（电力系统及其自动化专业论文）实时电价的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 本文根据实时电价理论，结合实时电价与最优潮流 之间存在的内在联系，即最优潮流中的拉格朗日乘子与 实时电价中的有功无功电价有着相同的经济含义，建 立以发电机燃烧费用最小为目标函数，并考虑功率平衡 约束及网络约束对电价的影响，利用最优潮流计算了电 力市场下的系统各节点的实时电价。同时对实时电价表 达式进行了分解，分析了影响实时电价的各种因素，并 用图表表示各惩罚因子对电价的影响。 计算实时电价的步骤为： ( 1 ) 输入机组耗量特性，有关运行限制及潮流数据； ( 2 ) 运行牛顿一拉夫逊法进行潮流计算； ( 3 ) 设置最优潮流收敛条件和目标函数； ( 4 ) 运行非线性最优潮流计算，得出各约束条件的拉 格朗日乘子和节点实时电价，输出结果。 应用非线性规划即序n - - 次规划法最优潮流算法， 用m a t l a b 5 0 编程语言编制最优潮流程序，通过对 i e e e l 4 节点进行计算，结果可行。 关键词：实时电价，最优潮流，短期边际成本，电力市场 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y0 nt h es p o tp r i c e a b s t r a c t c h i n e s ep o w e ri n d u s t r yi s c a r r y i n g o u tt h et r a i lo f g e n e r a t i o nu n b u n d l i n g a n dt h e c o m p e t i t i o nb i d d i n g ，i n o r d e rt oi n t r o d u c ec o m p e t i t i o na n do p e ne l e c t r i c i t ym a r k e t o n g e n e r a t i o ng r a d u a l l y e l e c t r i c i t yp r i c ei s t h el e v e rf o r r e g u l a t i n ge l e c t r i c i t ym a r k e t ，s oi ti sc l e a rf o ri t si m p o r t a n t r e c e n ty e a r se l e c t r i c i t yp r i c ei sb e c o m i n gt h eh o tp r o b l e m t or e s e a r c hf o rm a n y e x p e r t s d e p e n d i n go nt h eb a l a n c eo f s u p p l y i n ga n dn e e d i n gi n s t a n t a n e o u s l ya n dm e e t i n gs a f e r u n n i n g i np o w e r s y s t e m ，s p o tp r i c ei sp r o v i d e d a n d b e i n g a k i n do ft h e o r yo ne l e c t r i c i t y p r i c eu s i n gt h e s h o r tr u n m a r g i n a lc o s t m e t h o d 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ep a p e rf i r s t p r e s e n t s as u r v e ya n dc o m p a r i s o nt o t h e e l e c t r i c i t yp o w e r o ft h ea b r o a da n do u r c o u n t r y a c c o r d i n gt o c h i n e s ep o w e ri n d u s t r y , an e wm e t h o df o r s p o tp r i c ed e f i n i t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sm e t h o d i sb a s e do ns c h w e p pfc s s p o tp r i c ea c t i v em o d e l ，t h e r e a c t i v ei sa d d e dt oj t 。