实时平衡市场的多资源统一交易模型及发展建议

朱军飞

摘 要：电力实时平衡是维持电网正常运行的基本物理约束，传统模式下主要依靠系统备用进行平衡调节。随着技术手段的成熟以及市场研究的深入，平衡资源的种类和数量不断增长，其价值也得到了更加全面的认识。为了进一步扩展提高系统效率以及确保平衡调度公平透明，实时平衡市场（Real-time balancing market，RBM）成为近年来国内外电力市场研究和发展的重要方向。本文从分析已利用或潜在的平衡资源入手，提出了适合多资源参与的统一交易模型，对市场结构、操作流程及结算等关键市场因素进行了分析，在所提出模型的基础上，还从四个方面简要阐述了对RBM的发展建议。

关键词：实时平衡市场（RBM）;平衡资源;平衡责任单元（BRP）;平衡服务提供者（BSP）

中图分类号：F123.9 文献标识码：A 文章编号：2096-0298（2020）12（b）--02

欧美的一些主要国家从20世纪90年代起开始进行电力市场改革。经过20余年的发展，欧美电力市场的稳定性及经济性不断提升，市场模型及产品体系逐渐完善。目前已形成了包括期货、中长期合约、日前等不同时间等级的市场模型，交易对象也已从单一的电量逐步扩展到物理及金融输电权、辅助服务、排污权等多种类型，而同类型的产品可能在某个或多个市场中进行交易。本文从分析已利用或潜在的平衡资源入手，提出了适合多资源参与的统一交易模型，并对市场结构、操作流程及结算等关键市场因素进行了深入解析，在所提出的模型的基础上，从四个方面简要阐述了对RBM的发展建议。

1 平衡资源分析

基于市场利益关系的划分，在RBM中分别将平衡服务的供需方定义为平衡服务提供者（Balancing service provider，BSP）及平衡责任单元（Balancing responsible party，BRP）。TSO/ISO一方面根据BRP偏移预定计划的严重程度向其收取费用，另一方面将组织BSP参与RBM投标竞价并最终进行结算。一般情况下，具有预定出力或负荷计划的参与者均可视为BRP，如根据前期交易情况制定了响应调度计划的需求方和供给方等。而BSP的选择相对严格，主要包括以下四类。

1.1 运行备用

各电力市场对于备用的分类不尽相同，种类较多。其中，运行备用是一种最常见的平衡资源，主要包括：AGC备用、10分钟旋转备用（Ten minute spinning reserve，TMSR）、10分钟非旋转备用（Ten minute non-spinning reserve，TMNSR）、30分钟备用（Thirty minute operating reserve，TMOR）等。考虑到备用的可控性及时效性，另有由机组自行控制的自动调频备用和激活时间大于60分钟的替代备用暂不计入分析。运行备用在实际应用中包括容量获取以及实际激活两个步骤。容量获取一般提前较长时间完成，可能长达几个月或一年，主要通过中长期合约或备用市场竞价等形式实现，仅仅通过了容量获取环节的备用资源一般获利较低。在RBM中，运行备用依然需要通过竞争来实现激活，从而参与实际平衡调节。

运行备用作为传统高效的平衡资源，仍可通过减少旋转备用等措施实现节能减排。同样，在其他平衡资源相对充足的情况下，对于已通过了容量获取的机组也有可能放弃参与RBM，转而参与其他的电量交易市场。不论市场策略如何，须确保其提交TSO/ISO总容量一定，以免造成容量的混叠。

1.2 电量出清单元

从时间等级上看，前期的电量交易包括由中长期到日前、小时前等多个环节，下一个环节往往是在上一个环节基础上进行进一步细化与调整。在临近物理出清的RBM中，电量出清单元将获得更多关于市场及自身状态的信息，因而在最小时间等级的电量市场关闭后，具有灵活调节能力的出清单元可能在承担一定经济风险的前提下，通过在RBM对前期计划进行增量和减量投标，即该类出清单元同时扮演了BRP及BSP双重角色。另外，它与运行备用具有一定的相似性，两者均源于相关前期市场，不同之处在于兩者分别基于电量及容量出清。

1.3 分布式平衡资源

分布式平衡资源主要包括分布式电源以及柔性负荷。太阳能、风能等分布式电源对环境以及气候的依赖较大，具有间歇性和不稳定性等特点。一直以来，大规模分布式电源的接入被认为给电网安全带来了负面影响，其平衡能力直到最近才被逐渐研究和认识。而柔性负荷可以根据自身需要以及市场状态对用电策略进行改进，是具有一定价格弹性和调节能力的用电负荷。其中，电动汽车（EV）是一种特殊的柔性负荷。与一般柔性负荷相比，EV不仅可以根据市场状态改变充电功率，同时可以在紧急或高利润情况下通过V2G （Vehicle-to-grid）技术向电网提供电力支持。相关数据显示，美国汽车机械动力总容量与其发电总装机容量的比例曾高达24倍之多。随着EV数量的增长和电池容量的扩大，其参与RBM的潜力巨大。

1.4 跨边界平衡交易

相邻或相近的区域电网之间往往通过高压输电网络进行互联，由于彼此在负荷特性及电源结构上往往具有一定的互补性，跨边界电量交易具有显著的社会和经济效益。跨边界平衡交易一般以输电系统运营机构TSO为购买方，主要包括BSP-TSO和TSO-TSO两种模式。除了受到物理输电容量的共同约束之外，两者分别具有以下特点。

