周 鑫，馬曉偉，牛拴保，任 景，張小東，王智偉

（國家電網(wǎng)有限公司西北分部，陜西省西安市 710048）

0 引言

推進(jìn)電力市場化改革是落實《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》［1］、在新時代加快完善社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制的重要措施。電力現(xiàn)貨市場是現(xiàn)代電力市場體系的關(guān)鍵組成部分，具有價格發(fā)現(xiàn)、促進(jìn)發(fā)用電市場主體競爭、落實中長期交易合同、調(diào)節(jié)實時運(yùn)行偏差以及引導(dǎo)電力投資規(guī)劃等重要作用。

電力現(xiàn)貨市場按時間分為日前市場、日內(nèi)市場、實時平衡市場。中國的電力現(xiàn)貨市場運(yùn)營又分省內(nèi)和省間兩級現(xiàn)貨市場，省內(nèi)現(xiàn)貨建設(shè)已取得了階段性成就［2-4］，省間現(xiàn)貨市場尚處于研究設(shè)計階段。其中省間日前、日內(nèi)現(xiàn)貨市場可供借鑒的研究較多［5-9］，省間實時平衡市場相關(guān)研究不足。

供需實時平衡是電力系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵目標(biāo)，北美、歐洲等地區(qū)電力市場均開展了電能實時平衡市場的建設(shè)運(yùn)行，并取得了諸多成功經(jīng)驗［10-11］。這些實時平衡市場的組織運(yùn)營與各調(diào)度機(jī)構(gòu)相關(guān)，無論是統(tǒng)一平衡的美國PJM區(qū)域電力市場，還是分區(qū)平衡的歐洲電力市場，其實時平衡市場的組織均由各獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（independent system operator，ISO）或輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（transmission system operator，TSO）所對應(yīng)的調(diào)度機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，實時平衡市場的平衡范圍也限于各調(diào)度機(jī)構(gòu)控制區(qū)，割裂了互聯(lián)電網(wǎng)的實時平衡互濟(jì)資源，為更好地服務(wù)新能源消納，提高市場流動性，歐盟委員會已頒布法令要求建立一個歐洲范圍的平衡平臺［12］。而中國統(tǒng)一調(diào)度、分級管理的調(diào)度管理體系與新能源消納需求同樣要求不能僅滿足于建立省內(nèi)實時平衡市場，而應(yīng)按照電網(wǎng)發(fā)展、調(diào)度管理特點(diǎn)及市場發(fā)展水平適時建設(shè)有中國特色的省間實時平衡市場，從而充分挖掘大電網(wǎng)實時互濟(jì)潛力，保障電網(wǎng)安全和新能源消納，降低實時平衡成本。

中國西北電網(wǎng)具有地域廣闊、新能源占比高、實時調(diào)節(jié)資源分布不均等特點(diǎn)，中國西北各省內(nèi)部電能實時平衡困難，相較其他區(qū)域，省間實時互濟(jì)需求更強(qiáng)、作用更大。隨著新能源裝機(jī)容量增長及未來電力市場發(fā)展，有必要設(shè)計更加科學(xué)的省間實時平衡市場規(guī)則，調(diào)動各類市場主體參與實時平衡。本文結(jié)合西北電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行特點(diǎn)，借鑒國際實時市場建設(shè)經(jīng)驗，研究西北省間實時平衡市場理論體系，銜接省間現(xiàn)貨和西北省內(nèi)現(xiàn)貨、輔助服務(wù)市場，保障未來市場環(huán)境下西北區(qū)域電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和新能源有效消納，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，并為中國省間電力現(xiàn)貨市場建設(shè)及未來的市場融合提供參考。

1 西北電網(wǎng)實時平衡現(xiàn)狀

1.1 西北電網(wǎng)新能源消納對實時運(yùn)行的影響

2019年，西北電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量達(dá)到約100 GW，占全網(wǎng)總裝機(jī)容量的36%西北全網(wǎng)新能源實際最大出力達(dá)45.36 GW，超過當(dāng)日全網(wǎng)最大用電負(fù)荷的一半，西北全網(wǎng)新能源年發(fā)電量占總發(fā)電量的比例達(dá)18.02%，高于國家電網(wǎng)區(qū)域平均值1倍以上，西北新能源高占比特征凸顯。

