系统安全与辅助服务

蓝狮平台网讯：从最简单的角度看。安全性意味着在所有外部条件均保持不变时。电力系统必须能够持续地稳定运行。换句话说。也就是此时系统的所有组成元件都应当运行在安全范围内。比如，不能让任何输电线路出现负荷过载、否则电阻损耗将致使导线温升超过允许范围。进而造成线路松弛下垂发生短路事故。今人遗憾的是，外部条件一直不变这一假设是不成立的。对于一个由成千上万个元件组成的系统来说、单个元件发生故障是很常见的事。那些直接暴露于险恶天气条件下的元件（例如输电线路），以及运行温度会发生反复变化的元件（例如发电厂），尤其容易发生故障。因为用户停电所导致的社会成本是非常巨大的。所以人们达成共识∶电力系统应当能够抵御所有一般性的扰动，不致发生大范围停电。对此可以解释为在发生任何一种一般性扰动之后，电力系统应当还能够保持稳定;并且在新的状态下能够持续运行足够长的时间，确保系统运行人员能够采取措施将系统恢复到正常状态。实际上。系统运行人员不仅需要对系统的状态变化情况进行预测。还需要分析预先定义的一组可能发生的事故将会产生怎样的后果。一般而言．上述可能发生的事故组囊括了所有元部件（支路、发电机与分路）的单独开断故障（小刘：N-1）。因为两个独立事故或故障同时发生的概率非常小（小刘：N-2），所以一般不考虑此类事情的发生。

在发生扰动之后需要采取校正措施，其目的是将扰动的影响限制在一定的范围内。在传统电力体制下，垂直一体化公用事业掌握了完成校正措施所必需的全部资源。然而，随着竞争性电力市场的建立，其中有些资源已经分流到另外一行业成员手中。对于系统运营商来说，再也不可能随意调配它们，此类资源已经变成了一种需要进行付费购买的商业服务。我们可以称其为辅助服务（ancillaryservice），原因在于它们的作用是保证主要商品，也就是电能的顺利交易。尽管有些辅助服务最终也会表现为电能交易，但与根据用户要求进行电能与其他资源的交易相比，它们作为辅助服务的重要性要大得多。事实上，必须依照此类辅助服务对用户服务需求作出响应的能力确定其价值。正因为如此，不能直接通过电能价格回收辅助服务成本，也不能仅将辅助服务看成是电能市场的一种附属物。（小刘：文中的逻辑是采用典型的价值定价，《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》中提到的独立储能电站向电网送电的，其相应充电电量不承担输配电价和政府性基金及附加。这类政策对市场参与者一致的透明和公平的成本优化对于促进市场发展最终效果会是什么？）正确的处理办法是，专门建立有针对性的机制，确保辅助服务的有效供应与成本回收。

辅助服务需求

系统平衡

自动发电控制（regulation）的作用在于解决快速负荷波动与难以预测的较小程度发电变化问题。它可以使系统频率稳定在正常值或接近正常值的水平，减少与其他电力系统之间的不当交换（inadvertentinterchange）。一般而言，自动发电控制服务主要由那些可以快速增减出力的机组提供。此类机组必须与电网相连，需要装设一个调速器，并且它们常常需要在自动发电控制模式下运行。

负荷缓慢波动，尤其是那些电能市场没有考虑到的各交易时段内的负荷波动，则可以通过发电机组的负荷跟踪（load-following）服务进行处理。很显然，这些机组也应当与系统相连，并且需要具备及时响应上述负荷波动的能力。

另一方面，备用（reserve）服务主要用来消除那些可能危害系统稳定的、难以预测的大电能偏差。备用服务常常可以视为校正措施，但是备用服务的获取则是一种预防性安全措施（小刘：这句没看懂）。

