市場環境下備用容量的定價與確定

柴愛軍，吳江

（1.華北電力大學，北京 102206；2.西安交通大學，陜西西安 710049）

市場環境下備用容量的定價與確定

柴愛軍1，吳江2

（1.華北電力大學，北京 102206；2.西安交通大學，陜西西安 710049）

輔助服務在維持電力系統的安全可靠性，提高系統運行質量，緩解高峰負荷電價等方面具有舉足輕重的作用。

在壟斷環境下，整個電力系統的發電、輸電、配電是統一管理和統一調度的，運行方式安排相對比較簡單，系統運行的安全、可靠容易得到保證；而在電力市場環境下，發電商是以盈利為目的，在考慮系統安全性的同時更要考慮到系統的經濟性，電力企業所提供的輔助服務成為了有償服務，這就是電力市場當中的輔助服務市場。在電力市場環境下，輔助服務的定價與確定遇到了許多新的挑戰，本文選取輔助服務中的備用市場進行研究。

在市場環境下，備用容量的選取和定價是備用市場設計的2個關鍵性問題。本文從國際上實際運行的輔助服務市場出發，研究了備用容量的確定與定價方法，建立了以電能和容量總購買成本最小為目標的備用服務價格和分配模型。最后對以此模型為基礎的市場模式進行了討論。

1 備用服務的容量確定

系統運行涉及的備用主要有負荷備用和事故備用。在傳統的電力系統中，負荷備用容量的大小應根據系統負荷的大小、運行經驗并考慮系統中各類用電的比重確定，一般為最大負荷的2%～5%，大系統采用較小數值，小系統采用較大數值。事故備用的容量大小應根據系統容量、發電機臺數、單位機組容量、機組的事故概率、系統的可靠性指標等確定，一般為最大負荷的5%～10%，但不得小于系統中最大機組的容量[1]。

在市場環境下，輔助服務成為發電商提供的有償服務，備用容量的選取必須考慮到系統經濟性的問題。過高的備用比例，就需要支付過多的服務費用，提高電網的運營成本，損害用戶的經濟利益；而如果備用過低，將不能保證系統的安全運行，在負荷波動過大或出現突發事件時，將不得不切斷部分電力供應，同樣會對用戶的經濟利益造成損害。國內外學者對于這方面問題做了許多研究。

文獻[2]提出運用模糊邏輯調整系統備用需求的方法，指出清晰化處理往往會導致保守結果。在文獻[2]方法的基礎上，文獻[3]提出了旋轉備用需求隨著相應價格變化自適應調節的方法，最終結果由旋轉備用價格和旋轉備用比例之間的迭代得到。

文獻[4]認為，在市場條件下，為供需雙方所接受的供電中斷不應認為是對系統安全可靠運行的破壞，提出在綜合考慮保留備用容量費用和切負荷賠償費用的基礎上，求取經濟上最優的事故備用容量。對于參與市場的多數用戶來說，用電成本只是生產成本的一小部分，切負荷賠償費用將會遠遠超出容量費用，這樣使得容量備用只存在很小的需求彈性，對備用市場的調節意義不大。

文獻[5-6]將保險理論引入電力市場的備用容量選擇，利用用戶對備用容量的投保金額來決定備用容量大小及切負荷的分配，這樣采用分散決策方法，將備用容量的選擇權下放到了用戶，增加了交易的靈活性。

文獻[7]針對美國新英格蘭地區備用市場的設計，著重分析了運行備用調配引起的機會成本問題。文獻[8]則從系統運營機構，如ISO的角度出發，研究了如何同時處理能量交易和運行備用交易的聯合調度問題。

應該指出的是，既便在市場環境下，保證電力系統的穩定性和安全性也是首要問題。如果使電力系統長期運行在邊界點附近，將會引發一系列問題，往往會造成難以估量的損失。對于備用容量的經濟性考慮，還有待進一步研究。

2 備用服務的獲取與定價

備用容量的價格往往由兩部分組成，即容量成本和電量成本[9]。其中，前者是不論該部分備用是否被實際調用，其成本均應被支付；后者是一旦備用容量被實際調用，ISO為其所支付的購買電量的價格。

由于提供大部分輔助服務的設備同時也為電力市場提供電量，能量價格和容量價格是緊密相關的，因此ISO應將能量市場與容量市場統一調度，實現全局優化。問題可描述為[10-11]

式（1）滿足如下約束

式中，ri（,）為時刻k機組i的旋轉儲備量是時刻k的系統需求。

其他單機組約束（容量約束、啟停狀態、最大最小開關機時間、爬升約束等）見文獻[11]。

運用拉格朗日松弛法求解機組調度問題的主要思想是用拉格朗日乘子松弛系統需求和儲備需求，以形成兩層結構。

由式（1）和約束式（2）、（3），拉格朗日函數可寫為

λk，μk為拉格朗日乘子

用對偶定理，分析方程（4）的可分解結構，形成兩層極大-極小優化問題。

利用λ和μ傳遞參數，兩層問題經反復迭代，構造可行解，即可得到最優的負荷和備用分配。

根據實時電價理論，邊際價格等于相應的系統約束的拉格朗日松弛算子值，故λ和μ就分別相當于系統滿足能量需求和備用需求的邊際容量成本，即可作為電能市場的能量價格和備用市場的容量價格。