t h er e s u l ti n c l u d e sa c t i v ea n d r e a c t i v es p o t p r i c e s e c o n d l y , t h eg e n e r a l o f o p t i m a lp o w e r f l o w d e v e l o p m e n t i s i n t r o d u c e d ， a n dt h em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g so f e a c hm e t h o da r eo v e r v i e w e d t h em e t h o d o fn o n l i n e a ro p t i m a lp o w e rf l o wi sd i s c u s s e dm o s t l y , a n d t h es u c c e s s i v e q u a d r a t i cp r o g r a m m i n gi s u s e df o r l a r g e s c a l en o n l i n e a r o p t i m a lp o w e r f l o w a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo f s p o tp r i c ea n dt h er e l a t i o n b e t w e e n s p o tp r i c i n g m o d e l sa n dt h e o p t i m a lp o w e r f l o w ( o p f ) ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo b j e c t i v ef u n c t i o no f g e n e r a t i o n l e a s t f e e ，t h i n k i n g a b o u tt h el i m i to np o w e r b a l a n c ea n dn e t w o r k ，f i n a l l yo p fc a nb eu s e dt oc a l c u l a t e 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 s p o tp r i c e b e c a u s el a g r a n g em u l t i p l i e ri st h es a m ew i t h a c t i v ea n dr e a c t i v es p o tp r i c e t h i sp a p e ra l s od e c o m p o s e s t h ef o r m u l a t i o no fs p o t p r i c e i n t od i f f e r e n t c o m p o n e n t s c o r r e s p o n d i n gt og e n e r a t i o n ，l o s sa n dt r a n s m i s s i o nl i m i t s t h e nu s e st h ed i a g r a m st oe x p a t i a t eh o wt oa f f e c tt h es p o t p r i c eb y t h el a g r a n g e m u l t i p l i e r t h e s t e p so fc a l c u l a t i n gs p o tp r i c ea r e b e l o w ： ( 1 ) i n p u tg e n e r a t i o np a r a m e t e ro nc o n s u m i n g ，l i m i t s o n r u n n i n g a n d p r i m i t i v ep o w e r f l o wd a t a ； ( 2 ) ：r u nas i m p l en e w t o np o w e rf l o w ； ( 3 ) ：i n p u to p f t e r m i n a t i o nc r i t e r i o n ，a n dt h eo b j e c t i v e f u n c t i o n ； ( 4 ) ：u s eas u c c e s s i v eq u a d r a t i ct or u no p t i m a lp o w e r f l o w , o b t a i nt h er e a l t i m ep r i c e so f a c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e r a te a c hb u sa n dl a g r a n g em u l t i p l i e r , t h e np r i n t t h er e s u l t s t h en u m e r i c a lr e s u l t so fi e e e14 一b u st e s ts y s t e ma r e g i v e n t od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h e p r o p o s e dm e t h o d 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ： e l e c t r i c i t ym a r k e ts p o tp r i c e o p t i m a lp o w e r f l o ws h o r tr u n m a r g i n a lc o s t 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章电力市场概述 电力市场概念最早由美国麻省理工s c h w e p p fc 教授于1 9 7 9 年在其论文( 2 0 0 0 年的电力中提出。