西北省间实时平衡电力市场探索

周 鑫，马晓伟，牛拴保，任 景，张小东，王智伟

（国家电网有限公司西北分部，陕西省西安市 710048）

0 引言

推进电力市场化改革是落实《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》［1］、在新时代加快完善社会主义市场经济体制的重要措施。电力现货市场是现代电力市场体系的关键组成部分，具有价格发现、促进发用电市场主体竞争、落实中长期交易合同、调节实时运行偏差以及引导电力投资规划等重要作用。

电力现货市场按时间分为日前市场、日内市场、实时平衡市场。中国的电力现货市场运营又分省内和省间两级现货市场，省内现货建设已取得了阶段性成就［2-4］，省间现货市场尚处于研究设计阶段。其中省间日前、日内现货市场可供借鉴的研究较多［5-9］，省间实时平衡市场相关研究不足。

供需实时平衡是电力系统运行的关键目标，北美、欧洲等地区电力市场均开展了电能实时平衡市场的建设运行，并取得了诸多成功经验［10-11］。这些实时平衡市场的组织运营与各调度机构相关，无论是统一平衡的美国PJM区域电力市场，还是分区平衡的欧洲电力市场，其实时平衡市场的组织均由各独立系统运营商（independent system operator，ISO）或输电系统运营商（transmission system operator，TSO）所对应的调度机构负责，实时平衡市场的平衡范围也限于各调度机构控制区，割裂了互联电网的实时平衡互济资源，为更好地服务新能源消纳，提高市场流动性，欧盟委员会已颁布法令要求建立一个欧洲范围的平衡平台［12］。而中国统一调度、分级管理的调度管理体系与新能源消纳需求同样要求不能仅满足于建立省内实时平衡市场，而应按照电网发展、调度管理特点及市场发展水平适时建设有中国特色的省间实时平衡市场，从而充分挖掘大电网实时互济潜力，保障电网安全和新能源消纳，降低实时平衡成本。

中国西北电网具有地域广阔、新能源占比高、实时调节资源分布不均等特点，中国西北各省内部电能实时平衡困难，相较其他区域，省间实时互济需求更强、作用更大。随着新能源装机容量增长及未来电力市场发展，有必要设计更加科学的省间实时平衡市场规则，调动各类市场主体参与实时平衡。本文结合西北电网调度运行特点，借鉴国际实时市场建设经验，研究西北省间实时平衡市场理论体系，衔接省间现货和西北省内现货、辅助服务市场，保障未来市场环境下西北区域电力系统安全运行和新能源有效消纳，降低电网运行成本，并为中国省间电力现货市场建设及未来的市场融合提供参考。

1 西北电网实时平衡现状

1.1 西北电网新能源消纳对实时运行的影响

2019年，西北电网新能源装机容量达到约100 GW，占全网总装机容量的36%西北全网新能源实际最大出力达45.36 GW，超过当日全网最大用电负荷的一半，西北全网新能源年发电量占总发电量的比例达18.02%，高于国家电网区域平均值1倍以上，西北新能源高占比特征凸显。

从新能源日发电特性看，2019年西北电网最大日波动幅度达到34.35 GW，接近当日负荷的一半，西北电网新能源理论出力15 min值每日最大变化数值分布在3 GW左右（如图1所示），相当于西北电网最大水电厂装机容量（3.50 GW），达到其他单个水电厂装机容量的2倍，新能源出力的波动性对电网运行产生重大影响。同时，新能源预测准确度偏低，特别是风功率超短期预测在上爬坡和下爬坡过程中仍表现出较为显著的误差特点［13］，导致新能源预测出力与实际出力偏差较大，也对电网实时运行产生重大影响。未来，随着新能源的持续发展，新能源出力的波动性和预测偏差对电网实时平衡的影响将进一步加大。

图1 西北电网新能源理论出力15 min变化日最大值图Fig.1 Maximum of 15 min changes of renewable energy theoretical output in Northwest China power grid

1.2 西北电网省间实时平衡的必要性

西北电网与国家电网主网通过直流联网，而直流系统通常并不适合分钟级的频繁出力计划调整，西北电网在实时平衡中主要依靠西北内部资源。

西北内部平衡资源时空分布不均。一是西北电网覆盖3个时区，用电负荷与新能源，特别是光伏出力在省与省之间存在天然的错峰效应。二是西北电网的水电主要在甘肃和青海，火电主要在陕西、宁夏和新疆，新能源消纳受限，目前主要在甘肃和新疆，实时平衡的供需分布不均。三是夏季汛期水电大发期间的西北水电机组以及冬季新疆、宁夏等地大量转供热的火电机组实时调节能力受限。四是从市场力方面来看，省间实时互济有助于扩大发电侧供给，抑制各省内发电主体在实时平衡中的市场力，在西北各省煤电资源整合的背景下这点尤其重要。五是西北为保障新能源消纳所采用的主网保安全、省网减少备用的备用管理模式也在负荷高峰增大了省间平衡互济需求。

