南方区域电力市场环境下的调度业务流程体系设计
2020-03-12楼楠杨林何越吴问足李慧勇赵燃汪洋龚昭宇
楼楠,杨林,何越,吴问足 ,李慧勇,赵燃,汪洋,龚昭宇
(1.中国南方电网电力调度控制中心,广东 广州 510623;2.北京清能互联科技有限公司,北京 100080)
国务院9号文[1]拉开了电力体制改革的序幕,随后各省纷纷开始建设电力市场,如广东省已经建成了以中长期交易为主的电力市场。2017年8月发布的《开展电力现货市场建设试点工作通知》[2]中选择了南方(以广东起步)作为第一批现货试点。目前广东电力现货市场已进入模拟运行阶段,将进行结算试运行,在广东起步后,南方区域各省将逐步建成现货市场,最后实现南方区域统一电力市场。
无论在计划模式下还是市场环境中,调度都是电网安全稳定运行的核心,市场环境中的调度业务和市场运转紧密结合。市场环境下的调度业务不同于传统的以电网安全为调度核心的业务模式[3],还要同时兼顾市场运转和市场公平。且在现货市场环境下,调度发电计划的制订、修改主要是在日前市场和日内优化2个阶段通过相应的安全约束机组组合(security constraint unit commitment,SCUC)或安全约束经济调度(security constraint economic dispatch,SCED)算法来实现自动优化;电力系统的实时平衡则通过实时市场阶段的滚动优化来实现[4],传统的调度业务管理模式无法直接适用[5]。调度业务的转变和新增也使得调度机构需要调整原有的值班岗位设置和明确相应的岗位职责,通过科学合理地增设岗位和人员来应对全新的市场化调度需求。
国外成熟电力市场调度机构在逐步发展中实现了调度业务模式的市场化,并通过完善的调度业务流程体系来降低调度工作给电力市场开展带来的潜在风险。文献[6]是美国加州电力市场调度机构开展市场化调度业务的标准化操作流程(tandard operating procedure,SOP)手册,其详细地阐述了加州市场各项调度业务的开展细节和步骤,包括操作的时间节点、人员职责和操作规范等;文献[7]剖析了美国和英国等成熟电力市场中基于市场机制的发电计划编制模式与方法,为调度进行发电计划编制业务总结了经验;文献[8-9]介绍了英国国家电网调度机构如何通过实时平衡机制对电网进行实时运行管理,和其他开展实时市场的成熟电力市场呈现出不同的实时调度运行业务模式;文献[10]阐述了北欧的输电运营联盟和各国输电系统运营商的两级调度机构在市场中的协作模式,为南方区域两级调度的市场化运作提供了参考。
国内绝大部分地区仍处于市场建设阶段,缺少区域电力市场模式下的调度业务经验。文献[11-12]揭示了广东起步电力现货市场机制设计和现货模拟运行的情况,广东作为领先全国的试点区域,在电力现货市场建设和市场试运行阶段积累了丰富且适应实际的市场化调度经验,从业务建设和机构及人员设置对南方区域电力市场建设都有着可靠的实践意义;文献[13]分析了建设区域电力现货市场的必要性,规划了南方区域电力现货市场的基本发展路径,为未来市场规划建设提供了思路建议。
国外成熟电力市场的经验对于南方区域统一电力市场环境下的调度业务和值班模式设置有一定的参考意义,但国外电力市场的调度机构设置、市场开展方式与我国实际情况存在差异,也没有网、省两级调度的框架。国内大部分电力市场仍处于建设阶段,对未来现货市场建设模式尚在摸索,对市场环境下的调度业务缺乏清晰的认知,也少有关于市场化调度模式研究的相关经验。本文分析南方区域统一电力市场模式的合理性,总结南方区域电力市场的发展路径;在此基础上,结合南方区域市场建设实际并借鉴国外电力市场的可靠经验,分阶段设计区域统一电力市场环境下的调度业务流程体系,为市场化调度提供了完整的业务指南;最后,从未来调度业务开展的实际需求出发,对市场不同发展阶段的值班岗位设置给出合理建议。
1 南方区域电力市场运作模式和发展路径设计
1.1 国外区域电力市场的典型运作模式
