区域电网电能质量治理市场化运营模式的设计

黄伟钢，吴江，康鹏，乐健，毛涛

(1.国网节能服务有限公司，北京100052; 2. 武汉大学 电气与自动化学院， 武汉 430072; 3. 武汉东湖学院 机电工程学院，武汉 430074)

0 引 言

谐波、三相不平衡和低电压是目前区域电网影响范围最广和影响程度最深的稳态电能质量问题[1-2]。供电部门采取了多种措施以力求缓解这些电能质量问题对电网和用户的影响，例如改善电力电子接口装置性能、增设滤波装置减小注入至电力系统的谐波[3]；采用人工/自动换相、增设不平衡补偿装置以改善三相不平衡状况[4]；对配电网进行升级改造、增加补偿设备以提升线路供电电压等[5]。这些措施通常只能在区域电网的某个局部范围内发挥作用，且在投资受限情况下仅依靠供电部门进行治理不具有可持续性。

当前区域电网具有两个重要的趋势，区域电网市场化改革和大量分布式新能源发电的接入。自2002年以来，我国发电侧通过实行“厂网分开”基本实现了市场化，2005年以东北电力系统作为试点开展了区域电力市场的建设。随着《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中明确指出“要加快发展电力、电信、交通、石油、天然气、市政公用等自然垄断行业的竞争业务”，售电侧市场化已成为当前电力系统建设和相关领域的研究热点[6]，目前的研究主要集中于售电侧市场组织架构的设计、市场运营机制的设计以及市场主体购售电战略决策方法等方面。文献[7]所设计的双边合约竞争性电力市场中，包含了电力批发商、独立运营的分布式电源、由售电公司拥有的分布式电源以及用户需求响应等，并建立了售电公司的日前市场电能交易模型。文献[8]针对售电市场化后市场电能交易机构的角色定位进行了研究，设计了电能市场交易的组织结构和主要业务。文献[9]基于基本内涵和组件形式，研究并分析了售电市场化改革背景下售电公司的类型及其购售电来源。

与此同时，数量众多的小容量模块化分布式电能资源(Distributed Energy Resources, DERs)在区域电网中的渗透率日益增加[10]。目前通常采用基于微电网(Micro Grid, MG)[11-15]和虚拟发电厂(Virtual Power Plant, VPP)[16-19]等模式对大量DER进行汇聚，作为一个整体参与电力市场交易[20]或提供辅助市场服务[21]，以充分发挥分布式电能资源的有益作用并提高其经济效益，同时缓解DER功率波动性和随机性等对电网运行的不利影响。目前已有研究开始关注利用分布式电能资源解决区域电网的稳态电能质量问题。文献[22]研究了不同类型分布式电源，包括风电、光伏等的优化选点的随机规划方法，以减小系统年电能损耗和降低系统谐波畸变。该方法考虑了分布式电源出力的间歇性、负荷特效以及系统技术限制，所建立的优化模型的约束条件除了节点电压限制和馈线容量限制外，还包括总谐波畸变率限制。文献[23]计及相关技术标准和电力市场规则，提出了利用分布式电能资源实现配电网运行管理的新思路。研究指出通过对分布式电能资源的有效控制以提供局部能量平衡和辅助服务，可使得配电网更好满足相应技术标准的要求。但目前的相关研究往往忽视了分布式电能资源解决电能质量问题的经济回报，不能很好适应分布式电能资源所有权/经营权/决策权高度分散的实际，缺乏对分布式电能资源解决区域电网电能质量问题的市场化运营模式的研究。

文中对区域电网电能质量治理市场化运营模式及实现方案开展了研究，为提高基于分布式电能资源的区域电网电能质量治理措施的经济性和可持续性提供参考。设计了基于各级电能交易商的电能质量治理多层市场化结构，说明了各市场成员的作用。设计了与电能质量治理多层市场相适应的区域电网能量管理系统和基于电能质量管理计划的能量管理流程，最后给出了各市场成员相应功能模块的设计。

