（电力系统及其自动化专业论文）区域电力市场日前购电模型与决策的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nas i n g l e - b u y e re l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n t ，t h ep o w e rg r i d c o m p a n yi ss u b j e c t e dt ot h ep r o b l e mo fp u r c h a s es t r a t e g yf r o mm u l t i p r o v i d e r so f p o w e r t h ep u r c h a s e rn e e d s t og a i ne n e r g yb yr e l a t i v el o w e rp r i c e ，b u tt h eg e n e r a t o r s w o u l dl i k et os e l le n e r g yb yh i g h e re l e c t r i c i t yp r i c e o b v i o 懈l y ，t h d rg o a l sa r et op u r s u e m a x i m i z a t i o ne c o n o m i cb e n e f i tf o rt h e m s e l v e si nt h ep o w e re x c h a n g em a r k e t i nt h e e l e c t r i cp o w e rm a r k e t ，m o s to f s p o te l e c t r i c i t yt r a n s a c t i o n si sr e a l i z e di nt h ed a y - a h e a d e n e r g ym a r k e t n 把d a y - a h e a dp u r c h a s es t r a t e g yi st h ep u r c h a s ep l a n n i n gt h a t c a r l a c h i e v et h em a x h n u mb e n e f i tf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e mt h r o u g hc o n s i d e r i n gc o n s t r a i n s l i k el o a dd i s t r i b u t i o ns p a c e s ，s e c u r i t ya n dt r a n s m i s s i o na b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，a n d p u r c h a s ec o s ta n dt r a n s m i s s i o nc o s t t h ed a y - a h e a dp u r c h a s es w a t o g yn o to n l yi n f l u e n c e s e c t l d t ya n de c o n o m i co fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，b u ta l s op o w e rs u p p l ya n de n e r g y s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h a t sw h yt h er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n da p p r o a c ho ft h e d a y - a h e a dp u r c h a s es h a t e g yi so fg r e a tf o c u sa n ds i g n i f i c a n c e h o w e v e r ，b e c a m et h e s t r a t e g yi sr e l a t e dw i t l lt w oa 印e c t s ：t e c h n o l o g yo fp o w e rs y s t e ma n de c o n o m yo f e l e c t r i c i t ym a r k e t ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p l e x i t ya n dt h el a r g e - s c a l e , t h e t h e o r ya n da p p r o a c ho ft h ed a y - a h e a dp i l r c h a s es t r a t e g ys t i l lh a v en o tb e e ns