配电系统运营商在配网电力市场发展进程中的角色与功能演化初探

单兰晴*,孔王维,顾承红,李芙蓉  

(巴斯大学电子与电气工程学院,英国 巴斯 BA2 7AY)

摘要

分布式能源的增多进一步推进了电力系统配电侧的演化,而在系统权力逐渐下放的整体趋势下,配电市场的自主化程度也在逐步提升。然而,现有配电侧只能在大规模电网投资的前提下消纳、应用大量分布式能源。因此,需要引入分布式能源市场实现大规模分布式能源的并网,最大化分布式能源的价值。新兴配电侧市场的发展需要更多的配电系统管理以及进一步探究配电系统运营商(distribution system operator, DSO)的功能。现有DSO研究虽较完善地探究了未来DSO功能以及相关的系统管理角色,但大多基于DSO一次性实现其全部功能的前提,未将DSO发展看作一个动态过程,且未对DSO与其他层面管理机构的相互协作做充分研究。基于上述背景,针对配电系统演化进程的三个典型阶段,提出配电层电力市场的演化进程;归纳了未来配电网需要DSO承担的4项管理角色;分析DSO在配电市场自主化进程的不同阶段需扮演的角色及其具体管理任务,同时探究DSO与其他系统管理机构之间的责任划分与合作执行方式。以英国未来配电市场及其运营模式的探究为例,为其他国家与地区的分布式能源市场发展与相应市场监管体系建立提供借鉴。

关键词 : 电力系统运营;电力市场;配电系统;分布式能源


0 引言

随着世界能源低碳化进程的逐步推进,低碳技术与分布式能源(distributed energy resources, DERs)在电力系统中的参与度越来越高。智能、灵活的能源系统可以通过提高配电网的运营效率来挖掘DERs的价值,从而减少高昂的配网投资。这一过程也能够促进可再生能源的本地消纳,从而减少间歇性可再生能源给系统带来的不确定性与复杂性。

DERs在电力系统参与度的增加必然会对配电系统带来一定的影响。伯克利国家实验室在《未来电力监管》系列报告中提出,随着DERs的增加,配电侧电力系统演化进程可分为3个阶段[1]

第一阶段为DERs初探阶段。本阶段为参与电力系统的初级阶段,消费者对于DERs的接受程度较低。现有配电系统可以在不对基础结构与运营模式进行重大改变的前提下容纳新增DERs并加以利用。

第二阶段为DERs扩张阶段。在本阶段,电力系统中DERs数量加大并达到阈值,此时配电系统需要进行功能完善以保证在接受一定量DERs的情况下可靠运营。本阶段的DERs可为系统带来利益。

第三阶段为DERs市场化阶段。在本阶段,DERs的价值可被更多利用,以提升电力系统与配网效率。配电侧机构可以从灵活的DERs采购服务以支持系统的可靠性运行,从而替代传统的配网投资。

随着电力系统中DERs的增多,也将推进配电侧电力系统的演化进程。在电力调度权下移、配用电经营权下放的整体趋势下,配电侧市场交易增多,自主化程度也逐渐增加。世界各地越来越多的实验性市场举措来容纳DERs,为传统电力供应提供替代方案。这些市场措施目前主要局限于通过激励DERs来解决网络问题。然而,正如配电侧演化进程3个阶段所表明的那样,随着DERs的增加,配网容量服务市场将无法在不进行大规模配网强化与投资的前提下消纳更多的DERs。这无疑为DERs的发展造成了壁垒,也将无法真正实现DERs的价值。因此,随着配用电经营权越来越多下移,在配电侧引入对标全国电力批发市场的分布式能源市场,将大大提高分布式发电的利用率,进一步实现DERs的附加价值。同时,随着DERs的引入,地方配网容量服务市场也将逐步向地方辅助服务市场进行功能的完善性演进,以保证现有系统能够以低成本容纳足够多的DERs。