备用服务一般可以划分为两类，即旋转备用（spinningreserve）与补充事故备用（supplementalreserve）。提供旋转备用的机组需要能够立即对频率变化作出响应，拟定提供的全部备用容量必须在很短的时间内实现供应。与此相对应，提供补充事故备用的机组则无需马上作出响应。有些形式的补充事故备用可以由先前没有开启但可以在很短时间内带上出力的机组提供。这主要取决干各地区的具体规定。备用服务提供者有时也可能是那些在紧急状态下允许自身负荷发生中断的用户。备用服务的分类标准除了响应速率与速度之外，还应当参考发电机组备用响应所能维持的时间长度这一因素。随着系统规模与可靠性标准的不同，上述参数可能会出现相当大的变化。例如，同样是为了避免讨厌的频率偏差，与大容量的互联系统相比，小规模孤立系统备用服务响应速度需要更快一些。

平衡电能与平衡辅助服务都会通过现货电能市场交易，正因为如此，理想情况是我们能在两者之间划定一个清晰的界限。然而各电力市场的规则设计存在相当大的差异，这使得我们不可能清楚地对平衡电能与平衡辅助服务进行界定。但总的来说，若是开放市场关闭时点距离实时运行时间很短，系统运营商将能够通过现货电能市场购得大部分的平衡需求。然而如果开放市场是日前的，我们可能就需要建立一套复杂的平衡服务获取机制。

在考察机组的平衡服务供应能力时，它的出力调整速度显然是最重要的影响因素。在许多时候，机组在电网中的位置也有可能会影响它的平衡辅助服务供应能力。如果机组通过某一输电走廊与系统主网架相连，但该输电通道常常发生阻塞，机组的出力调整程度受到输电线路约束的限制，那么它就不是一个合适的平衡辅助服务备选机组。

图5-3系统在某次大规模发电停运事故后的频率与备用响应情况

图5-3给出了在某次大规模发电停运事故之后，某一系统的频率响应与备用服务响应。这是一个真实的例子。1995年8月15日12点25分30秒，大不列颠（GreatBritain）电力系统突然发生了1220MW的发电解列事故。该系统的总装机容量大约为65GW，没有通过交流互联线路与其他外部系统连接，因此，解列事故有可能会引发相当大的频率波动。在该系统中，曾经定义过两种类型的主要备用辅助服务，即一次响应（primaryresponse）与二次响应（secondaryresponse）。一次响应必须在10s内完全实现，并至少维持20s以上的时间。二次响应则应当在事故发生后30s内完全实现，并至少能够维持30min以上的时间。从图中可以看出，在频率降至49.5Hz这一规定极限之前，一次响应成功地阻止了它的进一步下降。然后二次响应帮助系统频率恢复到接近正常值的水平。然而在本例中，图示最右边的频率上升是通过启动燃气轮机实现的，它的启动时间点是12点29分20秒。

网络问题

潮流传输限制

电压控制与无功支持服务

稳定服务

有些系统运营商可以还需要通过发电机获得其他网络安全服务。例如。联锁跳闸方案（intertripscheme）可以解决暂态稳定问题。这些方案不会影响电力系统的当前状态，但是在系统发生故障时，它们可以自动实现一些发电机与/负荷的解列，从而确保系统的安全稳定。同样地，电力系统稳定器（powersystemstabilizer）能够对发电机出力进行微小调整，抑制电力网络中可能出现的振荡。此类稳定器的动作可以增加系统中传输的潮流数量。

系统恢复

黑启动

辅助服务的获取

系统运行人员获取辅助服务的方式主要有两种∶第一种方法是强制要求其他行业成员提供一部分辅助服务;第二种方法是将辅助服务的供应市场化。那么这两种方法如何保证辅助服务供应呢?在下面的分析中，我们将看到两种方法各有优缺点。最终选择哪种供应机制、这不仅与辅助服务的类型有关。同时还应当考虑到电力系统特性与历史环境的影响。

辅助服务强制供应方法与垂直一体化公用事业的做法最为接近。它也能够保证系统可以获得维持稳定运行所必须的充足资源。尽管强制供应方法非常简单，但它并不是一个很经济的做法。并且会带来一些操作上的困难（小刘：目前可再生能源强制配置储能的方式）∶

1）上述强制规定可能会引发不必要的投资，造成辅助服务资源供应量超过实际需要。例如，并不需要所有的机组都参与频率控制，维护系统安全。同样地，也不是全部机组都需要安装电力系统稳定器以抑制系统振荡。