o l v e dv e r y w e l ly e t i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h et h e o r ya n da p p r o a c ho ft h ed a y - a h e a d p u r c h a s es t r a t e g ya r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r f i r s t l y , an e wm a t h e m a t i cm o d e l o ft h e d a y - a h e a dp 嘛h 够es t r a t e g yi s p r e s e n t e d ao b j e c tf u n c t i o ni sb u i l tb ym i n i m i z i n gt h et o t a lp 哪c h a s ec o s t ，a n dt h e e c o n o m i ca n ds e c u r i t yc o n s t r a i n sf r o mg e n e r a t o r sa n dp o w e rs y s t e ma i n c l u d e di nt h e m o d e l a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt os o l v et h eu n c e r t a i n t yo fl o a df o r e c a s t i n go ft h e o p t i m a lp 珊c h a s em o d e l ，t h em o d e l i s c h a n g e e d i n t o f l 】五了c h a n c ec o n s t r a i n e d p r o g r a m m i n gm o d e l s e c o n d l y , ah y b r i dg e n e t i c s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h mi sa d o p t e df o ro b t a i n i n g t h er e a s o n a b l es o l u t i o n t h i r d l y , u n c e r t a i n t yd e c i s i o nt h e o r yi sa p p l i e da n df i v es t r a t e g i e sa r eo b t a i n e du n d e r f i v er u l o s , s ot h a tt h eo p t i m i z a t i o nt h ed a y - a h a a dp u r c h a s es t r a t e g yi sd e c i d e da c c o r d i n g c o u p l es t r a t e g i 铭 f i n a l l y ，aa l g o r i t h mp f o 影吼o f m a t l 蝴5l a n g u a g e p r o g r a m m i n gi sa c h i e v e da n d t h r o u g hi e e e 3 0n o d ep o w e rs y s t e ma n dn o r t hc h i n a5 0 0 k vp o w e rg r i ds h o w st h a t 北塞交通太堂亟堂位论塞垦s ! b ! t h ep r o p o s c dm o d e la n da l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e a tt h e 韶n - l et i m e ，a d a y - a h e a dp u r c h a s es h - a t c g y i n t e r f a c es y s y c mi sb u i l tt ou s ev c + + l a n g u a g e p r o g r a m m i n g k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rm a r k e t ：t h ed a y - a h e a dp u r c h a s es t r a t e g y ：f u z z y s i m u l a t i o n ：f u z z yc h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ：h y b r i dg e n e t i c - s i m u l a t e d - a n n e a l i n g a l g o r i t h m ；u n c e r t a i n t yd e c i s i o n c l a s s n 0 ：t m 7 4 4 ；f 4 0 7 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孑彳欠秀 签字日期：2 卯7 年坟月多日 导师签名： f 司罩 签字日期：口年，月知日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通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：刁傲签字日期：口卯7 年胆月珈日 致谢 首先感谢北京交通大学电气工程学院提供给我这样一个继续深造的机会，电 气学院优秀的师资力量和丰富的学习资源，使我受益终生。 