（电力系统及其自动化专业论文）两种竞价方式下电力市场出清及其阻塞管理研究.pdf

j e 丞变通厶堂亟堂垃迨塞 关键词：电力市场出清；分时竞价；改进遗传算法；分段竞价；阻塞管理；灵敏 度法。 分类号： 垦s ! 坠鲤 a b s t r a c t e l e 喇cp o w c rm a r k e ti sa 仃e n do fp o w c ri n d l 硌虹yi nt l l ew h o l ew o 订d t l l i st t l 舒i s m a i m yr 岱e 盯c h 韶o nt l l em a r k e td e a f i n gb o t l li nh o w l yb i d d i n gm 破e t 柚db l o c k b i d d i n gm 破e t 觚dc o n g e s t i o nm 柚a 静n e i l ti l lm ep m c 鹤so fm a f k c td e 撕n gi i lm e g e i l 麟i t i o n - s i d ep o w e rm a r k c t t h ed e s i 星皿o f b i d d i n gm o d e 觚dd e t 锄i n a d o no f 胁s a c t i m l ea r e 州t i c a li i lt l l e c s t a b l i s h m e mo fe l e c t r i cp o w e r m a r k e t t h e yw i l li i l n u 胁c en l es e c i l r i t y 锄ds t a b i l i t yo f p o w c rs y s t e m 锄dw i l la l s od e t c n l l i n et l l ee f f i d c y 锄ds l l c c e s s f h lo p 咖i o no fp o w e r m a r k 吨h o u d yb i d d i i l gi nw l l i c hd 锄a n d1 0 a di s 卸c i i o n c da c c o f d i n g t ot r a d i n gp 喇o d s i s 丽d e l yl l s e di np r 鹤tp o w e rm a r k e t s h o w e v t l l i sb i d d i n gm o d ec x p o s 龆m e s h o r t c o l n i n g sb e c a u s eo fm ec o n n i c tb e 咐e 吼m ei n d 印d e i l c co f 仃a d i n gp c r i o d s 趾d t l l ec o n t i 删o l l so p e r a t i o np 硎白肌觚c co f 瑚i t s b l o c kb i d d i n gi nw h i c hl o a di sa u c t i o n e d a c c o r d i n gt oc o n t i n u o u sl o a ds e g m e i l t si sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h a td i s a d v 觚t a g co f h o w l yb i d d i n gm o d c t h i st l l c s i sf i r s t l yd i s c i l s s 伪t l l ct l l e 0 拶o ft h et w ob i d d i n gm o d 舒a 1 1 dc o m p a r 船t h e t ，om o d e sw i t l le a c ho m e ra n da l s or c s e a r c h 龉0 nt h em a r k e tb c h a v i o ro f g e l l e r