（电力系统及其自动化专业论文）基于状态空间模型的仿生算法在电力市场竞价中的应用.pdf

a b s t r a c t t h ep o w e ri n d u s t r yh a sb e e nf r o mm o n o p o l yt oc o m p e t i t i o nw o r l d - w i d eu n d e r t h ep r o m o t i n go fm a r k e te c o n o m y , a n dm a n yc o u n t r i e se s t a b l i s h e ds u i t a b l ep o w e r m a r k e ta c c o r d i n gt ot h e i rn a t i o n a lc o n d i t i o n s 。p o w e rm a r k e th a sb e e ne x t e n d e da n d e s t a b l i s h e di no u rc o u n t r yg r a d u a l l yw i t ht h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r i c i t yi n d u s t r y r e f o r m ，w h o s eg o a li s t oe s t a b l i s hg e n e r a t i o n s i d e e l e c t r i c i t ym a r k e t i n t r o d u c i n g c o m p e t i t i o ni ng e n e r a t i o ns i d ei st h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rm a r k e t ，a n dp r o f i t so f g e n e r a t i o nc o m p a n i e sd e p e n do nb i d d i n gs t r a t e g i e se m p l o y e d h e n c e ，t h ep o w e rm a r k e t b i d d i n gi st h ek e yt op o w e rm a r k e tr e f o r m ，w h i c hn o to n l yr e l a t e st ov a r i o u sm e m b e r s b e n e f i t s ，b u ta l s oa f f e c t sp o w e rp u r c h a s ec o s to fu s e r s ，a n da f f e c t st h ed i s p o s i t i o no f t h es o c i a lr e s o u r c e sf u r t h e r , i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np o w e r i n d u s t r y t h i st h e s i si n t r o d u c e ss o m eb a s i cs i t u a t i o no fp o w e rm a r k e t ，a n de m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e sv a r i o u sb i d d i n gm e t h o dp r e s e n t e db ys c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d ；s e c o n d l y , t h eb i d d i n gm o d e l sa n dp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ；a n dt h e n ，b i o n i ca l g o r i t h mi s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gb a s i ct h e o r y , c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o ni ns e v e r a lc o m m o n a l g o r i t h m sd e r i v e df r o mb i o n i ca l g o r i t h m t h et h e s i s a l s o p r o p o s e st h eb i o n i c a l g o r i t h mb a s e do ns t a t e s p a c em o d e lo fd i s c r e t e - t i m es y s t e m ，a n dd e s c r i b e sc o