市场借 用。文献 2 1 , 2 2 1 给出了加州备用市场的执行情况，用当日运行数据说明正在应用 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 的方法的可行性。文献仁 2 3 , 2 4 , 2 5 从旋转备用的角度出发，研究备用的特点和定 价策略。 2 6 , 2 7 , 2 8 分别从可中断负荷管理、 爬坡率的角度研究其作为备用的情 形。文献 2 9 研究了竞争性发电市场的容量费用与定价问题。 3 0 研究了博弈论下 的价格飞升问题。文献 3 1 , 3 2 , 3 3 提出了适合我国国情的当量电价法，全面介绍 了该方法的模型和求解方法，并把其推广到备用市场。文献 3 4 , 3 5 , 3 6 研究了备 用市场中的a c c 特征及定价方法。文献 3 7 , 3 8 在备用市场中引入保险理论，在考 虑用户的需求情况下电网公司购买备用的方法。文献仁 3 9 , 4 0 , 4 1 研究了辅助服务 市场的组织和交易问题。文献 4 2 研究了拍卖理论在电力市场中的应用。文献 4 3 , 4 4 , 4 5 分别从不同的角度出发提出不同的备用市场竞价模型。 4 6 研究了发电商 的报价策略。文献 4 7 , 4 8 , 4 9 , 5 0 总结了国内外相关文献，介绍了辅助服务市场 的基本概念和存在的问题。文献 5 1 , 5 2 , 5 3 , 5 4 , 5 5 , 5 6 1 以作者的亲身经历，介 绍了美国新英格兰的备用市场组织与交易模型。 4 本论文的研究工作 本论文首先介绍了辅助服务市场的一些概念， 接着分别从发电商、电网公司和 大用户的角度对备用市场中涉及到的问题进行了分析建模，并改进了一些计算方 法，给出了算例分析。本论文系统的从不同参与者的角度阐述备用市场中存在的问 题，总结并改进了备用竞价、定价的方法，所以本文具有一定的实际参考价值。本 文具体工作如下: 令 本文首先给出了辅助服务市场的基本定义和分类，把调频服务归入备用市场进 行交易，并对备用市场的交易模式、结算规则等问题进行了阐述，总结了备用 市场所能涉及到的大部分问题。 令 本文分别从发电商、电网公司和大用户的角度考虑备用服务问题，即备用的提 供方、备用的交易方和备用的使用方，从每一方对备用问题进行研究时，考虑 了备用的竞价、定价模型，进行改进并结合算例进行分析，验证了数学模型的 可行性。 令 本文从经济学中企业定价的基础出发，从发电商的角度研究发电商参与备用市 场报价的情形，根据发电商提供离散型报价和连续型报价的不同情形分别进行 分析。 对于连续型报价， 还从考虑竞争对手的角度研究发电商的报价策略问题， 针对发电商考虑风险和不考虑风险两种情况分别给出数学模型。 命 本文的重点是从电网公司的角度对备用市场进行管理，因为电网公司对电网可 靠运行负责，备用市场完全由电网公司委托某部门进行管理 ( 本文假设由电网 公司这个实体进行管理) ， 所以电网公司对备用市场管理的如何关系到电网能否 有充足的备用、电网能否安全运行。本论文基于投标机制揭示价格的方法对备 用服务进行定价结算，分别对备用市场的设计原则、备用定价方法进行了分析 3 华北 电力大学 ( 北京)硕士学位论文 研究。 本文总结了购买备用的两种方式: 按质量顺序购买和同时购买所有备用。 在每种购买方式下存在着不同的购买目 标和定价原则，分别不同情况给出数学 模型并求解，分析每种方法的特点。 令 虽然供电侧还处于电网公司垄断之中，但是国家逐渐颁布法规允许大用户直接 选择发电商签订购电合同，这就给用户带来了多种选择。同时因为用户是电能 的使用者，电能的可靠供给与否直接关系到用户的切身利益，所以用户也是备 用的直接使用者。