（电力系统及其自动化专业论文）阻塞管理相关问题的研究——金融衍生工具在阻塞管理中的应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 1 r h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yh a sb e e ne x p e r i e n c i n ga l lt r a n s f o r m a t i o nf r o mm o n o p o l yt od e r e g u l a t i o n c o n g e s t i o nm a n a g e m e n tb e c o m eac o 僻o f p o w e rw a n s m i s s i o nn e t w o r km a n a g e m e n tw i t ht h et r a n s m i s s i o n o p e na g c o s s w i t l lt h ee l e c t i t i t yr e f o r m s , t h ef i n a n c i a lp r o d u c t sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di np o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no ff i n a n c i a ld e r i v a t i v e si nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti ss t u d i e dt h r o u g ht h e r e s e a r c ho ft h ed y n a m i cz o n m gb a s e do nn o d a lp 一d e v i a t i o na n dt h ei n t e r r u p t i b l ee l e c t r i c i t yc o n t r a c t s w i t ho p t i o nt h e o r y b a s i ct h e o r i e so f c o n g e s t i o nm a n a g e m e n ta p r e s e n t e d 1 1 l et r a d i o n a lc o n g e s t i o nd i s p a t c hm e t h o da n d e c o n o m i cd i s p a t c hm o d e la r ei n t r o d u c e d 1 1 e x i s t i n gc o n g e s t i o nd i s p a t c hm g a s u l 他i sa n a d y z o d 1 1 他 e x i s t i n gm e t h o d sf o r t h ec a l c u l a f t o no f c o n g e s t i o nc o s te n dt h ea l l o c a t i o no f t h ec o s ta r ei n t r o d u c e d 1 1 e x i s t i n gf i xz o n i n gm e t h o d i sa n a l y z e d a n dan e wa y n a m i cz o n i n gm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nn o d a l p r i d e v i a t i o n o nt h eb a s i so f t h ed y n a m i cz o n i n g , t h ec o o r d i n a t e da u c t i o n i n gm e t h o di sa p p l i e dt ot h e r e g i o n a lc o n g e s t i o nm a n a g e m e n tt h r o u g hs i m u l a t i o no f t h ei e e e - 1 4b u ss y s t e me n dr e s u l t sa mc o m p a r e d w i l l lo p fw h i c hi sn o tc o n s i d e r i n gf i n a n c i a lm e a n 5 1 1 ”b i r t ha n dd e v e l o p m e n to fo p t i o n s c l a s s i f i c a t i o na n dp r i c i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d t h e i n t e