电力管理论文：电力市场与规划模型探索

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本文作者：文旭颜伟王俊梅郭琳黄淼邱大强工作单位：重庆电网电力交易中心

区域节能市场交易模式的构建

区域节能市场交易模式构建的整体思路所建的区域节能市场与现有省内节能市场的不同之一在于其交易主体中含省级电网售电单位。由于省级电网售电单位其网内各机组在不同时段参与跨省售电时可能存在多种组合，其能耗水平具有一定的不确定性。由此，区域节能市场交易模式的建立将面临如下问题：1区域市场交易机构如何设计区域节能市场的交易流程，以满足省级电网跨省交易的能耗评估和节能需要。2在区域节能市场的交易中，各省级电网售电单位如何申报其能耗水平，以实现其省内省外能耗的分割。3区域市场交易机构如何确定跨省交易边际能耗水平限制值，以提高区域市场整体的经济与节能效益。4如何评估区域节能市场中省级电网跨省交易的能耗与节能效益。为此，本文重点对包含上述4个问题的区域节能市场交易模式展开研究。区域节能市场跨省交易的基本流程设计与省内节能市场将售电单位的能耗作为公开数据不同，本文将区域节能市场中各跨省售电省级电网申报的能耗水平在交易前作为保密数据可直接参与跨省交易的机组其能耗水平仍可作为公开数据)，采取交易后再公开其能耗水平的思路。通过市场竞争实现能耗水平的优化，同时降低能耗水平的全部公开引起各售电单位投机性报价的可能性。为此，重点以跨省售电省级电网为例，对区域节能市场跨省交易基本流程设计如下：1首先，各省级电网根据自身网内剩余的可竞价交易发电能力某些高能耗机组具有剩余发电能力，但无竞价交易资格)、预测的区域市场负荷需求以及跨省交易能耗水平准入条件，各自独立组织本省具有富裕发电能力的机组参与跨省售电；然后，统一以模式作为区域市场的一个售电单位申报跨省交易的电价、电量以及能耗水平信息。2区域市场交易机构得到各售电单位申报的上述交易信息后，确定最低的能耗水平约束值作为区域市场跨省交易能耗水平准入条件，以确定具有跨省交易资格的售电单位。3区域市场交易机构在已确定的具有跨省售电资格的售电单位中，结合各购电单位的申报电价、电量信息，按照区域市场交易规则以及安全校核[11]，确定交易成功的购售电方。4交易成功的购售电双方签订电能交易合同，评估计算出各交易合同中的能耗或节能效益，将售电方的能耗或节能效益折算到购电方。省级电网跨省售电能耗水平申报值的确定方法为实现省级电网跨省售电时省内省外能耗的合理分割和确定省级电网跨省售电的能耗水平，本文提出了各省级电网跨省售电时能耗考核“省内较省外优先满足”的思路。从区域市场的角度，各省级电网均是在满足自身负荷平衡之后，如果各统调机组还有富裕发电能力还需满足一定的跨省交易能耗水平准入条件)，才能采取省级电网模式跨省售电[10]具有直接参与跨省交易资格的统调机组除外)。可见，电能交易计划具有省内较省外“优先满足”的特点。从节能降耗的角度，各省级电网均优先安排水电等绿色能源发电，再按能耗水平由高到低排序确定火电等机组发电，以最大化提高本省的能耗水平与节能效益[4-5]。综上分析，考虑节能降耗与区域市场的结合，本文提出能耗考核省内较省外“优先满足”的思路：各省级电网跨省售电时，根据节能调度排序的思路对自身所有具有竞价交易资格部分高能耗机组只具有计划分配电量资格，而不具有竞价交易资格)的发电机组按能耗水平排序[5]，排在满足本省负荷需求之前的竞价机组就为各省省内交易计划的发电机组也就对应该省省内交易能耗水平考核对象)；而排在本网负荷需求以外的竞价机组就为该省级电网跨省售电电能来源，该部分机组对应跨省交易电量的平均能耗水平就为该省级电网参与跨省交易的能耗申报水平。由此，为提高跨省交易的能耗水平竞争优势，跨省售电省级电网会在预测区域市场能耗水平约束值基础上，在省内理性设定能耗水平，以限制部分具有竞价资格的高能耗机组参与跨省售电，从而实现跨省交易能耗水平的整体提高。