（电力系统及其自动化专业论文）发电厂最佳机组组合与保本竞价策略研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电厂最佳机组组合与保本竞 价策略研究，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， 论文中不包含其他人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：勿经日期；型：兰生 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： 日期：皇堕：兰：! ? 导师签名；弛 日期：立鲤：! ：。 华北电力人学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 多年来传统的电力工业是在政府严格管制和监控下进行运作的。电力公司的发 电销售价格是根据实际发电成本加上政府规定的一定比例的利润额度来确定的。这 样就决定了传统的发电资源的优化是以在满足负荷和各种运行和安全约束条件下 的成本最小化为目标的。对发电企业来讲，降低成本可以在政府的规定范围内一定 程度上提高效益，但发电计划的最优程度和企业的实际经济效益关系不大。 在过去2 0 年里，世界各国的电力工业从电力生产、建设规模、能源结构到电 源和电网的技术都发生了较大变化。电力管理体制和经营方式正发生着革命性的变 化，由长期以来的垄断经营正逐步转向解除政府管制和市场开放。目前在许多国家， 在电力工业5 大功能领域( 印发电、输电、系统控制、配电、及供电) 中的发电和 供电领域已部分或全部进入市场化运营。市场的形式主要有双边交易市场( 或称非 强制性电力市场) 和电力库中心竞价市场( 强制性电力市场) 两种。作为独立经济 实体的发电企业如何利用自身已有豹发电资源有效地参与市场竞争是企业运营的 全新的课题。由于市场化是一个逐步渐变的过程，而且电力体制的改革也不可能一 步到位，发电公司或电厂可能面临着既要发电满足一定的政府规定的合同电量，同 时又要参与市场竟价的双重挑战。在没有政府管制而直接由市场确定电价的运营环 境中，发电售价并不直接和发电成本挂钩，以降低成本为目标的传统优化方式通常 不仅不能为企业带来最佳经济效益，甚至在变化起伏的市场环境中会导致企业成本 搁浅。因此，市场化运营的发电企业必须是在同时考虑成本和市场回报的条件下， 以生产营销利润最大化为制定发电和交易计划的最终e t 标，丽合理的能准确反映发 电成本的市场报价或竟价是实现这一目标重要环节( 2 。 我国电力体制改革的3 个历史发展阶段： 1 9 8 5 年之前，政企台一国家独家垄断经营阶段。这一时期的突出矛盾是体制性 问题造成电力供应严重短缺。 1 9 8 5 年至1 9 9 7 年，为了解决电力供应严重短缺的问题，实行了发电市场的部 分开放，以鼓励社会投资。这一时期的突出矛盾是存在着政企合一和垂直一体化垄 断两大问题。 1 9 9 7 年至2 0 0 0 年，以解决政企合问题作为改革的重点，成立了国家电力公 司，同时将政府的行业管理职能移交到经济综合部门。这一时期的突出矛盾演变成 垂直一体化垄断的问题。 我国的电力体制市场化改革在世界范围内是一项全新的工作。之所以新，就在 于电力市场化改革是在我国计划经济体制向市场经济体制全面过渡的大背景下进 i 华北电力人学硕十学位论文 行的，这与绝大多数的国家不同例如英国和阿根廷等国进行的电力市场化改革， 也经历了从电力体化经营向市场化转变的过程，但它们的电力市场化改革是在市 场经济体制的大背景下进行的，在这种情况下推动电力市场化改革要容易得多。相 比之下，我们不仅要建立电力市场，而且要完成从计划到市场的巨大转变，更加复 杂。没有现成的模式，也不能生搬硬套别国的模式。只有结合中国的实际，才能走 出一条和实际情况相符的路子。 2 0 0 2 年4 月l1 日，我国电力体制改革得到国务院批准，开始进入实施阶段。 电力体制改革的主要内容是，为在发电环节引入竞争机制，首先要实现“厂网分开”， 将国家电力公司管理的电力资产按照发电和电网两类业务划分。在发电环节，按照 现代企业制度要求，将国家电力公司管理的发电资产直接改组或重组为规模大致相 当的5 个全国性的独立发电公司，逐步实行“竞价上网”，开展公平竞争。电网环 节分别设立国家电网公司和中国南方电网有限责任公司。 这是一个革命性的变革。对任何电力企业而言，无论是观念、管理模式、赢利 模式都将发生巨大的变化。发电、输电、供电、用户整个价值链条的各个实体相互 关系都发生了变化。过去电厂电网的相互关系是一个大家庭内的兄弟姐妹关系，电 厂发出来的电，完全听电网的调度。而现在，他们的关系成为竞争的关系。在过去 的“电力计划经济”时代，发电企业效率再低、价格再高，发出来的电都照样可以 上网。