r m p t i b l ep o w e re n n h a c t sw i t ho p t i o nt h e o r ya n di t sp a c i n gp r o b l e mi ss t u d i e d a l s ot h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ei n t e r r a p t i b l ep o w e rc o n t r a c t sw i t ho p t i o nt h e o r yi nc o n g e s t i o nm a n a g e m e n ti sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i e e e - 3 0b u ss y s t e mi su s e df o rs i m u l a t i o nt og e tr e l e v a n tc o n c l u s i o n s k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ；c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ；d y n a m i cz o n i n g ；o p t i o n ；i n t e r r u p t i b l ee l e c 舡i c i t y c o n t r a c t s 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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：丝日期：竺塑旦加 关于学位论文使用授权的说明 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：主塑亟，导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从9 0 年代开始，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、引入竞争己成为 世界各国电力行业发展的总趋势，世界上许多国家包括中国的电力工业都发生或正在酝酿着一系列 深刻的改革，这是百余年电力工业发展中的一件历史性的改革。电力工业的这一巨大改革就是要将 电力工业纳入市场经济运营体系之中，通过市场竞争来实现资源的最优配置，提高效率，降低成本， 保证优质服务，实现合理规划，促进电力工业长期持续稳定发展。经过十多年的实践，电力市场化 改革仍处在不断探索和完善之中。 把电力工业纳入市场经济运营体系中一方面带来了多方面的经济效益，如降低发电成本，提高 对用户的供电水平，实行公平的调度，吸引备方投资等，但是，它同时也导致了一系列新问题的出 现，如电网的安全运行与控制问题、市场交易安全问题、市场监管问题等。尽管从最早的电力市场 改革到现在已经有2 0 多年，很多国家和地区都建立了电力市场，但目前仍然存在着许多没有解决的 问题，有些市场的运行还相当不稳定。美国加州的能源危机表明以行政区域( 州，省) 划分的电力市 场，i s o 调节能力太弱，应对危机无能为力就是最明显的例子，大规模停电、电力批发价格飞涨、 电力公司破产。这些都是电力市场运行体制还不完善的表现。 我国在借鉴他国电力市场的成功的经验，吸取教训的同时，结合原有电力体制，系统条件和实 际国情，走出自己的电力工业市场化改革之路是非常必要的。 1 2 论文研究的背景和意义 发电竞争、输电系统开放和用户选择是竞争电力市场的三大支柱。输电系统开放是指输电系统 必须无歧视地对所有的发电厂和用户开放，即所有的市场参与者，都有同等使用输电系统的权利， 任何用户可以向任何发电厂购电，任何发电厂也可以向任何用户供电。作为发电厂和用户之间的电 能输送通道，输电网络的正常运行不仅影响系统的安全和可靠性，同时也对市场竞争，市场效率有 显著的影响i 电力市场与其它商品市场的不同在于( 输电环节表现得尤为突出1 ：电能输送通过结构复杂的输 电系统进行，要遵守基尔霍夫定律，同时必须满足多种物理约束，输电路径十分复杂，且不能人为 指定。输电系统的这种复杂特性限制了市场交易的自由传送。当输电网的传输功率超过它的传输限 值( 包括输电线路的热容量限制和系统的稳定性限制) 时，便出现了阻塞。阻塞使原有的电能交易计 划无法实现，使系统的安全性和稳定性受到威胁，影响了系统资源的最优配置和利用，还可能导致 市场力的滥用，引起市场电价的扭曲。因此，研究合理地解决阻塞问题已成为输电网管理的核心内 容，阻塞的有效管理成为了电力市场化成功运营的重要标志。 在实行电力市场之前，输电阻塞就早己存在。在传统的电力系统垄断模式下，发电、输电和配 电一体化，而且每个发电机组的边际成本已知，系统运行人员以总的生产成本晟小为目标，统一安 全经济调度。由于输电阻塞而不得不使_ i | 高成本发电容晕造成的额外发电成本，一起计入电价，不 必单独考虑阻塞费_ l l j 。