与配电侧电力系统结构演化的3个阶段对应,配电侧电力市场也存在3个典型阶段的自主化进程。在不同演化阶段,本地产销的能源比例不同,并将随着自主化进程的深入而逐步增加。由于新兴配电侧市场的发展,需要进一步挖掘系统运营者的角色与功能,以满足市场相关的需求。

传统配网运营商(distribution network operator, DNO)的角色局限于投资、维护与运行配网。配电系统运营商(distribution system operator, DSO)由DNO演化而来,负责DERs比重逐步增加的配电系统。对于电力系统运营商的功能探究,经历了3个发展阶段。

第一阶段研究认识到随着DERs规模的不断扩大,未来配电系统可能存在的问题,并列举出问题与可行的问题处理的方向。该阶段认识到未来电力系统面临的问题可概括为:双向电流控制、本地能源集成与平衡、DERs控制、输配电系统边界性质变化、电力资源与消费者特征变化 [2-15]。在提出针对具体问题解决方案的同时 [2-5,8-9,11,16-17],意识到基于以上问题的系统运营者面临改革需求 [17-26]

第二阶段研究提出满足未来配电系统需要的配电系统运营商DSO的概念,将DSO责任提炼为规划、运营与市场3个主要部分,并细化DSO在承担三部分责任时要分别进行的具体管理活动。同时考虑到未来输电系统与配电系统管理者之间存在的责任协调与合作需求,提出未来配电系统管理可能采取的“输电层负责制、输配电分管制、配电侧市场化管理制”3种制度。在“输电层负责制”模式下,输电系统运营商负责整体电力系统的运营和经济调度,DERs以个体为单位直接参与进国家级电力批发市场接受输电系统运营商的调度。DSO在该模式下仅具备最小责任,即确保配电系统运行的可靠性,而不对配电层电力市场负责。“输配电分管制”模式下,输电系统运营商只负责DERs的调度,不进入配电系统层面参与分析DERs的物理分布及配电侧电路。DSO在本模式下承担配电系统内部的互联,以及配电层市场与国家级批发市场之间的协调。同时DERs的物理协调以及对输电层调度指令的响应也由DSO负责,输电系统运营商在该模式下对于DERs的控制只是一种远程调度。“配电侧市场化管理制”模式下,对DERs参与市场的最小规模有一定限制,即DERs要先集成至一定大小再参与进国家级电力批发市场。本模式下输电系统运营商负责在输电网获取整合集成后的DERs信息,DSO则负责配电网DER个体之间的协调与集成 [1,27-29]

第三阶段主要工作由能源网络协会(Energy Network Association, ENA)的开放网络项目(open network project)完成。高度提炼未来DSO的8项功能,即系统协调、配网运营、投资规划、连接管理、系统防御与修复、服务与市场促进、服务提供与费用制定,并明确每项功能所对应的具体管理活动 [30-37]

DSO功能的研究仍在继续,上述3个阶段的研究成果也存在不完备之处。第一阶段作为研究的初期阶段,更多着眼于未来配电侧电力系统大量接入分布式能源后可能存在的具体运行问题和挑战,并未提出新的系统管理机构的概念,未能站在管理者角度全面回答发展中系统所要解决的各项问题。第二阶段的研究虽然将DSO负责的方面进行一定概括,却对其具体功能的研究尚不全面。但是,其优点在于提出了未来配电系统管理可能采取的3种模型。虽然受限于对于未来配电层面电力市场的有限认知,未来系统管理的3种模型对于DSO及其与相关合作机构的合作方式探讨较为浅层,也未能充分体现DERs逐步更多接入对于电力系统的影响,但已初步体现了电力系统管理过程中DSO的参与程度的动态特性。第三阶段虽然较完善地展望了DSO功能,但是其基于DSO可能一次性完成演变的假设前提,并未将DSO的发展看作一个动态进程。

