隨著電力市場改革逐漸進入深水區(qū)，以及南方（以廣東起步）、蒙西、浙江、山西、山東、福建、四川、甘肅8個電力現(xiàn)貨試點全部進入模擬試運行，關(guān)于市場環(huán)境下電力系統(tǒng)安全可靠性問題的爭論重新浮出水面。

 

本文從以下3個方面對市場環(huán)境下的電力系統(tǒng)安全可靠性問題進行了解讀：市場環(huán)境下電力系統(tǒng)安全可靠性的基本內(nèi)涵、市場環(huán)境下確保電力系統(tǒng)安全可靠性的措施與經(jīng)驗教訓(xùn)，以及我國當前電力市場設(shè)計中對安全可靠性問題的考慮。文章認為，電網(wǎng)安全性話題是電改需要著重考量的因素，但不應(yīng)該成為推行電改的障礙。
 

（文丨陳皓勇）

 

 

01

籠統(tǒng)地談?wù)摪踩煽啃詻]有意義

 

 

現(xiàn)代電力系統(tǒng)已發(fā)展成為多層級、多區(qū)域、多時間尺度的復(fù)雜工程系統(tǒng)，被稱為“世界上最大的人造機器”，其規(guī)劃、運行、控制均十分復(fù)雜，電力系統(tǒng)的安全可靠性問題也是針對不同性質(zhì)、不同時間尺度、不同影響范圍分別開展研究的。因此籠統(tǒng)地談安全可靠性沒有意義，必須針對具體問題一一分析和解決。

      

電力系統(tǒng)安全可靠性是指電力系統(tǒng)能夠不間斷地向用戶提供合乎質(zhì)量標準和數(shù)量要求的電力和電量的能力，包括兩方面的內(nèi)容：充裕度（Adequacy）和安全性（Security）。前者是指電力系統(tǒng)有足夠的發(fā)電和輸電容量，在任何時候都能滿足用戶的負荷需求，表征了電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；后者是指電力系統(tǒng)在運行中承受故障擾動（例如突然失去電力系統(tǒng)的元件或短路故障等）的能力，包括電力系統(tǒng)能承受住故障擾動引起的暫態(tài)過程并過渡到一個可接受的運行工況和在新的運行工況下各種約束條件能得到滿足兩個方面，表征了電力系統(tǒng)的動態(tài)性能。

      

從充裕度的角度講，整個電力系統(tǒng)的可靠性分為與發(fā)電有關(guān)的可靠性和與輸電有關(guān)的可靠性兩類。與發(fā)電有關(guān)的可靠性是指直接與發(fā)電容量可用度有關(guān)的可靠性（假定輸電系統(tǒng)容量無限大）。換句話說，發(fā)電可靠性只有增加該地區(qū)發(fā)電可用容量才能得到改善。與輸電有關(guān)的可靠性是指直接與輸電容量可用度有關(guān)的可靠性（假定發(fā)電容量無限大）。因此，輸電可靠性將決定地區(qū)電網(wǎng)以一定概率供電的可靠性。電力系統(tǒng)的可靠性可采用一系列量化指標來衡量。最常用的充裕度指標有“電力不足概率”（Loss of Load Probability，LOLP）和“電量不足期望值”（Expected Energy Not Supplied，EENS）等，它們同時適用于發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)可靠性評估。

      

從安全性的角度講，自20世紀20年代起電力工作者認識到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題并開展研究以來，世界各地發(fā)生了多起由于電力系統(tǒng)失穩(wěn)導(dǎo)致的大停電事故，這些事故造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，同時也反映出研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要意義。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到事故擾動后保持穩(wěn)定運行的能力。電力系統(tǒng)兩大國際組織國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）和國際電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）曾分別給出過電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義。我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（DL 755-2001）也系統(tǒng)地給出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義和分類。

 

 

02

需探索安全性保障新機制

 

 

