（电力系统及其自动化专业论文）基于合作博弈核仁解的输电固定费用分摊.pdf

基十台作博弈核仁解的输电固定费用分摊 a b s t r a c t i nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r e s e p a r a t e df r o mg e n e r a t i o n s y s t e m s a sar e s u l t t r a n s m i s s i o nf i x e dc o s t st h a ti si n v e s t e dt ob u i l dat r a n s m i s s i o n g r i ds h o u l db eu n d e r t a k e nb yg e n e r a t o r sa n d o ru s e r sc o n n e c t e dt ot h et r a n s m i s s i o n g r i d h o wt or e a s o n a b l yc o m p u t ea n da l l o c a t et r a n s m i s s i o nf i x e dc o s t sn o to n l yi st h e k e yo fh e a l t h yd e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t ，b u ta l s ob e c o m e so n eo ft h ei m p o r t a n t p r o b l e m st h a tm u s tb es o l v e di np o w e rm a r k e t t h e r ea r et w om a i na l l o c a t i o nm e t h o d sf o rt r a n s m i s s i o nf i x e dc o s t sa tp r e s e n t ： t h ee m b e d d e dc o s tm e t h o da n dt h em a r g i n a lc o s tm e t h o d t h ef o r m e rc a ng u a r a n t e et o m e e tt h eb a l a n c eo fa 1 1c o s t s i n c o m ea n de x p e n s e b u ti tc a nn o tp r o v i d ea n y e c o n o m i cs i g n a l sf o rt h eu s e r sa n dg e n e r a t o r ss ot h a ti tc a nn o ti n d u c tt om a k eo p t i m a l u t i l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o nf a c i l i t i e sa n dl o n g t e r md e v e l o p m e n to ft r a n s m i s s i o ng r i d ， w h i l et h el a t t e rw h o s eg o a li st h em a x i m i z eo fe c o n o m i c a lb e n e f i t so fs o c i e t yc a n m a k ea v a i l a b l eu s eo fr e s o u r c e so ft r a n s m i s s i o ng r i d ，b u tc a nn o tc o m p l e t e l yr e c o v e r a l lt h ef i x e dc o s t s t h et w om e t h o d sc o u l dn o tr a d i c a l l ys o l v et h ea l l o c a t i o np r o b l e m s o ft r a n s m i s s i o nf i x e dc o s t s t h i sp a p e rp r o p o s e st oc o m b i n et h ec o s t sa l l o c a t i o np r o b l e mw i t hg a m et h e o r y ， a n dt oa s s i g na l lt r a n s m i s s i o nf i x e dc o s t su s i n gam e t h o do fc o o p e r a t i v eg a m et h e o r y i nf a c eo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft w om e t h o d s i nt h ec o n c e