（电力系统及其自动化专业论文）节能减排环境下电力市场优化运营研究.pdf

a b s t r a c t j n 。r d e rt 。i m p r o v et h em a r k e t competcoal s u i t j v e n e s s 。ft h e p。wer：一-一ppl ys i t u a t i o n , p r o m o t et h ec o m p e t i t i 。na n d c 。p e r a 三。nr 篡m i u o n s u s t h r y i p b , a l e l t e w v e i a e t n e t h e p o w e ra n d d f u e l e n t e r p r p i s e s , r e d u c ecnvoptimizati i r o n m e n t a jp o i i u t i o n ，a n 黼= 蒜o n ids p o s i t i 。n 。f p 。w e rs 。u r c e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so nof e l e 。_ 一：；1 4 ha ，h j n e c t r i c i t f o c u s e s ym a r k e tu n d e r e n e 略y s a v i n ge m i s s i 。na n d , r e d u ao c t = o p tr e e n a v l ironopermateinotn，ono 嚣p t i m i z a t i o n o f e l e c t r i c i t ym a r k e tw i t hf u e ls u p p l i 鸭i = ：p r o b l d l s p a t c h e m su n d e rm a r k e to p e r a t i o ne n v i r o n m e n t u “苎c 1 i c la l o l l tr 。m 2 h ；p e r s p e c t i v e ：，fentithe r es u p p l yc h a i n 。f e l e c t r i cp 。w e rw i t ， y，paper d e c 。u 。l i n 垡。h p s l 。g 。n + s ：t ，h e ，。i e ? j 1 s t r u c t u r e 。fe l e c t r i c i t ym a r k e t ：e r 二：一二儿，、n i u e ，1 s u 。p p l y ， 掣m g ：叩石姗e c i s i o n - m a k i n g0 f e l e c t r i c i t ym a r k e t l s , , u n ，u n ，i n l so asis,suppli f u e l e r m s , nr i p 。o l w e rg e n e r a t o r s a n d i n d e p e n d e n t s y s t e m 。m p e e m r a b t 。e r ，r s t l h n e c j u n d a i n s h g e q u i l i b r i u m i 啪如1o f e l e c t ：r i c i t y s a t i s f m a r k e tw i t h f u e l 而j e s 焉：三：yn gt h e 1 c o n s t r a i n t so f p o w e r netmodel w o r k t h i sm 胁：一：_ 川川：e ? 丫n n , w h o s e k k t ，s y i s t e m i s am i x e d n 。n l i n e a r c 。m p i e m e n , t , a - r u i + r n - l a y l e j r o p t i m i z a t i i o n n o n l i n e a rc o m a l g e b r a ip l e m e n t a r ：! ，f u n c t i o n t 。r e f o r m u j a t et h ek k t l y p 1 0 0 1 e m t 5 yu sln。gfc e 然姗q u a t i o n s , t h e 、兰e q 。