（电气工程专业论文）双边交易模式电力市场网损分摊方法的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双边交易模式电力市场网损分摊 方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 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。 学位论文作者签名：五凼超扫期：丝! ：汀 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：型：尘：，f日期：之堕兰兰 华北电力火学一1 ：程硕士学位论文 1 1 电力市场的发展 第一章绪论 电力市场化是一个世界性的变革，是电力工业在经历了百余年平稳发展之后。 面临的一次历史性的大冲击。国际上，电力体制改革的实践始于智利。之后，在2 0 世纪9 0 年代初期，以英国为首的主要发达国家和一些发展中国家不l 司程度地开始 着手进行电力体制改革，备受瞩目的国家有英国、新西兰、美国、澳大利亚、挪威、 瑞典等国家。到目前为止，已有众多的国家都在积极探索适合本国国情的市场化电 力改革之路，其间积累了不少的成功的经验和失败的教训。 英国的电力市场运营实践和发展一直为世界所瞩目。英国电力市场在经历了私 有化过程及建立p o o l 模式的市场结构后1 0 年后，又在公共事业法案2 0 0 0 的指 导下实施了巨大的改革，电力市场的框架和工业结构发生了根本变化：设立了新的 管理机构“o m c eo f g a sa n de l e c t r i c i t y m a r k e t s ”和新的用户组织“e n e r g y w a t c h ”t 实施了新的电力交易规则n e t a ( n e we l e c t r i c i t yt r a d i n ga r r a n g e m e n t ) ；配售电业务 分开，实现了用户侧市场的完全开放；引入了新的经营执照标准；重新规定了所有 市场参与者的权力和义务。 英国新的电力市场模式给英国电力工业带来了新的生机和活力。n e t a 以双边 合同为主，完全取代了集中交易的p o o l 模式，双边交易的地点、时间、数量、方式 都非常灵活，目前双边交易量已占总交易量的9 7 左右。n e t a 模式还包括平衡市 场和不平衡结算机制。英国电力市场目前已实现了配、售电业务的彻底分开，出现 了若干个地区配电系统运营商和售电商。不同规模的用户都可自由选择售电商，实 现用户侧市场的完全竞争。目前，配、售电业务方面竞争激烈，重组或并购时有发 生。这种全新的市场机制实行以来，取得了显著的成效，主要体现在电价明显下降、 系统运行平稳、用户拥有更多的主动权、其利益得到了保证。而其存在的问题主要 是在竞争更加激烈的市场机制下，一些发电企业和电力公司遇到了竞争的压力而难 以为继，市场规则在某些方面还不尽完善。 北欧电力市场是迄今为止世界上唯一的一个具有实质性意义的多国电力市场， 它的建立虽然晚于英国电力市场，但已经是一个被世界上大多数国家公认的成功典 范。北欧电力市场由挪威和瑞典两国于1 9 9 3 年发起建立，而后丹麦、芬兰也加入 到该行列中。 北欧电力市场只设立了唯一的一个交易机构一一北欧电力联营公司( n o r dp o o l a s a ) ，为北欧联营市场的参与者提供了交易平台。分属于4 个国家的5 个主干电网 公司设立了电力调度机构一一输电系统运营者( t s o s ) ，负责实时市场和辅助服务 1 华北电力火学期员士学位论文 市场的运营，各国国内的区域电网公司和地方电网公司也设有电力调度部门，服从 上一级主干电网公司的统一调度。既拥有地区供电网络、又拥有自己的发电厂的一 体化电力公司，以及只拥有发电厂、不拥有供电网络的电力公司，电力零售商和一 些终端用户都可参与电力市场，申报购售电量及价格。需求与供给相互影响的结果 形成平衡价格，这一经典的平衡价格原理阐明了北欧电力改革的基本特点。目前， 北欧电力市场包括集中的北欧联营市场、电力批发市场、零售市场，以及实时市场 和辅助服务市场。