p t so fc o o p e r a t i v eg a m e t h e o r y ：c o r e i so f t e ne m p t y ，s h a p l e l ye x i s t sc o a l i t i o nc o m b i n a t i o n s e x p l o s i o n ， n u c l e o l u sa sav e c t o ro fi m p u t a t i o nb a s e do nc o r eh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fu n i q u e ， w h i c hc a na l w a y sr e c e i v et h eo n l yv a l u eo fc o s ta l l o c a t i o nt h r o u g ht h en u c l e o l u s m e t h o di nd e s p i t eo ft h ec o m p l i c a t e dt r a n s m i s s i o nn e t t h ep a p e rr e g a r d st h ee x i s t i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e m sa sac o o p e r a t i v ei n v e s t m e n tt h a ti sf o r m e db ya l lt h eu s e r sb a s e d o nt h ei n v e s t m e n tb e n e f i t so fs c a l ei nt h et r a n s m i s s i o ng r i d ，r e g a r d st h ef i x e dc o s t a l l o c a t i o np r o b l e m so ft r a n s m i s s i o ns y s t e m sa st h ec o s t sa l l o c a t i o np r o b l e m so f c o o p e r a t i v eg a m et h e o r y ，a n dm a t h e m a t i c sm o d e l sa r es e t t e du pu s i n gt h en u c l e o l u s m e t h o da tt h es a m et i m e ，m o r e o v e rs i m u l a t i o n sa r em a d ew i t hai e e e14 b u ss y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o s t sa l l o c a t i o nm e t h o db a s e do nn u c l e o l u sp o s s e s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n i q u ea n df a i r n e s s ，a n dc a nm a k er e c o v e r yo fa l lc o s t s ，a n dc a n a l s op r o v i d ea v a i l a b l ee c o n o m i cs i g n a l sf o rt h eg r i du s e r sb yt h ec o m p a r i s o no ft h e v e c t o r so fp r o f i ti m p u t a t i o n 1 1 k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ；t r a n s m i s s i o np r i c i n g ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ；t r a n s m i s s i o n f i x e dc o s t s ；a l l o c a t i o n ；c o o p e r a t i v eg m n et h e o r y ；n u c l e o l u s i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：兽栗 导师签名：勿逻芳 日期：j 。彳年呼月2 7 日 日期：产年罗月孑日 第1 章绪论 输电系统开放将向发电市场和用户提供一个规范、公正的竞争环境，它使得 电力交易能够在公平、无歧视的条件下使用输电资源或设备。为了保证输电系统 开放正常有序的进行，如何制定输电定价系统就显得至关重要。 本章中首先介绍了本研究课题的学术背景，并通过对国内外输电定价系统、 国内外博弈论应用状况的简单概述，讲述了本课题的研究意义、本课题的来源， 最后对本文的主要工作进行了介绍。 