市场环境下备用容量的定价与确定

柴爱军，吴江

（1.华北电力大学，北京 102206；2.西安交通大学，陕西西安 710049）

市场环境下备用容量的定价与确定

柴爱军1，吴江2

（1.华北电力大学，北京 102206；2.西安交通大学，陕西西安 710049）

辅助服务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。

在垄断环境下，整个电力系统的发电、输电、配电是统一管理和统一调度的，运行方式安排相对比较简单，系统运行的安全、可靠容易得到保证；而在电力市场环境下，发电商是以盈利为目的，在考虑系统安全性的同时更要考虑到系统的经济性，电力企业所提供的辅助服务成为了有偿服务，这就是电力市场当中的辅助服务市场。在电力市场环境下，辅助服务的定价与确定遇到了许多新的挑战，本文选取辅助服务中的备用市场进行研究。

在市场环境下，备用容量的选取和定价是备用市场设计的2个关键性问题。本文从国际上实际运行的辅助服务市场出发，研究了备用容量的确定与定价方法，建立了以电能和容量总购买成本最小为目标的备用服务价格和分配模型。最后对以此模型为基础的市场模式进行了讨论。

1 备用服务的容量确定

系统运行涉及的备用主要有负荷备用和事故备用。在传统的电力系统中，负荷备用容量的大小应根据系统负荷的大小、运行经验并考虑系统中各类用电的比重确定，一般为最大负荷的2%～5%，大系统采用较小数值，小系统采用较大数值。事故备用的容量大小应根据系统容量、发电机台数、单位机组容量、机组的事故概率、系统的可靠性指标等确定，一般为最大负荷的5%～10%，但不得小于系统中最大机组的容量[1]。

在市场环境下，辅助服务成为发电商提供的有偿服务，备用容量的选取必须考虑到系统经济性的问题。过高的备用比例，就需要支付过多的服务费用，提高电网的运营成本，损害用户的经济利益；而如果备用过低，将不能保证系统的安全运行，在负荷波动过大或出现突发事件时，将不得不切断部分电力供应，同样会对用户的经济利益造成损害。国内外学者对于这方面问题做了许多研究。

文献[2]提出运用模糊逻辑调整系统备用需求的方法，指出清晰化处理往往会导致保守结果。在文献[2]方法的基础上，文献[3]提出了旋转备用需求随着相应价格变化自适应调节的方法，最终结果由旋转备用价格和旋转备用比例之间的迭代得到。

文献[4]认为，在市场条件下，为供需双方所接受的供电中断不应认为是对系统安全可靠运行的破坏，提出在综合考虑保留备用容量费用和切负荷赔偿费用的基础上，求取经济上最优的事故备用容量。对于参与市场的多数用户来说，用电成本只是生产成本的一小部分，切负荷赔偿费用将会远远超出容量费用，这样使得容量备用只存在很小的需求弹性，对备用市场的调节意义不大。

文献[5-6]将保险理论引入电力市场的备用容量选择，利用用户对备用容量的投保金额来决定备用容量大小及切负荷的分配，这样采用分散决策方法，将备用容量的选择权下放到了用户，增加了交易的灵活性。

文献[7]针对美国新英格兰地区备用市场的设计，着重分析了运行备用调配引起的机会成本问题。文献[8]则从系统运营机构，如ISO的角度出发，研究了如何同时处理能量交易和运行备用交易的联合调度问题。

应该指出的是，既便在市场环境下，保证电力系统的稳定性和安全性也是首要问题。如果使电力系统长期运行在边界点附近，将会引发一系列问题，往往会造成难以估量的损失。对于备用容量的经济性考虑，还有待进一步研究。

2 备用服务的获取与定价

备用容量的价格往往由两部分组成，即容量成本和电量成本[9]。其中，前者是不论该部分备用是否被实际调用，其成本均应被支付；后者是一旦备用容量被实际调用，ISO为其所支付的购买电量的价格。

由于提供大部分辅助服务的设备同时也为电力市场提供电量，能量价格和容量价格是紧密相关的，因此ISO应将能量市场与容量市场统一调度，实现全局优化。问题可描述为[10-11]

式（1）满足如下约束

式中，ri（,）为时刻k机组i的旋转储备量是时刻k的系统需求。

其他单机组约束（容量约束、启停状态、最大最小开关机时间、爬升约束等）见文献[11]。

运用拉格朗日松弛法求解机组调度问题的主要思想是用拉格朗日乘子松弛系统需求和储备需求，以形成两层结构。

由式（1）和约束式（2）、（3），拉格朗日函数可写为

λk，μk为拉格朗日乘子

用对偶定理，分析方程（4）的可分解结构，形成两层极大-极小优化问题。

利用λ和μ传递参数，两层问题经反复迭代，构造可行解，即可得到最优的负荷和备用分配。

根据实时电价理论，边际价格等于相应的系统约束的拉格朗日松弛算子值，故λ和μ就分别相当于系统满足能量需求和备用需求的边际容量成本，即可作为电能市场的能量价格和备用市场的容量价格。

