隨著電力市場改革逐漸進(jìn)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(gè)電力現(xiàn)貨試點(diǎn)全部進(jìn)入模擬試運(yùn)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(gè)方面對(duì)市場環(huán)境下的電力系統(tǒng)安全可靠性問題進(jìn)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(yàn)教訓(xùn)，以及我國當(dāng)前電力市場設(shè)計(jì)中對(duì)安全可靠性問題的考慮。文章認(rèn)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(jí)、多區(qū)域、多時(shí)間尺度的復(fù)雜工程系統(tǒng)，被稱為“世界上最大的人造機(jī)器”，其規(guī)劃、運(yùn)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(duì)不同性質(zhì)、不同時(shí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)候都能滿足用戶的負(fù)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(yùn)行中承受故障擾動(dòng)（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(dòng)引起的暫態(tài)過程并過渡到一個(gè)可接受的運(yùn)行工況和在新的運(yùn)行工況下各種約束條件能得到滿足兩個(gè)方面，表征了電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
從充裕度的角度講，整個(gè)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(biāo)來衡量。最常用的充裕度指標(biāo)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(shí)適用于發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估。
從安全性的角度講，自20世紀(jì)20年代起電力工作者認(rèn)識(shí)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(jì)損失和社會(huì)影響，同時(shí)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(dòng)后保持穩(wěn)定運(yùn)行的能力。電力系統(tǒng)兩大國際組織國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和國際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（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(jī)制
為保障電力系統(tǒng)的安全可靠性，在規(guī)劃、運(yùn)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(yàn)和暫態(tài)的穩(wěn)定計(jì)算來保證系統(tǒng)達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn)。而從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度，為確保安全性，我國電力工程人員在長期的實(shí)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(hù)、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(shí)保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(jī)、切負(fù)荷等緊急控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴(yán)重故障時(shí)能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)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(dāng)電網(wǎng)遇到概率很低的多重嚴(yán)重事故而穩(wěn)定遭受破壞時(shí)，依靠這些裝置防止事故擴(kuò)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(fù)責(zé)。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(jì)性之間尋求適當(dāng)?shù)恼壑?，而且還要協(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(jì)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(bào)。在這種情況下，如何保證電力工業(yè)建設(shè)的適當(dāng)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(yùn)行時(shí)激勵(lì)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(yùn)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(diǎn)內(nèi)容。
在引入競爭機(jī)制后，擴(kuò)建或新建發(fā)電機(jī)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(jī)組能帶來利潤時(shí)才會(huì)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(duì)投資回報(bào)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(bào)的情況下才會(huì)籌建新的工程項(xiàng)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(dòng)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(gè)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(yùn)行方式安排相對(duì)比較簡單，系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度、安全校核、阻塞管理、輔助服務(wù)交易計(jì)劃等。此外，市場環(huán)境下，由于多個(gè)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(huì)遭遇重大挑戰(zhàn)，需要探索安全性保障的新機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)的新能源裝機(jī)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(shí)數(shù)在4000小時(shí)上下浮動(dòng)，火電廠普遍經(jīng)營困難。此外，棄風(fēng)棄光問題依然比較嚴(yán)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(jī)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(shí)施方案》（發(fā)改能源〔2015〕1942號(hào)），2017年“三北”地區(qū)開展1635萬千瓦火電靈活性示范項(xiàng)目改造，增加系統(tǒng)調(diào)峰能力480萬千瓦，并繼續(xù)擴(kuò)大火電機(jī)組靈活性改造范圍，大幅提升火電調(diào)峰能力。按照經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理原則，“十三五”期間開工抽水蓄能電站共計(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)了風(fēng)電核電等清潔能源消納，顯著提高了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。后期市場建設(shè)工作中應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)靈活性資源定價(jià)機(jī)理研究及市場機(jī)制建設(shè)。
04、節(jié)點(diǎn)電價(jià)并非“必選項(xiàng)”
當(dāng)前，我國已形成東北、華北、華中、華東、西北、南方六個(gè)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(yùn)行壓力大等問題。相對(duì)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(duì)較為嚴(yán)重，大部分線路處于長期輕載的情況，只有少數(shù)線路負(fù)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(fù)荷和電源分布組成一個(gè)個(gè)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(yán)重。因此在美國電力市場，引入節(jié)點(diǎn)電價(jià)體系是合理的，可以使交易出清結(jié)果自動(dòng)滿足輸電線路傳輸容量約束，并且更加公平地分?jǐn)傒旊娮枞M(fèi)用。