感谢我的导师周晖副教授的教诲。她对学术的严谨态度和对工作的兢兢业业 永远是我进步的动力。在二年半的学习生活当中，课题的每一个小小的进步，都 离不开周老师前瞻性的创新思维的引导；每次的交谈，都使我思维开阔，促我进 步。周老师不仅教会了我如何做学问，更教会了我如何做人。能遇到这样的一位 老师，是我的荣幸。 感谢大同供电分公司张金晔、杨建荣、姚坚同志给予本论文的帮助。 最后感谢我的母亲在千里之外给予我在学习、生活上的全力支持和无微不至 的关怀。 借此论文完成之际，谨向每一位关心我、帮助我的老师、家人、同学、朋友 致以衷心的感谢。 1 绪论 1 1 日前购电决策研究的背景 电力市场的建立有两个目的：一是保证电网的安全运行，二是促进电网的经 济运行。自2 0 世纪8 0 年代后期，英国、美国、澳大利亚、挪威等国结合本国特点， 相继开展了电力市场改革。通过打破传统电力工业一体化的管理模式，形成了“厂 网分开、竞价上网和输配电分离”的开放电力市场，其所获得的成功极大地激励 了世界上的其它国家。这种通过引入竞争，提高电力生产效率，促进电力工业良 性发展的市场化模式，成为电力工业发展的必然趋势。 在这样的大环境下，根据各国的经验，结合中国的国情，我国确立了分阶段 实施电力市场的战略；第一阶段，放开发电市场，实现“网厂分开、竞价上网”。 第二阶段，逐步放开输电网，实现输电与配电分开，进行批发竞争，大用户具有 选择供电商的权利。第三阶段，根据市场经济发育状况，远期放开配电网，建立 零售竞争模式的电力市场，分阶段放开售电领域，给用户以选择售电商的权利， 同时允许售电经纪人进入市场，建立规范有序的电力市场。经过几年的培育和探 索，我国的电力市场已取得了阶段性的成果。 “十五”期问，电力系统以往的发、输、配、用一体化的垄断经营模式被彻 底改变，发电公司和电网公司已经实现了资产和经营上的分离，电网企业从原来 的电力产业链条中分离出来，成为了一个独立的经济实体。电网经营企业已经重 组为“国家电网公司”和“南方电网公司”。 2 0 0 3 年7 月国家电力监管委员会颁布了关于区域电力市场建设的指导意见， 把培育和建设区域电力市场作为当前电力市场建设的重点，初步形成华北、东北、 华东、华中、西北、南方等六大区域电力市场。 2 0 0 4 年1 月1 5h 东北区域电力市场的建立并进入模拟运行以及2 0 0 4 年5 月1 8 日 华东电力市场开始模拟运行，标志着我国电力市场化改革由此迈出实质性步伐。 2 0 0 5 年继东北、华东之后，南方电力市场建设也已经正式开始模拟运行。 “十一五”期间，华中、西北、华北电力市场建设正在按计划推进。 这种以实现资源合理配置，保障电力工业可持续性发展为目标的改革，使得 电力系统在管理和经营观念上有了本质的变化，传统的计划经济体制下的靠行政 命令的统一调度受到了强烈挑战。在传统的电力工业中，电价由国家统一制定， 各发电实体统一调度，电网公司的主要任务就是保证电网的安全、稳定运行，其 j e 塞窑逼塞堂亟堂僮i 金塞 利润平均分摊。而在电力市场初级阶段，发电公司( 卖方) 和电网公司( 买方) 都能自由的进出交易市场，买卖双方通过互联的电力网络进行电能交易，买方希 望以最低的价格获取电能，而卖方希望以较高的价格卖出电能，显然对买卖双方 而言，参与市场的目的是为了追求自身的最大经济利益【l 】，由此，许多新的问题也 将显现出来，如： ( 1 ) 系统实际潮流与负荷预测有很大差别，负荷预测偏高和偏低都可能使电 网公司遭受损失； ( 2 ) 结算方式可能影响电网公司的利润。现有的电力市场中一般存在两种结 算方式，按发电公司报价结算和统一市场清算价结算，这两种结算方式下，发电 公司都有可能会抬高其市场报价，从而使电网公司的购电费用上升； ( 3 ) 电网运行中出现的输电阻塞。由于历史原因，造成了我国电网结构薄弱 的局面，当我国经济高速发展，用电量增加时，很可能会使某些地区发生输电阻 塞【”，这对于电网公司在经济和安全上都将造成严重后果。特别是在美国加州的电 力危机和8 1 4 美、加大停电等一系列重大的恶性事故发生以后，更加引起了人们 对电网安全运行的重视p , 4 1 。 所以，在厂网分开的电力市场条件下，对于电网公司来说，传统的经济调度 模式已不再适应当前电网的发展形势，如何给出正确而又及时的购电策略，获得 最佳经济效益，且又保障电力系统安全稳定的运行，已成为一个新的研究课题。 1 2 日前购电决策研究的意义 在我国电力市场的初级阶段，发电侧实行竞价上网，输配电仍然垄断经营， 交易模式为单一购买模式。