（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下备用辅助服务的需求和调度问题的研究.pdf

s t u d yo nd e m a n da n dd i s p a t c ho fr e s e r v ea n c i l l a r ys e r v i c ei n e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t a b s t r a c t b a s e do i le q u a l 、o p e na n dj u s tp r i n c i p l ei n t r o d u c i n gc o m p e t i t i o na n de n h a n c i n g v i g o rh a v eb e c o m eaw o r l d - w i d et e n d e n c yi np o w e rs y s t e m i np o w e rm a r k e t ，k e e p i n g t h es y s t e mr e l i a b i l i t yi si m p o r t a n ti no r d e rt oa v o i di n s t a b i l i t yo r i g i n a t e db yp u r s u i n g e c o n o m i cb e n e f i tu n i l a t e r a l l y i fs y s t e mf c l i a b i l i t y p r o b l e mi s n tm a n a g e dw e l li tw i l l i m p a c t ss y s t e ma n dm a r k e t , e v e ni n f l u e n c e sw h o l es o c i e t y s t a b i l i z a t i o n r e s e r v ei sai m p o r t a n tm e t h o dw h i c hk e e p sp o w e rs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , a n di t s n o tan e wt o p i c g e n e r a l l ys p e a k i n gi ft h e r ei sm o r er e s e r v e s y s t e mr e l i a b i l i t yi s b e t t e r b u ti n e l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n tg e n e r a t i o n u n i t s p r o v i d e r e s e r v e r e w a r d f u l l yo t h e r w i s eg e n e r a t i o nu n i t s p o s i t i v i t yi sn o ts t i m u l a t e d r e s e r v ec a p a c i t y s h o u l db eg a i n e dr e a s o n a b l ya n dr e s e r v em a r k e ts h o u l db em a n a g e db ym a r k e t e c o n o m ym e a l l si nm a r k e t - b a s e dc o n d i t i o n s oi tn o to n l ys a t i s f i e ss y s t e mr e l i a b i l i t y b u ta l s or e a l i z e st h eo p t i m a le c o n o m ya n ds a t i s f i e sc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t i ne l e c t r i c i t ym a r k e te n g l i s hp o o lm o d ei sm o r em a t u r e t h ep a d e ra d o p t st h e i m p r o v e dp o e lm o d ea n de s t a b l i s h sa ni n d i v i d u a la n c i l l a r ys e r v i c em a r k e t 1 1 l er e s e r v e m u s tb ec l e a r e di nt u r nb yc a t e g o r ya n db yt i m e n l ep a p e rs u g g e s t s 觚i n t e g r a l f r a