從新能源日發(fā)電特性看，2019年西北電網(wǎng)最大日波動幅度達(dá)到34.35 GW，接近當(dāng)日負(fù)荷的一半，西北電網(wǎng)新能源理論出力15 min值每日最大變化數(shù)值分布在3 GW左右（如圖1所示），相當(dāng)于西北電網(wǎng)最大水電廠裝機(jī)容量（3.50 GW），達(dá)到其他單個水電廠裝機(jī)容量的2倍，新能源出力的波動性對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。同時，新能源預(yù)測準(zhǔn)確度偏低，特別是風(fēng)功率超短期預(yù)測在上爬坡和下爬坡過程中仍表現(xiàn)出較為顯著的誤差特點(diǎn)［13］，導(dǎo)致新能源預(yù)測出力與實際出力偏差較大，也對電網(wǎng)實時運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。未來，隨著新能源的持續(xù)發(fā)展，新能源出力的波動性和預(yù)測偏差對電網(wǎng)實時平衡的影響將進(jìn)一步加大。

圖1 西北電網(wǎng)新能源理論出力15 min變化日最大值圖Fig.1 Maximum of 15 min changes of renewable energy theoretical output in Northwest China power grid

1.2 西北電網(wǎng)省間實時平衡的必要性

西北電網(wǎng)與國家電網(wǎng)主網(wǎng)通過直流聯(lián)網(wǎng)，而直流系統(tǒng)通常并不適合分鐘級的頻繁出力計劃調(diào)整，西北電網(wǎng)在實時平衡中主要依靠西北內(nèi)部資源。

西北內(nèi)部平衡資源時空分布不均。一是西北電網(wǎng)覆蓋3個時區(qū)，用電負(fù)荷與新能源，特別是光伏出力在省與省之間存在天然的錯峰效應(yīng)。二是西北電網(wǎng)的水電主要在甘肅和青海，火電主要在陜西、寧夏和新疆，新能源消納受限，目前主要在甘肅和新疆，實時平衡的供需分布不均。三是夏季汛期水電大發(fā)期間的西北水電機(jī)組以及冬季新疆、寧夏等地大量轉(zhuǎn)供熱的火電機(jī)組實時調(diào)節(jié)能力受限。四是從市場力方面來看，省間實時互濟(jì)有助于擴(kuò)大發(fā)電側(cè)供給，抑制各省內(nèi)發(fā)電主體在實時平衡中的市場力，在西北各省煤電資源整合的背景下這點(diǎn)尤其重要。五是西北為保障新能源消納所采用的主網(wǎng)保安全、省網(wǎng)減少備用的備用管理模式也在負(fù)荷高峰增大了省間平衡互濟(jì)需求。

高占比的新能源與實時平衡資源的時空分布不均以及新能源的波動性與預(yù)測偏差，使得西北各省日前及日內(nèi)較長時間尺度的發(fā)電計劃在實際執(zhí)行時存在較大偏差。2019年，為解決西北各省實時平衡問題，西北調(diào)度控制機(jī)構(gòu)開展實時控制區(qū)置換、實時雙邊交易、日內(nèi)跨省調(diào)峰輔助服務(wù)交易、援疆電量庫等省間實時平衡交易日均約40筆，日均省間實時平衡電量約30 GW·h，約占西北電網(wǎng)日均用電量的1.7%。通過開展省間實時平衡，有效保障了西北電網(wǎng)實時平衡安全與新能源高效利用，2019年西北電網(wǎng)新能源利用率達(dá)到92.3%，6年來首次突破90%。

