（技术经济及管理专业论文）电力市场环境下辅助服务市场和电网频率控制的理论与实证研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的不断进步， 对包括电力行业在内的大部分公用事业打破垄断、引 入市场竞争已 成为世界性潮流， 我国也己经开始了电力工业市场化改革。 在电力市场环 境下， 如何保证电网安全运营是一项需要研究的重大课题。 电力系统中的 各类辅助服务， 例如电网的频率控制、 无功电压支持以 及保证各种备用， 是维护电网安全运营与可靠供 电必不可少的技术措施。 本文就是在这种背景下， 对电力市场环境下的辅助服务市场的 相关理论进行了研究， 形成了一套系统的理论体系， 并就某些研究成果进行了实证研究。 本文研究给出了一种新的在竞争性市场环境下如何设计和实施辅助服务市场， 以 保证电网安全运营的基本框架。 将辅助服务市场设计与电力现货市场相结合， 并按照给 定的市场规则运营。 在这个基本框架下， 市场规则成为在保证电网安全运营的条件下以 最低成本确定辅助服务市场成交方案的分析基础。 还给出了满足最低成本安全运营目 标 的辅助服务市场交易模式与市场成交方法，并对这个模型方法研发了应用软件系统。 本文研究了电力市场中负荷频率控制辅助服务的交易模式及其实施方案。 电力工 业引入竞争机制、 建立电力市场应具备的条件之一是电网公平开放。 实现电网公平开放 不仅要求有一个公平的输电价格及辅助服务价格， 而且要求有一个有效的负荷频率控制 模式、方法及具体的实施方案。与传统的电网运营模式相比， 在有第三方进入电网，要 求电网公平对待所有使用电网的用户， 即电力市场运营模式下的负荷频率控制问题要复 杂的多。本文分析研究给出了在未来各种可能的电力市场运营模式下负荷频率控制模 式、方法及其实施方案。 本文还进行了电力市场环境下自 动发电控制的模拟分析研究。 负荷跟随是未来电 力市场中的辅助服务之一。 本文分析阐述对传统电力工业模式下的自 动发电 控制软件如 何进行修正， 使其能够用于解决电力市场中负荷跟随模拟分析的若干问题。 详细分析传 统的自 动发电控制运行和电力市场中的自 动发电控制运行之间的差别。 为了比较完整地 模拟分析在电 力市场环境中自 动发电 控制运作情况， 设计市场结构时尽可能考虑了各种 各样的可能的负荷跟随服务的交易方式 ( 各种负荷跟随合同)。 本文研究了在电力市场中， 运行备用辅助服务容量的定价原则及模型， 开发了运 行备用最优定价与交易的软件系统， 并应用该软件对山东电网进行了实例计算分析。 在 本研究中，不仅应用了市场经济学中以 边际成本确定电价的理论和方法， 又考虑了电力 系统安全运行和电力市场稳定运行约束的特殊性， 采用了随机生产模拟的方法。围绕对 运行备用效益和成本的评估， 给出了 运行备用的优化调度和定价方法， 求出了 运行备用 华北电力大学博士学位论文 在一天与负荷相对应的% 个时点的电价， 从而确定了一天的平均电价，从系统经济性 的角度说明了这一方法的合理性，从而有效的验证了模型和算法的正确性和实用性。 关键词:电力市场 辅助服务 自 动发电控制 负荷频率控制 运行备用 英 文 摘 要 ab s t r a c t wi t h t h e c o n s t a n t p r o g r e s s o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , b r e a k i n g t h e m o n o p o l y a n d i n t r o d u c i n g t h e m a r k e t c o m p e ti t i o n h a s a l r e a d y b e c o m e t h e w o r l d t r e n d i n m o s t u t i l i t i e s i n c l u d i n g p o w e r i n d u s t r y a n d o u r c o u n t r y h a s b e g u n t h e d e r e g u l a t i o n o f t h e p o w e r i n d u s t ry u n d e r t h i s n e w m a r k e t e n v i r o n m e n t , i t b e c o m e s a g r e a t s u b j e c t t o s t u d y h o w t o i n s u r e t h e s e c u r i t y o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t i o n . a l l k i n d s o f a n c i l l a r y s e r v i c e i n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m , s u c h a s l o a d fr e q u e n c y c o n t r o l , r e a c ti v e p o w e r v o lt