这个当时被认为是大胆的 设想，近几年由于全球对电力解除管制、开放经营和重构，几乎 已成为一个势不可挡的世界潮流。建立电力市场的主要目的是在 电力市场工业中引进竞争机制，为历史久远的电力工业注入新的 生命力。 随着我国社会主义经济体制的建立，电力工业要面向市场，引 进市场经济体制，已成为大势所趋。浙江和安徽的电力模拟市场， 为建立我国电力市场进行了有益的探索。南方电力联营公司根据 所属电网产权独立的特征，采用经济手段，开展了省网间交易的协 调管理并提供了转运业务，同时在联网的各省和地区之间，进行备 用分配，为开展电力公司间的电力交易及转运业务积累了经验。 1 1 1 电力市场的组成和建立电力市场的必要性 电力市场是采用法律、经济等手段，应用计算机、测量和通讯 等设备，以电价为控制信号，本着公平竞争，自愿和互利的原则，对电 力系统中的发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的管 理机制和执行系统的总称。 电力市场中的参与者是多元的利益主体- 各个独立经营的 电厂、输电网、配电网和用户。它们是相互平等的、自主的，在市 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 场中允许买卖双方的多方选择。电力市场的目标和约束都具有一 定的柔性。 电力市场各参与者的新特点： 电厂：鼓励改善经营管理，提高生产率，降低成本，增加竞争活力。 用户：从一个固定的、被动的、没有理性和协作性的受控终端转 化为有理性、具有能动性和主动性的市场参与者，对自己如何用电 有自主的选择权。 电网：未来的输配电网络和电网公司，在电力市场中处于枢纽地 位，扮演一个全新的角色，除了保证电力系统安全、经济运行外，还 将作为电力市场的经纪人电网是电力交易中心。它要对所有参与 者公平开放。在电力市场的竞争中，这些多元的利益主体既有激烈 的冲突和碰撞，又实现了合作和协作。 电力市场的本质是在传统的地区垄断、实行集中统一管理和 经营的电力行业中，实现多元的独立的利益主体之间引进市场竞 争机制，以提高效率、降低成本，促进电力资金( 包括电源和网络) 的 合理利用及电力发展的良性循环，也可以吸引来外资：并且降低电 价，进而降低社会产品的成本，提高国家产品在国际市场上的竞争 力，获得可观的经济效益；还有对于我国幅员辽阔，网架结构跨度大， 需要省网间电能的转运贸易，也需要建立相适应的电力市场。 1 1 2 电力市场的基本特征和基本原则 电力市场的基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。 建立电力市场的目的是在电力系统中引入竞争机制。一个充满竞 争的电力市场中，参与者之间都是平等的。所以电力市场最基本的 原则是公平。对于发电厂，平等的环境能够促进竞争，激励各发电厂 提高生产效率、降低成本、增加活力。对于用户，按真实的供电成 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 本收费，尽量减少用户间补贴是保证用户间平等的根本点。为了保 证电力市场公平竞争的原则，必须做到： ( 1 ) 对所有市场参与者是公平的，保证网络开放，扩大自由原则的权 利： ( 2 ) 市场交易必须是公开的( 包括成本、定价、计量、计划等) ，加大 透明度以便监督； ( 3 ) 市场必须建立有关的法令、法规，保证有规可循，公平竞争，不允 许有特殊者。 同时，它将受到电力系统内在规律的严格约束，即：电力系统运 行的基本特性( 安全性、经济性) ，成本与电价的时空差别，电厂和电 网、电网和用户之间的冲突和协作等等。总之，电力市场也有它的 特殊性，需要计划和协调。 1 1 3 建立电力市场所面临的新的问题 ( 1 ) 电价问题 电力市场要采用经济手段管理各成员，电价则是体现管理 思想的工具。电价是电力市场核心内容，也是电力市场的经济杠杆， 调节市场供需矛盾，促成电力交易。影响电价的因素是多种多样的， 这必然导致电力市场中电价的多层次性：不同的供电电压等级；不 同供电的可靠性分类：不同时间；不同季节；不同容量；不同负荷率等 等。所以研究电力市场环境下的电价理论和方法是实现电力市场 商业化运营的关键。合理的电价结构必须考虑两个方面：在供应侧 能反映生产成本；在需求侧能反映负荷特性。要保证电力市场的良 性发展，必须重视并研究电价理论。 1 新的安全性、经济性指导原则 在传统的计划经济体制下，电力企业无需为盈亏操心，不必为 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 生存发展担忧。电力市场的出现，对电力企业追求的目标将产生深 刻的影响同时对电力系统运行的安全性、经济性提出了更高的要 求。过去电力系统以安全第一的思想来指导运行、规划、设计， 在新的市场环境下将受到挑战。以安全性作为提高经济效益的保 证手段，最佳综合经济效益成为电力企业追求的最终目标 2 新的软件硬件支持 实现电力市场商业化运营，不仅要有理论、决策作为指导，而且 还要有技术条件作为物质基础。一个现代化、自动化调度的输电 网络和分布合理、容量充足的电源系统是实现电力市场的前提条 件；一个实用化、商业化的市场运营技术决策支持系统是实现电力 市场的基本条件。 