u i l i b r i u b r i m o f e l e c t r i c i t ym a r k e a y j t e m i n t o asetolved s i：mpl 三l e 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o nt os o l v et h em o d e lc a l c u l a t i o n t h eg e n e r a t o r s o p t i m a lp o w e ro u t p u tc a nb eg a i n e d ，a n dt h es y s t e m sa c t i v el o a dc a nb er e a s o n a b l e d i s t r i b u t e da m o n gt h eg e n e r a t i n gu n i t s t h i r d l y ，t h ep a p e rs e l e c t s8s e t s30 0 m wt h e r m a lp o w e ru n i t so fh u n a ng r i df o r e x a m p l e b yu s i n gt h eg e n e r a t i o nd i s p a t c h e v a l u a t i o ni n d e x s y s t e m a n dt h e o p t i m i z a t i o nm o d e lo fe n e r g y s a v i n gg e n e r a t i o nd i s p a t c h ，t h r o u g hc a l c u l a t i n g ，t h e e n e r g y - s a v i n gg e n e r a t i o nd i s p a t c hp r i o r i t ya n dt h eo p t i m a lg e n e r a t i o no u t p u to f t h e r m a lp o w e ru n i t sc a nb eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ep o w e rg e n e r a t i o na n dp o l l u t a n t e m i s s i o n so ft h e r m a lp o w e ru n i t sa r ec o m p a r e db e f o r ea n da f t e re n e r g y - s a v i n g g e n e r a t i o nd i s p a t c h ，e n e r g yg e n e r a t i o ns c h e d u l i n go r d e rw i t ha c c e s st of r o n to ft h e t h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o ni n c r e a s e dm o r et h a n r e a r w a r do n e s ，a n dt h es u mo f e m i s s i o n sf r o ma l lt h e r m a lp o w e ru n i t si sd e c r e a s e d6 2 8 f r o me n e r g yg e n e r a t i o n s c h e d u l i n g ，i tr e f l e c t st h ee f f e c to fe n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n k e y w o r d s ：e n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ；e l e c t r i c i t ym a r k e t ；n c p f u n c t i o n ；n a s he q u i l i b r i u m ；e n e r g y s a v i n gg e n e r a t i o nd i s p a t c h i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者繇耘锄 