在实行电力市场之后，阻塞管理的手段变得多样化，主要有基于输电网运行 参数优化的阻塞管理和基于交易计划调整的阻塞管理两种手段。前者主要是通过新建输电线路，提 高输电线输电能力等方法。后者主要是采用经济手段消除阻塞，以价格为信号，经济效益为目标合 理安排交易计划，规避阻塞。 纵观过去2 0 年的电力市场化改革的发展历程，可以发现由于各国电力工业基础和国情的不同， 东南大学硕士学位论文 电力市场的开展没有同定的模式可循。我国电力工业市场化改革起步较晚，目前仍然处在初级阶段， 但也做出了很多积极的探索，2 0 0 3 年6 月2 日，国家电力监管委员会向国家电网公司及有关发电企 业一f 发了关于开展华东电力市场试点工作的通知，决定在华东地区进行电力市场建设试点。紧接 着，于6 月6 日f 发了关于建设东北区域电力市场的意见，确定了在东北地区进行区域电力市场 建设试点。2 0 0 4 年1 月1 5 日，东北电力市场正式启动模拟试运行，标志着我国第一个区域电力市 场成立。2 0 0 4 年5 月1 8 日，华东电力市场也正式启动模拟试运行，标志着我国正在加快区域电力 市场的建设工作华东电力市场投入模拟运行则是直奔市场改革的主题：引入竞争机制，打破市场 壁垒，从而在电力最为紧缺的华东地区实现电力资源的优化配置。由于我国电力工业结构错综复杂， 资源分布很不均衡，电力市场化改革存在很多问题，进展缓慢。根据我国电力工业的现状，设计合 适的市场规则、交易方式，实现市场效益：而与之相对应合理的阻塞管理方案将保证电网在有限的 条件下安全运行，并体现市场交易的公平性，引导市场的良性发展，是改革进程中我们需要面对的 迫切任务，研究与我国国情相适应的市场交易、阻塞管理将对我国区域电力市场的开展有很大的现 实意义。 1 3 论文的主要研究工作 本论文主要从基于动态分区的区域阻塞管理和结合期权理论的可中断电力合同两方面入手，对 金融手段在电力市场阻塞管理中的应用进行了研究。具体工作体现在以下几方面： 一、在分析了现有主要阻塞管理方法的基础上，重点针对固定分区方法的不足，提出了基于节 点电价偏差的动态分区方法。并用i e e e - 1 4 节点系统作为研究对象进行仿真，以验证该方法的有效 性。 二、在动态分区的基础上，进一步应用协作拍卖法进行跨区域阻塞管理，并将其分析结果与不 考虑经济手段的阻塞管理最优潮流法进行了比较和分析。 三、全面阐述了期权的产生发展，分类及定价方法，并对结合期权理论的可中断电力合同在阻 塞管理中的应用进行了研究。用i e e e - 3 0 节点系统进行了仿真验证。 本文结构安排如下： 第一章为本文的绪论部分，简要地介绍了论文研究的背景和意义，以及本文的主要研究工作。 第二章介绍了阻塞管理的研究现状，从阻塞管理基本概念，阻塞调度，阻塞费用的计算及分摊， 以及其他的一些阻塞管理方法这儿个方面进行了介绍。 第三章区域阻塞管理方法进行了介绍和比较，提出了现有固定分区方法的不足，在节点电价理 论的基础上提出基于节点电价偏差的动态分区理论。并用i e e e - 1 4 节点系统进行仿真研究，根据系 统不同的负荷水平进行动态分区。在动态分区的基础上，进一步应用协作拍卖法进行跨区域阻塞管 理并与不考虑经济手段的阻塞管理最优潮流法进行了比较和分析。 第四章对期权的产生发展，分类及定价方法进行了介绍。并对结合期权理论的可中断电力合同 在阻塞管理中的应用进行了研究用i e e e - 3 0 节点进行了仿真验证。 第五章为全文工作的总结和进一步工作的展望。 2 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 2 1 引言 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 电力工业正在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。电力工业的这一巨大改革就是要将电力工业纳入市场经济框架，通过市场 竞争来实现资源的优化配置，提高效率，降低成本，优质服务，合理规划，促进电力工业长期持续 稳定发展。 对我国这样一个幅员辽阔、自然资源缺乏的国家，输电开放显得尤为重要，它将有利于实现全国资 源的优化配置，促进水利资源的充分利用，降低发电成本，同时带动资源丰富的西部经济的发展。目前 我国由于经济的高速发展和人民生活的日益提高，对电力的需求也日益增长。而我国现阶段的电力 供应十分紧张，特别是最近几年，部分大中城市都出现了局部停电的情况。为了进一步改善我国电 力供应状况，我国电力系统的市场化改革也正在积极、稳步地进行。基于我国的基本情况，加大对 输电网络的改造，尤其是对输电阻塞管理的改善对我国电力市场和电力供应状况都有着十分重要的 意义。 本章从阻塞管理的基本概念，阻塞调度，阻塞费用的计算及分摊等方面对阻塞管理的研究现状 及存在的问题进行了介绍。 2 2 阻塞管理基本概念 2 2 1 阻塞管理的定义 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 ) 是指输电系统由于本身网络的容量限制。