（电力系统及其自动化专业论文）市场环境中的电能交易模型及算法研究.pdf

a b s t r a c t t h et h e o r ya n dm e t h o do f p o w e rm a r k e tt r a n s a c t i o na r ed e v e l o p e df r o mt h e o r y o ft r a d i t i o n a le c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dm a r k e t b a s e do nt h ep o w e r o r g a n i z a t i o n a lr e f o 加d u t yi n “e l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n ”c h i n ai ss p e e d i n gu pp o w e r m a r k e tc o n s t r u c t i o n ，a n dd i l i g e n t l yb u i l d i n gan a t i o n a lu n i f o r mo p e ne l e c t r i cp o w e r m a r k e t i nt h i st h e s i s t r a d i t i o n a le c o n o m i co p e r a t i o nm e t h o d sa n dt h ee x i s t i n gm a r k e t t r a n s a c t i o nt h e o r ya r er e v i e w e da n ds u m m a r i z e di nt h ei n t r o d u c t i o n t h e nb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c si no u rc o u n t r y , a n dt a k i n ge n e r g yt r a n s a c t i o na st h em a s t e rl i n e s e v e r a ls t u d i e si ne n e r g yt r a d ep l a nh a v ec o n d u c t e d ，a n dy i e l d st h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 an o v e ln o n - c o n s t r a i n e dt r a n s a c t i o nb i d d i n gm o d e io nd a y a h e a dp o w e rm a r k e ti s p r o p o s e d t h ep o w e rp l a n tp r o v i d e st h ee l e c t r i c a le n e r g yw i t ht h ed i f f e r e n tl o s s l e v e l si nt r a n s m i s s i o n ，w h i c hm a k e st h ei n j e c t i n gp o w e rd i s t i n c t t h ep r o p o s e d m o d e lu s e st h eu t i l i z a t i o nr a t ei nad a y - a h e a dt r a d ep l a n n i n g w h i c hn o to n l y o b t a i n sm o r ee q u i t a b l ea n de c o n o m i cm a r k e tc l e a r i n gr e s u l t s ，b u ta l s or e a c h e s f i n a n c i a le q u i l i b r i u m 2 n e wn e t w o r ks e c u r i t yc o n s t r a i n e dm u l t i e n e r g yt r a n s a c t i o nm o d e l sa r ep r o p o s e d i nd a ya h e a da n dr e a l - t i m et r a n s a c t i o nm a r k e t s t h ep r o p o s e dm o d e l sm a i n t a i nt h e m e r i t so fp r e s e n te n e r g yt r a n s a c t i o np l a n n i n ga n du s en e wm e t h o d st od e a lw i t h t h es t a t i ca n dd y n a m i cl i n ec o n s t r