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从理论到实践看北美辅助服务市场的设计与实施
(Ancillary Service Market Design and Implementation in North America: From Theory to Practice)
(Kwok W. Cheung, Senior Member, IEEE)
摘要：本文讨论北美地区辅助服务市场（Ancillary Service Markets ,ASM）的设计与实施。在放松管制的环境下，无论从经济性还是系统可靠性的角度来看，辅助服务市场都是现代电力批发市场中至关重要的组成部分。本文将探析竞争电力市场的统一框架与基于对偶定理的电网可靠性，并分享运用这种最优化理论开发电力市场运营应用软件的经验。具体来说，本文还总结了包括ISO-NE,NYISO,PJM和MISO在内的美国电力市场的辅助服务市场。
关键词：辅助服务、共同优化、放松管制、电力市场、市场运营、标准市场设计、系统可靠性
1 介绍
在过去十年间，北美电力市场迅速发展。从九十年代中期的系统边际价格（system marginal pricing ,SMP）到今天区域边际价格（locational marginal pricing ,LMP）被采用为基本实践之一，北美电力市场已经发展到一定成熟水平。顶尖市场设计和最佳实践的一般化和抽象化常常被作为标准市场设计（standard market design ,SMD）的参照框架。近年来，辅助服务已经被区域传输组织（regional transmission organizations ,RTO）纳为其现存电力批发市场中的一种商品，其主要原因是放松管制下的电力行业已经认识到系统可靠性是设计合理的电力市场所必需的一部分。系统可靠性和市场经济的问题应有条理的处理，以便市场能够持续获得调度指令和价格信号。在电力批发市场中引进辅助服务市场能合理地给出为维持电力系统可靠性所需准备的措施的价格，同时使能源市场能够高效运行。
成功的电力市场的一个基本要素就是其维持物理电力系统安全、可靠的能力，同时提供正确的经济信号以促进有竞争力的市场活动。数学优化提供了有力的框架使决策制定系统化和透明化。
竞争电力市场的统一框架和电网可靠性建立在与竞争市场的结果和一个约束优化问题的数学解有关的对偶定理之上。这个对偶性结果说明，竞争化市场的解决方法包括市场出清数量及与之相关的市场出清价格两部分，市场出清价格即能使市场中所有互相关联的部分的市场需求与供给相等的价格。只有当市场交易量定有合理的市场出清价格时，整体方案才能激励相容。当价格是激励相容时，参与者将会提供反映其实际成本或价值的出价，并生产或消费有效数量。参与者生产或消费有效数量促进电网可靠性。对偶理论清楚地表明了严谨的优化技术应该被用于电力市场出清，以便在实时电网运营中执行操作时，基于市场的调度可能会导致市场效率和电网可靠性的和谐统一。 对偶理论这一基本原则已在大多数现有市场设计中得到反映。
本文讨论了北美辅助服务市场（ASM）的设计和实现。介绍了能源和辅助服务出清的同时优化的基础对偶理论。分享了应用优化理论开发基于优化的电力市场运营实用软件的经验。本文的其余部分将如下所示。ASM架构设计的总体框架将是将在第二节中介绍。第三节讨论了电力市场运作的核心市场应用。第四节描述了基于SMD的不同的北美辅助服务市场的实现和变化。结论见第五节。
2 ASM架构设计
一个好的市场设计应该认识到这个事实，即物理定律决定了系统运行的某些基本特征，电力网络的复杂性要求对系统操作进行一定程度的集中协调以确保系统可靠性。经验表明，一个ISO/RTO不仅充当协调可靠性的系统运营者，还作为形成市场价格的市场运营者的电力市场，更可能使商业自由和集中的经济和可靠性协调和谐共存（图1）。在这个框架内仍有许多变化，例如澳大利亚和新西兰不提前获得可靠性，只运行实时市场，其他再如德州顺序出清电能和辅助服务的做法。 本文侧重于已被大多数美国电力市场采用的整合方法，包括纽约ISO（NYISO），PJM，ISO新英格兰（ISO-NE）和中西部ISO（MISO），这些市场的可靠性在许多不同水平，且能源和辅助服务是同步优化的。
