英國電力市場的平衡機制與輔助服務我們可以學到什么？

2017-11-28 14:58:09 中國能源報　點擊量：評論 (0)

我國本輪電力改革中，《電力中長期交易基本規(guī)則(暫行)》規(guī)定了計劃調(diào)度+直接交易為主的中長期交易模式操作方法及流程，為現(xiàn)貨市場建立前的過渡期提供了落地方案，結(jié)合9號文提出的建立用戶參與的輔助服務分擔共享

我國本輪電力改革中，《電力中長期交易基本規(guī)則(暫行)》規(guī)定了“計劃調(diào)度+直接交易為主的中長期”交易模式操作方法及流程，為現(xiàn)貨市場建立前的過渡期提供了落地方案，結(jié)合“9號文”提出的“建立用戶參與的輔助服務分擔共享新機制”的任務，英國基于雙邊交易市場模式中的輔助服務市場機制具有顯著借鑒意義。

1調(diào)度模式

由于電力難以大量經(jīng)濟存儲的特點，發(fā)用電之間必須保持實時功率的即時平衡，以保持對用戶的可靠供電、避免事故和損傷電力設備;有功功率的平衡關系到系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，無功功率則關系到各個節(jié)點的電壓支撐。在英國這一平衡工作由英國國家電網(wǎng)負責實施，我國的該項工作則由各級電網(wǎng)調(diào)度中心負責。

在英國的電力批發(fā)市場中，發(fā)電廠和零售商主要通過簽訂遠期電力交易合同來滿足發(fā)用電需求。遠期電力交易合同包括通過雙邊協(xié)商達成的中長期和短期雙邊合同，以及通過電力交易所(N2EX，APX)集中競價達成的短期交易合同(通過拍賣市場、現(xiàn)貨市場和即期市場等)。

由于簽訂雙邊合同的發(fā)電企業(yè)與電力用戶均以追求經(jīng)濟效益為目標，不會從系統(tǒng)運行角度出發(fā)滿足整體電力實時平衡，因此，僅靠市場主體簽訂的遠期與短期電力交易合同的組合，并不能完全滿足電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行要求。由于輸電阻塞、預測偏差等原因，系統(tǒng)調(diào)度機構需要以每30分鐘為一個結(jié)算周期進行一系列操作，來確保電力系統(tǒng)運行的實時平衡。

與我國由調(diào)度統(tǒng)一安排電量計劃不同，從總量規(guī)模上看，英國實現(xiàn)電力平衡主要是通過激勵發(fā)電商和供電商自行兌現(xiàn)合同約定的發(fā)用電曲線。發(fā)電商和供電商提前一天中午11：00前，會提交一份初步物理發(fā)用電計劃;在關閘時間，調(diào)度執(zhí)行開始前1小時或更長時間內(nèi)，物理發(fā)用電計劃還可進一步修改。物理發(fā)電計劃不僅約定了發(fā)用電力曲線，還要對增減出力/負荷功率進行報價。國家電網(wǎng)會根據(jù)報價情況，在必要時調(diào)用。

但是，最終合同執(zhí)行過程中由于負荷預測偏差、局部輸電阻塞、市場成員經(jīng)營策略等因素，電力平衡總會發(fā)生或多或少偏差，維持平衡則由國家電網(wǎng)負責兜底，該部分不平衡電量約占總電量的2%。

2平衡機制

平衡機制是國家電網(wǎng)平衡電力供需的主要工具，通過每天以半小時為周期的交易執(zhí)行過程實現(xiàn)。在平衡機制中，由單臺機組或者負荷集成體構成的平衡單元，作為參加報價和受調(diào)度控制的基本單元。平衡單元需要在其最終物理發(fā)用電計劃的基礎上，向系統(tǒng)調(diào)度機構提交賣電報價和買電報價。賣電報價包括增加發(fā)電出力和降低負荷需求兩種類型;

與此對應，買電報價則包括降低發(fā)電出力和增加負荷需求兩種類型。在關閘時間后，系統(tǒng)調(diào)度機構主要依靠接受平衡單元提交的報價來保障系統(tǒng)運行滿足各類安全約束。除了接受報價之外，調(diào)度機構還可以通過平衡調(diào)整機制和負荷控制機制等手段來保障系統(tǒng)安全運行。