a i n t sw i t hv e r ys t r o n gu s a b i l i t y 3 b a s e do ns h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t s as e c u r i t ye c o n o m ya g cm o d e l i s d e v e l o p e d u t i l i z i n gt h el i n es e c u r ep r i n c i p l ei nt h ea g cs e r v i c e ，t h i sm o d e ls y n t h e s i z e s s e c u r i t ye c o n o m i cd i s p a t c h ( t h et h i r da d j u s t m e n t ) a n da u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r o i ( t h es e c o n da d j u s t m e n t ) i n t oa nu n i f i e dp r o c e s s t h eo p t i m i z e dc o n t r o l m o d e lr e d u c e st h eo c c u r r e n c eo fu n i te x c e s s i v e l ya d j u s t m e n ta n ds a v i n gt o t a l s e r v i c ec o s t 4 w i t ht h ee c o n o m i cp r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e r r u p t i b l el o a di nt h e c o n g e s t l o nm a n a g e m e n t ，at w o 。s t a g ee n e r g yt r a n s a c t i o nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t m o d e li sp r o p o s e d t h i sm o d e lf i r s t l ya c q u i r e sn o d ep r i c e su s i n gt h ee x i s t i n g e n e r g yt r a n s a c t i o nm e t h o d ，a n dt h e nt h ei n t e r r u p t i b l el o a d sa r ee v a l u a t e dw i t ht h e p r i c e t h i sc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tm o d e lh a se x p l i c i te c o n o m ya n dt h ep h y s i c s m e a n i n g sa n dr e a l i z e st h ep r i c e g u i d a n c et oa no p t i m i z a t i o nd i s p o s i t i o n 5 i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee f f e c t so fe c o n o m y ，s o c i e t ya n de n v i r o n m e n t ，an o v e l u n c e r t a i n t ym u l t i o b j e c t i v eg e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n gm o d e li se s t a b l i s h e db y u s i n gt h em e t h o do fp r o b a b i l i t ya n dp r o j e c tf u z z yr e c o g n i t i o nt h e o r y t h em e t h o d o fr e l a t i v em e m b e r s h i ps u p e r i o r i t yi sa p p l i e dt os o l v et h ep l a n n i n gm o d e l ，w h i c h o f f e ran e ww a yf o ru n c e r t a i nm u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，t r a n s a c t i o np l a n ，b i d i n gm o d e l ，a n c i l l a r ys e r v i c e ， a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，i n t e r r u p t i b l el o a d ，g e n e r a t i o ne x p a n s i o np l a n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期： a 舯7 年 石月堂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：z 屯 签字同期：加7 年彳月5 日 导师签名： 签字同期： ， 目 揪丫d 戈 年 忽场7 天津大学博士学位论文 1 1 论文的研究背景 1 1 1 今天的电力系统 第一章绪论 电能是一种优质的二次能源，有与其他能量之间转换方便，易于大量生产、 集中管理、远距离输送、便于自动控制等特点，使之成为当今世界能源发展的中 心，并被广泛应用于国民经济的各个领域。但是电能不便大量储存，作为统一、 不可分割的系统，它的生产、输送、消费需同步完成；电力系统需要维持电压、 频率的稳定，并保证在各种扰动下满足系统的安全稳定要求；同时电能供应的中 断或减少将给国民经济造成巨大损失。由于这些原因，长期以来电力产业被认为 是一个具有较强自然垄断性的基础性产业而受到政府的严格管制，早期的电力企 业基本上都采取发电、输电、配电一体化的垄断组织结构进行经营，这种垄断经 营有力的促进了大型发电企业和大型输电企业的发展。然而，随着社会经济的发 展和技术水平的提高，此类经营模式出现了很多不利于电力产业发展的问题，其 中最为普遍和突出的有：( 1 ) 企业缺乏活力，经济效率低下；( 2 ) 过于注重社会效 益，忽略了经济效益；( 3 ) 技术创新动力不足，对新技术反映不敏感；( 4 ) 企业自 我发展能力差；( 5 ) 没有改善服务的动力，服务质量问题严重等等。这些问题促 使电力产业的结构必须发生变化。 于是自上世纪九十年代，世界范围内电力系统开始朝着重构和解除管制的方 向发展，世界各地相继建立了许多电力市场，意在打破垄断，引入竞争，提高经 济效益。然而电力系统的市场化给整个电力工业带来发展机遇的同时，深刻的体 制变革也给电力系统运行和规划带来了巨大的挑战。在电力市场环境中，发电商 与电网公司成为公平买卖、进行电力交易的平等市场成员；电力及其服务成为商 品。这样，传统的基于粗放管理和行政手段等一系列规划、调度和控制方案，势 必无法适应充满竞争的市场环境，必须用全新的视角重新审视电力系统运行控制 及规划工作的各个环节，引入市场调节手段。 1 1 2 我国电力系统的特点及电力市场改革趋势 随着我国市场经济的高速发展，对电力的需求也在不断增加，但是传统的垄 断经营方式造成了电力工业的管理与运行效率不高的局面。就网损率而言，1 9 9 8 第一章绪论 年我国电网线损率为8 1 3 ，同时期美国电网线损率为6 1 3 ，日本电网线损率 为5 5 【1j ，与美、日等工业发达国家相比，我国电力行业输电环节的效率处于较 低水平。就火电厂标准煤耗而言，2 0 0 4 年我国火电厂标准煤耗为3 7 9 克千瓦时， 同时期美国火电厂标准煤耗为3 5 5 克千瓦时，日本火电厂标准煤耗为3 1 2 克 千瓦时【2 1 ，由此可见，我国电力行业的生产效率也依然落后于美、日等工业发达 国家。相应地，我国电力系统的安全可靠性和电能质量也都远低于工业发达国家 1 3 1 。这其中的原因，除了我国电网结构薄弱、设备技术较落后以外，电力系统体 制落后、运行管理水平不高成为阻碍电力系统快速发展的重要原因。 针对本国的技术和历史条件，顺应电力工业市场化改革的大趋势，我国提出 了电力体制改革的战略目标。1 9 9 7 年，电力行业“政企分开”，电力部撤消， 国家电力公司承接了原电力部下属的五大区域集团公司、七个省公司和华能、葛 洲坝两个直属集副们。1 9 9 8 年，国家电力公司提出实行厂网分开，建立发电侧电 力市场的实施方案，并以山东、上海、浙江、辽宁、吉林和黑龙江列为试点单位， 推进市场化进程，此间积累了丰富的实践经验，为进一步改革提供必要的准备1 5 】。 2 0 0 2 年3 月国务院5 号文件的发布，标志着我国电力市场化改革形成了指导性 纲领，明确中国电力体制改革的目标为：打破垄断，引入竞争，健全电价机制， 优化资源配置，促进电力发展，推进全国互联网，构建政府监督管制下的政企分 开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系1 6 j 。2 0 0 2 年1 2 月开始进行 电力系统电力企业的资产组合与划分，国家电力公司拆分为国家电力系统公司、 南方电力系统公司和五大发电集团公司，并且逐步成立了区域电力系统有限公 司。2 0 0 3 年3 月，国家电监会成立，开始履行电力市场监管者的职责，实现“政 监分开”【丌。2 0 0 3 年6 月， 电价改革方案下发。2 0 0 5 年2 月，电力监管 条例颁布1 8 】。2 0 0 6 年2 月，“十一五”电力体制改革任务确定，其主要任务： 一是抓紧处理厂网分开遗留问题，逐步推进电网企业主辅分离改革；二是加快电 力市场建设，着力构建符合国情的统一开放的电力市场体系，形成与市场经济相 适应的电价机制，实行有利于节能环保的电价政策；三是进一步转变政府职能， 坚持政企分开，健全电力市场监管体制一j 。 