《电力市场概论》 课件 张利 第3、4章 电力商品市场、参与者的特性

第三章电能的市场交易前提：假定所有发电机与负荷都连接在同一母线上或者都连接在无穷大容量且无损的网络上，忽略输配电网带来的影响本章内容：电力商品具有特殊性电价理论基础。市场结构电能交易的方式竞价算法3.1引言1、电力供需瞬时平衡－－计划和调度的必要性不能完全交给市场2、电力系统的相互依存性－－辅助服务问题3、电力无法储存－－不平衡电量问题4、电流遵循物理定律－－输电阻塞管理问题3.2电力商品的特殊性一、电价概述1、电价制定原则第三十五条本法所称电价，是指电力生产企业的上网电价、电网间的互供电价、电网销售电价。电价实行统一政策，统一定价原则，分级管理。第三十六条制定电价，应当合理补偿成本，合理确定收益，依法计入税金，坚持公平负担，促进电力建设。第四十一条国家实行分类电价和分时电价。分类标准和分时办法由国务院确定。对同一电网内的同一电压等级、同一用电类别的用户，执行相同的电价标准。

3.3电价理论基础

2、电价分类

电能电价

从功能上备用电价

辅助服务电价

输电电价远期合同电价从时间上日前市场电价

实时电价

一部制电价

从结构上两部制电价

三部制电价3、我国上网电价政策的发展还本付息电价出台的背景源于1980年代中期的严重电力短缺。为调动社会各方面投资办电的积极性，1985年，国务院实行了多家办电和多渠道集资办电的政策，对集资兴建的电厂实行还本付息电价，允许新建成的电力项目按照还本付息需要核定电价。到20世纪90年代中后期，经营期电价政策取代了还本付息电价政策。主要是将按还本付息需要定价改为按社会平均先进成本定价，在一定程度上修正了还本付息电价缺乏激励机制、不利于提高电力投资效率的弊端。“厂网分开，竞价上网”后，标杆电价，两部制电价4、价格的功能市场经济是以市场机制作为配置资源的主要方式的经济。而市场机制的主力就是价格机制，换句话说，市场配置资源主要是通过价格的调节作用实现的。价格的职能是指价格本身内在所具有的功能和作用，主要有表价功能、调节功能、传递信息功能等。（1）表价功能：价格的这一职能是使价格尽量正确地反映商品内在的价值量，因而是价格最基本的一种职能；（2）调节社会经济活动职能：价格的这一职能，表明价格在社会再生产全过程中处于调节者的地位，即它可以调节经济单位的收入以及生产、流通和消费。（3）传递信息的职能：即价格作为一种信息载体能够反映、传递经济信息的一种功能。

电力工业的一大特点就是电能不能储存，这就要求供电方不管用户是否用电，都要随时准备足够的容量。这样，即使用户不用电，供电方也要做好供电的淮备，从而产生相应的成本，这部分成本只与系统容量有关。因此，可将供电成本分为容量（电力）成本和电量成本两部分，其中，容量成本只与系统容量有关，而电量成本与系统所发电能有关。供电企业的成本，其中有一部分只与用户数量有关而与系统的容量及发电量无关。这部分成本称为用户成本，包括营业设施的折旧、营业人员的工资福利、营业业务的办公费用、接户线及电度表的成本、负荷管理设备等等。如果将这部分费用从容量成本中分出来，就形成了三部制电价。二、电价制定方法(一)综合成本方法计算在未来给定的电价计算期内为了供电所需的全部成本，并将其分摊到各个用户。其计算步骤：

(1)作出系统在给定电价计算期内的电力发展规划及资金计划。

(2)成本核算：依据供电成本组成项目逐项进行成本核算，将各项求和，即得电力系统向用户供电的综合成本。

(3)将供电成本在用户中分摊。分摊的基本方法是平均分配。特点（1）方法直观、简便，易操作；（2）计算周期较长，相对稳定，有利于避免因投资高峰带来的电价波动；（3）只根据以往帐面计算折旧费，无法体现未来通货膨胀、能源和环境开支的增加等因素，有可能导致折旧费不足和企业资金状况恶化；（4）不能起到调节供需和提供信息的作用（二）边际成本方法

