PJM备用体系及其对广东电力市场的启示

张子泳

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广州 510000)

0 前言

美国PJM是的一家独立调度中心，负责以宾夕法尼亚、新泽西和马里兰三个州为核心区域的电网调度和电力交易管理，是世界上规模最大的电力现货市场之一。PJM电力市场通过竞标方式，通过市场出清机制获取系统备用，PJM电力市场中与系统备用相关的组成，包括：容量市场、运行备用市场、调节备用市场、旋转备用市场[1-3]。

容量市场采用可靠性价格模型（Reliability Price Model，RPM）进行交易；它要求所有供电企业通过RPM交易认购所需的容量资源或者选择参与固定容量需求机制认购相应容量，PJM 容量市场以前者为主。PJM根据RPM交易结算的要求设置了运行备用市场，该市场用于满足系统30分钟辅助备用的要求，它采用市场机制使得发电商能够按照市场出清价提供其备用容量，如果在运行备用市场中无法获得充足的备用，PJM将安排额外的运行备用容量。调节备用市场的作用是提供足够自动调节机组的出力来满足负荷瞬时变化的需求，参与机组必须具备快速响应能力（小于5分钟），在调节的过程中不考虑经济因素；负荷响应也可以参与调节备用。旋转备用市场主要用于修正较长期的负荷和发电量之间的偏差，参与旋转备用的机组或负荷必须具备10分钟以内响应的能力，旋转备用分为T1和T2两类，T1类机组备用容量具有优先权，只有T2类机组需要参加旋转备用市场的竞价。参与运行备用市场的机组可以同时参与旋转备用市场或者调节备用市场，相应的备用收费可以累计，但是一台机组不能在调节备用市场和旋转备用市场同时中标[4-7]。

1 PJM备用体系

1.1 备用分类及介绍

PJM备用体系中各类备用相互重叠或者包含，具体可以分为以下几个部分[8]：

1）旋转备用（同步备用）：并网运行机组，在10 min内能够即刻增加的最大容量或可以限制的负荷。

2）快速启动备用：离网运行机组，在10 min内能够根据调度指令立即启动并网并且带上相应容量负荷，如蓄能机组、水电机组、燃气机组、柴油机组。

3）一次备用（紧急备用）：具备与电网同步运行能力或处于备用状态且能在10 min或更短时间内投运，包括了同步备用（旋转备用）和快速启动备用。所有10 min内可以获得的备用。

4）二次备用（辅助备用）：与电网处于同步运行状态或处于备用状态，并且可在10-30 min内响应调度指令的机组备用容量和可切除的负荷容量。

5）运行备用：包括了一次备用和二次备用，所有30 min内可以获得的出力或可切除的负荷容量，包括并网运行机组和离网运行机组。

这里旋转备用又被分为两类，包括T1类旋转备用和T2类旋转备用。T1类旋转备用是指服从经济调度的主能量市场边际机组和部分动态负荷，能够增加出力以提供备用，T1类旋转备用可由在日前备用市场中标且满足10分钟以内响应指令要求的机组提供；T2类旋转备是指用于电网同步、可调相运行的机组（燃气机组、水电机组）以及愿意偏离经济运行点运行的机组，旋转备用市场用于确定参与T2类旋转备用的机组。

1.2 备用容量的计算方法

PJM运行备用需求是依据事故发生的概率决定的，与预期的负荷预测偏差及机组组合情况相关。PJM开发了一套专门的计算程序来评估实时运行风险（尤其是系统停运概率）和计算确定给定风险水平下的备用目标。运行备用总和等于预测的运行日最大负荷的10%。运行备用需求是依据事故发生的概率决定的，与日前的负荷预测偏差和机组组合情况相关。根据机组被迫停运的概率来确定一次备用，旋转备用等于单台装机容量最大的发电机输出功率并且不小于700 MW。运行总容量或能在规定时间内投运的总容量，足以满足任一天的负荷容量需求并能提供恰当的备用容量。同时，考虑到负荷预测偏差、发输变电设备非计划停运或故障、每天各时段和每年各季节的不同负荷水平等因素，PJM协议还规定了日运行备用容量的要求[9-10]。