1 电能质量治理市场的架构

为了满足高渗透率分布式电能资源接入背景下区域电网电能质量治理市场化运营的需求，本文提出了具有动态分层的区域电网市场组织结构，如图1所示。

图1 区域电网动态分层的市场化组织结构

所设计的电能质量治理市场组织结构中具有重要地位的是各级电能交易商。电能交易商一方面可拥有自身的分布式电能资源，包括各种容量的诸如风力发电、光伏发电和小型水力发电的分布式发电(Distribution Generation, DG)，集中式储能单元(ES)等。电能交易商对这些电能资源具有所有权和调度权；另一方面，电能交易商还可基于电价或动因刺激等手段汇聚不具有所有权和调度权的其他电能资源，例如以运行于车辆到电网模式的电动汽车为代表的分布式储能，用户需求响应等。

各个电能交易商均是利益明确的一个实体，通过自身的独立决策直接或间接调度所汇聚的各种电能资源，参与区域电力市场的电能交易、辅助服务以及电能质量治理等各种任务，实现自身经济效益最大化的目标。这种运营模式下，区域电力市场的各种任务将通过多个电能交易商的竞争-博弈完成，电能交易商的决策目标明确且完全独立，符合市场化运营的要求。

为规避运行风险，一般而言拥有较多电能资源的电能交易商适合于直接参与区域电力市场的各种任务，这些交易商位于市场组织结构的最顶层。该层电能交易商数量视市场管理的复杂程度和运行风险程度确定，且可通过类似“牌照”拍卖的机制来确定进入顶层的电能交易商。对于规模相对较小或资金实力相对较弱的电能交易商，可在对自身历史数据进行合理预测的基础上，与某个上一级电能交易商签订长期合约或根据上一级电能交易商发布的电价等，自主决策选择加入某个上一级电能交易商来完成该电能交易商的电能交易或电能质量治理任务。一旦对上一级电能交易商作出交易承诺，这些交易商也将通过自身的独立决策，直接或间接调度所汇聚的各种电能资源，在完成交易承诺的同时实现自身经济效益最大化的目标。类似的，更小容量的电能交易商甚至是独立的DR、DG或微电网(Micro-Grid, MG)也将通过自身独立决策参与上一层电能交易商的各种任务，由此构建起动态分层的市场组织机构。这样动态分层的组织结构可有效应对区域电网中各种类型及容量分布式电能资源的接入，满足分布式电源渗透率不断快速提高的运行要求，通过市场化手段汇聚分布式电能资源提供电能交易或电能质量治理等服务，采用经济惩罚等促使分布式电能资源减小实际交易中的偏差，实现区域电网市场交易参与者的独立决策与风险分摊。

为满足上述区域电网市场运行的安全性和有效性，需要借鉴当前金融市场等的机制设立相应的监管机构和多个第三方机构。例如，对市场交易公平性进行监管和对市场交易争端进行仲裁的机构、提供资金交易和负责清算的电能交易平台、提供历史交易信息的信息服务机构、为电能交易商决策提供辅助决策支持的咨询服务机构等。另一方面需要针对区域电网这一特殊对象，设立负责区域电网设备、线路等运行维护检修的机构、保障区域电网安全经济运行，进行电网实际调度的机构等。

2 适应于电能质量治理的能量管理系统

2.1 能量管理系统架构

为适应所设计的动态分层区域电网市场化运营模式，在确保区域电网运行安全性和可靠性的基础上进行电能质量管理，本文设计的区域电网能量管理系统由区域电网网络能量管理子系统和区域电网源-荷能量管理子系统有效结合而成，如图2所示。

图2 区域电网能量管理系统

区域电网源-荷能量管理子系统主要用于满足区域电网动态分层组织结构的需要，各级电能交易商、分布式电能资源、与市场交易相关的第三方机构均接入该能量管理子系统。源-荷能量管理子系统可采用互联网等作为通信网络，依托泛在物联网的建设实现。该子系统内各参与对象的具体能量管理工作包括：(1)各级电能交易商根据发布的电能交易或电能质量治理任务，自主做出控制决策是否参与该任务，在参与该任务的情况下通过求解优化调度模型确定直接调度的分布式电能资源的调度指令以及间接调度的分布式电能资源的经济回报等，在市场内进行报价与其他电能交易商竞争；(2)其它如清算结算等的第三方机构，也通过客户端接入源-荷能量管理子系统，根据信息数据库中信息进行市场交易资金清算结算等工作；信息服务机构将交易信息及电能质量治理任务的完成情况进行综合和处理并形成相应数据库，为今后交易商参与电能管理计划提供历史数据支持；对于不具有独立决策能力的市场参与对象，例如单独的用户等，咨询服务机构可为其提供辅助决策服务。

