（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下购电优化问题的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力市场环境下购电优化问题的研 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： 墨缱 日期：! 堕兰：丝：兰 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：墨蕉 日期：! ! ! ：竺三! 导师签名： 凰晒 日期 z e 0 4 卢、g o 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景【2 】【3 第一章引言 当前，电力工业在全世界范围内发生了深刻的变化。美国、澳大利亚、新西兰、 挪威、瑞典、德国、日本、新加坡、泰国等相继开展了不同程度的电力市场改革。 解除垄断、引入竞争机制、增强电力工业活力、优化资源配置、提高效益，已经成 为现代电力工业发展的必然趋势“1 。电力工业的改革目标在于提高电力生产效率， 使电价形成机制合理化，提供高质量、更安全的电力产品，促进电力工业本身的良 性发展，并使全社会从改革中得到更好的经济效益和社会效益。 我国已于1 9 9 7 年底初步摆脱了电力短缺的状况，但作为国民经济的基础产业， 电力工业过于垄断的模式越来越不适应国民经济的整体发展环境。为了在全社会范 围内优化配置资源，提高电力企业的生产效率，建立电力市场是我国电力工业改革 的必然选择”7 。 从国际、国内的发展形式来看，电力走向市场是历史的必然。电力走向市场， 就是要将电力工业纳入到市场经济的框架中，通过市场竞争资源，达到资源的最优 配置。但是电力的生产、运输又有其独特的特点。首先，电能不能大量储存，生产、 运输、消费过程必须同时实现；其次，电力系统作为统一的、不可分割的系统，需 要维持电压、频率的稳定并保证在各种扰动下满足系统的安全性要求。所以电力市 场建设又具有其独特性和复杂性，有许多问题世界各国都还没有很好的解决，都正 处在一个探索完善的过程中。 深刻的体制变革给电力系统运行和规划带来了巨大的挑战。电力市场化改革已 经成为我国电力工业界的热门话题，有关的研究和实践工作已经开展。这项改革是 一项复杂的系统工程，将会对我国电力工业乃至国内政治、经济等领域产生重大影 响。 1 2 电力市场需求侧问题概述卜，j 导致加利福尼亚2 0 0 0 - - 2 0 0 1 年电力危机的很重要的因素是：单一购买机构割 断了供应侧和需求侧的联系，使市场机制不能发挥作用。作为电力市场，只有当买 方和卖方能在市场上相互作用时( 如价格必须由市场供需双方来确定) 竞争才能正常 运转起来，电力市场才能健康有序的发展。 英国、挪威、加拿大和美国加州电力市场在提供可靠的供电服务和稳定电价方面是 华北电力大学硕士学位论文 不成功的。主要原因是少量市场占优的发电商滥用市场力( 尤其是在输电发生阻塞时) 、 不完善的市场设计( 包括配电市场的不完善) 、没有激发用户对电价的弹性、投资规划 市场不充裕以及期货交易不足等。 这些不成功的例子表明：由于电力系统具有不同于其他商品市场的特性，单纯重视 发电市场和输电市场，而忽略配电市场参与竞争的潜力，容易导致市场力，不利于电力 市场的全面发展。要充分发挥市场竞争的潜力和效率，最终必然要全面开放电力运 行的各个环节。只有实现配电侧的市场化改革才能建立完整的电力市场，带来更大 的经济利益“。 目前，英国、芬兰、澳大利亚、日本、巴西、美国的部分地区都对配电侧进行 了电力市场改革。巴西电力市场是一个成功的配电市场改革的例子。巴西电力系统 于1 9 9 5 年首先在配电侧实现私有化，且允许配电企业选择购买发电商的电力，改 革一年后取得明显成效，配电企业的累计收益从1 9 9 5 年的1 0 8 8 亿美元上升到1 9 9 6 年的1 8 亿美元，吸引了大量投资，然后试图将配电侧改革成功经验推广到电力工 业的其它环节。 十五末期，全国大部分地区的发电企业将实行竞价上网，符合条件的大用户， 包括独立配售电企业将直接向发电企业购电。可以预见，配电侧电力市场改革是大 势所趋，输配电分开将成为下一步改革的重点陋 。 配电侧市场是与发电侧电力市场、输电网开放等电力工业市场化改革的宏观步 骤相适应的，对传统配电侧( 包括配电网运营、电力销售、用户等环节) 的经营管 理模式进行打破垄断、引入竞争的市场化改革和重组，建立新的市场竞争模式和完 善的现代监管制度，从而实现配电侧提高效率、优化资源配置，并促进整个电力工 业发展的市场化改革的重要阶段。 世界各国进行配电侧电力市场改革的模式和具体步骤不尽相同，但改革发展的 总趋势却基本一致，即：打破原来由配电公司对配、售电业务的垄断，成立不拥有 配电网络的电力零售公司负责电力销售并引入竞争，将配电网络交给配电公司经营 并对电力市场的所有成员开放。改革步骤一般是先将配电运行和零售分开，在零售 侧首先允许大用户自由选择供电商，运行段时间后再逐步允许一般用户自由选择 供电商。 