（电气工程专业论文）基于耗散功率转归分量的网损结算盈余分摊.pdf

幕于耗散功率理论的网损结剪盈余分摊 摘要 随着电力市场的发展，节点边际电价体系在当今的电力市场中已经取得了很 好的效果。按照标准电力市场的模式，节点边际电价将逐步替代统一清算价格体 系，由于节点边际价格采用短期边际成本定价的方法会导致产生市场结算盈余， 所以必须在市场的参与者中对结算盈余进行分摊。这是电力市场理论界和工程界 都亟待解决的问题。本文从电力系统和经济学基本理论出发，结合当前国内外电 力市场发展现状，深入探讨了电力市场网损结算盈余分摊问题。 本文首先介绍了当前国内外电力市场盈余问题的研究现状，从边际定价理论 上阐述了电力市场结算盈余产生的根本原因。其次通过构造以系统发电成本最小 为目函数的节点边际电价优化模型，并采用预测校正原对偶内点算法求解节点边 际电价最优模型，得到了系统中各节点的节点边际电价。根据最优模型中拉格朗 日乘子各分量的经济学意义对节点电价进行分解求解出系统电价、边际网损电价 和阻塞电价。最后依据各电源和负荷节点边际网损电价以及电量大小情况计算了 网损结算盈余的大小，并以耗散功率转归分量理论为基础结合最优潮流工况求出 了每笔双边交易或联营交易分摊的平均网损值。根据市场中每笔交易的边际网损 成本和分摊的平均网损成本情况，将市场中的网损结算盈余合理地分摊给每笔交 易。 针对本文所提出的方法，采用m a t l a b 编写了相应的仿真计算程序，并以i e e e 9 节点和i e e e 1 4 节点等系统为例进行了数值仿真，并与美国p j m 电力市场所采用的 网损结算盈余分摊方法进行了比较，算例结果表明：本文提出的网损盈余分摊方 法公平有效，不仅能够反映经济激励信息，而且计算简单、易于应用。 关键词：电力市场；原对偶内点法；节点边际电价；耗散功率( 网损) ；转归；结 算盈余分摊 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h el o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c eh a s a c h i e v e d g o o dr e s u l t s i n t o d a y se l e c t r i c i t ym a r k e t a c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r d e l e c t r i c i t ym a r k e tm o d e l ，t h el o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c ew i l lg r a d u a l l yr e p l a c eu n i f o r m c l e a r i n gp r i c e a sar e s u l to ft h eu s eo fs h o r t - t e r mm a r g i n a lc o s tp r i c i n ga p p r o a c h ，t h e n o d em a r g i n a lp r i c i n gw i l ll e a dt oas u r p l u so ft h em a r k e t c l e a r i n g ，i ti s i m p e r a t i v e t h a tm a r k e tp a r t i c i p a n t ss h o u l da l l o c a t i o nt h i s s u r p l u s t h i sp r o b l e mn e e d st ob e s o l v e du r g e n t l yi nt h e t h e o r yo ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e ta n de n g i n e e r i n g o nt h eb a s i so f p o w e rs y s t e ma n de c o n o m i c st h e o r y ，t h ep a p e rm a k e saf u r t h e rd i s c u s s i o no nt h e t h e o r e t i c a li s s u e so fe l e c t r i c i t ym a r k e tl o s ss u r p l u s s h a r i n g t h er e s e a r c hs t a t u sc o n c e r n i n ge l e c t r i c i t ym a r k e ts u r p l u sa th o m ea n da b r o a di s i n t r o d u c e df i r s t l y ，a n dt h e nt h er o o tr e a s o n so ft h es u r p l u si se x p a t i a t e db a s e do nt h e p r i c i n gt h e o r y i no r d e rt oo b t a i nt h el o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ( l m p ) ，c u r r e n tb e s t p r e d i c t o r 。