（电气工程专业论文）市场条件下辅助服务补偿机制的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 辅助服务作为一种特殊的商品，对确保系统安全和保证电能质量至关重要。辅助服 务市场既要与电能量市场保持一致性，又要结合辅助服务自身的技术、经济的特殊性， 并且紧密联系电力系统和电力市场的发展，分阶段逐步地建设和完善。 论文研究了国内外电力市场中辅助服务的运作情况，得出辅助服务的成本并不是微 不足道的，辅助服务的费用在市场中占有较大的比例，文中分别对备用服务、调频服务、 无功支持服务和黑启动服务进行了成本分析，从而为研究辅助服务的补偿办法提供了依 据。论文在详细分析内蒙古电力系统实际情况的基础上，提出了内蒙古在电力市场初期， 不宜开展竞争性辅助服务交易，但应该改变完全出调度通过行政等手段安排辅助服务的 状况，辅助服务的获取手段的确定要结合不同类型的辅助服务的各自特点，对提供辅助 服务的发电厂进行相应的补偿，论文中给出了现阶段内蒙古辅助服务管理办法。最后， 论文对辅助服务市场的发展进程进行了初步的探讨。 关键词：电力市场，辅助服务，补偿机制 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e i n gt h es p e c i a lm e r c h a n d i s ei ne 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 sa r oc r u c i a lt oe n s u r es y s t e m s e c u r k ya n dp o w e rq u a l i t ya n c i l l a l ys e r v i c em a r k e ts h o u l df i r s t l ym a i n t a i nu n i f o r m i t yw i t he n e r g ym a r k e t , a n di ts h o u l db eg r a d u a l l yb u i l ta n di m p r o v e ds t a g eb ys t a g e ，u n i f y i n gi t so w nt e c h n i q u ea n de c o n o m i c p a r t i c u l a r i t y , a sw e l la sc l o s e l yr e l a t i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ma n de l e c t r i c i t ym a r k e t t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rs t u d i e dt h eo p e r a t i o ns i t u a t i o no fa n c i l l a r ys e r v i c e si no v e r s e a se l e c t r i c i t y m a r k e t s ，a n di ti sc o n c l u d e df r o mt h es t u d yt h a tt h ec o s to f a n c i l l a r ys e r v i c e sc a n n o tb en e g l i g i b l e ，b e c a u s e a n c i l l a r ys e r v i c e sh o l dal a r g ep r o p o r t i o ni nt h em a r k e t + i h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h ec o s to f r e s e r v es e r v i c e ， l o a df r e q u e n c yc o n t r o l l i n gs e r v i c e ，r e a c t i v ep o w e rs u p p o r t i n gs e r v i c ea n db l a c ks t a r ts e r v i c e t h er e s u l t s a r ep r o v i d e da st h eb a s i sf o rr e s e a r c hi nc o m p e n s a t i n gm e c h a n i s mo f a n c i l l a r ys e r v i c e s b a s e do nd e t a i