在已有研究的基础上,本文主要探讨以下内容。

1) 对应随DERs规模增加的配电系统演化3个典型阶段,提出配电层电力市场的3种结构。

2) 在现阶段研究提出的DSO各项功能的基础上,进一步提炼出DSO的4种角色,并阐述3个典型市场结构下同一DSO角色实施的不同具体管理措施,即 DSO的动态性。

3) 分析DSO在配网电力市场自主化发展进程中所应承担的角色,以及各阶段DSO与其他系统管理机构之间的责任划分与协作执行。

本文对于配电市场及其运营管理的探究,其背景为英国的自由化电力市场体系,旨在避免为接纳大量分布式能源并网所带来的大规模配网投资及其高昂费用。分布式能源由于具有直面用户、按需就地供能的优点,是满足多重目标的中、小型系统电能的首选,近年来在中国能源发展中的重要性也在不断增强。至2020年,中国规模以上城市分布式能源系统的装机规模将达到5000万kW,分布式光伏占光伏发电总装机容量的22%,生物质能的发电装机总量也将达到3000万kW。初步实现分布式能源装备的产业化,符合中国《电力发展“十三五”规划》达到全面推进分布式光伏发电建设的目标,符合可再生能源中长期发展规划要求。文章[38-42]汲取英国市场经验,建立配网市场以适应规模逐渐增加的分布式能源应用,不失为中国现有能源趋势下的一种合理选择。值得注意的是,历经三轮电力改革后,英国电力市场已发展为成熟的高竞争度自由化市场体系,具有全国范围内统一的国家级电力市场,统一电力贸易、平衡与结算系统。由同时拥有发电、配电、售电权的6家垂直一体化公司主导市场。文章[43-44]在此基础上对于分布式能源合理解决方案的配网市场默认了同样的自由化市场环境。然而中国正处于第二次电力市场改革进程内,电力市场化建设进程与传统计划式、指令式的思维同时存在。虽然随着电力体制的改革,中国电力市场活力大大增强,微网、储能与售电市场均得到相应激活。但相应的电力市场配套机制仍有待完善,市场对于法律、监管、信息公开、信用体系建设的需求日渐增强。文章[45-46]对于英国未来配电市场及其运营模式的探究,为处在市场化进程中的中国电力市场提供接纳更多分布式能源的一种可能性。同时在对于自由化电力市场中运营机构与机制的研究,也可以为中国现在配套并未完善的市场监管体系提供合理经验与有效参考。

1 配电侧电力市场结构

随着DERs的高速发展,配电系统将逐步经历3个演化阶段,如图1所示 [1]

图1 配电系统演化进程 
Fig.1 Distribution system evolution

对应配电系统发展的3个阶段,未来配电层电力市场结构的演化进程如图2所示。随着电力调度权下移与系统低碳化、数字化程度的提高,电力市场的运营责任由输电系统逐步延伸至配电系统。图2中各种颜色层级代表电力系统中的一类市场。其中,绿色层为用于回收配网投资成本的费用市场,蓝色层为确保配电系统短期安全的辅助服务市场,粉色层为进行电能交易、提高能源成本效益的电力市场,黄色层为确保配电系统长期安全的容量市场。

随着系统中DERs规模的扩大与能源技术可能存在的发展,未来配电层面电力市场的3种典型结构与配电系统演化的3个阶段对应。在配电系统演化第一阶段,电力市场为中心控制结构形式,电力需求主要通过配电系统与输电层主网的连接满足,只有少部分地方电力需求由本地DERs满足。为实现电力供应的就地平衡,需要开展地方电力市场进行交易。本阶段的地方辅助服务市场只需提供传统的配网容量服务,无需进行扩展另外的功能。

图2 配电市场结构演化
Fig.2 Transition pathway of market on the distribution system

在配电系统演化的第二阶段,电力市场为区域控制结构形式。本阶段输电系统与配电系统承担同等电力供应责任。与第一阶段中心控制结构相比,市场的自主化程度进一步增加。DERs的增多使得分布式能源市场的活跃性增加,对配电层面供需平衡的贡献增多,从而分担了部分输、配电两层级间平衡市场的负担。有了充足的DERs,辅助服务市场可以为输、配电网络提供可靠性服务与安全性服务。

