以需求侧平衡资源为基础的实时市场设计示范项目——欧盟智能生态电网（Ecogrid EU）项目介绍

丁一

（浙江大学 电气工程学院，杭州　310027）

◆本刊专稿◆

以需求侧平衡资源为基础的实时市场设计示范项目
——欧盟智能生态电网（Ecogrid EU）项目介绍

丁一

（浙江大学 电气工程学院，杭州310027）

1　项目背景

全球变暖以及能源供应安全是欧洲以及国际社会、各国政府现在所面临的两项重大挑战。在未来的能源网络中，可再生能源（如：风电、光伏发电等）的使用能够在一定程度上提高能源供应的安全，并能够缓解传统能源消耗对环境所造成的负面影响「1-2」。然而，与传统发电相比，可再生能源发电有其固有的特点，随着天气的变化，其电量供应会呈现出较大的波动性与不可控性。所以高渗透率的可再生能源发电对电网的需求供应平衡提出了巨大挑战，这有可能形成可再生能源发电有效利用的瓶颈。

可再生能源发电已在欧洲的许多地区扮演了不可或缺的角色。在丹麦，30%的能源消耗来自于可再生能源发电，而其中2/3的能源来自于风力发电「3」。到2020年，丹麦的可再生能源发电量将至少占据总电量消耗中35%的比例，而这部分可再生能源中，有一半的电力供应将由风力发电实现「4」。在一年中很多时候，丹麦的风力发电已经超过了其负荷需求，而且随着时间的推移，这种现象将会更加普遍，从而增加了平衡资源（balancing resources）的需求。目前，跨国的北欧和欧洲大陆的互联系统提供了系统中所需的大部分平衡资源「5」。在不久的将来，随着更大规模可再生能源电源的规模接入，这些平衡资源的竞争将会愈加激烈，同时预计这些平衡资源的成本将会有所上升。

在传统的集中性电力市场中，电力需求往往是被动且不可控的，对电力系统的运营也没有积极的促进作用。随着智能电网技术的发展，在不久的将来需求侧的地位将会发生根本性的转变。随着通信系统和智能电能表的广泛应用，使得用户需求可以对市场信号做出积极响应，其与系统运行互相作用、参与系统平衡成为可能。这种情况下，位于配电网侧的中小用户能够提供巨大的需求响应资源，用以协助具有高渗透率可再生能源电力系统的平衡，从而彻底改变了电力系统的规划、发展和运行方式「5」。

在现有的电力市场设计中，中小用户面临着提供平衡服务的屏障。确保采用尽可能经济高效的电力系统平衡方式是将这些中小用户引入市场的前提。欧盟智能生态电网（Ecogrid EU）项目是欧盟第七框架计划（FP7）大型智能电网试点项目。此项目旨在利用先进的柔性负荷和智能电网技术实时平衡电网内电源与负荷，保证高渗透率可再生能源接入的电力系统的安全、稳定、可靠运行。该项目囊括了来自10个国家的16个合作伙伴，项目总预算超过2 000万欧元，被誉为未来欧洲智能电网发展的典范。Ecogrid EU项目的聚焦点在于其允许小容量的分布式电源和终端用户参与到电力市场和系统的运行中。与现有的电力报价市场相反，Ecogrid EU市场是一个无报价的实时市场（bidless real time market），实时市场运营商设定5 min间隔的实时电价（电网公司根据系统运行状态确定），而小容量分布式电源、终端用户将会根据接收到的实时电价而做出提供平衡资源的响应。

为了让Ecogrid EU的方案能够广泛的应用，其市场概念项目将会应用在现有的电力交易所和管制的电力市场中。此市场概念项目和Ecogrid EU项目的示范地点位于丹麦的博恩霍姆（Bornholm）岛，这是该实时电力市场在北欧电力市场中的首次运作。

2　Ecogrid EU市场概念

Ecogrid EU项目构建了一个把中小用户、分布式电源并入已存在的电力市场、平衡措施、电力系统运行过程的新电力市场概念。该市场消除了分布式电源和中小用户进入目前电力市场所面临的结构问题，诸如：规模性的电力需求（如：北欧调节市场10 MW的最小报价量）、线上监测、运行管理负担（市场报价、遵循发电计划、债务承担）等。Ecogrid EU实时电力市场倾向于更短的时间间隔（如：5 min），这能更好的与系统的实时运行相匹配，与此同时，也能给市场参与者带来获得经济利润的可能。图1「6」描述了Ecogrid EU如何与现有的电力市场相融合。

图1中，现有的电力市场可根据时间间隔的不同细分为：日前市场、日内市场、调节市场、实时市场等，随着时间间隔越来越短，系统的波动性越强。Ecogrid EU实时电力市场是当前电力市场的一部分，其支持在较短的时间范围内提供系统所需的平衡服务。

