摘要：山西电网富煤、多风、多光、少水、供暖需求大，电网调峰能力难以满足新能源快速发展的需要，亟待建立“现货+辅助服务”联合运行的市场化机制。结合山西电网特点和政策背景，设计了多日滚动机组组合、日前市场、实时市场深度融合的现货与深度调峰联合优化机制，建立了基于多日滚动机组组合的电力现货与深度调峰市场联合优化出清数学模型，并在山西电网某次连续7天结算试运行实际应用。试运行验证了机制合理性和模型有效性，是市场化方式解决山西电网调峰能力不足与新能源消纳受限矛盾的有益尝试。
（来源：电网技术 作者：丁强1,任远2,胡晓静1,邹鹏2,燕争上2,李鸣镝2,蔡帜1,薛艳军3）
1. 电力调度自动化技术研究与系统评价北京市重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192;
2. 国网山西省电力公司，山西省 太原市 030021;
3. 北京清大科越股份有限公司，北京市 海淀区 100084
0 引言
近年来，山西新能源发展迅速，截至2020年5月，山西省新能源场站总装机容量2472万kW，同比增长21.6%；风电出力首次突破千万kW，最大达到1006万kW，风光叠加最大出力1468万kW，占当时全网用电的61%。根据“十三五规划”，到2020年底山西新能源装机将达到3800万kW[1]，新能源发电的随机性、间歇性和波动性对电网的灵活调节能力提出更高要求[2-4]，将大幅度增加系统辅助服务需求和成本。在这个背景下，依然依靠“两个细则”辅助服务计划补偿模式和力度已不能满足电网运行需求[5]。
2015年3月，中发〔2015〕9号文提出建立辅助服务分担共享新机制，山西积极开展电力辅助服务市场化探索。2017年10月，山西能源监管办印发《山西电力风火深度调峰市场操作细则》，实现深度调峰服务的市场化改革，缓解山西电网冬季供热期低谷调峰困难的现状。
实际上，深度调峰是我国特有的电力辅助服务品种，通过短时电力调节使发电出力匹配负荷的变化，在电力现货市场建立前，调峰市场作为一个独立的市场，能够有效解决当前调峰资源不足的问题[6-7]。国外一般通过电力现货市场的实时平衡市场或者平衡机制实现调峰，像美国PJM和MISO等区域，借助燃气机组提供灵活可调的调峰资源，基本上不存在调峰资源短缺的问题[8]，文献[9]则以生产实际场景，再次证明了燃气机组在工业应用中具有快速削峰响应的能力。山西省目前调峰机组主要以火电机组承担，有最小启停时间约束要求使得燃煤火电机组在短时间周期内不能频繁启停；再加上系统备用等运行约束要求，仅靠火电机组组合难以充分保障风光等新能源的充分消纳[10]。
2017年8月，山西被选择为第一批8个电力现货市场建设试点地区之一，加快电力现货市场建设步伐。因为市场建设尚处于起步阶段，距离国外成熟电力市场靠现货市场解决调峰问题仍有一定距离，在现货市场建设初期，保留深度调峰市场，以鼓励火电企业进行灵活性改造。同时，火电机组要完成计划电量指标，导致部分火电机组即使在新能源大发时也不能停机，只能采取深调运行的方式，这也是山西初期保留深调市场的重要原因。对于同台发电机组而言，参与调峰与电能的竞价空间是耦合互斥，深度调峰市场和电力现货市场联合优化运行更能获得最佳经济效益，促进资源优化配置。目前国内文献多集中在电能量市场机制设计与运行[11-17]、辅助服务市场机制设计与运行[18-25]方面，缺少对电力现货市场与深度调峰市场联合优化的研究与实践。文献[3]设计了一种将深度调峰、可再生能源消纳和日前市场相结合的考虑深度调峰的电力日前市场机制，但是难以适用于火电机组不能频繁启停的场景，缺乏实际市场运行实践经验。
因此，本文在国内外研究的基础上，结合山西电力现货市场建设进展和山西电网发展运行实际，一是提出基于多日滚动机组组合的现货电能量市场与深度调峰辅助服务市场的联合优化机制，二是建立主辅市场联合优化出清模型，三是分析在冬季供热与新能源大发叠加期间的实践情况，以市场化方式实现风火协调、促进新能源消纳。