市场成员可以选择交易的市场和交易电力商品的种类。选择交易 伙伴的自由度、商品的种类、电力交易的流动性和输电系统运营商的合作态度，促 进了电力交易，对于活跃北欧电力市场起到了巨大作用。非强制性的电力联营交易 市场与物理合同的或金融合同的双边市场和o t c ( 即柜台交易) 市场展开竞争、所 有品种电力商品的市场都向用户开放，是北欧电力市场的最重要特征。 在美国，2 0 0 0 年加州发生的电力危机反映出了许多电力市场建设中需要注意的 问题，为我们提供了很好的警示；而与其形成强烈对比的是p j m 电力市场的成功， 它已成为美国现阶段电力市场运营的成功样板，也倍受各国电力市场设计和研究人 员的关注。在p j m 电力系统中，电网的所有权独立，但电力调度机构与电力交易机 构是一体化运作的，统称为联络办公室( p j m 一0 i ) ，这种i s o 与p x 相结合的方式， 也称为“i s o 内嵌p x ”。p j m 电力市场可细分为电能量市场、容量信贷市场( c c m ) 、 金融输电权市场和辅助服务市场。其中，容量信贷市场在引导发电公司的行为、提 供长期的经济信号、激励外部资金的进入等方面发挥着重要作用。 在澳大利亚，1 9 9 3 年3 月，新南威尔士州电力市场正式投入运行：1 9 9 8 年1 2 月，澳大利亚国家电力市场( n m i o n a l e l e c t r i c i t y m a r k e t ，n e m ) 开始运作，取代了 备州的电力市场。澳大利亚国家电力市场采取以电力联营体为核心的批发市场模 式，与英国早期的p 0 0 l 最大的不同是供电方同时参加电力联营市场的竞争。 纵观国际上的电力改革进程，越来越多的研究人员已经认识到：没有普遍适用 的电力市场模式，必须根据本国的具体情况进行探索，北欧、英国、美国p j m 等较 为成功的电力市场实例可以作为借鉴，但也不能全盘照搬。 随着我国经济的发展、电力供需形势的变化和科学技术水平的提高，引入竞争 机制、逐步走向市场化运作，已成为电力工业发展的大趋势。上个世纪9 0 年代末， 我国的电力工业也逐渐走上了市场化的发展道路。 国务院在2 0 0 2 年4 月颁发的我国电力体制改革方案，进一步明确了改革的总 体目标和任务。方案指出：“改革的总体目标是：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。十五 期间电力体制改革的主要任务是：实施厂网分开，重组发电和电网企业；实行竞价 上网，建立电力市场运行规则和政府监管体系，初步建立竞争、开放的区域电力市 2 华北电力大学工程硕士学位论文 场，实行新的电价机制；制定发电排放的环保折价标准，形成激励清洁电源发展的 新机制：开展发电企业向大用户直接供电的试点工作，改变电网企业独家购买电力 的格局；继续推进农村电力管理体制的改革”。 2 0 0 c z 年1 2 月2 9 日，中国电力工业新组建( 改组) 的国家电网公司，南方电网 公司，5 家发电公司和4 家辅业集团公司在北京正式成立。同时，国家电力监管委 员会成立，电力监管体制正式成立并运行。目前，我国电力“厂网分开”改革已基 本完成，五大发电集团在发电侧市场中占据了市场份额的绝对比例，两家电网公司 拥有并负责我国输配电网的运营。2 0 0 4 年1 月和5 月，东北、华东两大区域电力市 场先后投入模拟运行，标志着中国电力市场化改革又迈出了重要一步。2 0 0 5 年5 月， 东北区域电力市场开始按照年度和月度竞价结果调电，进入到“竞价上网”实施阶段： 年内我国还将陆续建立南方、华中、西北和华北等4 个区域电力市场，初步形成竞 争、开放的区域电力市场，充分发挥市场在电力资源配黉中的基础性作用。可以说， 我国电力工业正在沿着规范的市场化改革道路健康地发展前进。 1 2 电力市场发展带来的电力系统分析新课题 电力市场的发展，也给传统的电力系统分析领域带来了新的课题。 在电力系统运行中，电能的生产、输送、分配和消费需同时进行，电能不能大 量储存。因此，在传统电力系统运行模式下，要求发电、输电、配电采取集中调度 的方式。