n t e n to f t h i sa l g o r i t h m a tl a s t ，t h i sa l g o r i t h mi su s e dt os o l v et h eb i d d i n gi np o w e rm a r k e t a tp r e s e n t ，t h e r ea r es o m em a i nb i d d i n gm e t h o d sc o m m o n l yu s e di np o w e rm a r k e t ， s u c ha st h ed y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h el i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h eg e n e t i c a l g o r i t h ma n ds oo n ，b u ta n ym e t h o dc o u l d n ts o l v et h ep r o b l e me f f e c t i v e l ya n d a c h i e v et h eo p t i m u ms o l u t i o n ，b e c a u s et h e yc a nb eu s e dt os o l v ed i f f e r e n tb i d d i n g c u r v e s r e s p e c t i v e l y a n dd e a lw i t hv a r i o u ss e t so fc o n s t r a i n t s a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rm a r k e t ，t h i st h e s i su s et h en e wb i o n i ca l g o r i t h mb a s e do n s t a t e - s p a c em o d e lt os o l v et h eb i d d i n gi np o w e rm a r k e t ，g i v i n gt h ee n c o d i n gs t y l e ， f i t n e s sf u n c t i o n ，s t a t et r a n s i t i o nm a t r i xa n ds e l e c t i o np o o l ，a n dc o n s t r u c t sf o u rb i o n i c c a l c u l a t i o nm o d e l s s t a t et r a n s i t i o nm a t r i xi st h ec o r eo ft h ea l g o r i t h m ，a n di st h e d e c i s i v ef a c t o ro ft h ec o n v e r g e n c ea n dc o n v e r g e n tr a t ei n t h i s a l g o r i t h m t h i s a l g o r i t h mn o to n l yr e t a i n s c h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a lb i o n i ca l g o r i t h m ，b u ta l s o i n c r e a s e st h ec a l c u l a t i o ns p e e d ，m e a n w h i l e ，i m p r o v e st h eg l o b a lc o n v e r g e n ta b i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb i d d i n ga l g o r i t h mc a na c h i e v e st h ed e s i r e d e f f e c te f f e c t i v e l y t h et h e s i si sau s e f u lt r yt or e s e a r c hb i d d i n gm e t h o d ih o p ei tw o u l d b eh e l p f u lt or e s e a r c h e si nf u r t h e rt h e o r ya n dp r a c t i c e 1 1 k e yw o r l d s ：p o w e rm a r k e t ；b i d d i n gm o d e l ；b i o n i ca l g o r i t h m ；s t a t e - s p a c em o d e l ； s t a t et r a n s i t i o nm a t r i x