不能满足所希望的输 电计划的状态。它通常指输电系统在正常运行或进行事故安全检查时出现了以下两种情况：输电线 路或变压器有功潮流超过允许极限；节点电压越限。为了消除阻塞，需要采取阻塞定价以及发电机 再调度等经济技术措施，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 t ) 。 由于输电阻塞是由网络输电容量与输电计划之间的矛盾引起的，因此要合理解决输电阻塞应该 分西步进行：( 烬可能通过调整网络结构和控制器参数改变网络潮流以化解阻塞，从而避免更改发电 计划及由此引起的附加阻塞费用，使发电方案最优。实际电网可以通过控制母线运行方式( 拓扑结构 调整) 以及调节变压器抽头、移相器、f a c t s 装置等操作整合完成。当运行优化无法满足所希望 的输电计划时，在公平竞争和资源优化的约束下，以经济性为目标，合理调整各市场参与者的输电计划， 保证系统的安全可靠运行。 阻塞管理包括技术和经济的两层含义“：技术方面需要建立一套合理的调度计划，使系统各线 路在容量限制的范围内安全运行；经济方面是要制定一套合理的输电阻塞定价方案，使输电网各方 能得到正确的经济激励和引导，达到尽可能消除阻塞的目的。 2 2 2 阻塞管理的影响 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： 3 东南大学硕士学位论文 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； 原来计划内合同交易得不到执行； 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： 由于阻塞调度而新投入运行发电机组，使得成本增加： 系统可靠性降低； 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； 阻止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 2 3 阻塞管理的原则及其方案 一输电网开放的原则 电力市场化的进程中，作为电力交易实施的载体，输电网的核心地位勿庸置疑。在当今世界的 电力市场改革实践中，输电网无一例外的由系统运行者统一运营( 即使输电网的所有权归多方所有 的) ，而开放输电网是改革的重要一环，从而为供需双方参与市场竞争提供一个开放的平台，也在一 定程度上表征了市场化的程度。 开放输电网应遵守以下一些基本原则： i ) 输电网络安全可靠运行原则 只有安全可靠运行的输电网，才能向用户提供传输服务。另外，用户对电能的需求，也包括了 对电能质量的需求，也只有安全稳定的电网才能向用户持续地输送满足质量要求的电能。 2 ) 竞争性原则和公平性原则 为了促进电力市场的持续深入的改革，必须大力发展竞争性的商品市场。但是市场参与者参与 市场的程度及其决策受到输电网传输能力的很大影响，因此，输电网开放的一个重要原则就是公平、 无歧视的对市场参与者开放输电业务，同时也要防止市场成员运用市场力等手段进行破坏竞争性的 行为。 3 ) 社会效益最大化原则 出于电能这一商品的特殊性，输电网一般由非营利性机构统一运行和管理，其目标是合理配置 资源，在进行电能安全稳定传输的基础上，实现社会效益的最火化。 二阻塞管理的原则 输电网阻塞的产生破坏了系统的安全稳定性原则：增大了运行成本，破坏了全社会效益最大化 原则；并且由于输电约束导致了市场竞争性的削弱，也破坏了公平性的原则。所以，阻塞管理也应 当在遵循以上输电网的开放原则的基础上。消除阻塞，把控制电网在安全运行范围内的同时，尽量 保证电力市场运行的效率，即运行的经济性。这表现为：在电网约束条件下，使社会福利最大化、 市场交易改变量最小化、调整费用最小化等几种目标形式。 电力市场下的阻塞管理其实际可看成是电网运行中的安全经济问题，经济性与安全性始终是一 对矛盾的统一体，需要达到更高的安全性必定有损经济性。如何处理好这一对关系，是需要在实际 操作中摸索的。 三阻塞管理的方案 从阻塞管理的定义来看，输电网阻塞管理应包括下面三方面的内容： 阻塞的预防 首先，在阻塞发生前应尽量避免阻塞的发生，通过采取一些方法达到短期预防输电阻塞的 目的。如在电网运行过程中，通过公布某些易发生阻塞线路的输电容量信息，以及各交易对这 些线路产生影响的数据，以引导用户进行自我调整，从而在一定程度上避免一些阻塞的发生。 4 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 阻塞的消除 其次，在阻塞产生后，i s o 根据既定的原则和目标采用发电机重调度、交易的调整或负荷 削减等一些策略来消除阻塞，在不同的市场模式和交易模式中采用的阻塞调度方案也有所不同 阻塞的定价 另外，阻塞定价也是阻塞管理中的一个重要问题。