电力体制改革的主要目标就是要降低成本，效益不好的发电企业可能会面临 生存危机。改革以后，在竟价上网的机制下，这种效率低下的发电公司，如果报价 太高，就很有可能被淘汰，发出来的电上不了网；而如果报价太低的话，卖出去的 电就有可能高于发电成本，做赔本生意。因此，充分整合企业的各种资源、降低发 电成本是每个发电企业目前面临的重要任务。 另外，如何在一个公开市场中最优化地操作一群发电机组是一个大的挑战，需 要日积月累的操作经验、高超的智能以及与市场和市场的其他参与者相互沟通交流 的技巧。随着竞争的日趋激烈，对于单个机组或机组群而言t 将生产资本的优化精 确到天或者小时变得越来越困难。成本分析系统正是能解决这个问题。 对于一个区域开放市场，竞价是收集各电力公司的报价，并在任何时候选出最 低的价格并限定各公司在市场上所售电量。良好的发电部门构成和成本结构将会使 公司占有市场上的优势，还尽可能高价售电。这样，通过优化发电资本、降低生产 成本，公司就能获得擐大收益。良好的报价系统将成为电厂实现这一目标有力的武 器。 由于电的不可存储特性，决定了电厂发出来的电必须立刻上网；而且电厂拉 下闸就会带来很大损失。每个电厂都希望自己发出来的电能随时上网、机组永远不 要停下来。过去电厂的成本算不算也都无所谓，竟侩上网的结果是电厂需要实时的 成本分析。因此，电厂( 机组) 保本竟价策略的计算有着非常实际的参考意义。 2 华北电力火学硕士学位论文 目前国外在电力竟价领域的研究主要针对臼前和实时市场的发电有功功率计 划的竞价以及功率计划的竞价和辅助性服务竞价的优化协调方面 1 3 一l8 。各种计算 方法的研究主要集中在如何充分考虑各种电厂内部约束和跨电厂约束的最优机组 组合问题以及非燃料类成本的配置方法。我国电力市场初期采用的是年度和月度的 电量额度竞价模式。这是电力市场理论中的一个全新的领域。这一领域的核心是要 解决如何分析发电额度与成本和报价的关系问题。 1 2 本论文的主要工作 本论文在考察了国内外电力竟价研究现状的基础上，吸取了前人的经验，结合 我国国情，对火电机组( 厂) 保本竟价策略算法做了深入的研究，提出了计算产生 保本竞价曲线的般方法。本文的主要工作有如下几个方面： ( 1 ) 研究了以市场价格为导向的最优机组组合问题，从而计算在给定市场价格 下火电机组( 厂) 的最佳发电量。这类机组组合优化问题是以电厂销售利润最大化 为目标的。这和传统的以发电成本最小化为目标的机组组合优化问题是有本质区别 的。 ( 2 ) 通过市场价格离散采样，构筑市场价格和发电量之间的基本关系曲线。 该曲线描述的是在给定上网电价下，电厂( 机组) 实现最大销售利润所对应的最佳 发电量。每一对电价和电量对应关系点都是通过一次机组组合优化得到的。 ( 3 ) 根据市场规则，在电量价格关系曲线的基础上拟合保本竞价曲线。原始 的电量价格关系曲线反映的是电量和电价的最优对应关系。然而，市场规则要求市 场成员以统一的电量、电价波段式的曲线申报竟价，参与市场交易。这就要求将原 始的电量一价格曲线通过拟合转换成符合市场规则的波段式的竟价曲线a 3 华北电力火学硕士学位论文 第二章 电力市场运行模式 2 1 国外主要电力市场现状综述 欧美等国各主要电力市场的交易和结算规则不尽相同，但市场运作模式有如下 基本特点。 2 1 1 竞价交易产品 交易产品包括两类：能量与辅助性服务( 热备用、多级冷备用和a g c ) 。整个区 域电力市场分成若干个大区域，每个区域包括多个节点( 通常是母线) 。能量竞价 按节点清算，辅助性服务分区域清算。如果市场清算优化结果出现某些输电线路堵 塞，那么相关的节点会产生不同的市场清算价格。 2 1 2 市场成员 区域电力市场中参与竞价交易的市场成员是电力公司或有经营许可的电力经 销商。其中电力公司可以是拥有若干发电厂的发电公司、配电公司或是兼有二者身 份，【乜就是说每一个市场成员可以同时参与发电竞价和用电竞价。每个电力公司在 其服务的地区内，既要向中心市场提交发电竟价以实现其发电生产任务，又同时要 以用电竟价的形式从中心市场购电以满足所服务区域内用电负荷。 在实际交易中，市场成员可以申报其实际发电资产( 机组) 的报价，也可以提 交不和任何发电资产相关联的所谓的“虚拟竞价”( v i r t u a lb i d ) 。虚拟竞价是以双边 交易为基础的，同时也依赖于实际的双边交易来实现其“虚拟”竟价的中标合同。 市场主要成员见图2 1 。 2 1 3 竞价交易方式 能量交易采用“一天前”和实时两轮竟价；辅助性服务交易一次性竞价。能量 目前市场中标清出后实施第一次结算。日前市场中标结果在实时调度时出现的偏差 通过实时市场的中标结果来平衡，其偏差部分按实时市场清算价进行结算。 市场中发电竞价的实体主要是火电机组。