i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特，i i j j i l 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：旖- 藏艳 日期：劢吁年，月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论 文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 日期：汐呷年 月r 日 日期：刎百年旷月够日 1 1 国内外电力市场现状 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代术期，一些国家开始放松对电力工业的管制，实施电力工业重 组，建立具有竞争性的电力市场。这里，“电力市场”是相对传统的垄断电力工业 而言的，它是为实现电力工业结构重组而引入商业竞争机制后的一大类新型电力 工业资产结构、经营管理和运行管理模式的总称。很多国家不同程度地着手进行 电力体制改革，影响较大的有英国、美国、澳大利亚、新西兰、挪威、阿根廷、 巴西等国。改革的主要内容包括：政企分开，引入竞争机制；建立电力商品化市 场，将发电、输电、配电环节相分离；建立能使用户通过市场购买电力或通过市 场直接与电力生产企业进行交易的机制，减少中间环节，努力降低成本，提高生 产效率和服务质量。虽然各国的管理体制、市场框架和运行机制不尽相同，但最 终目标都可归结为：引入竞争，提高效率，降低电价，持续发展。而且这些国家 的电力体制改革都取得了明显的经济效益和社会效益，企业经营不景气的局面也 得到改善。因而，电力体制市场化的改革很快就推广到世界上许多国家。 一般来说，广义的电力市场是指电力生产、传输、使用和销售关系的总和。 而狭义的电力市场是指竞争性的电力市场，是电能生产者和使用者通过协商、竞 价等方式就电能及其相关产品进行交易，通过市场竞争确定价格和数量的机制。 竞争性电力市场具有开放性、竞争性、计划性和协调性，要素包括市场主体( 售电 者、购电者) 、市场客体( 买卖双方交易的对象，如电能、输电权、辅助服务等) 、 市场载体、市场价格、市场规则等。 1 1 1 国外电力市场的基本结构和运营模式 不同国家的电力市场运营模式大体可以归纳为两类：发、供、用电沿用垂 直管理，只是进行有限和局部的改革。采用这种模式的国家有法国、日本、印度、 苏格兰、巴基斯坦，以及美国的一些州。发、供、用电环节解除或放松管制。 采用这种市场模式的国家和地区有英国、美国加州、新西兰、澳大利亚、挪威、 阿根廷、秘鲁、智利等。当前世界各国的电力市场运营模式主要有： 1 电力联营体( p o w e rp 0 0 1 ) 模式 在这种模式下，由发、供电公司组成批发形式电力联营体，运行电力市场的 交易机构由国家电网公司负责【2 1 。p o o l 的基本运作方式是：所有的发电公司向电 网公司卖电，所有的供电公司向电网公司购电。在p o o l 模式中，必须成立独立的 电网运营机构进行电网的调度、运行，而且要求此机构与所有市场成员无利害关 系。国家电网公司根据市场报价制定交易计划，计算系统边际电价、输电电价、 辅助服务电价【3j 。 2 英格兰n e t a 模式 英国第二次改革实施了新的电力市场模式一一n e t a 模式【4 】。n e t a 模式主要 以双边交易为基础，基本原则是通过自由谈判，签订双边或多边合同的形式完成 大宗购电和售电交易，剩余的现货和实时电力交易通过p x 进行，建立期货市场、 远期市场、期权市场、现货市场和平衡市场并存的电力市场格局。采用n e t a 模 式，使电力批发市场中引入了更多的竞争，从而电力趸售价格和终端用户的电价 得以降低，同时，其平衡机制为各方的合同与实物电力交付之间的不平衡量提供 一种结算机制。n e t a 模式交易方式丰富，为市场成员提供了更多竞争机会，增强 了市场透明度和稳定性，简化了报价形式，强化了对市场投机行为的限制力度。 3 北欧电力市场n o r d p o o l 北欧电力市场是具有实质性意义的多国电力市场【5 】。北欧电力市场只设立了一 个唯一的交易机构一一北欧电力联营公司( n o r dp o o la s a ) ，为北欧联营市场的参 与者提供交易平台。分属于4 个国家的5 个主干电网公司设立了电力调度机构输 电系统运营者( t s o s ) ，负责运营实时市场和辅助服务市场，各国国内的区域电网 公司和地方电网公司也设有电力调度部门，服从上一级主干电网的统一调度。同 时拥有地区供电网络和自己的发电厂的一体化电力公司及只拥有发电厂不拥有供 电网络的电力公司，电力零售商和一些终端用户都可参与电力市场。申报购售电 量及价格需求与供给相互影响的结构形成平衡。目前，北欧电力市场包括电力批 发市场、零售市场、实时市场和辅助服务市场。北欧电力市场的重要特征是非强 制性的电力联营交易市场与物理合同的或金融合同的双边市场和柜台交易( o t c ) 市场展开竞争，所有品种电力商品的市场均向用户开放。 4 美国p j m 模式 美国加州电力危机后，p j m 电力市场成为美国现阶段电力市场运营的成功样 板【6 】。