电力工业市场化改革对电力系统恢复的影响.pdf

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1、1电力工业市场化改革对电力系统恢复的影响*林振智，文福拴（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）摘要：电力工业的市场化改革对电力系统恢复问题具有一定的影响。本文分析和比较了在传统的电力工业中和电力市场环境下的电力系统恢复问题，从黑启动机组、黑启动成本、电力系统恢复试验、运行调度和配电系统恢复这五个方面阐述了电力市场改革对电力系统恢复的影响。关键词：电力市场；系统恢复；黑启动；配电系统恢复0 引言1电力系统恢复不是一个新的问题,自从包括发电、输电和配电的所谓的电力系统出现以后这个问题就存在。在系统完全或部分停电后,电力系统就需要尽快恢复,以便向受影响的用户尽快提供电力。在传统的垂直一体

2、化垄断运营的电力系统中，电力系统的恢复过程一般由调度机构确定。由于整个电力工业由一家公司甚至政府所有，提供恢复服务的都是由隶属于同一经济实体的企业，恢复决策过程不涉及经济问题，可以专注于恢复过程的技术要求与限制，原理上比较简单。文献1,2较为全面地介绍了在传统的电力工业环境下电力系统恢复的技术和经验。在电力市场环境下，由于输电系统的运行方式与规划的情况不同，以及竞争所带来的降低成本的压力，电力系统运行于更接近极限的状态。这些因素增加了发生事故特别是大停电事故的可能性3。近年来，世界范围内发生了多起大停电事故，这凸现了研究电力系统完全或部分停电后的恢复问题的重要性和现实意义4。在电力市场环境下，

3、为系统恢复提供支持如黑启动服务一般被分类为辅助服务。在新的市场环境下，系统恢复服务的供给在技术上与在传统的电力工业中是相同的，提供的方式也相似5。然而，在市场环境下发电公司成为法人*国家自然科学基金资助项目(50477029)；华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室开放课题资助实体和独立核算、自主经营、自负盈亏的市场竞争主体，其运营目标是最大化其利润，传统的集中管理被分散决策所代替，对系统的安全运行带来一定的影响6。这种新的市场环境要求更深入地了解与提供电力系统恢复服务相关的各种设备的成本、价值和重要性。只有深入地考察这些问题，设计适当的获取机制，对市场环境下各独立的商业实体进

4、行适当的补偿，利用市场价格信号和协议来控制和指导市场参与者提供电力系统恢复服务，才能保证该服务的有效供给。到目前为止，讨论电力市场环境下电力系统恢复问题的文章数量很少，只有 10 多篇，也不够全面和深入。在此背景下，本文分析和比较了电力市场改革前后电力系统的恢复问题。主要从黑启动机组、黑启动成本、电力系统恢复试验、运行调度和配电系统恢复等五个方面分别阐述了电力市场改革对电力系统恢复的影响。1 电力工业市场化改革对黑启动的影响1.1 黑启动机组传统地，全系统大停电后的电力系统恢复是依靠水电厂或燃气轮机组的黑启动能力，通过预先制定的恢复路径进行的。随着电力工业市场化改革的不断深化，需要更仔细地调查

5、不同类型发电厂的黑启动能力。近年来，热电厂的发电机组对系统恢复的贡献得到了比较普遍的关注，特别是热电联产发电厂（Cogeneration）的黑启动能力7,8。在传统的电力工业中，一般不会把独立发电厂和嵌入式发电厂（Embedded generation）作为黑启动电厂。在市场环境下，由于独立发电公司所拥有的联合发电厂通常位于或接近工业区，故其更有利于为系统恢复提供黑启动服务。在这种环境下，一旦发生全系统停电事故，可以由多个发电公司共同承担黑启动服务。这有助于系统调度机构在没有得2到黑启动电源的情况下对临近的用户和热电厂电气辅助设备快速供电。这些发电公司除了可以持续对热负荷供电外，同时也能够得到