吼讪年，月泸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 勿召衫日期：沙f d 年，月沙日 导师签名：拓段叫嗍圳睥夕月枷 漱 第一章绪论1 帚一早珀下匕 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 电力市场概述 电力市场有狭义和广义之分：狭义的电力市场是指进行电力交易的市场；广 义的电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电 力系统中发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的管理机构和执行系统 的总和【。 电力市场除具有一般商品市场的统一特性外( 如商品性、价值性、系统性、 可控性等) ，还具有以下特征： ( 1 ) 计划性和协调性 与一般的商品市场相比，电力市场具有计划性和协调性。电力商品不能大量 的存储，发电、输电、配电、供电和用电是瞬间完成的，具有较强的计划性，电 力生产作业各环节以及电力供给与需求等，应做到有计划的平衡和衔接。整个电 力系统是相互紧密联系的统一整体，要求随时做到供需平衡，这就要求电能供应 者与客户之间进行相互协调，以求供需基本平衡，满足客户需求，提高企业效益。 ( 2 ) 开放性和竞争性 与计划经济下的电力系统相比，电力市场具有开放性。如在发电环节上，有 竞争的发电市场将对各类发电企业开放。随着发电市场改革的逐步深入，电力行 业除电网企业实行垄断经营外，其他电力企业从投资到经营都将引人公平竞争。 ( 3 ) 单一性和服务性 在一般市场中，大多数商品从生产领域到流通领域，再到消费者手中，一般 要经过许多中间环节和分销渠道。电力商品的流通渠道单一，只能通过电网线路 输送给电力客户。电网是电力市场的载体，要用电就一定要有输电线路，且输电 线路要满足用电地区内各种电压等级、各种客户的需要。同时电力商品是单一的， 电力商品是现代社会最基本的二次能源之一，有质量标准，但无实体形态。电力 虽然存在电压等级、电能质量等方面的不同，但不存在更新换代。 优质服务是电力市场营销的主题，电力商品要求保证质量和服务水平。 电力市场的改革首先需构建电力市场的交易模式，然后要建立职能机构，完 成电力市场交易、系统安全可靠运行。电力市场的主要成员包括： ( 1 ) 立法与监督部f - j ：l e g i s l a t o r ，r e g u l a t o r ：制定市场规则和监督市场的 运行； ( 2 ) 独立发电商：i p p ，i n d e p e n d e n tp o w e rp r o d u c e r ，发电； ( 3 ) 电网的所有者：t o ，t r a n s m i s s i o no w n e r ，电网的建设、维护； ( 4 ) 系统调度：s o ，y s t e mo p e r a t o r ，输电网的运行、调度、管理； ( 5 ) 电力交易所：p x ，p o w e re x c h a n g e ，电力的交易； ( 6 ) 供电商：从i p p 或p x 买点，卖给用户； ( 7 ) 独立的电力交易商：b r o k e r 经纪人或s c ，s c h d u l i n gc o o r d i n a t o r s ，调 度计划协调员，独立从事电力的买卖，不拥有电厂和电网资产； ( 8 ) 终端用户：电力的消费者。 电力市场中的成员及其关系如图1 1 所示，这些成员共同完成了电力系统运 行所需的全部职能，包括电能的发、输、配、售、用。在垂直垄断的情况下，除 了立法、监督和用电，其余所有的职能由一个企业即电力公司来完成。 图1 1 电力市场中的成员及其关系 1 1 2 电力行业改革的状况 电力行业是国民经济发展中关系国计民生的重要基础能源产业，是世界各国 经济发展战略中的重点内容。由于电力的特殊性和重要性，世界各国的电力行业 多年以来都是传统的垄断性行业，无一例外地实行发电、输电、配电、售电垂直 一体化的垄断型结构【2 】。随着现代经济学的崛起和信息技术的不断发展，电力体 制改革推出了厂网分开、竞价上网、打破垄断、引入竞争的方案。随着电力体制 改革的逐步深入，电力行业逐渐形成了竞争化的市场格局，原来垂直一体化的企 业内部结构被分割为多个相对独立的环节 3 1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，英国、美国、智利、阿根廷等国家率先在电力行业 中引入竞争，希望借此开放系统和打破独家垄断，以提高整个电力行业的效率和 竞争力。