a t o 塔锄d b u y e r si nm i st 、】l ，ob i d d i i l gm o d 懿f o rm a r k c tc l r i n gi i ld a y - 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1 4c x a n l p l ei s1 l s e dt ov c r i 匆幛v a l i d i t yo f t h i sm c t h o d 1 a e y w o l u d s ：e l e c t r i cp o w e rm a r k e tc l e a r i n g ；h o u d yb i d d i l l g ；h i l p f o v e dg 锄e t i c a l g o r i t l l m ；b l o c kb i d d i n g ；c o n g e s t i o nm a i l a g 锄e i l t ；s e i l s i t i v i t ym e t h o d c l a s s n o ： 致谢 本论文是在我的导师周渝慧教授悉心指导下完成的。三年来的研究学业使我 受益匪浅。无论从专业理论入门，还是研究方法的掌握；无论从对市场经济的认 识，还是如何做人。破解这样一道道看似简单但也很复杂的题目的引路人，是我 的导师周渝慧教授。周老师严谨的治学态度和科学的工作方法给予了我极大的帮 助和影响，使我受益终身。周老师不仅在学习上、科研上对我关怀备至，对我的 生活也是十分关心，在毕业论文的撰写过程中，周渝慧教授提出了许多宝贵的意 见，在此向我最尊敬的周老师表示最衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室罗欣、赵飞和郭金伟同学对我的论文 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外，也一并感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学 立k 。 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 研究的背景 1引言 在能源与环境的强约束下，通过电力工业市场化改革的逐步进行，电力行业 优胜劣汰格局将加速出现，电力企业将更加重视成本控制，提高发电效率，尽快 完成技术更新以大机组代替中小机组，提升成本竞争力；同时，价格杠杆能正确 引导投资，电力企业风险意识增强而不盲目圈地建设发电项目，先进机组的盈利 能力和投资价值会在很大程度上得到提升；另一方面，通过区域电力市场的建设 和大电网联网的效益，强化市场调配资源的能力，在更大的范围内配置资源，以 达到资源的全网优化配置，实现备用共享、互联互供、水火( 电) 互济。 竞价上网是现有电力市场电能交易的主要方式，我国电力行业目前已初步形 成“厂网分开、竟价上网”的局面。电能商品有别于一般商品，其特殊性在于电 能生产和输送过程中机组和电网的技术约束性。正是由于此特殊性，使得电力市 场竞价方式设计和相应出清算法的实现成为电力市场研究中的一大热点和难点， 此问题不仅与电力市场中各经济实体的利益有关，也直接影响到电力系统的安全 性和可靠性，牵涉到电力系统资源的优化配置和社会效益的整体最大化。 在电力市场条件下，竞价方式对于保证参与各方的公平竞争、确保电力市场 的健康稳定发展是至关重要的。通过对分时和分段竟价方式下市场的瞬时电价、 购电费用、机组运行方式和市场激励等各方面进行比较研究，可以对两种竞价方 式有深入的认识，从而为电力市场中竞价方式的实际应用提供选择基础。 电力市场的引入对电力系统调度运行产生了很大的影响，不论是在分时还是 分段竞价方式下，电网所负担的任务和完成任务的手段与原来垄断经营时有了很 大的不同。市场竞争环境下的发电计划不再是垄断模式下的系统总发电成本最低， 而是转到系统总购电费用上来。发电计划的制定依然要考虑系统的安全、稳定与 可靠性因素。