張子泳

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 510000)

0 前言

美國(guó)PJM是的一家獨(dú)立調(diào)度中心，負(fù)責(zé)以賓夕法尼亞、新澤西和馬里蘭三個(gè)州為核心區(qū)域的電網(wǎng)調(diào)度和電力交易管理，是世界上規(guī)模最大的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)之一。PJM電力市場(chǎng)通過(guò)競(jìng)標(biāo)方式，通過(guò)市場(chǎng)出清機(jī)制獲取系統(tǒng)備用，PJM電力市場(chǎng)中與系統(tǒng)備用相關(guān)的組成，包括：容量市場(chǎng)、運(yùn)行備用市場(chǎng)、調(diào)節(jié)備用市場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)[1-3]。

容量市場(chǎng)采用可靠性價(jià)格模型（Reliability Price Model，RPM）進(jìn)行交易；它要求所有供電企業(yè)通過(guò)RPM交易認(rèn)購(gòu)所需的容量資源或者選擇參與固定容量需求機(jī)制認(rèn)購(gòu)相應(yīng)容量，PJM 容量市場(chǎng)以前者為主。PJM根據(jù)RPM交易結(jié)算的要求設(shè)置了運(yùn)行備用市場(chǎng)，該市場(chǎng)用于滿足系統(tǒng)30分鐘輔助備用的要求，它采用市場(chǎng)機(jī)制使得發(fā)電商能夠按照市場(chǎng)出清價(jià)提供其備用容量，如果在運(yùn)行備用市場(chǎng)中無(wú)法獲得充足的備用，PJM將安排額外的運(yùn)行備用容量。調(diào)節(jié)備用市場(chǎng)的作用是提供足夠自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的出力來(lái)滿足負(fù)荷瞬時(shí)變化的需求，參與機(jī)組必須具備快速響應(yīng)能力（小于5分鐘），在調(diào)節(jié)的過(guò)程中不考慮經(jīng)濟(jì)因素；負(fù)荷響應(yīng)也可以參與調(diào)節(jié)備用。旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)主要用于修正較長(zhǎng)期的負(fù)荷和發(fā)電量之間的偏差，參與旋轉(zhuǎn)備用的機(jī)組或負(fù)荷必須具備10分鐘以內(nèi)響應(yīng)的能力，旋轉(zhuǎn)備用分為T1和T2兩類，T1類機(jī)組備用容量具有優(yōu)先權(quán)，只有T2類機(jī)組需要參加旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)。參與運(yùn)行備用市場(chǎng)的機(jī)組可以同時(shí)參與旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)或者調(diào)節(jié)備用市場(chǎng)，相應(yīng)的備用收費(fèi)可以累計(jì)，但是一臺(tái)機(jī)組不能在調(diào)節(jié)備用市場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)同時(shí)中標(biāo)[4-7]。

1 PJM備用體系

1.1 備用分類及介紹

PJM備用體系中各類備用相互重疊或者包含，具體可以分為以下幾個(gè)部分[8]：

1）旋轉(zhuǎn)備用（同步備用）：并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組，在10 min內(nèi)能夠即刻增加的最大容量或可以限制的負(fù)荷。

2）快速啟動(dòng)備用：離網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組，在10 min內(nèi)能夠根據(jù)調(diào)度指令立即啟動(dòng)并網(wǎng)并且?guī)舷鄳?yīng)容量負(fù)荷，如蓄能機(jī)組、水電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、柴油機(jī)組。

3）一次備用（緊急備用）：具備與電網(wǎng)同步運(yùn)行能力或處于備用狀態(tài)且能在10 min或更短時(shí)間內(nèi)投運(yùn)，包括了同步備用（旋轉(zhuǎn)備用）和快速啟動(dòng)備用。所有10 min內(nèi)可以獲得的備用。

4）二次備用（輔助備用）：與電網(wǎng)處于同步運(yùn)行狀態(tài)或處于備用狀態(tài)，并且可在10-30 min內(nèi)響應(yīng)調(diào)度指令的機(jī)組備用容量和可切除的負(fù)荷容量。