跨省交易边际能耗水平约束值的确定方法为提高区域节能市场跨省交易经济效益和节能效益的综合效益，本文在对区域市场跨省交易边际能耗水平约束值的确定时，提出了采取跨省交易各售电单位申报的总容量充足率指标[13]bidsufficiency，BS)达到125%时的边际能耗水平，在此基础上再将能耗惩罚的模式应用到所建的区域节能市场模式。现有文献在对市场交易中的能耗水平约束值进行选取时，多采用在无约束的能耗总量一定时期)或能耗率的基础上降低一个百分点[3]、政府下达的能耗水平[3-5,8]作为选取标准。这些能耗水平约束值的选取获得了较好的节能效益，但没有兼顾市场竞争的需要。根据美国加州电力市场多年运行经验，当市场中各售电单位申报的BS大于125%时，可认为市场竞争比较充分，售电单位的市场投机行为概率较小[13]。为此，本文对申报参与区域节能市场交易的所有售电单位按照能耗水平由高到低排序，并依次统计总申报容量。为确保区域市场的安全运行，区域市场规定跨省交易电量与电力具有确定的函数关系[10]，当售电单位申报的是电量信息时可转化为相应时段的容量信息。当申报总容量累计达到跨省交易需求容量的125%时，其对应的售电单位就可确定为跨省交易边际售电单位。该单位对应的能耗水平就为跨省交易边际能耗水平约束值，低于该能耗水平的售电申报单位，则不具有售电资格。所提的区域节能市场能耗水平约束取BS为125%时边际售电单位能耗水平具有一定经济上的合理性，但同时也可能给低价高能耗售电单位也满足BS为125%时能耗水平要求)创造较大的竞价空间，有可能造成区域市场节能效益不明显。为此，本文将能耗惩罚节能模式[8]应用到所提的区域节能市场中。具体如下：在市场结算时，由区域市场交易机构向各售电单位全电量加收其超标能耗的外部成本，使跨省交易售电单位在参与市场交易时其报价中包含交易电量超标能耗的外部成本。由此，在满足区域节能市场能耗水平约束值基础之上，在售电侧形成有利于节能减排的竞争格局。该模式中超标能耗外部成本惩罚折价利用国际市场影子价格法[8]可表示如下：6ex,n,coalex,j10)kkcC1)式中：ex,n,kc表示跨省售电单位k超标能耗惩罚折价；表示当前时期人民币与美元汇率；coalC表示当前时期国际市场煤价；j表示区域市场社会基准供电煤耗率；ex,k表示跨省售电单位k申报能耗率省级电网跨省售电时该能耗水平值的确定见1.3节)。跨省交易节能效益评估指标的构建鉴于现有的省内节能市场一般忽略交易网损[3-8]，而跨省交易中网损较大[9]。由此，以电量结算在售电关口构建购电单位在跨省交易时的节能效益评估指标如下：oex,in,bex,ex,1[1)]NkkkkJW2)式中：Wex,k、ex,k分别表示跨省售电单位k交易电量以及其对应网损率；No表示跨省售电单位个数；in,b表示若跨省交易电量由购电单位在省内购电完成时的平均能耗水平；in,b可取购电单位省内可用容量边际能耗水平，当省内可用容量不充裕时可取区域市场边际能耗水平。

考虑跨省交易能耗评估的随机规划购电模型

建模思路在构建的区域节能市场模式下，由于跨省交易的能耗由购电单位承担，参与跨省购电的省级电网在该市场模式下如何实现经济和节能效益的最大化就成为关注的焦点。由此，重点以省级电网月度典型负荷状态峰、平、谷)参与区域节能市场购电时的单购电方情形建模。在构建的区域节能市场模式下，由于其交易管理机构对各售电单位收取了超标能耗惩罚折价此时网内机组也需考虑超标能耗惩罚折价)，各售电单位申报电价中自然包含了能耗水平的差异信息，且其超标能耗已折算到了内部成本的同一度量平台。由此，省级电网在参与区域市场交易的购电模型可理解为是经典的购电费用最小组合优化问题在区域节能市场中的延伸[14-15]。而模型还需重点考虑跨省交易电力电量函数关系约束以及跨省售电单位边际能耗水平约束。