第06章电力市场与输电网络

1、第六章第六章 电力市场与输电网络电力市场与输电网络 1引言引言 2经输电网络的分散交易经输电网络的分散交易 3经输电网络的集中交易经输电网络的集中交易 一、一、 引言引言 v输电网开放是电力市场的重要特征。输电网开放是电力市场的重要特征。 输电网开放就是输电网的所有者必须将输电网无歧视地输电网开放就是输电网的所有者必须将输电网无歧视地 开放给所有使用者。开放给所有使用者。 v面临的问题面临的问题 电力调度电力调度 v集中调度（集中调度（Pool Dispatch） v双边调度（双边调度（Bilateral Dispatch） v多边调度（多边调度（Multilateral Dispatch）

2、阻塞管理（阻塞管理（Congestion Management） 基本思路：建立竞争机制，利用价格手段进行电力交易基本思路：建立竞争机制，利用价格手段进行电力交易 量的增减，从而降低过载线路的潮流功率。量的增减，从而降低过载线路的潮流功率。 输电费用输电费用 v输电费用计算方法输电费用计算方法 v输电费用分摊方法输电费用分摊方法 v网损分摊方法网损分摊方法 可用传输能力（可用传输能力（Available Transfer Capacity，ATC ） 二、经输电网络的分散交易二、经输电网络的分散交易 v两份交易：两份交易：G1L1：300MW；G2L2：200MW v当当AB间的传输容量低于间

3、的传输容量低于500MW时，为保证交易的顺利时，为保证交易的顺利 实现，可购买物理输电权（实现，可购买物理输电权（physical transmission rights ） 输电权是对输电容量的一种权利，输电权是对输电容量的一种权利，PTR赋予其所有者在特赋予其所有者在特 定时间在给定输电支路上传输一定容量电力的权利。定时间在给定输电支路上传输一定容量电力的权利。 vPTR存在的问题：存在的问题： 1、并行路径问题：忽略电阻、无功功率、损耗、并行路径问题：忽略电阻、无功功率、损耗 传输路径由物理定律而不是市场参与者的意愿决定传输路径由物理定律而不是市场参与者的意愿决定 B A AB X FP

4、 XX A B AB X FP XX 示例示例 v设设BY：400MW， 其中其中I ：123：160MW， II：13：240MW， 但受线路容量限制，实际上但受线路容量限制，实际上 Pmax(0.5/0.2)*126=315MW v 再考虑再考虑DZ：200MW， 其中其中 321：80MW， 31：120MW， 于是，线路中的实际潮流为：于是，线路中的实际潮流为： 12：1608080MW，不越限。，不越限。 13：240120120MW 2、逆向流问题、逆向流问题 3、物理输电权与市场力、物理输电权与市场力 两节点例子中的两节点例子中的G3 三、经输电网络的集中交易三、经输电网络的集中

5、交易 v此时，系统运行员也起着市场运行员的作用此时，系统运行员也起着市场运行员的作用 v采用节点电价（采用节点电价（nodal price）或区域电价（）或区域电价（ zonal price） 1、两节点的例子、两节点的例子 两地区的供给函数分别为：两地区的供给函数分别为： B区：区：B100.01PB $/MWh， DB500MW S区：区： S130.02PS $/MWh， DS1500MW （1）不互联时的分析：）不互联时的分析： B区：区：PB500MW， B 15$/MWh S区：区：PS1500MW，S 43$/MWh （2）互联线路能传递）互联线路能传递1600MW 因为因为B区

6、电价低，负荷全部由区电价低，负荷全部由B承担，则承担，则 B区：区：PB2000MW， B 30$/MWh S区：区：PS0MW， S 13$/MWh （3）市场均衡的情况：）市场均衡的情况： 边际电价边际电价B S S 24.3$/MWh， 供电量供电量 PB1433MW，PS=567MW BS：933MW （4）线路受限情况：）线路受限情况： 线路传输能力线路传输能力400MW。结果：。结果： PB900MW， B 19$/MWh PS1100MW， S S 35$/MWh v小结：小结： 1.只要互联线路的输电容量低于自由交易所需的容量，两地只要互联线路的输电容量低于自由交易所需的容量，

7、两地 区间的差价就一定存在。区间的差价就一定存在。 2.由于维持系统安全而产生的约束使得输电网产生阻塞，将由于维持系统安全而产生的约束使得输电网产生阻塞，将 统一的市场分割为各自独立的市场，各地区负荷的增加将统一的市场分割为各自独立的市场，各地区负荷的增加将 必须由当地机组单独来承担。因此，各国的发电边际成本必须由当地机组单独来承担。因此，各国的发电边际成本 是不同的。是不同的。 3.如果各分离的电力市场依然是充分竞争的话，那么，其各如果各分离的电力市场依然是充分竞争的话，那么，其各 自的价格依然等于其边际成本。由于各边际成本因发电、自的价格依然等于其边际成本。由于各边际成本因发电、 用电地点