用户为了避免直接签订购电合同的发电商停电时，其自身遭 受经济损失，可以选择从电网公司购买备用。本文正是基于这个角度，考虑用 户购买备用的数量和价格问题，并给出算例分析。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章备用市场的基本内容 经过一段时间的电力市场改革，我国电力工业已经取得初步的改革成果一一厂 网分离、发电与输电分开。有数据显示，一些地区的电厂上网电价较之于引入电力 市场前，有了一定的下降。这说明开放电力市场的选择是正确的，解除电力行业垄 断是大势所趋。虽然我们取得了一些成果，但这还只是个开始，尚有许多问题堕待 解决，如电力市场监管的问题、输电电价与辅助服务电价如何确定的问题、如何选 择市场模式的问题等。国外电力市场改革经验为我们提供了丰富的参考材料，既有 成功的经验，也有失败的教训。我们应该扬长避短，结合我国的具体情况，尽快的 制定出适合我国国情的 “ 电力法” ，为电力市场的良好运行提供法律依据。目前我 国对一些服务的定价很模糊，甚至是无偿提供，这对于发输分离的市场来说是不利 的，因为发电商没有激励去提供辅助服务，使得市场缺少必需的辅助服务的供应， 输电企业没有激励去提供无功补偿等，影响电网的安全可靠运行。因此必须建立辅 助服务市场，对辅助服务进行定价研究，尽快的制定出其定价原则。 1辅助服务的定义与分类 辅助服务 ( a n c i l l a r y s e r v i c e )的一般定义是:为完成输电的主要功能一一将电 能从发电厂输送到用户，并保护安全和质量所需要采取的所有辅助措施。它由所有 的市场参与者共同提供，既包括为了保障电力系统安全、促进电力交易和保证电力 供应，由发电商提供的除正常电能生产外的额外服务，也包括用户的可中断负荷， 还包括输电企业提供的各类服务。 目前关于辅助服务的分类很多，没有统一的标准。因为在不同的电力市场中， 由于电源结构、电网结构、负荷分布和负荷特性的不同，所需要的辅助服务种类和 数量均不相同，所以，没有一种辅助服务的分类可以适用于所有的电力市场;甚至 在同一电力市场中，所需要的辅助服务也会随着市场的变化而变化，如电源和电网 结构的变化、需求的变化，还包括市场运营规则的变化、监控技术的改进和市场运 作过程中经验的增加等。同时，不同的机构从不同的角度出发，按照不同的标准和 方法分类的辅助服务也存在着分歧。 另外， 由于辅助服务间存在着复杂的关联关系， 当研究的角度不同时， 同一种控制行为可能会属于不同的辅助服务范畴。 综上所述， 并结合我国电力系统安全运行的实际需要，将辅助服务分为:备用、调频、无功/ 电压支持和黑启动。 ( 1 ) 备用 电力系统除满足最大负荷需求外，为保证电能质量和系统安全稳定运行而保持 的有功功率储备。从不同的角度出发，备用可进一步细分: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 i )按备用的作用可分为负荷备用、事故备用和检修备用; 2 )按备用设备所处的状态，备用可分为热备用和冷备用; 3 )从本质上讲，各种备用的根本特征是响应速度，因此也可以将备用划分为: 瞬时响应备用、1 0 分钟旋转备用、1 0 分钟非旋转备用、3 0 分钟替代备用。 其中瞬时响应备用即指 a g c备用，将其从中分离出来，划分到调频一项中; 4 )根据增减出力的调整方向， 备用可分为上备用和下备用， 分别满足系统实际 总负荷需求大于/ 小于现有机组总出力的情况。 ( 2 ) 调频 发电机组提供足够的上、下调整容量，以一定的调节速率在允许的调节偏差下 实时处理较小的负荷和发电功率之间的不匹配，以满足系统频率的要求。系统的调 频服务通常是由a g c机组在投运 a g c期间提供的。 ( 3 )无功/ 电压支持 发电机或电网中的其他无功源向系统注入或吸收无功功率，以维持电网中的节 点电压在允许范围内，以及在电力系统故障后提供足够的无功支持以防止系统电压 崩溃。在电力市场初期，电网所提供的无功服务，可计入输配电服务中，仅发电机 组 ( 含调相机组)提供的无功服务需要单独考虑。 ( 4 )黑启动 整个系统因故障停运后，不依赖别的网络帮助，通过启动系统中具有自启动能 力机组来带动无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统 的恢复。电网的黑启动以电厂的黑启动为前提。黑启动电厂应具备在没有外援厂用 电的情况下启动发电机的能力，一般为水电机组。 2辅助服务中的备用问题 辅助服务市场中关于备用的讨论问题很多，本节仅总结出目前讨论较多的问 题，这对备用市场的模式设计和定价方式有很大的帮助。 2 . 1备用市场交易的内容 备用 ( 这里的备用包括瞬时响应备用，即 a g c备用)是辅助服务的重要组成 部分，它的目的是当系统出现故障时能够提供足够的发电容量，以维持系统安全、 可靠的运行。备用即可以是发电商事先保留的发电容量，也可以是可中断负荷。 下面介绍一下几种备用的概念: ( 1 ) 负荷备用 为调整系统中短时的负荷波动以稳定系统的周波并担负计划外的负荷增加而 设置的备用。一般为系统最大负荷的2 % - 5 %. ( 2 ) 事故备用 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 保证电力用户在发电设备偶然性事故时不受严重影响，维持系统正常供电所需 的备用 ( 3 ) 。一般为系统最大负荷的5 % - 1 0 %，但不得小于系统中最大机组的容量。 检修备用 为了保证系统中所有发电机组都能按预定计划进行周期性检修所需设置的备 用。 ( 4 ) 调频 a g c 实时处理负荷与发电功率的较小范围的功率不平衡，维持系统频率，使控制区 负荷与发电功率的偏差及控制区之间的交换功率实际值与计划值的偏差最小。同时 a g c机组有向下调整的义务， 即在低谷时刻， 一些机组要在比经济水平较高的水平 上运行，以保证有足够的向下调整的容量。 ( 5 ) 运行备用 包括旋转备用和非旋转备用。旋转备用指可以在极短的时间内 ( 1 0 分钟)响应 调度需要，为系统提供出力的机组，包括热备用、空转备用和停下来的水电机组; 非旋转备用又称冷备用或停机备用，指机组处于停机状态，并可在短期 ( 1 0 分钟) 成为可调度的发电容量，它还包括可中断负荷。 ( 6 ) 替代备用 可以在6 0 分钟内成为可用的发电容量，包括可中断负荷，也称为二级备用。 如前所述，关于备用的分类有很多种，但本质上是根据备用的响应速度这个根 本特征来进行分类，可分为:调频 ( a g o、运行备用 ( 包括 1 0 分钟旋转备用和 1 0 分钟非旋转备用)和 3 0分钟替代备用几种。本文所研究的主要是这几种备用，仅 限于发电商保留的发电容量，而不包括可中断负荷。本文研究的各种备用见图 1 一 工 ， 图中给出了各种备用的响应时间和相互之间关系，备用等级顺序依次为调频、旋转 备用、非旋转备用和替代备用，其中旋转备用和非旋转备用又统称为运行备用。 运行备用 非旋转备用 旋转备用替代备用 调频 1 0 秒钟1 0 分钟6 0 分钟一 响应时间 图 1 - 1 各种备用之间的关系 2 . 2备用的费用问题 我们知道，备用服务是由生产电能的同样设备一一发电机提供的，发电和提供 备用紧密联系，发电商为提供备用有成本支出，如设备投资以及因放弃在其他市场 中的收益而导致的机会成本等。