在p j m 电力系统中，电网所有权独立，电力调度机构和电力交易机构一体 化运作，称为联络办公室( p j m o i ) 。p j m 电力市场可分为电能量市场、容量信贷 市场、金融输电权市场和辅助服务市场。其中容量信贷市场在引导发电公司的行 为、提供长期的经济信号、激励外部资金的进入等方面发挥了重要的作用。 5 澳大利亚n e m 电力市场 澳大利亚n e m 电力市场采用单部投标的方式对次日每半小时的负荷竞价，投 标的同时还提交机组爬坡速度约束和是否带固定出力的要求【7 1 。市场电价的确定类 似n o r d 方式，电能价格作为统一的边际市场出清价。当网络出现阻塞时，形成区 域电价( r e g i o n a lp r i c e ) 。与n o r d 方式的区别是区域电价是在实时调度之后形成的， 即“事后定价 。各交易时段( 半小时) 的电价是实时调度时段( 五分钟) 边际电价的 2 平均值。在实时调度前2 小时，发电商可以修改投标，但是只能修改投标容量、 固定出力水平、爬坡速度等可用性指标，不能修改投标价格。 6 新西兰n z e m 电力市场 新西兰n z e m 电力市场的报价方式和出清方式与澳大利亚电力市场很相似 【8 1 。主要区别在于新西兰电力市场综合考虑了备用、网络约束、网络损耗等因素， 形成了节点价格。通过预测电价、预调度、实时调度三个过程来确定节点价格， 最后按实际物理调度的结果确定。在竞价过程中，发电商可以在实时调度前2 小 时修改投标，包括投标容量和投标价格。 1 1 2 我国电力市场现状 1 9 9 9 年，国家经贸委提出了“厂网分开、竞价上网 的改革方案，标志着我 国政府积极推进发电侧电力市场工作的正式启动，电力市场改革在中国拉开序幕。 经过几年发展，发电侧电力市场正式投入商业化运作，中国电力市场格局在逐步 形成。基本现状如下【9 】： 1 发电侧电力市场 目前我国电力市场的改革方向是“厂网分开、竞价上网 ，即将电网经营企业 拥有的发电厂与电网分开，建立规范的、具有独立法人地位的发电实体，市场也 只对发电侧开放。在厂网分开的初期，它只是一种经营权的转移，并不改变产权 隶属关系，电网仍根据其所占产权的多少享受投资者的权益及相应的回报。各独 立发电企业与电网经营企业是发电侧电力市场的市场主体，其中由电网经营企业 负责组织各发电公司间的竞争，政府负责对电力市场进行监督管理。我国的电力 市场以省级电力市场为主，各省电力公司是其省内电力市场竞争的组织者。 2 市场购买者模式 我国现行发电侧电力市场的模式是“l + n 模式，“1 是指电力市场的单一购 买者，即电网经营企业；“n 是指参与市场竞争的各独立发电企业。用户不能与 发电厂签订购电合同，只能由电网经营企业采用趸售或零售的方式向其供电。在 这种模式下，电网经营企业必须时刻做到供需平衡，并收购所有电力，以保证对 用户供电。 3 部分电量竞价上网 在电力市场建立初期，我国采用部分电量竞价上网的方式。一般安排当年市 场需求的1 0 一2 0 作为竞争电量，其余的作为基本电量( 或合约电量) 。对于基本 电量的处理，可采用2 种形式：在首先保证这部分电量完成的前提下，再考虑竞 价电量；二是在市场中安排全部电量参与竞价，但在结算时考虑对这部分电量的 补偿。 3 4 双轨制竞价体系 为解决购售电合同问题，各试点单位在建立电力市场的探索中提出了包括“差 价合约、“履行合约，竞价超约”等在内的多种实施方案，冒的在于既要考虑原 有的还本付息政策的延续，又要引入竞争机制，推动电力市场的发展。这些方案 的核心是双轨制竞价体系，即基本电量部分按困家批准的合同电价结算，竞争电 量部分按竞价电价结算。这基本上解决了原有的合同阅题。对于竞价电价，各试 点单位大多采用了按满足负荷预测的最后一台机组出力对应的报价作为结算的竞 价电价，这种方法简便易彳亍、促进竞争、提供信息清晰，比较适合刚起步的中蓬 电力市场。 5 交易模式 当前我国区域电力市场的电能交易按照“合约交易为主，现货交易为辅的 原则组织。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 期合约交易和现货交易，以远期合约交易为主，初期采用由区域电网公司统一购 买方式，逐步过渡到多边交易方式。另方厦，实时交易可以提高竞争的力度。 在我霞，由予处于由传统的管理方式向市场经济转变的初始阶段，同时受电力市 场技术支持系统的约束，实时交易基本是作为长期合同和现货交易的补充。 6 生产调度与市场交易一体化 目前国际上电力市场的运行有2 种方式，一种是电网运行调度与市场交易分 开；另一种是大多数毫力市场采用的调度与市场交易一体化的形式。我蓬根据自 身电网的特点大多采用后一种市场运行方式。 7 垂直监篱模式 我国政府在电力市场的监管方面采取由国家电力主管部门将权力下放给各地 方电力主管部门的方式对电力市场进行监管。 8 技术支持系统 我国的电力市场的技术支持系统还处于初始阶段，而技术支持系统的支持是 维持电力市场难常运行的必需条件，我藿的电力市场在这方面还缺乏经验。尤其 是如何在电力市场的条件下进行启停机费用及最佳机组组合的计算、最优潮流计 算，电网安全约束的闭环校核等等，还有待进一步的研究。 