徐立中，劉建濤，姚劍峰，范駿杰

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，南京 210003；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314001）

0 引言

有功備用是應(yīng)對電力系統(tǒng)中負(fù)荷隨機波動和機組強迫停運等功率不平衡事件、保障用戶供電可靠性的必要手段。隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，社會生產(chǎn)力提高，用戶對供電可靠性的需求也愈加提高，為此，電網(wǎng)運營商需要配置數(shù)量更多、響應(yīng)速度更快的有功備用資源以應(yīng)對這種需求。而另一方面，一些條件下有功備用的增加不利于發(fā)電機組的經(jīng)濟運行，且不滿足當(dāng)今社會對節(jié)能減排的需求，在電力市場環(huán)境下，則直接表現(xiàn)為電網(wǎng)的運營成本增加。為協(xié)調(diào)這一矛盾，電網(wǎng)運營商需要充分挖掘系統(tǒng)備用潛力，合理配置并協(xié)調(diào)管理不同特性的備用資源，在保證供電可靠性的前提下提升社會效益以及電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

國內(nèi)外各電網(wǎng)機構(gòu)及科研團(tuán)體對有功備用有著不同的分類管理模式。國內(nèi)各區(qū)域電網(wǎng)傾向于依照GB/T 38969—2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，將運行備用劃分為負(fù)荷備用和事故備用，又根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)分為旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用，此外，部分區(qū)域電網(wǎng)將負(fù)荷側(cè)資源也納入有功備用管理中，并規(guī)定了負(fù)荷側(cè)資源參與有功備用的響應(yīng)時間，如華東電網(wǎng)要求這些負(fù)荷能夠在30 min 內(nèi)響應(yīng)?？梢?，國內(nèi)對有功備用的分類明確了用途、機組狀態(tài)和備用地點，但是，相對于日趨精益化的調(diào)度管理體系和愈加豐富的潛在備用資源[1]，上述分類則顯得較為粗礦，難以適用。

國外電力市場環(huán)境下的各電網(wǎng)機構(gòu)，出于對市場參與者進(jìn)行有效約束的考慮，各運營商對有功備用分類時突出了對備用電源性能的具體要求，如NEPOOL（新英格蘭電力聯(lián)營體）采用事先定價和競價的方式獲取備用[2]，將有功備用分為10 min 旋轉(zhuǎn)備用、10 min 非旋轉(zhuǎn)備用、30 min 運行備用和自動發(fā)電控制備用；PJM 以競標(biāo)的方式，通過市場統(tǒng)一出清獲取備用，將備用劃分為旋轉(zhuǎn)備用、快速啟動備用、緊急備用和輔助備用[3]；法國RET 依據(jù)頻率控制方式，將備用劃分為一次調(diào)頻備用、二次調(diào)頻備用和三次調(diào)頻備用；澳大利亞輔助服務(wù)市場將有功備用分為頻率控制服務(wù)、電網(wǎng)控制服務(wù)和系統(tǒng)重啟動服務(wù)，并將頻率控制服務(wù)細(xì)化為6 s 升降調(diào)節(jié)、60 s 升降調(diào)節(jié)和5 min 升降調(diào)節(jié)[4]。此外，工程和文獻(xiàn)中也提出了一些其他有功備用分類方法，如：分為旋轉(zhuǎn)備用、熱備用、替代備用和冷備用；分為旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用、替代備用、黑啟動備用和AGC（自動發(fā)電控制）；分為瞬時備用、10 min 旋轉(zhuǎn)備用、10 min 非旋轉(zhuǎn)備用、30 min 備用和60 min 備用。

