（电力系统及其自动化专业论文）电力市场备用服务交易与定价机制研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 侧分配了备用责任，提出了对发电侧、用户侧的个体进行备用责任分配的多 种方法；引入了基于m u l t i - a g e n t 的备用责任双边交易撮合模型；提出了备用 实际调用的原则与方法。基于备用责任的双边交易式备用市场的设计方案为 备用市场的建设提供了较为可行的方案，并为未来竞争的备用市场的建设奠 定了基础。 4 、在分析可中断负荷的效益的基础上，设计了可中断负荷参与的备用服务市 场，并分析了该市场采用现有的备用市场优化模型的局限性。鉴于现有的备 用市场优化模型及方法仅仅体现了购买备用服务成本的差异，不能反映出发 电商和可中断负荷提供的两种不同备用资源的效用差异。基于帕累托优化理 论提出了一种可中断负荷与发电商同时参与的备用市场帕累托优化模型。该 模型能够实现在同样的备用购买成本下，获取最大的系统总效用，实现两种 备用资源的最优配置。 关键词：电力市场，辅助服务，备用，定价机制 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t a n c i l l a r ys e r v i c ei so n eo fi m p o r t a n ti s s u e si nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t b a s e do nt h e m a c r o s c o p i c a la n dq u a l i t a t i v ef e a s i b i l i t ya n a l y s i so fe s t a b l i s h i n gt h ea n c i l l a r ys e r v i c e s m a r k e t s ，t h er e c e n tw o r k si nt h i sa r e am a i n l yf o c u so nt h ed e t a i l e dp r o b l e m so fs e c u r i t y ， e c o n o m ya n dm a n e u v e r a b i l i t yo ft h ea n c i l l a r ys e r v i c e sm a r k e t s r e s e r v ei so n eo ft h em a i na n c i l l a r ys e r v i c e s b e c a u s eo ft h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e r e s e r v ea n dt h ee l e c t r i c i t yp r o d u c t ，i ti sn e c e s s a r yt of o r mas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e r e s e r v et r a n s a c t i o na n dp r i c i n gm e c h a n i s mi nt h ee l e c t r i c i t yi n d u s t r yd e r e g u l a t i o n ，a n di t i sa l s oe x t e r n a ln e e dt om a i n t a i nt h ep o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y f o c u s i n go nt h er e s e r v et r a n s a c t i o na n dp r i c i n gm e c h a n i s mb e i n gf i t f o rt h e d i f f e r e n tp h a s eo ft h ed e r e g u l a t e de l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h i sp a p e rh a sm a d ed e e pr e s e a r c h o ft h ef o l l o w i n ga r e a s ： 1 t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h er e s e r v ep r i e i n gm e c h a n i s ma r ed i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h er e a l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i o nc o s t sa n dt h em a r k e tp r i c e ，t h ed i r e c t a n di n d i r e c tr e s e r v ec o s t so ft h ed i f f e r e n tf o r m sp r o v i d e db