新形势下电力系统供需互动问题研究及分析

时间：2022-05-05 10:16:24 所属分类：电工技术 浏览量:

长期以来，需求侧对于平衡电力供需，改善系统运行的主动作用未受到足够重视，在市场中也仅作为价格的被动接受者停留在市场的边缘。加州电力市场危机[1]等一系列电力市场发展出现的问题促使需求侧对系统运行的作用受到广泛关注[2]。如今电力系统的发展包括下述几个方面

　　长期以来，需求侧对于平衡电力供需，改善系统运行的主动作用未受到足够重视，在市场中也仅作为价格的被动接受者停留在市场的边缘。加州电力市场危机[1]等一系列电力市场发展出现的问题促使需求侧对系统运行的作用受到广泛关注[2]。如今电力系统的发展包括下述几个方面。

　　1)市场化改革的推进。 20 世纪 80 年代以来，世界范围许多国家都积极推动电力市场化改革，电力市场运行从垂直一体化的机制向开放市场转变，由此带来需求侧配合供给侧以更为有效地实现供需平衡的理念[3]。市场化的逐步深入，丰富了电力交易模式和手段，产生了灵活多样的交易机制，为需求侧参与市场提供了多种可能。在美国，联邦能源监管委员会每年向国会提交需求响应实施报告，系统分析需求响应实施的状况及对系统的影响[4]，2010 年《需求响应国家行动计划》的发布更将需求响应上升到国家层面。在英国目前的电力交易和输电制度模式下，超过市场总量 97%的电能通过双边交易完成[5]。在欧洲挪威等国，需求侧可参与市场竞价、调频并实现电力平衡。我国已在江苏、上海、浙江等地推广了峰谷电价，用户可根据自身用电特点选择是否执行，并对高峰时期自愿中断负荷的企业给予一定电费减免或补偿。云南等地开展了丰枯电价项目并扩大到 100kVA 以上的商业用电。2013 年初，国务院取消了电力用户向发电企业直接购电的行政审批权以支持大用户直购电的发展[6]。国家发改委印发了《分布式发电管理暂行办法》，整合管理分布式电源，引导其合理进入市场[7]。

　　2)智能电网的建设。需求侧能否有效参与电力系统运行，很大程度上取决于其成本、效益及自动化程度。智能电网作为 21 世纪电力系统的重大科技创新和变革趋势[8]，为此提供了技术支持。智能电网的发展提供了以高级计量基础设施 (advanced metering infrastructure，AMI)和能量管理系统(energy management system，EMS)为基础的双向通信设备和双向电力传输技术，克服了传统电能交易中电价等信息不对称而增加额外成本等问题，促进了交易的透明化，推动了电力行业的良性竞争。如参与智能电网的家庭用户中的 AMI 设备收集用电数据并与其他 AMI 设备和系统进行信息交换，EMS 根据用户设定[9]、智能电表记录统计[10] 或设备监测的负荷特性[11]帮助用户管理并协调互联于家域网中各用电设备的用电方式、主动参与电网管理和市场竞争，在保证用户满意度的情况下获得相应的经济效益。

　　3)可再生能源的发展。化石能源枯竭、节能减排等各方压力使得风电等可再生能源发电的穿透率持续增加，但同时也增加了发电侧的不确定性。单纯依靠发电侧确保系统安全运行的经济性较差，负荷配合，甚至主动追踪电力供给成为大规模可再生能源并网下系统安全运行的可靠保证。可再生能源的发展引入大量的分布式电源，传统用户可通过如屋顶光伏发电、小型风力发电机、备用电源、电动汽车等发电资源，从单纯的电能购买者转变为产销合一者[12]，在满足自身基本用电需求的同时，将富余电力送入电网。亦可与电网签订合同谋求更低的购电费用或管理价格波动带来的风险，使更利于资源配置的跨时空交易成为可能[13]。供需互动的概念在此背景下应运而生，是指电力系统中各方通过参与相关市场或服从系统调度而确定或调整发、用电方式，包括电能、信息和交易的互动。供需互动实现了供需双方资源的整合，以相对低廉的成本确保系统安全、经济运行，提升资源利用效率，推进形成竞争公平、价格合理的电力市场。