1 2 电力竞价综述 1 2 1 电力市场的交易类型 按照交易昀成交时闻和交易的形式，发电侧电力市场的交易类型包括台约交 易、现货交易、实时交易、辅助服务交易和输电权交易【1 0 】。 4 1 合约交易 合约交易通常成为中长期合约交易，是指市场主体通过签订电能买卖合同进 行的电能交易，合同价格硪以通过双方协商、市场竞争或按国家鸯关规定确定， 合同期限可以是周、月、季、年或一年以上。在单一购买者模式下的发电侧电力 市场，组织发电公司进行竞争的电网经营企业担负着保证向用户供电的义务。所 以，电网经营企业为了防止严重缺电或电价急剧升高的风险，必须与发电公司签 订定数量的长期合同。长期合同不需要规范的电力期货市场，仅由合同双方协 商签订，简单丽实用，这也是目前我国电力市场期货交易的主要方式。目前，各 发电公司保留着原有合同8 0 左右的电量，作为电力市场的长期合同。这种长期 合同是原先合同的延续，随着市场的发展与完善，长麓合弱的比例将逐渐减小， 并最终由市场决定的长期交易合同取代。 2 现货交易 现货交易是由发电企业竞价形成的次日电能交易以及为保证电力供需的即时 平衡丽组织的实时电能交易。 ( 1 ) 日前交易 该市场是提前一天进行未来2 4 小时的电力交易。一般功能是在交易日的负荷 魏线上，第一步是安排发电机组的合同电量；第二步是对剩余的负荷组织发电公 司报价，按时段竞价上网；第三步对交易结果进行电网安全校核，最终公布对各 发电机组购电计划和各时段静清算价格。 ( 2 ) 实时交易 实时市场针对下一个交易时段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。由于电能这一商品的生产和消费必须同时完成，实时市场主要 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。当如现大的负荷预 测偏差、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， 调度中心应实时修改各发电机组在同前市场制定的交易计划，发布实时调度指令。 3 期货交易 期货交易是指在规定的交易所，通过期货合同进行的电能交易。而期货合同 是指在确定的将来某时刻按确定的价格购买或出售电能的协议。 ( 1 ) 期货交易 期货交易是按一定规章制度进行的远期合同的买卖，是市场经济发展进程中 形成的一种特殊交易方式，它必须按照特定的规则与程序，在特定的期货交易场 所进行。 ( 2 ) 期权交易 期权是指在未来一定时期内可以买卖的权利。买方向卖方支付定数量的期 权权利金蠡，在某一特定圜或一段时闻内，以事先规定好的价格向卖方购买或出 售一定数量特定标的物( 可以是电能量商品本身，也可以是期货合同，甚至是期权 合同自身) 之权利，但不负有必须买进或卖出的义务，期权交易就是这种权利的交 易。 4 辅助服务交易 辅助服务是组织发电公司对辅助服务的需求进行竞争，从而发现发电公司提 供的辅助服务的市场价值，并按这一价值对发电公司进行结算。国外电力市场运 行实践表明，发电公司提供辅助服务的利润，有时可能高于在其他市场竞价所获 得的利润。 发电辅助服务包括：有功频率控制，旋转备用，非旋转备用，替代备用，无 功及电压支持，恢复及黑启动。 1 2 2 电力市场的竞价模式 电力市场竞价上网模式的研究是电力市场理论的难点，具有很强的随机性和 实时性要求，对电力市场的竞争力度、运行方式有很大的影响，目前已有的竞价模 式有以下几种【3 1 ： 1 限量竞争模式 限量竞争模式就是上网电量的一部分由购电合同包销，价格仍执行政府批准 的上网电价；其余部分电量由发电公司报价，实行竞价上网。 限量竞争模式又可分为余量竞争模式和差价合约竞争模式，余量竞争模式指 定计划合同电量，机组通过报价竞争剩余负荷。差价合约竞争模式指机组竞价上 网发电，竞争所得到的电量分解为合同电量和竞价电量两部分。 2 限价竞争模式 为解决好新老电厂、还贷付息的电价差异，减少市场初期各发电企业在收益 上的风险，又不失竞争的环境，在建立电力市场的初期，必须建立有限竞争的市 场体系，有限竞争的一种重要的思路是限价竞争。限价竞争是有限竞争的一种方 式。 限价竞争可分为最高、最低限价，最高、最低涨跌幅度的限制和两种限价方 式相协调，最高、最低限价是对价格的绝对值进行限制，防止电价失控；最高、 最低涨跌幅度的限制是对电价的变化速度、变化范围进行限制；最大涨跌幅度限 制有效控制市场价格的波动幅度和速度；两种限价方式相协调是在需要限价的环 境中两种限价方式协调使用。 3 基于两部制电价的竞价模式 两部制电价为解决成本差异提出了容量电价和电量电价相分离；容量电价不 参与竞争，按机组可用率和容量成本支付；电量电价在市场竞争中产生：实现了 平稳过渡，既不影响新建电厂还本付息，又照顾老厂利益；传统的容量补偿方案 6 没有铁根本上通过电价机制抑制和控铡新建电厂的造价。 4 分次竞价模式 分次竞价分为总量公布的分次拍卖和总量不公布的分次拍卖，总量公布的分 次拍卖的竞价方案为交易中心首先公布总电量；总电量分为几个部分进行分次拍 卖；公布每次拍卖的电量并进行公开竞争。缺点是已知总量后，发电商将待价而 洁；得到维持企业运转的基本电量后，发电商将抬价牟取额外利润；高价发电商 将在市场后期获利。