目前国内外电力市场的基本运作模式主要有2种:分散式[14]和集中式[15]。分散式市场中,发、用电双方在中长期交易阶段(年前、月前、周前)签订双边物理合同,合同约定的电量需要物理交割;在日前阶段,市场成员可自行安排次日发、用电曲线,调度机构需要尽量保障其发、用电曲线的物理执行。集中式市场中,发、用电双方以中长期差价合约为主,在日前和实时阶段实现全电量集中竞争优化。分散式市场本质上属于自调度、自匹配模式,适用于轻阻塞的简单电网;集中式市场以金融结算的方式提高了电力市场运行的灵活性,并且日前和实时的全电量集中竞争能更好地实现电力资源优化配置。
国外区域电力市场平衡模式也主要有2种:分区平衡和统一平衡。分区平衡的区域市场是多个不同市场的组合,各市场内可以分别使用不同的市场模式和交易品种,以调度配合机制、交易时序分工、数据通信接口规范等措施紧密衔接;分区平衡的区域市场以北欧为代表。统一平衡则是由唯一的区域调度进行统一调度,如美国PJM由多州电网共同组成,但是调度和交易均由PJM调度机构负责[16]。
1.2 南方区域电力市场模式分析和发展路径设计
基于目前南方电网(以下简称“南网”)关于市场发展的战略方针可知,未来南方区域电力市场将采取集中式作为市场的基本运作模式。这主要是由于国内电力市场因自身国情将在未来较长一段时间内仍保持“计划+市场”的发、用电调度,而分散式的“自匹配+自调度”难以配合南方区域电力市场的发展要求。而且,集中式的市场模式能借助南网各省区的资源禀赋,充分发挥电力市场的资源优化配置作用[17]。
南方区域电力市场的建成需要从各省市场分别建成并独立运行的阶段逐渐融合过渡,在过渡阶段,以北欧电力市场为典型的分区平衡模式能实现以省为主体向全网统一转变的目标[18]。在区域统一市场建设的过渡阶段,可采取分区平衡的平衡机制;在区域市场建设的最终阶段,条件成熟的情况下可实现全网统一平衡。综上所述,并结合南网的相关战略方针,南方区域电力市场的发展路径可总结为3个阶段:
a)市场培育阶段:省内优化,省间协同,省级市场规范运作;广东省具备现货市场运行条件或建成现货市场,其他省份筹备现货市场。
b)市场融合阶段(过渡阶段):区域融合,省内优化,实现两级协同运作;开展省间增量现货市场,多省同时开展现货市场,以省为实时平衡主体,实现省间、省内优化的同步运作。
c)市场统一阶段:全网统一平衡,区域集中优化,构建统一市场的集中架构,实现发购电资源全局优化的区域统一日前现货市场,并且实现网级的日内优化和实时平衡。
2 市场环境下新增业务综述
2.1 区域电力市场环境下的新增业务
根据以上所述的南方区域电力市场运作模式,结合目前广东电力市场的调度业务情况,借鉴美国电力市场的相关经验[19-24],总结出在南方区域电力市场环境下新增的市场相关调度业务主要有以下几类:
a)中长期交易相关业务。电力市场中的中长期交易给调度带来的业务主要包括中长期安全校核、中长期电量分解及日前曲线编制等。
b)日前市场相关业务。日前市场是现货市场的核心之一,调度机构通过日前市场确定次日的发电调度计划。在日前阶段,调度机构需要确定日前市场开展的边界条件、负责日前市场的出清等。
c)日内优化相关业务。在电力现货市场的日内运行阶段,调度机构根据最新的负荷预测和电网运行情况对日前市场确定的发电计划实现滚动优化,使发电计划更加符合系统实时运行的需求。部分国外成熟电力市场采用日内市场的方式来开展相应的调整,但日内市场的开设会增加交易和结算的复杂性,缺乏足够的必要性去支撑日内市场的开展;因此,仅将此阶段视为日内调度优化阶段,而非和日前及实时同等的交易阶段。
d)实时市场相关业务。电力现货市场中的实时市场为系统实时平衡提供主要支撑,实时市场按照市场规则在全天滚动出清和优化机组出力,调度机构据此进行实时经济调度。
e)辅助服务市场相关业务。辅助服务市场如调频、备用等市场为系统实时运行提供平衡资源,调度机构需要按照市场规则调用辅助服务来消除发电计划和实际需求之间的负荷偏差。