為保障電力系統(tǒng)的安全可靠性，在規(guī)劃、運行中均需要采取一定的措施。在確保充裕度方面的措施有：通過電源優(yōu)化規(guī)劃確保發(fā)電系統(tǒng)充裕度，通過輸電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃確保輸電系統(tǒng)充裕度。電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的任務(wù)之一就是通過電力系統(tǒng)的安全校核，包括穩(wěn)態(tài)的N-1安全校驗和暫態(tài)的穩(wěn)定計算來保證系統(tǒng)達到一定的安全標準。而從電力系統(tǒng)運行的角度，為確保安全性，我國電力工程人員在長期的實踐中提出了著名的“三道防線”：

 

第一道防線——快速可靠的繼電保護、有效的預(yù)防性控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生常見的單一故障時保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電；

 

第二道防線——采用穩(wěn)定控制裝置及切機、切負荷等緊急控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴重故障時能繼續(xù)保持穩(wěn)定運行；

 

第三道防線——設(shè)置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，當電網(wǎng)遇到概率很低的多重嚴重事故而穩(wěn)定遭受破壞時，依靠這些裝置防止事故擴大，防止大面積停電。

      

在壟斷環(huán)境下，電力系統(tǒng)的安全可靠性完全由壟斷的電力部門負責。在市場環(huán)境下，電力工業(yè)由不同的市場參與者組成，電力系統(tǒng)的安全可靠性問題不再是單純的技術(shù)問題，不僅要考慮在安全可靠性和經(jīng)濟性之間尋求適當?shù)恼壑裕疫€要協(xié)調(diào)各市場主體之間的利益。市場主體將更多地關(guān)注自身的經(jīng)濟利益，為保障系統(tǒng)安全可靠性的付出需要得到明確的回報。在這種情況下，如何保證電力工業(yè)建設(shè)的適當超前，使電源和電網(wǎng)具有足夠的充裕度？如何保證系統(tǒng)運行時激勵發(fā)電廠商提供足夠的有功和無功電源？如何使輸配電系統(tǒng)適應(yīng)瞬息萬變的運行情況？這些是在市場環(huán)境下確保電力系統(tǒng)安全可靠所需要關(guān)注的重點內(nèi)容。

      

在引入競爭機制后，擴建或新建發(fā)電機組將由壟斷電力部門的決策轉(zhuǎn)向分散的發(fā)電公司的決策。發(fā)電公司只在新機組能帶來利潤時才會投資，因此傳統(tǒng)的“由上而下”的發(fā)電系統(tǒng)可靠性管理模式將被市場環(huán)境下發(fā)電主體“由下而上”的對投資回報期望的反應(yīng)來代替。同樣，作為輸變電設(shè)備的所有者，也只有在其投資有較好回報的情況下才會籌建新的工程項目。在這種條件下，必須量化并公平分配可靠性效益，才能調(diào)動各方面積極性，使電網(wǎng)建設(shè)更趨合理。

      

在壟斷環(huán)境下，整個電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、售電是統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度的，運行方式安排相對比較簡單，系統(tǒng)運行的安全、可靠容易得到保證。在電力市場環(huán)境下，電力交易瞬息萬變，電力調(diào)度既要保證公平競爭，又要保證安全運行。在這種環(huán)境下，必須研究和開發(fā)新的優(yōu)化模型和算法，包括：安全約束機組組合和經(jīng)濟調(diào)度、安全校核、阻塞管理、輔助服務(wù)交易計劃等。此外，市場環(huán)境下，由于多個不同利益主體的存在，傳統(tǒng)的基于安全穩(wěn)定導(dǎo)則的電力系統(tǒng)安全性保障方法將會遭遇重大挑戰(zhàn)，需要探索安全性保障的新機制。

 

 

03

靈活性不高仍是“短板”

 

 

根據(jù)2016年頒布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年全國煤電裝機容量將控制在11億千瓦以內(nèi)。目前，已提前完成了“十三五”期間淘汰落后的煤電機組2000萬千瓦的任務(wù)。從2016年以來，我國煤電去產(chǎn)能從未停止，加上近年來突飛猛進的新能源裝機量，以及水電、核電的效率提升，火電企業(yè)的市場正在被擠壓，全國各省份火電利用小時數(shù)在4000小時上下浮動，火電廠普遍經(jīng)營困難。此外，棄風(fēng)棄光問題依然比較嚴重。

      

