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浙江大学学报
浙 江 大 学 学 报(工学版)
Vol.38No.1
2004年
1月JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)Jan.2004
电力市场中运行备用的获取和定价机制综述
赵学顺
1,2,汪 震
1,余志伟
2,文福拴
1,3,钟德成
2,钟志勇
2,黄民翔
1
(1.浙江大学电气工程学院电力经济与信息化研究所
浙江杭州
310027;
2.香港理工大学电机工程学系
香港
;3.香港大学电机电子工程学系
香港
)
摘 要
:
运行备用在维持电力系统的安全可靠性、提高系统运行质量、缓解高峰负荷电价等方面具有举足轻重的作
用.运行备用的主要获取和定价方法包括
:
备用成本评估与分配方法、基于优化调度算法的定价策略、利用机制设
计揭示价格的方法等
.运行备用容量的需求研究、机会成本和事故停运成本的评估和分析、运行备用市场与能量市
场的协调等问题有待于进一步研究
.
关键词
:
电力市场
;辅助服务
;运行备用
;定价机制
;停运成本
中图分类号
:
TM732 文献标识码
:
A 文章编号
:
10082973X(2004)0120052208
Surveyonoperatingreserveprocurementandpricing
inderegulatedelectricitymarketenvironment
ZHAOXue2shun1,2,WANGZhen1,YUZhi2wen2,WENFu2shuan1,3,
ZHONGDe2cheng2,ZHONGZhi2yong2,HUANGMin2xiang1
(1.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;
2.DepartmentofElectricalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKong;
3.DepartmentofElectrical&ElectronicsEngineering,theUniversityofHongKong,HongKong)
Abstract:
Operatingreserveisoneofthemainancillaryservices(AS).Itplaysanimportantroleinmain2
tainingpowersystemreliabilitywhileeconomicallyefficienttransactionsareaccommodatedinanopenelec2
tricitymarket.Thispaperreviewsaseriesofoperatingreservepricingmechanismsunderthecompetitive
electricitymarketenvironment.Thecharacteristics,prosandconsofprocuringandpricingmechanisms
basedon(i)assessmentandallocationofreservecosts,(ii)extensionofoptimaldispatch,(iii)mechanism
designand(iv)balancebetweeneconomicefficiencyandthereliabilityrequirementareinvestigated.Last2
ly,thecommonunderstandingandthedirectionoffutureresearchonoperatingreserveinthederegulated
electricitymarketenvironment,suchasrequirementdeterminationofoperatingreserve,evaluationand
analysisofopportunitycostandoutagecost,coordinationofdispatch&scheduleinenergyandoperating
reservemarkets,andsoonarediscussed.
Keywords:
electricitymarket;ancillaryservices;operatingreserve;pricingmechanism;outagecost
电力工业改革能否成功的关键在很大程度上取的交织
.可靠性问题处理不好会直接给系统和市场
决于能否保证系统的可靠性
.电力系统可靠性不是带来冲击
如预想不到的停电事故和很高的电价波
一个单纯的技术、经济或者政策问题
而是这些问题动风险等
甚至对整个社会的稳定造成影响
最显然
收稿日期
:
2003202222.
基金项目
:
高等学校博士学科点专项科研基金资助项目
(2000033530).
作者简介
:
赵学顺
(1974-),男,宁夏银川人
博士生
主要研究电力市场和电力经济与信息化技术的应用
.
E2mail:
eexszhao@hotmail.com
.1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
第
1期赵学顺
等:
电力市场中运行备用的获取和定价机制综述
的例子莫过于加州电力市场的失败
[1].一般而言
可
以通过获取一定量的辅助服务来满足系统的可靠性
要求
.美国联邦能量调节委员会
(FERC)规定了如
下一些辅助服务
:
调度与系统控制、无功支持与电压
控制、调节与频率响应、能量不平衡、旋转备用
(spinningreserve)、追加备用
(supplemental
reserve)等,其中后两种备用属于运行备用
(operat2
ingreserve).
运行备用作为辅助服务的一种
在维持电力系
统的安全可靠性、提高系统运行质量、缓解高峰负荷
电价等方面具有举足轻重的作用
.在电力市场环境
下,运行备用的获取和定价遇到了许多新的挑战
.其
主要表现为
:
首先
在电力工业的市场化进程中
发
电公司逐渐从电网公司中剥离出来
其是否参与运
行备用市场取决于发电公司自身的经营决策目标、
机组技术特性以及市场的激励机制
而非系统的强
制调度
;第二
传统的运行备用获取往往单凭经验
例如按最大期望负荷的比例或者按系统中最大一台
机组的装机容量作为系统对备用的需求
难以兼顾
系统的可靠性和经济性
而在电力市场中
电能和辅
助服务交易主要是在市场上进行
强调利用市场机
制—
—尤其是定价机制来有效地配置备用容量
在
保障系统安全可靠运行的前提下
实现经济上的优
化;第三
电力工业改革带来了更多的随机因素
过
去建立在中央统一调度基础上的确定性模型已不再
适应当前市场运营模式和系统决策过程
因此有必
要引入随机化模型来描述市场环境下的运行备用定
价问题
.