通过采用公平合理的阻塞定价方案，短 期而言，在输电网用户问公平合理地分摊阻塞费用，使市场良好运转；长期而言，阻塞管理将 提供给市场成员价格信号，促使其合理利用输电网资源，有效地进行电源建设，这将对系统稳 定运行，市场健康发展起到积极的引导作用 2 3 阻塞调度 在现有的阻塞调度手段中，常用方法的是通过求解考虑输电线路传送容量约束的经济调度最优 化问题解决阻塞，也就是通过调整或降低发电机出力或可中断负荷，以此减少阻塞线路的传输容量， 消除阻塞。在不同的市场类型，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，可分为基于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，可分为集中调度和分散调度。在不同的市场类型，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，可分为基于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，可分为集中调度和分散调度。 2 3 1 集中优化调度 电力市场的开展要求在更大范围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。当然在阻塞调度中亦较多的采用集中调度的方案。 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 f ) 的不同应用问题，其一般数学表达式为： m f 胛厂( 历) s t g ( “，工) = 0( 2 1 ) h ( u ，x ) s0 式中，“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f ，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： 系统有功( 无功) 功率平衡 节点有功( 无功) 平衡 机组有功( 无功) 出力上下限约束 负荷上一f 限约束( 负荷侧参与竞价) 交易合同约束( 存在双边交易模式) 线路输送容量约束 节点电压约束 系统备用约束 5 东南大学硕士学位论文 机组增减负荷约束 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。 在阻塞调度过程中，一切调聿4 行为必须以市场规则为前提而且需要考虑经济性，为了坚持电力市 场公平、公开、公正韵原则。必须将阻塞调度中的越限情况、调整目标、调整规则、调整结果公开发 布，让电力市场参与者了解网络的安全信息，给调度员提供调度依据，同时作为市场结算的数据源。 2 3 1 1p 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| 2 1 ： ( 2 - 2 ) 式中，c ( 尼) 为发电机g 的成本函数，e ( 吃) 为平衡节点成本函数，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 3 , 4 1 ： m a x ( 马( 9 ) 一q ( g f ) ) ( 2 - 3 ) j 式中，哆( q ) 为负荷，的收益函数，亦采用负荷报价数据体现其效益，g ( 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 】： 。 砌q 纰( 2 - 4 ) 式中，m 为参与阻塞调度的发电机数，只为发电机i 的调整功率；c ：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【6 】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： 砌( i 叱乞卜l 屹毛i ) s = l j = l 式中，f 为调整发电机f 发电功率的价格，毛调整负荷- ，的价格 6 ( 2 5 ) 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 2 3 1 2 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【7 】引入用户支付因子，考虑了交易的重要程度，目标为交 易调整费用最小： m i n ( u u o ) 1 , f l w ( “一u 0 ) 1 4 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；2 4 为调整后的交易量；矿为原始交易量；彳为调整策略矩阵。 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【8 】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： m i n ：( 一l ，) 2ts(2-7) f 式中，瓦为调整后的交易量，死，为原始交易鼍；s 为考虑稳态约束条件的交易安全域。