在備用容量配置方面，《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》中對負(fù)荷備用和事故備用提出了明確的容量配置原則，而在實際應(yīng)用中，各個區(qū)域電網(wǎng)更多地是依據(jù)經(jīng)驗對旋轉(zhuǎn)備用總量做出定量要求，這樣的定量方法在一定程度上確保了電網(wǎng)運行的可靠性，但難以實現(xiàn)經(jīng)濟性和可靠性統(tǒng)籌優(yōu)化。國外對有功備用的容量配置也考慮經(jīng)驗值，但更多地采用模擬仿真和可靠性分析的方法進(jìn)行備用容量的計算，歐美國家通常采用的可靠性指標(biāo)為LOLP/LOLE，如PJM 由CAPMOD 程序和MEGWATT 程序計算可靠性指標(biāo)LOLE（缺電時間期望），再通過GEBGE 程序計算備用容量。

文獻(xiàn)[5]基于機組故障、負(fù)荷偏差等事件發(fā)生概率，提出了一種以用戶要求作為可靠性風(fēng)險指標(biāo)的備用容量計算方法，滿足系統(tǒng)可靠性要求；文獻(xiàn)[6-8]針對風(fēng)電并網(wǎng)場景，考慮風(fēng)電不確定性對電網(wǎng)影響，提出風(fēng)電旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[9]在計及新能源互補、跨區(qū)域統(tǒng)籌特性的基礎(chǔ)上，采用時序生產(chǎn)模擬技術(shù)，打破區(qū)間壁壘，提出一種考慮新能源可信出力的跨省跨區(qū)備用容量優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[10]為應(yīng)對源荷側(cè)不確定性給系統(tǒng)造成的影響，建立了分布式資源備用容量優(yōu)化模型，從而實現(xiàn)系統(tǒng)合理預(yù)留備用容量；文獻(xiàn)[11]基于自回歸模型的頻譜分析確定光伏發(fā)電的波動特性，定量分析光伏并網(wǎng)引發(fā)的自動發(fā)電控制的備用容量需求；文獻(xiàn)[12]在微電網(wǎng)配置儲能承擔(dān)微電網(wǎng)一次調(diào)頻備用的基礎(chǔ)上，建立了機會約束規(guī)劃模型，提出了通過機會約束規(guī)劃優(yōu)化配置微電網(wǎng)備用容量的方法；文獻(xiàn)[13]通過分析旋轉(zhuǎn)事故備用配置過程需考慮的模型參數(shù)，提出了旋轉(zhuǎn)事故中備用容量的計算原則、評價指標(biāo)及評估方法；文獻(xiàn)[14]指出負(fù)荷波動和機組強迫停運都屬于概率事件，提出采用概率分析方法進(jìn)行負(fù)荷備用和事故備用容量計算的基本思路；文獻(xiàn)[15]通過推算多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線功率的增量方程、系統(tǒng)頻率偏差與備用容量的關(guān)系，建立了最小化備用容量的區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)最優(yōu)備用容量數(shù)學(xué)模型。這些方法對確定區(qū)域電網(wǎng)有功備用容量配置有著重要的參考意義，但是，由于這些方法并沒有對有功備用進(jìn)行明確分類和計及各類備用資源之間的區(qū)別和相互作用，在有功備用分類更為精細(xì)的條件下，上述方法是否適用以及如何運用仍有待進(jìn)一步研究。

針對上述問題，本文在分析系統(tǒng)備用資源技術(shù)經(jīng)濟特征的基礎(chǔ)上，分別從應(yīng)用和管理的角度出發(fā)，對需要電網(wǎng)有功備用進(jìn)行精細(xì)化分類，并對各類備用的調(diào)用方法、交互影響、容量計算方法、監(jiān)控、考核、評估、反饋等方面進(jìn)行了分析和研究。

1 有功備用配置影響因素分析

傳統(tǒng)電網(wǎng)中，系統(tǒng)設(shè)置有功備用時所考慮的主要因素包括以下幾個方面：①電網(wǎng)容量大??；②并網(wǎng)運行最大單臺機組容量和最大直流輸送功率；③電網(wǎng)運行設(shè)備的工作狀態(tài)及工作環(huán)境；④社會對供電可靠性的需求等。具體影響已有較多文獻(xiàn)分析，這里不再贅述。隨著能源格局的改變、電網(wǎng)運行控制技術(shù)的發(fā)展、市場環(huán)境的改善以及社會對供電要求的提高，一些新的因素將對有功備用設(shè)置產(chǎn)生影響，這些因素包括以下幾個方面。

