电网可靠性和经济效益的运营与规划

1. 电网可靠性和经济效益的运营与规划 在 智慧型電網及再生能源發電對電力系統之影響 國際研討會 台北 臺灣大學應用力學研究所 被 卜若柏 (Robert Blohm) 北美电力可靠性委员会 (NERC) 成员 亞洲金能源有限公司 常务董事 http://www.blohm.cnc.net 2010年11月18 日

2. 主要内容1. 电网的规划和运营方式决定着投资导向。规划与运营模式。2. 规划模式3. 运营模式4. 电网结构与管理挑战5. 中国面临的挑战

3. 电网的规划和运营方式决定着投资导向：规划与运营模式电网的规划和运营方式决定着投资导向：规划与运营模式 均依仗: 电流模式。系统电流对系统元件变化的反应模式 预测模式 经济/预定利用与 或有事件/突发事件 均与2条经济效益原则相结合： 选择最低成本（或市场选择）的替代项目 从成本生成者到成本承受者的经济转移

4. 规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。 • 经济性。计划内电力。 • 基于经济预测模式和有目标可控制的LOLP（电力不足概率） • 批评： • 对超额供应有偏见 • 忽略价格配给 • 试图以与LOLP无明确关联的未表述低价作为目标

5. 规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页）规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页） • 可靠性。电力输送。非计划内电力。 • 批评：通常基于或有事件的稳健性（故障或元件缺失），而不顾及其发生的概率。 • 概率应以历史数据为根据。美国方面的数据库尚不完善。 • NERC拥有发电中断数据库，其软件与20世纪80年代由中国方面进行编译。 • DOE拥有输电中断数据库，但缺乏负载损失数据库。 • 2个事件发生的概率比1个事件单独发生的概率要更高。

6. 规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页）规划模式。竞争市场时间范围：不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页） • 可靠性。电力输送。非计划内电力（接上页） • 用于确定TRM（输电可靠性裕度），从TTC（传输容量总合）中扣除，从而得出ATC（可用传输容量）。 • TRM 的设计目的旨在满足下列事件的NERC性能要求： • 单一的非控制性或有事件，以及 • 为避免非控制性或有事件而发生的第二控制性或有事件，。 • 可靠性被严格定义为避免非控制性中断。

7. 运营模式 • 电力传输 • 经济性。出现过剩时，通过以下方式重新调度获得ATC（可用输电容量）配给： • 从价值出发– 发电订单调度 （见下一页），亦或是 • FTR的市场配置（固定输电权） • 可靠性。美国方面基于IDC（互换配电计算器），某识别发送和接收电流并每小时更新的直流电流模式（亦可以分钟为频率更新） • 通过TLR（输电负荷切除）调用为或有事件条件下的电力输送重新设计路线/重新调度 • (Under development) Allocation of unscheduled congestion by ACE Distribution Factors. Allocation of allowable ACE by IDC distribution factors determined by Kirchoff’s law. • 发电 • 经济性。价值订单; • 非市场成本最低（“系统lambda” ）或 • 市场LMP最低（“节点边际电价”）

8. price 仅凭借物理/正向输电权电网公司即可避免向发电厂缴纳阻塞费用。传输阻塞合同根据传输阻塞界面的能源价格差异来确定传输阻塞价值。通过这种方法并不能避免阻塞费用的产生。 位于约束体高昂一方的消费者负担的阻塞价格 阻塞收费 供应曲线 通常交给 电网公司 能源价格交给位于约束体廉价一端的发电厂 需求曲线 金额 阻塞 位于约束体廉价一方的发电厂联合起来，共同提高价格，以获得来自电网公司的阻塞费用。

9. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” • 定义。非计划内供应（发电）与需求（负载）的平衡，根据其与计划内频率的相近性来衡量（美国为60赫兹，中国为50赫兹）。 • 向上偏移 • 高频意味着供应不足 • 极度高频意味着电流在整个系统震荡（见下一页）。 • 向下偏移 • 低频意味着负载不足 • 过度高频意味着发电机震动和发生爆炸。