1 2 选题的意义 引进竞争，增加活力，已成为世界各国电力工业发展的趋势。传 统的、自上而下的、垂直型管理体制受到挑战的同时，引入竞争机 制、进行电力企业重组、为历史久远的电力工业注入新的生命力， 因此建立电力市场已成为世界各国电力工业发展的趋势。随着我 国社会主义经济体制的建立，电力工业要面向市场，引进市场经济 体制，已成为大势所趋。 实时电价分析是以电力系统的瞬时供需平衡为依 据，兼顾电力系统的安全运行，应用短期边际成本理论 而得出的一种价格理论。实时电价制度是电力商品市场 的一种有效调控手段。在电力市场中，电价必须公平合 理，电价模型必须真实可靠的反应各用户的功用电情况。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前已有的电价模型大多为实时有功电价模型。忽略了 无功对系统的影响。然而对于电力系统安全运行来讲， 需要对有功负荷和无功负荷同时进行管理，并且有功和 无功又是相互关联，因此，除有功电价外，在分析电价 问题时考虑有功和无功的相互影响，并制定实时无功电 价是十分必要的。 1 3 本文所作的工作 随着我国社会主义市场经济体制的建立和完善，电力工业要 面向市场，引进市场经济体制，已是大势所趋。电价是电力市场支点， 应对电价的问题进行详细研究，以利于电力市场健康的发展。本文 为山西省科技攻关资助项目，对电力市场下的电价进行了以下的 研究与探讨： 1 系统的介绍并总结国内外电力市场中对电价分析的方法 与模型： 2 结合我国实际情况，对初级电力市场，提出了定价问题。根 据实时电价理论，运用o p f 模型，以发电厂燃料费用最小 为目标函数，考虑功率平衡约束及网络约束对电价的影响， 得出了节点的实时电价。并对其进行分解，分析影响实时电 价值的因素； 3 用m a t l a b 编制了最优潮流计算电价的程序，应用于标准1 4 节点测试系统，验证了算法和程序的正确性。 4 通过实时电价的计算得到以下几点结论： ( 1 ) 有功实时电价的边际成本要比无功实时电价的边 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) ( 3 ) 际成本大得多： 各惩罚因子对实时电价都有影响； 离发电机远的节点的边际成本比发电机节点的边 际成本高。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章国外电力市场概况 引进竞争，增加活力，已成为世界各国电力工业发展的趋势。传 统的、自上而下的、垂直型管理体制受到挑战的同时，引入竞争机 制、进行电力企业重组、建立电力市场已成为世界各国电力工业 发展的趋势。 美国自1 9 9 2 年颁布“能源政策法”以来，电力企业已裁员3 5 ， 且电费下降；英国自1 9 8 7 年对电力系统进行私有化改造，改变原先 由国家拥有并经营的管理模式，采用股份制市场经营，属于电力市 场体制改革模式，其突出的特点是将电力系统中的发、输、供电分 离，分别对其采取不同的管理方法。其他国家吸取英国经验较多， 如日本先放开发电市场，鼓励独立发电厂参加投标：澳大利亚、阿根 廷、挪威和智利等国同时开放发电市场和用户市场。 2 1 佛罗里达电力联合集团 美国电力市场的发展过程，以佛罗里达电力联合集团的形成 较为典型。f c g ( f l o r i d ap o w e rc o o r p r a t i o n ) 的管理及运行形式 属于电力联合运营中心( p o w e rp o o l ，简称p 0 0 1 ) 的运营方式，根 据f c g 所属电力公司在不同时期的合作程度，可以将其形成及发 展过程分为四个阶段。 ( 1 ) 紧急功率交换 1 9 4 0 1 9 5 0 年代，佛罗里达州电力工业发展迅速，原来孤立 的各电力公司供电区域相互联系起来，由于互相支援、提高供电 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 稳定性的要求，相邻电力公司之间出现了紧急功率交换的双边合 同，合同包括紧急功率交换的操作步骤及偿还方式，早期是实物 回报，后来发展到货币回报。 ( 2 ) 制定联合运行政策 制定统一的联合运行政策是f c g 发展的第二阶段，以( f c g 运行委员会手册的发布为标志。该手册主要规定了f c g 所 属各电力公司的容量备用政策、维修计划和事故处理方式。各电 力公司分享备用容量使得运行成本降低的同时减少装机容量，从 而减少了系统运行的边际成本，f c g 根据各电力公司的最大发电 容量和峰值负荷决定备用容量的分配比例。 ( 3 ) 经济功率交换 从1 9 7 7 年开始，首先在相邻电力公司之间出现少量的经济功 率交换，取得一些经济效益。同时f c g 进行了经济功率交换的模 拟实验，证明了进行经济功率交换可以取得相当大的供电效益，此 举促进了电力公司进行经济功率交换的积极性。此时，除了相邻公 司进行经济功率交换外，不相邻的电力公司间也经过中间方的转 运完成功率交换，只是增加输电费用协议。这一阶段的经济功率交 换只是贸易双边进行协商，签订合同，没有从整体上进行优化，局限 了经济功率交换的进一步发展。 ( 4 ) 电力经纪人系统 为了促进经济功率交换，f c g 建立了电力经纪人系统，各电力 公司提供每小时的电能报价及交易电量，由电力经纪人系统在全 局最优的基础上进行贸易匹配。该系统给f c g 带来了很大的利 益，1 9 7 8 年3 月经济功率交换的利润为1 0 0 万美元，1 9 7 9 年系统投 入使用，估计利润为2 0 0 0 万美元年。