比較有特色的是，英國國家電網(wǎng)為了降低系統(tǒng)運行成本，除通過平衡機制來解決電能不平衡和網(wǎng)絡阻塞之外，還可以在平衡機制開啟前，主動提前購買或出售一些電能。例如，當調(diào)度機構預測次日某些時段會出現(xiàn)電力短缺時，可參與電力交易所的日前或日內(nèi)交易，提前購買部分電能;當調(diào)度機構預測某些區(qū)域會出現(xiàn)網(wǎng)絡阻塞時，可與特定區(qū)域的機組簽訂雙邊合同(一般為長期合同)進行阻塞管理。

3輔助服務

平衡機制是通過組織準實時的短時交易(半小時為交易周期)實現(xiàn)的，而其他非電能量交易的平衡手段則可以納入輔助服務范疇，這些輔助服務連同平衡機制一起，在英國被稱為平衡服務。英國的輔助服務全部類型有22種，但多數(shù)僅在一些特殊情況下被調(diào)用，常用的服務品種有：頻率響應、快速備用、運行備用、短期運行備用、平衡機制啟動、基荷調(diào)整、無功服務等。國家電網(wǎng)通過平衡機制、招標和雙邊合同等方式獲取輔助服務。

其中，頻率響應服務用來保持系統(tǒng)頻率在安全范圍內(nèi)，提供者既可以是電源也可以是負荷。該服務可以在事故發(fā)生的第一時間投入使用。英國的頻率響應服務又分為強制頻率響應、固定頻率響應和需求側(cè)頻率控制。強制頻率響應包括一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和高頻響應,這些服務由并網(wǎng)運行的機組義務提供，沒有組織相應的市場。

強制頻率響應并不能完全滿足系統(tǒng)運行的需求，剩余需求由固定頻率響應實現(xiàn)，通過自動發(fā)電控制系統(tǒng)完成控制和記錄。固定頻率響應允許集成資源(如負荷和可再生能源發(fā)電等資源的整合)參與提供，并通過月度或多月招標方式獲取。需求側(cè)頻率控制由可中斷負荷提供，則是一個低頻減載的預先約定，要求至少能在2秒鐘響應指令，且提供持續(xù)30分鐘3MW以上的容量，該服務通過雙邊合同協(xié)商確定。

快速備用相當于旋轉(zhuǎn)備用，是對上述頻率響應的補充，可根據(jù)國家電網(wǎng)的指令由發(fā)電機組增加出力或者負荷減少用電實現(xiàn)，通過月度招標獲取。技術上要求2分鐘內(nèi)啟動，并達到25MW/分鐘的爬坡速率，至少有50MW的容量且能持續(xù)15分鐘。

短期運行備用即事故備用，也可以由發(fā)電和負荷提供，通過每年三輪的競爭性招標獲取。技術上要求至少3MW容量，240分鐘內(nèi)完全啟動，至少持續(xù)2小時。

平衡機制啟動服務給予國家電網(wǎng)在必要時啟動離線平衡機組的手段，通過標準合同獲取，按小時付費。該服務包括平衡機組冷啟動和熱備用兩種形式，冷啟動要求在89分鐘內(nèi)完成，而熱備用則要求更快。

綜上，英國電力市場對有功平衡的服務，按響應時間、持續(xù)時間、最小容量、在線\離線狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)運行的具體需要和相關資源的技術性能，產(chǎn)生一系列產(chǎn)品類型的組合，并根據(jù)裝機結(jié)構、負荷特性、供需形勢等條件的變化隨時進行調(diào)整。

我國目前仍將調(diào)峰作為一個重要輔助服務品種，仍帶有計劃模式的鮮明特征。隨著電力改革的深入，對計劃電量的再分配過程將被競爭性的現(xiàn)貨市場取代，傳統(tǒng)意義上的調(diào)峰服務也將逐漸退出歷史舞臺。