图1. RTO / ISO的双重功能和SCED的双重解决方案
电能是无法有效存储的商品或产品，供应发电机对它们的启动速度和速度的增加或减少有限制。因此，供给和需求都变得更加缺乏弹性，随着我们越接近实时市场，市场也变得更加脆弱和不稳定。这就是远期市场在降低市场参与者的风险，减少行使市场力的激励方面扮演者重要角色的原因，并使买方和卖方都有机会在实时市场前锁定价格和数量。
因为任何主要系统要素，例如一台发电机或只是一条输电线，其状态都可能突然改变，所以系统运营商需要资源对在任何特定时刻出现的事件做出快速响应。因此，辅助服务对于维持电力系统实时可靠性至关重要。需要一个与能源市场分开的市场来给提供备用服务的资源提供激励。
一般而言，市场运营商采购以下由市场参与者提供的电力批发市场商品：
- 电能
- 调频
- 同步备用
- 非同步备用
- 电压支撑
- 黑启动
在这七种商品中，只有前五种受到系统实时运行决策的影响的商品本文进行了讨论。 除第一个以外的所有商品都被视为辅助服务。
电能是所有电力市场的主要商品。一种能量出价是以一定价格供应或消耗能量（MWh）的报价（$）。能源出价必须包括可以每小时建模的资源的整个能力范围，最多为有限数量的，发电机组价格单调不减，可调度负荷或需求响应价格单调不增的能源块。
自动发电控制下的调频响应不断地平衡控制区的供应和时刻变化的负荷，以符合NERC和个人区域控制绩效的标准。调频出价将以小时的形式提供调频服务。调频容量块受自动低压和自动高压限制的限制。
同步备用是系统同步的资源容量备用，它有以下特点：（1）能够立即开始供应能源或减少需求，（2）十分钟内完全可用，（3）能够维持至少三十分钟提供第一次应急保护。同步备用块可以位于任何地方在低操作和高操作限制之间。
非同步备用是与系统非同步的资源容量备用，它有以下特点：（1）能够供应能量或减少需求，（2）十分钟内完全可用，和（3）能够维持至少三十分钟的时间提供第一应急保护。
运行备用是一种与系统不同步的资源容量备用，它有以下特点：（1）能够提供能量或减少需求，（2）30分钟内完全可用，（3）能够提供持续至少60分钟的时间第二次应急保护。
整个ASM架构设计可以包含一个或更多以下辅助服务市场：远期ASM，日前ASM，近实时ASM或实时ASM。用于满足远期ASM的资源通常会有日前报价要求和实时交付要求。ASM是在SMD框架下设计的。其中一个SMD的关键概念是LMP。在SMD ASM中，节点电价的概念将扩展到运行备用的出清。ASM的市场设计目标包括以下内容：
- 联合优化容量的实时使用和分配，满足系统能源和备用要求，改善定价（包括损失的机会成本）和短缺条件下的调度
- 引入备用需求曲线以形成备用短缺造成的可靠性下降的价值
- 按地点反映备用的价值，以及
- 反映机组组合和为提供备用而发生的调度费用
3 核心市场应用
市场出清机制决定了市场参与者生产或消费的数量，以及用于结算这些数量的产生或消费的电力服务的价格。正确确定实时电价是多少不仅对成功竞争市场运作至关重要，对于电网的可靠性也同等。基于最优潮流（optimal power flow，OPF）的框架已在许多学术刊物中被提议用于实时电价。 由于非线性优化方法的实际局限性与电网运营的内在属性，DC模型SCED算法，即AC OPF的一个变种市场相关的扩展，已被普遍接受为市场出清方法。 下面首先描述传统的OPF方法，然后讨论SCED市场出清方法。
3.1 基于OPF的电力市场出清理论
定义边际价格相关数量的双重解决方案在很大程度上被忽略了，直至竞争市场的出现。 根据对偶理论上，价格形式的双重解决方案相当于实现最佳目标的数量形式的原始解决方案。OPF问题用数学术语表示如下
满足
其中：控制变量，例如发电机实数和无功功率输出和变压器分接位置；
：目标函数,通常用总生产成本表示；
