（电力系统及其自动化专业论文）现货市场功率分配问题模型及其求解算法研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t t h ee c o n o m i cd i s p a t c hi ns p o tm a r k e ti so n eo ft h ek e r n e lp r o b l e m so fe l e c t r i c i t y m a r k e t ，w h i c hr e l a t e st ot h eb e n e f i t so fe a c hp a r t i c i p a n ti nt h em a r k e t ，a n da l s ot h ek e y i s s u et oa s s u r es a f e t y ，r e l i a b i l i t y , a n do r d e ro p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rm a r k e t a l t h o u g hal o to fa c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d ，t h e r ea r ey e tm a n yp r o b l e m st ob e s o l v e du r g e n t l y t h eb i d d i n gm o d e lo ft h es p o tm a r k e ti sa n a l y z e d ，t h en e wb i d d i n gr u l ei sp r o p o s e d f o rap x i s ot y p ee l e c t r i cp o w e rm a r k e t ，i e m a r k e tc l e a r i n gp r i c ei s d e t e r m i n e d a c c o r d i n gt os y s t e mm a r g i n a lp r i c e ，a n d l o a di s d i s p a t c h e da c c o r d i n gt o t h er u l eo f p a y a s b i dp r i c e b u i l dp u r c h a s ee l e c t r i c i t ym o d e la n de c o n o m i cl o a dd i s p a t c hm o d e lt o s o l v ean o n s m o o t hc o s tf u n c t i o nc a u s e db yt h es t e a ma d m i s s i o nv a l v eo p e n i n g sw i t ha r a m pr a t ec o n s t r a i n t i no r d e rt o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，an e wm u t a t i o no p e r a t o ra n d q u a s i s i m p l e xt e c h n i q u ea r ep r o p o s e d c o m b i n eq u a s i - s i m p e l xt e c h n i q u ew i t hg e n e t i c a l g o r i t h ma n de v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y , d e v e l o ph y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h ma n d h y b r i de v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ，a n da p p l y t h e s em e t h o d st os o l v et h el o a dd i s p a t c h p r o b l e m s w i t hi n c r e a s eo fc o n s c i o u s n e s sf o re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，p u b l i cm o r ea n dm o r e p a ya r e n t i o nt ot h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e mc a u s e db yg e n e r a t i o ne l e c t r i c i t y a l o a dd i s p a t c hm o d e lw i t ht h r e eo b j e c t i v ef u n c t i o n sc o n s