区域电网网络能量管理子系统可在现有区域电网能量管理系统的基础上升级改造得到，由区域电网网络运行管理者进行维护和管理，实现对区域电网运行的分析、评估和调度，提高区域电网运行的安全性和可靠性。该能量管理子系统依托专用监控通信网络，为提高系统的可扩展性和兼容性，可采用例如IEC 61850标准等作为通信规约[24]。区域电网网络能量管理子系统通过分布于区域电网的测控单元实现对全网络的监测，对监测信息进行综合、处理和储存。网络运行管理方根据监测信息对区域电网状态进行评估，在出现诸如谐波超标、三相不平衡或低电压等电能质量问题时，一方面可向区域电网相关设备发送控制信息，缓解电能质量问题；在无法依靠自身手段经济有效解决这些电能质量问题时，制定电能质量治理计划并在区域电网源-荷能量管理子系统内发布，通过电能交易商以市场化方式来完成电能质量治理任务。

2.2 两个子系统的互动

区域电网网络能量管理子系统是区域电网运行最重要的管理系统，但为适应市场化运营的需求网络运行管理方通常不直接进行分布式电能资源的直接调度，而是通过如下几个途径与区域电网源-荷能量管理子系统交互：(1)出于保证区域电网经济安全稳定运行的需要，在平衡市场、辅助服务市场、电能质量治理市场、电力网络恢复市场内发布相应的电能管理计划，影响区域电网源-荷能量管理子系统的运行；(2)对区域电网源-荷能量管理子系统就某个电能质量管理计划的响应进行评估，在满足区域电网运行安全性和经济性的情况下核准该管理计划，否则将退回该计划并指出问题所在；(3)为区域电网源-荷能量管理子系统内各参与对象的决策提供实时网络运行信息，对各参与对象执行电能质量管理计划的情况进行监控，为后续进行完全情况评估以及清算结算等提供依据。

2.3 电能质量管理计划

通过本文设计的区域电网能量管理系统可实现区域电网多种不同目的的能量管理任务，以下以针对谐波、三相不平衡和低电压三种稳态电能质量问题的治理说明相应的能量管理流程。本文将针对电能质量治理的能量管理计划称为电能质量管理计划，电能质量管理计划由区域电网运行管理方发起，并在源-荷能量管理子系统的电能交易平台内发布。

典型电能质量管理计划的流程如图3所示。

图3 电能质量管理计划实现流程

能量管理过程分为预先规划、实时调度和事后处理等3个阶段。

在预先规划阶段，由区域电网运行管理方根据网络运行状态发出电能质量管理计划，可包括管理目标、调整时长和服务价格等。各级电能交易商获知发布的电能质量管理计划，基于其自身历史交易信息、区域电网网络能量管理子系统提供的历史/实时网络运行信息等，自主作出控制决策，在区域市场交易平台内发布相应电能质量管理子计划，计划内容可能包括分时段的电能及其价格、不平衡功率惩罚价格等。在交易计划核准阶段，区域电网运行方将对达成的各种电能质量管理子计划进行综合，对系统运行安全性、可靠性等进行预测和评估。核准满足网络运行各方面要求的电能质量管理计划，否则连同冲突时间、地点、数量等信息退回至相应交易商进行修改。

在实时调度阶段，各电能交易商将根据自身在交易计划中作出的承诺，通过自身智能自主决策，优化调度自身拥有的分布式电能资源以及网络和，确保其涉网电能达到电能管理计划的要求，避免由于与交易计划不符而导致的经济惩罚。区域电网运行管理方在实时调度阶段需确保区域电网的安全经济运行。