另外，现有节能市场模式下其购电模型均属确定性的节能模型[3-8]。而实际节能市场环境中市场电价、水电或风电)生产、负荷需求均具有一定随机性。对市场电价随机性带来的风险价值，鉴于半绝对离差semi-absolutedeviation)半方差风险向下的概念能够体现风险的本质[15]，可选用半绝对离差来度量购电组合的风险价值。对水电生产与负荷需求的随机性，如果要保证所有随机状态对应的交易方案都满足购电单位的负荷供需平衡,购电方案会过于保守，可采用含随机变量的机会约束来描述负荷供需函数关系。由此，模型可在含机会约束的随机规划理论框架下建模。不失一般性，为突出重点模型还作如下简化：1市场电价、负荷需求均服从正态分布，水电生产服从均匀分布[9,14]；2忽略网络安全问题与跨省交易输电费用；3年度购电计划在该月的分解计划已经完成，模型中不再单独表示。模型的建立1目标函数。在构建的区域节能市场环境下，省级电网的目标函数可为月购电费用尽可能小以及其面临的风险价值的期望尽可能小。具体如下：htoh,h,t,t,ex,,ex,111minNNNkkkkkkkkkcWcWcW3)h,h,,t,,t,t,11min)htNNkkmkmkkkkEcWccWoex,,ex,ex,1)NkmkkkccW4)式3)4)中：E[]表示期望算子；Wh,k,、Wh,k,m、h,kc分别表示省内水电机组k交易电量的期望值、随机值以及电价省内水电“以水定电”，且不参与市场竞价)；Wt,k、t,k,mc、t,kc分别表示省内火电机组k交易电量、电价随机值及其期望值；Wex,k、ex,k,mc、cex,k分别表示跨省售电单位k交易电量、电价随机值及其期望值；Nh、Nt分别表示电网内水电、火电机组的台数。上述变量中t,k,mc、t,kc、ex,k,mc、ex,,kc、h,kc、h,k,mW均为已知量，t,kW、ex,kW为待求的优化变量。2约束条件。跨省售电单位边际能耗水平准入条件约束为ex,in,maxoex,=12,,1kkkN,5)式中in,max表示购电单位预测的跨省售电单位边际能耗水平约束值。网内交易竞价机组也须满足该能耗水平约束。该式以电量结算在售电关口，其网损由购电方承担的情形确定。跨省售电单位电力电量函数关系约束为ex,ex,o,12,,kkWPTDk,N6)式中：Pex,k表示售电单位售电功率；T表示一天中各典型负荷状态对应小时数；D表示购电月实际天数。该约束是跨省交易区别于省内交易的约束。省内市场电力与电量是弱耦合关系，即无确定函数关系[11]。另，若跨省售电单位的调度权在购电电网，则该售电单位可视为省内售电单位不受该约束限制。购电单位负荷电量供需机会约束为horh,,t,ex,d,max1111{}tNNNkmkkkkkPWWWW7)ord,minh,,t,ex,2111{}htNNNkmkkkkkPWWWW8)式7)8)中：Pr{}表示事件集合中成立的概率；d,maxW、d,minW分别表示购电单位负荷电量的最大、最小值；1、2分别表示各机会约束对应的置信水平。其他约束包括：各跨省售电单位可购电力或电量约束、网内火电各机组可交易电力或电量上下限约束、功率平衡约束等。限于篇幅在此省略。模型的求解方法针对所建的含机会约束的随机规划模型，因很难将机会约束式7)8)转化为确定的等价类，故可采用内嵌蒙特卡洛随机模拟技术的遗传算法求解[16]。为满足实际交易中购电单位对风险偏好的要求，可先将各目标函数处理成同一数量级后，再根据购电单位对风险价值的偏好程度采用线性加权和法将其转化为单目标[17]。

算例分析及讨论

