美國(guó)PJM電力現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下需求響應(yīng)機(jī)制分析與啟示

蔣 燕，陳雨果，孫宇軍，李秀峰，高道春，周 涵，吳 洋

（1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100084）

0 引言

我國(guó)開(kāi)展試運(yùn)行的電力現(xiàn)貨試點(diǎn)主要是以“用戶側(cè)報(bào)量不報(bào)價(jià)”的模式起步，在后續(xù)的市場(chǎng)建設(shè)中，逐步引入雙邊報(bào)量報(bào)價(jià)模式，推動(dòng)電能量與輔助服務(wù)市場(chǎng)的聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，引導(dǎo)儲(chǔ)能和需求響應(yīng)（demand response,DR）參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)［1—2］。

2012年，我國(guó)啟動(dòng)了第一批需求側(cè)管理試點(diǎn)城市建設(shè)［3］，在江蘇等省份形成了常態(tài)化的DR機(jī)制。隨著現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的推進(jìn)，如何利用市場(chǎng)機(jī)制發(fā)揮用戶側(cè)的積極性，提高資源優(yōu)化配置效果，是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題［4—5］。

美國(guó)PJM市場(chǎng)對(duì)世界范圍內(nèi)的電力市場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)具有重要的參考意義。PJM市場(chǎng)中以負(fù)荷削減服務(wù)提供商（curtailment service provider,CSP）為代表的市場(chǎng)主體，將DR資源引入了批發(fā)市場(chǎng)交易［6］。文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［8］從緊急型DR和經(jīng)濟(jì)型DR的角度，分析了DR項(xiàng)目類(lèi)型及其運(yùn)營(yíng)情況。結(jié)合PJM市場(chǎng)規(guī)則，本文針對(duì)這兩種類(lèi)型的DR參與日前、實(shí)時(shí)交易組織過(guò)程，以及市場(chǎng)機(jī)制的原理展開(kāi)分析。最后，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況提出DR參與市場(chǎng)化交易的建議。

1 DR參與PJM市場(chǎng)交易的范圍

PJM電力市場(chǎng)體系包含了中長(zhǎng)期、日前、實(shí)時(shí)市場(chǎng)交易。現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)采用全電量競(jìng)價(jià)的模式，中長(zhǎng)期和日前電能量的交易結(jié)果帶有差價(jià)合約屬性，現(xiàn)貨階段主要涉及電能量和輔助服務(wù)交易。PJM的DR主要分為緊急型響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)型響應(yīng)兩大類(lèi)，其子類(lèi)參與交易的范疇如表1所示［6，9］。

緊急型響應(yīng)經(jīng)濟(jì)型響應(yīng)DR子類(lèi)單一容量型單一電能量型復(fù)合型單一電能量型單一調(diào)節(jié)型復(fù)合型市場(chǎng)交易范疇容量市場(chǎng)交易日前、實(shí)時(shí)電能量交易容量市場(chǎng)、日前/實(shí)時(shí)電能量交易日前、實(shí)時(shí)電能量交易調(diào)頻市場(chǎng)交易日前/實(shí)時(shí)電能量和備用輔助服務(wù)交易

2 電能量市場(chǎng)的DR機(jī)制及原理分析

2.1 電能量市場(chǎng)中的基線負(fù)荷管理

PJM市場(chǎng)規(guī)則中，明確列出了基于對(duì)稱(chēng)時(shí)段修正的3種典型日計(jì)算方法（The 3 day type with SAA）作為推薦的計(jì)算方法［9—10］，其步驟包括樣本選擇、初始基線計(jì)算、基線修正。

考慮到DR用戶的多樣性，PJM還提供了多種可選的用戶基線負(fù)荷（customer baseline load,CBL）方法［9,11］，其與The 3 day type with SAA的區(qū)別如表2所示。

類(lèi)別1 2 3 4 5計(jì)算方法The 7 day type with SAA The 3 day type with WSA Max base load Same day 3+2 Match day與The 3 day type with SAA的區(qū)別對(duì)周一至周日每天進(jìn)行初始分類(lèi)。分析負(fù)荷與氣溫的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)實(shí)際氣溫與基線樣本的平均氣溫的差值，計(jì)算CBL的修正量。各響應(yīng)時(shí)段平均負(fù)荷的最低值作為全部時(shí)段的CBL。響應(yīng)開(kāi)始前2至3 h，以及響應(yīng)結(jié)束后2至3 h，共5 h的負(fù)荷平均值作為CBL。從基線樣本日中選取相似性最高的3 h，對(duì)應(yīng)時(shí)段的負(fù)荷平均值作為CBL。

