PJM備用體系及其對廣東電力市場的啟示

張子泳

(廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣州 510000)

0 前言

美國PJM是的一家獨立調度中心，負責以賓夕法尼亞、新澤西和馬里蘭三個州為核心區域的電網調度和電力交易管理，是世界上規模最大的電力現貨市場之一。PJM電力市場通過競標方式，通過市場出清機制獲取系統備用，PJM電力市場中與系統備用相關的組成，包括：容量市場、運行備用市場、調節備用市場、旋轉備用市場[1-3]。

容量市場采用可靠性價格模型（Reliability Price Model，RPM）進行交易；它要求所有供電企業通過RPM交易認購所需的容量資源或者選擇參與固定容量需求機制認購相應容量，PJM 容量市場以前者為主。PJM根據RPM交易結算的要求設置了運行備用市場，該市場用于滿足系統30分鐘輔助備用的要求，它采用市場機制使得發電商能夠按照市場出清價提供其備用容量，如果在運行備用市場中無法獲得充足的備用，PJM將安排額外的運行備用容量。調節備用市場的作用是提供足夠自動調節機組的出力來滿足負荷瞬時變化的需求，參與機組必須具備快速響應能力（小于5分鐘），在調節的過程中不考慮經濟因素；負荷響應也可以參與調節備用。旋轉備用市場主要用于修正較長期的負荷和發電量之間的偏差，參與旋轉備用的機組或負荷必須具備10分鐘以內響應的能力，旋轉備用分為T1和T2兩類，T1類機組備用容量具有優先權，只有T2類機組需要參加旋轉備用市場的競價。參與運行備用市場的機組可以同時參與旋轉備用市場或者調節備用市場，相應的備用收費可以累計，但是一臺機組不能在調節備用市場和旋轉備用市場同時中標[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部分[8]：

1）旋轉備用（同步備用）：并網運行機組，在10 min內能夠即刻增加的最大容量或可以限制的負荷。

2）快速啟動備用：離網運行機組，在10 min內能夠根據調度指令立即啟動并網并且帶上相應容量負荷，如蓄能機組、水電機組、燃氣機組、柴油機組。

3）一次備用（緊急備用）：具備與電網同步運行能力或處于備用狀態且能在10 min或更短時間內投運，包括了同步備用（旋轉備用）和快速啟動備用。所有10 min內可以獲得的備用。

4）二次備用（輔助備用）：與電網處于同步運行狀態或處于備用狀態，并且可在10-30 min內響應調度指令的機組備用容量和可切除的負荷容量。

5）運行備用：包括了一次備用和二次備用，所有30 min內可以獲得的出力或可切除的負荷容量，包括并網運行機組和離網運行機組。

這里旋轉備用又被分為兩類，包括T1類旋轉備用和T2類旋轉備用。T1類旋轉備用是指服從經濟調度的主能量市場邊際機組和部分動態負荷，能夠增加出力以提供備用，T1類旋轉備用可由在日前備用市場中標且滿足10分鐘以內響應指令要求的機組提供；T2類旋轉備是指用于電網同步、可調相運行的機組（燃氣機組、水電機組）以及愿意偏離經濟運行點運行的機組，旋轉備用市場用于確定參與T2類旋轉備用的機組。

1.2 備用容量的計算方法

PJM運行備用需求是依據事故發生的概率決定的，與預期的負荷預測偏差及機組組合情況相關。PJM開發了一套專門的計算程序來評估實時運行風險（尤其是系統停運概率）和計算確定給定風險水平下的備用目標。運行備用總和等于預測的運行日最大負荷的10%。運行備用需求是依據事故發生的概率決定的，與日前的負荷預測偏差和機組組合情況相關。根據機組被迫停運的概率來確定一次備用，旋轉備用等于單臺裝機容量最大的發電機輸出功率并且不小于700 MW。運行總容量或能在規定時間內投運的總容量，足以滿足任一天的負荷容量需求并能提供恰當的備用容量。同時，考慮到負荷預測偏差、發輸變電設備非計劃停運或故障、每天各時段和每年各季節的不同負荷水平等因素，PJM協議還規定了日運行備用容量的要求[9-10]。

