電力市場環境下廣東電力系統規劃方法初探

劉新苗 ，王詩超

（1. 廣東電網有限責任公司，廣州510000；2. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

在十八屆三中全會深化體制改革的背景下，我國電力體制改革重裝上陣，2015年3月23日國務院發布了文件〔2015〕9 號《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（簡稱電改9 號文），電力體制改革正式拉開帷幕。在當前的新形勢下，電力市場條件下的競爭機制給計劃經濟環境下電力行業組織和運營體制帶來了巨大改變，同時也極大地影響到電力規劃的技術實施，特別是規劃主體的變化和市場化運作的要求導致的規劃方案的評判標準的變化。

在電力市場環境下，電源和電網規劃所包含的變量、制約因素、規劃目標更多，復雜性更高，需考慮可靠性、經濟性等多維因素，其難點在于如何建立科學的數學模型［1］，對復雜的問題進行求解，并進行評價和校驗。電網規劃也將面臨規劃環境、系統資源，規劃協調、實施等方面的調整和挑戰，可以反映為負荷、電源、潮流、設備投退、政策、社會經濟、商業模式、投資收益等多方面的不確定性因素，電網規劃過程中需要充分考慮并客觀合理地描述這些不確定因素［2］，建立更恰當的電網規劃模型，有效提高規劃靈活性及適應性，避免投資和安全運行風險。所以在這種新形勢下，整個電力規劃的研究方法和研究手段都需要進一步優化。

廣東地區積極響應國家政策號召，一直走在電力市場改革道路的前沿，現貨電力市場也在全國范圍內率先啟動。廣東電源結構復雜并且多樣化，在電力市場環境下，廣東對新的電力系統規劃方法的需求更為迫切。本文梳理和總結了國外成熟電力市場的發展現況以及電力系統規劃方法，并在此基礎上，結合廣東電力市場發展現狀，有針對性地提出了電力市場環境下廣東電力系統的規劃方法，對未來合理配置電源、促進發輸電協調發展具有重要意義。

1 廣東電力市場發展現狀

1.1 概況

2018年8月30日，南方能源監管局會同廣東省經濟和信息化委、廣東省發展改革委聯合公布《南方（以廣東起步）電力市場運營規則體系（征求意見稿）》（以下簡稱《規則》），標志著我國首個電力現貨市場交易規則正式問世。《規則》形成了“1+8”模式的電力現貨市場規則體系。目前，廣東電力現貨市場仍然處于試運行階段，在正式運行之前，交易及結算依然參考現行的中長期電力市場交易規則。

目前，廣東已形成批發零售協同、場內場外互補的中長期市場交易體系，建立了一二級銜接、場內外互補的批發市場品種架構。現行的廣東中長期電力市場交易周期涵蓋年度交易和月度交易，年度交易包括場外雙邊協商、場內集中掛牌兩個交易品種，月度交易包括集中競爭、發電權集中撮合兩個交易品種，形成了年度交易為主、月度交易為輔的合理格局。

1.2 廣東現貨市場交易規則簡介

廣東電力市場包含電力批發市場以及電力零售市場。現階段，電力批發市場采用“電能量市場+輔助服務市場”的市場架構［3］。其中，電能量市場包含基于差價合約的日以上周期的中長期電能量市場和全電量競價的日前、實時現貨電能量市場，輔助服務市場包括集中競價的調頻輔助服務市場和備用、有償無功調節、自動電壓控制、黑啟動等輔助服務補償機制。電力零售市場交易在售電公司與電力用戶之間開展。

現貨市場基本體系架構如圖1所示。

圖1 現貨市場基本體系架構Fig.1 Basic framework of the spot market

中長期交易市場：日前現貨開市前，都屬于中長期市場。和其他普通商品中長期交易一樣，買賣雙方可以自主修正各自的購售電曲線和價格，充分體現市場主體的意愿，促進市場充分競爭，充分反映電力的普通商品屬性。中長期市場交易形成的合約為差價合約，主要作用是幫助市場成員提前確定大部分的交易量并鎖定價格，規避現貨市場價格波動風險。

日前現貨市場：充分考慮次日電網運行邊界條件以及物理約束，通過集中優化，以發電費用最低為優化目標，決策次日的機組開機組合以及發電出力曲線，實現電力電量平衡、電網安全管理和資源優化配置。

實時現貨市場：是通過安全經濟調度，實現電力實時平衡的市場化調節以及電網安全約束的市場化調整，針對電網實際運行情況與日前預測的偏差，對發電機組的出力按照最經濟原則進行調整。

