考慮外來電分攤的浙江燃煤機組調(diào)停調(diào)峰市場機制研究

梅天華，李磊，陳靖文

(1.國家能源局浙江監(jiān)管辦公室，杭州市 310007； 2.浙江省電力公司，杭州市 310007;3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市 200240)

考慮外來電分攤的浙江燃煤機組調(diào)停調(diào)峰市場機制研究

梅天華1，李磊2，陳靖文3

(1.國家能源局浙江監(jiān)管辦公室，杭州市 310007； 2.浙江省電力公司，杭州市 310007;3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市 200240)

當前外來電不參與受電省份的深度調(diào)峰，導致受電地區(qū)電力調(diào)峰資源不足。受調(diào)度“三公”影響，機組調(diào)停調(diào)度以“輪?！睘橹?，運行效率較低。該文在現(xiàn)行運行規(guī)定的基礎(chǔ)上，建立了外來電分攤受電省份機組輔助服務(wù)成本的分攤模型和基于報價、補償?shù)恼{(diào)停調(diào)度交易模型，應(yīng)用公平分配理論中的“無嫉妒”性，給出了市場定價和結(jié)算規(guī)則。論證了在該文所述的調(diào)停交易機制下，參與市場機組報價的策略自明性。對調(diào)停調(diào)峰市場實施過程中需要注意的問題進行了討論。通過浙江電網(wǎng)實際算例，表明該文模型能夠平衡各方利益，解決當前機組調(diào)停的公平效率問題。

機組調(diào)停；電網(wǎng)調(diào)峰；成本分攤；公平；電力市場

0 引 言

在電力市場環(huán)境下機組競價上網(wǎng)，報價較高機組自然低出力運行，電力運行不存在調(diào)峰輔助服務(wù)需求[1]。我國特有的“三公”調(diào)度體制[2]，導致電力公平調(diào)峰成為重要的調(diào)度目標。隨著特高壓電網(wǎng)和光伏、風電、水電、核電等可再生能源的快速發(fā)展[3-5]，電力調(diào)峰矛盾日漸突出。近年來浙江省外來電占比出現(xiàn)較大幅度上升，外來電量在統(tǒng)調(diào)用電量中的占比已經(jīng)超30%，且多數(shù)為新能源可再生能源。導致浙江電網(wǎng)調(diào)峰能力嚴重不足[6]，燃煤火電出現(xiàn)了頻繁調(diào)停調(diào)峰運行的新常態(tài)。2014年夏季受溪洛渡左岸水電機組投運以及四川水電大發(fā)影響，特高壓±800 kV賓金直流長時間不調(diào)峰滿負荷運行。由此導致2014年7～10月份浙江省燃煤火電機組調(diào)停近百臺次，日均調(diào)停容量超過800萬kW。由于系統(tǒng)運行的旋轉(zhuǎn)備用增加，并且機組啟停成本無法有效分攤，導致了浙江省常規(guī)燃煤機組負荷率同比下降了近20%。據(jù)測算，僅考慮賓金直流投運就導致浙江常規(guī)燃煤機組的煤耗增加2.6 g/(kW·h)。

為解決輔助服務(wù)成本的公平分攤問題，原國家電監(jiān)會開展了輔助服務(wù)“兩個細則”考核補償管理[7-8]。但是當時燃煤發(fā)電機組運行中很少“調(diào)?！保撘?guī)則并未將燃煤機組調(diào)停成本納入到補償分攤的范圍。另一方面“兩個細則”考核補償以同一調(diào)度范圍內(nèi)的發(fā)電機組為對象，這就導致浙江省內(nèi)機組為溪洛渡和四川水電消納承擔了大量的成本，但是卻沒有獲得任何補償。第三，由于“兩個細則”考核補償管理主要依托于現(xiàn)有調(diào)度體制，機組主動參與調(diào)停的激勵不足。受調(diào)度“三公”體制影響，當前浙江發(fā)電機組調(diào)停主要采用了“輪?！钡恼{(diào)度策略，無法體現(xiàn)電力運行的經(jīng)濟性要求。