由圖2可知，第1類(lèi)方法在計(jì)算過(guò)程中細(xì)化了響應(yīng)日的分類(lèi)，適用于不同工作日之間負(fù)荷存在較大差別的用戶；第2類(lèi)方法主要用于溫度敏感用戶；第3類(lèi)方法對(duì)不同樣本日的同一時(shí)段負(fù)荷分別求平均值，然后取最小值作為全部時(shí)段的CBL，實(shí)際上是懲罰性的計(jì)算方法；第4類(lèi)和第5類(lèi)為匹配法，主要用于特殊日期或樣本數(shù)量較少的場(chǎng)景。PJM還考核DR用戶在非事件日內(nèi)的實(shí)際負(fù)荷與CBL的偏差，根據(jù)相對(duì)均方根誤差來(lái)判別CBL的合理性。

2.2 DR參與電能量交易的競(jìng)價(jià)機(jī)制分析

2.2.1 DR參與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的報(bào)價(jià)

在PJM日前、實(shí)時(shí)市場(chǎng)報(bào)價(jià)階段，CSP代理DR資源提交“削減電量-價(jià)格”曲線。DR的報(bào)價(jià)方式與發(fā)電主體相似，該曲線最多可分10段，市場(chǎng)主體可以選擇階梯型或斜率型兩種方式予以提交。未中標(biāo)的容量，可以繼續(xù)在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中競(jìng)價(jià)。日前報(bào)價(jià)結(jié)束至實(shí)時(shí)運(yùn)行前65 min，只允許修改申報(bào)的最大、最小容量，不允許修改價(jià)格。

DR在日前中標(biāo)的容量需要物理執(zhí)行，因此DR資源的日前中標(biāo)結(jié)果不具有差價(jià)合約屬性。日前未中標(biāo)的DR容量，才可以繼續(xù)在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中競(jìng)價(jià)。

2.2.2 凈效益測(cè)試的原理分析

PJM將DR納入電能量市場(chǎng)的重要目的是擴(kuò)大全社會(huì)凈效益。一般而言，在供電容量存在缺口、市場(chǎng)價(jià)格較高的場(chǎng)景下，才需要引入DR來(lái)替代發(fā)電資源；否則，仍優(yōu)先保障發(fā)電資源的利用，以減少全社會(huì)凈效益的損失。因此，PJM設(shè)置了凈效益測(cè)試（net benefit test,NBT）［10,12］。根據(jù)一次能源的價(jià)格走勢(shì)以及機(jī)組的歷史報(bào)價(jià)，計(jì)算得到凈效益價(jià)格（net benefit price,NBP）。在補(bǔ)償環(huán)節(jié)，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)（locational marginal price,LMP）高于NBP的時(shí)段，參照LMP作為單位補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)予以結(jié)算［13］。

PJM將NBP定義為：在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，將全部發(fā)電側(cè)市場(chǎng)主體的報(bào)價(jià)擬合得到“容量—價(jià)格”曲線；然后計(jì)算曲線上各點(diǎn)的斜率，該斜率等于1的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)電側(cè)報(bào)價(jià)即為NBP。為更好地理解NPB的物理含義，本節(jié)分析了供給曲線的斜率與“發(fā)電側(cè)報(bào)價(jià)的彈性系數(shù)”具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)過(guò)程如下：

令y0表示發(fā)電報(bào)價(jià)曲線y(x)上某一點(diǎn)的價(jià)格，Δy0表示價(jià)格增量；x0表示曲線上該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的申報(bào)容量，MW；Δx0表示容量增量。由此得到點(diǎn)(x0,y0)處的價(jià)格彈性系數(shù)為

將機(jī)組的申報(bào)價(jià)格y和申報(bào)容量x在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中表示，有

比較式（4）與式（1）可知，發(fā)電側(cè)報(bào)價(jià)曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的斜率k，就是“價(jià)格彈性系數(shù)”。因此，凈效益平衡點(diǎn)反映的物理含義是：超出NBP以后的報(bào)價(jià)段，由于彈性系數(shù)＞1，表明繼續(xù)增加發(fā)電的容量供給變得不再經(jīng)濟(jì)，引入DR資源來(lái)替代部分發(fā)電資源。NBP計(jì)算流程如圖1所示。