1 现货与深度调峰市场联合优化机制设计1.1 电网“鸭型曲线”
选取试运行期间某典型日情况进行分析。当天山西电网风电最大出力820万kW(21:00)，中午风光叠加最大1071万kW(12:00)。省内用电实际负荷最小2332万kW，发生在凌晨4:30；净负荷(省内用电–风电–光伏)最小1364万kW，发生在中午13:15。净负荷峰谷差819万kW，较原始省内用电负荷峰谷差扩大44%，如图 1所示。由于光伏出力作用，净负荷最小值转移至中午，峰谷差进一步加大，新能源消纳缺口最大450万kW，反映出冬季供热期间山西电网调节能力与新能源消纳需求之间的矛盾十分突出。
图 1某典型日山西电网“鸭型曲线”Fig. 1Duck curve of a typical day in Shanxi power grid
1.2 政策背景
按照国家关于电力体制改革的总体要求，结合山西电网运行实际，经省内市场主体共同研究讨论，形成现货市场规则体系版本，包括《山西省电力现货市场交易实施细则》与《山西省电力辅助服务市场实施细则》等，作为该次连续7天结算试运行的依据，以市场竞争方式引导火电企业积极参与系统调峰，开展多日滚动机组组合、电能量市场和深度调峰辅助服务市场的联合运行，实现风火协调，促进新能源消纳。
1.3 联合优化设计思路
目前，我国电力现货市场建设仍处于初级阶段，计划和市场“双轨制”运行，电力现货市场试点单位的火电机组仍有计划电量，加上火电机组深调灵活性改造投资较高，机组下调出力意愿不强，电能量市场并不足以替代深度调峰市场促进火电机组主动降低出力，故市场建设初期保留深度调峰市场是及其有必要的。对于同台火电机组而言，参与深调市场与电能量市场的电量空间是耦合互斥的关系，但电能量与深度调峰辅助服务市场联合优化，是实现主辅资源优化配置的重要手段，并将两类不同的交易品种和服务纳入现货市场统筹考虑，以市场化价格引导火电机组加强灵活性改造参与调峰、挖掘潜力。因此，现货市场和深度调峰市场采取“分别报价、联合出清”的组织方式。由于燃煤火电机组的运行特性以及系统备用要求等特点决定了仅依靠单日机组组合难以适应山西电网实际运行需要，为加强电网运行方式安排的连续性和稳定性，引入能更好衔接日前市场的多日滚动机组组合。
在上述基础上，设计了基于多日滚动机组组合的日前电能量市场、实时电能量市场和深度调峰市场联合优化的框架，实现多日机组组合、深度调峰市场与现货市场的联合优化运行，如图 2所示。
图 2山西电力多日组合、现货与深调市场联合优化框架图Fig. 2Framework of joint optimization of multi-day UC, spot and deep peak shaving market of Shanxi
多日滚动机组组合支持3~7天自由选择优化计算时长。通过对火电机组的启动费用、空载费用和电能量费用的综合竞价寻优，确定出火电机组开停计划和新能源最大消纳能力。新能源以其功率预测为上界，优化过程中可向下调整即可以弃限电。目前，新能源场站滚动申报未来3天的功率预测曲线，调度技术支持系统滚动预测未来7天的新能源功率曲线。当调度系统预测第4~7天的新能源出力波动较大时，可适当调整机组组合的优化计算时长，以进一步提升火电机组运行的稳定性，在煤电机组最小开停机时间较长情况下实现火电机组长时间维度的开机优化。
多日滚动机组组合环节后，截取次日机组组合开展日前电能量交易，以多日机组组合确定的火电机组开停计划和新能源消纳能力作为边界条件，通过对火电机组五段式的电能量费用的综合竞价寻优，出清计算得到日前现货市场中各火电机组的分时中标电量及各节点电价。
在日前深度调峰市场阶段，根据前两个阶段确定的火电机组组合、火电发电计划及新能源出力情况，判断是否存在限风限光，如果存在则启动深度调峰市场，结合参与深度调峰市场机组的深度调峰报价及电网电源各类运行约束要求，带安全约束的经济调度程序将在日前现货市场出清时联合开展省内深度调峰交易出清计算，经安全校核后得到火电机组的深度调峰电力曲线及分时深调电价、日前电能量市场电力曲线及节点电价、新能源出力计划，形成考虑深度调峰的安全约束日前发电计划。通过日前电能市场和深度调峰市场联合优化出清，进一步降低火电机组出力、让出发电空间。