m e w o r ko f r e s e r v em a r k e ti n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o nm o d e n ep a p e ra n a l y z e sd e m a n d i n go fs p i n n i n gr e s r v ee m p h a t i c a l l y 1 tg i v e sa n e x a m p l eo fd e m a n d i n gf o rs p i n n i n gr e s e r v ea n dp r o p o s e st o d e t e r m i n eo p t i m a l r e s e r v ec a p a c i t yb ym a x i m i z i n gt h es o c i a lb e n e f i to fs p i n n i n gr e s e r v e t h em a t h e m a t i c m o d e l sa n da r i t h m e t i co fm a r k e tc l e a r i n ga r eg i v e ni nd e t a i l t h en u m e r i c a le x a m p l e i u u s t r a t et h a tt h er e s u l t 锄m e e tt h er e q u i r e m e n t si na p p l i c a t i o n t h em e t h o dn o to n l y s o l v e st h ep r o b l e mo fr e s e r v em a r k e tb u ta l s og a i n e ds o m ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h e s y s t e mr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：e l e e t r i c i t ym a r k e t ，s y s t e mr e l i a b i l i t y ，e c o n o m y ，s p i n n i n gr e s e r v e ，s o c i a l b e n e f i t 插图清单 图2 - 1 辅助服务的总体市场时序流程图9 图2 - 2 改进的电力联营模式。1 5 图3 - 1 两状态机组模型2 1 图3 - 2 计算容量模型中累积概率简化流程图2 2 图3 3 发电机设备参数 图3 - 4 缺电时间概率计算结果输出。2 3 图3 - 5 系统备用容量与系统电量不足期望值e 逝船的关系2 5 图4 1 我国每千瓦时产值情况3 1 图禾2 旋转备用市场出清流程图。3 4 图4 3 动态排队法原理图3 6 图4 - 4 某典型日的负荷曲线3 8 图4 - 5 可靠性指标对备用容量的变化 3 8 图4 - 6 旋转备用的社会效益。4 l 图4 7 旋转备用价格随电能电价的变化4 2 图4 - 8 电力市场环境下可靠性需求交易过程 4 5 表格清单 表2 1 备用的分类1 2 表4 1 我国每千瓦时产值的变化情况。3 1 表4 2 某典型日负荷3 7 表4 3 有无可靠性约束对旋转备用出清结果3 9 表4 - 4 厂商共同抬价对旋转备用出清结果的影响4 0 表4 5v o l l 对旋转备用市场出清结果的影响情况4 1 表4 - 6 备用价格随电能电价变化情况4 2 表4 7 机组强迫停运率对出清结果的影响情况4 3 表4 8 备用容量调用费用及对应的供电可靠性4 5 表4 - 9 用户可选择的可靠性电价。4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金理王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：密影氧 签字日期：) 回年6 月j 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡兰些太堂有关保留，使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金胆王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：宴奎 签字日期；】b 0 年6 月i 。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 辩日罗 刀日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的导师丁明教授的悉心指导下完成的。导师治学严谨，学识渊博， 为人豁达、宽厚仁爱，使我受益终生；他时刻关注学科发展，学术不断创新，更 是值得我永远学习的榜样。