10. 东部大停电 60.3 60.25 60.2 60.15 60.1 赫兹 60.05 频率 60 59.95 59.9 59.85 59.8 15:09:06 15:09:30 15:09:52 15:10:12 15:10:38 15:10:58 15:11:22 15:11:42 15:12:06 15:12:32 15:12:53 15:13:18 15:08:46 15:13:40 15:15:38 15:05:42 15:06:08 15:06:30 15:06:54 15:07:16 15:07:36 15:08:00 15:08:20 15:14:03 15:14:26 15:14:56 15:15:16 2003年8月14日

11. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” （接上页） • 方法。可靠性备用配置。费计划内变化管理。 • 瞬时管理人员反应（若干秒内）：为了保持一定频率，所有在运转的发电机均可对频率变化做出反应，从而实现责任社会化。 • 最昂贵 • 最难衡量并提出要求 • 通过速度更慢的可配置备用（10分钟内）实现规范和AGC（自动发电控制）。旨在放松管理人员反应，从而对下一次频率变化做出反应。

12. 资源价值不单取决于能源的数量，还取决于该能源在面对突发频率错误时的可用性 反应事件 资源 以速度快慢为序 价值堆积 \\ 频率 秒 反应 规范 若干秒到几分钟 运营备用 10 到 15 分钟 30 分钟 负载跟踪 Following 市场间歇 – 1小时 能源市场 Energy 容量 未对反应进行定义 Adapted from Energy Mark, Inc.

13. 图1 东部互联电网的频率响应能力不断下降 *1999年的数据为插值数据 年份 北美东部电网抑制快速频率波动的能力不断下降，1994年-2009年数据（MW/0.1Hz） 来源：James Ingleson与Eric Allen合著的《东部互联电网频率调节特性研究》，IEEE电力与能源会议，明尼阿波里斯市，2010年7月26日 快速抑制频率下降 图2 通过AGC和调节逐渐恢复频率 秒 （共享） AGC和调节（包括功率损失责任方的调节） 快速响应 分钟 在发电量突然降低时，所有发电机均会快速减速，而惯性、调速器响应以及负荷响应会在几秒的时间内抵抗和抑制这种减速。随后，一些发电机将逐渐增大出力，以补偿最初损失的功率。同时所有调速器响应将逐步退出，做好准备应对下一轮突发性功率损失。 来源：笔者的分析和Robert W. Cummings所著的《频率响应计划概述》，北美电力可靠性协会（普雷斯顿，新泽西），2010年。

14. 40.8 60.2 60.1 40.6 60 40.4 59.9 40.2 频率 59.8 40 59.7 39.8 59.6 39.6 59.5 杨木山 MW 输出 39.4 59.4 39.2 59.3 8:24:00 8:31:12 8:38:24 8:45:36 8:52:48 9:00:00 9:07:12 9:14:24 9:21:36 9:28:48 9:36:00 杨木 H.A790S 杨木山发电 .AV 频率 管理人员错误反应

15. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” （接上页） • 美国衡量/标准： • 瞬间反应： • 基于反应性的自我衡量 • 纳入非瞬间性反应衡量义务 • 效果： • --价格更低廉，非瞬间反被用来满足非瞬间反应义务北美的频率反应 • 退化（见下文） • -- 2003东北大停电的原因在于瞬间反应义务未能得到严格履行

16. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” （接上页） • 美国衡量/标准（接上页）： • 瞬间反应（接上页）： • 效果（接上页）： • -- 随着更多风力和太阳能发电的引入。 • Add to variability rather than add to system responsiveness • They displace fossil generation that could have provided response capability. • Add to slower acting variability that requires a large amount of slower-acting “regulation” reserve that must in turn be backed by a proportional amount of frequency-responsive reserve for when the regulation reserve runs out. • Newer wind turbines can be programmed to provide inertial response that only slows frequency deterioration, but not governor response which stops and begins reversal of frequency deterioration. • Wind’s capacity utilization factor of 5-30% would require a back-down reserve margin of 17-140% to provide a rapid-response reserve comparable to the 5-7% reserve margin of traditional fossil generators. • --进一步破坏了频率稳定性目前正在开发一种新的衡量办法，但正式 • 推行尚需2年时间