电网公司作为单一购电者，在电力市场交易中，担负 着从多个发电公司购买电力，以满足用户需求的任务。通常，电网公司在考虑风 险因素条件下，一般要在合约市场中通过签订合同购买一定电量来规避风险，剩 余电量通过现货市场购买来平衡。现货市场包括e t 前市场和实时市场，其中大部 分现货电量的购买计划都在日前市场中完成【卯。日前市场购电不同于长期合同购 电，它是根据负荷预测，考虑负荷的空间分布，以及电网安全、输送能力等因素， 通过对购电成本、输电成本进行分析，编制次日的购电计划，以谋求系统效益最 大化。 同时，决策是一种人- 机结合的优化方法，即所制定的策略是根据计算结果， 结合专家经验在多个可行方案中选择一个最佳方案。由于在电力市场中，经济规 律的作用会使机组组合原则、服务定价和数据的商业敏感性发生很大变化，许多 商业行为的存在增加了电网运行的复杂性，而购电决策优化方法可以适应电力市 2 场环境多变的情况，电网公司能够根据购电决策迅速制定相应的购电策略，从容 应对消费者最终需求的多变，并安捧有效的生产计划和采贿计划。同时，进行效 益估算和风险管理【6 l ，最终使得电网公司可以确定合理的购电量和购电时段。 因此，制定全局最优的日前购电决策，既能够保证电力系统的安全优质、经 济运行和可靠供电，又能够保证电网的“公平、公正、公开”调度，从而保证我 国电力市场的健康发展。 综上所述，深入的研究日前购电决策的模型和算法具有很高的学术价值和深 远的实际意义。 1 3 国内外研究动态 随着电网商业化运营的开展，原来统一调度模式下的概念、理论与分析方法 都进行了必要的修改。日前市场交易模式要充分考虑到市场经济特征，采用新的 数学方法分析电力市场的运行，例如，用经济决策理论解决电力市场中的交易决 策问题。为了给市场参与人员提供可靠的交易计划，还要考虑电力系统的固有特 征，如安全性和稳定性问题。在电网商业化运营的条件下，电能生产除了保持其 供需实时平衡的特点外，与其他商品生产有很多类似之处。电力企业需要根据市 场需求，安捧生产经营活动。为满足这方面特点的要求，电力市场运行既需要进 行负荷预测、发电计划和安全经济调度等分析工作，也需要进行与市场经济特点 相适应的交易分析和交易结算。 目前，国内外对于目前购电决策问题的研究，大都集中在两方面： ( 1 ) 解决合约市场和现货市场中购电量的分配研究 7 - 1 8 l ； ( 2 ) 日前市场购电策略的研究l l ”2 叼。 1 3 1 购电分配研究动态 合约市场和现货市场的购电分配问题，在购电策略的研究中占有很重要的位 置。由于购电分配闯题主要是利润与风险的协调问题，所以常应用经济和管理的 理论，对市场购电量进行研究。其中，文献 7 9 对电能在不同时间长度的市场 ( 长期合约市场、日前市场和实时市场) 之间的分配方法进行了一般性探讨；文 献 1 0 ，t 1 给出了考虑风险时远期市场最优购电量的解析式，构造了由总购电费用 和风险共同组成的目标函数，运用数学分析的方法，寻求一种购电策略优化两个 市场的购电分配，使总的购电费用和风险最小；文献 1 2 1 4 研究了国内外的电 力市场的发展趋势，同时分析比较了现货交易、期货交易及远期合约交易，并指 出现有的交易方式的缺点，提出了在电力市场中需要建立现货交易手段和远期合 约交易手段的有机集合机制，用来防范电力价格的频繁波动对电网公司的影响； 3 j e 丞銮适盘堂亟堂焦迨塞 文献 1 5 1 主要研究长期合约市场和现货市场之间的电能购买分配和需求竞价问题； 文献 1 6 1 根据m a r k o w i t z 投资风险理论建立了收益最大，风险最小的双目标函数数 学模型，采用k - t 条件进行求解，计算出在长期市场和现货市场中最优的购电组合； 文献 1 7 1 首次把套利和风险考虑在一起解决购电问题，对购电分配做出了很好的尝 试；文献 1 8 1 采用金融领域广泛采用的效用函数和v a r 方法，建立了确定最佳组合 方案和定量评估风险的模型。 由此可见，购电分配问题是一个非常活跃的研究领域，并已取得了非常有价 值的成果。本文在研究日前市场的购电策略时，假设合约市场和现货市场的购电 分配已经确立。 1 3 2 日前购电决策建模和算法研究动态 日前市场的购电交易计划与传统的经济调度相比，其内涵发生了本质的变化： ( 1 ) 数学模型的目标函数的改变。在传统的电力系统中，电网公司追求的是 使整个系统中机组的效率达到最高，耗量最少；而在电力市场条件下，电网公司 只关心购电成本，机组的效率问题由发电公司去解决。这是因为，在电力市场中， 由于厂网分开，各发电公司是相互竞争的独立企业，电网公司也是一个独立的单 位。各企业追求的都是自身利润最大，电网公司希望购电费用最小，对发电公司 内部的效率并不关心。 ( 2 ) 电力市场中产生的购电计划是一种合同。在传统经济调度的数学模型中， 所考虑的电力生产的约束条件比较简单，制定的发电计划仅仅供调度员参考，调 度员可以根据实际情况按照既定的规程改变原先制定的计划。然而，在电力市场 中，如果调度员对原先计划作修改，必须向发电公司支付额外的补偿。从而增加 了总的购电成本，这就要求电网公司尽可能提高购电计划的准确性。