（电力系统及其自动化专业论文）金融输电权在阻塞管理中的应用研究.pdf

东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei n t r o d u c i n go fc o m p e t i t i o na n do p e na c c e s st r a n s m i s s i o ni nt h ep o w e rs y s t e mh a sr e s u l t e di nt h e g r o w i n gp r o m i n e n c eo ft r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nb ym a x i m i z i n ge c o n o m i cb e n e f i t s ，a n dt r a n s m i s s i o n n e t w o r kh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko ft h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r e r es e v e r a le c o n o m i ca n dt e c h n i c a l m e a s u r e sf o rc o n g e s t i o nm a n a g e m e 吐s u c ha sc o n g e s t i o np r i c i n gc o s ta l l o c a t i o n , c o n g e s t i o no p t i m a l s c h e d u l i n g , o p t i m i z a t i o no fn e t w o r ko p e r a t i o na n ds oo n , o fw h i c hf i n a n c i a lt r a n s m i s s i o nr i g h t ( f t r ) i s as i g n i f i c a n tt r e n di nt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta n di sa l s ot h ec e n t e ro fd e b a t e s a saf i n a n c i a l i n s t r u m e n tf o rh e d g i n gr i s k , f t rp r o v i d e sat o t a l l yn e wa p p r o a c hf o rc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tt h r o u g h h e d g i n gc o n g e s t i o nc h a r g e sf o rb i d d e r s ，w h i c hd o e s n ti n f l u e n c et h ed i s p a t c ho f r e a lp o w e rs y s t e m b a s e d o nt h ee x i s t i n g 代s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o ni nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t , c o m p e n s a t i o nr e v e n u ea d e q a c y p r o b l e m , a u c t i o nm o d e l ，a n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi n v o l v e da r ef u r t h e rs t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t i y ，b a s i c t h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti s s u m m a r i z e d , i n c l u d i n gb a s i c d e f i n i t i o n ，c o n g e s t i o no p t i m a ls c h e d u l i n g , a n dc o n g e s t i o np r i c i n g f u r t h e r m o r e ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n o fg e n e r a lf t rm a r k e te s p e c i a l l yp j m 丌ra u c t i o nm a r k e ta r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，d