（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下基于最优潮流的节点电价算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 曼i l l i i；o 曼曼曼曼! 曼! 曼曼蔓曼曼! 皇曼! ! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼皇 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd 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 ，r e a l - t i m ep r i c i n gi ne l e c t r i c i t y m a r k e t sh a sg r a d u a l l yb e c o m ea l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n s r e a l - t i m ep r i c i n gi n f o r m a t i o n - r i c he c o n o m y , t h er e a c t i o ns y s t e mr u n n i n gf a s ta n do n - l i n e r e a l - t i m ep r i c i n ga l g o r i t h mf o rc o m p u t i n gap r e l i m i n a r ya n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n d e s c r i b e s t h en o d ee l e c t r i c i t ym a r k e tp r i c eo ff o r e i g nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h et h e o r y , a c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so f b u i l d i n gr e g i o n a lp o w e rm a r k e ti nc h i n a ，f o c u s e da n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e s o fu s i n gt h en o d a lp r i c es y s t e m o p fa l s oi n t r o d u c e dt h en o d ei nt h eg e n e r a le l e c t r i c i t y m a r k e t p r i c e c a l c u l a t i o n ，a n dp r i c ea l g o r i t h mf o re s t a b l i s h i n gt h ec o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h en o d ep r i c ei sd e r i v e dm a t h e m a t i c a lf o r m u l a t h i sa r t i c l ef i r s td o m e s t i ce l e c t r i c i t ym a r k e ta n de l e c t r i c i t ym a r k e tw a si n t r o d u c e du n d e r t h et a r i f f ；n e x tt ot h ep o w e rs y s t e mo p t i m a lp o w e rf l o wm a t h e m a t i c a lm o d e la n da l g o r i t h m s r e l a t e dt ot h ee x p o s i t i o n ；a n dt h i sp a p e r , t h eo p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) t h ep o w e r o p t i m i z a t i o nt o o lf o rr e a l t i m ee l e c t r i c i t yp r i c ea n dc a l c u l a t e db a s e do nt h eo r i g i n a ld u a l i n t e r i o rp o i n ta l g o r i t h mf o rr e a l - t i m ep r i c i n gm o d e l ，a n dd i s c u s s e st h ep a r a m e t e rv a l u et ot h e h e a r to ft h ec o n v e r g e n