美国电力系统是如何做到实时更新电价的？ - 知乎

电力系统实时更新报价，本质就是在电网稳定运行的前提下，确定实时的电能量价格。具体过程涉及电网调控运行和电力市场出清两方面理论内容和技术支持平台。调控运行保电网的安全稳定，市场出清是以市场化方式量化电能价值，技术平台是保证理论实现的落地手段。下面具体拆解开来描述。

一、美国电网调控运行——以供需平衡为目标的调度控制

1. 电网调控运行的出发点

首先要说电力系统调控运行的本质——供需平衡。由于电力无法存储的瞬时特性，发电出力要与用电负荷功率保持即时的平衡。这是所有国家各种电力系统都必须遵守的基本物理规律。

电力系统有固有的额定频率（亦称“工频”），即规定的运行频率，我国定为50Hz，美国定为60Hz。用电设备也在此频率下运行的状态是最佳的，频率偏差过大会导致设备运行工况欠佳，甚至会引发损坏、造成重大损失。所以要把频率波动控制在合理范围内，工业发达国家的电能频率质量都很高，规定的运行允许偏差一般在±0.2Hz以内，实际运行的偏差更小。美国电网的实际运行频率偏差为±0.01Hz。

在学习电力系统这门专业课时，一定会讲电力系统中有功平衡和频率调整控制之间的关系，即为电力调度的本质初衷——通过调节机组出力，保持供需平衡，使频率维持在允许范围内。所以引起变化的是用电负荷，调节的是机组出力，频率既是最开始做出机组增或减出力的风向标，也是系统要控制的最终目标。

以用电负荷增加为例，对于调节机组出力，维持系统平衡的过程进行说明（减负荷的情况原理相同）：

根据用电负荷功率与系统频率的关系，可以把负荷分为几类，包括功率与频率变化无关的负荷（照明等），与频率的一次方成正比的负荷（压缩机等），与频率的高次方成正比的负荷（通风机、给水泵等）。也就是说，同样的负荷在不同的电网频率下运行会全呈现不同的用电功率。

那么，如果负荷增加，在原频率下用电功率将超过发电出力，为了保持供需平衡，电网运行频率会降低，减少用电负荷的实际功率，重新达到供需平衡。为了使频率回到额定值，则需要增加发电机组的出力，使其等于用电负荷在额定功率下的用电功率。

电网的调控机组任何时候制定调度计划，本质都是要保证供需平衡。在中长期为保证供需平衡所做的是机组组合，在运行日做的叫做偏差平衡调整，放在辅助服务市场就是调频，其实宏观本质上都是一样的，只是在不同的时间尺度上的具体方法手段有所不同。

2. 美国电网调度运行的具体做法

在实际调控运行中，需要预测用电负荷的变化，综合考虑电力传输网络的物理传输限制约束，最终制定发电机组的出力计划。以一个国家整体来直接做调度计划不现实，规模过大，调度计划制定困难。在各个国家都是采用了分区控制的模式。美国整体上也分为了多个不同的控制区，如下图所示。

在美国存在多个ISO（independent system operator，独立系统运行商），在辖区内组织竞争发电市场和提供输电服务。如图中是PJM，MISO等都是不同的ISO。

在每个控制区内，通过市场化的方式，制定机组的开停机计划和出力水平，维持供需平衡，控制电网频率在允许范围内。区域间亦有联络线，联络线只是各控制区内调节供需平衡的补充手段。下图示意的即为美国PJM的区域偏差控制机制技术角度的示意图。具体的市场化角度实现方式在下面一节进行解释。

二、美国电力市场运行和出清机制

1. 美国电力市场的结构

美国的电能量市场分为日前和实时两个市场。

日前市场(day-ahead market)是在运行日的前一天制定次日的发电计划，包括负荷预测、机组开停机情况、发电机组出力计划、联络线计划等，通过日前发电计划的制定，增加运行的计划性，减轻实际运行日内的实时调度的压力。

实时市场(spot market)内，调度员只需要处理各种原因导致的发电和负荷的电量偏差部分。

在这里要对美国电力系统“实时”的概念进行说明，实际运行的调度计划，是按每5分钟一个时刻点（即每小时12个点），最终形成全天24小时的出力计划。实时调度指的就是当前计算出的下一个5分钟的时刻点对应的机组出力。

2. 市场出清

在这里解释下电力系统中市场出清的概念，经济学的定义如下：

市场出清是指在市场调节供给和需求的过程中市场机制能够自动地消除超额供给(供给大于需求)或超额需求(供给小于需求)市场在短期内自发地趋于供给等于需求的均衡状态。在给定的价格(P)之下，市场上的意愿供给等于意愿需求。

在美国电力市场中，发电机组是会根据出力对电能进行报价的，即机组不同出力水平下的电量对应不同的价格。电力市场中的出清，是在满足电网安全约束的前提下，考虑成本，按照价格由低到高依次调用发电机组的出力，直至满足供需平衡为止。而此时最后一个被调用的机组的报价（即成交的价格中最高的一个）作为所有中标机组出力的MCP（market cleaning price，市场出清价），这种定价形式称为统一边际成本定价。

整体上市场出清可以理解为确定各个时段实现供需平衡的电量和电价的过程。所以，题主提到的实时更新的电价就是市场出清的价格结果。

3. 美国电力实时市场组织流程及更新机制

在前面提到了美国有日前和实时两个市场。日前市场会制定一个整体的计划，而实时市场就是在运行的当天，对实际运行和日前计划的偏差部分进行实时调整。

在美国，实时市场一般指未来1小时以内的市场。在实时市场中，整体是按照如下流程计算最新电价，并进行更新（下图以PJM为例，各ISO可能会略有差别）。

实时市场投标：即发电机组对参与实时市场的空间进行报价，申报“电量-电价”曲线，作为各机组参与市场竞争，进行市场出清的依据，即为后续各步的基础数据依据。

RTC（real-time commitment，小时前瞻机组组合），每15分钟运行一次，计算未来两个半小时的机组发电计划调整建议。（这里仅是建议，不作为调度的最终结果）

RTC信息发布：公布电网最新的可用输电容量、电价等信息。

实时调度RTD（real-time dispatch）：当运行时段逐渐逼近实时，ISO每5分钟运行一次SCED（security constrained economic dispatch，安全约束经济调度）程序，做出实时调度决策，确定机组实时出力水平，为发电机组发送基点功率信号，计算能量、调频等价格，及实时调度计划安排。RTD除了计算未来5分钟的调度计划，还考虑未来的调度安排，但仅作为参考。其时序如下图所示。

实时市场信息发布：RTD计算结束后，发布未来5分钟的电能量价格和辅助服务价值。至此完成了实时电价的计算和向市场成员的公布，即实时更新电价。

三、技术支持系统

前面两节详细说了实时电价更新的理论机制，实际运行中需要具体的工作将理论实现，即技术支持系统，通俗地讲就是软件平台。整体的调度及市场出清过程包含多个专业、多个方向，是由多个不同系统和工具组成的全套技术支持平台。前两节中提及到的计算程序、信息公布等都是依托某个具体的技术工具实现的。

下图展示了PJM中的整体技术系统的构成，具体内容不再展开描述。美国各控制区的系统构成，甚至是不同国家的系统都大同小异。

整体来看，上网三个部分的逻辑关系是，调度运行是依托物理规律，为保证电网稳定运行而进行的实际调度和控制；市场机制是实现调度控制的运行方式和理论手段；技术支持系统是一切赖以实现的具体工具。

以上内容较多，描述过程中在部分细节进行了粗略化处理，如有问题，欢迎探讨交流。

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