為解決當前電網(wǎng)調(diào)峰問題，促進各類機組公平承擔輔助服務(wù)成本，業(yè)界開展了大量的研究和實踐。浙江能源監(jiān)管辦開展了輔助服務(wù)成本的跨省區(qū)分攤試點。東北區(qū)域采用市場化報價和補償分攤相結(jié)合的方法，通過市場機制促進調(diào)峰資源優(yōu)化，但交易中并未包含機組調(diào)停。在理論方面主要圍繞分攤和激勵機制開展研究，文獻[9-11]應(yīng)用合作博弈論中的Shapley值、核仁等對機組調(diào)峰成本進行分攤。文獻[9]提出的將啟停費用分攤至電力負荷的方案，可以在優(yōu)化調(diào)峰運行的基礎(chǔ)上，對電力負荷參與電力運行調(diào)整提供激勵信號。但是基于合作博弈的方法均存在“組合爆炸”問題，不具備大規(guī)模應(yīng)用的可行性。文獻[12]建立了水電/火電機組的調(diào)峰能力評估模型，根據(jù)調(diào)峰能力和上網(wǎng)電量分配調(diào)峰費用，激勵機組參與調(diào)峰運行。文獻[13]提出了通過提取調(diào)峰電費補償基金的方法，建立了根據(jù)等效可用負荷率進行分攤的調(diào)峰補償模型。但是該模型沒有充分兼顧調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度和激勵機制，對于機組調(diào)峰義務(wù)的分配也缺乏依據(jù)，難以形成行業(yè)共識。

本文從激勵機制、調(diào)停優(yōu)化及公平分攤的角度對浙江省調(diào)停調(diào)峰市場機制進行研究。在華東區(qū)域“兩個細則”[8]的基礎(chǔ)上建立外來電分攤省內(nèi)輔助服務(wù)成本的計算模型。同時將獲得的費用，用于激勵發(fā)電機組參與調(diào)停調(diào)峰。在考慮現(xiàn)行運行規(guī)定的基礎(chǔ)上，以機組報價為基礎(chǔ)，將機組調(diào)停等效為機組開機權(quán)分配，建立機組調(diào)停優(yōu)化模型。根據(jù)市場交易的“無嫉妒性”原則[14-15]，建立調(diào)停費用的補償分攤模型，并對調(diào)停市場中的博弈行為進行分析，證明博弈均衡定理。最后結(jié)合算例表明本文模型的有效性。

1 外來電分攤受電省份輔助服務(wù)成本模型

1.1 基本思路

受調(diào)度區(qū)域劃分影響，外來電一般不參與受電省份的調(diào)頻、自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)、自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)等輔助服務(wù)。外來水電在豐水期一般不調(diào)峰滿發(fā)運行，導致受電省份燃煤機組調(diào)峰需求大幅增加，運行成本顯著上升。盡管外來電已經(jīng)參與了送端電網(wǎng)的輔助服務(wù)調(diào)用，但是如果不考慮對受端電網(wǎng)的影響，會導致外來電送電成本的扭曲，不利于資源的優(yōu)化配置?？紤]到現(xiàn)行“兩個細則”考核補償已經(jīng)開展多年，發(fā)電行業(yè)基本認可了這一費用分攤模式。從簡化操作角度，本文以華東區(qū)域“兩個細則”為基礎(chǔ)，對外來電參與受電省份的輔助服務(wù)補償分攤進行建模。

1.2 分攤算法

對受電省份而言，外來電一般不承擔任何輔助服務(wù)。即使考慮調(diào)峰因素，外來電參與調(diào)峰的深度一般不超過30%，屬于無償調(diào)峰的范圍。根據(jù)“同網(wǎng)同電承擔相同輔助服務(wù)費用，高電價機組的輔助服務(wù)義務(wù)相應(yīng)更高”的原則，外來電源應(yīng)當與受電省電源按照相同的規(guī)則參與受電省份的輔助服務(wù)費用分攤。由于外來電無法為受電省份提供輔助服務(wù)，也無法參與受電省份的“兩個細則”輔助服務(wù)考核，因此本文僅考慮了外來電機組分攤省內(nèi)機組輔助服務(wù)補償費用這一因素。相應(yīng)的計算模型為