l e d a n a l y s i so f t h es i t u a t i o no fl m a e rm o n g o l i a sp o w e rs y s t e m ，t h ep a p e rs u g g e s t st h a ti nt h ei n i t i a lp e r i o d ，i ti s n o ts u i t a b l yt ol a n n c hc o m p e t i t i v et r a n s a c t i o n s ，b u tt h ec a s et h a ta n c i l l a r ys e r v i c e sa r ea l la r r a n g e db y d i s p a t c h i n gd e p a r t m e n tw i t ht h em e t h o do fa d m i n i s t r a t i v ep o l i c ys h o u l db ec h a n g e d t h em e t h o dt o p u r c h a s ea n c i l l a r ys e r v i c es h o u l db ed e c i d e dw i t he a c ha n c i l l a r ys e r v i c e so w nc h a r a c t e r i s t i c st a k e ni n t o a c c o u n t ，a n dt h e np r o p e rc o m p e n s a t i o ni st ob ep a i dt ot h ep l a n t st h a to f f e ra n c i l l a r ys e r v i c e t h i sp a p e r a l s og i v e st h ep o l i c i n gm e t h o do fi n n e rm o n g o l i a sa n c i l l a r ys e r v i c e sa tp r e s e n ts t a g e a tl a s t ，t h i sp a p e r p r e l i m i n a r yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to f a n c i l l a r ys e r v i c em a r k e t 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 ，c o m p e n s a t i n gm e c h a n i s m 2 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文市场条件下辅助服务补 偿机制的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至之聱 日 期：垣复，! ! ! 型 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： 口期 导师签名： 日期： 星磕 翠立斗_ 一 华北电力大学硕士学位论文 第一章辅助服务概述 1 1 辅助服务的定义及分类方法 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、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 到电力市场中所有机构( 各个电网公司、发电公司、系统调度佼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吲1 】【2 】。 目前国际上对辅助服务的确切定义并未完全统一。按照北美电力可靠性委员会 ( n o r t h a m e r i c a ne l 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，但一般来说，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 产之外的服务。 同时，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) ；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；将辅助服务分为：调峰、调频、无功和黑启动；将辅助服务分为：频率 控制、网络控制、系统恢复；将输电损耗、负荷管理也归为辅助服务的内容。上述的 五种辅助服务分类方法在世界各国的电力市场中均有应用。 