能源电力产业链短期预警方法

刘思捷，白杨，陈中飞，宋慧，吴国炳，林少华，蔡秋娜，赵越

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600)

“四个革命，一个合作”的能源安全新战略和能源互联网的发展建设，推动形成了以电力行业为中心的能源电力产业链，并呈现出智能化、跨行业融合、开放共享等趋势特征[1]。然而，当前能源电力产业协调链条长，横纵向信息融合度差，风险暗藏且环环相扣。以广东电网为例，一方面，粤港澳大湾区在电源侧结构趋向清洁化，在负荷侧空调负荷及储能等逐年增加，电力供需形式整体呈现出高频次、大幅度动态变化的新特点；另一方面，随着电力体制改革的加速推进，电力市场逐步发展完善，广东作为电力市场发展的排头兵，面临诸多电力市场运营管理过程中的新风险。广东虽地处南方电网的负荷中心、“西电东送”的大受端，但其能源电力供应分析的信息仍主要来源于电网内部，尚未突破行业信息壁垒，信息来源单一，此外，在电力供应分析预警过程中主要依靠人工跟踪、分析、预测和协调，常常需要多次迭代、反复协调，信息整合的效率偏低。广东省能源电力产业链全链条风险监测和预警技术手段的缺失导致计划跟不上变化，风险揭示和预警发布被动滞后的局面时有发生。

预警理论起源于经济领域，在第一次石油危机之后，被美国、日本等西方国家应用到能源安全领域的供需预警，主要包括石油、煤炭、天然气和电力等方面[2]。能源系统监测预警机制采用科学评价方法和模型对系统的运行发展趋势进行监测和预测，在系统危险发生之前发出警报，从而为国家能源管理部门提供参考，将能源系统的风险遏制在萌芽状态[3]。我国从20世纪80年代开始进行能源电力的预警理论研究和应用，着手建立预警指标体系和预警模型，重点放在预警方法的探讨上。

早期的能源预警研究主要聚焦于不同的能源部门[4-7]。文献[4]综合考虑国内外影响我国石油安全的相关因素，构建衡量石油经济安全的指标体系，并基于实际数据对我国石油安全现状和未来形势进行定量分析。文献[5]运用熵值法、粒子群优化算法和支持向量机模型对我国石油安全进行了评价和多情景预测，为相关能源政策的制定提供依据。文献[6]分析了现行的煤炭企业安全运行机制，建立煤炭资源安全的预警系统。文献[7]从经济的角度，分析了煤炭企业主要财务风险，并针对各类风险建立对应的风险预警机制。

在建设能源多元供应体系和能源互联网发展背景下，能源系统的综合性评价体系开始备受关注。此类研究不仅涵盖了不同能源子系统运行状况的测度，还将与能源系统相联系的社会、经济系统纳入预警指标体系的构建中[8-10]。文献[10]首先建立了涵盖能源的可利用性、可获得性、可负担性和接受性4个维度的16个指标组成的能源安全评级指标体系，并应用变异系数法、熵值法、主成分分析法和层次分析法计算指标权重，对我国能源安全状况进行量化分析。文献[11]则进一步选取了煤炭、电力、石油和综合子系统4个子体统的54个预警指标构建了中国能源预警指标矩阵，并运用主成分分析法和二阶回归方法建立中国能源预警模型，对中国能源的安全状况进行了测度。文献[12]建立了涵盖能源安全的灾变、效益、供需、环保、效率的能源安全监测系统。

上述研究主要从能源供应侧出发进行评价和预警，随后学者又跟进了能源需求侧的技术、管理和政策等因素指标的研究。文献[13]提出一种基于主客观权重分配方法，引入平衡评分矩阵，从多个竞争维度评估国家能源安全。文献[14]以最小预测误差平方和为目标函数，结合灰色理论及反向传播(back propagation，BP)神经网络组合模型权重系数，运用组合预测模型提高对能源需求预测的精度。文献[15]则以区域能源安全外生警源为研究对象，通过对区域能源安全事件案例收集及整理，构建能源安全外生警源预警指标和数据集，设计区域能源安全外生警源分级预警的FI-GA-NN模型。