c ee f f e c t ；o nt h i sb a s i s ，t h ep r e d i c t i o nw a sc o r r e c tl i n k ，t h em e t h o dc a n c o o r d i n a t eo p t i m a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m p r o v e dc o n v e r g e n c e o ft h ea l g o r i t h m ；f i n a l l y , u s i n gi e e e14a n di e e e 3 0b u ss y s t e ma n dt h es t a n d a r dt e s ts y s t e m n o d ep r i c ec a l c u l a t i o ni nr e a lt i m es y s t e m ，u s i n gt h eo r i g i n a ll a g r a n g i a nd u a li n t e r i o rp o i n t m e t h o dm u l t i p l i e r - r i c hn o d e si nr e a l - t i m ee c o n o m i ci n f o r m a t i o no nt h ep r i c ew e r ed i s c u s s e d ， a n dt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s d r a w n a n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o w st h em a r g i n a lc o s to fa c t i v ep o w e r r e a c t i v ep o w e rt h a nt h em a r g i n a lc o s ti sm u c hg r e a t e r ；i nt h es y s t e mw h e r et h em i n i m u m c o s to ff u e l ，t h es y s t e mi sn o tn e c e s s a r i l yt h em o s ts e c u r e ；t h ec o r r e s p o n d i n gl a g r a n g i a n m u l t i p l i e ro fi n e q u a l i t yc o n s t r a i n tv a l u er e p r e s e n t st h es y s t e mr u n sc o s t s ，p r e d i c t o r - c o r r e c t o r i t e r a t i v em e t h o df e w e rg o o dc o n v e r g e n c ea n ds oo n k e y w o r d s ：p o w e rm a r k e t ；o p t i m a lp o w e rf l o w ( o p f ) ；s p o tp r i c e ；i n t e r i o rp o i n tm e t h o d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南交通大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权西南交通大学可以将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、汇编学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密由，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一戤衔 醐：胪期7 日 翩签名枷 日期：乒。i o 年夕月站日 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得西南交通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和集体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谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本学位论文的主要内容如下： 给出基于电力市场的实时电价模型，用原一对偶内点算法求解实时电价模型。 对有功实时电价和无功实时电价的计算结果进行了分析比较；讨论对应发电机约束 的拉格朗日乘子与安全费用之间的关系；讨论了系统发电费用与负荷之间的关系； 同时讨论向心参数的选择对算法收敛性和模型解的影响。 对算法向心参数的选取，本文将引入预测及校正环节，在充分利用互补松弛条 件的二次性的同时，还可利用预测过程的结果动态确定向心参数的取值以较好地协 调解的最优性及可行性之间的关系，改善算法的收敛性能。 