可中斷負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)計負荷需求外，為保證電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行而保持的用功功率儲備.通常，承擔電力備用的主體是并網(wǎng)發(fā)電廠的機組，可以參與電力備用的機組包括具有備用能力的機組、其他沒有安排發(fā)電計劃的機組和電量市場競價中未中標的機組.并網(wǎng)發(fā)電機組在主能量市場出清后，機組的其他容量也可參與備用市場.

可中斷負荷(Interruptible Load，IL)的概念是隨著用電高峰時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荷協(xié)議，在系統(tǒng)用電高峰時期的固定時間內(nèi)或在電力公司要求的任何時間內(nèi)，減少他們的用電需求，并可以根據(jù)主動讓電期間所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失得到適當補償?shù)碾娏τ脩?IL參與電力備用緩解了電力備用緊張狀態(tài)，達到了減緩電廠建設(shè)、減少資源消耗的目的.

對于電力公司而言，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用時，電力公司都需要兼顧電網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟性，因此對電力備用需求總量與備用價格的確定是電力公司考慮的主要問題.本文對IL參與電力備用的國內(nèi)外現(xiàn)狀、備用需求量和備用價格的確定方法進行分析，并從市場化的角度提出促進我國電力備用市場發(fā)展所應(yīng)采取的價格措施.

1 IL參與電力備用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在用電高峰時段電力備用面臨留出問題時，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荷，并給予相應(yīng)的可中斷電價行政補償.

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上進行備用競價，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)用容量來進行備用費用的結(jié)算;紐約獨立系統(tǒng)運營商采用IL方案來鼓勵用戶在峰荷時減少用電;英國電力市場鼓勵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)的備用費用就會增加，用戶的電價水平也會隨之升高.同時，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)標準;備用市場的規(guī)則與市場機制;最大的在線機組出力;負荷預(yù)測的誤差及負荷的波動性;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)最大機組裝機容量或系統(tǒng)高峰負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荷的2%～5%，某市按照最大機組的裝機容量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)濟性，并且在用電高峰時，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險指數(shù)方法和LOLP/VOLL方法.風險指數(shù)方法是通過系統(tǒng)可用概率來確定系統(tǒng)失負荷的風險指數(shù)，調(diào)整備用容量的需求，直至滿足系統(tǒng)標準風險指數(shù)為止，此時的備用水平即為系統(tǒng)的備用需求.基于風險指標概念［2］，根據(jù)用戶對停電次數(shù)與停電時間的可靠性要求，構(gòu)造一個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行比較，以確定最小的備用容量.風險指數(shù)方法考慮了發(fā)電機組停運的可能性與負荷的不確定性，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定義為失負荷的成本［3］，其中LOLP(Loss of load probability)為失負荷概率，VOLL(Value of Load Loss)為負荷損失價值.該方法確定的最優(yōu)備用水平為失負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段所有用戶的失負荷總價值，提出了備用需求隨著系統(tǒng)備用邊際價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格與備用成本法，備用保險法.

用戶愿意支付價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格來確定備用水平的，最優(yōu)備用水平是用戶愿意支付價格與備用成本差值的最大值，如圖3所示.這種方法用戶能對電能的價值進行直接評價，但要求市場完全透明并具備完全信息.

圖3 用戶愿意支付價格與備用成本法原理

備用保險方法是根據(jù)市場成員保險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，以及失負荷的價值來確定其要求供電的可靠性水平，并按照可靠性的要求，購買保險合同.FUMAGALLI等人［5］提出了讓用戶基于其可靠性水平購買保險合同，電力公司根據(jù)保費和備用成本確定最優(yōu)備用水平的方法.備用保險方法考慮了用戶參與的經(jīng)濟性，但是增加了保險商的風險.

3 電力備用價格的確定方法

3.1 統(tǒng)一型定價

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

在電廠的電力備用補償方面，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會成本，給予并網(wǎng)發(fā)電廠不同的機會成本補償.例如，對于實施年度發(fā)電計劃調(diào)度的地區(qū)取10元/MWh，對于節(jié)能發(fā)電調(diào)度的地區(qū)取50元/MWh.

在IL參與備用時，可采用問卷調(diào)查法進行停電損失統(tǒng)計.可中斷電價分為低電價可中斷負荷(ILL)與高賠償可中斷負荷(ILH).ILL是指事故前通過電價打折來換取負荷的可中斷權(quán);ILH是指在事故發(fā)生且中斷措施實施后才進行補償.如我國河北省電力公司對用電容量在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累計停1 h給予1萬元補償;上海市電力公司對配置有負控裝置的避峰讓電企業(yè)每千瓦時補貼0.80元，對協(xié)議避峰電力用戶給予2元/kWh的補償.這些補償均為行政性統(tǒng)一補償，沒有考慮各個行業(yè)參與備用損失機會成本的不同.

3.2 市場型定價

市場型定價法分為基于固定備用需求的市場價值定價法(包括拍賣定價法，備用競爭市場定價)，雙邊合同法，金融工具定價法等［7］.其中，市場價值定價法是利用市場機制作為價格發(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)價格.系統(tǒng)操作員可通過良好的機制設(shè)計，配合必要的監(jiān)管措施，激勵發(fā)電公司和IL用戶揭示真實成本，從而為定價提供必要條件.

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)的社會經(jīng)濟效益最大化，獨立系統(tǒng)運營商(Independent System Operator，ISO)在考慮系統(tǒng)安全性的同時采用最小化備用費用購買備用.因此，一些電力學(xué)者對于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中標者支付總額最少為目標函數(shù)，考慮提前通知時間、負荷點位置、負荷的功率等因素進行優(yōu)化選出IL用戶，并按照中標的IL用戶的最高投標價進行定價.基于層次分析法［9］(AHP)考慮 IL的報價、大小、響應(yīng)時間及可停電時間因素，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.基于存儲理論［10］的備用市場采用拍賣機制，引入經(jīng)濟學(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，指出在備用存儲充足時，優(yōu)先采用電廠作為備用，在備用容量不足時，利用IL替代一部分備用，采用運籌學(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，因此建立一個考慮備用參與者機會成本的公平、競爭、開放的電力備用市場尤為重要.

5 結(jié)論

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

(2)用戶的報價是考慮自己機會成本損失的報價，備用市場的價格出清應(yīng)充分考慮用戶的報價意愿.

(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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