目前配电侧电力市场根据参与竞争的主体不同，主要的经营模式有【7 】：配电网 垄断经营模式、标尺竞争模式、配电与零售分开模式( 前两类见图1 1 ，后一类见 图1 2 ) 。 其中标尺竞争模式分为三步：第一步，由电力监管部门确定一个公司作为标尺，此 公司具有效率较高的特点，称为模型公司，这样的公司并不定是实际的公司：第二步， 以模型公司运营情况的各项指标作为依据，计算出各种税费标准或补贴办法；第三步， 由监管部门根据第二步计算出的税费标准，向各配电公司征收税费或进行经济补贴。这 2 华北电力大学硕士学位论文 种模式下配电侧仍然实行管制，配电公司在其经营范围内出于垄断。 图1 1 配电网垄断经营模式和标尺竞争模式 图i - 2 配电与零售分开模式 配电侧电力市场包含的内容主要有配电公司参与市场竞争、配电网及配电设施 实现开放、竞争的零售市场、适应市场化的配电规划和建设、配电侧市场监管机制。 配电公司作为购电商在电力市场中的交易主要涉及到批发购电和零售卖电两个 过程。配电与零售分开的模式下，配电网公司向零售公司提供配电服务，交易过程 中还涉及到相应的配电费用。 配电系统担负着从高压输电网接收电力，通过中压电网传输到低压系统，进行 电能的分配和平衡等任务，通过优化运行和负荷控制，为用户提供优质的电能服务。 配电企业在电力系统市场化改革后，从规划、运行和管理等方面都会发生变化。 配电企业除了要完成上述传统功能外，还新增了一些职责：如交易管理、市场运营 等：同时原有功能的实现方式及内容都有很大的变化。目前根据市场开放的程度， 相应的运营模式有几种：联营体运营模式、联营体+ 双边交易的模式、混合运营模 式。配电公司有了更多的选择机会，不单可以从联营体购电，也可以与发电商签订 不同形式的购电合同，比如：期货合同、期权合同、现货合同等，还可以调度自己 的分布电源发电。配电企业从长期的垄断经营转向市场化运营后。不但配电系统的 固有技术问题发生了很大的改变，而且，市场竞争给配电企业带来了大量经济问题， 例如商品市场中的博弈和投机行为造成电价剧烈波动，使得用户的用电行为改变， 需求侧管理及配电网规划所涉及的内容都较以前有很大的变化。多变的市场产生了 套利机会，同时也给配电企业带来了风险。市场竞争给配电企业的各个环节带来了 华北电力大学硕士学位论文 新的技术和经济问题。 市场化改革后配电企业面临着很多技术经济问题，包括负荷预测、电价预测、 优化运行、需求竞价、配电定价、电能质量、配电网规划、d s m 优化、套利及风险 防范、计费及交易管理系统、配电网开放与配电过网费用、配电建设的投融资、经 营、维护问题、不同销售电价体系与成本回收、电价与负荷需求的关系、新能源、 新技术的开发利用、购电优化等。下面对其中一些热点技术经济问题做简要介绍。 1 ) 负荷预测 配网负荷估计指配网公司通过负荷类型、统计数据、用户信息和测量等估计从 中压系统到低压系统之间的负荷。负荷预测在配电系统运行中有着重要作用，在市 场化改革后更需要准确的预报结果，为购电决策、优化运行、负荷管理及配网规划 等做出恰当的市场决策。负荷预测包括负荷估计，以及长期、中期和短期( 小时) 负荷预测。 2 ) 配电网开放与配电过网费用8 1 如将2 2 0 k v 及以上的电网及其附属设施划分为输电网，由输电公司经营；2 2 0 k v 以下的电网及其附属设施划分为配电网由配电公司经营，零售业务实行竞争。则配 电网与输电网相似，应该实行配电网开放和收取零售公司的配电过网费用，因此有 必要对配电网开放制定相应的规范，研究配电过网费用的计算方法。 3 ) 配电建设的投融资、经营、维护问j 题 垄断条件下，国家是配电建设的主要投资者，其所有者、经营者、维护者都是 配电公司。在市场条件下，配电侧引入竞争，配电企业成为市场的法人主体，自主 经营、自负盈亏，因此也应该成为投资的主体；为吸引投资，配电设施也可以由其 他投资者建设，但在经营、调度上应由配电公司统一管理，以避免重复投资，节约 社会资源。明确所有者、经营者、维护者之间的关系才能促进对配电设施的投资保 护投资者的积极性。 4 ) 电价与负荷需求关系研究 理论和实践都表明：电价与负荷需求的关系是客观存在的，但我国对这方面的 研究还很不足。研究电价与负荷需求的关系可以有助于制定销售电价的改革方法； 充分调动用户参与负荷调节的能力，提高配电系统的经济效益和社会效益；帮助配 电公司减少市场风险，提高竞争力；了解用户的需求，有助于配电公司提高服务水 平。配电侧电力市场条件下，应积极开展这方面的研究和实践。针对我国负荷增长 较快，部分地区发电容量不足的实际情况，还应鼓励配电公司或零售公司制定分时 电价、可中断电价、实时零售电价等更加灵活的用户零售电价，以便利用用户的价 格弹性平衡负荷需求。 5 ) 购电优化 购电商通过签订长期合同、期货合同或差价合同实现在长期市场中的购电，通 4 华北电力大学硕士学位论文 过提前若干时间段向交易中心提出购电报价曲线实现在短期市场中购电。从已有的 经验来看，购电量应大部分在长期市场中完成，少部分购电量在短期市场中完成， 图 售电价的波动。建立配电侧的电力市场机制，打破配电侧垄断，实行购电竞价，要 首先研究市场风险问题。开展竞价购电和风险评估方面的研究将有助于配电公司的 经营，保证配电侧电力市场的稳定发展。 