可中斷負(fù)荷參與下的電力備用輔助服務(wù)分析

郝 靜，王魯楊，謝敬東

(1.上海電力學(xué)院 上海 200090;2.國家電力監(jiān)管委員會(huì)華東監(jiān)管局，上海 200002)

電力備用是電力輔助服務(wù)的重要內(nèi)容之一，它是指電力系統(tǒng)除滿足預(yù)計(jì)負(fù)荷需求外，為保證電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行而保持的用功功率儲(chǔ)備.通常，承擔(dān)電力備用的主體是并網(wǎng)發(fā)電廠的機(jī)組，可以參與電力備用的機(jī)組包括具有備用能力的機(jī)組、其他沒有安排發(fā)電計(jì)劃的機(jī)組和電量市場競價(jià)中未中標(biāo)的機(jī)組.并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組在主能量市場出清后，機(jī)組的其他容量也可參與備用市場.

可中斷負(fù)荷(Interruptible Load，IL)的概念是隨著用電高峰時(shí)段電力備用緊張而產(chǎn)生的.IL用戶是指可與電力公司簽訂可中斷負(fù)荷協(xié)議，在系統(tǒng)用電高峰時(shí)期的固定時(shí)間內(nèi)或在電力公司要求的任何時(shí)間內(nèi)，減少他們的用電需求，并可以根據(jù)主動(dòng)讓電期間所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失得到適當(dāng)補(bǔ)償?shù)碾娏τ脩?IL參與電力備用緩解了電力備用緊張狀態(tài)，達(dá)到了減緩電廠建設(shè)、減少資源消耗的目的.

對(duì)于電力公司而言，無論電廠參與備用或者IL用戶參與備用，留出電力備用容量與支付備用費(fèi)用時(shí)，電力公司都需要兼顧電網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)電力備用需求總量與備用價(jià)格的確定是電力公司考慮的主要問題.本文對(duì)IL參與電力備用的國內(nèi)外現(xiàn)狀、備用需求量和備用價(jià)格的確定方法進(jìn)行分析，并從市場化的角度提出促進(jìn)我國電力備用市場發(fā)展所應(yīng)采取的價(jià)格措施.

1 IL參與電力備用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在用電高峰時(shí)段電力備用面臨留出問題時(shí)，IL發(fā)揮了很大的作用.

在國內(nèi)，北京、上海、河北、江蘇等省市已實(shí)施IL管理來緩解電力備用緊張問題，采取的措施是用行政手段中斷電力負(fù)荷，并給予相應(yīng)的可中斷電價(jià)行政補(bǔ)償.

在國外，新加坡已建立電力備用市場，使并網(wǎng)發(fā)電廠與IL用戶在電力市場平臺(tái)上進(jìn)行備用競價(jià)，并根據(jù)并網(wǎng)發(fā)電廠與IL用戶所能提供的備用能力數(shù)、被劃分到的備用種類及調(diào)用容量來進(jìn)行備用費(fèi)用的結(jié)算;紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商采用IL方案來鼓勵(lì)用戶在峰荷時(shí)減少用電;英國電力市場鼓勵(lì)I(lǐng)L服務(wù)的提供者和各種備用服務(wù)的發(fā)電商展開競爭;澳大利亞國家電力市場將IL用于頻率控制輔助服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載控制輔助服務(wù).

2 電力系統(tǒng)備用需求量的確定方法

電力系統(tǒng)備用需求量的確定是一個(gè)需要綜合考慮的技術(shù)問題.系統(tǒng)備用容量越高，則系統(tǒng)的安全可靠性越好.由于在市場環(huán)境下獲取備用是有償?shù)模虼讼鄳?yīng)的備用費(fèi)用就會(huì)增加，用戶的電價(jià)水平也會(huì)隨之升高.同時(shí)，如果留出的系統(tǒng)備用容量較低，其安全可靠性就得不到保障，因此應(yīng)綜合考慮備用需求的影響因素.

電力備用需求影響因素包括:系統(tǒng)可靠性和安全性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);備用市場的規(guī)則與市場機(jī)制;最大的在線機(jī)組出力;負(fù)荷預(yù)測的誤差及負(fù)荷的波動(dòng)性;備用獲得的成本等［1］.備用容量的確定方法如圖1所示.

2.1 無用戶參與備用容量法

無用戶參與備用容量法是指不考慮用戶支付價(jià)格承受程度的備用容量確定方法，包括確定性方法和不確定性方法.