n - - 十世纪八十年代后，电力 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 经纪人系统的交易算法有了发展，分别提出了网络潮流算法和动 态规划法，其间经济功率交换也有迅速的发展。 2 2 英国电力市场 从1 9 8 7 年起，英国开始对其电力工业进行大规模的体制改革， 在政府指导下进行电力工业的私有化改造。1 9 8 9 年英国议会通过 了关于苏格兰、英格兰电力企业民营化计划，并批准了1 9 8 9 年电 气法，决定从1 9 9 0 年4 月起开始实行新的电力体制。英国希望 通过电力改革打破垄断引入竞争机制、以提高电力工业的效率和 效益、降低电力经营成本和电价水平、更好地满足社会需要。 ( 1 ) 改造前英国电力工业体制 英国电力系统可以分为两大电网：苏格兰地区电网、英格兰和 威尔士地区电网。改革前英国电力工业体制如下图： 图2 1 改革前的英国电力管制体制 f i g 2 1 b e f o r er e f o r me n g l a n de l e c t r i cp o w e rc o n t r o ls y s t e m 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 改革后的英国电力工业体制 下图为改革后的英国电力工业组织结构原英国中央发电局 分解为四部分：国家电网公司；国家电力公司；国家发电公司：核电公 司 图2 - 2 改造后的英国电力工业组织结构 f i g 2 2 b e h i n dr e f o r me n g l a n de l e c t r i cp o w e rc o n t r o l s y s t e m 其中，国家电力公司和国家发电公司为私营股份制公司，由政 府发行电力股票，将国有资产半数以上出售，进行独立核算，自负盈 亏。国家核电公司由于成本较高，不具备竞争力，为国家所有。改革 后，对于大用户o m w 及以上) 开放了市场，大用户可以自由选择供 电方，如可从地区电力公司、电力联合运营中心和发电厂中任选供 电方。除地区电力公司外，还允许持许可证的单位，从电力联合运 营中心购电并向大用户供电，但必须交付过网费。 ( 2 ) 英国电力市场的运行体制 英国电力市场中，发、输、供电完全分离。电力市场中的贸易 方式，分为参加电力联合运营中心贸易和签定直接合同两种( 见图 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ) 。参加电力联合运营中心贸易时，发电厂直接将电卖给电力联合 运营中心，大用户直接从电力联合运营中心购电；采用签定直接合 同贸易方式时，发电厂可以于大用户、地区电力公司或持许可证单 位直接签定合同，用户可以选择从地区电力公司、持许可证单位购 电，或从本地及其他电网的电厂购电。 为了保证所有电力市场的参与者可以平等使用电网，防止电 网所有者利用垄断地位限制市场贸易，英国电力市场最显著的特 点是将高压输电网全部收归国有，由国营公司经营，并在电力法规 中明确规定，在保证安全运行的前提下，电网向所有市场成员开放。 ( a ) ( b ) ( 图2 3 英国电力市场贸易方式) f i g 。2 3e l e c t r i cp o w e rm a r k e t i ne n g l a n dt r a d em e t h o d ( a ) 参加联合运营中心( p 0 0 1 ) 贸易，服从其调度 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( b ) 签定直接合同，不参加联合运营中心调度 ( 3 ) 英国电力市场电价 英国电力市场的定价方法是将每天分为4 8 个时段，提前一天 计算出次日各时段的电价。该电价分为两种，一种是由电力联合运 营中心从发电厂购买电力时支付给发电单位的电价，称为电力联 合运营中心的购电电价( p o o lp u r c h a s ep r i c e ) ，它由系统边际电价 ( s y s t e mm a r g i n a lp r i c e ) 和容量费用确定；另一种是用户从电力联 合运营中心购电的电价，称为电力联合运营中心的售电电价( p o o l s a l ep r i c 曲。 ( 4 ) 英国电力市场新进展 在英国电力市场建设取得成绩的同时，2 0 0 1 年3 月英国电力 市场又进行了新的改革措施，包括取消强制电力库，实行新的交易 规则，允许供电商和发电商就将来任何时候地电力交易签订合同， 放宽电力合同的时间跨度等。同时，英国政府对电力企业进行了纵 向整合和横向整合，实现供电公司发电和售电的基本平衡，推动供 电公司之间的兼并，以期实现规模效益。 2 3 国外电力市场经验教 j l 世界各国在进行电力工业改革、建立电力市场过程中，其改革 措施几乎都涉及到所有制模式、管制模式、企业管理模式和竞争 模式四个方面的变革。 在所有制模式方面，率先改革的国家都是从所有制改革开始， 总的趋势是由政府所有制向公用公司、民营化、私有化方向发展。 我国电力工业现阶段基本上是国营国有，国家电力公司赴加拿大 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 等几国考察报告认为，股份化、民营化有利于调动社会资金，使政 府集中财力，办好社会公共事业，电力工业可以在保持国家监督的 情况下实现民营。 