a g e s u p p o r t a n d o p e r a t i n g r e s e r v e , a r e n e c e s s a r y t e c hn o l o g i c a l m e a s u r e s t o e n s u r e t h e s e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t y o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t i o n . u n d e r t h i s b a c k g r o u n d , t h i s p a p e r s t u d i e s t h e r e l e v a n t t h e o r i e s o f a n c i l l a r y s e r v i c e ( a s ) m a r k e t , f o r m s a t h e o r e t i c a l s y s t e m , a n d c a r r i e s o n t h e p o s i t i v e r e s e a r c h o n s o m e r e s u l t s . t h i s p a p e r s t u d i e s a n d p r o v i d e s a b as i c fr a m e h o w t o d e s i g n a n d i m p l e m e n t a n c i l l a ry s e r v i c e m a r k e t t o e n s u r e t h e s e c u r it y o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t i o n . u n d e r t h i s f r a m e , a n c i l l a r y s e r v i c e m a r k e t c o m b i n e d w i t h s p o t m a r k e t a n d p o w e r n e t w o r k o p e r a t e s a c c o r d i n g t o t h e g i v e n m a r k e t r u l e s , w h i c h a r e t h e a n a ly z i n g f o u n d a t i o n o f c o n f i r m i n g c o m p e t it i o n w i n n i n g p r o j e c t w i t h m i n i m u m c o s t i n a n c i l l a r y s e r v i c e m a r k e t i n t h e c o n d i ti o n o f e n s u r i n g t h e s e c u r i t y o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t i o n . a n d t h i s p a p e r p r o v i d e s t h e t r a n s a c ti o n m o d e w h i c h m e e t s t h e g o a l o f o p e r a t i n g s a f e l y w i t h t h e m i n i m u m c o s t a n d d e v e l o p e d t h e a p p l i c a t i o n s o ft w a r e s y s t e m a c c o r d i n g t h e m a t h e m a t i c s m o d e l s . t h i s p a p e r s t u d i e s t h e t r a n s a c ti o n m o d e a n d s c h e m e o f l o a d f r e q u e n c y c o n t r o l s e r v i c e i n e l e c t r i c it y m a r k e t . l i b e r a l l y o p e n i n g o f p o w e r n e t w o r k i s o n e o f e s s e n t i a l c o n d i t i o n s t o i n t r o d u c e c o m p e t it i o n m e c h a n i s m t o p o w e r i n d u s t r y a n d b u i l d e l e c t r i c i t y m a r k e t . t h e r e s h o u l d b e n o t o n l y f a i r t r a n s m i s s i o