i f f e r e n tk i n d s o ff t r , d i s t i n c t i o nb e t w e e nf t ra n df l o w g a t er i g h t ( f g r ) ，a n dr e l a t e di m p o r t a n ti s s u e sa r ea n a l y z e d s e c o n d l y , a ni n t e g r a t e dp r o c e s so fc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti n c l u d i n gb o t ho b l i g a t i o na n do p t i o n f t ra u c t i o nm o d e l ，m a r k e tc l e a r i n gm o d e lo ff t rp r i c i n ga n dc o m p e n s a t i o n , a n dc o n g e s t i o no p t i m a l s c h e d u l i n ga r ep r o p o s e d i na d d i t i o n , i no r d e rt oa s s e s sb i d d e r s e c o n o m i ce f f e c td u r i n gt h ec o n g e s t i o n m a n a g e m e n tw i t hf t 心a ni n d e x 白c a l l e dn e tc o m p e n s a t i o ni n d e x ( n c i ) i sd e f i n e dw i t hw h i c hb i d d e r s e c o n o m i ce f f e c tc a nb eq u a n t i f i c a t i o n a i l ye v a l u a t e d t h en u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t st h a tf t ru s e di n c o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti sm o r ea p p r o p r i a t et ot h ed e r e g u l a t e de n v i r o n m e n t t h i r d l y , w h e ni np r a c t i c e ，t h ec o m p e n s a t i o n r e v e n u ea d e q u a c yp r o b l e mh a sb e e nb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ya p p a r e n t , e s p e c i a l l yi nw i n dp o w e ri n t e g r a t e ds y s t e m t ot h ea b o v ep r o b l e m s ，a nf r ra u c t i o n c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ( c c p ) m o d e lc o n s i d e r i n gt h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ni si n t r o d u c e d i n a d d i t i o n , ag e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nm o n t ec a r l os i m u l a t i o ni sa p p l i e dt os o l v et h i sm o d e l ，i nw h i c ht h e c o r r e s p o n d i n gt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fw i n dp o w e rt r a n s a c t i o ni sn o ti n c l u d e dd u r i n gt h es i m u l t a n e o u s f e a s i b i l i t yt e s t ( s f t ) r a n d o mv a r i a b l ei si n t r o d u c e dt od e s c r i b et h ew i n dp o w e r ss t o c h a s t i co u t p u t , a n d t h ew i n dp o w e rt r a n s a c t i o nd i s t r i b u t i o