在事后处理阶段，由第三方机构根据交易计划的实际执行情况和预先约定的内容进行资金清算结算，进行收益分配，对可能出现的争端和纠纷进行处理。

上述基于电能质量管理计划的区域电网电能质量管理具有如下特点：适应区域电网市场化运行的要求，电能质量治理过程中涉及的各方均为责权利明确的实体，均通过市场化方式实现；具有高度兼容性和可扩展性，DER和用户只要通过互联网接入区域电网源-荷能量管理子系统参与区域电网的电能质量治理任务；控制完全分散化和智能化，电能交易商等均依据自身智能作出独立控制决策，以最大化自身利益为目标参与市场竞争，同时又能协作完成区域网络运行方发起的全局性电能质量治理计划。

3 功能模块设计

文中基于模块式管理方式并以认知型Agent为模板，设计了各主体参与电能质量管理计划的功能模块，具体如图4所示。

图4 各市场成员的功能模块

电能交易商的信息融合模块主要是整合各类制定交易计划的信息，包括源-荷能量管理子系统中的历史交易信息，网络能量管理子系统中的实时交易信息，自身存储的历史信息和实时运行信息；规则库用于确定即将发布的电能质量管理子计划的价格，其结果由动作模块发布至电能交易平台中。分布式电能资源获取交易商发布的电能质量管理子计划后，同样通过自身信息融合模块将管理子计划与自身历史和运行信息进行整合，预测自身发电能力，以自身收益最大化为目标选择参与的电能质量管理子计划。在交易形成阶段，电能交易商和分布式电能资源持续获得电能质量管理计划的更新信息，在不至影响已参与该计划各对象收益的前提下，电能交易商可以最大化预期收益等为目标，通过调整交易价格来促使电能质量管理计划尽早实施完成；分布式电能资源具有退出已加入电能质量管理计划的选择权，只要不影响自身收益，可转而加入新的电能质量管理计划，在自身能力足够的情况下还可同时参与多个管理计划。

网络运行管理方通过其专有监控通信网络获得DERs与交易商之间达成的电能管理计划，通过自身信息融合模块进行信息整合，预测实施交易计划后的网络运行状况，评估存在的风险，做出电能质量管理计划核准或退回的决定。

在实时调度阶段，DERs根据在所参与的电能质量管理计划中作出的承诺，通过优化调度自身设备用电与发电来完成电能质量管理计划，同时尽可能减小涉网电能与作出承诺的差异，避免由于与承诺不符而导致的惩罚。效应器将其涉网电能信息经由互联网发送并进行储存，该信息作为对交易计划完成情况考核的凭证。交易商收集各DERs的电能质量管理计划完成信息，通过规则库中的分析模块进行实时分析，同时进行实时调度，尽力满足电能调度与计划中承诺的偏差，减小偏差导致的经济惩罚。在能量管理实时调度阶段，网络运行方需要从安全经济性出发对电网设备进行调度控制。

在电能质量管理计划事后处理阶段中，第三方机构获取交易信息，根据电能质量管理计划实际完成情况进行资金清算，通过效应器将结果经由互联网发布，实现各市场成员收益的分配。第三方机构还需根据其自身的规则库对收益分配中出现的争端进行仲裁，解决纠纷。

整个电能质量管理计划完成后，各市场成员将自身规则库中存贮的交易信息上传至互联网的数据库中，为后续发起/参与电能质量管理计划提供历史数据支持。

4 结束语

本文对高渗透率分布式电能资源接入背景下的区域电网电能质量治理市场化运营模式进行了研究和设计，以电能质量管理计划为具体承载建立了适用于该运营机制的能量管理系统并设计了管理流程。针对市场各成员电能管理计划过程，以认知性Agent模型为基础，对各市场成员的功能模块进行了设计。

该运营模式同时考虑了分布式电源的接入和市场化运营对区域电网带来的挑战，具有对各类分布式电源的兼容性、运营规模的可扩展性和智能调度控制的完全分散性。市场各成员利用该市场化运营模式实现同级之间竞争、上下级之间交易、市场成员协调配合。为市场化模式下充分利用分布式电能资源进行区域电网电能质量问题的治理提供了新的思路和实现参考。