基于大數(shù)據(jù)分析的燃煤火電機組調(diào)頻邊際成本研究

侯丙辛 張弼宏 王鈞召

（1 廣東省能源集團有限公司 廣東廣州 510150 2 廣東粵電信息科技有限公司 廣東廣州 510150）

0 引言

以廣東電力市場為例，電力現(xiàn)貨市場到來之前，“小馬拉大車”問題突出，半數(shù)電源執(zhí)行15 min 發(fā)電計劃或無調(diào)節(jié)能力，不參與實時平衡系統(tǒng)偏差［1-3］。由此廣東電力實時市場通過調(diào)頻機組自動調(diào)節(jié)進行平衡，以保證電網(wǎng)運行安全以及居民用電質(zhì)量；對性能優(yōu)良的機組，調(diào)頻頻率高，給予相應的補償；通過市場機制，調(diào)用價低性優(yōu)的機組自動調(diào)頻，發(fā)電企業(yè)調(diào)頻積極性增強，用戶用電質(zhì)量得到保障，促成發(fā)電企業(yè)與用戶的雙贏局面［4］。

但與此同時，發(fā)電企業(yè)一方面為保證民生用電安全需響應政策需求［5］；另一方面，企業(yè)為追求效益最大化，實際根據(jù)自身機組特性參與調(diào)頻市場，為取得調(diào)頻收益并且不虧損，其報價應大于調(diào)頻邊際成本。但目前為止，發(fā)電企業(yè)的成本計算只針對運行總負荷的燃料運行成本而言，對于機組調(diào)頻而帶來的“額外”機組消耗以及煤耗的上升情況，無任何有效的統(tǒng)計計算方法［6-7］。由此，本文基于電廠大數(shù)據(jù)開發(fā)1 種針對發(fā)電企業(yè)在電力調(diào)頻市場中機組調(diào)頻邊際成本的計算方法，以此優(yōu)化發(fā)電企業(yè)在調(diào)頻市場報價決策，保障機組調(diào)頻過程中企業(yè)效益得到有效提升［8］。

1 電力大數(shù)據(jù)在調(diào)頻中的應用

電力的穩(wěn)定是我國的基礎民生的重要保障，而電網(wǎng)頻率的質(zhì)量是其重要的指標之一。而面對機組調(diào)頻過程優(yōu)化，是否參與調(diào)頻，對于穩(wěn)定電網(wǎng)安全以及電廠自身利潤獲取，都是至關重要的［9］。

電力大數(shù)據(jù)以其數(shù)據(jù)量大、多元化、速度極快以及準確率有保障等特點，在很多生產(chǎn)領域得以發(fā)揮重要作用。通過企業(yè)基礎平臺以及各項系統(tǒng)所匯集的電力大數(shù)據(jù)，可以準確為機組調(diào)頻過程提供優(yōu)質(zhì)的服務。如實時且準確的SIS 數(shù)據(jù)（包括海量的歷史數(shù)據(jù)）、機組燃料管理過程數(shù)據(jù)，摻燒數(shù)據(jù)、機組檢修維護數(shù)據(jù)等，均可為機組及其設備的管理提供強有力的支撐。

對于機組調(diào)頻特性的獲取，利用大數(shù)據(jù)分析的方式，結(jié)合設備特性，則可預測出未來時段機組參與調(diào)頻的狀態(tài)，如綜合調(diào)頻特性指標。并結(jié)合機組歷史發(fā)電成本計算以及未來時段的燃煤成本等，可在一定程度上對調(diào)頻過程的成本進行精準預測，從而提高調(diào)頻決策能力。

2 調(diào)頻邊際成本的影響因素

燃煤火電機組調(diào)頻過程中，由于調(diào)頻動作的頻繁，機組負荷波動較未調(diào)頻時期大，設備動作頻率升高，在一定程度上影響機組的供電標煤耗以及設備折舊速率，造成燃煤電廠成本的增加，以下具體說明。