4輔助服務交易

雙邊合同的執(zhí)行偏差需要國家電網(wǎng)兜底，以確保系統(tǒng)整體供需保持平衡，而國家電網(wǎng)在維持系統(tǒng)平衡過程中所扮演角色是經(jīng)過政府授權的，具體措施主要在平衡與結(jié)算規(guī)則里規(guī)定。類似于電能量交易，發(fā)電商也能通過談判和競價等形式賣出各類服務，一般而言，發(fā)電商出售輔助服務時通常會得到兩筆費用：容量費用和使用費用。

輔助服務的最小時段為半小時，并以此作為結(jié)算周期。市場成員之間簽約并在每個結(jié)算周期之前1小時將合同約定執(zhí)行的詳細信息報送國家電網(wǎng)。這些信息包括供需關系、預計發(fā)用電功率以及買賣報價等。然后，基于綜合報價信息，國家電網(wǎng)就可以調(diào)用各種服務。

我國目前的輔助服務責任主要由發(fā)電企業(yè)承擔，通過采取強制提供、按需調(diào)用、事后補償?shù)确绞剑谝欢ǔ潭壬霞ぐl(fā)了發(fā)電企業(yè)參與提供輔助服務的積極性。隨著我國電力改革的深入，輔助服務市場化也將成為必然趨勢，現(xiàn)有輔助服務的分類和技術要求亟待進一步細化。改革初期，借鑒英國對部分輔助服務采取中長期招標獲取的方式，雖然不足以保證全局經(jīng)濟性最優(yōu)，仍不失為一種實操性較強的實現(xiàn)路徑。

5輔助服務費用分攤

英國國家電網(wǎng)首先通過系統(tǒng)平衡使用費(BSUoS)回收調(diào)用平衡機制和輔助服務產(chǎn)生的成本。該費用是基于發(fā)用雙方在接入點的上網(wǎng)或下網(wǎng)電量按固定比率征收的，并根據(jù)網(wǎng)損有所微調(diào)。具體核算工作由國家電網(wǎng)的子公司Elxon完成，該公司相當于一個主營平衡機制和輔助服務業(yè)務的交易中心。國家電網(wǎng)把調(diào)用信息發(fā)送給Elxon公司，后者會根據(jù)偏差結(jié)算定價規(guī)則，對各種平衡手段進行更為詳細的分類、標記、以及重新定價(針對某些特定的平衡手段)，最后計算出偏差結(jié)算價格。Elxon公司根據(jù)每一個市場成員的相對合同約定電力曲線的偏差對整個系統(tǒng)帶來的影響向其收費。設計不平衡費用是為了激勵發(fā)電商和供電商在結(jié)算周期之前根據(jù)合同約定主動實現(xiàn)自身平衡。

國家電網(wǎng)對每種輔助服務的可用量確定一個范圍，以應對不同情況的發(fā)生。2014-2015年度，總成本中超過50%是用來支付頻率響應和各種備用服務的。這些服務通常在國家電網(wǎng)面對短期供需不匹配時被調(diào)用，例如主力發(fā)電機組發(fā)生臨時故障的情況。大約40%的成本來自于為滿足地區(qū)網(wǎng)絡約束，對發(fā)電機組發(fā)出調(diào)整出力的指令。

隨著約束成本上升，自2010年起，輔助服務總成本在持續(xù)顯著上漲。主要原因是蘇格蘭等地輸電設施升級滯后造成的。另外，還有一小部分原因是引入了“即并網(wǎng)即管理”政策。由于英國預期新增裝機投資慢于其現(xiàn)有機組退役速度，為追求足夠的容量充裕度，該政策要求國家電網(wǎng)在未完成相關輸電網(wǎng)絡建設前就接入新機組。

6輔助服務鼓勵計劃

英國政府還出臺了一個輔助服務鼓勵計劃，用來鼓勵國家電網(wǎng)更加經(jīng)濟高效地使用輔助服務。在此計劃中，國家電網(wǎng)可以從相對政府預期花費節(jié)約的成本中得到一定比例的獎勵，但也會因為超出預期的花費承擔一定的額外支出。

例如，如果調(diào)度機構在平衡機制開啟前提前購買或出售電能來解決電能不平衡或網(wǎng)絡阻塞的成本，比通過平衡機制中購買的成本還低，則所節(jié)約成本的38%將分享給調(diào)度機構。遺憾的是，自從2005年實施以來，多數(shù)情況下輔助服務支出都是超出預期的。