1 9 8 8 年，英国进行电力市场化改革，打破垄断，将重要发电公司的国 2 家电力资产进行分解，部分出售给私营的发电公司，实现发电侧与供电侧环节的 自由竞争。在改革1 0 年间，英国居民用电价格下降2 4 ，工业用电价格下降 2 1 一2 8 ，同时减轻了税赋，增加了国家财政收入【4 1 。19 9 6 年，美国在各州零 售领域引入竞争，由市场来决定电价，输电和配电系统向所有取得资格的零售商 开放。在改革期间，每年为消费者节约2 0 0 亿美元的电费开支，为政府节约1o 的电费，至2 0 lo 年，累计可以减少污染气体排放量3 0 0 0 - - 5 0 0 0 吨【5 】。由此可见， 电力市场化改革给电力行业带来了活力，并激励了世界各国的电力市场化进程。 我国的电力市场起始于18 8 2 年7 月上海第一台发电机投入商业运营，自从 开始出现电力这种“商品”以来，我国的电力市场己经走过了三个阶段。 第一阶段：从18 8 2 年开始到l9 4 9 年新中国成立共经历了6 7 年。在这6 7 年中，从第一台发电机组在上海投入商业化运营，电力市场先后在全国各大中城 市逐步发展起来，到l9 4 9 年10 月共有发电装机l8 5 万千瓦，年商品量4 3 亿千 瓦时。这个阶段的电力企业有外商资本，有官僚资本，也有私人资本；企业的 管理方式、商品的经营方式与世界各国相同。这一阶段的电力市场规模较小，相 互之间还没有碰撞，因此电力企业虽然具备竞争的机制，但实际上没有竞争的市 场要求，都处于分片垄断经营，发电、供电、用电统一管理的状态【6 】。 第二阶段：从19 4 9 年建国开始到19 9 8 年撤消电力部为止，历时4 9 年。经 历了第二阶段，我国电力已在大中城市普及，用电的农户已超过9 0 ，初级电 力市场己在全国城乡建立起来，其特点是电量由计划配给，电价由国家制定，经 营管理政企不分，建设由政府单一投资，产权属国家所有，企业无自主经营权利， 市场无竞争。这一阶段的开始几年，政府对电力企业统一推行行政化管理，把企 业变成了政府的附属单位，企业的活动方式完全按照行政机关模式进行运作。这 样就清除了过去的一切市场机制，而把电力商品的生产、供应与使用纳入了计划 轨道。从8 0 年代初期开始的中国经济体制改革，经过近2 0 年的实践，为电力市 场的运作准备了各种条件。但至今完善的现代电力市场还没有建立起来。 第三阶段：19 9 8 年到现在，我国正处于现代电力市场的初步建设阶段。其 特点是： ( 1 ) 电力市场建设与现代企业制度建设同步进行，这增加了建设过程的复 杂性和艰巨性； ( 2 ) 我国现代电力市场是以计划经济向市场经济的转换为起点的，并随着 这一转换过程的进展逐步建立和完善： ( 3 ) 与工业发达国家相比，我国电力工业的发展水平较低，并且各地区发 展很不平衡。 从l9 9 8 年开始，我国确定在电力行业实行“厂网分开、竞价上网”的改革 方案，并确定山东、上海、浙江及东北的辽宁、吉林、黑龙江6 个电网为首批“厂 网分开的试点单位【7j 。2 0 0 0 年1 月山东、上海、浙江发电侧电力市场正式投 入商业化运行，东北三省电力市场也随之正式投运。通过各试点单位的市场化运 作，以期在发电侧引入市场机制，竞价上网，积累经验，逐步向完善的电力市场 靠近【8 1 。 综合来看，我国电力市场的发展规律，将是从国家指令性计划生产消费一 发电方开放的电力市场一 双边开放的电力市场。发电、输电、购电等三方开放 的过程。当然，由于电力系统的特殊性，电力市场的发展是受到输电网络建设等 条件制约的，电力输电网络的建设首先需要解决的问题是覆盖面积的提高以及在 现有基础上的升级改造，需要大量的财力、物力和人力的投入。因此，我国目前 正处于的发电方开放阶段将会维持较长的一段时间。 1 1 3 市场运营环境下的发电调度 现阶段我国实行的发电调度方式主要是以平均分配各类机组的发电利用小 时数为原则制定的。这种做法在一定时期内调动了投资电源项目建设的积极性， 促进了电力工业的快速发展，但是高能耗、高污染的小火电机组却享有与高效环 保节能机组( 如大型高效燃煤机组、水电机组、核电机组等) 几乎问样的发电利 用小时数，没有设置清洁发电机组多发电的调度激励措施，从而无法确保清洁、 低能耗机组的充分利用，造成了巨大的能源资源浪费及环境污染，不利于国家的 长期稳定和持续发展【9 j 。为此，2 0 0 7 年8 月1 0 日，“国务院办公厅关于转发发 展改革委等部门节能发电调度办法( 试行) 的通知”要求开展节能发电调度， 强制性地实现节能减排，减少能源消耗和污染物排放【l 0 1 。 