6、与提供黑启动服务相关的利润。一般而言，热电联产发电厂可以分为对自己内部网络供电的电厂和主要对电力系统供电的电厂。对于前一种，由于其独立于输电网络，从而缺乏旋转备用和调节设备，一般难以保证电能质量。后一种则融入了电力系统，能够利用系统的旋转备用和调节设备，但另一方面也受系统故障的影响。1.2 黑启动成本在传统的电力工业中，系统调度机构负责系统恢复过程包括确定黑启动电源。在电力市场环境下，一旦发生大停电事故，在准备和执行电力系统恢复策略和计划的过程中，由于涉及到成本问题，协调所有相关的市场参与者之间的利益一般比较困难。从总体上讲,虽然黑启动成本相对于整个电力系统的总发电成本而言非常小，但对于单个发

7、电公司而言则可能相当可观。为了保证能够获得可靠的黑启动辅助服务，需要联合考虑技术需要和经济激励。此外，如果有足够多的发电公司能够且愿意提供黑启动服务，则可以通过竞争的方式来发现黑启动服务的价格（价值）。在市场化改革后，需要重新考察发电机组的性能和整个系统的需要。由于发生全系统停电的事件非常少见，不充分的经济激励可能无法激励发电公司提供黑启动服务。此外，为了确保黑启动辅助服务职责的实施，需要对承诺但实际未能提供黑启动服务职责的发电公司处以重罚。在制定经济激励或惩罚过程中，对快速和灵敏的机组应该给予特别的考虑，因为这类机组对系统的快速恢复具有重要的作用；另一方面，在确定需要分担的黑启动服务费用时，

8、需要考虑市场参与者尤其是发电公司的受益程度9,10。在电力市场环境下，获取黑启动辅助服务可以分阶段进行。在第一阶段，采用基于成本补偿的方式1113，目标是鼓励现有的具有黑启动能力的机组继续维持其实施黑启动服务所需的设备、材料和人员，并且补偿其提供黑启动能力所承担的成本。在这一阶段，认为有利可图的发电公司可以通过调整或改造发电机组以使其具有黑启动能力，也可以考虑设计具有黑启动能力的新型电源。在第二阶段，则采用基于市场的获取机制。到目前为止，在国际上实际运营的电力市场如美国的 PJM 和新英格兰等，黑启动辅助服务是基于成本补偿而非采用市场机制获取的。下面以 PJM 市场为例，分析其黑启动机组的收益

9、、义务及相应的惩罚11,12。1）收益发电机组年度黑启动收益 R 的计算公式如下：R（黑启动的固定成本+黑启动的可变成本+培训费用+燃料存储和运输费用）/（1+激励因子）(1)式中：黑启动的固定成本CDR*365*机组容量*X。CDR为容量不足率；机组容量指装机容量；X 为黑启动分配因子，一般给定为：水电机组 0.01，柴油机组 0.02，燃气轮机组 0.02。黑启动的可变成本Om*Y。Om为年度运行维护费；除特殊规定外，Y 取 0.01。培训费用按每个电厂每年 50 个员工小时数计算，每个员工小时的培训费用为$75。燃料存储和运输费用运行小时数*燃料燃烧率*（12 个月远期迭期（Forwar

10、d strip）+基准（basis）*债券利率（Bond rate）。这里，运行小时数指黑启动机组实际运行小时数，一般不少于 16 小时或由恢复计划确定；燃料燃烧率指黑启动机组的实际燃料燃烧率；12 个月远期迭期指黑启动机组燃烧的燃料的远期价格的平均值；基准（basis）指燃料的单位运输成本加上有关税率；债券利率指年度利率。激励因子 Z 初设为 10%，由 PJM 进行周期性修改。2）发电公司的义务发电公司如果提供黑启动服务，则至少需要持续 2 年。发电公司和调度机构（或输电公司）双方都具有年度终止黑启动服务的权利。若黑启动服务的提供者和调度机构都没有行使年度终止黑启动服务的权利，则黑启动服务