PJM劃分為兩個同步備用區域，包括RFC同步備用區和SERC同步備用區，兩個區域每小時計算一次系統各類備用需求。下面詳細介紹各類備用的計算原則和方法。

1）運行備用：RFC區域運行備用等于運行備用比例值乘以運行日最大負荷的預測值，運行備用比例值取日負荷預測偏差率與強迫停機率之和；SERC區域中的Do minion分區根據其在VACAR系統中的負荷比例承擔相應份額的運行備用。

2）一次備用：RFC區域中的Mid-Atlantic分區為了確保向其東部區域供電，將一次備用設置為傳輸斷面極限值1 700 MW，其他幾個分區則將一次備用設為最大機組容量值的150%。SERC區域中的Do minion分區在2005年并入PJM，之前屬于VACAR系統，仍然根據其在VACAR系統中的負荷比例承擔相應份額的一次備用。

3）旋轉備用：RFC區域中的所有分區（包括Mid-Atlantic分區）都將旋轉備用設為最大機組容量值。SERC區域中的Do minion分區根據其在VACAR系統中的負荷比例承擔相應的旋轉備用份額。整個PJM系統的旋轉備用為各分區旋轉備用之和。

4）調節備用：在負荷高峰期時調節備用為日負荷高峰預測值的1%；在非負荷高峰期時調節備用為日負荷低谷預測值的1%。

1.3 備用容量的分配

PJM依據尖峰負荷水平的統計結果，將運行備用需求按照備用分攤協議（Reserve sharing agreement，RSA）分攤給各系統內部成員，分攤比例可進行季節性的調整。RSA備用需求分攤反映了PJM各成員的多樣性、PJM依靠大電網備用資源實現安全運行的能力和從相鄰控制區域獲取緊急備用的輸入容量。PJM根據備用市場的中標結果分配備用，在中標時段中標機組有義務提供起中標的備用量，否則將需承擔相應的后果。

2 PJM備用市場機制

2.1 備用的調用原則

PJM主能量市場分為日前市場和實時市場，主能量市場的結算是這兩個市場的綜合。只要滿足PJM技術要求，發電機組可以同時參與主能量市場與輔助服務市場，但不能同時提供調節備用和旋轉備用，以保證備用的專用性且便于結算。對于同時參與主能量市場與輔助服務市場的機組，按各自市場的結算規則結算。

對于調節備用，PJM根據每個機組的競價和機會成本（因提供輔助服務而不能在主能量市場中標所造成的損失）為其確定排序價格，所有可用的調節備用按價格遞增的順序排列，在能量市場已經確定的前提下，PJM將選擇符合旋轉備用和調節備用要求且總代價最小的一組機組參與調節備用，并將該組中代價最高的機組價格作為調節備用出清價，所有參與調節備用的電源均按照調節備用出清價進行結算。

對于T1類旋轉備用，PJM將根據經濟調度調節其出力。對于T2類旋轉備用，PJM將采用與調節備用類似的處理方式選出參與機組和調節備用出清價；所有旋轉備用（T1類和T2類）均按照調節備用出清價進行結算。

為了系統的可靠性，要求相關機組提供運行備用，發電機組按日參與投標，投標過程中應提供啟動成本、空載運行成本和發電阻塞區間，同時還應提交調頻服務價格。PJM基于這些投標信息和發電機組爬坡速率、發電自計劃和用電負荷等信息，并且考慮系統可靠性和輸電斷面約束等因素的影響，按照經濟運行原則進行系統備用的調用。

2.2 備用市場出清和結算

PJM根據不同的備用區域分成四個不同的旋轉備用市場，每個旋轉備用市場具有統一的備用出清價。PJM旋轉備用市場出清是在調頻備用和旋轉備用之間的聯合優化，每小時出清一次；目標是使能量、調頻備用和旋轉備用的總成本最小。

PJM 在備用結算模式上比較特別，針對不同的備用機組資源采用不同的結算方法，對第一類備用機組（T1 機組）采用實際調用電量費用結算模式，對第二類備用機組（T2機組）則采用支付備用容量費用模式[10]。