因此在购电 计划的数学模型中，应尽可能考虑电力生产的实际约束条件，使得决策结果尽可 能符合实际情况。 ( 3 ) 电力交易中，机组的报价曲线因时段不同而相异。各发电公司之间相互 竞争，根据不同时段市场供需状况，努力降低运行成本，调整报价策略，争取更 大的市场份额、获得更多的利润。 ( 4 ) 传统的经济调度和优化潮流都是截取系统的某一时间断面( 针对静态的 电力系统) 来进行研究分析的，很难考虑与时间相关的约束，而电力系统实际是 一个动态变化的系统，各个时段之间相互影响。只考虑单时段的优化潮流主要有 以下两个缺点：其一是单个时段最优控制行为的简单总和并不能达到整个研究时 段内的整体最优：其二是前一时段到后一时段控制变量的转移有困难或者不可能， 如机组爬升率的限制。 显然，由于各种市场因素的引入，使得日前购电决策的目标函数和约束条件 4 与传统的经济调度相比，都发生了许多变化，这就需要我们分析新形势下电力系 统运行的特点，建立适应日前购电的数学模型，并研究相应的优化算法。 日前市场购电交易决策模型的建立难点在于机组的优化组合和负荷的优化分 配选择上。文献【1 9 】结合我国的实际情况，建立了以电网为核心的买电型短期交易 计划的模型，提出了兼顾电网交易中心与发电公司之间利益合理分配的浮动边际 电价的新概念，并从电厂的角度给出了短期交易计划的公平性准则，从电网交易 中心的角度给出了最优性判定准则。文献 2 0 】针对经济调度的两种目标函数，按单 位成本最低和按购电费用最低进行论证，得出后者方案的经济效益较好的结论； 文献【2 l 】提出了在厂网分开的电力市场条件下，电网采购电力电量的4 种类型，并 对购电电量用k - t 算法进行优化求解，得到4 种类型的购电电量；文献1 2 2 1 比较全面 的总结和评述了日前电力市场购电交易的模型及算法；文献 2 3 ，2 4 以最小购电费用 为目标，考虑机组启停约束的购电策略进行研究，并给出了考虑机组启停约束的 购电策略；文献 2 5 】在电力系统的经济决策和系统运行技术分析可以分别进行的前 提下，提出一种电力市场下电力购买与配送计划优化的模型，并提出基于线性规 划的模型求解算法；文献【2 6 】建立了反映统一边际电价结算规则的购电计划模型， 并对新模型的本质进行了深入探讨，指出可以通过求解线性规划问题而得到该模 型的精确最优解，日前购电决策模型建立总结如表1 1 ： 表i - 1 日前购电决策建模总结 ! ! 坐! ：! ! 堑墅螋丛堂堂地幽巴! 崆蚴 日前购电决策模型缺点 銎妻节鏖耋墓零查耋雩! ! ! ：妻当为目标没有考虑机组启停约束、电网安全约束条件 函数，约束条件为节点负荷极限 仉刚列爪币 考虑机组启停约束的购电模型的建立 没有考虑电网的运行约束、安全约束条件 孳龛喜譬磬组和系统的安全约束条件建没有考虑多时段电网输送能力约束条件 立购电模型 “州引啊枷叫列小币 由上表可知，日前购电决策的建模研究，已详细考虑机组的各种约束条件， 包括多时段的升降功率速度约束，但仍存在着以下不足： ( 1 ) 对于电网约束考虑不多，特别是多时段的电网潮流计算考虑甚少。在电 力市场运营环境中，电力市场的交易是通过输电线路完成的，为了保证交易的顺 利进行，必须保证电网系统的安全、稳定、畅通的运行，同时由于电网事故所造 成的经济损失要远远大于经济调度带来的效益，因此，在建立购电决策模型时， 如何考虑电网安全运行约束，仍需进一步研究。 ( 2 ) 数学模型中负荷预测的不确定性影响。由于日前购电决策的用户需求是 韭塞銮煎盘堂亟堂僮迨塞 根据负荷预测值来计算的，而负荷预测具有模糊性不确定性，如果在计算中将预 测值按照单点确定量进行计算，当预测值大于需求量时，可能会导致电网公司收 益损失；若预测值小于需求量时，电网可能发生输电阻塞，影响电网的安全稳定。 如何考虑负荷的不确定性，减少或避免电网公司在经济上的损失，也需要进一步 研究。 日前购电决策问题是一个大规模、非线性、有约束、动态的混合整数优化问 题，所以求解该模型的算法，一般是将机组优化组合和负荷优化分配分开进行处 理，进行负荷优化分配时都认为机组组合己确定。但即使如此，由于电力系统规 模越来越大，投运机组数量众多，负荷变化日益频繁，要求时段的划分也越来越 密，多阶段动态优化调度问题的维数依然巨大。以等微增率为基础的经典经济调 度算法的计算速度快，得到了广泛的应用。但只能考虑线路安全约束，无法计及 各时间间隔之间的动态约束，因此限制了其未来的应用前景。目前的算法按寻优 周期的长短分为两类：第一类算法是在单时段优化的基础上利用启发式方法逐时 段调整购电计划以满足各种约束( 2 7 2 9 】；第二类算法是在整个计划周期内进行整 体寻优，寻优过程中同时考虑各种约束，这类算法有：拉格朗日松弛法 3 0 1 、线性 规划法 3 1 3 4 1 、动态规划法 3 5 3 7 、网络流规划法【3 8 ，3 9 】、内点法 4 0 ，4 1 1 ， 各算法优缺点综述如下： ( 1 ) 拉格朗日松弛法 优点：是求解优化组合的有效方法之一，一般来说，在求解大规模优化问题 时，可以使用拉格朗日松弛法将原问题分解成为多个子问题，降低求解的维数， 并且可以对不同的子问题应用不同的优化算法，大大提高了问题求解的灵活性。 缺点：拉格朗日松驰法求解过程中，解存在振荡性，甚至出现奇异。 ( 2 ) 线性规划法 优点：能够处理系统安全约束。 缺点：对于非线性的目标函数和约束，必须使用逐次线性化的手段才能求解， 计算精度将下降；且确定步长的大小是一个困难的问题。 ( 3 ) 动态规划法 优点：是求解多阶段决策问题的一种序列递推算法，它既能处理机组优化组 合，又能处理负荷优化分配，而且对于机组报价为下降曲线的情况也适用。 缺点：对机组较多的电力系统计算量太大，必须采用近似方法加以简化，导 致最优解的丢失；要求求解的问题具有明显的阶段性，难于考虑与时间有关的约 束条件和机组升降功率速率等限制；通盘考虑整个系统的问题时，使用起来不够 灵活。 ( 4 ) 网络流法 6 优点：在于它能针对不同的约束建立不同的网络流模型，因此，它能处理与 时间相关的约束和系统安全约束 缺点：网络流法一般要求目标函数呈凸性；而且网络流法也会随着组合机组 数目的增加，存在“维数灾”的问题。 ( 5 ) 内点法 优点：本质上是拉格朗日函数、牛顿法和对数障碍函数法三者的结合，在处 理不等式约束以及迭代收敛方面显现出较明显的优势。 缺点：存在易于陷入局部最小的缺陷。 由以上的总结可知，由于目前购电决策模型是一个大规模、复杂的问题，使 用传统优化算法来求解该问题时，都会遇到不同程度的缺陷，导致难以得到令人 满意的结果。因此，一些融合人工智能的算法被提出，文献 4 2 】在求解模型时，提 出了基于广义b e n d e r s 分解法的解耦框架，并使用禁忌搜索算法进行优化计算。其 他现代智能优化算法，例如神经网络法 4 3 】、模拟退火算法【4 4 】、蚁群算法 4 5 1 都 被应用。 遗传算法作为一种近年来新兴的优化算法，具有适用范围广，寻优能力强， 程序实现简单等优点，很适合于求解象日前购电交易计划优化这类复杂的非线性 组合优化问题 4 6 , 4 7 ，但计算速度馒是这种算法的缺点，需要根据购电决策的具体 特点对传统遗传算法进行改进。 1 4 本文的主要工作 现有日前购电决策无论是在建模方面，还是在算法方面都有待进一步深入、 系统化的研究与探讨。在广泛阅读了有关电力市场优化建模以及智能计算方法的 文献基础上，论文针对目前日前购电决策建模的不足，建立了日前购电决策新模 型，并应用改进的智能算法进行求解，概括起来，本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 针对我国区域电力市场初级阶段日前贿电决策的特点，建立了综合考虑 多时段机组、系统安全运行以及电网公司购电成本最小化的日前购电决策模型。 该模型以全网购电费用最低为目标函数，约束条件包括系统运行约束、机组约束、 系统安全约束、电力交易约束。结算方式采用按发电公司实际报价结算。 ( 2 ) 分析负荷预测的不确定性，确定未来一天的负荷为模糊量，采用三角型 模糊数描述负荷。根据机会约束规划理论，将购电优化模型转化为模糊机会约束 规划数学模型，并应用模糊模拟技术，检验模糊系统约束。由此可计算出符合多 个满意度的最优解，最终可构成日前购电交易的多种方案。 ( 3 ) 提出一种充分结合遗传算法和模拟退火算法各自优点的混合智能算法， 7 韭塞窑垣太堂亟堂僮迨塞 该算法采用串行方式混合优化结构。利用遗传算法有较强的全局搜索性能，能够 控制寻优方向，从而加快搜索进程；利用模拟退火算法能够解决局部收敛问题， 以提高搜索精度的特点，形成一个适合求解多时段购电优化问题的混合算法。 ( 4 ) 利用不确定型决策理论在经济分析中的应用，对计算出的多个可行方案 进行决策。确定出不定决策中不同准则的决策结果，最终选取在各准则下决策结 果出现机率最多的方案作为日前购电决策的最佳方案。 ( 5 ) 编写m a t l a b 优化算法程序，以i e e e 3 0 节点和某实际区域电力市场电网建 立测试模型，并进行计算，验证了该数学模型和算法的有效性，可行性。 ( 6 ) 编写v c + + 界面程序，以及v c + + 与m 址l a b 接口程序，构建日前购电决策 系统。通过该人机交互的软件平台，电网公司调度交易中心的系统操作员可以结 合软件的决策和实际经验，制定出符合电网公司需求的最佳日前购电策略。 g 魍电迭策班荭生的且仝基奎援盒 2 购电决策研究中的几个基本概念 2 1 购电决策中主要市场实体 电力的重构改变了传统实体在垂直一体化策略中的角色，并产生了可以独立 行使职责的新实体。在电力市场中的实体主要分成市场运营者( i s o ) 和市场参与 者。市场参与者主要包括发电公司和输电公司。 2 1 1 独立系统操作员( i s o ) 竞争型的电力市场必须有一个独立运行控制的电网。市场运营者独立系 统操作员( i s o ) 就承担了这个职责，它的任务就是安全、有效地运营市场，监督 市场不受市场力支配。i s o 管理输电价格、维持系统的安全，协调维护计划，调整 长期计划。i s o 独立于其他市场参与者，并且对输电系统的所有客户都一视同仁的 开放。i s o 有管理和分配部分或全部系统资源的权力，以及为了维护系统的安全而 限制负荷的权力。另外i s o 还要确保把正确的经济信号依次传给所有的市场参与 者，以鼓励参与者有效利用电网和加大投资。 2 1 2 发电公司( g e n c o ) “ 它是电力市场的关键参与者，其唯一目标就是获取最大利润。