nm a t r i xi sc a l c u l a t e db a s e do na ce l e c t r i c a ld i s s e c t i n gm e t h o d t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h ei e e e3 0 - b u ss y s t e md e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e d m o d e lf o rt h er e v e n u ea d e q u a c yp r o b l e ma n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m l a s t l y ，an e wf t ra u c t i o nm o d e lb a s e do na co p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) i sp r o p o s e d n en - ls t a t i c s e c u r i t yc o n s t r a i n t sa r ei n c l u d e da n dt h ea c o p fb a s e do nm o n t ec a r l os i m u l a t i o ni sa p p l i e dt os o l v et h i s m o d e l 、矾t ht h eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o nb a s e do nt h e p r o b a b i l i s t i ca l g o r i t h ma n ds e l e c t i o no ft h e c o n t i n g e n c yc o n s t r a i n t s ，t h ee x p e c t e dv a l u e so fc l e a r i n gr e s u l t sa n df r e q u e n c yd i s t r i b u t i o np l o t sa r e o b t a i n e d t h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h e5 - b u ss y s t e ma n di e e e3 0 - b u ss y s t e md e m o n s t r a t et h er a t i o n a l i 够 a n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e l k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ；c o n g e t i o nm a n a g e m e n t ；f i n a n c i a lt r a n s m i s s i o nr i g h t ；w i n dp o w e r g e n e r a t i o n ；c h a n c ec o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ；a co p t i m a lp o w e rf l o w 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：叠卑日 期：盟 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：毕导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 电力工业由传统的垄断管制型向竞争监管型转变，解除管制、引入竞争已经成为世界各国电力 行业发展的总趋势。二十世纪8 0 年代以来世界上许多国家已经着手在电力工业中引入了竞争机制， 开展电力市场。英国于1 9 9 0 年首先重构了他们的国有电力系统，引进了竞争机制，开展了电力系统 市场化运营。其主要措施是打破传统电力工业一体化管理的模式，实现厂网分开，输电和配电分开， 发电企业竞价上网，建立独立的监管体系，强化以公平竞争和产业政策激励为目的的管制，通过利 用市场机制来配置电力资源，以降低成本，提高运营效率，改善服务，提高社会福利水平。随后， 挪威、澳大利弧、新西兰、美国等国也建立的类似的体制。目前，电力工业的改革席卷全球，不同 的国家以不同的原冈推动着电力商业化的进展。 电力市场是电力系统顺应经济改革的必然发展方向，其本质是引入公平竞争机制，使电力系统 充满生机和活力，同时使电力企业和用户均受益。我国能源资源分布的不平衡性，决定了必须在全 国范闱内优化电力资源配置，加快电网建设，推进全国联网。全国联网、西电东送、南北互供，这 是中国电网目前发展的方向【1 1 。我国从1 9 9 2 年开始引入电力市场的概念以后，迅速展开了电力市场 相关理论的研究和模拟电力市场的实践和探索。