yt h ed i f f e r e n t g e n e r a t o r sa r ea n a l y z e d ，a f t e rt h a tt h er e s e r v ep r i c i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h e i n d i v i d u a lr e s e r v ec o s t si sf o u n d e d ，a tt h es a m et i m e ，t h er e a l i z a b l er e s e r v e p r i c i n gf l o wb a s e do nt h ei n d i v i d u a lr e s e r v ec o s t si sd e s i g n e d t h i sr e s e r v e p r i c i n gm e c h a n i s mi sm o r ea p p l i c a b l ea tt h eb e g i n n i n go ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t r e f o r mi nc h i n at oe n s u r eaf a i rc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n to ft h ee l e c t r i c i t y m a r k e ta n da ne f f e c t i v er e s e r v es u p p l yo ft h ep o w e rs y s t e m 2 u s i n g o n eo ft h ea l l o c a t i o n t h e o r y s o fm o d e r n m a n a g e m e n tt h e o r y ： a u m a n n - s h a p l e yv a l v em e t h o d ，t h er e s e r v ea u m a n n - s h a p l e yp r i c i n gm e c h a n i s m b a s e do nt h er e s e r v ec o s t sa l l o c a t i o na n dc o n s i d e r i n gt h eo fr e s e r v eb e n e f i t si s p u tf o r w a r d ，w h i c hm a k e st h er e s e r v ep r i c ec a nr e f l e c tt h em a r g i n a lr e s e r v ec o s t s a n dt h em a r k e tp r i c eo fe l e c t r i c i t ya tt h es a m et i m e b a s e do nt h er e s e r v e a u m a n n - s h a p l e yp r i c i n gm e c h a n i s m ，t h ej o i n to p t i m i z a t i o nm o d e lo fe l e c t r i c i t y m a r k e tw i t hr e s e r v em a r k e t c o n s i d e r i n gr e s e r v ea u m a n n - s h a p l e yp r i c e i s f o u n d e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fr e s e r v ea u m a n n s h a p l e yp r i c eo nt h eb i d d i n g s t r a t e g i e s o fg e n e r a t o r si s a n a l y z e d t h er e s e r v ca u m a n n - s h a p l e yp r i c i n g m e c h a n i s ma v o i d st h el o c a l i z a t i o no ft h er e s e r v ep r i c i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h e i n d i v i d u a lr e s e r v ec o s t sa n di sp r o p i t i o u st oa c c e l e r a t et h ef o u n d a t i o n o fa 兰! ! 