备用是发电机事先保留的部分容量，它本质上就是 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电能，它的生产成本和电能的生产成本一样，主要是燃料成本口备用只有在实际运 行中被调用发电才能获得这部分电能费用。如果备用没有被实际调用，就不能获得 电能费用补偿。因为备用主要是一种容量成本，它涉及到的费用包括容量费用和机 会成本等，下面分别就这三中费用成本给出定义: 容量费用:指发电机向备用市场提供备用容量而获得的收益，其包括设备投资 以及损失的机会成本。这部分费用由电网公司根据发电商提交的备用容量报价进行 结算，并支付给所有中标的机组。 电能费用:与电能生产成本一致，只有当备用被实际调用发电时，才支付给发 电商这部分费用。 机会成本:备用服务需要机组提前预留容量，压低出力运行，并根据实时调度 需要分配电量，备用机组压低出力运行牺牲部分参与电量市场获利的机会，这部分 损失的发电利润就称为备用机组的机会成本。目 前许多国家没有把机会成本支付给 发电商，但是这部分机会成本可以作为发电商提供备用与否的依据。 从以上的分析可以看出，所有参与报价的机组一旦被排入计划，不管实际发电 与否都会得到容量费用，这就补偿了机组在主电能市场中损失的赢利。只有那些实 际发电的机组才能同时获得电能费用。而机会成本的计算一般是作为发电商的参考 依据来制定容量费用，美国新英格兰备用市场采用的就是同时支付机会成本和容量 费用给中标机组的模式。 相对于主市场而言， 备用的购买与支付是低效、高成本的， 然而它又是必需的。 高成本来自 两方面:一方面，备用容量在多数情况下是不被调度并加载的，类似于 空闲容量，然而即使不被调度加载，仍然要付费，因为它为降低事故风险做出了贡 献;另一方面，备用容量一旦被调度加载，通常要以高于系统边际成本的价格为之 付费。 2 . 3备用的获取方式 在传统电力工业中，发、输、配电都属于同一个电力公司，发电机提供电能还 是备用由系统调度员根据需要确定，所有成本统一核算，由用户分摊，不存在单独 核算各种备用成本和单独计费的问题。发电厂没有自主权选择自己的利润最大化模 式， 他们要按年发电设备利用小时数6 0 0 0 - 7 0 0 0 h 签定合同， 备用无价， 谁也不愿承 担备用，把备用的责任全部推给大电网，由大电网无偿服务。因此，电网的安全可 靠运行得不到保障。 在电力市场环境下，发电厂从电网独立出来，成为自 负盈亏的实体，为了追求 利润最大化， 他们有权选择发电或是作为备用。 如果仅是基于供给电能多少来付费， 那么发电商的目 标就是开机并在经济出力的上限运行。 因此， 没有备用的额外付费， 很难保证系统得到充足的备用。同时为了保证系统安全可靠运行，有足够的备用容 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 量更是必需的，因此应该有充分的激励来促使发电商保留部分备用容量，同时能使 得发电商得到充分的投资回报。 目前关于备用的获取方式主要有四种 ( 1 ) 统一型 备用市场必须由电网公司安排的系统调度员统一协调规划，系统调度员根据计 算出来的备用需求，在备用市场中统一购买所需备用。结算时根据各参与者对命令 执行的情况，对执行命令的进行奖励，没有执行命令的进行惩罚。 c 2 ) 双边合同型 在备用市场中，备用的用户可直接与发电商签订双边合同，合同中规定各种辅 助服务的质量要求、交易数量、交易价格及交易时间等，从而得到其所需的备用服 务。无需通过系统运行员。 ( 3 ) 投标型 采用以拍卖为基础的竞争市场方式获得，包括下一个交易日每小时和下一个交 易小时备用市场。发电商向备用市场投标，要求同时标出容量价格和电量价格。系 统运行员根据他们的投标情况，排定优先次序，安排备用供应计划，使提供备用服 务的费用最小。 ( 4 ) 实时竞价型。 备用市场以实时竞价为主要形式，如实时备用市场，它的交易量不大，主要是 用于弥补预算之外的需求。价格由市场竞争或交易协议短期提前决定。 2 . 4备用的采购模式 由于备用的本质特征，备用市场和主电能市场的关系可以有两种:一种是建立 独立的备用市场，它在主电能市场关闭后开放;另一种是联合优化备用市场和主电 能市场，实现总生产成本最小。根据与主电能市场主辅关系，备用市场的采购模式 可以有两种方式: ( 1 ) 与日前主市场分离 采用厂商投标拍卖与交易中心评标，这种模式也简称为独立市场模式，而主市 场可以是电力库联营模式，也可以是经纪人模式。当系统备用容量不足时，备用市 场电价会急剧升高，并出现强烈的不确定性，由于与日前主市场分离，将诱导厂商 将容量从主市场抽出而投入备用市场，以谋取超额利润，造成日前主市场的容量不 足和备用市场的过度竞争，危及市场安全。这类模式以美国加州电力市场为代表; ( 2 )与日前主市场结合 在日 前市场交易与定价的基础上，日 前事先制定，当日 服从调度，日后如实结 算，而主市场通常为电力库联营模式，这种模式也成为联营模式。该模式下日前主 市场和备用市场统筹规划，没有排入日前主市场的机组自 然转入备用市场，不给厂 9 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 商在两个市场间直接选择的权力。虽然从市场开放程度来看还不彻底， 但可以 认为 在管制竞争的电力市场初级阶段，联营模式更为合适。这类模式以英国电力市场为 代表。 采购模式存在一个备用市场与日前主市场的衔接问题，或称一致性问题。一 般认为备用市场份额占整个市场的5 % 左右为宜，最多不超过 1 0 0/ a o 2 . 5备用市场的交易规则 建立备用市场的主要问题是如何选择设计市场模式，设计备用市场模式的一个 重要工作是确定备用服务市场的目标函数、交易规则等问题。本文所讨论的备用市 场设计都是针对投标型和实时竞价的交易模式展开的，不考虑统一型和双边合同型 的交易方式。 在联营购买模式中，同时对主电能市场和备用市场进行优化，目标是实现两个 市场同时最优化。由于联营模式只是一个过渡阶段，它的研究思路和独立是市场模 式的类似，本文重点研究独立市场模式下备用市场的交易模型。 在独立市场模式中，可以采用按等级顺序分别进行结算，每个市场独立进行拍 卖，在前一轮拍卖中没有被选中的报价很自 然的可以推迟到下一轮拍卖中参与竞 价。 该种交易规则下很容易进行备用服务的结算及购买， 但是它也带来的许多问题， 如价格逆转 ( 高等级备用价格低于较低等级备用价格)和尖峰价格等。这样会对报 价者产生错误的激励，使他们前面拍卖中保守公布自己的备用等级，以等待后面的 拍卖获取高价。因此导致了高等级备用市场参与者减少，缺乏高等级备用能源。而 且此种规则下各个独立市场的成本最低，但是并不能保证所有备用的总成本最低。 备用的天然特性是高等级备用可以代替低等级备用，根据这个特性，可以考虑同时 购买所有的备用，以达到总成本最低。 成 本 最 刁、( 效益最大化 社会成本最小化 购买成本最小化 同时购三 清 偿 规 则 按报价结算 ( p a b ) 统 一 定 价 边际定价 独立市场模荤 替 代 定 心 需求替代定价 按顺序购买 供给替代定价 联营模式 图1 - 2 市场设计的目标函数与交易规则 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图1 - 2 对各种备用市场设计选择进行了总结， 下面介绍图中涉及到的一些概念。 社会成本指所需服务的实际成本，购买成本指购买所需服务的成本。由于服务 是以投标形式提供的，且不一定代表服务的真正成本，所以很难衡量出社会成本。 