(1)

1.3 分攤算法優(yōu)點和主要問題

公式(1)盡管沒有考慮網(wǎng)絡(luò)阻塞、潮流分布以及實際運行狀況等因素，也不能充分兼顧電價核準制的內(nèi)在要求。例如，核電機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組，由于電價核定中并未考慮輔助服務(wù)成本，就可能提出其不應(yīng)承擔AGC、調(diào)峰等費用；外來電機組可能會因為其增加了額外費用而提出異議。但是總體而言，該分攤方法原則明確，基本符合公平原則，而且計算和計量都比較簡單，并且不改變當前輔助服務(wù)的調(diào)用方式，易于實踐推行。當前溪洛渡電廠分攤浙江電網(wǎng)輔助服務(wù)成本、向家壩機組分攤上海電網(wǎng)輔助服務(wù)成本的計算方法與公式(1)基本一致。

由于華東區(qū)域“兩個細則”解決了輔助服務(wù)調(diào)用的激勵問題，大大降低了調(diào)用發(fā)電機組輔助服務(wù)的現(xiàn)實阻力，在當前“三公”調(diào)度為主導的情況下容易產(chǎn)生機組輔助服務(wù)過度調(diào)用問題。例如，當前電網(wǎng)運行中的實際頻率偏差遠小于GB/T15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定的合格標準，表明當前機組調(diào)頻和AGC很可能存在過度調(diào)用問題。另一方面，由于“兩個細則”考核分攤中，輔助服務(wù)調(diào)用的費率采用的是固定費率，不能兼顧不同機組的實際成本，容易引發(fā)對輔助服務(wù)調(diào)用公平性的置疑。

2 基于報價的調(diào)停市場模型

2.1 基本思路

由于“兩個細則”考核補償，采用了固定費率的統(tǒng)一定價模式，無法對輔助服務(wù)的優(yōu)化調(diào)用形成有效制約機制，也無法解決輔助服務(wù)調(diào)度公平性的爭議問題。繼續(xù)將機組調(diào)停調(diào)峰問題納入“兩個細則”的框架，通過核定機組調(diào)停費用的方法加以解決，未必是最佳的方案?？紤]到市場機制是解決優(yōu)化調(diào)用，滿足“無嫉妒性”[14-15]公平的最佳方案，本文采用了基于報價的市場方式對調(diào)停安排和成本分攤進行建模。

在浙江常規(guī)燃煤機組發(fā)電量占統(tǒng)調(diào)發(fā)電總量的90%左右。而燃氣機組已經(jīng)實施“兩部制”電價，上網(wǎng)電價中包含了其頻繁啟停的運行成本及經(jīng)營利潤要求，如果再從調(diào)停調(diào)峰市場獲益顯然不符合公平原則。非“豐水期”水電調(diào)峰的情況比較復雜，文獻[16]提出了基于調(diào)峰價值量的水電調(diào)峰補償算法。但是從現(xiàn)行電價體系和浙江省調(diào)度慣例來看，非“豐水期”水電無償提供調(diào)停調(diào)峰是合理的。華東區(qū)域“兩個細則”對燃氣和水電的調(diào)停補償算法也體現(xiàn)了這一特點。從簡化和市場平穩(wěn)起步的角度，僅僅考慮了常規(guī)燃煤機組參與浙江省電力啟停調(diào)峰市場。

基于報價的調(diào)停市場建模思路為：(1)將機組調(diào)停問題看成是發(fā)電機組的開機權(quán)分配問題，即機組可以開機是因為分配到了有限的開機權(quán)；(2)獲取開機權(quán)的機組應(yīng)當支付給未獲得開機權(quán)的機組(調(diào)停機組)相應(yīng)的費用，并且結(jié)果應(yīng)當滿足無嫉妒性；(3)調(diào)停調(diào)度應(yīng)當滿足電力運行的約束。

