（技术经济及管理专业论文）基于成本和价值分析的电力备用辅助服务定价模型研究.pdf

摘要 电力备用是保证电力系统安全稳定运行的重要手段，将市场机制引入备用服务 领域，特别是利用备用服务的定价机制对备用服务进行补偿，引导市场参与者积极 提供备用服务，将能够更有效地提高系统运行的安全性和稳定性。 本论文首先分析了电力备用服务商的备用成本，尤其是备用的机会成本进行分 柝，研究备用供给函数与供给曲线，然后对备用的价值进行评估，其价值体现在经 济与社会两方面。经济价值可基于投入产出法得出，社会价值难以用市场价格或 货币来衡量，本文将模糊综合评价方法引入到对电力备用服务的社会价值评价中， 通过数据调研和调查，建立了对备用服务社会价值进行评价的指标体系，从居民生 活、政治以及社会经济三个方面分析评价备用服务的社会价值。 最后结合我国电力市场改革的特点，对目前电力备用服务的定价机制进行研 究，提出了考虑备用成本、电力备用经济价值、电力备用社会价值和系统可靠性的 基于激励机制的备用服务定价模型。 关键词：备用，成本分析，经济价值，社会价值，定价模型 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rr e s e r v ei sa ni m p o r t a n ti n s t r u m e n tt oe n s u r ep o w e rs y s t e mt o o p e r a t es a f e l ya n ds t e a d i l y , s oi tw i l li m p r o v et h es y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yi fw e i n t r o d u c em a r k e tm e c h a n i s mt oa n c i l l a r ys e r v i c e ，e s p e c i a l l yu s et h ec o m p e n s a t i o n m e c h a n i s ma n dg u i d em a r k e tp a r t i c i p a t o r st oa c t i v e l yo f f e rr e s e r v es e r v i c e f i r s t ，t h i sp a p e rs t u d i e sv a r i o u sr e s e r v ec o s t s ，e s p e c i a l l yt h eo p p o r t u n i t yc o s t c a l c u l a t i o nf o r m u l a sa n dt h er e l a t i o n s h i p sw i t ht h ee n e r g yc o s t t h e n ，e v a l u a t et h e e c o n o m i ca n ds o c i a lv a l u eo fr e s e r v e b a s e do nt h ei n p u t o u t p u tc h a r ta n dt h e a n a l y s i sm e t h o d ，t h ep a p e rp r o p o s e san e wm o d e lt oa n a l y z et h es o c i a lv a l u eo f r e s e r v es e r v i c e ，i td e d u c e st h ef o r m u l ao fv o l lf r o mt h ea n g l eo ft h ev a l u eo r u t i l i t y t h es o c i a lb e n e f i ti sh a r dt ob em e a s u r e dw i t hm a r k e tp r i c eo rc u f r e n c y t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e df u z z ym e t h o di n t o s o c i a lb e n e f i te v a l u a t i o no nr e s e l n es e r v i c e t h r o u g hm a s s i v ed a t ai n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , w eg e tt h ea p p r a i s a lr e s u l to f r e s i d e n t s ，p o l i t i c a la n de c o n o m i cp r o v i d e da ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rm e a s u r ev a l u e o fr e s e r v es e r v i c ec o m p r e