c o r r e c t o rp r i m a l - d u a li n t e r i o rp o i n ta l g o r i t h mi su s e dt oc a l c u l a t eo p t i m a l p o w e rf l o wm o d e l t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h el a g r a n g em u l t i p l i e r si nt h ee c o n o m i c s m e a n i n g , t h el m pi sd e c o m p o s e di n t ot h r e ep a r t s ：t h es y s t e me n e r g yp r i c e ，t h e m a r g i n a ll o s sp r i c ea n dt h ec o n g e s t i o np r i c e b yu s i n gt h ed e c o m p o s i t i o no ft h el m p ， t h el o s ss u r p l u si so b t a i n e dn a t u r a l l y o nt h eb a s i so f p o w e rd i s s i p a t i o nt h e o r ya n d t h e r e a lp o w e rf l o w ，t h es y s t e mn e t w o r kl o s s i s a p p o r t i o n e d t oe a c ht r a n s m i s s i o n w h a t s o e v e rb i l a t e r a lt r a d eo r p o o lt r a d e ，a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ed i s t i n c t i o no f m a r g i n a ll o s sa n da v e r a g el o s s ，t h em a r k e tc l e a rl o s ss u r p l u si sa p p o r t i o n e db ye a c h t r a n s a c t i o n a c c o r d i n gt ot h em e t h o d ss u g g e s t e di nt h i sp a p e r ，i e e e 9a n di e e e 一14b u se t c s y s t e mi ss i m u l a t e db ym a t l a bp r o g r a m i nv i e wo ft h ec u r r e n ts u r p l u sl o s s s h a r i n g u s e di nt h ep j m e l e c t r i c i t ym a r k e ti nt h eu n i t e ds t a t e s t h e r ei sac o n t r a s ta b o u tt h e t w oa r i t h m e t i c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o s ss u r p l u si sa l l o c a t e df a i ra n de f f i c i e n t l y ， a n di ta l s or e f l e c t st h ee c o n o m i ci n c e n t i v ei n f o r m a t i o nt ot h eo p e r a t o rb yas i m p l e c a l c u l a t i o na n de a s ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t s ：i n t e r i o rp o i n tm e t h o d ：l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ： d i s s i p a t i o np o w e r ( l o s s ) ；i m p u t a t i o n ；s e t t l e m e n ts u r p l u sa l l o c a t i o n i i i 湖南大学 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。 