因此，從電量的角度，發(fā)電容量是過剩的，充裕度不存在問題，但電源結(jié)構(gòu)不盡合理，發(fā)電機組的性能特別是靈活性仍有待提高。根據(jù)國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《解決棄水棄風(fēng)棄光問題實施方案》（發(fā)改能源〔2015〕1942號），2017年“三北”地區(qū)開展1635萬千瓦火電靈活性示范項目改造，增加系統(tǒng)調(diào)峰能力480萬千瓦，并繼續(xù)擴大火電機組靈活性改造范圍，大幅提升火電調(diào)峰能力。按照經(jīng)濟技術(shù)合理原則，“十三五”期間開工抽水蓄能電站共計約6000萬千瓦，其中“三北”地區(qū)約2800萬千瓦。在華北、華東、南方等地區(qū)建設(shè)一批天然氣調(diào)峰電站，新增裝機500萬千瓦以上。首先在東北地區(qū)建立并且在全國推廣的調(diào)峰服務(wù)市場機制成效顯著，深入挖掘了電網(wǎng)調(diào)峰潛力，提高了系統(tǒng)靈活性，促進了風(fēng)電核電等清潔能源消納，顯著提高了電網(wǎng)安全運行水平。后期市場建設(shè)工作中應(yīng)繼續(xù)加強靈活性資源定價機理研究及市場機制建設(shè)。

 

 

04

節(jié)點電價并非“必選項”

 

 

當前，我國已形成東北、華北、華中、華東、西北、南方六個大型區(qū)域交流同步電網(wǎng)。在現(xiàn)有六大區(qū)域電網(wǎng)中，西北電網(wǎng)以750kV交流為主網(wǎng)架；華北電網(wǎng)和華東電網(wǎng)已經(jīng)建有1000kV交流特高壓工程，主要發(fā)揮作用的仍然是500kV網(wǎng)架；其他區(qū)域均以500kV為主網(wǎng)架。我國電網(wǎng)規(guī)模世界第一，但仍長期存在一些根本性問題，特別是全國電網(wǎng)存在著整體利用率偏低，局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化、穩(wěn)定運行壓力大等問題。相對于西方國家，我國輸電網(wǎng)較新，設(shè)備冗余度高，500kV輸電線路輕載情況相對較為嚴重，大部分線路處于長期輕載的情況，只有少數(shù)線路負載率超過50%。

      

美國電網(wǎng)迄今已有100多年的建設(shè)發(fā)展歷史，最初是由私營和公營電力公司根據(jù)各自的負荷和電源分布組成一個個孤立的電網(wǎng)，隨后在互利原則基礎(chǔ)上通過雙邊或多邊協(xié)議、聯(lián)合經(jīng)營等方式相互聯(lián)網(wǎng)。美國電網(wǎng)建設(shè)基本停滯，輸電能力不足，阻塞嚴重。因此在美國電力市場，引入節(jié)點電價體系是合理的，可以使交易出清結(jié)果自動滿足輸電線路傳輸容量約束，并且更加公平地分攤輸電阻塞費用。

      

但我國電網(wǎng)是國有資產(chǎn)占絕對優(yōu)勢的統(tǒng)一大網(wǎng)，而且輸電阻塞并不嚴重，在電力系統(tǒng)運行中也積累了豐富的斷面潮流控制技術(shù)經(jīng)驗，并不需要將阻塞費用細分到每個節(jié)點。另一方面，我國幅員遼闊，各地區(qū)要素水平和資源稟賦差異巨大，經(jīng)濟發(fā)展不平衡，電力市場作為要素市場的一部分，電價應(yīng)更多地考慮地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和行業(yè)的差異，因此分區(qū)電價更加符合我國國情。

 

 

05

應(yīng)保留一定比例的物理合同

 

 

現(xiàn)貨與中長期交易（合同交易）是電能量市場的兩種主要交易方式，當前對中長期交易采用物理合同或金融（財務(wù)）合同存在一定的爭議。電力現(xiàn)貨市場的理論基礎(chǔ)為美國麻省理工學(xué)院F. C. Schweppe教授等人提出的實時電價（spot pricing）理論，取決于某一時段的電力供需情況。

      