6 ) 配电网规划 没有统一协调的配电规划和设计，容易造成配电容量不足、重复投资等现象， 最终会形成电力工业发展的瓶颈。新形势下配电网的规划设计有了新的内容。竞争 给用户更多的选择权利，因此，用户可能不再像以前就地受电，可能与远方的便宜 的发电商签订购电协议，通过配电网进行转运；或者使用自己的分散发电或储能。 因此，市场环境下的配电网的规划就不仅仅是考虑负荷增长的问题，而是需要全面 考虑市场的运行、用户的选择、投资回收等多方面因素。针对电力市场环境下的配 电规划问题，下面几个方面值得深入研究：首先要考虑最大程度利用现有资产，需 要对设备的使用进行最大效益分析：规划设计要采用基于风险的规划方法；可靠性 在规划方案中占有特别重要的地位。 7 ) 电价预测 电价是市场的杠杆，是一切市场活动的焦点。电价预测成为电力工业市场化运 行后的重要课题，配电领域短期( 小时到几天) 电价预测对短期负荷预报、购电决 策、负荷控制及风险防范都有重要的指导意义。 8 ) 需求竞价 针对连续变化的负荷需求，如何制定相应的最优购买分配方案就是配电企业在 电力市场下面临的需求竞价问题。复杂的市场竞争给配电企业带来不同程度的风 险，因此电力市场环境下配电公司在考虑需求竞价问题时应该考虑三个方面：购买 分配、需求竞价策略和风险管理。 需求竞价问题研究涉及到许多新课题：建立多级顺序市场中购买问题的数学模 型；电价的预测及各级市场间价格依赖关系的分析与表达；负荷预测方法及价格一 需求弹性研究；套利机会的存在对需求竞价的影响；风险防范措施。 9 ) d s m 的优化 需求侧管理d s m ( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 是节约能源、提高电力系统运行 效率的有力手段。配电侧电力市场条件下，d s m 要立足于服务用户，参加d s m 的 s 华北电力大学硕士学位论文 用户虽然可能有一定的损失，但其可以得到的优惠政策完全能够弥补其损失。从市 场的角度而言，d s m 是配电市场的细分，从服务的角度而言，d s m 是向个性用户 提供的定制服务；从商品的价值规律而言，d s m 体现了不同电力商品的不同价值。 d s m 的手段除可以利用传统的分时电价、可中断负荷、热存储技术、直接负荷控制 等方法外，新增加的手段包括：供电合同、用户实时电价等。配电侧电力市场为d s m 提供了更广阔的空间，配电企业要学会运用新的市场手段调节用户需求。 1 0 】配电定价 在配电费用组成中，可以分为配电服务费用和购电费用两大类。其中购电费用 在市场环境下可以通过优化购买策略降低成本。配电网为实现电能输送分配而投入 的建设费、设备费、运行维护费、电能损耗费等组成配电服务费。由于配电网具有 天然垄断的特性，所以配电定价一直以来需要管制。配电价格管制应该确保企业成 本回收、合理的资金返还、市场风险、并能刺激企业提高效率。在市场化改革的形 势下，世界各国采用的价格管制方法主要有：限价管带l j ( p r i c ec a p ) 、y a r d s t i c k 管制、 边际成本定价法，等。 1 1 ) 套利与风险规避 由于电力是不易储藏的商品，所以电力市场中的套利机会一般分为同商品间的 套利和跨商品间的套利。同商品间的套剥又可细分为时间上和空问上的套利。套利 是有一定风险的，当配电企业面临市场竞争产生的价格波动及潜在的获利机会时， 同时也面临着风险。力求运行成本最低、风险最小是配电企业追求的目标。典型的 规避风险方式是通过签订期货合同和期权合同。配电公司可以与发电商签订一段时 间内、一定量的电能以一定价格购买，以减少暴露于实时市场的风险。在配电公司 确定购电方案、投资规划时，都需要考虑风险规避。 1 2 ) 电能质量 在全面开放与竞争的电力市场中，电能质量作为供电可靠性的一个重要组成部 分，必将受到各市场参与者的广泛关注。随着变频调速器、可编程控制器、计算机 信息系统等对电能质量变化敏感设备的日益广泛使用，用户对电能质量提出了更加 严格的要求。目前，应通过对不同电力市场模式下电能质量市场的结构及其运营机 制的研究，解决相关的基础问题，如评价电能质量的指标体系、电能质量指标的监 测和快速分析评估方法、电能质量扰动的自动识别与定位、电能质量的价格机制及 定价方法等。 1 3 ) 计费及交易管理 市场化改革后对配电企业的计费和交易管理系统提出更多的内容和要求。开放 市场后，电能计量变得多样化：不同时段的用电量、不同的服务质量、多种费率结 构、不同的供应商要求区别计量。配电企业提供对各种计费模型的维护和管理，对 各种电能量进行相应的计费处理。市场管理机构组织用户竞价，包括购电竟价和参 6 华北电力大学硕士学位论文 与d s m 竞价；组织管理与发电厂商的购电合同，并对合同的执行及评估提供全过 程的技术支持。 电力市场竞价机制的设计是决定电力市场能否成功的关键。从世界电力市场的 运行经验来看，良好的交易规则和竞价机制能提高市场效率，减小市场势力( m a r k e t p o w e o 的影响，优化电力系统运行方式，减小网络阻塞和提高系统安全稳定性；相 反，竟价机制的缺陷将降低市场效率甚至导致严重的电力市场事故。用户侧的购电 分配又是竞价机制技术问题中的关键问题之一。