在发电侧开放的电力市场中，发电商由原来的按指定计划发电过渡 为通过竞价上网来发电。由于发电商在电力市场条件下为了自身利益，采用不同 报价策略，系统出清时的不确定因素增多，其总购电费用最小化问题将涉及到随 机优化模型和算法。从目前研究情况看，从理论和算法上都远没满足实际电力市 场竞价上网需要，急需开发新型高效模型和算法。因此，有必要对具体竞价方式 e 塞塞煎厶堂亟堂位硷塞 下的电力市场出清算法进行研究。 1 1 2 研究的意义 1 设计合理的市场竞价方式是电力市场竞价交易的理论基础 电力市场竞价方式设计的目的是在引入市场竞争的条件下，尽可能提高系统 运行的稳定性和经济性。国外电力市场的实践中既有成功的范例也有失败的教训， 随着电力市场运营经验的积累，有必要在原有设计的基础上进行创新研究以克服 现有竟价方式下发生的弊端，对市场的各个方面进行微调，使其向最优方向发展。 2 对电力市场主体行为研究是市场监管的重点 参与电力市场竞争的市场主体的行为直接影响市场的公平、公正和公开，为 规范其运作，监管部门有必要通过研究市场主体行为而有针对性的制定相应的监 管规则。本文创新性地对发电商和购电商在分时和分段竞价电力市场中的行为进 行了研究。 3 电力市场出清算法是电力市场技术支持系统的核心 目前，电力市场出清算法研究主要集中于分时竟价方式下的电力市场出清算 法，研究难点在于如何处理各种约束条件。本文创新性的提出了基于特殊编码的 遗传算法来实现分时竞价电力市场的出清，通过二进制编码把机组最小开停机约 束包含在决策变量中，很好的解决了机组运行时问约束，同时通过罚函数法解决 了负荷备用和机组爬坡等约束。分段电力市场的出清相对简单，首先判断机组的 可行报价负荷段，然后采用类似顺序排队法的方法进行出清。 4 阻塞管理是市场出清结果进行实际调度的必要检验阶段 不论采用何种竞价方式，市场出清均是按照各机组的报价曲线来合理分配发 电功率。但是根据机组报价确定的发电机组出力很可能导致传输阻塞( 线路或变压 器过负荷) ，为了保证系统运行的安全性，必须消除这种阻塞。因此，市场出清应 与阻塞管理一同进行，所得结果才具有实用价值。 1 2 电力市场概述 狭义的电力市场一般是指发电市场、输电市场、供电市场、用电市场和电建 市场。广义的电力市场是指追求自身利益的购电方和追求利润的卖电方进行电能 及其相关产品和服务的交易关系的总和。电力市场的构成要素是市场主体和市场 客体。市场主体是指电能商品的供应方和需求方，其中电能供应方既包括电能的 生产者发电商又包括电能的销售者电网经营商( 输电、配电、售电) ，电能需求方 2 也就是电能商品的消费者；市场客体也就是电力市场中的交易对象主要包括有功 电能、辅助服务、输电权等。 电力市场的参与者包括发电、输电、配电、用户、经纪人等各方，市场由一 个统一的管理机构进行管理并由独立系统运行员i s 0 ( h l d e p 锄d e n ts y s t 锄o p e f a t o r ) 和电能交易机构p x ( p o w 盯e x c h 柚g e ) 负责运行电网和实现电能交易，其中p x 的主 要职责足提供一个电能供求双方交易的场所，i s o 是对电力系统进行操作并对所有 输电用户提供服务，主要职责有运行方式制定、适时调度、系统监控、在线安全 分析等。推行电力市场的目的就是要打破垄断，引入竞争，从而降低成本，提高 效益，改善服务水平，最终实现社会效益最大化。在竞争的市场环境下，各种资 源均可得到有效配置，成本低、效益高的企业有机会迅速发展；而成本高、效益 低的电力企业必然会被市场淘汰。同时，用户在电力市场的环境下拥有用电选择 权，可享受更好的服务。 把竞争机制引入电力工业，一般要通过横向和纵向的分解。横向的分解是指 打破原来的垂直一体化电力公司的垄断地位，在市场中形成多个可以平等竞争并 可获利的经济实体，从而建立市场化的价格体系。纵向的分解是指改革一体化的 电力服务，将发电、输电、配电分别独立开来并建立提供这些专业性服务的竞争 实体。其中，输电网由于其自然垄断性，为了保证输电服务的公平性，输电网公 司需由独立系统运行员i s o 进行操作，同时设立监管机构对其进行监督。