2.2 調(diào)度模型

受電力調(diào)度“三公”模式以及安全運行要求的影響，調(diào)度機構(gòu)往往通過壓低發(fā)電負荷率來提高安全裕度。但根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定原則上系統(tǒng)運行負荷率低于70%時應(yīng)當啟動調(diào)停，且調(diào)停時間不少于7天。根據(jù)DL/T1040—2007《電網(wǎng)運行準則》電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)當開展7天的每日96點負荷預測。本文按照調(diào)停交易周期7天，平均負荷率大于0.7確定調(diào)停方案。假設(shè)發(fā)電機組i申報的調(diào)停成本為uci，從開機權(quán)分配的角度看，機組獲得開機權(quán)相當于創(chuàng)造了uci的社會福利。開機權(quán)分配方案應(yīng)當滿足社會福利的最大化(調(diào)停成本最小化)。調(diào)停優(yōu)化的計算模型為

(2)

約束條件：

(3)

(4)

約束(3)和約束(4)分別表示系統(tǒng)運行的負備用約束和負荷率約束。沒有考慮正備用約束，是本文模型按照調(diào)停成本最少為目標，正備用約束自然滿足(如果不能滿足，則會出現(xiàn)減負荷)。沒有考慮網(wǎng)絡(luò)約束，是因為當前電力調(diào)度主要按照分區(qū)平衡進行安排，同一分區(qū)內(nèi)視同單母線模型，不同分區(qū)內(nèi)的機組不考慮備用的互濟作用。沒有考慮年度計劃電量對運行的制約作用，主要是因為當繼續(xù)調(diào)停導致其計劃電量無法完成時，機組可以通過申報更高的調(diào)停價格自行予以調(diào)整，該部分成本已經(jīng)包含在uci中。

若機組調(diào)停安排按照模型(2)～(4)確定，盡管可以滿足系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，但會導致調(diào)停成本低的機組長期承擔啟停任務(wù)，而調(diào)停成本高的機組則無須參與調(diào)停調(diào)峰。如果沒有利益平衡機制，將會導致不公平。如何公平確定補償金額則需通過建立補償結(jié)算模型予以明確。

2.3 補償結(jié)算模型

(5)

從收支平衡來看有：

(6)

式中：n1為開機機組集合；n2為調(diào)停機組集合。

從公式(5)～(6)解得：

(7)

(8)

其中n=n1∪n2。

3 博弈均衡及需要注意的問題

3.1 “兩個細則”分攤對交易的影響

本文第1節(jié)中建立了外來電分攤省內(nèi)機組輔助服務(wù)成本的計算模型。為了激勵發(fā)電機組參與調(diào)停市場，可以考慮把外來電分攤省內(nèi)輔助服務(wù)的費用Ri先行支付調(diào)?？傎M用，不足部分繼續(xù)分攤。由此公式(6)應(yīng)當修改為

(9)

求解得：

(10)

(11)

3.2 博弈均衡分析

對于市場報價中參與人(機組)的博弈行為本文給出如下結(jié)論：

定理1 如果參與調(diào)停市場的機組報價為連續(xù)量，且各機組裝機均相同，則按照本文第2節(jié)給出的啟停調(diào)峰調(diào)度結(jié)算模型，參加市場機組的報價是策略自明的。

證明：從3.1節(jié)分析可知，外來電分攤不影響機組報價策略，所以證明中可以不考慮外來電補償費用的影響。根據(jù)本文第2部分的模型，市場交易的價格由邊際機組確定，且滿足公式(5)和公式(6)。假設(shè)機組k為邊際機組，按照真實成本報價時，此時機組k的收益為

(12)

(13)

(14)

證畢。

定理1表明本文設(shè)計的競價機制可以保證市場的平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)惡意競價的現(xiàn)象。

在實際市場運行中機組成本為離散量，裝機也會存在差異，此時從定理1的證明過程可以發(fā)現(xiàn)，如果機組的成本信息為公開信息，邊際機組可以通過申報一個無限接近于次高成本邊際機組的報價而獲得額外收益，在機組較多的情況下這一收益一般會比較低。實際市場運行中參與交易機組的策略性報價空間比較小，這有利于市場的平穩(wěn)運行。

