浙江大学学报.doc
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1、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
2、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 : TM 732文献标识码 :A文章编号 : 10082973X (2004) 0120052208 Survey on operating reserve procurement and pricing in deregulatedelectricitymarketenvironment ZHAO
3、Xue2shun1,2 , WANG Zhen1,YU Zhi2wen 2,W EN Fu2shuan1, 3 , ZHONG De2cheng2,ZHONG Zhi2yong 2, HUANGM in2x iang1 (1. College of Electrical Engineering , Zhejiang University , H angzhou 310027, Ch ina; 2. Departmentof ElectricalEngineering , H ong Kong PolytechnicUniversity , H ong K ong; 3. Departmento
4、f Electrical & Electronics Engineering , the U niversity of H ong K ong , H ong K ong ) Abstract:Operatingreserveisoneofthemainancillaryservices (AS). Itplaysanimportantroleinmain2 tainingpowersystem reliabilitywhileeconomicallyefficienttransactionsareaccommodatedinanopenelec2 tricitymarket. Thispap
5、er reviewsa seriesofoperating reservepricingmechanismsunder thecompetitive electricitymarketenvironment. Thecharacteristics, prosandconsofprocuringandpricingmechanisms basedon (i)assessmentandallocationofreservecosts, (ii)extensionofoptimaldispatch, (iii)mechanism designand (iv)balancebetweeneconomi
6、cefficiencyandthereliabilityrequirementareinvestigated. Last2 ly, the common understanding and the direction of future research on operating reserve in the deregulated electricitymarketenvironment, such as requirementdeterminationofoperating reserve, evaluation and analysis of opportunity cost and o
7、utage cost, coordination of dispatch & schedule in energy and operating reservemarkets, and so on are discussed. Key words: electricitymarket; ancillary services; operating reserve; pricingmechanism ; outage cost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
8、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: eexszhaohotmail. com. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 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
9、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 (spinning reserve)、追加备用 (supp lem ental reserve)等,其中后两种备用属于运行备用 (operat2 ing reserve).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
10、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
11、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
12、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. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., 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
13、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
14、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 ,
15、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 . All rights reserved. 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
16、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
17、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 (w illingness to pay, W TP)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
18、准 17 来确定最优运行备用容量 (R C3).当系统运行备用容量取最优运行备用容量 (R C3)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 R C3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
19、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. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., 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 (co re)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
20、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 (LOL P )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
21、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 (utility function).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 (system reserve re2 quirements, SRR ).由于可用容量和
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