17. 图1 东部互联电网的频率响应能力不断下降 *1999年的数据为插值数据 年份 北美东部电网抑制快速频率波动的能力不断下降，1994年-2009年数据（MW/0.1Hz） 来源：James Ingleson与Eric Allen合著的《东部互联电网频率调节特性研究》，IEEE电力与能源会议，明尼阿波里斯市，2010年7月26日 快速抑制频率下降 图2 通过AGC和调节逐渐恢复频率 秒 （共享） AGC和调节（包括功率损失责任方的调节） 快速响应 分钟 在发电量突然降低时，所有发电机均会快速减速，而惯性、调速器响应以及负荷响应会在几秒的时间内抵抗和抑制这种减速。随后，一些发电机将逐渐增大出力，以补偿最初损失的功率。同时所有调速器响应将逐步退出，做好准备应对下一轮突发性功率损失。 来源：笔者的分析和Robert W. Cummings所著的《频率响应计划概述》，北美电力可靠性协会（普雷斯顿，新泽西），2010年。

18. WECC 频率反应 1600 1550 1500 1450 1400 MW/0.1 赫兹 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1998 1999 2000 2001 2002 年份

20. Source: Robert W. Cummings “Overview Frequency Response Initiative”, North American Electric Reliability Corp. (Princeton, NJ) 2010, slide 13. Slide 30 of http://ewh.ieee.org/cmte/pes/etcc/B_Cummings_Latest_Developments_on_NERC_Standards.pdf

21. 该出手时不出手 图3 拆东墙补西墙 近似正态分布近似正态分布比原来伸展了1/2个标准差 在死区内，频率偏差均匀分布，无趋中趋势 基数为1 死区控制使概率质量由原来的趋中分布转变为现在的肥尾分布 死区控制使概率质量由原来的趋中分布转变为现在的肥尾分布 频率偏差（Hz） 调速器死区控制加剧了频率波动，加大了互联电网的风险。对所有调速器进行死区控制后，频率偏差的概率分布尾部变“肥”至少1/2个标准差。 来源：笔者的分析和H.F. Illian与S.L. Niemeyer合著的《将不稳定的可再生能源发电整合到智能电网中》，卡内基梅隆大学输电会议，匹兹堡，2009年3月10日。

22. ERCOT Governor response is proportional at the dead-band reaching 5% at 3 Hz deviation Governor response “Steps” to the 5% droop curve at the dead-band Step response at the dead band, absolutely do not want. Proportional implementation frominside the 36 mHz dead band, absolutely what we want. It is linear from thea16 mHzdead band to +/-3 Hz (but droop is non-linear: does this matter?). Yes, linear/”proportional” by 2011.2 MW/0.1Hz. Dead-band Do you call this response “continuous but non-linear change inside the dead band? No. It’s “discontinuous”. Dead-band 0.01666 Hz Dead-Band 0.036 Hz Dead-Band 600 MW Steam Turbine 5% Droop Setting

23. ERCOT ±16 mHz deadband MW Response MW Response Responsiveness=Slope=-20 MW/0.1Hz Droop: linear (5%) ±36 mHzdeadband Responsiveness=Slope=-20.112 MW/0.1Hz Droop: geometrically decreasing (to 5% at ±3Hz) 600 -2 DHz -1 DHz 1 DHz 2 DHz 0 -600 -3 DHz 0 DHz 3 DHz

24. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” （接上页） • 美国衡量/标准： （接上页） • 非瞬时反应： CPS1 控制性能标准（见示意图） • 衡量办法： • -- 数据历时平衡 • -- 系统频率偏移与个体便宜相结合（相互之间的协方差） • ---- 当系统偏差过大时，个体成员的偏差应该很小 • ---- 当系统发生微小偏差时，允许个体成员有比较大的偏差幅度 • 可对偏差限度从数据上加以限制（见示意图） • -- 主要停电时间每10年一次概率的美国标准（在过去的这个世纪里， • 各国经济也经历了相应幅度的衰退）。 • -- 以扫描频率和连接线路失误的相关数据库为依据。