在实时运行阶段，实时现货市场与实时深度调峰市场联合运行。实时电能量市场，基于日前机组组合结果和超短期负荷、新能源预测，出清计算得到现货电能量、节点电价和新能源出力计划。当日内新能源消纳困难时，启动实时深度调峰交易，结合火电机组的深度调峰报价及电网电源各类运行约束条件，联合开展实时电能量市场和实时深度调峰市场的优化出清计算，经安全校核后得到火电机组实时深度调峰电力曲线及电价、实时电能量市场电力曲线及节点电价、新能源出力计划。通过实时电能量市场和深度调峰市场的联合优化出清，形成考虑深度调峰交易的安全约束实时发电计划。
主辅市场联合优化的机制，通过一体化模型一次性计算完成，实现“前台业务、后台运行”，提高了市场出清效率。当山西省内调节资源用尽，仍有限弃风弃光时，组织新能源企业参与国调跨区富余新能源现货交易和华北跨省调峰市场，进一步拓展省内新能源消纳空间。
1.4 市场组织流程
基于山西省电力现货与深度调峰市场联合优化设计思路，结合山西实际情况，组织开展山西省电力现货与深度调峰市场。山西主辅市场联合交易的组织流程如图 3所示。
图 3山西电力现货与深度调峰交易组织流程图Fig. 3Flowt of spot market and peak shaving trading organization of Shanxi
具体组织流程描述如下：
1）竞价日9:30前，发布电力现货与深度调峰交易开市相关信息，如现货市场竞价空间、现货市场申报价格上下限、暂不参与深调的发电机组、深调市场各档申报价格上下限等。
2）竞价日9:30—10:30，参与电力现货市场的发电机组根据自身能力，分五段式进行申报运行日量价信息；参与深调市场的燃煤发电机组依据自身能力，在深度调峰参与基准值以下进行深度调峰交易“阶梯式”的申报，申报每档价格及机组深度调峰出力下限，分四档报价。其中深度调峰交易各机组申报的每一档视为全天相同报价，报价最小单位为1元/(MW·h)。
燃煤火电组深度调峰参与基准值确定方式：非供热期为机组额定容量的50%；供热期，非供热期机组及不承担供热任务的供热机组，参与基准值为核定容量的50%；供热期承担供热任务的供热机组，参与基准值为国家能源局山西监管办核定的运行方式下限容量。
3）竞价日10:30—16:30，将所有申报电力现货市场、深度调峰的火电机组每一档的报价信息累加形成市场总供给曲线，并依据风电和光伏新能源预测出力、次日负荷预测、电网调峰需求，根据报价由低到高进行电力现货市场与深度调峰市场联合优化出清。出清结果在通过安全校核的基础上，形成考虑深度调峰交易的日前发电计划。当日前发电计划将深度调峰交易所有申报机组申报的各档深调容量已用尽，但新能源消纳仍有需求、火电机组仍有深调空间时，按照新能源消纳的需要继续调用未申报机组及申报机组未申报的可深调容量进行深调。
4）竞价日16:30—17:30，通过审核后的电力现货市场出清结果与深度调峰交易出清结果方可进行信息发布。
5）竞价日17:30，向市场主体发布考虑深度调峰交易的日前发电计划。
6）运行日内，依据超短期负荷预测、风电和光伏新能源预测出力情况，在电网安全运行保留必要下旋转备用的基础上，预计下一个15min周期将出现弃风、弃光时，启动实时深度调峰交易。依据省内新能源消纳需要和电网调峰需求，按照深度调峰交易总供给曲线由低到高依次调用火电机组进行深调，按照预先确定的新能源发电序列安排风电、光伏新能源企业增发，以15min为周期滚动出清，在通过安全校核基础上形成考虑深度调峰交易结果的日内发电计划。实时运行时，当深度调峰交易所有申报机组申报的各档深调容量已用尽，但新能源消纳仍有需求、火电机组仍有深调空间时，同日前发电计划强制调用一样，运行日也强制调用未申报机组及申报机组未申报的可深调容量进行深度调峰。