图1　不同时间段所对应的电力市场

2.1Ecogrid EU市场设计

Ecogrid EU实时电力市场的架构如图2「6」所示。

图2　Ecogrid EU实时电力市场架构

图2中，由于在输电/配电系统中出现了阻塞或者发电和负荷间出现了不平衡，此时需要进行相应的发电控制。实时电力市场运营商（如：输电系统运营商，TSO）以此不平衡需求为基础来制定实时电价。市场参与者能够接受到实时电力市场运营商发布的实时电价，并据此进行响应。当输电阻塞不存在或者发电和用电相平衡时，实时电价将等于日前电价，实时运行按照日前计划进行。市场参与者将根据实时电价信号来调整自己的发电量与用电量，从而与电力调节市场（regulating power market）中的大机组一起来维持电力系统的平衡。输电系统运营商能够监视市场参与者的行为，从而确保实现供应、需求的平衡。

Ecogrid EU的市场设计中主要包含4部分。

（1）无电力报价的市场

当前电力市场中提交发电计划和报价的方式将不会决定Ecogrid EU市场的实时电价。根据所提的市场概念，分布式电源发电和智能用户不需要决定其自身的电力报价，而只需要对实时电价信号作出相应响应即可，从而将其交易成本最小化。值得注意的是，分布式电源发电用户的发电计划对正常运营的平衡负责机构（BRP）没有干扰，正常运营的平衡负责机构仍然会向市场（如：日前市场）提交自身的电力报价。本文所提的电力市场概念不同于其他智能电网解决方案。在其他的智能电网解决方案中，代理商提供电力报价参与竞价，从而可以得到相应的电力均衡价格。

（2）电价由实时电力市场运营商制定

如上所述，Ecogrid EU实时电力市场的一个主要特点为其电力价格不是由供需双方的行为（供应曲线和需求曲线的交叉点）共同决定，因此市场参与者也没有必要向市场提交电力报价，取而代之的是，电力价格由独立的实时市场运营商制定，并将其在有效的时间段前预先公布，这与真实的实时市场定义相一致，为了确保与电力调节市场密切配合，输电系统运营商将会扮演实时市场运营商的角色「7」。

为了提供必要的平衡服务，输电系统运营商需要协调电力调节市场与新的实时电力市场。用户可以在实时电力市场或者零售商处获得实时电价。从长远来看，相比于实时电力市场给出的平均价格，零售商给出的实时电价的平均值应当更具吸引力，否则，零售商（retailer）将会失去一些用户。

（3）5 min的时间分辨率

Ecogrid EU实时电力市场中，价格信号每5 min更新一次，若更新时间间隔设置太短，虽然在响应时间方面将会有很高的效率，但同时会增加系统数据处理的复杂性。将电价自动更新的时间分辨率设置为5 min，这样设置能够在响应系统平衡的快速性与市场结算过程中的计算负担上做出较好的均衡。而且，为了测量每一个市场时间间隔所对应生产与消耗的电量，实时电价信号的时间间隔须和智能电能表的时间间隔相匹配。

（4）区间定价

实时电力市场的定价也可以基于输电和配电侧的区间定价，这将反映出电网容量的波动并可作为控制电网风险的一种方式，如：电网阻塞之后随之而来的电力消耗增加等。

随着欧洲电力市场的发展，分离电力系统中的竞争部分和垄断部分显得非常重要「8」。对用户而言，区间定价被分为2部分：能源价格和过网费，这种方式已在北欧电力系统中得以实施，而Ecogrid EU市场电价是理论上的市场价格。

2.2零售商的职责

Ecogrid EU市场一个重要的特征是，其发布的价格是系统运营商与平衡负责机构间的最后成交价，其发布的时间应早于其开始生效的时间，而平常的结算电价则是通过之后的计算获得。

平衡负责机构主要通过以下3种方式影响发电与用电。

（1）BRP能够将实时电价以及预测或者其它相关的信息转发给智能用户，用户将根据所接收到的电价、预测信息来优化发用电的控制策略，然后用户将以此电价进行交易，由价格来引导设备的控制，包括手动控制和自动控制设备。

（2）BRP可以通过基于市场的控制来影响自动控制装置。根据电价来优化发用电控制策略仍然由用户来实现，然而，控制系统需提前以弹性电力报价的形式将其设备的状态传输给BPR系统。BRP能够通过电力报价信息来确定可进行的响应，并对用电组合进行优化，这保证了自动控制设备参与市场的同时，将部分电价风险转移到BRP。

（3）BRP能够对计量表后的设备进行远程的直接控制（direct control）。根据价格来优化发用电的控制策略可以集中进行，并可将用电组合优化。此时，用户将实时电价的风险转移给BRP。