2）该方法很难鼓励技术或商业革新。因为它规定需要采用已有的技术提供辅助服务，所以行业成员没有兴趣去研究、而系统运行人员也没有动力去寻找更新、更为有效的辅助服务供应方法。

3）对于辅助服务供应者来说，强制供应方法要求他们提供辅助服务。但由此引发的成本不能回收，因而不太容易令人接受。例如，有发电商抱怨生产无功出力会增加同步发电机的损耗，有时甚至会减少他们所能生产与销售的有功电能数量。

4）有些成员可能难以提供部分辅助服务。或者不能以经济的方式提供服务。例如，核电机组就无法迅速调整有功出力适应负荷的快速变化。另外，也不能为了获得备用服务、强制要求高效率的机组只带部分负荷。现在可以非常方便地通过集中决策确定备用服务需求量，并安排一些边际或边际外机组提供备用服务，因此强制供应并不适用于所有的辅助服务，哪怕是对那些看似合适的服务，我们也不应对所有的供应商实行一刀切。当然，只对部分成员免除辅助服务义务则可能会扭曲竞争。

辅助服务市场

强迫行业成员参与辅助服务的供应是一种缺乏经济效率的法。并且也存在实际操作困难，因此人们往往期待能建立一套市场供应机制，哪怕仅能实现一部分辅助服务的购买也好。市场机制的实现形式还与辅助服务的特性有关。对于需求量在很长时间内基本不变或变化很小的辅助服务，以及那些供应能力主要取决于设备参数的辅助服务，长期合同是一种更为合适的手段。黑启动能力、联锁跳闸计划、电力系统稳定器与频率调整一般可以通过长期合同购买。另外一方面，有些辅助服务一天之内都会产生相当大的波动，或者它们的报价数量与电能市场存在紧密关联，此类辅助服务则应当通过现货市场进行交易。（小刘：合理的市场组织形式和交易货物属性相关）例如，至少有一部分必需的备用服务经常会通过短期市场进行买卖。但是，为了减少备用容量不足或者购买费用过高所带来的风险，系统运营商往往也希望签订一定数量的长期备用供应合同。即使在成熟的市场里，备用服务提供者也比较愿意混合使用长期与短期合同提供备用服务。

与强制供应相比，市场机制是一种更具有灵活性、也可能更经济的辅助服务获取方法。然而、是否所有的辅助服务都适用于市场方法呢?这还很难说。在有些时候，只有很少的行业成员能够实际参与提供特定的辅助服务，此时他们可能会行使市场力，破坏辅助服务市场的公平竞争。例如在输电网络的某些偏远部分，可能只有一台发电机能在事故状态下提供有效的无功支持服务。所以无功市场也必须受到严密监控，以避免出现滥用市场力的情况。

辅助服务需求侧响应

在电力行业引入竞争以前。垂直一体化公用事业拥有的发电机组实际上承担了所有的辅助服务供应任务。事实上，许多电力市场上的辅助服务定义依然保留了该时期的痕迹。但在一个完全竞争的市场上，如果其他供应者也能够提供同样质量的服务。系统运营商将没有义务、也没有动力只选择发电商作为辅助服务供应者，他同样可以选择用户提供辅助服务。用户提供辅助服务具有一定的优点∶首先，辅助服务提供者数目将增多。这会促进辅助服务市场的竞争;其次，从宏观经济角度看，用户提供辅助服务会增加资源的利用效率。举例来说，如果能够利用可中断负荷满足备用需求，那么预留作备用的发电容量可以适当减少。此时发电机组可以将更多的容量投入发电，这正是投建发电机的本来目的。如果发电技术进一步发展，最终形成仅有大型固定机组与可再生发电的技术组合，那么未来我们将不得不通过需求侧进行系统控制。最后，与大型发电机组相比，用户会是更为可靠的辅助服务供应者。需求侧辅助服务会由数量众多的小负荷用户分摊，所有小负荷同时出现故障的概率要比大型发电机小得多。他们不能准时交付重要辅助服务的概率非常小。

在不同类型的备用服务供应中，需求侧响应方式可能最具竞争性。某些用户（如装设了变速电动机的大型抽水负荷）还有可能提供竞争性的调频服务。