2.1 煤耗的影響

燃煤火電機組參與調(diào)頻過程中，對機組負荷升降速率要求較高。對于廣東電網(wǎng)，其日負荷特性為“三峰三谷”，且峰谷差大；只有調(diào)頻性能指標出眾的機組才能參與調(diào)頻市場。廣東電力市場機組參與調(diào)頻的市場準入條件為綜合調(diào)頻性能指標k≥0.5，其中k=0.25×（2×k1+k2+k3），k1為調(diào)節(jié)速率，k2為響應時間，k3為調(diào)節(jié)精度。

當機組參與調(diào)頻過程，單位時間內(nèi)其負荷變動率較未參加狀態(tài)升高，機組各汽機、鍋爐設備動作響應加快，負荷波動變大，在一定程度上必然影響鍋爐煤耗。通過電廠長期積累的大數(shù)據(jù)，統(tǒng)計機組調(diào)頻時段較穩(wěn)定負荷時段煤耗，并與機組未調(diào)頻時段相同負荷時段的歷史鍋爐煤耗進行對比，可獲取機組調(diào)頻時段供電標煤耗的變化量，以此衡量調(diào)頻過程中機組煤耗的變化對企業(yè)運行成本的影響，即調(diào)頻邊際成本的影響。

2.2 設備折舊影響

調(diào)頻模式下性能優(yōu)良的機組調(diào)節(jié)頻率高，頻繁調(diào)節(jié)加速機組老化，機組設備折舊加快，必然會帶來企業(yè)固定成本的變化。對于參與調(diào)頻的機組，其機組使用年限N’必然將低于預期壽命N，年折舊費用增加，則此部分的成本增量應當計入調(diào)頻邊際成本之中。

3 調(diào)頻邊際成本的計算模型

調(diào)頻成本為調(diào)頻中標時段內(nèi)因機組調(diào)頻而造成的運行成本以及容量成本增加的部分，包含供電標煤耗的增加以及設備的損耗加速。調(diào)頻過程供電標煤耗的增加以調(diào)頻中標時段供電標煤耗與歷史調(diào)頻未中標時間相近負荷下的供電標煤耗之差衡量計算；調(diào)頻過程的設備損耗以設備折舊衡量計算。調(diào)頻效益為機組調(diào)頻中標時段的純效益，為調(diào)頻收益與調(diào)頻成本之差。以下分別計算調(diào)頻過程中機組供電標煤耗的增量以及設備損耗造成折舊費用的增量。

3.1 調(diào)頻造成煤耗差的計算

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

調(diào)頻結(jié)算結(jié)果公布后，獲取電廠第j 臺機組uj的第p 日的調(diào)頻中標日期Dj，p，中標時段i 的中標時段的起始時間tj，p，i-min以及中標時段的結(jié)束時間tj，p，i-max。調(diào)頻里程信息為mj，p，i、調(diào)頻收益信息為ej，p，i；根據(jù)SIS 系統(tǒng)，得到第j 臺機組uj的第k 條歷史負荷信息為Lj，k，供電標煤耗信息為cj，k，歷史運行日期Dj，k、歷史運行時間tj，k。

記第j 臺機組uj的調(diào)頻市場交易信息集合Aj=∑{uj，Dj，p，tj，p，i-min，tj，p，i-max，mj，p，i，ej，p，i}，其中i 為Dj，p日內(nèi)調(diào)頻中標時段，若總中標時段數(shù)為n，有i=1，2，…，n；記第j 臺機組uj的歷史機組運行信息集合Bj=∑{Dj，k，tj，k，Lj，k，cj，k}，其中k 為歷史運行信息條數(shù)，若總共有m 條歷史運行信息，則k=1，2，…，m。

3.1.2 數(shù)據(jù)清洗

整體上，本文主要采用k-means 方法進行數(shù)據(jù)清洗。根據(jù)機組運行狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)）以及煤耗的“正常區(qū)間”，進行數(shù)據(jù)清洗工作，主要過程包括：①異常值的剔除，包括數(shù)據(jù)格式異常以及數(shù)據(jù)范圍超限；采用3δ原則以及箱型圖方式等；②空值的補充。主要為歷史參數(shù)缺失情況下，通過相同工況的數(shù)據(jù)，進行補充，保證數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)清洗過程為本文數(shù)據(jù)獲取的必要手段，但由于篇幅控制，本文給出解決思路，具體方式可由讀者查閱相關文獻進行獲取。