在研究生学习期间，导师在学习和生活中给了我很多 的关怀、鼓励和帮助，在这里学生表示衷心的感谢和深深的敬意。 在研究过程中，还得到了齐先军师兄的指导，他的热情帮助使我受益匪浅， 在此深表谢意! 科研工作的顺利完成，得益于友爱真诚的集体环境。本次论文得以顺利完成 还要感谢李小燕、韩平平多次给予的无私的帮助。另外，杨斯奥、张明星、方振、 吴伟、马婉玲、包敏、金晓东、张晋波等也都在生活和学习中也给予了我许多鼓 励和帮助，还有实验室其他同学给予的帮助和支持，在此，一并谢之l 最后还要感谢我的家人和朋友，感谢多年来他们对我的支持。 作者：安玲 2 0 0 7 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础产业【1 1 ，是经济发展和社会进步的重要保障。改 革开放以来，我国电力工业的发展取褥了举世瞩目的成就。到2 0 0 4 年年底，全 国发电装机容量超过4 4 亿千瓦，年发电量超过2 1 万亿千瓦时，均居世界第二 位。中国电力工业的快速发展，得益于国家办电政策的及时调整和电力体制的 不断改革。 纵观电力工业的发展历程，可以发现，改革开放以来，我国电力工业的三次 重大改革，每一次改革都为电力的发展开辟了新的空间。尤其是2 0 0 2 年的第三 次改革，国家在这一年出台了电力体制改革方案，明确了电力市场化改革的 总体方向，提出构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展 的电力市场体系。至此，中国的电力工业正式走上了市场化改革的道路，进入 了一个全新的发展阶段。 电力体制改革方案实施的几年来，按照党中央、国务院的总体部署，有关方 面的积极配合，改革工作取得了重要的阶段性成果。但是电力市场的建设涉及 体制、机制、技术及利益分配等重大问题，是一项复杂的系统工程。建立竞争 性的电力市场还是一件新生事物，尚处于探索发展阶段，各国的电力市场发展 也非一帆风顺，既有成功的经验，也有失败的教训，有的还付出了不小的代价。 我国电力市场建设面临的形势更为复杂，不可避免地将会经历一个不断探索和 逐步完善的过程。 在电力系统各环节引入竞争，增加活力，已成为世界各国电力工业发展的趋 势。传统的自上而下的垂直型管理的观念受到挑战，而最大限度地用竞争代替 规章制度和行政命令，已被大多数国家所接受。本着公平、公开、公正的原则 建立电力市场，进行电力的自由贸易，在世界各地( 英格兰、澳大利亚、美国加 州、新西兰等国家) 正在积极推进。 但是电力工业改革能否成功有赖于能否维持要求的可靠性水平。可靠性问题 处理不好会直接给系统和市场带来冲击，如预想不到的停电事故和很高的电价 波动风险等，甚至对整个社会的稳定造成影响，最明显的例子莫过于美国加州( 加 利福尼亚) 电力市场的失败【 】。在电力市场中，为避免因片面追求经济利益而带 来的系统不稳定，迫切需要保持系统的可靠性。辅助服务作为保证系统安全稳定 的主要措施，已引起越来越多的关注i 删。 在实际电力系统中，发电机随机停运、负荷波动、线路故障等都会破坏系统 的平衡状态，出现有功功率不足，严重时甚至造成大范围停电，为此必须保持 一定的有功备用容量。备用就是指电力系统除满足预计负荷需求外，为保证电 能质量和系统安全稳定而保持的有功功率储备。其实备用问题并不是新的现象。 并非由于市场的出现才提出来的，而是在通常的电力系统管理运行方式下，备 用问题一直未能够引起足够的重视，电力公司运行中注目的焦点是电能，最关 心的是电能，在研究一切与电力生产经济行为有关的各种闯题( 经济调度、最优 潮流、水火电协调和电价等) ，其研究的对象基本上都是电能。而且在传统的电 力工业中，发电、输电和配电环节都隶属于同一家电力公司【9 】，备用容量的提供 与调用是该公司的内部事宜，不会与他人的经济利益发生冲突，原理上也比较 简单常用的确定系统所需要的备用容量的方法主要有：系统峰荷的固定比 例( 如7 r l o 呦：系统中的单机最大容量。这些方法非常简单，在电力行业中 也得到了广泛应用。 上述备用容量的确定，完全立足于系统运行的安全、可靠性考虑，相对而 言，经济性只是次要因素，特别是没有针对负荷预测的准确性、买卖电价及中 断供电的赔偿( 或购买中断供电容量) 等因素对备用容量大小的影响进行定量的 经济性分析。调度员为了保证系统安全运行要求发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，只保证电网的安全运行。 随着以厂网分离和发电侧产权多元化为主要特征的电力工业市场化改革的 进行，电力工业已分解为多个经济主体，它们之间存在利益冲突，因此传统的 备用容量获取方法不再适用，需要采用新的方法确定和获取备用容量，以兼顾 电力系统运行的可靠性、经济性以及市场主体之间的公平性。 1 2 电力市场概述 1 2 1 电力市场特点 市场是某种物品或劳务的一群买者和卖者。电力市场就是进行电力及相关服 务交易的一群买者和卖者，这些相关服务包括输电服务，及一系列其他的辅助 服务如自动发电控制、无功电压控制、运行调度服务等等。严格的说，在经济 学意思上，垄断也是市场形态的一种，因此，自从有了电力工业，广义的电力 市场就已经存在。