（1）大規(guī)模新能源接入和節(jié)能調(diào)度。風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的出力具有不確定性，致使新能源出力預(yù)測存在偏差。隨著新能源裝機容量的逐步增加以及電網(wǎng)對節(jié)能調(diào)度的日趨重視，有必要增加預(yù)留的備用容量以更好地接納新能源，而目前國內(nèi)有功備用按用途分類僅劃分為負(fù)荷備用和事故備用的方式則顯得不再適用。此外，新能源出力預(yù)測精度具有隨時間尺度縮短而逐步升高的特征，合理地利用多種時間尺度的備用資源協(xié)調(diào)配合共同應(yīng)對新能源出力的不確定性有利于系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

（2）多直流饋入（送出）。由于中國能源和負(fù)荷的分布相對集中，多回直流集中饋入（送出）成為一些區(qū)域電網(wǎng)的重要特征。多直流饋入（送出）對區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性而言是一把“雙刃劍”，一方面，直流輸電容量大，系統(tǒng)需要為應(yīng)對直流閉鎖而預(yù)留足夠的備用容量，目前華東電網(wǎng)備用管理方法中已將最大直流雙極閉鎖納入事故備用的考慮范疇，并且，直流落點具有“相對集中”的特征使得系統(tǒng)面臨著同時失去多回直流的風(fēng)險，這種概率較小但危害極大的事故成為有功備用配置和管理中的新難題；另一方面，直流輸電控制靈活、調(diào)節(jié)速度快，并且具備一定的過負(fù)荷運行能力，在理論上可以成為有功備用跨區(qū)共享的重要技術(shù)手段。

（3）源網(wǎng)荷儲互動運行。隨著市場觀點引入，電網(wǎng)對負(fù)荷側(cè)的控制觀念發(fā)生了轉(zhuǎn)變，以經(jīng)濟性手段為基礎(chǔ)的需求響應(yīng)技術(shù)得到了快速發(fā)展。對于部分工業(yè)負(fù)荷、電動汽車、儲能、溫控型負(fù)荷等具有一定調(diào)節(jié)能力的電力用戶，通過設(shè)計合適的需求響應(yīng)機制，在系統(tǒng)需要時削減部分負(fù)荷，減少系統(tǒng)有功缺額，相當(dāng)于向系統(tǒng)提供了有功備用容量，部分快速需求響應(yīng)資源的響應(yīng)速度可達(dá)分鐘級甚至秒級，并且在相關(guān)自動化技術(shù)的支撐下，無須人工介入即可完成響應(yīng)，在部分應(yīng)用場合下甚至可以發(fā)揮旋轉(zhuǎn)備用的作用。從電網(wǎng)需求角度來看，隨著風(fēng)電等間歇性新能源接入比例進(jìn)一步增加以及特高壓直流系統(tǒng)的陸續(xù)投產(chǎn)，僅依靠發(fā)電側(cè)備用資源已無法有效應(yīng)對風(fēng)電波動或特高壓直流故障引起的電網(wǎng)有功平衡問題，有必要納入儲能、電動汽車、可中斷負(fù)荷等負(fù)荷側(cè)資源參與系統(tǒng)的有功備用服務(wù)，提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。

2 有功備用資源技術(shù)經(jīng)濟特性分析

本文對電力系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)行及潛在的有功備用資源的技術(shù)和經(jīng)濟特征進(jìn)行了分析，如表1 所示。

