目前中國電力輔助服務市場仍處于初級發展階段,產品分類及交易補償規則仍不健全。伴隨著電力市場改革的推進,輔助服務市場資源不斷豐富,參與主體不斷擴大,對輔助服務產品及交易機制的設計提出了新的要求。國外輔助服務市場發展較早,較為成熟,且不斷處于更新完善當中。因此,我國亟需總結國外先進的輔助服務市場建設經驗,并結合實際情況對我國輔助服務市場做出設計。選取澳大利亞、美國PJM及北歐等國家和地區電力市場,分析其輔助服務市場發展歷程、輔助服務產品種類及交易時序等并進行對比,結合我國輔助服務市場發展現狀,從區域范圍劃分、頂層設計、產品劃分及市場發展趨勢等方面,得出了上述典型電力市場對我國輔助服務市場機制設計的啟示。

0 引言

2015年3月,中共中央、國務院正式下發《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》,提出建立輔助服務新機制的要求,輔助服務市場建設勢在必行。很多學者對不同國家電力輔助市場及國內電力輔助市場交易機制設計進行了研究[1-6],但關于輔助服務產品類型比較類文獻較少,且涉及輔助服務市場對比類文獻較早。因此,對國外先進輔助服務市場及其演變進程進行分析,研究輔助服務產品及交易機制成為我國輔助服務分階段建設的重要環節。本文通過研究國外輔助服務市場發展進程、監管機構、產品種類、交易機制、交易時序等內容,總結其市場建設經驗及對我國分階段輔助服務市場建設的有益啟示。

1 澳大利亞電力市場

澳大利亞電力市場分為國家電力市場(national electricity market,NEM)和批發電力市場(wholesale electricity market,WEM),除西澳大利亞州采用WEM外,其他州執行NEM。其發展過程如圖1所示。NEM輔助服務分為：頻率控制輔助服務(frequency control ancillary services,FCAS)、網絡支持控制輔助服務(network support control ancillary services,NSCAS)以及黑啟動輔助服務(system restart ancillary services,SRAS)。

能源市場運營商(Australian Energy Market Operator,AEMO)負責能源市場的運營,統一購買輔助服務以保證電力系統安全、可靠運行。AEMO作為平臺既可以向市場參與者購買有償輔助服務,也可以向市場參與者收取其購買輔助服務的費用[7]。AEMO每年編制輔助服務報告,并提交給經濟管理局(Economic Regulation Authority,ERA)。輔助服務市場發展歷程如圖1所示。

圖1 澳大利亞電力市場改革階段劃分

1.1 國家電力市場NEM

NEM中,FCAS在8個市場中進行招投標交易,NSCAS和SRAS均通過簽訂長期協議進行交易。由于澳大利亞NEM輔助服務市場主要運行FCAS市場,本文著重介紹FCAS市場。

1.1.1 FCAS市場

AEMO利用FCAS使系統頻率維持在接近50Hz的標準上,分為調節調頻(regulation)和應急調頻(contingency)。調節調頻通過響應負載或發電的微小偏差來維持發電/需求平衡;應急調頻是指對主要應急事件(如發電機組/主要工業負載的損失)或大型輸電元件引起的發電/需求偏差校正[7]。表1從調節和應急調頻兩個方面來介紹。

表1 澳大利亞NEM調頻輔助服務市場

已向AEMO注冊的參與者必須參加每個不同的FCAS市場,通過提交適當的offer或bid來參與市場。澳大利亞實時電力市場技術支持系統聯合調度機組的發電出力與各種調頻輔助服務,以實現最低的購電與調頻成本之和。

FCAS報價與實時電力報價基本相同,分價格和容量兩部分,報價方案有10個價位,每個價位對應可提供調頻輔助服務容量數,報價從高到低排序。發電容量由調頻輔助服務梯形圖決定,梯形圖通過啟用限制(enablement limits)和斷點(breakpoints)定義[8]。如圖2所示。

