實時平衡市場的多資源統一交易模型及發展建議

朱軍飛

摘 要：電力實時平衡是維持電網正常運行的基本物理約束，傳統模式下主要依靠系統備用進行平衡調節。隨著技術手段的成熟以及市場研究的深入，平衡資源的種類和數量不斷增長，其價值也得到了更加全面的認識。為了進一步擴展提高系統效率以及確保平衡調度公平透明，實時平衡市場（Real-time balancing market，RBM）成為近年來國內外電力市場研究和發展的重要方向。本文從分析已利用或潛在的平衡資源入手，提出了適合多資源參與的統一交易模型，對市場結構、操作流程及結算等關鍵市場因素進行了分析，在所提出模型的基礎上，還從四個方面簡要闡述了對RBM的發展建議。

關鍵詞：實時平衡市場（RBM）;平衡資源;平衡責任單元（BRP）;平衡服務提供者（BSP）

中圖分類號：F123.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-0298（2020）12（b）--02

歐美的一些主要國家從20世紀90年代起開始進行電力市場改革。經過20余年的發展，歐美電力市場的穩定性及經濟性不斷提升，市場模型及產品體系逐漸完善。目前已形成了包括期貨、中長期合約、日前等不同時間等級的市場模型，交易對象也已從單一的電量逐步擴展到物理及金融輸電權、輔助服務、排污權等多種類型，而同類型的產品可能在某個或多個市場中進行交易。本文從分析已利用或潛在的平衡資源入手，提出了適合多資源參與的統一交易模型，并對市場結構、操作流程及結算等關鍵市場因素進行了深入解析，在所提出的模型的基礎上，從四個方面簡要闡述了對RBM的發展建議。

1 平衡資源分析

基于市場利益關系的劃分，在RBM中分別將平衡服務的供需方定義為平衡服務提供者（Balancing service provider，BSP）及平衡責任單元（Balancing responsible party，BRP）。TSO/ISO一方面根據BRP偏移預定計劃的嚴重程度向其收取費用，另一方面將組織BSP參與RBM投標競價并最終進行結算。一般情況下，具有預定出力或負荷計劃的參與者均可視為BRP，如根據前期交易情況制定了響應調度計劃的需求方和供給方等。而BSP的選擇相對嚴格，主要包括以下四類。

1.1 運行備用

各電力市場對于備用的分類不盡相同，種類較多。其中，運行備用是一種最常見的平衡資源，主要包括：AGC備用、10分鐘旋轉備用（Ten minute spinning reserve，TMSR）、10分鐘非旋轉備用（Ten minute non-spinning reserve，TMNSR）、30分鐘備用（Thirty minute operating reserve，TMOR）等。考慮到備用的可控性及時效性，另有由機組自行控制的自動調頻備用和激活時間大于60分鐘的替代備用暫不計入分析。運行備用在實際應用中包括容量獲取以及實際激活兩個步驟。容量獲取一般提前較長時間完成，可能長達幾個月或一年，主要通過中長期合約或備用市場競價等形式實現，僅僅通過了容量獲取環節的備用資源一般獲利較低。在RBM中，運行備用依然需要通過競爭來實現激活，從而參與實際平衡調節。

運行備用作為傳統高效的平衡資源，仍可通過減少旋轉備用等措施實現節能減排。同樣，在其他平衡資源相對充足的情況下，對于已通過了容量獲取的機組也有可能放棄參與RBM，轉而參與其他的電量交易市場。不論市場策略如何，須確保其提交TSO/ISO總容量一定，以免造成容量的混疊。

1.2 電量出清單元

從時間等級上看，前期的電量交易包括由中長期到日前、小時前等多個環節，下一個環節往往是在上一個環節基礎上進行進一步細化與調整。在臨近物理出清的RBM中，電量出清單元將獲得更多關于市場及自身狀態的信息，因而在最小時間等級的電量市場關閉后，具有靈活調節能力的出清單元可能在承擔一定經濟風險的前提下，通過在RBM對前期計劃進行增量和減量投標，即該類出清單元同時扮演了BRP及BSP雙重角色。另外，它與運行備用具有一定的相似性，兩者均源于相關前期市場，不同之處在于兩者分別基于電量及容量出清。

1.3 分布式平衡資源

分布式平衡資源主要包括分布式電源以及柔性負荷。太陽能、風能等分布式電源對環境以及氣候的依賴較大，具有間歇性和不穩定性等特點。一直以來，大規模分布式電源的接入被認為給電網安全帶來了負面影響，其平衡能力直到最近才被逐漸研究和認識。而柔性負荷可以根據自身需要以及市場狀態對用電策略進行改進，是具有一定價格彈性和調節能力的用電負荷。其中，電動汽車（EV）是一種特殊的柔性負荷。與一般柔性負荷相比，EV不僅可以根據市場狀態改變充電功率，同時可以在緊急或高利潤情況下通過V2G （Vehicle-to-grid）技術向電網提供電力支持。相關數據顯示，美國汽車機械動力總容量與其發電總裝機容量的比例曾高達24倍之多。隨著EV數量的增長和電池容量的擴大，其參與RBM的潛力巨大。