来自市场的价格信号包括实时电价以及相应的预测，BRP或者电力供应商允许终端用户通过电力批发价格或者其他定价概念来进行结算，BRP与市场通过实时电价进行结算。

2.3与电力调节市场的相互作用

Ecogrid EU市场概念当中，当前的电力调节市场需要维持尽可能小的变动，理由如下。

第一，当前的电力调节市场在提供平衡资源方面起到了不可或缺的作用。现有的电力市场能够向输电运营商提供较大量的电力需求，而这种需求在实时市场中却可能难以在短时间内满足；第二，拥有较大爬坡率的大型发电机组，如：水力发电机组，在现有的电力调节市场中起着不可或缺的作用。

实时电力市场可以通过聚集大量分布式能源和弹性电力需求用户对系统提供平衡服务，其对电力调节市场（拥有较大容量的发电机组）做出了相应的补充。图3对实时市场和现有电力调节市场的相互作用进行了说明。

图3中，在上午9：00时，输电运营商（TSO）没有平衡服务需求，此时发布给产消者（prosumer）的实时电价信息与这个时段现货市场上的电价相一致。在上午9：02，输电运营商需要（P1+P2）的额外电力，此时，TSO立即向在调节市场的中标机组发出指令，其将在15 min后获得P1的电力需求（根据3次调节的规约要求，15 min的反应时间），实时电价将会发送给接下来5 min（9：05～9：10）间隔中的产消者（prosumer），以从实时电力市场中获得P2的电力需求。

图3　实时市场和现有电力调节市场的相互作用

在电力调节市场中，每个阶段的电力成交价等于这个时段给出的最低/最高电力报价的边际成本。为了维持调节市场中的大型发电机组出力，调节市场的电价应当比实时市场电价更具有吸引力。如果在1 h内波动的边际电价高于或者低于此时段的实时电力市场电价，那么维持电力调节市场中的大型发电机组出力将可行。当系统不平衡出现时，如果实时电价超过了电力调节市场中未被接受的电力报价时，电力调节市场中相应的电力报价将会被接受。在这种方式下，电力调节市场上采用边际电价的基本原则得以维持，而且发电商能够获得比参与实时电力市场时更丰厚的效益。

这意味着，通过参与到电力调节市场中，市场参与者将自己置于实时电力市场之外，否则他们将在电力调节市场和实时电力市场之间进行价格套利：在上升的电力调节市场中，市场参与者通过在实时电力市场购买电能，并将之置于电力调节市场售卖；在下降的电力调节市场中，市场参与者通过在电力调节市场购买电能，并将之置于实时电力市场售卖。显而易见，在此过程中没有出现真正的电能的生产与消耗，这导致电力调节市场丧失了其作为平衡工具的作用。

实际上，这样的问题会在一定程度上被输电系统运营商所缓解，输电系统运营商会将这些没有在调节市场上履行自己所接受电力报价的市场参与者排除在实时电力市场之外。为了完全阻止2个市场中的价格套利情况的出现，必须建立相应的市场规则以确保市场参与者只能参与其中的一个市场。详细的市场规则可定义为：只有小的产消者（如：容量低于10 MW）才能够参与到实时市场，而大机组仍然在电力调节市场交易。

3　Ecogrid EU项目示范工程

Ecogrid EU项目在丹麦Bornholm岛上所建的示范工程被视为欧洲第一个以电力市场为基础的未来智能电网展示项目「9」。Bornholm岛最大负荷为55 MW，最小负荷为16 MW，具有非常高的可再生能源渗透率，通过60 kV海缆经由瑞典与北欧电网相连，并隶属北欧电力市场。岛上主要电源包括37 MW热电联产机组，39 MW柴油机组，37 MW燃油蒸汽发电机组。岛上清洁能源丰富，包括30 MW风力发电机组，2 MW沼气发电机组。在未来的一段时间里，可再生能源的总量以及诸如光伏发电、微型热电联产、燃料电池、蓄热等能量储存装置将会在示范的智能电网中得以建立。示范工程总共涉及2 000个用户，其中1 800～1 900户为居民用户，100～200户为商业、工业以及公共用户。

示范工程将分为3步逐步实施：第一，证明有关分布式电源平衡服务中的核心概念；第二，增加电力监管以及企业管理技术，使配电系统的运营情况自动化；第三，完成区间定价以缓解电力阻塞。