我国电力市场化改革正在蓬勃发展。在这样的大环境下，原有垄断机制下电 力行业形成的管理、经营体制和运营模式已不能适应新形势的需求。由于各种市 场因素的引入，使得电力系统运行的目标和约束条件都发生了的许多变化，需要 我们分析新形势下电力系统运行的特点，建立市场机制下的电能交易机制和相关 技术支持，并研究相应的算法。 天津大学博：1 ：学位论文 1 2 电力市场的研究现状 1 2 1 电力市场环境下的研究特点 电力市场是一个典型的跨学科的研究领域，是社会科学和自然科学的有机结 合体。从社会科学的角度研究电力市场，主要探讨电力市场改革所涉及到的法律、 经济、社会问题，研究和比较各国电力市场改革的历程、现状、异同，提出改革 方案、组织框架等等。从自然科学的角度研究电力市场，则主要以微观经济学为 基础，结合电力系统专业知识，分析电力市场中的企业行为、市场特性，解决在 建立电力市场过程出现的问题。 经济学是电力市场研究的理论基础。经济学本身是一门社会科学，但是，在 现代经济学中，数学得到了广泛的应用，使得经济学点染上浓厚的自然科学色彩 【l o 】。研究电力市场，需要用经济学家的眼光来重新审视电力工业中的方方面面。 例如，电厂不再仅仅是由一系列物理设备构成的“发电机节点”，同时也是一个 追求利润最大化的生产厂商：系统制订的发电计划同时也是一个具有法律效力的 经济合同。电力工业的市场化使得经济学前所未有地在电力系统中得到应用，经 济学中的基本概念和名词，如边际成本、需求弹性、社会福利最大化、消费者剩 余等等充斥于有关电力市场的研究论文之中，经济学研究常用的数学工具，如数 学规划、博弈论( g a m et h e o r y ) 等等也迅速成为电力市场研究的数学工具。p o w e r p o o l 模式所采用的“暗标拍卖”、“按统一市场出清价结算”等市场规程的基 本依据都源于微观经济学，期权、期货合同等商品方式也都在电力市场交易中进 行了实践。 另一方面，研究电力市场也离不开电力系统的专业知识。这是由于电力生产 和流通的特殊性所造成的。电力是一种无形的商品，电力的输送只遵循物理规律， 通常分辨不出用户所用的电力来源于哪个电厂。为了保证电力系统的安全稳定运 行和供需的实时平衡，要求在全系统范围内、在不同的时间刻度上对市场交易进 行协调。可以说，如果不能对电力系统的物理特点透彻了解，不理解潮流计算、 暂态稳定、自动发电控制，有功、无功等电力系统专业基本概念和名词，就难以 对电力市场展开实质性的研究。很多资深的专家学者早己指出，虽然电力系统组 织生产的方式变了，但决定系统运动的物理规律并没有改变，保证电力系统的安 全稳定运行仍是电力工业的核心问题i l 。 电力工业的全方位改革无疑是一项激动人心的事业，也是一个有重大理论和 社会价值的研究领域，理所当然地吸引了众多研究者的目光。近年来，关于电力 市场的学术论文、专著如雨后春笋般涌现，各种相关的研究报告、文献资料汗牛 3 第一章绪论 充栋。特别是在如今互联网的时代，信息的传播和交互极为迅速便捷，很多国外 的电力市场都以i n t e r n e t 作为市场信息的发布平台对外部公开。通过网络直接 了解到各国各地区电力市场改革的最新进展，运作情况和市场规程等等，也给电 力市场研究带来了很大的方便。 电力市场的出现给研究者提供了丰富的课题，例如“电能交易模型和算法 、 “输电服务定价 、“辅助服务( a n c i l l a r ys e r v i c e ) 定价 、“发电企业的竞 价策略 、“电价预测等全新的课题。另外，很多传统的电力系统研究方向由 于电力市场的出现而带来了新的特点，例如“电力市场下的电源规划”，“电力 市场下的负荷预测”等等。但是，众多的研究成果并没有构成严格、系统的所谓 “电力市场理论”。原因是多方面的，其一，世界上不存在市场规程、组织结构、 运作方法完全相同的电力市场，也不存在普遍适用的电力市场模式，而各国( 各 地区) 的研究人员通常都是以当地电力市场为原型，尝试解决各自所遇到的问题， 因此，电力市场研究往往就带有明显的地域特征，例如，英国学者的研究一般以 e n g l a n d w a l e sp o o l 为背景，而美国则由于其输配电网的所有权和控制权比 较分散，电力市场迫切要求网络开放( o p e na c c e s s ) ，因此对于输电服务的研究 较为深入1 1 1 l 。其二，电力市场具有社会科学的特点，很多问题不是用严格的数学 去推导证明，或者用新的算法去求解计算，而是寻求出某种“公平合理的，“易 于被各方接受的的解决方案，而“公平合理的”这些概念本身是模糊的，各有 各的标准，这使得电力市场研究呈现为百家争鸣，百花齐放的态势。其三，电力 市场的发展不是一蹴而就，而是分阶段分步骤试探的进行的，不同的发展历程会 有不同的情况出现，因此需要结合各国电力行业实际发展特点进行研究。 1 2 2 电力市场改革的主要工作 电力工业是国民经济中最重要的基础产业，电力市场改革的成败对国民经 济、人民生活影响巨大。