：状态变量，例如母线电压相角和幅值；
：总线有功和无功功率平衡等式约束
：不等式约束，如输电线路和变压器热限制和总线电压幅度限制；
：总线有功功率和无功功率平衡约束的影子价格；
：电网安全约束的影子价格；
：控制变量的最小限制；
：控制变量的最大限制；
在OPF的表达式中，每个等式或不等式约束都具有相应的最佳影子价格。一个紧密连接的电网，其安全约束影子价格mu;，定义了维护特定电网安全约束的边际成本。母线有功功率平衡约束的 影子价格lambda;P，可用于定义在母线上生产/消耗有功的短期边际价格。母线无功功率平衡约束的影子价格lambda;Q，可以解释为在母线上产生/消耗无功功率的边际成本。
3.2 市场出清的SCED
当发电机或负载被允许对实时价格信号作出响应时，价格可以诱导发电机有效地响应，实现电网的经济可靠运行，起到与电力调度相同的作用。为了使价格信号能够传达电网经济可靠运行时的有效控制信息，价格信号必须明确，透明并且可以解释。虽然OPF公式提供了计算实时电价的理论依据，找到真实非线性优化问题的全局最优解仍然是巧妙的，因此它还没有在实践中广泛使用。然而，有功和无功功率问题只是松散耦合，而无功功率问题是高度非线性的，有功功率问题完全线性的。因此，实际和无功功率问题可以用解耦的方式解决。
有功功率解耦后的OPF表达式如下：
满足
该表达式与前面完整AC OPF表达式非常相似，除了无功功率相关控制变量，电压幅度变量和电压安全性约束被简化为了具有预定义的参数值。 这是目前最常用的优化电力市场出清和价格计算的框架。
安全约束经济调度，即基本上是解耦的OPF的重新制定，是市场出清的常用算法。 SCED
算法已成功应用于解决大规模网络模型的市场出清问题，例如美国2000总线ISO-NE市场，15,000总线PJM市场，以及30,000总线MISO市场。
相比于传统的OPF算法，SCED算法提供了几个优点：
- SCED算法使用详细的线性化电网模型，并通过最先进的线性规划（LP）解决技术。
- 使用标准LP方法，SCED算法提供几乎无限的能力来处理尽可能多的必要时线性约束。
- 基本和应急电网安全约束都可以有效处理。
- 辅助服务可以合并到基于LP优化框架。
- 参与者投标数据模型可以准确地反映出来配方。这种建模灵活性使其成为可能为电力市场提供尽可能多的参与者他们需要的选择来管理风险。bull;相同的框架可以应用于能源，辅助服务和传输权市场出清。
- 下面我们讨论SCED算法的应用解决能源和辅助的联合优化问题服务。
在许多现有的电力市场，能源和辅助服务（AS）都允许竞争投标。资源相同，容量相同的事实
可用于提供多种产品来指示AS市场运作应与之密切配合能源市场。最好地实现这种密切协调通过联合优化AS和能源市场，这些最大限度地降低满足系统需求的总市场成本满足网络安全的AS和AS要求限制。在联合优化方法中，目标是尽量减少提供辅助服务的总成本提供能源以满足预测需求以及AS要求。能源之间的有限能力分配资源的辅助服务是根据以下方面确定的提供所有产品相对于其他产品的总成本资源。资源提供多个的有效成本产品取决于其报价和产品替代成本。当产品替代成本出现时资源必须减少对一种产品的容量使用容量可以用于不同的产品（导致整体成本较低的解决方案）。产品替代成本在内部确定为联合优化的一部分。这个产品替代成本加上其出价反映了边际价格市场上特定产品的价值。边际价值，这通常是市场出清价格，代表了产品额外单位的价格与
能源产品的边际定价原则。
反映产品替代成本的辅助服务市场出清价格，在多种产品中创造了价格公平。价格公平是指市场的事实参与者可以获得等量的利润，无论参与者被分配到哪种服务提供。价格权益使参与者跟随调度指示。如果没有价格公平，参与者就会倾向于提供那些产生最大利润的服务可能会远离发送指令。与派遣指令的重大偏差可能严重降低了调度员维持电网的能力可靠性。因此，联合优化能源和
资料编号：[5968]
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