在电力预警方面，文献[16]构建了一种能源互联网下的中长期电力需求预警理论框架，提出基于内因分析和基于外因分析的中长期电力需求预警方法。文献[17]从需求预测预警目标出发，采用神经网络预测技术对华中区域中长期电力负荷增长进行预测，并以此建立电力需求侧预警的指标。文献[18]以电网公司的视角，从购电侧、输配电侧、售电侧3个环节，建立电网运营风险度量和预警模型。文献[19]基于电力与信息深度融合的能源互联发展背景，从宏观和微观角度构建风险预警模型和风险传递路径模型，提出风险体系关键风险因子的辨识和筛选方法，对能源互联网风险预警系统的架构进行分析。

综上所述，已有的研究主要集中于区域、全国乃至国际范围内的能源安全供需预警，评价视角较为宏观，预警评价指标体系趋于成熟。此外，针对能源的专门部门如煤炭、石油、天然气和电力等行业的预警方法已经取得一定的研究成果。但一方面我国各省在气候情况、产业结构、电源结构、电网建设、市场化程度、能源供应能力等方面存在较大的差异，而地区性的、短期的能源电力产业链风险难以在全国层面的能源中长期预警系统中显现。另一方面，能源互联网背景下，以电力行业为核心的能源电力产业链逐渐成形。现有的研究尚未建立以能源电力产业链为视角，监测一次能源供应、电力市场风险、电网供需平衡等能源电力产业链全环节的预警体系。因此，研究适用于能源互联网背景下的区域能源电力产业链短期监测预警方法具有重要的意义。

本文以广东能源电力产业链为研究对象，首先介绍能源电力产业链预警的内涵、方法和目的，提出能源电力产业链预警指标体系原则和一般过程。然后，考虑能源互联网和电力市场化发展背景，建立能源电力产业链全环节监测与预警指标体系，包含一次能源供应预警、电力系统供需平衡预警、电力市场风险预警。最后，对能源电力产业链风险防控措施进行探讨并提出建议。

1 能源电力产业链预警基本方法

1.1 内涵、目的和方法

预警的本质是对系统未来可能出现的风险和危害进行预测和警示，是安全界定与预测工作的延伸。短期预警一般指从季度、月度到实时监测的范围，监测性预警也属于短期预警的范畴，它与宏观经济指数关联较小。

从电力能源的流向路径看，能源电力产业链包含一次能源供应、发电、输电、配电、用电等环节；从产业结构看，包括天然气供应商、煤炭供应商、发电公司、电网公司、售电公司和用户等不同主体。能源电力产业链短期预警的目的是在未来较短一段时间内，监测影响产业链的供应、交易、运输和消费等环节的风险，确保产业链不会出现短期的供需紧张和交易异常，保证系统安全运行。

能源电力产业链预警的基本方法是分析电力生产环节的一次能源供应不足风险、电力传输环节的电力供需平衡风险、电力销售环节的电力市场风险，通过建立一套能够科学、合理、敏感地反映能源电力产业链在电力生产、传输、销售各环节失衡的预警指标体系，对未来一段时期影响产业链安全的全环节因素进行分析，并根据指标计算确定相应的预警等级，发出预警信号。

1.2 能源电力产业链监测与预警的一般过程

与经济领域的预警理论类似，能源电力产业链预警也包括寻找警源、分析警兆、确定警情、预报警度4个基本要素，其相互之间的关系如图1所示。

由图1可以看出4个要素之间存在十分紧密的逻辑关系，警源是警情发生的根源，警兆是警情判断的根据，警情是预警的根本，并依据警度进行级别划分，寻找对应的排警措施。预警方法与系统开发的一般过程如图2所示。

图1 能源电力产业链预警4个要素之间的关系

图2 预警方法与系统开发的一般过程

1.3 建立预警指标体系的原则

系统地构建预警指标体系应遵循以下几点原则：

a)科学性原则。指标体系的建立需要遵循一定的方法论，科学地设计指标体系框架和指标层次，使其能够客观反映影响电力产业链安全的各因素及其相互之间的内在联系，准确评价电力产业链运行状况及发展趋势。

b)灵敏性原则。所选择指标能够及时、准确地反映能源电力产业链安全的变化，起到警报器的作用。

c)动态性原则。根据社会经济发展、能源结构、政策变化、电网规划、电力市场发展动态地进行分析监测。

d)易得性原则。选取的指标必须能够及时获取，真实可靠，预报的信号应明确，判断要简单，直观实用。

2 预警指标体系和模型建立

2.1 一次能源供应不足预警模型

一次能源供应不足是能源电力产业链中最常见的风险，本节主要研究单一液化天然气(liquefied natural gas，LNG)接收站、燃气电厂、燃煤电厂的能源供应预警模型并基于广东省上述预警项的情况，建立全省天然气与电煤供应不足预警模型。