此外，拥有联合循环机组的火电厂、 独立水电厂( 除来水发电电厂外) 、若干梯级水电厂组可以独立作为参与市场竞价 的实体。每个竞价实体独立产生竟价。竞价的形式是单位时段( 1 小时或半小时) 功率( 横轴) 和电价( 纵轴) 的二维曲线。供电竞价曲线必须单调递增；购电竞价 曲线必须单调递减。不同的市场可能采用不同的曲线格式的规定，如波段式或分段 4 华北电力人学硕十学位论文 图2 - 1能量和辅助性服务竟价 连续线性式，见图2 2 。 在r 前竟价中，有些电力市场允许每个竞价实体每个时段( 小时) 申报不同的 竞价曲线( 如纽约、中西部市场) ：另一些市场则只允许每个竞价实体全天申报一 条曲线适用所有时段( 小时) ( 如p j m 、新英格兰市场) 。 2 1 4 中心市场中的双边交易 目前各国中心市场模式的一个主要的区别在于中心市场中双边交易规则的不 同以及双边交易量占整个交易量比重的不同。在中心市场辖区内，电力公司和用电 户间的大用户直供或电力公司之间的双边交易必须通过中心市场来实现。在交易双 方达成交易价格和计划的协议后将交易计划提交市场交易中心。其中发电以最低竞 价、购电以最高竟价的形式参与统一竞价中标过程，但双方除了商交易中心支付输 电费和服务费外，不和交易中心实施结算。买卖双方按原定协议单独结算。 在一个成熟的中心交易市场中，双边交易量总是占总交易量相当大的比例。这 对于稳定竞价市场的清算价格，降低供电和购电双方的市场风险起到重要的作用。 双边交易和中心市场竞价交易是两类性质不同的市场交易，各有利弊。双边交 易的优点在于其市场交易价格能够比较准确、敏感地反映实际供求关系状况，市场 5 华北电力人学硕十学位论文 分段线性式发电竞价( 美元，兆瓦时) 兆瓦 兆瓦 图2 - 2 发电竟价曲线 价格不易被操控；其缺点在于双边交易的随机性增加了输电调度的困难和电网稳定 的风险，同时交易的实现也受到输电容量的制约。中心市场交易有利于统一配置优 化资源，有效地掌控输电系统的稳定性；但是市场交易的公平性受到人为制定的市 场规则的影响，交易行为具有一定的投机性，市场价格也容易受到少数市场成员操 控。 目前我国正在模拟运营的东北和华东电力市场采用了一系列独特的过渡性市 场规则。其主要特点是首先建立以发电额度交易为主的年度和月度竟价市场，然后 逐步过渡到以发电功率( 计划) 交易为主的天前和实时竞价市场。在下面2 2 节和 2 3 节中，本文将着重分析东北和华东电力市场初期模式的市场规则和特点。 2 2 东北区域电力市场模式 东北电力市场是我国第一个开展模拟和试运营的区域电力市场。东北电网覆盖 区域含辽宁省、吉林省和黑龙江省，蒙东的赤峰市、通辽市以及兴安盟、呼盟。在 辽宁、吉林、黑龙江三省设电力结算中心，区域电力市场实行统一市场规则、统 交易平台和统电力调度。在市场运营初期其有2 6 个电厂参与竟价交易，其中包 括9 1 台容量不低于1 0 万千瓦的火电机组，总装机容量为2 1 7 8 万千瓦。在试运行 和未来正式运行中，东北电力市场采用年度和月度两个周期层次的发电额度竟价交 易的模式。其中年度总竞价额度占年发电总量的8 0 ，剩余的2 0 年发电量分解到 月通过月度市场竟价交易实现【1 。 在竞价交易中，电厂既是参与竞争的市场成员，又是实际竞价实体，即电厂是 6 华北电力人学硕士学位论文 参与竞价的发电单位。电厂以厂内所有机组总发电额度报价的形式参与市场竞争。 交易中心以全区域发电总成本最低的原则对所有电厂报价实施优化清算，确定各电 厂的中标电量，并且按各电厂实际报价结算。清算过程同时考虑全网各断面安全校 核和电厂最小运行方式约束。最终，在计划调度过程中，交易中心负责实现和完成 各电厂中标电量。 在年度市场中，电厂以5 波段能量和电价曲线的形式申报竟价；在月度市场中 则以3 波段能量和电价曲线的形式申报。申报总电量必须满足交易中心对各电厂规 定的最小和最大申报量的要求。申报电价也必须在市场规定的范围内。 在年度和月度市场中，东北区域电力交易中心均采用电量和容量两部制电价支 付电厂，其中电量电价由中标电厂的实际申报价确定；容量电价根据东北区域电 力市场容量电价测算办法及说明【1 ，非脱硫机组和脱硫机组分别为每千瓦每可用 小时o 0 5 l 元和0 0 5 6 元。 从目前东北电力市场年度和月度竟价试运行的结果来看，市场在优化配置发电 资源方面已经体现出一定的效果。这主要表现在，报价相对偏低的黑龙江区域大电 量中标，形成了电量向辽宁负荷中心南送的趋势，降低的全网总发电成本。同时， 由于实施两部制电价，由于市场带来的发电企业之间利益调整的幅度也是在发电企 业可承受的范围之内的。然而，由于试运行各项规则不尽完善，还存在着一定的市 场操作不透明和竞争公平性等闯题。