勿讓電網安全話題成電改障礙

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

 

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

（文丨陳皓勇）

 

 

01

籠統地談論安全可靠性沒有意義

 

 

現代電力系統已發展成為多層級、多區域、多時間尺度的復雜工程系統，被稱為“世界上最大的人造機器”，其規劃、運行、控制均十分復雜，電力系統的安全可靠性問題也是針對不同性質、不同時間尺度、不同影響范圍分別開展研究的。因此籠統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。

      

電力系統安全可靠性是指電力系統能夠不間斷地向用戶提供合乎質量標準和數量要求的電力和電量的能力，包括兩方面的內容：充裕度（Adequacy）和安全性（Security）。前者是指電力系統有足夠的發電和輸電容量，在任何時候都能滿足用戶的負荷需求，表征了電力系統的穩態性能；后者是指電力系統在運行中承受故障擾動（例如突然失去電力系統的元件或短路故障等）的能力，包括電力系統能承受住故障擾動引起的暫態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，表征了電力系統的動態性能。

      

從充裕度的角度講，整個電力系統的可靠性分為與發電有關的可靠性和與輸電有關的可靠性兩類。與發電有關的可靠性是指直接與發電容量可用度有關的可靠性（假定輸電系統容量無限大）。換句話說，發電可靠性只有增加該地區發電可用容量才能得到改善。與輸電有關的可靠性是指直接與輸電容量可用度有關的可靠性（假定發電容量無限大）。因此，輸電可靠性將決定地區電網以一定概率供電的可靠性。電力系統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，它們同時適用于發電系統和輸電系統可靠性評估。

      

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的穩定問題并開展研究以來，世界各地發生了多起由于電力系統失穩導致的大停電事故，這些事故造成了巨大的經濟損失和社會影響，同時也反映出研究電力系統穩定的重要意義。電力系統穩定性是指電力系統受到事故擾動后保持穩定運行的能力。電力系統兩大國際組織國際大電網會議（CIGRE）和國際電氣與電子工程師學會（IEEE）曾分別給出過電力系統穩定的定義。我國《電力系統安全穩定導則》（DL 755-2001）也系統地給出了電力系統穩定的定義和分類。

 

 

02

需探索安全性保障新機制

 

 

為保障電力系統的安全可靠性，在規劃、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：通過電源優化規劃確保發電系統充裕度，通過輸電網優化規劃確保輸電系統充裕度。電力系統發展規劃的任務之一就是通過電力系統的安全校核，包括穩態的N-1安全校驗和暫態的穩定計算來保證系統達到一定的安全標準。而從電力系統運行的角度，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、有效的預防性控制措施，確保電網在發生常見的單一故障時保持電網穩定運行和電網的正常供電；

 

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

 

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

      

在壟斷環境下，電力系統的安全可靠性完全由壟斷的電力部門負責。在市場環境下，電力工業由不同的市場參與者組成，電力系統的安全可靠性問題不再是單純的技術問題，不僅要考慮在安全可靠性和經濟性之間尋求適當的折衷，而且還要協調各市場主體之間的利益。市場主體將更多地關注自身的經濟利益，為保障系統安全可靠性的付出需要得到明確的回報。在這種情況下，如何保證電力工業建設的適當超前，使電源和電網具有足夠的充裕度？如何保證系統運行時激勵發電廠商提供足夠的有功和無功電源？如何使輸配電系統適應瞬息萬變的運行情況？這些是在市場環境下確保電力系統安全可靠所需要關注的重點內容。

      

在引入競爭機制后，擴建或新建發電機組將由壟斷電力部門的決策轉向分散的發電公司的決策。發電公司只在新機組能帶來利潤時才會投資，因此傳統的“由上而下”的發電系統可靠性管理模式將被市場環境下發電主體“由下而上”的對投資回報期望的反應來代替。同樣，作為輸變電設備的所有者，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，才能調動各方面積極性，使電網建設更趨合理。

      