在管制模式方面，各国都根据自身特点采用不同的管制模式， 具体包括管制措施和管制机构。不同的管制措施可以解决不同的 问题，比如特许权管制通过特许权授予或执照的核准，允许某企业 进入电力工业，可以避免电力工业的重复投资，减少社会资源的浪 费，管制措旄还包括价格管制、数量管制和税收补贴等。管制机构 是管制措施的执行者，有的国家专门成立电力管制委员会，有的国 家采用电力行政管理和电力管制合一的方式。在英国管制机构由 电力调控办公室和中央调控系统组成，按照电力改革规划执行管 制措施。我国如果建立类似的电力监管体系，要涉及到国家计委、 国家经贸委和电力工业主管部门的重新组合，涉及国家机构的调 整等重大问题，所以管制模式的改革任务繁重，难度最大。 在电力企业管理模式方面，主要包括发电、输电、配电等电力 生产环节的横向解体和纵向管理。英国是将发电、输电和配电进 行横向解体；日本只是将发电从中分离出来。目前我国向电力公司 管理发电、输电、配电等环节，各电力公司实行垂直管理。电力企 业管理模式的选择，与电力企业的所有制模式、电力工业的管制模 式以及电力市场采用的竞争机制密切相关，单纯的管理模式改革 并不能从根本上解决电力工业所面临的问题。 在竞争模式方面，包括市场竞争范围和市场竞争方式。英国电 网互联的规模还将扩大，目前引入竞争还存在电力交易价格的确 定缺乏足够的经济分析依据、区域电网间电能交换矛盾增大、区 域输电费用难以确定等问题。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 世界范围内的电力工业改革也都处在探索阶段，大多数国家 和地区的电力市场改革取得了一定的经济效益和社会效益，如加 拿大魁北克电网1 9 9 7 年开始市场化，当年输电电量增加3 3 ，获利 6 3 2 亿美元；法国1 9 9 7 年市场化后，经济性一直在改善，到2 0 0 0 年 电价己下降1 4 。同样也存在各种各样的问题，甚至2 0 0 0 年底到 2 0 0 1 年上半年，出现了美国加州大停电、电价飞涨、电力公司负债 9 0 亿美元申请破产保护这样的大问题，美国i e e e 会刊编辑部和麻 省理工学院能源实验室都对加州电力市场进行总结。但是电力工 业发展的本身规律和客观要求都确定了其市场化的必然趋势，只 是在进行市场化改革的同时，必须慎重对待和正确处理好初期转 制阶段中出现的问题，争取做到方案正确、平稳过渡。 2 4 我国电力市场的框架模式 在发达国家建立电力市场主要是为了引入竞争机制，为近于 饱和的电力工业注入新的活力，而我国主要目的是为了引进投资， 平衡能源结构，促进转运贸易，改变某些地区电力长期短缺，而某些 地区电力过剩的局面，同时降低电力成本。鉴于我国电力工业发展 的实际情况，电力体制的改革模式既不能象美国那样的自然发展 模式，也不能照搬英国的体制改革模式。为此我国采取逐步过渡的 方法，在输电、配电网不断发展、完善的同时，先开放发电市场，也 为了积累实际经验：然后等到电力工业各方面发展到了一定程度， 在开放输电和配电市场。浙江、安徽等省份先后建立了内部的模 拟电力市场，南方电力联营公司也根据所属各电网产权独立的特 征，开展了省网交易的协调管理，为我国电力工业市场化改革积累 】6 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 了初步经验。 最早出现的省级内部模拟电力市场是浙江电力市场，从1 9 9 5 年1 月起开始模拟运行。随后在1 9 9 5 年2 月，安徽模拟电力市场 也正式开始运作。到1 9 9 8 年后，大部分省市的电力公司都开展了 内部模拟电力市场的运作。1 9 9 8 年6 月，国家电力公司提出了 ”实行厂网分开，建立发电侧电力市场的实施方案框架”，明确了山 东、上海、浙江三地为试点单位。同年1 1 月，国务院转发了国家 经贸委”关于深化电力工业体制改革有关问题的意见”，并将辽宁、 吉林、黑龙江三省同时列为“厂网分开、竞价上网”的试点单位。 考虑我国实际上电网发展不平衡，电力市场的管理模式可以如下 图所示l 其他国家电网e 串厂 其他国家电网f 国家级电力市场 网缎电力市场al1 申厂广1 网级电力市场bil 网级电力市场c 省级电力市场aii 省级电力市场bll 省细电力市场c i 史： ! ll 宣： ! ll 堡鱼旦! l1 垡皇旦! ( 图2 4 )我国初级电力市场 f i g 2 4c h i n e s ee n t r y 一1 e v e le l e c t r i cp o w e rm a r k e t 其中国家级电力市场主要是完成了全国范围内调节余额，转 运贸易，事故下个电力公司间的协调运行，总体的电源和电网规划， 】7 太原理工大学硕士研究生学位论文 以便发挥全国联网的优势。 网省级电力市场主要是组织本区域内电厂的公平竞争和整个电力 系统的市场化运作，在初级电力市场中，重点是省网级的区域电力 市场。 2 4 1 我国电力市场运行特点 我国的电力市场有以下特点： ( 1 ) 发电侧电力市场 目前我国电力市场的改革取向是”厂网分开、竞价上网”，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 地位的发电企业，市场也只对发电侧开放。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 ) 单一购买模式 发电侧电力市场采用单一购买模式，在省级电力市场中，只有 省电力公司是唯一的电能购买者，各独立发电企业在其组织下参 与市场竞争。