圖2 通用FCAS梯形圖

澳大利亞FCAS市場同能量市場聯合出清,市場出清分為預出清和實時出清。預出清分為全日報價及滾動調整,全日報價即一次性報下個交易日的價格;滾動調整每5min更新一次未來1 h內每5 min節點上預出清和發電安排,整點和半點更新未來1 h往后每30 min節點上預出清和發電安排。其預出清機制時序如圖3所示。

圖3 FCAS預出清機制時序圖

各個價區主輔市場電力價格在市場出清時同步公布。實時出清過程如圖4所示。

圖4 澳大利亞NEM調頻輔助服務與電力聯合出清過程

1.1.2 NSCAS和SRAS市場

NSCAS分為3個種類：電壓控制輔助服務(voltage control ancillary service,VCAS)、網絡負荷控制輔助服務(network loading control ancillary service,NLCAS)、暫態和振蕩穩定性輔助服務(transient and oscillatory stability ancillary service,TOSAS)。AEMO通過VCAS將電網上的電壓控制在規定的公差范圍內;使用NLCAS來控制短期內的連接器間的流量;當系統因短路或設備故障導致功率流中出現瞬態“尖峰”時,TOSAS控制和快速調節網絡電壓[8]。

1.2 批發電力市場WEM

國家電力規則中要求WEM輔助服務交易以高效率為目標通過市場競價決定,當競價安排不可行時,AEMO與服務提供商之間應優先使用雙邊談判,簽訂具有競爭力的商業合同[8]。表2對澳大利亞WEM輔助服務的產品種類及交易方式進行介紹。

表2 澳大利亞批發電力市場輔助服務產品介紹

2 美國PJM

PJM電力市場是一個集中調度的競爭性電力批發市場,PJM輔助服務市場建設主要分為3個階段：電力工業重組期、輔助服務市場體系建設期、輔助服務市場體系完善期[9-10]。PJM輔助服務市場發展過程如圖5所示。

圖5 美國PJM輔助服務市場演變

現階段PJM RTO(Regional Transmission Organization)主要運營5大類輔助服務產品,市場化運營的輔助服務產品主要包含：調頻服務、初級備用服務、黑啟動服務3類,其中調頻與初級備用服務采用集中式市場化交易,與電力市場聯合優化運行。PJM輔助服務分類如圖6所示。

圖6 美國PJM輔助服務產品圖

下面分別介紹調頻輔助服務和備用輔助服務的產品設計情況[6],如表3所示。

表3 美國PJM輔助服務市場產品介紹

參加輔助服務市場交易的機組在運行日前一天14:15之前向PJM提交投標信息,輔助服務市場在實時運行前60 min關閉,在此之前發電商修改投標信息,在此之后至實際運行前發電商可將機組狀態設為不可用,退出市場競爭[9]。

PJM在小時前將調頻市場和同步備用市場,分3個步驟與實時電能聯合優化,包括輔助服務優化 程序(ancillary service optimizer,ASO)、滾動安全約束的經濟調度程序SCED (intermediate securityconstrained economic dispatch,IT SCED)、實時安全約束的經濟調度程序SCED (real-time security constrained economic dispatch,RT SCED),以及節點價格計算程序(locational pricing calculator,LPC),詳見圖7[11]。

圖7 PJM輔助服務市場運行時序

實時運行過程中每5min將輔助服務市場與電能量市場聯合出清一次,聯合出清的目標為電能和輔助服務購買總成本最小化。PJM將按照不同區域的具體情況統一安排無功補償和黑啟動輔助服務,使滿足要求的供應者提供相應的服務,而沒有自供應能力的服務需求者則向PJM統一購買[9]。

3 北歐輔助服務市場

北歐輔助服務市場發展過程如圖8,2009年7月1日,NORDEL(Nordic Electricity Union)結束由UCTE(Union for the Co-Ordination of Transmission of Electricity)運行的時期,由ENTSO-E(European Network of Transmission System Operators for Electricity)管理。NORDEL的輔助服務產品及ENTSO-E下的北歐平衡市場產品如圖8所示。