在配电系统演化的第三阶段,市场为社区自治结构形式。大部分电力需求由本地供应满足,配电层面分布式市场结构对标输电层面的国家级电力市场,完全由独立配电社区运营。现有技术还未能做到完全支撑这种高独立的市场结构,但可以设想,随着储能技术的发展突破,大规模存储动力电池的广泛灵活应用,社区自治型市场结构有其存在的可能与应用价值。分布式市场的运作保证个体配电系统以经济有效、安全、可靠的方式独立运行。

中国电力资源呈现逆向分布形式,资源多集中于西部与北部地区,而负荷分布在经济中心的华北、华东与南方地区, 由此也带来供输电成本、输电损耗与电力投资等问题。现存协调电力资源与负荷分布的主要方式为一次能源运输与远距离输电。文献[47]应用分布式能源与建立配电市场为解决中国能源供需不平衡贡献了提供了另一种解决思路:分布式能源拥有直接面向用户与按需就地供能两个显著特点,在高需求高用电负荷区域引入配电市场,加大分布式能源在区域总体供应中的占比,能够减轻高负荷地区电力供应压力,同时降低一次能源运输与远距离输电带来成本及能源运输通道与网络压力。

本文所提出的配电市场3种结构,并非是一个由低向高的必要发展历程,而是由中国可再生能源地位不断提高与世界能源发展趋势的大胆预测。中国区域分布式发电资源存在较大的时空特性差别,随着中国电力市场化进程的推进,配电市场结构演化的 3个典型阶段会做为未来中国不同地区的3种配电市场状态并存。华北、华东、南方等低资源高负荷地区会倾向于应用分布式能源,尽可能提高电力的本地化供给占比,由此进入区域控制型或社区自治型配电市场,由本地配电市场满足主要负荷。而西部、北部等高发电、资源充沛、低负荷区域,则仍保持中心控制型市场,由输电网层面的国家级电力市场满足电能需求。

中国正在推进电力市场化,旨在充分发挥电力的商品属性,利用市场特性完成电力价格的部分自我调控。不论是中国正在进行的建立全国统一电力市场,还是本文提出的在输电侧全国统一电力市场的基础上可能存在的配电侧地方市场,都是将能源产品在市场中变现并实现价值的过程,符合中国政策发展的“市场化”宏观进程。

2 未来DSO角色

上文提到的现有DSO 8项功能展望,是基于DNO向DSO的转变一次性完成的假设[30]。实际上,考虑到配电系统产业结构的演化是过程性的,DSO 8项功能演化也是过程性的。为了促进DNO向DSO的平稳过渡,并有实现产业结构与市场结构演化的关键阶段DSO功能,本文在开放网络项目提出的DSO 8项功能基础上,将DSO功能归类为4个角色:配网规划者、配网运营者、配电市场运营者以及协调者。其中,配网规划者的角色要求DSO负责配网投资规划、并网管理与费用收取,配网运营者角色负责配网运营、系统的防御和维护,配电市场运营者角色负责市场促进及市场内服务的优化,整体协调者角色负责系统内部协调。本文所归类的4个角色不仅仅将原有DSO的8项功能囊括在内,更扩展了特定角色的职能定义与责任范围。图3表述了4种电力系统运营商的角色及其相互关系。

图3 配电系统管理结构
Fig.3 Distribution system management structure

在电力系统监管政策下,配电系统要求的两个管理大方向为:配电系统规划与配电系统运营。配电系统规划是在长远发展下保障电力系统的安全稳定,需要关注的事项包括配网投资与并网管理;配电系统运营则重于短期以至实时运行中配电系统的供需平衡,包括配网的运营以及配电侧市场运营。其中配网投资与配网运营相关事宜属于物理层面对网络的要求,管理与市场相关事宜则属于用户层面要求。由于对系统整体调度的经济最优决策与物理可行决策之间具有潜在的冲突可能性,系统的长期决策也应与短期决策相配合,在系统管理的各层均进行相应协调。图3箭头反映了各部分之间的协调方式,最高级别协调存在于系统规划与运营之间,次级协调为系统规划与系统运营内部物理决策与经济决策间协调,最细化一级的协调为配电层市场间协调。其中,市场协调需求正是在DERs数量不断增大的过程中,由于配用电经营权下放,市场自主化程度升高的体现。

