考慮外來電分攤的浙江燃煤機組調停調峰市場機制研究

梅天華，李磊，陳靖文

(1.國家能源局浙江監管辦公室，杭州市 310007； 2.浙江省電力公司，杭州市 310007;3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市 200240)

考慮外來電分攤的浙江燃煤機組調停調峰市場機制研究

梅天華1，李磊2，陳靖文3

(1.國家能源局浙江監管辦公室，杭州市 310007； 2.浙江省電力公司，杭州市 310007;3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市 200240)

當前外來電不參與受電省份的深度調峰，導致受電地區電力調峰資源不足。受調度“三公”影響，機組調停調度以“輪停”為主，運行效率較低。該文在現行運行規定的基礎上，建立了外來電分攤受電省份機組輔助服務成本的分攤模型和基于報價、補償的調停調度交易模型，應用公平分配理論中的“無嫉妒”性，給出了市場定價和結算規則。論證了在該文所述的調停交易機制下，參與市場機組報價的策略自明性。對調停調峰市場實施過程中需要注意的問題進行了討論。通過浙江電網實際算例，表明該文模型能夠平衡各方利益，解決當前機組調停的公平效率問題。

機組調停；電網調峰；成本分攤；公平；電力市場

0 引 言

在電力市場環境下機組競價上網，報價較高機組自然低出力運行，電力運行不存在調峰輔助服務需求[1]。我國特有的“三公”調度體制[2]，導致電力公平調峰成為重要的調度目標。隨著特高壓電網和光伏、風電、水電、核電等可再生能源的快速發展[3-5]，電力調峰矛盾日漸突出。近年來浙江省外來電占比出現較大幅度上升，外來電量在統調用電量中的占比已經超30%，且多數為新能源可再生能源。導致浙江電網調峰能力嚴重不足[6]，燃煤火電出現了頻繁調停調峰運行的新常態。2014年夏季受溪洛渡左岸水電機組投運以及四川水電大發影響，特高壓±800 kV賓金直流長時間不調峰滿負荷運行。由此導致2014年7～10月份浙江省燃煤火電機組調停近百臺次，日均調停容量超過800萬kW。由于系統運行的旋轉備用增加，并且機組啟停成本無法有效分攤，導致了浙江省常規燃煤機組負荷率同比下降了近20%。據測算，僅考慮賓金直流投運就導致浙江常規燃煤機組的煤耗增加2.6 g/(kW·h)。

為解決輔助服務成本的公平分攤問題，原國家電監會開展了輔助服務“兩個細則”考核補償管理[7-8]。但是當時燃煤發電機組運行中很少“調停”，該規則并未將燃煤機組調停成本納入到補償分攤的范圍。另一方面“兩個細則”考核補償以同一調度范圍內的發電機組為對象，這就導致浙江省內機組為溪洛渡和四川水電消納承擔了大量的成本，但是卻沒有獲得任何補償。第三，由于“兩個細則”考核補償管理主要依托于現有調度體制，機組主動參與調停的激勵不足。受調度“三公”體制影響，當前浙江發電機組調停主要采用了“輪停”的調度策略，無法體現電力運行的經濟性要求。

為解決當前電網調峰問題，促進各類機組公平承擔輔助服務成本，業界開展了大量的研究和實踐。浙江能源監管辦開展了輔助服務成本的跨省區分攤試點。東北區域采用市場化報價和補償分攤相結合的方法，通過市場機制促進調峰資源優化，但交易中并未包含機組調停。在理論方面主要圍繞分攤和激勵機制開展研究，文獻[9-11]應用合作博弈論中的Shapley值、核仁等對機組調峰成本進行分攤。文獻[9]提出的將啟停費用分攤至電力負荷的方案，可以在優化調峰運行的基礎上，對電力負荷參與電力運行調整提供激勵信號。但是基于合作博弈的方法均存在“組合爆炸”問題，不具備大規模應用的可行性。文獻[12]建立了水電/火電機組的調峰能力評估模型，根據調峰能力和上網電量分配調峰費用，激勵機組參與調峰運行。文獻[13]提出了通過提取調峰電費補償基金的方法，建立了根據等效可用負荷率進行分攤的調峰補償模型。但是該模型沒有充分兼顧調峰優化調度和激勵機制，對于機組調峰義務的分配也缺乏依據，難以形成行業共識。