表1 有功備用資源技術(shù)經(jīng)濟特征及用途

表1 中，火電機組、水電機組、燃?xì)鈾C組和抽水蓄能是目前區(qū)域電網(wǎng)中常用的幾類有功備用資源；需求側(cè)資源特性迥異、數(shù)量巨大，負(fù)荷作為有功備用資源已在國外一些電力市場中廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也通過有序用電的方式將負(fù)荷側(cè)資源納入較長時間尺度的備用管理中；儲能設(shè)備和微電網(wǎng)在技術(shù)上可以靈活地響應(yīng)電網(wǎng)需求而調(diào)整其并網(wǎng)功率，但目前受材料和控制系統(tǒng)成本的限制，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用；直流輸電本質(zhì)上是實現(xiàn)跨區(qū)備用共享的技術(shù)手段，其調(diào)節(jié)速度非?？欤捎谥绷鬏旊姷恼{(diào)節(jié)涉及跨區(qū)電能交易，因此在常規(guī)情況下不將直流輸電納入?yún)^(qū)域電網(wǎng)有功備用管理體系中，但可以利用其快速調(diào)節(jié)能力針對極端功率不平衡事件做備用控制預(yù)案，以在極端情況下提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。這里所述的極端情況指不可預(yù)測的小概率事件，若為應(yīng)對這些事件的發(fā)生而長期預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用顯然是不經(jīng)濟的，而這些事件給電力系統(tǒng)帶來的危害又是巨大的，也不可不做防備。

3 多時間尺度有功備用管理體系

3.1 有功備用分類設(shè)置

對有功備用的合理分類是實現(xiàn)容量計算、協(xié)調(diào)調(diào)用以及監(jiān)控與考核的基礎(chǔ)，單一分類標(biāo)準(zhǔn)難以滿足備用管理的全部需求，本文選擇以用途和響應(yīng)時間2 條主線對有功備用進(jìn)行分類設(shè)置。2條分類主線的目的不同，按用途分類主要用于明確各類備用的容量需求、調(diào)用方法以及各類備用之間的交互影響和協(xié)調(diào)配合方法；按響應(yīng)時間分類主要用于調(diào)度中心對有功備用的統(tǒng)計、監(jiān)控與考核。

圖1 所示為有功備用按用途分類，圖中，NCR（非事故備用）指用于應(yīng)對常規(guī)條件下負(fù)荷和新能源出力預(yù)測誤差所引起的功率不平事件的有功備用，根據(jù)發(fā)揮作用的時間尺度不同，又細(xì)分為FNCR（快速跟蹤備用）和SNCR（慢速調(diào)節(jié)備用）。事故備用指用于應(yīng)對機組強迫停運、直流閉鎖等故障引起的功率不平衡事件的有功備用容量，根據(jù)故障后頻率恢復(fù)過程可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、三次調(diào)頻3 個階段，事故備用又細(xì)分為事故條件下一次備用（CRⅠ）、事故條件下二次備用（CRⅡ）和事故條件下三次備用（CRⅢ）。

圖1 有功備用按用途分類

圖2 所示為運行備用按響應(yīng)時間分類。圖中：瞬時備用指能夠瞬時響應(yīng)并調(diào)出的有功備用；10 min 備用指能夠保證10 min 內(nèi)增加有功備用容量，包括同步運行的水電機組和火電機組剩余發(fā)電容量、可快速投運并帶負(fù)荷的水電和燃機容量以及10 min 內(nèi)響應(yīng)的需求響應(yīng)負(fù)荷容量；30 min 備用指在30 min 內(nèi)可以調(diào)出的有功備用容量，包括30 min 內(nèi)可調(diào)出的發(fā)電機組容量以及可響應(yīng)的需求響應(yīng)負(fù)荷容量；60 min 備用指在60 min 內(nèi)可以調(diào)出的有功備用容量，通常包括熱備用狀態(tài)的火電機組容量和60 min 內(nèi)可響應(yīng)的需求響應(yīng)負(fù)荷容量。60 min 以上備用通常指冷備用狀態(tài)的火電機組或需要較長通知時間需求響應(yīng)負(fù)荷，主要用于計劃、檢修及其他非緊急情況，在后續(xù)分析中不做討論。