確定性方法按照系統(tǒng)內(nèi)最大機(jī)組裝機(jī)容量或系統(tǒng)高峰負(fù)荷的一定比例來確定備用容量.如我國某區(qū)域電網(wǎng)要求的備用比例為最大用電負(fù)荷的2%～5%，某市按照最大機(jī)組的裝機(jī)容量100 MW留出備用.這種方法保證了系統(tǒng)的安全性，但沒有考慮用戶的需求與備用的經(jīng)濟(jì)性，并且在用電高峰時(shí)，無法留出相應(yīng)要求的電力備用容量.

圖1 備用容量的確定方法

不確定性方法包括風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)方法和LOLP/VOLL方法.風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)方法是通過系統(tǒng)可用概率來確定系統(tǒng)失負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，調(diào)整備用容量的需求，直至滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為止，此時(shí)的備用水平即為系統(tǒng)的備用需求.基于風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)概念［2］，根據(jù)用戶對(duì)停電次數(shù)與停電時(shí)間的可靠性要求，構(gòu)造一個(gè)最大限度停電容量概率表，并將其與系統(tǒng)的停電容量概率表進(jìn)行比較，以確定最小的備用容量.風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)方法考慮了發(fā)電機(jī)組停運(yùn)的可能性與負(fù)荷的不確定性，但是沒有顧及用戶的可靠性需求與支付能力.LOLP/VOLL方法是將LOLP×VOLL定義為失負(fù)荷的成本［3］，其中LOLP(Loss of load probability)為失負(fù)荷概率，VOLL(Value of Load Loss)為負(fù)荷損失價(jià)值.該方法確定的最優(yōu)備用水平為失負(fù)荷成本與備用成本之和的最小值，如圖2所示.

圖2 LOLP/VOLL法原理

TSENG［4］用VOLL的平均值代替所有時(shí)段所有用戶的失負(fù)荷總價(jià)值，提出了備用需求隨著系統(tǒng)備用邊際價(jià)值的變化而變化的理論.LOLP/VOLL方法考慮了系統(tǒng)備用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但沒有考慮用戶可靠性的差異.

2.2 有用戶參與備用容量法

有用戶參與備用容量法包括用戶愿意支付價(jià)格與備用成本法，備用保險(xiǎn)法.

用戶愿意支付價(jià)格與備用成本法是通過比較備用成本與用戶愿意支付的價(jià)格來確定備用水平的，最優(yōu)備用水平是用戶愿意支付價(jià)格與備用成本差值的最大值，如圖3所示.這種方法用戶能對(duì)電能的價(jià)值進(jìn)行直接評(píng)價(jià)，但要求市場完全透明并具備完全信息.

圖3 用戶愿意支付價(jià)格與備用成本法原理

備用保險(xiǎn)方法是根據(jù)市場成員保險(xiǎn)合同總額來確定備用容量的方法.在不完全競爭的市場中，用戶根據(jù)自身使用電力的情況，電力的供應(yīng)狀況，以及失負(fù)荷的價(jià)值來確定其要求供電的可靠性水平，并按照可靠性的要求，購買保險(xiǎn)合同.FUMAGALLI等人［5］提出了讓用戶基于其可靠性水平購買保險(xiǎn)合同，電力公司根據(jù)保費(fèi)和備用成本確定最優(yōu)備用水平的方法.備用保險(xiǎn)方法考慮了用戶參與的經(jīng)濟(jì)性，但是增加了保險(xiǎn)商的風(fēng)險(xiǎn).

3 電力備用價(jià)格的確定方法

3.1 統(tǒng)一型定價(jià)

統(tǒng)一型定價(jià)法是在備用服務(wù)成本的基礎(chǔ)上，考慮備用的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)價(jià)值，以行政手段來確定備用服務(wù)價(jià)格的方法.目前，對(duì)于電廠與IL參與電力備用給予的補(bǔ)償方法是將兩者分開補(bǔ)償.將并網(wǎng)發(fā)電廠機(jī)組作為備用時(shí)，其成本包括設(shè)備投資成本的回收與損失的機(jī)會(huì)成本［6］.其中，所損失的機(jī)會(huì)成本可理解為機(jī)組提前預(yù)留備用容量，壓低出力運(yùn)行所犧牲的部分利潤.

在電廠的電力備用補(bǔ)償方面，我國某區(qū)域電網(wǎng)根據(jù)不同并網(wǎng)發(fā)電廠作為旋轉(zhuǎn)備用所損失的平均機(jī)會(huì)成本，給予并網(wǎng)發(fā)電廠不同的機(jī)會(huì)成本補(bǔ)償.例如，對(duì)于實(shí)施年度發(fā)電計(jì)劃調(diào)度的地區(qū)取10元/MWh，對(duì)于節(jié)能發(fā)電調(diào)度的地區(qū)取50元/MWh.