圖8 北歐電力市場及輔助服務市場發展進程

北歐輔助服務市場包括平衡服務產品及輔助服務其他產品。ENTSO-E期望通過統計各國平衡輔助服務市場數據,分析并設計歐洲統一的平衡機制[12]。市場化的平衡服務產品及作用時間如圖9所示[13],其介紹詳見表4。輔助服務其他產品包括電壓控制、黑啟動等。

圖9 北歐平衡服務產品

表4 北歐輔助服務產品介紹

北歐輔助服務TSO(transmission system operator)根據提供給運營商的信息來平衡系統。每個TSO都有自己的實時監控系統(SCADA)和規劃系統。平衡過程中的重要部分是比較計劃數據與實時測量數據,為平衡操作提供有價值且即時的信息。北歐運營平衡過程可以視為長期過程,從多年前開始與備用供應商簽訂長期容量合同,其次是長期到短期停電計劃,互連能力規劃,最終達到電力預測平衡和動態穩定性[12-14]。本文著重于介紹前后幾周的平衡過程,其運行時序如圖10所示。

圖10 ENTSO-E下北歐平衡市場運行過程

4 美國德州

美國德州電力可靠性委員會(Electric Reliability Council of Texas,ERCOT)負責德州電力市場的管理,其為德州的獨立系統調度機構(independent system operator,ISO),管理競爭性電力批發市場并負責其范圍內電網運行。圖11為ERCOT輔助服務產品演變過程[15]。

圖11 ERCOT輔助服務產品演變

目前德州輔助服務產品主要包括上調頻(regulation up,Reg-Up)、下調頻(regulation down,Reg-Down)、響應備用(responsive reserve service,RRS)、非旋轉備用(non-spin reserve,Non-Spin)、電壓支持(voltage support service,VSS)、黑啟動(black start service,BSS)和可靠性保障運行服務(reliability must run service,RMRS)。德州輔助服務市場包括：上調頻、下調頻、響應備用和非旋轉備用市場,其余3種產品不參與輔助服務市場,通過長期合同獲得,產品介紹見表5。

表5 德州輔助服務產品介紹

ERCOT日前市場是在日前集中出清的金融性市場,主要目的是為下一個運行日安排電能和輔助服務,QSE(Qualified Scheduling Entities)是授權計劃實體,日前運行時序如圖12所示。

圖12 德州日前輔助服務市場運行時序圖

5 中國輔助服務市場現狀及存在的問題

我國的現行輔助服務產品劃分依據主要為2006年頒布的《發電廠并網運行管理規定》和《并網發電廠輔助服務管理暫行辦法》(以下稱為“兩個細則”)。根據“兩個細則”的規定,輔助服務分為基本輔助服務和有償輔助服務。

在新一輪電力體制改革之后,各省改革的現狀如表6所示。交易模式上,山西、新疆、福建、甘肅四省及東北區域在不同的輔助服務產上采取集中競價和雙邊交易這兩種交易模式,廣東、山東兩省只采用了集中競價這一種交易模式。

表6 2017年各省區輔助服務市場產品種類

出清方式上,不同產品類型的輔助服務產品出清方式不同,對于調峰輔助服務產品而言主要采取按需按報價順序進行調用,對于調頻輔助服務產品而言,主要采用按需按性能調整后的報價進行調用。

對比國外典型電力輔助市場機制,不難發現當前我國輔助服務市場建設主要存在以下問題：

1)當前進入輔助服務市場交易的產品比較具有中國特色,以調峰輔助服務居多,在國外成熟電力市場體系中均未設置調峰輔助服務;

2)電力輔助服務產品設計較為單一,備用這一重要的電力輔助服務產品未進入市場設計中;

3)電力輔助服務產品設計未考慮主能量市場的因素;