圖2 有功備用按時間分類

3.2 有功備用分類調(diào)用方法

有功備用是根據(jù)用途分別調(diào)用的。在非事故條件下，有功備用的調(diào)用體現(xiàn)在不同時間尺度的有功調(diào)度計劃以及實時的有功功率控制中。中國目前的有功調(diào)度分為日前計劃、日內(nèi)滾動和實時控制3 個時間尺度的操作，在不考慮新能源出力不確定性的條件下，假設(shè)在日前調(diào)度計劃中第i時段的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果為P0±ΔP0，在日前調(diào)度計劃中第i 時段的發(fā)電機出力基值將設(shè)置為P0，并設(shè)置非事故備用容量的總需求應(yīng)滿足[-ΔP0，ΔP0]。在日內(nèi)滾動修訂的過程中，根據(jù)短期（或超短期）預(yù)測結(jié)果，第i 時段的負(fù)荷大小為P1±ΔP1，且ΔP1<ΔP0，為減小實時功率控制的調(diào)整量至[-ΔP1，ΔP1]，有必要將第i 時段發(fā)電機出力基值調(diào)整P1，這一過程可通過人工指令控制調(diào)用SNCR 完成，而短期（或超短期）負(fù)荷預(yù)測誤差所造成的功率不平衡量則通過調(diào)用FNCR 以實時功率控制的方式來平抑。在考慮新能源大規(guī)模接入的條件下，上述過程中應(yīng)增加對新能源出力預(yù)測誤差的考慮。圖3 給出了非事故備用的預(yù)留和調(diào)用與有功調(diào)度的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 非事故備用計劃及調(diào)用

事故備用條件下的功率不平衡量通常較大，這時需要有大量的備用電源能夠立即響應(yīng)并提供功率支援，并持續(xù)至故障消失、系統(tǒng)恢復(fù)正常供電。因此，事故備用對響應(yīng)速度和持續(xù)時間的要求都較高，為滿足這一要求，通常依據(jù)事故后頻率恢復(fù)過程的不同階段，對各類別備用協(xié)調(diào)調(diào)用。當(dāng)失電源或失負(fù)荷的事件發(fā)生后，機組受慣性的影響會增加或降低出力以抑制功率偏差。隨后，調(diào)速器感知頻率變化并開始進(jìn)行一次調(diào)頻（調(diào)用一次備用），該過程為自動響應(yīng)，調(diào)節(jié)出力的大小取決于頻率偏離的程度；一次調(diào)頻并不能將頻率恢復(fù)至額定值，為防止頻率進(jìn)一步惡化，二次調(diào)頻相繼發(fā)揮最用（調(diào)用二次備用）以幫助系統(tǒng)頻率恢復(fù)正常，同時恢復(fù)系統(tǒng)的部分或全部一次調(diào)頻能力，二次備用通常是通過ASC（自動安全穩(wěn)控）進(jìn)行調(diào)用；在故障恢復(fù)之前，由于一次備用和二次備用已轉(zhuǎn)化為有功功率對系統(tǒng)提供支援時，系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)頻率事件的能力將削弱，此時則要求三次備用盡快發(fā)揮作用，替代并恢復(fù)一次備用和二次備用的容量，以應(yīng)對下一次功率不平衡事件，三次備用通常通過經(jīng)濟調(diào)度的方法以調(diào)度指令的方式對其進(jìn)行調(diào)用。圖4 給出了3 類備用之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。

圖4 事故條件下3 類備用之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系

3.3 有功備用容量計算

（1）非事故備用需求計算

FNCR 和SNCR 同屬于非事故備用的范疇，在非事故條件下，有功備用的容量需求應(yīng)由負(fù)荷和新能源出力預(yù)測誤差確定，具體流程如圖5 所示。