對于備用服務的能量價格，由于表示的是當備用容量被實際調用，ISO為其所支付的購買電量的價格，這與電能市場的交易屬同類商品，其價格應由電能市場決定，即實時電能市場的價格。

3 算例分析

在本算例中，利用IEEE-10Unit System[12]的機組參數進行求解。

日前市場：假設某天系統負荷如圖1所示，備用容量比例為8%。利用調度算法，可得到日前市場的電量價格和備用容量價格，以及各機組的電量和容量分配。

實時市場a：在實時市場出現負荷波動（見圖1），則需要實時調度得到市場的實時電量價格和備用價格，而某些備用容量將被實際調用，得到能量收入。

圖1 預測負荷與實際負荷Fig.1 Forecast demand and real-time demand

實時市場b：假設機組U400b出現故障，退出市場交易，實時市場也需要重新運行調度算法，投入備用容量進行實時平衡，并增加新的備用。

3種情況下的市場價格如表1所示。

表13 種情況下的市場能量及容量電價$/（MW·h）Tab.1 Energy and capacity price in three cases

由于大部分提供備用服務的設備同時也為電能市場提供電量，因此能量價格與備用價格有很大的相關性。當系統負荷出現較大變化時，各機組出力點發生變化，電能價格也隨之波動，同時也導致了容量市場價格的改變（見圖1、圖2和圖3）。

在實時市場b的情況下，由于一臺較大機組（U400b）的停機，導致了在負荷高峰期購電價格的大幅上升；同時，系統整體備用的減少，備用的容量價格也提高較多。

下面拿出一個具體機組（U155a）的出力及備用情況進行分析（見圖4）。

圖2 3種情況下的電量電價Fig.2 Energy prices in three cases

圖3 3種情況下的容量電價Fig.3 Capacity prices in three cases

圖4 U155a日前與實時市場比較Fig.4 Compared between day-ahead and real-time market of unit U155a

在日前市場，機組確定發電計劃，并提供一定量的旋轉備用。由于實際的負荷波動（情況a）或出現突然的設備故障（情況b），在實時市場中將有一部分旋轉備用加入發電計劃，獲得備用的能量收入。

按照PJM電力市場的結算方法，發電商在日前市場按日前市場價格獲得能量與備用收入，對于在實時市場的調整部分，按照實時電價結算，這部分就是備用的能量收入。表2給出了U155a的結算收入。

在機組運行時，提供備用容量幾乎是不需要成本的，但仍能得到備用容量收入，而且實時調整出力時，這部分備用容量還有可能被調度，得到能量收入。當然，在一般情況下，由于實時負荷的波動同預測相比有正有負，機組有可能增加出力，也有可能減少出力，因此在實時市場得到的收入有限（有時甚至為負）。但當系統出現大的波動時（如實時b），備用容量將大量投入發電計劃，獲得發電收入。

表2 U155a的結算收入Tab.2 Settlement revenue of Unit U155a

因此，對于發電企業來說，備用市場雖然絕對收入較少，但利潤是相當驚人的。對于備用市場的競標，也應得到足夠的重視。

4 結論

本文討論了在新的電力市場環境下，電力系統的安全性問題。引入了輔助服務市場后，系統中的各種安全服務成為了有償服務，系統的安全性和經濟性被統一考慮。本文著重介紹了輔助服務中的容量備用市場，及其容量確定和服務定價。由于備用市場和電能市場的相關性，備用市場的定價和調度應該與電能市場一起進行，利用拉格朗日松弛算法和實時電價理論，對備用服務進行分配和定價。

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Pricing and Determination of the Reserved Capacity in Power Market

CHAI Ai-jun1，WU Jiang2

（1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province,China）

With focus on the reserve market in the ancillary service,this paper analyzes the existing determination method for the reserved capacity,and presents a spot pricing method which is based on the purchase cost minimization model to determine the price and allocation of the reserve service.Finally,verification by an IEEE-10unit case shows the effectiveness and efficiency of the method.

electricity market;reserved capacity;spot pricing theory;Lagrange relaxation

選取輔助服務中的備用市場為研究對象，分析了現有的備用容量確定方法，并以電能和容量總購買成本最小為目標，以實時電價理論為基礎，確定備用服務的價格和分配。最后通過IEEE-10機組算例說明了該方法的有效性。

電力市場；備用容量；實時電價理論；拉格朗日松弛法

1674-3814（2011）12-0072-07

TM 715

A

2011-10-26。

柴愛軍（1972—），男，碩士，從事電力市場建設及監管研究。

（編輯 馮露）