传统电力调度模式下,在制订发电计划、实时调度,以及调用调频、备用等平衡资源时,主要考虑中长期计划和电网安全;在电力市场环境下,调度业务需要根据各市场规则开展,在保证电网安全的前提下降低发电成本,实现全社会福利最大化。
2.2 新增业务的分配原则
电力市场环境下南网调度运行新增业务的具体分配应当遵循以下原则:
a)相近业务优先分配原则。指的是与之前的调度运行业务相近或处于同一业务领域的新增业务,应优先分配给之前负责该业务的部门或岗位,降低新业务的学习成本。
b)业务流程复杂度最低原则。是指新增业务的分配使业务流程发生的变化尽可能小,复杂性最低,有利于整体调度业务流程的简化。
c)部门间信息交互高效,沟通成本低。新增业务会一定程度上增加信息交互和沟通的需求,应尽量使业务分配能够降低沟通成本,减少业务的跨部门分配。
d)兼容现有技术支持系统。设计的新增业务分配方案需考虑与现有技术支持系统的兼容性,并且能配合后期技术支持系统改造或重建的需求。
3 调度业务流程体系设计
基于南方区域电力市场环境下给调度机构带来的5项新增业务,本文设计了区域统一电力市场阶段网、省两级调度机构的业务流程管理体系。5项业务流程的时序衔接和主要内容如图1所示。
由图1可知,在实时运行点前1 d开展日前市场,在实时运行点前1~4 h开展日内优化调整,在实时运行点前0.5~1 h进行调频市场的出清,在实时运行点前5~15 min进行实时市场的正式出清。市场化调度的业务核心是从日前发电计划的制订到日内阶段对发电计划的优化调整,再到调频资源的确定,最后在准实时的时间节点基于最新的电网运行情况对发电出力计划进行优化,整个过程随着实时运行点的推动而持续滚动,以保障系统平衡和稳定运行。
图1 市场环境下新增业务的时序衔接Fig.1 Timingsequence connection of new operations in power market
a)南方区域电力市场中长期交易相关调度业务流程如图2所示。
图2 中长期交易业务流程Fig.2 Midand long-term trading operating procedure
中长期交易业务主要发生在各电力交易中心,调度机构则主要负责中长期交易的安全校核和电量分解,在日前阶段则需要将中长期交易的日电量再分解为日计划曲线然后参与区域日前市场。这部分业务主要由调度的方式(发电)专业负责。
b)南方区域日前现货市场业务流程如图3所示。
图3 日前市场业务流程Fig.3 Day-ahead market operating procedure
各省中调汇总处理各省计划类信息及中长期物理合同,由总调统一安排日前市场出清边界,然后基于日前SCUC和SCED进行日前市场出清,总调方式专业根据通过安全校核的出清结果编制全网的次日发电调度计划。
c)南方区域日内阶段调度业务流程如图4所示。
图4 日内运行业务流程Fig.4 Intra-day market operating procedure
日内优化是指在实时运行点前1~4 h由值班调度员或其他专业人员协助进行的滚动优化,日内优化是在日前市场的基础上进一步根据最新负荷预测、电网运行状况以及各类电网非计划事件等对未来时段发电计划进行调整。因距离实时运行点较近,在日内阶段调整的机组多为响应速度较快的燃气机组等。图4中的省间送/受电调整或省间现货优化步骤取决于南方区域是否开展跨区、跨省增量现货市场,如开展省间现货市场,则此步骤按照省间现货市场日内阶段的要求进行省间优化。
d)南方区域实时运行调度业务流程如图5所示。
一般实时市场出清时间节点为实时运行点前 5~15 min,实时市场在全天实现24 h的滚动优化出清,出清结果将通过操作控制系统自动下发。实时运行阶段调度机构需要及时处理各类非计划事件(如检修延期、非计划停运、机组出力限制等),以及电网安全事件(如线路跳闸、设备过载或故障等)。实时阶段调度员需要及时就以上情况作出调度处置,并尽快将由此导致的实时优化边界信息变更反映到实时优化算法系统中,保证实时经济调度能及时跟上电网运行情况的变化。