近年来的电力体制改革可以概括为四个阶段：1 9 8 5 年至2 0 世纪9 0 年代初期的集资办电阶段，目的在于根除缺电和拉闸限电现象，解决最基本的电力 短缺问题；9 0 年代初至1 9 9 7 年，成立国家电力公司，实行企业改制和现代企业管理；1 9 9 8 年撤销 电力工业部至2 0 0 1 年，实行“厂网分开、竟价上网”试点；2 0 0 2 年至今，中国电力新组建并成立 了1 1 家公司和国家电力监管委员会，标志着中国初级电力市场正式启动和实施1 2 j 。 竞争要求保证市场的自由度，即商品必须能够在市场中自由流通，在电力市场中，就要求输电 网络对所有市场参与者公平开放。但是，电能作为一种特殊的商品有其独特的特点。电能的生产和 销售是同时完成的，从而输电系统的存在是电力市场的显著标志 3 1 。作为发电商和用户间的电能输 送通道，输电网络的正常运行不仅是影响系统安全可靠的重要冈素，也对市场的竞争具有显著影响。 因此，虽然输电费用相对电能生产成本的比重很小，但输电网的管理在电力市场中占据着极其重要 的战略地位。输电网必须无歧视地向用户开放，同时，输电服务要收取一定的费用以回收成本。 随着市场化的进程，输电网络已成为资源优化使用的瓶颈，导致网络阻塞问题日益突出。阻塞 问题在传统电力工业中就存在，而目前随着输电网开放以及跨区域电能输送的日益增多，特别是我 国大区域联网、西电东送等工程的实施，阻塞问题日益严重【4 j 。截至2 0 0 6 年，国家电网公司拥有1 1 0 ( 6 6 ) 千伏及以上线路已经达到4 2 6 5 万公里，变电容量1 1 5 亿千伏安，跨区输电容量1 5 8 6 万千瓦， 增长3 8 4 。能源分布不平衡和跨区输电能力的持续提高导致阻塞现象经常发生，从而将使系统的 安全性和稳定性受剑威胁，使电能交易计划难以实现，影响资源的优化配置和利用，并可能导致市 场力的滥用，引起电价的扭曲。 从实时电价理论1 5 】可知，输电费用的两个重要组成部分为阻塞费用和网损。当输电网出现阻塞 时，阻塞费用将显著影响整个电价。输电系统的阻塞不仅需要相应的阻塞管理来消除阻塞，还必须 通过相应的阻塞定价机制为输电容量的公平使用和长期规划提供正确的价格信号，即通过输电网的 使用有效定价来缓解阻塞。 人们不断在寻找新的方法来解决阻塞问题，其中的一个重要趋势是从需求侧管理层面运用市场 机制，引入金融输电权。金融输电权( f i n a n c i a lt r a n s m i s s i o nr i g h t ，f t r ) 作为一种金融性的风险规避 工具，其基本的定义为：赋予其持有者获得输电服务送达节点和注入节点间节电电价差对应阻塞费 用补偿的权利，其并不改变实际调度和运行，而是从一个全新的角度给出缓解阻塞问题的途径，并 且已经在美国多个地区电力市场中应用。 纵观能源领域，风电作为一种较为成熟的清洁的可再生能源技术，在世界范围内迎来了前所未 l 东南大学硕：l 二学位论文 有的发展机遇，同时也给电网运营带来了很多新的问题。风电的随机性进一步强化了系统运行状态 的不确定性，并且由于风电通常享受优惠政策导致f t r 拍卖市场中补偿费用问题更为复杂。原有的 线性优化模型已不能适应多种发电形式的电力网络，一定程度上也可能会影响市场参与者购买f r r 的积极性。因此，有必要在f 1 r 线性拍卖模型中考虑风力发电，以适应含有随机风电注入的电力网 络，从而保证相应补偿费用的充足性。 我国电力市场建设不断推进，在国家电力监管委员会发布的电力市场运营基本规则和华东 电力市场的二期设计目标中，均设想在未来区域电力市场成熟时引入输电权这一交易品种来处理阻 塞问题。因此有必要进一步研究f t r 的市场机理，加深对这一市场设计的认识；同时对f t r 的拍 卖优化算法进行深入研究和摸索，以期找到适合这一金融工具并且更遵循真实电网运行特性的模型 和优化算法，并且加深对这一市场设计的认识，分析其对阻塞管理深层次的影响以及存在的不足之 处，为我国未来的成熟的区域市场设计提供借鉴。 1 2 国内外研究现状 f t r 的研究是目前国外学术界研究的热点。 作为输电权理论的主要开创者之一，w i l l i a mw h o g a n 于1 9 9 2 年在合同路径模犁基础上提出了 c o n t r a c tn e t w o r k 模型，首次提出了输电容量权的概念【6 j ，其主要观点是采用输电容量权来分摊阻塞 成本，同时为市场参与者提供了一个规避价格风险的工具，在其后的研究著作中，系统阐述了点对 点金融输电权的基本理论以及规避网损费用的f t r l 7 j 。 现阶段关于输电权的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) f t r 市场的运营效果评述 随着p j m 、纽约、德州e r c o t 等市场中金融输电权的多年运行，如何合理有效地评估f t r 市 场的运营情况成为了一个热点问题。文献【8 1 0 】分别对p j m 、n e wy o r k 的f 1 r 市场的实际运营进 行了系统的介绍，对相应拍卖市场的f t r 运营效果进行了评述。 ( 2 ) f t r 的多种交易品种 随着f t r 市场的发展，市场参与者需要更为灵活的交易晶种，o p t i o n ( 期权型) f t r i l l , 1 2 得到了 应用，f t r 的交易体系也更加完备。学术界对各类金融输电权以及f t r 市场的改进作了分析， h u n g - p oc h a o 等提出了基于潮流的输电权( f l o w g a t er i g h t ，f g r ) 1 3 l ，文献【1 4 】算例中将f g r 应用于 智利电力市场，并和f t r 进行对比。产业界也提出r e a l f l o w 输电权方案【l5 1 。文献【1 6 】、【1 7 分别介 绍了f g r 和f r r 的原理和特点，并进行了比较，指出了两者实现机制的差异及不同的市场适用范 围。 o ) 3 1 偿费用足够性问题 关于补偿费片! i 足够性问题，文献【1 8 】提出了当出现补偿费用赤字时，采用基于等效双边交换( e b e ) 的原则来对不足的费用进行再支付，即按照交易方对线路的使用程度按比例支付不足的补偿费用部 分，有一定的实际意义。文献【1 9 】、【2 0 针对同时可行性计算提出了相应的改进方法，以期更好地满 足f t r 的补偿费用充足性问题。 ( 4 ) f t r 拍卖模型的优化算法 涉及f t r 拍卖模型的算法方面，鉴于交流模型的复杂性，目前大多基于直流潮流模型，而对于 交流模型下输电权交易的实施研究较少【2 1 ，2 2 1 。h o g a n 引入了f t r 的拍卖等值a c 潮流计算模型迭代 求解，具有一定启示【2 l 】，但求解过程中需要较好的起始点。文献 2 3 1 ，【2 4 】提出了电能量和f t r 的统 一拍卖模型，采用相应的交流最优潮流方法求解，但出清电价物理含义不够明确，实际运营时市场 设计的复杂性增大。文献【2 5 】、【2 6 弓1 ) k 交流功率传输分布因子即交流灵敏度，形成简化的线性规划 闯题，更好地匹配了实际潮流。 ( 5 ) 物理参数对f r r 的影响问题 虽然f t r 是一种金融工具，但仍与输电网络的物理特性和参数密切相关。文献【2 7 】、【2 8 分别 2 第一章绪论 考虑f a c t s 和移相器的冈素，从而最人限度地利用网络传输容量。 旧f t r 市场设计及相应规则的改进问题 随着f t r 市场的实际运行，学者们也在不断探索f t r 市场的设计问题，以期不断完善f t r 的 市场运营模式。文献【2 9 】、【3 0 1 提出了电能量与输电权统一的拍卖市场模式，简化市场结构，降低交 易风险。文献【3 1 】设计了f t r 、电能量市场联合运行的市场框架，相应的网络参数形成数据流。文 献【3 2 】采用差价合同和f 1 r 的组合形式来平衡市场参与者的风险与利润的关系。文献 3 3 1 定量分析 了f t r 拍卖市场的固有缺陷，提出须建立二级市场使f t r 拍卖出清价格趋于合理性。 仍f t r 对电力市场运行的影响相关问题 f t r 的引入对电力市场的运行产生了多方面的影响，国内外学者也作了大量的研究，主要涉及 f 1 r 与市场力的相互关系问题f 3 7 1 ，f t r 与输电网投资激励的关系问题【3 们，以及如何提升f 1 r 市场参与者的市场策略问题1 4 卜4 3 1 ，即研究着眼点主要站在市场参与者的角度来分析f t r 对电力市场 的影响，而较少着眼于市场运营者0 s o ) ，即站在管理者的角度综观问题。 1 3 本文的主要工作 对于f t r 这一金融- t 具的研究目前国内外已经开展了大量的工作，取得了多方面的研究成果， 上文已经详细罗列。但随着市场化进程的不断深化，其补偿费用充足性问题、同时可行性计算等问 题不断凸现，对f t r 的拍卖优化模型及优化算法的精准性和合理性要求越来越高；而且随着能源领 域的不断创新和发展，风能等其他一系列随机因素也给f t r 拍卖市场的合理运行带来了一定的影 响。因此，在前人研究基础上，本文就f t r 的引入对电力市场运行特别是阻塞管理的影响、考虑风 电等随机因素的补偿费用足够性问题以及f t r 的拍卖模型和优化算法等三个方面展开研究工作，具 体内容包括： ( 1 ) 引入和分析了电力市场环境。卜- 阻塞管理和输电权市场的相关内容。首先介绍了阻塞管理的 有关内容，包括其基本概念、阻塞调度和阻塞定价。接着概述了输电权市场的发展概况和一些相关 问题，其中重点介绍了p j mf t r 市场的运营机制。最后介绍了输电权市场的多种交易品种，对f t r 和f g r 进行了详细比较。 ( 2 ) 盯r 的引入对于阻塞管理的影响研究。借鉴p j m 的拍卖模式，把f t r 这种金融工具引入到 阻塞管理的过程当中，建立包含期权型f t r 的拍卖模犁，完整地实现整个阻塞管理过程。并结合基 于节点电价的阻塞费用分摊方法提出了净补偿因子作为评价指标米对参与方最终的收支情况进行评 估。5 节点、i e e e 。3 0 节点算例表明，合理地利用f t r 这个金融工具能更好地适应电力市场环境下 阻塞管理的要求，但也存在市场合谋、市场力等问题，需要结合实际进一步完善输电权市场。 ( 3 ) 考虑风电的f t r 拍卖模型研究。