　　本文总结供需互动各实现形式的运行机理及在我国的应用，分析了供需互动下的市场特征及开展供需互动的效益，提出应进一步研究的问题及我国开展供需互动的建议。

　　1 供需互动的实现形式

　　1.1 互动形式的种类根据供需互动的行为主体及需求侧市场参与程度不同，主要归纳为以下形式。 1)供需单侧各方之间的互动形式。包括供给侧各方的发电权交易[14]和需求侧各方的用电权交易[15]。发、用电权交易分别是在电力供给充裕和短缺情况下，在供需内部各方之间通过交易调整发、用电的行为，以实现供需单侧整体的资源最优配置。 2)供需两侧各方之间的互动形式。根据各形式下需求侧参与和影响市场的程度不同，可分为需求响应(demand response，DR)[16]、需求侧竞价(demand-side bidding，DSB)[17-18]、负荷调度(load dispatch，LD)[19]、含分布式电源的调度 (distributed generator-included dispatch，DGD)[20]，如图 1 所示。需求响应是市场通过价格信号或激励手段，利用需求弹性引导电力用户做出响应，改变其电力消费模式以降低各方成本的供需互动形式。需求侧竞价中，电力需求侧不再仅作为价格接受者存在于市场，而是主动参与市场竞争，与供给侧共同议价，参与价格形成。

　　1.2 发电权交易发电权交易是发电商对在合约市场、日前市场等市场中竞争获得的发电许可份额按照一定的市场规则进行的交易[14]。“水火互济”、“丰枯互补”的水、火电协调生产的方式也成为电力系统长期优化调度的基本准则之一[21]。随着大规模可再生能源接入电网，风火置换交易被作为降低火电运行成本、规避风电生产风险和减少碳排放的方法被提出[22-23]。在我国，煤电在发电总量及全部装机容量中的占比依然很高，节能减排的压力巨大，且我国电源分布和结构不尽合理，可再生能源与负荷中心分布不协调，这些问题均能通过发电权交易的开展有所缓解，但我国发电权交易也存在着市场化程度低，灵活调整机制缺乏等不足。

　　1.3 用电权交易用电权交易指各电力用户根据自身需求，按照一定规则对用电权进行交易，实现电能使用在用户之间的自调整[15]，一般具有单位能耗 GDP 由高到低、缺电损失由少到多的方向性。用电权交易下开展电力用户互济是合理解决限电问题，促进有序用电，以市场手段优化配置资源、完善需求侧市场的有效方式[24]。用电权交易还可作为需求响应、负荷调度的一种市场化实现方式，有效削减峰荷，并为间歇性电源并网提供备用[25]，保证电力平衡并维持系统安全、稳定运行。近年来得益于投资建设和能源开发的力度加大，我国电力供需紧张形势得到缓和，但仍存在着区域性、时段性、季节性的缺电情况，考虑到我国电力市场化程度依然较低，用电权交易作为一种仅在需求侧内部优化的手段，改革成本较低，具有较强的可应用性。

　　1.4 需求响应需求响应是电力市场中用户针对市场价格信号或激励机制做出响应，并改变固有电力消费模式的供需互动形式。需求响应的应用使得需求侧在系统中充分发挥了维持可靠、安全运行和提高市场效率的作用。需求响应主要分为基于价格的需求响应和基于激励的需求响应两种形式。基于价格的需求响应指用户响应电价变化而做出的转移或削减负荷的行为，实现减少电费的目的。基于激励的需求响应指用户削减负荷或中断用电来获得经济激励的行为。2 类需求响应项目可协调开展，实现互补。需求响应还可作为一种虚拟资源进行交易，以协调各需求响应项目的开展为市场各参与方带来的效益[26]。率先由美国开展的开放式自动需求响应通信规范 Open ADR 实现了需求响应的自动化[27]，克服了响应延迟，可靠性低等劣势，表 1 概述了需求响应的常见项目及其应用。