图5 实时市场业务流程Fig.5 Real-time market operating procedure
e)南方区域调度调频业务流程如图6所示。
图6 调频市场业务流程Fig.6 Regulation market operating procedure
南网总调在日前统一安排全网一、二次调频运行模式,参数和调频备用容量要求等信息,开展调频市场,组织市场主体申报。在日前阶段,调频市场和日前市场联合出清,从而实现调频市场的预出清。是否进行调频的预出清和联合优化取决于市场规则的要求。
在实时运行点前1 h(或设定时间T)之前,调度中心需进行调频市场的正式出清,确定调频机组调用序列,调频市场的正式出清将全天滚动进行。在基于负荷和电网运行情况预计系统实时偏差会较大的情况下,调度员可根据系统平衡需要对调频市场进行临时出清,调整调频机组组合。对于同一实时运行点,调频市场出清在实时市场出清之前,调频市场确定相应的调频机组序列,而实时市场根据最新的超短期负荷预测和电网运行情况变化对包括调频出清序列内的机组进行优化。调频机组在实时市场出清时,是基于调频正式出清中标量调整机组可调出力上下限,再进行一定程度的能量优化;但在实时运行点,调频机组是根据自动发电控制和调频参数要求对实际负荷自动进行跟踪出力。因调频机组的特殊作用,调频机组因调频导致的实时调度偏差是不应进行考核的。具体的调频机组管理由后续的市场规则和调频管理要求决定。
4 市场环境下的调度值班岗位设置探讨
与传统调度模式相比,市场环境下的调度机构还需要负责市场出清等相关业务,调度业务量增加较多,同时也需要培养市场相关专业人才负责新增业务。日内运行和实时市场业务需要全天24 h滚动开展,调度机构应调整值班岗位设置以适应新增业务。
4.1 PJM调度机构人员配置及值班模式
PJM调度部门有7值调度员,每值9~10人,每值包括值班主管1名,其余调度人员8~9人,其中市场协调员1名,输电调度员3~4名,发电调度员2名,可靠性工程师1名,负荷预测人员1名。PJM调度运行值班每值人员安排如图7所示。
图7 PJM调度值班岗位设置Fig.7 Duty positions setting for dispatch center of PJM
4.2 市场环境下网、省两级调度值班岗位配置建议
本文借鉴PJM调度值班的经验,基于南方区域电力市场发展路径中的3个市场建设阶段分别提出对网、省两级调度值班岗位配置的建议。
4.2.1 区域市场建设初期的值班岗位设置建议
在区域市场培育的初始阶段,广东现货市场正式投入运营,其他各省建设并完善现货市场,总调负责全网层面的调控和省间协调。此阶段网级调度值班岗位配置建议如图8所示。
此阶段区域电力市场建设刚刚起步,仅广东电力现货市场正式运营。根据南网统一调频控制的要求,总调所面临的市场化调度业务主要集中在各省市场的协调和部分省份辅助服务市场运营方面;因此,增设市场协调和辅助服务市场工程师2个岗位以满足业务变动的需求,促进调度业务由传统模式向市场模式的转变。
图8 市场培育阶段总调值班岗位设置Fig.8 Duty positions setting for dispatch centerof CSG in initial stage
省级调度值班岗位配置建议如图9所示。
在区域市场建设初期建议开展现货省份的中调新增实时市场交易工程师岗位以满足现货市场相关业务开展需求,实时市场交易工程师主要负责日内滚动优化和实时市场的开展及出清,根据电网实时运行情况的变化及时更改优化算法的边界条件,并负责调频市场的正式出清,在实时阶段根据需要征用调频出清序列外的机组或进行临时出清。原有的系统调控工程师与实时市场交易工程师以业务是否和现货运行相关为职责边界,系统调控工程师在主要负责非市场机组调控等原有发电调度业务,确保电网安全稳定运行。此外还建议各省中调新增市场协调工程师,主要负责在市场和电网运行异常时进行协调处置,在系统异常时统筹相关人员进行处理,评估电网运行方式对各省现货市场开展的影响,评估市场运行情况,分析省间计划调整、边界调整、断面控制、非计划停运等对市场运行和节点电价的影响情况,同时和其他运营机构、市场主体等进行协商。市场协调工程师岗位和原有值班岗位职责边界明确,主要负责承担与各类市场主体沟通协调和市场分析等需求。