8、的不同而不同，可称之为实时价格。如果系统中用电地点的不同而不同，可称之为实时价格。如果系统中 每个节点都定义不同的电价，那么又称为节点价格。每个节点都定义不同的电价，那么又称为节点价格。 4.通常买进功率的地区的实时价格高，而卖出功率的则低。通常买进功率的地区的实时价格高，而卖出功率的则低。 （5）阻塞剩余）阻塞剩余 用户付费：用户付费： 发电商收益发电商收益 100.01() BBBBS MCDF 130.02() SSSBS MCDF TOTALBBSS EDD ()() TOTALBBSSBBBSSSBS RPPDFDF ()() () () TOTALTOTALSSBBSSBB SSS

9、BBB SBSBBS SBBS ERDDPP DPDP FF F v交易中心付给发电商：交易中心付给发电商： 9001911003555600 $ v交易中心收到用户电费：交易中心收到用户电费： 5001915003562000 $ v阻塞剩余：阻塞剩余： 62000556006400 $ 400（3519） 40016 阻塞价格：阻塞价格：351916 $/MWh 2、三节点系统、三节点系统 （1）网络无约束时，经济调度）网络无约束时，经济调度 PA125MW， PB 285MW。 网络中的潮流情况网络中的潮流情况: a. 由由KAL、KVL定律定律 b. 利用叠加原理利用叠加原理 首先，首

10、先，12的的60MW电力传输引起的潮流电力传输引起的潮流 其次，其次，13的的300MW电力传输引起的潮流电力传输引起的潮流 1213 360FF 1223 60FF 1323 300FF 122313 0.20.10.20FFF 潮流结果：潮流结果：12：156MW， 13：204MW， 23：96MW 购电费用：购电费用：1257.528562647.5$ （2）修正经济调度：）修正经济调度： 12越限，需进行调整。越限，需进行调整。 首先考虑增加母线首先考虑增加母线2的出力，即机组的出力，即机组C发电发电 设在设在bus2增加增加1MW，则，则bus1需减少需减少1MW，对潮流的，对潮流

11、的 影响为：影响为：12潮流的变化：减少潮流的变化：减少0.6MW 23潮流的变化：减少潮流的变化：减少0.4MW 要消除要消除30MW的越限，则的越限，则 PC30/0.650MW，PA 减到减到75MW， PB 仍为仍为285MW。 潮流结果：潮流结果： 12：126MW 23：116MW 13：184MW 购电费用：购电费用：757.5285650142972.5$ （3）考虑增加母线）考虑增加母线3的出力进行调整：的出力进行调整： PD =75 MW，PA 减减 到到50MW. 购电费用：购电费用：507.5285675102835$ （4）节点电价计算：在该节点以最经济的方式多供应）

12、节点电价计算：在该节点以最经济的方式多供应1MW 负荷所需的成本。负荷所需的成本。 bus1，17.5$/MWh bus3，由发电机，由发电机A供，会造成线路供，会造成线路12过流，所以由发电过流，所以由发电 机机D供，供， 3 10$/MWh bus2，由发电机，由发电机C供太贵，应由供太贵，应由bus1或或3的发电机供，同的发电机供，同 时，不能造成线路时，不能造成线路12过流，分析得：过流，分析得： P1P31MW 0.6P10.2P30 解得：解得：P10.5MW P31.5MW 所以，所以， 2 2 1.5100.57.511.25$/MWh v在一个没有输电约束的系统中，如果我们将

13、所有机组在一个没有输电约束的系统中，如果我们将所有机组 视为恒边际成本模型，那么除一台机组（边际机组）视为恒边际成本模型，那么除一台机组（边际机组） 之外的所有机组要么满负荷发电，要么不发电。边际之外的所有机组要么满负荷发电，要么不发电。边际 机组的边际成本决定了整个系统的电价。机组的边际成本决定了整个系统的电价。 v当输电限值约束了经济调度时，某些机组的出力受到当输电限值约束了经济调度时，某些机组的出力受到 限制，将介于上下限之间而成为边际机组。通常，系限制，将介于上下限之间而成为边际机组。通常，系 统中如果存在统中如果存在m个输电约束，那么就有个输电约束，那么就有m+1个边际机个边际机 组