實時電價在理論上十分精致，卻有兩個重大缺陷：

 

一是仍然基于傳統(tǒng)的分時調(diào)度模型，沒有認真處理跨時段（inter-temporal）的成本/效益變化，因此也忽略了電能生產(chǎn)和消費的時間連續(xù)性這個十分重要的特征；

 

二是假設(shè)同一時段的電能商品都是同質(zhì)的，忽略了基荷、腰荷和峰荷機組區(qū)別明顯的技術(shù)特征及成本構(gòu)成。

 

此外，基于短期調(diào)度模型的實時電價并不包括長期發(fā)電容量投資的經(jīng)濟信號，無法保證發(fā)電容量的充裕性。在新能源大規(guī)模接入的條件下，由于光伏、風(fēng)電低邊際成本的特點，將火力發(fā)電在以分時邊際成本為基礎(chǔ)的現(xiàn)貨競價交易中擠出，不但導(dǎo)致火力發(fā)電難以生存，還引起了多起大停電事故。

      

實際上，現(xiàn)貨價格主要適合于調(diào)峰機組、儲能、需求側(cè)響應(yīng)等主體所提供的 “邊緣性”電力平衡商品的定價，對于負荷平穩(wěn)的基荷電力及發(fā)電機組（例如核電機組）而言，隨負荷波動的現(xiàn)貨價格并無意義，而物理合同是更加適合這些供需主體的交易方式。火電等大容量機組提供的不僅僅是電力電量，還有轉(zhuǎn)動慣量、彈性（resilience）等確保電力系統(tǒng)安全可靠運行的重要特性，在電力系統(tǒng)中應(yīng)占有一個合理的比例。因此在電力市場設(shè)計中，保留一定比例的物理合同對電力系統(tǒng)安全可靠性是有利的。

 

 

06

調(diào)度和交易功能需合理定位

 

 

我國與國外電力市場改革的起點不同，目標也不同，改革步驟上也有所區(qū)別。國外電力市場改革是從成熟的經(jīng)濟調(diào)度的基礎(chǔ)上開始的，比較容易實現(xiàn)集中競價的現(xiàn)貨交易（特別是發(fā)電側(cè)單邊競價的電力庫模式）。而我國電力市場是從基于純電量的大用戶直接交易（中長期交易）的基礎(chǔ)上開始的，在當前我國各省區(qū)的電力市場設(shè)計中，中長期交易一般在電力交易中心開展。

      

《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9號）中提出“建立相對獨立的電力交易機構(gòu)，形成公平規(guī)范的市場交易平臺”。當前，所有省份均建立了省級電力交易中心并組建了兩個國家級的電力交易中心，這些交易中心有電網(wǎng)公司的獨資子公司，也有電網(wǎng)絕對或相對控股的有限責任公司。隨著改革的深化，當前交易中心獨立的改革已經(jīng)提上議事日程。隨著8個電力現(xiàn)貨試點進入模擬試運行，調(diào)度獨立的討論也浮出水面。調(diào)度和交易功能的合理定位有利于電力系統(tǒng)安全可靠性的維持。

      

如前所述，歐美國家電力市場的日內(nèi)、日前及更長時間尺度的提前交易都是在獨立于輸電系統(tǒng)運營商的交易所進行的，在長期的運營實踐中已證明電力系統(tǒng)的安全可靠性是有保障的。從關(guān)于電力系統(tǒng)安全性的相關(guān)概念及大停電事故的介紹，可以看出，一般電力系統(tǒng)安全控制的關(guān)鍵時期為事故發(fā)生后幾秒到1—2個小時內(nèi)，因此為保證事故發(fā)生后安全控制手段的快速協(xié)調(diào)，將實時平衡市場和調(diào)度操作權(quán)保留在電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)是有利的，也是能夠保證安全的。

 

 

07

應(yīng)建立多日前、多階段現(xiàn)貨市場

 

 