这包括：( 1 ) 竞价前公布的市场信息不全面， 尤其是电网各断面传输容量约束和通道空闯在年度和月度竞价中的设定值和相关 的信息不充分，使得发电企业难以准确地预测市场，并在此基础上提出合理的报价。 c2 ) 竞价后公布的竟价结果中缺乏充分的和各电厂中标结果相一致的合理的、量 化的说明。( 3 ) 竞价规则中没有针对当实际调度和中标结果出现偏差时应有的补偿 机制，也没有市场成员和交易中心之间的事后投诉和仲裁的相关程序和规定。 2 3 华东区域电力市场模式 华东区域电力市场自去年五月模拟运营以来，采用了年度合同和月度部分电量 竞价的模式，其中年度合同分解为峰时段和谷时段合同，月度竟价也分为峰时段和 谷时段两个市场。峰时段定义为每天8 ：0 0 至2 1 ：5 9 ( 1 4 小时) ，谷时段定义为2 2 ：0 0 至第二天7 ：5 9 ( 1 0 小时) 。在峰( 谷) 时段，年合同额占该时段年发电总量的8 5 ， 剩余的1 5 年发电量分解到月通过月度市场竞价交易实现。 在华东电力市场月度竞价中，电厂仍然是参与竞争的市场成员，但竟价的实体 单位是机组。电厂以每台机组发电额度报价的形式参与市场竞争。同时，各省电力 公司代表用电侧参与用电额度的竞价。交易中心对峰( 谷) 时段发电和用电竟价实 施优化清算，确定峰( 谷) 时段的市场清算价和各机组的中标电量，并且按市场清 7 华北电力人学项士学位论文 算价对发电和用电双边结算。月度市场竞价规则要求每台机组以单波段能量和电价 曲线的形式申报竞价。申报总电量必须满足交易中心对各机组规定的最小和最大申 报量的要求。申报电价也必须在市场规定的范围内。 华东电力市场是于2 0 0 4 年5 月1 8 日开始模拟运行的。由于国家电监会统一部 署、精心组织，有关市场各方积极努力、大胆探索，模拟运行取得了重要的阶段性 成果。据统计，目前，华东电力市场共进行了7 次月度模拟竟价，从前6 次模拟竟 价的结果看，共有1 7 8 台机组参与竟价，竞价机组总容量为4 5 6 4 3 万千瓦，占华东 地区统调机组总容量的6 0 8 ；总成交电量达到3 1 4 5 亿千瓦时，占年度合同分月电 量的2 4 0 8 。模拟运行效果明显，华东地区资源优化配置的潜力很大，区域电力 市场具有强大的生命力。根据国家电监会的总结，模拟运行取得了5 个方面的阶段 性成果。第一，形成了华东电力市场基本框架，市场主体的责权利逐渐明晰。通过 市场这个纽带，逐步理顺了厂网关系，明确了在市场中的经济、技术和管理关系， 巩固了电力体制改革的成果。第二，初步建立了一套符合华东地区实际、与市场运 作相适应的规则办法。市场运营规则在模拟运行中通过考验，证明市场设计是科学 合理的，开展市场竞争是可行的、可控的。第三，形成了适应华东电力市场初期竞 争需要的技术支持系统，为试点的深化准备了必要的物质条件。第四，进一步增强 了市场主体的竞争意识。成交电量和价格基本正确反映了实际市场需求关系，反映 了币确的市场信号。第五，总结出了电力市场建设的基本工作步骤，培养了一批市 场运行方面的人才队伍。 目前的整个模拟运营过程到发布市场清算价格和各电厂中标结果为止，还只是 个市场竞争的模拟，因为中标结果既不落实到实际调度，也不按中标电价结算。 据了解，在未来华东电力市场模拟和试运行中可能采用月度和日前竟价市场并存的 模式f 9 1 。这将是我国电力市场从电量额度竞价迈向发电功率计划竟价的一大步。在 这种运行模式下，竟价交易将成为发电企业日常生产运营的个至关重要的环节， 将对发电企业经营管理多方磁产生深远的影响。 我国电力市场运行初期不仅在市场规则上采用上述电量额度竟价的过度性市 场化模式，在电力市场运营管理体制上和国外也有很大不同，主要体现在下列几个 方面： ( i ) 尽管在东北和华东区域都设立了区域交易调度中心。但仍然存在着交易 中心网调和省调两级调度，而美国电力市场只有交易中心( i s o ) 一级统一调度。 ( 2 ) 美国所有电力市场交易中心均是独立的非营剩性机构。电网公司只经营 电力传输，收取网络传输费用而并无任何调度权力。我国目前区域电力市场交易中 心由区域电网公司经营并由其下辖的省电网公司负责和发电企业结算a 实际上，我 国电网公司还没有成为真正意义上的市场主体，连输电电价都没有，电网的规划、 投资、建造、运营机制都很成问题。目前，人们更关注发电市场的投资，实际上， r 华北电力人学硕士学位论文 电网的投资也同样迫切，电网公司在市场环境下如何做规划，如何获得投资回报等 都未引起足够重视，甚至连这件事应当由谁负责都不清楚。当前建立良好的区域输 电交易市场和区域输电投资市场也是电力改革的当务之急。 ( 3 ) 在东北或华东同一区域电力市场，多个市场成员( 电厂) 其发电资产归 属同一发电企业( 发电集团公司) 。存在着市场成员的生产营销的不独立性和市场 规则要求其独立参与市场交易的矛盾。