改革成功，可以建立起电力工业长期稳定发展的良性运 行机制，优化社会资源的配置和利用，为全社会提供更加廉价的电力。改革如果 不成功，则可能干扰或严重影响整个国民经济的正常发展。从世界各国的经验看， 电力市场改革大多数能比较顺利而成功地进行，但也有失败的情况。例如，美国 加州电力市场改革在世界上有较大影响，加州电力市场模式曾被认为是一种先进 的电力市场模式，然而，电力市场改革后发电公司奇货可居，电力批发市场电价 居高不下，由于零售电价仍由政府管制，致使供电公司入不敷出，负债累累，无 奈之下加州议会在2 0 0 1 年2 月决定大幅度提高零售电价。虽然说这一局面的形 成是“冰冻三尺非一日之寒”，主要原因是由于该州多年来出于环保等因素的考 虑限制了州内新电厂的建设并最终导致供求关系严重失衡，但电力市场改革显然 天津大学博士学位论文 是其导火线，使原本存在的矛盾更加尖锐地暴露出来【1 3 。4 1 。因此，电力市场改革 应周密设计，谨慎从事，否则可能导致意想不到的后果。虽然加州发生的电力危 机为我们提供了很好的警示作用，却不应该成为否定电力市场化的借口。 对于电力市场改革的任务，由于组织和建设电力市场是一项庞大的系统工 程，不但需要立法部门、政府机构、电力企业等多方的协调合作，做细致的调查 研究，更需要进行严谨的理论分析和论证。归根结底，主要应做好两件事： ( 1 ) 培育市场主体 市场主体是市场存在的基础，电力市场中最基本的市场主体是发电企业和电 力用户【j o , l s l 。电力市场改革的首要任务就是将发电、输电、配售电单位分解为各 自独立的经济实体，改垂直管理关系为商业往来关系。在发电侧，组建独立经营 的发电企业，通常采用的方式是将发电企业股份化，股权社会化。在配售电侧， 改革初期可由地区配电公司代表电力用户购电，随着改革的深入，展开电力零售 领域的竞争。此时，大多数电力用户将拥有选择供电商的权利，电力零售公司或 电力经济人( b r o k e r ) 也将成为市场主体【l 7 1 。输电公司和配电公司则均不经营电 力，而只负责电网的运行调度，完成电力的输送。依照国外的经验，培育市场主 体的工作通常遵循这样的步骤来实现：立法先行，政府协调，由各方组成专门的 电力市场改革领导机构负责实施。在这方面我国已经做了大量的工作，市场主体 已经基本确立l d j 。 ( 2 ) 组织和协调市场交易 交易是市场主体之间的基本活动。组建电力市场，就是要为市场主体提供交 易的手段和机制。电力市场与电力垄断的根本区别就是组织生产的方式发生了变 化。在垄断模式下，电力工业以“制定计划下发执行”的方式来组织生产， 在电力市场条件，则是以市场交易的方式来组织生产。垄断模式下是集中决策， 强制执行，调度命令得到执行的约束力来自公司内部的行政管理所规定的权利， 不是市场机制；而市场模式下是分散决策，自愿执行，维持他们之间的主要关系 就是以利益为纽带的自觉自愿的协作。但是由于电力生产有其自身特点，即生产 与消费必须保持实时平衡，同时，分散决策形成的生产计划不应危及电力系统运 行的安全与稳定，致使电力市场不同于其他商品市场。无论是联营体模式还是双 边交易模式，或者是二者的混合模式，都需要特殊的机制来组织和协调市场交易， 而这些正是我国电力市场进程中关注和研究的热点，也是本论文研究的着眼点。 综上所述，电力市场改革的主要工作基本可以概括为一句话1 16 j ：培育市场主 体，建立市场运营和监督机制，在实践中逐步健全和发展。 第一章绪论 电力市场的基本任务 电力市场环境下必须完成的基本任务总结见表1 - 1 。这些任务几乎可以与目 前电力系统的运行相对应，其中针对负荷预测进行的发电交易计划( 任务1 ) 是 电力系统运行所必须的，原因非常简单，如果没有针对负荷预测的发电交易计划 的预先安排，很难在非常快速的电力系统运行中保证及时的平衡：而预测负荷与 实际负荷存在差异是不可避免的，因而需要实时进行调整，以达到及时的平衡( 任 务3 ) 。由于已经进行了预测负荷的平衡，所以相对于差异的平衡数量比较小， 才有可能完成( 任务4 ) 。对输电网络约束的考虑( 任务2 ) 则是电力系统安全运 行必须涉及的事情，它是保证电力安全稳定供应的保障。而网损的处理( 任务5 ) 、 有功的平衡( 任务6 ) 、发电计划的最优( 任务1 ) 以及备用( 任务7 ) 等问题 则是电力市场机制设计中需要特别关注的问题，体现安全性与经济性的相协调的 原则。值得注意的是，这些任务与垄断体制下电力系统的任务差别不大，但在传 统体制下这些任务的完成是通过公司内部的协调机制完成的，而在市场环境下， 这些任务是按照市场原则进行的。 表1 - 1 电力市场的基本任务 任务序号任务说明 任务1交易计划针对预测负荷，按照经济性目标，确定发电计划 任务2阻塞管理 考虑输电网的各种约束，特别是输电线路的输电容量限制 任务3实时市场实时平衡 面对实时变化的负荷需求，保证合适的调整发电机出力，达到及 任务4辅助服务 时平衡的目的 任务5合理处理和分摊网损 交易计划 任务6提供充裕的备用，以满足高可靠性的要求 任务7电源规划 保证系统中装机容量以及输电容量能够满足未来负荷变化的要求 1 2 4 市场环境中的电能交易 1 2 4 1 电能交易计划的周期 电力系统的交易计划就是根据各个电厂申报的机组数据，确定在未来一段时 6 天津大学博f 学位论文 间内承担系统负荷和备用的机组，以及各机组在不同时段的具体出力位置。