针对因风电等随机因素而凸显的补偿费用足够性问题，本 章提出了一种考虑风力发电的f t r 拍卖机会约束规划模型，采用基于蒙特卡罗模拟的遗传算法求 解，进行优化可行性计算时不包括风电交易相应的传输容量，在约束条件中用随机变量来表示风机 的输出功率，采用交流电气剖分方法米计算相应的风电交易分布矩阵。最后i e e e 3 0 节点的算例验 证了该模型的可行性和有效性。 ( 4 ) 静态安全约束下f t r 拍卖的交流最优潮流实现。由于交流潮流真实遵循原电力网络的物 理特性，交易结果更能真实发挥f t r 所具有的规避阻塞费用及风险的作用，本章提出了一种考虑预 想事故状态的f t r 拍卖的交流最优潮流模型，通过基于蒙特卡罗模拟的交流最优潮流来求解该模 型，将n 1 静态安全约束纳入优化模犁，应用概率性算法来选取相应的预想事故集，优化求解得到 出清结果的期望值及频数分布图。最后通过算例表明，该模型方法合理可行，为f t r 拍卖市场参与 者提供了更符合实际物理网络情况的投标参考。 ( 5 ) 对本文所作的研究工作进行阶段性总结，并提出进一步工作的思路和方向。 3 东南人学硕十学位论文 2 1 阻塞管理 第二章阻塞管理、输电权市场概述 2 1 1 阻塞管理基本概念 2 111 阻塞管理定义 电力市场环境下，通常把违反输电系统的安全性限制称为输电阻塞( t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o n ) ， 这些安全性限制包括了系统的稳态约束和动态约束，例如输电线路或变压器的热容量限制，节点电 压限制，系统的各种稳定限制等。为了消除阻塞，需要采取阻塞定价以及网络运行优化方法或输电 计划调整方法等经济技术措施1 4 4 , 4 s 1 ，使系统运行于一定的安全和可靠性水平内，维持电力市场的有 效率运行，这一过程称为阻塞管理( c o n g e s t i o nm a n a g e m e n 0 。 2 112 阻塞的影响 在电力市场交易或电网运行过程中，如产生输电阻塞，将使市场从一个平衡点转向另一个平衡 点。其直接影响交易的进行，表现为： ( 1 ) 不能建立通过阻塞线路传输的新交易，阻塞问题成为电能传输的瓶颈； ( 2 ) 原来计划内合同交易得不到执行： ( 3 ) 在执行之中的交易被意外中止，负荷被强迫中断。 阻塞不仅影响到交易，还将产生一些如下的外部效应： ( 1 ) 由于阻塞调度而新投入运行发电机组，使得成本增加； ( 2 ) 系统可靠性降低； ( 3 ) 一些老机组和低效电厂为了提高系统可靠性而投入运行，导致更多的污染； ( 4 ) 阻i ：远方发电商进入本地市场，导致市场竞争的削弱，出现市场力问题。 由此可见，电力市场中的阻塞问题阻碍了资源在大范围内的优化配置，降低了电力市场运行的 效率和效益。因此，解决好电网运行的阻塞对电力市场的健康发展将起到积极的作用。 2 113 阻塞管理分类 阻塞的分类按时间尺度可分为长期阻塞、短期阻塞( 静态阻塞和动态阻塞) ；按市场力意愿可分 为无意阻塞和有意阻塞；按阻塞对象是否确定可分为确定性阻塞问题和概率性阻塞问题1 4 0 j 。 阻塞管理的目标是制定一系列规则，有效地控制发电机和负荷，使系统的短期运行具有一定的 安全和可靠性裕度，同时为系统的长期投资规划提供有效信息【4 7 l 。从短期而言，阻塞管理需要制定 公平的削减交易的计划和制定新的调整准则，从而实现电力系统的最优安全经济调度，保证系统安 全可靠运行；从长期而言，阻塞管理应该通过价格信号为系统的长期健康发展提供激励。 系统运行人员为消除输电网络阻塞，既可以通过调整工况或发布可用传输容量( a v a i l a b l e t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , a t c ) 等信息来引导市场参与者，也可以通过需求侧管理在时间和空间上转移 负荷，建立可中断负荷市场来缓解输电阻塞，在必要时强制性地调整交易或“市场分裂”以消除阻塞。 相应地，市场环境下阻塞管理方法已从原来单纯的技术手段拓展为技术和经济甚至行政手段( 监 管) 相结合的多元化组合策略。 技术手段主要基于输电网络运行参数优化而实现，包括：1 ) 新建或扩容线路；2 ) 变压器分接头 调整等网络参数优化：3 ) 灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 的使用等。 经济手段主要基于价格机制通过交易计划调整即阻塞调度来实现，与之有关的冈素有市场交易 模式( 联营体模式、双边合同模式、混合模式等) 、交易时序( 期货交易、现货交易、实时平衡) 、交易 4 第二章阻塞管理、输电权市场概述 范围( 独立市场、跨区域交易、过网) 、处理方法( 集中优化和分散优化) 和阻塞调整目标( 成本最小、效 益最人、调整量最小) 等。 2 1 2 阻塞最优调度i 印i 本小节主要展开介绍阻塞管理的经济手段，即阻塞最优调度方法。基于市场机制调整或削减发 电计划的阻塞管理是指在特定的市场模式和交易规则下，通过规则控制发电和负荷功率，使电力系统 的短期运行裕度满足可靠性要求，并为长期投资和合理的发输电容量分布提供正确的激励信息m j 。 在不同的市场类犁，不同的交易模式下采用的阻塞调度方案也是不同的。