14、。每一台边际机组都决定着它所在节点的边际价格组。每一台边际机组都决定着它所在节点的边际价格 。其余节点的边际价格是由所有边际机组的价格组合。其余节点的边际价格是由所有边际机组的价格组合 所决定的，这种组合又取决于约束网络中所决定的，这种组合又取决于约束网络中KVL的作用的作用 。 计算机求解的方法（计算机求解的方法（OPF） （i）三节点例子的表达）三节点例子的表达 1223 1213 2313 132312 121323 min 7.561014 . .60 50 300 0.20.10.2 01400285 090085 012602500130 ABDC C AB D AB CD PPP

15、P stPPP PPPP PPP PPP PP PP PPP 设设PB=285， PC=0，P12126 结果：结果：PA50， PD75， P2366， P13159 Cost2835 （ii）一般表达）一般表达 商业剩余商业剩余 （5）非直观的经济流 （6）严重的非直观经济价格 当支路2-3的容量降为65MW时情况 47.5 285 0 77.5 A B C D PMW PMW PMW PMW 13 1PP 13 0.40.80PP 1 3 2 1 PMW PMW 2 2 7.50 1 105.00$/MWh 1 7.50$/MWh 3 10.0$/MWh （7）节点价格与市场力）节点价格

16、与市场力 假设支路假设支路2-3而不是支路而不是支路1-2存在约束存在约束 v机组机组C叫价低于目前的节点边际价格叫价低于目前的节点边际价格5.00$/MWh，它决定，它决定 以以3.00$/MWh参与竞争参与竞争 节点节点2处提出一个较低的叫价，使节点处提出一个较低的叫价，使节点3处的电价从处的电价从 10.00$/MWh上升到上升到12.00$/MWh，并且其发电量从，并且其发电量从 77.5MW上升到上升到85MW 32.5 285 7.5 85 A B C D PMW PMW PMW PMW 312 212.0$/MWh 1 7.5$/MWh 2 3.0$/MWh v 机组机组D抬高其

17、价格到抬高其价格到20.0$/MWh 机组机组D抬高其叫价，除了使机组抬高其叫价，除了使机组C亏本外，还会增加自己亏本外，还会增加自己 的收益，即使是在出力减少的时候：的收益，即使是在出力减少的时候： 47.5 285 0.0 77.5 A B C D PMW PMW PMW PMW 1 3 7.5$/ 20.0$/ MWh MWh 213 22 7.5 1 20.05.0$/MWh 77.5 2085 10$700 D （8）小结）小结 v在没有边际机组的节点处，其节点价格与有边际在没有边际机组的节点处，其节点价格与有边际 机组的节点价格相比，可高可低，也可介于其中机组的节点价格相比，可高可

18、低，也可介于其中 ，甚至节点价格可以为负数！，甚至节点价格可以为负数！ v上述结果可能违反一般意义上的经济概念，但是上述结果可能违反一般意义上的经济概念，但是 它们在数学上是正确的。这些价格不仅受制于经它们在数学上是正确的。这些价格不仅受制于经 济还受制于济还受制于KVL。甚至在简单的三节点系统中，。甚至在简单的三节点系统中， 理解这些价格也是很费时费力的。对于实际的系理解这些价格也是很费时费力的。对于实际的系 统，这种分析会更加复杂。统，这种分析会更加复杂。 v非直观价格在很多实际系统中都已发现过。非直观价格在很多实际系统中都已发现过。 3、集中交易系统中传输风险的管理、集中交易系统中传输风

19、险的管理 v 需要什么样的新合约形式用于控制与输电阻塞相需要什么样的新合约形式用于控制与输电阻塞相 关的风险关的风险 v 讨论的结论可同样解释损耗引起的影响讨论的结论可同样解释损耗引起的影响 （1）新的合约形式）新的合约形式 回顾：集中交易市场中的参与者也允许进行双边合同交易，回顾：集中交易市场中的参与者也允许进行双边合同交易， 以规避节点电价变化带来的风险。以规避节点电价变化带来的风险。 v B和和S间无输电阻塞，间无输电阻塞，B的电厂与的电厂与S的钢铁厂签订差价合同：的钢铁厂签订差价合同： 400MW，30$/MWh。实时电价为。实时电价为24.30$/MWh，结算情况：结算情况： B的电