26. NERC的控制性能标准 p CPS1 近似值 非瞬时概率 : 过去一年的平均值: p + MW , 还是 Î : 年标准 偏差 F D D + F方向相同 : 与 Î Î ( ) : 2 = + m D RMS限值 F 2 “在下列条件下，不允许存在频率失误方向疏忽 ( ) D m F : D 年平均值 F : D F 平均频率失误/分钟 ” D ³ - F Î Î Î + < : B 0 控制域i偏差 i D F - + -50 50 ( mHz ) - D F D 10 B F 10 B i i : 控制域i可允许的最大值为频率失误同向的1分钟平均连接线路失误 （附反应义务） Î æ ö Î = - - D ç T 10 B F D 一年概率密度每1分钟平均频率失误限额，根据平均值到0的偏移度调整 è ø i i F :

27. 通过降低标准偏移频带宽度来缩小紧随其后的配电区域/概率 标准配送4SD 标准配送 0.0239 0.0209 0.0179 0.0149 0.0119 概率 0.0089 0.0059 0.0029 -0.0001 0.150 0.200 0.250 0.000 0.050 0.100 -0.250 -0.200 -0.150 -0.100 -0.050 频率失误（赫兹）

28. 运营模式（接上页） • 发电（接上页） • 频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用” （接上页） • 北美频率反应性能的退化 • 尤其体现为 • 频率上浮至控制限额附近（见下一页） • 系统参与者持续不平衡累计 • 由于非计划内电力未经定价 • 未对不平衡制造者（他人可靠性备用的使用者）进行成本或罚金评估 • 未对不平衡补救人员（可靠性备用持有者）给予奖励 • 后果： • 成本通过消费者支付的固定输电费用由社会承担 • 由于生产或消费实体可无偿获得此部分电力，不平衡情况进一步恶化

29. 2003年8月20日: 10

30. Hz of

31. Frequency Response Measure for BA i: DMWi/Df. DMWi is response provided by i.

33. Distribution/Decomposition of Frequency Response Performance/Responsibility

34. 电网结构与管理挑战 • 放射状 Vs 网络状。 有效功率 Vs无功功率 • 放射状电网包含远程大型发电系统，如煤电，水电，核电等。 • 而网络状电网则由下列内容组合而成： • 利用贸易运营的远程发电系统，以及 • 通常采用煤气做燃料的当地发电系统，提供 • 以低廉的资本成本供应非频繁性高峰负载的高峰发电厂，所取得的高额电价足以支付所需资本成本（见下一页） • 当地的可靠性备用经下列配置后用于 • 满足当地的停电/或有事件而： • -- 通过远程备用发电配置而不必中断系统范围内的电流，并因此 • --不会因为当地停电的迅速蔓延而导致大范围内的电力系统瘫痪 • -- 不会进一步造成某单一或有事件（依据该次输电评估得出的发电损 • 失）的二次可能性或有事件（输电损失）（见幻灯片）

35. 基于边际成本定价的电力系统利用低资本成本燃气轮机最有效地满足高峰负载。高昂的天然气价格只是降低了容量因素，该因素取决于相关电厂在燃煤电厂的造价降低之前能坚持多久。基于边际成本定价的电力系统利用低资本成本燃气轮机最有效地满足高峰负载。高昂的天然气价格只是降低了容量因素，该因素取决于相关电厂在燃煤电厂的造价降低之前能坚持多久。 高昂的燃气价格使得GT线沿其与价格轴的交叉支点向上旋转 30 % 燃气轮机负责供应高峰，短期负载 Load

36. 当地平衡需要的输电量可能更少 中央平衡可能需要更大的输电量 R ISO G G R 地方 L L R ISO G G 突发性地方发电机损失 突发性地方发电机损失 ISO对来自大型中央 电源的反应性储备 进行配置 R 地方 输电阻塞 L L 地方平衡机构 对当地的反应 性储备进行配置 R ISO G G G 突发性远程发电机组损失 R 地方 无阻塞输电 构建传输 L L L 地方的反应性 储备仍然系统 可用

