天然气市场下可中断负荷参与备用市场研究

第17卷第5期 2017年 5月科技和产业Science Technology and IndustryVol. 17, No. 5M ay,2017天然气市场下可中断负荷参与备用市场研究董达鹏(中国能源建设集团投资有限公司，北京100022)摘要：可中断负荷作为一种有效的调峰措施，在市场环境下也可视为系统备用容量。

首先阐述了可中断负荷的概念以及天然气市场下的可中断负荷设计与电力市场的区别；然后基于层次分析法，提出了天然气备用市场选择可中断负荷的决策模型。

最后算例分析结果表明，该模型具有很好的实用性和合理性，为天然气备用市场选择可中断负荷提供了有益的思路。

同时，也对天然气终端消费市场推行需求侧管理具有很好的促进作用。

关键词：可中断负荷；天然气用户；备用市场；需求侧管理中图分类号：F426. 22文献标志码：A文章编号：1671— 1807(2017)05 — 0062— 04在化石能源供给压力越来越大，能源供给安全问 题日益凸显的社会背景下，天然气以其环境友好、热 效率高和价格低廉等特点受到工业企业和城镇居民 的追捧，形成了巨大的燃气市场。

然而在天然气需求 持续高位增长的背后，是天然气供应的紧张和大规模 的市场短缺。

造成这一现象的主要原因在于气源不 足、管道运输能力有限、储气能力和调峰手段严重不 足等。

所以，面对天然气供需严重失衡的局面，如何 有效减少高峰时段天然气需求，改善负荷曲线形状，缓解天然气供应紧张状况是十分值得研究的[1]。

可中断负荷作为一种调峰措施，最早应用于电力 市场，通过与电力用户签订可中断供电合同，在特定 时期中断用户部分电能供应，调整电力需求在时序上 的分布，有效降低用电峰荷，达到缓解电力供应紧张 的目的。

面对当前大规模天然气短缺的局面，人们开 始思考在天然气终端市场推行天然气需求侧管理，通 过引人可中断负荷，实施可中断负荷管理（ILM)，来 引导用户改变用气方式，削减高峰时段天然气需求，提高天然气管网的综合利用效率[2]。

在天然气市场供应紧张的情况下，改变用气方式 或是在高峰时段使用替代能源的天然气用户，可作为 可中断负荷参与备用市场的竞争进行市场出清。

这 有利于缓解紧张的天然气市场供应。

但当可中断负 荷超出系统所需的备用容量时，燃气公司如何选择最 优的可中断负荷参与备用，这正是本文所要研究的问 题。

1 天然气市场下的可中断负荷管理1.1可中断负荷管理可中断负荷管理是一种由燃气公司负责实施，天然气用户自愿参与的调峰节能措施。

主要是通过燃 气公司与天然气用户签订可停供气合同，在天然气供 应不足时，根据合同规定停止向可中断用户供气，从 而达到调峰或减轻天然气供给压力的目的[3]。

目前，可中断负荷在部分发达国家天然气市场获得了广泛 的应用，并取得了显著的调峰节能效果。

在美国，管 道公司和地方配送气公司与不少发电用户、工业用 户、医院和大型综合建筑业都签订了可停供气合同。

目前我国天然气市场已步人大规模发展阶段，但我国 还没有真正意义上的可中断负荷用户，所以在我国天 然气市场引人并实施可中断负荷管理是十分必要的。

1.2与电力市场可中断负荷的区别天然气市场的快速发展迫使人们开始思考在天 然气市场引人可中断负荷，以达到削减高峰时段的天 然气负荷，缓解日益增长的天然气供给压力的目的。

但电力市场与天然气市场作为两个独立的能源市场，其能源供应方式、负荷管理系统、运行控制方式等方 面均带有各自明显的特征，因此天然气市场在参照电 力市场引人可中断负荷管理模式的同时，要考虑到自 身的特点。