电力市场 交易机构p x 以竞投方式确定电能交易量，然后由i s o 调整并实现最终的电能交易。 横向分杆 图1 1 电力市场结构图 f i g 1 - ls 咖c t u r c “d e c 仃i cp o 、榭脚r l 【就 备分解 雷富 j e 巫变适厶堂亟堂位迨塞 1 2 1电力市场的发展 电力系统主要是由发电、输电和配电组成。相对于发电和配电来说，在输电 环节引入竞争的技术难度是最大的，所以电力市场可以按照“先开放两端，再开 放中间”的步骤来发展，具体可以分成以下三个阶段：第一阶段发电与输电分开， 单一购买者电网商从许多不同的发电商中选择，以鼓励发电环节的竞争，此阶段 输电与配电仍垄断经营；第二阶段配电从输电中分离出来，配电公司( 或大用户) 有权选择发电商，并可以参与电能竞争；第三阶段输电环节引入竞争，输电线路 作为独立第三方来承担输送电能的任务。 表l - 2 电力市场的发展趋势 1 曲1 _ 2d c v e l 印诬g t e n d 锄c y o f e l e c 硒c p o w 口m m 耐 阶段发电输电配电 第一阶段竞争 第_ 二阶段竞争竞争 第三阶段竞争竞争竞争 纵观世界各国电力市场，从开放程度角度来看，大致可以分为发电侧开放电 力市场、批发电力市场和零售电力市场。 1 发电侧开放电力市场 在发电侧开放电力市场中，发输分离，发电环节引入竞争，但是输电网、配 电网以及向用户售电仍属于垄断状态( 统一调配、统一价格结算) ，电网不开放， 用户不参与竞价。现阶段我国绝大部分电力市场正处于此模式下，本文研究也基 于此模式。在发电侧开放电力市场下，电能交易中心p x 只和发电公司进行发电和 辅助服务的结算。 2 批发电力市场 批发电力市场下，配电与输电分离。发电公司与配电公司( 或大用户) 可自由 选择参与电能竞价或私下签订双边合同。此模式下，交易中心p x 和发电公司、配 电公司( 或大用户) 分别结算。市场结算还要考虑到网络传输费用和相关辅助服务 费用的分摊问题。美国、英国现阶段的电力市场是批发电力市场。 3 零售电力市场 此时，电力市场完全开放，发电、输电、配电完全开放，各环节均引入市场 竞争。发电公司、配电公司、供电公司和各用户自由参与电能竞价或分别签订双 边合同。此模式下，市场结算变得比较复杂，p x 要与参与电力市场的各个成员( 发 电公司、输电公司、负荷单位等) 进行结算。阿根廷、澳大利亚现阶段的电力市场 是零售电力市场。 4 通过对上述三种电力市场的分析，可以发现发电侧开放电力市场只存在联营 体交易，没有双边交易，而批发电力市场和零售电力市场则引入了双边或多边交 易。双边交易的介入使市场定价、运行调度、安全性和可靠性的维护等变得更加 复杂。但随着电力市场的进一步发展，其最终将过渡到全面开放的零售电力市场， 从而全面引入竞争机制。 1 2 2电力市场的交易模式 目前，交易大致可分为以下三种模式：联营体模式、双边模式和存在双边合 同的联营体模式。 1 联营体模式( p 0 0 1 ) 联营体模式下，市场中仅存在一个电能交易中心p x ，所有发电商必须通过竞 价的方式向p x 卖电，而用户则必须从p x 买电。市场运行以日前市场( d a y - a l l e a d m a r k e t ) 为主，市场全部交易均在交易中心内完成。一个交易日划分为若干竞价时 段，参与竟价交易的发电机组每天向交易中心申报第二天的电价和可用容量，电 能交易中心根据机组的报价和负荷需求，按照一定规则制定出交易计划，决定各 个发电机组在每一时刻赢得的发电功率和结算电价。日前市场在竞价交易中可采 用不同的竞价方式：按时段( 小时半小时) 对负荷进行拍卖的分时竞价和按负荷持 续时间对各持续负荷段进行拍卖的分段竞价。不论采用何种竞价方式，交易中心 均以系统总购电费用最小为目标函数，以各发电商的报价曲线为基础，考虑相关 约束条件，对所有负荷进行拍卖。独立系统运行员i s o 控制全系统发电机组的调度 运行，维护系统运行的可靠性与安全性。联营体模式的优点在于采用中心控制的 手段使得市场成员都能享有同等机会参与市场竞争。