在电力系统发展规划和运行中，由于未来微增负荷的持续增长所产生的微增成本，称为边际成本。

根据经济学原理，在完全竞争市场中，单个企业根据边际成本等于边际收益的原则定价，可以使自身的利益最大化；整个商品市场根据边际成本等于边际收益的原则定价，则可以使社会总效益最大化。特点

(1)边际成本方法可获得最大社会效益。反映了供电的边际成本，因此，能给予用户正确的用电信号。

(2)边际成本电价往往造成收支不平衡（收>支），这是由于边际供电成本与平均供电成本有差异而造成的。

(3)短期边际成本电价受供需变动的影响较大，波动剧烈；

(4)长期边际成本电价由于计算周期较长，电价相对稳定，但某些与时间有关的宏观因素难以精确描述，定价模型的准确性难以把握3、实时电价

短期边际成本法能够较好地反映短时期内（1天，1h，0.5h）供电成本的变化情况。当测算的时间间隔越来越短，所计算出的短期边际成本又可称为实时电价。实时电价是随时间、地点和负荷水平的不同而发生变化的一种电价，它可以更真实地反映系统供电成本，并为供需双方提供价格信号。实时电价由在给定时段（0.5h或更短）向用户供电的边际成本确定。

目标函数：满足以下约束（1）电量平衡约束（2）发电功率约束。负荷功率和损耗功率之和应小于系统总的可用发电容量（3）线路功率约束。任一线路的潮流不能超过其极限值（4）基尔霍夫定律：电力潮流及损耗应满足电路定律因此，实时电价的组成为边际发电燃料成本边际发电维护成本发电质量成本发电收支平衡项边际网损成本边际网络维护成本网络供电质量成本网络收支平衡项…….一、远期合同及其分解电力远期合约是市场参与者为了回避价格风险，减少由于未来市场价格波动带来的利益损失，通过谈判等方式达成的一种协议。交易双方在远期合约中规定：在未来某一段时期按约定的价格购买或销售一定的电能。由于电力供需瞬时平衡的特点，合约电量的执行最终必须与现货市场衔接，并分解为机组实时发电计划的组成部分。远期合同与现货市场是互为补充和相互协调的。远期合同可以稳定电力商品的供求状况、稳定电价，有利于保障电力系统的安全稳定运行和电力市场的稳定运营；而现货交易可以增加市场的竞争度，更好地发挥市场的调节作用。3.4电能的市场交易二、日前市场1、双边交易（Bilateral）优能发电公司，有三台机组机组类型启动费用Pmin(MW)Pmax(MW)边际成本MC(￥/MWh）A大型火电高100500360B中型火电中等50200430C燃气机组无050600某交易日14:00到15:00时段的交易情况已有的合同：应卖出的电力总额：550MW类型合同日期交易性质交易量（MWh）价格（￥/MWh）长期合同1月10日卖出200375长期合同2月7日卖出250390期货3月3日卖出100450期货4月7日买入50435期货5月10日卖出50440市场运行情况：（1）日前市场开放后，电子公告牌的买卖信息公布如下：代号数量（MW）价格（￥/MWh）卖方B520610B425550B320500B210480B125460买方O130450O230445O320440O430420O550410发电公司的情况：机组B有150MW的富裕容量交易员的操作：与O1、O2、O3达成交易结果：A＝500MW，B＝130MW，C备用（2）发生意外情况后的调整意外：机组B由于故障只能工作到晚上，且发电量不能超过80MW交易员可能的选择：