按照交易模式的不同， 可分为基丁二p o o l 模式、基于双边交易的以及基于两种交易模式混合的阻塞调度方案；按照市场控 制策略的不同，可分为集中优化调度和分散优化调度。本节基于市场控制策略，介绍当前对不同类 型的市场和交易模式下的阻塞调度方法。 2 1 2 1 集中最优调度 电力市场的开展要求在更人范嗣内进行资源的优化配置，提高资源的利用率以增大市场运行的 效益。而对电网运行而言，就必须在大范围内实现集中优化调度，世界各国电网运行调度经验也证 实了这一点，该调度方案下，多个区域的互联系统由一个中心调度机构( 电力市场环境下，称为i s o 或r t o ) 统一负责电网的运行。 集中优化调度的思想可描述为系统运行员在满足系统和市场的约束条件下，达到某个特定的优 化管理目标，实际上均可看成是最优潮流( o p t i m a lp o w e rf l o w , o p f ) 的不同应用问题，其一般数学表 达式为： n d n f c u ) s t g ( u ，工) = 0 ( 2 一1 ) h ( u ，x ) 0 式中，以为控制变量向量( 如机组有功、无功出力，负荷有功、无功等) ，x 为状态向量( 如节点电 压模值，相角等) 厂为目标函数，表示优化目标；g 为等式约束，表示系统平衡( 如有功、无功平 衡) 和交易平衡问题；h 为不等式约束，表示系统运行的限制( 如机组出力限制，线路容量限制， 节点电压限制等) 和市场交易的限制。电力市场环境下，随市场模式、交易类型的不同，阻塞调度 策略也有所不同，表现为不同的调度目标，而约束条件基本相同，可总结为： ( 1 ) 系统有功( 无功) 功率平衡 ( 2 ) 节点有功( 无功) 平衡 ( 3 ) 机组有功( 无功) 出力上下限约束 ( 4 ) 负荷上下限约束( 负荷侧参与竞价) ( 5 ) 交易合同约束( 存在双边交易模式) ( 6 ) 线路输送容量约束 ( 7 ) 节点电压约束 ( 8 ) 系统备用约束 ( 9 ) 机组增减负荷约束 ( 1 0 ) 机组最小运行与停机持续时间约束 在交易和阻塞调度时为简化模型，忽略某些约束，如后三类约束一般放在机组组合问题中考虑。 下面介绍在p o o l 、双边交易模式以及混合模式下所采用的调度策略。 一、p o o l 模式下的阻塞调度 p o o l 模式下，对于只开放发电侧的市场( 这种市场模式适用于电力市场初期) ，市场运营机构 根据各发电方报价购电满足负荷需求，同时确定各机组中标情况，一般以购电成本最小为目标h 8 l ： 5 东南大学硕上学位论文 m i n ( e ( ) + g ( 危) ) ( 2 - 2 ) f = l 式中，e ( 吃) 为发电机q 的成本函数，e ( 名) 为平衡：肖点成本函数，这里用发电报价数据体现其 成本。 p o o l 模式下，对于发电侧和负荷侧都开放的市场，市场运营机构根据发电报价和负荷报价制 定交易计划，同时确定各机组和负荷中标情况，一般以社会效益( 社会福利) 最大为目标【4 9 l ： m a x ( 弓( 2 ) 一g ( q ) ) ( 2 3 ) j i 式中，曰，( d ，) 为负荷j 的收益函数，亦采用负荷报价数据体现其效益，e ( g ) 同上为机组f 的成本 函数。 以上两种形式为根据市场参与者报价在制定交易目标时，考虑系统阻塞因素，包含了阻塞调度； 在实际运行中，很多是把交易跟阻塞调度分为两阶段考虑，在交易过程中，系统产生阻塞时，通过 调整发电出力或交易来消除阻塞。 相应于上述两种调度方案，一种为只在发电侧调整，目标为发电机调整费用最小5 0 1 ： ( 2 4 ) 式中，m 为参与阻塞调度的发电机数，纰为发电机f 的调整功率：g 为对应于单位调整量的 费用，表现为参与阻塞调度的发电机对功率调整的报价，当不存在阻塞报价的情况下，目标为功率 调整量最小，当参与调整的机组出力达到上下限而系统仍存在阻塞时，则重新进行机组组合。另一 种为用户也参与阻塞调度，文献【5 l 】考虑了是否存在阻塞报价的两种模型，不考虑报价时为发电机 和负荷调整容量之和最小，考虑报价时为发电机功率及负荷的调整费用之和最少： m i n ( l 嵋名l + ea e 吃1 ) ( 2 5 ) i = l = l 式中，e 为调整发电机f 发电功率的价格，e ，调整负荷，的价格。 二、考虑双边交易的阻塞调度 双边交易是电力市场中的一种重要模式，发电商与负荷用户直接签订购售电合同，当电网阻塞 比较严重时，往往需要调整双边交易合同消除阻塞。 当阻塞调度仅调整双边交易时，文献 5 2 弓1 a 用户支付因子，考虑了交易的重要程度，目标为 交易调整费用最小： m i n 【( 甜一u o ) r 彳】w ( 甜一u o ) r 彳r ( 2 6 ) 式中，w 为支付因子矩阵，表示交易商对削减调整其交易的报价，体现交易重要程度，w 越大，表 示此交易越重要；甜为调整后的交易量；u o 为原始交易量；彳为调整策略矩阵。 文献 4 8 】提出了双边交易的阻塞调度的直流模型，优化目标为发电机的调整成本最小。模型表 示为 m i n c + a p + 一c a p - 1 s t h a p + z 磊般 a p = a p + 一p 一 ( 2 7 ) a p + 0a p 一o 式中c + 和c 一为发电机的微增成本和微减成本的报价，h 为直流潮流的功率传输分配因子 ( p t d f ) ，具体定义和说明将在2 3 节详细介绍。