作者签名： 日期：哆年，月哲日 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。本人授权湖南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 、不保密团。 ( - n 在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：蛳，月加 日期：洲链卜月灯日 ， 宠 砷皤秒交彰 硕- ：学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 电力工业正在全世界范围内发生着显著的变化，世界上许多国家都在进行或 将要进行电力工业的改革，即放松管制，打破垄断，重组结构，建设竞争的市场 机制。电力工业改革的目标在于提高电力生产效率，使电价机制合理化，提供安 全、高质量的电力产品，促进电力工业的良性发展，以取得更好的经济效益和社 会效益。目前，智利、阿根廷、英国、美国、澳大利亚等国的电力市场改革己经 为其电力工业注入了新的活力，并激励了世界其他各国的电力市场化发展。电力 市场实质上就是电力的买方和卖方相互作用以决定其电价和电量的过程。具体的 讲是采用经济手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、 配电、用户等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力市场建设 的总体目标是引入竞争机制，优化资源配置、提供优质服务、促使电价合理化、 促进电力工业的可持续发展。为了在社会范围内优化资源配置，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。虽然美国加州电力市 场的失败使得全世界的电力市场化改革浪潮受挫，但是这只能促使我们在保证安 全可靠供电的前提下更加稳妥地推进电力工业市场化改革的进程。打破垄断，建 立一个充分竞争、高效率的电力市场是我国电力工业不可逆转的发展趋势。电力 市场化改革就是要将电力生产的发、输、配、售各个环节分开，并在发电和售电 环节引入竞争，输电和配电环节由于输配电网的天然垄断性仍然实行在政府监管 下的垄断经营。从整体上划分，电力市场的开放分为垄断、发电竞争、批发竞争 和零售竞争四个渐进的阶段。目前，我国的电力市场还处在发电竞争试点阶段， 实行“厂网分开，竞价上网。 从我国电力市场的总体改革方案来看，“统一调度、统一交易、统一结算 的 区域电力市场将成为发展的重点。建立统一的区域电力市场，不但有利于区域电 力资源的优化配置，促进社会总福利的增加，而且容易协调电力建设与环境保护 之间的关系，确保电力工业的可持续性发展。一方面，由大型发电机组、长距离 高压交直流输电线路、区域负荷组成的区域电力系统是一个典型的大系统，呈现 高度非线性、信息不完全性、广域互联性和微分代数的复杂特征。这个大系统的 管理历来是一个非常困难的学术和工程问题，但其对区域国民经济的影响巨大深 远，且兼有国防意义。另一方面，电力存在许多区别于普通商品的特点，比如它 依赖于网络传输，用电和发电无一一对应的关系，电力不可储存，短期负荷需求 相对电价而言缺乏弹性等等。这些电力本身同有的特点给区域电力市场的建立和 发展带来了很大的挑战，同时也对区域电力市场的管理工作提出了更高的要求。 基于耗散功牢转归分量的网损结算盈余分摊 目前世界上较为成功的电力市场都是考虑走节点电价的道路，因为节点电价能最 直观地反映各地短期发电边际成本和输电边际价值，能最有效地引导输电网的使 用。节点电价能最有效地发出引导输电投资的信号，尽管由节点电价本身决定的 输电边际价值远不足以回收投资成本，但其对于解决我国协调发输电投资问题的 信号灯作用就已足可说明其“出生 的必要性和迫切性了。在我国这样的发展中 国家，“促进发展、提升效率必然长期是电力改革的首要任务。加上电网发展长 期落后于电源发展，加强阻塞管理、促进电网投资必然要作为输配电价最重要的 任务之一，基于节点电价模型的输配电价正能最有效地做到这一点。而且节点电 价模型在国际上有较成熟的成功经验。在发达国家，如公认的运行最有效的区域 市场，美国的p j m 市场，及开放程度最高的市场之一的新西兰市场，都已有6 到8 年的运行经验，在发展中国家如墨西哥，也已开始采用这一模型。虽然计算节点 价格的模型复杂，但其结果直观、好理解，最能被各方接受，从而减少改革的争 议和阻力。采用节点电价法不仅得到了计及输电阻塞的发电计划，求出的节点电 价也为阻塞费用的分摊提供了依据，考虑输电损耗的节点电价更是体现了网损成 本。电力市场中电能的价格采用实时的节点电价，能够反映电能在系统中不同地 理位置的母线在不同时刻的价值，反映电力资源的稀缺程度，反映节点阻塞信号 和网损信号，为电力的生产者、消费者、投资者和管理者提供电价信号，提高电 力资源的使用效率，优化电力资源的配置，促进电力市场稳定发展。为了市场的 标准化，电监会应该鼓励大区域输电组织采用节点电价和商业输电权的体系。从 我国区域电力市场建设进程看，在一个过渡期内，可以考虑用区域价格法进行区 域间阻塞定价；但从长远看，建立输电权市场，建立节点价格模型应成为我国批 发市场模式选择和输电阻塞管理的一个方向。 