1 1 本研究课题的学术背景 电力工业正在全世界范围内发生着显著的变化，世界上许多国家都在进行或 将要进行电力工业的改革，即放松管制，打破垄断，重组结构，建设竞争的市场 机制。电力工业改革的目标在于提高电力生产效率，使电价机制合理化，提供安 全、高质量的电力产品，促进电力工业的良性发展，以取得更好的经济效益和社 会效益。目前，智利、阿根廷、英国、美国、澳大利亚等国的电力市场改革已经 为其电力工业注入了新的活力，并激励了世界其他各国的电力市场化发展。 电力市场实质上就是电力的买方和卖方相互作用以决定其电价和电量的过 程。具体的讲是采用经济手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中 发电、输电、配电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。 电力市场建设的总体目标是引入竞争机制，优化资源配置、提供优质服务、促使 电价合理化、促进电力工业的可持续发展。 电力市场改革的一个最重要的方面是实行输电系统开放( t r a n s m i s s i o no p e n a c c e s s ) ，输电系统开放随之带来的就是输电系统的定价问题。电力市场建立以前， 电力系统的发电、输电、配电系统没有分开，输电系统的成本不需要向使用输电 线路的发电厂或用户单独收取，但实际上每个使用电能的用户电费中都包含了这 部分输电费用。电力市场建立以后，输电公司与发电公司分开核算，输电费用与 发电费用也要分开核算，而此时使用输电系统的成员将包含很多发电厂和用户， 它们通过一个错综复杂的电网联系，那么如何合理的计算与分摊输电费用就成为 电力市场一个亟待解决的问题。 输电定价系统包括输电费用的计算与分摊，其过程可以看作是在考虑了输电 公司的收支平衡和适当的盈利情况下，输电费用在使用输电线路的发电厂或用户 之间的分配问题。电力系统的输电费用一般由两部分构成：一部分是反映输电系 统的运行费用，也称为可变成本，主要包括电雒的损耗成本、阻塞成本与机会成 一= ：= ：兰兰塑些竺塑型丝些：；一! 一：。： 本；另一部分是反映输电线路的投资建设费用，又称为固定成本，包括修建输电 线路、购买设备的费用、运行管理和维护费、折旧费以及投资成本的回报率等“。 由于输电系统的固定成本在输电费用中占有很大比重，并且输电固定成本的分摊 方法同样适用于输电系统可变成本( 网损、阻塞费用) 的分摊，本文中仅以输电固 定成本为例，探讨费用的分摊方法。 输电费用具体的分配方式由电力法和电力市场运营的规约确定，在不同的场 合或为达到不同的运行目的，可以实行不同的定价模式，相应的，在不同的定价 模式下也可以采用不同的分配形式。如成本结算时需要满足输电系统投资费用的 完全回收问题，可以采用综合成本分摊法；若为了给用户和发电厂提供明确的系 统运行状态信息，促进网络资源良性发展，可以采用边际成本法。但无论采用哪 种方法都需要尽可能地保证输电公司的年收支平衡，能为用户和发电厂提供长期 或短期的经济信息，并对复杂的输电网和交易网具有可行性和透明性p j 。 国内外研究输电费用计算与分摊的方法很多，从总体上看，各种方法由于都 不能在兼顾完全回收输电成本和提供经济信号的同时，公平的将输电固定成本分 摊到各个使用输电网的发电厂或用户，故至今为止尚未对输电定价系统形成公认 的成熟理论，各国的做法相差甚远，理论与实践之间仍然存在较大差距。因此， 新的算法依然层出不穷，这就为本文的研究工作提供了依据。 1 2 国内外文献综述 现有的输电定价方法中，邮票法、合同路径法、兆瓦一公里法( m w - m i l e ) 、 逐线计算法、长期边际成本法和短期边际成本法是几种最常用也是最基本的方法。 f 尔铿在电力市场【4 】一书中用章节详细介绍了输电费用的计算原则，以及上述 锌种分摊方法的原理和计算步骤，并分析比较了它们的优缺点。它们都是最基础 的费用计算与分摊方法，虽然在世界各国得到了广泛地应用，但都存在着一定的 缺陷。因此，众多学者在此基础上进行不断改进。k o v a c s 在文献 5 】中基于系统潮 流提出了改进后的嵌入成本、长期微增成本、边际成本的分摊方法。j i u p i n g p a n ， j u a n z o l e z z i 等人在文献 6 - - 9 1 中从用户使用度的角度出发，对输电成本的分配方 法展开了一系列的讨论，并提出对m w - m i l e 方法进行改进，基于交流潮流模型计 算和分摊输电费用。文献【1 0 】针对电力系统即将出现的p o o l 模式和b i l a t e r a l 模式， 提出为了给电力市场的用户营造一个公平合理的输电系统开放环境，给出了p o o l 模式下计算和分摊输电固定成本的方法，并指出它同样适用于b i l a t e r a l 模式和存 在环流的系统。相应的，文献【1 1 】以文献 1 0 j 为基础，为了体现联营体成员成本回 报及利益分配的公平性，提出了需要对p o o l 模式下不同的输电交易进行适当的输 电运行成本分配，它采用了一种迭代多区域交流最优潮流的方法解决成本的分配 问题。