5）運(yùn)行備用：包括了一次備用和二次備用，所有30 min內(nèi)可以獲得的出力或可切除的負(fù)荷容量，包括并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組和離網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組。

這里旋轉(zhuǎn)備用又被分為兩類，包括T1類旋轉(zhuǎn)備用和T2類旋轉(zhuǎn)備用。T1類旋轉(zhuǎn)備用是指服從經(jīng)濟(jì)調(diào)度的主能量市場(chǎng)邊際機(jī)組和部分動(dòng)態(tài)負(fù)荷，能夠增加出力以提供備用，T1類旋轉(zhuǎn)備用可由在日前備用市場(chǎng)中標(biāo)且滿足10分鐘以內(nèi)響應(yīng)指令要求的機(jī)組提供；T2類旋轉(zhuǎn)備是指用于電網(wǎng)同步、可調(diào)相運(yùn)行的機(jī)組（燃?xì)鈾C(jī)組、水電機(jī)組）以及愿意偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行的機(jī)組，旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)用于確定參與T2類旋轉(zhuǎn)備用的機(jī)組。

1.2 備用容量的計(jì)算方法

PJM運(yùn)行備用需求是依據(jù)事故發(fā)生的概率決定的，與預(yù)期的負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差及機(jī)組組合情況相關(guān)。PJM開發(fā)了一套專門的計(jì)算程序來(lái)評(píng)估實(shí)時(shí)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)（尤其是系統(tǒng)停運(yùn)概率）和計(jì)算確定給定風(fēng)險(xiǎn)水平下的備用目標(biāo)。運(yùn)行備用總和等于預(yù)測(cè)的運(yùn)行日最大負(fù)荷的10%。運(yùn)行備用需求是依據(jù)事故發(fā)生的概率決定的，與日前的負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差和機(jī)組組合情況相關(guān)。根據(jù)機(jī)組被迫停運(yùn)的概率來(lái)確定一次備用，旋轉(zhuǎn)備用等于單臺(tái)裝機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)輸出功率并且不小于700 MW。運(yùn)行總?cè)萘炕蚰茉谝?guī)定時(shí)間內(nèi)投運(yùn)的總?cè)萘?，足以滿足任一天的負(fù)荷容量需求并能提供恰當(dāng)?shù)膫溆萌萘?。同時(shí)，考慮到負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差、發(fā)輸變電設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)或故障、每天各時(shí)段和每年各季節(jié)的不同負(fù)荷水平等因素，PJM協(xié)議還規(guī)定了日運(yùn)行備用容量的要求[9-10]。

PJM劃分為兩個(gè)同步備用區(qū)域，包括RFC同步備用區(qū)和SERC同步備用區(qū)，兩個(gè)區(qū)域每小時(shí)計(jì)算一次系統(tǒng)各類備用需求。下面詳細(xì)介紹各類備用的計(jì)算原則和方法。

1）運(yùn)行備用：RFC區(qū)域運(yùn)行備用等于運(yùn)行備用比例值乘以運(yùn)行日最大負(fù)荷的預(yù)測(cè)值，運(yùn)行備用比例值取日負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差率與強(qiáng)迫停機(jī)率之和；SERC區(qū)域中的Do minion分區(qū)根據(jù)其在VACAR系統(tǒng)中的負(fù)荷比例承擔(dān)相應(yīng)份額的運(yùn)行備用。

2）一次備用：RFC區(qū)域中的Mid-Atlantic分區(qū)為了確保向其東部區(qū)域供電，將一次備用設(shè)置為傳輸斷面極限值1 700 MW，其他幾個(gè)分區(qū)則將一次備用設(shè)為最大機(jī)組容量值的150%。SERC區(qū)域中的Do minion分區(qū)在2005年并入PJM，之前屬于VACAR系統(tǒng)，仍然根據(jù)其在VACAR系統(tǒng)中的負(fù)荷比例承擔(dān)相應(yīng)份額的一次備用。