2.1.1 LNG接收站供应不足预警

LNG接收站的库存量直接反映LNG接收站供应风险，LNG接收站进气计划的执行准确度、日供气能力的裕度也会影响LNG接收站的可靠供应。因此，选取每日库存可用天数、进气饱和度、供气负荷度3个指标描述LNG接收站供应不足的情况。

2.1.1.1 库存可用天数

(1)

2.1.1.2 月进气饱和度

进气饱和度以前一月的实际进气量与计划进气量的占比反映LNG接收站进气计划的偏离程度，偏离程度越大，进气饱和度越低。第n月进气饱和度

(2)

2.1.1.3 供气负荷度

供气负荷度为计划供气量和LNG接收站供气能力的比值，反映了LNG接收站的负荷程度，供气负荷度越高，LNG接收站供气余量越少。LNG接收站供气负荷度

(3)

2.1.1.4 LNG接收站供应不足三级预警

表1 LNG接收站库存不足三级警度划分

2.1.2 燃气电厂燃料供应不足预警

因大多数燃气电厂无储气设备，燃气电厂的燃料供应风险主要以供气商签订中长期供气合约的方式予以规避。中长期合约气量越大，燃气电厂燃料供应不足的风险就越小。在燃气电厂燃料供应不足的短期预警范围内，可采用月度合同气量覆盖率指标，来反映燃气电厂签订年度、月度供气合同规避燃料不足风险的程度。

针对每个燃气电厂，每月计算月度合同气量覆盖率

(4)

非现货环境下，燃气电厂的月度发电量可由电力调度机构根据电厂签订的电力合约确定。而现货环境下，燃气电厂的发电量与电力现货市场实际紧密相关，较难预估电厂的月发电量。因此非现货环境下Qj采用当月调度计划发电量，现货环境下Qj采用上月燃气电厂发电量。

(5)

2.1.3 燃煤电厂燃料供应不足预警

燃煤电厂存煤量直接反映燃煤电厂燃料供应风险，因此燃煤电厂的存煤可用天数可有效衡量燃煤电厂短期内供应充足与否，此外燃煤电厂短期供应不足预警还需要考虑燃煤电厂的燃烧煤种、资源矿点、运输方式等因素。每日计算存煤可用天数

(6)

图3 燃煤电厂供应不足三级警度判断树

2.1.4 全省一次能源供应不足预警

全省一次能源供应包括天然气和电煤的供应，其库存量是反映供应不足风险的主要指标。因此，可通过库存可用天数来评估天然气和电煤供应不足的风险。

2.1.4.1 全省天然气供应不足预警

全省天然气第t日的库存可用天数

(7)

(8)

满足三级报警比例限制的数量

(9)

(10)

2.1.4.2 全省电煤供应不足预警

(11)

全省第t日预警值为Z的燃煤电厂比例

(12)

(13)

表2 全省电煤供应不足三级警度划分

2.2 电力系统平衡预警模型

电力系统平衡是电网最重要的预警对象。电力系统的中长期平衡预警主要考虑长期、宏观的因素(电力消费增长率、电网规划输送容量、装机容量增长率等)。这些指标难以对短期、区域电力系统平衡进行监测与预警。因此，本文提出使用电力供需平衡指数与电力供需平衡趋势指数，分别从静态与动态2个方面对广东省当前时段(短期)电力的实际供需平衡情况进行监测和预警。

2.2.1 电力供需平衡指数

电力供需平衡指数能够表示当前时段电力供需状况。考虑“西电东送”、粤港联络线、本地机组的计划检修、网络受限和备用容量，计算全省当前时段内的电力供需平衡指数

(14)

(15)

电力供需平衡指数的风险预警阈值需根据实际电网需求响应能力、失负荷成本和安全裕度要求设置。电网需求响应能力越弱、失负荷成本越高、电网对电力供需平衡安全裕度要求越高，则各级预警的阈值设计值也越大。

简单构建预警示例，电力供需平衡三级警度划分为：

(16)

式中WPB为当前时段电力供需平衡的预警值，数值1、2、3分别对应白色预警、黄色预警和红色预警。

电力供需平衡指数λPB小于1表示已存在电力供应缺口。式(16)中λPB表示电网中一般企业、较重要企业的错峰能力及需求响应能力分别为负荷需求的5%、10%，若电力供应缺口大于负荷需求的10%，则需让重要企业也进入错峰用电状态，造成的损失严重。