皇垄奎堂堕主兰焦笙塞塑塞 c o m p e t i t i v er e s e r v em a r k e t ，a tt h es a m et i m e ，t h es t u d yg i v e san e wi d e ao fo t h e r a n c i l l a r ys e r v i c e sp r i c i n g 3 i no r d e rt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fs o l v i n gt h et r a n s a c t i o n so p t i m i z a t i o no ft h e r e s e r v em a r k e t s ，t h ei d e ao fd e c o m p o s i n gt h er e s e r v em a r k e t sm o d e ld e s i g ni n t e r mo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n tr e s e r v et y p e si sp u tf o r w a r d ，w h i c h m e a n sf o ri n s t a n t a n e o u sr e s e r v ew h i c hh a st h es t r o n g e s tc o u p l i n gw i t he l e c t r i c i t y ， p o o l c om o d e lr e s e r v em a r k e tm o d e li ss e l e c t e d ，a n df o ro t h e rr e s e r v et y p e s ，t h e b i l a t e r a lc o n t r a c t sm o d e lr e s e r v em a r k e ti ss e l e c t e d f o ri n s t a m a n e o u sr e s e r v e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n s t a n t a n e o u sr e s e r v es u p p l i e db ya g cu n i t sa r ea n a l y z e d a n dt h ej o i n to p t i m i z a t i o nm o d e lo fi n s t a n t a n e o u sr e s e r v em a r k e ti s d e s i g n e d ， w h i c hc a ng i v en a t u r a ll e a dt oa g cu n i tf o rt h eb i d d i n gb e h a v i o r sa n df o r mt h e r e a s o n a b l ep r i c ea n dr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no ft h er e s e r v es o u r c e s f o ro t h e r r e s e r v et y p e su s i n gb i l a t e r a lt r a d e s ，t h er e s e r v er e s p o n s i b i l i t i e sa r ed i s t r i b u t e d b e t w e e nt h eg e n e r a t i o ns i d ea n dt h ec o n s u m e rs i d eb a s e do nt h ed i f f e r e n t i n f l u e n c eo ft h er e s e r v eo nt h ep r o d u c e rs u r p l u sa n dt h ec o n s u m e rs u r p l u s ，a tt h e s a m et i m e ，s e v e r a lm e t h o d so ft h er e s e r v er e s p o n s i b i l i t i e sa l l o c a t i o nt ot h e i n d i v i d u a l so ft h eg e n e r a t i o ns i d ea n dt h ec o n s u m e rs i d ea r eb r o u g h to u t t h e m u l t i a g e n tb a s e dm a t c h m a k i n gt r a n s a c t i o nm o d e li si n t r o d u c e df o rt h eb i l a t e r a l r e s e r v er e s p o n s i b i l i t i e st r a d e s ，t h ef u n d a m e n t a l sa n dm e a s u r e st od i s p a t c ht h e g e n e r a t o r sw h e nt h er e s e r v e sa r en e e d e db yt h ep o w e rs y s t e ma r ep u tf o r w a r d t h eb i l a t e r a l c o n t r a c t sm o d e lr e s e r v em a r