3）旋轉(zhuǎn)備用：RFC區(qū)域中的所有分區(qū)（包括Mid-Atlantic分區(qū)）都將旋轉(zhuǎn)備用設(shè)為最大機(jī)組容量值。SERC區(qū)域中的Do minion分區(qū)根據(jù)其在VACAR系統(tǒng)中的負(fù)荷比例承擔(dān)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用份額。整個(gè)PJM系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用為各分區(qū)旋轉(zhuǎn)備用之和。

4）調(diào)節(jié)備用：在負(fù)荷高峰期時(shí)調(diào)節(jié)備用為日負(fù)荷高峰預(yù)測(cè)值的1%；在非負(fù)荷高峰期時(shí)調(diào)節(jié)備用為日負(fù)荷低谷預(yù)測(cè)值的1%。

1.3 備用容量的分配

PJM依據(jù)尖峰負(fù)荷水平的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將運(yùn)行備用需求按照備用分?jǐn)倕f(xié)議（Reserve sharing agreement，RSA）分?jǐn)偨o各系統(tǒng)內(nèi)部成員，分?jǐn)偙壤蛇M(jìn)行季節(jié)性的調(diào)整。RSA備用需求分?jǐn)偡从沉薖JM各成員的多樣性、PJM依靠大電網(wǎng)備用資源實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的能力和從相鄰控制區(qū)域獲取緊急備用的輸入容量。PJM根據(jù)備用市場(chǎng)的中標(biāo)結(jié)果分配備用，在中標(biāo)時(shí)段中標(biāo)機(jī)組有義務(wù)提供起中標(biāo)的備用量，否則將需承擔(dān)相應(yīng)的后果。

2 PJM備用市場(chǎng)機(jī)制

2.1 備用的調(diào)用原則

PJM主能量市場(chǎng)分為日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)，主能量市場(chǎng)的結(jié)算是這兩個(gè)市場(chǎng)的綜合。只要滿足PJM技術(shù)要求，發(fā)電機(jī)組可以同時(shí)參與主能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)，但不能同時(shí)提供調(diào)節(jié)備用和旋轉(zhuǎn)備用，以保證備用的專用性且便于結(jié)算。對(duì)于同時(shí)參與主能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)的機(jī)組，按各自市場(chǎng)的結(jié)算規(guī)則結(jié)算。

對(duì)于調(diào)節(jié)備用，PJM根據(jù)每個(gè)機(jī)組的競(jìng)價(jià)和機(jī)會(huì)成本（因提供輔助服務(wù)而不能在主能量市場(chǎng)中標(biāo)所造成的損失）為其確定排序價(jià)格，所有可用的調(diào)節(jié)備用按價(jià)格遞增的順序排列，在能量市場(chǎng)已經(jīng)確定的前提下，PJM將選擇符合旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)節(jié)備用要求且總代價(jià)最小的一組機(jī)組參與調(diào)節(jié)備用，并將該組中代價(jià)最高的機(jī)組價(jià)格作為調(diào)節(jié)備用出清價(jià)，所有參與調(diào)節(jié)備用的電源均按照調(diào)節(jié)備用出清價(jià)進(jìn)行結(jié)算。

對(duì)于T1類旋轉(zhuǎn)備用，PJM將根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度調(diào)節(jié)其出力。對(duì)于T2類旋轉(zhuǎn)備用，PJM將采用與調(diào)節(jié)備用類似的處理方式選出參與機(jī)組和調(diào)節(jié)備用出清價(jià)；所有旋轉(zhuǎn)備用（T1類和T2類）均按照調(diào)節(jié)備用出清價(jià)進(jìn)行結(jié)算。