对于备用服务的能量价格，由于表示的是当备用容量被实际调用，ISO为其所支付的购买电量的价格，这与电能市场的交易属同类商品，其价格应由电能市场决定，即实时电能市场的价格。

3 算例分析

在本算例中，利用IEEE-10Unit System[12]的机组参数进行求解。

日前市场：假设某天系统负荷如图1所示，备用容量比例为8%。利用调度算法，可得到日前市场的电量价格和备用容量价格，以及各机组的电量和容量分配。

实时市场a：在实时市场出现负荷波动（见图1），则需要实时调度得到市场的实时电量价格和备用价格，而某些备用容量将被实际调用，得到能量收入。

图1 预测负荷与实际负荷Fig.1 Forecast demand and real-time demand

实时市场b：假设机组U400b出现故障，退出市场交易，实时市场也需要重新运行调度算法，投入备用容量进行实时平衡，并增加新的备用。

3种情况下的市场价格如表1所示。

表13 种情况下的市场能量及容量电价$/（MW·h）Tab.1 Energy and capacity price in three cases

由于大部分提供备用服务的设备同时也为电能市场提供电量，因此能量价格与备用价格有很大的相关性。当系统负荷出现较大变化时，各机组出力点发生变化，电能价格也随之波动，同时也导致了容量市场价格的改变（见图1、图2和图3）。

在实时市场b的情况下，由于一台较大机组（U400b）的停机，导致了在负荷高峰期购电价格的大幅上升；同时，系统整体备用的减少，备用的容量价格也提高较多。

下面拿出一个具体机组（U155a）的出力及备用情况进行分析（见图4）。

图2 3种情况下的电量电价Fig.2 Energy prices in three cases

图3 3种情况下的容量电价Fig.3 Capacity prices in three cases

图4 U155a日前与实时市场比较Fig.4 Compared between day-ahead and real-time market of unit U155a

在日前市场，机组确定发电计划，并提供一定量的旋转备用。由于实际的负荷波动（情况a）或出现突然的设备故障（情况b），在实时市场中将有一部分旋转备用加入发电计划，获得备用的能量收入。

按照PJM电力市场的结算方法，发电商在日前市场按日前市场价格获得能量与备用收入，对于在实时市场的调整部分，按照实时电价结算，这部分就是备用的能量收入。表2给出了U155a的结算收入。

在机组运行时，提供备用容量几乎是不需要成本的，但仍能得到备用容量收入，而且实时调整出力时，这部分备用容量还有可能被调度，得到能量收入。当然，在一般情况下，由于实时负荷的波动同预测相比有正有负，机组有可能增加出力，也有可能减少出力，因此在实时市场得到的收入有限（有时甚至为负）。但当系统出现大的波动时（如实时b），备用容量将大量投入发电计划，获得发电收入。

表2 U155a的结算收入Tab.2 Settlement revenue of Unit U155a

因此，对于发电企业来说，备用市场虽然绝对收入较少，但利润是相当惊人的。对于备用市场的竞标，也应得到足够的重视。

4 结论

本文讨论了在新的电力市场环境下，电力系统的安全性问题。引入了辅助服务市场后，系统中的各种安全服务成为了有偿服务，系统的安全性和经济性被统一考虑。本文着重介绍了辅助服务中的容量备用市场，及其容量确定和服务定价。由于备用市场和电能市场的相关性，备用市场的定价和调度应该与电能市场一起进行，利用拉格朗日松弛算法和实时电价理论，对备用服务进行分配和定价。

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Pricing and Determination of the Reserved Capacity in Power Market

CHAI Ai-jun1，WU Jiang2

（1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province,China）

With focus on the reserve market in the ancillary service,this paper analyzes the existing determination method for the reserved capacity,and presents a spot pricing method which is based on the purchase cost minimization model to determine the price and allocation of the reserve service.Finally,verification by an IEEE-10unit case shows the effectiveness and efficiency of the method.

electricity market;reserved capacity;spot pricing theory;Lagrange relaxation

选取辅助服务中的备用市场为研究对象，分析了现有的备用容量确定方法，并以电能和容量总购买成本最小为目标，以实时电价理论为基础，确定备用服务的价格和分配。最后通过IEEE-10机组算例说明了该方法的有效性。

电力市场；备用容量；实时电价理论；拉格朗日松弛法

1674-3814（2011）12-0072-07

TM 715

A

2011-10-26。

柴爱军（1972—），男，硕士，从事电力市场建设及监管研究。

（编辑 冯露）