k e tb a s i n g o nt h er e s e r v e r e s p o n s i b i l i t i e sp r o v i d e saf e a s i b l ep r o j e c tf o rt h er e s e r v em a r k e tc o n s t r u c t i o n a n dl a y saf o u n d a t i o nf o rt h em o r ec o m p e t i t i v er e s e r v em a r k e ti nt h ef u t u r e 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so fi n t e r r u p t i b l el o a db e n e f i t s ，t h er e s e r v em a r k e tw i t ht h e i n t e r r u p t i b l el o a da n dt h eg e n e r a t o ra s ap a r t i c i p a n ti s d e s i g n e d ，a n dt h e l o c a l i z a t i o no ft h ec u r r e n to p t i m i z a t i o nm o d e lf o rt h i sk i n do fr e s e r v em a r k e ti s a n a l y z e d b e c a u s et h ee x i s t i n go p t i m i z a t i o nm o d e lo n l yt a k e st h et o t a lc o s to f r e s e r v ei n t oa c c o u n ta n dd o e s n tc o n s i d e rt h ed i f f e r e n c eo ft h er e s e r v ec o m i n g f r o mt h eg e n e r a t o r sa n dt h ei n t e r r u p t i b l el o a d ，p a r e t oo p t i m a l i t ym e t h o df o rt h i s k i n do fr e s e r v em a r k e ti sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hc a no b t a i nt h em a x i m a lu t i l i t y a tt h es a m ep u r c h a s ec o s ta n dr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no ft w ok i n d so fr e s e r v e f r o mi n t e r r u p t i b l el o a da n dg e n e r a t o r s k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，a n c i l l a r ys e r v i c e ，r e s e r v e ，p r i c i n gm e c h a n i s m 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电力市场备用服务交易与定价机 制研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 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。 签名：丑日 量二1 日 期 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：学校有权 保管、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、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：z ! 吐：1 2 - 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 1 1 论文的研究背景 1 。1 。1 电力工业改革 第一章引言 电力工业改革是一个世界性的变革，是电力工业在经历了百余年平稳发展之后， 面临的一次历史性的大冲击。 国际上，电力体制改革的实践始于智利( 1 9 8 6 年) 。之后，在2 0 世纪9 0 年代 初期，以英国为首的主要发达国家和一些发展中国家不同程度地开始着手进行电力 体制改革，影响比较大的有英国( 1 9 9 0 ) 、新西兰( 1 9 9 0 年) 、美国( 1 9 9 2 年) 、澳 大利亚( 1 9 9 3 年) 、挪威( 1 9 9 1 年) 、瑞典( 1 9 9 2 年) 等国家。目前，众多国家都 在积极探索适合本国国情的电力市场化改革之路，其间积累了不少成功的经验和失 败的教训m ，3 ，“。 英国的电力市场运营实践和发展一直为世界所瞩目。