在壟斷環境下，整個電力系統的發電、輸電、配電、售電是統一管理和統一調度的，運行方式安排相對比較簡單，系統運行的安全、可靠容易得到保證。在電力市場環境下，電力交易瞬息萬變，電力調度既要保證公平競爭，又要保證安全運行。在這種環境下，必須研究和開發新的優化模型和算法，包括：安全約束機組組合和經濟調度、安全校核、阻塞管理、輔助服務交易計劃等。此外，市場環境下，由于多個不同利益主體的存在，傳統的基于安全穩定導則的電力系統安全性保障方法將會遭遇重大挑戰，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2016年頒布的《電力發展“十三五”規劃》，到2020年全國煤電裝機容量將控制在11億千瓦以內。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。從2016年以來，我國煤電去產能從未停止，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，火電企業的市場正在被擠壓，全國各省份火電利用小時數在4000小時上下浮動，火電廠普遍經營困難。此外，棄風棄光問題依然比較嚴重。

      

因此，從電量的角度，發電容量是過剩的，充裕度不存在問題，但電源結構不盡合理，發電機組的性能特別是靈活性仍有待提高。根據國家發改委、國家能源局印發的《解決棄水棄風棄光問題實施方案》（發改能源〔2015〕1942號），2017年“三北”地區開展1635萬千瓦火電靈活性示范項目改造，增加系統調峰能力480萬千瓦，并繼續擴大火電機組靈活性改造范圍，大幅提升火電調峰能力。按照經濟技術合理原則，“十三五”期間開工抽水蓄能電站共計約6000萬千瓦，其中“三北”地區約2800萬千瓦。在華北、華東、南方等地區建設一批天然氣調峰電站，新增裝機500萬千瓦以上。首先在東北地區建立并且在全國推廣的調峰服務市場機制成效顯著，深入挖掘了電網調峰潛力，提高了系統靈活性，促進了風電核電等清潔能源消納，顯著提高了電網安全運行水平。后期市場建設工作中應繼續加強靈活性資源定價機理研究及市場機制建設。

 

 

04

節點電價并非“必選項”

 

 

當前，我國已形成東北、華北、華中、華東、西北、南方六個大型區域交流同步電網。在現有六大區域電網中，西北電網以750kV交流為主網架；華北電網和華東電網已經建有1000kV交流特高壓工程，主要發揮作用的仍然是500kV網架；其他區域均以500kV為主網架。我國電網規模世界第一，但仍長期存在一些根本性問題，特別是全國電網存在著整體利用率偏低，局部網架結構有待優化、穩定運行壓力大等問題。相對于西方國家，我國輸電網較新，設備冗余度高，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，只有少數線路負載率超過50%。

      

美國電網迄今已有100多年的建設發展歷史，最初是由私營和公營電力公司根據各自的負荷和電源分布組成一個個孤立的電網，隨后在互利原則基礎上通過雙邊或多邊協議、聯合經營等方式相互聯網。美國電網建設基本停滯，輸電能力不足，阻塞嚴重。因此在美國電力市場，引入節點電價體系是合理的，可以使交易出清結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。

      

但我國電網是國有資產占絕對優勢的統一大網，而且輸電阻塞并不嚴重，在電力系統運行中也積累了豐富的斷面潮流控制技術經驗，并不需要將阻塞費用細分到每個節點。另一方面，我國幅員遼闊，各地區要素水平和資源稟賦差異巨大，經濟發展不平衡，電力市場作為要素市場的一部分，電價應更多地考慮地區經濟發展水平和行業的差異，因此分區電價更加符合我國國情。

 

 

05

應保留一定比例的物理合同

 

 

現貨與中長期交易（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）合同存在一定的爭議。電力現貨市場的理論基礎為美國麻省理工學院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：

 

一是仍然基于傳統的分時調度模型，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和消費的時間連續性這個十分重要的特征；

 

二是假設同一時段的電能商品都是同質的，忽略了基荷、腰荷和峰荷機組區別明顯的技術特征及成本構成。

 

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

      