1.3 西北電網(wǎng)實時平衡調(diào)度面臨的問題

目前的西北省間實時平衡工具中除日內(nèi)跨省調(diào)峰輔助服務(wù)交易具有較多的日內(nèi)市場化屬性外，其余調(diào)整手段都是基于網(wǎng)對網(wǎng)框架協(xié)議，省與省之間實時互濟(jì)的價格、互濟(jì)電量結(jié)算返還的方式都在中長期時間尺度上協(xié)商。這在目前發(fā)用電計劃放開的市場化環(huán)境下帶來3個方面問題:一是新能源高占比導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行波動性增強(qiáng)情況下，中長期尺度的價格協(xié)議無法反映實時平衡資源的時間價值，不能激勵更多的實時平衡資源投資，不利于源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動，進(jìn)而影響新能源持續(xù)發(fā)展消納；二是現(xiàn)行各類網(wǎng)對網(wǎng)的省間實時平衡互濟(jì)交易由于不能直接對應(yīng)到各發(fā)用電市場主體，導(dǎo)致省內(nèi)現(xiàn)貨市場產(chǎn)生不平衡結(jié)算資金問題；三是由調(diào)度員代理的省間雙邊實時互濟(jì)交易，一方面不能體現(xiàn)實時變化的電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中各市場主體的參與意愿，增大了市場環(huán)境下調(diào)度人員的交易合規(guī)風(fēng)險，另一方面也不具有集中出清的全局最優(yōu)性。故而有必要適應(yīng)電力市場改革形勢，研究建立更加科學(xué)的西北省間實時平衡市場。

2 西北省間實時平衡市場機(jī)制設(shè)計

2.1 西北省間實時平衡市場運(yùn)作思路

西北省間實時平衡市場通過發(fā)揮大電網(wǎng)省間互濟(jì)作用，解決省內(nèi)實時平衡資源不足問題，由西北電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)組織，市場成員可包括各類發(fā)電商、承擔(dān)部分保底供電責(zé)任的各省電網(wǎng)企業(yè)、零售商、大用戶、市場成員委托代理機(jī)構(gòu)等。

與目前試運(yùn)行的省內(nèi)實時平衡市場及一些國際實時平衡市場不同，西北省間實時平衡市場天然是一個雙邊市場，負(fù)責(zé)省間實時平衡市場運(yùn)營的調(diào)度機(jī)構(gòu)不需要進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和新能源預(yù)測，相關(guān)預(yù)測由各市場成員或其委托代理機(jī)構(gòu)自行負(fù)責(zé)，在省內(nèi)市場預(yù)出清的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的余缺情況在省間市場進(jìn)行平衡互濟(jì)競價交易。

2.2 西北省間實時平衡市場競價出清設(shè)計

2.2.1市場出清模型

以美國PJM為代表的統(tǒng)一集中出清市場理論上可實現(xiàn)資源最優(yōu)配置，但不符合中國以省為實體的電力管理現(xiàn)狀，并且節(jié)點(diǎn)電價計算復(fù)雜。多個市場兩兩之間獨(dú)立開展增量交易協(xié)調(diào)與目前西北電網(wǎng)的省間實時互濟(jì)方式類似，屬于一種連續(xù)交易，不能達(dá)到統(tǒng)一出清的社會福利全局最大化效果［14］，并且由于電力系統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)特性，可能影響其他省電網(wǎng)的潮流斷面。歐洲多個市場之間基于潮流的耦合方法［15］計算簡單，考慮了對跨區(qū)交易影響較大的區(qū)內(nèi)關(guān)鍵支路約束，減少了阻塞，是一種更適應(yīng)西北省間實時平衡市場的競價出清建模方法。

綜合考慮計算量以及省間交易對省內(nèi)關(guān)鍵潮流斷面的影響，采用基于潮流的市場耦合方法對所有省間潮流斷面及省內(nèi)部分關(guān)鍵潮流斷面約束進(jìn)行建模，形成以省為競價價區(qū)，以省間實時平衡社會福利最大化為目標(biāo)，考慮供需功率平衡、關(guān)鍵潮流斷面支路剩余可用輸電容量約束、負(fù)荷與機(jī)組出力上下限約束的西北省間實時平衡市場競價出清模型，對省間平無須求競價進(jìn)行集中優(yōu)化出清。

此外，根據(jù)西北調(diào)度運(yùn)行歷史經(jīng)驗，火電機(jī)組啟停在日前安排，水電機(jī)組由于可迅速啟停，故認(rèn)為可在零到最大發(fā)電能力之間調(diào)節(jié)，并且西北基本無燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組之類的快速啟停資源參與實時平衡，故在本模型中暫無需考慮火電、水電機(jī)組啟停問題。