英国电力市场在经历了私 有化过程及建立p o o l 模式的市场结构1 0 年后，又在公共事业法案2 0 0 0 1 的指导 下有了掰的改革举措，电力市场的框架和工业结构发生了根本变化：设立了新的管 理机构“o f f i c eo f g a sa n de l e c t r i e i t ym a r k e t s ”和新的用户组织“e n e r g yw a t c h ”；实 施了新的电力交易规则n e t a ( n e we l e c t r i c i t yt r a d i n ga r r a n g e m e n t ) 酗，7 】；配售电业 务分开，实现了用户侧市场的完全开放；引入了新的经营执照标准；重新规定了所 有市场参与者的权力和义务。 英国新的电力市场模式给英国电力工业带来了新的生机和活力。n e t a 以双边 合同为主，完全取代了集中交易的p o o l 模式，双边交易的地点、时间、数量、方式 都非常灵活，目前双边交易量已占整个市场总交易量的9 7 左右，n e t a 模式还包 括平衡市场和不平衡结算机制。英国电力市场目前已实现了配、售电业务的彻底分 开，出现了若干个地区配电系统运营商和售电商。不同规模的用户都可自由选择售 电商，实现用户侧市场的完全竞争。目前。配、售电业务方面竞争激烈，配、售电 公司之间的重组或并购时有发生。这种全新的市场机制实行以来，取得了显著的成 效，主要体现在电价明显下降、系统运行平稳、用户拥有更多的主动权并且保证了 应得利益。除了取得上述成绩外，英国电力市场的新模式也存在些问题，主要体 现为在竞争更加激烈的市场机制下，一些发电企业和电力公司遇到了竞争的压力而 难以为继，市场规则在某些方面还不尽完善。 第一章引言 北欧电力市场是迄今为止世界上唯一具有实质性意义的多国电力市场，它的建 立虽然晚于英国电力市场，但已经是一个被世界上大多数国家公认的成功典范。北 欧电力市场首先由挪威和瑞典两国于1 9 9 3 年发起建立，而后丹麦、芬兰也加入到该 行列中。 北欧电力市场只设立了唯一的一个交易机构一北欧电力联营公司o r dp o o l a s a ) ，为北欧联营市场的参与者提供了交易平刨8 , 9 , 1 0 。分属于4 个国家的5 个主干 电网公司设立了电力调度机构输电系统运营者( t s o s ) ，负责实时市场和辅助 服务市场的运营，各国国内的区域电网公司和地方电网公司也设有电力调度部门， 服从上一级主干电网公司的统一调度。参与电力市场的市场主体包括：既拥有地区 供电网络，又拥有自己的发电厂的一体化电力公司、只拥有发电厂，不拥有供电网 络的电力公司、电力零售商和一些终端用户，他们可以分别申报购、售电量及价格。 需求与供给相互影响的结果形成平衡价格，这一经典的均衡价格原理阐述了北欧电 力改革的基本特点。目前，北欧电力市场包括集中的北欧联营市场、电力批发市场、 零售市场，以及实时市场和辅助服务市场。市场成员可以选择交易的市场和交易电 力商品的种类。选择交易伙伴的自由度、商品的种类、电力交易的流动性和输电系 统运营商的合作态度，促进了电力交易，对于活跃北欧电力市场起到了巨大作用。 非强制性的电力联营交易市场与物理合同的或金融合同的双边市场和o t c ( 即柜台 交易) 市场并存、所有品种电力商品的市场都向用户开放，是北欧电力市场的最重 要特征。 在美国，2 0 0 0 年加州发生的电力危机反映出了许多电力市场建设中需要注意的 问题，为我们提供了很好的警示【1 1 , 1 2 , 1 3 , t 4 , 1 5 ：而p j m 电力市场【1 6 , 1 7 的成功与加j 1 电 力市场形成了强烈对比，成为美国现阶段标准电力市场【l8 】设计的样板，也倍受各国 电力市场设计和研究人员的关注。在p j m 电力系统中，电网的所有权独立，但电力 调度机构与电力交易机构是一体化运作的，统称为联络办公室( p j m o i ) ，这种i s o 与p x 相结合的方式，也称为“i s o 内嵌p x ”。p j m 电力市场可细分为电能量市场、 容量信贷市场( c c m ) 、金融输电权市场和辅助服务市场，其中的容量信贷市场在 提供长期的经济信号、引导发电公司的投资行为以及激励外部资金的进入等方面发 挥了重要的作用。 在澳大利亚，1 9 9 3 年3 月，新南威尔士州电力市场正式投入运行；1 9 9 8 年1 2 月，澳大利亚国家电力市场( n a t i o n a le l e c t r i c i t ym a r k e t ，n e m ) 开始运作，取代了 各州的电力市场【1 9 , 2 0 j 。澳大利亚国家电力市场采取以电力联营体为核心的批发市场 模式，与英国早期的p o o l 最大的不同在于，澳大利亚的供电方与发电公司同时参 加电力联营市场的竞争。澳大利亚电力市场为市场成员规避全电量竞争带来的市场 2 华北电力大学博士学位论文 风险，建立了多种电力金融衍生品的交易市场，包括差价合约交易、期权交易等。 多年来，各国的电力改革道路各有不同，电力市场模式丰富多样，各国的专家 学者都在热烈讨论和积极探索着电力市场化这一热点课题，观点各异，而唯一能统 一的认识就是：没有普遍适用的电力市场模式，必须根据本国的具体情况进行设计， 逐步完善，这既是现实情况的总结，也是合乎逻辑的结论。 随着我国经济的发展和科学技术水平的提高，引入竞争机制、逐步走向市场化 运作，已成为电力工业发展的大趋势。