加州危机促使政府部门提出改进电 力市场，以获得稳定、公正、合情合理电价的多项计划。每个改进计划中都包括公 司风险管理的政策和策略，公司资源组合费用的风险，购买电量的数量和购买途径 ( 例如期货合同或者其他选择) ，购买这些产品的竞争过程( 比如：双边协商，经 纪服务，或者拍卖) 。由加州危机得到的深刻教训提示我们，电力市场环境下的购 电分配在运用投资组合理论的基础上，考虑套利、风险的问题亟待研究。 因此在我国电力体制改革方案全面实施的情况下，用户侧的购电优化分配问题 已成为目前一个重要的研究课题 9 1 。本文就针对该问题进行研究。 1 3 电力市场需求侧购电优化的研究现状【i o 1 7 电力市场运行以后，电力市场参与者在市场中的利益最大化一直是电力行业研 究的热点之。在电力市场中，一般存在多种交易市场，如双边交易、合约交易市 场、发电权交易市场、目前市场、实时市场等。市场参与者不仅要进行竞标策略优 化，在进行各市场交易前，还需要先决策各市场的交易量，即决策在那些市场进行 交易，以及如何分配不同市场的交易量。目前解决这类问题的目标函数都是购电费 用最少，只是研究问题的方法，分析问题的角度不同，下面是对本课题目前研究现 状的总结。 许多国家电力市场是联营体形式的。旧的加州市场是联营市场的典型例子。电 力交易中心( p o w e re x c h a n g e p x ) 是电力交易中介机构，负责搓合电力买卖。它有 两种交易市场：日市场与小时市场。独立系统运行机构( 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 ) 的职能有两个：一是为p x 成交的交易提供辅助服务；二是运作一个实时电力市 场，用于实时调配电力，以满足供电富余和买电不足。 文献( 1 0 ，1 1 以上述三个市场为例，研究了购电商的市场分配问题。建立市场 分配问题为： 3 m i n e i = l ，c 0 山j - ( 1 ，2 ，3 ) ( 1 1 ) 其中，g 一市场的购电费用，单位为美元 p 。一市场中欲购的电量，单位为m w h 7 华北电力大学硕士学位论文 f = l 对应于日市场 i = 2 对应于时市场 f = 3 对应于i s o 市场 在此基础上文献 1 0 采用动态规划法求解，该算法虽然解决了一般非线性方法无 法解决的问题( 如阶梯形函数) ，但是对随机变量不能进行很好的处理：求解模型 只是进行了初步的探讨，考虑了市场电价与市场买电量成线性关系的情况，最后的 仿真结果给出了不同需求电量下各个市场的购电量的分配。文献f 1 1 给出了两种情 况下的购电分配：不考虑i s o 市场调节、考虑i s o 市场调节。两种情况下运用数学 分析法对购电分配进行了解析分析，最后的仿真结果是不同需求电量下各个市场的 购电量的分配。 文献 1 2 1 7 讨论了两个电力市场中购电商的市场分配问题。文献 1 2 ，1 3 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。其中，在总需求量为确定性已知量时，把远期市场作为第l 市场，实时市场作为第2 市场。 设第1 市场的电价为a l ，其数学期望为五，方差为盯1 2 ；第2 市场的电价为a 2 ， 其数学期望为五，方差为盯z 2 ；总需求量为d 。第l 市场的购电分配率为z ，则在第 1 市场的购电量为d l = x d ，在第2 市场的购电量可表示为d 2 - - - - d d l = ( 1 一x ) o 。若购 电公司不利用市场差价进行套购，z 满足0 工1 购电商的购电总费用可表示为： c = d t ai + d 4 2 - - - - d x a1 + ( 1 - x ) a 2 ( 1 2 ) 用总费用的标准方差来表示风险r ，即：r 2 = e c - e ( q 】2 。其中，e ( o 为总费用 的数学期望。用g q o ) 表示风险因子，代表购电商购电时，根据公司的自身情况确 定的，用于表示风险相对于费用的重要程度的量。 目标函数表示为m i n j = e ( c ) + g r 2( 1 - 3 ) 在总需求量为非确定性己知量时，文献 1 0 】设预测总需求量为d ，实际总需求 量为讳。假设岛的数学期望为q ，方差为盯2 脚，根据预测总需求量和实际总需求 量的信息，做出决策在第1 市场的购电量为d l = x d ，则在第2 市场的购电量为d 2 一协- d i d 。- x d 。其他参数跟总需求量为确定性已知量时一致。 购电商的购电总费用可表示为： c = d 1 a 1 + ( d p d i ) a 2 = x d ( 一l “2 ) + d m 2( 1 4 ) 风险，用总费用的标准方差来表示，用g 国 0 ) 表示风险因子，目标函数表示为 m i n j = e ( c ) + g r 2( 1 5 ) 在此基础上，文献 1 2 ，1 3 只是采用数学分析的方法求解，文献 1 2 研究了多 种市场特性下的两市场分配问题，由于文中风险因子是一个带量纲的量，使市场购 r 华北电力大学硕士学位论文 电商在确定风险园子时存在一定的困难，并且文中假定两个市场是相互独立的，没 能模拟实际的购电环境。文献 1 3 给出了两市场电价相互独立和两市场电价呈条件 关系时的购电分配。