4)輔助服務市場的設計仍以省為主體,缺乏國家層或區域層面的頂層設計,不利于優化各地區之間資源差異。

6 對比及啟示

通過上述對PJM、德州、澳大利亞及北歐等輔助服務市場的研究,對市場運行及監管機構、輔助服務產品、輔助服務市場及交易機制進行對比,如表7、8所示。

表7 典型國家輔助服務市場比較

表8 典型國家調頻及備用輔助服務交易機制對比

通過表7和表8的對比,結合我國的電力輔助服務改革現狀,得出以下結論及啟示：

1)頂層設計方面,在滿足電網運行安全及相關技術的前提下,設計輔助服務市場應逐步豐富輔助服務資源類型,使市場競爭更充分。美國調頻輔助服務資源比較靈活,PJM和德州可以參加調頻服務輔助服務的為滿足一定性能要求的發電機組、儲能和需求響應資源,英國與澳大利亞機組均為發電機組。我國輔助服務市場前期設計時,為了系統運行安全,應只引入發電機組資源提供輔助服務;后續結合電網調度控制技術、儲能技術、需求響應技術和市場運行情況,在市場發展中期逐步引入儲能和需求響應調頻資源,在滿足系統運行要求的前提下逐步擴大資源占比至最優狀態。

2)在穩步銜接我國AGC類調頻產品參與市場的模式下,區分性能成本特性逐步引入一次調頻產品參與市場。美國PJM市場中調頻輔助服務根據資源響應信號快慢程度的技術特性分為爬坡受限和能量受限兩類產品;美國德州則是根據系統頻率偏移情況分為上調頻和下調頻;澳大利亞NEM市場調頻包括調節和應急兩類,在嚴格意義上僅應包括調節一類。

我國在調頻輔助服務市場建設中,首先提供AGC類產品進行交易,一次調頻產品應在考慮各類機組的性能特性和成本后,根據各地區的機組資源情況逐漸引入市場中,在市場發展后期可在區分各類資源技術特性和對系統安全運行的貢獻程度的背景下,進行類似于PJM的不同技術特性區分的調頻產品設置。明確不同輔助服務產品的作用對象,調節頻率范圍及響應、持續時間,從而使輔助服務提供者與接受者更加明確,成本產生路徑及分攤更加清晰,有效促進輔助服務成本的合理回收。

3)在電力輔助服務市場建設過程中需要考慮與電力市場相結合。目前國際上的電力市場主要可分為“集中式”和“分散式”。對于全電量競爭的集中式電力市場(如美國PJM和美國德州)而言,主輔市場以社會福利最大化為目標聯合出清;對于以雙邊交易為主的“分散式”電力市場(如北歐)而言,電力輔助服務交易通常在電力平衡市場中進行,出清目標為再調度成本最小,及輔助服務成本最小。在北歐平衡市場中,響應備用還可以用于管理系統阻塞。同時,國外輔助服務市場在市場交易機制中,通常會發布各類產品的(最低)需求量,作為市場出清的依據,而在我國傳統的“三公調度”并不公開透明,現階段的市場機制設計中也未涉及發布市場需求量相關信息。由此,在進行電力輔助服務市場機制設計時,應充分考慮該區域電力市場模式,對輔助服務品種及出清模式做相應設計,完善市場信息發布機制,使市場公開透明運行。

4)輔助服務市場發展過程中,我國可結合實際情況,在省級市場中精細化輔助服務產品,區域市場中對輔助服務產品作出統一定義與要求,著重解決跨省交易問題。不同國家輔助服務產品及交易機制在發展中不斷得到豐富及優化,PJM輔助服務市場中,產品種類不斷細化;但在以北歐為主的歐洲市場中,由于歐洲建設統一電力市場的要求,對輔助服務產品種類進行統一的定義與要求。結合我國國情與輔助服務實際運行情況,可將省級市場作為二級市場,根據不同省份資源類型及電網特性,不斷細化輔助服務產品種類;將區域市場作為一級市場,對輔助服務產品進行統一定義與要求,并著重于解決省間壁壘及阻塞等跨省交易中出現的問題,構建促進能源有效利用的統一輔助服務市場。