随着我国电力工业市场化改革的深入发展，目前实行的统一清算价格体系已 经越来越不适应市场稳定运行的需要。这是因为统一清算价格不能反映在不同节 点服务负荷的不同成本，电价自身具有的利用价格杠杆自动调节负荷大小的功能 不能充分体现，给电力市场的阻塞管理带来很大的困难，同时也违反了公平公正 的市场原则。阻塞区域的发电边际成本通常高于未阻塞区域的发电边际成本，在 这种情况下采用统一清算价格容易造成负荷之间的交叉补贴。相比之下，节点电 价体系很好地解决了这些问题，阻塞区域的高电价促使负荷需求减少，有利于减 轻甚至消除阻塞，有区别的电价也从根本上避免了负荷之间的交叉补贴。因此， 节点电价体系取代统一清算价格体系将是我国电力市场发展的必然趋势。在节点 电价体系下，交易中心从负荷收取的电费通常会比支付给发电商的电费高，这部 分差额称为结算盈余。显然，结算盈余的所有权不归交易中心，应该将这些盈余 分摊给参与市场中的交易，但是具体交易和结算盈余之间并不存在一一对应关系。 因为这些公共成本都具有不可解耦的特性，即公共成本的产生与具体的负荷( 或发 硕上学位论文 电机) 之间并不存在一一对应的关系。换句话说，我们不可能明确指出，哪个负荷 ( 或发电机) 应当对哪部分公共成本负责。这主要是因为，电网是垄断经营的，全 体负荷和发电机必须同时使用一个电网，它们之间复杂的交互作用共同产生了公 共成本的公平分摊问题一直是一个有待解决的难点问题。目前，各国电力市场通 常按照负荷大小的比例来分摊运营结算盈余。事实上，按比例分摊法的缺点非常 明显，不但容易造成负荷之间的交叉补贴，违反公平公正的市场原则，而且更重 要的是，它不能够提供正确的经济激励信号，促进负荷在全网的合理分布以达到 减少公共成本、节约社会资源的优化目标成本，要区分实际的交互作用责任在现 实中通常无法做到。因此，电力市场公共成本的公平分摊问题一直是一个有待解 决的难点问题。目前，各国电力市场通常按照负荷大小的比例来分摊公共运营成 本。事实上，按比例分摊法的缺点非常明显，不但容易造成负荷之间的交叉补贴， 违反公平公正的市场原则，而且更重要的是，它不能够提供正确的经济激励信号， 促进负荷在全网的合理分布以达到减少公共成本、节约社会资源的优化目标。因 此，如何公平地将结算盈余分摊给每笔交易，是交易中心需要解决的关键市场问 题之一。 1 2 国内外研究现状 对于电力市场的结算盈余这个课题的研究是由电力市场采用节点边际电价的 定价机制后才出现的，由于节点边际电价的组成成份取决于所采用计算模型，在 早期采用节点电价的国外电力市场主要采用直流模型没有涉及到网损问题，所以 主要涉及边际电价中导致阻塞盈余问题，随着市场的完善根据实时电价理论，边 际网损电也考虑了进来，这样就要考虑网损的结算盈余部分。本文主要关注网损 的结算盈余问题。 国外学者对电力市场结算盈余的公平分摊问题作了一系列有益的探索。文献 【1 】分析了电力市场中交易盈余产生的两个原因：输电阻塞和损耗，指出交易盈余 是电力市场采用节点实时电价的固有现象。说明了阻塞费用、损耗费用和交易盈 余的含义并通过简单实例进行计算，讨论了它们与用户多交电费的关系。提出了 交易盈余的消除办法：由阻塞引起的交易盈余补偿给受损失的电厂和用户；由损 耗引起的交易盈余补偿给受电端用户。文献【2 】结合国外电力市场的特性提出了和 金融输电权( f i x e dt r a n s m i s s i o nr i g h t ，f t r ) 类似的金融工具，来规避边际网损电 价带来的电价波动，并通过拍卖的方式出让该金融权利，以此解决边际网损电价 带来的盈余问题。文献【3 】指明了当前亟待解决的问题如何对其收益进行合理的分 摊以及如何使得发电方或是负载方规避因该部分电价波动带来的风险，提出了两 种方案来解决上述问题：第一种是采用网损规避权然后对各发电或负荷节点采用 动态网损因子；第二种是采用网损规避权然后根据不同区域计算网损分量。文献 基于耗散功牢转归分量的网损结算盈余分摊 【4 】提出了网损盈余分摊方案的白皮书，该文的主要任务在于比较边际网损盈余在 区域内、南加利福利亚和北加利福利亚市场以及全系统分摊的影响，且采用按比 例分摊的方法。文献【5 】提出了一种边际网损分摊的方法对于发电机负荷对于边际 网损的分摊比例方法利用灵敏度的方法来分摊边际网损并用与系统运行情况相一 致的动态分摊系数将网损分摊到发电机和负荷方。文献【6 】提出了将网损考虑到金 融输电权然后对其进行拍卖的方法，并对传统的f t r 进行修正以此来解决同时考 虑了网损和阻塞的节点边际电价的波动问题，规避市场价格波动带来的风险。文 献 7 】指出了采用节点电价后网损盈余分摊的影响，根据系统中连接南北, c a l i f o r n i a 电力市场的第2 6 号线路的实际潮流情况和参与调节的情况分别对南北区域提出了 8 种不同的分摊方法而且采用实际网损的分摊和边际网损分摊差值的方法考虑系 统的盈余分摊。文献【8 】阐述了对网损进行定价的重要性因为它包含了传输电能的 实际成本，有功损耗是输电服务中的只要成份精确的定价有助于市场更好的运行， 随着大的区域输电组织的形成，由于电能输送距离加大，输电价格属于反映出随 距离而变化的网损变化情况，为了给发电商和用户提供正确的短期或长期网损分 量的经济信号，根据经济学优化原理应该对网损分量采用边际定价的方式，尤其 是那些网损波动比较明显的系统。