算例分析了风险因子与目市场购电分配率的关系，但是对于电 价的处理没有很好地体现出随机变量的特性。 文献 1 4 首次把套利和风险的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 6 以“鞅”为出发点对购电问题进行了讨论。文献 1 7 根据投资 风险的m a r k o w i t z 原理创建了目标模型，分别对需求量为确定和随机变量情况进行 了讨论求解，并得到了购电分配的解析解。 1 4 论文研究内容及主要工作 本文在上面这些研究的基础上，进行进一步的探讨，研究了考虑套利和风险约束 帽1 情况下，在期约市场、日前市场、实时市场上的购电分配。由于购电商的资产是在三 个市场上分配，所以本文运用现代投资组合理论【1 9 建立了考虑风险的购电费用最小的购 电模型。 用蒙特卡罗仿真法中的乘同余法和舍选法对日前市场、实时市场电价随机变量进 行了随机仿真，求出两个市场电价各自的均值、方差以及两市场间的协方差。基于 历史数据，运用回归方程的显著性检验验证了实时市场、日前市场电价间存在线性 关系。本文引入免疫遗传算法进行购电量的优化，在优化过程中，吸取了已有优化 算法的有益思想，将随机搜索和确定性的变化结合在一起，引入多样性保持和基于 浓度的群体更新，减小了随机因素对算法本身的影响，能较好地克服不成熟收敛及 振荡现象。 在目前市场、实时市场两含市场相互独立和线性相关两种情况下，基于免疫遗传 算法对电量在期约市场、日前市场、实时市场三个市场上的分配进行优化，得到购电 商在不同风险厌恶度下的电量分配，购电商可以根据自己的风险喜好选择不同的购 电分配策略。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力市场环境下供电公司购电分配方案的数学模型 2 1 引言 全球电力工业市场化改革为电力行业提出了一系列新的研究课题。电力市场环境 下，市场参与者的各种优化策略成为现在研究的热点之一。到目前为止，针对发电领 域和输电领域引入市场化改革产生的新课题已经开展了较深入的研究，且己取得大 量理论成果，用于指导实际系统运行，而作为需求侧的配电环节在市场环境下面临 的技术经济问题却没有得到足够重视。 目前，很多研究集中在发电商的竞标策略，单一交易市场中的竞标策略已得到 广泛、深入的研究。在解决了多市场交易量分配的基础上，加上已被充分研究的单 一市场竟标策略，才能完整地解决竟标决策问题。 在解制的电力市场中，购电商面临从多个电力市场中购电问题，如何根据总需 求量决策在各市场的购电量，成为购电商们非常关心的问题。本文基于投资组合中 的风险理论提出一种购电分配模型，并给出了模型的相关界定。 2 2 购电分配前提描述 1 ) 供电公司电量的购买途径 一个完整的电力市场，一般划分为中长期合约交易市场、期货与期权交易市场、 日前交易市场、辅助服务交易市场、实时交易( 平衡) 市场几种【”。相应地，电力 市场中的交易包括中长期合约市场交易、期货与期权市场交易、日前市场交易、辅 助服务市场交易、实时市场交易( 如图2 一1 ) 。 期货与期权交易市瑚 申长期含约交易市堋 匝亟圃 匝匦塑 实时交易( 平衡) 市场1 图2 1 电力市场运营结构图 1 ) 中长期合约市场：中长期合约是中长期实物交货合同，它可以通过竟价产生， 也可以双边签订。市场有序、规避风险、稳定价格是中长期合约市场的作用。 2 ) 期货与期权交易市场：期货交易是期货合约的交易，期权交易是一种权利的 华北电力大学硕士学位论文 买卖。期货与期权交易市场的作用是市场有序、规避风险、稳定价格。 3 1 日前市场：落实中长期合同电量，组织日前竟价，通过竞争发现目前市场价 格，制定满足电网安全和经济的机组开停计划。 4 ) 实时平衡市场：组织实时不平衡市场，通过竞争发现实时市场价格。以经济 手段鼓励市场成员为实时调度和控制提供尽可能大的调节空间。 5 ) 辅助服务市场：通过竞争发现保证电力商品质量的市场价值。 就市场的组织来说，一方面，交易中心将通过日前电能市场和辅助服务市场制 定大致可行的最优交易计划，并预先采购足够的发电辅助服务合同。另一方面，组 织实时平衡市场，鼓励市场成员为实时调度和控制提供尽可能大的调节空间。另外， 为了保持电价的相对稳定性，以及为电力工业的发展吸引足够的资金，还可以组织 电力期货市场。通过在以上5 类主要的市场中引入竞争机制，电网公司可以有计划 地组织电力生产和交易，确保系统安全、可靠、经济地运行，为电力用户提供优质 的电力，促进整个电力工业的健康、可持续发展。 各国电力市场的组织情况虽然不同，但批发购电的途径基本上可以按提出交易 计划的时间分为长期交易、短期交易和实时平衡交易3 种i v 。 长期交易是根据购电商与发电商所签订的长期或期货合同进行交易，提出时间 一般为交易前几周到几年。期约交易根据预先签订的合同商定付款方式买卖电量， 在一定时期内进行实物交割的交易。它可以通过竞价产生，也可以双边签订。交易 基于年度、季度、月或周的基本负荷，部分交易可以细化至o ，5 h 交易时段，交易量 较大。 短期交易一般指在交易前l d ( 2 4 h ) ，购电商和发电商通过竞价投标的方式进行 交易确定购电计划。