在IL參與備用時(shí)，可采用問卷調(diào)查法進(jìn)行停電損失統(tǒng)計(jì).可中斷電價(jià)分為低電價(jià)可中斷負(fù)荷(ILL)與高賠償可中斷負(fù)荷(ILH).ILL是指事故前通過電價(jià)打折來換取負(fù)荷的可中斷權(quán);ILH是指在事故發(fā)生且中斷措施實(shí)施后才進(jìn)行補(bǔ)償.如我國河北省電力公司對(duì)用電容量在2.0×104kW及以上的大用戶采用自愿中斷用電的方法，每1.0×104kW累計(jì)停1 h給予1萬元補(bǔ)償;上海市電力公司對(duì)配置有負(fù)控裝置的避峰讓電企業(yè)每千瓦時(shí)補(bǔ)貼0.80元，對(duì)協(xié)議避峰電力用戶給予2元/kWh的補(bǔ)償.這些補(bǔ)償均為行政性統(tǒng)一補(bǔ)償，沒有考慮各個(gè)行業(yè)參與備用損失機(jī)會(huì)成本的不同.

3.2 市場型定價(jià)

市場型定價(jià)法分為基于固定備用需求的市場價(jià)值定價(jià)法(包括拍賣定價(jià)法，備用競爭市場定價(jià))，雙邊合同法，金融工具定價(jià)法等［7］.其中，市場價(jià)值定價(jià)法是利用市場機(jī)制作為價(jià)格發(fā)現(xiàn)的手段，旨在通過市場競爭獲取備用服務(wù)并發(fā)現(xiàn)價(jià)格.系統(tǒng)操作員可通過良好的機(jī)制設(shè)計(jì)，配合必要的監(jiān)管措施，激勵(lì)發(fā)電公司和IL用戶揭示真實(shí)成本，從而為定價(jià)提供必要條件.

4 IL參與備用的選取方法

在市場環(huán)境下，為了使電力系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大化，獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(Independent System Operator，ISO)在考慮系統(tǒng)安全性的同時(shí)采用最小化備用費(fèi)用購買備用.因此，一些電力學(xué)者對(duì)于IL參與備用的選取，提出了多種考慮原則.

應(yīng)用最優(yōu)潮流(OPF)算法［8］，以向IL中標(biāo)者支付總額最少為目標(biāo)函數(shù)，考慮提前通知時(shí)間、負(fù)荷點(diǎn)位置、負(fù)荷的功率等因素進(jìn)行優(yōu)化選出IL用戶，并按照中標(biāo)的IL用戶的最高投標(biāo)價(jià)進(jìn)行定價(jià).基于層次分析法［9］(AHP)考慮 IL的報(bào)價(jià)、大小、響應(yīng)時(shí)間及可停電時(shí)間因素，構(gòu)造了基于權(quán)重的兩兩比較判斷矩陣，依此來選擇IL用戶.基于存儲(chǔ)理論［10］的備用市場采用拍賣機(jī)制，引入經(jīng)濟(jì)學(xué)的效用無差異曲線，構(gòu)建確定最優(yōu)備用的數(shù)學(xué)模型，指出在備用存儲(chǔ)充足時(shí)，優(yōu)先采用電廠作為備用，在備用容量不足時(shí)，利用IL替代一部分備用，采用運(yùn)籌學(xué)中的決策理論求解最優(yōu)備用容量.根據(jù)IL和電源備用容量服務(wù)效用上的差異［11］，基于帕累托優(yōu)化理論提出了一種IL與并網(wǎng)發(fā)電廠同時(shí)參與備用市場的帕累托優(yōu)化模型，通過提高IL的效用指數(shù)［12］可在相同備用購買成本下獲取最大的系統(tǒng)效用.

以上方法考慮了電力備用的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，但在現(xiàn)代市場環(huán)境下，電力備用的有效取得需要并網(wǎng)發(fā)電廠與IL用戶的積極參與，因此建立一個(gè)考慮備用參與者機(jī)會(huì)成本的公平、競爭、開放的電力備用市場尤為重要.

5 結(jié)論

(1)需建立一個(gè)市場化的備用市場，這個(gè)市場對(duì)IL用戶與并網(wǎng)發(fā)電廠是完全自由開放的.

(2)用戶的報(bào)價(jià)是考慮自己機(jī)會(huì)成本損失的報(bào)價(jià)，備用市場的價(jià)格出清應(yīng)充分考慮用戶的報(bào)價(jià)意愿.

(3)完全自由開放的備用市場需考慮引入有效的監(jiān)管措施.

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