何永秀1, 陳倩1, 費云志1, 付成然1, 常彥1, 龐越俠1, 鄒麗芳2, 柯曄2

1.華北電力大學 經濟與管理學院,北京市 昌平區 102206

2.國網福建省電力有限公司 經濟技術研究院,福建省 福州市 350012

參考文獻

[1] Raineri R,Ríos S,Schiele D.Technical and economic aspects of ancillary services markets in the electric power industry:an international comparison[J].Energy Policy,2006(34):1540-1555.

[2] Zeng Ming,Liu Ximei,Peng Lilin.The ancillary services in China: an overview and key issues[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014(36):83-90.

[3] 陳達鵬,荊朝霞.美國調頻輔助服務市場的調頻補償機制分析[J].電力系統自動化,2017,41(18):1-9. Chen Dapeng,Jing Zhaoxia,et al.Analysis of frequency modulation compensation mechanism in frequency modulation ancillary service market of the United States[J].Automation of Electric Power Systems,2017,41(18):1-9(in Chinese).

[4] 焦連偉,文福拴,祁達才,等.電力市場中輔助服務的獲取與定價[J].電網技術,2002,26(7):1-6. Jiao Lianwei,Wen Fushuan,Qi Dacai,et al.Procurement and pricing of ancillary services in electricity markets[J].Power System Technology,2002,26(7):1-6(in Chinese).

[5] 李彬,曹望璋,祁兵,等.區塊鏈技術在電力輔助服務領域的應用綜述[J].電網技術,2017,41(3):736-744. Li Bin,Cao Wangzhang,Qi Bing,et al.Overview of application of block chain technology in ancillary service market[J].Power System Technology,2017,41(3):736-744(in Chinese).

[6] 楊益晟,張健,馮天天.我國核電機組調峰輔助服務經濟補償機制研究[J].電網技術,2017,41(7):2131-2137. Yang Yisheng,Zhang Jian,Feng Tiantian.Study on compensation mechanism for peak-regulating ancillary service of nuclear units[J].Power System Technology,2017,41(7):2131-2137(in Chinese).

[7] AEMO.Guide to ancillary services in the national electricity market [EB/OL].(2015-04-15)[2017-09-13].http://www.aemo.com.au/ Electricity/National-Electricity-Market-NEM/Security-and-reliability/Ancillary-services.

[8] AEMO.Wholesale electricity market rules[R].Australia:AEMO.2017.

[9] PJM.PJM manual 11:energy & ancillary services market operations [EB/OL].(2017-06-15)[2017-10-09].http://www.pjm.com/-/media/ documents/manuals/m11.ashx.

[10] Monitoring Analytics,LLC.2017 state of the market report for PJM[R].America:PJM,2018.

[11] PJM.Regulation details,details,pricing& clearing[EB/OL].(2017- 07-01)[2017-09-17].http://www.pjm.com/training/-/media/ F2C185A143154118911D2FD9998D62BE.ashx.

[12] ENTSO-E.Survey on ancillary services procurement and electricity balancing marketdesign[EB/OL].(2016-08-11)[2017-09-21].

[13] ENTSO-E.AS survey results 2016[R].Europe:ENTSO-E,2017.

[14] 包銘磊,丁一,邵常政,等.北歐電力市場評述及對我國的經驗借鑒[J].中國電機工程學報,2017,37(17):4881-4892,5207. Bao Minglei,Ding Yi,Shao Changzheng,et al.Review of Nordic electricity market and experiences for China[J].Proceeding of the CSEE,2017,37(17):4881-4892,5207(in Chinese).

[15] ERCOT.Nodal Operating Guides[EB/OL].(2017-10-01)[2017-09- 23].http://www.ercot.com/mktrules/guides/noperating/cur.