n s e r v i c e p r i c e b u t e f f e c t i v e p a t t e r n , m e as u r e a n d s c h e m e o f l o a d f r e q u e n c y c o n t r o l t o a c h i e v e l i b e r a l l y o p e n in g o f p o w e r n e t w o r k . c o m p a r e d w it h i n t h e t r a d i t i o n a l o p e r a t i o n p a t t e rn o f p o w e r n e t w o r k , t h e p r o b l e m s o n l o a d fr e q u e n c y c o n t r o l a r e m o r e c o m p l e x i n e l e c t r i c it y m a r k e t , f o r t h e t h i r d p a r t y w o u l d e n t e r t h e p o w e r n e t w o r k , w h i c h r e q u i r e d t h e p o w e r n e t w o r k t o t r e a t a l l u s e r s f a ir l y . t h i s p a p e r r e s e a r c h e s d i f f e r e n t p a tt e rn , m e a s u r e a n d s c h e m e o f l o a d fr e q u e n c y c o n t r o l ( l f c ) u n d e r i n t e n d i n g p o s s i b l e d i f f e r e n t o p e r a t i o n p a t t e rn s o f e l e c t r i c i t y m a r k e t t h i s p a p e r p r e s e n t s s i m u l a t i o n s t u d i e s o f a u t o m a ti c g e n e r a t i o n c o n t r o l s y s t e m ( a g c i n e l e c t r i c i t y m a r k e t . l o a d f o l l o w i n g i s o n e o f a n c i ll a r y s e r v i c e i n i n t e n d i n g e l e c t r i c i t y m a r k e t . t h i s p a p e r e x p a t i a t e s h o w t o a m e n d t r a d it i o n a l a g c s o ft w a r e t o a d a p t t o s i m u l a t i o n a n a l y s i s 1 工丁 华北电力大学博士学位论文 o f l o a d f o l l o w i n g i n e l e c t r i c i t y m a r k e t a n d t h e d i f f e r e n c e o f a g c o p e r a t i o n b e t w e e n i n t r a d i t i o n p o w e r i n d u s t r y a n d m o d e r n e l e c t r i c i t y m a r k e t . a l l p o s s i b le l o a d f o l l o w i n g t r a n s a c t i o n m o d e s ( l o a d f o l l o w i n g c o n t r a c t s ) a r e c o n s i d e r e d i n d e s i g n o f m a r k e t s t r u c t u r e t o a n a ly z e p e r f e c t l y a g c o p e r a t i o n i n e l e c t r i c i t y m a r k e t . p r i c i n g p r i n c i p l e s a n d m a t h e m a t i c s m o d e l s o f o p e r a ti n g r e s e r v e a r e p r e s e n t e d a n d o p t i m a l p r i c i n g a n d t r a n s a c t i o n s o ft w a r e i s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r . a t l a s t , t h e s o ft w a r e i s c a r r i e d o n p o s i t i v e a n a l y s i s u s i n g d a t a o f s h a n d o n g p o w e r n e t w o r k . ma r k e t e c o n o m i c s t h e o r i e s a n d m e t h o d s o n p r i c i n g b a s e d m a r g i n a l c o s t a n d p r o d u c i n g r a n d o m l y s i m u l a t i o n m e t h o d i s u s e d in t h i s p a p e r , m e a n w h i l e t h e r e s t r i c t i o n s o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t io n s t a b i l i t y a n d s e c u r i t y a r e c o n s i d e r e d . a r o u n d o p e r a t i n g r e s e r v e b e n e f i t s a n d c o s t a s s e s s m e n t , o p t i m i z in g d i s p a t c h e s a n d p r i c i n g m e t h o d o f o p e r a t i n g r e s e r v e i s p r e s e n t e d a n d d a i l y a v e r a g e p r i c e a r e c o n fi r m e d t h r o u g h w o r k i n g o u t o p e r a t i n g r e s e r v e p r i c e s r e s p o n d i n g t o 9 6 s p o t s i n o n e d a y , t h r o u g h w h i c h v a l i d a t e s t h e l e g i t i m a c y a n d p r a c ti c a l i t y o f t h e m e t h o d . k e y w o r d s : p o w e r e l e c t r i c i t y ma r k e t , a n c i l l a r y s e r v i c e , a u t o m a t i c g e n e r a t i o n c o n t r o l l o a d f r e q u e n c y c o n t r o l , o p e r a t i n g r e s e r v e 丁 v 声明及学位论文使用授权的说明 t o口 尸刁日 月 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容外，木学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体， 均已 在文中以明 确方式标明。 特此申明。 签 、 w丛 期:2 - ik 今吸 q年 氏 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即 管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印 学校有权保 、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学 术交流为目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期 导师签名:广 补乡 日期: 一 u 生 班 ， 1 2 - 第一章引言 第一章 引言 ， . ，论文选题的意义 随着科学技术的不断进步， 对包括电力行业在内的大部分公用事业打破垄断、 引入 市场竞争己 成为世界性潮流。 我国也已 着手进行电力工业市场化改革。 在未来电力市场 的环境下， 如何保证电网安全运营是一项需要研究的重大课题。电力系统中的各类辅助 服务， 例如电网 ( 负荷)的频率控制、无功电压支持以及保证各种备用，是维护电网安 全运营与可靠供电必不可少的技术措施。但是在引入了竞争机制后的电力市场环境下， 频率控制、 备用服务等项辅助服务技术措施如何有效地实施?这些辅助服务如何形成市 场及其如何运作， 才能实现电 力市场的经济目 标、电网安全运营及可靠供电的目 标相协 调?这在全世界范围内都是一项刚刚开始研究的课题， 对我国更是如此。 1 . 2本论文选题的国内外研究现状 1 . 2 . 