联营体( p 0 0 1 ) 模式下每3 0 r a i n 为一个交易时段，并且是整点 结柬或o ，5 h 整点结束。交易时段以其结束的时间确认。交易模型下标准化产品交易 ( 0 5 h 或0 5 h 的简单组合) ，参与者可能很多，但多数交易量不大。日前市场中的 交易日指每天0 ：0 0 开始的2 4 h 。 实时平衡交易是运行部门为保证电网稳定运行，对发电和购电进行实时协调， 在实时运行前短时间内开市进行的交易。交易计划通常在交易前几小时到几分钟内 提出。实时市场中的电能交易是调节性的，交易量不会很大。 从上面完整电力市场的组织运行情况和批发购电的基本途径可以看出，中长期 台约市场和期货与期权交易市场可以看作一个统一的市场：期约合同市场，该市场 的作用就是市场有序、规避风险、稳定价格。辅助服务市场的作用只是对电力商品 质量的市场价值起一个保证的作用，所以，供电公司购买电量时电力商品的来源途 径主要就有三个：期约合同市场、日前市场和实时市场。本文就在这三个市场的基 础上进行研究。 2 2 2 ) 供电公司电量的购买模式 l l 华北电力大学硕士学位论文 在最初的电力市场研究中，人们关注的出发点只是电价，希望能通过竞争市场， 实现电力工业生产效率的提高和电价的降低，从而使消费者获益。此阶段，为了降 低电价，研究者研究了与市场交易相关的以购电费用最小为目标的电力交易决策模 型以及相应的计算方法。但是当人们积极开展电力市场实践时发生了出乎人们最初 预期的事件：在电力市场运行一段时间之后，电价并不是想象中的逐步下降，相反， 在美国的加州还出现了市场电价飙升的“电灾”。 于是人们开始进行反思。决策思路并非不优，算法设计并非不好，但却无法阻 止电价的飙升。问题的关键是竟价模式和市场规则存在问题。如果竟价模式和规则 设计合理，市场能够提供良好的经济信号市场将有效地发挥市场机制“看不见的 手”的作用，激励市场成员有效地降低成本、提高生产效率、有效地利用电能资源， 并实现社会效益的最大化【2 ”。为此，研究电力市场环境下的购电优化问题首先要明 确购电模式。 当前世界各国的市场交易模式大致分为两个基本类型：联营( p 0 0 1 ) 模式和双 边交易模式( b i l a t e r a lt r a d e sm o d e l ) 。从这两个基本模式可以派生出p + b 模式( 即： 联营模式和双边交易模式的有机结合模式) 、多边交易模式。 电力联营体( p 0 0 1 ) 模型也叫总量市场化模型。在这种模型下，一切电力交易 必须在p o o l 内进行，允许用户签订纯金融性差价合同，以降低市场风险。p o o l 模式 最大的特点是将电网看作电能交易的中心，所有发电商以及所有的用户与电网运营 中心发生经济关系。在p o o l 模式中，也可能存在双边交易，但是很有限，自由度也 很小。英国、智利、阿根廷等国以及美国p j m 电力市场、澳大利亚的v i c t o r i a 电力 市场都属于这一类市场模式。其中，美国于1 9 9 8 年4 月建立的加州市场是联营市 场的典型例子。加州电力市场由p x ( p o w e re x c h a n g e ) 和i s o ( i n d e p n d e n ts y s t e m o p e r a t o r ) 构成，市场结构如图2 2 。发电公司和供电公司通过p x 进行市场竟标，通 电力供应商e辅助服务商s 消费者c 图2 2 电力市场结构 1 2 华北电力大学硕士学位论文 过i s o 获取辅助服务，电力最终通过供电公司的电网分配到终端用户。p x 和i s o 在市场运作过程中，不谋取任何利益，是非营利机构。 在该模式下，电网运营机构直接制定出符合安全要求的交易计划，比较容易实 现安全与经济之间的协调。但是，该模式的交易透明度不如双边交易模式。调度部 门作为电网运营企业的核心，必须坚持“公平、公正、公开”原则，努力做到公正 和透明。随着市场改革的深入，应该逐步将市场交易业务分离，建立专门的市场交 易机构。 双边交易模式也叫非管制型电力联营体( p 0 0 1 ) 模型或净量市场化模型。 p o o l 外：双边合同市场和期货市场； p o o l 内：小时市场、目前市场和平衡市场。 双边交易模式的最大特点是交易双方为发电商与最终电力用户或者双方各自 的代理或中介机构。该模式一般不单独存在，而是与p o o l 模式共存，且双边交易市 场所占的份额较大。准确地讲，当前实际应用的双边交易模式都应该称为p + b 模式。 与p o o l 模式相比，双边交易模式下的竞争更加充分。在该模式下，市场交易与调度 运行职能一般被分离。市场交易由p o w e re x c h a n g e ( p x ) 或s c h e d u l i n gc o o r d i n a t o r ( s c l 负责，确定交易量以及交易价格。其中p x 负责p o o l 市场的运营，s c 负责双边交 易的协调。i s o 负责调度运行职能，确保系统安全、可靠运行。一旦电网出现阻塞 ( c o n g e s t i o n ) 或其他安全隐患，i s o 负责启动输电阻塞管理( t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n m a n a g e m e n t ) 程序，协调各市场的交易。