由于配网以及相关市场的复杂性不断增加,对于系统内各部分之间的协调能力的要求也随之增长。因此,未来的整体协调将具有更广泛的含义。

1)配电市场之间的协调 (例如,协调辅助服务市场与电力市场)。

2)配网运营与配电市场运营之间的协调。

3)配网投资和配网接入管理之间的协调。

4)配网规划与配网运营之间的协调。

在实际的产业结构演化进程中,不同状态的市场结构下,DSO的参与程度不尽相同。DSO可能依据实际结构需求承担四大角色中的一种或多种。为进一步分析市场结构演化各典型状态的DSO应用,本文仅考虑DSO在每个状态下最大与最小化参与的两种极端情形。在任一市场结构下的DSO的最大化参与,都要求DSO承担全部4项角色,也就是DNO承担新兴角色并转化为DSO。在任一市场结构下的最小参与情形中,DSO做为独立机构仅承担协调角色,配电系统的其余活动由DNO或其他管理机构负责。3种未来可能的工业结构(中央控制主导结构、区域控制主导结构、社区控制主导结构)表征电力调度权下移发展过程的3个不同阶段。后文将继续对3个阶段下DSO的具体角色与承担职能进行探讨。

3 配电侧电力市场中DSO的最大化与最小化参与

3.1 中心控制型市场结构下的DSO

中心控制型市场结构下,全国电力系统运营商(electricity system operator, ESO)负责满足系统的总容量需求。主要电力供应来自输电层级发电。位于输电层级的国家级电力市场囊括了包含能源交易、系统能源平衡与输电辅助服务在内的大部分市场活动。配电层存在的分布式能源交易市场与配网容量服务市场主要责任为促进配电系统中DERs的并网与输出。

在中心控制结构下,供电方从全国电力批发市场与地方分布式能源市场购买电力,并将其通过零售市场转售给消费者。个体客户也可以在地方电力市场直接寻找其电能供应商。本地能源由于可以在本地区域内产销,降低、移除了用于将分布式电并网的成本,因此有着低价优势。上网成本是电能本身的一个重要指标,从配电基础设施升级,配电系统运营到输电平衡与运营投资成本都受上网成本所影响。本地电力的低价享受者并未以牺牲其他用户的利益为前提采用规避配网费用与避税等形式获利,而是通过灵活价格结算在地方电力市场购买固有价值偏低的间歇性能源。地方能源的本地化消纳减少了传输损失,形成良性循环。上述因素使得从分布式市场购买间歇性能源的成本更低。

虽然本地DERs在成本上更具优势,其数量的有限性使得主要供电方仍来自输电层面,属于全国电力市场范畴。这也就意味着,在中心控制型结构下,分布式能源市场只能够做为全国电力批发市场的附属市场运作,其市场交易结果会影响上层市场的净需求与ESO的平衡决策。对于地方辅助服务市场,有限的DERs只能够提供基础配网容量服务以保证配电系统的有效容量。这虽然不失为不增加配网投资情况下运营配网的一种解决方案,但却对配网运行影响较小,配网规划与运营仍是处理网络约束的主要方案。

图4 DSO在中心控制型市场中的参与
Fig.4 Involvement of DSO - central-control dominated structure

对于DSO参与情况的研究将通过其最大化与最小化参与的两个极端情况来进行。进行最小参与的DSO只承担协调角色。由于本状态下配电网的DERs数量有限,且DSO不涉及配网运营角色,这里的DSO协调范围仅指基本地方辅助服务市场与分布式能源市场之间的协调。DSO做为中立市场促进者,要管理客户信息并保障其隐私。通过向辅助服务市场与地方电力市场提供市场信息,DSO可以促进DERs与消费者即供需双方的市场决策,以保证双向最大程度获益。DSO在配电网市场间的协调,能够有效减少地方辅助服务市场与分布式能源市场之间的冲突。