在国际上已经运行的电力市场中
不同的国家
和地区根据自身的特点采用了不同的辅助服务获取
与定价方式
.不论采取何种方式获取辅助服务
维护
电力系统的安全可靠运行始终是市场化改革得以顺
利进行的必要前提
在最近进行的电力改革中更加
突出了这一问题
[2~
7],这事实上强调了设计一个良
好的辅助服务获取和定价机制的重要性
.
一个良好的定价机制应该从全局性的社会福利
出发
能够有效地引导市场参与者进行资源的优化
配置
降低成本
.从某种意义上讲
定价机制不仅是
电力市场中参与者各种经济行为的约束条件
还应
能够提供一个理性稳健的结构以减少不确定性
进
而保证市场的稳定运作和交易的顺利进行
.
近几年来
运行备用的获取和定价机制是一个
相当活跃的研究领域
研究成果散见于各类文献中
.
所提出和采用的主要获取和定价方法包括
:
备用成
本评估与分摊的方法、基于优化调度算法的定价策
.1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.
略、利用机制设计揭示价格的方法
以及其他一些兼
顾经济性和可靠性的定价策略
.本文就这几个方面
进行简要综述
.
1 备用成本评估和分配的获取与定
价方法
备用成本评估和分配的获取与定价方法是一种
比较传统的方法
具有简单明了、可操作性强的特
点.其大致思路为
:
首先对运行备用的供给成本和产
生的效益进行评估
然后权衡备用成本和期望效益
以确定需要多少备用
最后对总的成本进行合理分
配,所得到的单位分配成本加上适当的利润后就可
作为定价的最终依据
.
1.1 成本和效益
(1)运行备用的供给成本
运行备用的供给成本中应包括电量成本和容量
成本两部分
.电量成本主要指机组的变动成本
而容
量成本包括固定资产成本和机会成本
.具体考虑时
要视不同情况而定
.例如
旋转备用多为在线机组
边际容量成本几乎为零
[8],只有当被调度提供电能
时消耗燃料成本
;非旋转备用则还要考虑机组的启
动成本
.
机组容量既可以投入到主电能市场
也可以提
交到辅助服务市场
;正是这样的选择“机会”决定了
发电公司在提交运行备用容量报价时必须充分考虑
机会成本
即发电公司选择将容量投到运行备用市
场就不得不放弃其在主电能市场上可能获取的收
益.机组的机会成本与该机组所带负荷的运行位置
有关
通常越是处于边际机组之下的机组容量就具
有越高的机会成本
而边际机组或处于边际机组之
上的机组容量则没有机会成本
.可见
机会成本可以
通过计算市场清算电价和机组的边际成本之差而得
到[9],故它与市场清算电价有很大关系
.文献
[10]提
出了根据旋转备用边际机会成本来确定旋转备用电
价,在思路上有创新
但该方法属于电价预测的范
畴,并不等同于市场意义下的电价
.在市场机制下
运行备用的供给成本可以通过发电公司提交的容量
报价和电量报价揭示出来
[11,12].
(2)间接效益—
—事故停运成本
运行备用所带来的效益间接地反映在由于运行
备用的投入而降低停运事故所带给用户和发电公司
的损失
即停运成本的相应减少
.导致停运的因素包
括负荷预测偏差、发电设备强迫停用或网络阻塞等
.
停运成本又可以分为调度调节成本、中断成本和消
费者剩余损失三部分
.
Allrightsreserved.
浙 江 大 学 学 报
(工学版
) 第
38卷
当出现供电不足或停电事故时
为了使社会福
利损失最小
系统运行人员不得不进行紧急调度
重
新配置系统中的稀缺电能
包括在发电侧启用高成
本的容量
甚至从其他电源点购买昂贵的电力
由此
带来的附加成本称为调度调节成本
.中断成本是由
于停电使用户无法消费到所需要的电量而造成的损
失,其与停电持续的时间、用户所处区域以及用户类
型等因素有关
.消费者剩余损失则是强调事故发生
后,即使没有停电
但由于供电紧张而导致市场清算
电价升高
致使用户不得不为此支付更多的电费
(假
设采用了电价联动机制
).