為了系統(tǒng)的可靠性，要求相關(guān)機(jī)組提供運(yùn)行備用，發(fā)電機(jī)組按日參與投標(biāo)，投標(biāo)過(guò)程中應(yīng)提供啟動(dòng)成本、空載運(yùn)行成本和發(fā)電阻塞區(qū)間，同時(shí)還應(yīng)提交調(diào)頻服務(wù)價(jià)格。PJM基于這些投標(biāo)信息和發(fā)電機(jī)組爬坡速率、發(fā)電自計(jì)劃和用電負(fù)荷等信息，并且考慮系統(tǒng)可靠性和輸電斷面約束等因素的影響，按照經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則進(jìn)行系統(tǒng)備用的調(diào)用。

2.2 備用市場(chǎng)出清和結(jié)算

PJM根據(jù)不同的備用區(qū)域分成四個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)具有統(tǒng)一的備用出清價(jià)。PJM旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)出清是在調(diào)頻備用和旋轉(zhuǎn)備用之間的聯(lián)合優(yōu)化，每小時(shí)出清一次；目標(biāo)是使能量、調(diào)頻備用和旋轉(zhuǎn)備用的總成本最小。

PJM 在備用結(jié)算模式上比較特別，針對(duì)不同的備用機(jī)組資源采用不同的結(jié)算方法，對(duì)第一類備用機(jī)組（T1 機(jī)組）采用實(shí)際調(diào)用電量費(fèi)用結(jié)算模式，對(duì)第二類備用機(jī)組（T2機(jī)組）則采用支付備用容量費(fèi)用模式[10]。

2.3 備用計(jì)量和考核監(jiān)管

美國(guó)PJM電力市場(chǎng)備用服務(wù)獲取的最大特點(diǎn)是不指定機(jī)組作為備用，而是規(guī)定每個(gè)供電企業(yè)必須承擔(dān)備用義務(wù)，義務(wù)量根據(jù)其負(fù)荷的比率來(lái)確定。供電企業(yè)完成備用義務(wù)的方法可以是自己擁有提供備用的機(jī)組，也可以是簽訂雙邊合同或者從PJM備用市場(chǎng)購(gòu)買備用。備用需求加上合理的補(bǔ)償方法，形成了PJM備用市場(chǎng)的供需杠桿。各控制區(qū)域獨(dú)立計(jì)算其所需備用容量，而機(jī)組按其電氣位置參加相應(yīng)控制區(qū)域的備用市場(chǎng)。各區(qū)域備用交易均通過(guò)PJM提供的網(wǎng)絡(luò)交易平臺(tái)(eMKT)集中進(jìn)行，機(jī)組的各種信息通過(guò)eMKT上報(bào)到PJM，而PJM各種調(diào)度信息等也通過(guò)eMKT公布。PJM備用的結(jié)算周期為1h，每天分為24個(gè)運(yùn)行小時(shí)，備用的計(jì)算和獲取按小時(shí)為單位操作。

3 廣東備用輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)

3.1 廣東現(xiàn)有的備用管理體制

目前，對(duì)廣東電網(wǎng)運(yùn)行備用具有管理效力的主要有三個(gè)文件：《電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則》、《廣東電網(wǎng)電力調(diào)度管理規(guī)程》（下稱“調(diào)規(guī)”）、《南方電網(wǎng)運(yùn)行備用監(jiān)控管理業(yè)務(wù)指導(dǎo)書》（下稱“備用業(yè)務(wù)指導(dǎo)書”）。這三個(gè)文件基本是從圖1所示的四種備用體系中選取部分利用在方式安排和調(diào)度監(jiān)控中，具體如下：

圖1 廣東電網(wǎng)現(xiàn)有備用管理體系

現(xiàn)有的備用管理體制是長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，保障了廣東電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，但是在未來(lái)市場(chǎng)環(huán)境下考慮，存在兩大主要問(wèn)題有：

1）負(fù)荷備用、事故備用的比例都是人為規(guī)定且為固定值，比例設(shè)置相對(duì)保守；

2）發(fā)電機(jī)組提供備用輔助服務(wù)的補(bǔ)償辦法根據(jù)“兩個(gè)細(xì)則”進(jìn)行，而不是采取市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的方法，無(wú)法獲得最大的社會(huì)效益。