传统发电调度模式是在考虑电网安全约束的前提条件下，以确保同类型火电 机组全年购电合同水平相当( 或全年利用小时数相当) 并考虑各种综合修正因素 为目标，它对保证电网的发电一负荷平衡，减小调峰压力也是很有利的。在这种 传统调度模式下，年合同电量的编制是通过火电机组年利用小时数相等或相当， 并考虑各种综合因素进行修正或调整后进行编制，以确保同类型机组年合同电量 水平相当1 1 1 1 。 节能发电调度是指在保障电力可靠供应的前提下，按照节能、经济的原则， 优先调度可再生发电资源，按机组能耗和污染物排放水平由低到高排序，依次调 用化石类发电资源，最大限度地减少能源、资源消耗和污染物排放。为实现电力 行业大规模的降低能耗，当前最重要的就是要鼓励能耗低、污染物排放少、节水 型机组多发电，改变发电计划的形成方式，尽快将传统的发电调度转变为节能、 环保、经济调度，加快我国节约型社会的建设进程。 节能调度的基本原则是以确保电力系统安全稳定运行和连续可靠供电为前 提，以节能、环保为目标，通过对各类发电机组按能耗和污染物排放水平排序， 4 以分省排序、区域内优化、区域问协调的方式，实施优化调度，并与电力市场建 设工作相结合，充分发挥电力市场的作用，努力做到单位电能生产中能耗和污染 物排放最少。 我国电力工业的迅速发展，为节能发电调度提供了物质基础，我国电力市场 化改革的深入，为节能发电调度提供了政策参考，节能发电调度在贵州等省份的 试点运行为全国实行节能调度提供了成功经验。在另一方面，电力系统节能发电 调度不同于传统的发电调度模式，在建立模型、确定优化目标与约束条件、与电 力市场的衔接、调度信息的发布、节能发电调度效果的评估等方面均有待于进一 步的深入研究。 随着我国电力系统装机容量的增长、电网结构的增强以及电力市场化改革的 深入，传统发电调度模式中“忽视效率”的弊端r 益明显：风能等可再生能源不 能得到充分的利用，小火电的效率低下、污染严重，不能实现资源的优化配置等。 为了适应节约资源、保护环境的要求，节能发电调度成为电力系统发电调度的发 展方向。与传统的发电调度相比，节能发电调度在调度目标方面更加重视节约能 源以及保护环境，在调度标准方面强调降低单位电能生产中的能源消耗量与污染 物排放量并重，在调度政策方面更加有利于可再生能源发电机组、水电机组以及 火电机组中的大型高效环保机组，在调度效果方面有利于提高电力工业能源使用 效率，节约能源，减少环境污染，促进能源和电力结构调整，确保电力系统安全、 高效运行，实现电力工业的可持续发展。 综上所述，考虑到中国的电力发展及环保等其他社会因素，实行节能发电调 度将给我国的电力行业的发展注入新鲜活力，并为社会的环境保护事业起到重要 作用，因此致力研究发展节能调度项目将是造福后代的义举。 1 1 4 课题研究的意义 电力市场是2 1 世纪全球电力工业发展的趋势，是近年来电力工业改革的方 向，电力工业将从传统的运行管理机制向着电力市场运行管理机制转变，使全社 会从改革中获得更大的经济效益和社会效益【1 2 】。电力工业要面向市场，引进竞 争，引进市场经济体系，增强活力，已经成为世界各国电力工业发展的趋势。 多年以来，电力工业长期被认为是一种自然垄断性产业，大多数国家一直都 实行着垂直垄断一体化的市场结构，但是垂直垄断管理带来的企业经营效率低、 成本高、活力低下等弊病，引起很多国家政府和国际组织的关注和思考。 自2 0 0 2 年以来，电力燃料供应紧张的局面一直困扰着电力企业。随着电力体 制改革的逐步深入，电力市场的形成，电力企业之间的竞争越来越激烈。从燃料 供应、发电、输电、售电至用电整个供应链的角度，如何协调电力与燃料企业之 间的竞争和合作关系，以有效缓解电力紧张，已成为电力工业关注的焦点问题。 综上所述，为了提高电力行业的市场竞争力，缓解煤电供应紧张的局面，促 进发电企业与燃料企业之间的竞争与合作关系，减少环境污染，实现电力资源的 优化配置，在节能减排环境下开展电力市场优化运营研究，探讨考虑燃料供应的 发电市场优化决策问题，获得发电企业和燃料企业的最优决策策略；并在此基础 上，进一步研究市场运营环境下的节能发电调度优化问题；对保障电力企业稳定、 安全、高效地生产和对国民经济的发展具有重要的战略意义。 1 2 电力市场优化运营及现状分析 1 2 1 电力市场交易模式研究 随着电力工业改革的逐步深入，从9 0 年代初起，国外学者开始了对电力市 场交易模式的研究【l3 1 5 1 。其中比较典型的观点就是构建电力库，让买卖双方在 电力库中进行电力商品的交易。