h e n s i v e l ya n do b j e c t i v e l y f i n a l l y , u n d e rt h es i t u a t i o no ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e ti nc h i n a ，t h ep a p e r r e s e a r c h e si n t ot h ep r i c i n gm o d e lo ft h er e s e r v es e r v i c ew h i c hb a s e do nt h er e s e r v e c o s t ，t h er e s e r v ee c o n o m i c a lv a l u e ，t h er e s e r v es o c i a lv a l u e ，t h ep o w e rs y s t e m r e l i a b i l i t y y a n gw e i w e i ( t e c h n o l o g ye c o n o m i c sa n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h ey o n g x i u k e yw o r d s ：r e s e r v es e r v i c e ，c o s ta n a l y s i s ，e c o n o m i cv a l u e ，s o c i a lv a l u e ，p r i c i n g m o d e i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于成本和价值分析的电力备用。 辅助服务定价模型，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北电力大学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：物迅 e t 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名；垃邋 日 期：塑生磕查i 丝日 导师签名：逝 华北电力大学硕士毕业论文 1 1 问题的提出 第一章引言 备用辅助服务是电力系统的重要特征之一，它是指电力系统除满足预计负荷需 求外，为保证电能质量和系统安全稳定运行而保持的有功功率储备，它关系到电力 系统的安全运行与可靠性。许多发达国家已将备用辅助服务从电量交易市场中分离 出来，建立独立竞价的备用市场，与电量交易市场并行。 我国目前的发电侧电力市场仅限于电量市场。在电力市场环境下，如何进行备 用辅助服务的市场组织、指标量化和费用结算等问题有待解决。在我国传统的调度 机制下，电厂提供备用服务是无偿的，所以，发电企业没有参与备用辅助服务的积 极性。在我国引入市场机制，特别是利用备用服务的定价机制对备用服务进行补偿， 引导市场参与者积极提供备用服务，能够更有效地提高系统运行的安全性和稳定 性。因此，有必要将备用服务作为一类电力商品，通过备用服务定价机制、备用市 场的激励机制保障系统充足的备用供给。由于备用服务与电能生产的藕合性较强， 各类备用服务的综合决策较复杂，合理组织并协调市场、量化备用服务并制定合理 的价格、优化系统运行仍是电力市场理论和实践中的难点。 在传统垂直垄断的电力工业中，不论是供电质量、系统安全水平的确定，还是 辅助服务的管理都没有建立在经济分析的基础上，包括购买辅助服务的单位电 网管理部门( 公司) 和辅助服务主要提供商电厂( 发电公司) 在内，几乎都不 清楚提供各种辅助服务的费用。那时发电、输电和配电都属于同一家电力公司，公 司目标是在满足安全运行的条件下使总成本最小。所有发电机服从系统的统一调 度，其提供电能还是运行备用完全由系统调度员根据系统运行需要确定。所有成本 统一核算向用户分摊，不存在单独核算运行备用的成本和单独计费的问题，没有也 不需要对运行备用给予专门的处理。 电力工业市场化改革以后，我国拥有了国家电网公司和南方电网公司等两个电 网公司，以及华电、国电、华能、中电投和大唐等五个大型发电公司和一些独立发 电商，这些电网公司、发电公司都已变为相互独立的经济实体，经济因素在系统规 划、管理和运行中将占据更为重要的地位，每个发电公司也有各自的目标，即盈利 最大化。旧有的备用调度模式和方法已经不再适用，这样一来，通过何种价格机制 来获取相应的备用，便成为每个市场的参与者所关心的一个热点问题。对于电网公 司，他们主要关心如何确定满足安全性要求和经济性要求的最小的备用容量，怎样 才能以最低的成本购买备用，而发电公司则主要关心在备用产品市场的回报问题， 华北电力大学硕士毕业论文 包括相关成本的回收、利润情况等，并且发电公司是否愿意提供备用服务将越来越 取决于自身的经营目标、机组的技术特性以及市场的激励机制。 备用服务定价机制的研究不仅有助于备用服务市场化的实现，同时对于为其他 类型辅助服务的市场化提供参考和借鉴作用。不论采取何种定价机制，维护电力系 统的安全可靠运行始终是市场化改革得以顺利进行的必要前提，设计一个良好的辅 助服务交易和定价机制具有重要作用。