7）实时运行前10~15min，发布下一个15min周期电力现货市场与深度调峰交易结果，各发电企业应该严格执行交易结果，并按规定权限获取相关信息。
2 现货与深度调峰市场联合出清数学模型
基于山西电力现货与深度调峰市场联合优化机制，构建电力现货与深度调峰市场联合出清数学模型。电力现货与深度调峰市场联合出清得到机组出力和潮流分布，在联合出清确定调峰出力的基础上通过常规安全约束经济调度形成电力现货市场节点电价，参与调峰市场的机组调峰价格通过联合出力出清后的出力匹配其对应申报的调峰报价区间，所报即所得。具体求解上，在调峰基准值以上，随着机组出力的增加相应现货市场价格单调递增；在调峰基准值以下，随着机组出力的减少相应的调峰价格单调递增，从而形成对应的凸规划供求解，本文在此不做赘述，以下为数学模型的目标函数和约束条件。
2.1 目标函数
根据日前机组组合、日前电能市场阶段确定的火电机组组合、火电发电计划及新能源出力情况，判断是否存在限风、弃光，如果存在限风、弃光现象则启动电力现货与深度调峰市场联合优化出清。
电力现货市场出清的约束条件之一是机组的最小技术出力(通常为机组容量的50%)，机组在电能量市场中中标范围不小于最小技术出力，而采用深调市场后，继续放开机组参与市场的出力约束下限，或者运行机组在现货市场中自行申报出力约束下限后才能使得相关机组深调。而对同台获得机组而言，深调市场和现货市场的电量空间是耦合互斥的，联合优化是实现资源优化配置的重要手段。因此，山西省电力现货与深度调峰市场联合优化出清数学模型以开机费用、空载费用、电能量市场费用和深度调峰市场费用之和最小化为优化目标，目标函数如下所示：
3 现货与深度调峰市场联合运行实践
山西省电力现货市场开展某次连续7天结算试运行，重点检验现货与深度调峰市场联合运行问题。试运行期间，市场运行平稳、电网运行安全。
3.1 市场申报与边界条件
试运行期内，火电机组电力现货市场主动申报日均121台，容量4037万kW，最低报价0元/(MW·h)，最高报价664元/(MW·h)。每日报价平均值在264~ 282元/(MW·h)之间，如图 4所示，7天报价平均值为274元/(MW·h)。火电机组深度调峰市场日均主动申报20台，申报深调能力65.2万kW。
图 4试运行期间每日机组报价平均值Fig. 4Average daily unit offer price during the trial operation
试运行期内，省内用电负荷最大平均2981万kW；高峰外送电力1014万kW，创历史新高；晚高峰风电出力实际在116万~726万kW之间，平均380万kW。
3.2 机组启停情况
试运行期内，燃煤火电日均开机142台，其中供热必开机组104台，日均可优化开停机组29台。
经联合出清数学模型优化后，现货市场出清开机12台次，容量320.5万kW；停机8台次，容量245.5万kW。
3.3 主辅市场价格
试运行期内，现货市场价格最低为0元/(MW·h)，最高为664元/(MW·h)，最高价格发生在某日实时市场17:45，此时正处于省内用电(3031万kW)和外送电(1014万kW)高峰阶段，发电需求4045万kW，而风电实际出力仅有190万kW，电力供应紧张，现货价格由17:15、17:30的340、600元/(MW·h)飙升至664元/(MW·h)，首次达到价格上限，反映出电力现货价格的灵敏程度，对于引导市场主体理性参与交易具有重要意义，验证了电力现货与深度调峰市场联合出清数学模型结果的合理性。晚高峰(17:00—20:00)时段，日前现货价格平均232元/ (MW·h)，实时现货价格平均212元/(MW·h)。实时市场价格相较于日前的波动，反映出省内用电负荷和新能源出力在日内的变化情况。
图 5试运行期间现货晚峰价格Fig. 5Evening price of the spot market during the trial operation