i d e r e de m i s s i o n ，p u r c h a s i n gc o s t a n dc o a lw a s t a g ei sb u i l ti n t h i sp a p e r t h i sm o d e li sm u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m ，a b s o l u t eo p t i m a ls o l u t i o n sa r en o te x i s t e di ng e n e r a l ，t og e ts a t i s f y i n gs o l u t i o n s ， w eg i v et h ef u z z yw e i g h t sm o d e la n dc r i s pe q u i v a l e n tm o d e lt os o l v em u l t i o b j e c t i v e p r o g r a m m i n ga n da p p l yt h i sm e t h o dt o s o l v et h ee n v i r o n m e n t a l l o a dd i s p a t c hp r o b l e m p r o p o s e di nt h i sp a p e r b e c a u s et h e r ea r eu n c e r t a i n t i e si nc o s tt h ef u n c t i o na n de m i s s i o nf u n c t i o n ，w e p r o p o s ean e wf u z z ye c o n o m i cl o a dd i s p a t c hm o d e l a n daf u z z ye n v i r o n m e n t a l l o a d d i s p a t c hm o d e lb yu s i n gf u z z y m a t h e m a t i c st h e o r y f u z z yl o a dd i s p a t c hi sf u z z y n o n l i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e m t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ed o e sn o t u s em a x i m a l s a t i s f y i n gf a c t o rm e t h o dl i k eu s u a l ，b u td e v e l o pan e w s o l u t i o nm e t h o dt h a tc o m p a r et o d i f - f c r e n tp o i n t sf u n c t i o nv a l u e sb yu s i n gf u z z yn u m b e rr a n k i n gm e t h o dt o s e e kf o r o p t i m a ls o l u t i o n s t h i sm e t h o dc a nr e s e r v em o r eu s e f u li n f o r m a t i o na n dp r o v i d em u c h h e l pt ot h ed e c i s i o nm a k e rt h a nt h ep r e v i o u sm e t h o d f u z z ye n v i r o n m e n t a l l o a dd i s p a t c h i sf u z z ym u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gp r o b l e m ，i no r d e rt og e ts a t i s f y i n gs o l u t i o n s ，a n o v e lw e i g h t i n gi d e a lp o i n tm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，u s et h i sm e t h o dt oc o n v e r t t h ee n v i r o n m e n t a l l o a dd i s p a t c hi n t oas i n g l eo b j e c t i v ef u z z yo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h e n o p t i m i z ed i r e c t l y f u z z yf u n c t i o nb yu s i n g t h em e t h o dp r o p o s e dp r e v i o u s ，o b t a i n s a t i s