最大化参与的DSO承担现有DNO的所有角色,即配网规划、配网运营、新兴市场的运营。此外,DSO将负责地方电力市场与辅助服务市场的协调。由于系统中DERs规模较小,分布式能源市场和地方辅助服务市场与整体配电系统运行发生冲突的可能性较小。因此此处DSO的协调功能仍集中在配电系统内部,协调分布式能源市场与地方辅助服务市场以正向促进DER的有效利用。

3.2 区域控制型市场结构下的DSO

本结构下的配电系统在输配电的整体系统中可以看作半自治状态。此时电力系统总容量要求仍由国家级ESO来满足,区域性电力需求则由本地化DERs与输电网发电各半满足。此时配电系统为配合DERs的增长将出现更加动态与多样化的市场活动。此结构配电系统与输电系统的关系类似主网与下属微网,除能源交易外,更大范围的辅助服务产品交易将转移至配电层级进行。

更广泛的市场产品与更活跃的市场活动要求市场能够动态化运营。有效的配网管理需要顾及可再生能源发电量的波动、输电与配电两个层面的辅助服务需求,以及日益变化的消费者需求。一个关键性应对思路是建立多个配电区域,DERs参与自己所属的区域配电市场,从而保障消费的持续与经济电力供应。

本结构的DSO与ESO交互基于提供备用服务,防止各配电区域电力故障的发生。由于配电系统的相对独立性,届时输配电系统的边界情形将与现在DNO架构下大不相同。

本市场结构的DSO最小化参与仅承担协调角色。本情况下的协调,包括一个配电区域内部分布式能源市场与地方辅助市场的交互,也包含配网运营和配电市场运营之间的协调。DSO为中立市场促进者与协调者。此时的DSO获取并向所有市场参与者提供透明市场信息,为所有区域参与者提供自由的区域内地方市场环境。DSO同时与各市场运营商和配网运营商交换市场决策,促进动态响应并降低由市场活动引起的交易冲突和网络约束。

DSO的最大化参与承担全部4项基本角色。由于现结构的区域电力市场和辅助市场具有多层级、多种类、多时序的特性,与中心控制型市场中DSO的最大化参与相比,市场运营角色在这一结构的复杂性显著增加。这里的DSO需要负责区域系统的所有方面,而不是如最小化参与时只承担协调性角色。DSO要在满足电能交易需求的同时确保区域配网的可靠性。这需要DSO能够对不同市场间的DERs进行优化调度,并在网络和市场运营间进行更深层次协调。

3.3 社区自治型市场结构下的DSO

DERs的规模进一步增长时,本地的DERs便能够满足地方容量需求。配电系统很大程度上做为独立电力系统在运行。此时输电层发电在配电系统中只负责很小一部分电力市场,并提供有限的容量服务与辅助服务以确保电力系统的安全稳定运行。输电层发电的价值更多体现于保持电力系统频率,并满足可再生能源可变出力所存在的潜在问题。此时的各配电系统可看作独立的配电社区,大量电能交易与传输在配电社区内与社区间完成。配电社区负责绝大部分的自身电力平衡,在社区内部自行提供辅助服务,独立进行发电规划。

在以社区主导的市场结构下,地方配网容量服务市场代替输电网的传统配网容量服务市场,通过调度DERs以保证系统电能供应平衡的安全。地方分布式能源市场的动态性进一步提高,为电力的供需双方提供高经济效益的供应系统。充足的DERs服务功能和齐全的地方辅助服务市场,确保电力供应的可靠性与安全性。此处的地方辅助市场中的频率响应市场是一个中间市场,通过将地方市场参与者连接至配电层级,使其参与进国家级整体频率响应市场中。地方平衡市场的大多数电能平衡活动由DERs提供,输电网发电处于补充地位,照顾地方可再生能源的间歇性。地方用户将被相应收取地方平衡服务费,这是市场演化发展到高独立状态才显现的现象。

