摘　要　概述了各国电力市场改革的情况，讨论了当前各国电力市场运营机构的两大类型：电力交换(Power Exchange)和独立系统运行员(Independent System Operator),介绍了支持电力市场的计算机系统(business management systems)以及在电力市场运营实践方面的经验。
关键词　电力市场　功率交换　独立系统运行员　商业管理系统
分类号　TM 73　F 123.13

　　随着竞争机制的引入，电力工业革命的潮流席卷全球。它涉及到政府机构的决策，以解除对电力工业的管制(deregulation/liberalization)，促使电力工业机制的重构(restructuring)和新技术的开发及应用，也引起了金融界的重视。美国金融杂志Forbes的特别报道“Revolution in the Power Industry”［1］表明了这场革命对各行各业的重大影响。
　　世界各国的电力市场各有不同。简而言之，从运营机构形式上可以分为两大类：电力交换(Power Exchange,缩写为PX)和独立系统运行员(Independent System Operator,缩写为ISO)。前者的例子有英国、新加坡、澳大利亚等；后者的例子有美国的纽约、挪威的StattNet等。有的地方同时存在ISO和PX两种机构，例如美国的加州。
　　本文主要介绍ISO和PX形式的电力市场运营机构及其计算机系统，以及实现电力市场运行的新技术和支持软件模块。

1　电力市场概述

　　电力市场是电力工业引入竞争机制后历史发展的必然。美国的电力市场是自然形成的，例如早在70年代，佛罗里达电力联合集团(Florida Electric Power Coordination Group)，就有了经济功率交换形式的市场。英国的电力市场，从80年代末开始实行私有化改造，是分阶段、有指导地形成的。从90年代起，美国和世界各国的电力市场逐渐增多，形成了PX或ISO，或PX与ISO并行的电力市场。
　　在美国，1992年通过了能源政策法(Energy Policy Act),将竞争机制引入电力工业。在1996年，美国联邦能源管制委员会(FERC)又提出输电网络必须对用户开放。从1997年起，美国不少州已立法允许开放零售市场(retail access)，在这些政策基础上，美国各州制订了各自电力市场在不同阶段的不同规则。
　　当前美国各州电力市场处于3种不同的阶段：①电力工业重构计划已被采用/待决；②正在考虑/公司制订计划(50%)；③重构计划处于研究中(14%)。各州建立自己的ISO类型的电力市场以及考虑开放电力零售市场的计划。

2　电力交换

　　电力交换(Power Exchange,缩写为PX)是一种以电网为核心的电力联营机构，也可以称为Power Pool。这种类型的电力市场在发电领域引入竞争机制，各个电网之间通过电力联营机构可以进行电能交易，但是在输电和配电方面却是垄断经营。在英国、新加坡、澳大利亚、新西兰、南非以及美国的一些州，均采用这种方式进行能源贸易。
　　以PX的形式进行能源贸易，其计算机系统应包括如下5个主要的子系统。
　　a.改进的EMS：包含数据库、画面、通信及支持系统。
　　b. Decision Support System：计划和价格的确定。其复杂程度随具体的市场设计而定，在处理计划、价格与拥挤管理(congestion management)的方法上有多种不同的方案。
　　c. Settlement System：计划的处理、结算和管理。
　　d. Metering System：测量表计系统。
　　e. Market Participant Interface System：报价、发布、市场与其它子系统互联。
2.1　新加坡的Power Pool
　　新加坡Power Pool采用修正了的英国模式(single pool model)，并且作了一些改进。首先，鼓励公平贸易，并分担发电机组及供电公司通过电力联营买进卖出的风险；其次，促使一些输电辅助服务的价格接近购电方的要求，这是一种双边价格市场(日负荷预计和每小时的现货市场)，以及两者之间计划的处理和结算(settlement)。像英国一样，日计划市场是基于机组组合的方法(生产费用最小)。
　　新加坡的计算机系统包括如下子系统：拥挤管理，发电过量管理，地区价格的确定，计划的处理，结算和管理。这个商业管理系统(business management system,缩写为BMS)包括报价和计划的管理和清账结算以及分析报价和计划的可行性，使得能源可以通过新加坡的电力输送网络进行买卖。另外，电网控制管理系统包括新加坡电网的实时控制和运行，并与一些现存软件组装在一起，通过ICCP与其它区域连接。这个系统的优点是：容易建立和运营，保证供电的安全和质量，鼓励开发新的有效的发电方式。
　　Power Grid 由新加坡Public Utility Board(PUB)演变而来,是负责管理东南亚第一个解除管制的电力市场的PX。这个市场于1996年8月开始试运行，并于1998年实现在线运行。新加坡电力市场示意于图1。