f y i n gs o l u t i o n s b a s e do na n a l y s i sa b o u tl o a dd i s p a t c hp r e v i o u sm o d e l s ，p o i n to u tt h a tt h et r a d ei n d a y - a h e a de f l e e tr e a l t i m et r a d e ，p r o p o s eu n i f i e de n e r g yt r a d i n gm o d e l ( u e t m ) o f t h e s p o tm a r k e ta n dr e a l t i m em a r k e t ，a n dp r o v et h a tu e t m i sp r i o rt os e p a r a t em o d eo ft h e s p o ta n d r e a l t i m em a r k e t s i na d d i t i o n ，t h em o d e l sb u i l ti nt h i sp a p e ra r ea l lc o n s t r a i n e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o n d r o b l e m s ，t h ec o n s t r a i n t sn e e dt o b ed e a lw i t ht os o l v et h e s el o a dd i s p a t c hm o d e l sb y u s i n gh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ，h y b r i de v o l u t i o n a r ya l g o r i t h ma n do t h e ro p t i m i z a t i o n m e t h o d s b e c a u s eu s u a lp e n a l t yf u n c t i o nm e t h o di sh a r dt od e t e r m i n ep e n a l t yf a c t o r ，w e g i v eam e t h o do fc o n s t r a i n td i s p o s a lb yu s i n gt h ef u n c t i o nv a l u eo ft h eo b j e c t i v ea n d t h e e x t e n to ft h ec o n s t r a i n t sv i o l a t i o ni n t h i sp a p e r ，t h i sm e t h o di s s u i t a b l et ou s u a l c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e m k e ww o r d s ：p o w e rm a r k e t ，l o a dd i s p a t c h ， e v n v i r o n m e n t a l e c o n o m i cl o a dd i s p a t c h ， h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ，w e i g h t i n gi d e ap o i n tm e t h o d ，f u z z y n u m b e ro r d e r i i l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文现货市场功率分配问题模型及其 求解算法研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期： 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：邀瞰 日期：叠：丝 导师签名： 日期： 名穗嘏 占6 尘妒 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论昂一早珀t 匕 电力系统一般由发电、输电、系统控制( 调度平衡组织运营) 、配电以及供电 等5 个环节组成，其中一些环节具有自然的垄断性，如输电、系统控制和配电这几 个领域就具有自然垄断性【lj 。在发电环节上也存在着充分的规模经济效应，所以整 个电力工业长期以来一直被当作一种地方性的自然垄断产业。但当发电企业的规模 变得过大时，发电环节的规模经济也在逐步衰竭。因此，近些年来，电力工业属于 自然垄断产业的观点受到了严重的质疑和挑战。对电力工业放松管制，实施市场化 运营的要求越来越高。 另一方面，电力也是一种商品，从经济学的角度讲，电力实现市场化有其必然 性。经济学家已经证明，在一定条件下，完全竞争是有效率的，即在完全竞争和不 存在市场失灵的情况下，市场会用其资源尽可能多地生产出有用的物品与劳务。