此阶段，电力库中的机构设置和交易模式就成了 大家研究的重点 1 6 1 。 经过一段时间的运行，特别是2 0 世纪末期，国外已形成的电力市场模式逐 渐暴露出了一些问题。美国加州出现的电力危机放慢了世界范围内电力工业改革 的步伐【1 7 】。英国和其他一些国家检讨了已有的电力市场运营模式所存在的问题， 并推出了电力市场运营新模式1 1 8 1 。至此，市场重构逐渐成为当前电力市场研究 中的一个热点【l9 。为了使电力市场的设计更加合理，专家们纷纷将博弈论引入 电力市场模式的研究当中，并且对电力市场中的交易模式进行了改进【20 1 。 电力市场中的商品包括电力、辅助服务、输电服务等，各种商品又有不同的 交易方法。国外电力行业的市场化改革开始的较早，到目前为止，已形成了较为 成熟的交易模式。其中，最具代表性的电力市场交易模式主要有以下三种： ( 1 ) 联营交易模式( p o o lm o d e l ) 联营交易模式( p o o lm o d e l ) ，也称中心型( 电力联营) 模式。所有交易都 在p o o l 中进行。市场的运作是由发电商报价、p o o l 接受报价并按最小成本收购 电力，确定清除价和进行统一调度，交易计划通常在日前进行。英国的p o w e rp o o l 是目前公认的电力市场p o w e rp o o l 运行模式的典范，可以简单地概括为“按成 本排序、入围者同价 。各电厂将每台机组次日每0 5 小时的出力和成本申报给 联营中心；联营中心根据次日每0 5 小时的用电负荷预测，对所有申报机组进行 排序，主要按照发电成本由低到高，并兼顾机组的启停和升降特性。在任一时段， 被最末选入的机组的成本作为该时段的系统边际成本，该时段入围的所有机组， 都将获得与边际机组相同的上网电价。这种模式避免了“实报实销 带来的弊病， 但也存在着许多缺陷，如电厂报价的数据复杂，各电厂收益的波动过大，而且没 有完全反映其贡献的大小，挫伤了电厂调峰的积极性【2 1 1 。 6 ( 2 ) 双边合同模式( b i l a t e r a lm o d e l ) 双边合同模式是指所有购售电交易均在发电和配电公司之间独立进行的交 易模式。双边合同( 期货和现货) 模式能够最好地实现使用户( 包括配电商) 直 接、自由地选择供应商的目的，使电能用户与供应商能根据自身情况独立地安排 彼此之间的电力交易，从而被认为是体现市场自由竞争的最好形式。目前，挪威、 新西兰和澳大利亚主要采用这种模式1 2 2 1 。 ( 3 ) 协调多边模式( c o o r d i n a t e dm u l t i l a t e r a lm o d e l ) 该模式增加的多边交易表现在三个方面：首先是现货交易采用经纪人 ( b r o k e r ) 系统，能同时接受发电商和用户的投标，扩大了用户的选择权；其次， 要求配电和售电分离，允许不具有配电网的电力零售商参与经纪人系统的报价和 竞争；第三，电力远期和期货交易可直接由多个交易方谈判达成，也可由经纪人 撮合。该模式下发电、输电、配电、用电完全解捆，交易自由、灵活，但需要 完善的协调机制保证系统的安全可靠运行。实际上，纯粹意义下的联营模式和双 边合同模式在现实中是不存在的，两种模式必须互为补充。协调多边模式就是一 种联营交易和双边合同交易共存的市场模式1 2 引。 1 2 2 电力市场博弈模型研究 电力工业的特性使得电力市场表现出明显的寡头竞争特征，因而基于博弈论 的各种寡头均衡模型被应用于研究各电力市场参与者的策略行为以及对整个电 力市场产生的影响，进而为电力市场管理者提供科学的决策依据。电力市场寡头 竞争的模型根据竞争变量的不同，主要可以分为瓦尔拉斯( w a l r a s i a n ) 均衡模型、 伯川( b e r t r a n d ) 博弈、古诺( c o u r n o t ) 博弈、供应函数均衡模型( s u p p l yf u n c t i o n e q u i l i b r i u mm o d e l ) 等。其中供应函数均衡模型( s f e ) 是本论文涉及的主要模 型。 瓦尔拉斯( w a l r a s i a n ) 均衡模型。w a l r a s i a n 均衡模型是从多产品均衡模型 引申而来，这个模型认为发电厂商是价格的接受者，发电厂商的个体行为不能够 改变市场价格，所以，其决策模型是根据市场价格调整自己的生产量，使得自身 利益最大化。在微观经济学中，正是使用这个博弈模型证明了发电厂商的生产函 数是凸的、连续的；消费者的效用函数是凹的、连续的、且为向右下方倾斜的； 在采用边际定价的市场，博弈存在着均衡，而且这个均衡同时也使得社会福利最 大化，也即所谓的激励相容的p a r c t o 效率。