发电公司运行 和维护自己的发电设备，并把电能卖给已经和他们签订交易合同的实体，也可以 选择卖给交易中心，再通过交易中心卖给其他电能的需求者。除有功外，发电公 司可以交易无功和运行备用。发电公司并不隶属于i s o 或输电公司。一个发电公司 可以向几个地区提供电能，但最终要通过输电公司输送到用户。 2 1 3 输电公司( t r a n s c o ) 它将电能从发电公司输送给用户。输电系统是电力市场中极其重要的组成部 分，它的安全和有效运行是电力市场效率的关键。输电公司有建设、拥有、维护 和运行输电系统的职责，在特定的地理区域提供维护整个电力系统可靠性的服务。 输电公司提供电能的输送，与市场的其他参与者间没有共同的所有权或者从属关 系。在电力市场的初级阶段，输电网与配电网一体，则统一称为电网公司；当进 入成熟阶段，输、配电分离，配电公司从输电公司中分离成为独立的法人实体。 2 2 电力市场的交易模式 建立竞争性的电力市场，主要有4 种模式：单一购电模式、联营体模式、双边 9 j e 塞銮道太堂亟堂僮途塞 交易模式、零售竞争模式 2 2 1 单一购电模式 电力工业竞争的最初级模式是单一购电模式，也叫做“l + n ”模式，如图2 1 。 所谓“l + n ”模式，“l ”是指电力市场的单一购买者，即电网公司；“n ”是指参 与市场竞争的各个独立发电公司。用户不能与发电厂签订购电合同，只能由电网 公司采用趸售或零售的方式供电。在这种模式下，电网公司必须每时每刻做到供 需平衡，并收购所有电力，以保证对用户供电。这种模式的主要特征是：电力系 统各发电厂与电网分开，成为独立的法人；市场存在唯一的买电机构，各个发电 公司相互竞争向这个机构提供电力；发电公司承担了基建和运行两个方面的风险： 在编制基建投资和降低运行费用或降低电力生产成本方面具备自我约束机制；电 网公司负责整个电能买卖经营和操作，负责整个电网的安全可靠运行，对电网的 建设和电网的优化具有激励机制，同时承担了电网建设、买卖电的风险。此时， 输电网、配电网仍然垄断经营，为保证各独立发电公司( 或发电集团) 的平等参与竞 争，电网公司对买、卖方的运行操作须坚持公平、公开、公正的原则，电力交易 过程始终要在法律和政府的有效监督之下，电力用户没有选择供电的权力。 图2 一i 单一购电模式 f i g 2 - 1t h es i m p l e xp u r c h a s em o d e 2 2 2 联营体模式 联营体( p 0 0 1 ) 模式属于强制型电力市场模式，如图2 2 。它与单一购电模式 基本相同。只是在p o o l 模式下，一部分大用户可在某区域内通过合同直接从独立发 电公司购电，通过输电网和配电网进行输送。 发电公司 发电公司 图2 - 2 联营体模式 f i g 2 - 2t h ep o o lm o d e 大用户 电同公司 魈虫迭蘧班盈生的全基奎接盒 2 2 3 双边交易模式 双边交易模式属于非强制型电力市场模式，如图2 - 3 。在该模式下，配电网从 输电网中分离，成为独立核算的配电公司。配电公司直接从各发电公司买电，双 方通过计划协调者签订协议，审核合格的交易内容再递交给交易中心，并通过输 电网输送电力，而无需电网公司的介入。但是，配电公司对最终用户仍然有垄断 权。该模式一般不单独存在，而是与p o o l 模式共存。p o o l 模式和双边交易模式是 电力市场的成长阶段。 发电公司 发电公司 大用户 配电公司 图2 - 3 双边交易模式 f i g 2 - 3t h eb i l a t e r a lw a d e sm o d e 2 2 4 零售竞争模式 零售竞争模式是电力市场的成熟阶段。该模式下，发、输、配、用四个环节 均实行全面竞争，选择范围加大，这有助于发挥效益、采用新技术、降低生产成 本形成良好的激励机制。该模式的最显著的特点是：允许所有用户选择配电公司。 配电公司向用户发出告示，用户根据电价及服务质量选择配电公司，与配电公司 选择供用电合同。此时，要求输电网与配电网全部开放，配电和售电分开，在售 电领域引入竞争。 2 3 购电决策的交易类型 在电力市场环境下，电力交易的商品是电能量。由于电能是生产和消费同时 完成的特殊商品，因此，必须具有计划性和前瞻性，所以电力市场的电能量及其 服务的交易行为具有多种类型。按照交易的成交时间和交易的形式，电力市场中 电能交易类型包括合约交易、现货交易和期货交易等。 2 ，3 1 合约交易 合约交易通常称为中长期合约交易，它是远期实物交货合同。该市场的功能 是组织市场成员提前较长时间( 以年度或月度作单位) ，对部分负荷电量，通过签 订电能买卖合同进行的电能交易，合同价格可以通过双方协商、市场竞争或按国 家有关规定确定。组织中长期合同市场是为了防范市场风险，减少完全依赖现货 韭塞童通太堂亟堂焦论塞 市场而产生的价格和电网安全风险，保证电力市场的有序性、安全性、价格的平 稳性、电力生产的连续性。它使电网公司在宽裕的时间考虑如何保证电网安全； 发电公司有足够的时间组织燃料采购计划，保持燃料供应的长期稳定，有利于制 定发电机组检修计划；交易中心有足够的时间增加电力交易竞争的深度，以利于 在更广的范围内进行发电资源的优化配置。 