因 此，为了提高资源配置效率，降低电力生产成本，对传统的垄断经营的电力工业进 行市场化改革是必然的选择。 传统电力工业的生产关系是在垄断的模式下，通过计划的手段实现电力资源的 优化配置，在历史上有力地促进了电力工业的稳步发展和壮大。然而，随着电力供 应的相对过剩，电力工业传统生产关系的弊端就不可避免地暴露出来，如电力系统 的各个环节缺乏降低成本的积极性，对新技术不敏感，资源浪费严重，服务质量差 等等，整个电力工业显得效率低下而缺乏活力。这一系列问题是长期处于垄断情况 下的必然结果，也是促进电力工业加速市场化的主要原因1 2 j 。 对电力工业实行市场化改革的另一个原因是其它行业成功改革的示范效应。例 如，自上个世纪8 0 年代末，9 0 年代初以来，原来垄断经营的航空、电信等行业陆 续进行了成功的市场化改革，这也加剧了对电力工业进行改革的要求。 基于上述各方面原因，世界各国政府纷纷开始考虑对电力工业进行改革。早在 1 9 7 8 年，智利就开始了以放松电力行业管制，引入市场竞争为主要特征的电力体制 改革【3 1 ，特别是以新自由主义经济理论为导向的英国，在1 9 9 0 年开始将国有电力资 产私有化并颁布新电力法，建立了以竞价上网为特征的发电侧电力市场并获得了成 功1 3 1 。英国的经验在世界范围内产生了重大影响【4 1 ，出现了由挪威、瑞典、芬兰和 丹麦等国加入的第一个跨国电力市场一北欧电力市场( n o r dp 0 0 1 ) 1 5 8 】，美国的加 州、纽约州、p j m ( 宾夕法尼亚、新泽西、马里兰等州) 和新英格兰电力市场【9 】， 新西兰电力市场【i o ，澳大利亚电力市场i 】以及俄罗斯电力市场【眨1 等。 在研究和借鉴国外电力市场改革的成功经验中，我国的电力市场改革也在积 华北电力大学博士学位论文 极、稳步地进行。1 9 9 8 年6 月，国家电力公司提出了“实行网厂分开，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3 个省( 市) 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3 省与山东、上海、浙江同时列为网厂分开、竞价 上网的试点单位【1 3 】。这也标志着政府积极推进建立发电侧电力市场工作的正式启动 和电力工业继续深化改革，以期打破垄断，形成统一、开放、有序的电力市场的开 始。2 0 0 0 年，浙江、山东、上海的发电侧电力市场进入了商业化试运营：东北三省 区域发电市场也正式起动，特别是在2 0 0 3 年3 月国家电力监管委员会成立，标志 着我国电力市场改革已经进入了实质性阶段。目前我国电力工业已完成了网厂分 开，组成了国家电网公司、中国南方电网有限公司，以及5 大发电集团公司，即中 国华能集团公司，中国大唐集团公司，中国华电集团公司，中国国电集团公司和中 国电力投资集团公司，为下一步实施竞价上网奠定了体制基础。 目前，电力工业进行市场化改革的确切定义还是一个有争议的问题。这主要是 由于电力既有一般商品的特点，又有其自身特有的物理运作规律，如：电能不能大 量储存、产供销要求瞬时平衡、不同厂家的产品无法区分、任意地点的扰动对传输 电能的载体电磁场都有显著的影响等等，这些充分表明电力市场的运作有明显的协 调性、计划性和统一指挥性。另一方面，电力工业与国民经济发展紧密相关，电力 工业的发展变化牵动和制约着各行各业，是一个典型的公用事业，因此电力市场不 同于其它商品市场，适度的管制和监督是保证电力工业和国民经济稳步发展的基 础。基于上面的分析，电力工业的改革应首先建立法规和监督机制对电力工业管制 方式进行改革，然后建立合适的电力市场运营机制，对电力生产的发、输、供等环 节部分地引入市场竞争机制，采用经济手段协调、控制电力生产。然而哪些环节引 入竞争? 如何构建公正、平等的竞争环境是确保电力市场安全、稳定、有序运营， 实现社会效益最大化的核心问题。 在过去2 0 年的国外电力工业改革进程中，电力市场的出现的确带来了很大的 经济效益，如降低发电成本和用户电价，吸引投资等。但由于电力市场的复杂性和 高风险性，尤其是美国加州2 0 0 0 年夏季和2 0 0 1 年初出现的电力危机给各国电力市 场的实施提供了警示作用 1 4 - 1 8 】，也引发了对放松电力管制及发电市场化的做法是否 明智的质疑【l9 2 i 】。这充分说明电力工业市场化没有明确的模式，众多问题还需要深 入研究。总的说来，尽管面临许多问题，但电力市场化已成为世界范围电力工业改 革的不可逆转的发展趋势。 1 2 典型电力市场运营模式 正是由于电力市场化没有确定的模式，各个国家对电力工业实施市场化的环 节、程度、次序也不尽相同。有先开放发电市场的，也有先开放供电市场的：有开 2 第一章绪论 放部分环节的，也有各个环节都开放的。各个国家都是根据各自的特点，精心设计 电力市场，并根据运行情况逐步改进、完善的。 为了使我国开放电力市场少走弯路，避免或减少由于电力市场设计、规则等各 方面不完善造成的损失，减少改革成本，借鉴国外电力市场的经验教训是非常重要 的。因此下面先介绍电力市场几种典型的运营模式。 1 2 1 垄断运营模式 传统的电力工业通常是按地域建立垄断性的发电、输电、供电一体的垂直管理 体系。