如果假定报价是接近于他们的真正成本，则中标者的社会成本就会最小。 如果以统一价格来支付给中标者， 那么社会成本和购买成本就不一定相同。如 旋转备用的中标者是 8 元/ m w的8 0 m w 和 1 2 元/ m w的 5 0 m w ，那么旋转备用的市场清 算价就是 1 2 元/ m w ，社会成本是 8 0 x 8 + 5 0 x 1 2 = 1 2 4 0元，而购买成本是( 8 0 + 5 0 ) x 1 2 = 1 5 6 0 元。 边际价格指服务的边际成本即它的价格。在需求替代定价中，对低质量服务的 需求可以通过购买高质量服务来代替，而价格就是该种低质服务的最高中标价。在 供给替代定价中，提供的高质量服务可以用来代替低质量服务，而价格就是该种高 质服务的最高中标 ， 。 在需求替代定价和供给替代定价中存在着轻微的差别。 假定提供给电网公司的 报价为: 调频 ( 8 元/ m w , 1 5 m w ) 和 ( 1 2 元/ m w , l o m w ) ， 旋转备用 ( 1 0 元/ m w , 2 0 0) 4 对调频和旋转备用的需求分别是 i o m w 和2 0 m w . 在需求替代中，为了满足调频的需求，电网公司会以8 元/ m w 的价格购买l o m w 的调频，于是调频的购买价就是8 元/ m w ,购买成本是 1 0 x 8 = 8 0 元。为了满足旋转 备用的需求，电网公司会购买 5 m w的8元/ m w调频备用，然而它是用来替代旋转备 用的， 另外再购买 i s o 的1 0 元/ m w 旋转备用， 因此旋转备用的购买价就是1 0 元/ m w , 购买成本是2 0 x 1 0 = 2 0 0 元。所以通过需求的替代，总购买成本是8 0 + 2 0 0 = 2 8 0 元。 在供给替代中，电网公司会购买 l o m w的8 元/ m w 调频备用。 接着电网公司会继 续购买另外 5 m w的8 元/ m w 调频备用， 它是用作旋转备用的。 因此， 总共购买了 1 5 m w 的调频， 购买价是8 元/ m w , 购买成本是 1 5 x 8 = 1 2 0 元。 接下来， 电网公司购买 1 5 m w 的1 0 元/ m w 旋转备用， 于是旋转备用的购买价就是 1 0 元/ m w ， 购买成本是1 5 x 1 0 = 1 5 0 元。因此，在供给替代中，总购买成本是1 2 0 十 1 5 0 = 2 7 0 元。 比较这两种选择，我们可以总结出购买的服务 ( 1 5 m w的调频和 1 5 m w的旋转备 用) 和社会成本 巧x 8 十 巧x 1 0 = 2 7 0 元)是相同的。而购买成本不同:供给替代定 价中节省了1 0 元 ( 2 8 0 - 2 7 0 )的购买成本。 3国外备用市场介绍 我国电力市场起步较晚，为了避免走弯路、错路，需要借鉴国外的电力市场运 作经验，扬长避短，早日完善适合我国的电力市场。本章介绍国外几个主要备用市 场的运作情况，它山之石，可以攻玉。 3 .1英国的备用市场 华北 电力大学 ( 北京 )硕士学位论文 自1 9 9 8 年4 月1 日 起， 英国的备用服务市场开始运作。 备用市场中的备用分为 快速备用和常设备用两种，前者通常是由燃气轮机提供的商业性服务，通过竞争的 备用市场获得，付费分为可用费和使用费;后者通常是由发电机组、可中断负荷通 过投标方式提供。 英国电力市场采用联营体模式，其备用服务的获取和定价在很大程度上受该模 式影响。国家电网公司 ( n g c )拥有输电系统并负责系统运行。辅助服务营业部 ( a n c i l l a r y s e r v i c e s b u s i n e s s , a s b ) 则是n g c 属下的一个独立营业部门， 其功能 是在满足系统运行要求前提下尽可能经济地购买辅助服务。