总量不公布的分次拍卖的竞价方案为交易中心组织将总电量 分为几个部分进行分次拍卖，每次拍卖只公布拍卖部分的电量，不公布总电量和 剩余电量。优点是多次形成买方市场，竞争激烈；市场总体价格会下降；缺点是 市场的透明度不够离，竞争压力过大。 5 逐步开放的市场模式 这耪市场模式是指一部分机组参与竞争，为市场机组，按边际电价统一结算。 另一部分机组沿用传统调度模式，为市场外机组，按核算成本，单独结算。市场 内外机组的负荷电燕分配的比例与各组的成交电价相关，电价越高负荷电量越少。 其优点是市场外杌组，保护了一些投资者的利益；开放程度逐步放歼，最终实现 全部竞争；市场外机组平抑了系统总体电价，实现了竞价负荷的价格弹性化；调 整竟价电量和菲竞价电量的眈例，可以实现对购电费用的优化。 6 分段竟价模式 在基前市场中，概组每天只申报一条价格( 利用小时越线) 。分段竞价的运营 模式是首先将次日的负荷曲线分段；根据各发电厂的报价图，将报价由低到高排 列，形成带负荷优先顺序；按照优先顺序在负荷蓝线上由基荷开始向上带负荷， 每满足一个分段，形成该段出清价格；检查爬坡约束。 分段竞价的优点是考虑到了调峰和基荷并不同质，应该有不同的价格；竞价 模式比分时竞价模式简单；机组操纵市场的能力比分时竞价方式弱。 7 基于当量电价的竞价模式 上海大学言茂松教授提出一种篱单当爨电价法【l l l 。当量电价机铡的核心想法 是把容量电价和电量电价按照一定的原则组合起来，形成“当量电价 ；竞价按照 电壁报价，结算按照当量电价。这种竞价模式既便于理解和应用，又有别予英重 方法和两部制电价法，是一种适用予发展中国家的电力市场定价理论。 8 基予期货理论的电力市场竞价模式 电力期货是指交易双方之间签订的在确定的将来时间按照确定的价格购买或 者出售某种资产的协议；与远期合约相比，期货合约在交易所中交易，而且期货 合约在交割之前可以在交易所中自由交易；交易所提供机制保证交易合约的双方 不会违约，其中重要的一个机制就是保证金。 由于电力商品的特殊性质，电力期货合约也应该不同于其他期货合约。考虑 到电力的实时平衡，电力期货的交割时间应该相对确定，通常应该明确到小时。 考虑到电力的输送受到输电网络的限制，所以电力期货合约中应该明确功率的注 入与输出地点。 1 2 3 电力市场的竞价算法 电力市场竞价算法和传统经济调度算法一样，都是非线性有约束优化问题， 其难点在于满足约束，求得可行解，同时体现电力市场参与者之间的利益分配。 竞价算法及其相应的竞价模型成为电力市场理论中始终困扰电力研究工作者的一 大难点。这些问题不仅仅与电力市场中各经济实体的经济利益有关，而且直接影 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。近年来，国内外学者对电力市场竞价算法的研究有很多，这些方法 在解决不同的约束方面有各自的优势，但是尚没有一种方法能有效地解决各种约 束，获得最优解甚至次优解【1 2 】。下面对各种竞价方法进行概述。 1 基本方法 发电竞价可能用到的主要算法有排队法、等报价法( 或等微增率法) 、动态规 划法、网络流规划法和线性规划法5 种，它们分别适应于不同类型的报价曲线， 并适合解决不同类型的约束条件。 ( 1 ) 排队法。排队法可以用于各种周期的计划、校正和控制以及实时调度之中 【1 3 】。该方法可用来解决机组组合问题和功率分配问题。其优点是简单快速，但仅 适用于常数( 或多段常数) 报价曲线，处理时间约束和电网安全约束问题较困难。 ( 2 ) 等报价法。它是发电竞价的基本算法，其数学实质是利用线性方程法、牛 顿内插法、合成曲线( 等值) 法和夹板二分法等方法解一维非线性方程【1 4 】。此方法 在报价曲线的斜线段、水平段或垂直段均能可靠收敛，计算速度足够快。但仍较 难处理如发电量约束、网络安全等问题。 ( 3 ) 动态规划法。它可以用来解决发电竞价中的机组组合与功率分配问题。 优点是能够针对任何形状的报价曲线，在机组组合模型中可以考虑启动费用和启 停约束【”】。但困难是状态量过多，技术关键是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。计算原理符合市场操作过程，可以解决各种约束问题，特 别是与时间相关的约束和与网络相关的约束，是电力市场分析中很有前途的算法， 技术关键在于要降低可行解的搜索范围和解决计算潮流与实际潮流一致性的问 题。通过对其目标函数和约束条件分别进行显性化处理可以构造成标准的线性规 划问题【1 6 j 。 ( 5 ) 线性规划法。在文献 1 7 中竞价模型的目标函数基本是线性模型，由此引 入线性规划作为竞价算法【1 8 】。其优点是快速、可靠，能有效地处理网络安全约束； 可以直接解决与时间有关的约束，能无障碍地使用报价的下降特性。其缺点是处 理网损比较麻烦；逐次线性化会造成计算精度的损失。 文献 1 9 1 提出一种新方法一一费用微增率改进网络流法，它以一定的步长，按 照各机组的报价费用微增率相对大小调整相应机组出力，满足约束的流量限制。 可有效解决系统、机组出力变化、时间和网络安全诸方面的约束，求解结果更经 济。改进网络流法无需事先确定机组组合，将机组组合和负荷经济分配同步一并 解决，能使低价机组尽快并网运行，替换出高价机组，克服了传统网络流法负荷 变幅较小时，原运行高价机组不停机，而低价机组不能运行的不足。 