1 基于电网安全运营目 标的辅助服务市场及相关问题的研究现状分析 根据调研及文献检索查询 1 1 7 ，目 前国 外电力市场中的辅助服务研究主要集 中在各种辅助服务的成木分析、定价与交易方法 ( 模式) 及其相关问 题上， 还没有看到 明确的基于电网安全运营目 标来研究设计辅助服务市场以及它与电能市场 ( 主市场) 的 协调运行方案的 研究成果 ( 详见下文相关各章中对相关的已 有研究成果的综述)。 在国内， 辅助服务市场的理论研究还刚刚开始， 还没有见到比较完整的理论和应用 方面的研究成果。目 前， 辅助服务并没有一个统一的定义，不同的学者对辅助服务的定 义和内容的划分有所不同。现将有关辅助服务的定义和主要内容综述如下: 文 献 1 8 从输电 的角 度将辅 助服务 定义为: 为完 成输电 的 主要功能 将电 能 从发 电 厂输送到用户， 并保证电力安全和电能质量所需要采取的所有辅助措施。 作者认为辅 助服务的主要内 容有: ( 1 )负荷跟踪与频率控制; ( 2 )旋转备用; ( 3 ) 运行备用; ( 4 ) 无功备用和电压控制; ( 5 )发电再计划; ( 6 )处理能量不平衡; ( 7 )有功网损 补偿; ( 8 ) 事故后恢复服务; ( 9 ) 稳定控制服务。但是该文的作者在文献 1 9 1 中 将管 理服务与辅助服务分开，将上 述的第 ( 5 ) ( 6 ) ( 7 )项归入管理服务的范畴。 文 献 2 0 认为 辅助服务是指 那些为 满足 输电的 可 靠性和经济性 要求 而必须提供的 服 务，包括调度、电 压和无功频率控制、频率控制、各种系统备用、 稳定控制等。 第一章引言 第一章 引言 ， . ，论文选题的意义 随着科学技术的不断进步， 对包括电力行业在内的大部分公用事业打破垄断、 引入 市场竞争己 成为世界性潮流。 我国也已 着手进行电力工业市场化改革。 在未来电力市场 的环境下， 如何保证电网安全运营是一项需要研究的重大课题。电力系统中的各类辅助 服务， 例如电网 ( 负荷)的频率控制、无功电压支持以及保证各种备用，是维护电网安 全运营与可靠供电必不可少的技术措施。但是在引入了竞争机制后的电力市场环境下， 频率控制、 备用服务等项辅助服务技术措施如何有效地实施?这些辅助服务如何形成市 场及其如何运作， 才能实现电 力市场的经济目 标、电网安全运营及可靠供电的目 标相协 调?这在全世界范围内都是一项刚刚开始研究的课题， 对我国更是如此。 1 . 2本论文选题的国内外研究现状 1 . 2 . 1 基于电网安全运营目 标的辅助服务市场及相关问题的研究现状分析 根据调研及文献检索查询 1 1 7 ，目 前国 外电力市场中的辅助服务研究主要集 中在各种辅助服务的成木分析、定价与交易方法 ( 模式) 及其相关问 题上， 还没有看到 明确的基于电网安全运营目 标来研究设计辅助服务市场以及它与电能市场 ( 主市场) 的 协调运行方案的 研究成果 ( 详见下文相关各章中对相关的已 有研究成果的综述)。 在国内， 辅助服务市场的理论研究还刚刚开始， 还没有见到比较完整的理论和应用 方面的研究成果。目 前， 辅助服务并没有一个统一的定义，不同的学者对辅助服务的定 义和内容的划分有所不同。现将有关辅助服务的定义和主要内容综述如下: 文 献 1 8 从输电 的角 度将辅 助服务 定义为: 为完 成输电 的 主要功能 将电 能 从发 电 厂输送到用户， 并保证电力安全和电能质量所需要采取的所有辅助措施。 作者认为辅 助服务的主要内 容有: ( 1 )负荷跟踪与频率控制; ( 2 )旋转备用; ( 3 ) 运行备用; ( 4 ) 无功备用和电压控制; ( 5 )发电再计划; ( 6 )处理能量不平衡; ( 7 )有功网损 补偿; ( 8 ) 事故后恢复服务; ( 9 ) 稳定控制服务。但是该文的作者在文献 1 9 1 中 将管 理服务与辅助服务分开，将上 述的第 ( 5 ) ( 6 ) ( 7 )项归入管理服务的范畴。 文 献 2 0 认为 辅助服务是指 那些为 满足 输电的 可 靠性和经济性 要求 而必须提供的 服 务，包括调度、电 压和无功频率控制、频率控制、各种系统备用、 稳定控制等。 华北电力大学博士学位论文 文献 2 1 从发电 侧考 虑， 认为 辅助 服务是 发电 厂为 保证电 力系 统安 全可靠 运行 而采 取的必要措施。电厂的辅助服务包括: ( 1 )发电厂失去厂用电时机组启动能力; ( 2 ) 发电调节特性系统频率控制; ( 3 )发电 机无功能力系统电压控制。 文献 2 2 2 3 也从发电 侧角 度来考虑， 认为 辅助服务是发电 厂为 保证电 力系统安全 可靠运行而采取的必要措施。主要内 容有: ( 1 )发电厂的频率偏差调整和控制; ( 2 ) 发电厂的a g c ; ( 3 )发电厂额外增发无功容量; ( 4 )发电厂提高自 启动能力。 文献 2 4 从 运行管理的角 度出 发， 把在当日 的 实时 运行中， 为了 防 止由 于 一些 不可 预测和不可控制的原因 ( 如交易的临时变动、负荷的随机波动以及机组的强迫停运等) 降低供电质量的情况下， 保证可行性， 而要求有一个有功、无功的实时平衡服务以及其 它的运行服务，称为辅助服务。 文献 2 5 较明 确地提出了 辅 助服务的定 义: 辅助服 务是由 控制设 备和操 作员 执行的 有关功能， 这些功能是发、控、输、配电用以 支持基本的发电容量、电能供应和电力传 输服务。 