发电 计划安排的机组的出力位置必须保证能够满足维持系统安全运行所必需的条件。 在电力市场运营的中，电能交易计划( 即发电计划) 是其核心，不同周期的发电 计划是联套在一起的。如图1 1 所示，电能交易计划的周期可分为超短期、短期、 中期和长期1 1 8 】。超短期指的是实时发电控制( a g c ) ，其动作用期是秒或分钟级； 短期计划指的是日或周的计划；中期指的是月至年的计划；长期计划指的是数年 至数十年的计划，包括电源发展规划和网络发展规划等。 图1 - 1 电能交易不同周期计划的关系 1 2 4 2 电能交易市场的分类与协调 针对上述不同周期的发电计划，电能交易市场通常分成中长期合约交易市 场、日前交易市场和实时平衡市场。其中日前交易市场和中长期合约交易市场可 统称为提前电力交易市场。日前交易市场和实时平衡市场之间加入辅助服务市 场，通过该市场的有偿服务形式保证系统安全稳定运行。随着电力市场的发展， 提前电力市场又可分为小时前市场、日前市场、周前市场或者更长时间的提前市 场 1 9 - 2 0 j 。图1 - 2 为各类市场主要功能和运作时间表。 7 第一章绪论 中长期合约市场 签订年( 月) 度 合同电量，初步 分配各机组在交 易期内的出力 日前市场 确定中长期合约在 交易口各时段出力 分配，竟价确定交 易日交易计划 辅助服务市场 确定辅助服务交 易计划 实时平衡市场 补偿日交易市场 制定的出力与实 际负荷之间的偏 差，恢复备用 图卜2 各类市场主要功能和运作时间表 ( 1 ) 中长期合约市场 中长期合约属于长期实物交货合同，它可以通过竞价产生，也可以双边签订， 这是整个电力市场运作的开始阶段。在这个阶段里，市场参与者互相签订某个时 期内电量交货合同。中长期合约市场可分为年度合约市场和月度合约市场。通常 年度合约和月度合约交易量占整个电力市场该时期内交易量的7 0 一8 0 左右，其 作用是保证电力市场有序、规避风险，以及稳定价格i l 9 1 。 ( 2 ) 日前市场 日前市场在每个交易目的前一天进行。交易中心首先安排中长期合约市场中 签订的电量合同在交易日各交易时段的出力安排，然后向各机组公布日前市场需 要进行竞价的总负荷和各机组合约市场分配的出力。各机组将自己所剩余的机组 容量通过电力联营体( p o w e rp 0 0 1 ) 或者双边合约的形式在日前市场中进行交易， 并通过竞争产生日前市场价格。 ( 3 ) 辅助服务市场 为了保证电力系统的安全稳定运行，完成输送电力的功能，必须要求发电公 司向电网提供各种辅助服务。通常主要包括：( a ) 有功频率控制( a g c ) ；( b ) 旋转备 用；( c ) 非旋转备用：( d ) 替代备用；( e ) 无功及电压支持：( f ) 恢复及黑启动。在 电力市场条件下，电网不能再无偿地要求发电公司或用户提供辅助服务。建立电 力市场辅助服务市场就是为了在市场条件下实现各种辅助服务的交易决策、管理 和定价。辅助服务市场通常在日前交易市场之后，实时平衡市场之前进行交易。 协调日前市场与实时市场之间的关系，对保证系统安全可靠运行非常关键。 在这两个市场之间，不仅考虑本级市场的经济性和安全性，还必须为下级市场预 留足够的调度控制空剐2 0 1 。在考虑主要的不确定性因素的基础上，日前交易计划 天津大学博， ：学位论文 与实时调度过程之间就能够自然衔接、平缓过渡、井然有序，从而提高经济效益 和社会效益。辅助服务市场将向日前市场和实时市场提供机组的调配范围、备用 范围。实时和日前市场将根据这一范围所规定的约束条例，进行预调度计划的优 化决策和实时计划的优化决策，换句话说，在决策预调度和实时购电计划时，应 优先保证辅助服务市场计划的实施。 ( 4 ) 实时平衡市场 受天气、电网故障等偶然因素的影响，日前市场制定的发电计划给出的电网 出力水平与在实际执行该计划时的负荷水平必然存在一定的偏差。a g c 机组会在 很短的时间首先响应这种偏差。为了周期性地恢复a g c 机组的基本工作位置点系 统各种备用将被调用，系统的备用水平下降，系统安全性受到影响。为了保证系 统的安全，交易中心必须每隔一段时间组织实时平衡市场增减系统出力，恢复系 统的备用水平。 1 2 4 3 电力市场中的电能交易内容 发电计划模块 负 水电系统发电计划 自 荷动 预发 测 3 电 数控 据制 火电系统发电计划 互 发 ?王： 联 电 系 r 统 由 交 报 易 数 有线 z 暂 决 据 功路 二 稳 策 安安 安 安 全全 全 全 校校 校 校 正 正 正 正 图1 - 3 电能交易管理系统组成图 9 第一章绪论 电力市场环境下的电能交易计划与传统的发电计划业务相比发生了质的改 变，其核心是产权关系的变动和管理模式的变化，调度运行部门一方面作为电力 经纪人出现，另一方面与各电厂之间是平等的市场成员关系，唯一的纽带是经济 手段，市场的公平性将成为首要的原则。而两者之间最明显的区别是结算规则的 变化，在传统的发电计划中，电厂的付费电价基于机组的成本核定，并且一机一 价、多年不变。在电力市场环境下，为了体现公平性和市场供需状况，各发电厂 上网电价都基于统一的系统边际电价。