1）等待系统调度员平衡，并按实时电价付费

2）启动备用机组C承担50MW3）在交易市场上购买替代电量此时市场的买卖信息情况如下：交易员的操作：与B8、B6、B3达成交易

结果：A＝500MW，B＝80MW

代号数量（MW）价格（￥/MWh）卖方B520610B425550B320500B620480B810460买方O430420O650410O5503902、集中交易某交易日9:00～10:00的某电力库交易情况公司数量（MWh）价（￥/MWh）卖电标甲200360.050390.050440.0乙150400.050420.0丙100375.050430.0买电标东城50375.0100465.0西城50350.0150450.0南城50340.0200480.03．两种交易方式的比较竞争性的电力库交易经常是建立在不同集团已有的合作基础之上的。它转向竞争性运作，革新的力度比创立一个全新模式要小，因此引发的问题较少。电力库模式方便一体化交易，不仅掌握所有物理上的电力商品交易，而且还对输电网络的运行承担责任。众多角色的合并，避免了部门的增多，但也难以区分出电力市场中需要的各种功能。双边交易更接近一般商品的交易方式，但双边交易中难以处理时间约束和网络安全约束。双边交易下需要建立阻塞管理和不平衡电量的新机制，市场规则过于复杂并可能缺乏效率。电力库模式提供降低发电计划风险的机制，因此有希望降低电能的成本。发电商在电力库模式下以复合标为基础参与交易，电力库的交易规则将保证发电商收回他投标中的开机费用和无负荷费用。而且，电力库运行的发电计划算法通常尽力避免不必要的停机。因为这些因素减少了发电商面对的风险，可以预期有较低的平均价格。然而，这种风险的减少是以交易规则的复杂化为代价的。复杂的规则降低了价格制定的透明度。双边交易中发电商以简单标为基础来出售电能，由于每一个市场时段单独运作，它可能在某些时段遭遇因生产的电能不够多而不能维持机组运行的风险。在这种情况下，它必须决定是承担一定的损失出售电能并维持机组运行还是将机组关闭并承担下次开机的启动费用。每一种选择都会增加这一机组生产电能的成本，迫使发电商提高他的平均投标价格。三、实时市场1．实时市场存在的必要性（1）发电商和用户都不可能按责任要求的和预测的那样发、用电。（2）电力系统的及时平衡要求实时市场必须是有组织的，不可能是双边的。（3）备用市场、平衡机制等都可能是实时市场的名称1、平衡资源的获取调整应通过自由买卖来完成，即应允许任一个参与者通过竞价的方式调整自己的生产与消费某一时段的平衡服务通常在该时段的开放市场关闸后，由市场参与者向系统运行员提供2、闭市设置闭市时间的目的是确定合同市场与实时市场的分界点，以便给系统运行员留出平衡系统的时间在关闸时刻，买卖双方签订的合同的合同量必须通知系统运行部门，以便确定每个市场参与者的不平衡电量2．实时市场的运行优能公司的例子，目前的状况优能公司在实时市场上的投标：

机组单元计划发电（MW）最小出力（MW）最大出力（MW）边际价格(￥/MWh)A500100500360B805080430C0050600市场交易的一般模型目标是使购电总费用最小满足约束（1）式中，是发电商i

的报价曲线

N

为发电商的总数为用户的总需求负荷3.5竞价的模型与算法其它约束条件：

（2）发电机最大最小出力约束（3）机组运行与停机最小持续时间约束（4）机组加减负荷速度约束

（5）系统旋转备用约束（6）机组旋转备用约束（7）电网安全约束算法： 排队法等报价法动态规划法线性规划法网络流规划法拉格朗日松弛法排队法也称优先级法使用条件是：报价必须是分段水平线机组1、2的报价曲线如表所示ikPik/MWPi/MWC0i/(￥/MWh)11234100505050100150200250340380 42046021234150505050150200250300380400420440特点排队法简单快速，既可用作简单标的竞价，也可用作复合标的竞价排队法只能用于单段或多端水平报价曲线，不能有下降段排队法实用上的技术难点在于很难满足发电机升降功率限值和启停时间限制。复合标竞价－－机组组合问题（UnitCommitment）

机组组合，是研究在一定的约束条件下，如何以最小的成本安排一定周期内的发电计划，以满足给定负荷和旋转备用要求，也称为短期发电计划。机组组合是电力系统经济运行的一项重要工作。电力系统经济运行研究的问题，在时间范畴看，按研究周期的长短可分为经济调度(分、秒）、机组组合（日、周）、检修计划（月、年）、电力规划（年以上）；在空间范畴内，它要解决延伸到广阔地域和包括多层次管理机构的联合电力系统的多级决策问题，比如机组组合中的水火电协调。机组组合问题的数学模型目标函数：