主要内 容有: ( 1 ) 计划和调度; ( 2 )负荷跟踪; ( 3 )旋转备用; ( 4 ) 运行 备用; ( 5 )能量平衡; ( 6 )替代备用; ( 7 )电压控制。 文献 2 6 认为辅助服务包括: ( 1 ) 有功备用和频率控制; ( 2 ) 无功备用和电 压控 制; ( 3 )黑启动。 总之， 不同的系统有不同的辅助服务需求， 辅助服务主要取决于主市场。 也就是说， 主市场的结构和模式的不同影响到各自对辅助服务的定义和分类， 所以目 前尚不能对其 进行统一和确定标准。 1 . 2 . 2电力市场环境下电网 ( 负荷) 频率控制方法及其运作模式的研究现状分析 国外对电力市场环境下频率控制的理论与实践已 有了一定的理论成果及其应用经 验。 文献 2 7 一 3 5 给出了 相关的 成果 ( 详见 相关章节中的己 有成果综述) 。 英国、 挪 威、 美国 【 2 7 , 2 8 , 2 9 己 对电 力 库 模 式 及 双边 合同 模式 下 负 荷频 率 控制 服 务( 尤 其 是a g c 服务)的供应及其相应的市场运作有了一定的实践经验。 但大多数国家仍处在理论探讨 与局部试点当中。 通过大量的 调研及资料检索查询可知， 到目 前为止， 我国电 力市场理 论研究尚未触及这个课题， 更没有见到实践性的成果。 本论文选题一是希望满足我国电 力工业市场化改革对包括频率控制服务在内的辅助服务的市场化要求， 二是力图 填补我 国电力市场理论研究在这方面的空白。 1 . 2 . 3辅助服务 ( 备用容量) 调度与市场交易的优化分析的 研究现状分析 目 前， 国际上对辅助服务问题， 尤其是对运行备用的研究在很多方面尚未达成共识， 第一章引言 各国都按各自 的模式实施相应的规则 2 3 3 6- 3 8 . 英国电力市场采用联营体模式， 其辅助服务的获取和定价方法在很大程度上受该模 式的 影 响。 英国 电 力 市 场的 备 用可以 分为 调 整 备 用( r e g u l a t i n g r e s e r v e ) 、 热 备 用( s t a n d in g r e s e r v e ) 、紧急备用 ( c o n t i n g e n c e r e s e r v e ) 三种类型。 备用经常由 带非满负 荷的同步发 电 机组和非同步的发电机组及愿意参加备用服务的大用户等来承担。 系统的备用容量可 以 通过两种方法来获得: 与发电公司签订长期合同; 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。 美国 加州电 力市场为了竞争的公开性， 防止发电商和零售商操纵市扬， 采用实时电 力交易方式， 排斥了中长期合同， 使巨大的电力市场处于即时交易状态。 加州电力市场 在能量主市场之外设立了竞争的辅助服务市场，由i s o管理。 其辅助服务包括: 旋转备 用、 非 旋转备用、 a g c 、 替代备 用、电 压支持和黑启 动 3 9 a 挪威国家电网公司则在辅助服务获取及定价方面采用了相当简单的方法，与约 7 0 个发电厂的所有者达成一系列协议。 协议中规定: 授权系统运行部门根据技术要求对发 电厂有功输出和无功输出 进行调度， 要求发电厂对系统频率做出响应并提供有功备用容 量。 挪威电力市场中，电网公司担任系统操作员，负责对电网的运行管理、 规划和电力 市场的运营。 其辅助服务包括: 有功备用和频率控制、 无功备用与电 压控制以 及系统保 护配置 4 叮 。 这 些服务是以 两 种形式 提供的: 一种是 基本 辅助服务， 这 种服务 是系 统操 作员要求市场参与者必须提供的， 而且没有额外报酬; 另一种是超额辅助服务， 只有系 统操作员要求提供超额辅助服务时，提供者才能得到额外的补偿。 在西班牙电 力市场中， 强制性要求发电 机组免费提供频率调节服务， 如果发电 机组 无法提供，则它需要从别的发电 机组处购买。 频率调节容量要求为发电容量的 1 . 5 %, 对于小于1 0 0 m h z 的频率偏差， 要求时间响应在1 5 s 内， 而对于i 0 0 - 2 0 0 m h z 的频率偏 差， 要求时间响应在1 5 -3 0 s 内( 采用线性插值) 。 a g c 服务采用基于拍卖竞争的 方式 获取。 波兰电 力市 场主要由i s o , p x和 计划协调员构 成 4 1 。 其辅助服 务市 场分为日 前市 场和小时前市场。 辅助服务交易由 市场操作， 包含旋转备用、非旋转备用、替代备用、 频率调节、 无功电压控制以 及黑启动能力。 辅助服务模式采用投标型和双边合同型相结 合的方式。 澳大利亚电力市场中，电网调度员和电力市场操作员是合二为一的，以电力联营体 ( p o o l )为中心，国家电力市场管理公司作为电力市场操作员，负责辅助服务的管理和 操作 4 2 0 辅助服务费从发电 商和配电 商那里按确定的比 例收缴， 然后再全部分配给有 华北电力大学博士学位论文 关辅助服务的提供者。 辅助服务的模式为统一型。 澳大利亚的备用服务主要是频率控制 服 务 ( f r e q u e n c y c o n t r o l a n c i l la r y s e r v ic e f c a s ) ， 用 来 保证 短期内 系 统的电 力 供需 平衡， 可分为调频和事故备用两类。 