本文從激勵機制、調停優化及公平分攤的角度對浙江省調停調峰市場機制進行研究。在華東區域“兩個細則”[8]的基礎上建立外來電分攤省內輔助服務成本的計算模型。同時將獲得的費用，用于激勵發電機組參與調停調峰。在考慮現行運行規定的基礎上，以機組報價為基礎，將機組調停等效為機組開機權分配，建立機組調停優化模型。根據市場交易的“無嫉妒性”原則[14-15]，建立調停費用的補償分攤模型，并對調停市場中的博弈行為進行分析，證明博弈均衡定理。最后結合算例表明本文模型的有效性。

1 外來電分攤受電省份輔助服務成本模型

1.1 基本思路

受調度區域劃分影響，外來電一般不參與受電省份的調頻、自動發電控制(automatic generation control，AGC)、自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)等輔助服務。外來水電在豐水期一般不調峰滿發運行，導致受電省份燃煤機組調峰需求大幅增加，運行成本顯著上升。盡管外來電已經參與了送端電網的輔助服務調用，但是如果不考慮對受端電網的影響，會導致外來電送電成本的扭曲，不利于資源的優化配置。考慮到現行“兩個細則”考核補償已經開展多年，發電行業基本認可了這一費用分攤模式。從簡化操作角度，本文以華東區域“兩個細則”為基礎，對外來電參與受電省份的輔助服務補償分攤進行建模。

1.2 分攤算法

對受電省份而言，外來電一般不承擔任何輔助服務。即使考慮調峰因素，外來電參與調峰的深度一般不超過30%，屬于無償調峰的范圍。根據“同網同電承擔相同輔助服務費用，高電價機組的輔助服務義務相應更高”的原則，外來電源應當與受電省電源按照相同的規則參與受電省份的輔助服務費用分攤。由于外來電無法為受電省份提供輔助服務，也無法參與受電省份的“兩個細則”輔助服務考核，因此本文僅考慮了外來電機組分攤省內機組輔助服務補償費用這一因素。相應的計算模型為

(1)

1.3 分攤算法優點和主要問題

公式(1)盡管沒有考慮網絡阻塞、潮流分布以及實際運行狀況等因素，也不能充分兼顧電價核準制的內在要求。例如，核電機組、熱電聯產機組，由于電價核定中并未考慮輔助服務成本，就可能提出其不應承擔AGC、調峰等費用；外來電機組可能會因為其增加了額外費用而提出異議。但是總體而言，該分攤方法原則明確，基本符合公平原則，而且計算和計量都比較簡單，并且不改變當前輔助服務的調用方式，易于實踐推行。當前溪洛渡電廠分攤浙江電網輔助服務成本、向家壩機組分攤上海電網輔助服務成本的計算方法與公式(1)基本一致。

由于華東區域“兩個細則”解決了輔助服務調用的激勵問題，大大降低了調用發電機組輔助服務的現實阻力，在當前“三公”調度為主導的情況下容易產生機組輔助服務過度調用問題。例如，當前電網運行中的實際頻率偏差遠小于GB/T15945—2008《電能質量 電力系統頻率允許偏差》規定的合格標準，表明當前機組調頻和AGC很可能存在過度調用問題。另一方面，由于“兩個細則”考核分攤中，輔助服務調用的費率采用的是固定費率，不能兼顧不同機組的實際成本，容易引發對輔助服務調用公平性的置疑。