2.2.2市場基本競價出清流程

在各類日前市場出清形成省間交易計劃結(jié)果后至實時運(yùn)行時刻T?45 min前，各西北省間實時平衡市場參與主體可申報T時刻及之后以15 min為間隔的各運(yùn)行時段的增減出力/負(fù)荷以及相應(yīng)報價信息，其中發(fā)電方減少出力相當(dāng)于用電方增加負(fù)荷，用電方減少負(fù)荷相當(dāng)于發(fā)電方增加出力。各類申報都應(yīng)基于在其他非實時市場已獲得的發(fā)用電交易計劃，禁止投機(jī)性虛擬申報。此外，西北省間實時市場不考慮機(jī)組組合問題，要求所有參與市場的燃煤火電機(jī)組必須是實時運(yùn)行前45 min已正常運(yùn)行機(jī)組?？紤]省內(nèi)市場的運(yùn)行，省間實時市場滾動出清時間間隔暫設(shè)為30 min。

3 西北省間實時平衡市場與其他市場的協(xié)調(diào)運(yùn)作

3.1 省間實時平衡市場與其他市場關(guān)系

省間中長期市場、跨區(qū)跨省富余新能源現(xiàn)貨市場/省間現(xiàn)貨市場是西北省間實時平衡市場的前期市場，各市場出清結(jié)果形成的省間交易計劃是西北省間實時平衡市場的交易基準(zhǔn)，可用于關(guān)鍵支路剩余輸電能力等計算。初期西北調(diào)峰輔助服務(wù)市場也可作為西北省間實時平衡市場的前期市場，但由于常規(guī)機(jī)組可在西北省間實時平衡市場申報減出力價格作為購電方，故后期根據(jù)政策要求也可在日內(nèi)將西北調(diào)峰輔助服務(wù)市場融入西北省間實時平衡市場。

借鑒當(dāng)前省間與省內(nèi)兩級市場的運(yùn)作方式，西北省間實時平衡市場和西北各省內(nèi)實時市場采用順序出清的方法，先由各省內(nèi)實時平衡市場進(jìn)行預(yù)出清，作為各市場主體參與省間實時平衡市場的依據(jù)，在西北省間實時平衡市場出清后，將出清結(jié)果返回西北各省內(nèi)實時市場作為各省內(nèi)實時平衡市場出清的邊界條件，由西北各省內(nèi)實時平衡市場得出參與省內(nèi)市場的市場主體最終發(fā)用電計劃。對于部分跨區(qū)直流配套機(jī)組等不參與西北各省內(nèi)實時平衡市場的市場主體，直接在西北省間實時平衡市場出清后得到最終的發(fā)用電計劃。各市場間的關(guān)系見圖2。

圖2 西北省間實時平衡市場與其他市場關(guān)系Fig.2 Relationships between cross-provincial real-time balancing market and other markets in Northwest China

3.2 模擬算例

模擬算例采用的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，Z1，Z2，…Z5表示西北五省。除省間聯(lián)絡(luò)線外，添加了Z2省部分影響省間實時平衡交易的關(guān)鍵支路。為簡化問題，算例僅考慮省間實時平衡市場與Z2省省內(nèi)實時市場的協(xié)調(diào)運(yùn)作。Z2省某日負(fù)荷、新能源出力、省間聯(lián)絡(luò)線外送計劃、等效負(fù)荷曲線（用電負(fù)荷+聯(lián)絡(luò)線外送電力?新能源出力）如圖4所示。

Z2省當(dāng)日常規(guī)電源開機(jī)最大、最小可調(diào)分別為19 820 MW、9 300 MW，等效負(fù)荷曲線最大、最小值分別為19 630 MW（18:00）、8 850 MW（14:30）。Z2省等效負(fù)荷最大、最小時刻增發(fā)出力報價數(shù)據(jù)、相同時刻省間實時平衡市場五省區(qū)部分機(jī)組增發(fā)/減發(fā)出力報價數(shù)據(jù)如表1和表2所示。此處為簡化問題，所有競價簡化為一段報價，并且不考慮其他類型市場主體報價信息，設(shè)定Z2省機(jī)組省內(nèi)、省間實時市場申報價格相同。