11、的合同将向后自动延期一年以保证继续滚动 2 年。每年对成本的核定只有在后一年才能生效。若遇到不可抗拒力量而使发电公司不能提供黑启动服务时，不对发电公司给予处罚。如果黑启动机组没能完成其 2 年滚动的提供黑启动服务的责任，其将损失一些黑启动服务的收3入，但损失部分不得超过全年的黑启动服务收入。每个提供黑启动服务的发电机组必须进行恢复试验以保证其能够在不与电力系统相连的情况下的启动和运行能力。3）惩罚如果一台机组没能通过黑启动试验，则给予 10天时间重新进行，没有经济惩罚。如果 10 天内仍未能通过黑启动试验，则从第一次试验失败的时间开始该机组的月黑启动收入将被收回，直到机组成功通过黑启动试验后再

12、得以重新恢复。2 电力工业市场化改革对电力系统恢复试验的影响发生大停电后为了快速恢复电力系统运行，需要事先制定一个有效可行的恢复策略和计划。还有，为了提高恢复策略的可靠性并发现在实际恢复过程中存在的约束，需对制定的恢复策略和计划定期反复进行现场试验。恢复试验不但可以校验控制、保护设备及其它电力系统设备的有效性，更重要的是可以对系统运行人员进行培训，而运行人员在恢复过程中起着相当重要的作用。恢复试验可以局限于一个电厂、一台发电机组或一条恢复路径，但也可以是某个区域。如果恢复试验的范围是区域，则试验涉及的电厂及线路会更多，这就需要更加复杂的组织和协调。恢复路径的现场试验对修改制定的恢复路径或确定新

13、的恢复路径很有必要14。在传统的电力系统管理运作模式下，由于发电、输电、配电隶属于同一个公司，电力系统恢复是由调度机构指定，本质上不涉及经济问题。电力工业的市场化改革打破了传统的发电、输电和配电的垂直一体化垄断结构，使得发电公司、配电公司、电力用户等作为独立的实体成了市场参与者。因此，在电力市场环境下进行电力系统恢复的现场试验时，配电公司往往会限制使用其用户负荷。因为电力市场规则赋予用户具有一定的权利，如果用户遭遇停电，可以要求得到相应的经济补偿。这些因素严重阻止了电力系统恢复试验的顺利进行15。为此，必须和配电公司及用户签订合同购买用于恢复试验的负荷。另一方面，若为了减少恢复试验对用户的干扰

14、，即尽量不使用传统的配电系统用户负荷作为试验负荷，则需要制定用于恢复路径现场试验的新策略。文献14就提出了一种利用抽水蓄能电厂作为恢复路径充电试验的稳定可靠的负荷的新策略。该方法利用了大部分变电站具有双母线接线方式的特性，并使恢复路径完全与中压和低压配电网络分离，有效地避免了现场恢复试验对配电系统用户的干扰，从而使系统运行人员能够对恢复试验路径进行完整而清晰的现场测试。在电力市场环境下对用户的供电质量要求不断提高的形势下，这种方法具有实用价值。但是，这种方法只适用于具有充分的抽水蓄能电厂的地区。3 电力工业市场化改革对恢复过程中运行调度的影响在传统的电力工业中，电力系统恢复决策是一个纯技术问题

15、，而不是经济问题。电力工业的商业化运营带来了一些影响电力系统恢复过程的额外因素。这些因素如下7,16：第一，在传统的电力系统恢复过程中，仅需要处理与恢复技术相关的信息。但在电力市场环境下，由于参与者数目一般较大，系统恢复过程中需要在他们之间进行大量的信息交换。这时不仅需要处理与恢复技术相关的信息，同时还需要交换与市场相关的信息。这相当困难。第二，在传统的电力系统管理运作方式下，由于发电、输电、配电隶属于同一个电力公司，电力系统恢复由电力公司集中管理，因此其恢复状态下的信息交换接口相对比较简单；但是在电力市场环境下，发电、输电、配电隶属于不同的实体，系统运行人员为了维持恢复过程中的电力平衡不仅需