3.1.3 正常運行供電標煤耗計算

（1）當機組j 的第k 條歷史運行日期Dj，k與調(diào)頻中標日期Dj，p相同，即Dj，k=Dj，p，并且歷史運行時間tj，k在第i 段調(diào)頻時段內(nèi)，即tj，p，i-min≤tj，k≤tj，p，i-max時，判斷此條歷史運行信息為調(diào)頻時段運行信息。令SUM_Lj，p，i，tp=∑Lj，k，且Mj，k=Lj，k×cj，k，SUM_Mj，p，i，tp=∑Mj，k=∑（Lj，k×cj，k）。

其中Dj，k=Dj，p且tj，p，i-min≤tj，k≤tj，p，i-max，k=1，2，…，m；m為中標時段取數(shù)條目數(shù)。

（2）當機組j 的第k 條歷史運行日期Dj，k等于調(diào)頻中標日期Dj，p，即Dj，k=Dj，p，且歷史運行 時間tj，k不在機組uj第p 日第i 段調(diào)頻時段內(nèi)，即tj，k＜tj，p，i-min或tj，k>tj，p，i-max時，此歷史運行信息為歷史調(diào)頻未中標時段運行信息。遍歷所有歷史時間p，得到歷史調(diào)頻未中標時段運行信息集合為D=∑{Dj，k，tj，k，Lj，k，cj，k}。由此可得：

機組j 調(diào)頻時段i 對應的調(diào)頻未中標時段歷史平均供電標煤耗見式（4）。

其中Dj，k＜Dj，p或Dj，k=Dj，p且tj，k＜tj，imin，且|Lj，k-Lj，p，i，tp|≤δ，k=1，2，…，m。

3.1.4 調(diào)頻后供電標煤耗計算

計算調(diào)頻成本中運行成本增加的部分——供電標煤耗的增加。調(diào)頻過程供電標煤耗的增加以調(diào)頻中標時段供電標煤耗與歷史調(diào)頻未中標時間相近負荷下的供電標煤耗之差衡量計算。則機組uj第p 日第i 段調(diào)頻時段內(nèi)供電煤耗的增量為若燃煤價格為x，此時段運行成本的增量為ΔCj，p，i見式（5）。

其中Δtj，p，i=tj，p，i-max-tj，p，i-min，則機組uj第p 日運行成本總的增量ΔCj，p見式（6）。

3.2 設備折舊費用增加的計算

由上文可知，機組參與調(diào)頻后，其實際使用年限N’將低于預計服役年限N，假設調(diào)頻后機組使用壽命折現(xiàn)率為α 且α＜1，有N’=α×N。機組設備損耗平均至每天每小時，1 a 的使用時間為T h，則在某調(diào)頻時段，設備折舊費用見式（7）。

機組若不參與調(diào)頻，則單位時間（時長為1 h）設備折舊費用見式（8）。

則由公式（7）與公式（8）可知，機組參與調(diào)頻后，機組調(diào)頻當天設備損耗造成折舊費用的增量見式（9）。

其中N=30，為運行年限；η=5%，為殘值率；α 一般取80%～90%，C基準根據(jù)機組實際情況取值，T 取1 a 的小時數(shù)，有T=365×24=8 760 h，則可得出機組調(diào)頻后設備折舊費的增量ΔCi。

根據(jù)公式（6）與公式（9）可得，調(diào)頻總的邊際成本見式（10）。

由“調(diào)頻效益=調(diào)頻收益-調(diào)頻成本”可知，機組uj第p 日的調(diào)頻效益見式（11）。

當調(diào)頻效益Ej，p>0 時，機組調(diào)頻當日調(diào)頻所獲收益大于調(diào)頻邊際成本，企業(yè)調(diào)頻過程獲得正收益；當調(diào)頻效益Ej，p＜0 時，機組調(diào)頻當日調(diào)頻所獲收益小于調(diào)頻邊際成本，企業(yè)調(diào)頻過程未盈利。