3.3 需要注意的問題

從3.2節(jié)的分析可以看出本文的調(diào)峰交易機制不需要設(shè)置最高和最低限價，機組按照成本報價是最佳的競價策略。

本文2.2節(jié)模型的出清結(jié)果是以電力電量預測完全準確為前提，在實際市場運行中，實際調(diào)停安排應(yīng)當根據(jù)負荷預測的變化而相應(yīng)進行調(diào)整。此時可以引入電力市場中的事后電價機制[17]，根據(jù)實際調(diào)停調(diào)用情況進行定價和結(jié)算。即事先安排調(diào)停而實際調(diào)度中未被調(diào)停的機組不能獲取調(diào)停費用，并且和其他未調(diào)停機組一樣承擔調(diào)停成本的分攤義務(wù)。

對于電網(wǎng)運行中的因網(wǎng)絡(luò)約束等其他因素需要強行開機或停機的機組以及外來電機組，可以模仿電力市場中的“約束上”、“約束下”機組的定價規(guī)則進行處理，按照報價或所在分區(qū)的邊際價格進行補償分攤。

4 算例及分析

4.1 簡單模擬算例

算例包含10臺機組，1～9號機組為常規(guī)燃煤火電機組，10號機組表示外來電機組。機組參數(shù)及調(diào)停報價情況見附錄。

假設(shè)交易期內(nèi)最高負荷預測值為3 700 MW，最低負荷為2 500 MW，總用電量預測值為430.7 GW·h，交易期內(nèi)外來電根據(jù)“兩個細則”補償分攤的金額為54萬元。各機組裝機容量和調(diào)停報價如表1第2，3列所示。根據(jù)公式(9)和(10)，從外來電獲取的費用，經(jīng)由調(diào)停市場的分攤結(jié)果見表1第4列。機組根據(jù)本文第2節(jié)的調(diào)度結(jié)算模型計算結(jié)果為5～7號機調(diào)停，并獲得調(diào)停收益，其他機組支付開機費用，各機組收支情況如表1第5列所示。計算結(jié)果為：調(diào)停總?cè)萘繛? 800 MW，調(diào)?？傎M用265萬元，不考慮補償分攤的調(diào)停邊際價格為0.158 萬元/MW(7號機為邊際機組)。

8號機組盡管單位容量調(diào)停成本最低，但由于開停機具有0-1整數(shù)優(yōu)化性質(zhì)，從優(yōu)化結(jié)果來看調(diào)停8號機及其他機組并非最優(yōu)方案。從表1中還可以看出各種分攤方法均滿足收支平衡。由于無嫉妒分攤按照邊際調(diào)停價格結(jié)算，因此單位調(diào)停成本較低的5，6號機組獲得了超出成本的額外收益，這就對機組調(diào)停提供了激勵機制。表1第6列顯示了外來電“兩個細則”費用優(yōu)先用于支付調(diào)停機組，降低了省內(nèi)機組的調(diào)停費用支出，有利于激勵機組參與調(diào)停交易市場。

表1 調(diào)停交易費用及分攤情況
Table 1 Shut-down trading cost and allocation situation

4.2 實際場景算例

2014年8月浙江省某地電網(wǎng)共有燃煤火電機組66臺，總裝機3 569.5萬kW。受賓金直流投運和溪洛渡水電大發(fā)影響，浙江電網(wǎng)按照浙南、浙中、浙北3個分區(qū)實施電力電量平衡管理。各分區(qū)裝機情況見表2，其中三峽集團(賓金直流)的9臺裝機(按落地量計算)640萬kW接入浙南電網(wǎng)，分攤“兩個細則”費用為72萬元。以8月14日至20日調(diào)停安排為例計算成本分攤。機組開停機安排及費用分攤?cè)绫?。

