[科普中国]-电力市场辅助服务

简介

近几年来，随着世界经济的蓬勃发展和科学技术日新月异的进步，电力工业正经历着一场重大的变革。电力工业是有着悠久历史的传统工业，它对国民经济的发展有着十分重要的作用。但是由于电力的生产、销售和使用的特殊性，长期以来电力工业一直垄断经营，实行发电、输电、配电一体化的体制。这种体制在电力工业发展的初期有效地促进了电力工业的发展，但是随着电力工业规模的不断扩大，特别是现代社会市场经济的发展，传统电力体制越来越不适应经济的发展，迫切需要实行电力市场，引入竞争机制。

上世纪80年代以来，英国首先进行了电力市场的探索，随后美国、挪威、澳大利亚、阿根廷等国家也先后实施了电力市场制度。我国于90年后期也开始了电力市场的试点工作。前不久，国家出台了电力体制改革方案，明确了“实施厂网分开，实行竞价上，建立电力市场运行规则和政府监管体系，初步建立竞争、开放的区域电力市场，实行新的电价机制”的方针政策。虽然各国的具体制度不尽相同，但其目的都是消除垄断，促进竞争，推动电力工业的发展。由于电力市场是一种全新的电力生产模式，它的逐步推行带来了一系列的相关问题需要进一步的深入研究。

为了满足用户的需求和适应同行业之间的竞争，电力工作者必须能生产、输送和分配高质量、低成本的电能。由于电力生产的特殊性，要保证用户得到优质、廉价的电能就必须依靠电网相关的辅助措施来确保电力市场的安全、经济和可靠运行。在传统的电力生产模式下由于实行统一调度，统一管理，能较好地保证电力生产的安全、可靠;在电力市场条件下电力生产者的自主性得到了增强，同时也对电网的安全、可靠运行带来了巨大的挑战。发电竞争的引入和电网开放的实施及新的技术，如FACTS和ASG C adjustable speed generator)的应用，增加了电网运行和控制的复杂性，因而会产生一些新的引起电网功角稳定、电压稳定、过负荷和系统崩溃等问题的因素[[2]。这就使辅助服务问题越来越受到广泛的重视2。

此外，在电力市场中，不能再要求发电厂和用户无条件地提供辅助服务，因此必须解决一系列问题，如与每一项辅助服务相关的费用、各辅助服务供应者的贡献、各用户使用了哪些辅助服务和使用量是多少等。辅助服务的定价机制不但应确保供应者收回成本，还要保障其合理的利润。随着电力市场研究和实践的不断深人，辅助服务问题由于其重要性和技术上的复杂性吸引了越来越多的研究者和电力公司的兴趣。因此对于辅助服务及其定价方式的研究在电力市场中有着十分重要的理论和现实意义。很多公司和学者对辅助服务价格进行了非常有益的探索。但与电能价格相比，辅助服务定价的研究起步较晚，尚未形成理论体系。因此，在电力市场中迫切需要对辅助服务进行深入的研究3。

辅助服务的定义辅助服务一般定义为:为完成输电的主要功能，即将电能从电厂输送到用户并保证安全和质量，所需要采取的所有辅助措施。换句话说，在输电服务中，为保证电能质量和系统安全所采取的一切辅助措施都属于辅助服务。

不同的国家甚至电力公司对辅助服务的定义都不尽相同。因为辅助服务的供应由系统需求决定。其决定因素包括:

(1)系统协调方式有无统一的系统调度中心决定了辅助服务供应的模式。

(2)电力生产的构成它决定了辅助服务的重要程度，如火电占优还是水电占优。

(3)电网结构决定各种辅助服务的具体需要。

(4)管理模式市场发育的不同阶段，采用不同的辅助服务定价方法，以免振荡过于剧烈。

(5)标准系统的运行水平不同，所用的质量和安全标准也不同。

(6)量测和监视系统辅助服务定价采用的算法要以系统的量测和监视水平为基础，水平较低的系统不能采用信息量需求较大的算法。这是辅助服务定价的重要问题。

辅助服务分类辅助服务应主要包括4:

(1)频率控制(负荷跟踪)处理较小的负荷与发电的不匹配，维持系统频率，以使控制区内负荷与发电的偏差及控制区之间的交换功率实际值与计划值的偏差为最小。基本上是实时的。

(2)可靠性备用(旋转备用和快速启动机组)由于发电或输电系统故障，使负荷与发电发生较大偏差时，l0min内可以提供急需的发电容量(增加/降低)，恢复负荷跟踪服务的水平。

(3)非旋转备用(运行备用)30min内可以满发的发电备用容量，包括发电机容量和可间断电负荷，用于提高恢复可靠性备用的水平。

(4)无功备用/电压控制/无功优化通过发电机或输电系统中的其它无功源向系统注人或从系统吸收无功，以维持输电系统的电压在允许范围内。

(5)发电再计划(reschedule)/再分配(redispatch)对于较大的发电负荷偏差，调度中心要重新安排各机组出力。

（6）能量不平衡补偿实际的交易量与计划交易量的差额。

（7）网损补偿输电时造成的功率损耗通过此项服务来补偿。

(8)事故恢复服务(restoration service)提供重大事故发生后系统恢复所需的功率。

(9)稳定控制服务FACTS, PSS, ASG等。

(10)其他。

归纳各国电力市场的经验，提供辅助服务的模式一般有3种:统一型、投标型和双边合同型。

统一型指辅助服务必须由系统调度员统一安排协调，在结算时根据各参与者对辅助服务命令执行的情况，对其进行奖惩。投标型指各客户分别对每一种辅助服务进行投标，调度员根据他们的投标情况，排定优先次序，安排辅助服务供应计划，使提供辅助服务的费用为最小。双边合同型是指某一辅助服务的用户直接与供应者签订双边合同，从而得到其所需的辅助服务，而无需通过系统运行人员。某一服务到底应采用哪种供应方式与整个电网的管理运行水平和电力市场发育程度有关。如英国、阿根廷等国家采用统一型方式提供频率响应与无功控制等服务，而美国西部加州电网，以投标方式与双边合同结合的方式提供负荷跟踪与频率响应服务。目前世界上还未出现完全非调控状态下的双边合同市场。 辅助服务价格与电能价格一起构成了电力市场价格体系的基础，对形成健康的电力市场有重要意义。但辅助服务定价的理论与实践之间还存在着严重的脱节，这与以下几个因素有关:

(1)辅助服务问题的研究比较复杂。辅助服务研究的实质是研究电力系统运行中各种控制手段对系统总的运行水平的影响(安全性、经济性)，并赋予其相应的经济含义。但辅助服务间相互关联复杂，你中有我，我中有你。并且由于研究的角度不同，使得同一种控制行为可能属于不同的辅助服务类型。

(2)各国电力市场模式不同，很难建立一种普遍适用的辅助服务算法。各电力公司只能根据自己的经验和电力市场的结构，确定自己的定价策略。

(3)不同系统有不同的辅助服务需求和定义，某一种辅助服务在不同电力系统中的重要性会有很大差别。在某一系统中很重要的服务，而在另一系统中对生产费用的影响可能很小，完全可以忽略。在同一系统中辅助服务的概念和算法也是随着量测、监视、控制技术的进步，管理经营体制的日益完善而不断发展的。

因此，对辅助服务中的一些重要课题应进行更加深人的探索。如: (1)从理论上推导系统对负荷跟踪、旋转备用和非旋转备用容量的需求，确定电压允许波动范围的根据及相应的无功需求。

(2)如何建立合理的辅助服务市场结构，并且实现从现有的管理运行体制向电力市场平稳过渡。

(3)为不同的市场结构，澄清辅助服务的定义、分类，发展科学的定价机制，在费用与可靠性之间找到最佳的平衡点。

无功服务无功功率辅助服务是使电网中的输电交易顺利完成的一个必要条件，尤其在输电网重负荷条件下，电压和无功功率控制变得格外重要。电力市场中除了要保证电能的有效供应外还必须保证良好的电压水平和稳定性。系统中的无功功率控制能够引起电压的变化，因此必须保证系统中无功的平衡。与频率的全系统统一的特性不同，电压的分布是与当地的无功供应和需求相关的1。