文献0 2 给出了一种厂网分开后参加交易的输电公司输电成本计算和分配 一2 的新方法，该方法的目的是在保留边际价格经济信号的同时，综合考虑容量成本 和固定成本的回收。但是该文的介绍过于简单，其原理可行性还值得进一步研究。 文献 1 3 】将输电固定成本的回收问题看成输电容量投资的回报问题，介绍了输电 容量市场供需回报的思想及实现该思想下网嵌入边际成本输电定价的新方法。文 献1 1 4 提出基于交流潮流的灵敏度出发，分配每个参与者在线路容量上所引起的 微增潮流，它的优点在于不但考虑了输电线路上的无功潮流，而且比用直流潮流 得到的结果更加精确。文献【1 5 对输电转运四种嵌入成本的分摊方法进行了介绍 并指出各种方法所存在的问题，最后还介绍了t e x a s 使用的方法其实质是一种将 邮票法和m w - m i l e 相结合的方法。文献 1 6 】首先分析了输电网络成本的特点，并 在考虑输电阻塞和网损的基础提出了一种优化输电定价的方法，该方法建立在节 点电价发挥作用的有效机制，还有待于研究。文献【1 7 】从输电定价系统的一个分 支一辅助服务的获取与定价出发，介绍了国际上几个典型的电力市场辅助服务的 获取与定价方法，并阐明了备用容量和主能量交易一体化的思想及容量电价和电 量电价的原则。文献 1 8 】中基于有功潮流和无功潮流的耦合作用，提出以微分理 论为基础的计算方法，该方法将输电费用同时分配给发电机和用户，并计及了复 功率电源在支路中引起的复功率损耗和潮流分量，为有损网路的复功率追踪奠定 了理论基础。 电力市场的诞生为博弈论的应用提供了一个良好的舞台，电力系统与博弈论 的结合越来越紧密。一方面，各个电力市场的参与者要尽力运用博弈论使自己在 和他人竞争中取得利益最大化；另一方面，电力市场的监管组织要用它来预测判 断市场参与者“博弈”行为下，是否出现发电厂联合操纵市场，哄抬电价等不合 理的现象，以便监管组织能及时给予监督、阻止和惩罚。因此，一些学者对博弈 论在电力市场中的应用越来越感兴趣。吉兴全就博弈论在输电网投资分析问题中 作了大量的研究，在文献 1 9 2 2 】中基于不完全信息博弈理论，对输电设备投资 过程中纯策略n a s h 均衡不存在或多个n a s h 均衡同时存在的情况，如何引入混和 策略的概念，并分析了输电网投资的b a y e s 均衡与n a s h 均衡，给出了投资收益 不确定时各主体的均衡策略；在文献【2 3 】中又基于合作博弈理论，提出了一种结 合遗传算法求得输电网合作投资核子解的多主体合作投资费用的分摊方法。文献 f 2 4 基于非合作博弈理论将供电公司、发电商看作是电力市场中的鼹个参与者， 研究两者之间如何实现各自利益最大下的购售电策略。文献 2 s 】中讨论了拥有发 电机的供电公司应如何优化向系统中各i p p ( 独立发电公司) 购电的计划，并同时采 用了非合作博弈论中的n a s h 均衡和s t a c k l b e r g 策略进行分析。文献 2 6 - 2 9 中均以 非合作博弈为模型，针对发电厂竟标或发电公司与交易中心谈判的情况下，如何 实现各参与者的最优策略。最近，一些学者指出电力市场存在的初期，市场中的 参与者之间不仅存在着竞争，而且在电力系统未完全开放的情况下为了规避风险， 3 ： 一：= ： ：矍圭塞! 望塞堑篁竺篁塑丝皇垦星! ! ! ：坌堡 = ：一：一： ： 更多的是参与者间相互合作，提出运用合作博弈理论解决输电成本的分配问题。 y u k i t o k it s u k a m o t o 等人在文献 3 0 】中首次应用合作博奔解的概念分摊输电固定成 本，它指出此种方法以m w m i l e 法为基础，应用合作博弈解的概念去处理“事件” 的冲突。j a v i e r 和c o n t r e r a s 在文献 3 1 】中给出了一种面向输电线路扩张的核子计 算方法，它以多个参与者的合作性与一致性行为为前提，进行输电线路扩张成本 的分摊。也有些学者热衷于应用合作博弈理论中夏普利值( s h a p e l y ) 的概念解决输 电成本和阻塞成本的分摊 3 2 - 3 3 】，a u m a n nr j 等人在原始的夏普利值基础上加以 改进，提出了著名的a u m a n ns h a p e l y 的分摊方法【3 4 。5 l ；若在夏普利值的基础上进 一步考虑各个参与者加入联盟的顺序，引入时序权重因子的概念，就构成了o w e n 夏普利值的求解方法。j u a nm 等在文献【3 6 3 9 】中均谈到了如何应用合作博弈多 种解的概念分摊输电成本，它们的研究内容大体一致。文献 3 6 ，3 7 1 先简述了输 电系统合作的形成，然后基于用户的责任度泛泛地给出了用核心、核仁、夏普利 值求解的结果。文献 3 8 1 中从输电线路的使用模式是变化还是恒定的角度出发， 分析了两种模式下输电费用的分配结果，指出当输电线路的使用模式发生变化时 应用合作博弈解的概念分摊成本的好处。文献【3 9 】中分别给出了p o o l 模式和 b i l a t e r a l 模式下合作博弈论的应用，说明了当输电系统中选择的交易方式不一样 时，合作博弈求解的方式也不一样。