王玉萍，劉磊，李小璐，陳皓勇，鐘佳宇，石可，劉雨夢

(1.貴州電力交易中心有限責任公司，貴州 貴陽 550004；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640)

當前，隨著水電、風電、光伏裝機容量比例的增加，負荷低谷期棄水、棄風成為電力系統(tǒng)常見的現(xiàn)象。特別是在低谷期，往往處于風力最充足的時候，卻有大量風機被迫少發(fā)甚至停機。調峰困難的主要原因有：①風電富集地區(qū)負荷總體水平較低，峰谷差大，且風電的間歇性、波動性的特點決定了風電的發(fā)電出力難以保持穩(wěn)定，增加了電力系統(tǒng)的調峰難度。②調峰電源不足，火電裝機尤其是熱電聯(lián)產機組在“三北”一些省區(qū)的比例過高，抽水蓄能機組和燃氣機組等靈活電源比例低，電源調峰能力不足。③水電裝機容量比例增加，尤其是小庫容水電、徑流式水電受來水影響較大，在汛期更增加了調峰難度。

傳統(tǒng)的運行管理模式中，在電網的統(tǒng)一調度下，各類型發(fā)電企業(yè)均統(tǒng)一調度，提供輔助服務，具有自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)調頻、調峰、調壓等功能的發(fā)電廠所提供輔助服務均按照“兩個細則”規(guī)定統(tǒng)一計算補償，對各類型電廠機組提供輔助服務沒有進行經濟性排序，不能體現(xiàn)輔助服務的科學性和經濟性。在電力市場化交易中，發(fā)電企業(yè)可選擇采用市場化方式提供輔助服務，使發(fā)電企業(yè)得到的經濟補償能夠滿足其提供輔助服務所付出的成本，并能帶來部分收益，因此必須要有費用分攤主體去承擔該種經濟責任[1]。采用市場交易機制，按照市場規(guī)律對發(fā)電企業(yè)提供的輔助服務給出合理的補償費用，使這些企業(yè)能夠收回成本并合理獲利，引導資源合理配置，將會促使輔助服務市場積極健康發(fā)展。

現(xiàn)階段，我國實行的輔助服務市場交易方法，其費用分攤主體均為發(fā)電廠自身，由輔助服務的提供者作為分攤的對象明顯是不合理的。按照“誰受益、誰承擔”的原則，電力用戶也應分攤補償費用。本文提出一種考慮用戶側參與的調峰輔助服務費用分攤方法，能夠公平地界定發(fā)電廠和電力用戶的責任，從而減輕發(fā)電廠負擔，規(guī)范電力用戶的用電行為，起到削峰填谷的作用，促進電網安全穩(wěn)定、高效節(jié)能的運行。

1 國內外有償調峰費用計算的研究現(xiàn)狀

與我國的電力市場相比，國外許多發(fā)達國家的電力市場改革較早且已經形成了完善的電力市場體系，調峰服務的補償機制也被納入到電力市場中[2]，較為典型的是北歐和美國的電力市場。北歐電力市場要求具備調峰能力的市場成員才可以參與，如果市場參與者被安排參與調峰服務，其交易價格為滿足電力平衡服務的最低報價[3]。美國PJM電力市場沒有設置專門的調峰發(fā)電廠，而是由各個負荷服務企業(yè)承擔承擔調峰任務[4]，不再由發(fā)電廠承擔，負荷服務企業(yè)可以通過PJM電力市場或第三方平臺獲得調峰服務[5-6]，前提是滿足其自身的機組約束。相比之下，中國的調峰輔助服務市場體系還不完善，亟需形成完善的調峰補償機制，這有利于促進發(fā)電企業(yè)參與調峰市場的積極性，保障調峰電廠成本的回收以及可持續(xù)性參與市場的動力。