4　结束语

未来的电力系统中将会接入大量的可再生能源，这给系统的运行和控制带来了巨大的挑战，已存在的电力基础设施需要给予更新和加固以应对可在生能源消耗过程中产生的电网波动问题。Ecogrid EU项目以基于市场的运作模式，让小规模的分布式电源、电力终端用户参与到已存在的电力市场中。Ecogrid EU电力市场是一个没有发电用户进行电力报价的市场，在此市场中，分布式电源、终端用户接收并对通过提供平衡资源而对5 min实时电价做出响应。该项目位于丹麦的Bornholm岛上，Bornholm岛上可再生能源较为多样且可再生能源渗透率较高，有2 000户居民将参与到该示范项目中，以测试该市场化解决方案的可行性与稳健性。D

作者按：

作者是Ecogrid EU项目的基本架构设计负责人。本文以在欧洲智能电网会议（ISGT 2012）发表的文献「6」《Ecogrid EU-A Large Scale Smart Grids Demonstration of Real Time Market-based Integration of Numerous Small DER and DR》为基础，主要目的是介绍欧盟智能电网和电力市场的最新发展，希望能为我国智能电网的发展起到抛砖引玉的作用。

「1」 CommunicationfromthecommissiontotheEuropean Parliament，the Council，the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions，Smart Grids:from innovation to deployment，Brussels，2011.

「2」 Communication from the commission to the European Parliament and the Council，Renewable Energy:Progressing towardsthe2020target，CommissionStaffWorkingDocument，Brussels，2011.

「3」Stamdataregister for vindmller，http://www.ens.dk/da-DK/ Info/TalOgKort/Statistik_og_noegletal/Oversigt_over_energisektoren/Stamdataregister_vindmoeller/Sider/forside.aspx.

「4」The Danish Energy Authority，"Danish climate and energy policy"，available at http://www.ens.dk/en-US/policy/danishclimate-and-energypolicy/Sider/danish-climate-and-energypolicy.aspx.

「5」J.M.J rgensen，S.H.S rensen，K.Behnke.EcoGrid EU-A prototype for European Smart Grids，IEEE Power and Energy Society General Meeting，July 2011.

「6」Yi Ding，Nyeng P，Osteraard J，et al.Ecogrid EU-A Large Scale Smart Grids Demonstration of Real Time Marketbased Integration of Numerous Small DER and DR「C」// Innovative Smart Grid Technologies（ISGT Europe），2012 3rd IEEE PES International Conference and Exhibition on，Berlin，2012.

「7」F.L.Alvarado.Controlling power systems with price signals，Decision Support Systems，Vol.40，2005，pp.495-504.

「8」European Parliament&Council:Directive 2003/54/ECInternalMarketinElectricityDirective，June2003，available at:http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do？uri=CELEX:32003L0054:en:NOT.

「9」J.stergaard，J.Eli Nielsen.The Bornholm Power System-An overview，available at http://www.dtu.dk/sites/powerlabdk/English.aspx.

（本栏责任编辑徐文红）

Real-time market design demonstraition project based on demand side resources equilibrium--Ecogrid EU project

DING Yi
（College of Electrial Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

欧盟智能生态电网项目以电力需求侧平衡资源为基础，对实时电力市场进行了设计。阐述了欧盟智能生态电网电力市场的概念和市场框架，其允许小容量的分布式能源和终端用户参与到已有的电力市场中，从而让输电系统运营商能够提供额外的平衡资源以及辅助服务。该项目示范工程建立在丹麦的博恩霍姆（Bornholm）岛，约2 000用户将装设智能控制设备以及智能电能表以对实时电价信号作出响应。

实时电力市场；智能电网；需求响应；分布式能源

This paper provides an overview of Ecogrid EU project，which is a large scale smart grids demonstration of realtime market-based integration of numerous small DERs（Distributed energy resources）and DR（Demand response）.The concept and structure of the real-time market，where DERs and end-consumers receive and react on real-time electricity prices，are proposed.It will offer the TSO（transmission system operator）additional balancing resources and ancillary services.The project will demonstrated on Bornholm and about 2 000 participating residential customers will be equipped with demand response devices with smart controllers and smart meters，allowing them to respond to real-time prices.

real-time market；smart grid；demand response；distributed energy resources

F416.61；TK019

E

2015-04-23

丁一（1978），男，江苏无锡人，博士，教授，博士生导师，中组部“青年千人计划”入选者，先后在新加坡南洋理工大学、加拿大Alberta大学、丹麦科技大学学习或从事教学研究，曾任丹麦科技大学副教授。研究领域包括基于风电系统分析和规划、智能电网、复杂多状态工程系统可靠性理论及应用、电力系统规划与可靠性评估和电力经济等。主要科研项目有：欧盟智能电网试点项目Ecogrid EU，此设计被誉为欧洲未来欧洲智能电网发展的典范，入围国际著名的可持续发展奖项Sustainia Award；基于可再生能源的欧洲下一代大规模电网示范项目——Best Paths等。发表学术论文70余篇，出版专著1部（2010年由Springer出版。）