圖5 非事故備用容量計算流程

FNCR 和SNCR 的需求容量均由上述流程求取，但是所需負(fù)荷和新能源出力的數(shù)據(jù)不同，F(xiàn)NCR 的計算需要負(fù)荷、新能源出力歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和超短期負(fù)荷、新能源出力預(yù)測歷史數(shù)據(jù)，SNCR的計算需要日前負(fù)荷和新能源出力預(yù)測歷史數(shù)據(jù)和超短期負(fù)荷、新能源出力預(yù)測歷史數(shù)據(jù)。

（2）事故備用需求計算

事故條件下的備用容量需求取決于故障損失功率情況和系統(tǒng)對供電可靠性的要求。

一次備用取決于區(qū)域電網(wǎng)對準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差的要求，如某區(qū)域電網(wǎng)《電網(wǎng)頻率控制標(biāo)準(zhǔn)》中要求：電網(wǎng)發(fā)生單一設(shè)備故障擾動或事故后，僅利用電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻作用可以將系統(tǒng)實際頻率恢復(fù)到49.8～50.2 Hz 之間。電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量按照發(fā)生N－1 故障引起的最大功率失卻，電網(wǎng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率能維持在49.8 Hz 的原則確定。每年均采用低谷計算、高峰校核方法確定電網(wǎng)一次調(diào)頻備用容量。

式中：Δf 為標(biāo)準(zhǔn)中要求的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率偏差值0.2 Hz；k 為頻率響應(yīng)系數(shù)；RCRⅠ為一次調(diào)頻備用容量。此外，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求N－1條件下應(yīng)避免低頻減載裝置動作，因此，對于系統(tǒng)一次調(diào)頻的容量配置需求還需依據(jù)頻率仿真計算分析結(jié)果具體確定。一次備用容量在一定程度上表征了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定能力，其數(shù)值越大越好，一次備用的上限值由機組安全穩(wěn)定運行條件限定，而并不考慮經(jīng)濟性約束。

一次調(diào)頻將系統(tǒng)頻率控制至規(guī)定范圍后，系統(tǒng)通過調(diào)用二次備用將系統(tǒng)頻率恢復(fù)至正常值。區(qū)域電網(wǎng)二次備用容量的計算包括最小容量和最大容量兩方面的內(nèi)容。首先，二次備用的容量直接影響系統(tǒng)的供電可靠性，其容量的下限只應(yīng)該滿足系統(tǒng)對可靠性的需求；其次，二次備用屬于旋轉(zhuǎn)備用，其預(yù)留容量的大小直接影響著機組的經(jīng)濟運行，在市場環(huán)境下則直接表現(xiàn)為系統(tǒng)輔助服務(wù)費用支出，因此，系統(tǒng)對經(jīng)濟性的要求決定了二次備用的上限值。近年來，出于電力市場的發(fā)展和人們對經(jīng)濟性的重視，備用容量上限引起了越來越多的關(guān)注，中國部分區(qū)域電網(wǎng)對旋轉(zhuǎn)備用最大值做出了要求，但其采用的是確定性的方法，定量原則較為粗礦。本文設(shè)計二次備用容量最大值和最小值求取流程如圖6 所示。

圖6 二次備用容量計算流程

圖6 所示的二次備用容量計算流程中涉及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)。目前，電力系統(tǒng)中常用的可靠性指標(biāo)包括LOLP（電力不足概率）、EENS（電量不足期望值）等，其中LOLP 在北美地區(qū)廣泛應(yīng)用，其標(biāo)準(zhǔn)為0.1 天/年，考慮國情、電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線特點、區(qū)域差異以及可靠性要求等因素，有文獻(xiàn)指出中國的可靠性標(biāo)準(zhǔn)可以定為12 h/年；在求取備用容量最大值時所涉及的經(jīng)濟性指標(biāo)通常采用備用成本和VOLL（停電損失費用），其中停電損失費用的合理計算方法是評估有功備用經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素?？紤]經(jīng)濟性的優(yōu)化模型可以表示為：