现在所谈论的电力市场，特指打破垄断后，在发电企业之问 存在的市场竞争，可称之为狭义的电力市场或现代意义上的电力市场。 电力工业普遍采用发、输、配、售垂直一体的垄断经营模式已有上百年历 史。电力工业经过长期的垄断运营，由于缺乏竞争压力，经营管理因循守旧， 电力企业逐渐失去了原有的活力。自1 9 9 0 年英国推行电力市场改革以来，许多 国家，包括经济发达国家，中等发达国家和第三世界国家群起效仿，在电力系 统各环节引入竞争、增加活力已成为世界各国电力工业的发展趋势。 建立电力市场的主要目的是引入竞争，提高效率，降低电价，改善服务， 持续发展。开放性、竞争性、网络性和协调性是电力市场的基本特征。与传统 的垄断电力系统相比，电力市场具有开放性和竞争性。与普通商品市场相比， 电力市场具有网络性和锛调性的特征。 在一个充满竞争的电力市场中，参与者之间都是平等的，所以电力市场最 基本的原则是公平。对于发电厂，平等的环境能够促进竞争，激发各发电厂提 高生产效率，降低成本，增加活力；对于用户，按真实的供电成本收费，尽量 减少用户间补贴是保证用户间平等的根本点。为了保证公平竞争，电力市场有 以下基本原则：电力市场的公开性原则( 包括成本、定价、计量等) ；保证电网的 开放性，扩大市场成员自由选择的权力；制定相应法令法规，规范市场竞争。 电网的安全性和商品无库存性；发电厂间平等竞争，用户间平等。 目前我国的电力体制不适应社会主义市场经济体制，主要弊端表现在以下 方面： ( 1 ) 垄断经营管理的体制性缺陷日益明显。电力行业目前存在成本高、人员 多、效率低等问题，服务质量有待进一步改善；厂网不分使发电环节难以形成 公平竞争的环境；供电垄断使用户没有选择权，不利于改进服务质量。 ( 2 ) 省间市场壁垒阻碍了电力资源优化配置。鼓励各省自行解决缺电问题的 方针曾经调动了地方办电的积极性，但在现行财税体制下，电力资源的配置出 现了4 分省平衡”和“地方保护”等问题，不利于跨省电力市场的形成和电力 资源的优化配置，阻碍了国家“西电东送”战略的实施。 ( 3 ) 现行管理方式不适应发展要求。政府对电力行业的监管体系不健全，政 企不分现象仍在一定程度存在；现行的以单个项目成本为基础的定价方式，脱 离市场供需关系；电力环保法规不健全，不利于激励清洁电源的发展和污染的 减排。 促进我国电力市场化进展的还有以下几个特殊因素： ( 1 ) 我国经济发展不平衡，导致了负荷分布的不均匀。另外我国能源分布也 极不均匀。水电基地集中于西南，火电基地集中于华北和西北。即使在一个大 区，通常也存在着不同省份的电力电量交换。我国电力系统目前通过省网或跨 省电网的互联，已经形成了具有不同特点的大规模电力系统。传统的计划经济 采用行政命令的手段规定省间的功率交换，往往不能兼顾各方的利益，挫伤了 各方的积极性。为此，只有在电力市场化的基础上，遵循平等互利的原则，按 照经济准则实行电力电量交易，才能充分发挥各方的积极性。 ( 2 ) 近年来随着电力工业的发展和国民经济结构的调整，我国供需形势发生 了新的变化，电力供需矛盾趋于缓和。这种供需矛盾的变化引起了电力部门前 所未有的销售困难，并冲击了电力企业的经营思想。电力企业由电力和用户的 管理者，转变为电力经营者和用户的服务者。为了促进电力销售，一些供电企 业自觉或不自觉地开始探索市场经济条件下供电企业的工作模式，不断转变思 想，按市场经济规律来加强电力调度、检修工作等，提高服务水平。电力企业 的这种促销行为，在客观上加快了其进入电力市场的步伐。 ( 3 ) 互联电网的不同区域在不同时间的发电成本有差异，让边际成本低的区 域向成本高的区域供电，不仅可以节约现有资源，还能使参与交易的区域从中 获得经济效益。电力市场的运行机制又可以促进联网效益的实现，公平竞争的 环境有利于市场成员在电力市场交易机构中进行自由贸易，以获得较高的经济 效益。 1 2 2 电力市场化的条件 任何商品最终要建立一个健康的市场，除了必须满足公平竞争的基本原则 外，还要具备以下的条件： 价格随需求自由变化 价格变化影响需求量 买卖市场机制 买方无垄断行为 卖方无垄断行为 2 0 0 2 年底，国家电力公司已重组为两家电网公司和5 家发电公司，标志着 我国电力市场化改革已进入到实质性阶段。 1 3 国际上几个主要国家的电力市场的研究现状 在国际上，不同国家和地区的电力市场根据自身特点采用了不同的辅助服务 获取与定价方式。我国电力市场起步较晚，为了避免走弯路、错路，需要借鉴 国外的电力市场运行经验，取其精华，早日完善适合我国的电力市场。 1 3 1 英国电力市场 英国电力市场采用联营体模式【1 0 l ，其辅助服务的获取和定价方法在很大程 度上受该模式影响。国家电网公司t n o c ) 拥有输电系统并负责系统运行。 a n c i l l a r ys e r v i c e sb u s i n e s s ( a s b ) 贝u 是n g c 属下的一个独立营业部门，其功能是 在系统运行要求前提下尽可能地购买辅助服务【1 1 1 。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。 