调频是发电 机组通过改变负荷或者出 力来调整较小 的发电 / 负荷偏差;事故备用是为了 保证在重大事故发生时发电 / 负荷的 平衡。 在国内， 关于运行备用方面的理论研究也处于开始阶段， 还没有见到比 较完整的理 论和应用方面的研究成果。 我国运行备用市场的现状表现如下 4 3 , ( 1 ) 燃煤火电机组占总装机容量的7 0 % 以上，启停需要几个小时。 ( 2 )各系统中水、火电所占比例不同，水电机组调节性能好，但远离负荷中心。 ( 3 ) 运行备用容量的补偿与备用容量所作出的贡献不相对应。 ( 4 )运行备用容量的设定和调度管理不完善。 ( 5 )电力供需矛盾影响频率和电压质量:系统缺电时，用户超量用电，造成频率 和电压偏低;电力供过于求时，各电厂争相发电， 造成频率过高，电 压调整困 难。 ( 6 )电网建设落后，结构不合理，在峰谷时段，往往使得频率和电压偏离正常水 平。 我国已 经实行“ 厂网 分开、竞价上网” 的改革 2 2 ， 并确定上海、山 东、 浙江等电 网为试点单位， 各试点单位在制定电力市场运营规则时， 对运行备用容量支持辅助服务 的 市场机制考虑得不多， 仍然都是由 调度指定并无偿提供。 这就难免造成提供此项服务 的大多数发电厂不能合理地得到补偿。 同时， 运行备用容量支持辅助服务的费用没有很 好地量化，也没有充分体现市场竞争机制。 随着我国电力体制改革的深化，出 现了电力工业投资多元化、 产权利益多元化， 参 与电力市场竞争的各发电公司在其市场行为_七 必定更多地考虑自 身的利益， 单一的 行政 指挥手段已明显不适应社会发展的需要， 需要为市场各成员创造平等竞争、自 愿交易的 条件。同时，由于不按市场竞争方式对发电厂提供的运行备用容量服务进行补偿， 难免 会造成发电厂不愿在发电容量_ 1. 进一步投资和技术改进，势必导致该服务的供需矛盾。 从目 前的情说来看， 我国电 力市场备用容量支持辅助服务的指标量化、 费 用分析和 服务结算等问 题k7待解决。 有的调度中 心调度员为了保证系统安全运行要求电 厂无偿地 提供备用容量支持服务和对用户进行拉闸限电， 而没有遵循市场经济的原则， 他们根据 各发电 厂机组的原有性能来安排其是否提供运行备用和提供运行各用的数量， 能承担的 要多承担， 不能承担的就可以不承担， 其实质就是没有进行公平竞争， 严重挫伤了发电 厂提供该服务的积极性。 但在市场环境下，电厂和用户作为市场参与者都是独立的经济 第一章引言 实体， 难以 做到无偿提供该项服务。 因此需要合理的市场机制来保证参与者积极提供该 项服务和确保他们有足够的收益。 1 . 3本论文的具体研究工作及其取得的主要成果 1 . 3 . 1本论文的具体研究工作 l . 3 . 1 . 1 基于电网 最低成本安全运营目 标的辅助服务市场的 基本框架的 研究与设计 内容包括: 辅助服务市场供应的准备阶段、 评估阶段和实施阶段这三个阶段各自 的 运作模式及其相互衔接与协调方式的 研究和设计; 辅助服务市场 ( 以 下称a s p m) 与电 能现货市场 ( 以下称b e s m) 之间相互影响分析及其协调性运作方案的 研究与设计。 1 . 3 . 1 . 2电能市场与辅助服务市场协调调度与交易的数学模型及其求解方法的研究 内容包括: ( 1 )对所投标的各种辅助服务的性能的比较评估; ( 2 ) 预测下一周电 网中可能的状况 ( 各种可能的情景假设)。结合未来电网各种状况出现的概率分布， 来 评估电网的稳定性水平和电网不稳定 ( 不安全)导致的损失 ( 成本); ( 3 )研究建立 b e s m运作的模型方法; ( 4 ) 研究建立a s p m运作的模型方法;( 5 ) 算法研究;( 6 ) 软件系统的研发; ( 7 )实例分析。 1 . 3 . 1 . 3电 力市场环境下电网 频率控制的模型方法及实施方案研究 内容包括义务型频率控制服务、 统一调度有偿型频率控制服务以及双边合同型频率 控制服务这三种模式及其实施方案的研究与设计，并进行了案例研究。 1 . 3 . 1 . 4自 动发电控制 ( a g c )在电 力市场环境下的模拟分析 内容包括:( 1 ) 电力市场环境下a g c的体系构成和运作模式总体框架的研究与设 计;( 2 ) 在设定的各种可能的电力市场环境( 条件) 下修改传统的a g c调度软件系统， 使其适用于电力库模式下和双边合同 模式下进行a g c 模拟分析;( 3 ) 设计电力市场中 的a g c 模拟分析方案; ( 4 ) 三种a g c运作模式的案例研究。 1 . 3 . 1 . 5 辅助服务 ( 备用容量) 调 度与市场交易的优化分析与决策技术支持系统的 开发及应用研究 内容包括: ( 1 )电力运行备用市场的竞价模型的研制。其中又包括:运行备用机组优化调度 模型; 运行备用成本分析: 运行备用市场需求分析模型; 运行备用市场出 清模型; 可中 断负荷和停运成本的分析评估，等等具体内容。 第一章引言 实体， 难以 做到无偿提供该项服务。 因此需要合理的市场机制来保证参与者积极提供该 项服务和确保他们有足够的收益。 1 . 3本论文的具体研究工作及其取得的主要成果 1 . 3 . 1本论文的具体研究工作 l . 