电力市场中的无功服务主要包括

1无功能源的供应。无功的能源供应必须满足系统和负荷的需求，负荷的无功需求会根据有功需求的大小和其特性变化。系统的需求则与线路的负荷程度有关。线路轻载时系统输出无功，重载时则吸收无功。

2)提供无功的事故备用。为了保持无功供给与需求的就地平衡，必须有充足的无功备用，包括容性无功备用容量和感性无功备，以满足事故发生时的系统需求。

3)保证系统的电压水平。必须有合理的无功供应来保证系统良好的电压分布，从而保证系统电压的稳定性。

4)无功优化以降低网络损耗。无功控制是减少电力系统网络损耗的一种手段，可以通过无功控制来保证电力系统的安全经济运行。

与有功服务相比，无功服务有着其特殊性。

1)电源的多样性发电机依据系统的运行要提供无功;与有功不同，电力系统中的无功电源除发电机和负荷外，还包括电容器和静止无功补偿器CSVC)等，而且电网本身也是无功电源。

2)供应的地域性由于远距离输送无功需要发电端和受电端之间有较大的电压差，因此无功供应原则上是就地平衡。

3)调整无功的手段也多种多样，如自动电压调节器(AVR)、电容器投切及变压器有载调压等。

4)控制的分散性与频率控制需要有功平衡类似，电压控制需要无功的平衡。但频率是全网统一的，依赖于全网的有功平衡，而电压是各节点不同的，必须依赖于该节点或就近节点的电压控制。

(5)分析的复杂性有功的费用主要是发电费用，而无功的运行费用很小但投资费用很大，分析起来比有功复杂。无功的生产不消耗燃料，且与机组的同步运行合为一体，所以要把无功的相关费用从总的费用中分离出来是十分困难的。

网损分摊在电力交易的过程中，电力网络必定会出现损耗，在电力市场中需要将此损耗在相关的电力交易者之间进行公平、合理、有效的分摊，这是电力市场的关键问题之一。在输电市场中，输电定价有很大一部分成本是网损的成本，因此解决网损的合理分摊问题是电力市场定价的重点。在计划体制下网损被平均分摊到各用户，这实际上是不公平的，因为各用户在电网中的位置各不相同，引起的网损也是不同的。因此需要对用户区别对待，这就迫切需要一套合理的网损分摊方法1。

网损分摊目前有多种方法，主要为按容量分摊、按比例分摊、按网损微增率分摊以及双边交易分摊、潮流追踪法等多种方法。

负荷频率控制(AGC )频率是电力系统的主要参量之一，其稳定程度依赖于发电与负荷间复杂的平衡关系。不平衡可能是由于负荷预报有误差、缺少跟踪负荷变化的发电容量或由于故障造成的突然失去发电或负荷等因素所致。频率偏差调整的方法主要是调整发电出力和负荷管理。通过频率调整，可以完成的功能有:

(1)使电自动跟踪负荷的变化。

(2)响应负荷或发电的随机变化，维持系统频率为规定值。

(3)在区域内分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值。

(4)对周期性负荷变化，按发电计划调整出力，对偏离计划的负荷，实现在线经济负荷分配。

(5)监视/调整备用容量，满足安全需要。

频率调整问题是电力系统中最基本的控制问题，奠定了AGC的基础，但其基本假设是电力公司的控制中心有权要求控制区内的各发电机组无条件地执行AGC控制信号。但是随着电力市场的逐渐形成，发电与输电分离，这就对传统的频率控制方式和算法提出了新的要求2。

备用服务备用服务的研究与调频服务是紧密相连的，在时间周期上它们有所重叠。并且由于作用不同或讨论的侧重点不同，同一种备用容量可能会有不同的名称。有些国家甚至将两者作为一种服务，如挪威，电力市场中备用问题的核心是确定备用容量及其分配的算法，并提出相应的价格机制，使各电厂积极响应调度的备用容量安排。