i s o 还负责辅助服务市场的运行，并制定 输电电价和辅助服务价格。美国加州电力市场以及北欧电力市场、新西兰等国的电 力市场都是属于该模式。 本文的购电途径中涉及到日前市场和实时市场，这两个市场对交易的透明度有 较高要求，电量的交易只在p o o l 模式下是不够的，而双边交易模式下的竞争更加充 分，但是该模式一般不单独存在，而是与p o o l 模式共存，当前实际应用的双边交易 模式都应该称为p + b 模式，所以本文的研究就基于该模式，即供电公司不单可以从 联营体购电，也可以与发电商签订不同形式的购电合同，比如：期货合同、期权合 同、现货合同等。 2 3 购电分配数学模型的建立 2 3 1 购电分配问题的理论基础 由前文知道供电公司有三种途径在电力市场中交易电量：实时市场，日前市场 和期约市场。 从风险管理的观点来看，实时市场和日前市场是一个充满风险的交易途径。因 为电力这种商品不能大量储存，而且是一种卖方不可不卖、买方不可不买的必需品 华北电力大学硕士学位论文 8 1 。因此，相对小的供给减小，比方说，由于设备的损耗引起的供给减小，就可以 导致实时电价的急剧上扬。相反，当市场的供给完全接近发电容量，相对小的需求 增长，比方说，由于夏天气温的井高或者冬天气温的降低引起的需求增长，也可以 导致电价的上涨。电力市场的改革和解制产生了以电价的高波动性为特征的零售实 时市场，因此，供电公司必须寻求有效手段，最大可能地降低实时市场带来的风险。 期约合同的电价是预先确定的。一般来说，期约市场的交易可以被认为是一种 没有风险或者说风险很小的交易方式，也就成为供电公司降低交易风险的有效手 段。供电公司通过期约合同满足未来预期的需求，这样能够更好的处理由于实时电 价波动带来的电力购买费用的风险。 投资组合理论中投资者的资产组合也是由各种类型的资产组成的，资产的形式 各异，但是总的来说分成两类：富有风险的资产、没有风险或风险较小的资产。控 制风险组合的有效手段是“投资分散化” 2 ”。这意味着将投资散布于各类市场，使 得在任何特定市场上所暴露的风险是有限的。电力市场环境下电量的购买问题与此 类似，对于购电商而言，可以根据预测的电力需求，在一个风险较小的合约市场中 提前买入一定电量或合约，剩余部分从风险较大的日前市场和实时市场中购买平 衡。 对任何供电公司而言，希望找到一个最优的电能购买策略，使总费用和风险最 低【2 “。为了达到这个目的，供电公司需决定如何在各个不同的交易市场上分配购买 电量，这个决定可以仅仅以主观判断为基础( 比如：期约交易量不少于供电公司预 测的总需求量的9 5 ，剩余需求量在日前、实时市场酌情分配) ，或者可以参考本 文所提出的，依据投资组合理论得到的风险和费用最小的购买计划方案。 2 3 2 购电分配数学模型 用户侧我们以供电公司为典型例子来进行分析。供电公司在三个市场上购买所 需电量，这三个市场分别是期约合同市场( 作为第1 市场) 、日前市场( 作为第2 市场) 、实时市场( 作为第3 市场) 。一般来说，这三个市场的价格波动不完全一样， 期约合同市场价格波动最小，日前市场次之，实时市场价格波动最大，所以在这种 情况下，如果在前两个市场购买的电量大于总负荷需求量q ，那么供电公司就可以 在第3 市场卖出一部分电量，获得套利。反之，就没有套利可言。但是无论何种情 况下总是存在风险的。所以在考虑套利和风险的情况下，供电公司的购电优化问题 就是如何确定三个市场的购电量，以达到购电费用和风险最小。 考虑到供电公司有义务在将来的某时段t - 给用户提供电力。本文假定供电公司没有 发电设备，且供电公司可以通过三个市场买电，实时、日前和期约合同。假设不存在市 场力，即：任何参与者的购买策略都不能主导电价。因此实时市场、日前市场的电价就 可以看作随机变量，该变量的统计学特征可以从目前或者历史电价中估计或者预测出。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 在期约合同市场，供电公司跟发电公司或者电网公司以协定的价格签订合同，所以该合 同电价是确定的。 仅仅依靠实时市场来获得电量q 会使得供电公司有着很高的费用波动危险。如果购 电方选择从期约市场以定电价合同购买电量，就可以避免购电费用波动的危险。详细表 述：假设购电方在期约市场时间段f l 以电价p i ( $ m w h ) 购买了q l m w h 的电量，在日 前市场时间段t 2 以电价p 2 ( $ m w h ) 购买了q 2 m w h 的电量，在实时市场时间段t 3 以电 价p 3 ( $ m w h ) 购买( q 1 l - - 9 2 ) m w h 的电量，其中q m w h 为用户总需求电量。这时 的购电费用表示为： c = p 3 x ( q - q , 1 2 ) 印2 x q 2 印l x q t( 2 1 ) 式( 1 ) 表明：c 趋近于p i x q l ，当q l 接近q ，即期约市场的合同电量将完全满足供电 公司的负荷需求。因此，期约合同可以减小实时市场不可预计的变化带来的费用增加。 