7對我國的啟示

輔助服務存在的意義是為了確保整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，保障電能量交易合同的切實履行。輔助服務機制的建設與電能量市場模式的選擇是密切相關的，兩者的建設需要統(tǒng)籌考慮、并行推進，在不同的電能量市場建設階段，均應構建與之配合的輔助服務機制。

從英國經(jīng)驗看，電力平衡是通過“約定電力曲線的實物雙邊交易+平衡機制+輔助服務”配合實現(xiàn)的，雖然與北美主要ISO“日前+實時+輔助服務”的市場模式有所差異，但通過市場機制實現(xiàn)電力實時平衡的本質(zhì)是統(tǒng)一的。平衡過程所涉及的電量變化均記入電能量交易(雙邊合同電力曲線的提交或者上下調(diào)節(jié)出力報價)，而輔助服務則僅產(chǎn)生對應的容量費用和被調(diào)用費用。

相對于北美的輔助服務市場，英國月度甚至多月競價的的輔助服務獲取方式略顯粗曠，與電能量市場解耦運行。

事實上，英國電力市場中有“兩個半”現(xiàn)貨價格信號，即APX和N2EX兩個交易所交易的現(xiàn)貨價格，再加上平衡機制調(diào)用的出清價格，這些價格信號對于輔助服務報價肯定是有影響的，但英國之所以沒有選擇聯(lián)合出清，是在交易成本和競爭強度之間的抉擇，由于物理雙邊交易已將絕大部分發(fā)電機組的運行計劃提前確定，因此英國的輔助服務市場并不像全電量競爭的北美主要市場那樣激烈，選擇更為簡潔的短期輔助服務競價也就可以理解了。

隨著我國本輪電力市場化改革的深入，關于建立輔助服務分擔共享新機制的配套文件和各省出臺的輔助服務市場建設方案，給出了近期輔助服務市場化的原則和方向。

其中，配套文件《關于推進電力市場建設的實施意見》中提到“在現(xiàn)貨市場開展備用、調(diào)頻等輔助服務交易，中長期市場開展可中斷負荷、調(diào)壓等輔助服務交易。日前發(fā)電計劃編制過程中，應考慮輔助服務與電能量統(tǒng)一出清、統(tǒng)一安排。”首次明確的將我國建立現(xiàn)貨市場后，輔助服務市場與現(xiàn)貨市場的關系進行了說明。目前公布的各省輔助服務市場建設方案則更多著眼于現(xiàn)貨市場建立前的過渡期，更多關注計劃調(diào)度模式下的調(diào)峰問題。

隨著電力現(xiàn)貨市場的建立，調(diào)峰問題可以通過競價上網(wǎng)解決，不必另行補償;備用服務和調(diào)頻服務由于提供服務與發(fā)電均需要使用機組的一部分容量，競價過程會將機會成本考慮其中。因此，現(xiàn)貨市場建立與否會直接決定輔助服務市場競價的本質(zhì)。在由于缺少現(xiàn)貨市場中電能量的價格信號的情況下，輔助服務所對應的機會成本和調(diào)用過程中所產(chǎn)生的電量費用將不能完全反映其真實價值。可以說，現(xiàn)貨市場建立前的輔助服務市場仍處于一個有形無質(zhì)的不完全狀態(tài)。

另外，輔助服務的經(jīng)濟補償，普遍采用的方式是按其成本補償，這是因為歐美主要市場最初設計輔助服務市場時，是基于傳統(tǒng)的水火電機組參數(shù)設計的。隨著可再生能源、儲能技術和需求側(cè)響應技術的發(fā)展，越來越多的資源參與到輔助服務中來，原有輔助服務的分類和補償方式隨之顯現(xiàn)出其局限性。我國輔助服務市場設計推薦采用基于效果補償?shù)脑O計思路，以達到更好的兼容性，從系統(tǒng)需要的角度，基于實際表現(xiàn)的輔助服務補償方式則對所有資源一視同仁，能夠更好滿足系統(tǒng)實際運行需要且經(jīng)濟性更好的資源將得到更高的補償，這有利于鼓勵服務提供者更關注系統(tǒng)需求，真正回歸到系統(tǒng)購買輔助服務的初衷。

作者系華北電力大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)博士