16、要与发电公司协商，而且还需要与用户协商重新恢复供电的问题；而且，用户的主体意识会逐步加强，越来越意识到信息的重要性，会要求知道系统恢复过程中的信息。因此，需要改进现有的信息交换接口和建立一些新的接口。此外，信息交换不再是单纯从技术方面考虑的。第三，在电力市场环境下，商业化运营会激励这些公司之间人员流动的增加。此外，一些具有商业背景的新员工加入了运营，而这些人员往往缺乏系统运行（特别是系统恢复）方面的专业知识。而且，由于改革所引起的系统控制中心人员的减少，会导致运行经验和知识的丢失，使恢复任务变得更加艰巨；现场运行人员的减少，使得控制中心的运行人员不得不越来越依赖于设备传输过来的信息，4且由于控

17、制中心的合并形成了更大的控制区域，导致运行人员经常不得不控制并不非常了解的区域，这些都增加了恢复过程中的不确定性因素。第四，为了方便恢复完成后的责任追踪，恢复过程必须对所有市场参与者透明。运行人员也必须意识到当系统恢复到正常运行状态后需追究的商业责任问题，如谁导致了系统由正常状态进入到恢复状态，谁来支付相关损失等。第五，为了使运行人员获得市场环境下系统全部或部分停电后进行系统恢复的知识和经验，在设计培训程序方面，与改革以前的培训相比，培训的范围变得更广且需要包括更多其它学科方面的知识。第六，在垂直管理体制下，电力系统通过集中和分散的协调控制，依靠发电、输电和配电的互相协调，使恢复程序易于执行。

18、系统调度部门可以直接部署和校验各种资源（如黑启动机组等）的有效性。而在电力市场环境下，市场运行人员则需要首先得到设备所有者的许可。因此，独立系统调度机构（ISO）必须购买具有黑启动能力的发电资源，依靠合约规定的由发电公司和用户所提供的用于电力系统恢复的辅助服务来制定整个恢复策略。在电力市场中，参与者主要通过合同相互联系，这些合同控制着服务的供给。如果合同的任何一方没能够提供合同规定的服务或者违背合同规定的义务，则要受到惩罚7,17。对于发电公司或每台发电机组，合同应规定期望的性能参数（黑启动或甩负荷）、可靠性和有效性、操作程序的时间、在设备技术约束范围内机组的带负荷爬坡能力。此外，ISO 必须

19、提供适量的负荷以支持机组带负荷爬坡到预定的发电水平。对于输电公司，合同应确定网络设备的可靠性、有效性和机动时间，而负荷限制和再供电时间则应与配电公司达成协议，并与配电系统相连的小电厂就运行规则达成协议。对于配电公司，合同必须包括关于为维持电压和频率质量而购买的负荷的协议。而且，为了提高恢复过程中电力系统的稳定性，分布式或嵌入式发电也值得特别关注，因为其具有规模小、占地少、建设周期短、靠近负荷中心、运行维护容易以及高效、经济、可靠、污染少等特点。对于工业终端用户，合同应规定对其重新恢复供电的预期时间及相关的经济因素。对于要求高可靠性的重要用户，也要签订相应的合同。4 电力工业市场化改革对配电系统

20、恢复的影响传统上，配电系统一般都具有环状结构，但开环运行,潮流方向为单向的，即单源的，且一般不允许有不平衡的运行方式出现，以满足需求为基本目标，对经济性因素考虑不多。随着电力工业的改革，配电系统的运营管理也发生了很大变化。电能质量是推进配电侧竞争的重要因素之一，这样满足用户的需要自然就变得更加重要。在电力市场环境下，一些创新技术，如质量控制中心（QCCQuality Control Center）、分散电压控制、分散发电资源（如分布式或嵌入式发电），以及灵活、可靠及智能的电力配电系统（FRIENDS）等，逐步被引入到配电系统之中，导致潮流不再是单向而是双向的，发电资源由单源的变为多源和分散。配

21、电公司不仅仅要满足负荷需求，也必须考虑经济性。在这种环境下，在满足供电可靠性的前提下，甚至可以考虑允许暂时性的闭环结构运行和不平衡运行18。因此，在电力市场环境下，配电系统的运营与管理更加复杂，对供电可靠性的要求更高。这样，配电自动化系统（DASDistribution AutomationSystem）比以前承担了更多的职责。市场环境下的DAS 应该能够适应线路潮流的双向性、暂时的环网运行和暂时的不平衡运行。因此，需要对 DAS 的传统算法进行创新性的改变，且为了满足 DAS 的在线应用需要发展快速电力转换路径追踪算法。由于配电系统特性的改变，使得发生不平衡运行和严重故障（如多馈线故障，母线