结算规则的引入导致各发电计划数学模型 中目标的变化。 在电力市场环境下，原来以电厂总成本为控制目标的发电计划已经转变成为 以系统( 电力交易中心) 总购电费用最小为目标的发电交易计划，电力交易中心要 根据机组上报的经济和技术数据和系统安全约束，按照市场规则所确定的优化目 标，通过优化模型计算决策交易以及各个交易时段发电机组的开停机顺序、出力 大小和市场交易价格。一个合理且全面的电能交易管理系统的组成应如图卜3 所 示。其中虚线黑框内的部分组成了电能交易计划模块，这是整个交易管理子系统 的核心。电能交易计划是在满足机组技术约束的情况下，制定购电成本最低的机 组的开停计划，在满足机组技术约束和电网安全约束的情况下制定购电成本最低 的购电计划 2 1 - 2 2 j 。 根据实际需要，在不同的应用场合下，合理地考虑相应的约束条件集合，从 而建立适当的电能交易计划模型。对于给出的交易计划，需要对该计划实际运行 的可行性进行分析，主要考虑在正常运行或某些特定的事故发生后，系统不至于 出现线路过载、发电机无功越限或母线电压越限等不安全情况；同时需要根据一 定的规则，给出辅助服务计划的方案。 1 3 本课题国内外研究的现状 1 3 1 市场环境下电能交易理论的发展 在电力市场环境下，传统的经济调度算法不能简单地应用到电力市场当中 去，这是因为，和电力市场环境下的交易算法相比，传统的经济调度算法没有考 虑市场的竞争性问题，没有充分利用市场的价格机制，这种差异主要有以下几个 方面：( 1 ) 在市场环境下，编制发电计划的目的是以购电成本最低或者是市场效 益最大，而不是以运行费用最低为目标：( 2 ) 为了获取最大利润，各发电公司的 报价是任意的，而不再像在经济调度模式下那样，发电机的煤耗曲线是固定的， 起机费用也大致相同，按发电成本排队的机组顺序在各时段内大致相同；( 3 ) 相 1 0 天津大学博士学位论文 应地，发电机组的技术参数在电力市场环境下也是不确定的。针对电力市场的实 际特点，从二十世纪八十年代以来，多种电能交易理论及大量的算法被提出，下 面对这些交易理论进行简单的总结。 早期的电力市场是以美国电力市场为代表，它由各电力公司之间的经济功率 交换发展而成的一种电力经纪人系统，当时对电能交易理论的研究也主要是针对 这种电力经纪人系统进行的1 23 。早期比较完善的电力经纪人系统是佛罗里达洲的 电力经济人系统，随着p o w e rp o o l 的发展，在纽约和新英格兰等地，集中形式的 电力经纪人系统被运用，这种中央管理形式的经纪人系统包括了中央经济调度、 机组的检修计划和机组的部分组合等内容【2 4 1 。电力经纪人系统的优点主要是：可 以节约各电力公司的发电成本，并且易于实施：另一个重要的优点是各电力公司 可以保持一定的自主性，决定机组组合问题。电力经纪人系统的目标是增加各电 力公司的发电成本节约，并且平等分配这些被节约的成本1 2 引。 高低匹配法( h i g hl o wm a t c h i n gm e t h o d ) 是最早在佛罗里达洲电力市场中被 采用的方、法【2 4 j ，这种方法的主要思想是，将买电价格最高的电力公司和卖电价格 最低的电力公司相匹配，完成一定的交易量。这种过程一直持续进行，直到下一 个电力公司的买电价格低于卖电价格时结束，若在这种匹配过程中有传输线路越 限，则转向进行下一个交易。文献【2 5 】和文献【2 6 】描述电力市场经纪人系统的运 行方法，对电力经纪人系统中的几种交易算法进行比较和研究，指出高低匹配法 的缺点，并提出了两种算法：网络流法和动态规划方法。网络流法的中心思想是， 首先建立一个网络流模型，然后沿着费用最小的路径，在满足线路约束的条件下， 每一次从源点到收点发送尽可能多的功率，直到所有的功率发送完为止。 动态规划算法1 2 驯在满足所有的负荷及各种约束的情况下，可以处理两种类型 的非线性，即报价曲线的非线性和网损函数的非线性，来寻找最小费用路径。如： 文献【2 7 】指出了以往以线性规划方法为基础的交易算法的缺点，并对这些缺点加 以改正，且考虑了网络的传输功率极限，建立了一个经纪人系统的线性规划数学 模型，以最大化节约为目标函数；文献 2 8 1 将蒙特卡洛法和线性规划算法相结合， 蒙特卡洛方法主要是解决负荷和发电水平的不确定性问题，确定了系统负荷之 后，运用线性规划法调度各参与者的出力。 上述的交易算法主要是针对美国的电力市场实际情况进行研究的，由于美国 的电力市场是自然发育模式，各电力公司所控制的实际区域一般来说较大，而电 力公司的数量相对来说较少，因此，交易计划中往往不包含机组组合问题，机组 组合问题是电力公司自己需要解决的问题：各电力公司的交易是在单一的点价格 基础上进行的，买、卖电量缺少灵活性和柔性。 随着电力市场的发展，为了减小电力交易的风险，在电力市场上出现了双边 第一章绪论 交易模式。在双边交易模式中，买电方通过综合考虑卖电方的价格、网损等因素 而向自己期望买电的电力公司投标，申报自己所期望购买的电量及价格；卖电方 只有当自己赢利时才考虑卖电。这时的市场监管机构根据电网的安全约束条件和 双方的价格确定交易双方的交易量和交易电价。