9 0 年代初电力市场叩响了我国的大门，我国 的电力工业也逐渐走上了市场化的发展道路。国务院在2 0 0 2 年4 月颁发的我国电力 体制改革方案则更进一步明确了改革的总体目标和任务。 国务院关于印发电力体制改革方案的通知( 国发 2 0 0 2 1 5 号) 中明确指出： “改革的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制， 优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，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。十五期间电力体制改革的主要任务 是；实施厂网分开，重组发电和电网企业；实行竟价上网，建立电力市场运行规则 和政府监管体系，初步建立竞争、开放的区域电力市场，实行新的电价机制：制定 发电排放的环保折价标准，形成激励清洁电源发展的新机制：开展发电企业向大用 户直接供电的试点工作，改变电网企业独家购买电力的格局；继续推进农村电力管 理体制的改革。” 2 0 0 2 年1 2 月2 9 日，中国电力工业新组建( 改组) 的国家电网公司，南方电网 公司，5 家发电公司和4 家辅业集团公司在北京正式成立，标志中国电力工业改革 和发展进入了一个新的历史阶段。目前，我国电力行业厂网分开的格局已形成，五 大发电公司在发电侧电力市场中占据了市场份额的绝对比例，两家电网公司拥有并 负责我国输配电网的运营。同时，随着电力工业市场化改革的不断深入，电力监管 机构应运而生，电力监管委员会的成立标志中国现代电力监管体制正式成立并运行。 目前，我国东北电力市场、华东电力市场两大区域电力市场已经开始了试运行， 同时其他各大电网也在积极探索着适合本网特点的电力市场实施方案。不可否认的 是，在我国过去两年各地区出现不同程度的供电紧张的局面之后，我国的电力市场 化改革曾面临巨大的考验。电荒危机、煤电之争、电价矛盾等问题的凸现也引发了 更深层次的思考，如何在不同的供求形势下推进电力市场改革成为我国政府、电力 行业各部门以及众多专家学者关注的焦点。 3 第一章引言 1 1 2 辅助服务及其市场化 在各国电力工业市场化改革的大背景下，辅助服务的市场化问题应运而生，成 为电力市场领域的重要研究内容。 对于辅助服务的确切定义，目前国际上并未完全统一。按照北美电力可靠性委 员会( n o r t ha m e r i c a ne 1 e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ，简称为n e r c ) 的定义，辅助服 务是指实现电力系统中买方和卖方之间电能交易的必需的系统服务；按照英格兰一 威尔士电力市场中的定义，辅助服务是指保证输电系统的安全性和稳定性所必需的 服务，这些服务来源于不同的提供方，使系统维持正常的电压和频率，以及在系统 出现事故时能够保证恢复供电。 虽然不同国家对辅助服务的定义有一些差别，但般来说，辅助服务是指为了 保证电力系统安全、电力交易和电力供应，由发电商或其他提供方提供的除正常电 能生产之外的额外服务【2 u 。 不同电力工业结构所需的辅助服务不尽相同，这是由于辅助服务的供应是由电 力系统需要决定的，系统的协调方式、电力生产结构、电网结构、管理模式等的不 同都会使系统所需的辅助服务有一定的差别 2 2 1 。目前国际上，对辅助服务的分类方 法也较多，如：认为辅助服务包括：备用服务( 含自动发电控制) 、无功电压控 制、系统恢复服务( 含黑启动) 【2 3 】；认为辅助服务包括：频率和联络线潮流控制、 电压控制和无功支持、系统的有功无功备用和其它系统安全控制措施【2 4 1 ；将辅助 服务分为：调峰、调频、无功和黑启动 2 5 1 ；将辅助服务分为：频率控制、网络 控制、系统恢复2 6 1 ；将输电损耗、负荷管理也归为辅助服务的内容 2 6 , 2 7 】。上述的 辅助服务分类方法在各国的电力市场中均有应用。 应该认识到：由于电源结构、电网结构、负荷分布和负荷特性的不同，不同的 电力市场所需要的辅助服务种类和数量也不相同，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；甚至在同一个电力市场中，所需要的辅助服务也会随 着市场的变化而变化，这种变化包括上述电源和电网结构的变化、电力供需形势的 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吸取的经验 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定义的辅 助服务也存在着分歧，一个恰当的定义应该得到电力市场中所有参与方，包括各个 电网公司、发电公司、系统调度交易管理机构以及电力用户的认可；另外，由于各 种辅助服务间存在着复杂的关联关系，当划分的界线不同或者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。 发达国家电力市场的构建比我国早，特别是英国、美国、澳大利亚、北欧各国 4 华北电力大学博士学位论文 已经有相对完善的电力市场和一定的市场运行经验，这些国家的电力工业市场化改 革过程中，除建立了电能量市场外，已经将辅助服务视为电力市场中一种特殊的商 品，进行了辅助服务的市场化改革，并建立了部分类型辅助服务的竞争市场，通过 市场竞争获取辅助服务，以提高辅助服务的质量和效率，降低电力系统的总体运行 成本。 