文献 4 0 4 1 都是分析输电系统中转运成本 的分摊，通过对转运成本概念的介绍，描述了输电系统中转运业务合作可以实现 效益的最大化，从而说明用合作的概念分摊成本不失为一种比较好的方法。 1 3 本研究课题的来源 在电力工业中引入竞争，利用市场机制来实现电力系统资源的优化配置是电 力工业市场化改革的目标。由于输电系统具有典型的规模经济效应，它需要的投 入资金大，成本回收周期长，传统的输电线路由电力部门统一决策和投资修建， 通过对每个用户征收的电费中回收这部分输电固定成本和运行成本。在市场环境 下，发电系统与输电系统彻底分开，发电费用与输电费用需要分开核算，输电公 司能否采取合理的方式完全回收成本直接影响到输电网以后的安全可靠运行，以 及电网资源的良性发展。有资料表明，电力系统实旌私有化以来，输电系统线路 和设备的投资有趋缓的迹象【42 1 ，若导致输电容量的长期不足，则会引起电力市场 各方的不公平竞争甚至会危及到整个输电网系统的安全。新的市场模式下，传统 的理论和算法已难以胜任新的市场条件，由于输电系统和输电投资具有一定的特 殊性，虽然已经进行了大量的研究，但仍未得到很好的解决。因此，采用何种方 法合理的计算与分摊输电固定投资成本已经成为一个亟待解决的问题：一方面输 电公司必须建立激励机制，鼓励投资者参与投资修建输电系统；另一方面必须引 入新的理论和分析方法，合理的分摊输电固定费用以适应这种竞争格局。 4 1 4 本文主要研究内容 本文从输电系统开放的角度出发，主要研究了输电定价系统中的一个分支一 输电固定成本的分摊问题。输电固定成本即输电网的投资建设及维护成本，文中 将它的分配问题与经济学中的合作博弈论相结合，将已有的输电系统看成是电网 中所有用户基于投资的规模经济效益而形成的合作性投资，将输电固定成本的分 摊问题看成是合作博弈中的成本分配问题，再分析了如何应用其核仁解的概念将 成本分摊到使用电网的各个用户。主要工作概括如下： ( 1 ) 对已有的输电固定成本分摊方法进行总结和介绍，分析与比较现有方法的 优缺点及它们的实用性，指出现有多种分摊方法的最大缺点是不能在完全回收输 电成本和为用户提供经济信号之间两者兼顾。 f 2 ) 通过对合作博奔论的定义及其特征函数、分配向量的介绍，给出了合作博 弈论三种解f 核一i i , 、夏普利值、核仁) 的概念，并从定义出发对一个粮食市场博弈 问题分别用三种方法进行求解，指出合作博弈论解的方法同样能在电力系统的成 本分摊问题中得到广泛应用。 ( 3 ) 提出将输电系统中的每个用户看作是博弈论中的一个局中人，将已有的输 电系统看作是所有局中人联合起来进行的一种理智性合作投资，用p s a p a 潮流计 算程序求得不同联盟状态下的潮流从而求解整个输电系统的固定成本，并基于合 作博弈核仁解的方法对输电系统的固定成本分摊问题进行数学建模。 f 4 1 用m a t l a b 工具对一个i e e e l 4 节点的系统进行仿真验算，通过计算各个用 户不同联盟状态下的输电固定成本，从而用合作博弈核仁解的方法求得每个用户 在大联盟状态下各自应承担的输电固定费用。为了验证核仁解的合理性，文中还 将其与邮票法、夏普利值的结果进行比较，分析和说明本文方法的优缺点。经过 验证，表明该方法不仅能够完全回收投资建设输电系统的固定成本，而且能够通 过对每个用户成本超出矢量大小的比较，为电力系统中的用户或发电厂提供一定 的经济信号，易于理解和接受。 鲁 垂耋篁堡璧堑堡耋墼塑墼塞篁塞鍪堡丝篓 第2 章输电系统固定费用的分配 投资建设输电系统的费用确定阻后，如何将这些费用公平合理的分摊给参与 电力市场的各个成员，以形成面向市场成员的输电费用是关键。由于输电系统中 周定成本在总成本中所占的比例很大，且输电网的投建具有显著的规模经济特性， 合理分摊输电同定成本就可以引导现有输电设备的有效使用与输电网的长远发 展，并为未来电网的发展规划与负荷选址提供有利的经济信号。本章中就现有的 多种输电固定费用分摊方法进行了系统的介绍，并分析了它们的优缺点。 2 1 输电费用分摊的基本原则 在电力市场条件f ，分摊输电周定成本的方法很多，但无论采取哪种分摊方 法，它们都必须遵循以下几点原则： ( 1 ) 公平合理。坚持“谁使用谁付钱，用多少付多少”的原则。合理的将输电 费用分摊给使用电网的所有用户，在照顾到系统各方利益的同时，又要尽量避免 电力系统中的交叉补偿原则； ( 2 ) 计算简单。输电费用的计算与分摊方法必须简单易于计算，且计算量较小， 以适应电力系统实时应用的要求： ( 3 ) 过程透明。整个分摊过程都要对电力市场的所有成员透明，分摊方法要易 于理解，易于接受，易于操作，能够接受用户与发电厂的监督； ( 4 ) 收支平衡。从用户或发电厂处收取的总费用要能够完全补偿修建输电系统 的贷款，并能够留有一定的余额作为将来扩展线路的投资； ( 5 ) 经济信号。要能够提供长期或短期的经济信号给发电厂与用户，以有效引 导输电系统网络资源的优化使用。 22 输电固定费用的分配方法 输电同定成本的分摊方法是电力市场设计中个非常重要的方面。