文献【9 】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 l d p l p d ，l u p p l p p p l l 一d p l y d 七h p f p p t h 哗y 0 ( 2 - s ) 式中，变量以向量形式表示，各种下标的“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，p ，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。文献0 0 规定把双边交易合同作为固定容量处 理。因此阻塞调度模型根据阻塞管理的规则设定而变。 对于这些集中调度的阻塞管理方法，建立相应的最优潮流模型，数学上一般属于有约束非线性 规划问题，如何求解以满足工程应用上的速度和精度要求，仍是值得探索的一个问题。从早期， d o m m e lh w 和t i n n e yw e 提出了简化梯度算法i 1 1 ，此方法容易实现，但收敛性较差，计算量 大；8 0 年初期，d i s u n 提出的牛顿最优潮流算法1 1 2 1 收敛性和鲁棒性较强，而处理不等式约束效 果不好，因此其应用也受到了限制；近年来内点法在解展优潮流问题中得到应用和发展i i ”，其中 原对偶内点法显示出了优势，对求解问题的规模大小不敏感，具有良好的收敛性和鲁棒性，但其对 初值较敏感，从而影响求解准确性和速度：由于计算机技术在电力系统的不断发展，一些高效的启 发式搜索算法在电力系统优化算法中得到应用【1 “s l ，如人工神经网络、专家系统、遗传算法、t a b u 和模拟退火算法等，这类算法经一定的改进可以跳出局部最优解达到全局最优，可求解大规模系统 问题，对整数规划问题尤其适用，但因其搜索解的随机性原则，收敛速度慢，计算量很大，较难应 用于工程；文献 1 9 1 改进前人算法，提出了一种的基于非线性互补问题( n c p ) 函数的半光滑牛顿 算法，对处理不等式约束起到了良好的效果，并构造牛顿分解法，仿真表明对大规模系统的应用收 敛性和速度优于一般算法。在研究和工程应用中，应视具体情况和要求选择最优潮流算法，同时也 要利用不断发展的计算机技术寻求普遍适用的新算法。 2 3 2 分散优化调度 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。从市场角度，在参与者看来集中优化调度就象i s o 的黑箱操作，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，很难达到实际意义上的社会效益最优。而分散优化调度思想则让市 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。文献【2 0 】提出了交易方之间可 7 东南大学硕士学位论文 以进行多次协调，在系统安全运行的情况下达到社会效益最优的结果。文献 2 1 ，2 2 设计分散优化的 机制，通过公布阻塞价格或电价，而h j 户据此主动调整交易，实现自己利益的同时达剑社会效益的 最大化。 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 3 3 市场分裂法 市场分裂法( m a r k e ts p l i t t i n g ) 是介于集中和分散调度之间的调度方案。交易计划先按没有阻 塞的情况进行制定，当系统未发生阻塞时，交易计划不变；当发生阻塞时，则市场按事先确定的分 区方案进行分裂，各区域考虑区域间联络线的容量限制，并根据区内发电报价和负荷报价重新制定 交易计划。因此，此方案在整体上把一个大区域分为几个子区域分别竞价，属于分散调度方式；而 区域内属于集中调度方式，目标为区内社会效益最大化。不难看出，在维持联络线安全的原则下， 区域间的充分交易可以达到整个区域集中优化的社会最大效益。 分区由t s o ( 输电系统运营者) 定期进行市场预测，然后确定分区情况后公布，在具体执行时 可提前一天对分区进行修改。目前这种分区主要还是依靠t s o 的经验进行，还没有比较好的分区工 具。 这种方法适用于阻塞主要发生在某些固定输电线路的电网中，北欧电力市场就是采用了这种定 价方法”“。文献 2 4 把反向交易法( c o u n t e r t r a d i n g ) 融入市场分裂法中，提高了交易容量，达到 消除阻塞降低风险的目的。 2 4 阻塞费用的计算及分摊 输电阻塞导致预期的电能交易计划无法实现，影响资源的优化配置，妨碍市场竞争，降低市场 效率。因此，必须采取有效的措施消除阻塞，并准确计算阻塞成本，为网络规划提供经济信号，促 进系统在长期内稳定、健康地发展：同时应将阻塞成本分摊至引起阻塞的市场参与者，为系统的短期 运行提供有效激励，真正做到在阻塞情况下非歧视地对待所有市场交易者，从而实现输电网的公平开 放。 2 4 1 阻塞费用的计算 2 4 1 1 基于节点电价法的阻塞成本计算 节点电价瞄j 与传统经济调度有密切的联系，它反映出下一时刻单位节点负荷所需的总费用，即节 点边际成本。在阻塞管理中，节点电价完整体现网络约束对节点边际成本的影响。在系统没有阻塞 时，全网按统一边际电价结算，每个节点的电价相同。