学位论文 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 电力市场化改革是世界电力改革的共同趋势，国外电力市场建设已经走过了2 0 多 年的历程，改革的脚步遍及五大洲，先后有5 0 多个国家确定了建设竞争性电力市场的 改革目标并进行了大胆的探索。实行电力市场化改革的既有发达国家，也有发展中国 家，各国的国情不同，改革的背景也不尽相同，推进改革的方法也有所差异，但却有 着共同的方向，那就是按照市场经济的一般规律和电力工业的基本规律，实行电力企 业重组，充分发挥市场在资源配置方面的基础性作用，实现电力与社会的协调发展。 电力市场的本质是在传统的地区垄断、实行集中统一管理和经营的电力行业中，实 现多元的独立的利益主体之间引进市场竞争机制，以提高效率、降低成本，促进电力 资金( 包括电源和网络) 的合理利用及电力发展的良性循环，也可以吸引来外资；并 且降低电价，进而降低社会产品的成本，提高国家产品在国际市场上的竞争力，获得 可观的经济效益；此外对于我国幅员辽阔，网架结构跨度大，需要省网间电能的转运 贸易，也需要建立相适应的电力市场。建立电力市场的根本目的就是通过竞争，实现 电力资源的合理配置和有效利用，以最少的投入获得最大的经济效益，促进电力工业 与社会、经济、环境的协调发展。 中国电力工业的快速发展，得益于国家办电政策的及时调整和电力体制的不断改 革。回顾电力工业的发展历程，我们可以发现，改革开放以来，我国电力工业的三次 重大改革，每一次改革都为电力的发展开辟了新的空间憎。第一次是1 9 8 5 年国家实行 集资办电、多渠道筹资办电的政策，极大地调动了各方面、尤其是地方政府办电的积 极性，电力事业迅速发展，形成了发电领域的投资主体多元化、股权多元化和利益多 元化的局面，为发电领域引入竞争机制创造了体制条件；第二次是1 9 9 7 年国家开始在 电力行业实行政企分开，明确了企业经营的权利和责任，激发了电力企业的内在活力， 为电力企业市场化改革创造了体制条件；第三次是2 0 0 2 年国务院出台了电力体制改 革方案，明确了电力市场化改革的总体方向，提出构建政府监管下的政企分开、公平 竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。至此，中国的电力工业正式走上了市场 化改革的道路，进入了一个全新的发展阶段。 对于目前的电力工业改革来说，电价是整个市场化导向改革的核心和温度计，它能 测量出电力的温度，从而暴露出这个机体存在的问题。任何一个国家的电力市场的形 成必须从改革电价制度开始，因为电价问题是电力市场中最关键的问题。它是电力市 场的支点，故它也是国内外学者研究的重要课题之一。特别是随着经济的发展，人们 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 对用电的依赖性越来越强，电价对社会各方的利益影响很大。电力是商品，依靠电价 来交换，不合理的电价会给电力工业及其它行业、甚至整个社会的稳定带来负面影响。 建立合理的电价制度，是建立完善的电力市场的前提和基础。合理的电价制度可以优 化社会资源的配置，促进电力成本的合理补偿和用户负担的合理分摊，进而促进电力 行业和社会的发展。 1 2 节点电价的研究意义 本文所要研究的节点电价( s p o tp r i c e ) 是现今美国最为流行的一种电能计价模式， 也是美国联邦能源监管委员会( f e d e r a le n e r g yr e g u l a t o r yc o m m i s s i o n ，f e r c ) 和标 准电力市场设计( s t a n dm a r k e td e s i g n ，s m d ) 推荐的电能竞价模式。定义为满足某节 点新增1 m w 电量需求时的系统边际成本，这一计价模式的原则是电网中不同节点的单 位电量有不同的价格。造成这种电量价格空间差别的主要原因是输电线路损耗和输电 阻塞。这些随位置不同而不同的实时电价也叫做节点边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a l p r i c e ，l m p ) 。当输电系统没有约束并且不考虑网损时，各节点的电价相同；在有约束 的条件下，节点电价反映了电能从发电单元输送到负荷母线处所增加的费用j 。 节点电价理论是在8 0 年代提出来的。自其被提出之日起，它一直是电力市场定价 理论研究中的热点。节点实时电价有着实现全社会效益最优的丰富的经济学信息，电 价随时间变化，反映的是负荷需求的不断变化；同时电价随节点位置变化，反映的是 网损和传输拥挤的影响。l m p 的定价原则为：( 1 ) 发电机组以其发电节点处的l m p 结算； ( 2 ) 负荷方以其负荷节点处的l m p 支付；( 3 ) 交易双方要支付阻塞成本，分别按照自己 母线处的l m p 支付，阻塞成本等于负荷节点与发电节点之间l m p 的差值。 在任何情况下，价格跟着边际成本走始终是一个追求的方向。在某种意义上讲，市 场就是一个捕捉边际成本的工具。建立电力市场，首先在发电端，然后在发电和负荷 两侧，在不断细化的时间段里竞标报价，就是一个不断精确地捕捉短期边际成本的过 程。