最典型的是在电网所及的广泛地域内只有一个拥有发电、输电以及配电的“电 力公司”，负责该地域的电力生产、输送、分配和销售，然后通过公共电价体系， 用一个包括所有服务成本的集中式电价销售给用户。这种模式在实行电力市场前是 世界范围内普遍采用的形式，目前世界上还有不少国家采用这种形式。如：中国、 日本、法国等至今还用这种模式。 1 2 2 电力联营体运营模式 该模式只在发电领域引入竞争，输、配电仍然垄断经营，各发电商以竞争性报 价将电力销售给电力交易中心( p o w e re x c h a n g e ，p x ) ，而供电商以一个被管制的 电价从电力交易中心批量购买电力，然后再零售给用户。这种模式也称为+ l 模式 ( 个卖主，1 个买主) 。电网与交易中心、调度可分、可合。配电公司有两种运营 模式，一种是北爱尔兰模式，其特点是：在同一供电区域，允许有多家配电公司参 与竞争，但这些配电公司只能从同一家卖电机构以相同的批发价买电。另一种是美 国模式，其特点是每个供电区域只允许有一家配电公司，即对区域供电垄断专营。 电网之间的电力交易只能在电网运营管理机构( 交易中心) 之间进行。英国早 期市场，我国上海等6 省市试点就是这种模式。 1 2 3 批发竞争运营模式 该模式和电力联营体模式相比，不仅在发电领域引入竞争，而且允许配电公司 和大用户选择供电商，即在供电领域引进竞争。在该模式下，配电和输电分开经营。 输电网向用户开放，并有偿提供输电服务。这种模式的电力市场，主要是发电公司 和用户之间直接进行交易，各卖方必须找到买方签订双边协议，然后递交给交易中 心，而无需电力联营体的介入。在电力联营体模式下，竞争仅局限于发电商之间， 即使用户具有竞争性，也不能参与市场竞争( 最终用户只能选择电价的高低、电力 和电量的大小、电力服务质量的好坏等，而不能选择发电商) 。 在批发交易模式下，调度机构负责电网安全，并起着协调各种交易的职能，对 交易市场只是简单地负责实现交易，而不在电网调度过程中考虑发电厂的电价因 素。交易管理由交易中心进行协调，在发电厂和用户之间实现电力交易，其一笔电 3 华北电力大学博士学位论文 能交易可能涉及多个发电厂和多个用户。独立系统运行员( i n d e p e n d e n ts y s t e m o p e r a t o r ，i s o ) 每隔一定的时间公布输电网的运营信息，从而交易中心可以确定哪 些交易可以实现，哪些无法实现；然后电力交易中心再将需要进行的交易提交给i s o 审核，并由i s o 实现可行的电力交易。 北欧四国【7 - 8 1 ，澳大利亚【1 1 1 ，英国新方案2 2 1 ，西班牙 2 3 】等国采用了这种模式。 1 2 4 零售竞争型运营模式 在这种模式下，所有用户都获得了选择权，配电公司不再对用户实行垄断专营。 配电网和输电网一样，也要向用户开放，提供输变电服务，收取服务费。另外，这 种模式下，允许出现零售公司( 或称为电力经纪人) ，这类公司不一定拥有配电网， 通过向用户提供服务获得利润。该模式的核心是用户获得了选择权。用户或配电公 司有权选择发电商，可与发电商直接进行交易，更重要的是可选择发电商，对电价 的高低、电力和电量的大小、服务质量也有更多的选择，从而大大增加了发电市场 的竞争。这是一种比较理想的模式，该种模式被认为是电力市场的发展方向。美国 加州就是采用的这种模式。开始阶段市场运营良好，降低了用户电价，被作为电力 市场的典范。但后来出现了电力危机，造成了巨大损失，也对其它国家开放电力市 场起到了警示作用，使各国对开放电力市场，以及市场的设计更加慎重。 以上主要是根据用户的选择权对电力市场的运营模式进行分类的，还可以根据 发电、输电、调度、配电、售电等各个环节哪些作为独立实体进行市场化运营等进 行分类。 1 3 日前市场功率分配问题研究现状 1 3 1 发电侧电力市场 前面介绍的电力联营体模式，仅在发电领域引入竞争，这种模式有下面一些优 点： ( 1 ) 在发电领域引入了竞争机制，对于降低总的电能成本具有重要意义。 ( 2 ) 可以提高投资效果，促进电力发展。组织实施电力联营体内各个电力公 司的共同发展任务，可以建设较大的技术先进的电厂来满足用户要求。可以联合建 设输变电工程，加强网架和提高技术装备水平，实现电力联营体的统一规划效益， 可减少备用容量，分散发展风险和经营风险。 ( 3 ) 提高运行效果。在电力联营体范围内，可取得最节省成本，最小的运行 维护费。 ( 4 ) 这种模式交易相对简单，交易成本较低。 ( 5 ) 这种运营模式可以使政府比较容易实现一些社会发展目标。电力运营机 第一章绪论 构对用户供电实行的仍然是间接或直接的垄断。 ( 6 ) 电力联营体运营模式与后2 种运营模式相比，其突出的优点是通过长期 合同减少了由于采用新技术使发电厂减少其市场份额的风险。独立发电厂和电力联 营体把新技术的应用与伴随市场可能出现的风险隔离起来，有助于整个电力工业的 技术进步。这种模式下的效益分配是通过对买电合同进行科学合理的设计，使得调 度员面对的边际成本与电厂运行边际成本相一致来实现的。 主要不足在于： ( 1 ) 在这种模式下，配电( 供电) 公司和大用户只能从一家电力交易中心买 电，不能直接和发电企业签订购售电合同。 ( 2 ) 无法得到竞争的净效益。只有市场价格才能使额外的成本很难隐藏在电 费中，并减少内部交易和腐败现象，上述问题只有在充分竞争的市场运营模式中才 能得到有效的解决。 ( 3 ) 电力联营体中发电商的报价和价格制定步骤比较复杂，使价格的透明度 失去了实质的意义，市场参与者无法根据这种透明价格信息来做更好的决策。 ( 4 ) 电力联营体限制了需求侧的参与，电力联营体中的竞争只有发电商的竞 价，供电商和用户无法参与，定价缺乏竞争力度。 普遍认为，这种运营模式在电力工业改革初级阶段是一个很好的运营模式，对 现有的组织机构没有很大的影响，也不需要签订非常复杂的合同。 就中国电力工业的情况来看，虽然目前装机容量、发电量均居世界第二位，但 人均用电量很低，并且我国正处在经济高速发展时期，因此未来若干年内，电力供 给并不真正富裕。同时，我国电网结构比较薄弱，技术支持系统尚处于初始阶段， 许多内部因素和外部条件尚不具备，还需进一步完善。以上这些都说明，我国首先 开放发电侧电力市场是恰当的。 我国目前发电侧电力市场的市场主体是各独立发电企业与电网经营企业，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。与英 国、澳大利亚等国的电力市场不同，中国电力市场继续保持着输、配一体的管理模 式，保留供电营业区，每个供电营业区只有一个指定的供电机构向终端用户供电【i 引。 发电侧电力市场的模式是“1 + ”模式，“1 ”是指电力市场的单一购买者，即电网经营 企业；“”是指参与市场竞争的各个独立发电企业。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供电。在这种模式下，电网经营企 业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。 依据国家电力公司的改革方案，2 0 1 0 年以后，将试行用户参与电力市场竞争的 方式，允许用户自由购电。 1 3 2 交易类型 5 华北电力大学博士学位论文 电力市场的交易，一般分为长期合同、现货交易( 日前交易和实时交易) 、辅 助服务交易和输电权交易。我国电力市场的各试点单位主要采用了前3 种交易方式。 在单一购买者模式下的发电侧电力市场，组织发电公司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范严重缺电或电价急剧升 高的风险，必须与发电公司签订一定数量的长期合同。以我国试点各单位为例，各 发电公司保留原有合同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，其比例将逐渐减小，并最终由市场决 定的长期交易合同所取代。日前交易是指按照发电机组的报价，提前1 天确定的第2 天的发电计划。各试点单位的日前交易主要采用2 种方式：一种方式是将长期合同 看作是一个经济合同而非物理合同，在编制第2 天的发电计划时，按照各发电厂的 申报数据，编制交易计划，如果日前市场的发电计划与长期合同不一致，采用经济 手段进行补偿：另一种方式是将长期合同看作是物理合同，长期合同确定的电量在 现货市场首先安排，其余部分作为交易电量编制计划。实时交易是指在交易日当天 确定的发电计划。由于电力工业的特点，要求发电与负荷实时平衡。不管采用什么 方式，由于存在负荷预测误差及系统运行状况的变化，提前1 天编制的发电计划与 实际的负荷需求间存在差别，需要实时调整发电计划，所以，必须建立实时交易市 场。实时交易的作用有2 个方面：一是作为长期合同和现货交易的补充，在负荷预 测与实际负荷出现偏差后，达到发电与负荷平衡的目的；另一方面，实时交易可以 提高竞争的力度。辅助服务交易是电力市场中重要的交易方式之一。辅助服务的内 容主要包括调频、调峰、无功与黑启动。目前，辅助服务指标的量化、辅助服务成 本的计算以及付费等比较复杂，世界上各国电力市场的做法也不尽相同。在我国现 有电网结构比较薄弱的条件下，为保证电网运行安全，各试点单位基本上未考虑辅 助服务交易，均采用了由调度指定、无偿提供的方式。目前省级电力市场内尚未出 现输电权的交易。为了防范供电不足或购电电价过高的风险，电网经营企业必须与 发电公司签订一定数量的长期合同。 可以看到，发电市场中竞争最激烈、最具活力的部分就是日前市场和实时市场 的交易问题。在确定了竞价机制之后，主要就是确定日前发电计划，或者说机组组 合问题，这是关系到各个发电企业和市场经营者利益的核心问题。本文主要研究日 前市场和实时市场交易问题。 1 3 3 日前市场功率分配问题研究现状 按照文献【2 4 】的观点，“机组组合( u n i tc o m m i t e m e n t ，u c ) 问题就是在满足系 统设备和运行约束的条件下，确定一个电力系统内各个机组的发电计划”，也就是 运行机组的最优组合，即为了取得最优的结果，系统中哪些机组应当运行，哪些机 组应当关闭以及各个运行机组的出力是多少? 解决u c 问题就是在满足系统安全和 6 第一章绪论 机组特性约束的条件下，寻找经济、合理的次日发电计划曲线，以满足负荷需求。 传统的垄断型电力工业中的u c 问题，一般以系统各发电机组的开停机状态和 出力为控制变量，在满足系统安全，机组特性约束和用户需求的条件下，使开停机 费用和运行费用之和最小。电力市场条件下的u c 问题有许多新的特点，国内外己 建立了许多u c 问题的数学模型，并提出了大量的优化方法。