3.2 廣東備用輔助服務(wù)建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題

廣東電力輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)既要與主能量市場(chǎng)建設(shè)相協(xié)調(diào)，又不依賴主能量市場(chǎng)建設(shè)[11-12]。以調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)和備用輔助服務(wù)市場(chǎng)的建設(shè)為突破口，通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)獲得低成本輔助服務(wù)，按照“誰(shuí)受益誰(shuí)付費(fèi)”的原則由市場(chǎng)主體分?jǐn)傒o助服務(wù)成本。

1）備用市場(chǎng)模式：關(guān)鍵在于備用市場(chǎng)與主能量市場(chǎng)的解耦。建立了單獨(dú)的備用輔助服務(wù)市場(chǎng)，在主能量市場(chǎng)出清后，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)備用的競(jìng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)與主能量市場(chǎng)的解耦。

2）備用容量和比例的確定：備用容量和比例選擇越大，電網(wǎng)的可靠性就越高，但是用戶支付的備用成本也越高，備用輔助服務(wù)市場(chǎng)的重要內(nèi)容就是確定的備用容量需求。目前的備用容量是按照全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的一定比例或者按電網(wǎng)中最大功率缺額確定。這種方法雖然可以保證電網(wǎng)的可靠性，但是難以兼顧電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性。電力市場(chǎng)化改革以后，備用容量和比例應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)可靠性方法和社會(huì)效益最大化的原則進(jìn)行計(jì)算，也就是同時(shí)考慮可靠性約束和市場(chǎng)用戶購(gòu)買備用的費(fèi)用最小化兩個(gè)方面的問(wèn)題

3）備用輔助服務(wù)的分類。結(jié)合我國(guó)的現(xiàn)有備用管理的經(jīng)驗(yàn)和公平公正的原則，建議將備用輔助服務(wù)劃分為基本輔助服務(wù)和有償輔助服務(wù)?；据o助服務(wù)應(yīng)該包括負(fù)荷備用（用于平衡系統(tǒng)負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)），要求所有機(jī)組都應(yīng)該有義務(wù)提供。其他備用則可以考慮通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行購(gòu)買服務(wù)。

4）備用輔助服務(wù)應(yīng)提前考慮新能源和分布式電源的影響。未來(lái)廣東地區(qū)的風(fēng)電、光伏發(fā)電和分布式電源占比將不斷增加，這些新型電源的出力的隨機(jī)性對(duì)于系統(tǒng)可靠性和負(fù)荷預(yù)測(cè)的偏差存在重大影響。國(guó)外部分國(guó)家輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)中沒(méi)有考慮風(fēng)電接入引發(fā)的輔助服務(wù)成本，這部分成本主要通過(guò)用戶承擔(dān)，為了體現(xiàn)市場(chǎng)的公平性和安全性應(yīng)當(dāng)提前考慮適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)機(jī)制以激勵(lì)新型能源更好地接入電力系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)備用是維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證廣東電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)手段。一方面應(yīng)當(dāng)預(yù)留有足夠的備用，以應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)、直流雙極閉鎖故障、大容量發(fā)電設(shè)備隨機(jī)停運(yùn)等突發(fā)情況；另一方面?zhèn)溆萌萘款A(yù)留過(guò)多，會(huì)造成發(fā)電設(shè)備利用率低甚至供應(yīng)緊張的情況，影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，未來(lái)建設(shè)廣東備用輔助服務(wù)市場(chǎng)還需要重點(diǎn)做好包括確定現(xiàn)貨市場(chǎng)體制下備用體系的改進(jìn)論證、備用輔助服務(wù)市場(chǎng)基礎(chǔ)規(guī)則制定、備用需求模型研發(fā)和備用市場(chǎng)出清模型研發(fā)等幾個(gè)方面的工作。