赵庆波, 曾 鸣, 刘 敏，林海英
华北电力大学, 北京 102206
1 引言
世界各地区以及同一地区不同时期由于实际情况不同，所采用的电力市场模式也不尽相同。本文根据我国已确定的近期及中长期电力工业市场化改革方案中准备采用的电力市场运营模式[1]，来分析研究LFC方法及实施方案。在计划经济模式下，我国电力工业基本上是发、输、配、售垂直垄断一体化运营，各环节电价均由政府管制。其结构如图1所示。各个垂直一体化电力公司（简称VIU）之间可以通过联络线买卖电力。VIU之间联网可以提高电网供电可靠性。20世纪80年代实行集资办电形成的独立发电公司（IPP）可以与VIU进行交易。
我国电力工业市场化改革方案已明确规定，“厂网分开，竞价上网”是改革的第一步，因此所有发电企业都将成为独立发电企业，即IPP，它们将在发电市场中以竞价方式卖电给电网经营企业，其结构如图2所示。本文以图2所示的电力市场结构及相应的运作模式为基础（售电侧暂不形成市场，终端用户无选择权）来分析研究LFC问题。图2 中输电公司承担发电公司与配电公司之间的输电服务业务。根据我国实际，一些地区在一段时间内将保持输配一体化运营，但这并不影响本文提出的LFC方法及实施方案的有效性和通用性，例如，批发电力转供和零售电力转供的差别仅仅是交易的数目和数量，而不是LFC技术（至于两种交易由于数目不同而产生的计算量不同，则是另一种技术问题，不是LFC本身的问题）。如果我们只考虑发电公司和配电公司之间的双边合同，那么本文提出的LFC方法和实施方法及实施方案对于售电侧引入竞争机制（即零售竞争，终端用户有选择权）下的电力市场也是适用的，因为终端用户和发电公司之间的直接合同从LFC技术角度来看，与本文讨论的双边合同是相同的。
图2给出的只是一个输电公司，而我国目前是每个区域电网下属几个互联的省级电网。省际之间有电力交易，也就是说，交易可能要经过一个以上的输电公司。如果电网只有一个输电公司，那么LFC技术问题较好解决，因为对控制电网安全稳定的责任和权力可以完全落在一个机构中。根据我国实际，本文以多个输电公司并存，形成多个双边合同（在发电商和配电讨洌┪±捶治鲅芯縇FC技术方法和实施方案。
目前和今后相当长一段时间，多数零售用户仍执行固定电价，不能执行其负荷随时间动态变化而产生不同成本的实时电价。对趸售（批发）用户可以根据功率因素、最大需量和其他负荷特性参数来确定电价，因此本文只考虑三种类型的合同
（1）固定功率合同 这是一种最简单的合同，在固定时间上固定功率，但实际上很少有用户会以固定的比例耗用电功率。
（2）可变功率合同 用户可以要求在合同规定的参数范围之内改变功率，但用户可以将负荷需求与功率购买相匹配。
（3）负荷匹配合同 提供负荷跟踪服务，在传统的电力工业模式下，负荷跟踪是VIU的责任（义务），不需要用户支付。在电力市场环境下，这类合同如何运作是需要研究的问题，一个可行的办法是：用户负责自己负荷的跟踪；用户和发电商签订负荷匹配（跟踪）合同；发电商按合同要求，根据用户负荷变化来匹配发电出力。
2 LFC方法及实施方案研究
电网控制的基本问题之一就是有功功率要时刻和负荷需求加上线损保持平衡，以使频率合格，或称频率调节。频率是电力系统运行的一个重要质量指标，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态：当电力系统中有功功率的总供给满足了全网电力负荷的总需求，并能随负荷的变化而及时调整时，电网的运行频率将保持为额定值；如果电力系统的有功功率供大于求，电网的运行频率将高于额定值，反之，将低于额定值。LFC方法主要是调整发电功率和负荷管理。调整发电功率由频率的下述3次调整来完成：① 动力系统的自然属性，依靠调速器完成；② 由系统中的自动发电控制机组承担，为避免系统间联络线的过负荷，可同时对联络线功率进行监视和调整；③ 实质是完成在线经济调度，是系统中所有按给定负荷曲线发电的发电机组分担的调整任务。文献[2]给出了VIU结构下的LFC方法。在图1所示的VIU结构下，控制区域由电力公司拥有的输电设施构成。控制区域有权向发电厂（由电力公司拥有）发布控制命令，但在厂网分开后就行不通了。
2.1 电力市场中可能采用的三种LFC运营模式分析
在电力市场条件下，LFC方法、管理体制、运行机制和实施方案可以有多种，这取决于由谁控制发电厂，谁有义务承担LFC，以及市场机制完善程度。本文根据我国实际以及国际上电力工业市场化改革历程，研究提出三种LFC运营模式，即：免费LFC,收费LFC和双边合同LFC。免费LFC模式是传统电力工业采用的模式，收费LFC模式可以作为电力市场初级阶段采用的模式，而双边合同LFC模式是在有了较完善的电力市场机制之后可采用的模式。
在传统的电力工业模式下，由VIU（或者输电公司）向自己拥有的发电机组发布实施LFC的命令，这些发电机组免费提供LFC服务。而IPP或者也受VIU控制，按技术合同要求有义务提供LFC服务，或者没有义务实施LFC。采用这种免费LFC运作模式，从经济角度看存在不公平性, 但从技术角度看，不存在明显问题。只有当总装机容量中VIU拥有（控制）的发电机组的LFC能力减少到接近最大负荷变化比率值时才会出现控制能力不足的技术问题。