良好的辅助服务交易方式和定价机制应该从 全局性的社会福利出发，能够有效地引导市场参与者进行资源的优化配置，降低成 本。从某种意义上讲，定价机制不仅是电力市场中参与者各种经济行为的约束条件， 还应能够提供一个理性稳健的结构以减少不确定性，保证市场的稳定运作和交易的 顺利进行，进而保证系统的安全稳定运行。 但作为中国还处于市场不成熟时期，真正的备用市场还没有建立，如何建立适 合中国国情的备用服务定价机制，还需进一步研究。本文首先对发电商备用成本进 行分析，开发了基于m o n t ec a r l o 法的备用成本模拟分析系统，对系统的备用成本 进行模拟分析，再结合电力备用的经济价值和社会价值，提出了具有激励机制的定 价模型。 1 2 国内外研究现状 近年来，在电力市场辅助服务相关问题的研究中，备用服务交易和定价机制一 直是一个相当活跃的研究领域，出现了大量研究成果，备用服务交易与定价方法的 研究也比其他辅助服务的相关问题研究更加具体、深入，并已从概念层面延伸到了 定量理论分析和实践应用阶段。 根据国内外现有的研究成果和国内已有研究文献的总结【l 】，备用服务交易和定 价方法大体上包括以下几类： ( 1 ) 备用成本评估定价方法，这是一种比较传统的方法，具有简单明了、可 操作性强的特点，其大致思路为：首先对运行备用的供给成本和产生的效益进行评 估，然后权衡备用成本和期望效益以确定需要多少备用，最后对总的成本进行合理 分配，所得到的单位分配成本加上适当的利润后就可作为定价的最终依据【2 j 。 ( 2 ) 基于优化调度的定价方法，传统的优化调度模型一般采用确定性指标来 计及系统的可靠性约束，如备用百分数，备用应大于系统最大机组容量等，当然也 可以采用概率指标来表示系统的可靠性要求，如失负荷概率( l o l p ) 等，这些指 标缺乏经济含义。最近的一些研究工作对传统的优化调度进行了改进和扩展，在计 及系统的可靠性要求的前提下，为备用容量配置和定价提供明确的经济学信号。 市场环境下，优化调度模型中的目标函数取决于市场规则，如购买成本最小化 华北电力大学硕士毕业论文 或社会福利最大化。无论采用何种目标，在模型中都需要计及发电公司的自主决策， 这是与传统优化调度的最大区别。文献【3 】在优化调度中计及了发电机组的可靠性指 标，建立了一个增广拉格朗曰对偶函数，采用了递归神经元网络进行求解，得到主 电能市场和备用市场的价格；该价格权衡了提供备用的成本与不提供备用的风险。 文献f 4 】计算了两次最优潮流：一次是基准情况( 未采用辅助服务) ，另一次是采用 了辅助服务的情况，这两次计算得到的影子价格之差再经过期权定价公式的处理， 就可以得到期望的辅助服务价格。文献【5 】和【6 】均是针对竞争市场中需求侧和供给 侧投标的模式来讨论系统的优化调度和可靠性问题，前者的目标函数是使社会效益 最大化，据此计算出区域市场清算价格和相应的电能及辅助服务的供需量。文献【7 1 讨论了能量和运行备用联合调度下的预想事故运行备用的定价问题。文献【8 】提出了 一种在主电能市场和辅助服务市场寻找均衡价格的方法；其假设发电商和零售商都 追求自身利益最大化，当市场清算条件得到满足时，可以获得两个市场上各自最优 的容量及其均衡价格。 基于优化调度算法的定价方法，实质上是一种短期边际成本定价方法；其能够 提供经济信号，因此与前面的基于成本的定价方法有着本质的不同。但这类方法也 有一些不足：( a ) 算法复杂。该方法需要进行最优潮流甚至机组最优组合计算，计 算量大而且计算结果对系统运行条件很敏感，求得的价格波动很大。( b ) 为了保证 这种方法能够求得最优解，常常需要作大量的简化假设，其中最重要的一点就是成 本已知。但在电力市场环境下，信息是不完全的或不对称的，这样如何衡量真正的 边际成本就成了相当困难的问题。( c ) 由于在该方法中，投入运行备用的容量成本 并不能在价格中得到完全反映，不能补偿运行备用的全部成本，这会影响发电公司 参与运行备用市场的积极性，为此，通常不得不求助于一些传统的管制办法来补偿 发电公司在边际成本定价中所受的损失，但这会削弱市场机制的效能。 ( 3 ) 利用机制设计揭示价格的方法。电力市场运营机构和发电公司在电力市 场中获得的信息是不对称的，发电公司的成本信息是私人信息，除非存在有效的激 励机制，否则发电公司不会申报自己的真实成本，而更可能采用策略性投标来增加 自己的利润 9 1 0 1 ，电力市场不是一个完美竞争的市场；发电公司可能会行使市场力 ”来牟取高额利润。可以利用机制设计( m e c h a n i s md e s i g n ) 来削弱这些问题。 通过良好的机制设计，并配合必要的监管措施，以激励发电公司自愿揭示其真 实成本，从而为定价提供必要条件，这就是利用机制设计揭示价格方法的基本出发 点。 机制设计，就是指通过设计有效的市场规则来诱导市场参与者按监管机构所期 望的目标参与市场的活动。好的机制设计至少要满足以下两个约束：一是个人理性 约束，指在均衡点处，参与者申报真实信息将不会带来损失，这样才愿意讲真话； 3 华北电力大学硕士毕业论文 二是激励相容约束，即按监管机构所设计的激励方案，在其他人都申报真实成本的 前提下，自己也申报真实成本时获利最大。