当q ( q i + 9 2 ) ，供电公司将以电价p 3 在实时市场上买( q g l _ 9 2 ) 的电量。然而，假 设q ( q l + q 2 ) ，供电公司作为额外电量的拥有者在实时市场上又将作为卖家，并且 p 3 ( q _ g l - q d o ，方程( 1 ) 中的购电费用又将减小，此时就可能有套利现象的发生。这 里假定实时市场电量的买进和卖出价格一致，都是p 3 。重写方程( 1 ) 为： c _ 巾。国t + q 2 - - q ) + i v 2 x q 2 + p t x q l ( 2 2 ) 投资组合理论中评价资产组合的优劣时，可采用综合预期收益和风险的效用( u t i l i t y ) 函数作为评价指标。可采用的效用函数并不唯一，但都需满足下述基本要求：期望利润 越大，效用函数值越大；用方差表示的风险越大，效用函数值越小。金融学中广泛使用 的效用函数是皓以。一0 ，5 4 孑。 针对供电企业的购电分配问题，在零售侧电价固定不变的假设条件下，可以认为购 买费用和风险最小的方案等效为效用最大。即使得下列目标函数最小的方案即为效用 最大方案：乒以o + o 鲥一。 对应于本文的具体问题，提出以下数学模型 2 1 ： m i n j = e ( c ) + o 5 a r 2 ( 2 - 3 ) “ s ii q 2 吼- 0 芦1 ，2 ，3 i 吼= q l 1 = 1 其中，a 代表风险厌恶程度：e ( c ) 为总费用的期望，总费用c 的表达式为式( 2 一1 ) 、( 2 - 2 ) 所示。 可c ) 的表达式为： e ( c ) = e 0 1 ) x q l + e ( p 2 ) 日2 十e 晒3 ) x ( q 一口1 1 2 ) ( 2 4 ) 其中，e ( p i ) 为第i 个市场电价的期望，i = 1 ，2 ，3 。 用总费用的方差表示的风险为：r 2 = e 【c l e ( c ) 2 。 1 ) 假定两个市场电价相互独立( 即：协方差= o ) ，并且认为需求电量为确定值。此 l5 华北电力大学硕士学位论文 时以方差表示的风险的表达式为： r 2 = q 2 2 t y p 2 2 + 口3 2 3 2 其中，2 为第i 个市场电价的方差，i = 2 ，3 。 2 ) 当两个市场成线性关系时，并且认为需求电量为确定值。 险的表达式为： ( 2 5 ) 此时以方差表示的风 r 2q 2 。啄2 + q 3 c r p 3 。+ 2 c o y 0 2 ，p 3 ) q 2 q 3 ( 2 - 6 ) 其中，o - p f2 为第i 个市场电价的方差，c o v ( p 2 ，p 3 ) 为2 、3 市场电价的协方差，f = 2 ，3 。 最优投资组合将取决于决策制订者的风险厌恶程度。喜好风险的决策者将选择高风 险高回报的组合，厌恶风险的决策者将选择低风险低回报的投资组合。这些决定可以用 ( 3 ) 中的评价函数来决定( 风险是以0 5 爿来测度的) ，a 是个人风险厌恶指数。很明显， 越厌恶风险，供电公司就给a 赋越大的值，越喜好风险，就给a 赋一个较小的值。 2 4 本章小结 本文在前人研究的基础上，结合投资组合理论，提出了考虑套利和风险情况下 供电公司购买电量的数学模型，并给出了供电公司购买电量的途径，以及本文研究 是在何种模式下进行。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章基于免疫遗传算法的购电模型的实现 购电优化的重要性使得人们不断地去探索新的优化方法。随机优化方法由于能 有更多的机会求得全局最优解，克服了常规数学优化方法的局限性，具有其特殊的 优点，比较适用于购电分配这一优化问题，人们因而对此作了较多的研究。遗传算 法是一种基于生物进化过程规律的算法，起源于2 0 世纪6 0 年代对自然和人工自适 应系统的研究，具有内在并行性，由于这种算法不需要知道函数的导数信息，对目 标函数的可微性没有要求，只依赖于重复求解目标函数，可以准确地处理离散变量， 目前在电力系统中已得到了许多成功的应用。迄今为止，人们已提出的随机优化方 法中，免疫遗传算法是最近发展起来的一种随机优化方法，它有着不同于其它算法 的优良特性，体现了自然界生物的生理机制。免疫遗传算法借鉴了生物免疫机理， 能充分利用最优个体及系统的信息，在求解某些特定问题方面优于确定性算法。 3 2 免疫遗传算法( i g a ) 简介【2 4 1 1 1 基本遗传算法简介 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全 局优化概率搜索算法。遗传算法基于自然选择和群体遗传机理，从代表问题可能潜 在解集的一个种群开始，个种群有若干个体构成，这些个体是通过编码形成的染 色体。染色体是遗传物质的载体，内部表现为某种基因组合，决定了个体形状的外 部表现。在遗传算法开始时，首先随机地产生一系列个体，根据适应度函数对这些 个体进行评价。基于自然选择规律选择适应度较大，即好的的个体用来复制下一代。 然后将选择出来的好的个体进行交叉和变异来产生新的个体。对这些新的个体重新 评价，再进行选择、交叉和变异，直至得到最优解。 基本遗传算法包括