通常情况下，辅助服务可区分为基于发电的辅助服务和非基于发电的辅助服务。其 中，基于发电的辅助服务包括频率控制、旋转备用、非旋转备用、黑启动等。而无功支 持和电压控制属于非基于发电的辅助服务，既可以由发电机提供也可以由安装在电网中 用户侧的其他无功补偿装置提供。 华北电力大学硕士学位论文 结合我国电力系统安全运行的实际需要，在我国电力市场发展初期，可以采取以下 辅助服务分类：备用服务、调频服务、无功支持服务和黑启动服务。以当前的市场结构 为基础、考虑辅助服务市场化的可实施性，可将我国电力市场中的这四类辅助服务定义 如下【3 l ： 1 1 1 备用服务 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，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 ) 但从本质上讲，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 m i n 旋转备用、1 0 m i n 非旋转备用、3 0 m i n 备用、6 0 r a i n 备用、冷备用。 ( 注：在我国的系统中一般没有1 0 r a i n 备用的挡位，通常是以1 5 m i n 、3 0 r a i n 为时间界 线) 其中的瞬时响应备用即指调频备用，将其从中分离出来，划分到调频一项中。 ( 4 ) 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，分别满足系统实际负荷需求大于小于现有机组出力的情况。 1 1 2 调频服务 调频也称频率控制是指发电机组提供足够的调整容量、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的不匹配，以满足系统安全对频率的要求。 在电力系统中，所有的发电机的原动机都装有自动转速调整器( 简称调速器) ，能自动 地将频率控制在一定的范围内，调速器的调频作用，一般称为频率的一次调整，是最基 本的调频措施，也通常被认为是发电机组必须提供的无偿服务。此外，为满足频率调整 的要求，还需要由人工或自动调频装置改变发电机的调速器特性，称为频率的二次调整。 自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a g c ) 机组在a g c 系统投运时，可 以提供自动的二次频率调整服务。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 3 无功支持服务 无功支持服务与电压控制联系紧密，它是指发电机组或电网中的其它无功源向系统注入或吸收 无功功率，以使系统正常运行时电网中的节点电压维持在允许范围内，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。一般情况下，发电厂在不影响有功发电能力的情况下提供的 无功服务被视为无偿服务；电网所提供的无功服务，可计入输配电服务中。 1 1 4 黑启动服务 黑启动是指电力系统发生全网性停电后，通过启动系统中具有自启动能力的机组来 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。 1 2 辅助服务的特征 辅助服务的特征包括了技术特征和经济特征。以备用服务为例，当试图用备用 的多少，备用的响应时间等来量化备用服务时，我们会发现某台机组提供的备用服 务的性能与机组的各种参数，如机组类型、额定容量、爬坡速率，以及机组的运行 状态，如冷热状态、当前功率等因素相关，辅助服务的这种特性即可称之为技术特 征。而经济特性则是指从成本或收益出发，提供辅助服务与提供电能量给机组带来 的经济收益上的差别和影响以及这种差别和影响的具体量化。在通常情况下，辅助 服务的技术特性独立于经济特性，而经济特性受制于技术特性。 辅助服务本身并不是由于电力市场的诞生而出现的新技术，因此也可以说，辅 助服务基本的技术特征和经济特征是与生俱来的。但在不同电力系统经营管理模式 下，辅助服务的经济特性要受到不同因素的影响和制约，有着不同的外在表现，进 而对电力系统的运行有着不同的影响。 在传统的垂直一体化的电力系统中，通常按地域建立起垄断性的集发电、输电、 配电和售电为一体的资产体系和垂直管理体系，由一家“电力公司”垄断一个或数 个地域的电力的生产、输送、分配和销售。此时，电力公司负责系统的运行，按照 系统供需情况和安全运行等约束条件以最小化总成本为目标来调度机组的发电以 及辅助服务的提供；集总的电价形式将辅助服务的成本融入到了电能量的成本中 去，而且由于所有的辅助服务提供方统归一家电力公司所有，也没有分离辅助服务 的成本与电能量成本、为辅助服务单独付费的驱动力。 