这种模型对于电力市场的研究有两个 意义，其一是在进行完全竞争的电力市场研究中，使得成本分析变得有意义，因 为在完全竞争的条件下，市场成员按照成本报价是其自身最好的策略，这样成本 分析就有了市场基础；其二则是直接建立电力市场的w a l r a s i a n 均衡模型，利用 这个模型讨论电力系统生产条件的约束而引起的特殊问题。例如文献 2 4 1 讨论了 电力市场报价的离散特征引起的问题及其处理，a l e x i sl m o t t o 和f r a n c i s c od g a l i a n a 在文献【2 5 】则讨论了发电机组最小出力引起的问题以及对定价方法的改 进，并在文献 2 6 】讨论了w a l r a s i a n 均衡模型的计算问题。吴复立等人针对采用 统一出清的电力市场，提出了一个别具匠心的方法引导发电厂商按照自身利益最 大化调整出力，回归到按照发电成本最小化并同时考虑输电约束的发电计划上。 该方法使用表示输电堵塞的“协调方程 作为引导机制，证明当发电厂商没有市 场力，在公布协调方程的条件下，发电厂商以自身利益最大化为原则，可以自动 调整到一个“权威的中心协调者 优化的结果上。这个方法一个重要的特点是不 需要用经济信息来表示堵塞，其基本想法是不希望堵塞“干扰 能量的交易，所 以回避了堵塞费用1 2 7 。 伯川( b e r t r a n d ) 博弈。这是一个寡头市场的博弈模型，发电厂商的报价行 为将对市场价格产生影响。这个模型中发电厂商的决策变量是其价格，而其生产 电量是一个固定的值。电力市场的伯川模型从优化的角度可以看成是一个典型的 双层优化问题，文献【2 8 】将该问题转化为均衡约束的数学规划模型( m a t h e m a ti c a l p r o g r a m sw i t he q u i l i b r i u mc o n s t r a i n t s ，m p e c ) ，并用m p e c 的相关算法求解。应 该看到，首先双层优化问题与博弈问题并不是完全相同的问题，只有在博弈均衡 是单一的纯策略均衡问题时，双层优化的解才是博弈问题的均衡解，其次无论是 一般的双层优化问题的解的理论，还是m p e c 这样的具体问题的算法都还是正 在发展的学科，更加快速有效的求解算法尚待完善1 2 9 1 。 供应函数均衡模型( s u p p l yf u n c t i o ne q u i l i b r i u mm o d e l ) 。在研究电力市场 中发电商博弈的模型中，供应函数均衡模型( s f e ) 最倍受关注。文献【3 0 1 假定 供电商按线性供应函数向独立系统运营商投标，系统按用户付费最小为原则进行 调度，文章 31 】提出了为供电商建立投标策略的新方法，它通过利用概率理论估 计对手的投标策略进行投标，使自身利润最大，其均衡解通过m o n t ec a r l o 和优 化方法求取；文献【3 2 提出了一种基于微增响应的猜测供给函数均衡模型用于构 造电力市场中发电商的策略行为及其相互作用，可以适用于需求无弹性的电力市 场；文献 3 3 禾1 j 用供给函数来模拟发电商的策略行为，给出了各发电商选择改变 不同投标参数报价时的反应函数和多个发电商在改变不同投标参数报价时的 n a s h 均衡策略；文献 3 4 】建立了分析日前现货市场的供给函数均衡模型，提出了 线性供给函数模型和零截距线性供给函数模型之间的转化算法，即模型的正规化 问题，从而可以分析一般线性成本函数和供给函数条件下的市场均衡问题。 古诺( c o u r n o t ) 博弈。古诺博弈也是寡头市场模型，发电厂商的报价会对 市场产生影响，而且发电厂商的决策变量是其产量，其价格则按照成本报价。有 证据表明在电力市场实践中发电厂商己经采用古诺博弈获得利益，而且古诺博弈 并不容易监管1 35 1 。基于古诺博弈的电力市场分析文献比较多，其中2 0 0 0 年以前 8 的文献在文【3 6 】中给出了很好的总结，2 0 0 1 年以后人们的研究主要向两个方面发 展，一个是尽可能地在模型中包含更加现实的电力市场实际因素，例如输电网络 的影响；一个则是研究有效的算法获得博弈模型的均衡解。其中令人瞩目的工作 是h o b b s 及其同事进行的相关研究，他们提出了一系列的模型以及基于非线性 互补函数的求解方法无论是在模型构造还是模型求解的效率方面都有明显的进 步工1 3 7 4 0 1 。 