國外電力市場輔助服務管理介紹與經驗借鑒

摘要

當前，電力市場化改革不斷深入，整個電力行業正發生著日新月異的變化。從國外市場化改革的經驗來看，隨著市場改革的不斷深入，電力市場交易類型將不斷豐富。輔助服務市場將成為未來電力市場中不可或缺的一部分。為此，本文重點介紹了國外電力市場中輔助服務管理的先進經驗，從輔助服務分類、定價機制等方面介紹了其做法。在此基礎上介紹當前輔助服務管理模式，結合市場化改革現狀，闡述國外相關經驗的電力市場的借鑒意義。

1. 引言

中發9號文及其配套文件，拉開了電力市場改革的序幕。目前多個省份獲批改革試點，電力市場改革正如火如荼的開展。

國外電力市場改革的經驗表明，隨著改革的深入，電力市場交易類型將不斷豐富，市場交易類型將從目前的電能交易延伸至輔助服務和容量等領域。而其中輔助服務作為重要的電力市場交易品種，其組織模式將對電力市場發展起到重要作用 。不同國家對輔助服務的內涵界定有所不同，對輔助服務的市場組織模式也不盡相同。從研究內容來看，輔助服務市場的研究主要包括市場組織模式 、輔助服務內容界定 、定價策略、市場運作方式 [6] 等。而在國外電力市場中，結合當前實際開展情況，輔助服務市場組織類型主要可分為已美國PJM電力市場為代表的實時交易模式和以英國為代表的合約交易形式 。

目前，電力市場處於起步階段，市場交易類型主要為電能交易，輔助市場仍沿用傳統的考核評價標準。隨著電力市場改革的不斷深入，輔助服務作為重要的交易品種勢必納入電力市場交易範疇。

針對上述需求，本文首先系統的介紹了美國PJM電力市場和英國電力市場的組織建設情況，作為世界上運作最成功的電力市場，本文將從輔助服務分類、輔助服務交易模式等不同方面介紹了其先進經驗，接著介紹了當前以《併網發電廠輔助服務管理實施細則》和《發電廠併網運行管理實施細則》(以下簡稱「兩個細則」)為核心的輔助服務管理體系，最後簡述國外電力市場輔助服務管理對電力市場化改革中輔助服務市場開展的借鑒意義。

2. 美國PJM電力市場

美國PJM是美國最大的電力市場之一，成立於上世紀70年代，至今已經採用市場化運作模式開展了30多年的市場化改革。

2.1. 輔助服務範圍

PJM定義的輔助服務類型包括調頻、備用、無功補償和黑啟動。其中，調頻和備用輔助服務是通過競爭投標的市場化方式獲得的，而無功補償和黑啟動則主要是通過簽訂合同或協議來獲得的。

調頻輔助服務按照資源響應時間的快慢細分為了傳統的調頻響應類型RegA和動態調頻響應類型RegD。RegA要求資源在5 min達到指定出力即可，調節性能相對較差，適用於爬坡速率受限的資源(Ramp-Limited Resources)如蒸汽機組、燃氣輪機、水電機組等。RegD要求資源在幾秒內開始響應，並能在一至兩分鐘內達到指定出力，調節性能好，適合於調節頻繁過零的波動，適用於能量受限資源(Energy-Limited Resources)如電池、飛輪等。

備用輔助服務依據響應時間範圍的不同分為了計劃備用、初級備用、二級備用、同步備用和非同步備用等，其關係如下表1所示。

2.2. 提供方式

所有的負荷供應商(簡稱LSE)根據其在實時市場的負荷比例來承擔相應的提供調頻和備用這兩項輔助服務的義務，每個LSE可以自己提供AGC資源，也可以與市場參與者簽訂購買合同，或者通過PJM調頻市場購買AGC服務來完成調頻的義務。來自發電方的無功供應和電壓控制服務由PJM直接提供，傳輸用戶必須向PJM購買這個服務。由PJM安排不同區域的LSE來履行提供黑啟動服務的義務，對於沒有黑啟動機組的LSE則需要向PJM購買。