2.3 備用計量和考核監管

美國PJM電力市場備用服務獲取的最大特點是不指定機組作為備用，而是規定每個供電企業必須承擔備用義務，義務量根據其負荷的比率來確定。供電企業完成備用義務的方法可以是自己擁有提供備用的機組，也可以是簽訂雙邊合同或者從PJM備用市場購買備用。備用需求加上合理的補償方法，形成了PJM備用市場的供需杠桿。各控制區域獨立計算其所需備用容量，而機組按其電氣位置參加相應控制區域的備用市場。各區域備用交易均通過PJM提供的網絡交易平臺(eMKT)集中進行，機組的各種信息通過eMKT上報到PJM，而PJM各種調度信息等也通過eMKT公布。PJM備用的結算周期為1h，每天分為24個運行小時，備用的計算和獲取按小時為單位操作。

3 廣東備用輔助服務市場建設

3.1 廣東現有的備用管理體制

目前，對廣東電網運行備用具有管理效力的主要有三個文件：《電網運行導則》、《廣東電網電力調度管理規程》（下稱“調規”）、《南方電網運行備用監控管理業務指導書》（下稱“備用業務指導書”）。這三個文件基本是從圖1所示的四種備用體系中選取部分利用在方式安排和調度監控中，具體如下：

圖1 廣東電網現有備用管理體系

現有的備用管理體制是長期運行經驗的總結，保障了廣東電網的安全、可靠、穩定運行，但是在未來市場環境下考慮，存在兩大主要問題有：

1）負荷備用、事故備用的比例都是人為規定且為固定值，比例設置相對保守；

2）發電機組提供備用輔助服務的補償辦法根據“兩個細則”進行，而不是采取市場競價的方法，無法獲得最大的社會效益。

3.2 廣東備用輔助服務建設的關鍵問題

廣東電力輔助服務市場建設既要與主能量市場建設相協調，又不依賴主能量市場建設[11-12]。以調頻輔助服務市場和備用輔助服務市場的建設為突破口，通過市場競爭獲得低成本輔助服務，按照“誰受益誰付費”的原則由市場主體分攤輔助服務成本。

1）備用市場模式：關鍵在于備用市場與主能量市場的解耦。建立了單獨的備用輔助服務市場，在主能量市場出清后，再進行旋轉備用的競價，實現與主能量市場的解耦。

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，備用輔助服務市場的重要內容就是確定的備用容量需求。目前的備用容量是按照全網統調負荷的一定比例或者按電網中最大功率缺額確定。這種方法雖然可以保證電網的可靠性，但是難以兼顧電力市場的經濟性。電力市場化改革以后，備用容量和比例應該根據系統可靠性方法和社會效益最大化的原則進行計算，也就是同時考慮可靠性約束和市場用戶購買備用的費用最小化兩個方面的問題

3）備用輔助服務的分類。結合我國的現有備用管理的經驗和公平公正的原則，建議將備用輔助服務劃分為基本輔助服務和有償輔助服務。基本輔助服務應該包括負荷備用（用于平衡系統負荷的隨機波動），要求所有機組都應該有義務提供。其他備用則可以考慮通過市場機制進行購買服務。

4）備用輔助服務應提前考慮新能源和分布式電源的影響。未來廣東地區的風電、光伏發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性對于系統可靠性和負荷預測的偏差存在重大影響。國外部分國家輔助服務市場建設中沒有考慮風電接入引發的輔助服務成本，這部分成本主要通過用戶承擔，為了體現市場的公平性和安全性應當提前考慮適當的市場機制以激勵新型能源更好地接入電力系統。

4 結束語

系統備用是維護電網安全穩定運行，保證廣東電網安全、優質經濟運行必不可少的技術手段。一方面應當預留有足夠的備用，以應對負荷波動、直流雙極閉鎖故障、大容量發電設備隨機停運等突發情況；另一方面備用容量預留過多，會造成發電設備利用率低甚至供應緊張的情況，影響系統運行的經濟性。因此，未來建設廣東備用輔助服務市場還需要重點做好包括確定現貨市場體制下備用體系的改進論證、備用輔助服務市場基礎規則制定、備用需求模型研發和備用市場出清模型研發等幾個方面的工作。