但是要注意到，边际成本不仅有时间维的，还有空间维的。电力市场中，由于一 次能源等资源和网络资源的差距，空间边际成本差距广泛存在。尤其在一个资源分布 和经济发展不均衡，电源和电网快速发展的发展中国家( 如我国) ，用价格工具反映空 间边际成本信号的意义不亚于对时间边际成本的反映。很多人以输配电费用中变动部 分比重小为理由而认为没有必要单独考虑，这种想法只看到了输配电价的成本回收作 用而忽略了其促进电网有效使用和扩张的信号灯作用。事实上，采用基于节点价格的 阻塞管理己超越了输配电定价的范畴，而是整个电力市场从时间维向空间维迈进寻求 市场更加有效的一个跨越。在一个小市场忽略这一点影响不大，但如果在一个大区域 市场，还简单用单一的市场出清价，肯定是会出问题的。 采用节点电价法不仅得到了计及输电阻塞的发电计划，而且求出的节点电价也为阻 塞费用的分摊、网损成本的分摊提供了依据。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的稀缺程度，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。因此，电能量市场中 采用节点电价体制具有非常重要意义m 。 输电系统是复杂的，网络服务要求复杂的定价机制，尤其是为输电阻塞提供信号， 网络中可使用节点电价来为不同区域的电力定价从而也给阻塞定价。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。这是因为： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 节点价格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。 ( 5 ) 节点价格对信息和计算系统复杂性的要求可以用延长更新时段来降低，在引 入在线计算前可采用离线计算的方式。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 在我国的几个区域电网，尤其如南方电网、华中电网，其地域差别大，成员 问负荷密度很大不同，装机构成复杂，网络架构有待加强，如果不考虑阻塞成本，或 将其捆绑内化，或按邮票法分配，都不能达到促进电力资源有效分配利用的目的。 我国已开始进行大用户直购电的试点，标志着我国电力市场开始向双边合同模式探 进。电力市场模式改革的推进，一定要有相应的电价形成机制改革相配套，其缺位时 间至少不能太久。所以我国输配电价形成机制的研究和改革己十分迫切。确立输配电 价形成机制，关键是确立输配电价结构，和其形成模式的方向。在我国，由于地域差 别大，各地负荷密度、网架强度和能源分布有很大不同，所以，确立反映这些差别的 当地接网费和基于节点电价的阻塞定价的输配电价结构和形成模式很有必要。即使在 一段时期内，我们还不能按节点电价进行交易，但朝着确立节点价格信号、可用输电 权信号、以及节点价格差决定的输电价值信号的方向努力，不失为一种正确的方向， 对于促进电网发展，提升电网效率，协调发输电扩张将起到及时而重要的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼i 一一 mi i i i 皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼量曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 皇! 曼曼曼 1 3 国内外理论研究动态 文献 5 介绍了美国p j m 电力市场的边际节点电价系统，将l m p 分为三部分：发电 边际成本；传输阻塞成本；边际网损成本。并且以一个5 节点母线为例讨论了发生阻 塞时各节点l m p 的变化。 文献 6 讨论了最优潮流在电力市场环境下的最新发展，从分析最优潮流本质特性 着手，介绍了它在实时电价与辅助服务定价、输电费用计算、网络阻塞管理、可用传 输容量估计等方面的研究成果。特别是其在市场定价和输电网络管理方面的应用，非 常具有启发性。 文献 7 1 0 都是讨论用o p f 最优潮流来计算节点边际电价，文献 7 论述了电网 中的节点电价的一些基本性质。文献 8 和 9 在o p f 的基础上证明每个节点价格可由 相关因素，诸如发电、传输阻塞、电压限制、竞标策略以及其他因素精确地分解成为 不同的部分，给每种电价提供了一个详细的描述。这种电价的详细信息不仅能够被用 来提高电网运行效率、竞标策略、价格预测、市场模拟系统和阻塞管理的有效使用， 而且为运行、发电或者输电投资的经济性提供了参考。文献 9 则是根据o p f 算出的节 点电价来计算转运费用。 另外还有一些其它计算节点电价的方法的例如文献 1 1 ， 1 2 ， 1 3 。文献 1 1 利用边际成本法计算输电节点电价，首先将输电价格分为6 个分量：输电容量价格、 变电容量价格、电网线损价格、变电损耗价格、输变电运行价格和辅助服务价格，进 行分别计算，依据节点价值流平衡的原理，可通过求解线性方程组来求出节点电价。 文献 1 2 提出一种电力市场下电力配送计划的优化模型，将电力系统描述为一个由发 电节点和用电节点两类构成的二分图，根据各类节点的电量和资金平衡条件，构造包 含节点电价的线性方程组，从而构成确定各节点成本电价的方法。