其中，

目标函数的变化：最小成本，最小购电费用，最大社会效益机组组合的求解方法1、优先级表法，即排队法采用满负荷平均成本法（full-loadaverageproductioncost）为指标2、动态规划法3、拉格朗日松弛法（LagrangianRelaxation）引入拉格朗日乘子构成拉格朗日函数底层问题为，上层问题为，底层问题的求解方法：动态规划法机组关机时，费用为0

机组开机时，由下式决定机组出力拉格朗日乘子的调整次梯度法可行解的构成对偶问题的最优解不一定是原问题的可行解对偶间隙（dualitygap）原问题和对偶问题的目标函数间的差值称为对偶间隙。原问题（primal）：

对偶问题（dual）：绝对对偶间隙相对对偶间隙

例题：三台机组，四个时段的机组组合问题四个时段的负荷水平分别为：

170MW，520MW，1100MW，330MWλ的初值取0，修正方法为：

λ＝λ＋c(PL-∑Pi

)c=0.01，如果PL>∑Pi

c=0.002，如果PL<∑Pi第二次迭代dual=14982,primal=40000,＝1.67λU1U2U3P1P2P3PL-∑PiP1EDP2EDP3ED1.70000001700005.200000052000011.001104002005000003.3000000330000λ1.75.211.03.3C(P)-λP327.5152.5-700.0247.5P3P3minP3minP3maxP3minU3=1U3=0

以动态规划法求解机组3底层问题的示意●●●●●●●●拉各朗日松弛法的特点：优点：计算量与机组数目成线性关系，克服了维数障碍，且机组数目越多，算法效果越好；方法十分灵活，可处理多种约束条件；算法中系统负荷约束相关的拉格朗日乘子即等于系统边际发电成本，有实际经济意义。缺点：由于目标函数的非凸性，存在对偶间隙，需要根据对偶问题的优化解采取一定的措施构造原问题的优化可行解；算法的迭代过程中有可能出现振荡或奇异现象。

3.6电能交易的结算电力库的结算方式比较一目了然。双边市场的结算较繁琐。仍以优能发电公司为例。假设：（1）因为出现了负荷不平衡，优能发电公司在实时市场上被以620￥/MWh的价格调用了50MW

（2）机组B故障加剧，被迫停机

（3）实时电价＝645￥/MWh市场交易名称数量（MWh）价格（￥/MWh）收/支期货和期权市场远期合同1200375.075000远期合同2250390.097500期货1100450.045000期货2－50435.0-21750期货350440.022000日前市场O130450.013500O230445.013350O320440.08800B3－20500.0-10000B6－20480.0-9600B8－10460.0-4600实时市场UMB-150620.031000不平衡量－80645.0-51600总计550208600第四章电力市场供需参与者的特性分析在本章中，我们将就发电商、用户以及其它参与者如何采取措施在电力市场中获取最大化的利益进行详细探讨。

用户在电力市场中的积极作用完全竞争市场中，电厂如何进行发电量的优化决策不完全竞争市场中，发电商最大化利润的行为如何分析储存设施和其它混合参与者如何能从电力商品交易中获取利润第一节引言一、需求侧的特点1、缺乏弹性电费相对于大部分工业产品的总成本和家庭生活开销而言，支出只占很小比例。然而，对生产和生活而言，电力是不可或缺的，因此，人们一般不可能为节省电费而放弃用电。电从100多年前开始商业化生产时起，就被标记为是方便易得的商品。这种便利性已经根深蒂固，也就是说人们没有在用电前进行成本核算的习惯。

第二节需求侧与需求响应2、其弹性更多表现为互弹性互弹性描述负荷在时段间的转移情况。由于电力对工业生产和人们生活的不可或缺性，当电力商品价格上涨时，电力用户往往不是简单地减少消费需求，而是可能决定将需求转移到电力商品价格降低的时候。例如，如果预期在夜班时间电力商品价格会下降，生产者可能将生产推迟到夜间再进行。同样，居民用户会将洗涤、烘干、加热等高耗能电器的开启时间定在价格低的时间里进行。二、需求弹性对市场的作用1、一般市场的均衡2、电力市场的供需均衡电力需求缺乏弹性，当需求D1不是很高时，市场在B点达到均衡当需求D2较高时，此时发电机已接近容量极限，发电成本很高，供给弹性很大，市场必须在很高的价格上均衡，即C点一旦需求D2>系统的最大装机容量Gmax，则市场就根本无法均衡了3、电力市场的价格限制为避免供需无法均衡而导致系统崩溃，许多电力市场中设置了价格上限。由价格上限确定的供电量为Q1，即E点所示。此时，用户实际需电量为Q2