NBT機(jī)制保障了對(duì)DR激勵(lì)的有效性，而不是在任何時(shí)段都對(duì)DR中標(biāo)的電量予以LMP補(bǔ)償，引導(dǎo)DR主體參考NBP價(jià)格進(jìn)行合理報(bào)價(jià)，更有利于的提高全社會(huì)凈效益。

2.2.3 DR參與現(xiàn)貨電能量交易組織流程

DR參與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的交易組織流程具體如圖2所示。市場(chǎng)申報(bào)階段，參考運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)發(fā)布的NBP，DR與發(fā)電機(jī)組一同提交分段報(bào)價(jià)曲線；競(jìng)價(jià)階段，運(yùn)行含DR報(bào)價(jià)的出清計(jì)算程序，輸出市場(chǎng)主體的中標(biāo)量?jī)r(jià)；DR主體應(yīng)在一定范圍內(nèi)，按照中標(biāo)結(jié)果來(lái)執(zhí)行響應(yīng)，并接受考核與結(jié)算。

2.3 DR參與電能量交易的結(jié)算機(jī)制分析

參與電能量現(xiàn)貨市場(chǎng)的DR用戶，要盡量保證實(shí)際響應(yīng)容量滿足中標(biāo)結(jié)果的要求。事后執(zhí)行偏差在中標(biāo)量±20%以內(nèi)的部分，仍按照現(xiàn)貨出清價(jià)格作結(jié)算；但超出的部分需要進(jìn)行偏差考核［13］，執(zhí)行偏差產(chǎn)生的考核費(fèi)用稱(chēng)為DR主體的平衡運(yùn)行備用費(fèi)。

在結(jié)算環(huán)節(jié)對(duì)DR進(jìn)行偏差考核，是為了反向激勵(lì)DR主體按照中標(biāo)容量來(lái)執(zhí)行響應(yīng)行為。若不設(shè)置上述懲罰機(jī)制，大量現(xiàn)貨市場(chǎng)中標(biāo)的DR容量在實(shí)際運(yùn)行中未執(zhí)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致有功缺額的風(fēng)險(xiǎn)增加，需轉(zhuǎn)由其它發(fā)電側(cè)的資源來(lái)提供運(yùn)行備用，間接抬高了運(yùn)行成本。類(lèi)似的，在我國(guó)部分省區(qū)的現(xiàn)貨市場(chǎng)中，中標(biāo)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中也需要接受非計(jì)劃停運(yùn)的考核。

3 DR參與備用、調(diào)頻的機(jī)制分析

3.1 備用輔助服務(wù)市場(chǎng)的DR機(jī)制

3.1.1 DR參與備用輔助服務(wù)交易的類(lèi)型

滿足電能量交易準(zhǔn)入條件的DR，若計(jì)量時(shí)間頻度為1 min且準(zhǔn)確度偏差不超過(guò)2%，可同時(shí)參與日內(nèi)的備用交易。PJM備用體系中的同步備用包括兩類(lèi)［14］，參與備用交易的DR資源被視作T2類(lèi)同步運(yùn)行備用，DR應(yīng)在日前14:15申報(bào)最大、最小響應(yīng)容量和價(jià)格。DR參與備用輔助服務(wù)交易的出清環(huán)節(jié)與PJM市場(chǎng)的日內(nèi)出清計(jì)算過(guò)程相結(jié)合［9,15］。

3.1.2 DR提供備用輔助服務(wù)的認(rèn)證方法

同步備用調(diào)節(jié)的時(shí)效性比電能量市場(chǎng)的要求更高，結(jié)合負(fù)荷削減、維持、反彈等特征和調(diào)節(jié)速率的要求，PJM將DR提供的同步運(yùn)行備用分為兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)證［15］：

（1）負(fù)荷削減過(guò)程的有效容量認(rèn)證

開(kāi)始時(shí)的負(fù)荷值與第10 min結(jié)束時(shí)的負(fù)荷值之差，作為削減過(guò)程的有效響應(yīng)容量。考慮到單一時(shí)刻計(jì)量偏差的影響，將削減過(guò)程的響應(yīng)容量計(jì)算為

式中：Dstart為響應(yīng)削減過(guò)程的有效容量；L0為響應(yīng)開(kāi)始時(shí)刻的實(shí)際負(fù)荷；L1至L11分別為響應(yīng)期間對(duì)應(yīng)時(shí)段的實(shí)際負(fù)荷。