文献 1 3 从经济的 角度出发，提出了费用流方法，来分析输电网中各节点负荷功率的成本构成。在这个 构成方案中，可以统一考虑各发电厂上网电价的不同、对输电元件固定成本的回收以 及网损的成本。 文献 1 4 和 1 5 基于最优潮流的方法计算节点实时电价，并且在优化目标函数中考 虑了用户的用电弹性需求，以社会盈余最大为目标。 文献 1 6 则是以网损最小为目标，计算各节点的l m p ，文献 3 在 1 5 得到的l m p 公式的基础上，具体计算了线路发生阻塞情况下的l m p 随潮流分布变化而变化的情况。 文献 1 7 和 1 8 讨论了潮流计算中的惩罚因子和分布因子在节点实时电价计算中 的应用。文献 1 9 提出一种新的用分布式松弛潮流公式来计算节点电价的方法，对参 考电价，网损和阻塞价格分别计算。 总体看来，边际节点电价l m p 的计算方法大部分都是基于最优潮流( o p f ) ，只是目 标函数不同则达到的结果会不同，有的是以发电成本最小为目标，有的以购电费用最 小( 或社会盈余最大) 为目标，有的是以网损最小为目标，还有的是以阻塞成本最小 为目标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼量曼曼曼。=；=；=；写；_=_；_=!=；=i=；i；一一hi一 一i i i i i i i l l 曼! 曼蔓曼曼 1 4 本文主要研究内容 伴随着国内外电力市场实践发展的同时，电力市场理论最近几年也得到了较大的发 展，呈现出异常活跃地勃勃生机。电力市场理论是一个典型的交叉学科，涵盖了电力、 经济、法律、社会等众多领域，其内容的广泛性决定了其理论研究的复杂性与多元性。 电力市场的理论研究主要包括：企业管理理论、资产重组理论、市场结构设计、市场 模式设计、交易机制设计、电价理论、优化理论、市场监管理论、风险评估与管理、 技术支持系统等等。 本文仅简要地总结并展望近几年国内外电力市场理沦与应用研究中的节点电价研 究问题，针对性不同的节点电价模型做出具体分析，根据传统的考虑系统发电总成本 的节点电价算法提出改进的算法模型，并推导出快速的近似算法。给出基于电力市场 的实时电价模型，用原一对偶内点算法求解实时电价模型。对有功实时电价和无功实 时电价的计算结果进行了分析比较；讨论对应发电机约束的拉格朗日乘子与安全费用 之间的关系；讨论了系统发电费用与负荷之间的关系；同时讨论向心参数的选择对算 法收敛性和模型解的影响。 对算法向心参数的选取，本文将引入预测及校正环节，在充分利用互补松弛条件的 二次性的同时，还可利用预测过程的结果动态确定向心参数的取值以较好地协调解的 最优性及可行性之间的关系，改善算法的收敛性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ! , i i i i 鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼 第二章电力市场的基本概念 2 1 电力市场的定义 市场是商品交易关系的总和。健康市场的共同特征应该是：价格随需求变化，价格 变化影响需求量；买卖市场机制，买方或卖方无垄断行为。电力市场是采用法律、经 济等手段，应用计算机、测量和通讯等设备，以电价为控制信号，本着公平竞争，自 愿和互利的原则，对电力系统中的发电、输电、供电、用户等各成员组织协调运行的 管理机制和执行系统的总称出。 根据以上定义，电力市场首先是一种管理机制。这种机制和传统的行政命令的机制 不同，是主要采用经济的手段进行管理。所以电力市场的基本原则是公平竞争、自愿 互利。同时，电力市场还是体现这种管理机制的执行系统，包括贸易场所、计量系统、 计算机系统、通信系统等。 2 1 1 电力市场的基本特征和基本原则 电力市场的基本特征心。是：开放性、竞争性、计划性和协调性。与传统的垄断的电 力系统相比，电力市场具有开放性竞争性：与普通的商品市场相比，电力市场具有计 划性和协作性。电力系统是互相紧密联系的，任一成员的操作，均将对电力系统产生 影响。所以要求电力市场中的电力生产、使用、交换具有计划性。同时由于电力系统 要求随时做到供需平衡，所以要求电力市场中的供应者之间、供应者与用户之间相互 协调。 建立电力市场的目的是在电力系统中引入竞争机制。一个充满竞争的电力市场中， 参与者之间都是平等的。所以电力市场最基本的原则是公平性、公开性、扩大自由选 择权力、法规的保障性。 电力市场的公平性 电力市场中各参与者之间都是平等的。对于发电厂，平等的竞争环境能够促进竞争， 激励各发电企业提高生产效率，降低成本。对于用户，按真实的供电成本收费，尽量 减少用户间补贴是保证用户间平等的根本点。用户间的平等并不意味着所有用户的电 价绝对一样。由于用户用电水平和性质的不同，真正的平等，必须按用户的实际供电 成本收费，对不同用电种类进行公正合理的成本分摊，尽量减少用户间的补贴。 为了保证电力市场公平竞争的原则，必须做到：电力市场要有公开性，以便监督； 扩大自由选择权力，保证电网的开放；必须建设有关法令、规约，以便使竞争规范化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼皇曼鼍i 一 ；i i i i 曼蔓曼! 