圖3 西北省間實時平衡網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Network of cross-provincial real-time balancing in Northwest China

圖4 某日負(fù)荷、新能源出力、聯(lián)絡(luò)線計劃及等效負(fù)荷曲線Fig.4 Curves of load,renewable power output,tie-line power plan,equivalent load on a certain day

表1 省間實時平衡市場競價數(shù)據(jù)(14:30)Table 1 Bidding data of cross-provincial real-time balancing market(14:30)

用以上數(shù)據(jù)模擬省間實時平衡市場與省內(nèi)實時市場的協(xié)調(diào)運(yùn)作。在Z2省內(nèi)實時市場對14:30競價信息預(yù)出清時可知存在450 MW新能源無法在省內(nèi)市場消納，通過省間市場賣電。在Z2省內(nèi)實時市場對18:00競價信息預(yù)出清，邊際電價為G240申報的380元/（MW·h），G21、G22等市場主體在無法完成18:00省內(nèi)市場出力計劃時可通過省間實時平衡市場購電，降低省內(nèi)實時市場可能的高電價帶來的損失，省間實時平衡市場出清后作為省內(nèi)市場邊界，省內(nèi)實時市場正式出清時邊際電價降至G230申報的270元/（MW·h）。最終通過西北省間實時平衡市場與省內(nèi)實時市場的協(xié)同運(yùn)作，降低了省內(nèi)實時市場負(fù)荷高峰的電價水平，促進(jìn)了新能源消納，模擬結(jié)果如表3所示。

表2 省間實時平衡市場競價數(shù)據(jù)(18:00)Table 2 Bidding data of cross-provincial real-time balancing market(18:00)

表3 省間實時平衡市場對某日省內(nèi)實時市場的影響模擬結(jié)果Table 3 Simulation result of impact of crossprovincial real-time balancing market on provincial real-time market on a certain day

4 結(jié)語

西北電網(wǎng)新能源占比高、各省實時平衡能力不足的客觀實際凸顯西北省間實時平衡互濟(jì)的必要性。建設(shè)西北省間實時平衡市場可以使市場發(fā)展與中國的電力系統(tǒng)調(diào)度管理體制以及西北實時平衡的客觀現(xiàn)狀相契合，有助于激勵市場成員參與系統(tǒng)實時平衡，使分散的市場主體利益訴求與集中調(diào)度體系相統(tǒng)一，從而保障市場化下電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行與新能源消納，降低各省實時平衡成本。

借鑒歐洲和美國PJM等國外市場建設(shè)成果，結(jié)合西北當(dāng)前省間實時平衡實際，提出了以省為價區(qū)開展雙邊競價的省間實時平衡市場集中交易出清機(jī)制，闡述了西北省間實時平衡市場優(yōu)化出清模型，給出了交易競價申報以及出清執(zhí)行的流程。最后，討論了西北省間實時平衡市場與西北區(qū)域已經(jīng)開展的其他市場間交互關(guān)系，展望了西北調(diào)峰市場與省間實時平衡市場的融合，并模擬了市場運(yùn)行效果。

中國省間電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)需要充分考慮新能源消納、省間壁壘、獨(dú)特的調(diào)度管理體制等諸多因素，省間電力實時平衡市場的建設(shè)更是沒有范例可循，本文對建立西北省間電力實時平衡市場進(jìn)行了探索，為中國省間電力現(xiàn)貨市場建設(shè)以及未來的市場融合提供了思路。需要指出的是，由于省間現(xiàn)貨市場尚無運(yùn)營規(guī)則，故西北省間實時平衡市場相關(guān)機(jī)制規(guī)則還需在未來根據(jù)省間現(xiàn)貨市場規(guī)則進(jìn)行完善；對于電動汽車以及儲能等靈活調(diào)整資源也需要進(jìn)一步針對性地設(shè)計市場參與規(guī)則并建模。此外，本文的省間實時平衡市場主要側(cè)重于電能量市場的討論，關(guān)于如何協(xié)調(diào)開展平衡容量市場等省間輔助服務(wù)市場尚待進(jìn)一步研究。