1.1 有償調峰與無償調峰的劃分

對于有償調峰和無償調峰，雖然國家能源監(jiān)管部門早就在相應的文件中給出了定義，但定義的內容仍存在歧義。由于劃分不明確，且沒有相關的理論支撐，國內許多學者對有償調峰和無償調峰的劃分做了補充。文獻[7]提出一種界定有償調峰和基礎調峰的新方法，該方法基于凸包重心法在機組不投油的情況下確定最小穩(wěn)燃值，并根據最小穩(wěn)燃值和最快降負荷率二維特性點中的凸包重心作為基本調峰臨界值，該理論依據補充了相關概念。文獻[8]從經濟性和安全約束的角度出發(fā)，利用轉折點作為有償調峰和基礎調峰的分界點，轉折點采用最小距離法求得。文獻[9]指出采用當前的劃分方法是不科學的，為此提出調峰補償辦法應該與電廠降出力幅度相關，應用線性理論知識，把調峰容量占總容量的比例與補償費用看做線性關系，再進行線性計算。文獻[10]指出現(xiàn)有的規(guī)定和研究大多針對火電機組進行劃分和討論，對水電機組的研究相對較少，為此提出一種劃分水電機組有償調峰有基礎調峰的方法，當機組的出力小于區(qū)間值時，此時的電量為有償調峰部分，應當得到補償。

1.2 調峰費用計算

當機組作為補償調峰機組時，調峰費用的補償方式通常有兩種：一種是依據輔助服務補償機制，直接向參與調峰任務的機組支付相關的費用；另一種是機組之間可以轉讓調峰權，通過這種方式來獲得收益。文獻[11]提出了調峰權的概念，發(fā)電機組之間根據調節(jié)能力的強弱可以轉讓或買入調峰權，轉讓調峰權可以獲取相應的利益，買入調峰權可以減少機組啟停的次數，以減少經濟損失，各機組之間通過這樣的方式來滿足系統(tǒng)調峰的需求。文獻[12]研究調峰權交易，并給出了滿足社會效益最大化為目標函數的數學模型。文獻[13]將轉讓電量定義為有償調峰電量，機組可以通過交易機制得到這部分有償費用，轉讓電量由實際發(fā)電量減去權益電量所得。

1.3 費用分攤方法計算

在龐大的電力系統(tǒng)中，各元件之間的網絡關系錯綜復雜，導致電力市場經濟成分關系分攤不公平的問題，電力市場費用分攤包括公共成本、公共利潤的分攤。電網的一端連著機組，一端連著負荷，機組與負荷之間有著復雜的連接關系，它們之間的相互作用與公共成本的分攤有關。如何公平地分攤公共成本成為熱門的研究問題，目前有關于調峰費用分攤問題的研究現(xiàn)狀如下。

文獻[14]采用了傳統(tǒng)的比例法，每臺機組的分攤費用與機組的上網電量成正比，分攤費用由各臺機組公共承擔。文獻[15]提出一種工程分攤方法，根據計算機組每日各個時間段前后出力變化率總和，依據出力改變量得到相應的有償調峰費用。上述兩種方法原理簡單，運算過程簡便，但沒有體現(xiàn)公平的原則，失去了調峰的基本涵義，除此之外在分攤的過程中還會出現(xiàn)交叉補貼的現(xiàn)象，破壞了市場規(guī)則，使機組失去了調峰的動力。文獻[16]分析了水電機組的調峰價值，分析背景是水風火組合機組系統(tǒng)，并提出基于Shapely值法將調峰費用分攤在各水電機組間，但是該方法僅適合于機組較少的情況，一旦機組過多，很容易導致系統(tǒng)崩潰。針對文獻[16]出現(xiàn)的問題，文獻[15]做了相應分析，通過簡化Shapley值法，將其成功運用到機組過多時的有償調峰分攤問題，雖然解決了機組組合過多的問題，但是計算誤差變大了。文獻[17]研究了如何在不同利益主體的水電廠間進行補償金的分攤的問題，借鑒了Aumann-Shapely值的思路，將統(tǒng)計學理論引入Shapely值法，也是解決局中人增大時的組合爆炸問題，減少了計算量，但計算中的部分統(tǒng)計學參數的確定仍是難點。目前很多學者提出將合作博弈理論作為調峰費用分攤的理論依據，運用核心、Shapley值法[18-22]等求解方法，有效解決調峰費用分攤問題。