这样文章为网损盈余问题的出现和解决方法的 应用埋下了伏笔。文献【9 】指出美国p j m 电力市场在将网损考虑到节点边际电价中 后，所产生的网损盈余每小时大概是3 5 5 5 万美元，年盈余为3 0 8 4 8 5 亿美元， 对于网损结算盈余的分摊p j m 采用负荷所占电量的比例对其进行分摊。文献【1 0 】 在该文中通过对节点边际电价的分解将其分解，通过网损分量和阻塞分量，将市 场结算盈余分解为两部分：网损结算盈余和阻塞结算盈余，而且提出了用f t r 和 l h r ( l o s sh e d g er i g h t ) 这两个金融工具来规避应为阻塞和网损而带来的电价波动 风险，给盈余问题的解决带来了一种新的解决方法。文献【1 1 】试图从根本上解决 这个问题，提出应用潮流跟踪法来确定负荷节点的电价，在这个电价体系下，阻 塞结算盈余和网损结算盈余都可以消除。但是由于潮流跟踪法的前提假设条件本 身存在公平性的问题，因此这个定价方法取代节点电价法的可能性不大，导致这 种方法的实用价值不大。 国内学者对于电力市场结算盈余问题也做了许多深刻的研究。文献 12 】介绍 了中国华东电力市场的日前市场采用节点边际电价进行模拟运行的情况，验证了 在华东电力市场采用节点边际电价的可行性，并通过节点边际电价的分析阐述了 其所反映的当前市场运行的经济信息，对于该定价机制所带来的市场结算问题也 给予了一定的解决方法。文献 1 3 】基于最新提出的电能追踪理论，提出了一种新 的定价方法：追踪加权平均法，它无需改变发电机的优化电价，而是使用户承担 的电价等于各节点优化电价的加权平均，其权重在理论上等于该节点发电机向特 定负荷供电的比率。文献【1 4 】从功率分解和功率分量的归属问题出发，分析了电 硕j 二学位论文 网功率的分布情况；以节点费用流守恒为原则，在研究电网线损物理分布机理的 基础上，提出了一种基于电网功率物理分布的输电网损成本的分析方法该方法可 以直接得出负荷节点电力成本与购电节点购电成本的解析表达式，为解决电源间 的耦合问题提供了新途径。文献【1 5 】用成本分摊理论来分摊网损结算盈余，并讨 论了网损结算盈余分摊的核的存在性问题，在对网损结算盈余函数特性进行分析 的基础上，提出采用s h a p l e y 值法来分摊网损结算盈余。文献【1 6 】揭示了在采用节点 实时电价的情况下，系统发生阻塞会导致交易盈余，建议采用基于电能跟踪理论 的加权平均电价法计算负荷电价来消除交易盈余。文献【l7 】提出了适用于中国区 域电力市场的电价机制、市场电价稳定制度、市场风险及其规避和结算机制，并 提出一种市场盈余公平分配模型与算法，以规避区域内各省市电网公司的经营风 险。文献【18 】提出应用费用流追踪方法和负荷节点电价修正进行网损交易盈余的 消除。在节点实时电价的基础上，利用费用流追踪方法的结果，不改变发电厂处 的节点电价，只修正负荷的节点实时电价，用修正的电价来向用户收费。方法能 在交易盈余出现之前就把它消除掉，具有简单易行，易被用户接受，可以应用于 大系统的优点。文献 1 9 】在理论上阐述了联营电力市场结算盈余产生的根本原因， 然后尝试应用成本分摊理论来分摊网损结算盈余。在对网损结算盈余函数特性进 行分析的基础上，提出使用s h a p l e y 值法来分摊网损结算盈余。文献【2 0 】根据一年 内日最大系统边际电价将年输电费用分摊到每一日，根据一日内各时段系统边际 电价将日费用分摊到线路的不同负荷水平的各个时段根据发热贡献或最大有功使 用程度将输电线路各时段的固定费用分摊到每个节点系统边际电价反映了系统负 荷的大小在一定程度上反映了输电设备的拥挤状况不必求解系统最优潮流就可以 得到系统边际电价因而不存在收敛性问题也不必进行费用修正。文献【2 1 】通过差 价合同( c f d ) 和f t r 二者的组合来规避随机电价和阻塞风险，并在此基础上提出了 市场参与者在实时市场最优调度模型下的收入最低裕度限制约束条件，从而较好 地解决了电网及市场参与者在风险与利润之间的平衡问题。文献 2 2 】该文应用比 例法来调整网损分摊量。边际网损系数法由于能够反映各节点造成全网网损的微 增成本信息，提供经济信号。完全的边际网损系数法能提供最好的经济信号，但 它不能保证所分摊的总网损与系统实际总网损一致，所以需要对该方法所分摊的 网损量进行调整。 综合分析国内外对节点边际电价的研究现状，可以看到国外采用节点电价 的市场对该问题的研究比较深刻和普遍，而对于国内市场由于对于节点电价采 用的还是市场模拟运行阶段，所以对于该问题的研究比较缺少。在电力市场中 采用最优的节点边际电价的同时，对于边际定价所带来的结算盈余问题，是一 个理论上和实际应用中都亟待解决的问题，对于电力市场的改革和发展具有重 要的指导意义和理论参考价值。这对于我国今后电力市场的建设具有一定的参 幕于耗散功率转归分量的州损结算盈余分摊 考价值，所以这也是本文所选该课题进行研究的意义和目的之所在。 1 3 本文主要研究内容 在电力系统采用市场清算价( m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ，m c p ) 的情况下，需要单独 计算网损并进行分摊，在节点电价体系下，网损已经被包含于节点实时电价模型 的功率平衡方程式中，不需要单独计算网损并分摊，但是却产生了网损交易盈余。 