式中：FVOLL（RCRⅡ）為停電損失費用；FR（RCRⅡ）為備用成本費用，兩者均為備用容量RCRⅡ的函數(shù)。

三次備用用于及時恢復(fù)一次備用和二次備用的容量，以應(yīng)對相繼發(fā)生或連鎖性故障所造成的功率不平衡事件，原則上講應(yīng)大于等于二次備用的容量。此外，允許有一定的響應(yīng)時間，因此其來源既可以是發(fā)電機組，也可以是負(fù)荷側(cè)資源。在市場環(huán)境下，有必要根據(jù)經(jīng)濟性對備用容量在不同發(fā)電側(cè)資源和不同負(fù)荷側(cè)資源之間進(jìn)行優(yōu)化分配。本文考慮經(jīng)濟性最優(yōu)，建立三次備用容量優(yōu)化配置模型如式（4）—（7）所示：

式中：Rgi和cgi分別為第i 個發(fā)電側(cè)備用的配置容量和配置成本；RLj和cLj分別為第j 個負(fù)荷側(cè)備用的配置容量和配置成本；Rgimax和Rgimin分別為第i 個發(fā)電側(cè)備用的配置容量最大、最小值；RLimax和RLimin分別為第i 個發(fā)電側(cè)備用的配置成本最大、最小值。

3.4 備用容量統(tǒng)計與監(jiān)視

由于按用途分類的各類備用無法在物理形式上完全區(qū)分，因此在對有功備用進(jìn)行統(tǒng)計和監(jiān)視時，需要考慮按時間特性分類的方法。但值得注意的是，瞬時響應(yīng)強調(diào)的是備用資源瞬時響應(yīng)的功能或能力，由于對“瞬時”沒有具體的時間尺度約束，無法對其作出容量統(tǒng)計和監(jiān)視要求，因此，在對備用容量進(jìn)行統(tǒng)計和監(jiān)視的過程中，不考慮該類別。

為精確統(tǒng)計各類備用預(yù)留容量，需要獲取每個備用資源的額定容量、當(dāng)前/計劃出力、可調(diào)節(jié)容量上/下限、上/下調(diào)節(jié)速率以及運行工況、AGC投運狀態(tài)、一次調(diào)頻功能投運狀態(tài)等。然后由以下公式對各時間尺度備用容量進(jìn)行統(tǒng)計計算。

式中：RTup為T 分鐘內(nèi)的向上可調(diào)節(jié)容量；t 為該備用資源啟動時間；Sup為該備用資源向上調(diào)節(jié)速度；Pcur為該備用資源當(dāng)前出力；Pmax該備用資源最大出力；Y 為備用裕度，主要考慮是受實際生產(chǎn)運行條件限制有時機組難以達(dá)到額定出力，而適當(dāng)?shù)卦黾酉嚓P(guān)備用的預(yù)留容量。若是負(fù)荷側(cè)備用資源，則將負(fù)荷功率視為負(fù)出力。式（8）給出了T 分鐘向上調(diào)節(jié)備用容量統(tǒng)計方法，向下調(diào)節(jié)備用同理。

對各類備用的容量需求可以由3.3 節(jié)所述按用途分類備用容量計算以及2 種分類原則下各類備用之間的對應(yīng)關(guān)系獲得，具體關(guān)系如表2 所示。