2.2.2 电力供需平衡趋势指数

当用电需求经过一段时间的增长，电力供应也需要增加，二者比例达到一定程度时，才能维持原电力供需平衡。λPB仅能够反映当前时段内电网的电力供需平衡情况，是一个静态指标，无法反映电力供需平衡变化趋势。

考虑到指标设计的科学性和易得性原则，本文用现时段电力供应与用电需求之比来表征现阶段的电力供需情况，用上一时段电力供应与用电需求之比来表征原有的电力供应情况，再将二者的比值定义为反映电力供需变化趋势的电力供需平衡趋势指数δt，即

(17)

当λPB≥1时，δt可从电力供需发展趋势角度发现风险。一般在λPB为1.1或1.2(认为电力供需平衡指标大于1.1或1.2的话，电力供需风险较小)以内时，采用δt作为电力供需平衡指数预警方式的补充。当1≤λPB<1.1时，对δt进行三级警度划分：

(18)

2.3 电力市场风险预警

电力市场风险主要表现在电力市场价格异常、市场竞争不公平导致市场秩序被扰乱。而市场力是市场竞争公平性、市场秩序的重要表征。电力市场短期风险预警和管理可从市场力风险和价格波动预警着手。

2.3.1 市场力风险预警

发电商为了使自己受益，采用非经济的生产方式制造输电阻塞，或在市场结构存在缺陷、输电阻塞等情况下，利用自身在电网不可或缺的地位优势抬高报价，造成短时间内市场出清价格较大地偏离正常价格的过程，即为市场力的行使。行使市场力将直接导致电价升高、电价尖峰甚至电力危机。市场结构问题在短期内无法解决，从市场结构角度设计指标将使短期预警的灵敏性下降。因此，本文从市场行为的角度出发选取以下3个指标研究能源电力产业链的短期预警。

2.3.1.1 发电商申报容量持留率

市场行为最直接的表现是发电商的价格-容量申报。当发电商的容量申报价格高于市场边际价格一定程度时，可认为发电商对该部分容量行使了容量持留。发电商l申报容量持留率Ml﹝式(19)﹞反映发电商对可发电容量的保留比例，该指标值越高表示发电商进行市场投机、抬高市场价格的风险性越大。

(19)

式中：Qcl为发电商l的可发电容量；Qbl为发电商l在电力市场中的实际申报容量。扣除机组检修计划等因素，发电商的申报持留率越高，发电商限量抬价的意图越明显。

2.3.1.2 高价申报率

(20)

(21)

2.3.1.3 高价阈值到达率

(22)

综合考虑申报容量持留度、高价申报率、高价阈值到达率这3项指标，设置市场力风险的预警值WMP，简单构建预警示例，三级警度划分见表3。当WMP=3，警度为红色预警；当WMP=2，警度为黄色预警；当WMP=1，警度为白色预警。每个预警级别下的判断条件为“或”关系，即只需满足其中一个条件即可预警。

表3 电力市场力风险预警三级警度划分

市场力预警阈值需在电力市场实际运行中以预警结果与风险结果匹配为原则，逐步完善设置的阈值。初步设置指标阈值时，可参考以下方法：测算发电企业正常最大可发电容量之和与统调负荷的差值，并计算其与发电企业正常最大可发电容量之和的比值。该比值越小，发电商申报容量持留率各级预警的阈值设计值也应越小，且申报容量持留率最高级别预警的阈值应小于该比值。

高价申报率和高价阈值到达率的预警阈值依据市场运营机构对市场力的防范机制(如“三寡头”测试、行为测试、影响力测试等机制)的完善性确定。市场运营机构对市场力的防范机制越完善，则市场对发电企业申报行为造成的风险越有抵御能力，这2类预警阈值也可设计得越高。

2.3.2 价格波动预警

电力价格的波动主要受一次能源价格、电力负荷、线路阻塞情况、发电商报价策略的影响[20]。而各因素对电力价格的影响反映到能源电力产业链终端电力价格上需要时间，可挖掘电力价格波动特征提前发现电力市场风险。电力价格波动在市场上最直观的表现就是电力价格波动的上涨幅度、时间和空间3个方面，其中上涨幅度是比较敏感的指标。从短期预警来看，价格波动监测主要包括电价上涨幅度、电价波动范围和电价上涨持续时间3个指标。