20、厂售电的电厂售电400MW，得到收益为，得到收益为40024.3=$9720 S的钢铁公司买进的钢铁公司买进400MW，支付，支付40024.3=$9720 钢铁公司支付钢铁公司支付400(30-24.30)=$2280给给B以解决差价合约。以解决差价合约。 B的电厂和的电厂和S的钢铁公司以的钢铁公司以30$/MWh的有效电价进行了的有效电价进行了 400MW的交易。的交易。 若节点价格比若节点价格比30$/MWh高高, B的电厂将支付的电厂将支付S的钢铁公司差价的钢铁公司差价 以解决合约。以解决合约。 v 若联络线传输功率限制为若联络线传输功率限制为400MW，则，则B的节点价格为的节点价格

21、为 19.00$/MWh,而而S的节点电价上升为的节点电价上升为35.00$/MWh，结算：，结算： B以以19.00$/MWh的价格售电的价格售电400MW， 实时市场得到收益为：实时市场得到收益为：40019=$7600 差价合同结算的收益为：差价合同结算的收益为：40030=$12000， 因此，按现货价格亏因此，按现货价格亏$4400，应该由应该由S的钢铁公司根据合的钢铁公司根据合 约来支付。约来支付。 S的钢铁公司以的钢铁公司以35.00$/MWh的价格购买的价格购买400MW， 实时市场应支付：实时市场应支付：40035=$14000 差价合同应支付：差价合同应支付：40030=$

22、12000。 因此，按现货价格多支出因此，按现货价格多支出$2000，S的钢铁公司期待的钢铁公司期待B的的 电厂按差价合约来承担。电厂按差价合约来承担。 v有阻塞时，差价合同不能正常进行有阻塞时，差价合同不能正常进行 （2）金融输电权）金融输电权 （Financial transmission rights） v差价合同中的总缺额为差价合同中的总缺额为: 440020006400 $/h v阻塞剩余阻塞剩余 400(3519)6400 $/h v推导阻塞存在时处理差价合约的解析表达推导阻塞存在时处理差价合约的解析表达 设：差价合约敲定价为设：差价合约敲定价为 , 合同量为合同量为 F C 按合

23、同按合同 钢铁公司支付钢铁公司支付 电厂得到收益电厂得到收益 按现货市场按现货市场 钢铁公司支付钢铁公司支付 电厂得到收益电厂得到收益 如果如果 钢铁公司希望得到补偿：钢铁公司希望得到补偿： 电厂希望得到补偿电厂希望得到补偿 CC FE CC FR SM FE BM FR SB )()( SCCSCMT FFFEEE )( BCCBCMT FFFRRR 如果如果 ，可见，可见 在在 时，时， 结论：达到最大传输能力时，阻塞剩余便表征结论：达到最大传输能力时，阻塞剩余便表征 两地市场按差价合约的补偿数量两地市场按差价合约的补偿数量 解决方法：金融输电权（解决方法：金融输电权（FTRs） BS T

24、T RE SB )( SBTT FRE v金融输电权：是指在网络的任意两节点之间，赋予持有者金融输电权：是指在网络的任意两节点之间，赋予持有者 的一种特权，该特权的收益为购买的传输量和两节点间价的一种特权，该特权的收益为购买的传输量和两节点间价 格差的乘积格差的乘积 v如果传输没有阻塞，节点如果传输没有阻塞，节点B和节点和节点S间就没有差价间就没有差价, FTRs 的持有者就得不到收益的持有者就得不到收益 vFTRs的持有者（发电者或用电者）对传输量的起点和终的持有者（发电者或用电者）对传输量的起点和终 点并不关心点并不关心 S的一个用户拥有的一个用户拥有F MWh的金融传输权，他可以的金融传

25、输权，他可以: 在在B以电价以电价 购买购买F MWh，使用它的传输权使其能够，使用它的传输权使其能够 “免费免费”到达到达S，此时有效地支付为，此时有效地支付为 ； 在在S以电价以电价 购买购买F MWh，需支付，需支付 ，但使用它的，但使用它的 传输权又可获得收益为传输权又可获得收益为 。 () FTRSB RF B F B S F S () SB F v（发电者与用电者）如何得到（发电者与用电者）如何得到FTRs 在每一市场周期内在每一市场周期内,系统运行员应该确定联络线系统运行员应该确定联络线 上所能传输的能力。这一能力的上所能传输的能力。这一能力的FTRs被拍卖给最高被拍卖给最高 价

26、的投标者。这种拍卖对所有参与者（发电、用电价的投标者。这种拍卖对所有参与者（发电、用电 ，以及寻求差价来盈利的投机者）开放，同时该权，以及寻求差价来盈利的投机者）开放，同时该权 利可以自由买卖。利可以自由买卖。 （3）点对点的金融输电权）点对点的金融输电权 v FTRs被定义为网络中从任一节点到任何其它节点间的输被定义为网络中从任一节点到任何其它节点间的输 电权，这两个节点间不一定有支路的直接连接。优点：不电权，这两个节点间不一定有支路的直接连接。优点：不 需对网络复杂性有充分的考虑，功率在网络中流通的路径需对网络复杂性有充分的考虑，功率在网络中流通的路径 并不重要。并不重要。 v三节点算例的