2 調峰輔助服務市場分攤機制設計

2.1 考慮用戶側參與的調峰輔助服務費用分攤方法

本文提出的考慮用戶側參與的調峰輔助服務費用分攤方法，通過量化市場參與主體電力用戶當日在峰時和谷時分攤責任的大小，從而按責任大小比例進行輔助服務費用分攤。首先，根據電網當日對調峰輔助服務的需求和市場統(tǒng)一出清的價格，確定當日發(fā)電廠提供調峰輔助服務所產生的總費用；接著，根據全網的日負荷曲線，計算當日負荷峰時和谷時的臨界點；然后，計算出各電力用戶在峰時和谷時相對于其日平均負荷曲線的偏離情況，從而確定分攤責任大??；最后，按比例將調峰輔助服務費用劃分為電廠側分攤費用和用戶側分攤費用，其中未提供調峰輔助服務的發(fā)電廠側按發(fā)電量比例進行分攤，電力用戶按責任大小的比例進行分攤。該方法將電力用戶納入輔助服務費用分攤主體的方法，充分考慮了電力用戶責任劃分的公平性，實現(xiàn)輔助服務費用的合理分攤。

2.1.1 調峰輔助服務總費用及市場出清

本章節(jié)所提及的調峰輔助服務主要包含實時深度調峰輔助服務和啟停調峰輔助服務。前者是指火電廠開機機組通過在日內調減出力，使火電廠機組平均負荷率或最低不投油穩(wěn)燃負荷狀態(tài)下所對應的調峰深度小于或等于有償調峰界限時提供的輔助服務；后者是指火電機組通過停機備用將低谷時段電力空間出讓給風電、水電，在高峰時段重新啟動，以適應負荷增長的需求的輔助服務。

市場統(tǒng)一出清的價格是指發(fā)電廠商在日前對所提供輔助服務的進行價格申報和集中競價，在日中電網調度中心根據排序后的輔助服務按低價調用，滿足市場需求的最后一位中標供應商的報價作為統(tǒng)一的市場出清邊際價格。

實時調峰輔助服務費用計算公式為

(1)

(2)

由發(fā)電廠提供的調峰輔助服務所產生的總費用

(3)

式中：NG為提供實時深度調峰輔助服務的發(fā)電廠總數；Cd為提供啟停調峰輔助服務所產生的總費用。

2.1.2 峰谷時臨界點計算

計算出全網日負荷曲線L(t)的日負荷平均值

(4)

求出全網日負荷曲線與其平均值的所有交點，記為Ln，交點的橫坐標記為xn，其中n=1,2,…N，N為交點總數。

計算全網日負荷曲線在與日負荷平均值交點xn處的導數L′(xn)，n=1,2,…,N。若L′(xn)≥0，則xn為峰荷時段的起點，谷荷時段的終點，[xn-1,xn]為谷時段，[xn,xn+1]為峰時段；若L′(xn)<0，則xn為谷荷時段的起點，峰荷時段的終點，[xn-1,xn]為峰時段，[xn,xn+1]為谷時段。若單位統(tǒng)計周期內(日)一共有M個峰時段，U個谷時段，記第m個峰時段區(qū)間為Lp,m，m=1,2,…,M；第u個谷時段區(qū)間為Lv,u，u=1,2,…,U。

2.1.3 計算各電力用戶的分攤責任

(5)

(6)

第j個電力用戶的分攤責任

表1 市場主體發(fā)用電數據
Tab. 1 Market participant data MW

市場主體不同計量時刻的發(fā)用電負荷2:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:0024:00火電廠1(500 MW)231.8236.5238.5308.1342.5350.3363.0366.8352.5436.0405.7372.2火電廠2(250 MW)115.9118.2119.3154.0171.3175.2181.5183.4176.3218.0202.8186.1水電廠(400 MW)356.3377.7379.5354.2390.3364.4361.4386.8396.4351.3361.5367.6其他可再生能源發(fā)電廠(50 MW)41.110.845.348.133.142.66.715.647.66.750.04.4電力用戶1250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0電力用戶2327.8328.8309.1268.2231.8234.2244.1224.1214.0194.4190.4235.2電力用戶3167.4164.4223.5346.2455.4448.2418.5478.5508.8567.6579.6445.2

Rj=Rp,j+Rv,j.