4.2.2 区域市场建设过渡阶段的值班岗位设置建议
按本文发展路径设计,在区域电力市场建设过渡阶段,若日内、实时及调频市场相关业务以各省中调为主体开展,总调负责全网层面的调控和省间的协调;在开展跨区、跨省增量现货市场的情况下,总调还需主导省间现货市场的运营;若建成多省联合现货市场,则也应由总调来统一运营。
网级调度值班岗位配置建议如图10所示。
图10中虚线框内为建议新增的调度值班岗位。市场协调工程师主要职责是与其他市场运营机构、市场主体沟通协商,评估电网运行方式对市场开展的影响,就可能对电力市场运行造成较大影响的电网运行方式调整或紧急情况进行调控,评估市场运行情况,分析省间计划调整、边界调整、断面控制、非计划停运等对市场运行和节点电价的影响情况。实时市场交易工程师主要负责省间增量现货市场或多省联合现货市场的出清,根据电网实时运行情况的变化及时更改优化算法的边界条件。在过渡阶段,部分省份的辅助服务市场可能由总调统一运营以实施全网统一调频控制,因此也应设立辅助服务市场工程师以满足辅助服务市场相关调度业务的开展需求。
在过渡阶段各省中调的值班岗位设置可同区域市场建设起步阶段的值班岗位设置一致,如图9所示。
4.2.3 区域市场统一阶段的值班岗位设置建议
按照本文发展路径设计,在区域电力市场统一阶段,全网的日内和实时业务由总调统一开展,且辅助服务市场也将从全网层面开展。网级调度值班岗位配置建议如图11所示。
图9 市场培育阶段中调值班岗位设置Fig.9 Duty positions setting for dispatch centerof provincial grid in transition stage
图10 过渡阶段总调值班岗位设置Fig.10 Duty positions setting for dispatch centerof CSG in transition stage
图11 市场统一阶段总调值班岗位设置Fig.11 Duty positions setting for dispatch centerof CSG in market coupling stage
在未来区域电力市场统一阶段,由于总调负责的市场范围扩大至全网5省份,则实时市场交易工程师岗位可以增加至2名调度员。区域统一阶段下的市场化调度业务根据市场类别可分为现货市场业务和辅助服务市场业务,市场协调高级工程师负责协调各类别市场的共同运作,统筹安排市场化调度业务。区域市场统一阶段的新增岗位和原有岗位的职责划分见表1。
5 总结与展望
调度业务是电网运行的核心业务,市场环境下的调度业务与传统调度模式发生了较大的变化,这种变化和区域电力市场的运作模式也息息相关。本文在深入研究国外区域电力市场典型运作模式后,基于国内电力市场实际情况,分析了南方区域电力市场运作模式的合理性,并总结了区域市场的发展路径;梳理了区域电力市场给调度机构带来的新增业务,并设计了相应的调度业务流程,为市场环境下的调度机构业务开展提供了参考。此外,为了保障新增调度业务得到合理分担,本文借鉴国外PJM的调度机构值班岗位配置模式,根据区域电力市场的不同发展阶段对南方区域网、省两级调度机构值班岗位的设置分别提出了建议。本文中业务流程设计和值班岗位设置充分考虑未来的市场运行状况,从市场运营机构的实际需求出发,力求使调度业务能够有效适应市场建设的过渡阶段并配合实现南方区域统一电力市场的远期目标。在未来市场建设深入推进的过程中,还应及时根据市场的变化调整业务流程和值班岗位,实现灵活调整和高度适配。
表1 市场环境下的调度值班岗位职责分工Tab.1 Job description of duty positions for dispatch center of CSG in power market