高占比的新能源与实时平衡资源的时空分布不均以及新能源的波动性与预测偏差，使得西北各省日前及日内较长时间尺度的发电计划在实际执行时存在较大偏差。2019年，为解决西北各省实时平衡问题，西北调度控制机构开展实时控制区置换、实时双边交易、日内跨省调峰辅助服务交易、援疆电量库等省间实时平衡交易日均约40笔，日均省间实时平衡电量约30 GW·h，约占西北电网日均用电量的1.7%。通过开展省间实时平衡，有效保障了西北电网实时平衡安全与新能源高效利用，2019年西北电网新能源利用率达到92.3%，6年来首次突破90%。

1.3 西北电网实时平衡调度面临的问题

目前的西北省间实时平衡工具中除日内跨省调峰辅助服务交易具有较多的日内市场化属性外，其余调整手段都是基于网对网框架协议，省与省之间实时互济的价格、互济电量结算返还的方式都在中长期时间尺度上协商。这在目前发用电计划放开的市场化环境下带来3个方面问题:一是新能源高占比导致系统运行波动性增强情况下，中长期尺度的价格协议无法反映实时平衡资源的时间价值，不能激励更多的实时平衡资源投资，不利于源网荷储协同互动，进而影响新能源持续发展消纳；二是现行各类网对网的省间实时平衡互济交易由于不能直接对应到各发用电市场主体，导致省内现货市场产生不平衡结算资金问题；三是由调度员代理的省间双边实时互济交易，一方面不能体现实时变化的电力系统运行环境中各市场主体的参与意愿，增大了市场环境下调度人员的交易合规风险，另一方面也不具有集中出清的全局最优性。故而有必要适应电力市场改革形势，研究建立更加科学的西北省间实时平衡市场。

2 西北省间实时平衡市场机制设计

2.1 西北省间实时平衡市场运作思路

西北省间实时平衡市场通过发挥大电网省间互济作用，解决省内实时平衡资源不足问题，由西北电网调度机构负责组织，市场成员可包括各类发电商、承担部分保底供电责任的各省电网企业、零售商、大用户、市场成员委托代理机构等。

与目前试运行的省内实时平衡市场及一些国际实时平衡市场不同，西北省间实时平衡市场天然是一个双边市场，负责省间实时平衡市场运营的调度机构不需要进行负荷预测和新能源预测，相关预测由各市场成员或其委托代理机构自行负责，在省内市场预出清的基础上根据自己的余缺情况在省间市场进行平衡互济竞价交易。

2.2 西北省间实时平衡市场竞价出清设计

2.2.1市场出清模型

以美国PJM为代表的统一集中出清市场理论上可实现资源最优配置，但不符合中国以省为实体的电力管理现状，并且节点电价计算复杂。多个市场两两之间独立开展增量交易协调与目前西北电网的省间实时互济方式类似，属于一种连续交易，不能达到统一出清的社会福利全局最大化效果［14］，并且由于电力系统交流网络特性，可能影响其他省电网的潮流断面。欧洲多个市场之间基于潮流的耦合方法［15］计算简单，考虑了对跨区交易影响较大的区内关键支路约束，减少了阻塞，是一种更适应西北省间实时平衡市场的竞价出清建模方法。

综合考虑计算量以及省间交易对省内关键潮流断面的影响，采用基于潮流的市场耦合方法对所有省间潮流断面及省内部分关键潮流断面约束进行建模，形成以省为竞价价区，以省间实时平衡社会福利最大化为目标，考虑供需功率平衡、关键潮流断面支路剩余可用输电容量约束、负荷与机组出力上下限约束的西北省间实时平衡市场竞价出清模型，对省间平无须求竞价进行集中优化出清。

此外，根据西北调度运行历史经验，火电机组启停在日前安排，水电机组由于可迅速启停，故认为可在零到最大发电能力之间调节，并且西北基本无燃气轮机发电机组之类的快速启停资源参与实时平衡，故在本模型中暂无需考虑火电、水电机组启停问题。

2.2.2市场基本竞价出清流程

在各类日前市场出清形成省间交易计划结果后至实时运行时刻T−45 min前，各西北省间实时平衡市场参与主体可申报T时刻及之后以15 min为间隔的各运行时段的增减出力/负荷以及相应报价信息，其中发电方减少出力相当于用电方增加负荷，用电方减少负荷相当于发电方增加出力。各类申报都应基于在其他非实时市场已获得的发用电交易计划，禁止投机性虚拟申报。此外，西北省间实时市场不考虑机组组合问题，要求所有参与市场的燃煤火电机组必须是实时运行前45 min已正常运行机组。考虑省内市场的运行，省间实时市场滚动出清时间间隔暂设为30 min。

3 西北省间实时平衡市场与其他市场的协调运作

3.1 省间实时平衡市场与其他市场关系

省间中长期市场、跨区跨省富余新能源现货市场/省间现货市场是西北省间实时平衡市场的前期市场，各市场出清结果形成的省间交易计划是西北省间实时平衡市场的交易基准，可用于关键支路剩余输电能力等计算。初期西北调峰辅助服务市场也可作为西北省间实时平衡市场的前期市场，但由于常规机组可在西北省间实时平衡市场申报减出力价格作为购电方，故后期根据政策要求也可在日内将西北调峰辅助服务市场融入西北省间实时平衡市场。

