可中断负荷参与下的电力备用辅助服务分析

郝 静，王鲁杨，谢敬东

(1.上海电力学院 上海 200090;2.国家电力监管委员会华东监管局，上海 200002)

电力备用是电力辅助服务的重要内容之一，它是指电力系统除满足预计负荷需求外，为保证电能质量和系统安全稳定运行而保持的用功功率储备.通常，承担电力备用的主体是并网发电厂的机组，可以参与电力备用的机组包括具有备用能力的机组、其他没有安排发电计划的机组和电量市场竞价中未中标的机组.并网发电机组在主能量市场出清后，机组的其他容量也可参与备用市场.

可中断负荷(Interruptible Load，IL)的概念是随着用电高峰时段电力备用紧张而产生的.IL用户是指可与电力公司签订可中断负荷协议，在系统用电高峰时期的固定时间内或在电力公司要求的任何时间内，减少他们的用电需求，并可以根据主动让电期间所产生的经济损失得到适当补偿的电力用户.IL参与电力备用缓解了电力备用紧张状态，达到了减缓电厂建设、减少资源消耗的目的.

对于电力公司而言，无论电厂参与备用或者IL用户参与备用，留出电力备用容量与支付备用费用时，电力公司都需要兼顾电网的安全性与经济性，因此对电力备用需求总量与备用价格的确定是电力公司考虑的主要问题.本文对IL参与电力备用的国内外现状、备用需求量和备用价格的确定方法进行分析，并从市场化的角度提出促进我国电力备用市场发展所应采取的价格措施.

1 IL参与电力备用的国内外现状

在用电高峰时段电力备用面临留出问题时，IL发挥了很大的作用.

在国内，北京、上海、河北、江苏等省市已实施IL管理来缓解电力备用紧张问题，采取的措施是用行政手段中断电力负荷，并给予相应的可中断电价行政补偿.

在国外，新加坡已建立电力备用市场，使并网发电厂与IL用户在电力市场平台上进行备用竞价，并根据并网发电厂与IL用户所能提供的备用能力数、被划分到的备用种类及调用容量来进行备用费用的结算;纽约独立系统运营商采用IL方案来鼓励用户在峰荷时减少用电;英国电力市场鼓励IL服务的提供者和各种备用服务的发电商展开竞争;澳大利亚国家电力市场将IL用于频率控制辅助服务和网络负载控制辅助服务.

2 电力系统备用需求量的确定方法

电力系统备用需求量的确定是一个需要综合考虑的技术问题.系统备用容量越高，则系统的安全可靠性越好.由于在市场环境下获取备用是有偿的，因此相应的备用费用就会增加，用户的电价水平也会随之升高.同时，如果留出的系统备用容量较低，其安全可靠性就得不到保障，因此应综合考虑备用需求的影响因素.

电力备用需求影响因素包括:系统可靠性和安全性的技术标准;备用市场的规则与市场机制;最大的在线机组出力;负荷预测的误差及负荷的波动性;备用获得的成本等［1］.备用容量的确定方法如图1所示.

2.1 无用户参与备用容量法

无用户参与备用容量法是指不考虑用户支付价格承受程度的备用容量确定方法，包括确定性方法和不确定性方法.

确定性方法按照系统内最大机组装机容量或系统高峰负荷的一定比例来确定备用容量.如我国某区域电网要求的备用比例为最大用电负荷的2%～5%，某市按照最大机组的装机容量100 MW留出备用.这种方法保证了系统的安全性，但没有考虑用户的需求与备用的经济性，并且在用电高峰时，无法留出相应要求的电力备用容量.

图1 备用容量的确定方法

不确定性方法包括风险指数方法和LOLP/VOLL方法.风险指数方法是通过系统可用概率来确定系统失负荷的风险指数，调整备用容量的需求，直至满足系统标准风险指数为止，此时的备用水平即为系统的备用需求.基于风险指标概念［2］，根据用户对停电次数与停电时间的可靠性要求，构造一个最大限度停电容量概率表，并将其与系统的停电容量概率表进行比较，以确定最小的备用容量.风险指数方法考虑了发电机组停运的可能性与负荷的不确定性，但是没有顾及用户的可靠性需求与支付能力.LOLP/VOLL方法是将LOLP×VOLL定义为失负荷的成本［3］，其中LOLP(Loss of load probability)为失负荷概率，VOLL(Value of Load Loss)为负荷损失价值.该方法确定的最优备用水平为失负荷成本与备用成本之和的最小值，如图2所示.

图2 LOLP/VOLL法原理

TSENG［4］用VOLL的平均值代替所有时段所有用户的失负荷总价值，提出了备用需求随着系统备用边际价值的变化而变化的理论.LOLP/VOLL方法考虑了系统备用的经济性和可靠性，但没有考虑用户可靠性的差异.

2.2 有用户参与备用容量法

有用户参与备用容量法包括用户愿意支付价格与备用成本法，备用保险法.

用户愿意支付价格与备用成本法是通过比较备用成本与用户愿意支付的价格来确定备用水平的，最优备用水平是用户愿意支付价格与备用成本差值的最大值，如图3所示.这种方法用户能对电能的价值进行直接评价，但要求市场完全透明并具备完全信息.

图3 用户愿意支付价格与备用成本法原理

备用保险方法是根据市场成员保险合同总额来确定备用容量的方法.在不完全竞争的市场中，用户根据自身使用电力的情况，电力的供应状况，以及失负荷的价值来确定其要求供电的可靠性水平，并按照可靠性的要求，购买保险合同.FUMAGALLI等人［5］提出了让用户基于其可靠性水平购买保险合同，电力公司根据保费和备用成本确定最优备用水平的方法.备用保险方法考虑了用户参与的经济性，但是增加了保险商的风险.