量曼 电力市场的公开性 在电力市场中，为保证贯彻公平性这一基本原则，必须具有一定的公开性，以便监 督。电价是人们最关心的问题，必须公开发电厂的上网电价和用户的用电电价( 包括各 种类型的电价) 。 电力市场应扩大参与者自由选择的权力 单从市场的角度来看，市场应能满足参与者自由选择的全力，即供应方有选择用户 的权力，用户有选择供应方的权力。但是由于电力供应的特殊性，电力市场一般难以 满足参与者自由选择的要求。当前的一种世界趋势是放开发电市场，即发电厂有权选 择贸易方，而对输电市场和用户则较少放开。 电力市场必须保证输、配电系统向使用者开放。这一点对于保证电力市场的稳定运 行、扩大参与者自由选择的权力、避免网络拥有者利用其地位垄断电力供应非常重要。 电力市场的运行应有法规的保障 由于电力商品的特殊性，要求电力市场在进行供、求匹配贸易的同时，还要负责电 网的安全和稳定运行，所以要求电力市场的运行必须有法规的保障。另外，在进行贸 易时，有关电价、赔偿等问题，也应做到有法可依。 2 1 2 电力市场需要解决的问题 电价问题 电力市场要采用经济手段管理各成员，电价是电力市场的核心内容，也是电力市场 的经济杠杆，调节市场供需矛盾，促成电力交易。影响电价的因素是多种多样的，这 必然导致电力市场中电价的多层次性：不同的供电电压等级；不同供电的可靠性分类： 不同时间；不同季节；不同容量；不同负荷率等等。所以研究电力市场环境下的电价 理论和方法是实现电力市场商业化运营的关键。合理的电价结构必须考虑两个方面： 在供应侧能反映生产成本；在需求侧能反映负荷特性。要保证电力市场的良性发展， 必须重视电价理论的研究。 发、输、配电和用电各环节的软硬件技术支持问题 其中的主要热点和难点问题包括：电力市场技术支持系统；能量管理系统( e m s ) 的 扩展；最优潮流技术；输电服务与辅助服务定价；信息管理和电子商务：可中断负荷 管理、需求侧管理与综合资源规划；电力市场的调度模式与交易模式；需求预测与系 统规划，电价预测与灾变预警；电力市场经济性能分析与风险管理；竞争力与市场力； 电力市场指标偏离的经济补偿；配电侧电力市场实施方案等。 2 1 3 电力市场运行机制 ( 1 ) 垄断型经营 在电力工业发展进程中，大多数国家对电力工业的管理采用了调控模式，其运行机 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 制可以总结为：发、输、供高度统一，垂直管理；公用事业权力机构有权干涉，包括 营业区域、电价等。在电力工业的发展中，大系统的规模效益鼓励了在一定区域内的 电力公司的合并，形成发、输、配电一体化，从而提高了生产效率，促成了调控模式 的形成。政府调控模式的最大特点是垄断性，各电力公司有自己的专营区域，其他公 司不能在本地区售电。调控模式可获得较大的规模效益和供电可靠性。但是随着电力 工业的进一步发展，已较难获得更多的规模效益，因此，在电力工业中引进竞争、建 立电力市场，成为现实的需要。 ( 2 ) 趸售市场 趸售市场也就是发电市场的开放，有时又称为批发电力市场。独立发电厂的产生， 要求在发电单位之间开展公平竞争。独立发电厂一般只负责电力生产，同时原有的电 力公司之间也要求展开竞争。此时，用户市场尚未开放，各个电力公司仍拥有供电专 营区域。如果某电力公司供电不足，需要增加容量或购买电能等，可以在电力公司之 间进行功率交换，从而在电力生产者之间形成竞争。但是这时发电单位还不能直接与 用户签订合同。一般说来，开放发电市场，既有利于在发电市场中引进竞争，同时也 较易管理，对电力公司的现有体制，不需要作大的变动，是一种比较平稳的做法。 ( 3 ) 同时开放发电市场和用户市场 同时开放发电市场和用户市场，实现了供、求的双向选择，特别是扩大了用户的选 择权。同时开放发电市场和用户市场也使电力市场中出现了多种多样的交易方式和一 种新的市场成员一电力零售商。在用户市场还未开放时，向用户供电是配电公司( 供电 局) 的任务。各配电公司有自己垄断的专营区域，任何人或单位是不能在这区域内卖电 的。而在用户市场开放后，除配电公司外，电力市场还允许经过批准的电力零售商向 用户售电。这种同时开放发电市场和用户市场的模式，给电力生产者最多的竞争机会， 给用户最大的选择权利，真正体现了市场原则，其意义尤其重大。 2 2 国外电力市场简介 随着世界电力工业的不断发展，传统的、垂直体化的管理体制已受到严重的挑战， 引进竞争、增加活力、进行电力企业重组、建立电力市场己成为世界各国电力工业发 展的必然趋势。 2 0 世纪8 0 年代末期，英国率先实行电力工业私有化改革，并提出了轰动世界的解 除管制的理念。其含义是尽量减少市场管制和干预，并从商业运营的角度将发电、输 电和配电的主要功能分解成相互独立的实体。美国自1 9 9 2 年颁布“能源政策法 以来， 电力企业己裁员3 5 ，且电费下降。世界其他国家在电力体制改革方面吸取英国经验的 较多。目前世界上主要的电力市场有：英国电力市场，美国加州、p j m 和n e p o o l 电力 市场，澳大利亚电力市场，新西兰电力市场，阿根廷电力市场，北欧电力市场等。以 下简要介绍英国，美国和澳大利亚电力市场。 西南交通大学硕士铲究生学位论文第9 页 2 2 1 英国电力市场 英国是较早进行电力市场改革的国家，以1 9 8 8 年发布的电力市场民营化白皮 书为代表，英国电力工业的第一次改革开始。