以上文献对于电力市场均衡模型的研究只涉及到发电商之间的竞争，而没有 考虑到发电商与燃料商之间的供应关系。而在电力行业供应链的研究中，目前的 研究主要集中在发电商、供电商和用户的均衡分析，然而，这些研究大都直接忽 略了电力企业的上游燃料供应商对电力供应的影响，无法有效解决整个电力供应 链的优化，无法真实应对目前电力供应中出现的煤电问题。为此，有必要考虑燃 料市场的特点，开展考虑燃料供应的发电市场优化决策研究。 1 3 优化调度方法在电力市场中的应用 电力系统一旦实施市场化运行后，电力系统运行的各个环节中都出现了很多 需要解决的问题。这些问题与传统的优化调度有着密切的联系，因此优化调度理 论及其计算方法在电力市场中将发挥着很大的作用。 在传统的电力系统优化调度过程中，进行优化调度的目标多为系统发电费用 最小【4 。而在竞争的电力市场中，进行优化调度所追求目标是多方面的。在现 代电力工业环境下，电力市场的运行基本目标是：在满足系统安全稳定运行需要 的条件下，促进发电厂的竞争，以煤耗量最少和污染排放量最低为优化目标，根 据机组报价，确定发电计划，实时调度各发电公司的机组发电，以满足用电负荷 要求4 2 1 。 1 3 1 优化调度中的主要问题 首先，经济负荷分配是电力系统中一个典型的优化调度问题f 4 3 1 。目前，我 国的能源消耗增长已经高于经济增长，其中煤炭问题是中国能源战略中的一个突 出的问题。预计n 2 0 2 0 年，我国一次能源消费总量将达到3 4 亿吨煤，发电装机容 量需求达到9 5 亿千瓦。其中火电占6 9 5 0 。与2 0 0 4 年底的火电装机容量相比， 火电需求增加了3 4 亿千瓦，也就是每年需增加发电燃煤1 0 亿吨【4 4 1 。这不仅将对 我国的煤炭生产形成巨大压力，环境压力也将会非常大。 随着大批新增机组的不断投产和全国用电量的高速增长，有关经济负荷的调 度分配问题不可避免地成为电力系统调度管理的重要任务之一。通过在发电机组 之间合理地分配出力，使电力系统达到最大的经济性( 发电成本为最小) ，可以 节约能源，带来巨大的经济效益【4 5 1 。 9 其次，电力市场要采用经济手段管理各成员，电价是体现管理思想的工具， 所以电价的制定原则、计算贸易电价、电网的收益是电力市场的重要内容。以电 网收益最大为目标的电力市场中，机组各时段各阶段报价和发电计划问题就成了 电力企业的关注所在1 4 引。 同时，中国只有进一步改革电力市场才能有效利用有限的电力能源并减少污 染。随着我国一些地方大规模新建电厂，发电设备开始出现供不应求的局面，火 电厂企业是我国的“污染大户 。燃煤造成的二氧化硫、氮氧化物的大量排放， 严重污染环境，这已成为国民经济和社会可持续发展的制约因素之一。中国应该 把节能目标和减排目标纳入电力系统的优化调度中共同管理，同时迅速采取措施 使电价更能反映实际成本，以便让投资者选择更有效的设备和燃料，同时让消费 者做到节约用电1 47 。 1 3 2 电力市场对日有功优化调度的要求 在现代电力市场中，有功调度的日计划安排是非常重要也是关键性的一环， 电力市场日有功负荷分配的优化实质上就是对各个发电机组的发电量进行优化 分配，它要求在一个调度周期内( 通常为2 4 小时) ，根据负荷预报，在满足电力 电量平衡及各机组出力约束等约束条件下，决定各时段机组的发电量，使此周期 内的发电总煤耗量为最小【4 引。 为保证日有功调度计划编制的简便和科学，各调度部门普遍用计算机来辅助 或完全依靠计算机完成调度计划的编制。所以日有功优化调度的经济性和合理性 很大程度上取决于其计算机算法的相对优劣性，而电力系统规模的不断扩大，调 度时刻的不断细化，系统中各种类型约束条件的增加，又对求解日有功优化调度 的计算机算法提出了更高的要求【4 9 1 。 1 4 本文所做的主要工作及章节安排 针对以上的问题，本文所做的主要工作及章节安排如下： 第一章为绪论，首先在电力市场改革和节能发电调度的背景下阐述了本文课 题研究的意义；其次对国内外电力市场交易模式和博弈模型的研究现状进行分 析；最后分析了优化调度方法在电力市场中的应用。 第二章为考虑燃料供应的发电市场优化决策研究。本章设计了考虑燃料供应 的电力市场运营架构，构建了考虑燃料供应的发电市场n a s h 均衡模型，包括燃 料商和发电商的优化决策模型以及i s o 市场清算优化模型，并应用非线性互补 函数求解出该模型的n a s h 均衡解。最后，运用算例进行分析，给出输电网无阻 塞情况下和阻塞情况下的发电市场n a s h 均衡结果。 第三章为市场运营环境下节能发电调度研究。本章重点构建节能发电调度的 l o 评价指标体系，设计综合考