2.3. 市場運作

參加調頻輔助服務的機組在運行日的前一天向PJM提交投標的信息，PJM調頻市場給市場參與者一個基於市場的、買賣調頻輔助服務的系統。PJM使用機組調度系統得來的預計的節點邊際電價和機組計劃來估計每台機組如果在運行日提供調頻將導致的機會成本。每台機組的機會成本加上機組投標的報價將得到它的最優順序價格。然後將所有機組的最優順序價格排序即得到提供AGC服務的機組組合。

提供備用機組的報價必須在運行日前一天18:00之前上報並不得更改，以確保市場價格穩定。PJM利用運行小時之前60 min掌握的調節機組的狀態、報價、備用容量及預測的每小時地區平均邊際電價(LMP)等數據，通過軟體對備用預調度進行優化，其目的是使對備用預調度的總成本最小。通過預調度確認提供備用的機組，以及備用的市場清算價。在PJM電力市場，由於提供備用的機組運行狀況不同，通常將其分為兩類：一類是服從經濟調度的主能量市場邊際機組，只帶部分負荷，能夠增加出力以提供備用(Tier1)；另一類與電網同步、可調相運行的機組以及願意偏離經濟運行點運行的機組。在預調度過程中第一類機組具有優先權。

PJM根據計算確定給定風險水平下的備用目標。然後，根據機組被迫停運的概率來確定一次備用，而二次備用則等於最大的發電機輸出容量並且不小於700 MW。PJM依據尖鋒負荷水平的統計結果，將運行備用需求分攤給各系統成員，該分攤比例可進行季節性的調整。

對於無功補償和黑啟動這兩種輔助服務，PJM將按照不同區域的具體情況統一來安排滿足規定要求的供應者提供相應的服務，而沒有自供應能力的服務需求者則向PJM統一購買。

3. 英國電力市場

在英國電力市場中，電力交易通過是通過Pool來完成的，輔助服務由ASB (Ancillary Services Business輔助性服務業務部門)管理。1990年4月NGC (英國國家電網公司)成立了ASB，其職責是以經濟的方式購買輔助性服務，以便使電力系統頻率和電壓維持在允許波動範圍之內。ASB是NGC中的一個獨立授權的業務部門，按月向輔助服務提供者支付費用，在每天的uplift (附加費)中回收輔助服務成本(即向輔助服務提供者所支付的費用)。另外，還允許ASB從uplift中回收日常管理費用和獲得少許利潤，這個日常管理費用和允許的利潤由電力聯營體各成員協商確定，目前允許利潤率為日常管理費用的10%。

ASB簽訂合同的輔助服務包括頻率響應、備用容量、無功支持和黑啟動。下文將闡述對上述各項服務的費用支付機制的細節。英國NGC目前為輔助服務支付的費用不超過當年電力總支付費用的2%。對每個發電廠有一個輔助服務合同，合同中詳細規定了機組應提供的服務內容，以及每項服務應支付的費用。合同是與服務提供者簽訂，而不是與發電機組簽訂。目前英國有120多個輔助服務合同。根據英格蘭—威爾士發電主市場運行規則，輔助服務必須服從中央調度。

3.1. 輔助服務的內容

在英國電力市場平衡機制下，輔助服務分為強制性輔助服務和商業化輔助服務，前者要求所有授權經營的發電主體義務向國家電網公司(NGC)提供，如頻率響應、無功等；而後者則按照市場的規則由部分發電主體與國家電網公司協商提供。目前，英國的輔助服務市場的類型主要分為以下幾類：

1) 頻率響應

要求與NGC的電網聯網的每台發電機組在正常運行工況下，能夠和汽輪機調速裝置協調地快速動作，以保證頻率響應。蒸汽輪機調速裝置必須按照BS132要求來進行設計和運行，燃氣輪機調速裝置必須具備3%~5%的調速性能。對於Magnox和AGR核電站發電機組，則要求每台機組始終能夠對頻率變化自動響應，以便控制與調整系統頻率。在頻率敏感模式下運行時，電網調度員對每台機組發布指示。當發電機組在頻率敏感模式下運行，其實際出力低於滿負荷出力時，它可以獲得兩種支付補償，包括由電力聯營體支付的「利潤損失」及對其頻率響應輔助服務的補償。其中，「利潤損失」的補償是電力聯營體常規支付的補償，當機組實際出力低於無約束調度計劃下的出力值時，機組就可獲得這個補償；而頻率響應輔助服務補償費用是根據服務合同中的信息計算確定的，這項補償費用是用於回收發電機組在頻率敏感模式下運行而產生的附加成本。