，其中的差额只能通过限电或停电措施来解决，市场在人工干预下达到暂时的均衡。如果此时需求是有弹性的，用户在电价升高后主动减少需求，需求曲线将变为曲线，则市场可在供需双方作用下在E点达到稳定的均衡。需求侧对市场的重要作用那些认为产品物非所值而拒绝购买的用户（减少的需求）起到了限制价格的作用。因此，用户即使不进行实际购买，而只是拒绝购买物非所值的产品，其实际效果也仍是一种“市场参与”行为。三、需求侧管理与需求侧响应

电力需求侧管理是通过采取法律、经济、技术、管理与引导等多种有效措施，以电力公司为主体，引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率，从而优化资源配置，改善和保护环境。有预测表明(05年），如果实施有效的电力需求侧管理，到2020年，我国可减少电力装机1亿千瓦左右，超过5个三峡工程的装机容量，同时还可以节约8000-10000亿元的电力投资。到2019年，如果所有美国电力用户都采用动态电价和高级计量装置技术，需求响应资源可以达到188GW（约20%系统高峰负荷）。

法律措施：法律措施是电力需求响应健康发展的保障。从世界范围来看，电力需求响应开展较好的国家都有严格的法律法规，如美国先后出台《国家能源政策法》及《公共事业管理政策法》等法律法规，并制定了大量强制性能效标准，对电力公司与电力用户均提出了很多明确、具体的法律要求，为电力需求响应的开展提供了强有力的保障。我国近年也出台了一些规定，如“加强电力需求侧管理工作的指导意见”等，推动了电力需求响应的发展。需求侧管理的实施措施经济措施：经济措施是电力需求响应最主要的激励手段。最常用的是通过实施峰谷分时电价、季节性电价、可中断电价以及需求投标等，引导用户尽可能在低谷时段用电，合理避开高峰时段用电。此外，还可对用户购置节电设备给予贷款优惠、财政补贴等，吸引用户购买高能效的用电设备。技术措施：技术措施是指针对具体对象、生产工艺或生活用电特点，采用技术成熟的先进节电设备来提高终端用电效率，从而节约电量、削减高峰负荷。技术措施又可以分为提高能效与负荷管理两类。其中，绿色照明、高效电动机、变频调速、无功补偿、节能家电等属于能效技术；负荷管理系统、蓄能空调等属于负荷管理技术。管理措施：政府采取必要的管理措施，可以保证技术、经济措施的有效实施；尤其是当电力供需形势出现大的波动时，管理措施对平衡电力供需的作用更为突出。2002年以来，我国很多电力供需紧张的地方通过实施有序用电等管理措施，组织用户轮休、调整作业程序等，稳定了社会正常用电秩序，缓解了电力短缺。引导措施：通过知识普及、信息传播、技术示范、宣传培训等措施，大张旗鼓的宣传树立科学发展观的思路、节能和环保意识、电力需求响应的理念，倡导科学用电，提升电力需求侧管理在全社会的认知度，提高客户主动参与需求侧管理的积极性，使电力需求侧管理成为人人重视并参与的社会行动。需求响应是用户根据电价变化主动进行的需求侧管理，是在市场环境下发挥价格激励作用的一种需求侧管理措施。常用的措施分为两类：负荷响应：是指直接的负荷控制，是局部或部分负荷的减少以致完全停用。在市场条件下，电力部门在切除负荷时必须顾及用户的经济利益，取得用户同意后方可在任意时段、特定时段或特定情况下直接切除全部或部分负荷，同时用户得到电价优惠等经济补偿。价格响应：是指实时定价、动态定价、峰值定价、分时定价以及需求投标或回购计划等，是真正市场化的产物。它以价格为杠杆，引导消费者在紧急情况下减负荷，或将负荷从高峰时段转移到低谷时段，达到稳定系统及合理利用系统的目的。价格响应的最高境界是用户实施实时电价，但在现阶段，除部分大型商业和工业用户外，还不具备全面实行实时电价的条件。因此，分时电价等各种简化形式的价格响应措施得到应用。需求响应对电力市场的特殊意义：