监管机构不能直接干预参与者的行为， 而只能通过对激励性报酬的选择来影响这一行为。 文献 1 2 1 设计了一种支付发电公司激励性报酬的函数，它由成本补偿和信息补 偿两部分组成，且均为发电公司真实边际成本的函数，然后利用博弈理论得到期望 的结果。文献【1 3 】针对两种不同的拍卖形式，即第一价格拍卖和第二价格拍卖，分 别设计了“计分”系统( 以激励投标者揭示真实成本) ，并证明了这种最优激励方 案能够实现贝叶斯纳什均衡。 机制设计最主要的应用领域之一是拍卖机制的设计【i 舢。备用市场可以采用一种 特殊形式的多部制拍卖机制，发电公司通过报价来参与市场的竞争；i s o 根据某种 最优性原则获取运行备用并发现价格【”j 【1 6 l 。文献 1 7 h , e 明了如果i s o 按发电公司的 运行备用容量报价排序来获取容量并据此确定容量价格，并根据电量报价来调度备 用容量和确定电量价格，那么这种机制的设计是激励相容的。 对于采用拍卖方式获取多种辅助服务的拍卖机制的设计闯题，目前主要采用了 两种方法：一种是顺序拍卖机制，另一种是同步拍卖机制。早期的加州市场采用了 顺序拍卖方法，在运行中发现这种方法会引起严重的价格背离( p r i c er e v e r s a l s ) 现 象，即质量高的备用的价格远低于质量低的备用的价格。有些发电公司正是利用该 方法的缺陷牟取暴利。目前采用了同步拍卖机制，允许高质量的备用充当低质量备 用。不过，同步拍卖机制会因为所选择的目标函数、结算方式以及对用户侧的定价 方式不同，而具有不同的效果。 在美国的几个电力市场，如加州、新英格兰、德克萨斯等，都是由i s o 在拍卖 市场上获取运行备用，目的是满足北美可靠性委员会( n e r c ) 所制定的可靠性要 求。但在选用可靠性标准方面，大多还是以确定性方法为主，所以这类方法并不能 保证在经济上是最有效的。理想的拍卖机制应该是双向拍卖，即允许需求侧和供给 侧同时参与。 除上述三类主要方法外，还有其他一些方法，如文献【1 8 】运用当量电价理论就 我国的运行各用辅助服务市场的模式与定价进行了研究。一些文章考虑引入了期权 定价的思想对运行备用进行获取和定价1 1 9 1 2 0 1 。电力系统中运行备用期权的交割并不 是单纯由用户和发电公司的经济决策所决定，最重要的依据是系统的可靠性要求。 利用服务价值可靠性评估技术的思想，文献【2 l 】证明了理想的备用容量价格应该等 于额外容量需求的边际收益，并将该思想扩展应用于分散决策系统中，也同时指出 了实际应用该方法时的主要困难。文献1 2 2 1 提出了一种将确定性和随机性方法相结 合的方法，可以提高运行备用需求评估的有效性，并利用成本效益分析方法得到了 4 华北电力大学硕士毕业论文 运行备用的价格。 也有一些文献研究了可中断负荷这种特殊的运行备用的定价问题在不少运行 的电力市场中，用户的零售电价与现货市场的电价相隔离，无须考虑用户的需求对 价格的弹性。加拿大的阿尔伯特就将可中断负荷作为一种辅助服务来保障系统的安 全性f 2 3 1 。在可中断负荷的研究方面，需要考虑负荷可中断的容量( 运行备用容量) 、 赔偿价格( 运行备用电价) 、何时可以中断( 运行备用调度) 等三个问题1 2 4 1 ，文献 f 2 5 提出运用最优潮流计算来选择参与可中断负荷的投标者，以减少在高峰负荷和 发生预想事故时的负荷需求。 高峰负荷定价理论【2 6 l 是另一种定价机制，主要是针对那些不可储存的商品( 如 电力、电信和运输服务等) 由于这些商品的需求会在供给时间内发生周期性的变化， 出现高峰负荷期和非高峰负荷期，高峰负荷定价理论所强调的问题就是如何在高峰 负荷期和非高峰负荷期合理地配置边际成本，以及如何确定高峰供电能力以使社会 福利最大化。有学者认为，由于没有运用高峰负荷定价理论，电力工业改革已付出 了沉重的代价1 2 7 1 。 1 3 本论文所做工作与意义 ( 1 ) 对备用的供给成本与供给函数及曲线进行了较深入细致地分析，开发了 基于m o n t ec a r l o 方法的备用市场成本模拟分析软件；对备用的各项成本进行定性 和定量分析，可为发电商的备用成本的计算和备用的报价提供指导，还可为市场监 督部门提供参考。 ( 2 ) 基于投入产出法对电力的经济价值进行了分析，可为确定电两运行阶段 与规划阶段的备用水平提供决策依据，并推导备用的经济价值。 ( 3 ) 基于模糊综合评价方法，通过大量的数据调研和调查，建立了对备用服 务社会价值进行评价的指标体系，在闷卷调查及专家打分的基础上，分析得出了备 用服务对居民生活、政治以及经济促进方面影响的评价结果，为客观全面的衡量备 用服务的价值提供了重要参考。 ( 4 ) 针对市场初级阶段的备用补偿问题，对定价模型进行研究，提出了基于 备用成本与备用价值及系统可靠性水平的备用定价补偿模型，该模型具有补偿成 本，同时能反映市场，对市场进行合理引导与激励的功能，并兼顾备用的社会效益。 华北电力大学硕士毕业论文 第二章电力市场备用供给成本分析 2 1 电力备用供给成本构成 电力备用的供给商主要有发电商和负荷可中断用户。常规火电机组以提供 旋转备用为主，水电机组、燃气轮机组、燃油机组与负荷可中断用户以提供非 旋转备用为主。