表2 按時間分類各類備用容量需求

表2 中R10，R30，R60分別為10 min 備用容量、30 min 備用容量和60 min 備用容量；下標(biāo)r和nr 分別為旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用。值得注意的是：①理論上來講，短時間尺度的備用容量若有剩余，可以代替部分長時間尺度的備用容量的作用，反之，則不行；②在考核有功備用容量時，4 項不等式約束應(yīng)同時滿足；③對于10 min 旋轉(zhuǎn)備用的容量上限為R10r≤RFNCR+RCRⅡmax；④為便于考核，還應(yīng)進(jìn)一步明確各類機組的AGC，ASC 和一次調(diào)頻等功能的配置及容量預(yù)留情況。

3.5 有功備用計劃管理方法

備用管理遵循年平衡、月發(fā)布、日校核、實時跟蹤的工作制度。每年年底，計算確定全網(wǎng)的各類備用容量需求，在每月和每周的電能平衡計劃中根據(jù)網(wǎng)內(nèi)電能平衡情況對有功備用容量進(jìn)行修正，在日前發(fā)用電平衡計劃中，對下一日96點的各類備用預(yù)留計劃進(jìn)行校核。有功備用的預(yù)留和校核方法比較局限，需要對照調(diào)度計劃對未來一段時間內(nèi)的備用容量做出預(yù)判。因此，運營商有必要利用歷史運行經(jīng)驗和評估方法設(shè)計有功備用的反饋機制，以使得備用管理方法可以對歷史運行經(jīng)驗進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而根據(jù)系統(tǒng)運行工況優(yōu)化備用計劃，這一機制可通過備用監(jiān)視系統(tǒng)輔助完成。計及評估反饋機制的有功計劃管理流程如圖7 所示。

圖7 有功備用計劃管理流程

在圖7 所示的有功備用計劃管理流程中，對事故備用和非事故備用的反饋和修正過程需要注意以下2 點因素。一是氣候因素對非事故備用的影響，通常情況下負(fù)荷預(yù)測誤差比較穩(wěn)定，但是也存在特殊情況，如中國中北部地區(qū)春末和夏初期間氣溫變化劇烈，而氣溫的變化將嚴(yán)重影響生產(chǎn)及生活用電情況，致使負(fù)荷預(yù)測誤差偏大，若仍然按照常規(guī)負(fù)荷預(yù)測偏差安排非事故備用計劃，則會對有功備用的充裕性產(chǎn)生影響，尤其是在每周五對下周一的計劃安排中，影響較大。此外，對于風(fēng)、光等新能源接入較多的區(qū)域電網(wǎng)，氣候?qū)︼L(fēng)光出力的影響也應(yīng)引起重視。二是天氣和環(huán)境因素對事故備用的影響。電力設(shè)備的工作環(huán)境對其故障率有著較大影響，尤其在近年來頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣中，電力設(shè)備的“污閃”現(xiàn)象頻繁，較大程度地增加了設(shè)備的故障率，因此，在對事故備用容量的校核和修訂中，需重視天氣和環(huán)境因素的影響。

4 結(jié)論

本文對國內(nèi)外有功備用分類管理現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，在分析當(dāng)前及未來電網(wǎng)中有功備用影響因素以及有功備用資源技術(shù)經(jīng)濟特征的基礎(chǔ)上，對有功備用分類管理方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要成果包括：

（1）建立了以備用資源的時間特性和用途為分類主線的有功備用分類體系，為廣泛吸納和合理約束各類備用資源參與系統(tǒng)備用提供了基礎(chǔ)。

（2）分析了各類備用的協(xié)調(diào)配合關(guān)系并提出了各類備用的容量計算方法，兼顧了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，為有功備用的精確定量和各類備用的協(xié)調(diào)調(diào)用提供了理論支持。

（3）提出了計及評估反饋機制的有功備用計劃管理流程，并分析了對事故備用和非事故備用反饋修訂過程中的重點影響因素，有利于備用策略優(yōu)化，為有功備用計劃的精益化管理提供參考。

限于篇幅，本文的研究側(cè)重于區(qū)域電網(wǎng)備用總量。在上述分類體系下，考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和阻塞管理等因素對有功備用進(jìn)行合理的分區(qū)配置，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。