在收费LFC模式下，输电公司不再拥有自己的发电机组（厂网分开），但输电公司有义务提供LFC服务。因此输电公司必须从发电公司实时（以s为单位）购买有功，再转售给配电公司。在这种LFC模式下，输电公司可以采用垄断方式买卖LFC服务，也可以和双边合同LFC并存，也可以没有双边合同LFC（分别和英国及挪威情形相同[3，4]）。
在双边合同LFC模式下，输电公司没有义务提供LFC服务。配电公司必须自己与发电公司签订购买负荷匹配（简称LM）服务的合同。也可以双边LM合同与上述输电公司收费提供LFC两种模式并存。对于没有签订双边LM合同的配电公司，输电公司有责任为它们提供LFC服务。
2.2 收费LFC运作模式及实施方案分析
在收费LFC模式下，是由输电公司实施LFC。由输电公司度量频率偏差和互联网净功率交换偏差，然后向发电机组发布控制信号以调整其出力。控制误差的计算方法与免费LFC模式下的计算方法相同，因为控制区边界相同。控制区包含输电、发电和配电3个部分，如图3所示。控制误差计算公式如下：
式中 Eac为区域控制误差，取正值；N i为净功率交换值；B为偏差系数（MW/0.1Hz,取负值）；f为频率值。
第一个要解决的问题是，针对控制区域之间的交易来计算 ：
式中 ΣNgs和ΣNdb分别为发电商出售功率和配电商购买功率。
在图3中，配电公司DX从发电公司G1购买的功率要加到中，而配电公司DA从发电公司G0购买的功率要从中减去。这些控制区之间的交易可以分别作为售电和购电，加到目前的LFC系统中，基本方法不需改变，只是交易数目明显增加，会产生一些实际操作问题。
根据国际上已进行电力工业市场化改革的一些国家的经验，在电力工业引入市场机制后，控制区域之间的交易将大量增加。对于净交换为进口的控制区，每个配电公司签订的跨区域交易合同数量就有可能和改革前整个控制区域的合同数量一样多，而发电公司就有可能就地售电（因为是净交换为进口的区域）。对于净交换为出口的控制区，配电公司将在本区域内购买大部分电力，而发电公司将同时在本地区内和本地区外售电。因此，跨区域交易的数量将达到与输电公司联网的配电公司或者发电公司的数量，通常为几十个。
因此要对现行的交易运作方法进行改进，以保证其能够适应交易数量的增加。尤其是，交易数据的输入以及与控制中心的通信方式和技术需要改进，以减少输入误差。
第二个要研究的问题是，在收费LFC模式下，对各发电机组如何分配控制任务。在免费LFC模式下，是根据经济调度来对机组分配控制任务的，也就是说，按照各个机组提供控制服务所需成本高低进行排序来分配控制任务。在收费LFC模式下，控制任务的分配也是按成本最低原则进行，但这个成本是指输电公司从发电公司购买控制服务的成本（价格），这个价格通过市场（招标）形成。尽管控制任务分配的数学问题比免费LFC模式下的简单，但是控制任务分配规则和运作模式取决于价格结构。例如，如果上网电价是每负荷块价格固定，那么就要按照价格由低到高将负荷块排序，价格最低的负荷块首先承担控制任务，顺序分配控制任务。如果是采用各个发电机组成本连续变化曲线招标，那么为达到以最小成本实施LFC，就需要对各个发电机组（而不是负荷块）分配控制任务。
第三个要研究解决的问题是，合同结算和支付的问题。输电公司必须计算确定每个配电公司要求的LFC数量，从每个发电公司购买的LFC数量（以什么价格购买的），然后计算确定每个配电公司要为购买LFC支付的数量。LFC的价格要受管制，LFC的结算需要知道每个配电公司使用的LFC资源的信息，如何采集这些信息是一个技术问题。
现在针对图3所示的收费LFC运作模式，假设发电公司G1和G2分别有对配电公司DA和DB供电100 MW的合同。除此之外，没有其他合同。进一步假设，输电公司从G1购买所有的LFC服务；控制区之间净交换计划值为0；DA和DB的负荷正好为100 MW，总发电出力将大于100 MW，因为还有线损。由G1承担这个控制任务，以补偿线损，如表1所示。
在这个控制周期中，输电公司从G1购买了2 MW的LFC，将这2 MW的LFC用于部分地补偿输电损失，因为输电公司负责自己的输电损失。输电公司已有合同来部分地补偿这个输电损失，而不是完全依靠购买LFC电力。因此，用于补偿输电损失的LFC售电功率（记为LS）
式(3)和式(4)中，P为发电机组出力；D为负荷；PC为补偿输电损失合同的电力；P1为发电公司G1预置发电出力；PC1表示与发电公司G1签订的合同电力。
假设DA的负荷增加了2 MW，控制中心将让G1提高出力至104 MW, 如表2所示。
这时，输电公司从G1购买4MW的LFC，其中2MW转售给DA，2MW留给自己。出售给配电公司DA的LFC计算如下(记为Lda)：
式中 Da为配电公司DA的负荷， 为DA拥有的合同功率。
不同的配电公司其负荷变化不同，有的配电公司负荷会增加，有的配电公司负荷会减少。因 [1] [2] 下一页
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