当出现阻塞时，由于阻塞对不同节点的市场 参与者有不同的影响，造成阻塞线路两端的节点电价出现差异，即电源侧的节点电价不变或降低， 而远离电源侧的节点电价则升高。因此造成了购电成本的增大或者社会福利的减小。 节点电价法的基本框架是由s c h w e p p e 等学者于1 9 8 8 年首先提出的。此后，h o g a n 等学者提出 了节点电价模型和p o o l c o 的交易模式，其实质上是一个基于集中调度的最优潮流 ( o p t i m a l p o w e r f l o w ，o p f ) 问题。 8 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 对于发电侧开放的市场，o p f 的目标函数为系统总发电成本最小，即： m i n c = c , ( p c ，f ) ( 2 - 9 ) f 式中。f 为第i 台发电机的出力：q ( 尼j ) 为第i 台发点距的发电成本报价：c 为考虑输电约束 的情况下系统总发电成本。该情况下系统总发电成本与无输电约束的理想情况下的最小发电成本之 差为阻塞成本。 对于用户侧同时开放的市场，o p f 的目标函数为社会效益最大，即以最小的电能生产成本获得 最大的收益： m i n w = q ( 圪，f ) 一乃眈，) ( 2 1 0 ) i ， 式中，p l ，为第j 个用户的负荷效率；口，( p l ，) 为第j 个用户的效用函数，为考虑输电约束的情 况下的社会效益。该情况下系统最大社会效益与无输电约束的理想情况下的最大社会效益之差为阻 塞成本。 用节点法阻塞费用结算时比较简单，各买卖双方只需按节点价格收支费用即可。但依节点电价 结算将产生阻塞收益，即为i s o 卖电与买电的差额，如果阻塞越严重，这项差额就会越大，网络的 运行者收益也会越大。采用节点电价法进行阻塞成本计算时，阻塞价格并不明显体现出来，而是隐 含在节点电价中，通过节点电价的分解可以获得阻塞价格分量。采用节点电价法进行阻塞成本的分 摊较为快捷：对于联营交易用户，按照所在节点的电价付费，所支付的电费中包含了阻塞费用；对 于双边交易用户，按照交易功率注入点和接收点的电价差付费。 2 4 1 2 直接阻塞成本计算 l 、联营交易模式下阻塞成本的计算 在联营交易市场模式下，独立的电网运营机构负责电网的调度、运行及系统安全，并制定出符 合安全要求的交易计划。在不考虑各种系统约束的情况下，交易中心制订交易计划并确定市场清算 价格( m 捌研c l e a r i n gp r i c e ，m c p ) , 然后根据一定的原则对发电计划进行安全校正。根据发电机调整原 则的不同，阻塞成本计算主要有以下2 类： ( 1 )按统一边际电价结算 以最小购电成本编制发电计划，有洲： c 一= 一b 一，i l ( 2 - 1 1 ) 式中b 。，p 2 。已。为参与竞价的节点发电机的发电功率，。为市场清算价格；n 为 竞价发电机总数。由以上安排的发电计划应进行网络约束检验。，如果没有阻塞，则执行发电计划： 否则重新调度发电机出力消除阻塞。 阻塞消除后各发电机的发电功率分别为p l 。，p 2 。已。，统一边际电价为： 总购电成本为： c 。= m a x c , ( 号。) ，c 2 ( 昱。) 。( 只。) 】 ( 2 1 2 ) 因此阻塞成本可以通过下式计算： c 。= 。x m 9 ( 2 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 c 。一c 。一= ( c 0 。只。一。一e 一) ( 2 - 1 4 )目 ( 2 ) 按“限上和限下”的方式结算 英国的电力市场曾采用限上和限下的方法进行阻塞管理叨。首先由交易中心根据各发电商的 报价，不计及电网的约束作出一个最小发电成本的交易计划。然后将最后一台纳入发电计划 报价 最高) 的机组报价作为系统边际发电成本价格( c s m p ) ：在这个价格基础上，计及系统容量成本，得 出联营购入价( c p p p ) 作为市场清算价格。这个发电计划未计及网络安全约束，因此，需要对发电计 划进行安全检查。如果发生阻塞，需要对未纳入发电计划的容量按报价由低到高的顺序安排机组开 机发电或增加出力( 限上c o n s t r a i n e d - o n ) ，对己纳入发电计划的容量按报价由高到低的顺序安排机组 停发或减少出力( 限下c o n s t r a i n e d - o f f ) 。多发电量按机组实际报价由联营中心付费补偿，少发电量按 联营购入价和机组实际报价之差补偿。 于是支付多发电的发电机的费用为： c 锕| 1 _ ( 只。一霉) c ( k ) + 只一一( 2 - 1 5 )i f f i li f f i l 支付少发电量的发电成本为： ：= ( 只。一只一) 吼。- c a p , 。) 】+ o 一 ( 2 - 1 6 ) i f f i lj l l 阻塞成本为： = c 埘1 + c 埘2 一g 一 ( 2 1 7 ) 2 、双边交易模式下阻塞成本的计算 双边交易模式的最大特点是交易双方为发电商和最终电力用户或双方各自的代理或中介机构。 