基于贡献率矩阵的运行备用分摊优化方法建模与仿真

黄康乾，黄靖茵，胡 鑫，蔡嘉荣，周 睿

（1.广东电力交易中心有限责任公司，广东广州 510623；2.广东电力信息科技有限公司，广东广州 510623）

随着我国电力行业的发展，尤其是近年来调度运营规范化的不断提升，随之而来的重要研究问题就是辅助服务交易分摊问题[1]。

传统模式运行备用、电力调频等辅助服务，主要依据各省区能源监管机构印发的并网发电厂辅助服务管理实施细则执行[2-3]。从我国目前辅助服务建设情况来看，大部分省区仍延续传统发电侧分摊机制。文献[4-6]分别介绍了广东、西北、华中等地区电力调峰、电力调频等辅助服务分摊机制，尽管在供给侧引入市场竞价机制，但从分摊情况来看，仍基本使用根据上网电量比例分摊的方式。上述分摊机制并不符合辅助服务建设的原则，可能造成分摊不合理的问题[7-8]。文献[9]提出将运行备用中的负荷备用部分由电力用户分摊，事故备用则由发电企业分摊。而文献[10-11]则介绍了英国、美国等国外电力市场的经验。

该文提出一种基于贡献率矩阵的运行备用分摊模型，并进行了仿真分析。首先研究了运行备用容量的基本构成，根据各类型不确定性因素对运行备用容量及市场交易成本的影响，提出了贡献率矩阵概念；接着考虑不同组合方式下不确定性因素对运行备用的影响，提出了基于贡献率矩阵的分摊模型；最终基于我国某省区实际数据构造算例，对所提方法的有效性进行了仿真分析。

1 运行备用容量构成及备用贡献率

1.1 运行备用容量构成

运行备用是电力系统运行所必须的调节资源，预留运行备用的根本目的在于确保电力系统具有足够的调节能力，且满足实时运行中各种不确定性因素对电力供应的影响[12-14]。根据该文研究实际需要，可将运行备用根据其不确定性因素来源表示为多个备用需求的累加形式，即：

式（1）中，RSN为 系统运行备用容量，RUC1、RUC2、…RUCN为各类型不确定性因素所对应的备用容量需求，N为纳入分析的总不确定性因素数。

1.2 运行备用贡献率

为解决运行备用市场交易成本分摊问题，该文提出的贡献率指标是指市场出清机制下，各类型不确定性因素的备用容量需求引入过程中产生的市场交易成本变化[15-16]，其可通过对比引入前后购电总成本变化得到。该决策模型可表示为：

其中，式（2）为考虑电能量与运行备用两方面购电成本最小的优化目标，式（3）～式（8）为约束条件。NG、NN、NB、NT分别为电网中常规电源发电机组台数、新能源电站数、负荷节点数和优化时段数，ΔT为优化时段间隔，分别为常规电源发电机组g时段t的电力计划及运行备用计划，、分别为常规电源g电力现货市场和运行备用市场申报价格函数。不同申报模式下，不同电力出清结果与运行备用出清结果对应价格不同，为新能源电站n时段t的发电功率预测，为负荷节点b时段t的负荷需求预测，Gos,g、Gos,n、Gos,b分别为常规电源发电机组g、新能源电站n、负荷节点b与运行断面os的功率转移分布因子，分别为运行断面os的传输能力上、下限，分别为常规电源发电机组g的发电能力上、下限，、分别为常规电源发电机组g的爬坡能力上、下限，Rset为电网运行备用容量要求。考虑不确定性因素是否引入所产生的差别，在引入前后运行备用容量要求不同，引入后电网运行备用容量为引入前的需求与该不确定性因素备用需求之和，可表示为：

式（9）中，RBset、RAset分别为引入不确定性因素i所需容量需求前后的电网运行备用容量，RUCi为不确定性因素所需要的备用容量。则不确定性因素i所需的备用容量，在电网运行备用市场交易成本中的贡献率为该成本增量与总交易成本的比值，可表示为：

2 运行备用分摊建模

2.1 实施流程

该文提出构建贡献率矩阵，以综合考虑不同组合方式下不确定性因素的影响。该矩阵中每一行对应每一种不确定性因素排列组合方式下的贡献率变化场景，每一列对应一项不确定性因素在不同场景组合下的备用贡献率，可表示为：