22、故障，变压器故障，以及整个变电站停电）的可能性增加。因此，在电力市场环境下，为了提高电力服务质量和快速进行故障后的配电系统恢复，需要构造新策略和新方法，如快速搜索算法、严重故障后操作多个开关的策略、快速故障区域定位和快速潮流计算。在传统的电力工业中，配电系统恢复的目标一般是：在最短的时间内以最少的开关操作次数来恢复最大的负荷。当然，还存在其它目标，如馈线间的负荷平衡、最小化网损等，但在紧急情况下，一般很少考虑这些目标。这样，在数学上，配电系统恢复问题可以描述为1951 12 23 3min()(,)0.0mMiiiMiifffg x uVVVstSS网络结构为辐射状(2)式中：x 为状态向量；

23、u 为控制向量；f1为总停电负荷；f2为电力储备变量；f3为操作的开关数目；1，2和3为权值；g(x，u)为潮流方程；Vim(ViM)为节点 i 的电压下限（上限）；SiM为节点 i 处的可用发电容量上限。在电力市场环境下，由于配电公司以其利益最大化为运营目标，监管机构一般采用奖惩方式激励其改善服务质量，故配电系统恢复有所不同。现以拉丁美洲电力市场为例，介绍市场环境下对配电公司的惩罚成本。拉丁美洲电力市场的重要特性是对停电实行很高的惩罚，其目的在于作为一种预防措施来维持尽可能高的电力服务质量（ESQ ElectricService Quality）。电力市场运营框架规定了 ESQ的新标准。ES

24、Q 分为 3 类：商业服务质量、技术生产质量和技术服务质量。商业服务质量规定了公司和用户间的关系，技术生产质量则规定了电压水平和谐波等问题，而技术服务质量则规定了频率和停电时间。此外，技术服务质量规定了配电公司因提供的服务不满足某些要求所受到的相当高的经济惩罚20,21。显然，向负荷恢复供电的决策不可避免地会与ESQ 的标准有关。配电网络发生故障后，一般存在多种恢复供电的方式。不同的方式会导致不同的惩罚成本，这主要是由所需要的恢复时间决定的。不同的恢复方式导致的恢复时间可能存在很大差别。适当的识别和量化这些差别，对制定恢复决策非常重要，同时也有助于降低停电恢复后与配电系统运行相关的惩罚成本。此

25、外，这还有利于提高配电系统的规划质量，以及确定最恰当的运行方式。因此，在电力市场环境下可以用对停电的惩罚成本来反映恢复策略的好坏。在这种情况下，配电系统恢复的目标可描述为22：11min()()zuijRiCijTijijijijf xYttKpc(3)式中:f(x)为对应于恢复策略 x 的惩罚成本；tCij为区域 i 的等效用户 j 开始产生惩罚成本的时间；tRi为区域 i 的恢复时间；pij为区域 i 的等效用户 j 在前一个时段的功率平均值；KTij为反映区域 i 的等效用户j 发生停电的时间 T 处日负荷曲线因子；cij为区域 i的等效用户 j 的惩罚因子；z 为分区的总数，u 为某一

26、区域内等效用户的总数；i 为区域的索引，j 为某一区域内等效用户的索引；Yij为惩罚条件，若tRitCij，则 Yij1，否则 Yij0。5 结语本文阐述了电力工业的市场化改革对电力系统恢复的影响，着重介绍了电力市场环境下的电力系统恢复辅助服务问题。到目前为止，在大多数实际运营的电力市场中，电力系统恢复辅助服务是基于成本补偿而非市场机制获取的。然而，随着电力工业改革的理论研究和实践的逐步深入，可以预见，市场机制在系统恢复辅助服务的获取中会发挥更大的作用。参考文献1ADIBI M M.Power system restoration methodologies&implementation st

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