电能无法储存与电力供需的瞬时平衡是电力系 统最显著的特征。

一旦电力系统无法保持电能的供 需瞬时平衡，可能会导致电压、频率失稳，进一步存在收稿日期：2016—12 —11作者简介：董达鹏（1988—），男，江西上饶人，中国能源建设集团投资有限公司，中级经济师，主要从事能源电力投资开发工作。

62天然气市场下可中断负荷参与备用市场研究图1可中断负荷综合评估指标体系2.2备用市场选择可中断负荷的模型2.2. 1层次分析法层次分析法[5] (Analytic hierarchy process ，简称AHP 法)是美国运筹学家、匹兹堡大学教授Saaty 于20世纪70年代提出来的，它是一种对较为模糊或较为复 杂决策问题使用定性与定量分析相结合的手段做出决 策的简易方法。

特别是将决策者的经验判断给予量化， 它将人们的思维过程层次化，逐层比较相关因素，逐层 检验比较结果的合理性，由此提供较有说服力的依据。

本文运用A H P 法确定可中断负荷用户上报的 可中断负荷容量、报价、响应时间以及可停持续时间 等4个指标的权重，基本步骤为：①建立层次结构模 型；②构造成对比较矩阵；③对判断矩阵进行一致性 检验;④确定权重向量。

具体流程如下图2所示。

2.2.2选择可中断负荷的模型燃气公司选择参与备用市场的可中断负荷是一个632备用市场选择可中断负荷的基本原理 2.1可中断负荷评估指标体系可中断负荷参与备用市场一般通过以下2种形式:一是燃气公司与用户签订可中断供气合同，在天 然气供应出现供不应求时，根据合同规定，对可中断 负荷用户直接停止天然气的供应;二是可中断负荷直 接参与备用市场的竞价进行出清。

市场环境下的可 中断负荷参与备用的优化问题多数是基于后一种方 式，故本文也采用可中断负荷直接参与备用市场的竞 价模式进行讨论。

燃气公司在选择参与备用市场的可中断负荷时， 需要根据可中断用户上报的数据对可中断负荷进行综 合评估。

可中断负荷用户需要向燃气公司上报的数据 主要包括可中断负荷容量、可中断负荷报价、可中断负 荷响应时间以及可中断持续时间。

其中，响应时间越 短，可停气持续时间越长，越能及时满足备用市场的需求，提高系统备用的充裕性。

这4个指标是燃气公司 对可中断负荷进行评价的基础，如下图1所示。

可中断负荷综合评估指标体系导致电网崩溃的风险。

但天然气供气系统由于天然 气的可储存性以及天然气的供应介质为管网，故不存 在此类风险。

基于两种能源市场对可中断负荷的不 同需求，分析天然气市场下的可中断负荷设计与电力 市场的差异，主要表现在：对天然气市场下的可中断 负荷参与供需市场的平衡性要求相对宽松低；天然气 市场下的可中断负荷的响应时间可较电力市场适当 长些;设计天然气市场的可中断气价时，要考虑可中 断负荷参与市场备用对输气管网产生的效益。

1.3参与备用市场的可中断负荷用户的选择燃气公司要根据用户的负荷特性、用电效益和停 气意愿等，分析各类用户的可中断潜力，确定哪一类 用户可作为天然气调峰的可中断负荷用户。