在电力市场模式下，随着竞争机制的引入，发电、输电和配电服务逐步分 离，将形成以发电、输电和配电等多种形式业务为主的、自负盈亏的多个独立市场 成员。为此，传统模式下的电力系统分析计算方法已不能全部满足要求，需要进一 步分析和研究电力市场环境下可能出现的新问题。 与传统的电办采统分析相比，市场化改革所带来的变化主要包括以下的内容【1 】： 电力市场中弓l 入竞争机制届；。屯价在市场中处于核心地位，需要形成合理的电价机 制。输电网开放后，髓者独立发电企业的增多和双边交易的出现，大量的转运业务 将出现，与之相对应的转运费的计算以及其他相关问题也是需要解决的新课题。电 力市场中允许用户选择供电的范围和灵活性增多，而且双边交易的大量出现将使系 统运行方式更加多变，系统的稳定裕度减小，系统调度机构在公平竞争的前提下制 定计划和安排运行方式的问题变得更为困难和复杂。在这样的情况下，既要协调各 方的利益关系，保障电力交易可靠进行：又要保证系统安全稳定水平和供电质量。 在市场模式下，出现了很多独立的市场成员，为追求其自身利益的最大化，需求从 个体角度出发对电网的各种运行状况作出分析和判断，制定合理的竞价策略，而并 非像传统模式下那样遵循系统全局优化调度结果即可，这也是电力市场环境下出现 的一个新问题。 3 华北电力人学j i ：程硕士学位论文 总之，传统运行模式向电力市场模式的转变，为电力系统分析提出了许多新的 要求，这就要求将电力系统技术分析和经济分析紧密结合，进行全面和深入的研究。 1 3 电力市场环境下网损分摊问题的提出 输电系统开放是电力市场化改革的主要内容之一，其最终目的是使开放后的输 电系统能够依据竞争的市场规律，向电能的各级用户提供可利用的输电服务。但与 发电和配电系统不同，输电系统一般带有自然垄断性，它不但承担着把电能从各个 发电厂传送到各用户的输电任务，而且还要提供一些辅助服务，例如无功电压控制、 阻塞调度和负荷频率控制等。因此，输电系统开放所面临的一系列技术问题也必须 区别于发电、配电环节，需要单独研究，网损就是输电环节中一个重要的问题。 在输送电力过程中，电网的各个组成部分包括导线、变压器等，均将产生有功 损耗而损失电量。传统上，电力企业用广泛和统一的方式来考虑系统损耗，通常将 该损耗称为网损，网损大约占发电量的4 1 0 。 网损向来是电力系统经济运行中的一个重要问题。在传统垂直垄断的电力体制 下，网损问题主要表现在两个方厩，一是采取措施减少网损：一是进行计及网损的 经济调度。对于网损分摊问题，似乎并无过多关注。有些国家的做法是将全部网损 相关成本计入销售电价中，用户实际是在按照购电量的多少分摊网损，而有些国家 是由电力公司制订各用户的峰谷和不同季节的网损调整因子( 1 0 s sa a j u s t m e n tf a c t o r s ) 来向各用户分摊电能损耗。 在电力市场环境下，发电、输电和配电业务可以分开经营。输电成为一种特殊 的业务，向独立发电厂或电力批发商提供服务，或为其他电力公司提供转运服务， 这些市场成员都成为输电系统的用户。这样就会涉及定义对这些用户的服务项目和 确定过网费等问题。在这种情况下，用户不仅要知道整个电网的潮流分布，而且要 知道在各种运行- f 他们对电两输变电设备的利用份额是多少，网损应如何分摊等。 网损分摊的基本概念可以用下图来描述说明。 图1 一l 网损分摊概念解释示意图 如图1 1 所示，g 、m 为电力市场中的两个区域，g 系统向m 系统供电( g 为 4 华北电力大学工程硕士学位论文 售电方，m 为购电方) ，g 系统由a 、b 、c 三个予系统和一个区域发电厂d 组成。 一般，交易的关口电表设在m 系统入口处，若交易电量为q ( q 为m 系统在交易中 实际获得的电量) ，g 系统由此而产生的网损增量为a q l ，因此，g 系统实际供给交 易的发电电量为q + a q l 。a q l 为线路l l 、l 2 和l 3 上因交易电量q 而产生的线 损增量之和，显然q l 仅为线路l l 、l 2 、l 3 上线损的一部分。网损分摊是指将a q l 分配到a 、b 、c 三个子系统和区域发电厂d 。