在电力工业市场化以后，辅助服务置于市场环境下，其经济特征日益表现出与 华北电力大学硕士学位论文 原有的调度管理体制的矛盾。随着电力市场化改革的不断深入以及电能量商品市场 的建立，辅助服务问题也得到了越来越多的关注。由于提供辅助服务与提供电能量 对提供方的成本和收益有着不同的影响，原有的无偿的集中统一安排辅助服务计划 的方式不能够合理补偿提供方付出的成本，也在一定程度上影响着辅助服务提供者 的收益，这样的安排方式违背了电力市场的基本原则之一公平性。而同时，在 仅形成电能量市场的情况下，集中统一安排辅助服务计划的方式更多考虑的是与系 统安全可靠运行相关的约束条件。对总的辅助服务资源的优化考虑的较少，使电力 市场的优化简单地集中在电能量总成本的优化上，不能充分实现电力改革资源优化 配置的目标。 由上述简单的分析可知，电力市场环境下，辅助服务已经不再仅仅是运行调度 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，如果这一问题没有解决好，将对系统运行的可靠性和经济性造成重大 的影响。 1 3 国外辅助服务市场简介 不同的电力系统有不同的辅助服务需求，下面简要说明不同国家或地区的电力市场 中的辅助服务情况。 1 3 1 英国英格兰一威尔士辅助服务市场 在英格兰一威尔士1 4 5 1 自1 9 9 0 年进行电力私有化改革之后，所有的大型发电机( 包 括苏格兰的发电机) 都需要签订辅助服务合同为系统提供辅助服务。随后，电力工业结 构的变化增加了许多潜在的辅助服务的提供方，而同时，系统对辅助服务的需求量也有 所增加，这些变化都为辅助服务市场的建立奠定了基础。 在电力改革之初，辅助服务仍然通过强制提供的方式获取，并基于成本予以补偿。 随后，引入了竞争机制以及基于价值予以补偿的方法。自1 9 9 3 年，作为系统运行者的 国家电网公司( n a t i o n a lg r i dc o m p a n y ，简称为n g c ) 首先对备用实行了竞争投标。从 1 9 9 8 年4 月1 日起，针对无功、频率控制的竞争也开展起来，建立了相应的辅助服务市 场，规定了如何向提供的辅助服务的发电商支付辅助服务费用，同时鼓励并开始了负荷 侧提供辅助服务的竞争。 英格兰一威尔士电力市场的辅助服务分类与我国相似，包括频率控制、无功电压控 制、备用和黑启动。这些辅助服务分为两种提供形式，系统辅助服务和商业辅助服务。 系统辅助服务又分为两部分：强制性服务和必需服务。其中，强制性服务是指满足电力 4 华北电力大学硕士学位论文 系统运行最基本的服务。必需服务是指当由于发电机故障或者其他不可预知的事故导致 全部或部分输电系统停运时，能够支持系统恢复供电的服务，如黑启动服务。目前英格 兰一威尔士电力市场中，进入电力市场的大部分发电机都有义务提供强制性服务，在电 网法规和输电网络连接条件中规定了相关的技术要求。仅要求部分发电机提供必需服务 ( 主要指黑启动) ，鼓励发电机主动提供商业辅助服务。 1 3 2 北欧辅助服务市场 在北欧电力市场 6 1 中，辅助服务都是由各电网公司负责购买。北欧电力市场中的辅 助服务有义务服务( 无偿服务) 和非义务服务( 有偿服务) 之分。义务服务是指负荷控 制和由于事故造成大量的1 5 m i n 发电再调度，非义务服务包括发电机的频率特性响应、 发电机切机、1 5 m i n 发电再调度和快速响应备用。 在北欧电力市场中，除了调节市场和实时市场在交货前一小时至数小时间，根据超 短期市场的需求按小时进行平衡市场的交易之外，实时电力平衡主要是借助于发电机的 一次频率特性响应、发电机切机和1 5 m i n 再调度计划等手段实现。 发电机的频率响应包括发电机的一次频率特性响应和1 5 r a i n 快速频率响应。而电网 的快速响应备用是指电网公司购买的1 5 r a i n 快速频率响应能力。 电网公司负责按上述原则向辅助服务提供者支付辅助服务费用；并且，电网公司每 年通过协商方式与供电商代表商议辅助服务年费，并签订双边合同。 1 3 3 美国p j m 辅助服务市场 美国p j m 控制区跨越8 个州，p j m 电力市场面向p j m 控制区内外的成员开放，p j m 既是系统运行机构又是市场运营机构。目前，p j m 电力市场中共建立了两个辅助服务市 场：调节服务市场和旋转备用服务市场，其中调节服务即指a g c 服务。另外两种辅助 服务，黑启动和电压控制服务目前还没有建立相应的市场。 1 3 4 美国德克萨斯州辅助服务市场 美卧7 j 1 8 】嘲德克萨斯州的电力系统是一个相对独立的电力系统，仅有3 条直流输电 线与外州相连，但传输功率较小。在未进行电力改革前，德州电力系统共分成1 0 个控 制区域，这些区域之间仅存在紧急功率交换。