但我國電網(wǎng)是國有資產(chǎn)占絕對(duì)優(yōu)勢的統(tǒng)一大網(wǎng)，而且輸電阻塞并不嚴(yán)重，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中也積累了豐富的斷面潮流控制技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，并不需要將阻塞費(fèi)用細(xì)分到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(jì)發(fā)展不平衡，電力市場作為要素市場的一部分，電價(jià)應(yīng)更多地考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和行業(yè)的差異，因此分區(qū)電價(jià)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(dāng)前對(duì)中長期交易采用物理合同或金融（財(cái)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(shí)時(shí)電價(jià)（spot pricing）理論，取決于某一時(shí)段的電力供需情況。
實(shí)時(shí)電價(jià)在理論上十分精致，卻有兩個(gè)重大缺陷：
一是仍然基于傳統(tǒng)的分時(shí)調(diào)度模型，沒有認(rèn)真處理跨時(shí)段（inter-temporal）的成本/效益變化，因此也忽略了電能生產(chǎn)和消費(fèi)的時(shí)間連續(xù)性這個(gè)十分重要的特征；
二是假設(shè)同一時(shí)段的電能商品都是同質(zhì)的，忽略了基荷、腰荷和峰荷機(jī)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(shí)時(shí)電價(jià)并不包括長期發(fā)電容量投資的經(jīng)濟(jì)信號(hào)，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(diǎn)，將火力發(fā)電在以分時(shí)邊際成本為基礎(chǔ)的現(xiàn)貨競價(jià)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(shí)際上，現(xiàn)貨價(jià)格主要適合于調(diào)峰機(jī)組、儲(chǔ)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(jià)，對(duì)于負(fù)荷平穩(wěn)的基荷電力及發(fā)電機(jī)組（例如核電機(jī)組）而言，隨負(fù)荷波動(dòng)的現(xiàn)貨價(jià)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(jī)組提供的不僅僅是電力電量，還有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性（resilience）等確保電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要特性，在電力系統(tǒng)中應(yīng)占有一個(gè)合理的比例。因此在電力市場設(shè)計(jì)中，保留一定比例的物理合同對(duì)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(diǎn)不同，目標(biāo)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(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)上開始的，比較容易實(shí)現(xiàn)集中競價(jià)的現(xiàn)貨交易（特別是發(fā)電側(cè)單邊競價(jià)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(dāng)前我國各省區(qū)的電力市場設(shè)計(jì)中，中長期交易一般在電力交易中心開展。
《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9號(hào)）中提出“建立相對(duì)獨(dú)立的電力交易機(jī)構(gòu)，形成公平規(guī)范的市場交易平臺(tái)”。當(dāng)前，所有省份均建立了省級(jí)電力交易中心并組建了兩個(gè)國家級(jí)的電力交易中心，這些交易中心有電網(wǎng)公司的獨(dú)資子公司，也有電網(wǎng)絕對(duì)或相對(duì)控股的有限責(zé)任公司。隨著改革的深化，當(dāng)前交易中心獨(dú)立的改革已經(jīng)提上議事日程。隨著8個(gè)電力現(xiàn)貨試點(diǎn)進(jìn)入模擬試運(yùn)行，調(diào)度獨(dú)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。
歐美國家電力市場的日內(nèi)、日前及更長時(shí)間尺度的提前交易都是在獨(dú)立于輸電系統(tǒng)運(yùn)營商的交易所進(jìn)行的，在長期的運(yùn)營實(shí)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(shí)期為事故發(fā)生后幾秒到1—2個(gè)小時(shí)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(shí)時(shí)平衡市場和調(diào)度操作權(quán)保留在電網(wǎng)調(diào)度機(jī)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(jìn)電力市場建設(shè)的實(shí)施意見》（發(fā)改經(jīng)體〔2015〕2752號(hào)），現(xiàn)貨市場主要開展日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)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(jī)超越煤電成為第一大電源。2012年美國裝機(jī)11.58億千瓦，其中，氣電裝機(jī)約占總裝機(jī)的42.5%，煤電裝機(jī)約占29.2%，核電和水電裝機(jī)分別占9.2%和8.7%，風(fēng)電裝機(jī)占5.0%，油電裝機(jī)占3.6%。除煤電和核電外，美國大部分機(jī)組都可實(shí)現(xiàn)日內(nèi)啟停，因此建立日前和實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)，其中火電占比70%左右。由于燃煤機(jī)組啟動(dòng)過程步驟多、時(shí)間長，日內(nèi)啟停的安全性、經(jīng)濟(jì)性和操作性不佳，故需要在更長的時(shí)間跨度上優(yōu)化機(jī)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(shí)時(shí)交易的多階段現(xiàn)貨市場機(jī)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(yùn)行，除已全面推廣的我國特有的實(shí)時(shí)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(jī)制。
火電機(jī)組啟停調(diào)峰交易是指火電機(jī)組通過停機(jī)備用將低谷時(shí)段電力空間出讓給風(fēng)電、核電，在高峰時(shí)段重新啟動(dòng)以適應(yīng)負(fù)荷增長的需求，緩解電網(wǎng)調(diào)峰矛盾，促進(jìn)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(jī)制。傳統(tǒng)的輔助服務(wù)設(shè)計(jì)中均僅考慮改變發(fā)電側(cè)發(fā)電功率以適應(yīng)用戶負(fù)荷的不斷變化，如果能建立可中斷負(fù)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(fù)荷），將有利于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，上述建立了火電機(jī)組啟停調(diào)峰交易的省區(qū)大多數(shù)也都同時(shí)建立了可中斷負(fù)荷調(diào)峰交易。
原國家電力監(jiān)管委員會(huì)《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(hào)）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(jià)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(jī)構(gòu)指定的并網(wǎng)機(jī)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(shí)間內(nèi)能夠調(diào)用。冷備用指并網(wǎng)火電發(fā)電機(jī)組、核電機(jī)組等按電力調(diào)度指令停運(yùn)，到接到電力調(diào)度指令再次啟動(dòng)前的備用狀態(tài)，一般規(guī)定備用時(shí)間需大于72小時(shí)。
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(jī)制。
（作者系華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)與電力市場研究所所長）