37. 电网结构与管理挑战（接上页） • 放射状 Vs 网络状。 有效功率 Vs无功功率（接上页） • 网络状电网由下列内容组合而成： • 通常是当地的燃气发电系统提供： • 当地的可靠性备用进行配置，从而： • 提供无功功率电源以避免输电量由于有效功率的引入而减少。 • --无功功率支持电压，由交流电压和交流电流之间的相位移动 • 而决定。无功功率： • ----仅可短途运行（150公里） • ----影响输电线路的电流容量 • ----必须由当地电容器、同步调相机，发电系统或额外未使输 • 电容量本地提供 • --有效功率为计划内能源。 • ----大量长途电流通过非长途设计的电网网络从中西部流向东北部。 • 这是造成美国2003年东北部大停电的一个重要因素。 • ----然而，由于长期的电力交易属于经济学的范畴，而非可靠性的范 • 畴，在最终的DOE停电报告中，这个事实被清楚地忽视了。

38. 电网结构与管理挑战（接上页） • 天然气管线网络与电网网络相整合 • 稳健的开放准入的天然气管线网格 • 通过向地方的燃气电厂输送天然气稳定了电网网络 • 通过在煤矿开采之前进行煤层甲烷气销售大大减少了煤矿事故。 • 地方是否存在燃气电厂影响着远程供电的电网网络的结构构架。 • 燃气管线网络和电力输送网络互为补充，而非竞争对手。

39. 电网结构与管理挑战（接上页） • 互为联络或孤军奋战 • 美国的输电网络涵盖互为整合的若干实体，因此，相关的控制区 • 原本就是完全的可靠性备用（始于20世界20年代末），并 • 随后投入经济交易使用（二战之后）。当经济学和可靠性的观点被分离开来以后，一部分未使用的容量被作为可靠性/或有事件的安排。 • 互联网的优点与缺点 • 互为连接的电力系统 • 从 • 长途电力交易经济当中获益并 • 从各关联区频率支持可靠性当中获益 • 然而，也易于造成地方停电的蔓延并导致整个互联网络区域内的电力瘫痪。

40. 电网结构与管理挑战（接上页） • 互为联络或孤军奋战（接上页） • 互联网的优点和缺点（接上页） • 非互联系统 • 当临近系统停电时完全不受影响 • 不能从系统间的电力交易当中获益 • 世界金融和经济体系正在经历 • 中国的银行体系 • 之所以能够不受这次金融危机的影响是因为其尚未融入全球金融系统，但是 • 与此同时，中国也并未获得之前因为金融融合而获得的一些收益。 • 中国经济 • 之所以受到经济衰退的影响是因为其已经融入了世界贸易体系，并 • 因进口和工作机会等替代其他国家日益增长的生产/工作机会而受到此类国家贸易保护主义的威胁 • 支流电网提供 • 互联网的经济性优点，但是 • 却不具备互联网在可靠性方面的优点和缺点

41. 电网结构与管理挑战（接上页） • 阻塞管理 • 对输电阻塞的有效管理只有在经济学基础上通过市场为本的 • 长期输电合同/权利以及 • 所购电力的短期定位边际定价方可实现。 • 通过在约束体的昂贵一端构建更大的输电量或更多的发电量，输电阻塞定价为是否能够消除阻塞瓶颈提供了客观的经济基础。 • 对有效的电网网络而言，基于价格的阻塞管理适用于铁路运输。铁路运输是将煤炭运送至电厂的一个主要方式。

42. 电网结构与管理挑战（接上页） • 集中式控制 Vs 分散式控制 • 由于各项行动对于系统范围内的电流和定位价格均有影响，输电阻塞管理通过单一控制室/区域最好集中进行。 • 频率控制最好进行分散式管理。原因在于单一中央控制中心作出的控制失误比彼此之间互为消除的各控制分中心的失误加起来更大。 • 显然，当ERCOT（得克萨斯电力可靠性委员会）将频率控制集中到单一的控制中心之后，频率性能就开始恶化。 • 不幸的是，美国的发展趋势是将频率控制集中到更大的ISO（独立系统操作员）手中，其负责进行集中式现货市场阻塞定价。2003年东北部大停电正是始于由组织仓促、规模最大并且成立时间最短的中西部ISO。