2 基于预测市场出清价( m c p ) 的策略性报价方法 这种方法在原理上相当简单，如果一个发电公司可以准确预测出市场的出清 价，且该价格高于成本，那么他只要报出稍微低于市场的价格即可获利。然而， 预测市场出清价格是相当困难的，这要对负荷需求、其它发电公司的投标行为以 及输电拥塞状况有比较全面的了解。由于很多电力市场刚建立不久，历史数据尚 不充分，要对市场价格做比较准确的预测相当困难。另外，这种方法采用了一个 隐含的假设，即任何一个发电公司的竞价策略不会影响市场出清价格。由于电力 市场更接近于寡头垄断市场，这个假设很难成立。所以这种方法较少使用【2 0 1 。 3 基于博弈论的方法 博弈论是研究2 个或2 个以上参与者( 或称为局中人) 在对抗性或竞争性局势 下，如何做出有利于己方决策的数学理论【2 1 1 。近年来有很多学者将博弈论引入到 发电公司报价策略的研究中。它的原理是首先根据电力交易构造一个博弈模型， 然后寻找该模型的平衡点，这些平衡点就对应发电公司的最优报价策略。博弈论 方法既可用于研究发电公司之间的非合作竞价策略，也可以用于研究合作竞价策 略。博弈论现已成为研究发电公司竞价的主要工具。 文献 2 2 】设计了一个模拟的电力市场环境，并运用n a s h 均衡理论，对不同类型 发电商的报价策略进行了研究，得出了一些有价值的实践理论。 文献【2 3 】采用古诺模型来模拟市场，市场均衡点是通过迭代计算获得的，即固 定其他所有发电厂商的出力，获得一家厂商的最优策略，依次循环计算，最终获 得所有厂商的最优报价策略。 文献 2 4 】假设市场电价的分布规律( 正态分布) 已知，不知道其它参与市场竞价 的发电公司的竞价策略，把竞价问题看成是发电公司和市场之间的二人混合对策， 从而得到基于不完全信息竞价博弈模型。考虑了发电公司的单位成本、竞价成功 的概率及预期的市场清除价格等因素，通过求解模型得出发电公司报价的一般表 达式。 4 估计竞争者的竞价行为方法 一般采用概率分析模型或者模糊集方法，这类方法应用比较广泛。一般通过 9 估计得到竞争对手的费用曲线，再给每个参数加上某种随机扰动，得到自己的竟 价曲线。在得到的竞价曲线的基础上分析竞争对手的历史数据，再叠加某种分布 的随机扰动。该方法的难点在于能否准确地估计竞争对手的报价行为。目前描述 竞争对手报价行为的形式有很多种，多假设竞争对手的报价服从概率分和，如离 散概率分布、均匀分布和正态分布，或者将其看作一个模糊集合。 文献 2 5 1 假设对手的报价行为服从正态分布，然后根据其概率密度函数进行蒙 特罗随机模拟，并用黄金分割法求解发电公司的最大化收益问题，从而得出发电 公司的最优投标策略。 文献 2 6 针对英格兰和威尔士电力市场研究了发电公司的投标策略问题，构造 了一个概念化的投标模型，提出了以动态规划为基础的优化方法，采用概率方法 模拟其他公司的投标行为，并计及负荷变化概率和机组启停成本。 文献 2 7 研究了两个发电公司竞争供电的情况，采用概率密度函数模拟竞争对 手的生产成本函数，构造了最优的投标策略。 文献 2 8 用模糊方法处理负荷需求、发电公司报价、电力调度、电价、成本、 利润等市场参数的不确定性，建立了一个多层次的发电公司报价模型。 文献 2 9 1 假设己知对手的报价行为和市场出清价，通过估计中标的概率建立了 一个简化的投标模型，然后再求解一组微分方程得到最优策略。 5 优化算法 此类方法先建立数学模型，再用优化算法寻优，这类方法有很多，如遗传算 法、最优值法、启发式搜索等。这类方法对求解问题的的数学模型要求简单，但 模型往往建立在许多假设条件下，市场环境变化也考虑不足，对竞争对手的考虑 也比较少，但适用性强。 文献【3 0 】文章提出考虑发、供电安全性和网络输电安全性因素的投标竞价数学 模型，并用遗传算法对其进行寻优，收敛性较好。 文献 3 1 】采用排队法与遗传算法结合来获得电厂最优报价。系统根据b p 神经 网络的方法预测出边际电价，并由一定的置信区间控制其误差范围，在满足发电 机组技术约束的条件下，构造初始的报价方案群，采用排队法初始化初始种群，然 后采用遗传算法寻优。 文献 3 2 将投标竞价原则引入电力市场，建立了一种改进的投标竟价数学模 型，用遗传算法和网络流法进行优化。具体是用引入保留算子的遗传算法求得发 电模型中的中标电源和供电用户，而对输电模型用网络流法求解，得到经济上的 最优潮流分布。 文献 3 3 】利用遗传算法构造自适应的、进化的投标策略，其基本思想是给定一 些候选的投标策略，然后利用智能方法从中搜索最优策略。 文献 3 4 】通过遗传算法反复迭代求解每个发电厂商的最大利润，最终达到市场 1 0 的纳什均衡解，从而得出最优的报价策略。 a x e l r o d 的实验成为用遗传算法进行博弈策略优化的经典例子【3 5 】；m i l l e r 采用 了协同进化的有限自动机和遗传算法优化博弈策略【3 6 1 。 6 基于智能a g e n t 技术的方法 运用智能a g e n t 技术，将电力市场中各个主体分别作为一个a g e n t ，通过分别 赋予这些智能体的特性与行为来模拟电力市场的实时交易，各智能体自我学习， 自我决策，从而找出最优决策。