特别值得注意是，线路l l 上的电容 充电功率产生的网损与交易电量无关，此部分网损如何分摊也是一个难题。 电力工业走向市场化后，市场成员会特别关注自身利益和市场的公正，不同的 计算和分摊方法会造成不同电网用户阃分摊比例的差异很大。因此，如何进行统一 的精确计算和公平分摊，就成了市场成员特别关注的问题。此外，如何将网损合理 分摊也是电网运营者( 也称独立系统运营者，简称i s o , 或者区域输电运营者，简称 r t o ) 面临的主要问题之一，这是关系到电力市场能否良性发展的关键问题之一。为 了将网损公平地分摊给各市场成员，需要更加详细地依据各用户的不同电压等级、 不同位置来公平、合理地分摊网损。目前，这一问题己引起了许多研究人员的关注， 也有不少的网损分摊方法已被提出。 1 4 本论文主要内容及工作 本论文从建立电力市场中公平、公正的竞争环境的角度出发，对电力市场环境 下，输电环节中的重要问题一网损分摊问题进行理论研究和实践探索。主要工作 概况如下： ( 1 ) 分析网损分摊的基本思想和原则。 ( 2 ) 研究并对比国内外主要的网损分摊方法。 ( 3 ) 钟对双边交易模式的电力市场，提出一种基于博弈论的网损分摊方法。 ( 4 ) 通过冀例分析，验证该方法的有效性。 ( 5 ) 对网损分摊研究的未来发展进行展望。 5 华北电力人学。i ：程硕士学位论文 第二章网损分摊方法及应用 目前，研究学者已提出的、或在电力市场中应用的网损分摊方法包括：平均网 损分摊法、潮流跟踪法、边际网损系数法、合同路径法、基于阻抗矩阵的网损分摊 方法以及其他方法等，但没有一种通用的、能得到大家一致认可的最好方法。目前， 国外电力市场中一些大的电网公司采用较多的是边际网损系数法和平均网损分摊 法。 本章提出网损分摊的基本思想和原则，对不同的网损分摊方法进行分析，并介 绍不同分摊方法在各个国家中的应用情况。 2 1 网损分摊的基本思想和原则 电力市场建立后，公平竞争将成为电力市场最重要和基本的原则。虽然在电力 市场交易过程中，输电网的损耗只占全部成本很小的一部分，但是对于具体的交易 和电网用户却可能有很大的影响。英国电力市场的运行实践表明，不同的网损分摊 方案可能对交易电价的影响高达1 0 f ”。因此，如何科学、公平、合理地确定网损 分摊方案，是当前电力市场改革所要解决的重要问题。 电力市场要求开放输电网，保证市场成员公平地进入和使用网络，同时又要求 使用网络的费用从使用者中获得。然而，系统网络对发电机送出的潮流提供多种路 径，物理追踪网络中某台发电机送出的电能的路径是不可能的。有功损耗一般是由 传输线路中的电阻引起的，每条线路的损耗依赖于潮流，因为每条线路上的潮流都 是由与之相联的发电机发出的潮流的综合，能被归于某一特殊的市场成员的传输损 耗比例非常依赖于潮流占用网络的方式。虽然由于潮流公式的非线性本质，准确地 将支路潮流分配给发电机和负荷是不可能的，但分摊网损的公共标准对保证竞争有 序进行仍然是非常重要的，因为只有所有实际和潜在的市场参与者都相信电力市场 的运作是公平的，竞争才能在市场中充分发挥资源优化配置的作用。因此，面对当 今正在进行的电力改革，只要存在交易，建立公平、合理、透明地分摊网损的标准 就是必不可少的。 在进行网损分摊之前，首先明确两个基本原则： ( 1 ) 按照线性电路理论，功率不能应用叠加原理进行计算。因此，目前网损分 摊不存在基于严格理论的方法。任何分摊方法都是基于某种原则、使电力交易的所 有涉及方都能够接受的近似方法。 ( 2 ) 网损分摊必须要首先弄清产生网损的原因，从而提出公平、合理的原则， 确定网损的承担者和各个承担者承担的份额。 6 华北也力人学j l ：程硕士学位论文 众所周知，电能的产生地和用户一般不在同一个地点，这就需要把电能通过输 电线路从发电厂送到用户，电力网络就是为经济地同时完成多个任务而产生的。显 然，为完成发电方和用电方的交易而在网络中产生的有关损耗自然应该由发电方和 用电方承担。概况地讲，所有从电力网络节点上进行功率交换者就应该是网损的承 担者。 网损在各承担者之间如何分摊，要遵循公平的原则。