基础数据以2010年6月某省级电网在区域市场购电的基础数据为例，仿真验证所建区域市场节能模式以及购电模型的有效性。该电网月总预测需求电量为5.572TWh，标准差为0.0820TWh；峰、平、谷电量比为15:10:6；水电电量为0.700~0.728TWh均匀分布)；省内火电平均煤耗率为340.0g/kWh，边际煤耗率为348.0g/kWh，电价均值为0.432元/kWh不含超标能耗惩罚折价)，电价标准差为0.030元/kWh；区域市场售电单位包括A、B、C、D和E共5个。其中A、B为独立水电厂，C、D和E为以模式跨省售电的省级电网，各售电单位交易基础信息见表1。设定区域市场社会基准煤耗率为280.0g/kWh、国际市场煤价为200USD/t、人民币与美元汇率为6.80元/USD[8]。利用上述基础数据设计以下4种方案对该月峰、平、谷各典型状态下该省级电网参与区域市场交易的经济效益与节能效益进行评估，最后汇总月交易数据。风险价值权重取0.30[17]，各机会约束置信水平均取90%。表1跨省交易售电单位基础数据峰荷状态)Tab.1Basicdatumofelectricitysellingunitsintrans-provincialtransactionpeakloadstate)售电单位电价均值/元/kWh)电价标准差/元/kWh)能耗水平/g/kWh)可购最大电量/TWh网损率/%A0.31980.08000.0000.2002.22B0.29140.05670.0000.1081.98C0.42240.0960335.00.1042.05D0.40520.0791350.00.3001.92E0.39100.0700354.00.1001.81注：电价标准差借鉴文献[15]设定，其电价不含超标能耗折价。方案1：不考虑跨省交易边际能耗水平约束以及超标能耗惩罚折价，且不考虑市场电价、水电生产以及负荷需求的随机性。方案2：在方案1的基础上，采用文献[6]提出的能耗约束交易模式。能耗水平约束值取购电单位边际能耗水平。方案3：在方案1的基础上，采用所提的区域节能市场模式。能耗水平约束值取区域市场BS为125%时的边际能耗水平，同时考虑超标能耗惩罚折价方式。方案4：在方案3的基础上，进一步考虑市场电价、水电生产以及负荷需求的随机性，同时考虑机会约束。仿真结果分析3.2.1区域节能市场模式对购电决策的影响分析方案1—4仿真得到的售电单位组合以及对应的电量、煤耗峰荷状态)如表2所示。月总购电经济效益、节能效益如表3所示。在表2中，方案3较方案2多售电主体D，由此说明，在构建的区域节能市场中跨省交易边际能耗水平约束值取BS为125%时的能耗水平较采用购电单位边际能耗水平值[6]会使市场竞争更加充分。在售电单位C、D均具有跨省交易资格的方案1、3中，方案1按照传统内部成本报价时售电单位C申报电价较D高。采用了超标能耗惩罚折价的区域市场交易模式后，由于C的能耗率远低于D，使得C的报价反而较D低，从而使得方案3较方案1优先购买了C的电能。可见，在市场交易中考虑能耗惩罚具有引导低能耗率售电单位向更具交易优先权方向转化的作用。在表3中，方案3本文所提的能耗约束与能耗惩罚相结合的新方法)较方案1传统纯市场模式)多支出0.1295亿元，该费用可购0.9522万t煤，但实际多节能1.787万t煤。方案3较方案2[6]少节能表24种购电方案购电电量与能耗分配峰荷状态)Tab.2Energyandenergyconsumptiondistributionoffourschemespeakloadstate)方案售电单位电量/TWh煤耗/万t1A0.20000.0000B0.10800.0000C0.00000.0000D0.00000.0000E*0.10003.5681省内火电1.842364.5272A0.20000.0000B0.10800.0000C0.10403.4841D#——E#——省内火电1.838363.9723A0.20000.0000B0.10800.0000C0.10403.4841D0.16005.6012E#——省内火电1.678358.4054A0.20000.0000B0.10800.0000C0.09823.2897D0.13204.6201E#——省内火电1.712159.581注：标注“#”的售电单位表示其在对应方案中不具有跨省交易资格；标注“*”的售电单位表示其在对应方案中存在能耗倒流现象。