43. 电网结构与管理挑战（接上页） • 充足的备用发电 • 如相关参与者能够利用自己的市场规划模式，则经济性储备可以通过该健康发展的市场得到解决。 • 而可靠性储备则是由市场需求驱动并可通过惩戒措施来执行的。原因在于可靠性是作为诸如清新空气等的公共利益存在的。这样的要求可以是： • 直接的储备要求，并且不直接关联于 • 运营性能 • 成本生成 • 抑或是某（运营）性能要求 • 相关实体为了在目标性能要求范围内运营而决定储备/待承担风险的水平 • 可能与成本生成直接相关。

44. 电网结构与管理挑战（接上页） • 针对环境的市场定价 • 能源市场定价 • 当因为需求过大价格偏高时，缩减能源消费。 • 当价格因经济衰退而偏低时，提高能源消费。 • 被称为需求反映，或需求端管理 • 全球变暖和可再生能源已经替代了对诸如水电、核电等其他环境问题的关注。 • 风电和太阳能发电导致的频率不稳定性的可靠性成本 • 未纳入其经济成本当中 • 需针对具体的风电和太阳能发电机进行直接衡量和配置并向频率支持提供者支付相关费用 • 可wind and solar 再生能源发电机无法自行economically作出瞬时系统管理人员[??]反应。

45. 电网结构与管理挑战（接上页） • 针对环境的市场定价（接上页） • 如全球经济持续衰退，则全球变暖和可靠再生能源问题很可能被人们忽视。全球GDP至少在一年里需要持续降低5%，才能满足未来5年里全球变暖GDP降低10%的目标。

46. 电网结构与管理挑战（接上页） • 小型电网开发出有用的硬件，但却并未解决电网构造和管理挑战所面临的最困难的问题。 • 小型电网提供了软件支持的下列硬件： • 用于输电路线设计以避免阻塞的F交流T设备 • 频率反应热水器并不能做出瞬时频率反应。 • 电池消耗并排放风电造成的变异余量和不足，但却无法提供瞬时频率反应。 • 智能电网并不为这些设备指出成本构成的原因和相关分配，也不会给出最低成本。 • 智能电网具有补充设备成本，使其社会化并干预市场价格进行成本分摊的倾向。例如： • 不是由造成者来承担相关的阻塞成本， • 不作F交流T设备成本和其他补救措施之间的比较，如提高输电容量或在增长发电量等。

47. 中国面临的挑战 • 经济在资源方面需要提高效率，其中包括电力效率（见下一页） • 电网的规划和运营模式的透明度需要更高，从而 • 方便供应商提出硬件和软件的解决方案，而不仅仅只是对中央电网管理的要求作出反应； • 使市场参与者得以更好地进行风险预测，规划和管理。

48. http://ihome.ust.hk/~socholz/China-productivity-measures-web-22July06.pdfhttp://ihome.ust.hk/~socholz/China-productivity-measures-web-22July06.pdf

49. 中国面临的挑战（接上页） • 结束低于成本和低于市场的价格管制 • 低于世界商品市场成本的定价体系，如电力，煤炭和石油产品的定价都助长了中国的过渡能源消费，而其后果是 • 推动世界价格更高，并且因为中国已经成为净煤炭进口国而非石油进口国而只会对中国造成伤害（见下列页） • 导致不必要的环境问题。 • 结果是，中国强制推行管制需求减少措施来弥补价格过低对环境造成的负面影响。而最简单的措施莫过于： • 消除低于市场低于成本的定价体系 • 通过无关电力使用的直接贴现手段来补偿贫穷人民。他们的用电量更少，所得的现金会做其他用途。 • 由于世界能源价格已经持续低迷一段时间而开始在电力市场需求端的定价/竞价体系

50. 中国的煤炭进出口 2002-2007 资料来源: 国家统计局 http://www.researchinchina.com/report/UploadFiles_8547/200708/20070802151002331.gif