PJM划分为两个同步备用区域，包括RFC同步备用区和SERC同步备用区，两个区域每小时计算一次系统各类备用需求。下面详细介绍各类备用的计算原则和方法。

1）运行备用：RFC区域运行备用等于运行备用比例值乘以运行日最大负荷的预测值，运行备用比例值取日负荷预测偏差率与强迫停机率之和；SERC区域中的Do minion分区根据其在VACAR系统中的负荷比例承担相应份额的运行备用。

2）一次备用：RFC区域中的Mid-Atlantic分区为了确保向其东部区域供电，将一次备用设置为传输断面极限值1 700 MW，其他几个分区则将一次备用设为最大机组容量值的150%。SERC区域中的Do minion分区在2005年并入PJM，之前属于VACAR系统，仍然根据其在VACAR系统中的负荷比例承担相应份额的一次备用。

3）旋转备用：RFC区域中的所有分区（包括Mid-Atlantic分区）都将旋转备用设为最大机组容量值。SERC区域中的Do minion分区根据其在VACAR系统中的负荷比例承担相应的旋转备用份额。整个PJM系统的旋转备用为各分区旋转备用之和。

4）调节备用：在负荷高峰期时调节备用为日负荷高峰预测值的1%；在非负荷高峰期时调节备用为日负荷低谷预测值的1%。

1.3 备用容量的分配

PJM依据尖峰负荷水平的统计结果，将运行备用需求按照备用分摊协议（Reserve sharing agreement，RSA）分摊给各系统内部成员，分摊比例可进行季节性的调整。RSA备用需求分摊反映了PJM各成员的多样性、PJM依靠大电网备用资源实现安全运行的能力和从相邻控制区域获取紧急备用的输入容量。PJM根据备用市场的中标结果分配备用，在中标时段中标机组有义务提供起中标的备用量，否则将需承担相应的后果。

2 PJM备用市场机制

2.1 备用的调用原则

PJM主能量市场分为日前市场和实时市场，主能量市场的结算是这两个市场的综合。只要满足PJM技术要求，发电机组可以同时参与主能量市场与辅助服务市场，但不能同时提供调节备用和旋转备用，以保证备用的专用性且便于结算。对于同时参与主能量市场与辅助服务市场的机组，按各自市场的结算规则结算。

对于调节备用，PJM根据每个机组的竞价和机会成本（因提供辅助服务而不能在主能量市场中标所造成的损失）为其确定排序价格，所有可用的调节备用按价格递增的顺序排列，在能量市场已经确定的前提下，PJM将选择符合旋转备用和调节备用要求且总代价最小的一组机组参与调节备用，并将该组中代价最高的机组价格作为调节备用出清价，所有参与调节备用的电源均按照调节备用出清价进行结算。

对于T1类旋转备用，PJM将根据经济调度调节其出力。对于T2类旋转备用，PJM将采用与调节备用类似的处理方式选出参与机组和调节备用出清价；所有旋转备用（T1类和T2类）均按照调节备用出清价进行结算。

为了系统的可靠性，要求相关机组提供运行备用，发电机组按日参与投标，投标过程中应提供启动成本、空载运行成本和发电阻塞区间，同时还应提交调频服务价格。PJM基于这些投标信息和发电机组爬坡速率、发电自计划和用电负荷等信息，并且考虑系统可靠性和输电断面约束等因素的影响，按照经济运行原则进行系统备用的调用。

2.2 备用市场出清和结算

PJM根据不同的备用区域分成四个不同的旋转备用市场，每个旋转备用市场具有统一的备用出清价。PJM旋转备用市场出清是在调频备用和旋转备用之间的联合优化，每小时出清一次；目标是使能量、调频备用和旋转备用的总成本最小。

PJM 在备用结算模式上比较特别，针对不同的备用机组资源采用不同的结算方法，对第一类备用机组（T1 机组）采用实际调用电量费用结算模式，对第二类备用机组（T2机组）则采用支付备用容量费用模式[10]。