在电力改革后，成立了统一的电力调度控 华北电力大学硕士学位论文 制中心i s o ( i n d e p e n d e ds y s t e mo p e r a t o r ) 和德克萨斯州电力可靠性委员会( t h ee l e c t r i c r e l i a b i l i t yc o u n c i lo f t e x a s ，简称e r c o t ) ，建立了电力市场_ e r c 0 tm a r k e t ，并于 2 0 0 1 年7 月3 1 日开始运营。 e r c o t 市场中的市场主体有i s o 、授权计划机构( t h eq u a l i f i e ds c h e d u l i n ge n t i t y ， 简称q s e ) 、电力公司( 包括发电公司、输电公司和配电公司) 、零售商和用户等。 目前，e r c o t 电力市场中的绝大部分( 约为9 5 ) 电力电量平衡是通过q s e 内部 的双边交易实现的，e r c o t 电力市场中不再运作电能量现货市场和实时市场。e r c o t 在o s e 提交交易计划后考虑实际运行中电力电量的平衡问题，辅助服务是e r c o t 解决 电力电量不平衡和输电阻塞等问题的主要手段。 e r c o t 电力市场协议共定义了1 1 种辅助服务，包括：向上调节服务、向下调 节服务、旋转备用服务、非旋转备用服务、替代备用服务、电量平衡服务、电压支持服 务、黑启动服务、保障可靠性的机组必须运行服务( r e l i a b i l i t y m u s t r u ns e r v i c e ，简称 r m b s ) ，优选顺序外的容量服务( o u t o f - m e r i tc a p a c i t ys e r v i c e ，简称o o m c ) 和优选 顺序外的电量服务( o u t - o f - m e r i te n e r g ys e r v i c e ，简称o o m e ) 。其中，o o m c 是指在 紧急情况下不按照供方的报价来选择的容量，在市场化的方法无法奏效时，e r c o t 利 用o o m c 提供容量以便使电量平衡服务的投标能够用于解决容量短缺、阻塞等问题。 与o o m c 类似，o o m e 是指e r c o t 在投标优选序列之外选择的服务，其作用是在市 场化的方法无法奏效时解决区域阻塞问题。 1 3 5 澳大利亚辅助服务市场 在澳大利亚1 6 】【1o 】国家电力法规的规定下，国家电力市场管理公司( n a t i o n a le l e c t r i c i t y m a r k e tm a n a g e m e n tc o m p a n y ，简称n e m m c o ) 有责任按照可靠性委员会制定的标准， 确保电力系统时刻安全、稳定、可靠地运行。为了履行这一责任，n e m m c o 以辅助服 务为主要手段负责管理电力系统的频率、电压等主要的技术特性。按照国家电力法规的 规定，n e m m c o 以下面两种方式向市场成员购买辅助服务： ( 1 ) 辅助服务市场计划； ( 2 ) 辅助服务协议。 澳大利亚国家电力市场中的辅助服务分为三大类：频率控制服务、网络控制服务、 系统恢复服务。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 4 国内电力市场辅助服务 国内曾模拟运行的六个试点的省级电力市场以及目前运营的区域电力市场中，均没 有以竞争的形式运作辅助服务市场，对适合我国国情的辅助服务市场的运营规则还处于 探索阶段。国内电力市场一般采取了由调度统一计划和安排机组提供辅助服务、对提供 服务的机组给予一定补偿的方式。下面仅以浙江电力市场为例，介绍国内电力市场中的 辅助服务。 浙江电力市场规则中，将辅助服务分为大扰动频率控制、正常频率控制、黑启动、 无功能力、强制备用五项。电力市场规则规定了市场成员在辅助服务上的义务与职责。 电网调度交易中心可以强制要求具有提供某种辅助服务能力的注册机组提供该类服务， 同时向其支付辅助服务费。对于提供辅助服务的市场成员所获的的相应补偿费用高于： 经论证被确认的辅助服务提供者在提供辅助服务时的交易机会成本( 例如为提供辅助服 务而损失的现货市场净收益或收益机会) 与可变的运营成本之和，以及当该类辅助服务 的市场价值可实际确定时的价值。对机组提供某项辅助服务的能力，电力调度交易中心 将按系统运行程序进行测试，如果发电商的机组不能满足性能标准时，电力调度交易中 心将减少该发电商的辅助服务费直到测试结果符合性能标准。 在国家电力监管委员于2 0 0 3 年6 月印发的关于建立东北区域电力市场的意见 中，有关东北区域电力市场中的辅助服务的内容为“进入区域电力市场的机组有义务承 担电力系统的备用、调频、无功等辅助服务”，初期，对备用、调频、无功等辅助服务 建立合理的补偿机制；中期，初步建立竞争性的备用和调频等辅助服务市场，完善无功 辅助服务补偿机制；远期，完善备用和调频等竞争性辅助服务市场”。 