　　1.5 需求侧竞价需求侧竞价是需求侧主动参与市场竞争的机制，用户可通过改变自身用电方式，以竞价的形式参与市场并获得相应的经济利益[18]。主要包括双边合同交易和参与市场竞标 2 种实施机制。双边合同交易是需求侧充分参与市场议价，构成多买方和多卖方的市场格局，实现对电力供需和电价体系合理调节的供需互动形式，既可作为电力交易方式的扩展，也可作为风险管理的手段[17]，是全面互动化智能电网的特征和期待[37]。考虑到实施成本，国际上普遍只开展电压等级或用电量符合一定条件的大用户参与同发电商的直接电能交易，我国早期在吉林、广东 2 地进行了试点[38]。合同交易的电能主要通过电网转运，产生输配电价格制定的问题。输配电定价模式总体上可分为单一电量定价、单一容量定价和两部制电价 3 类，基于输配电固定成本、网络损耗和网络阻塞成本等进行分摊[39]。需求侧可将全部需求参与市场竞争，即提供类似发电商竞价曲线的需求侧竞价曲线[40]，如北欧电力市场中电力零售商的线性报价模型[41]等;也可参与内容丰富的需求改变量的市场竞争，如电能及备用联合出清[42]、辅助服务市场竞价[43]、增减负荷竞价[44]等。

　　2 供需互动的市场特征

　　2.1 市场购售电需求电力市场中供需互动的存在，扩展了市场中的交易模式，调节了价格形成机制，影响了市场的购售电需求。在双边合同、现货市场交易以及用户自备发储能设备的多市场跨度互动交易模式下，发电商、电力公司、用户三方需以效益最大化为原则对其各自的交易策略进行优化调整。 1)发电商收益函数。 cc g t m t R p c v cQ p c c ( )[ ] β + = − + +− (1) 式中：右边第 1 项表示合同交割的收入，pc、cc 分别为合同电价和电量;第 2 项表示合同执行的容量成本及电量成本，v、Qg 分别为容量及电量，β、c 分别为单位容量成本和电量成本;第 3 项表示在零售市场上的收益，pt、cm 分别为零售电价和短期边际成本，ct 为零售电量，[pt−cm] + 表示只有在零售电价高于短期边际成本时，发电商才向市场售电。 2)电力公司收益函数。 cc tt R R D pc pc = −− ( ) (2) 式中：右边第 1 项为售电收入;第 2 项为合同交割的成本;第 3 项为在零售市场购买电能的成本。 3)用户用电成本函数。 cc tt t g C pc pc V D p r [ ( , )]+ = +− (3) 式中：右边第 1 项为用户直接与发电商交易的合同交割成本，包括应分摊的输配电费用;第 2 项为用户从零售市场上购电的成本;第 3 项表示用户启用自身掌握的发电设备或储能装置的净收益，rg 为用户向电网送电的收益，[V(D, pt)]+ 为用户向电网送电的电量，由户自发电设备或储能装置的启停策略用户自身需求 D、市场价格交易信息 pt 等确定。

　　2.2 供求机制由于电力资源实时平衡和无法大规模经济存储的特点，传统的电力市场无法像多数商品那样通过建立足够的仓储设施储存，以及时准确地投放市场，解决供求平衡问题。由于这种市场严格以销定产的特点，唯有不断的扩建、升级发、输电设备，增大投资，才能满足日益增长的电力需求。可能带来诸如大范围缺电、系统可靠性降低、发电商持留发电容量谋取超额利润、电力公司承受较大风险等问题。而在供需互动的电力市场中，供需平衡可通过多种渠道实现。需求侧丰富的市场参与形式使得传统的负荷可被视为与发电资源同样的能够动态调度管理的资源。需求侧通过签订合约、调整电力需求的时空分布、自身掌握发电能力等方式参与市场的供需平衡调节，配合供给侧缓解供需矛盾，合理配置供需资源。