在节点电价体系下，网损交易盈余的分摊是一个重要的课题，它同样也是贯彻电 力市场下公平公正原则的一个重要措施。在节点电价体系下，交易中心从负荷收 取的电费通常会比支付给发电厂的费用高，这部分差额称为交易盈余。由于具体 的负荷和交易盈余之间并没有一一对应的关系，所以需要通过交易者都能接受的 分摊方法来将交易盈余返还给市场中的每笔交易。本文对此展开研究，具体内容 如下： ( 1 ) 分析采用节点边际定价方法的经济学意义以及与之相适应的电力市场机 制和交易模式的运营概况。并从经济学的基本原理出发，分析采用边际定价带来 结算盈余的原因。并对网损结算盈余进行了定义。 ( 2 ) 建立求解节点边际电价的最优模型，采用内点法对最优潮流模型进行求 解。根据节点边际电价的定义将其分解为：电能电价、边际网损电价和阻塞电价 三个部分，以最优潮流的运行工况为基础，计算系统的网损结算盈余。 ( 3 ) 提出网损结算盈余分摊到参与市场中的每笔交易的算法，根据每笔交易的 边际网损值和分摊的平均网损大小，对结算盈余进行分摊。其中每笔交易所分摊 的平均网损基于支路耗散功率的转归分量求解。 ( 4 ) 对提出的方法，编写了相应的程序并在标准的测试系统上进行了算例仿真 计算，根据当前美国p j m 电力市场所采用的方法，在市场交易采用联营交易模式 的前提下，与本文所提出的方法进行了比较，分析了各方法的利弊和特点，通过 仿真计算和对比分析，验证了本文方法的可行性和合理性。 硕。1 ：学位论文 第2 章电力市场环境下的盈余问题 对于电力市场理论的研究必须要超越于当前电力工业的改革进度，根据改革 的目标并参考国外成功的电力市场改革方案，市场的定价机制将采用实时电价方 法，而这一边际定价的方法会带来市场结算的盈余问题。本章在简要介绍电力市 场的基本理论的基础上，分析了电力市场中的盈余及其相关问题。 2 1 电力市场结构 决定市场结构的因素主要有两个【2 3 】：市场上买者和卖者的数量及产品的特 性。商品的特性能够影响销售该商品的市场结构。如果以卖方行为和市场竞争程 度为依据，市场结构可以划分为四类：完全竞争市场、完全垄断市场、垄断竞争 市场和寡头垄断市场。就市场效率而言，完全竞争市场优于垄断竞争市场，垄断 竞争市场优于寡头垄断市场，寡头垄断市场又优于完全垄断市场。 1 完全竞争市场 完全竞争市场是不受任何个体阻碍和干扰的市场，完全竞争环境中的企业是 价格接收者。经济学意义上的完全竞争市场必须符合以下条件： ( 1 ) 市场上必须有足够多的买者和卖者，任何一个市场成员都无法通过自己的 买卖行为影响总产量或市场价格。 ( 2 ) 买者和卖者可以自由进出市场，各种生产资料可以完全自由流动。 ( 3 ) 市场上销售的产品为标准化产品，是同质和无差异的，买者对于具体的卖 者并无特别的偏爱。 ( 4 ) 所有的买方与卖方都完全掌握市场状况及其变化趋势。 完全竞争市场能使企业在平均成本最低点上进行生产，资源得到了有效的利 用，消费者能以低价购买所需的商品，买卖双方公平合理。 2 完全垄断市场 完全垄断市场又称为独家垄断市场，是指市场完全由一家厂商所控制。由于 垄断企业可以通过限制产量来提高市场价格，从而获取超额利润，因此一般不会 在平均成本的最低点上进行生产。由于缺乏有效的市场竞争，市场价格往往高于 生产成本，所提供的产量不是最优的，资源没有得到充分利用。由于不存在竞争 压力，缺乏改进产品、进行技术革新的动力。完全垄断市场被认为是经济效率最 低的一种市场结构。 3 垄断竞争市场 垄断竞争市场是介于完全竞争市场和完全垄断市场之间的一种市场结构，与 寡头垄断市场相比，垄断竞争市场的特性更靠近完全竞争市场。垄断竞争市场环 基于耗散功率转归分量的i i c ) 4 损结算盈余分摊 境下，商品的价格是由市场和垄断企业共同决定。垄断竞争市场富有效率的竞争 有利于促进技术进步和社会发展，抵消或者超过它的弊端所带来的影响，因而被 认为是当代可行的市场经济规模。 4 寡头垄断市场 寡头垄断市场中只有几家大企业提供行业的大部分产品，形成寡头的主要原 因是规模经济的发展结果。与上述三种市场结构不同的是，寡头市场的厂商存在 相互依存的关系。在寡头垄断条件下，产品价格并非由市场关系决定，而是少数 寡头垄断者通过协议或默契来制定。寡头垄断企业同样选择在边际成本等于边际 收益的水平上进行生产，每家企业首先要推测竞争对手的产量，然后根据利润最 大化的原则来确定自己的产量。寡头竞争市场存在竞争，可带来产品的多样化和 技术革新。寡头垄断市场的效率高于完全垄断市场，但低于垄断竞争市场。 2 2 电力市场交易模式 当前世界各国的市场模式大致分为两个基本类型：联营体( p 0 0 1 ) 模式和双边 交易模式【2 3 l ( 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( 联营 体模式+ 双边交易模式) 、多边交易模式。 1 电力联营体( p 0 0 1 ) 模式 电力联营体模型也叫总量市场化模型，是指购售电计划必须在联营中心内进 行，并由电能供应方、电能需求方与联营中心进行交易的方式。该模式允许用户 签订金融合同，以规避市场中的风险。