實際上，現貨價格主要適合于調峰機組、儲能、需求側響應等主體所提供的 “邊緣性”電力平衡商品的定價，對于負荷平穩的基荷電力及發電機組（例如核電機組）而言，隨負荷波動的現貨價格并無意義，而物理合同是更加適合這些供需主體的交易方式?；痣姷却笕萘繖C組提供的不僅僅是電力電量，還有轉動慣量、彈性（resilience）等確保電力系統安全可靠運行的重要特性，在電力系統中應占有一個合理的比例。因此在電力市場設計中，保留一定比例的物理合同對電力系統安全可靠性是有利的。

 

 

06

調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別。國外電力市場改革是從成熟的經濟調度的基礎上開始的，比較容易實現集中競價的現貨交易（特別是發電側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）的基礎上開始的，在當前我國各省區的電力市場設計中，中長期交易一般在電力交易中心開展。

      

《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發〔2015〕9號）中提出“建立相對獨立的電力交易機構，形成公平規范的市場交易平臺”。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公司的獨資子公司，也有電網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提上議事日程。隨著8個電力現貨試點進入模擬試運行，調度獨立的討論也浮出水面。調度和交易功能的合理定位有利于電力系統安全可靠性的維持。

      

如前所述，歐美國家電力市場的日內、日前及更長時間尺度的提前交易都是在獨立于輸電系統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的安全可靠性是有保障的。從關于電力系統安全性的相關概念及大停電事故的介紹，可以看出，一般電力系統安全控制的關鍵時期為事故發生后幾秒到1—2個小時內，因此為保證事故發生后安全控制手段的快速協調，將實時平衡市場和調度操作權保留在電網調度機構是有利的，也是能夠保證安全的。

 

 

07

應建立多日前、多階段現貨市場

 

 

根據國家發改委、國家能源局印發的電力體制改革配套文件《關于推進電力市場建設的實施意見》（發改經體〔2015〕2752號），現貨市場主要開展日前、日內、實時電能量交易。這種電力現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，國外現貨市場是在成熟的經濟調度的基礎上建立起來的，而在市場化改革前采用日前、日內、實時機組組合和經濟調度又與電源結構緊密相關。

      

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日內啟停，因此建立日前和實時兩階段現貨是合理的。

      

而從我國的情況來看，截至2018年底，全國發電設備容量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%），風電1.8億千瓦（占9.7%），太陽能發電1.7億千瓦（占9.2%）。從發電量的角度，2018年全國全口徑發電量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，日內啟停的安全性、經濟性和操作性不佳，故需要在更長的時間跨度上優化機組啟停。因此，應突破國外市場模式的局限，研究和建立涵蓋多日前、日前、日內和實時交易的多階段現貨市場機制。

 

 

08

輔助服務市場 要立足國情

 

      

為解決電力電量平衡問題和確保電力系統安全穩定運行，除已全面推廣的我國特有的實時深度調峰外，還可根據我國電源、電網結構建立適合國情的其他調峰、備用和調頻輔助服務市場機制。

      

火電機組啟停調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電、核電，在高峰時段重新啟動以適應負荷增長的需求，緩解電網調峰矛盾，促進清潔能源消納的交易，在東北、福建、江蘇、河南等省區已建立火電啟停調峰交易機制。傳統的輔助服務設計中均僅考慮改變發電側發電功率以適應用戶負荷的不斷變化，如果能建立可中斷負荷調峰交易，使得電力用戶能夠對市場中急劇上升的用電高峰做出響應（即削減負荷），將有利于電力系統的安全運行，上述建立了火電機組啟停調峰交易的省區大多數也都同時建立了可中斷負荷調峰交易。

      

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

      

此外，在現貨市場開啟前，廣東、山西、山東、福建等省份均建立了調頻輔助服務市場，與國外現貨市場開啟后的調頻輔助服務也是有區別的，也應深入研究適合國情的調頻輔助服務市場機制。

      

（作者系華南理工大學電力經濟與電力市場研究所所長）