在国内，运用智能技术来指导我国发电厂商竞价 也有研究【3 川。 1 3 本文的主要内容 在电力市场改革中，电价是电力市场所有参与者最关心的问题之一，电价的 制定，首先就需要一套完善合理的定价机制，电力市场竞价策略不但与电力市场 的经济效益有关，而且直接影响电力系统安全性和可靠性。对一个发电公司来说， 竞价决策和优化运行有密切关系，竞争目标是获取最大利润。发电公司如何制定 最优竞价策略，选择哪个发电厂商以使费用最低等是迫切需要解决的问题。通过 对竞价策略的研究一方面可以为参与竞价的发电公司提供理论支持，另一方面也 可以供市场调节或监管机构确定适当的市场结构和管理规则，确保市场进入一种 充分竞争状态，以实现社会效益的最大化。 因此，本文的主要目的是研究一种有效的优化算法来求解竞价问题，以达到 购电费用最低。具体是通过优化计算，在满足发电机组各种约束条件，保证其安 全运行的前提下，实现购得各发电机组所发电量费用最低。本文着重进行发电竞 价数学模型，基于状态空间模型的仿生算法，基于此算法的电力市场竞价方法三 个方面的研究。 本文的主要内容包括以下几个部分：第一章介绍了电力市场的相关知识和电 力市场竞价的研究现状。第二章简要介绍了电力市场的竞价模型和竟价原理。第 三章首先介绍了仿生算法的内容、特点及一些应用，然后介绍基于状态空间模型 的仿生算法，构造了四种计算模型，通过测试函数的验证结果选择模型用于电力 市场竞价的计算。第四章提出了用基于状态空间模型的仿生算法解决电力市场竞 价问题的方法，给出了状态转移矩阵的构造，种群的选择和计算步骤。第五章通 过仿真实例来验证该算法的有效性。最后是论文总结部分，总结了自己所作的工 作和今后的工作设想。其中第三、第四和第五章是本文的重点。 2 1 目标函数 第二章电力市场竞价模型和原理 电力市场竞价的数学模型在电力市场发展的不同阶段是基本一致的，最终目 的都是在满足系统安全约束和电能质量的条件下提高经济性。在仅开放发电市场 的条件下的目标函数是使购电费用最低。目标函数因市场结算规则的不同分为以 下2 类【1 7 】： 1 目标函数a - 按电网统一边际成本结算的购电费用最低，即 ， f m = m i n c o 肘只 ( 2 1 ) c o ，= m a x c o i ( 鼻) ，c 0 2 ( 只) ，c o ，( ) 】 ( 2 2 ) 式中，只为第i 个发电机组( 或发电厂、发电公司，下同) 竞价获得的发电量，i 为机 组序号，i = 1 , 2 9 e9 i ；i 为机组总数；c o 】，为电网边际成本；c o , 为机组i 的报价； c o ，( 只) 为机组f 的报价曲线，是发电功率霉的函数。 2 目标函数b ：按各发电机组实际报价结算的购电费用死最低，即 ll f b = m i n c ：( 只) = m i n c o ，( 只) 只 ( 2 3 ) i = 1i = l 式中，q 为发电机组f 的发电成本：c o ，( 鼻) 为发电机组i 的发电费用曲线( 由报价曲 线g ，得到) ，是发电功率露的函数。 2 2 约束条件 约束条件按照被控变量的不同可分为以下三类【1 7 】： 1 第一类约束一一功率与容量约束 与发电机组功率、容量有关的机组和电网的约束条件分为以下4 种： ( 1 ) 电网功率平衡的等式约束条件 f 曰一昂= o ( 2 4 ) i = l 式中，层为第f 个发电机组竞价获得的发电量，即发电功率，f 为机组序号， i = 1 ，2 ，j ，i 为机组总数；昂为电网总负荷功率( 竞价部分) 。 机组功率不等式约束条件 霉m i n 置一( f = 1 ，2 ，) 1 2 ( 2 5 ) 式中只舢。和只“。分别为机组i 的最大发电功率和最小发电功率。 ( 2 ) 电网系统静态备用约束条件 l， i 一一昂昂朋删。 i ，= l 气 i i l 昂一只m i 。昂脚劬 l 卢l ( 2 6 ) 式中，昂，加工，m i 。和昂朋d ，。；。分别为电网系统静态上备用要求和系统静态下备用要 求。 ( 3 ) 电网系统旋转备用约束条件 ( 2 7 ) 式中，$ 号肌一和$ p d ，一分别为发电机组i 最大升功率速度和最大降功率速度； 昂，胚肌面。和弓船d ，晌分别为系统上旋转备用功率和系统下旋转备用功率最低要求。 ( 4 ) 系统自动发电控制a g c 容量约束 砜只，一只。曲 ( 2 8 ) i e a 式中，a 表示a g c 机组集合；只m i n 表示系统要求的最小a g c 容量。 2 第二类约束一一时间约束 与时间有关的约束条件有以下3 种： ( 1 ) 发电机组升降功率速度约束条件( 微分型约束) 烨彬。只厂只，f - t 吨帅( 2 9 ) l $ 只，f d = 只卜i 一只f $ 只f d 一 、 。 式中，$ ，c ，和$ 鼻，d 分别为发电机组i t 时段tj ：j j 率的上升量和下降量；$ 只 u 一和 $ 置f ，d 。一分别为发电机组i t 时段t 功率的上升和下降功率速度的极值；i = 1 , 2 ，i ； t 为时段，t = 1 , 2 ，r ；t 为时段总数。 ( 2 ) 发电机组周期内发电量约束条件( 积分型约束) 7 另， f = l ， 只。