承担协调角色的DSO在社区自治型配电侧市场的最小化参与提供了中立的市场促进与协调。除DERs占据更高的市场份额、电力市场动态性进一步提高与辅助服务市场服务种类的扩大外,配电系统在这一结构的最主要特征在于容量市场已经完全从输电网转移至配电网。这表征了配电系统的功能齐全,可以保障全系统的负担性、可靠性与安全性。做为中立市场促进者,DSO负责社区内自由市场环境的提供,以促进DERs的参与。做为市场协调者,DSO会获知并协调所有市场结果,告知各市场运营者潜在的冲突信息,并提供最佳市场方案以确保配网约束下的全系统利益最大化。

最大化参与的DSO包含全部4项角色。这里最显著的区别在于基于非市场的配网操作的调用程度取决于不同服务的数量与辅助服务市场的交易量。市场运营因此影响了DSO配网运营的类型与范围。在规划其网络时,DSO可以依靠不同市场做为配网投资与强化的替代方案,以减少对于配网容量的投资需求。在DSO的最大化参与中,DSO要求协调的范围较广:协调规划与配网运营、协调市场运营与配网运营、协调不同市场。

未来DSO承担的4项角色可以分为两大类:一是在配电侧独立度较高的状态下DSO代为执行传统ESO与DNO的责任,负责系统的安全、可靠、稳定运行;二是配电系统与配电市场的发展赋予DSO的新兴职能。其中为保障系统正常运行,未来DSO既需要承担包括配网准入、配网服务、高风险事故预备在内的网络与技术相关功能,还需要承担经济相关的投资规划与网络费用收取功能。这些职能的完备是配网系统可以平稳顺利运行的必要条件,必须有机构予以承担。而配电侧的自主化程度越高,配电侧的信息量越大,网络信息与市场信息的规模与细节就越丰富。在这个前提下,若是将所有信息均交付给ESO处理,则信息与指令在输电网与配电网往返传输,会导致效率低下,带来额外的信息传输与处理成本。从这一角度来讲,将这些必需职能在自主化程度较高的系统中交付给DSO是一种兼顾成本与效率的合理选择。

而对于配电系统与配电市场发展赋予DSO的新兴职能,以市场运营与协调(网络间协调与市场间协调)最为典型,在承担过程中需要付出成本:如市场管理成本、信息调度处理成本等。分布式能源近年来在中国能源发展中的重要性不断增强,欲进一步利用分布式能源直接面向用户与按需就能功能的特性,缓解甚至解决中国能源分布不平衡的问题,就无法绕开配电侧市场的建立。因此,不能仅因为可能带来的成本增加就规避分布式能源市场这一选项,却忽视其发展可能带来的益处。

4 配电侧电力市场发展的典型结构下DSO的合理参与程度

配电侧DERs的引入规模与配电侧市场的活跃程度是配电系统运营管理决策的两个关键影响因素。

在中心控制型配电市场结构下,DERs的引入规模十分有限,此时的配电侧市场活动只包含配电侧能源市场与配网容量服务市场。这些新兴市场的运营与协调可通过对现有DNO职责扩张来实现。因此,中心控制型市场结构下的电力系统运营商可以看作DNO的进化,在新兴市场中扮演满足配电系统层面需求的角色,同时仍然承担现有的配网规划与配网运营职能。DSO也可以选择缩小功能范围,只担任协调角色。此时配电系统所需管理活动由DSO与DNO共同完成,其中DNO承担配网规划、配网运营与辅助服务市场运营。

在区域控制型市场结构下,DERs规模进一步扩大,市场活动更为多样化与动态化。地方分布式能源市场在原有日前交易的基础上增添日内交易,同时地方平衡市场初现。该阶段的地方辅助服务市场除配网容量服务外还将提供更全面的综合性服务,如无功功率服务与安全服务。本结构下DSO要承担的协调功能包含两个方面:地方分布式能源市场与地方辅助服务市场的协调,配电侧网络运营与配电侧市场运营之间的协调。