(7)

考慮到電力用戶的分攤責任計算會出現(xiàn)負值的情況，這意味著該電力用戶夜間用電多，日間用電少，對電網負荷不會加劇峰谷差，也無需承擔責任。因此，當Rj計算值為負值時，將其置0。

2.1.4 按比例系數α和β計算發(fā)電廠商和電力用戶的分攤金額

定義α和β分別表示發(fā)電廠商與電力用戶的輔助服務費用分攤比，則發(fā)電側和用戶側的分攤金額分別為

(8)

(9)

對于電廠側，由未提供調峰輔助服務的發(fā)電廠按上網電量比例進行輔助服務費用的分攤，第i個發(fā)電廠商需承擔的費輔助服務費用

(10)

式中：FG,i為第i個未提供調峰輔助服務發(fā)電廠所需分攤的輔助服務費用；LG,i為第i個未提供調峰輔助服務發(fā)電廠的日發(fā)電曲線。

對于用戶側，按照第2.1.3節(jié)計量的電力用戶分攤責任來進行分攤金額的計算，具體計算公式如下。

(11)

式中：FC,j為第j個電力用戶所需分攤的輔助服務費用；NC為參與分攤的電力用戶總數。

不難看出，通過調節(jié)分攤系數α和β，能夠調控電廠側和用戶側的分攤金額比例。α和β通常是根據地區(qū)實際運行情況來設定的，考慮到市場初期電力用戶對調峰輔助服務分攤費用的接納程度不高，可適當降低用戶的分攤系數β，即電力用戶需要分攤的金額較少。隨著市場的成熟和相關機制的完善，可逐步加大β。在最終，按照“誰受益、誰承擔”的原則，將大部分由電力用戶支付調峰費用，即β?α。

2.2 市場運作流程

市場運作流程可以分為日前市場、日內市場和日后市場。日前市場即是發(fā)電廠在前一天向調度中心申報調峰輔助服務，在申報時，必須考慮機組最大出力和最小出力的約束，滿足安全性。日內市場即是在當天參與調峰輔助服務，根據“按需調用、按序調用”的原則，優(yōu)先調用低價的調峰服務，出清邊際價格按照最后中標的發(fā)電廠商結算。日后市場根據日內實際調用結果，每日進行電量電費清算，賬目日清月結并向所有市場交易主體公開。

2.3 市場信息發(fā)布及結算

調峰輔助服務市場根據實時信息實時發(fā)布的原則，旨在提升電廠機組及用戶主動調峰的積極性，進而提升電網穩(wěn)定運行水平。市場技術支持系統(tǒng)和電力交易平臺為信息發(fā)布提供有力保障，發(fā)布的信息包含實時、每日、每月等其他各類信息。

調峰輔助服務費用以日清月結的結算方式，與當月電費及其他輔助服務費用一并結算，同步完成。調峰輔助服務費用由各用戶承擔，各電力用戶應在當月電費總額的基礎上加上應支付的輔助服務分攤費用，增值稅發(fā)票可由電網企業(yè)開具。

3 算例分析

為驗證該種分攤模式能夠實現(xiàn)減輕發(fā)電廠負擔，公平地將部分輔助服務費用在用戶側分攤的目的，對所提出的輔助服務分攤方式進行算例分析。所建模型中的區(qū)域網絡由4個發(fā)電廠商和3個電力用戶組成，該區(qū)域網絡某日的負荷曲線如圖1所示。

圖1 區(qū)域網絡日負荷曲線Fig.1 Regional network daily load curve

該區(qū)域網絡的3個電力用戶的用電曲線如圖2所示。為突出不同用電習慣的電力用戶在本分攤模型中收支情況的差異，以具有代表性的3種負荷形式作為本模型電力用戶的實際用電習慣。其中，電力用戶1表示日用電習慣均勻平滑的用電曲線；電力用戶2表示日用電習慣與一般正常習慣相反，起到一定調峰作用的用電曲線；電力用戶3表示正常用電習慣的用戶用電曲線。

圖2 電力用戶日負荷曲線Fig.2 Electric power users’ daily load curves

考慮到調峰輔助服務旨在促進清潔能源消納和保證電網功率平衡，因此以調峰問題相對嚴峻的汛期作為模型的背景。此時水電廠基本處于額定功率發(fā)電狀態(tài)，不具備調峰能力，是承擔輔助服務費用的主體之一，核電的情況類似水電，也需承擔輔助服務費用；其他可再生能源發(fā)電廠(風和光)的發(fā)電具有隨機性、間歇性強的特點，也是費用分攤的主體之一；不同裝機容量的火電廠則是作為提供調峰輔助服務的主體，無需承擔調峰輔助服務費用，并假定未有機組提供啟停調峰輔助服務。區(qū)域網絡各主體的用電或發(fā)電數據見表1，各項計算參數設定見表2。