表2中各分區(qū)的調(diào)停容量和調(diào)停數(shù)量根據(jù)分區(qū)可調(diào)機組和分區(qū)負荷曲線(燃煤機組部分)，按照本文第2節(jié)的調(diào)度結(jié)算模型計算得到。賓金直流落點為浙南分區(qū)，參與了浙南分區(qū)的調(diào)停交易。由于浙南分區(qū)承擔了賓金直流的電力受入，其調(diào)停調(diào)峰負擔較重，因此相應(yīng)的調(diào)停出清價格也比較高，本文的價格機制可以反映調(diào)停調(diào)峰資源的稀缺程度。表2中的“交易金額”表示分區(qū)內(nèi)調(diào)停機組獲得的費用總額，賓金的交易金額表示溪洛渡水電需要支付的資金總量。從表2中可以看出，賓金參與調(diào)停調(diào)峰的交易量遠遠超過“兩個細則”的補償分攤金額，當前“兩個細則”存在補償力度不足的問題；通過調(diào)停市場的建立解決了發(fā)電機組的調(diào)停激勵問題，同時使得外來電增加受入地調(diào)峰成本顯性化，平衡了各方利益訴求。結(jié)算時，外來電支付受電省份的調(diào)停分攤費用，可以通過受電省份電網(wǎng)公司扣減支付給外來電電費的方式實現(xiàn)。同時通過調(diào)整參與調(diào)停交易機組的購電費就可以實現(xiàn)調(diào)停交易市場的結(jié)算。

表2 浙江電網(wǎng)調(diào)停交易模擬情況表
Table 2 Simulation of shut-down trading in Zhejiang power grid

5 結(jié) 論

(1)建立了外來電分攤受電省份輔助服務(wù)成本的分攤模型。

(2)建立了機組中長期優(yōu)化調(diào)停模型。

(3)建立了基于“無嫉妒性”的機組調(diào)停成本分攤及結(jié)算模型。

(4)證明了本文交易機制的策略自明性，對實際施行中的有關(guān)問題進行了討論。

(5)算例表明本文的交易機制可以激勵燃煤機組參與調(diào)停，同時使得外來電受入產(chǎn)生的調(diào)停成本顯性化，可以平衡各方利益訴求。

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(編輯 張媛媛)

附錄A

表A1 10機系統(tǒng)機組參數(shù)及報價情況
Table A1 Parameters and quotation of 10-units system unit

注：計算中，正備用率取0.02，負備用率取0.02；核電、外來電報價高主要模擬棄水成本。

表A2 實際算例參數(shù)
Table A2 Parameters of real example

注：部分燃煤機組啟停報價特別高是考慮了全廠停機的成本因素，賓金水電報價按照棄水成本考慮。

Shut-Down Peaking Market Mechanism of Zhejiang Coal-Fired Units Considering Import Power Allocation

MEI Tianhua1, LI Lei2, CHEN Jingwen3

(1. Zhejiang Energy Regulatory Office of National Energy Administration, Hangzhou 310007, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China;3. School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The imported power does not participate in the deep peak-regulation at present, which leads to the deficiency of the peak-regulation resources in the receiving-end region. Following the “Equity, Openness, Justice” dispatch principle, “rolling shut-down” is the main mechanism for unit commitment, which has low operation efficiency. Based on the existing operation regulations, this paper establishes an allocation model of ancillary service cost for units in energy-importing region with considering the participation of import power, formulates a shut-down trading model based on quotation and compensation mechanism, and presents the market pricing and settlement rules following the “no envy” concept in fair distribution theory. The self-enforcing strategy of the unit quotation under the proposed shut-down trading mechanism is proved. We discuss the problems that need attention during the implementation of shut-down peaking market. Through the realistic examples in Zhejiang power grid, it is showed that the proposed model can balance the interest of different entities and solve the fairness and efficiency problems of shut-down peaking.

shut-down peaking; peak regulation of grid; cost allocation; fair; power market

TM 73； F 426

A

1000-7229(2016)03-0117-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.018

2015-11-28

梅天華(1980)，男，博士，工程師,研究方向為電力市場；

李磊(1982)，女，碩士，高級工程師,主要研究方向為電力市場與電力系統(tǒng)需求側(cè)管理；

陳靖文(1995)，男，本科生，研究方向為電氣工程與自動化。