2 3 2 现货交易 现货交易分为日前( 未来2 4 d , 时) 交易和实时交易。 ( 1 ) 日前交易是提前一天进行未来2 4 d x 时的电力交易。日前市场在电力市场 中是比较重要的。在该市场中，完成了大部分现货市场电量的竟价，落实了机组 合同电量在交易日中的运行曲线，制定了满足电网安全、包含了合同电量和大部 分现货电量的购电计划。日前市场的主要任务： 向发电侧提供经济激励，鼓励其按照实时调度要求进行调节； 由于日前市场与实时调度所采用的基本潮流模型与运行约束是一致的，因 此，日前市场的运作可以确保输电网不过载，也可以确保发电计划与发电机的实 际发电能力相一致。日前市场与实时市场的一致性，可以保证市场的健壮性，从 而可以提高经济效率，避免了在别的市场建立过程中出现的过度投机行为。 ( 2 ) 实时交易是针对下一个交易时段( 1 5 分钟、3 0 分钟或6 0 分钟) 负荷的波 动和发电机组的非计划停运，组织发电公司竞价上网。其主要功能就是利用市场 的手段，消除电力供需出现的瞬时不平衡。当出现大的负荷预测偏差、机组非计 划停机、线路随机故障时，为了保证电力供需平衡、维持系统稳定，i s o 应实时修 改各个发电机组在日前市场制定的交易计划，发布实时调度指令。 2 3 3 期货交易 在特定的交易所，按照特定的规则和程序进行的远期的电能交易称为期货交 易。期货合同与合约交易合同不同的是，期货合同在交易的品种、规格、数量、 期限和交割的地点等方面都已经标准化，唯一可变的是价格，因而期货合同的流 动性大大提高。期货市场的形成可有效减缓市场电价的不正常剧烈波动；发电商 和供电商可通过期货市场购买或出售一定数量期货合同，转移市场风险。 2 4 我国电力市场的层次结构和区域电力市场交易模式 2 4 1 我国电力市场的层次结构 由于我国幅员辽阔，地区差异明显，因此电力改革的初始阶段就在全国范围 内试行电力市场并不可行，而在按照电网区域划分形成的区域电力市场内先行竞 价改革就成为必然趋势。 致电决筮班究生曲且仝基奎概盒 我国电力市场的层次结构为：建立以区域电力市场为主，以国家和省级市场 为辅，统一开放、协调联动的电力市场体系。 2 4 2 区域电力市场的特征 区域电力市场相对全国电力市场而言仅仅是区域划分，所以区域电力市场具 有电力市场的所有特征。 ( 1 ) 区域电力市场具有开放性和竞争性。与传统的电力系统相比，区域电力 市场具有开放性和竞争性。由于区域电力市场的发电环节和供电环节两者之问具 有不同的技术经济特性，决定了供电环节虽然具有自然垄断性，但发电坏节却不 具有自然垄断性。 ( 2 ) 区域电力市场具有计划性和协调性。与普通的商品市场相比，区域电力 市场具有计划性和协调性。一方面，电力系统的各个环节是相互联系的，电能的 生产、输送和使用要求瞬时性，任何一个环节都会对电力系统产生影响，因此， 要求区域电力市场中电力的生产、使用和交换具有计划性；另一方面，电力系统 要求随时做到供需平衡，这就要求区域电力市场中的电力供应者之间相互协调， 保持平衡。 ( 3 ) 电价作为经济杠杆是区域电力市场的重要内容。区域电力市场主要采用 经济手段对电力系统的各个环节进行管理，因此制定电价原则，计算交易电价， 采用电价作为经济杠杆进行调节是区域电力市场的一个主要内容。 ( 4 ) 转供是区域电力市场开放的主要标志。随着高压和超高压输电网络的发 展，电力系统日益成为多个地区电网互联的大电网，甚至形成国家电网和跨国电 网。由于各地区的资源构成不同，劳动力价格和负荷水平有差异，造成各地区电 网的发电成本不同，在各地区电网之间出现了经济功率交换，由发电成本低的电 网向发电成本高的电网售电。当售电、购电双方的电网不相邻时，需要售电电网 和购电电网之间的电网承担转供任务。区域电力市场公平竞争的原则使发电者和 电力客户能够自由的选择贸易对象，因此，转供就成为区域电力市场开放的主要 标志。 ( 5 ) 区域电力市场的客户具有能动性。在传统的电力工业中，电力购买者是 被动的。在区域电力市场中，电力购买者的主动性提高了，能自由地选择交易对 象。因此，区域电力市场的客户具有能动性。 2 4 3 我国区域电力市场的交易模式 当前，在我国主要模拟试运行的区域电力市场有东北电力市场、华东电力市 场和南方电力市场。 东北区域电力市场主体统一在区域电力市场交易平台上进行交易，交易方式 分为远期合同交易和现货交易，以远期合同交易为主。 j e 塞窒道去堂亟堂焦监塞 东北区域电力市场的初期目标：组建东北区域电网公司，区域网、省电网公 司之间构建母子公司关系；开放部分发电市场；逐步对配电业务实行内部财务独 立核算；允许发电权转让。有步骤地开展发电公司与大用户双边交易试点；建立 区域电力市场监管体系和市场运营规则，初步形成以区域电力调度交易中心为交 易平台的、省为结算中心的、统一的东北区域电力市场。 中期目标：随着电力体制改革的深入、配套电价政策的出台，进行输配分开 的改革；逐步加入电力市场竞争力度，开展发电公司与独立配电公司和大用户的 双边交易；建立辅助服务市场。完善区域电力监管体系，形成以区域电力调度交 易中心为交易平台的、输配电网开放的、统一的东北区域电力市场。 远期目标：在售电端引入竞争机制，实现所有市场主体参与的全面竞争；建 立电力期货、期