3 电力备用价格的确定方法

3.1 统一型定价

统一型定价法是在备用服务成本的基础上，考虑备用的经济性和社会价值，以行政手段来确定备用服务价格的方法.目前，对于电厂与IL参与电力备用给予的补偿方法是将两者分开补偿.将并网发电厂机组作为备用时，其成本包括设备投资成本的回收与损失的机会成本［6］.其中，所损失的机会成本可理解为机组提前预留备用容量，压低出力运行所牺牲的部分利润.

在电厂的电力备用补偿方面，我国某区域电网根据不同并网发电厂作为旋转备用所损失的平均机会成本，给予并网发电厂不同的机会成本补偿.例如，对于实施年度发电计划调度的地区取10元/MWh，对于节能发电调度的地区取50元/MWh.

在IL参与备用时，可采用问卷调查法进行停电损失统计.可中断电价分为低电价可中断负荷(ILL)与高赔偿可中断负荷(ILH).ILL是指事故前通过电价打折来换取负荷的可中断权;ILH是指在事故发生且中断措施实施后才进行补偿.如我国河北省电力公司对用电容量在2.0×104kW及以上的大用户采用自愿中断用电的方法，每1.0×104kW累计停1 h给予1万元补偿;上海市电力公司对配置有负控装置的避峰让电企业每千瓦时补贴0.80元，对协议避峰电力用户给予2元/kWh的补偿.这些补偿均为行政性统一补偿，没有考虑各个行业参与备用损失机会成本的不同.

3.2 市场型定价

市场型定价法分为基于固定备用需求的市场价值定价法(包括拍卖定价法，备用竞争市场定价)，双边合同法，金融工具定价法等［7］.其中，市场价值定价法是利用市场机制作为价格发现的手段，旨在通过市场竞争获取备用服务并发现价格.系统操作员可通过良好的机制设计，配合必要的监管措施，激励发电公司和IL用户揭示真实成本，从而为定价提供必要条件.

4 IL参与备用的选取方法

在市场环境下，为了使电力系统的社会经济效益最大化，独立系统运营商(Independent System Operator，ISO)在考虑系统安全性的同时采用最小化备用费用购买备用.因此，一些电力学者对于IL参与备用的选取，提出了多种考虑原则.

应用最优潮流(OPF)算法［8］，以向IL中标者支付总额最少为目标函数，考虑提前通知时间、负荷点位置、负荷的功率等因素进行优化选出IL用户，并按照中标的IL用户的最高投标价进行定价.基于层次分析法［9］(AHP)考虑 IL的报价、大小、响应时间及可停电时间因素，构造了基于权重的两两比较判断矩阵，依此来选择IL用户.基于存储理论［10］的备用市场采用拍卖机制，引入经济学的效用无差异曲线，构建确定最优备用的数学模型，指出在备用存储充足时，优先采用电厂作为备用，在备用容量不足时，利用IL替代一部分备用，采用运筹学中的决策理论求解最优备用容量.根据IL和电源备用容量服务效用上的差异［11］，基于帕累托优化理论提出了一种IL与并网发电厂同时参与备用市场的帕累托优化模型，通过提高IL的效用指数［12］可在相同备用购买成本下获取最大的系统效用.

以上方法考虑了电力备用的经济性和技术性，但在现代市场环境下，电力备用的有效取得需要并网发电厂与IL用户的积极参与，因此建立一个考虑备用参与者机会成本的公平、竞争、开放的电力备用市场尤为重要.

5 结论

(1)需建立一个市场化的备用市场，这个市场对IL用户与并网发电厂是完全自由开放的.

(2)用户的报价是考虑自己机会成本损失的报价，备用市场的价格出清应充分考虑用户的报价意愿.

(3)完全自由开放的备用市场需考虑引入有效的监管措施.

［1］何永秀.电力经济价值与备用辅助服务市场交易理论及实证研究［D］.北京:华北电力大学，2006.

［2］蒋纬纬，丁坚勇.电力市场中的备用需求和备用调度［J］.电力建设，2003，24(1):48-51.

［3］FRASER Hamish .The importance of an active demand side in the electricity industry［J］.The Electricity Journal，2001，14(9):52-73.

［4］TSENG Chung-Li，SHMUEL S，OREN Alva J，et al.Pricebased adaptive spinning reserve requirements in power system scheduling［J］.Electrical Power and Energy Systems，1999(21):137-145.

［5］FUMAGALLI Elena，BLACK Jason W，LLIC Marija，et al.A reliability insurance scheme for the electricity distribution grid［C］//2001 IEEE PowerEngineeringSocietySummer Meeting，Vancouver，Canada，2001:261-266.

［6］王建学，王锡凡，别朝红.电力市场中的备用问题［J］.电力系统自动化，2001，25(16):7-14.

［7］李晓刚，言茂松.我国运行备用辅助服务市场的模式与定价研究［J］.电力系统自动化，2003，27(10):12-19.

［8］TUAN Le Anh，BHATTACHARYA Kankar.Competitive framework for procurement of interruptible load services［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2003，18(2):889-897.

［9］周永灿，李扬.基于层次分析法的可中断负荷模型参与备用市场的研究［J］.电力需求侧管理，2010，12(1):17-20.

［10］吴集光，刘俊勇，牛怀平，等.电力市场环境下最优备用容量的确定［J］.电力系统自动化，2005，29(15):10-14.

［11］葛炬，张粒子.可中断负荷参与的备用市场帕累托优化模型［J］.电力系统自动化，2006，30(9):34-37.

［12］葛炬.电力市场备用服务交易与定价机制研究［D］.北京:华北电力大学，2006.