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( 英镑孙时) 。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。 系统的备用容量可通过两种方法获得：一是与发电公司签长期合同，二是利 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( 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 m w ) 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的作用。 1 3 2 美国加州电力市场b o l 加州电力市场是批发模式的，允许发电公司和大用户签订大用户双边合同 以回避价格及销售量风险。现货交易通过交易中心进行投标( 包括下一个交易日 每小时和下一个交易小时两个现货市场) ，在实时运行时还有电力电量平衡调节 市场。加州的电力交易中心( p 均和独立系统运行组织o s o ) 分别负责电能交易及 实时运行的职能。 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。 辅助服务可由调度协调员( s c h e d u l i n gc o o r d i n a t o r - s c ) 和p x 自己提供，也可从 i s o 购买，但所有辅助服务均由i s o 统一调度。i s o 管理6 种辅助服务：调节、 旋转备用、非旋转备用、替代备用、无功支持和发电机黑启动能力。后2 种服 务通过长期合约获得，前4 种服务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辅助服务市场。p x 和s c 均可以向这 4 个辅助服务市场投标，要求同时标出容量价格和能量价格。i s o 只根据容量价 格切除市场。如果系统运行中需要这些发电机提供能量，则从容量价格中标的 发电机组中按能量标价从低到高的次序获取所需能量。 p x 或s c 可以把同一个备用容量向1 个或几个、甚至全部4 个辅助服务市 场投标。i s o 按下述顺序对4 个市场分别进行切除：调节、旋转备用、非旋转备 用、替代备用。这4 个市场的产品属于同一种类型，但质量不同( 依次下降) 。如 果p x 或s c 同意，对于在某个市场中没有投中的容量，可以自动转到下一个市 场。 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。 1 4 我国的电力市场 我国从1 9 9 8 年开始实行“厂网分开，竟价上网”的电力市场化改革，将电 网经营企业拥有的发电厂与电网分开，建立规范的、具有独立法人地位的发电 企业，市场也只对发电侧开放。我国的电力市场以省级电力市场为主，各省电 力公司是其省内电力市场竞争的组织者。 发电侧电力市场采用单一购买模式，在省级电力市场中，只有省电力公司 是唯一的电能购买者，各独立发电企业在其组织下参与市场竞争。在这种模式 下，由省电力公司进行市场平衡，负责收购所有电力并保证对用户的供电，用 户不能和独立发电企业签订购电合同，只能从电力公司购买电能。 在电力市场建立初期，各试点单位全部采用了部分电量竟价上网的方式。 一般安排当年市场需求的1 0 - 2 0 作为竟价电量，其余电量作为基本电量的处 理采取了不同的方法，有的是必须保证基本电量的完成，然后再考虑竞价上网， 有的是在市场中安排全部电量参与竞价，但在结算时考虑对基本电量的补偿。 与我国现有的电力市场模式相适应，在现有电网结构比较薄弱和备用容量 不太充足的条件下，为保证电网安全运行，各试点单位对辅助服务市场的模式 和交易考虑的不多，均采用了调度指定的方法，很多辅助服务是无偿的。有的 电力市场也考虑了服务的扣罚办法( 如上海) ，但还是十分粗略的，辅助服务费用 在电能费用中难以真正体现出来，更难体现出市场的竞争机制。 随着我国电力体制的改革的深化，参与电力市场竞争的各独立发电公司在 其市场行为上必定更多地考虑自身的利益。同时，由于电网不按市场竞争方式 对发电公司提供的辅助服务进行补偿，难免会造成发电公司不愿继续在设备上 进行投资和技术改进。所以，必然会造成提供辅助服务方面的供需矛盾，进而 影响到电网的供电质量。从目前的情况看，有的调度中心是根据发电公司机组 的性能来安排其提供响应的服务。长此以往，将会影响电厂提供这些辅助服务 的积极性。因此，如何获得辅助服务以及合理地为辅助服务定价是以后我国讨 论的重点。 而且电力市场的正常运行需要技术支持系统的支持，我国电力市场建设在 起步阶段，电力市场技术支持系统尚不完善。尤其是在电力市场条件下，如何 进行电网安全约束的闭环校核、启停机费用计算及最佳机组组合、最优潮流计 算等等，还有待迸一步研究。 1 5 本文的研究工作 1 5 1 选题的背景和意义 电力系统总是要面临可能突然发生的故障和难以预测的负荷随机波动，为 了确保对用户供电的持续性，电力系统要保持一定的备用容量，来保证系统的 安全性和可靠性。一般来说，备用容量越大，系统的可靠性越高。