z 和分别为初始支路潮流和支路潮流限值， a p + 和p 一为发电机的发电功率调整黄。 6 p 1 a 。阔 mm 第二苹阻皋管理、输电权市场概述 三、p o o l 与双边交易混合的阻塞调度 大部分电力市场都采用p o o l 和双边交易的混合模式，因此阻塞调度过程中，有必要研究两种 不同交易模式共存时的调度问题。文献 5 3 1 提出了以交易矩阵表示交易类型，阻塞调度以交易矩阵 偏差最小为目标： r a i n ( 乃一乙) 2 t s ( 2 - 8 ) f 式中，乙为调整后的交易量，瓦，为原始交易量；s 为考虑稳态约束条件的交易安全域。文献【5 4 】 在调度目标中，交易前面添加相应的权重体现调度优先级，目标为调整后使社会效益最大化： m a x 【( “p k 一甜。p ) 一秘。厂+ u p r 尸吩一甜吩。) ( 2 _ 9 ) 式中，变量以向量形式表示，各种下标的甜向量为单位行向量，第一项( 括号内的) 为p o o l 交易的 效益，。是带权重的p o o l 交易削减量，如为双边交易的收益，为带权重的双边交易削减量， 其中权重可根据各交易方参与阻塞调整的报价而定。 2 122 分散最优调度 集中调度有利于i s o 控制电力市场的安全运行，在整个区域内配置资源，从而达到社会效益最 优。然而从市场角度看，基于集中优化方法的阻塞管理可能造成优化过程信息对用户不透明，要求 用户提供敏感的隐私信息，而且其公平性难以向市场成员展示；另外在存在投标策略的情况下，很 难达剑实际意义上的社会效益最优。电力市场环境下，i s o 应在保护市场参与者隐私的条件下，采 用有效的方法进行阻塞管理，以便充分利用现有输电资源实现社会效益最人化【5 卯。根据这一需求， 分散优化和决策的阻塞管理方法越来越多地受到人们的关注。分散优化调度思想是让市场参与者在 自我协调交易的过程中实现社会效益，类似i s o 的系统运行机构负责公布电网信息和安全控制，这 样的运营方式更为市场化，有利于调动参与者的积极性。 一种常见的分散优化方法的计算步骤如下： ( 1 ) 将阻塞价格矢量石初始化为0 ； ( 2 ) 对已确定的万，每个交易m 将按式( 2 1 0 ) 最人化其利润： m a x g ( m ) ，d _ ) s t ( 2 - 1 0 ) 式中6 为系统节点数，研”为交易m 中f 节点的负荷，彰”为交易m 中f 节点的发电量，日为 直流潮流功率传输分布因子，骂( 4 ) 为节点f 处的负荷4 的利润函数，e ( 岛) 为节点f 处发电机 的成本函数。 目标函数中各项依次为卖电收益、发电成本和输电成本。在优化计算后，各交易m 将向系统运 行员提交更新后的交易计划。 设发电机节点m 为松弛节点，则式( 2 一lo ) n n 写n ： 一m a x 。，f ”= 墨( 彰”) 一g ( 彰”) 一 h “。 2 1阔 ( 2 1 1 ) 吒【( 彰”一彰”) 卜 伪”r 7 ( 3 ) 得到新的d ”和g “( 朋= 1 ，2 ，m ) 后，系统运行员将检查线路是否越限，若越限，则 7 幻 国 0 g 一玺硝 一 酢 m ) 妒 聊 心 q e x心d瑚兰鲥 东南人学硕士学位论文 按越限比例调整相应的过负荷线路的输电价格，如式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 所示： 乃= 口 ( h ) m f q _ ) ，一z ! ： m 疗， q一12)m=l 乃= 口 i_ l z ： m 疗】 ( 2 一 一， 冗= 7 r 字+ 死j ( 2 1 3 ) 式中，为阻塞线路编号，口为调整系数，z ! m 为相应线路，的传输极限。 ( 4 ) 重复步骤( 2 ) 、步骤( 3 ) 直至所有线路都不发生阻塞，即每笔交易都根据最新的阻塞定价调整 交易计划以使其利润最大化。迭代收敛后，最终的d 伽) 和g 伽) 交易m 的负荷和发电量。 分散优化的思想更符合市场化分散决策原则，而其实际应用需基于一些严格的假设、复杂市场 机制和信息的充分共享，目前尚难应用于实际市场，但其分散优化的阻塞管理方法为未来的市场的 发展提供了一个很好的思路。 2 1 3 阻塞定价 电力市场环境下，合理的阻塞管理方法应不仅能够消除阻塞，而且能够合理分摊阻塞费用。然 而，由于电能在电网中的流动遵循基尔霍夫定律，因此电能交易的假没路径往往与实际路径并不符 合，容易造成无法准确计算电能交易的输电成本。当系统出现阻塞时如何合理分摊相应的阻塞成本 一直是个难题。 一、基于边际电价法 目前采用的边际价格法主要为：书点边际电价法和区域边际电价法。 节点电价理论l s l ( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) ，是由美国麻省理工学院f c s c h w e p p e 等在8 0 年代提出的，实时电价随时间不同可以反映出各节点发电出力和负荷变化的微增成本，随地点不同， 反映输电成本差异。在阻塞情况下，电价隐含了线路阻塞成本，在不考虑网损时，线路阻塞费用等 于相应节点的电价差，反映线路约束的影子价格( s h a d o wp r i c