2.3.2.1 电价上涨幅度

电价上涨幅度反映电价上涨波动的程度，上涨幅度越大，则越容易且越快造成市场风险。从短期预警的角度出发，定义电价上涨幅度

(23)

2.3.2.2 电价波动范围

电价波动范围反映电力供需紧张、电力阻塞程度等影响的用户范围，影响范围越大，可能造成的市场风险也越大。目前，国内多数电力市场用户侧采用分区电价机制或节点电价机制，但电价波动范围的监测在未来电力现货市场预警中有十分重要的意义。定义电价波动范围指标

(24)

式中：awarning为发生电价上涨预警的监测区域/节点数量；aall为所有监测区域/节点数量。

2.3.2.3 电价上涨持续时间

电价上涨持续时间在时间维度反映电价上涨的程度，长时间的电价上涨意味着电力产业链中其他环节的供需与运行状况出现了问题。从短期预警的角度看，可根据大数据分析，确定电价上涨幅度在某个范围f的持续时间Tf的预警阈值，如规定夏季空调负荷或冬季取暖负荷的持续增长等带来的电价上涨幅度为5%，持续时间在3日之内属于正常范围；在3日至1周属于短时间波动，触发白色预警；1～3周以内为中时间波动，触发黄色预警；超过3周属于长时间波动，触发红色预警。

综合考虑电价上涨幅度、电价波动范围和波动时间，设置价格波动预警值Wp，简单构建预警示例，三级警度划分见表4。当Wp=3，警度为红色预警；当Wp=2，警度为黄色预警；当Wp=1，警度为白色预警。每个预警级别下的判断条件为“或”关系，即只需满足其中一个条件即可预警。

表4 价格波动预警三级警度划分

基于历史电价和风险数据进行聚类分析，得到这3个指标在不同风险级别的波动范围，并计算其在同一风险级别下的平均值，以此为参考设计电价上涨幅度、电价波动范围和波动时间的预警阈值。

3 能源电力产业链风险防控措施与建议

根据上述能源电力产业链短期全环节监测与预警结果，各环节主体应积极采取措施防微杜渐，防范、化解或控制相关风险。

a)全面整合数据渠道。能源电力产业链全环节风险监测与预警的关键在于能否打通主体、行业、区域间的信息壁垒，构建产业链上下游不同行业、不同区域、不同层次之间的信息数据融合交互机制，需要能源主管部门出台相关政策，建立政府、能源企业、发电企业、电网企业、用户协调参与的能源电力产业链安全防范和协调体系，加强政府、电力调度、电力交易等不同机构间在关键环节监测、预警与防控方面的合作。

b)制订不同时间尺度的风险预警方法。本文主要从短期风险预警的角度提出能源产业链风险预警方法。短期风险预警方法对风险感知的灵敏度较高，但一般发生短期风险预警即说明风险已传导至电力终端，情况比较紧急，要求采取快速响应措施。而中长期风险预警可提早较长时间发现风险，为风险防范提供预留更多的时间。因此，需有效结合中长期、短期风险预警方法，保证风险预警灵敏度、准确性的同时，提供更多的风险响应时间。

c)各环节根据不同程度的警情制订不同情况下的预警处理方案。如电煤供应出现问题，应敦促、协调火电厂煤炭采购、运输；如天然气供应出现问题，应增大各气源进气量、管输量，调动储备气源；如出现电网供需失衡和偏紧状态，应积极寻求外网电力支援并实施大用户需求侧管理；如出现市场操纵等违规行为，监管部门应采取措施及时进行调控和处罚，确保市场有效竞争。

d)利用人工智能和大数据技术进行能源电力产业链全环节关键风险因素的辨识与风险预警关联分析，快速锁定警源，并根据警源执行排警措施。例如，引发电力供需平衡预警的原因有很多，如网络阻塞、电力负荷陡增或发电供应不足，若部分燃煤电厂或燃气电厂同时发生供应不足预警，则能够锁定警情的来源，及时排警。

4 结束语

本文提出一种能源电力产业链短期预警方法，能够监测并预警包括一次能源供应、电力系统供需平衡和电力市场风险等产业链主要环节。所建立的全环节预警指标体系构成一张多层次的预警网络：一方面，自下而上地监测与层层预警，防止能源电力产业链风险发生链式反应，最后发展为灾害；另一方面，自上而下地通过各环节指标关联分析快速锁定警源，排除警情。