提出公平、合理的网损分 摊方法应考虑以下几个方面： ( 1 ) 应真实地反映各使用者利用网络的程度，即反映各使用者在系统中的相对 位置或交易对系统的作用。 ( 2 ) 对各使用者应该尽量公平，而且分摊方法要能够避免人为干预导致的变化， 即该分摊方法因具有无偏向性。 ( 3 ) 分摊方法应该不过于复杂，要易于理解，简单并便于实现。 2 2 平均网损分摊法 平均网损分摊法实际上是一种“邮票法”1 3 【4 1 ，是最早被电力联营市场所采用 的模式。西班牙、英格兰和威尔士电力市场采用的就是这种分摊方法f5 1 e l 。 邮票法的思想来源于邮电系统的计费方式，是一种平均分摊的思想7 1 ，也是计 算输配电费的主要定价方法。邮票法的分摊成本是成本对象的总成本，然后按输配 电功率的大小分摊，不考虑各部分特定输配电设备的成本或费用。各项输配电业务， 不管输配电距离的远近，不论输配电功率注入节点和流出的位置，只按输配电能的 多少或大小计费。与输配电距离和位景无关，所以称为邮票法。 邮票法根据实施的具体情况又可分为单一价区邮票法与分区邮票法。一般地， 在一个电压等级或一个配电网供电区域，采取一种面值的邮票，即一个网损价格。 互联电网中的不同地区电网( 配电网) ，一般被分为不同的价区，采用不同“面值” 的网损价格。 对于某一个价区韵总网损成本采用邮票法进行分摊的计算步骤如图2 1 所示。 设输配电网的网损成本为，其中： 瓯。= 口 ( 2 1 ) 其中，下标够表示是第坷条支路； 设总输配电电量： 既= 呒， ( 2 2 ) 其中，下标f 表示第f 个输配电业务。 7 华北电力人学j 二程硕士学位论文 某输配电业务 j 上 i确定电网总网损成本 u 【 预测电网总的输电或配电电量 j l i计算单位电量的网损成本 u i 根据输配电电量计算该业务的网损费用 图2 - 1 邮票法流程图 则，单位电量网损价格为： 耻甓 c z - s ， 即，将所有网损成本按所输配电量的大小进行平摊。 各项输配电业务的网损电费： 气= r k x 睨“ ( 2 - 4 ) 该平均网损分摊方法算法简单，不考虑输电网的结构、输电线路的距离和输送 功率的收发点位置，在全网范围内按相同的网损系数进行分配。这种网损分摊法既 直接又透明，可以通过事前计算、事后计算、实时计算或三者之间的组合来完全回 收输电损耗成本。仅需在总需求与总供给之间做一简单的比较，而且其差值相对稳 定，有利于维持电力交易的同一性和流畅性。这种分摊方法可以减少网损分摊量的 意外波动，从而降低了独立发电厂投资的风险性。 虽然有不少文献在这种分摊方法的基础上进行了一些改进，例如在确定网损系 数时，综合考虑电网中的电能质量1 8 】、传输堵塞f 9 1 等因素，但是平均网损分摊法不 能提供电网短期和长期经济运行的经济学信号，缺乏强有力的电力市场经济激励机 制，而且由于不能避免用户间的交叉补贴，还常常受到无法获益的用户的抱怨，所 以平均分摊法正面临逐步淘汰的命运。 2 3 合同路径法 合同路径法假定输配电业务实际发生时，其电能只在合同中规定的连续路径中 流过，而电网中合同未规定的部分，则认为没有影响【3 】【10 1 。 8 华北电力人学工程硕士学位论文 一般地，合同路径是指，从功率注入点( 发电节点) 到功率流出点( 负荷节点) 之间，确定的一条连续路径，并且该路径应有足够的可用容量。合同路径法一般应 用于较小规模的输配电网的输配价格或者网损电价计算。此时网损电价所计及的网 损成本只限于合同中指定路径的设备上的网损成本。 合同路径法流程图如下： 某输配电业务 上 以合同形式确定输配电业务的路径 上 确定输配电路径上各支路的网损成本 土 l确定输配电业务在路径各支路上的传输功率 i确定输配电业务在路径各支路上的网损费用 图2 2 合同路径法流程图 采用合l 司路径法进行网损电费的计算的步骤如f ： ( 1 ) 确定各输配电业务的相应输配电路径，一般由合同双方通过合同的形式 确定： ( 2 ) 确定各输配电业务的输配电路径中各支路的输配电功率鼻，茸。 其中，下标f 表示第f 个输配电业务，下标龟，表示是第西条支路； 用r 酊表示第够条支路的网损价格： 蠢。