根据2007年国家发改委制定的《天然气利用政 策》，天然气利用领域可分为城市燃气、工业燃料、天 然气发电和天然气化工四大类。

由于城市燃气比较 集中，并且用气量稳定，单个用户用气量小且位置分 散，这显然不适合作为可中断用户。

天然气电厂具备 用气量大、用量稳定、启停快，中断潜力较大等特点， 适合选做可中断用户。

但由于我国燃气电厂数量较 少，特别是对于某一地区而言，所以不适合作为本文 的研究对象。

以天然气为燃料，且具备燃料替代能力的工业用 户由于用气量大，并且在天然气高峰时段又能转用其 他燃料，所以也适合选做可中断负荷用户。

这类用户 主要包括炼厂、化肥厂、轧钢厂、铝厂和化工厂等。

本 文以此类用户为研究对象，对其参与备用市场服务进 行研究。

1.4可中断负荷用户的停气意愿能够获取一定的收益是用户愿意成为可中断负 荷用户的前提和基本条件之一，这也是对天然气用户 实施可中断负荷管理的关键。

因此，可中断负荷用户 的停气意愿与能够获得一定的回报是直接挂钩的。

根据电力市场实施可中断负荷的经验，对于天然气可 中断负荷，需要对基本气费给予折扣，使用户具有一 定的收益率[4]。

理论上气费折扣额应大于用户的实施 费用，即气费折扣额>在中断时段的总的缺气损失十 为实施该方案进行投资的折旧十调整生产的费用一 调整生产后可以挽回的损失。

另外气费折扣额还应 小于供气系统可避免成本与其他成本费用之差，即气 费折扣额<可避免投资成本+可避免运行成本一其 他成本费用。

所以气费折扣额应在最大值与最小值 之间选择，保证用户和供气公司都达到一定的收益 率，从而使天然气用户自愿成为可中断负荷用户。

科技和产业第17卷第5期构建判断矩阵W一致性检验START图2 A H P法确定权重流程含有约束条件的极值问题，目标函数为:使参与备用的可中断负荷产生的效益最大化，可用函数表示为[6]:E s.t.max ^c〇iX h$[i，4][i，”]/〇〇i x m n工i j工fmaxi Q m in^l j Q m ax(1)其中，£是选择参与备用的可中断负荷产生的效益；%(1 <z<4)分别是可中断负荷容量、可中断负荷报价、可中断负荷响应时间以及可中断持续时间这4个 因素的权重；A是第7个可中断负荷的容量、报价、响应时间以及持续时间，均介于最小值与最大值之间，其中& 6 [Qmin，Q_J表示备用市场所需备用容量的界限。

因此，根据式(1)利用线性规划算法，可以选择出最优的可中断负荷提供备用服务。

3算例分析以某一地区为例，设有10个可中断负荷用户准确参与备用市场竞争，提供备用服务。

各个可中断负荷的指标数据如下表1所示。

表1可中断负荷用户上报的指标数据可中断负荷用户容量(M W)报价(元/m3)响应时间(min)可停持续时间（min)19 1. 820100210 2. 1158038 2. 03060415 2.21712057 1. 9257069 2. 41645718 1.13870 813 2. 5129098 2. 027851012 2. 132130 64其中，备用天然气市场所需容量为Qm in = 70MW，Qm a x=80MW。

为了使表1中的数据统一标度，需要对其进行标准化处理，由于可中断负荷容量与可停持续时间为效益型指标，报价与响应时间为成本型指标，所以设定如下标准化处理公式：A= 1 士 工厂—X a v e(1 <7 < 1〇) (2)工 j，max 工j，min其中，效益型指标得分取“十”；成本型指标得分取“—，，通过式(2)，可得到可中断负荷用户上报的各项指标的标准化处理结果，如下表2所示。

表2可中断负荷用户上报的数据标准化处理可中断负荷用户容量(M W)报价(元/m3)响应时间(min)可停气持续时间（min)10. 827 1. 457 1. 123 1. 17620. 918 1. 029 1. 3150. 94130. 736 1. 1710. 7380. 7064 1. 3730. 886 1. 238 1. 41250. 645 1. 3140. 9310. 82460. 8270. 600 1. 2770. 5297 1. 6450. 8860. 4310. 8248 1. 1910. 457 1. 431 1. 05990. 736 1. 1710. 854 1. 00010 1. 100 1. 0290. 662 1. 529下面利用A H P法确定上述4个指标的权重，首 先构建判断矩阵，构建的原则是在保证供气系统安全稳定运行的基础上，尽可能使所选择的参与备用市场的可中断负荷产生的经济效益最大。