2 基于報價的調停市場模型

2.1 基本思路

由于“兩個細則”考核補償，采用了固定費率的統一定價模式，無法對輔助服務的優化調用形成有效制約機制，也無法解決輔助服務調度公平性的爭議問題。繼續將機組調停調峰問題納入“兩個細則”的框架，通過核定機組調停費用的方法加以解決，未必是最佳的方案。考慮到市場機制是解決優化調用，滿足“無嫉妒性”[14-15]公平的最佳方案，本文采用了基于報價的市場方式對調停安排和成本分攤進行建模。

在浙江常規燃煤機組發電量占統調發電總量的90%左右。而燃氣機組已經實施“兩部制”電價，上網電價中包含了其頻繁啟停的運行成本及經營利潤要求，如果再從調停調峰市場獲益顯然不符合公平原則。非“豐水期”水電調峰的情況比較復雜，文獻[16]提出了基于調峰價值量的水電調峰補償算法。但是從現行電價體系和浙江省調度慣例來看，非“豐水期”水電無償提供調停調峰是合理的。華東區域“兩個細則”對燃氣和水電的調停補償算法也體現了這一特點。從簡化和市場平穩起步的角度，僅僅考慮了常規燃煤機組參與浙江省電力啟停調峰市場。

基于報價的調停市場建模思路為：(1)將機組調停問題看成是發電機組的開機權分配問題，即機組可以開機是因為分配到了有限的開機權；(2)獲取開機權的機組應當支付給未獲得開機權的機組(調停機組)相應的費用，并且結果應當滿足無嫉妒性；(3)調停調度應當滿足電力運行的約束。

2.2 調度模型

受電力調度“三公”模式以及安全運行要求的影響，調度機構往往通過壓低發電負荷率來提高安全裕度。但根據現行規定原則上系統運行負荷率低于70%時應當啟動調停，且調停時間不少于7天。根據DL/T1040—2007《電網運行準則》電網企業應當開展7天的每日96點負荷預測。本文按照調停交易周期7天，平均負荷率大于0.7確定調停方案。假設發電機組i申報的調停成本為uci，從開機權分配的角度看，機組獲得開機權相當于創造了uci的社會福利。開機權分配方案應當滿足社會福利的最大化(調停成本最小化)。調停優化的計算模型為

(2)

約束條件：

(3)

(4)

約束(3)和約束(4)分別表示系統運行的負備用約束和負荷率約束。沒有考慮正備用約束，是本文模型按照調停成本最少為目標，正備用約束自然滿足(如果不能滿足，則會出現減負荷)。沒有考慮網絡約束，是因為當前電力調度主要按照分區平衡進行安排，同一分區內視同單母線模型，不同分區內的機組不考慮備用的互濟作用。沒有考慮年度計劃電量對運行的制約作用，主要是因為當繼續調停導致其計劃電量無法完成時，機組可以通過申報更高的調停價格自行予以調整，該部分成本已經包含在uci中。

若機組調停安排按照模型(2)～(4)確定，盡管可以滿足系統運行的經濟性，但會導致調停成本低的機組長期承擔啟停任務，而調停成本高的機組則無須參與調停調峰。如果沒有利益平衡機制，將會導致不公平。如何公平確定補償金額則需通過建立補償結算模型予以明確。

2.3 補償結算模型

(5)

從收支平衡來看有：

(6)

式中：n1為開機機組集合；n2為調停機組集合。

從公式(5)～(6)解得：

(7)

(8)

其中n=n1∪n2。

3 博弈均衡及需要注意的問題

3.1 “兩個細則”分攤對交易的影響

本文第1節中建立了外來電分攤省內機組輔助服務成本的計算模型。為了激勵發電機組參與調停市場，可以考慮把外來電分攤省內輔助服務的費用Ri先行支付調停總費用，不足部分繼續分攤。由此公式(6)應當修改為

(9)

求解得：

(10)

(11)