本文主要研究发电商的备用供给成本。 2 1 1 备用的容量成本 备用容量成本是指机组提供备用容量所发生的机组的折旧费等固定费用。 在实施两部制电价竞价机制的电力市场中，机组所有的容量成本已在容量 电价中考虑，则备用的容量成本可以不再考虑；在单一制电价竟价机制的电力 市场中，备用容量成本必须单独考虑，否则会影响备用服务商因将备用容量成 本分摊到电能产品上而出现的报价提升，市场中标率下降，赢利风险增加等。 因此对这部分备用容量成本应给予适当地补偿，以提高市场竞争的公平性与效 率。 备用机组备用容量的单位k w 成本的计算与提供单位k w 电能容量成本的 计算类似，备用的利用小时数应与发电的利用小时数同等对待，所以考虑备用 的单位容量成本的计算公式为： ，1 c = = = l( 2 - 1 ) p l 式中，c ，为容量成本，单位为元k w 可用小时；c f 为年固定成本；p 为机 组额定容量；t f c 为期望的年发电或备用或同时进行发电与备用的总利用小时 数。 2 1 2 备用的机会成本 备用的机会成本为机组因为提供备用而使得发电量减少，从而使得其在电 能市场的利润减少，减少的这部分利润就是机组提供备用的机会成本。蒙特卡 罗生产模拟方法是电力系统中成本分析及可靠性计算的一种实用工具，可以根 据该法模拟计算出机组提供备用的机会成本。某机组f “机会成本”，就是机组 i 因为提供备用而使得发电量减少，从而使其收益减少，减少的这部分收益就是 机组f 提供备用的机会成本。机会成本是对备用进行定价和补偿时的一个主要 考虑因素。在实际处理当中，机会成本与容量成本一起包含在容量电价当中。 6 华北电力大学硕士毕业论文 假设在电力市场是完全竞争市场的条件下，各机组按其真实成本报价，市 场按市场边际电价结算，在不考虑备用需求时某时段t 第i 台机组的有功出力为 p i o ，市场边际电价为p t o ，且设第i 台机组的成本曲线为二次曲线， c ( 只) = a j + 岛c + q 只2 ( 2 - 2 ) 式中，c ( 只) 为第i 台机组出力为p i 时的成本，奶，b i ，c i 为其成本函数 的系数。 考虑备用需求时，该时段第i 台机组的有功出力为只l ，且p i l 嘭 ( 2 5 ) 亦则该时段第i 台机组的边际备用机会成本为一折线。 脚： o ：，d 1 ，考o 马 c a , 喝 ( 2 - 6 ) 膨霉2 觚g 一6 f 一弘 + 弘墨) ，主夏! i i 耋乙一# ， ( 2 - 6 式中，m c r i 为该时段第i 台机组的边际备用机会成本；风为该时段第i 台 机组可提供的备用容量：c 。i 为第i 台机组的最大可用容量。 该时段第i 台机组补偿部分的备用平均机会成本为： 4 0 q ：堕：( 0 ，砌一岛一2 e j p ，o + c t r t ) ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) 可知，备用的机会成本随电能市场的赢利水平的变 化而变化，包括受市场供给水平、市场负荷需求水平、各发电商报价水平、燃 料价格、机组技术经济状况所确定的煤耗率水平等的影响。 o c , = f ( l , s , , o f ，吩，也，0 ，易) 户1 ，2 ，用 ( 2 8 ) ， 华北电力大学硕士毕业论文 式中，l 表示负荷水平，s 表示市场供给水平，朋为燃料价格水平，6 j 为第 j 台机组或发电商的报价水平，设共有m 位发电商参加报价。 2 1 3 备用使用成本 处于旋转备用的机组，当备用真正被使用时，将发生发电燃料成本等，该 成本应给予补偿。处于冷备用状态的机组，当备用真正被使用时，还有启动成 本、停机时的汽水损失等，该部分应给予补偿，其发电成本部分也应给予一定 补偿。一般，非旋转备用的使用成本高于旋转备用的使用成本。备用的使用成 本的大小与系统的可靠性水平有关，可靠性越高，则备用的使用成本越小。 文献【2 8 】提出，备用使用成本不应给予考虑与补偿，在调度优化程序中也 不予考虑，原因为：首先，发生事故的机率较小，备用很少被真正使用，故该 成本额并不大；其次，备用供给商已承诺在事故时提供备用，且己获得备用的 应得收入，已从自愿提供备用中获益。 本文认为，备用的使用成本真正发生的概率不大，在做备用计划时可以不 考虑，而在真正发生时按发电效益进行补偿即可。由于提供备用机组的备用使 用成本一般较高，高于不考虑备用的市场清算价，则调度在启用该备用机组发 电而额外支付的费用，为所有被启用的备用机组的报价与原方案的市场边际价 格的差值与其发电量乘积之和。 m a c ，= ( p 。一p ，。) e 。 ( 2 9 ) 式中，l ”为该时段启用备用比计划额外增加的费用支出；以为第i 台被 启用的备用机组备用启用部分的电量报价；共有m 台机组的备用容量被启用； 局，为第i 台被启用的备用机组备用启用部分的发电量。 2 1 4 备用其它成本 对于系统若不考虑备用没有列入计划的机组，因考虑备用而开启时，有启 动成本存在，对于未带负荷、处于热备用状态的机组，还有维持热备用状态的 运行成本。由于频繁增减负荷对机组寿命有影响，也增加了机组运行维护费用 等，不过这一部分成本难于精确估计。 