27、再讨论三节点算例的再讨论 假设节点假设节点3的一个用户与节点的一个用户与节点1的发电方签订了一个差价的发电方签订了一个差价 合约，该合约敲定价为合约，该合约敲定价为8.00$/MWh，传输电力为，传输电力为100MW ，这个合约的参考价格是节点，这个合约的参考价格是节点1 。用户同时也购买了节点。用户同时也购买了节点 1到节点到节点3的的100MW的的FTRs 。 节点节点1和节点和节点3的价格分别为的价格分别为7.50$/MWh和和10.00 $/MWh， 合约的结算：合约的结算： 用户从节点用户从节点3获取获取100MW，向市场运行员支付，向市场运行员支付 10010$1000； 发电方从

28、节点发电方从节点1注入注入100MW，向市场运行员收取，向市场运行员收取 1007.5$750 用户为履行差价合约向发电方支付用户为履行差价合约向发电方支付 100（8-7.5） $50； 用户拥有节点用户拥有节点1到到3 的的FTRs，向市场运行员收取，向市场运行员收取 100（10-7.5） $250； 上述完成后，用户共为上述完成后，用户共为100MW电力商品的使用支付电力商品的使用支付$800 ，其电价为，其电价为8$/MWh。 v市场运行员出售的市场运行员出售的FTRs不应超过网络的实际能力不应超过网络的实际能力 v线路2-3传输容量限制在65MW 节点节点2的用户签订的用户签订60

29、MW，价格为，价格为8.00$/MWh的差价合的差价合 约，其参考价格仍为节点约，其参考价格仍为节点1，同时购买从节点，同时购买从节点1到节点到节点2间间 60MW FTRs，结算：，结算： 用户从节点用户从节点2获取功率获取功率60MW，支付给市场运行员，支付给市场运行员 605$300； 发电方在节点发电方在节点1注入功率注入功率60MW，从市场运行员收取，从市场运行员收取 607.5$450； 按差价合约，用户支付给发电方按差价合约，用户支付给发电方 60（87.5） $30； 为结算为结算FTRs，用户支付给市场运行员，用户支付给市场运行员 60（7.55） $150； 上述完成后，用

30、户为使用上述完成后，用户为使用60MW电力商品需支付电力商品需支付$480， 相当于差价合约敲定的价格相当于差价合约敲定的价格8$/MWh。 v市场运行员获取的商业余额实际为市场运行员获取的商业余额实际为 (28547.5)7.577.510 507.560530010 $406.25 $412 差异产生是因为系统运行员实际执行不能按照差异产生是因为系统运行员实际执行不能按照 拍卖拍卖FTRs时预想的传输容量进行时预想的传输容量进行 FTRs不应看成是一种期权，而是一种在任何情不应看成是一种期权，而是一种在任何情 况下都要履行的责任。况下都要履行的责任。 （4）关口权（）关口权（Flowgat

31、e rights） FTRs也可以定义为网络中确定的一条支路或一个关口（也可以定义为网络中确定的一条支路或一个关口（ 断面）的输电权。这时的断面）的输电权。这时的FTRs被称为关口权（被称为关口权（Flowgate Rights，FGRs） （基于潮流的输电权）（基于潮流的输电权） v与一条支路或关口（断面）对应最大传输容量的拉格朗日与一条支路或关口（断面）对应最大传输容量的拉格朗日 乘子或其影子价格相联系乘子或其影子价格相联系 v三节点算例：节点三节点算例：节点3的一个用户从节点的一个用户从节点1的发电方购买的发电方购买 100MW功率，同时购买了功率，同时购买了100MW的的FGRs。相当于。相当于 支路支路1-3上上60MW 支路支路1-2上上40MW 支路支路2-3上上40MW 只有支路只有支路12运行在传输限制上，对应这一限制的拉格运行在传输限制上，对应这一限制的拉格 朗日乘子为朗日乘子为 其它不等式约束均不构成紧制约，其对应的拉格朗日乘子均其它不等式约束均不构成紧制约，其对应的拉格朗日乘子均 为为0。 因此，持有因此，持有FGRs的用户可以获取的用户可以获取 40MW6.25$/MWh$250。 这和用户购买这和用户购买100MW从节点从节点