试运行期内，每日均产生深度调峰需求，实际调用深调电量6489万kW时，主要发生在00:00—07:00、10:00—15:00等新能源消纳困难时段。实际产生深调电费2441万元，深调电量结算均价376元/(MW·h)，相当于在新能源大发、电力供应过剩阶段，火电机组让出发电空间1kW·h可以补偿约0.4元。
3.4 新能源消纳情况
试运行期内，山西省内新能源持续大发，火电机组发电空间受限。中午风光叠加日前申报预测最大值在564万~1160万kW之间，最大平均824万。实际风光叠加最大值在590万~1071万kW之间，最大平均829万。
试运行期内，考虑火电开机情况、省内最小用电负荷、外送电情况等，在调用抽蓄和火电机组深调的情况下，山西电网的新能源消纳能力在700万左右。当新能源出力超过700万kW时，就需要参与跨区现货市场和跨省调峰辅助服务市场，才能保障新能源全额消纳。此时，火电机组已全部处于最小出力或深度调峰状态。
3.5 可再生能源调峰机组参与情况
通过发电企业自愿改造、电网试验和省能源局认定的方式确定部分机组为可再生能源调峰机组。
试运行期内，山西省内部分经过灵活性改造的电厂，共计提供深调电量1946万kW时，占总深调电量的30%；总收益968万元，占总深调电费的40%；计算下来1kW·h收益为0.497元。相当于在新能源大发、电力供应过剩阶段，火电机组让出发电空间1kW·h可以补偿约0.5元，这还未考虑中长期合同按照现货市场价格卖出所获得的收益。因此，主辅市场联合运行形成的价格信号，可以更好地引导火电机组积极提供深度调峰服务，开展灵活性改造，进一步挖掘深调潜力和促进清洁能源消纳。
3.6 市场运营效益分析
山西现货市场与深度调峰市场联合运行，7天多消纳新能源0.65亿kW时，并且主辅市场联合释放出强烈的价格信号，在新能源大发、用电低谷时期，电力供应严重过剩，现货电能量价格为零。与此同时，深度调峰市场价格接近0.3元/(kW·h)，火电机组让出发电空间给新能源，能够获取更多收益，实现双赢。现货市场与深度调峰市场的联合运行，给予传统火电企业在市场中更多的选择，引导火电企业从传统的提供电量向提供电力调节转型，促进新能源消纳，提高系统的调峰能力，保障系统的稳定运行。
同时，主辅市场联合运行的价格信号反映了冬季供热和新能源大发叠加时期的电网真实运行情况，用公开的价格信号表明电力供需形势的变化和新能源消纳的难度。
4 结论
本文结合山西电网运行实际和现货市场试点建设情况，提出了一种将多日滚动机组组合、现货市场与深度调峰联合优化的市场设计机制，并建立了电力现货与深度调峰市场的联合优化出清数学模型，是以市场化方式解决山西电网调峰能力不足与新能源消纳受限矛盾的有益尝试。选取山西省极寒供热和新能源大发叠加期，作为电力现货与深度调峰市场的联合运行的实践期，实际检验了机制合理性和模型适应性，实现了多日机组组合、深度调峰市场、日前现货市场、实时现货市场的有机融合，以市场化方式探索了如何化解电网调峰能力不足与新能源消纳空间受限的难题。同时，联合优化模型出清计算得到的市场价格，既反映了短期电力供需形势和时空价值，也体现了现货市场调节供给、深度调峰市场反映新能源消纳需求的策略性互动。
本次结算试运行，全流程检验了现货与深度调峰市场在相对恶劣的冬季供热和新能源大发叠加期的运行稳定性和有效性。从实际效果看，山西电力现货与深度调峰市场联合优化机制提升了火电机组的调峰能力，在转轨阶段通过市场化手段充分调动了火电企业参与深调的积极性和主动性，促进了新能源消纳，但也存在一些问题，如深度调峰市场的存在一定程度上引起现货价格的失真。调峰市场的存在是对我国传统计划调度体制下的中长期电量交易的补充，因此随着山西电力现货市场的不断发展完善，山西下一步将探索将深调市场融合到现货电能量市场，在现货市场中解决调峰问题，进一步提升市场优化配置效果。
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