2 0 0 1 年3 月，英国实行了新的电力交易 规则( n e t a ) ，标志着第二次革命的开始。 n e t a 模式下，英国电力市场建立市场为基础的三级交易系统：远期期货市场，短 期双边交易市场及结算平衡机制。鼓励双边交易，将交易的信息系统通过合同方式委 托给中立的i t 公司负责维护管理。所有双边交易合同必须及时通知中心系统，所有市 场成员都可以通过中心系统了解市场的相关信息，当前的交易结果、分解到日的交易 计划等，以此增强市场的透明性。统一的交易结算规则，实施有效监管，n e t a 运营结 构模块图如图2 - 1 所示。 图2 - 1n e t a 运营结构模块图 与第一次改革的p o o l 模式相比，n e t a 具有以下优点：一是强调买卖双方自愿根据 协商的价格以合同方式成交，不再需要通过中央管理，使市场参与者享有了更多自主 权。二是发电机组自我调度，自我安排发电计划，并报系统操作员备案和安全审核， 如果发电输出同发电计划不一致，发电上必须按高昂的不平衡价格付费，这一措施增 大了发电事故的经济代价，从n e t a 的运行来看，这样可以有效地促使发电厂采取各种 措施提高发电可靠性，从而降低事故发生概率。三是为了尽可能的减少不平衡费用， 市场需求方充分参与到新的平衡机制中。四是市场交易方式更为简单，交易成本降低。 2 2 2 美国电力市场 美国电力改革的核心是放松管制，引入竞争，提高效率，降低电价。p t t m 电力市场 是公认的联营市场成功的典型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 曼曼曼! 曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼曼舅曼曼蔓! 曼曼鼍曼鼍曼蔓曼曼曼! 曼苎皇鼍i 一 i i o 曼 p j m 市场1 9 9 7 年4 月开始运行，p j m 市场成员可以选择参与目前有功市场或平衡市 场的市场交易。在日前有功市场中，根据发电侧的投标、需求侧的投标和市场成员递 交的双边交易计划，p j m 将计算出次日2 4 h 的每个小时节点边际电价。日前有功市场的 结算是基于日前的小时节点边际电价进行的，对于次日的每个小时： ( 1 ) 每个被选中的负荷用户按照所在节点的小时节点边际电价支付能量费用； ( 2 ) 每个被选中的发电机按照所在节点的小时节点边际电价获得能量收益； ( 3 ) 被安排的传输用户按照能量注入节点和能量送达节点的小时节点边际电价之差 支付阻塞费用； ( 4 ) 固定输电权拥有者按照小时节点边际电价获得阻塞收益。 当实际负荷与预测负荷出现偏差或发电机因某种原因达不到投标结果确定的出力 时，为保持发电机出力和系统负荷的实时平衡，设立了平衡市场。在平衡市场中： ( 1 ) 通过安全约束的经济调度来满足实际负荷需求； ( 2 ) 在日前能量市场中未被选中的容量资源可以参与平衡市场的投标( 容量资源指 满足可靠性要求，经p 3 m 认证合格的发电资源) ； ( 3 ) 非容量资源也可以参与平衡市场的投标； ( 4 ) 传输用户可以向平衡市场递交传输计划。 为了防止发电商哄抬上网电价，规定发电报价不得超过1 0 0 0 美元m 1 j | r h 的上限。p j m 采用两结算系统，由两个市场组成，目前市场和实时平衡市场。日前市场是一个提前 的市场，在日前市场提交的发电机投标、负荷竞价等，计算得到第2 天运营日每个小 时的出清价格。平衡市场是一个实时的能量市场，在实际的系统运行安全约束的经济 调度基础上，每分钟计算一次出清价格。目前市场结算以日前节点电价为基础，平衡 市场的结算以实时的小时综合节点电价为基础。 2 2 3 国外电力市场对我国电力市场的启示 世界各国在进行电力工业改革、建立电力市场过程中，其改革措施几乎都涉及到所 有制模式、管制模式、企业管理模式和竞争模式四个方面的变革。 电力市场改革都是从所有制改革开始的，总的趋势是由政府所有制向公用公司、民 营化、私有化方向发展。我国电力市场改革也是如此。 在管制模式方面，各国都根据自身特点采用不同的管制模式，具体包括管制措施和 管制机构。不同的管制措施可以解决不同的问题。管制机构是管制措施的执行者，有 的国家专门成立电力管制委员会，有的采用电力行政管理和电力管制合一的方式。在 英国管制机构由电力调控办公室和中央调控系统组成，按照电力改革规划执行管制措 施。我国如果建立类似的电力监管体系，要涉及到国家计委、国家经贸委和电力工业 主管部门的重新组合，涉及国家机构的调整等重大问题，所以管制模式的改革任务繁 重，难度最大。 在电力企业管理模式方面，主要包括发电、输电、配电的电力生产环节的横向解体 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 和纵向管理。我国目前只是将发电从中分离出来。电力企业管理模式的选择与电力企 业的所有制模式、电力工业的管制模式以及电力市场采用的竞争机制密切相关，单纯 的管理模式改革并不能从根本上解决电力工业所面临的问题。 在竞争模式方面，包括市场竞争范围和市场竞争方式。英国电网互联的规模还将扩 大，目前引入竞争还存在电力交易价格的确定缺乏足够的经济分析据、区域电网间电 能交换矛盾增大、区域输电费用难以确定等问题。 