1.4 跨邊界平衡交易

相鄰或相近的區域電網之間往往通過高壓輸電網絡進行互聯，由于彼此在負荷特性及電源結構上往往具有一定的互補性，跨邊界電量交易具有顯著的社會和經濟效益。跨邊界平衡交易一般以輸電系統運營機構TSO為購買方，主要包括BSP-TSO和TSO-TSO兩種模式。除了受到物理輸電容量的共同約束之外，兩者分別具有以下特點。

第一，BSP-TSO模式下，當地的BSP通過直接向相鄰區域TSO進行投標而參與其RBM。BSP具有較為充分的選擇空間和競爭機會，但容易被不準確的市場信息所誤導，與非本地的TSO之間也存在通信及計量障礙。另外，龐大的BSP數量也將顯著增加市場運營的計算及操作復雜度，該模式具有較大的實施難度。

第二，而TSO-TSO模式則由當地的TSO將BSP進行整合后，再參與鄰近區域的RBM。該模式在BSP-TSO的基礎上進行了較大程度簡化。當地TSO在整合中可利用已有的相關設備方案且充分考慮自身狀態，從而減少操作復雜度并降低市場風險。但雙方TSO仍需建立高效的協調機制，以實現快速頻繁的平衡交易。

2 實時平衡交易模型

2.1 市場結構

針對第1部分所描述的平衡資源，本文提出適合多種資源統一交易的RBM模型，其結構如圖1所示。圖中由虛線將市場參與者分為BRP及BSP兩大類，如前所述，兩者可在同一參與者身上進行重疊。

2.2 操作流程

RBM以盡量實現實時操作為目標，然而考慮到響應延遲無法避免，一般采用10min或15min為周期進行無限次重復，每次的操作流程可概括為以下五個步驟。

（1）對前期交易情況、網絡狀態及超短期負荷預測等相關數據進行分析計算，發布初步預測的RBM需求信息。

（2）組織RBM參與者進行市場投標，相關參數包括正、負調節區間及相關價格。

（3）針對特定時間尺度下的可用平衡資源進行聯合優化調度或優先排序調度。前者通過數學模型進行容量、電量、價格等相關因素進行總成本最小的優化計算;而后者主要對符合一定要求的可用平衡資源進行價格排序，優先選用低價資源。

（4）根據參與者在RBM中的表現以及相關前期數據，采用邊際電價或平均電價等方式進行出清。

（5）根據某些平衡資源的消耗情況，擇機對其進行相關的復位和補充（補充方式及結算暫不計入RBM分析）。

2.3 市場結算

RBM的結算包括兩個方面，即不平衡結算和平衡結算。不平衡結算根據BRP對于前期調度計劃的執行情況進行確定獎懲金額。

3 RBM發展建議

RBM是近年來深化電力市場改革的重要方向之一，然而不同國家或地區電力技術發展水平、市場成熟程度等均具有較大差異，對于RBM的建設路線及方案也有不同選擇。本文在上文所提出統一交易模型的基礎上，提出以下量的電力交易制定傳輸計劃將顯著增加TSO/ISO的運行管理難度。因此需在一定程度上限制RBM市場的電量交易。

（1）采用合理的價格機制。對于市場排序而言，遠期、中長期以及短期的電力交易是參與者根據市場信號不斷地進行行為調整的過程，同時也是一個追求更高利潤的過程。為吸引更廣泛的平衡資源，RBM在計及機會成本和風險價值的基礎上，一般可采用邊際電價或平均電價等方式進行結算。邊際電價反應靈敏，容易出現劇烈波動;而平均電價取一定時期內的邊際電價的平均值，相對較為平緩。出于市場穩定性的考慮，平均電價的適應范圍更廣。

（2）建立事故后的安全操作模式。根據傳統的N-1準則，當系統任一元件受到事故影響而退出運行，系統狀態仍將限制在物理約束的可行區域內。然而，該準則一方面難以保證對電網資源的充分利用，另一方面在市場環境下對事故的預想往往不夠全面（理論研究往往采用Monte Carlo方法進行隨機生成），而非預想的小型事故同樣引發大電網的連鎖反應。因此，RBM需在事故后的緊急情況下實現故障定位及平衡資源的快速有效調度。

（3）通過簡化操作促進跨邊界平衡交易。區域電網之間不同的運營管理模式是實現彼此互聯交易的主要障礙之一。為簡化操作，歐盟一直致力于建立統一的歐洲電力市場，而美國FERC也試圖在各區域電力市場中推廣標準市場設計。目前，我國將各省級電網作為相對獨立的主體，各主體在平衡服務類型、調度手段、結算方式等方面基本保持一致。隨著高壓及特高壓骨干網架的建成，這將為我國進一步整合跨邊界平衡資源提供較大便利。

4 結語

近年來，隨著智能電網計劃的實施、分布式能源的接入以及需求側管理的加強，機組備用并非電網平衡的唯一選擇。平衡資源的多樣化必然對平衡調度提出市場化的需求。RBM成為當前國外電力市場研究和建設的重點領域之一，對于進一步提升電力商品流動性、深化電力市場改革及推動智能電網發展等具有重要意義。本文結合國內外研究現狀，分析了平衡資源的種類及特性，提出了統一的RBM模型以及相關的發展建議。在此基礎上，將進一步針對RBM價格優化、多市場博弈等相關問題展開研究。

參考文獻

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