每台發電機組的輔助服務合同中詳細確定了頻率一次響應期望水平(10 s內)，二次響應期望水平(30 s內)。根據不同的降負荷水平和不同的系統頻率變化情況來確定不同的頻率響應期望水平。當發電機組按合同規定的頻率響應期望水平提供輔助服務，可獲得合同規定的頻率敏感運行模式下的經濟補償(英鎊/h)。ASB在現場安裝一些在線監測裝置，對所有的發電機組都要檢測是否達到合同規定的頻率響應水平。ASB簽訂專門的頻率響應服務合同來滿足那些對電網頻率影響大的用戶的需求。在這種情況廠，如果這個合同規定的服務能夠降低頻率響應的總支付費用，那麼這個合同就可以接受。

國家電網有責任把頻率控制在《電力供應規範》(即滿足標準頻率50 HZ正負1%的頻率波動)內，頻率響應包括動態頻率響應和非動態頻率響應。動態頻率響應是指對系統實時變化提供連續的服務，而非動態頻率響應通常是由超過規定的頻率偏差所觸發。國家電網通過如下三個不同的平衡服務來控制頻率：強制性頻率響應(Mandatory frequency response, MFR)、固定的頻率響應(Fixed frequency response, FFR)和需求側管理的頻率響應(Frequency response of demand-side management, FRDM)。

2) 備用服務

為了進一步加強系統的頻率控制和增強系統的安全性，國家電網公司需要預留出一定的備用容量來滿足一些不可預期的負荷需求增加或減少，在英國電力系統中，根據提供服務的響應速度和時段的不同，備用服務主要包括以下四種：快速備用、區間備用、快速啟動和平衡機制啟動(Balance mechanism start-up, BM start-up)。

為了實施招標，ASB規定了提供服務的時間。通常每天分成3個時間段，提供服務的時間以及服務的持續時間隨季節不同而不同。ASB最低的合同備用容量為3 MW。每年10月~12月進行招標。每個投標者報出自己提供服務的時間、機組容量可用率、啟動、空載、增加出力及各自的投標價格。次年1月評標，2月~3月與中標者簽合同。服務合同實施時間為每年的4月1日至次年的3月31日。由於英國電網所有的備用容且需求都可以通過旋轉備用提供，因此停機備用中標者的價格必須低於通過此機組競標產生的旋轉備用的價格。

3) 電壓與無功調節

強制無功服務(Mandatory reactive power service, MRPS)可以提供各種不同的無功輔助服務輸出，指定特定的發電機輸出和吸收無功輔助服務，以幫助管理電壓接近連接點電壓水平。當強制無功服務不能滿足最低技術要求時，需要進行「加強的無功服務」，即包括安裝靜態補償裝置在內的一些技術支持手段實現電壓與無功調節。

4) 黑啟動

ASB負責提供黑啟動服務。ASB通過合同談判方式確定提供黑啟動服務的發電廠。在改革之初，是與改革之前承擔黑啟動的發電廠簽訂黑啟動服務合同。由於在電力市場化改革六、七年後，發電模式已發生了較大變化，因此黑啟動服務機制和相關政策也作了相應修改，過去長期提供黑啟動服務的一些電廠已經關閉。後來選擇確定一些CCGT型發電廠通過合同方式提供黑啟動服務。

1995年NGC要求各個發電廠確定自己各個機組提供黑啟動服務的成本，並將確定成本的細節提供給NGC。之後通過幾個月合同談判，於1996年形成了新的黑啟動服務合同。

3.2. 提供方式

目前英國電力平衡服務市場主要通過兩種交易方法獲得，一是通過簽訂雙邊合同，二是通過招投標市場，電網公司按照提供輔助服務的質量，數量和服務性質，選擇最經濟的供應商。上述的幾種輔助服務中，其中強制頻率響應、頻率控制需求管理、平衡機制啟動、需求管理、快速啟動和黑啟動是通過簽訂雙邊合同獲得。而固定的頻率響應、短期運行備用、無功調節則通過平衡服務市場獲得。快速備用既可以通過簽訂雙邊合同獲得，也可以通過平衡服務市場獲得。