p o o l 模式最大的特点是将电网看作电能交 易的中心，所有发电公司以及所有用户都与电网运营中心发生经济关系。在p o o l 模式中，整个电力系统被划为发电、输电、供电环节。竞争在发电侧和供电侧分 别展开，在市场初期也可能只开放发电侧市场。在这一模式下，要求与所有市场 成员无利害关系的独立的电网运营机构进行电网的调度、运行。电网运营机构根 据各发电商的市场报价制定交易计划，计算系统边际电价、输电电价、辅助服务 电价。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 一市场类型。 在发电侧电力市场中，作为电力市场初期的过渡，可采用一种称为“单一购 买者模式 ( 它也是一种联营体模式) ，或称“l + ”模式，“l 是指电力市场的 单一购买者，即电网运营机构：“ 是指参与市场竞争的各个独立发电商。用 户不能与发电商直接签订购电合约，而只能由电网经营机构采用趸售或零售的方 式供电。这样，电网运营机构通过负荷预测制定电力交易计划，并负责电力实时 平衡，保证对用户安全、可靠供电。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， 硕上学位论文 努力做到公正和透明。 2 双边交易模式 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，是指 所有购售电交易均在发电公司和配电公司之间独立进行的交易模式。双边交易模 式能够最好地实现使用户直接、自由地选择供应商的目的，也就是说，电能用户 与供应商能根据自身情况独立地安排彼此间的电力交易。 双边交易模式的最大特点是发电商与电力用户或各自的代理直接签订电力合 约。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。实际上，当前应用的双边交易模式都应该称为p + b 模式。双边模式七l , p o o l 模式的竞争更加充分。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 0 0 r d i n a t o r ( s c ) 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。独立系统运营商 ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ，i s o ) 负责调度运行职能，确保全系统的安全、可靠 运行。一旦电网出现阻塞或其它安全隐患，i s o 负责启动输电阻塞管理程序，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、北欧、新西兰等国家的电力市场都是属于该模式。 3 多边交易模式 该模式完全不存在p o o l 市场或p x 机构，并且考虑了经纪人( b r o k e r ) 、零售商 ( r e t a i l e r ) 等市场中间环节，是在双边交易基础上发展起来的一种更广泛的、基于 分布协调的市场模式，可以看作双边交易模式的高级形式。传统的集中协调功能 被设计到信息结构之中，市场交易与调度运行完全分离。该模式反映了电力市场 的真实特点部分管制下的竞争，并且能够与现有的两种基本模式共存于统一 市场框架中。协调多边交易模式从理论上讲比较完美，但是只适用于充分竞争的 市场环境。 2 3 电力交易的类型 一个完整的电力市场，一般划分为现货交易市场( 日前交易市场) 、中长期合 约交易市场、期货与期权交易市场、辅助服务交易市场、实时交易市场几种【? 3 l 。 相应地，电力市场中的交易包括日前交易、中长期合约交易、期货与期权交易、 辅助服务交易、实时市场交易。 1 日前交易 在日前交易市场中，发电商参与发电电能的竞标，由交易中心决策最优的交 易计划及结算电价。在日前交易市场中制定的交易计划也称作预调度交易计划， 本文所建立的竞标过程就是以该交易形式进行的。图2 1 给出了日前交易市场的 结构。 基于耗散功率转归分量的网损结算盈余分摊 中长期 合约交 易数据 合同管 理数据 电网约 束数据 发电公 司申报 数据 系统控制模块ii 系统维护模块il 短期负荷预报 图2 1 日前交易市场结构 ( 1 ) p o o l 模型下的日前交易市场 在该市场下，市场运行部门必须按照规则规定的时间表运行日前市场，并且 将时间表公布于众。如果市场运行部门要修改时间表，必须按照规则的规定进行。 交易中心代表需求各方，以“单一买主”的身份出现，交易中心根据总需求( 负荷 或各类辅助服务) ，要求各个发电厂进行报价，然后按照低价优先的原则，安排交 易计划，并保证交易中的公平、公正、公开。对应的结算规则可以采用边际价格 机制，也可以按照报价进行结算。 ( 2 ) 双边交易模型下的日前交易市场 在该市场中，可以通过交易人、交易中心或日前拍卖进行电能买卖，标准化 产品交易( o 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。每个交 易时段的发电计划由发电商自己决定，并且上报给电网运行中心。本文采取的就 是这一模式。 2 合约交易 合约交易可以分为中长期合同交易市场、短期合同交易市场、期货和期权交 易市场等。