以傳統(tǒng)按電量比例進行分攤的方式、不考慮用戶側參與的分攤方式和本文所提出的考慮用戶側參與的分攤方式進行計算對比，3種分攤方式的區(qū)別如下：

a)按電量比例進行分攤的方式：分攤主體為區(qū)域網絡內所有并網發(fā)電廠，各電廠按上網電量的比例進行輔助服務費用分攤，電力用戶不參與分攤。

b)用戶側不參與的分攤方式：分攤主體為區(qū)域網絡內不提供調峰輔助服務的發(fā)電廠，由不提供調峰服務的電廠按各自上網電量比例進行費用分攤，電力用戶不參與分攤。

c)用戶側參與的分攤方式：分攤主體為區(qū)域網絡內不提供調峰輔助服務的發(fā)電廠和電力用戶。按比例系數將調峰輔助服務費用劃分為電廠側分攤費用和用戶側分攤費用，其中發(fā)電廠側按發(fā)電量比例進行分攤，電力用戶按責任大小的比例進行分攤。

3種分攤方式計算結果見表3。

表2 模型參數設定
Tab. 2 Model parameters

參數取值參數取值深度調峰價格標準/[元·(kWh)-1]0.3日計量周期總數12有償調峰界限50%分攤系數比4∶1計量周期/h2

表3 不同分攤方式結果對比Tab. 3 Comparison of results of different allocation methods 元

由表3可得出以下結論：

a)在傳統(tǒng)的按電量比例進行分攤的方式中，火電廠既作為調峰輔助服務的提供者，也作為費用分攤的主體。在市場交易中由于各火電廠的報價是由成本和合理收益組成的，分攤費用的存在會擾亂其報價策略，使火電廠不能根據自己的意愿報價獲取自己預想的收益。而另外兩種分攤方式不會出現(xiàn)該問題。

b)在考慮用戶側參與的輔助服務費用分攤方式中，能夠通過調節(jié)比例系數來將一部分費用分攤至用戶側處，相比于第2種分攤方式，能夠部分減少未提供輔助服務發(fā)電廠的高額分攤費用，同時對電力用戶進行科學合理的責任定量并相應進行費用分攤。電力用戶1和電力用戶2的用電習慣由于不會加劇電網負荷的峰谷差，因此無需分攤輔助服務費用；電力用戶3表示大部分用戶的用電情況，他們是電網產生調峰困難的重要原因之一，因此承擔了絕大多數用戶側所需要承擔的輔助服務費用。但是由于日常居民用戶曲線相對固定，難以根據分攤費用的高低進行相應修改，因此該種分攤方式對居民用戶的影響可能較大。為更公平、公正地處理分攤，需進一步研究這些用戶類型調峰分攤系數的確定。

分析結果表明，本文所提出的費用分攤方式能夠有效減少提供輔助服務的發(fā)電廠的負擔，同時充分考慮了不同電力用戶的用電習慣差異，針對導致調峰困難的用戶進行輔助服務費用分攤，而用電方式不造成電網負荷峰谷差加劇的用戶無需承擔輔助服務費用的分攤，因此能夠規(guī)范電力用戶的用電習慣，使總負荷曲線趨于平穩(wěn)。隨著各電力用戶的用電習慣越來越趨于平穩(wěn)，各發(fā)電廠提供調峰輔助服務的費用隨之減少，因此所需分擔的輔助服務費用也相應降低，不會有缺少責任分攤主體的情況出現(xiàn)。

4 結束語

本文提出的考慮用戶側參與的調峰輔助服務費用分攤方法將電力用戶納入輔助服務費用的分攤主體，能夠減輕發(fā)電廠高額分攤費用帶來的負擔；同時充分考慮了電力用戶在用電容量上的差異性，采用各市場主體日負荷的平均值作為基準，能夠合理計量其責任。在該種分攤方式下，對于加劇峰谷差的電力用戶其計量的責任越大，所需支付的分攤金額也越高。因此能夠規(guī)范電力用戶的用電行為，起到削峰填谷的作用，促進電網安全穩(wěn)定、高效節(jié)能的運行。