借鉴当前省间与省内两级市场的运作方式，西北省间实时平衡市场和西北各省内实时市场采用顺序出清的方法，先由各省内实时平衡市场进行预出清，作为各市场主体参与省间实时平衡市场的依据，在西北省间实时平衡市场出清后，将出清结果返回西北各省内实时市场作为各省内实时平衡市场出清的边界条件，由西北各省内实时平衡市场得出参与省内市场的市场主体最终发用电计划。对于部分跨区直流配套机组等不参与西北各省内实时平衡市场的市场主体，直接在西北省间实时平衡市场出清后得到最终的发用电计划。各市场间的关系见图2。

图2 西北省间实时平衡市场与其他市场关系Fig.2 Relationships between cross-provincial real-time balancing market and other markets in Northwest China

3.2 模拟算例

模拟算例采用的电网网络结构如图3所示，Z1，Z2，…Z5表示西北五省。除省间联络线外，添加了Z2省部分影响省间实时平衡交易的关键支路。为简化问题，算例仅考虑省间实时平衡市场与Z2省省内实时市场的协调运作。Z2省某日负荷、新能源出力、省间联络线外送计划、等效负荷曲线（用电负荷+联络线外送电力−新能源出力）如图4所示。

Z2省当日常规电源开机最大、最小可调分别为19 820 MW、9 300 MW，等效负荷曲线最大、最小值分别为19 630 MW（18:00）、8 850 MW（14:30）。Z2省等效负荷最大、最小时刻增发出力报价数据、相同时刻省间实时平衡市场五省区部分机组增发/减发出力报价数据如表1和表2所示。此处为简化问题，所有竞价简化为一段报价，并且不考虑其他类型市场主体报价信息，设定Z2省机组省内、省间实时市场申报价格相同。

图3 西北省间实时平衡网络Fig.3 Network of cross-provincial real-time balancing in Northwest China

图4 某日负荷、新能源出力、联络线计划及等效负荷曲线Fig.4 Curves of load,renewable power output,tie-line power plan,equivalent load on a certain day

表1 省间实时平衡市场竞价数据(14:30)Table 1 Bidding data of cross-provincial real-time balancing market(14:30)

用以上数据模拟省间实时平衡市场与省内实时市场的协调运作。在Z2省内实时市场对14:30竞价信息预出清时可知存在450 MW新能源无法在省内市场消纳，通过省间市场卖电。在Z2省内实时市场对18:00竞价信息预出清，边际电价为G240申报的380元/（MW·h），G21、G22等市场主体在无法完成18:00省内市场出力计划时可通过省间实时平衡市场购电，降低省内实时市场可能的高电价带来的损失，省间实时平衡市场出清后作为省内市场边界，省内实时市场正式出清时边际电价降至G230申报的270元/（MW·h）。最终通过西北省间实时平衡市场与省内实时市场的协同运作，降低了省内实时市场负荷高峰的电价水平，促进了新能源消纳，模拟结果如表3所示。

表2 省间实时平衡市场竞价数据(18:00)Table 2 Bidding data of cross-provincial real-time balancing market(18:00)

表3 省间实时平衡市场对某日省内实时市场的影响模拟结果Table 3 Simulation result of impact of crossprovincial real-time balancing market on provincial real-time market on a certain day

4 结语

西北电网新能源占比高、各省实时平衡能力不足的客观实际凸显西北省间实时平衡互济的必要性。建设西北省间实时平衡市场可以使市场发展与中国的电力系统调度管理体制以及西北实时平衡的客观现状相契合，有助于激励市场成员参与系统实时平衡，使分散的市场主体利益诉求与集中调度体系相统一，从而保障市场化下电力系统的安全运行与新能源消纳，降低各省实时平衡成本。

借鉴欧洲和美国PJM等国外市场建设成果，结合西北当前省间实时平衡实际，提出了以省为价区开展双边竞价的省间实时平衡市场集中交易出清机制，阐述了西北省间实时平衡市场优化出清模型，给出了交易竞价申报以及出清执行的流程。最后，讨论了西北省间实时平衡市场与西北区域已经开展的其他市场间交互关系，展望了西北调峰市场与省间实时平衡市场的融合，并模拟了市场运行效果。

中国省间电力现货市场的建设需要充分考虑新能源消纳、省间壁垒、独特的调度管理体制等诸多因素，省间电力实时平衡市场的建设更是没有范例可循，本文对建立西北省间电力实时平衡市场进行了探索，为中国省间电力现货市场建设以及未来的市场融合提供了思路。需要指出的是，由于省间现货市场尚无运营规则，故西北省间实时平衡市场相关机制规则还需在未来根据省间现货市场规则进行完善；对于电动汽车以及储能等灵活调整资源也需要进一步针对性地设计市场参与规则并建模。此外，本文的省间实时平衡市场主要侧重于电能量市场的讨论，关于如何协调开展平衡容量市场等省间辅助服务市场尚待进一步研究。