提高市场效率。当用户可接收到价格信号并受到激励时，用电量就会和电价挂钩，这将改变用户的用电行为，使峰荷期间的用电量转移到低谷时，从而削弱实时市场的价格突变，实现电力系统的高效利用。

降低市场风险。配电垄断的打破将造就众多的电力零售商，他们可设计不同的需求响应价格套餐来引导用户的用电行为，规避实时市场的电价波动。需求响应具备风险管理工具的作用，这也是成熟的市场所必需的。更好地为用户服务。需求响应是电力市场提供给用户的用电选择权，用户可有机会藉此控制自己的电费账单。

减轻市场力的作用。如果需求响应能恰当地及时地发生在缺电地区，就会阻止由于供电不足或输电网约束所引发的市场力滥用。

从长远看，用户对需求响应的参与，将最终降低电力市场的价格，减轻电价波动，间接使所有用户得益。四、电力商品零售商作用：代表众多小用户参与批发市场经营之道：总体平均买价必须低于零售价才会有收益。零售商在价格多变的电力批发市场中购买电能，然后再以固定价格零售。买价高于零售价，零售商就会亏损；买价低于零售价，零售商就会获利。管理风险：做好负荷预测基本原则：利润最大化即，边际收益＝边际成本一、完全竞争1、基本调度第三节发电商例题：以燃烧煤的蒸汽机组为例，假设该机组出力为100MW≤P≤500MW

机组输入输出成本特性：

若则由可得：

分段线性化的成本特性曲线成本曲线上断点处边际成本等于下一段的斜率机组的三段分段线性成本曲线2、发电调度的制约因素1）机组的最大最小出力

，则

，则2）固定成本空载成本：如果机组保持并入电网但不提供电力，此时维持机组运行所需燃料的成本就是空载成本。启动成本：是将机组从停机状态启动直到运转至准备好发电所需的成本。为实现火电机组收益的最大化，启动成本必须在一段长时间内分摊补偿。如果不考虑发电机组的起动成本和在不同运行状态过渡过程中发电机组受到的约束，出力按时间段分别进行优化，最终的发电调度可能不是最优的，并且在技术上也可能是不可行的。这些机组的运行应该在一天至一星期或者更长时间内进行调度决策。这个问题和机组组合（unitcommitment）问题有些相似性。问题的实质是在满足约束的情况下补偿准固定成本和变动成本。3）动态约束对机组增加或者减少出力的速率设置的限制可能会妨碍机组在连续时间段实现经济上的最优化出力。为实现最小化这些限制带来的成本，必须至少在数个小时内对机组的运行进行优化。为限制频繁起动和停运对机组造成的损坏，通常会限定火电机组一旦起动必须与网络保持联系的最小时间。相同的，通常也会限定机组一旦停运必须保持关机的最小时间。这些约束减少了改变机组状态的机会，对机组的最优化调度有深刻影响。4）环境约束某种污染物在大气中释放速率受到限制，这样就要降低电厂的最大出力。限制一年内释放一种污染物的总量，对电厂的运行设置了复杂的综合约束。对水的利用可能受到约束。5）其他经济因素热电联产电厂的发电量通常受供热量的牵制，电能生产与提供辅助服务的相互影响二、生产或购买的决策电厂使用N台机组向给定负载D供电，力求使成本最小化

最优解存在的条件：

电厂要实现以最小成本发电，所有发电机组必须运行在同一边际成本，而且此边际成本应等于拉格朗日乘子值：假设该电厂可以参与电力现货市场交易，如果市场价格低于生产电能的影子价格，该电厂就应该在市场中购买电能并且减少自身发电量以满足：

例4.6

购买19.5MW三、不完全竞争发电商很可能具有市场力，要最大化电厂的利润，仅孤立的对自己的每台机组的出力进行最优化是不够的，必须考虑到其它电厂的行为