联营体在每月结算时根 据 a s b提供的辅助服务在买电电价上追加一项附加费 ( u p l i f t )后得到卖电电价， 以此来支付 a s b的服务成本。a s b的管理费预算和获取的利润由联营体成员共同 议定，目 前利润为管理费的1 0 %o a s b主要通过签订长期合同来获得由发电商所提 供的辅助服务，合同中规定了各种辅助服务的品质要求、数量、时间及价格。如 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年度 a s b为这些服务支付了 1 . 3 亿英镑，略小于联营体年营业额 ( 7 0 亿 英镑)的2 %. 在频率调节方面，除特殊发电机 ( 如核电站)外，每台发电机组都必须装有调 速器并要求运行在“ 频率敏感” 位置。 提供这种服务的发电机组可以获得两种报酬， 第一种是频率响应辅助服务报酬 ( 英镑/ 小时) 。由于机组运行在这一位置时其所带 负荷受到限制而引起的机会成本，由第二种报酬作补偿。如果提供同样的服务比发 电商便宜的话，还可以通过负荷管理实现频率调节。 系统的备用容量可以通过两种方法获得:1 )与发电商签订长期合同;2 )利用 未列入调度计划的发电机 ( 富裕)容量和相邻电网的发电机富裕容量。在签订长期 合同时，将每天分为多个时段，时段随季节变化。在每年 1 0 - 1 2月，各机组报出其 愿意在每天何时段提供备用容量服务、相应价格和数量及机组技术数据，如启动的 时间和爬坡速率等。1 月份对各报价做评估，并在 2月份或 3月份与选中的机组签 订下一年度的备用容量服务合同，合同量不少于 3 mw o 英国电力市场所采用的长期合同方法对获得稳定有效的备用服务具有重要作 用。在该市场中备用容量服务和主电能交易是分开的，没有统一优化，这通常无法 达到总购买成本最小的目 标。 3 . 2加州备用市场 加州电力市场在主电能市场之外设立了竞争的备用服务市场，由 c a i s o( 加州 独立系统运行员) 负责管理， 备用服务可以由协调员( s c h e d u l i n g c o o r d i n a t o r - s c 和 p x自己提供，也可从 c a 工 s o购买，但所有备用服务均由 i s o统一调度。从加州 主电能市场和备用服务市场的运行情况看，辅助服务市场的交易量可以达到能量市 场交易量的 2 0 %a 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 c a i s o负责从日前市场和小时前市场按小时购买备用服务， 包括: a g c 、 旋转 备用、非旋转备用、替代备用，这四种服务的质量依次下降。备用投标在电能投标 之后进行，市场规则规定:一个供应方可以以不同的容量和价格参与4 种备用服务 中任意或所有的一市场投标， 但对于特定的一种服务， 只能提交一个投标。 市场按照: a g c -旋转备用一非旋转备用一替代备用的顺序进行各个备用服务的投标选择，以 优先满足技术要求较高的备用服务。报价低的投标优先被选择，最后接受的投标的 价格形成该类型服务的市场结算价格，最终所有中标的投标都将按照这一价格结 算。选择结束后，投标者被通知每个市场的价格和它在每个市场的中标容量。按照 上述的顺序，机组在后续的市场中的竞价容量要减去前面市场中中标的容量。 市场参与者分别提交备用容量报价和备用电量报价。c a 工 s o只根据容量价格进 行排序。如果系统运行中需要这些发电机提供电量，则从容量价格中标的发电机组 中按电量标价从低到高的次序获取所需电量。