文献【2 9 】在拍卖的条件下，提出 一个电力市场双边交易模型，此模型在拍卖条件下假设各卖电公司有一个保留电 价，只有当买电公司的报价超过这个保留电价时，卖电公司才考虑卖电，目标函 数是使所有交易的总交易额最大化，满足功率平衡和出力限值约束，以线性规划 算法解此问题。文献【3 0 】对上述数学模型进行改进，并用遗传算法和网络流算法 解上述问题。双边交易模式优化也是在单一的点价格基础上进行的，买、卖电量 同样缺少灵活性和柔性；此外，由于电力市场监管机构需要将各参与者的信息收 集起来，所要处理的信息量较大，在算法也上较难处理。 近年来，随着各国电力市场的普遍开展，对电能交易理论的研究也在深入地 进行，关于电能交易理论的研究被大量发表，有的已经运用到实际的电力市场当 中。这些算法有经典的数学优化方法，也有启发式方法；有的是对传统的机组组 合和经济调度算法加以改进，也有根据经济规律而提出来的新理论。 在新阶段的电能交易理论研究有如下特点：( 1 ) 主要是在联营体模式下进行 的，且以发电侧市场为主；( 2 ) 拍卖机制是电力市场的主要运行机制。电力市场 规则对交易算法的影响较大，电力市场的规则主要是针对参与者报价，规定了参 与者的报价内容以及报价形式，参与者的报价内容可以包括电力公司的买、卖电 价或者发电公司的发电成本电价、空载损耗电价和起机费用电价等内容；报价的 形式主要是规定了参与者的报价是单一的点报价还是多点报价，或者是采用申报 报价曲线参数的形式；电力市场结算周期也会明显影响交易算法的选择。所有的 这些都是电能交易理论研究的主要内容。 1 3 2 电能交易理论所涉及的几个问题 本论文以电力市场环境下的电能交易计划为主线，针对制定日前和实时交易 计划时涉及的安全、经济优化问题选择了几个重要的部分进行较为全面、深入的 研究，它们是电能交易计划中的网损问题、电网安全约束问题，以及辅助服务中 基于超短期负荷预测的安全经济a g c 问题和具有可中断负荷的阻塞管理问题。在 论文的第六章，还针对电力市场不确定条件下的中长期电源规划方法做了相应的 研究。 1 3 2 1 电能交易计划中的网损问题 网损向来是电力系统经济运行中的一个重要问题，虽然在电能交易过程中， 1 2 天津大学博f ：学位论文 输电网的损耗只占全部成本的很小一部分，但它对于提高输电定价有效性以及引 导输电用户合理利用输电资源具有重要作用，同时输电损耗分摊结果不仅直接影 响各输电责任主体的经济利益，更关系到电力市场的健康发展。在传统垂直垄断 的电力管理体制下，网损问题主要表现在两方面：一是采取措施减少网损：二是 进行计及网损的经济调度1 3 1 i 。而市场条件下如何进行统一精确的网损计算和公平 合理的分摊，成为电网用户普遍关注的问题。电力市场环境下，已见于文献的处 理网损方法大致有以下几类： ( 1 ) 平均网损分摊法【3 2 。3 引。它实际上是一种“邮票法”，是最早被电力联营 市场所采用的方法。西班牙、英格兰和威尔士电力市场采用的就是这种分摊方法。 例如英格兰电力市场采用全网统一定价，不考虑地区差别，将全网的网损及设备 投资的固定成本等输电成本平摊。该方法算法简单，不考虑输电网的结构、输电 线路的距离和输送功率的收发点位置，在全网范围内按相同的网损系数进行分配 【3 2 j 。同时此方法既直接又透明，可以通过事前计算、事后计算、实时计算或三者 之间组合来完全回收输电损耗成本。虽然有不少文献在这种分摊方法的基础上进 行了一些改进，例如在确定网损系数时，综合考虑电网中的电能质量【3 4 】、传输 阻塞【3 5 】等因素，但是平均网损分摊方法不能提供电网短期和长期经济运行的经 济学信号，缺乏强有力的电力市场的经济激励机制，而且由于不能避免用户间的 交叉补贴，还常常受到无法获益的用户的抱怨，所以这种方法正面临逐步淘汰的 命运。 ( 2 ) 边际网损系数法1 3 6 。3 9 1 。此类是一种灵敏度方法【3 6 1 ，即根据节点注入功 率的单位变化引起全网网损变化量的大小来对各节点上负荷或发电机进行网损 的分摊。显然，这种分摊方法能反映各节点造成全网网损的微增成本信息，从而 能够提供很好的经济信号，通过市场的手段促使潮流向网损减少的方向流动，达 到优化潮流、提高经济效益以及指导用户投资决策的目的。但该方法计算出所有 交易分摊网损之和与实际系统网损不等，不能完全回收输电损耗成本。美国加州 【3 8 1 、澳大利亚【3 9 】的电力市场均采用这种网损分摊方法，只是分摊方法的具体实 现却有所不同。此方法现阶段研究的热点是如何能使网损系数具有良好的经济引 导作用并达到财务平衡。 ( 3 ) 短- - 删心, 附- - ，巩个，厶 4 0 1 ，该方法是把输电网损并入输电成本中予以考虑，其 目标函数和输电定价策略中包含了输电损耗，而不单独考虑网损分摊问题。因而， 输电成本中，除了边际网损成本之外，还包括边际网络维护成本、网络供电质量 成本分量等【4 。新西兰f 4 2 1 和美国纽约【4 3 1 电力市场是该方法的典型代表。短期边 际成本法完全按照边际成本定价，使经济效益明显提高。在每时每刻和每个区域 ( 节点) ，市场参与者都能得到反映网损完全边际成本的正确信号。当然，这些 1 3 第一章绪论 经济信号只有在其他相关因素也同样明确且正确时，才会带来高效益的投