2 1 5 发电机组备用供给成本曲线 发电机组的备用成本包括容量成本、机会成本、使用成本与其他成本，以 容量成本与机会成本为主，使用成本只有在备用真正启用时才发生，通过以上 分析，在完全竞争市场条件下，机组的备用边际成本曲线即为备用的供给曲线， 8 华北电力大学硕士毕业论文 则备用的供给曲线即为分段折线，或称曲棍线，斜率非0 部分的值几乎与电能 边际成本曲线的斜率相同。所有发电商备用供给曲线横向相加，即得所有发电 商总备用供给曲线，如图2 1 所示。 lb 供给曲线。 a 与b 的总 夕 _ 曲线 c冠备用量0j 毡备用量0r + r e备用量 图2 1 发电商备用供给曲线 2 2 基于蒙特卡罗( m o n t eo a ri o ) 生产模拟的备用成本分析 m o n t ec a r l o 方法，又称随机抽样或者统计实验方法。它的基本思想是：当 所求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们 可以通过某种实验的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平 均值，并用它们作为问题的解。 m o n t ec a r l o 模拟是抓住事物运动过程的数量和几何特征，利用数学方法来 加以模拟，其利用计算机使得大量的模拟实验成为可能。m o n t ec a r l o 模拟通过 构造模拟模型，利用随机数进行统计实验，以求得统计特征( 如概率、均值) 作为待解问题的数值解。其研究对象是复杂系统，系统中确定的物体为实体， 实体的特征称为属性，系统内发生的变化过程称为活动，在指定时间上，系统 的实体、属性和活动组成的整体，称为该时间的状态。 该方法可考虑机组随机故障停运、机组开停机状况，可以模拟每台机组的 各小时的开停机状况，统计机组开机与生产运行成本，并可以统计可靠性指标。 因此，该法比用随机生产模拟分析备用成本更能反映实际情况【2 9 1 ，根据该法可 更科学地分析机组提供不同备用水平的备用容量成本、机会成本、预期期望的 备用使用成本等。 2 2 1 离散事件系统模拟 假设离散事件系统状态的变化是在该时间点上瞬间完成的。在模拟离散事 件系统时，必须安排好模拟时间从一个时刻向另一个时刻的推进。在模拟程序 中给出模拟时间当前变量值，称模拟时钟。模拟时间的推进原则有两种，即下 9 华北电力大学硕士毕业论文 次事件时间推进原则和均匀间隔时间推进原则，亦即事件步长法，等步长法。 本论文采用下次事件时问推进原则。 下次事件时间推进原则，即设模拟时钟的初始值为某一值( 0 或1 ) ，接着 推进到下一个发生的事件，在那个时刻系统状态发生变化，然后，根据系统新 的状态再决定下一个发生的事件，模拟时钟就推进到那一事件发生的时刻，如 此类推下去，直到符合某种终止条件为止。流程如图2 - 2 ： 1 置模拟时钟为0 或l 2 系统状态及统计计数器初始化 3 事件表初始化 n l t 调用定时子程序 2 调用事件子程序 1 修改系统状态 2 修改统计计数器 3 产生将来事件并加到事件表中 确定事件类型 推进模拟 图2 - 2 下次事件时间推进原则控制流程图 2 2 2 均匀随机数及随机变量的产生 在随机生产模拟中，需要处理各种随机现象，因此需要产生在统计上不同 分布的随机变量的抽样实现值，即不同分布的随机数。由于任何分布的随机数 均可以通过均匀分布的随机数产生。目前，有许多软件都提供产生均匀随机数 的功能。本文使用的是m i c r o s o f t v i s u a lc + + 软件中的库函数产生的。 产生随机变量的方法也很多，如逆变换法、舍取法、组合法、近似法等。 多用逆变换法得到的。逆变换法基于如下定理：如果随机变量x 的分布函数f ( x ) 为连续函数，则y = f ( x ) 确定一个新的随机变量，它服从( 0 ，1 ) 上 l o 华北电力大学硕士毕业论文 的均匀分布。 利用该定理，首先产生( o ，1 ) 上的均匀随机数，然后令j = f - i ( r ) ，则 x 就服从给定分布f ( x ) 的随机数。所以逆变换公式为：x = f - l ( r ) 。 指数分布的密度函数为： 厂( x ) = 知一缸 j o( 2 - 1 0 ) 其分布函数为： y ( x ) = 1 - f 一知 并0 即：r = f ( = 1 - e 抽 作逆变换有： x = 一l r i ( 1 一r ) ，a ( 2 - 1 1 ) 设= 1 - r ，那么也是( 0 ，1 ) 上的均匀随机数( 因r 服从( o ，i ) 均匀 分布) ，于是，x = 一1 n “m ，则x 是服从指数分布的随机数。模拟的系统机组正 常工作时间和修复时间由上式产生的。 2 2 3 机组检修计划安排 在进行模拟运行之前应该首先安排所有机组的年度检修计划。 机组的检修分为大修、小修。大修每四年一次，小修每年一次( 若该机组 该年没有安排大修) 。通过各机组的投产年以及每四年大修一次的原则，推算出 各机组在选取典型年是大修还是小修。机组的检修是在未来的负荷和容量规划 的基础上安排的。 检修安排采用等备用率法，即在一年内以日为时段用启发式方法使每日的 备用率尽可能相等。备用率是各时段备用容量与最大负荷的比值。