（2）響應(yīng)維持過(guò)程的有效容量認(rèn)證

若后續(xù)的響應(yīng)時(shí)段內(nèi)不發(fā)生明顯的負(fù)荷反彈，則視作響應(yīng)維持過(guò)程。有效響應(yīng)容量為

式中：T為響應(yīng)維持過(guò)程的時(shí)段集合；NT為響應(yīng)維持的時(shí)長(zhǎng)（按分鐘計(jì)）；Li為第i分鐘內(nèi)的實(shí)際負(fù)荷。式（6）表明，如果前10 min內(nèi)負(fù)荷不能完成既定目標(biāo)的削減，后續(xù)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)減小負(fù)荷而產(chǎn)生更多的削減容量，將不會(huì)被認(rèn)是有效的削減。

此外，針對(duì)循環(huán)控制、恢復(fù)調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)荷，PJM提供了另一種響應(yīng)容量的認(rèn)證方法［15］，其響應(yīng)容量應(yīng)等于事件結(jié)束時(shí)的負(fù)荷與事件開(kāi)始前10 min內(nèi)最低的負(fù)荷之差。

3.2 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的DR機(jī)制

參與調(diào)頻輔助服務(wù)交易的DR資源，需要滿足PJM市場(chǎng)的傳統(tǒng)/慢速響應(yīng)性能或動(dòng)態(tài)/快速調(diào)頻響應(yīng)性能的要求。DR調(diào)頻資源只需要具備精確的負(fù)荷響應(yīng)記錄條件即可，無(wú)需通過(guò)CBL測(cè)試。

運(yùn)行日前14:15，DR主體提交調(diào)頻輔助服務(wù)的容量和里程報(bào)價(jià)，可調(diào)上、下限等信息。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清環(huán)節(jié)，包括DR在內(nèi)的調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)主體，會(huì)在運(yùn)行前30 min接到調(diào)頻服務(wù)的通知，市場(chǎng)出清價(jià)格以5 min的頻度更新。

在結(jié)算環(huán)節(jié)，根據(jù)DR實(shí)際響應(yīng)結(jié)果計(jì)算相關(guān)度、延遲度和響應(yīng)精度，調(diào)頻性能指標(biāo)為上述3項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)平均值。調(diào)頻性能指標(biāo)高于0.25的DR調(diào)頻資源才能根據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)出清價(jià)獲取補(bǔ)償［15］。

4 我國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下DR的應(yīng)用啟示

結(jié)合本文分析和我國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的實(shí)際情況，總結(jié)得到以下啟示：

（1）目前“用戶側(cè)報(bào)量不報(bào)價(jià)”的電能量競(jìng)價(jià)模式下，建議在出清環(huán)節(jié)考慮價(jià)格彈性的影響并增加可靠性機(jī)組組合測(cè)試。

現(xiàn)貨試點(diǎn)省份在起步階段大多采用了“用戶側(cè)報(bào)量不報(bào)價(jià)”的模式。隨著市場(chǎng)化交易的推進(jìn)，用戶對(duì)于市場(chǎng)價(jià)格的彈性將逐步體現(xiàn)，若日前出清得到的LMP相對(duì)平時(shí)發(fā)生較大的變動(dòng)，可能引起部分用電行為調(diào)整。

因此，剛性需求條件下得到的日前發(fā)電計(jì)劃，可能與實(shí)時(shí)階段的電網(wǎng)運(yùn)行條件產(chǎn)生一定的沖突，需要細(xì)致的分析現(xiàn)貨市場(chǎng)條件下用戶的價(jià)格彈性。在完成日前市場(chǎng)出清后，通過(guò)可靠性機(jī)組組合測(cè)試來(lái)提高日前發(fā)電計(jì)劃與實(shí)時(shí)運(yùn)行條件的匹配程度。

（2）逐步將DR納入電能量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，利用市場(chǎng)機(jī)制提高電能的優(yōu)化配置水平，增強(qiáng)供需調(diào)節(jié)能力、降低價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)負(fù)荷集成商（售電公司）聚合可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源，以DR主體的形式參與現(xiàn)貨電能量競(jìng)價(jià)，該模式對(duì)現(xiàn)有規(guī)則和現(xiàn)貨市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)改動(dòng)相對(duì)較小，有望快速緩解部分地區(qū)供電緊張的局面，也能發(fā)揮DR市場(chǎng)化機(jī)制的作用。