世界范围内的电力工业改革很多都处在探索阶段，多数国家和地区的电力市场改革 取得了一定的经济效益和社会效益。同时也存在各种各样的问题，甚至2 0 0 0 年底到 2 0 0 1 年上半年，出现了美国加州大停电、电价飞涨、电力公司申请破产保护这样的大 问题。加州电力危机给我们的深刻启示是：仅靠竞争不能解决电力市场的所有问题， 国家仍应宏观控制和协调，确保能源安全；监管机制要灵敏和灵活，建议我国只对 输电环节实行最高限价，对上网和销售电价实行灵活的监管制度；重视系统规划、 鼓励中长期电源和电网投资；重视区域电力市场的发展，实现资源统筹配置。 2 3 我国电力市场简介 1 9 9 7 年1 月，为了更好地使中国电力建设和管理顺应市场经济规律，国家定成立 中国国家电力公司，一年后，撤销电力部，其有关职能由国家经贸委执行，国家电力 公司将对全国范围内的电力调度进行安排，并监管跨地区电力传输。1 9 9 8 年8 月，国 家电力公司推出以“政企分开，省为实体”和“厂网分开，竞价上网 为内容的“四 步走”的改革方略。随着国家电力公司于1 9 9 9 年明确的山东、上海、浙江、辽宁、吉 林、黑龙江6 个省( 市) 为试点单位后，一场标志着打破垄断、引入竞争，逐步形成统 一、开放和竞争有序的电力市场化改革正式启动。图2 - 2 为批发竞争市场结构。 2 0 0 2 年3 月5 号，国务院印发了电力体制改革方案。方案明确提出电力市场打 破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力 发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展 的电力市场体系的总体目标。根据电力体制改革方案的改革目标，2 0 0 2 年1 2 月2 9 日， 我国正式成立了五大发电公司在内的1 1 家电力公司和国家电网、南方电网两家电网公 司，实现了“厂网分开”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 其他区域外 交易主体 其他区域电网。区域外发电公司 一 二：；z二二二二 一：区域交易中心 ：区域电网调度中心 区 f 域 ；发 i 电 l 公 司 省( 市) 电力交易中心 省( 市) 电网调度中心 一l ， 一、 趸售县供电公司f 市属一般公司 、 县属一般用户f大用户 图2 - 2 批发竞争市场结构 目前，我国电力体制改革己进入实质性操作阶段，电力市场运营模式由原来的垄断 模式转变为发电竞争模式，即发电侧引入竞争，竞价上网。为了进一步提高效率，降 低成本，电力改革需要进一步向电力转运模式发展，即迸一步进行输配分开的改革。 2 3 1 电力市场模拟 我国电力市场改革是从模拟市场开始的。最初浙江省于1 9 9 4 年7 月建立了模拟电 力市场，随后，安徽、湖南等省也相继建立了内部模拟市场。 模拟电力市场的模式如下： 结构方面，省电力公司分为发电、中心调度和供电三个环节。由省电力公司授权 中心调度所代表省电力公司向发电厂购电，向供电局售电，实行厂网分开。 电价由省电力公司财务部根据各发电厂的具体情况制定各电厂的上网电价及上 网峰谷电价，各电厂的上网电价是不一的。对供电局实行统一下网电价，并根据各供 电区域用电结构的不同，分别核定各地区下网峰谷电价。电价的制定是综合成本电价 理论，而不是长期边际成本理论。两部制电价开始实施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼曼曼曼曼曼曼曼i i ! i i ! 曼曼曼曼! 蔓! ! 曼皇曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼蔓曼 实时调度考核依据系统频率作为系统供需状况的信号，当系统频率大于 5 0 + 0 1 h z 时鼓励少发电，当系统频率小于5 0 - 0 1 h z 时鼓励多发电。这种做法引导发电 厂的发电量随着系统的供需状况进行跟踪调整。在发电厂和供电局的考核和结算中， 若实际出力或实际用电负荷偏离计划曲线一定程度将扣罚电量。 内部模拟电力市场的建立加强了发电厂、供电局的管理考核，促进了电力系统计算 机应用，通讯系统，量测系统的建设，成为电力市场实施前各大区、省电力系统运营 的主要模式。 2 3 2 节点电价与我国区域电力市场建设 2 0 0 4 年3 月，电监会颁布了电力用户向发电企业直接购电试点暂行办法，标志 着我国电力改革开始从单一买主模式向双边合同模式推进心3 。原则上电力市场机制的改 革应有相对应的电价形成机制改革紧密相随( 甚至应超前) 。但这次的改革试点，与上 次的发电市场试点一样，是在电价形成机制改革缺位的情况下进行的。同时把“探索 建立合理的输配电价形成机制，促进电价改革，促进电网的可持续发展”作为这次试 点的目标之一。电力市场模式改革的推进，一定要有相应的电价形成机制改革相配套， 其缺位时间至少不能太久。所以我国输配电价形成机制的研究和改革已十分迫切。确 立输配电价形成机制，关键是确立输配电价结构，和其形成模式的方向。4 。 2 0 0 5 年我国华东电网公司积极探索，推进华东电力市场建设。按时完成了华东 电力市场运营规则的编写任务，开发了市场技术支持系统，实