　　2.3 价格机制价格机制是市场机制的核心内容，体现了市场供需相互影响、相互决定的关系。我国目前执行的电价包括上网电价、输配电价和销售电价。不存在供需互动关系的电力市场中，电价机制具有不合理、波动大的特点。一方面如上文所述，发电商为追逐自身利润，可能采用持留发电容量等手段抬升市场电价，特别是在需求侧基本不表现价格弹性的情况下，将产生价格尖峰;另一方面由于以销定产的市场特征，导致风水季节弃水等现象的发生，同时，为避免负荷水平频繁变化时机组启停造成的经济损失，负荷水平较低时，电价会降至较低的水平，甚至出现负电价，置市场参与者于风险之中。

　　3 供需互动的效益分析

　　供需互动各实现形式的互动速度和深度有所差别，但其效益主要包括：

　　1)削峰填谷，提升负荷率和设备运行效率，减缓电力系统的建设投资。需求侧可根据市场价格信号[69]、调度指令[60, 70-72]等调节负荷，通过削减或转移高峰时段的负荷达到削峰填谷的效果，提高负荷率和电力设备的运行效率，在保证可靠性的基础上，延缓系统的扩建和升级。负荷曲线的削峰填谷可为市场带来可观的利益，一份对加州电力市场失败的分析显示高峰时段 5%的需求减少即可带来 50%的价格下降[73]。

　　2)节能减排，提升电网对可再生能源的消纳能力。传统的电力市场中，由于供需之间不存在互动关系，发电侧只能实时根据负荷的变动调节出力以保证供需的实时平衡，具有不确定性的可再生能源大规模并网在给系统平衡提出巨大挑战的同时，还存在着利用效率偏低的问题。供需互动的电力市场中，一方面交易往往具有节能减排的方向性，如发电权交易，国家电网的数据显示我国 2013 年前 3 季度完成的 641 亿 kW⋅h 的发电权交易节约标准煤 485 万 t，减排 CO21245 万 t;另一方面通过对于负荷进行直接或利用电价等市场信号间接的控制，实现对可再生能源发电变化的跟踪，如以电动汽车充电控制为例的负荷调度[74]，基于实时电价的需求相应项目[16]等;再一方面由于分布式发电的推广[75]，分布式大多应用可再生能源或燃料电池，本身具有环境友好性，而且合理优化的时空调度可减少供需不平衡引起的电能损失，提升可再生能源利用效率[76]。

　　3)丰富电网运行的控制和调节手段，为系统提供辅助服务，提升系统的可靠性。美国 PJM 市场已建立紧急负荷响应项目、经济负荷响应项目和同步备用市场等需求响应项目，为系统的安全可靠运行提供保证[77]。通过需求侧内部有序用电交易的开展[25]，及对负荷及分布式发电的出力状态、出力水平的控制和调节，也可为系统提供调频、调峰及备用等辅助服务[64,78-79]。