調頻輔助服務市場：以市場化手段調用調頻資源，激勵發電機組提升調節性能，有效保障電網安全穩定運行。

2 國外電力系統規劃現狀

2.1 電源投資模式和方法

在競爭性電力市場環境下，通常沒有集中統一的電源規劃。大部分國家電力市場改革起始于分離發電與電網，以及在發電側引入競爭機制，而把發電資產的投產和運行決策交與項目主體，減少政府對商業過程的干預，特別是減少政府對發電項目的投資。下面是幾種典型的電源發展模式：

1）單一買方電力市場模式下有限的發電側競爭，如馬來西亞，泰國和印度尼西亞。國家電網公司或電力市場監管機構（如馬來西亞的能源委員會）編寫和發布國家電力發展報告，列出發展規劃期內的電源和電網項目［4］。電源項目通常會采用招標模式，以BOT（建設-運營-轉交）為主。

2）有容量市場的電力市場，如美國電力市場，英國電力市場，和其它一些歐洲市場。電力市場規則要求電力供應商（有電力零售許可的電力企業）必須自有容量或與電源方有容量合約，來滿足負荷需求和分攤的系統備用，或者承擔市場為采購足夠容量來滿足系統供電可靠性的成本［5］。

3）單一能源市場，如澳大利亞國家電力市場，新西蘭電力市場，美國得克薩斯州電力市場。在上述電力市場中，沒有統一的電源規劃和容量市場，電源建設是發電商的自發行為，市場系統運行中心（ISO）通過頻繁發布市場運行信息、未來供需形勢的信息［6］，來指導電源項目的建設。

2.2 電網規劃模式和方法

電力市場環境下，節點電價實時變化，在不同的區域之間也存在阻塞盈余的可能性，電網規劃的目的也隨之改變。加州電力市場、PJM 電力市場、澳大利亞電力市場等均發展出了一套成熟的電力市場下的電網規劃方法和流程。

1）澳大利亞的完整規劃體系涉及到不同的市場主體和時間尺度，包括一年的年度輸電價格定價［7］，5 年的電網監管以及 20 年的戰略研究［8］，各輸電網公司每年進行的10 年電網發展規劃等，具體如圖2所示。

圖2 澳大利亞規劃體系Fig.2 Transmission planning system of Australia

2）PJM 也進行輸電網、配電網規劃，除統一的區域輸電擴展規劃（RTEP）外［9］，PJM 每個子區域電網公司也要做區域內的電網規劃。PJM 電網規劃所遵循的準則主要包括PJM 輸電電費協議、運行協議、PJM 規劃手冊等，需遵守北美可靠性標準以及其他區域性電網標準［10］。具體職能劃分與協作關系如圖3所示。

圖3 PJM職能劃分與協作關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of function division and cooperation relationship of PJM

3）加州電網規劃也分為年度規劃（1年滾動規劃）和中長期規劃。年度輸電規劃的主要目的是滿足可靠性要求，提出相應的輸電網升級改造或者新建項目。能夠提升系統可靠性、滿足政策性目標或者提升系統經濟性的項目都會被提出，以進行后續的研究和討論［11］。輸電網擁有者（PTO，Partici?pating Transmission Owners）或者其他市場參與者都可以在PTO年度輸電網擴展規劃中提出項目。具體流程如圖4所示［12］。

圖4 加州年度規劃流程Fig.4 Annual transmission planning procedure of California

3 電力系統規劃工作體制優化

電力市場改革的影響下，市場結構、成本和利益分配方式發生變化，電力系統的運行、規劃的體制、流程和規范也都在發生變化。典型特征是從原來一體化運行轉變為協調、配合下的分散決策。隨著發輸電分離，眾多電力市場參與主體利益多元化，導致電力系統的規劃和決策過于分散，系統性優化不足。為促進廣東發電、輸電規劃的協調，建議建立統一電源規劃和分散式發電商決策相結合的發展體系，把電力規劃關注的重點從項目審批逐步轉移到對于總量、結構以及布局的優化控制上［13］。

因此，為保證電力市場環境下的規劃過程的前瞻性和科學性，規劃過程應更注重與各方的協調配合，信息、數據的透明、共享。鑒于此，我們建議廣東電力系統規劃工作可由廣東電網公司牽頭，電源企業、重要電力負荷、配電公司等多方市場主體參與（如圖5 所示），同時在規劃組織和實施中，增加內部運行機構的信息、數據共享，成立一個具有代表性和行業權威性規劃顧問機構，來對規劃參數、方法、假設等進行討論、評估。