根据国际上电力市场的运营实践，已实现市场化的辅助服务多为发电侧电力市 场的辅助服务，即由发电企业提供的调频、备用、无功支持和黑启动。这也是电力 体制改革带来的需要。在传统的垂直一体化的电力工业体系中，辅助服务的提供由 电力调度机构统一安排，发输配售统一核算，作为辅助服务主要提供者的发电厂， 无须得到额外的辅助服务经济补偿；而电力体制改革后，发电厂和电网经营企业都 成为相对独立的市场主体，在电力市场环境下，各个市场主体最关心的是企业的成 本和效益，虽然电力生产的特点与电力经济的特性，使发、输、配、售共处一网， 密不可分，安危悠关，相互依存，但是市场化的经济规律已经切断了发电和输电之 间的资产纽带关系，作为独立的市场主体提供了辅助服务就要求得到相应的经济补 偿，否则就会影响市场主体提供辅助服务的积极性，影响电力系统辅助服务的充裕 性，进而危及电网的安全运行。 1 2 备用服务交易与定价机制研究的意义 1 2 1 电力市场辅助服务研究的必要性 自网络化、规模化的近代电力系统形成以来，辅助服务即成为电力系统的一个 基本物理需求，与电力系统的可靠性息息相关。电力系统的可靠性是指评估电力系 统按可接受的质量标准和所需数量不问断地向电力用户供电的能力的度量，电力系 统可靠性包括充裕度和安全性两个方面【2 8 1 。充裕度( a d e q u a c y ) 是指电力系统根据用 户需要，以元件额定容量和允许的电压变动范围为制约条件，同时考虑列在计划的 和非计划的系统元件停运及运行操作的制约条件下，为用户不间断地提供电力和电 量的能力。充裕度也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力系统满足用户电力 和电量需求的能力。安全性( s e c u r i t y ) 是指电力系统承受突然发生的扰动( 例如突然 短路或非计划地失去系统元件) 的能力。安全性有时也称动态可靠性，也就是在电 力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电量的能力。安全性的另一个 方面指系统的整体性，即电力系统维持联合运行的能力。电力系统的整体性往往与 维持系统连续运行的能力有关，在遭受突然扰动时，一旦整体性遭破坏，往往可能 导致稳定性破坏，不可控的系统解列，最后造成系统大面积停电。 5 第一章引言 在传统的垂直一体化的电力系统中，电力公司在系统电源规划、电网规划、调 度运行等环节中均要考虑系统的可靠性指标。同时研究电力系统可靠性水平与经济 效益的关系，通过估计停电损失、调查分析典型重大电力系统事故、可靠性投资和 可靠性效益分析等方法，把可靠性技术和经济分析联系起来。通过定量评估进行协 调，力图使电力系统的综合效益达到最佳。传统的垂直体化的电力系统管理体制 使得实现该目标成为可能。 在电力改革迅速开展后，电力系统的可靠性得到了越来越多的关注，一方面， 电力系统的横向纵向“解捆”以及电力市场中各种因素导致的系统运行的不可预知 性引发了潜在的系统可靠性的降低。而另一方面，电力市场中各个主体从自身利益 出发，对系统的可靠性的要求越来越高。因此，随着电力市场改革的不断深入，与 电力系统可靠性密切相关的辅助服务问题得到了越来越多的关注。 电力系统的横向纵向“解捆”以及电能量市场形成之后，大部分辅助服务的提 供方是电能量市场中的竞争主体，他们以自身利益最大化为目标参与市场竞争，在 没有规范的辅助服务市场的情况下，辅助服务的供给只能依靠系统运行员的强制命 令。而这种依靠强制命令的方式在一定程度上可能会丧失公平性。原有的调度管理 体制下的辅助服务计划方式已经日益表现出与电力市场整体环境之间的矛盾。 市场机制引入电力工业需要电力市场的多元化和电力商品的多样化，而将辅助 服务作为一类电力商品，建立辅助服务市场有其必要性。辅助服务是保证电力系统 可靠性不可缺少的重要技术手段，将其商品化有助于为系统获取充足的辅助服务提 供新的途径；由于辅助服务的提供方提供辅助服务的能力和成本存在差异，将竞争 引入辅助服务领域是可行的；将竞争形成价格的方式引入辅助服务领域，有助于激 励辅助服务提供方提高效率、进行技术革新；大多数的服务由同样的设备( 发电机) 提供，这些设备参与着电能量市场的竞争，辅助服务市场的建立有助于这些设备的 所有者进行提供电能量与提供辅助服务之间的协调；辅助服务的成本并不是微不足 道的；建立辅助服务市场，能够使辅助服务的机会成本、运行成本、随时间变化的 辅助服务需求和价格、用户特殊的辅助服务需求等更加明晰化；辅助服务成为商品 后，发电商、用户能够对辅助服务的价格信号产生反映，对提高系统的可靠性产生 良性的影响。 正是由于上述的原因，随着电力市场的发展，将辅助服务作为电力市场中一种 独特的商品参与市场交易，使提供辅助服务成为一种商业行为的观念得到了越来越 多的认可。并且世界范围内的大多数电力市场已经建立并运作辅助服务市场。但由 于辅助服务是电网安全、稳定运行的必备服务，并与电能量产品的生产和交易耦台 紧密，而且涉及面广，种类较多，因此，电力市场辅助服务的研究是一个复杂的课 6 华北电力大学博士学位论文 题，辅助服务的市场化也是一项复杂的系统工程。辅助服务市场化的研究在全世界 范围内是一项受到密切关注但尚处于研究初期的课题，我国的电力市场的理论研究 尚未成熟、实践也处于探索阶段，有诸多问题需要解决，电力市场辅助服务问题也 是我们面临的挑战之一。 