在传统垄断 市场的条件下，系统调度员根据基于电力系统安全性与可靠性考虑的电力系 统技术导则，以强制的手段来确定备用，并不给予补偿。而且完全立足于系统 的可靠性考虑，相对而言，经济性只是次要因素。 目前我国正在进行电力市场化改革，维护电力系统的安全可靠运行始终是 市场化改革得以顺利进行的必要前提，可靠性处理不好会直接给系统和市场带 来冲击，甚至对整个社会的稳定带来影响。因此在市场化的条件下合理地确定 备用容量，用市场经济的手段来运营备用市场，但是也要考虑到我国目前的国 情，使其既能满足系统的可靠性要求，又能在此在基础上实现最优的经济性， 是一个值得探讨的问题。如何在市场环境下，实现电力系统运行的可靠性和经 济性协调发展，使系统运行在安全性和经济性均最优的状态下，成为未来可靠 性研究的一个新方向。 1 5 2 本文的主要研究工作 为了维护电力系统的安全可靠运行，需要备用容量，但是备用容量也不是 越多越好的，因为它并不是无偿提供的。所以当前，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亟待解决。因此，电力市 场中备用问题的核心应是确定备用容量及其分配的算法，并提出相应的价格机 制，使市场参与者积极响应调度的备用容量安排。 但是电力市场中的备用辅助服务研究目前还处于探索阶段，世界各地的电 力市场实践表明还没有一套大家公认的成熟解决方案。本文在这方面做了一定 的探讨，在改进的p o o l 模式下，以旋转备用容量的出清为例( 旋转备用的启动 很快，可靠性效益最明显) ，因为电力市场下的交易比较复杂，在我国的电力市 场初期，故在模型中加入了可靠性的约束，以避免频繁的交易和发电商可能的 投机行为对系统的安全性和可靠性的影响。在电力市场环境下，这种出清方式 下既考虑了购买旋转备用所创造的效益，还考虑了购买旋转备用的费用，解决 了如何出清备用容量的问题，又满足了系统可靠性的要求，并分析了电力市场 条件下影响可靠性水平的几个因素。 第二章备用市场的基本内容 2 1 辅助服务的定义与分类 由于竞争机制的引入，电力工业体系正在发生重大的变化，引起了人们的 格外关注；同时，市场化的电力系统中充满了不确定因素，不确定性必将导致 风险，风险的存在即意味着损失【1 2 1 。 市场化的电力系统中存在着以下风险；在电力系统规划方面，任何电力 系统都要求对附加容量和输配扩容进行持续的规划。但市场具有逐利性，很容 易造成电源建设规划对装机容量、重大的电力结构调整无能为力。在调度方 式方面，阻行政权力为主要手段的安全运行机制和事故防范机制被打破，各子 系统之间的独立性大大增强，系统内部协调的难度增加。在电网安全方面， 竞价使电网中的潮流随各发电厂报价高低而变化，有可能发生潮流剧变，从而 出现网络阻塞，影响电网安全。缺电风险会引发电网解列崩溃，后果极其严重。 在辅助服务方面，为了取得效益最大化，电厂会提高发电设备利用率，减少 备用容量，设备检修也会减少或不合理延期。为了保证电压稳定，需要足够的 无功补偿。如果负责无功补偿的责任主体不明确，就会威胁电网供电的安全性， 使供电可靠率和供电质量下降。因此，在电力工业市场化的同时，也必须关注 系统中的风险因素，并加以识别，从而防范风险，减少损失。本节讨论从辅助 服务的角度来减少风险。 随着电力市场研究和实践的不断深入，辅助服务问题由于其重要性和技术 上的复杂性吸引了越来越多的研究者和电力公司的兴趣【i “r 丌。其实，辅助服务 本身并不是新的技术，并非随着电力市场的出现而出现，而是在传统的电力系 统中，辅助服务问题一直未引起足够的重视。电力市场环境下，辅助服务不仅 仅是运行调度问题，行政和经济隶属关系的变化、利益主体的多元化等因素都 增加了辅助服务问题的复杂性；发电竞争的引入和电网开放( t r a n s m i s s i o no p e n a c c e s s ) 的实施及新的技术，如f a c t s 和a s g ( a d j u s t a b l es p e e dg e n e r a t o r ) 的应用， 增加了电网运行和控制的复杂性，因而会产生些新的引起电网功角、电压稳 定、过负荷和系统崩溃等问题的因素。 在这种背景下，我国目前对于电力市场辅助服务部分的研究主要还是集中 在总体的实施框架和模型的大方向下，对于具体各项服务的获取和定价理论的 研究只是刚刚起步。国内的研究成果如下： 文献 1 8 为我国的辅助服务市场进行了总体的设计，主要对4 种辅助服务 设计了每天单独进行的拍卖市场，按照市场的开市顺序，这四种辅助服务分别 是：a g c 、旋转备用、非旋转备用、替代备用。辅助服务的总体市场时序流程图 如下图所示： 系 统 辅 助 服 务 需 求 电厂辅助服务日前申报 发电辅助服务报价管理 a g c 交易结果 有功电量市场调度计划 旋转备用交易结果 非旋转各用交易结果 日前辅助服务交易计划 图2 1 辅助服务的总体市场时序流程图 辅 助 服 务 定 价 算 法 辅助服务的市场主要决定了对各项辅助服务的购买，在系统的实际负荷与 短期负荷预测出现偏差对，具体如何调整则由实时市场来决定。