3.2 博弈均衡分析

對于市場報價中參與人(機組)的博弈行為本文給出如下結論：

定理1 如果參與調停市場的機組報價為連續量，且各機組裝機均相同，則按照本文第2節給出的啟停調峰調度結算模型，參加市場機組的報價是策略自明的。

證明：從3.1節分析可知，外來電分攤不影響機組報價策略，所以證明中可以不考慮外來電補償費用的影響。根據本文第2部分的模型，市場交易的價格由邊際機組確定，且滿足公式(5)和公式(6)。假設機組k為邊際機組，按照真實成本報價時，此時機組k的收益為

(12)

(13)

(14)

證畢。

定理1表明本文設計的競價機制可以保證市場的平穩運行，不會出現惡意競價的現象。

在實際市場運行中機組成本為離散量，裝機也會存在差異，此時從定理1的證明過程可以發現，如果機組的成本信息為公開信息，邊際機組可以通過申報一個無限接近于次高成本邊際機組的報價而獲得額外收益，在機組較多的情況下這一收益一般會比較低。實際市場運行中參與交易機組的策略性報價空間比較小，這有利于市場的平穩運行。

3.3 需要注意的問題

從3.2節的分析可以看出本文的調峰交易機制不需要設置最高和最低限價，機組按照成本報價是最佳的競價策略。

本文2.2節模型的出清結果是以電力電量預測完全準確為前提，在實際市場運行中，實際調停安排應當根據負荷預測的變化而相應進行調整。此時可以引入電力市場中的事后電價機制[17]，根據實際調停調用情況進行定價和結算。即事先安排調停而實際調度中未被調停的機組不能獲取調停費用，并且和其他未調停機組一樣承擔調停成本的分攤義務。

對于電網運行中的因網絡約束等其他因素需要強行開機或停機的機組以及外來電機組，可以模仿電力市場中的“約束上”、“約束下”機組的定價規則進行處理，按照報價或所在分區的邊際價格進行補償分攤。

4 算例及分析

4.1 簡單模擬算例

算例包含10臺機組，1～9號機組為常規燃煤火電機組，10號機組表示外來電機組。機組參數及調停報價情況見附錄。

假設交易期內最高負荷預測值為3 700 MW，最低負荷為2 500 MW，總用電量預測值為430.7 GW·h，交易期內外來電根據“兩個細則”補償分攤的金額為54萬元。各機組裝機容量和調停報價如表1第2，3列所示。根據公式(9)和(10)，從外來電獲取的費用，經由調停市場的分攤結果見表1第4列。機組根據本文第2節的調度結算模型計算結果為5～7號機調停，并獲得調停收益，其他機組支付開機費用，各機組收支情況如表1第5列所示。計算結果為：調停總容量為1 800 MW，調停總費用265萬元，不考慮補償分攤的調停邊際價格為0.158 萬元/MW(7號機為邊際機組)。

8號機組盡管單位容量調停成本最低，但由于開停機具有0-1整數優化性質，從優化結果來看調停8號機及其他機組并非最優方案。從表1中還可以看出各種分攤方法均滿足收支平衡。由于無嫉妒分攤按照邊際調停價格結算，因此單位調停成本較低的5，6號機組獲得了超出成本的額外收益，這就對機組調停提供了激勵機制。表1第6列顯示了外來電“兩個細則”費用優先用于支付調停機組，降低了省內機組的調停費用支出，有利于激勵機組參與調停交易市場。

表1 調停交易費用及分攤情況
Table 1 Shut-down trading cost and allocation situation

4.2 實際場景算例

2014年8月浙江省某地電網共有燃煤火電機組66臺，總裝機3 569.5萬kW。受賓金直流投運和溪洛渡水電大發影響，浙江電網按照浙南、浙中、浙北3個分區實施電力電量平衡管理。各分區裝機情況見表2，其中三峽集團(賓金直流)的9臺裝機(按落地量計算)640萬kW接入浙南電網，分攤“兩個細則”費用為72萬元。以8月14日至20日調停安排為例計算成本分攤。機組開停機安排及費用分攤如表2。