第一，BSP-TSO模式下，当地的BSP通过直接向相邻区域TSO进行投标而参与其RBM。BSP具有较为充分的选择空间和竞争机会，但容易被不准确的市场信息所误导，与非本地的TSO之间也存在通信及计量障碍。另外，庞大的BSP数量也将显著增加市场运营的计算及操作复杂度，该模式具有较大的实施难度。

第二，而TSO-TSO模式则由当地的TSO将BSP进行整合后，再参与邻近区域的RBM。该模式在BSP-TSO的基础上进行了较大程度简化。当地TSO在整合中可利用已有的相关设备方案且充分考虑自身状态，从而减少操作复杂度并降低市场风险。但双方TSO仍需建立高效的协调机制，以实现快速频繁的平衡交易。

2 实时平衡交易模型

2.1 市场结构

针对第1部分所描述的平衡资源，本文提出适合多种资源统一交易的RBM模型，其结构如图1所示。图中由虚线将市场参与者分为BRP及BSP两大类，如前所述，两者可在同一参与者身上进行重叠。

2.2 操作流程

RBM以尽量实现实时操作为目标，然而考虑到响应延迟无法避免，一般采用10min或15min为周期进行无限次重复，每次的操作流程可概括为以下五个步骤。

（1）对前期交易情况、网络状态及超短期负荷预测等相关数据进行分析计算，发布初步预测的RBM需求信息。

（2）组织RBM参与者进行市场投标，相关参数包括正、负调节区间及相关价格。

（3）针对特定时间尺度下的可用平衡资源进行联合优化调度或优先排序调度。前者通过数学模型进行容量、电量、价格等相关因素进行总成本最小的优化计算;而后者主要对符合一定要求的可用平衡资源进行价格排序，优先选用低价资源。

（4）根据参与者在RBM中的表现以及相关前期数据，采用边际电价或平均电价等方式进行出清。

（5）根据某些平衡资源的消耗情况，择机对其进行相关的复位和补充（补充方式及结算暂不计入RBM分析）。

2.3 市场结算

RBM的结算包括两个方面，即不平衡结算和平衡结算。不平衡结算根据BRP对于前期调度计划的执行情况进行确定奖惩金额。

3 RBM发展建议

RBM是近年来深化电力市场改革的重要方向之一，然而不同国家或地区电力技术发展水平、市场成熟程度等均具有较大差异，对于RBM的建设路线及方案也有不同选择。本文在上文所提出统一交易模型的基础上，提出以下量的电力交易制定传输计划将显著增加TSO/ISO的运行管理难度。因此需在一定程度上限制RBM市场的电量交易。

（1）采用合理的价格机制。对于市场排序而言，远期、中长期以及短期的电力交易是参与者根据市场信号不断地进行行为调整的过程，同时也是一个追求更高利润的过程。为吸引更广泛的平衡资源，RBM在计及机会成本和风险价值的基础上，一般可采用边际电价或平均电价等方式进行结算。边际电价反应灵敏，容易出现剧烈波动;而平均电价取一定时期内的边际电价的平均值，相对较为平缓。出于市场稳定性的考虑，平均电价的适应范围更广。

（2）建立事故后的安全操作模式。根据传统的N-1准则，当系统任一元件受到事故影响而退出运行，系统状态仍将限制在物理约束的可行区域内。然而，该准则一方面难以保证对电网资源的充分利用，另一方面在市场环境下对事故的预想往往不够全面（理论研究往往采用Monte Carlo方法进行随机生成），而非预想的小型事故同样引发大电网的连锁反应。因此，RBM需在事故后的紧急情况下实现故障定位及平衡资源的快速有效调度。

（3）通过简化操作促进跨边界平衡交易。區域电网之间不同的运营管理模式是实现彼此互联交易的主要障碍之一。为简化操作，欧盟一直致力于建立统一的欧洲电力市场，而美国FERC也试图在各区域电力市场中推广标准市场设计。目前，我国将各省级电网作为相对独立的主体，各主体在平衡服务类型、调度手段、结算方式等方面基本保持一致。随着高压及特高压骨干网架的建成，这将为我国进一步整合跨边界平衡资源提供较大便利。

4 结语

近年来，随着智能电网计划的实施、分布式能源的接入以及需求侧管理的加强，机组备用并非电网平衡的唯一选择。平衡资源的多样化必然对平衡调度提出市场化的需求。RBM成为当前国外电力市场研究和建设的重点领域之一，对于进一步提升电力商品流动性、深化电力市场改革及推动智能电网发展等具有重要意义。本文结合国内外研究现状，分析了平衡资源的种类及特性，提出了统一的RBM模型以及相关的发展建议。在此基础上，将进一步针对RBM价格优化、多市场博弈等相关问题展开研究。

参考文献

王永福，张伯明，孙宏斌，等.国外平衡机制介绍及建设我国实时平衡市场的建议[J].电网技术，2003，27（09）.

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王建学，王锡凡，张显.电力市场中弹性运行备用研究[J].中国电机工程学报，2005，25（18）.