3.3. 市場運作

在平衡機制中，被系統調度員要求提供平衡機制動作的「簽約方」允許對他的BM單元在相應時段內被接受的每個調整量進行買賣。由於購買的平衡服務的數量受經濟和技術兩方面的限制，應首先考慮Bid和Offer的有關技術限制以及動態參數，然後按Bid和Offer價格的高低加以選擇。當然了，當系統中再沒有可用的Bid和Offer時，就需要啟動「緊急程序」。輔助服務協議一般是在「關閘」之前簽訂的，這樣，就可以在平衡服務實施之前對價格以及服務的數量達成一致。輔助服務協議規定了在平衡機制內提供的輔助服務的內容和價格。

4. 兩個細則管理規定

4.1. 輔助服務的內容

兩個細則中對輔助服務規定如下：輔助服務是指為維護電力系統的安全穩定運行，保證電能質量，除正常電能生產、輸送、使用外，由併網發電廠提供的輔助服務，包括：一次調頻、自動發電控制、調峰、無功調節、自動電壓控制、旋轉備用、黑啟動等。

輔助服務分為基本輔助服務和有償輔助服務。基本輔助服務是指為了保障電力系統安全穩定運行，保證電能質量，發電機組必須提供的輔助服務，包括一次調頻、基本調峰、基本無功調節。有償輔助服務是指併網發電廠在基本輔助服務之外所提供的輔助服務，包括自動發電控制、有償調峰、有償無功調節、自動電壓控制、旋轉備用、黑啟動。

4.2. 提供方式

目前上述兩類輔助服務均是通過簽訂協議的方式予以確定。基本輔助服務服務和除黑啟動外的有償輔助服務在併網調度協議中籤訂；而黑啟動服務則是通過黑啟動協議確定。

4.3. 市場運作

基本輔助服務按規定必須提供，若提供不能滿足併網調度協議中關於其提供質量等相關要求，則對市場成員予以考核；有償輔助服務中自動發電控制等投入由調度員根據電網實際運行需要調整，其補償金額來源於考核費用等。

5. 借鑒意義分析

基於上述美國PJM電力市場、英國電力市場和兩個細則的介紹，本文認為當前電力市場化改革推進實施輔助服務市場時必須重點考慮如下方面要求：

(1) 必須尊重電力系統客觀規律，避免單純的依靠金融方式確定市場結構

備用、調頻等輔助服務實際上與電能密切關聯。特別時在開展現貨市場實踐中，必須同時考慮上述備用與電能的計劃安排。上述特點是電力系統物理規律決定的。以英國電力市場為例，由於其輔助服務主要通過合約形式確定，電能和輔助服務在市場上解耦，使得英國實際上沒有真正的現貨市場，僅能通過平衡機制實現供需平衡，滿足調節需要，而平衡機制的決策過程勢必將會與中長期計劃產生差別。隨著風電等新能源大規模接入，上述特點日益顯著，嚴重影響了市場正常運作。為此本文認為必須尊重電力系統客觀規律，協調好電能與輔助服務市場之間的關係。

(2) 必須因地制宜，合理確定輔助服務的範圍和類型

從上文介紹可以看到各電力市場對輔助服務的內容劃分不盡相同。特別在備用方面，差別很大。其根本原因在於不同國家和地區調度運行模式不同。已經有一套比較成熟的備用管理模式，能夠滿足電力系統運行要求，實際上不需要照搬國外的劃分方式。

(3) 必須加強監管，避免由於市場力作用導致的價格失真

美國PJM電力市場的改革經驗，一再證明必須加強市場監管，避免市場成員串謀、使用市場力等方式進行價格操縱。特別是在現貨市場中，必須加強對市場成員市場力監視，綜合考慮輔助服務、能量等不同市場交易類型的出清影響，量化其市場力程度，避免價格失真。

6. 結論

為了支撐當前電力市場快速發展將面臨的輔助服務市場管理問題，本文深入分析了美國PJM和英國兩個電力市場輔助服務管理的經驗，從輔助服務內容、提供方式、市場運作三個方面對上述兩個電力市場進行了介紹。在此基礎上介紹了當前以「兩個細則」為核心的輔助服務管理體系。通過對其對比提出了三個方面的借鑒。