图1 新加坡电力市场示意图
Fig.1 Schematic diagram of simgapore Power Pool

2.2　澳大利亚的国家能源市场
　　澳大利亚的国家能源市场(National Energy Market NEMMCo),有些类似英国，但是它比现在英国模式先进得多。它的特点是在发电侧竞争，在输、配电方面确是受管制的(regulated)。不同之处是，它要提供重新分配协议(re-allocation agreements)形式的双边合同管理。地区价格是指在不同的输电约束地区内市场价格是不同的。在电厂的调度中必须考虑区域互联约束。虽然报价是预先提交的，但是重新报价也是非常灵活的，并且可以在任何时间内进行。另外，辅助服务的合同和报价也能通过市场进行调节。
　　NEMMCo处理由市场参加者们提交的电能贸易计划，它按价格经济的原则进行购买，并计算调度辅助服务的价格(包括备用服务)。NEMMCo是辅助服务的唯一买主。计划的处理(settlements)是公平的，基于真实的供电或消费，并考虑了系统中的损失。各个地点的价格不同，价格最大的限制称为Value of Lost Load(VOLL)。在这点上，澳大利亚与英国类似，然而，在澳大利亚，VOLL用于“上限”(cap)而不是提高价格。在紧急事故或供电短缺的情况下NEMMCo可能宣布市场受行政管理。这时通常采用VOLL或一些有关的办法。一般来说，这种行政管理的情形很少发生，而且只能认为此时市场处于非正常运行状态。
　　ABB向NEMMCo 提供了Pooling and Settlement System (P&SS)。这套系统可以在不同的市场规则下运行，并且很容易满足市场扩建与改造的需要。这套系统是在为英国设计的方案上发展起来的，在结构上和实现上都非常灵活。不过，它比大多数PX的系统要复杂一些(见图2)。

图2 澳大利亚国家电力市场简介
Fig.2 Australoa market overview

3　独立系统运行员

　　随着电力市场竞争机制的进一步发展，要求输电网络必须向用户开放，并有偿地提供输电服务。独立系统运行员(ISO)就是这样一种新型机构。ISO的主要作用是电网运行控制和实时电力市场管理。它的基本功能包括：实时自动发电控制，网络安全运行，拥挤管理，机组组合，电能现货市场(energy spot market)，输电和辅助服务市场(transmission and ancillary services)。
　　在输电和辅助服务中，输电费用包含接入费(access charge)和使用费(usage charge),使用费又分为拥挤费和线损(congestion charges and line losses)。辅助服务一般包括运行调节(regulation)、旋转备用(spinning reserves)、非旋转备用(non-spinning reserves)、维修备用(replacement reserves)、电压和无功支持(voltage/reactive support)、故障启动(black start)。
　　ISO形式的电力市场有美国加州(California ISO)、纽约(New York ISO)、新英格兰(New England ISO)、挪威的StattNet(NordPool ISO)。
　　纽约的电力市场(New York Power Pool，缩写为NYPP)可以称为世界上最古老和最大的电力联营，它完全有能力自己开发各种应用软件。但是，它面临将现有的能量管理系统(EMS)改变为开放的结构(open-architecture)，并满足解除了管制的电力市场的需求。NYPP选择了ABB作为它的合作伙伴，其原因是改造现有系统比建立一个全新的系统要难得多。
　　NYPP的输电网是高度网状和拥挤的系统，拥挤管理是其运营机构ISO中最关键的一环。市场分为日计划市场和实时平衡的市场。机组组合计划是ISO的责任之一，并且必须与拥挤管理过程结合在一起。拥挤管理的价格是基于Locational-Based Pricing Method(LBPM)。采用这种方法先计算系统中每个母线的边际价格(marginal price)，再将那些地点的价格平均起来，最后计算拥挤管理的地区差额价格。NY ISO的计算机系统由如下子系统组成(见图3)。

图4 美国加州电力市场概况
Fig.4 California market overview

　　a.报价系统(bidding system)：接收供需双方的每日报价。
　　b.即时信息系统(open access same-time information system)：通过Internet提供输电能量的信息。
　　c.采用神经网络算法的短期负荷预报(neural forecast)。
　　d.安全约束的机组组合，提供满足输电线和区域约束(拥挤管理)的最经济的发电计划。
　　e.先进的互联系统交换计划(ISplus)。
　　f.分阶段的EMS改造。
　　g.历史数据信息系统。
　　h.地点边际价格(locational based marginal pricing)。