降低停运成本相当于为系统带来了效益
.电力
工业市场化后
系统运行的可靠性与经济性之间的
联系更加紧密
对于停运成本的评估就越来越受到
广泛重视
[13].大多数评估方法是先对消费者按类型
分组
如工业、居民、商业等
;然后分别对它们进行实
证评估
.文献
[14]讨论了如何评估配电侧的停运成
本,文献
[15]则对发电侧的边际停运成本评估问题
进行了研究
而文献
[16]则提出了一种能够对发电
和输电组合系统的停运成本进行分析的方法
.文献
[8]利用用户的支付意愿
(willingnesstopay,
WTP)来计算停运成本
进而对运行备用进行定价
.
在实际应用中
通常将用户停运成本与失负荷价值
(VOLL)联系起来
.该指标一般是通过对用户的调
查结果进行分类计算、加权平均得到的
.
1.2 成本
-效益分析和停运成本分配方法
传统上
确定系统所需的运行备用容量主要是
凭经验
这无法合理地兼顾系统的可靠性和经济性
.
可以采取基于成本—效益分析的容量配置标准
[17]
来确定最优运行备用容量
(RC3).当系统运行备用容
量取最优运行备用容量
(RC3)时,运行备用的供给成
本和停运成本之和即总配置成本
(TC)最小
.为了使
TC最小化
只要供给成本的增加不超过停运成本
的减少
就应该增加系统的备用容量
反之亦然
最
后在均衡点处
确定出系统所需的备用容量
RC3和
相应的总配置成本
TC.文献
[18]用这种方法对亚
特兰大电力系统进行了仿真计算与分析
.
如何支付发电公司的运行备用费用
涉及到对
总配置成本的分配
.由于其中的供给成本直接对应
于各个发电公司
而不需要分配
问题就简化为如何
在所提供的各单位备用容量之间分配停运成本的问
题.目前研究停运成本分配的方法并不多
不过可以
借鉴一些固定成本的分摊方法
[19].例如考虑按各发
电公司所提供的备用容量水平平均支付停运成本费
用,或者根据各发电公司实际被调度的电能按某种
.1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.
比例支付停运成本费用
也可以通过求解成本分摊
博弈的核心
(core)来实现
.
分配后的单位停运成本加上单位供给成本就可
以作为支付发电公司的运行备用电价
.
1.3 存在的问题
这种方法是以集中决策为基础的
没有考虑用
户的需求弹性和发电公司针对系统需求可能作出的
响应
与竞争的市场机制不太适应
.此外
停运成本
与可靠性指标之间的关系并不容易建立
.在信息不
完全的市场环境下
这种基于集中决策的获取与定
价方式可能导致低效率
且给发电企业以错误的激
励.由于按实际成本定价
停运成本的分配可能导致
电力企业生产经营成本居高不下
.
2 基于优化调度的定价策略
传统的优化调度模型一般采用确定性指标来计
及系统的可靠性约束
如“N-1”、备用百分数以及
备用应大于系统最大机组容量等
.当然也可以采用
概率指标来表示系统的可靠性要求
如失负荷概率
(LOLP)等,不过这些指标缺乏经济含义
.为此
最
近的一些研究工作对传统的优化调度进行了改进和
扩展
以期在计及系统的可靠性要求的前提下
为备
用容量配置和定价提供明确的经济学信号
.
2.1 电力市场环境下优化调度模型的扩展
市场环境下
优化调度模型中的目标函数取决
于市场规则
如购买成本最小化或社会福利最大化
后者需要用到用户的效益函数
(utilityfunction).无
论采用何种目标
在模型中都需要计及发电公司的
自主决策
这是与传统优化调度的最大区别
.此外
对于运行备用定价
还需作一些扩展
以包括可靠性
约束
.
可靠性约束条件可分为两类
:
一类为“硬”约束
如系统运行参数约束、可用容量约束等
;另一类则为
“软”约束
如系统备用要求约束
(systemreservere2
quirements,SRR).由于可用容量和系统备用要求
在运行备用定价中扮演着重要的角色
下面进行简
要的论述
.
(1)可用容量
在电力市场环境中
不应该采用强制方式来获
取运行备用的可用容量
而应该在市场机制引导下
由发电公司根据自己的经营决策自愿提供
.
发电公司提交到备用市场上的可用容量
不能
超过机组最大可用容量扣除其在实时电能市场上已
被调度的容量的差
而且还要受限于机组的爬坡速
Allrightsreserved.
第
1期赵学顺
等:
电力市场中运行备用的获取和定价机制综述
率
(因为其决定在响应时段内所能达到的容量水
平).此外
还要考虑发电公司与系统调度员之间达
成的协议
如按最大可用容量的某个比例提交备用
容量
[20].还有
有些电力市场采用了差价合约
发电
公司为了规避市场价格波动风险而事先在合约市场
上出售了一定比例的合约容量
故在确定备用可用
容量时也需要对这部分予以考虑
.