式（11）中，RCon即为该文提出的贡献率矩阵，其中任一元素为所在行组合场景下所在列不确定性因素对应的备用贡献率。该矩阵可表示为：

式（12）中，S为贡献率矩阵，A()为全排列计算函数，N为电网运行备用容量评估所考虑的不确定性因素数。

基于以上分析，该文提出的基于贡献率矩阵的运行备用分摊流程如图1 所示。

图1 实施流程

2.2 分摊方法

为避免排列次序和各类型不确定性因素对运行备用实际贡献率的影响，应以各场景下的备用贡献率平均值作为实际贡献率，可表示为：

式（14）中，为不确定性因素i对应市场类型所应承担的运行备用分摊成本，FR为全网运行备用辅助服务市场交易成本。如表1 所示，常见的不确定性因素包括负荷波动、风功率偏差、光功率偏差、常规电源故障等，分别应由电力用户、风电场、光伏电站、常规电源发电厂承担。

表1 典型不确定性因素

任意一个主体所应承担的运行备用市场交易成本，根据其实际发用电量的构成情况与不同类型发用电量在该类型的占比来确定，可表示为：

式（15）中，Fs为市场主体s所应承担的运行备用市场交易成本，j(s)∈i表示该市场主体对应以上不确定性因素类型划分所包含的电量组成，Ej(s)为每一个电量组成的实际发用电量，Ei为该市场类型整体发用电量，为该类型应承担的市场交易成本。

3 仿真分析

3.1 基础数据

为验证所提方法的有效性，以某省区电网实际数据构造算例，对上文所提模型进行数值实验仿真。仿真实验所利用的计算机内存16 GB，处理器为酷睿i7，主频2.8 GHz，所采用的仿真软件为Matlab 2011b。

仿真所使用的基础数据包括电源装机和运行出力数据。该省电源装机以煤电、水电、风电、光伏为主，如表2 所示。在全网总装机容量的6 006 万千瓦中，煤电、水电占比超过70%，风电、光伏占比分别为8.29%、17.02%，新能源总装机占比超过25%。

参考文献[11-14]中提出的运行备用测算方法，算例中主要考虑常规电源故障停运、新能源波动性、负荷波动性及输变电设备故障4 类因素所产生的运行备用需求。在待评估日，以上4 类因素所对应的运行备用需求分别为24 万千瓦、78 万千瓦、52 万千瓦、41 万千瓦，则以上4 类因素影响下运行备用总需求为195 万千瓦。

3.2 仿真数据分析

如表3 所示，组合顺序中数字1～4 依次代表常规电源故障停运、新能源波动性、负荷波动性及输变电设备故障这4 类因素所产生的运行备用需求。表3中每一行不同的数字组合顺序代表一种运行备用排序方式，4 种运行备用需求对应全排列数为24。分析表3 中不同组合模式下购电成本变化可以发现，各类型不确定性因素的购电成本增量不仅与其备用容量需求有关，还与其组合排序相关。

根据表3 中不同组合排序下购电成本增量变化，可参照式（13）计算得到4 类不确定性因素的实际贡献率，进而根据式（14）计算得到运行备用市场交易成本在以上4 类不确定性因素中的分摊结果，可表示为：

表3 购电成本变化

式（16）中，FC、FN、FL、FE依次为常规电源故障停运、新能源波动性、负荷波动性及输变电设备故障这4 类因素所产生的运行备用需求对应分摊费用。

3.3 仿真效果对比

为进一步分析文中所提方法的有效性，将对比该文方法与等比例分摊、边际贡献率分摊两种方法的差别。等比例分摊即根据不同类型不确定性因素所需的运行备用容量数值按比例分摊；边际贡献率分摊，则是以上述各类型不确定性因素所对应的边际购电成本增量来分摊总体运行备用。如图2 所示，相比于等比例分摊，文中所提方法与边际贡献率分摊中常规电源故障停运、输变电设备故障两类不确定性因素的分摊均有所下降，而新能源波动性、负荷波动性两类不确定性因素的分摊则有所上升。

图2 分摊费用对比

造成以上差异的原因在于，购电模型自身的非线性导致不同类型不确定性因素所需的运行备用容量越高，则对应的增长幅度越大。等比例分摊方法难以客观反映上述非线性因素影响，而边际贡献率分摊方法只能部分考虑不确定性因素组合场景，因此会放大不确定性因素所需运行备用容量的差别。而该文所提的方法中，贡献率矩阵实际上涵盖了不同类型不确定性因素所有的排序方式，其能够更全面地揭示对以上非线性模型的影响，并且对辅助服务市场交易公平性具有促进作用。

4 结束语

为推动运行备用市场建设，该文提出了一种基于贡献率矩阵的运行备用市场分摊模型，并进行了仿真分析。由于贡献率矩阵覆盖了所有不确定性因素全排列组合场景，因此能更加充分的考虑不同类型不确定性因素所需要运行备用容量对运行备用的影响。基于该矩阵所得的分摊结果更为公平，对推动运行备用辅助服务市场公平性具有促进作用。