缺点是交易透明度不如双边 交易，用户不能按自己意愿选择发电商来进行电能交易，同时价格波动大，容易 产生价格风险。本论文研究基于联营体模式。 2 双边模式( b i l a t e r a l ) 双边模式下，发电商与用户之间不通过电能交易中心进行电能交易，而是直 接签订合同进行彼此电量及价格的交易。i s 0 收到合同所规定的电量信息后，确保 全网存在足够的输电容量使该合同得以实施。如果发现合同中的电能交易不能满 足网络安全约束条件，i s o 将把信息反馈给合同双方，要求修改合同内容；如果满 足网络安全约束条件，i s o 负责进行调度运行。该交易模式的优点在于能够按照交 易双方的意愿，满足交易双方对于价格以及电量稳定性的要求；缺点是市场通过 合同完成交易，交易价格不能完全表征市场供求关系，同时交易双方在价格谈判 时也没有一个当时市场环境下的市场价格作为参照。 巫銮迪厶堂亟土堂位迨塞 3 存在双边合同的联营体模式( p o o l b i l a t e r a l ) 在双边合同的联营体模式下，用户与发电商可自由选择是通过电能交易中心 进行电能交易，或直接签订双边合同进行交易。实际市场的运行调度分两个步骤 完成：首先，系统在不考虑双边合同的影响，特别是双边合同对于阻塞和网损的 影响下，得到全网的运行调度计划；而后考虑双边合同和刚才所得到的调度计划， 由i s 0 判断此时全网安全可靠性是否得到满足，若不满足，发电协调员( s c ， s c h e d u l c rc 0 0 r d i n a t o r l 则要求电能交易中心或合同双方对交易进行修改。i s o 向所 有市场提供开放均等的输电服务，参与双边合同的发电机组或用户按照合同规定 的价格进行结算，而参与电能交易中心交易的机组或用户则按照竟价交易规定的 结算价格进行结算。 以上三种基本模式是现有电力市场的主要交易模式，第三种市场模式是目前 各国电力市场发展的趋势。英国电力市场抛弃了原有的联营体模式而建立起英国 电力市场新模式n e t a ( n e we l e c t r i c 时t r a d i n ga r r a n g c i i l t ) ，在这一模式下，允许 进行双边交易，并把双边交易的程度扩大。美国加州电力市场、新英格兰电力市 场n e p o o l 、北欧四国电力市场虽然在市场运营规则的细节上千差万别，但均属 于第三种市场模式的范畴。我国电力市场起步较晚，电网情况复杂，现处于发电 侧开放的试点阶段，只存在联营体交易基础，但随着市场的逐步成熟和运行经验 的积累，可以预见，未来市场中也将引入双边交易模式。 1 2 3 电力市场的交易类型 电力市场交易根据交易内容可分为有功电量交易和辅助服务交易。 有功电量交易根据交易发生的时间不同又可分为现货交易、短期合同交易和 长期合同交易；现货交易又分为日前交易和实时交易；长期合同又可分为一般长 期合同和期货合同；辅助服务交易根据服务内容包括备用、无功及电压支持、恢 复及黑启动、调频等辅助服务。如图卜3 所示： 6 电力产品和服务交易 有功电量交易 辅助服务交易 f 目前交易 现货交易 i 实时交易 短期合同交易 f 一般长期合同交易 长期合同交易f 【期货合同交易 系统备用 无功及电压支持 系统调频 恢复及黑启动 图卜3 电力市场交易类型 f i g 1 3 t m d i n g t y p 髂o f e l c c m c p o w 盯m a f k e t 现货交易为实物交易，一般通过竟价拍卖方式实现。日前交易是发电企业通 过竞价形成的次日( 或未来2 4 小时) 电能交易；实时交易是为了保证电力供应的即 时平衡而组织的实时电能交易。 短期合同交易通常以月为单位，购电方提前与发电商签订购电合同，能够保 证发电商一定的发电量，目的是规避电力价格的风险。长期合同交易通常以年为 单位，一般长期合同是发电方和购电方达成的在规定时间内以商定的价格完成规 定数量的电能交易的具有法律效力的文件：期货合同在内容上与一般长期合同类 似，其区别为合同本身具有价值，可以在市场上进行交易，其利润等于购买合同 的价格与合同生效时市场价格之差。 