4 算例分析

本文以廣東某電廠2 號機調(diào)頻邊際成本的計算過程為算例。其中調(diào)頻市場交易信息見表1，調(diào)配時段中標信息見表2。歷史負荷數(shù)據(jù)以及供電標煤耗數(shù)據(jù)取自電廠SIS 系統(tǒng)（2023 年8 月1—6 日），每秒讀取1 次，1 日00∶00∶00 至6 日23∶59∶59 共取得歷史數(shù)據(jù)m=518 400 條，見表3 機組歷史信息表所示（由于數(shù)據(jù)量巨大，只顯示部分）。

表1 調(diào)頻市場交易信息

表2 2023 年8 月1—6 日調(diào)頻時段中標信息

表3 2023 年8 月1—6 日機組歷史信息表

根據(jù)以上介紹的計算模型，得出該電廠2 號機2023 年8 月6 日各調(diào)頻時段與非調(diào)頻時段供電標煤耗對標如表4 所示。根據(jù)公式（6）可知，Δtj，p，i=tj，p，i-max-tj，p，i-min=1 h，結(jié)合企業(yè)平均燃煤價格為x=1 500 元/t，則2 號機6 日運行成本總的增量x=12 056.7 元。

表4 調(diào)頻時段及非調(diào)頻時段平均負荷及供電標煤耗對比結(jié)果信息

根據(jù)公式（9）計算2 號機調(diào)頻邊際成本中設備損耗造成折舊費增高的部分。假設機組調(diào)頻后加速損耗，設備壽命折現(xiàn)率α 為0.90，C基準=30 億元/（600 MW），N=30，固定資產(chǎn)殘值率η 為5%，有：ΔC2=C2′-C2=C基準×（1-η）×（1-α）/（α×N×T）=6 024.9 元。

由公式（10）可知，2 號機11 月6 日總調(diào)頻成本：

C2，6=ΔC2，6+ΔC2=12 056.7+6 024.9=18 081.6 元

公式（11）得調(diào)頻效益：

Ej，p=ej，p-Cj，p=30 545.4-18 081.6=12 463.8 元

根據(jù)以上分析，可得電廠#2 機2023 年8 月1—6日各日調(diào)頻效益，見表5 所示。由此可以看出，電廠參與調(diào)頻，去除調(diào)頻過程帶來的機組煤耗的上升以及設備折舊加快的損失，整體上還是有所盈利的。但也可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)頻效益不完全與當日調(diào)頻中標時段數(shù)成正比，還與調(diào)頻中標時段的整體負荷有關。一般而言，調(diào)頻中標時，機組負荷越高，調(diào)頻收益越高，而調(diào)頻過程造成的成本的上升影響較小，最終調(diào)頻效益上升。因此機組參與調(diào)頻時，應爭取在高負荷時中標，此時可采取在高負荷時段調(diào)頻報價適當降低以爭取調(diào)頻電量，保證機組調(diào)頻收益最大，其具體報價策略還有待研究。

表5 2023 年8 月1—6 日調(diào)頻效益統(tǒng)計 單位：元

5 結(jié)論

本文提出了1 種發(fā)電企業(yè)在電力市場輔助服務調(diào)頻過程中產(chǎn)生的調(diào)頻邊際成本計算方法，并對廣東某電廠機組進行了調(diào)頻邊際成本計算，其結(jié)果較符合實際情況，并得出以下結(jié)論：

（1）本文提供的發(fā)電側(cè)調(diào)頻邊界成本計算方法，機組調(diào)頻時段以及非調(diào)頻時段的數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)清洗以及篩選工作，剔除系統(tǒng)壞點，計算結(jié)果更加準確。

（2）通過對機組調(diào)頻時段以及非調(diào)頻時段歷史標煤耗數(shù)據(jù)進行對比，得出調(diào)頻時期煤耗上升造成機組成本升高的實際值，并考慮調(diào)頻過程帶來機組設備折舊損耗的增加，對于發(fā)電側(cè)調(diào)頻市場報價具有很強的現(xiàn)實指導意義。

（3）本文適用于電力現(xiàn)貨市場，提供機組是否參加電網(wǎng)調(diào)頻以及調(diào)頻報價，提供可靠的策略依據(jù)以及計算方法，可為電廠調(diào)頻邊際成本計算提供指導性意見。