相比之下，美国电力市场的市场成员是各地 方电力公司，其市场成员的独立性和作为生产经营实体的独立性是完全统一的。 ( 4 ) 生产和运营的优化。市场竞争的本质要求电厂要按照经济效益来运营， 而不是按照主观决定的调度模式来运营。例如，如果一个电厂的可变成本高于市场 电价，这个电厂就没有意义开机发电。原因有二，其一是电厂会越发电越亏损；其 二是电厂实际上可以从市场通过双边交易买电来满足负荷要求。然而，由于我国绝 大部分发电企业是国有企业。国有资产的管理体制要求发电企业不仅要完成一定的 利润指标，同时还有发电量指标的要求。这种双重目标的要求使得企业无法按照市 场的准则进行生产和运营，往往为了实现电量指标而不得低于成本底线报价以期获 得一定的中标电量。 随着我国电力市场改革的不断深化，上述问题在必将会在电力市场运营管理体 制逐步完善的过程中得到解决。 9 华北电力人学硕士学位论文 3 1 火电机组模型 第三章火电系统的模型与算法 发电系统以市场为导向的机组组合和经济调度的目标函数是系统的发电生产 利润，即发电的市场销售收入减去发电成本。其中发电成本包含不变成本和变动成 本两部分。在市场竞价中，火电厂的机组发电成本的分类方式和计算精度至关重要。 图3 1 是在市场环境中一种较为合理的火电成本结构示意图。 在发电企业参与市场竞价的过程中，发电成本的分类、计量和企业的财务管理 系统对企业市场化运营的效益起着至关重要的作用。合理细致的分类、精确计量以 及实时灵活的不变成本的分摊配置是发电企业产生正确的竞价方案的基础。 首先，所谓不变成本和变动成本的分类并无绝对的标准。取决于企业的经营模 式的要求和计量检测手段和技术水平。在我国计划经济的体制下，上网电价由国家 核准确定，企业对发电成本采取了一种粗略的分类方式，即燃料成本等于变动成本， 其它各项成本则完全归入以年度为时间单位的不变成本。在计划体制下，这种成本 结构和管理方式并无大碍，但是在市场竞争的环境中，这种成本分类、分析方式远 远不能满足应对市场的需要，尤其是在月度、同前和实时交易市场中，要求细化变 动成本，将任何与机组发电量、发电计划相关的成本成份尽可能地纳入变动成本， 同时应有一套随市场变化而变化的多种分摊、配置不变成本的策略。这一点在多个 时间段层次( 如年度和月度) 市场并存的情况尤其重要。 3 2 火电机组最优组合 火电机组的机组组合和经济调度问题是于2 0 世纪3 0 年代提出来的。这是传统 的发电系统经济运行的核心问题，也是贯穿电力市场竟价优化过程中的核心问题。 在过去的大半个世纪里其理论和实践同样以缀快的速度发展。据统计，仅1 9 5 9 至1 9 7 8 年间，在i e e e 上发表的有关这领域的论文就达5 0 0 多篇。火电机组的机 组组合理论和实践的发展是与优化技术和计算机软硬件技术的发展密切相关的，其 发展直接体现在问题模型的变更上。从时阃上，可划分为如下几个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代以前，机组组合问题是以单纯的火电系统为模型的。2 0 世纪3 0 年代初期。m j s t e i n b e r g 和t t t s m i t h 根据古典变分法提出了等耗量微增 率准则，从而开创了机组组合和经济调度这一领域。2 0 世纪4 0 年代，e e g g o r g e 提出了网损修正的思想：2 0 世纪5 0 年代，l k k i r c h m a y e r 提出了网损计算的b 系 数法，从而基本上完善了经典的机组组合和经济调度模型。但这一时期的优化技术 还停留在变分法的基础上。 1 0 华北电力人学硕十学位论文 ，一一一：乏：变动成本 不变成本 图3 - 1火力发电成本结构 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 至7 0 年代，开始涉及到了水火联合调度问题，但是这一时期 仍然是基于变分法，推导出经典的协调方程。所能求解的水电厂的类型主要限于固 定水头的独立水电厂，对于梯级水电厂求解困难。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，l ， 华北电力人学硕七学位论文 ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代术至9 0 年代，机组组合和经济调度技术有了质的飞跃发 展。一些新的理论，如动念规划、极大值原理、拉格朗日松弛算法( l a g r a n g i a n r e l a x a t i o n ) 【3 【4 】、网络流算法、人工神经网络 5 【7 、以及遗传基因算法 6 】，等等， 都极大地丰富了机组组合和经济调度问题的优化手段。同时，计算机软硬技术的飞 速发展极大地提高了数字工程计算的效率，从而大大提高了上述各种计算方法的实 用性。 