其中最典型的是中长期合约交易，它是现货交易的一种形式，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 以通过竟价产生，也可以通过双边签订。 根据目前我国电力市场的实际情况，可将中长期合约交易分为年度合约和月 度合约。前者可以以年度或者月度为单位进行竞价上网，后者则是以月度为单位 进行竞价。单一购买者从许多不同的发电商中选择，以鼓励发电阶段的竞争。年 度合约交易按月分为1 2 段，即从每月1 日的0 ：0 0 丌始至每月最后一天的2 4 ：0 0 为一 段；月度交易按日分段，即每个交易同为一段。上述两种交易电量一般占电力市 场初期整个电力交易的7 0 - - - 8 0 ，是保证电价稳定的重要手段。 硕：| ：学位论文 电力市场中电价的波动使得风险管理成为市场参与者市场行为的一项重要内 容。市场参与者可以用电力长期合约以及电力期货管理市场风险。长期合约能够 为电力用户提供稳定的电力供应，同时为发电商带来长期稳定的需求，而且能够 锁定电力价格以回避电价波动风险。因此，世界各国在电力市场化初期均大量采 用长期合约进行电力交易，如英国、挪威、澳大利亚等。 3 期货与期权交易 期货交易是按一定规章制度进行的期货合约的买卖，期货市场就是进行期货 交易的场所。期货交易与合约交易相似，但是期货交易的双方都被允许在支付了 一定的保证金或违约金后，与其他市场成员再度交易，或退出期货交易、转入现 货交易。而期货市场的运行则可以排除现货市场供求不稳的情况，从而有效地抑 制市场不正常的价格波动，同时可以为发电商、用户等提供转移市场价格波动风 险的途径。 期权是指在未来一定时期可以买卖的权利，是买方向卖方支付一定数量的金 额后拥有的在未来一段时间内以事先规定好的价格向卖方购买或出售一定数量的 特定标准的物的权利，但不负有必须买进或卖出的义务。期权交易事实上就是这 种权利的交易。 4 实时交易 为了保证供需平衡、维持系统稳定，电力市场运行部门可以在当天实时修改 发电厂发电计划，发布实时调度指令。实时市场在实时运行前短时间内开市，各 发电商申报机组的上、下可调容量和相应报价。当调度员需要对系统进行预防性 控制或者事故后恢复控制时，就可以利用这些申报信息，确定一个最优的调节方 案，对交易计划进行实时调整。图2 2 给出了在实时电力市场中的发电平衡调度过 程。 交易调度中心 超短期负荷日前预调度日前a g c 计日前备用计 预报计划划划 ： 实时交易管理 l- i 结算系统 l 报价交易计划 参与实时交易市场的机组 图2 2 实时市场中的电网调度 基于耗散功牢转归分量的网损结算盈余分摊 5 辅助服务交易 辅助服务市场是为了实现各种辅助服务的交易决策、管理和定价，使系统在 购买辅助服务费用最低的情况下获得各种辅助服务，保证电力系统的安全稳定运 行。辅助服务是电网的安全稳定运行所必需的，分为基本辅助服务和有偿辅助服 务。基本辅助服务按照有关规则的规定，是发电公司的义务，必须提供；有偿辅 助服务由市场运作部门有偿购买使用。发电辅助服务包括：有功频率控制；旋转 备用；非旋转备用；替代备用；无功及电压支持；恢复及黑启动。对于发电商而 言，这几类市场都是其参与竞争的舞台，所以发电商要充分分析各个市场，合理 分配在各交易市场中参与竞价的发电容量或出力，分散风险、提高发电公司的总 利润。 2 4 电力市场中结算盈余分析 2 4 1 电力市场盈余的经济学原因 定价方法主要有两大类，既会计成本法和边际成本法。会计成本法是一种传 统的、也是常用的定价方法。它是根据电力企业会计记录与财务报表中出现的成 本记录( 包括要分配给股东的盈利在内) 来核算供电成本。边际成本方法是根据增 加单位k w ( 或k w h ) 用电而增加的成本，按各类用户的受电电压，严格计算增加单 位k w ( 或k w h ) 用电而引起的成本增加值，计算长期边际容量( 电量) 成本。会计成 本核算的单位容量成本和单位电量成本分别是容量总成本和电量总成本的加权平 均。边际成本核算的单位边际容量成本和边际电量成本分别直接地反映了系统容 量和电量的经济成本。会计成本反映的是过去沉入成本，会计成本定价也就是根 据过去已经发生的各项开支和成本来制定电价。边际成本是反映将来的成本，按 边际成本定价是反映经济成本的变动趋势，它能真实地反映未来资源的价值。边 际成本定价方法从经济效率的原则出发，财务平衡能力欠缺。会计成本定价则更 偏重于财务平衡，缺乏对未来合理利用资源的引导【2 4 1 。 根据经济学的观点，当商品采用边际定价方法时市场机制最有效，这也是电 力市场采用实时电价以及已经标准市场设计( s t a n dm a r k e td e s i g n ，s m d ) 实用的节 点边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) 的经济学依据。在以l m p 为基础的电 力市场体系下，负荷节点以其节点电价为依据支付费用，发电节点以其节点电价 为依据收取费用。通常i s o 收到的负荷支付费用会大于支付给发电商的费用。一 般来讲这是由于整个市场的交易是采用经济学中的边际成本定价而不是会计学中 的平均成本定价。随着我国电力工业市场化改革的深入