东北区域电力市场初期暂行的运营规则中，制定了适用于参与东北区域电力市场竟 价的发电机组的辅助服务补偿办法。将竞价发电机组向电网提供的辅助服务分为无偿服 务和有偿服务。无偿服务是竞价发电机组必须提供的基本辅助服务，是各竞价机组必须 履行的义务，不予补偿。有偿辅助服务是各竞价机组除基本辅助服务，额外向电网提供 的辅助服务，电网根据提供辅助服务的额度，对提供额外辅助服务的机组给予补偿。辅 助服务的补偿费用由差价资金支付。有偿辅助服务按日发布，按月结算。 1 5 建立辅助服务市场的必然性 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。 7 华北电力大学硕士学位论文 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。 在传统的垂直一体化的电力系统中，电力公司在系统负荷预测、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。传统的垂直一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的辅助服务的 计划方式已经日益表现出与电力市场整体环境之间矛盾。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问的协调；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 客 华北电力大学硕士学位论文 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，世界范围内的大多数电力市场中，已经越来越倾向于将辅助 服务作为一种特殊的电力商品，建立并运作辅助服务市场。而目前在我国，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，研究电力市场 中的辅助服务问题也是我们面临的挑战之一。 1 6 本文的主要工作 辅助服务市场作为电力市场的一部分，其市场目标、基本原则、政策导向等，既要 与电能量市场保持一致性，又要结合辅助服务自身的技术、经济的特殊性，并且紧密联 系电力系统和电力市场的发展，分阶段逐步地建设和完善。由于辅助服务对确保系统安 全和保证电能质量至关重要，辅助服务本身又具有复杂性和特殊的技术特征，因此系统 需要一定程度的辅助服务中心化控制和强制执行。论文围绕着在现阶段市场环境下的辅 助服务获取问题，在以下几方面做了一些工作： 1 通过研究国内外电力市场运营过程中对于辅助服务的定义、分类和特征，指出 辅助服务作为一种特殊的电力商品，建立并运作辅助服务市场是我国电力市场发展的必 然。 2 辅助服务的费用在市场中占有较大的比例，其成本大约为电能量生产成本的 5 l o ，因此，辅助服务的成本并不是微不足道，可以忽略不计的，有必要对其进行 详细准确的分析，以便为辅助服务的补偿和定价提供依据。论文分别对备用服务、调频 服务、无功支持服务和黑启动服务进行了成本分析。 3 论文在详细分析2 0 0 5 年和2 0 0 6 年内蒙古电力系统实际情况的基础上，提出了 内蒙古在电力市场初期，不宜开展竞争性辅助服务交易，但应该改变完全由调度通过行 政等手段安排辅助服务的状况，辅助服务的获取手段的确定要结合不同类型的辅助服务 的各自特点，对提供辅助服务的发电厂进行相应的补偿，论文中给出了内蒙古辅助服务 管理办法。 4 我国电力市场的主市场电能量市场尚处于建设的初期，很多问题都在不断 的探索中，辅助服务市场作为电力市场的一部分，必将随着电力市场的发展，分阶段逐 步地建设和完善。论文对辅助服务市场的发展进程进行了初步的研究。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章辅助服务的成本构成及分析 辅助服务的费用在市场中占有很大的比例，美国1 9 9 5 年的辅助服务费用约为1 2 0 亿美元，且辅助服务的成本大约为电能量生产成本的5 1 0 。由此可见，辅助服务 的成本并不是微不足道的。有必要对其进行详细准确的分析，以便为辅助服务的补偿和 定价提供依据。 这里按照我国电力市场中的辅助服务的分类方法，分别对备用服务、调频服务、无 功支持服务和黑启动服务进行成本分析。 2 1 备用服务的成本分析 2 1 1 备用服务的直接成本和间接成本 备用服务【1 1 】【1 2 】【1 3 1 的成本包括直接成本和间接成本两部分。其中，直接成本是指机 组提供备用服务的成本，主要包括设备投资和变动成本；间接成本指隐性的机会成本。 