表34种购电方案月度总经济效益、节能效益比较Tab.3Comparisonoffourschemesoneconomicbenefitandenergy-savingbenefitbymonth方案购电费用/亿元风险价值/亿元节能效益/万t121.9337—20.1066222.1962—22.4811322.0632—21.8936422.09101.609321.8816注：节能效益计算均取方案2中区域市场边际售电单位煤耗率350g/kWh)为基准[6]。0.5875万t煤，但少支出0.133亿元，该费用可购0.978万t煤。显然，方案3更兼顾了经济与节能效益的统筹社会福利最大。综上所述，在节能环境下对区域市场跨省交易的能耗进行评估和考核，能够更加有效促进资源在广域范围的优化配置。在市场交易中采用能耗约束与能耗惩罚相结合的新方法，能更好兼顾市场竞争以及能耗考核的双重需要。考虑跨省交易能耗评估的随机规划购电模型的有效性分析由表2可见，在构建的区域节能市场环境下，方案4本文所建省级电网随机规划购电模型)考虑了市场电价、水电生产以及负荷需求的随机性后，能够给出满足符合供需平衡置信水平要求的最小风险价值。虽然其节能与经济效益在一定程度上较方案3有所降低，但这真实反映了电力市场的随机性与风险价值的本质，符合购电单位购电决策的需要，其模型具有实际意义。另外，所建的省级电网购电模型中还考虑了实际跨省交易中电力电量具有确定函数关系的特点该函数关系区别于省内交易时电力电量的弱耦合关系特点)，从而使所建的购电模型能够适应区域节能市场跨省交易的能耗评估的实际需要。区域节能市场模式以及该模式下省级电网随机规划购电模型的普适性、实用性讨论鉴于单个算例并不能完全体现所建区域节能市场模式及该模式下省级电网随机规划购电模型的普适性以及实用性，为此讨论如下：1首先采用能耗约束模式BS为125%时的能耗水平)淘汰高能耗售电单位，然后再以超标能耗的惩罚折价体现低能耗率售电单位的交易优先权。上述两种节能模式的结合还进一步考虑了区域市场区别于省内交易的能耗评估与交易规则特点，故所建区域节能市场模式较省内节能市场模式更具普适性。2所提区域节能市场模式实现了与现有交易规则的有效衔接，具有较强的实用性。但在实际应用时还需进一步参考各市场的发展成熟度以及节能降耗工作的进展如高能耗机组淘汰进程)，以提高该方法的实用性。3在区域节能市场存在多个购售电方时，结合各购售电方交易电量的结算[10]以及售电方能耗水平的确定，可实现区域节能市场能耗以及节能效益的整体评估。4对跨省售电的省级电网而言，可利用所建的购电模型在考虑售电收益后，在一定能耗水平条件下购买省内机组的富裕电能参与跨省售电。此时，该省级电网类似中间交易商的角色，在获得经济效益的同时需承担由于区域市场电价、负荷等随机性带来的收益风险。5区域市场节能考核管理机构对跨省交易的节能效益进行控制时，采用式2)对区域市场的各交易方案的节能效益进行评估。利用评估结果可采用以下两种手段实现节能效益的控制：①在BS为125%的基础上调整区域市场跨省交易能耗水平约束值；②调整售电单位能耗惩罚折价[8]，实质是调整区域市场交易中经济效益与节能效益之间的权重。

在更广域的市场开展节能降耗工作具有重要的现实意义。本文考虑跨省交易的能耗评估提出了区域节能市场模式。由此，将节能降耗工作的开展从省内市场扩展到了区域市场。在所建的区域节能市场模式下，考虑市场中的各种随机因素以及跨省交易的实际特点，构建了考虑跨省交易能耗评估的省级电网随机规划购电模型。算例证明了所建的区域节能市场模式与购电模型的有效性。建议有关部门适时对区域市场跨省交易的能耗与节能效益进行评估与考核，以促进节能降耗工作的深入开展。