表2中各分區的調停容量和調停數量根據分區可調機組和分區負荷曲線(燃煤機組部分)，按照本文第2節的調度結算模型計算得到。賓金直流落點為浙南分區，參與了浙南分區的調停交易。由于浙南分區承擔了賓金直流的電力受入，其調停調峰負擔較重，因此相應的調停出清價格也比較高，本文的價格機制可以反映調停調峰資源的稀缺程度。表2中的“交易金額”表示分區內調停機組獲得的費用總額，賓金的交易金額表示溪洛渡水電需要支付的資金總量。從表2中可以看出，賓金參與調停調峰的交易量遠遠超過“兩個細則”的補償分攤金額，當前“兩個細則”存在補償力度不足的問題；通過調停市場的建立解決了發電機組的調停激勵問題，同時使得外來電增加受入地調峰成本顯性化，平衡了各方利益訴求。結算時，外來電支付受電省份的調停分攤費用，可以通過受電省份電網公司扣減支付給外來電電費的方式實現。同時通過調整參與調停交易機組的購電費就可以實現調停交易市場的結算。

表2 浙江電網調停交易模擬情況表
Table 2 Simulation of shut-down trading in Zhejiang power grid

5 結 論

(1)建立了外來電分攤受電省份輔助服務成本的分攤模型。

(2)建立了機組中長期優化調停模型。

(3)建立了基于“無嫉妒性”的機組調停成本分攤及結算模型。

(4)證明了本文交易機制的策略自明性，對實際施行中的有關問題進行了討論。

(5)算例表明本文的交易機制可以激勵燃煤機組參與調停，同時使得外來電受入產生的調停成本顯性化，可以平衡各方利益訴求。

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(編輯 張媛媛)

附錄A

表A1 10機系統機組參數及報價情況
Table A1 Parameters and quotation of 10-units system unit

注：計算中，正備用率取0.02，負備用率取0.02；核電、外來電報價高主要模擬棄水成本。

表A2 實際算例參數
Table A2 Parameters of real example

注：部分燃煤機組啟停報價特別高是考慮了全廠停機的成本因素，賓金水電報價按照棄水成本考慮。

Shut-Down Peaking Market Mechanism of Zhejiang Coal-Fired Units Considering Import Power Allocation

MEI Tianhua1, LI Lei2, CHEN Jingwen3

(1. Zhejiang Energy Regulatory Office of National Energy Administration, Hangzhou 310007, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China;3. School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The imported power does not participate in the deep peak-regulation at present, which leads to the deficiency of the peak-regulation resources in the receiving-end region. Following the “Equity, Openness, Justice” dispatch principle, “rolling shut-down” is the main mechanism for unit commitment, which has low operation efficiency. Based on the existing operation regulations, this paper establishes an allocation model of ancillary service cost for units in energy-importing region with considering the participation of import power, formulates a shut-down trading model based on quotation and compensation mechanism, and presents the market pricing and settlement rules following the “no envy” concept in fair distribution theory. The self-enforcing strategy of the unit quotation under the proposed shut-down trading mechanism is proved. We discuss the problems that need attention during the implementation of shut-down peaking market. Through the realistic examples in Zhejiang power grid, it is showed that the proposed model can balance the interest of different entities and solve the fairness and efficiency problems of shut-down peaking.

shut-down peaking; peak regulation of grid; cost allocation; fair; power market

TM 73； F 426

A

1000-7229(2016)03-0117-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.018

2015-11-28

梅天華(1980)，男，博士，工程師,研究方向為電力市場；

李磊(1982)，女，碩士，高級工程師,主要研究方向為電力市場與電力系統需求側管理；

陳靖文(1995)，男，本科生，研究方向為電氣工程與自動化。