辅助服务交易是为了系统的安全和可靠，在供需出现突然变故时能使系统恢 复平衡，可提供系统备用、系统调频、无功补偿及电压支持、恢复及黑启动等辅 助服务。辅助服务交易，就是通过市场竞争的方式，确定这些辅助服务项目的交 易量和交易价格。 1 2 4日前电力市场报价方式和出清过程 本论文研究基于联营体模式下的发电侧电力市场，所以此处重点讨论日前电 力市场。日前电力市场的交易是在实际履行目的前一日进行的，首先由市场公布 次日各时段的预测负荷，然后参与竞争的发电商提交竟标数据，一般以机组为单 位进行竞标，最后由i s o 决策最优的发电计划“，交易中心p x 通过机组报价排序 确立边际电价即市场结算价格。 l 机组报价方式 7 e 塞变道厶堂亟堂焦途塞 在日前电力市场中，机组申报的数据一般包括经济数据和技术数据两部分。 ( 1 ) 机组申报的经济数据 机组申报的经济数据主要是指机组的报价曲线，也就是机组的“电价功 率”曲线，该曲线表示机组在某一电价水平下愿意提供的出力，也就是机组在现 货交易市场中的供给曲线。报价曲线通常为连续线性、分段线性或分段水平的单 调不减曲线。除了报价曲线以外，机组还需向交易中心单独申报机组的启停费用 和机组最小出力时的报价。 ( 2 ) 机组申报的技术数据 包括机组最大最小出力，升降负荷速率，最小持续开停机时间，机组当前状 态，机组热冷启动时间、机组每天最多启停次数等。 2 出清过程 交易中心对于单时段的市场出清过程如图卜4 所示，发电商向电能交易中心提 交在任意某一时段的报价曲线，交易中心把各发电商的报价按从低到高的顺序排 序。此时段的系统总负荷决定哪些报价可以成功得到发电计划，哪些报价失败。 图卜4 中发电商a 得到发电计划异，发电商b 得到发电计划最一日，发电商c 得到 只一只的发电量，而发电商d 由于报价过高而竞价失败。多时段日前市场的出清要 考虑机组最小持续开停机时间、负荷备用、网损修正等一系列的约束条件，要考 虑机组组合问题，出清过程更加复杂，具体内容会在后面章节深入讨论。 图卜4 交易中心单时段出清 f i g 1 - 4 m a r k e t d e a r i n g o f s i i l g i e h o l l r o f e l e c 蛹c p o 、榭m a r k e t 1 2 5 分时竞价电力市场运作方式 目前世界各国的电力市场竞价均采用按时段对负荷进行拍卖的分时竟价方 式，但所采用的分时竞价在具体拍卖方式和竞价规则上有所不同。 从不同角度分析，大致可以分为以下几种类型： 从拍卖方式角度，可分为单轮投标( s j n 西e - r o 瑚da u c t i o n ) 和二次投标 ( r c b i d d m 曲。二次投标时，市场出清后允许发电商修改投标数据，但这种修改一般 仅限于机组可用参数，不允许修改报价，而且只有一次修改机会。 从投标内容角度看，可分为单部投标( s i n 西e - p a nb i d s ) 和多部投标( m u l “p a n b i d s ) 。单部投标时，发电商只提交电能报价，发电商在构造投标策略时，需要考 虑所有费用以及运行约束，并将这些因素隐含在报价曲线中，系统只按照报价排 序来采购电能，不负责机组运行方式的安排，这种运作方式通过分散调度 ( d c c e n 咖l i z e dd i s p a t c h ) 由各发电商自己确定机组的运行计划。多部投标时，发电 商的投标数据包括电能报价、机组开停机费用、机组运行参数，以反映发电机组 成本结构和运行约束，在这种投标方式下，市场出清以系统总购电费用最小为目 标，考虑机组的运行特性和启停费用优化机组运行。这种运作方式通过集中调度 ( c 伽t m l i z c dd i s p a t c h ) 确定各发电商获得的发电计划和交易结果。 单部投标方式下市场出清简单透明，只需对报价机组进行排序即可，不需做 机组组合，但该投标方式下，机组实际的运行方式根据发电商的报价由市场竞争 来决定，而报价又要依赖于机组的运行方式，这给发电商的报价造成了困难。本 文研究基于多部投标。 