在实时市场的 调用顺序时：先调用a g c 机组进行快速的自动发电一频率调整：然后调用旋转 备用机组替换a g c 机组，维持系统a g c 容量；最后组织1 5 分钟实时市场交易， 通过在实时市场购买机组的出力，替换旋转备用机组，维持系统的正常旋转备 用。 文献 1 9 介绍了几种重要的辅助服务，包括负荷频率控制( a g c ) ，旋转及 非旋转备用，无功备用电压控制的特点，并提出了相应的奖惩机制。虽然该文 中提出的这些奖惩机制比较粗略，但是它基本指出了我国辅助服务研究的方向。 文献t 2 0 介绍了备用的分类方法，备用与可靠性的关系，进行了备用的成 本效益分析，总结了人们为解决备用分配和定价问题所构造的几类目标函数， 阐述了它们各自的优缺点，最后指出了电力市场中备用问题的研究方向。 文献 7 比较了以美国加州和英格兰一威尔士为代表的两大类运行备用辅 助服务市场，认为英格兰一威尔士模式对我国初期的电力市场更有参考价值。 建议我国运行备用辅助服务市场采用在一日前现货交易发电主市场定价基础上 同时定价，即事先定价，而在当日强调各机组服从调度，事后按既定价格结算。 实现概率学意义下的公平合理性。在简易当量电价法基础上发展了计入运行备 用辅助服务的随机性简易当量电价法。采用了随机生产模拟技术，引入了期望 边际机组和期望边际电价的新概念，并区分被调度加载和不被调度加载两种情 况。 文献 2 1 3 提出弹性备用需求的概念，即在备用竞价的过程中，通过对备用 购买成本和系统可靠性效益的分析，同时确定发电系统的最优备用容量及中标 的发电厂商。结合可靠性评估，文中采用启发式算法求解和竞价出清模式进行 了深入的探讨，给出了基于p o o l 结构的备用市场竞价模型。 文献 2 2 分析了国外备用辅助服务市场的组织模式，提出了几种备用市场 的交易决策方法，包含优先级排序决策法、顺序交易决策法、联合交易决策法、 混合交易决策法、等等。最后对我国的备用市场竞价模型提出了一些建议。 辅助服务一般定义为：为完成输电的主要功能，即将电能从电厂输送到用 户并保证安全和质量，所需要采取的所有辅助措施。换句话说，在输电服务中， 为保证电能质量和系统安全所采取的一切辅助措麓都属于辅助服务。 任何电力系统不论其管理经营模式如何，都必须有一种机制确保其能够提 供足够的辅助服务，满足所需的供电质量和系统运行安全水平。特别是在电力 市场环境下，电网运行要以效益为目标，而提高辅助服务的质量可以增加电网 的输电容量和效率。 根据上述定义，辅助服务应主要包括： ( 1 ) 频率控s y ( 负荷控制) 处理较小的负荷与发电的不匹配，维持系统频率， 以使控制区内负荷与发电的偏差及控制区之间的交换功率实际值与计划值的偏 差为最小。基本上是实时的。 ( 2 ) 有功备用 由于发电或输电系统故障，使负荷与发电发生较大偏差时， 提供急需的发电容量( 增加降低) ，恢复负荷跟踪服务的水平，提高可靠性备用的 水平。 ( 3 ) 无功备用电压控制通过发电机或输电系统中的其它无功源向系统注 入或从系统吸收无功，以维持输电系统的电压在允许范围内。 ( 4 ) 发电再计划( r e s c h e d u l e ) 再分配( r e d i s p a t c h ) 对于较大的发电负荷偏差， 调度中心要重新安排各机组出力。 ( 5 ) 能量不平衡补偿实际的交易量与计划交易量的差额。 ( 6 ) 有功网损补偿输电时造成的功率损耗通过此项服务来补偿。 ( 7 ) 事故恢复服务( r e s t o r a t i o ns e r v i c e ) 提供重大事故发生后系统恢复所需 的功率。 ( 8 ) 稳定控制服务f a c t s 、p s s 、a s g 等。 ( 9 ) 其它 备用辅助服务是电力系统的重要特征之一，关系到电力系统的安全运行与 可靠性。许多发达国家己将备用辅助服务从电量交易市场中分离出来，建立独 立竞价的备用市场，与电量交易市场并行1 2 - 2 7 j 。下面我们主要研究辅助服务中 的备用辅助服务。 2 2 , 辅助服务的备用问题 我国目前的发电侧电力市场仅限于电量市场。在电力市场环境下，如何进 行备用辅助服务的市场组织、指标量化和费用结算等问题亟待解决在我国传 统的调度机制下，电厂提供备用服务是无偿的，所以，发电企业没有参与备用 辅助服务的积极性。在我国引入市场机制，引导市场参与者积极提供备用服务， 能够更有效地提高系统运行的安全性和稳定性。由于备用服务与电能生产的偶 合性较强，各类备用服务的综合决策较复杂，合理组织并协调市场、量化备用 服务并制定合理的价格、优化系统运行仍是电力市场理论和实践中的难点。 2 2 1 备用的分类 2 2 11 按备用响应时问分 关于备用的研究正在发展之中，对备用的分类还未达成统一的看法，以下 是几种主要的分类： ( 1 ) 将备用分为旋转备用、非旋转备用、替代备用、黑启动备用、a c r c 。其 中前三者的区别是：对于旋转备用，机组始终处于开机状态，可以在极短的时 间内响应需要；对于非旋转备用，机组处于停机状态，但可在1 0 m i n 内成为可 调度机组；替代备用是指可以在1 h 内成为可用的发电容量。黑启动备用指的是 系统崩溃后，为重新建立电力平衡而首先启动的机组。 ( 2 ) 备用分为瞬时响应备用( a c e ) 、在线同步运行且能在1 0 w i n 内带上负荷 的1 0 m i n 旋转备用( t m s r ) 、异步运行但可以在1 0 r a i n 内启动并带上负荷的1 0 m i n 非旋转备用( t m n s r ) 及异步运行的可以在3 0 m i n 内启动并带上负荷的3 0 m i n 运 行备用( t m o e ) 。 ( 3 ) 将备用分为1 0 r a i n 旋转备用( t m s r ) 、1 0 r a i n 非旋转备用( t m n s r ) 、3 0 m i n 非旋转备用( t m o r ) 、可调用备用及安装容量。另外还有的提出了快速备用( r e a d y r e s e r v e ) 和中间备用的概念，将快速备用定义为可以在1 0 m i n 1 5 r a i n 内启动的冷 快速启动机组，作为旋转备用的补充。相应地，将冷慢速启动机组定义为中间 备用，并将旋转备用、快速备用、中间备用三者通称为运行备用( o p e r a a n g r e s e r v e ) 。 ( 4 ) 将备用分为旋转备用、热备用、替代备用、冷备用。其中热备用和冷备 用的区别是，前者指汽轮发电机机组停运，而锅炉处于热状态，后者意味着包 括锅炉在内的整个单元停运。热备用可以在l h 内启动，而冷备用需要2 h 以上 才能投入运行带负荷。 ( 5 ) 在实际电力市场中，越来越倾向于将备用分为瞬时响应备用( a g c ) 、 1 0 r a i n 旋转备用( t m s r ) 、1 0 m i n 非旋转备用( t m n s r ) 、3 0 r a i n 运行备用( t m o r ) 、 6 0 m i n 运行备用和冷备用，如表1 2 所示。这种分类方法严密，准则简单明了， 可以很方便地将任一种备用分类囊括在内。这种分类方法能突出备用的最重要 特征，对电力系统的实际操作给予了明确的时间信号，对备用理论的研究提供 了明确的量化指标，在实践和理论上都有重要的意义，本论文采用这一种备用 分类方法。 表2 - l 备用的分类 备用名称 启动时间是否同步是否区分供应者 瞬时响应备用瞬时同步区分 1 0 m i n 旋转备用 1 0 m i n同步区分 1 0 r a i n 非旋转备用 6 0 m i n 不同步 区分 事实上，a g c 备用容量服务是从1 0 m i n 旋转备用中分离出来的一种辅助服 务。辅助服务市场要求a g c 能够连续自动地响应i s o 的指令、动态地平衡控制 区内的电力供给与需求。a c , - c 机组为受e m s 闭环控制的机组，快速响应系统频 率及联络线交换功率的变化。 旋转备用，又被称为热备用，指能够保证1 0 r a i n 内增加的同步容量。对水 电厂来讲，旋转备用一般为总容量的1 0 ，对火电厂则为最大出力与当前出力 的差值。 非旋转备用是指非在线运行的机组在1 0 m i n 内能被启动而增加的容量或在 1 0 r a i n 内可以被卸载的部分电力负荷脚l ，以及其它有能力提供但在该时段内没有 被i s o 采用的旋转备用资源。 3 0 m i n 运行备用是指在3 0 m i n 内能被调度加载的备用容量或在3 0 m i n 内可以 被卸载的部分电力负荷( 含抽水蓄能电站运行在抽水模式时所消耗的功率) ，以及 其它有能力提供但在该时段内没有被i s o 采用的旋转备用或非旋转备用。 2 2 12 按备用的用途分 按备用的用途可分为负荷备用、事故备用和检修备用。 ( 1 ) 负荷备用。电力系统的负荷随时在波动，有时高，有时低，有时受到较 大的冲击；此外我们对负荷曲线的预测也不一定准确，有时实际的负荷能满足 负荷的要求，使频率不超标、不崩溃，供电不中断、不限电，必须有一部分备 用来平衡负荷和调节预测的偏差，这部分容量叫做负荷备用容量，负荷备用主 要由a g c 来承担。 ( 2 ) 事故备用。由于电力系统是由成千上万的装置所构成，从可靠性的角度 来说，装置性工业必然存在一定的事故率。当电力系统出现事故，如机组停运、 出力突然下降或联络线跳闸时，为了保证系统的稳定和供电可靠性，系统必须 拥有一部分热备用或快速启动冷备用容量用于救急，这部分容量叫事故备用容 量。事故备用主要由t m s r 和t m n s r 来承担。 ( 3 ) 检修备用。系统中长期运行的发电设备经过一定周期后会出现磨损、疲 劳和老化，如管道磨损瀑漏、叶片空蚀、轴系振动摆度加大、电气绝缘老化等 等，因此需要安排停机检修。为了不对用户拉闸限电，此时应该有可供安排检 修的备用容量，这种在发电设备检修时为保证系统出力要求而设置的备用容量 叫检修备用容量。 负荷备用、事故备用和检修备用容量之和就是电力系统的总备用容量，其 中负荷备用和事故备用是系统最主要的备用，检修备用的时间跨度大，计划性 色彩比较浓厚，所以在市场环境下系统的备用问题主要是研究系统的负荷备用 和事故备用问题。 当然，备用还有其它的分类方法。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