該顧問機構作為一個連接電網與市場和監管以及公眾的組織，具有專業權威，了解國內外相應規劃和市場運行操作，又具有一定的獨立性的議事和討論平臺，能夠提高規劃的透明度和對外可信度，以及公開參與度。該組織可以由廣東電網公司，市場主體（電源企業、電力用戶等），廣東省發改委、經信委、電力行業協會、電力專家等代表組成。從規劃工作開始便參與進來，對規劃參數、方法進行評估，討論系統規劃的中長期發展方向，定期討論系統中需要解決的問題，提出解決方案和建議，并向政府相關規劃部門匯報。

圖5 電力市場下廣東電力系統規劃體制建議Fig.5 Proposals for power system planning organization in Guangdong

4 電力市場環境下電力系統規劃方法的優化

目前，廣東電網也有較為完善的規劃體系，包括年度運行方式分析，輸、配電網五年規劃，中長期電網規劃，遠景目標網架規劃等。傳統電網規劃流程如圖6 中所示，通過分析電網存在問題，結合負荷發展和電源方案，進行主網架設計，通過電網方案比選，提出規劃期內的輸變電工程項目，并進行投資估算。

圖6 廣東電網傳統規劃流程Fig.6 Traditional power system planning process of Guang?dong province

廣東電網傳統規劃模式與國外有所不同，國外成熟電力市場的規劃方法考慮的研究情景更為詳實、規劃數據輸入更全面，且有定量化的電網項目評估方法。因此，為實現新市場環境下電力系統規劃的目標，建議廣東電網規劃對如下幾方面進行補充和改進，主要包括規劃輸入、項目分類、情景研究、電網經濟效率評估和不確定性分析五方面內容，如圖7所示。

4.1 規劃輸入

對于電力市場下電網規劃，除了傳統的電網規劃的輸入外，還應重點收集電源相關的燃料信息，如詳細的燃氣發展規劃，細化到區域和節點的天然氣價格、煤炭成本、排放因子等，上述數據的精確性直接影響到后續成本-效益評估的科學性和客觀性。

4.2 仿真計算及項目分類

為提出規劃年份的電網項目，需進行電網安全穩定校核分析及電力市場仿真分析（輸電阻塞分析），并結合市場主體的反饋，分別獲得兩類項目：

1）第一類項目：通過安全穩定仿真計算，篩選出對電網安全穩定性產生重大提升的項目。一般針對不滿足安全穩定性標準、負荷增長的局部電網或區域電網提出，能夠對電網整體或局部安全穩定性產生較大影響。

圖7 電力市場下廣東電力系統規劃方法Fig.7 Power system planning process of Guangdong province considering energy market

2）第二類項目：通過電力市場仿真分析，篩選出對電力市場運行經濟性產生影響的項目。該類項目重點針對電網中的輸電阻塞問題，可以通過新建電網、提升電網輸送能力等措施減少輸電阻塞，提升系統的經濟性。

對于第一類項目，可解決電網中存在的安全穩定問題，是電網必須建設的項目，后續電網項目評估的目的只是從多個比選方案中選出最優的方案。對于第二類項目，重點在于減少電力市場中的輸電阻塞，后續需對該項目產生的效益和成本進行對比，來決定項目的可行性。

4.3 情景研究

電力市場環境下，電源發展、負荷預測、燃料價格、環保因素、國家政策等的不確定性對電網和市場運行的影響更為明顯，規劃和設計應具備適應上述不確定性的能力，所以有必要進行詳細的情景研究。具體流程如圖8所示。

1）選出可能對未來電網產生重大影響的因素。可以重點考慮負荷預測結果（需求側響應和電動汽車等對負荷預測的影響）、核電政策、燃料價格、海上風電及儲能技術發展、環保標準等。

2）將每個因素設定不同的等級，并指定每個因素在不同等級的值。一般來說，每個因素都會設定一個基本方案（中方案）、一個高方案和一個低方案，根據需要，也可以設置次高方案和次低方案。

圖8 情景分析流程Fig.8 Scenario analysis process

3）對上述各個因素進行組合，可得到多個發展情景。實際計算中，為節省計算量，不需要對所有情景一一仿真，一般選出幾個最具有代表性、不同質的情景，作下一步分析。例如，情景一中采用環保標準高方案，間接導致海上風電等新能源規模較大；情景二中采用海上風電發展高方案，兩種情景考慮的因素不同，但產生的結果均是海上風電大發展，則上述兩個情景可以考慮為同質的情景，只對其中一個進行仿真即可。另外，可以采用概率論的方案進行情景的選擇，如拉丁超立方體抽樣方法（the Latin Hypercube Sampling Technique） 等。可重點關注如下三類情景：最具有可能性的發展情景（發生概率最高）；最極端的發展情景；中間情景（對規劃方案比選有用的場景）。