从模型方面来看，有 单目标u c 问题，目标常常有以下几种：社会效益最大，全网购电费用最低，煤耗 量最低，发电成本最低，利润最大，有害气体排放量最小，过负荷最小以及有功网 损最小等。有多目标机组组合问题，目标常常是上面单目标中的几个同时作为目标。 从约束条件来看，u c 问题的约束条件一般有：功率平衡约束，机组出力约束，备 用约束，爬坡速率约束，网络传输约束，最少开、停机时间约束，以及1 个周期内 最多开停机次数约束等。具体应该以什么为目标函数和约束条件建立u c 问题的数 学模型要根据电力市场的结构和运营模式来确定。一般来说，u c 问题常常是多维 的、非凸的、离散的、动态的、非线性的规划问题，很难找到理论上的最优解。但 由于它具有巨大的经济效益，始终是国内外的一个研究热点。u c 问题的研究重点 之一在于如何求解各种机组组合问题的数学模型。关于这个问题已经有了大量的研 究工作，提出了许多优化方法。文献 2 5 2 8 1 综述了传统机组组合、经济调度问题的 数学模型和求解方法。下面是一些典型的方法。有基于经典优化算法的，如启发式 方法【2 9 - 3 1 1 、线性规划法【3 2 3 4 1 、拉格朗日乘子法【3 ”、二次规划法【3 6 1 、非线性规划法【3 ”、 动态规划法【3 8 4 2 】等，也有基于现代人工智能方面的，如遗传算法【4 3 巧2 1 、人工神经网 络法【6 3 , 6 4 】、蚁群算法【6 5 1 、混沌优化法【6 6 , 6 7 】、粒子群算法【6 8 1 、进化算法f 6 9 m 】以及模糊 规划方法【7 2 - 7 6 1 等。 1 4 本文的主要工作和创新点 本文在综述国内外电力市场环境下有关学术研究和典型电力市场运营情况的 基础上，针对发电市场环境下现货市场能量交易问题进行了深入的理论研究，建立 了几种功率分配模型，提出了相应的求解算法。具体讲，有下面几个问题： ( 1 ) 在分析发电市场特点的基础上，建立了日前市场购电模型和经济功率分 配模型。在分析统一边际电价( s m p ) 和拍卖电价( p a b ) 结算模式的基础上，提 出了按s m p 结算，按p a b 进行功率分配的模型。进一步，考虑了汽轮机阀点效应 ( v a l v ep o i n te f f e c t ) ，建立了非光滑成本函数的动态功率分配模型。 ( 2 ) 分析了遗传算法中复制、交叉、变异3 种算子的作用，提出了实码遗传 算法的一种新的变异算子。针对遗传算法、进化算法全局搜索能力强，局部搜索能 力较弱，而传统单纯形算法正好具有相反的特点，首先提出了拟单纯形技术，进而 提出了混合遗传算法与拟单纯形技术，以及混合进化算法与拟单纯形技术。为了求 7 华北电力大学博士学位论文 解约束非线性规划问题，提出了一种约束直接处理方法，并用此方法求解了考虑阀 点效应的动态功率分配模型。用混合遗传算法( 进化算法) 求解时，为了加快收敛 速度，给出了一种产生初始种群的方法。 ( 3 ) 针对发电引起的环境污染问题，综述了已经提出的各种降低有害气体排 放量的方法，建立了环境功率分配模型，给出了求解一般多目标规划问题的加权模 糊优化模型及其求解方法，并用该方法求解了环境功率分配模型。 ( 4 ) 分析了成本函数和排放量函数中的不确定性，利用模糊数学理论建立了 动态模糊环境功率分配模型。在分析求解多目标非线性规划问题的权重方法和理想 点法的基础上，提出了一种新的求解一般多目标非线性规划问题的有效方法，即权 重理想点法，用此方法将模糊多目标优化问题转为模糊单目标优化问题。为了保留 更多的有用信息，本文提出了一种利用模糊数的序直接优化模糊单目标非线性规划 问题的有效方法，并用该方法求解了模糊环境功率分配模型。 ( 5 ) 深入分析了目前市场对实时市场影响的机理，建立了日前、实时两个市 场统一能量交易模型，证明了统一能量交易模型优于以前分开交易模型，给出了统 一能量交易模型的有效求解方法。 1 5 本文的组织 本文系统研究了日前市场的功率分配模型和相应的求解算法，具体组织如下： 第二章首先分析发电市场环境下的功率分配问题与传统发电计划的差异，明确 本章主要讨论日前市场功率分配问题。在对目前功率分配问题研究现状进行综述的 基础上，以i s o + p x 市场结构为例建立了日前市场购电模型，经济功率分配模型以 及考虑阀点效应情况下的经济功率分配模型。分析以s m p 和p a b 作为功率分配模 型中结算电价的特点，提出按s m p 结算电费，按p a b 进行功率分配的新思想。为 了求解非光滑成本函数的功率分配模型，针对实码遗传算子，提出新的变异算子： 进一步又提出拟单纯形技术，最后形成可以优化一般非线性函数的混合遗传算法、 混合进化算法，并用该算法求解了非光滑成本函数的功率分配模型。 第三章针对发电引起的环境污染问题，在分析已有环境功率分配模型的基础 上，建立了动态环境功率分配模型。考虑到不同目标函数重要程度的差别，利用模 糊数学理论和加权和方法将环境功率分配模型转化为单目标优化阿题进行求解。 第四章考虑燃料成本函数和排放量函数中系数具有不确定性，利用模糊数表示 这些系数可以更加精确地描述成本函数和排放量函数，进而建立了更加符合实际情 况的环境功率分配模型。该模型属于模糊多目标非线性规划问题，求解比较困难。 