DERs的引入规模在区域自治型市场结构中发展到很高的程度,此时的配电系统运行高度独立于输电系统,相应的配电侧市场活动也具有高度动态性。每个配电社区都由独立的市场运营者负责,同一市场运营者可以分管多个社区市场。不论社区市场与其运行如何相互作用,DSO的中立性都是保障市场竞争力、公平性与透明度的重要因素,使得所有社区市场能够有效运作。

随着配电侧市场自主化程度的增加,配电系统活动运行的规模与复杂性随之增加。研究对于DSO是否应包含传统DNO活动(即DNO是否应完全发展为DSO),或DSO是否与DNO在配电系统合作运作仍然存疑,尚无法对配电系统管理活动应如何分配给各管理机构下有效定论。DERs的引入规模、市场完善程度、配电系统连接结构将对DSO的参与程度提出何等要求仍有待未来工作的探究。

5 结语

DERs的不断发展带来的电力产业结构演化,将改变未来电力系统尤其是配电系统的架构。为了在不进行大规模配网强化与投资的前提下接入高比例DERs并发挥其价值,DNO规划与运营电网的方式将发生重大转变,即从DNO向DSO转型。

随着配电系统在DERs不断增加的进程中会出现的3个典型演化阶段,本文提出了相应的配电侧电力市场结构3个状态。中国由于资源分布的不均衡与逆向分布形势,可能在未来出现3种配电市场状态并存的局面。本文基于前人研究提出的未来电力系统供应商DSO 8项功能,归纳出未来配电系统侧管理需要承担的系统规划、配网规划、配电侧市场运营、协调4项角色,并基于动态发展角度看待未来配电系统管理需求,探究了每个市场结构下DSO的最大化与最小化参与情况。研究反映出电力系统供应商DSO在配电侧电力市场的演化进程中与各层级管理机构之间的责任分配与协作方式,尤其表明不同情况下DSO的前身DNO与现有DSO之间的配合途径。

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收稿日期2019-10-17;

修回日期:2019-11-26。

Roles and Functions of Distribution System Operators in Local Electricity Market Development

SHAN Lanqing*, KONG Wangwei, GU Chenghong, LI Furong 
(Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Bath, Bath BA2 7AY, UK)

Abstract: The increasing application of distributed energy resources (DERs) alongside digitalization and decentralization drives the development of electricity distribution system.Decentralization is essentially devolving responsibilities from transmission to distribution systems on account of the optimal use of DERs.However, the current distribution system cannot integrate DERs without major network modifications or investment, posing a major threat to their growth at a local level.Introducing energy markets and network services at the distribution level will not only support cost-effective integration of DERs, but will also critically deliver value to DERs to accelerate their growth.These emerging markets require a more active management of distribution systems, which leads to the necessity of exploring the roles and functions of the distribution system operator (DSO).During this process, the current approach focuses on comprehensive DSO functions and activities in a future situation in which there is high penetration of DERs.Therefore, it fails to consider the development of DSOs a dynamic progress and to provide sufficient attention on the coordination of DSOs with other system-oriented activities.In this article, we proposes the future structures of markets in the distribution system by synchronizing the transition of distribution system evolution; categorizes four roles of the DSO based on functions and illustrates variations in its activities; analyses the evolution of the responsibilities to be taken by DSOs under diverse future market structures, and their coordination with other system-oriented activities.Taking the UK distribution market as a reference, the exploration of market operations and regulations covered in this paper provide relevant experiences for other countries.

Keywords: electricity system operation; electricity market; distribution system; distributed energy resource

作者简介

单兰晴

单兰晴(1995),女,博士生,研究方向为分布式能源和能源市场。通信作者,E-mail: L.Shan@bath.ac.uk。

孔王维(1992),女,博士生,研究方向为配电网的三相再平衡及其在未来电力系统应用,E-mail:wk245@bath.ac.uk。

顾承红(1981),男,博士,研究方向为综合能源系统及电力市场,E-mail:cg277@bath.ac.uk。

李芙蓉(1968),女,教授,研究方向为电力系统规划分析及电力系统经济,E-mail:eesfl@bath.ac.uk。

(责任编辑 张鹏)


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