本文中将 输电固定费用的分摊方法划分为不基于实际潮流的方法、基于潮流的兆瓦公里 法、短期边际成本修正法、长期微增成本方法、长期边际成奉法、基于收益的方 法与基于博弈论的方法七种”3 ，4 “。 2 2 1 不基于实际潮流的方法 这类方法的共同特点是不考虑输电系统巾每条支路上的实际潮流和各个用户 对网络的影响，而采用一些简化方法来确定各用户对电网的使用程度，并以此为 对网络的影响，而采用一些简化方法来确定各用户对电删的使用程度，并以此为 6 一 基十合作博彝核仁斛的输电崩定费用分摊 第2 章输电系统固定费用的分配 投资建设输电系统的费用确定以后，如何将这些费用公平合理的分摊给参与 电力市场的各个成员，以形成面向市场成员的输电费用是关键。由于输电系统中 固定成本在总成本中所占的比例很大，且输电网的投建具有显著的规模经济特性， 合理分摊输电固定成本就可以引导现有输电设备的有效使用与输电网的长远发 展，并为未来电网的发展规划与负荷选址提供有利的经济信号。本章中就现有的 多种输电固定费用分摊方法进行了系统的介绍，并分析了它们的优缺点。 2 1 输电费用分摊的基本原则 在电力市场条件下，分摊输电固定成本的方法很多，但无论采取哪种分摊方 法，它们都必须遵循以下几点原则： ( 1 ) 公平合理。坚持“谁使用谁付钱，用多少付多少”的原则，合理的将输电 费用分摊给使用电网的所有用户，在照顾到系统各方利益的同时，又要尽量避免 电力系统中的交叉补偿原则； ( 2 ) 计算简单。输电费用的计算与分摊方法必须简单易于计算，且计算量较小， 以适应电力系统实时应用的要求； ( 3 ) 过程透明。整个分摊过程都要对电力市场的所有成员透明，分摊方法要易 于理解，易于接受，易于操作，能够接受用户与发电厂的监督； ( 4 ) 收支平衡。从用户或发电厂处收取的总费用要能够完全补偿修建输电系统 的贷款，并能够留有一定的余额作为将来扩展线路的投资； ( 5 ) 经济信号。要能够提供长期或短期的经济信号给发电厂与用户，以有效引 导输电系统网络资源的优化使用。 2 2 输电固定费用的分配方法 输电固定成本的分摊方法是电力市场设计中个非常重要的方面。本文中将 输电固定费用的分摊方法划分为不基于实际潮流的方法、基于潮流的兆瓦一公里 法、短期边际成本修正法、长期微增成本方法、长期边际成本法、基于收益的方 法与基于博弈论的方法七种 4 3 , 4 4 。 2 2 1 不基于实际潮流的方法 这类方法的共同特点是不考虑输电系统中每条支路上的实际潮流和各个用户 对网络的影响，而采用一些简化方法来确定备用户对电网的使用程度，并以此为 - 6 一 硕七学位论文 依据分摊成本。这一类方法可以包括邮票法、合同路径法、边界潮流法和兆瓦一 公里法。 邮票法是一种最简单、也是最早被用于输电系统的成本分摊方法。该方法仅 仅根据输送功率的大小按比例分摊成本，不考虑用户所在的节点位置与用户对电 网的实际影响。用邮票法分摊得到的结果较为粗糙，它没有考虑输电距离的远近， 也不能为用户或发电厂给出经济信号，但对于网络结构简单、输电距离不长的输 电网依然可以使用。 合同路径法中输电系统各业务的交易双方在合同中通过协商，确定交易量与 交易路径，并假定各交易的电能按照事先约定的路径进行输送，然后根据此路径 确定各交易应该承担的成本。但系统中实际潮流的流动与合同约定的路径往往有 很大的差别，电能不一定是在合同路径内流动。这是由于电能在电力系统中的流 动必须遵循物理规律，即使应用f a c t s 等先进的控制设备和技术，也只能有限地 控制电能的流动路径。因此，这种方法一般仅用于不同的电力公司间进行转运业 务时的简化计算，例如在电力市场改革的初期，美国一些电力公司之间输电费用 就采用这种方法计算的。 边界潮流法可以弥补合同路径法中没有考虑旁路潮流的缺点，适用于电力市 场中各个输电交易的成员按照双边合同送电时输电转运成本的计算与分摊。具体 实施办法是在每个交易的送端和受端之间定义一个“边界”，由送端到受端的所有 潮流都必须经过这个边界。连接边界的线路可以是一条，也可以是一个由几条输 电线路组成的输电走廊。为了求得该合同双边交易下的输电费用，就必须在一年 的最大负荷下计算有转运交易和无转运交易的两次潮流，于是得出一条或者一组 联络线上的净潮流变化值。用边界潮流法计算得到的输电费用是按照各成员最大 功率的比例原则分配给各用户，分配时并没有计及线路上实际流过的潮流对用户 的影响，也没有考虑距离的远近，缺点与邮票法和合同路径法相同。 兆瓦一公里法( m w - - m i l e ) 在邮票法的基础上弧考虑了输送功率的大小，又考 虑电能的输送距离( 发电厂与负荷之间的距离) ，用输电量与距离的乘积来评估各 个输电交易对电网的使用程度。这也是一种近似的方法，因为输电线路的走向、 类型等不同导致输电距离与实际成本之间并不存在固定的关系。 这类不基于实际潮流分摊方法的特点是都比较简单，计算方便，易于实现。 但由于它没有考虑到输电系统中实际的潮流状况和各个交易对输电网产生的影 响，这样分摊到用户的输电成本并没有准确反映它们对线路真实的利用程度，不 利于输电系统资源的有效利用。 2 2 2 基于潮流的兆瓦一公里法 这种方法在最初的兆瓦一公里法的基础上加以改进，考虑了用户对输电网的 - 7 基于台作博弈核仁解的输电固定费用分摊 使用程度。