具體而言，由負(fù)荷集成商提交“價(jià)格-響應(yīng)容量”曲線，納入日前現(xiàn)貨市場(chǎng)出清過(guò)程。調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)次日各時(shí)段的供需緊張程度，設(shè)定系統(tǒng)正備用低于某一閾值時(shí)，觸發(fā)DR參與電能量市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)出清結(jié)果確定DR中標(biāo)容量和LMP，并對(duì)實(shí)際執(zhí)行容量按照LMP予以補(bǔ)償。待現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)進(jìn)入成熟階段，借鑒PJM市場(chǎng)方法引入NBT機(jī)制，進(jìn)一步提高全社會(huì)凈效益。

DR參與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)的機(jī)制，既有助于緩解電力供需矛盾，通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算來(lái)解決DR補(bǔ)償來(lái)源的問(wèn)題；也有助于降低市場(chǎng)價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，逐步培養(yǎng)用戶側(cè)主體的競(jìng)價(jià)意識(shí)，推動(dòng)現(xiàn)貨交易穩(wěn)步開(kāi)展。

（3）構(gòu)建DR參與的調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，制定適配DR資源參與備用、調(diào)頻的評(píng)價(jià)方法，充分發(fā)揮用戶側(cè)靈活性資源的調(diào)節(jié)能力。

與國(guó)外市場(chǎng)情況不同，我國(guó)市場(chǎng)化交易的輔助服務(wù)品種包括調(diào)峰、備用和調(diào)頻，部分現(xiàn)貨試點(diǎn)地區(qū)的輔助服務(wù)交易與電能量交易相互獨(dú)立開(kāi)展。

結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，引導(dǎo)負(fù)荷集成商聚合DR資源，在低谷時(shí)段提供負(fù)荷上調(diào)服務(wù)，與調(diào)峰市場(chǎng)的機(jī)組一同競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)已建成的調(diào)峰市場(chǎng)影響較小，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)推動(dòng)DR參與其它輔助服務(wù)交易的奠定基礎(chǔ)。

還可借鑒PJM市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，制定與備用、調(diào)頻適配的DR認(rèn)證方法，為挖掘DR參與調(diào)頻、備用的潛力提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足不同類(lèi)型輔助服務(wù)調(diào)節(jié)性能的要求，也要兼顧DR可能產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)滯、響應(yīng)波動(dòng)和反彈等實(shí)際特性。

（4）提供多種適配性的CBL計(jì)算方法，并通過(guò)非事件日的偏差考核、CBL滾動(dòng)修正等手段，提高CBL的可靠性。

建議提供多種適配的CBL計(jì)算方法，并由參與DR的用戶根據(jù)實(shí)際來(lái)選擇，以此提高CBL計(jì)算的準(zhǔn)確性。例如，針對(duì)周期性的生產(chǎn)負(fù)荷，提供類(lèi)似于The 3 day type with SAA的計(jì)算方法，但是典型日的分類(lèi)數(shù)目，由用戶的生產(chǎn)周期以及同一周期內(nèi)各日的相似程度而定。

若DR主體在非事件時(shí)段的實(shí)際負(fù)荷與CBL存在較大偏差，應(yīng)在響應(yīng)負(fù)荷認(rèn)證面予以扣減，激勵(lì)用戶側(cè)聚集更為優(yōu)質(zhì)的DR資源。此外，還可以借鑒成熟市場(chǎng)的CBL的動(dòng)態(tài)修正機(jī)制，周期性地（例如3個(gè)月以上）向用戶提供修改CBL方法的機(jī)會(huì)，以適應(yīng)用戶負(fù)荷結(jié)構(gòu)和用電行為的調(diào)整，提高CBL的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了PJM現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下DR參與電能量、備用和調(diào)頻輔助服務(wù)的流程與方法，并重點(diǎn)分析了現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)環(huán)境下DR機(jī)制的設(shè)計(jì)原理，對(duì)于現(xiàn)貨市場(chǎng)條件下的DR機(jī)制設(shè)計(jì)和DR項(xiàng)目實(shí)施具有借鑒意義。最后，從DR參與電能量和輔助服務(wù)的機(jī)制設(shè)計(jì)、CBL的管理等方面總結(jié)了應(yīng)用啟示，以期為DR市場(chǎng)化機(jī)制的研究和應(yīng)用提供參考。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和碳市場(chǎng)的發(fā)展，DR機(jī)制如何應(yīng)用于低碳能源市場(chǎng)是值得進(jìn)一步研究的方向。D