由于绝大部分提供备用服务的机组同时也在生产电能量，因此，备用服务的成本分 析必然要与电能量生产联系起来。按照机组发电成本与电能量市场边际价格的差异，备 用服务的提供方可分为竞价序列内机组和竞价序列外机组，分别指发电成本低于和高于 电能量市场边际价格的机组。这两类机组如果提供备用服务，则有不同的备用成本表现 形式，如图2 - 1 所示，该图描述了机组的发电成本与电能量市场边际价格的比较关系对 机组备用服务成本表现形式的影响。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 一l 提供备用服务机组的直接与间接成本 对于竞价序列内机组，它的发电成本低于电能量市场价格，则如果这些机组提供备 用服务，将产生间接成本一机会成本，在数值上等于利用该部分容量在电能量市场中 提供电能量时可以获得的收益。在图2 2 中，该机组在最大出力点的发电成本为2 0 0 元 m w h ，某时段电能量市场边际价格可达到3 0 0 元m w h ，此时它提供备用服务的机会成 本就是电能量市场边际价格与其最大出力点发电成本的差值，即1 0 0 元m w h 。图中阴 影部分表示了该时段机组提供大小为( p m 。一p o ) 的备用容量损失的电能量市场收益。 在这一例子中，如果机组同时进行电能量和备用服务市场的投标，则只有预测备用服务 价格不低于1 0 0 元，m w h 时，机组才会愿意将容量投入备用服务市场而非电能量市场。 价格( y 姗h ) ( 姗) 图2 - 2 机组发电成本低于电能量市场边际价格时的机会成本 对于竟价序列外机组，其发电成本高于电能量市场价格，若电能量市场中机组均基 华北电力大学硕士学位论文 于成本进行理性报价，则竞价序列外机组不会中标。若出于系统约束的需要，系统利用 竞价序列外机组提供备用服务，则这些机组必须至少运行在最低出力点。由于发电成本 高于电能量市场价格，竞价序列外机组通过电能量市场得到的电费收入将不足以弥补其 发电成本，因此，备用服务存在直接成本，总量上等于机组的总发电成本与通过电能量 市场回收的成本之间的差值。对于这些机组，提供备用服务的直接成本将与其运行出力 点的发电成本、电能量市场价格、出力点和爬坡率等因素相关。下面举例说明如何计算 竞价序列外机组的备用服务成本。 假设某机组最大技术出力为1 0 0 m w ，最小技术出力为4 0 m w ，爬坡速率为 i m w m i n ，在最小技术出力时，该机组的发电成本为4 0 0 y m w h ，在最大技术出力点， 机组发电成本为3 0 0 ￥删w h 。若该机组在某时段运行在最小技术出力点，在该时段( 以 1 小时为一个时段) 内可提供6 0 m w 的有效旋转备用，则该机组单位旋转备用的直接成 本可利用下面的计算公式进行计算。 c 。：p m ( c i , m m - m c p ) ( 2 - - 1 ) 量m 式中，c 。表示机组单位旋转备用的直接成本； 昂。表示机组的最小技术出力； c ，。表示机组在最小技术出力点的单位发电成本； m c p 表示该时段电能量市场的价格； r 。表示机组的旋转备用容量。 若该时段电能量市场的价格为2 5 0 y m w h ，则该竞价序列外机组单位旋转备用容 量的直接成本计算结果为1 0 0 ￥m w h 。 由式2 一l 可以看出，机组提供备用服务的直接成本随着电能量市场价格的上升而 下降。当电能量市场价格高于机组的发电成本时，备用服务的直接成本为负值，这表明， 机组即使在最小技术出力点运行，产生电能量收益也为正值，此时，机组愿意继续提供 备用服务的最低价格将不再由直接成本，而是由间接成本机会成本决定。 上述对竞价序列外机组的备用服务成本的分析是基于提供备用服务的机组运行于 最小技术出力点的假设，事实上，当提供备用服务的机组运行于非最小技术出力点时， 也可以按照与上述分析相同的思路求取其直接成本，如下式所示： 华北电力大学硕士学位论文 c d 2 型毛型 式中，p 删表示机组的当前出力，匕。c ； c 0 表示机组在当前出力点的单位发电成本。 ( 2 2 ) 仍然沿用上面例子，该机组提供备用服务的直接成本、间接成本以及总成本与电能 量市场价格之间的关系分别图2 3 和图2 - 4 所示。 图2 - 3 备用服务直接成本、间接成本与电能量市场价格的关系 图2 - 4 备用服务总成本与电能量市场价格的关系 在图2 4 中，当机组的最大技术出力点的发电成本高于电能量市场价格时，机组为 1 3 华北电力大学硕士学位论文 竞价序列外机组，它在电能量市场中将不能够中标，如果要提供备用服务，则至少要运 行在最小技术出力点，此时提供备用服务的总成本仅为直接成本，并且，随着电能量市 场价格的上升，备用总成本下降。当电能量市场价格升高到大于机组最大技术出力点的 发电成本3 0 0 ￥l 订w h 时，机组即为竟价序列内机组，如果提供备用服务则将产生间接 的机会成本。