本章在介绍一般多目标规划问题有关求解方法的基础上，提出了一种新的权重理想 点法，这种方法将各个目标函数值化为相同的量纲，从而可以使权重反映对目标函 第一章绪论 数值影响量的大小。求解模糊环境动态功率分配模型时，首先利用权重理想点法将 问题转化为单目标模糊规划问题。为了求解模糊单目标规划问题，本章介绍了模糊 扩张原理，模糊数及其运算，模糊数的序等理论。为了保留更多的模糊信息，本章 没有用求解模糊单目标优化问题常用的最大满意因子方法和旯一水平集方法，而是 利用本章介绍的模糊数学理论和方法直接优化模糊目标函数，求解模糊多目标问题 的满意解以及对应的模糊目标值。数例表明这种方法可以得到满意的结果。 第五章系统分析了目前各种日前市场功率分配模型，指出日前交易对实时交易 有较大影响，分开考虑日前市场能量交易和实时交易不能得到最优的功率分配结 果。在实际需求符合正态分布的假设下，利用概率论理论建立了日前市场和实时市 场一起考虑的统一能量交易模型，证明了统一能量交易模型优于分开考虑2 个市场 的交易模型，并给出了求解统一能量交易模型的解法。最后通过数例计算表明统一 能量交易模型确实可以节省购电费用。 第六章对全文进行了总结并给出了今后研究工作的一些展望。 9 华北电力大学博士学位论文 2 1 引言 第二章日前市场功率分配模型 随着发电侧电力市场的开放，电力市场环境下的功率分配问题与传统的发电计 划发生了质的变化，其核心是产权关系的变动和管理模式的变化。传统的发电计划 是基于全信息的调度决策，即调度部门对下属电厂拥有完全的控制权，因此可以用 行政手段进行调度。在电力市场环境下，电网调度机构一方面要确保电网的安全、 优质、高效、经济运行，实现向用户供应充足合格的电能；另一方面还必须为发电 企业公平竞争、为广大用户选择供电商提供灵活、可靠的环境。然而，如何在保证 电网安全的条件下，对独立发电企业实行公平、公正、公开的“三公”调度，进而 保障电力市场规范、有序运营还有许多需要深入研究的问题。 从电厂角度看，竞价上网与传统的发电计划最明显的区别有两点：一是结算规 则的变化，二是上网电量是竞争得到的，不是通过行政命令确定的。因此，如何确 定上网电价，如何确定功率分配模型，进而按模型计算各个发电商( 机组) 的上网 电量是非常迫切的、必须解决的问题。 在发电市场阶段，电力工业进行市场化改革就是要在发电侧引入竞争，达到降 低生产成本，提高电力生产效率等目的。发电市场中的竞争主体是各个发电企业( 机 组) ，主要通过集中的电能现货交易来实现，这种现货交易通过日前市场和实时市 场完成。由于用户电价不随上网电价的变化而不同，因此，用户的消费电量也与上 网电价无关，换句话说，用户的负荷是刚性的。因此，现货市场竞争的电量就是负 荷预测的电量减去合同电量( 按一定规则将合同电量分解到每一天，每一时段) ， 为叙述方便，不妨假设现货市场竞争的电量为负荷预测电量。这样各个发电企业就 是在市场确定的规则下，通过报价竞争上网电量，按市场确定的结算电价规则进行 结算。因此，影响各个发电企业利益的主要因素是结算电价和上网电量。为了实现 “三公”调度，结算电价必需提前确定，并在比较长的一段时间内保持不变，且应 该受到监管。在结算电价确定之后，关键的问题是如何进行功率分配，这是关系到 电力系统能否安全、稳定运行，关系到市场参与各方利益的核心问题。为了实现“三 公”调度，减少人为因素的干预，功率分配必需模型化。 现货市场的竞争主要分3 个市场来实现，即日前市场、实时市场和辅助服务市 场。 在日前市场中，各个发电企业通过向电力公司上报机组报价以及相关的技术数 据等，由电力公司中的市场交易机构( p o w e re x c h a n g e ，p x ) 负责进行发电计划的 确定，也即机组组合问题。由于负荷预测误差以及系统事故等原因，实际需求不可 1 0 第二章日前市场功率分配模型 、 能和日前市场确定的负荷一致，因此必须运作一个实时市场。实时市场按照不同的 实时价格负责购买( 实时负荷增加) 或出售( 实时负荷减少) 电力。除日前市场和 实时市场外，还有辅助服务市场，用于采购系统备用，调频、调峰，黑启动等。实 时交易一般由i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r t a o r ) 根据实时运行需要，即时采购。 一般情况下，这部分电力就是实际需求与负荷预测相差的部分。辅助服务可由p x 负责，也可由i s o 负责。在已经运营的电力市场中，日前交易是竞争最激烈，最具 有挑战性的环节。因此，确保电力市场安全、稳定运行的关键之一就是如何设计日 前市场竞争机制。目前，已提出了多种日前市场竞价模式【7 卜韶】。日前市场竞争主要 是市场内各发电集团( 机组) 竞争上网发电以及竞争上网电量，也就是机组组合问 题，或各个发电集团竞争次日的上网电量，一般是经济功率分配问题。另一个核心 问题就是上网( 结算) 电价问题，已经提出了多种上网电价【9 叭】。一种结算电价对 应着多种功率分配模型，不同的结算电价对应着不同的功率分配模型。 本章主要研究日前市场的功率分配模型和相应的求解算法。 确定日前市场中的功率分配问题也就是机组组合问题。在传统运行模式下，系 统运行人员在满足系统需求和发电限制的条件下最小化生产成本来决定机组