在这种模式下，由省电力公司进行市场平衡，负责收购 所有电力并保证对用户的供电，用户不能和独立发电企业签订购 电合同，只能从电力公司购买电能。 ( 3 ) 部分电量竟价上网 在电力市场建立初期，各试点单位全部采用了部分电量竞价 上网的方式。一般安排当年市场需求的1 0 0 r - - 2 0 作为竞价电量， 其余电量作为基本电量的处理采取了不同的办法，有的是必须保 证基本电量的完成，然后再考虑竞价上网，有的是在市场中安排全 部电量参与竟价，但在结算时考虑对基本电量的补偿。 “) 双轨制竞价体系 在开展竟价上网时遇到的最大问题就是如何处理原有的购售 】8 太原理工大学硕士研究生学位论文 电合同。由于前几年鼓励投资办电，出台了一系列包括保证机组利 用小时数和上网电价的优惠政策，并且签订了期限较长的购售电 合同。在实践中，各试点单位提出了”差价合同”、”履行合约，竞价 超越”等多种实施方案，其核心是双轨制竞价体系，基本电量部分按 照国家批准的合同电价结算，竞争电量部分按竞价电价结算。对于 竞价电价，各试点单位大多采用满足用户需求预测的最后一台机 组出力的对应报价作为结算价格。 ( 5 ) 调度与交易一体化 由于电网本身和电力管理体制的特点，我国电力市场采用的 是生产调度与市场交易一体化的市场运行方式，在该方式下，电力 调度部分作为电网经营企业的核心，必须坚持”公正、公平、公开”， 努力做到公正和透明的执行调度职能。 ( 6 1 技术支持系统尚不完善 电力市场的正常运行需要技术支持系统的支持，我国电力市 场建设处在起步阶段，电力市场技术支持系统尚不完善。尤其是在 电力市场条件下，如何进行电网安全约束的闭环校核、起停机费用 计算及最佳机组组合、最优潮流计算等等，还有待进一步研究。 2 5 电力市场建设思考 我国正在进行的电力市场改革是从原有的计划管理模式向完 善的市场模式的过渡，在电力市场初期，主要考虑可操作性和平稳 过渡，发电侧电力市场、单一购买模式等特点适应了我国电力市 场建设初期的要求。随着电力体制改革的深入，需要解决的问题越 来越多，以下是几个需要注意的方面： 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 因网制宜提出改革方案 电力市场建设必须紧密结合我国电力工业的实际情况和特点 因网制宜地提出改革方案，不能照搬国外的改革模式。电网是电力 是市场建设的基础，目前我国已经形成了7 个跨省电网和4 个独立 省网，各电网发展水平、电源结构、电网结构都不同，电价也相差很 大，因而需要解决的问题也不同，也就必须根据电网的实际情况，采 用适合电网的改革方案。 ( 2 ) 明确电力市场建设目标 发展中国家和发达国家建立电力市场的目标是不同的。发达国 家是在电力有富余、用电增长缓慢、电价较高的情况下进行的， 其目标是在电力工业中打破垄断、引入竞争机制、降低电价、改 善服务质量。我国电力市场建设是在经济快速增长、用电增长很 快的情况下进行的，其目标是促进发展，同时建立现代企业制度，逐 步实行”厂网分开、竞价上网”，建立合理的电价形成机制。 ( 3 ) 选择合适市场交易方式 国外电力市场主要是两种交易方式：一是全部通过电力现货 币交易，二是以中长期双边合同为主，现货市场交易为辅，现货市场 交易额约占1 0 1 5 左右。全部通过电力现货市场交易，由于市 场价格不稳定，不利于电力公司经营，实践证明有严重缺陷，部分国 家电力市场已经放弃使用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 引言 第三章电力系统最优潮流 最优潮流闽题指的是在满足特定的运彳亍和安全约束条件下， 通过调整系统中可利用控制手段实现预定目标最优的系统稳定运 行状态。它把电力系统经济调度和潮流及计算有机的融合在一起， 以潮流方程为基础，进行经济与安全( 包括有功和无功) 的全面 优化，是一个大型的多约束非线性规划问题。利用o p f 能将可靠 性与电能质量量化成相应的经济指标，最终达到优化资源配置， 降低发电、输电成本，提高对用户的服务质量的目标。很明显， 最优潮流所具有的技术经济意义是传统潮流计算所无法实现的。 2 0 世纪9 0 年代世界范围内的电力工业改革，将经济性提高到一 个新的高度，给最优潮流的研究注入了强劲的动力。无论是节点 实时电价与辅助服务定价、输电费用计算、网络阻塞管理、可用 传输容量估计等电力市场理论和实践中的重要课题，最优潮流都 可以作为其理想的研究工具。 最优潮流模型是在以下前提条件下提出的： ( 1 ) 各火电( 核电) 投入运行的机组已知( 不解决机组开停问 题) 。 ( 2 ) 各水电机组的处理己定( 由水库经济调度确定) 。 ( 3 ) 电力网络结构确定( 不受接线方式影响，不考虑网络重构 问题) 。 2 1 太原理上人学硕士研究生学位论文 基本潮流计算可以归结为针对一定的扰动变量p ( 负荷情 况) ，根据给定的控制变量u ( 如发电机的有功出力、无功出力或节 点电压模值等) ，求出相应的状态变量x ( 如发电机电压模值及角度) ， 通过一次潮流计算得到的潮流解决定了电力系统的一个运行状 态。 最优潮流和基本潮流比较，有以下不同点： ( 1 ) 本潮流计算时控制变量u 是事先给定的；而最优潮流中的 u 则是可变而待优选的变量，为此在最优潮流模型中必然 有一个作为u 优选准则的目标函数。 ( 2 ) 最优潮流计算出了满足潮流方程这一等式约束条件之外， 还必须满足于运行限制有关的大量不等式约束条件。 ( 3 ) 进行基本潮流计算是求解非线性代数方程组；而最优潮流 计算由于其模型从数学上讲是一个非线性规划问题，因此 需要采用最优化方法来求解。 ( 4 ) 基本潮流计算所完成得仅仅是一种计算功能，即从给定的 u 求出相应的x ；而最优潮流则能够根据特定目标函数并在 满足相应约束条件的情况下，自动优选控制变量，则这便 具有指导系统进行优化调整的决策功能。 最优潮流的数学模型 一最优潮流的变量 在一些最优潮流的算法中，常将所涉及的变量分为状态变量( x ) 及控制变量( u ) 两类。控制变量通常由调度人员可以调整、控制的 变量组成；控制变量确定以后，状念变量可以通过潮流计算而确定 下来。 一般常用的控制变量有： 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 平衡节点外，其他发电机的有功出力； ( 2 ) 所有发电机节点( 包括平衡节点) 及具有可调无功补偿设备 节点的无功出力。 ( 3 ) 带负荷调压变压器的变比。 状态变量有需经潮流计算才能求得的那些变量组成，一般常见的 有： ( 1 ) 除平衡节点外，其他所有节点的电压相角； ( 2 ) 所有节点的电压模值： ( 3 ) 各支路功率。 二最优潮流有各式各样的目标函数，最常用的形式有以下两种： ( 1 ) 系统运行成本最小。该目标函数一般表示为火电机组燃料 费用最小，不考虑机组启动、停机等费用。其中机组成本 耗费曲线是模型的关键问题，它不仅影响解的最优性，还 制约求解方法的选取。通常机组燃料费用函数常用其有功 出力的多项式表示，最高阶一般不大于3 。若阶数大于3 ， 目标函数将呈现非凸性，造成o p f 收敛困难。 m i n p = ( ，( 己) + ，( q g j ) ) i = l 式中厶( 巴) ，。( q g 。) 为机组i 的有功，无功费用函数。 ( 2 ) 有功传输损耗最小。无功优化潮流通常以有功传输损耗最 小为目标函数，它在减少系统有损耗的同时，还能改善电 压质量。 三等式约束条件： 各节点有功功率和无功功率平衡约束。 该式进一步简化表示为： 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 g ( u ，x ) = 0 四。不等式约束条件： 最优潮流的内涵包括了系统运行的安全性及电能质量，另外 可调控制变量本身也有一定的容许调节范围，为此在计算中要对 控制变量以及通过潮流计算才能得到的其他量( 状态变量及函数 变量) 的取值加以限制。这就产生了大量的不等式约束条件，例如 有： ( 1 ) 各发电机有功出力上下界约束。 ( 2 ) 各发电机同步补偿机无功出力上下界约束。 ( 3 ) 并联电抗器电容器容量约束。 ( 4 ) 移相器抽头位置约束。 ( 5 ) 各节点电压幅值上下界约束。 ( 6 ) 各支路传输功率约束。 可以将上述的不等式约束条件统一表示为： 厅( ，x ) 茎0 五最优潮流的数学模型 综上所述，电力系统最优潮流的数学模型可以表示为 m i n f ( u ，x ) s t g ( “，x ) = 0 h ( u ，工) 0 通过以上讨论可以看出，目标函数厂及等式、不等式约束g l r h 中的大部分约束都是变量的非线性函数，因此电力系统的最优 潮流计算是一个典型的有约束非线性规划问题。 采用不同的目标函数并选择不同的控制变量。再和相应的约 束条件相结合，就可以构成不同应用目的的最优潮流问题。例如： 2 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 ( 1 ) 目标函数采用发电燃料耗量( 或费用) 最小，以除去平衡节点以 外的所有有功电源出力及所有可调无功电源出力f 或用相应的 节点电压) ，还有带负荷调压变压器的变比作为控制变量，则就 是对有功及无功进行综合优化的通常泛称的最优潮流问题 ( 2 ) 若目标函数同( 1 ) ，仅以有功电源出力作为控制变量而将无功电 源出力( 或相应节点的电压模值) 固定，则就称为有功最优潮流 ( 3 ) 若目标函数采用系统的有功网损最小，将各有功电源出力固定 而以可调无功电源出力( 或相应节点电压模值) 及调压变压器 变比作为控制变量，则就称为无功优化潮流 以上这三种是目前用得最多的最优潮流问题。 3 2 凸集和凸函数 凸集在最优化理论和方法中起着最重要的作用。 1 凸集的基本概念 定义l 设集合s r ”，如果对任意x ，x ，s ，有 戤1 + ( 1 一a ) x 2 sv a 【0 ，l 】 ( 3 1 ) 则称s 是凸集。此定义表明，如果z 。，x 2 s ，则连接x 。和x ：的 线段属于s 。 归纳的可以证明，r ”的子集s 为凸集当且仅当对任意 x 1 ，x 2 ，x 。s ，有 e 口，x ，s ( 3 2 ) 其中口，= 1 ，口，0 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 1 ) 中的a x i + ( 1 一a ) x 2 称为x 1 和x 2 的凸组合 a ，x ，称为x ix 2 ，x 。的凸组合a j = l ( 3 2 ) 中的 2 凸函数的定义 定义2 设s c r ”是非空凸集，a o ，l 】，是定义在s 上的函 数。如果对任意x ，x ，s ，有 f ( a x 。+ ( 1 一a ) x ：) a f ( x ) + ( 1 一a ) f ( x ：) ( 3 3 )