步骤如下： 1 ) 给定某一年系统的总装机容量、机组容量和日最大负荷曲线； 2 ) 对参加检修的机组进行排序，如按机组容量从大到小排序； 3 ) 在负荷曲线上，从备用率最大的时段开始安排第一台机组，先安排大修， 向左右搜寻备用率较大日并按照检修要求的日数进行安排，然后用同样方法安 排小修； 4 ) 按照同样方法安排下一台机组直到把待检修机组安排完毕。 在等备用率法安排检修中应满足检修持续性( 开始检修后在持续时间内完 成) 。 华北电力大学硕士毕业论文 2 2 4 发电机组运行状态模拟 一台发电机组可以被划分为可用和不可用状态两种状态，而不可用状态又 可划分为计划停运和强追停运两种。为突出主要矛盾，用可用状态与强迫停运 状态来描述机组状态，然后再把计划检修做适当的处理。即发电机组有正常运 行、故障停运和计划检修三种状况，如只考虑前两种状态，一台发电机组在一 个较长时间里的运行过程就是运行、故障修复这两种状态的随机转换过程。如 图2 3 所示： ftrl f 五t22f正t3 图2 - 3 发电机组工作状态图 图2 - 3 中矿和f ，分别为无故障工作时间弦和故障修复时间豫的取值，可 用计算机模拟技术人工生成随机过程的一个确定性抽样来确定。由发电机组的 可靠性研究可知，在一定的条件下，t r 和盯都服从负指数分布。用逆变换法， 可产生满足该分布的随机数，其抽样为： t f = 一 f 髓f l i l r ? 碾= 一 卵7 砬l n r ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中，r 为伪随机数；m t t f 为机组平均无故障持续工作时间；m t t r 为机 组的平均修复时间。本文所采用的 册、m t t r 是根据中国电力可靠性年报所 提供的1 9 9 9 2 0 0 3 年五年的可靠性数据分析而得。 由式( 2 - 1 2 ) 与( 2 - 1 3 ) 的连续模拟，即可得到一台发电机组运行过程的 一个确定性抽样。理论证明，当模拟的时间足够长时，该抽样作为随机过程的 一次实现是足够精确的。 发电机组除正常、故障停运外，还有计划检修。本文假定计划检修在模拟 进行前已事先确定，在机组状态的模拟过程中，当机组故障检修完毕时间离计 1 2 华北电力大学硕士毕业论文 划检修开始时间较近时，计划检修提前至故障时刻。基本原则是：若机组修复 完毕时刻距离最近的小修开始时刻在1 0 天内，则计划检修提前至故障时刻进 行。若修复完毕时刻距离最近的大修开始时刻在半年内，则大修提前至故障时 刻。 2 2 5 发电系统运行状态模拟 对于一个具有n 台发电机组的系统，考虑机组的故障检修与计划检修的结 合，用上述方法模拟出所有机组的运行状态，从而可以模拟出发电系统每一时 刻的状态，如图2 - 4 所示。在发电系统运行模拟中，考察所有机组的状态及运 行过程，确定所有机组状态发生改变的最小时刻，也就确定了发电系统状态改 变的最小时刻。当时钟推进到该最小时刻，进行事件处理，修改有关参数，并 统计有关指标。 由图2 - 4 可以看出，经以上处理，可以得出任一时刻系统的全部可用容量。 即逐小时推进模拟时钟，在某一模拟时间l 如该小时系统内无机组状态发生 变化，则不必进行机组状态的模拟；如该小时系统内有机组状态发生变化，只 需对这些状态发生改变的机组进行新的状态模拟。 l t ot tt 2t | t 4bt 6t 7t tt 9t t o时间 图2 4 发电系统运行状态模拟 2 2 6 负荷模型 为了提高计算结果的准确性和合理性，充分反映不同负荷需求下，机组运 华北电力大学硕士毕业论文 行情况的区别，采用全年逐小时的时序负荷分布曲线。 2 2 7 发电系统机组出力安排与发电市场结算 抽水蓄能机组按削峰填谷与提供一定比例备用安排。常规水电机组的发电 量是由水文条件和水库调度决定的，考虑其固定的出力限制与库容的等效可发 电量，在丰水期满出力运行，在枯水期调峰运行。系统所有机组的检修计划按 等备用率安排。 假设市场为完全竞争市场，火电各机组主要按其真实煤耗成本报价，以社 会资源最优配置为优化目标，则火电机组的出力分配设定的目标为系统总煤耗 量最小。 设发电机组将以市场边际价格结算，没有哪个发电商能影响市场的价格。 2 2 7 1 火电机组出力分配模型 火电机组的出力分配设定的目标是系统的煤耗量最小。 火电机组在不同负荷下的煤耗特性，可以经过拟合，得出各机组的煤耗特 性曲线。即： 巧5 a o i + a l ，p j + a 2 i p 2 ( 2 1 4 ) 其中p l ：第j 台火电机组的出力( m w ) ，：第f 台火电机组出力为a 时的燃料消耗( 吨标煤小时) 4 ，啦t ：曲线系数 则第i 台机组的费用微增率特性为： 积 良2 _ 二= a i f + a 2 ，只 粥 ( 2 1 5 ) 火电机组出力分配数学模型： 目标函数：全系统一日内的费用最小 2 4 拼 ，= ( ，+ 口l ，只，+ 吃，m 2 ) - - m i n t = l i = l ( 2 1 6 ) 其中f ：系统全天燃料费 i ：机组序号 1 4 华北电力大学硕士毕业论文 ，。协力+ 莩茜 一。掌 n 。等 。嘲， 华北电力大学硕士毕业论文 x s ( k ) = = r ! 