3 . 1 . 1 基于电网 最低成本安全运营目 标的辅助服务市场的 基本框架的 研究与设计 内容包括: 辅助服务市场供应的准备阶段、 评估阶段和实施阶段这三个阶段各自 的 运作模式及其相互衔接与协调方式的 研究和设计; 辅助服务市场 ( 以 下称a s p m) 与电 能现货市场 ( 以下称b e s m) 之间相互影响分析及其协调性运作方案的 研究与设计。 1 . 3 . 1 . 2电能市场与辅助服务市场协调调度与交易的数学模型及其求解方法的研究 内容包括: ( 1 )对所投标的各种辅助服务的性能的比较评估; ( 2 ) 预测下一周电 网中可能的状况 ( 各种可能的情景假设)。结合未来电网各种状况出现的概率分布， 来 评估电网的稳定性水平和电网不稳定 ( 不安全)导致的损失 ( 成本); ( 3 )研究建立 b e s m运作的模型方法; ( 4 ) 研究建立a s p m运作的模型方法;( 5 ) 算法研究;( 6 ) 软件系统的研发; ( 7 )实例分析。 1 . 3 . 1 . 3电 力市场环境下电网 频率控制的模型方法及实施方案研究 内容包括义务型频率控制服务、 统一调度有偿型频率控制服务以及双边合同型频率 控制服务这三种模式及其实施方案的研究与设计，并进行了案例研究。 1 . 3 . 1 . 4自 动发电控制 ( a g c )在电 力市场环境下的模拟分析 内容包括:( 1 ) 电力市场环境下a g c的体系构成和运作模式总体框架的研究与设 计;( 2 ) 在设定的各种可能的电力市场环境( 条件) 下修改传统的a g c调度软件系统， 使其适用于电力库模式下和双边合同 模式下进行a g c 模拟分析;( 3 ) 设计电力市场中 的a g c 模拟分析方案; ( 4 ) 三种a g c运作模式的案例研究。 1 . 3 . 1 . 5 辅助服务 ( 备用容量) 调 度与市场交易的优化分析与决策技术支持系统的 开发及应用研究 内容包括: ( 1 )电力运行备用市场的竞价模型的研制。其中又包括:运行备用机组优化调度 模型; 运行备用成本分析: 运行备用市场需求分析模型; 运行备用市场出 清模型; 可中 断负荷和停运成本的分析评估，等等具体内容。 华北电力大学博士学位论文 ( 2 )电 力系统的随机生产模拟分析。具体内 容有:系统可靠性指标的分析计算: 随机生产模拟模型:随机生产模拟的过程及其分析等等。 ( 3 ) 运行备用市场交易与调度技术支持系统开发。具体内容包括: 软件系统的方 案设计; 系统的属性设置; 软件的 流程设计;软 件系统的开发等等。 ( 4 )软件系统的应用分析。 1 . 3 . 2采用的 研究方法 ( 研究方案) 及其技术路线 对于上述第一项研究内容: 选择电 压控制 ( 无功支持服务) 这一种辅助服务为具体研究对象; 选择电网所能承 受的最大负荷变化为电网安全运营极限( 目 标) 。 根据i s o对电网紧急状态反应所需的 时间， 来设计辅助服务市场运作的 三阶段: 准备阶段 ( 投标选标阶段)、 评估阶段 ( 电 网安全评估) 和实施阶段 ( 对中标的辅助服务实时调度)。 并且研究设计了这三阶段的 协调机制，以及这三阶段与电能现货市场之间的协调机制。 对于第二项研究内 容: 首先合理确定建模的基本假设条件:( i ) 只进行电网稳态下的安全分析; ( 2 ) 只 取电压稳定目 标为电网安全运营目 标; ( 3 ) a s p m成交决策与b e s m成交决策相互独 立; ( 4 )电网 运营安全状况的各种情景发生的概率由 外部条件给定。 然 后， 在文 献 1 4 1 的 基 础一 匕给出了 能 够 定 量描 述b e s m和a s p m之间 相 互影 响的 、 电能现货市场调度与交易最优化数学模型， 其中目 标函数为“ 市场交易效益最大化”， 约束函 数为电网潮流分布特性条件，输电容量约束条件等等。 第三步， 给出了建立a s p m数学模型。 其目 标函数为: 运行成本、 事故概率成本以 及电网备用容量成本三者之和最小化。 在文献 1 2 , 1 5 , 1 6 的 基础上来研制模型。为协 调电能市场与辅助服务市场，以 及协调辅助服务市场三个阶段的运作， 采用母投标集合 与子投标集合的方法， 应用集合论建模。 将电网安全成本表示为: 辅助服务选标发生的 各项成本+辅助服务实施的权重成本。要设计出一个合理的实施权重成本。 第四步，模型求解方法研究。 拟设计一个求解模型的两阶段方法: ( 1 ) 辅助服务 投标计划组合阶段; ( 2 )评标及选标阶段。 对于第三项研究内容: 首先，研究设定电力市场的运作模式以及可采用的合同及其交易方式。 然后， 研究确定电力市场环境下三种负荷频率控制 下称l f c ) 运营模式的总体框 第一章引言 架。 第三步，研究确定收费 ( 但统一调度)型 l f c运作的数学模型以及实施方案，并 通过实例分析。 第四步，研究确定双边合同型l f c运作的数学模型及实施方案。 第五步，研究收费型l f c模式下发电 机组频率控制的分配优化方案。 第六步，合同结算与支付的实施方案研究。 第七步，模拟实际电网环境，进行实证研究。 对于第四项研究内容: 首 先， 根 据既 定的 电 力 市 场 运 作 模式的 特点， 在