(2)系统备用要求
(SRR)
与机组爬坡速率等“硬”约束不同
系统备用要
求约束是“软”约束
可以短期、少量越限
.该约束从
本质上讲具有模糊特性
清晰化处理往往会导致保
守结果
[21].
如何适当确定
SRR是一个相当重要而困难的
问题
.直觉地
可以采用试探性的方法
即由高到低
依次给定
SRR,计算带该约束的机组组合问题
求
出相应的备用边际成本
.显然
SRR越大
成本一般
也越高
.如此反复试探
就可以找到较合理的期望成
本所对应的
SRR.不过
这种方法由于要多次求解
机组组合问题
计算成本很高
.文献
[22]提出一种旋
转备用需求随着相应价格变化自适应调节的方法
.
其主要包括三部分
:
首先
由发电公司提交电能和备
用的价格
由系统调度员根据提交的价格来调节
SRR;然后求解机组组合优化问题确定机组的状态
与出力水平
;随之对电能和备用的价格进行修正
.如
此反复
可以自适应地收敛到纳什均衡解
.
除上述两种最常用的可靠性约束外
有的文献
还特别强调了机组自身的可靠性约束
[23]的重要性
.
因为在市场环境下
机组一旦出现意外事故而强迫
停运
可能给系统带来一系列的连锁反应
包括甩负
荷,所以承担备用任务的发电公司有责任确保所选
中的备用容量在需要的时候能够及时提供电能
.这
样,发电公司在提交备用容量和电能报价时就需要
考虑机组可能出现的强迫停运概率和爽约后将受到
的惩罚
.总之
考虑机组的可靠性约束
有利于反映
提供备用的机组的运行特性
计及可能出现的意外
事故
.
2.2 定价方法述评
文献
[23]在优化调度中计及了发电机组的可靠
性指标
建立了一个增广拉格朗日对偶函数
采用了
递归神经元网络进行求解
得到主电能市场和备用
市场的价格
;该价格权衡了提供备用的成本与不提
供备用的风险
.文献
[24]计算了两次最优潮流
:
一次
是基准情况
(未采用辅助服务
),另一次是采用了辅
助服务的情况
.这两次计算得到的影子价格之差再
经过期权定价公式的处理
就可以得到期望的辅助
.1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.
服务价格
.文献
[25]和[26]均是针对竞争市场中需
求侧和供给侧投标的模式来讨论系统的优化调度和
可靠性问题
.前者的目标函数是使社会效益最大化
据此计算出区域市场清算价格和相应的电能及辅助
服务的供需量
;后者的目标函数则是使消费者的购
买成本最小化
在其所扩展的经济调度模型中考虑
了线路容量备用和机组备用对系统节点备用需求的
影响
.不过
由于供给侧和需求侧的投标曲线并不一
定反映供需双方的实际成本和效用
所以
这两种方
法得到的解是否为最优解值得商榷
.文献
[20]讨论
了能量和运行备用联合调度下的预想事故运行备用
的定价问题
.文献
[27]提出了一种在主电能市场和
辅助服务市场寻找均衡价格的方法
;其假设发电商
和零售商都追求自身利益最大化
当市场清算条件
得到满足时
可以获得两个市场上各自最优的容量
及其均衡价格
.不过
这种方法是以完全竞争的市场
为基础进行的
要求完备的市场信息
.
2.3 存在的问题
基于优化调度算法的定价方法
实质上是一种
短期边际成本定价方法
;其能够提供经济信号
因此
与前面的基于成本的定价方法有着本质的不同
.但
这类方法也有一些不足
:
(1)算法复杂
.该方法需要进行最优潮流甚至机
组最优组合计算
计算量大
.而且计算结果对系统运
行条件很敏感
求得的价格波动很大
.
(2)为了保证这种方法能够求得最优解
常常需
要作大量的简化假设
其中最重要的一点就是成本
已知
.但在电力市场环境下
信息是不完全的或不对
称的
这样如何衡量真正的边际成本就成了相当困
难的问题
下文还会对此作进一步的探讨
.
(3)由于在该方法中
投入运行备用的容量成本
并不能在价格中得到完全反映
不能补偿运行备用
的全部成本
这会影响发电公司参与运行备用市场
的积极性
.对此
通常不得不求助于一些传统的管制
办法来补偿发电公司在边际成本定价中所受的损
失,但这会削弱市场机制的效能
.
3 利用机制设计揭示价格的方法
电力市场运营机构和发电公司在电力市场中获
得的信息是不对称的
.发电公司的成本信息是私人
信息
.除非存在有效的激励机制
否则发电公司不会
申报自己的真实成本
而更可能采用策略性投标来
增加自己的利润
[28,29].电力市场不是一个完美竞争
的市场
或更确切的说
是寡头垄断市场
;发电公司
All
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