独立发电商与配电公司，_ l j 户之间直接达成协议，同意以某个价格由前者向后者提供一定的电力；这 时它们的交易不需通过电网公司，只需在交易成交后将结果通知电网公司以实现电力转运。双边交 易模式能够最好地实现用户直接、自由地选择供应商的目的，被认为是体现市场自由竞争的最好形 式。但是由于电力商品和电力市场的特殊性，使这种模式具有明显的不确定趋势。最终的结果是全 部交易走向联合，又称为联营稳定性( p o o ls t a b i l i t y ) 。 当输电网发生阻塞时，通过裁减交易消除阻塞的方法将使部分电力交易合同不能正常履行，各 节点的电力供给情况将发生相应变化，节点的边际成本也随之变化。该模式中发电方和用户直接签 订双边交易合同，双边交易量上报给系统调度员。在双边交易闭市后，系统调度员对双边交易进行 网络约束校验。若没有阻塞，则执行双边交易计划；若出现阻塞，则需进行阻塞管理，调整双边交 易。一般双边交易的调整通过交易者申报增、减投标完成呻l 。系统调度员采用使购买增、减投标费 用最小的方法，在计及网络约束的前提下确定发电方和用户的功率调整值。通过优化问题的求解， 可获得各节点的增投标功率值，分别记为甲，a p ；a 譬；以及减投标功率值，分别记为 日，巧巧，采用按报价结算的方法，支付增投标的费用为： h c + = g ( 纰+ ) 舭+ ( 2 - 1 8 ) f _ l 式中c ? ( 只+ ) 为节点f 的增投标报价。 收取减投标的费用为： 1 0 第二章阻塞管理的研究现状与存在的问题 c 一= g ( 纰一) 何 卢l ( 2 1 9 ) 式中c ? ( 只一) 为节点珀q 减投标报价 因此阻塞成本为 c硎=c+一c一(2-20) 3 、联营交易与双边交易混合模式下阻塞成本的计算 交易模式是联营体和双边( 或多边) 交易共存的交易模式。它的管理方式与双边交易类似，也 可通过交易者申报增、减投标完成。此时的交易者不进包括双边( 多边) 交易的发电方和用户，还 包括p o o l 中的发电方和用户。它的阻塞成本计算方法与双边交易模式相同。 2 4 1 3 基于区域电价法的阻塞成本计算 实际电网运行中，某些区域之间容易发生阻塞，而在区域之内发生阻塞的概率较小，因此提出 了区域电价法的概念。区域电价法是指在区域内采用相同电价，而在不同区域间采用不同电价的一 种定价方法。在这种机制中，阻塞费用只在区域之间按照区域问的电价差来支付而不需要区域内的 交易支付。区域电价法大大简化了阻塞费用的结算，提高了市场电价的确定性，有效增进了双边， 多边交易市场的流动性。 区域电价法一般分为两个步骤来进行：( 1 ) 将输电网络划分为多个电价区域；( 2 ) 计算出区域电价。 目前，如何对输电网络进行准确合理的区域划分是一个亟待解决的问题。 2 4 2 阻塞费用分摊方法 在计算出阻塞成本后，应按照引起阻塞的责任将这部分成本公平、合理地分摊到引起阻塞的市 场参与者中。当不削减交易功率时，通常以交易对阻塞线路的使用程度来反映交易引起阻塞的责任。 使h j 程度是指阻塞消除前，市场参与者对阻塞线路功率的影响，即市场参与者使用传输容量的份额。 按照阻塞线路的使用程度分摊时，交易分摊的阻塞成本与其在阻塞线路中的潮流份额成正比。 根据价格制定原理的不同，阻塞定价大致可以分为两类：基于阻塞费用分摊法和基于边际价格 法。 2 4 2 1 基于阻塞费用分摊法 阻塞费用分摊法是根据一定的原则把阻塞成本分摊至用户，尽量体现分摊的公平性。 一平均分摊法 平均分摊法直接直接将阻塞费用按功率大小分摊。而不考虑市场成员对阻塞的影响。这种方法 按交易量分摊，阻塞费用按用户负荷功率的大小分摊给各用户；在双边交易模式中，阻塞费用按双 边交易量的大小分摊给各交易。该方法的主要优点是简单，易操作，其缺点也是显而易见的，即不 能公平、合理的分摊阻塞费用。 二按责任分摊法 按责任分摊即根据市场成员对阻塞线路功率的贡献分摊，一般分成两个步骤：第一步是将阻塞 费用分摊至各阻塞线路，得到每条阻塞线路的阻塞费用；第二步是根据市场成员对阻塞线路的贡献， 将每条阻塞线路的费用分摊给每个市场成员。 东南大学硕士学位论文 第一步：阻塞费用在阻塞线路之间的分摊 阻塞费用在线路之间分摊，应当选取能够反映线路阻塞情况的指标。例如可以选取经济指标， 该指标反映阻塞对成本或价格的影响。相应的方法有影子价格法、边际增量混合分配法。 影子价格法 采用最优化潮流得到的阻塞线路的影子价格来分配阻塞费用。线路的阻塞费用等于其影子价格 乘以该线路的越限功率1 2 9 1 ： c l = ”蟠tp 2 1 ) 式中，q 为阻塞线路，分摊的阻塞成本，p 为阻塞线路f 的影子价格，墨为阻塞线路，需要削减 的功率值。 此法对于阻塞不严重的系统( 线路功率越限不多) 比较适用，对于阻塞严重的情况误差较大。 阻塞成本不能完全回收。文献 3 0 同样利用线路约束影子价格，首先得到总的阻塞费用，然后计算 分配至各线路的约束分配因子嘶，以此把阻塞费用分配至各条线路。从而保证了阻塞成本的回收。 嘶2 嬲 ， 式中，( z 严一刁) 为阻塞线路，的削减总量。 边际增量混合分配法 以消除该线