4）情景研究根據時間維度有所區分，不同時間維度的側重點不同。可分為近期（5~10 年）、中長期（10~20 年）、遠期（20~40 年）。遠期發展情景是對未來發展方向的描述，中長期是近期和遠期的過渡。

所選出的具有代表性的情景，將在4.5 章節提及的不確定分析中，作為各類情景開展電力市場仿真分析。

4.4 電網經濟效率評估

除傳統的基于安全穩定的計算和評價，電力市場環境下電力規劃和傳統規劃最大的區別就是電網經濟效率評估。通過研究，建議廣東電網采用成本-效益的評價方法，進行電網經濟效率評估。上述兩類電網項目均需進行經濟效率評估，尤其是第二類解決輸電阻塞的電網項目，需通過成本-效益分析來評估項目建設的必要性，用于決策項目批準與否。成本-效益評價方法的總體思路是：

1）分別計算不考慮該電網項目時系統效益NBO和考慮該電網項目時的系統效益NB。

2）項目效益成本比BCR=（NB-NBO）/項目成本。應根據相關研究，設置效益成本比BCR 的閾值K（K值應大于1）。

4.5 不確定性分析（敏感性分析）

在電力市場環境下，不確定性因素增多，電源建設進度、環保標準、燃料價格波動等，都可以影響電網項目的決策。因此，在4.3 中選定的各個情景下，分別開展電力市場仿真計算，針對未來產生重大影響的因素進行不確定性分析。

1）針對第一類項目，以滿足電網安全運行為主，建議在不同情景下進行技術適應性分析，校核電網的安全穩定性，但僅計算基本情景下的BCR值，作為經濟比較的參考指標，不要求推薦方案的BCR值一定大于K。

2）針對第二類項目，采用成本-效益評價方法，其目的主要是對項目投產前后的系統經濟性進行對比，判定項目的投產是否能夠提高系統經濟性，以及提升的程度如何，需要對各情景下BCR值進行計算，則得到的效益成本比是一個區間值（BCRL~BCRH）。需要結合情景發生的概率及閾值K，對項目進行決策。

4.6 電源規劃改進方法的初步建議

電力市場環境下，不僅電網規劃需要在規劃輸入、項目分類和經濟效率等方面進行優化，電源規劃也同樣面臨著新的挑戰。傳統電源規劃主要考慮在滿足一定負荷需求下的最優電源規劃方案，而隨著電力市場環境的發展，還需要考慮電力環保、電力調峰、需求側管理和大量新能源發電并網等因素的綜合影響。同時，電力市場環境也影響了電源規劃的投資決策目標和決策方法。決策目標由傳統的總成本最小化演變為投資收益最大化，決策過程中也需要考慮更多不確定因素帶來的潛在風險。

因此，對于電源規劃方法的改進有如下建議：

1）綜合考慮電力市場環境下的電力環保、需求側管理、獨立發電商等因素對電源規劃模型的約束，深入研究有限個不確定因素參數約束下的電源規劃組合建模問題，對廣東省電源規劃做出更適合電力市場環境的改進。

2）綜合考慮適用于電力市場環境的電源規劃投資決策，改變傳統的投資決策目的和方法，可考慮采用基于實物期權理論（ROA）的發電投資決策方法［14-15］、基于博弈論的發電投資決策方法［16-17］等對電源規劃投資模型進行進一步的細化分析。

5 結 論

在電力市場環境下，電源和電網規劃所包含的變量、制約因素、規劃目標更多，復雜性更高，在這種新形勢下，整個電力規劃的研究方法和研究手段都需要進一步優化深化。

本文梳理和總結了國外成熟電力市場的發展現況以及電力系統規劃方法，并在此基礎上，結合廣東電力市場發展現狀，有針對性地提出電力市場環境下廣東電力系統的規劃方法。本文所提出的規劃方法，充分考慮國家和地方能源政策對電源發展的影響，以及資源稟賦和機組運行特性以及負荷特性對未來電源發展情景的影響，對電源建設的不確定性，燃料價格等因素進行敏感性分析。針對電源布局和電網規劃，引入電網經濟效益評價，有利于對比分析電力項目優劣或量化評估項目建設的必要性。在電源規劃階段量化系統運行風險，分析電網線路上的阻塞成本、節點電價信息，找出阻塞產生的原因。通過市場運行模擬的阻塞價格信號來引導電源商進行電廠布局調整，優化電源布局，以達到促進發輸電的協調發展的目的，提高電力市場運行經濟性，實現社會效益最大化。