根據(jù)國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的電力體制改革配套文件《關(guān)于推進電力市場建設(shè)的實施意見》（發(fā)改經(jīng)體〔2015〕2752號），現(xiàn)貨市場主要開展日前、日內(nèi)、實時電能量交易。這種電力現(xiàn)貨市場的概念主要來自于國外電力市場的spot market。但如前所述，國外現(xiàn)貨市場是在成熟的經(jīng)濟調(diào)度的基礎(chǔ)上建立起來的，而在市場化改革前采用日前、日內(nèi)、實時機組組合和經(jīng)濟調(diào)度又與電源結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

      

以美國為例，歷史上以煤電為主，2005年氣電裝機超越煤電成為第一大電源。2012年美國裝機11.58億千瓦，其中，氣電裝機約占總裝機的42.5%，煤電裝機約占29.2%，核電和水電裝機分別占9.2%和8.7%，風(fēng)電裝機占5.0%，油電裝機占3.6%。除煤電和核電外，美國大部分機組都可實現(xiàn)日內(nèi)啟停，因此建立日前和實時兩階段現(xiàn)貨是合理的。

      

而從我國的情況來看，截至2018年底，全國發(fā)電設(shè)備容量19.0億千瓦，其中，火電11.4億千瓦（占60.2%），水電裝機3.5億千瓦（占18.5%），核電4466萬千瓦（占2.4%），風(fēng)電1.8億千瓦（占9.7%），太陽能發(fā)電1.7億千瓦（占9.2%）。從發(fā)電量的角度，2018年全國全口徑發(fā)電量6.99萬億千瓦時，其中火電占比70%左右。由于燃煤機組啟動過程步驟多、時間長，日內(nèi)啟停的安全性、經(jīng)濟性和操作性不佳，故需要在更長的時間跨度上優(yōu)化機組啟停。因此，應(yīng)突破國外市場模式的局限，研究和建立涵蓋多日前、日前、日內(nèi)和實時交易的多階段現(xiàn)貨市場機制。

 

 

08

輔助服務(wù)市場 要立足國情

 

      

為解決電力電量平衡問題和確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，除已全面推廣的我國特有的實時深度調(diào)峰外，還可根據(jù)我國電源、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立適合國情的其他調(diào)峰、備用和調(diào)頻輔助服務(wù)市場機制。

      

火電機組啟停調(diào)峰交易是指火電機組通過停機備用將低谷時段電力空間出讓給風(fēng)電、核電，在高峰時段重新啟動以適應(yīng)負荷增長的需求，緩解電網(wǎng)調(diào)峰矛盾，促進清潔能源消納的交易，在東北、福建、江蘇、河南等省區(qū)已建立火電啟停調(diào)峰交易機制。傳統(tǒng)的輔助服務(wù)設(shè)計中均僅考慮改變發(fā)電側(cè)發(fā)電功率以適應(yīng)用戶負荷的不斷變化，如果能建立可中斷負荷調(diào)峰交易，使得電力用戶能夠?qū)κ袌鲋屑眲∩仙挠秒姼叻遄龀鲰憫?yīng)（即削減負荷），將有利于電力系統(tǒng)的安全運行，上述建立了火電機組啟停調(diào)峰交易的省區(qū)大多數(shù)也都同時建立了可中斷負荷調(diào)峰交易。

      

原國家電力監(jiān)管委員會《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（電監(jiān)市場〔2006〕43號）中所規(guī)定的旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用（冷備用）也可通過市場競價的方式來提供。旋轉(zhuǎn)備用是指為了保證可靠供電、可再生能源消納，電力調(diào)度機構(gòu)指定的并網(wǎng)機組通過預(yù)留發(fā)電容量所提供的服務(wù)，旋轉(zhuǎn)備用必須在指定時間內(nèi)能夠調(diào)用。冷備用指并網(wǎng)火電發(fā)電機組、核電機組等按電力調(diào)度指令停運，到接到電力調(diào)度指令再次啟動前的備用狀態(tài)，一般規(guī)定備用時間需大于72小時。

      

此外，在現(xiàn)貨市場開啟前，廣東、山西、山東、福建等省份均建立了調(diào)頻輔助服務(wù)市場，與國外現(xiàn)貨市場開啟后的調(diào)頻輔助服務(wù)也是有區(qū)別的，也應(yīng)深入研究適合國情的調(diào)頻輔助服務(wù)市場機制。

      

（作者系華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟與電力市場研究所所長）