1 3 电力市场竞价交易研究现状 1 电力市场竞价方式 目前各国电力市场所采用的均是分时竞价方式，但随着电力市场实际运营经 验的积累和相关理论的深入研究，国内外专家学者开始着手研究建立新的竞价方 式。1 9 9 8 年，b e f k d e y 大学的e l m a g h r a b y 在文献 1 8 中分析了当前电力市场竞价机 制中存在的问题，首次提出了水平拍卖( h 嘶z o n t a l a u c t i ) 的思想。所谓水平拍卖， 即按曰负荷的持续时间将负荷曲线分块，每个持续时间t 为一个不同的负荷块，发 电商对每个负荷块进行投标，标明在t 小时的持续时间内生产p m w 功率时的价格。 相对于垂直拍卖( v 醣i c a la u c t i o n ) ，即通常意义的分时竞价，水平拍卖更符合机组 实际运行的特点，便于解决机组多竞价时段间的连续性约束。e 1 1 i l a g 舡a b y 和o r 在文献 1 9 提出了水平拍卖的方法，并且进一步证明，不论发电商在各个竞价时 段采用相同或是不同的报价曲线，垂直拍卖都是没有效率的，而在满足一定假设 条件下，顺序水平拍卖是有效率的。系统负荷按照负荷持续时问分块，每个持续 时间对应于不同的负荷块，发电商对每个负荷块进行投标，顺序水平拍卖是指持 续时间最长的负荷块最先拍卖，其次是负荷持续时间次之的负荷块进行拍卖，依 次进行。在每轮拍卖前，以前各轮拍卖结果是已知的。文献 5 5 基于水平拍卖的 思想，提出了“分段竞价”的概念，该文献对目前分时竞价方式进行了分析，指 9 b 塞窑遭厶主熊土堂位途塞 出这种竞价方式不仅给发电厂报价带来困难，而且有悖于市场公平的原则。出现 这些弊端的根源在于没有充分考虑电能生产的连续性要求。分段竞价是把负荷曲 线按照负荷持续时间划分成若干负荷段，市场对各负荷段进行竟价拍卖，各负荷 段的市场出清段价是该负荷段的边际投标价格。该文献还从理论上证明了分段竞 价的市场效率高于分时竞价，同时指出分段竟价便于发电商的机组运行和投标决 策制定。 文献 5 6 5 7 对分段竞价电力市场的出清算法问题进行了研究，将日负荷曲线 分成基荷、腰荷和峰荷段，根据总购电费用最小进行优化调整，即对腰荷段和峰 荷段的分界点寻优以使腰荷段和峰荷段购电费用之和最小，最后进一步优化组合 基荷机组从而达到总体的优化方案。但是文献 5 6 5 7 研究的基本假设是市场中只 有基荷机组与峰荷机组两种类型机组，基荷机组参与第一负荷段电量的竞争，在 第一负荷段竞价成功的机组才能继续对其余高阶负荷段的负荷进行竞争，而如果 基荷机组在第一负荷段竞价失败，则再无机会参与其余负荷段的电量竞争。同时， 峰荷机组只能参与末端负荷段的电量竞争。但是，在电力市场条件下，市场竞争 机会对于每个市场参与者均是平等的，每个负荷段的负荷需求应给机组公平竞争 的权利，只要机组运行时间技术约束满足分段负荷持续时间要求，该机组就可以 参与此分段负荷的电量竞争，分段市场设计时不应人为设定准入障碍，而是应给 竟价机组公平的竞争机会。本文分段市场出清算法不同于文献 5 6 5 7 ，而是充分 考虑公平性竞争原则，市场不再区分参与者为何种类型机组，参与者之间的不同 就是机组初始运行状态、最小开停机时间约束等技术参数的不同，只要通过判断 机组在某一负荷段报价可行，则该机组就可以参与此负荷段的竞争，具体内容见 第四章。 2 竞价交易算法 目前电力市场的竞价交易出清算法研究集中于分时电力市场出清算法的研 究，分段电力市场由于其特殊的竞价方式设计使得出清过程变得简单易行，主要 是采用顺序出清算法。此处主要介绍分时电力市场出清算法的研究现状，主要有 以下几种：排队法、等报价法、动态规划法、遗传算法、网络流法等，它们分别 适用于不同的分时竟价交易运作方式、报价曲线类型和约束条件等。 ( 1 ) 排队法 排队法也称优先级法，使用条件是报价曲线必须是分段非减水平线( 阶梯形) 。 排队法的基本思想：首先，读报价数据，包括负荷预测曲线、交换计划及合同规 定的计划等数据，将各电厂和各时段的报价由小到大顺序排队，构造报价排队表； 然后根据各个时段的负荷数据以及报价排序表构造竞价表；最后考核各类约束。 