它与不基于实际潮流的兆瓦一公里法的主要区别在于，添加了输电系 统实际潮流运行的情况，即根据备用户对网络中每条支路的使用程度来分摊成本， 而前面介绍的方法则没有考虑用户对每条支路的影响。基于潮流的兆瓦一公里法 最早由d s h i r m o h a m m a d i 等人提出，分摊公式如下： c “以r 咆肼盏 亿) m 产q t ，。 ( 2 2 ) 式中：e 。是系统中总的需要分摊的输电固定成本；。是分摊给交易丁 的总成本；。是支路k 的长度；e 。是支路k 单位长度的容量成本；k 是输电系统 中的所有支路的集合；t 是所有交易的集合；w r 。是交易r 在支路k 上引起的有 功功率。 为了迸步完善兆瓦一公里法，许多学者基于这一思路提出了一些改进方法， 它们的共同点是都需要确定每个交易( 或用户) 对每条输电线路的使用程度，主要 区别体现在如何确定这个使用程度，也就是如何求取式( 2 2 ) 中。的值。具体的 说，求解。的方法又可分为基于直流潮流分布系数的方法( 包括三种：g s d f g e n e r a t i o n s h i f td i s t r i b u t i o nf a c t o r s 发电转移分布因子；g g d f g e n e r a l i z e d g e n e r a t i o n d i s t r i b u t i o nf a c t o r s 广义发电分布因子；g l d f g e n e r a l i z e dl o a d d i s t r i b u t i o nf a e t o r s 广义负荷分布因子1 、潮流跟踪法( 其核心为比例分摊原则) 、潮 流比较法( 包括边际比较法，微增比较法，综合比较法) 、基于电流的方法( 方法是 将母线上的功率注入转化为电流注入，然后确定各电流注入对支路潮流的影响) ， 基于灵敏度的方法等。 2 2 3 短期边际成本修正法 短期边际成本法( s r m c s h o r t - r u nm a r g i n a lc o s t ) 主要用于实时市场输电费用 的计算，是指每个输电交易对输电网运行成本产生的边际影响，它最大的特点是 能够为用户提供经济信息，但只能回收一部分输电固定成本和全部的输电可变成 本，也就是说通过短期边际成本法并不能完全回收所有的输电固定费用。为此， 短期边际成本修正法就是试图通过对其进行改进，采用修j 下的方法来达到完全回 收输电固定成本的目的。已经提出的两种主要的修正方法为基于乘法的方法和基 于加法的方法。 乘法形式： 户 。( f ) = ( 1 + m k o ) ) p i ( r ) ( 2 3 ) 加法形式： 一8 一 硕七学位论义 破，。( d 2 n ( ，) + 嘶( ，) ( 2 4 ) 式中：a ( t ) 是根据短期边际成本方法求得的用户k 在时刻t 应付的输电价格； p k ，( ，) 是乘法修正后的输电价格，m 。o ) 为乘法修正的修难系数；p 。( ，) 是加法修 正后相应的输电价格，口。( r ) 为加法修正的附加项。 可以用许多不同的方法确定修正系数研。( ) 和附加项口；( f ) ，最基本的要求是 修正后能保证输电公司的收支平衡。但是由于输电固定成本较大，而原本的短期 边际成本法回收的输电固定成本较小，相应的修正系数和附加项瓯( f ) 就比 较大，这样所得到的结果常常会覆盖短期边际成本方法所提供的经济信息。 2 2 4 长期微增成本方法 长期微增成本法( l r i c i o n g r u ni n c r e m e n t a lc o s t ) 主要用来分摊由每个转运 交易所引起的输电系统微增固定成本。长期微增成本法主要包括两类，即标准长 期微增成本法和长期全微增成本法。标准长期微增成本法用传统的输电系统规划 方法通过比较有、无转运业务两种情况下所需的网络投资成本，将其差值作为转 运交易所引起的固定成本。如果有多个转运交易，则需要将总的微增成本在各个 交易之间分摊。长期全微增成本法假设必须沿现有通道增加新的输电系统规划方 法，而不允许用输电系统的冗余容量从事转运业务，这样只是对需要增加的容量 进行估计。由于各个交易所需要的新增容量是单独考虑的，长期全微增成本法不 存在将新增容量成本在各个交易之间分摊的问题。 2 2 5 长期边际成本法 长期边际成本法( l r m c l o n g r u nm a r g i n a lc o s t ) 根据输电系统的长期边际成 本来分摊固定成本，适用于长期市场输电费用的计算。主要表现为确定每个节点 上每增加一个单位功率所引起的全系统输电成本的变化 4 5 , 4 6 】。它与长期微增成本 法不同，l r m c 表示的是一种边际成本，是用户输送电量增加一个无穷小的数值 时固定成本的变化。后者是一种增量成本，表示的是由整个转运交易所引起的成 本增加量。从对所有输电用户公平的角度看待，若不存在交易的先后之分，就不 存在长期微增成本的概念。 