　　4 进一步研究的问题

　　结合电力系统发展,供需互动进一步的研究应着重在以下方面开展。首先，供需互动为价格形成及调节提供反馈机制，使其更合理、稳定，但用户对价格或调度信号的响应具有强烈的不确定性，特别是在大规模可控负荷和分布式电源接入电网的情况下[26,80]。因此，后续研究应充分考虑用户的随机行为，制定系统整体最优的供需互动项目，妥善解决由于供需互动的开展使系统运行调度更为复杂的问题，实现更为详细、完善的控制目标，充分发挥智能负荷本身的可控性，实现“源荷共舞”，打造安全、绿色电网。其次，电力系统实时平衡的特性要求所有的供需不平衡都需及时有效地补偿，供需互动正是起到维持系统供需平衡的作用。但不同的供需互动形式适用的市场环境、自身的时间跨度、为系统提供的支持、及对市场各方带来的成本和收益各不相同。目前的研究大多只考虑少数几种形式下的协调调度问题，未来的研究中应对各种供需互动形式相互影响下的优化调度、各方收益等进行综合分析，实现不同时空下供需互动各形式的优势互补，如在开展大用户直购电的同时开放发、用电权交易的二级市场[37]等多市场、跨市场的交易优化等。还应针对市场各方提出应对不同市场环境、不同互动形式下实现利益最大化的博弈策略。再次，风能、光伏等可再生能源大规模接入电网已是解决能源、环境问题的有效手段，也是电力系统发展的必然趋势。目前的研究一方面集中在通过进行补贴、实行配额等方式，控制各方风险，促进风能等可再生能源的消纳[81];另一方面通过价格信号、调度措施，利用需求侧弹性，引导负荷向消纳可再生能源的方向变化，如第 2 节中提到的需求响应项目，负荷调度等。本文认为，由于供需互动的电力市场中存在着多种交易互动形式，因而可通过制定一种具有最大化各方效益、控制各方风险、以及具有合理的价格机制特性的交易模式，从市场机制的角度提升可再生能源发电参与市场的公平性和竞争力。最后，完善的市场需要具有吸引各方参与、让各方均可受益的能力，这要求对供需互动的动态过程、机理、效益及市场效率等运用计量经济、产业经济、系统动力学模型进行模拟和实证测算，此方面的相关研究还有待深入。

　　5 我国开展供需互动的建议

　　1)促进电力市场改革，营造智能电网运行平台。电力系统的供需互动为价格形成及调节提供了反馈机制，发挥市场配置资源的优势，有助于形成高效的用电负荷，对于平衡实时供需和预测未来趋势，需求市场整体最优，发挥供需互动对系统安全稳定运行及市场公平合理化发展的意义重大。与一些已形成较为有效的供需互动项目的发达国家相比，我国尚处于起步阶段，但发展潜力巨大。新形势下，应首先集中在电价形成机制的进一步完善以及用户端购电的开放，如积极推进大用户直购电项目以及分布式可再生能源并网，并充分发挥价格信号在反映及调节供需关系中的重要作用。同时，尝试开展有序的需求响应项目，完善可再生能源的电价及激励机制，通过技术手段和市场方式提升整体的能源效率。

　　2)培育智能用电负荷。智能电网为系统供需双方提供了双向互动的电能、信息交流通道，使更多的用电负荷智能化、互动化，成为可调度的终端资源。首先，家用负荷中存在着诸多具有潜力的可控负荷，包括空调、热水器等，通过能量管理系统进行有效的调配可为用户节省电费，也可增强系统运行的安全性和可靠性;其次，风能、光伏等可再生能源大规模接入电网已被普遍接受为解决能源、环境问题的有效手段。随着技术经济的发展，传统电力用户将越来越多的拥有电动汽车、小型分布式清洁电源等可与电网进行电能互动的资源。本文认为，应充分利用市场化手段通过价格信号、调度措施，利用需求侧弹性，引导负荷向系统安全、可靠、经济、绿色运行的方向发展。

　　3)提升信息通信能力。智能电网环境下供需互动的开展要求建设高速、宽带、自愈、安全的坚强电力信息网络，为电力智能化系统提供“即插即用”的电力信息通信保障。首先，电力通信系统是智能电网的重要组成，需与智能电网业务配合进行统一规划，需要开放的网络架构，通用的通信标准;其次，应充分考虑未来资源及数据量的增加，这对传输网络带宽及可靠性提出苛刻的要求，因而通信平台的建设要充分考虑未来网络扩展，做好冗余配置;最后，智能电网要求其数据通信应具有开放性，但同时应保证用户数据的隐私安全。

　　参考文献

　　[1] Borenstein S.The trouble with electricity markets (and some solutions)[R].USA：California's electricity market， 2001.

　　[2] Kirschen D.Demand-side view of electricity markets [J].IEEE Transactions on Power System，2003，18(2)： 520-527.

　　《新形势下电力系统供需互动问题研究及分析》来源;《中国电机工程学报》，作者：王锡凡，肖云鹏，王秀丽

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