4　美国加州的电力市场

　　美国加州的电力市场于1998年3月31日投入运行，这是美国电力工业界的大事，也是全世界电力工业的大事。加州地处美国西海岸，是高科技集中的地区，这个电力市场要保障整个加州以及著名硅谷地区众多高科技公司的供电，的确责任重大。美国加州电力市场概况见图4。
　　为实现电力市场的需要，加州公用事业委员会(CPUC)于1995年12月决定重构加州的电力工业，建立以ISO为中心的电力市场，实现发电竞争、输电开放，并要求电力市场于1998年1月1日投入运行。PX和SC(Scheduling Cocordinators)是构成电力市场的另外两大机构。PX也可以被看成为另一形式的计划协调部门(SC)。在电力市场运行的前4年，加州三大主要电力公司拥有的所有发电量必须经过PX报价。从1998年1月1日起，PX将它的电价降低了10%，以吸引用户仍选用PX供电。例如，向太平洋煤气电力公司(PG&E)交电费的居民，现在的电费中包括能源费、输电费、配电费、核电停用费、竞争通过费(competition transition charges)、信托传输总计(trust transfer amount)。由于ISO，PX，SC几方面接口数据的一些原因，加州的电力市场推迟至1998年3月31日投入运行。
　　加州的电力市场由3个独立市场组成，即：日计划市场(day-ahead)、小时计划市场(hour-ahead)、实时市场(real-time)。市场的商品包括：能源(energy)、增补能源(supplemental energy)和辅助服务(ancillary services)。PX是提供能源的现货市场，并决定日计划市场和小时计划市场的最终价格(clearing prices)，也提供辅助服务以支持其能源计划。ISO要对电网的可靠性和安全性负责，计划通过电网的所有功率，并保障实时电网运行的平衡。ISO也要管理地区内和地区之间的输电拥挤，并为所有输电服务提供现货市场。
　　PX和SC向ISO提交平衡之后的报告。一份能源报告包括报价、发电、负荷、输入、输出以及同其它SC的电能买卖计划，所有电能传送的损失也要计算在这个报告之中。计划又可区分为独立的发电机组或负荷群体。
　　发电计划可以采取自我组合的形式。ISO分析由PX或SC提交的初始计划后，计算系统的拥挤程度，对计划进行最佳调整，并解除拥挤。这些调整后的方案，将向市场的参加者们发布。随后，市场的参加者们向ISO提出他们修正后的计划，并加以实行。加州ISO的计算机系统可分为四大子系统(见图5)。

图5 美国加州ISO的计算机系统
Fig.5 California ISO comprter system

　　a.交易处理支撑子系统(scheduling infrastructure)：报价、发布，与其它三大子系统互联。
　　b.计划应用子系统(scheduling applications)：电网安全分析，输电服务，拥挤管理，地区价格的确定。
　　c.结算子系统(balance of business systems)：计划的处理，结算和管理(settlement, billing & credit)。报价和计划的管理与处理，是为了能通过加州的输电网进行电能的买卖，进行报价与计划，并分析网络拥挤。
　　d.电力管理子系统(power management system)：管理和控制加州电力传输网的实时运行，也可以称为改进的EMS。

5　结语

　　全球电力工业革命使“电力”这个古老的行业充满了活力。它在政治、经济、科技等各方面提出了新的挑战，给许多行业创造了新的机会。各个电力市场都有其独特之处，在计算机系统的配置和应用软件上更是各不相同。
　　在中国，现阶段电力市场的方针是“电厂大家办，电网国家管”，这与PX的形式有许多相似之处，中国的许多教授和专家们针对国情做了大量的研究，对中国电力市场的运营模式提出了各种精彩的论述［2～4］，中国的电力市场将吸收各国之长处，建立一种符合自己特色的新模式。
作者感谢ABB SC的Farrokh Albuyeh博士向本文提供了宝贵的资料，以及陈一浪博士对本文中的技术问题提出了有益的建议。

作者单位:ABB 系统控制公司　Santa Clara, California, USA
作者简介:张晓枫，女，ABB 系统控制公司高级工程师，从事电力市场CA ISO和NY ISO项目的研究开发工作。
　　　　林日升(Frank Lim)，男，亚州市场经理，台湾电力市场咨询项目经理。

参考文献

［1］Scheinholtz D. Revolution in the Power Industry. Forbes, 1998-07-06
［2］中国电机工程学会编. ’98电力市场与电力系统国际研讨会论文集.北京：1998
［3］于尔铿，韩　放，谢　开，等.电力市场.北京：中国电力出版社，1998
［4］言茂松. 电能价值当量分析与分时电价预测. 北京：中国电力出版社，1998