此时，若机组不运行在最大技术出力点，而是利用部分容量提供备用服务， 则备用服务总成本包括直接成本和间接成本两部分，其中直接成本的大小可以通过式( 2 1 ) 或者( 2 2 ) 计算得出。当电能量市场价格升高到大于机组最小技术出力点的发 电成本4 0 0 y m w h 时，机组任何运行状态下的发电成本都可以完全通过电能量市场回 收，不再存在相应的提供备用服务的直接成本，此时备用服务的总成本仅为机组的机会 成本，并且，随着电能量市场价格的上升，备用服务的总成本上升。应该注意到的是， 当电能量市场价格大于机组最小技术出力点的发电成本4 0 0 ￥m w h 时，电能量市场价 格与备用服务总成本的差异维持在3 0 0 y m w h 的水平，也等于机组的最大技术出力点 的发电成本。这表明，当电能量市场价格与备用容量价格差异达到3 0 0 y m w h 时，机 组利用其容量提供备用服务、电能量服务的收益是相同的。 另外，上述分析针对的都是上备用容量，对于下备用容量，在其未被使用时，并无 任何直接成本或间接成本。由于下备用一定是机组已经发电运行的部分容量，因此，当 下备用被使用时，意味着机组失去了原来可以通过出售电能量商品从电能量市场中获得 的收益，因此也存在间接的备用服务成本，即为电能量市场的价格与机组发电成本的差 值。 2 1 2 备用服务成本的特殊影响因素 备用服务的直接成本和间接成本除了与机组的发电成本、电能量市场价格密切相关 外，还与时段、机组类型有一定关系。 如在负荷的低谷时段，大多数的火电机组都降低到最小技术出力点，以期望不停机 并在高峰时段或者电能量市场价格上升时增发出力，此时，这些机组提供的备用服务几 乎不存在机会成本。 燃气机组和水电机组具有启动时间短、启动成本低的特点，它们不必运行也可以提 供非旋转备用服务，因此，这些备用服务成本中的变动成本很低甚至为零。 而对于常规燃煤机组，要提供非旋转备用服务就要处于等待发电状况，即锅炉上水， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 煤粉仓有煤，各种辅助机电设备处于等待状态。为维持这种冷备用状态，需要日常可变 运行成本等额外成本支出，即非旋转备用的附加成本。 此外，备用服务的成本分析还需要考虑以下两种特殊情况： 提供瞬时响应备用( 即调频备用) 服务的机组为保证具有向上、向下调节的能力及 系统所需的调节裕度，需要修改机组的运行点( t g 常称为基点负荷) 。当降低机组运行 点时将产生问接的机会成本。同时，在频繁的调节过程中，还将产生与效率降低、设备 磨损、设备寿命降低等相关的直接成本，即瞬时响应备用的附加成本。 对于水电机组，由于水库库容及其他特殊的水文约束，机组不同时段的发电状态都 具有关联关系，因此，在某一时段提供备用服务的机会成本不仅与该时段的电能量市场 价格相关，还受其他时段的电能量市场价格和备用服务价格的影响。因此，水电机组在 某时段提供备用服务时，要考虑其他时段提供电能量或者备用服务对本时段的机组发电 能力的影响。 2 2 调频服务的成本分析 在互联电网中，根据系统频率控制方式的不同，发电机组装设a g c 系统的控制目 标可以分为：负责全互联系统的频率调整；对区域交换功率偏差进行调整；对本 区域负荷变化引起的联络线偏差和频率变动同时进行调整。对于投运a g c 的机组，无 论其控制方式如何，都可能在系统的实时调整中为系统维持正常的频率做贡献。因此， 一般将a c r c 机组在投运a g c 时段的所有备用均归入调频服务的范畴【1 5 1 。 a g - c 机组与非a g c 机组相比较，其成本构成情况是不同的，作为a g c 机组的附 加成本包括： ( 1 ) 投运a g c 期间的机会成本( o p p o r t u n i t y c o s t ) ，即机组由于投运a g c 可能比 计划或者参与电能量市场的竞争少发了部分电量，造成了一定的经济损失，这部分成本 可以计算，是对a g c 机组进行补偿时考虑的主要部分( 燃煤、燃气、燃油、水电机组 等均有该项成本) 。 ( 2 ) a g c 机组的附加固定成本，以火电机组为例，这里可分为三种情况： 原有机组设计中没有考虑a g c 功能，机组没有机炉协调装置。在这样的情况下， 机组需要进行系统的改造，成本较高。这部分成本包括：机组为实现a g c 新增的热工 自动化系统成本、执行装置( 如阀门、风门等) 的改造成本、新增测量监控系统成本( 如 华北电力大学硕士学位论文 增加温测点) 等。 原有机组设计中已经考虑了a g c 功能，机组配置了机炉协调装置，但投产时未 调试，机炉协调装置处于闲置状态。在这种情况下，具体实现a g c 是一个完善过程， 要使新增的a g c 系统与原有的机炉协调自动化系