自2 0 世纪9 0 年代初以来，随着世界性的电力市场化以来，电力交易和中心市 场竟价机制的引入使得机组组合和经济调度问题赋予了全新的内涵。传统的以发电 成本最小化为目标的机组组合优化问题被代之以以发电利润最大化为目标的机组 组合优化问题。由于市场销售机制的存在，后者的优化过程是完全以市场为导向的。 发电利润最大化优化要求在问题的数学建模和算法设计上和传统的成本最小化优 化有很大的不同，并且对优化精度的要求更高，因为发电利润优化的准确性直接关 系到发电企业应对市场竞争的成败 1 0 。 一般来说，在市场环境中，发电企业火电机组的最优组合在数学上可以由下面 非线性优化问题来描述： ( 1 ) 目标函数：发电营销总利润最大化 妻羔阻，只，一c 亿，) u j u o1 - u j 一1 ) s i 】( 3 - 1 ) t = l1 = 1 ( 2 ) 约束条件 负荷平衡约束： 爿- 叫= f + d 7 ( t = 1 ，2 ，t ) ( 3 _ 2 ) 机组约束： p 只只“( i = l ，2 ，；t = 1 ，2 ，t ) ( 3 3 ) ；m o t ,( x ； o ； i = l ，2 ，_ ；t = 1 ，2 ，t j ( 3 4 ) j 一朋d 互( j 图3 - 2求解最优机组组合问题 变量含义： p ：第i 台机组在t 时段发电出力 h ，0 ：第i 台机组发电出力函数 h c 。：燃料七的热含量值 1 4 华北l 也力人学硕+ 学位论文 e 。1 1 ”“：燃料k 用量下限 z m “：燃料k 用量上限 中。：燃烧燃料k 的所有机组的集合 在机组组合计划的动态搜索算法中，满足上述燃料用量约束是所有可行解的 个必要条件。在东北电力市场中，电厂控制燃料成本的主要矛盾是在燃料价格上， 燃料供给量的矛盾尚不突出。但是，在华东电力市场中，燃料价格和供给量的问题 都是影响电厂竞价运营不可忽略的问题。 华北i 乜力人学硕士学位论文 第四章市场价格和最佳发电额度 4 1 发电额度竞价和发电功率竞价 发电额度竞价是电厂或机组总发电能量的竞价，实际上反映的是发电企业之间 总电能生产效率的竞争关系。它既不是简单的发电总量的竞争也不是单纯的电价竞 争，而是单位发电量的发电成本的竞争。 发电额度竞价是电力市场理论中一个全新的课题，是对发电企业营销策略的巨 大挑战。在国外1 7 前和实时竞价市场中，由于是每时段的发电功率竞价，竞价中标 的结果是个具体的发电计划，因而每一个中标结果都对应着一个确定的发电成 本。然而在发电额度竞价中，根据中标额度无法准确地确定实现这一额度的发电成 本，因为交易中心可以有实现给定中标额度的多种调度计划，而不同的调度计划导 致的发电成本是完全不同的。 电厂的竞价策略是在发电成本的基础上加上定的利润率期望值产生报价。通 过发电额度来计算发电成本需要假定未来交易中心在落实中标额度时是按照一定 的最优模式来进行计划调度的。然而，往往交易中心在调度时，因网络安全的要求 或其它原因并不能完全以经济的原则来调度每个电厂的机组。这就可能使得电厂实 际发电成本和当初产生竞价策略的成本计算出现偏差。当这种偏差出现时，如果市 场规则中没有一定的补偿机制予以校正，则会带来电厂的利润损失甚至亏损。因此， 发电额度竟价的难点在于发电企业如何准确地预测交易中心的计划调度模式，并在 此基础上提出和未来实际发电成本相近的竞价策略。 发电额度竞价优化与成本核算见图4 1 。 日圈西 圈4 0 1发电额度竞价优化与成本核算 从目前东北电力市场试运行和华东电力市场模拟运行的规则来看，发电企业通 1 6 华北电力人学硕十学位论文 过预计的或实际的中标电量来准确地计算相应的发电成本存在一定的困难。问题的 解决可能需要通过两个方面来实现。一、在市场规则中更明确地规范交易中心和省 二级调度中心调度实现中标电量的基本准则，使得从中标电量向实际发电计划转换 的过程更加透明，具有一定的可预测性。二、通过一段时间的竞价实践，尤其是几 个周期的完整的竞价运营过程，发电企业逐步掌握中标电量的调度规律。 4 2 最佳发电额度和市场价格的基本关系曲线 发电企业和交易中心之间是一种电力销售关系。最佳发电额度的定义是在一定 的竟价周期内( 如一个月、一年) 、一个给定的电量市场销售价格以及各机组确定 的容量价格下，电厂( 或机组) 在利润最大的原则下的发电量。随着市场清算价格 由小到大变化时，电厂的最佳发电额度呈递增趋势。图4 - 2 是一个典型的电厂最佳 发电额度和市场价格的关系曲线。 图4 2 的最佳发电额度和市场价格函数曲线有如下基本特性： ( 1 ) 当市场价格在0 和p i 之间时，最佳发电额度维持在e l 值不变。如果所有 机组的容量电价为o ，那么e l 应该也是o ，即所有机组都不应该开机。