由于该算法在编排计划的时候没有考虑系统的安全约束和时间约束，很有可能要 1 0 多次运算才能得到结果。而且对报价数据的格式有着严格的要求，处理的报价问 题比较局限。 排队法的特点： 简单快速，既可以用于电力竞价，也可用于机组组合； 只适用于非递减的分段水平报价曲线； 实用上的技术难点在于如何解决发电机组升降功率约束和开停时间约束。 ( 2 ) 等报价法 在开放发电侧电力市场条件下，如果按统一边际电价结算，等微增率准则变 为等报价原则；如果按各机组实际报价结算，等微增率准则变为等报价微增率准 则。从原理上来讲，按边际电价结算的等报价法和按实施报价结算的等报价微增 率法是相通的，计算的程序完全相同，只是适用的数据不同。等报价法的数学本 质是求解一维非线性方程，目前有以下几种解法：线性方程法、牛顿内插法、牛 顿外插法和夹板二分法等。 等报价法的特点： 只要报价微增率曲线是非递减的，无论是曲线的斜线段、水平段或垂直段 均能可靠收敛； 计算速度足够快； 该算法只能在已竞价成功的机组间分配发电功率，机组的启停状态需用其 他机组组合算法来协助； 在下降报价特性时，等报价准则不能达到购电费用最低。 ( 3 ) 动态规划法 动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法，其既可以解决机 组组合问题又可以解决功率分配问题。在机组组合模型中可以考虑时段间的启动 费用和机组开停机时间限制，在功率分配模型中可以处理报价曲线的下降特性。 依照机组报价时间，将整个竞价周期划分为若干竞价时段，每个时段为动态 规划过程的一个阶段，各阶段状态即为该时段机组所有可能的开停机状态组合。 从初始阶段开始，由前依次向后计算到达各阶段各状态最小的累计费用( 包括开停 机费用和运行时的燃料费) ，再从最后阶段累计费用最小的状态开始，由后向前回 溯，依次记录各阶段使总累计费用最小的状态，这样就可得到最优或近似最优解 其缺点是：求解过程具有明显的阶段性，如果在机组状态转移时，考虑与时间有 关的约束条件和机组爬坡速率等限制，则可能丢失最优解；状态量过多时，有“维 数灾”问题，因此应用此法的关键在于在不丢失最优解的前提下尽量减少状态数。 ( 4 ) 网络流规划法 网络流规划法是针对网络问题的一类算法，适合多约束、高维数的线性及非 j e 塞窑遵厶堂亟堂位途塞 线性优化问题。其显著特点是能够解决其他一些竟价算法难以解决的时间约束和 网络安全约束问题，是目前较有前途的电力市场出清算法。其技术难点有两个： 一是降低可行解的搜索范围；二是解决计算潮流和实际潮流的一致性问题。 ( 5 ) 遗传算法 遗传算法属于随机搜索类算法，是目前广泛研究和应用的模拟自然界生物进 化过程的优化算法。遗传算法是一个框架式算法，可以根据具体问题进行不同的 细化。此算法的优点是：对目标函数性态无特殊要求，从理论上来说可以找到全 局最优解，可以得到多个可选方案，方法比较灵活，可以考虑多种约束，适合于 并行处理。其缺点是：遗传算法本质上属于无约束优化算法，如何处理约束条件 将在很大程度上影响算法的效率；由于是随机优化算法，每次计算的结果具有随 机性，不能保证得到全局最优解；计算量比较大，所需时间长。通过对上述各方 法的分析，本文提出一种基于特殊编码的遗传算法来实现多部投标方式下的分时 竞价电力市场的出清。 1 4 本文所做的主要工作 本文围绕在电力市场的两种竟价方式( 分时竞价和分段竟价) 下系统如何出清 问题进行了深入研究，在提出和建立分时竞价和分段竞价交易模型、交易算法和 交易规则的基础上，以我国某实际电力系统中的部分机组构成的模拟系统为背景， 分别在不同的竟价方式下实现了市场出清，并对上述两种竟价方式进行了综合比 较和分析。同时也对市场出清过程中如何消除线路阻塞问题进行了研究，提出了 一种以购电费用调整量最小来消除阻塞的方法，并进行了算例验证。本文的工作 主要有以下几个方面： 1 全面分析分时竟价电力市场的原理、模型及目前采用的主要竞价算法，并 且分析了它们的优势与不足。提出了一种基于特殊编码的遗传算法来实现分时竞 价电力市场的出清，该法很好的解决了机组