成功的报价者不论其是否被调度， 都 将得到一笔备用容量费用， 在备用容量被调度加载时， 报价者还将得到一笔电量电 费。 加州备用市场运作初期市场结算价格不受制于价格上限，但后来由于市场力的 存在使备用价格飞升，i s o不得不制定了备用服务价格上限，自1 9 9 9 年 8 月1 8 日 起采用了理性买家算法作为辅助服务市场的切除方法，至今运行良好。 3 . 3新英格兰备用市场 美国新英格兰地区电力市场于 1 9 9 9 年5 月开始以联营体方式进行，这个电力市 场包括几个序列的备用市场，如 a g c , 1 0分钟旋转备用、1 0分钟非旋转备用、3 0 分钟运行备用和替代备用。它们经由竞争的投标市场获得。发电商可以在提交第二 天的电能投标的同时按小时提交一种或多种备用服务的投标。i s o根据投标信息结 合投标结算方法同时进行电能和备用的投标选择、安排发电计划和备用计划。计划 的目 标就是优化电能、备用的投标安排。选择投标时，需要对所有的报价进行复杂 的报价评估， 如对期望的成本排序， 成本中包含的机会成本， a g c在调度期间偏离 报价曲线的罚款等。这种同时优化选择电能和备用的方法需要有良 好的算法支持。 新英格兰备用市场的设计原则是通过建立公 平竞争的 市场， 运用价 格信号，引 导系统具有适当的备用能力。设计原理是对具备备用能力的机组支付基于市场结算 价的容量费用。容量费用指发电机向电力市场提供备用容量而获得的收益，机会成 本也就是从电能市场中的损失赢利与备用市场中得到补偿费用的差额。新英格兰市 场采用的模式就是发电机接受容量费用和机会成本。目前新英格兰i s o的重要任务 之一就是研究和尽可能改进现有的辅助服务市场。 新英格兰现有市场受到英国电力市场的影响，采用全网统一电价。它采用的是 节点边际电价原理。假定按边际电价原理制定的电价被称为 “ 事前电价” ，相应的 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 调度被称为 “ 事前调度” 。然而在实际系统运行中，该定价方法是不合适的，它与 实际系统运行并不相符。事后电价的基本思想就是根据系统实际运行情况计算节点 边际电价 。 3 . 4 p j m 备用市场 1 9 9 9 年 1 月1日p j m 联合电力市场引入备用市场。 该市场中主要包括调频和运 行备用。叮m 运行备用为在接到调度通知后能够在 3 0 分钟内发电的备用容量。基于 备用容量的反映速度，运行备用可以分为一级备用 ( p r i m a r y )和二级备用 ( s e c o n d a r y ) 。一级备用是在接到调度要求后可以在 1 0分钟内完全转化为电能的 备用容量。根据提供备用容量的设备的运行状况，一级备用可以分为旋转备用和快 速启动备里 ( q u i c k - s t a r t r e s e r v e ) , 旋转备用定义为和系统同步运行并能够在 1 0分钟内提供电能的机组提供的备 用。旋转备用可以由蒸气机组、冷凝的水轮机组、冷凝的燃气机组和以最小发电出 力运转的燃气机组提供。快速启动备用是能在 1 0分钟内提供电能但是和系统没有 同步运行的机组的备用容量。 二级备用是在 1 0 到 3 0 分钟内可以提供电能的备用容量。提供二级备用的设备 不需要必须和系统同步运行。 旋转备用、快速启动备用和二级备根据提供者的可靠性有优先顺序。旋转备用 是最可靠的备用，因此可以替代快速启动备用和二级备用。同时快速启动备用可以 替代二级备用。 调频服务主要是通过a g c 装置变化发电的增减来调节短期的负荷增减变化。发 电和负荷的长期的不平衡调整主要是通过一级和二级备用来实现的。市场参与者可 以通过调节市场获得调节容量，另外也可以通过双边协议购买调节容量。 为了减少辅助服务的总