采用长期边际成本法计算输电费用时必须求解输电网络的规划问题，非常复 杂，实用中需要进行一些简化处理：输电线路的容量可以连续变化；只允许 在现有线路上增加容量，即不建设新的线路；只考虑系统峰荷的情况；所有 支路具有相同的类型和参数，其固定成本与容量及长度呈现线性关系；不考虑 _ 1 安全性要求。在这些假设条件下，l r m c 的计算就可以简化为求解输电系统 的兆瓦一公里对输送功率的灵敏度。现有的l r m c 方法主要有两种：基于交通模 型的方法和基于直流潮流的方法 基于交通模型的l r m c 方法，又称为输电系统中与投资成本相关的定价方法 9 一 ( i c r p i n v e s t m e n tc o s t - r e l a t e dp r i c i n g ) ，在英国电力市场中得到应用。这 种方法假设电力可以像普通的商品一样选择最短的路径进行输送，不考虑基尔霍 夫( k ir c h h o f f ) 电压定律的约束。它把全系统负荷按照发电机的注册容量所占的比 例分摊给各个发电机，在得到各个节点的l r m c 以后，再根据成本回收要求等因 素对价格做一些调整。该方法的数学模型如下： m i n v = f ，。兀 s t 厶= 只 ( 2 5 ) ? = 挪| o t c fj = c 九j ( 2 5 ) 式中：l f 是输电线路矿的长度；办是线路i j 上的输送功率；v 是系统总 的兆瓦一公里： 。是节点i 增加单位输送功率时v 的增加；c 是系统中增加单位 长度单位容量的输电成本常数：c l r m c 。是节点i 的长期边际成本。 基于直流潮流模型的l r m c 方法，与上述i c r p 方法的区别是系统中需要计 及基尔霍夫( k i r c h h o f f ) 定律的约束，其数学模型为： m i n v = ，6 ，巳 ( 2 6 ) s t b 口= p v i 九j = l a p t c l c j = c a ( 2 6 ) 式中：b 口是线路玎的电抗；只，是线路驴两端的电压相角差，其它的参数 均与式( 2 5 ) 中相同。 文献【2 】中用图示给出了英国电力市场用l r m c 法求出的分区电价，从这些分 区电价可以看出，离用户( 负荷) 中心越远，发电电价就越低，有时甚至为负值； 离用户中心越近，发电电价越高。从而给所有的用户和发电厂都提供了经济信号， 应尽量靠近负荷中心建造发电厂，而用电大户应远离负荷中心建造电厂。 2 2 6 基于收益的方法 这类方法不直接考虑电能交易对输电系统的影响，而是按照各个交易让用户 获得的利益大小来分摊成本。从整体上讲，用户使用输电系统的效益主要表现在 三个方面：发电厂发电成本的降低，缺电地区未能供电的负荷减少或消除，电能 质量和电网可靠性的提高。更具体的讲，负荷方的效益表现在未满足供电的需求 减少，电费支出的减少和电能质量的提高；发电方的效益则表现在发电量的增加， - i o 硕士学位论文 发电方成本降低，从而利润增加。文献【4 7 】中提出根据输电产生的效益导出用户 对输电的需求函数，进而以输电的总效益最大为目标函数来确定每条支路的输电 价格。 2 2 7 基于博弈论的方法 博弈论是最近几年新兴起的一种方法，它具有很好的经济背景，通常可以应 用合作博弈解的概念( 核心、夏普利值、核仁) 求解和分摊输电固定成本。与以往 的费用分摊方法相比，它不仅能够完全回收所有成本，能够为用户提供一定的经 济信号，并且能够有效应用于网损成本、阻塞成本、线路扩建成本的分摊，具有 一定的通用性与潜力。文献 3 7 4 1 就应用合作博弈论对输电费用的相关问题作了 初步的探讨。但是人们般应用博弈论的方法时，会面临两大难点：第一是建模 困难，即认为许多实际问题难以转化为博弈论严格要求的模型结构；第二是求解 过程比较复杂，特别是当电力系统中发电厂和用户数目众多时需要大量的计算。 2 3小结 由于研究的目标与市场结构的不同，研究者相应的提出了多种输电固定费用 分摊的模型和算法，它们都应当基本遵循上述提出的五点原则。本文中所介绍各 种费用分摊方法依然可以按照传统的惯例，将其分为基于会计学的综合成本法与 基于微观经济学的边际成本法。综合成本法首先计算出输电系统中提供输电服务 的总成本，然后采用不同的原则将其分摊到各个输电业务或用户。它主要解决输 电系统容量成本和运行成本的回收和分摊问题，其概念清楚、易于实现，能保证 电网收支平衡和合理的利润，但它通常没有包含经济学的信息，不利于价格经济 信号作用的实现。显然，文中不基于实际潮流的方法、基于潮流的兆瓦一公里法、 基于收益的方法与基于博弈论的方法都属于综合成本分配法。边际成本法按照节 点或线路每增加一输电业务所引起的输电费用增加分摊成本，它们都能够给予用 户正确的经济信号，但长期成本法依赖于对长期成本和负荷的预测，计算复杂， 短期成本法不能很好的解决平衡项的问题，并且它们都不能有效的回收输电固定 成本，故还存在一定的缺陷。短期边际成本修正法、长期微增成本方法、长期边 际成本法都属于边际成本分配法。各种分摊方法都万变不离其宗，都是希望可以 尽可能明确的描述输电系统中各电力用户对输电设备的使用程度。 第3 章合作博弈论及其各种解的概念 合作是指存在众多参与者的博弈问题中，一些参与者看到与他人联合的好处 便寻求与他人沟通的机会，寻找解决问题