当某些机组 的容量电价高于其在最小出力的平均成本时，这些机组即使在电量价格为0 的情况 下也应该- 刀：机，从容量电价中获取利润。然而这时第一批行机的机组的微增成本还 高于电量市场价，因此均维持在最小出力，使得电厂总电量在e l 值不变。 ( 2 ) 当市场价格在p 1 和p 2 之间时，由于电量的市场价已开始高于第一批- 丌机 的机组的电量微增成本，从而电厂的总发电量呈线性增长。 ( 3 1 当市场价格超过p 2 在p 2 和p 3 之间时，由于电量的市场价高于另一些机 组在最小出力的平均成本，导致第二批机组开机，使得电厂总电量在市场价p 2 点 从e 2 跳跃至e 3 。这时第一批机组均处于满负荷发电状态，而第二批机组微增成本 仍高于p 3 ，维持在最小出力，使得电厂总电量在e 3 值不变。 ( 4 ) 当市场价格在p 3 和p 4 之间时，由于电最的市场价已开始高于第二批开机 的机组的电量微增成本，从而电厂的总发电量呈线性增长。 f 5 ) 当市场价格超过p 4 时，全电厂机组全部开机满发。e 4 是电厂满负荷最大 发电量。 电厂的最佳发电额度和市场价格函数关系曲线是电厂在成本的基础上产生最优 竞价的基础。程序在给定市场价格的范围内，对市场价格进行多点采样，在每个市 场价格点下，通过最优发电交易计划模块，在全系统利润最大的目标下，优化计算 出每个电厂的最佳发电额度。由此便可得到每个电厂的最佳发电额度和市场价格的 关系曲线。 1 7 华北电力火学硕： ：学何论文 市场价格( 元万千瓦) p 4 p 3 p 2 p 1 0 e 1e 2e 3e 4 最佳发电额度( 万千瓦) 图4 - 2电厂最佳发电额度和市场价格函数关系 最佳发电额度计算过程见图4 3 。 4 3 按实际申报价格和按市场清算价格结算的不同 在实际操作中，根据市场规则以及电力市场各方要求，结合实际情况，一般有两 种结算方式，既：按实际申报价格结算和按市场清算价格结算。两种结算方式各有 特点，根据实际情况的不同，会产生不同的市场效果，竞价电厂对此应该高度重视， 密切注意市场规则的变化，以及自己电厂本身的成本变化。当然，报价方式的不同 也会直接反映自身的竞价策略。目前，国际上有些国家对报价方式以及结算方式处 理上比较灵活，发电厂( 竞价实体) 在市场中比较自由，结合实际比较充分，但从目 前国内看( 主要是刚刚启动的东北电力市场和华东电力市场) ，由于起步较晚，一些 规则还不完善，没有建立起来买卖双方必须遵守的机制，加之技术手段、管理手段 还有待进一步加强，在报价时候，可能承诺两种结算方式都是可以的，但结算时候， 一般都以两者效益( 发电厂) 较低的结算。 1 8 华北电力人学硕十学位论文 上是 图4 3电厂最佳发电额度计算过程 按市场出清价格结算是中心市场交易的一个显著特点。在这种情况下，发电企 业只需严格按照发电成本产生竞价，不论市场价格如何波动而导致的中标结果的不 同，竞价的实际利润收益始终是最优的。严格地在成本的基础上产生的竞价所带来 1 9 华北也力人学硕士学位论文 的中标电量和中标利润是呈线性正比例关系的。对于发电成本低的机组来说，不会 因为申报的电价偏低而损失利润 8 】。 按实际报价结算反映的是市场成员和交易中心之间的一种双边交易的关系。在 中心市场交易中，按实际报价结算带来的结果是中标电量和中标利润关系的脱节。 在这种情况下，严格按照发电成本产生的竞价实际上优化的是在不亏损前提下的中 标电量而不是实际中标利润。企业必须入为设置一定的利润期望值，即利润加成率， 叠加到在成本基础上产生的竞价上。利润加成率的确定是竞价决策过程中在中标电 量和中标利润之间权衡的结果。 从市场出清的角度来看，按实际报价结算的规则给市场运作会带来很多不利的 影响。当市场成员通过预测均掌握出清价位在某数值附近时，为了追求市场利润 最大化，在同一断面的串报电价势必集中在一个狭小的数值段。这时各市场成员的 报价已不能反映其发电资产的实际运行效率，不利于清算优化过程区分发电资产的 实际优劣，也就起不到实际意义上优化配置发电资源的目的。另一方面，申报电价 的相近增大了不同竞价实体( 电厂或机组) 某些波段报价相等的概率。在这种情况 下，市场清算程序要对不同竞价实体的波段电量进行按比例解链。如再出现断面堵 塞约束，整个清算优化问题将变得极其复杂，甚至找不到一个合理的解。 两种结算结果的不同的直观效果见图4 4 。 ( 按市场价结算) 华北电力人学硕1 ：学位论文 诮瑚i 绩辐 中标收入 ，7 ， 7 _ ， ? 。 ， ， ， ， 一 中标电量 万千瓦时 ( 按报价结算) 圈4 4 两种不同的竞价结算规则 2 1 华北电力大学硕十学位论文 第五章保本竞价曲线 5 1在最佳发电额度和市场价格曲线的基础上拟合竞价曲线 最佳发电额度和市场价格曲线反映的是电厂最佳发电量针对不同的市场价位 的响应关系。