2.3 备用计量和考核监管

美国PJM电力市场备用服务获取的最大特点是不指定机组作为备用，而是规定每个供电企业必须承担备用义务，义务量根据其负荷的比率来确定。供电企业完成备用义务的方法可以是自己拥有提供备用的机组，也可以是签订双边合同或者从PJM备用市场购买备用。备用需求加上合理的补偿方法，形成了PJM备用市场的供需杠杆。各控制区域独立计算其所需备用容量，而机组按其电气位置参加相应控制区域的备用市场。各区域备用交易均通过PJM提供的网络交易平台(eMKT)集中进行，机组的各种信息通过eMKT上报到PJM，而PJM各种调度信息等也通过eMKT公布。PJM备用的结算周期为1h，每天分为24个运行小时，备用的计算和获取按小时为单位操作。

3 广东备用辅助服务市场建设

3.1 广东现有的备用管理体制

目前，对广东电网运行备用具有管理效力的主要有三个文件：《电网运行导则》、《广东电网电力调度管理规程》（下称“调规”）、《南方电网运行备用监控管理业务指导书》（下称“备用业务指导书”）。这三个文件基本是从图1所示的四种备用体系中选取部分利用在方式安排和调度监控中，具体如下：

图1 广东电网现有备用管理体系

现有的备用管理体制是长期运行经验的总结，保障了广东电网的安全、可靠、稳定运行，但是在未来市场环境下考虑，存在两大主要问题有：

1）负荷备用、事故备用的比例都是人为规定且为固定值，比例设置相对保守；

2）发电机组提供备用辅助服务的补偿办法根据“两个细则”进行，而不是采取市场竞价的方法，无法获得最大的社会效益。

3.2 广东备用辅助服务建设的关键问题

广东电力辅助服务市场建设既要与主能量市场建设相协调，又不依赖主能量市场建设[11-12]。以调频辅助服务市场和备用辅助服务市场的建设为突破口，通过市场竞争获得低成本辅助服务，按照“谁受益谁付费”的原则由市场主体分摊辅助服务成本。

1）备用市场模式：关键在于备用市场与主能量市场的解耦。建立了单独的备用辅助服务市场，在主能量市场出清后，再进行旋转备用的竞价，实现与主能量市场的解耦。

2）备用容量和比例的确定：备用容量和比例选择越大，电网的可靠性就越高，但是用户支付的备用成本也越高，备用辅助服务市场的重要内容就是确定的备用容量需求。目前的备用容量是按照全网统调负荷的一定比例或者按电网中最大功率缺额确定。这种方法虽然可以保证电网的可靠性，但是难以兼顾电力市场的经济性。电力市场化改革以后，备用容量和比例应该根据系统可靠性方法和社会效益最大化的原则进行计算，也就是同时考虑可靠性约束和市场用户购买备用的费用最小化两个方面的问题

3）备用辅助服务的分类。结合我国的现有备用管理的经验和公平公正的原则，建议将备用辅助服务划分为基本辅助服务和有偿辅助服务。基本辅助服务应该包括负荷备用（用于平衡系统负荷的随机波动），要求所有机组都应该有义务提供。其他备用则可以考虑通过市场机制进行购买服务。

4）备用辅助服务应提前考虑新能源和分布式电源的影响。未来广东地区的风电、光伏发电和分布式电源占比将不断增加，这些新型电源的出力的随机性对于系统可靠性和负荷预测的偏差存在重大影响。国外部分国家辅助服务市场建设中没有考虑风电接入引发的辅助服务成本，这部分成本主要通过用户承担，为了体现市场的公平性和安全性应当提前考虑适当的市场机制以激励新型能源更好地接入电力系统。

4 结束语

系统备用是维护电网安全稳定运行，保证广东电网安全、优质经济运行必不可少的技术手段。一方面应当预留有足够的备用，以应对负荷波动、直流双极闭锁故障、大容量发电设备随机停运等突发情况；另一方面备用容量预留过多，会造成发电设备利用率低甚至供应紧张的情况，影响系统运行的经济性。因此，未来建设广东备用辅助服务市场还需要重点做好包括确定现货市场体制下备用体系的改进论证、备用辅助服务市场基础规则制定、备用需求模型研发和备用市场出清模型研发等几个方面的工作。