可以证明： 争2 a 2 j ( 2 2 2 ) 觑迭代次数 x s ( k ) ：步长修正因子 火电机组出力分配的步骤概述如下： a 预先确定机组的运行区间，由式( 2 1 9 ) 算出初始 a m d a ( 0 ) 。 b 由式( 2 2 0 ) 求出各应开机组的出力。 c 检查各机组出力是否满足式( 2 - - 1 8 ) ，当高于最大技术出力或低于最小 技术出力时，则将机组出力限制在最大出力或者最小技术出力。 d 检查负荷平衡条件式( 2 - - 1 7 ) ，若负荷与机组出力之和的差在设定的允 许范围内( 即精度之差) ，则求得的负荷分配为最优。否则，按式( 2 2 1 ) 、( 2 - - 2 2 ) 修改l a m d a 值，转入第2 步 2 2 7 2 机组组合与开停机计划 火电机组组合：指在某一负荷需求下，确定让那些机组投入最优。 火电机组的开停机计划：是指一天内负荷都是变化的，而对应于不同负荷 下的机组组合方式之间的转移存在附加费用( 启停费用) 和最小开停机时间的 限制等，所以不能孤立某一负荷水平的最优组合，而应从一天的整体运行状况 出发，考虑多种约束，以系统费用最小为目标来确定开停机计划。 火电机组组合与开停机又称机组的最优投入问题。本模型机组的最优投入 采用优先顺序法。步骤如下： a 确定各机组的最小比耗。本模型为方便考察，根据各机组的煤耗曲线， 以1 0 0 负荷出力时的比耗为最小比耗。 b 按比耗由小到大将机组排队。 c 当火电机组承担的负荷曲线确定后，对某一负荷考察满足其需要( 包括 旋转备用容量要求) 的最小开机数k ，按等费用原则安排机组出力，得出系统 此时的费用微增率 a m d a ，比较此时的 a m d a 例和所开的最后一台机的比耗 拍例，如果l a m d a ( k ) b h ( k ) ，则k 台投入最优，否则，继续试探斛1 台机组， 依此可以确定每一负荷下的机组最优组合。 d 再确定下一天内所有机组组合后，检查是否满足最小开停机时间，将不 华北电力大学硕士毕业论文 满足机组进行一定的调整，直到所有机组都满足条件为止。 2 2 。8 事故处理模拟 当系统出现事故时，事故处理过程如下： 1 ) 处于旋转备用的水、火电机组与冷备用状态下的水电机组立即增加出力。 2 ) 若系统出力仍小于负荷，燃气与燃油机组等未开，则立即投入处于冷备 用状态的燃气与燃油机组。 3 ) 经过以上处理，系统出力仍满足不了负荷需求时，累计系统缺供电力时 间陇尸和系统少供电量跳 事故处理以每一小时逐分钟进行考核，累计可靠性指标。处理过程如图2 - 5 所示。 出 力 图2 5 系统事故处理过程 图中，a 表示抽水蓄能电站等备用水电机组参加事故处理；b 为火电机组旋 转备用逐步投入；c 为将燃机投入运行；d 为该时段内的少供电量；m 为每分钟 少供电量。 从缺电的第一分钟开始累计，至m 为o 时为止，累计的时间为缺供电力时 间陇只并同时累计缺供电量肠慨 2 2 9 发电机组运行备用成本分析 m o n t ec a r l o 模拟的基本过程是基于时序负荷曲线，模拟发电系统机组状 况，满足备用与发电负荷需求，安排机组的开停机计划与出力安排，统计不同 条件下有关经济与可靠性指标，并进行系统备用成本水平分析。 通过系统的模拟，可以统计各机组有不同备用需求与没有备用需求的各机 1 7 华北电力大学硕士毕业论文 组各时段的出力、启动成本、运行备用成本，事故处理时机组的备用使用量与 成本等指标，通过对比分析，可以分析不同备用水平下机组的容量成本、机会 成本、启动成本、预期备用起用成本等。 2 3 算例分析 取某实际电网某典型年负荷与备用需求为研究对象，进行了该电网备用成 本分析决策支持系统的开发，备用成本分析部分的程序框如图2 - 6 ： 图2 - 6 备用成本分析程序框图 编程语言为：c + + b u i l d e r ； 2 3 1 备用容量成本分析 备用容量成本与机组的类型有关，应按照不同类机组的造价与年平均可用 小时数来确定机组的单位可用小时的容量成本，从而确定各类机组的单位k w 可 1 8 华北电力大学硕士毕业论文 用备用的容量成本。 若电网在某时段不考虑备用需求的出力计划中，计划在线机组的剩余出力 之和大于系统的备用需求，则系统此时无须支付备用费用，该时段备用成本为0 。 备用率水平越高，各时段的容量成本越大。即提供的备用越多，备用的容量成 本越大，备用的容量成本与备用量成正比。 若承担备用机组的容量成本按各机组的固定成本计算，则单位备用容量成 本与承担备用的机组的基于可用小时计算的单位容量成本有关，备用率越高， 承担备用的小机组更多，单位每小时每k w 的容量成本就越高。 按照容量成本的定义及公式，模拟出在典型日的单位k w 容量成本。 1 y p i c a li h i l yc a p a c i t yc o s tc u r v e 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l o iz 345 6t8 9l o l l i z l 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 h o u r ( h ) 图2 - 7 典型日的