如果没有市场竞价格式的约束，而且是在按市场清算价结算的情况下， 该曲线就是最优竞价曲线。然而，由于竟价曲线有一定的格式要求，而且市场规则 又要求按实际报价结算，必须对原始的发电额度和市场价格曲线进行转换，按市场 规则要求拟台波段式竞价睦线。 o 最小申报量p m 最大申报量p 。 最佳发电额度尸( 万千瓦) 图5 - 1 竟价曲线拟合 以月度竞价为例，竞价曲线是要求在最小、最大申报量约束下的三波段电量和 报价关系曲线。程序拟合竞价曲线的准则是以竟价曲线和原始的发电额和市场价曲 线之间的面积差为最小。这一最小化过程可以用数学表达如下： m i n i m i z e e l ，( p ) 一g ( p ) p 华北电力人学硕士学位论文 5 2 修改每波段报价以反映企业利润加成的要求 在竞价曲线的基础上，根据用户的利润率的要求，通过程序的竟价策略系数， 调整每波段的报价。如果某一波段的价格是p 元，万千瓦时，竞价策略系数为， 那么该波段调整后的报价为：p x f l + k l o o ) 。 在实际竞价交易过程中，从竟价利润效益来将，保本竟价是种最保守、风险 最小的竞价策略。然而从中标电量来看，则是在保证不亏损的前提下，中标电量最 大化的一种竞价策略。当然，如保本竞价的价位超出预期的市场价格。也就是说该 竞价实体不具备市场竞争力，这时在出清过程中也可能被完全淘汰。 通常，发电企业会在保本竟价的基础抬高申报电价，以追求定的利润额度。 每抬高一分、一厘的电价则意谓着在同样中标电量下竞价利润的增加，然而这也同 时增加了不中标或中标量减小的风险。也就是说效益和风险是呈正比例关系的。因 此，把握好效益和风险的平衡是企业保持持续、稳定的生产效益的关键。 5 3电厂竞价方案产生实例 下面以参与东北电力市场2 0 0 5 年年度竞价的某电厂为例，说明产生该电厂年 度实际竞价的三步过程。 第一步：根据给定市场价格的采样范围，从6 6 6 元，万千瓦时至7 9 6 元1 万千 瓦时，首先通过机组组合优化求出每一采样价格下相应的最优竞价电量。采样价格 范围的确定原则是其优化得到的竞价电量的范围要反映电厂的实际竟价空问。通常 价格的实际采样范围大于最后确定采用的范围。在确定采用的价格范围内，竞价电 量应和市场价格呈单调递增的关系。这里的机组组合优化是以电厂市场销售利润最 大化为目标的。在此基础上，结合实际合同电量计算出每一采样价格对应的变动成 本、竞价收入、合同收入以及净利润，见表5 - 1 ，从而确定了市场采样价格和竞价 电量的最优对应关系，形成了电厂的电量一电价的基本关系曲线。 - 第二步：根据东北电力市场年度竟价的规则，采用曲线拟合技术，并考虑到 年度固定成本和财务费用的配置。产生电厂的保本竟价方案见表5 - 2 。东北电力市 场年度竞价的规则要求采用5 波段电量- 电价曲线的形式申报。拟合竟价曲线的准则 是以保本竞价曲线和原始的电量电价曲线之间的面积差为最小a 第三步：保本竟价方案不能作为最终方案提交交易中心。一方面，由于东北电力市 场竞价规则是按实际报价结算，保本竞价方案即使获得大电量中标也不可能给企业 带来任何市场利润。在这种情况下，应根据预测的市场价格提高各波段的电价，以 获取最佳的市场利润。另一方面，东北电力市场竞价规则还包含电厂最小方式约束。 如果保本竞价的价格仍高于市场清算价，从而导致违犯最小方式约束，其中标电量 2 3 华北电力火学硕十学位论文 仍为最小方式电量，但结算电价为全网最低报价。这时，应根据预测的市场价格降 低各波段的电价，争取中标电量满足最小方式约束，减小企业的利润损失。从上面 两个方面来看，最终的竞价方案必须是在保本竟价的基础上，通过对市场价格的预 测，产生电厂利润最大化的竞价方案。在本例中，市场价格预测在17 0 0 2 0 0 0 元 万千瓦时范围内，高于保本竞价方案中各波段电价。表5 3 是电厂的最终实际竞价 方案( 曲线) 。这里的竞价方案中的电价是网损系数校正之前的电价，而市场预测 价格1 7 0 0 2 0 0 0 元，万千瓦时是包含网损系数校正的。 表5 - 1某电厂市场价格竟价电量关系 6 7 4 6 8 2 6 8 7 6 9 6 7 0 4 7 1 0 7 1 8 7 2 9 7 4 1 7 5 l 7 6 i 7 6 6 7 7 3 7 9 6 4 5 1 0 5 6 5 4 7 7 8 5 9 0 0 f 0 6 3 2 2 1 1 7 8 4 5 1 3l 4 4 8 1 5 1 8 7 0 1 7 2 2 9 3 1 9 2 7 1 5 2 1 3 1 3 8 2 2 9 9 鲥 2 4 8 7 4 3 2 6 9 1 6 5 2 8 4 3 9 8 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0