1 2 2 电力市场辅助服务研究的复杂性 电力市场辅助服务研究的复杂性源于辅助服务自身的复杂性。 首先，辅助服务本身即是一项复杂的技术。辅助服务与发电、输电、配电、用 电各个环节密不可分，无论是从辅助服务的供给，还是从电网的运行和控制以及辅 助服务的量测和监视等角度来看，辅助服务技术的复杂程度都要高于电能量。特别 的，在电力市场竞争开展后，电网运行方式变化快速、复杂，而各种辅助服务之间 以及其与电能量之间存在的耦合关系使电网运行和控制难度加大，电力调度交易中 心往往需要采用系统方法协调运用多种辅助服务。另外，从安全上讲辅助服务是一 把“双刃剑”，辅助服务是电力系统安全稳定运行、电力市场稳定运营的重要保障， 但提供辅助服务本身也存在安全阅题，这里既包括提供辅助服务本身对设各安全的 影响，也包括提供辅助服务对整个电网安全运行的影响问题。试验和实践表明，发 电设备提供调频、进相运行等服务将影响设备的使用寿命，同时也会增加机组运行 的复杂性，对保障机组稳定运行带来一定的挑战。另外，辅助服务品种多样，而且 往往需要快速的启、停、调节等复杂操作，涉及面广，对电网也不无冲击，辅助服 务的提供过程中任何一个不慎的操作或者设备故障都有可能成为电网的不安全因 素。特别是发电竞争的引入和电网的开放及新技术的应用，增加了电网运行和控制 的复杂性，因而会产生一些新的可能引起电网功角不稳定、电压不稳定、过负荷和 电力系统崩溃等问题的因素。 其次，辅助服务成本的量化困难。发电厂为系统提供辅助服务而产生的燃料、 材料、人工、设备磨损、承担的风险等方面的消耗与支出需要得到补偿，而对这些 成本和风险进行量化有很大难度，特别是设备磨损的量化更为艰难，如调频要求机 组负荷以秒级的速度变化，必须考虑爬坡速率对汽机和进气阀组件以及对锅炉带来 的影响，其成本应该以热耗率变差、汽机阀门和叶片的损伤、锅炉降低效率等一系 列因素来确定。无功支持辅助服务更加复杂，发电机增发无功，发电机的能量损耗 增加，而无功功率的微增损耗是高度非线性的：增发无功，会增加发电机转子与定 子电流，不但会增加能量损耗，也可能会增加发电机振动，电流引起的温升会导致 绕组变形或绝缘老化，这些损害机理都会引起设备磨损，缩短发电机主要设备的使 用寿命，而老化及磨损的量化是很困难的；无功功率增加，会使发电机开断的几率 7 第一章引言 增加，引发很大的无功可靠性费用，而这种费用的评估，需要研究无功容量与无功 电量对发电机可靠性的影响，增加了量化难度。 正是由于上述原因，电力市场辅助服务问题涵盖面广，内容极其丰富，问题的 复杂程度和研究难度也很大，相应的，辅助服务市场的实现也较e g f l l 市场更具难 度。 1 2 3 备用服务交易及定价机制研究的现实意义 在电力市场辅助服务的研究中，辅助服务的交易方式和定价机制一直是一个重 要问题，在国际上已经运行的电力市场中，不同的国家和地区也根据自身的特点采 用了不同的辅助服务交易与定价方式。目前，国内外对辅助服务交易方式和定价机 制这一问题的研究和应用主要集中在备用服务上，这与备用服务的特性密切相关。 备用服务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： ( 1 ) 如果从备用的目的划分，备用可以分为负荷备用、事故备用、检修备用和 国民经济备用。 ( 2 ) 从运行状态来看，备用机组无非以热状态或冷状态存在，分别称为热备用 和冷备用。由于水电机组、燃气轮机具有快速启动的特性，因此它们的冷热备用的 启动时间的差别并不大。但对于同一台火电机组，承担热备用和冷备用时的启动时 间则有很大差异，热备用启动时间明显短于冷备用。目前在我国的大部分电网中， 通常由低于装机容量运行的机组提供热备用，而冷备用由调度按照电网的需要指定 机组提供。 ( 3 ) 从本质上讲，各种各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、l o m i n 旋转备用、l o m i n 非旋转备用、3 0 m i n 备用、6 0 m i n 备用( 注： 在我国的系统中一般没有1 0 m i n 备用的挡位，通常是以1 5 m i n 、3 0 m i n 为时间界线) 和替代备用 2 9 1 。其中的瞬时响应备用即指调频备用，替代备用代是指维持系统一 2 安全约束的容量【2 9 】f 3 0 】。 ( 4 3 还需要说明的一点是：根据增减出力的调整方向，备用可分为上备用和下 备用，上备用指机组可增加出力的容量空间，下备用指机组可减少出力的容量空间， 分别满足系统实际负荷需求大于，j 、于现有机组出力的情况。在目前有关辅助服务市 场的讨论中，以上备用服务的研究为主。 8 华北电力大学博士学位论文 无论采用何种细分方式，备用服务都是辅助服务的重要内容，在维持电力系统 的安全可靠性、提高系统运行质量等方面具有举足轻重的作用。电力市场环境下， 系统备用的获取遇到了许多新的挑战，由于备用与电能量耦合性强，发电公司是否 愿意提供备用服务将越来越取决于自身的经营目标、机组的技术特性以及市场的激 励机制。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 并没有参与备用辅助服务的积极性。我国目前的发电侧电力市场仅限于电能量市场， 将市场机制引入备用服务领域，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