暮 ( 2 - 5 ) 只珂 式中c l 。；斯一一表示第影支路的网损成本： 只斯表示所有经过第巧支路的输配电业务的输配电功率之和a 扛l 第f 项输配电业务的网损费用： c 圳= ( 只茸) ( 2 6 ) 9 华i e 电力_ 人学，1 ：程硕士学位论文 合同路径法的算法也较为简单，但随着网络规模的增长，此种方法的应用受到 了较大地限制。 在实际情况下，潮流并不只在合间规定的路径中流动，而是对全网均有影响， 只是影瞻的攫廑不一棒。合i 麓路径法忽略了输配电潮流对电网其它部分的影响，特 别是对与合同路径相邻部分的影响可能较大。但是这部分电网实际受到输配电业务 豹影昀面并米得爨经济餐偿。 2 4 边际网损系数法 边际网损系数法是一种灵敏度方法，即根据节点注入功率的单位变化引起仝网 网援变化垂豹大小来精各节点上负荷或发电机进行网损豹分摊【l l j 。 边际网损系数法属于融事前分析方法。 显然，这种分摊方法能反映各节点造成全网网擐的微增成本信息，从丙能够提 供很好的经济信号，通过市场的手段促使潮流向网损减少的方向流动，达到优化潮 流、提高经济效益及指导用户投资决策的羁的。 目前国外电力市场的两损分摊方法大多是基于边际掰损系数法t ”】。 2 4 。l 基本原理 网掼是备节点注入功率的豳数，记三( 只，q i ) ，( f = l a ，) 。备节点注入功率大小的 变他对罔损的影响就是网损对只、g 求偏导：刮a p , ，a l t a q , ，( f = 1 ，a ，) 。其中t 由予警衡带漂惠景撬供全闼网损，所以，露予平衡节点i ，a “粥= 0 ，a 彰8 q j = o ， 即不对其收取璃擞爨掰t 对予p v 节点s ，出于它注入的无功功率g 是用来调节电 压的，所以也 不对其无功功率收取网损费用，即a 他= 0 。 总网损为三( 珞毽) ( f = 1 a 。v ) 。如下式： = 1 嚣曩孵毒嘭- 2 酢v j o o s ( o , 一嘭) 】 i 7 ) “l 。扣l | 对e 式求偏导得： a v a t = 哝【h - v j o o s ( o , 一o p ( j 毋， 扣l 1 0 华北电力大学：i ：程硕士学位论文 a l a o , = g 6 kv j s i n ( 0 f q ) 】 c ， 扭i 其中，巧和岛为系统状态变量，它们由系统各节点注入有功、无功功率决定， 可表示为：l ( 弓，岛) ，b ( 弓，q j ) ， ( f - l ，人，n ，j = l ，a ，) 。平衡节点的电压幅值、相 角和p v 节点除外。平衡节点的电压幅值、相角和p v 节点的电压幅值不受其他节 点注入功率的影响，保持不变。所以： 乩 钾t w l 静i a e j a r , 七跣l 哩i - 弛i a v , ) t ) ? | 。) 卜l n a l l a e , = ( a l a e , a e j l a e ；+ 叫唱鹚a o , ) y - i 将上面两式写成矩阵形式为： 一a q 2 人盟 a 8 8 e 甏a 薏a e va 8 m 垫a v , 人等 a 矿 监人a q a t a t 上式左边是, l a c o b i 阵的转震可解出a l a e , ，a 纠鲍。 a 三 a 口， a a 工 宴? m a 工 a v , a a a 根据备节点的a l a 只和a 硷分配网损，记a 叫a 只，a 叫珏分别为和吒令： i 口= 善f 越粥b + a z a q g ， c 】，；) ，i - i 各节点的边际网损系数为和屹，计算公式如下： 各节点应承担的网损为 k b = 口 k q j = a k l i = k i 。p i 七k q j q i c 一| s ) 1 1 堕a琵钇一鸭人堕蟓 塑a丝砑一眠人坦一盟粥峨一吼晖一粥峨一 a 人；| 堕够鸩一峨饵一职盟躬一粥a盟峨饵一职人盟 华北电力人学工程硕士学位论文 2 4 2g m m 方法 g m m 方法是美国加利福尼亚电力市场采用的方法 1 l 】 1 3 l 。 美国加州电力市场独立系统操作员( i s o ) 将网损分摊给发电( 或注入功率) 节点。 每个发电节点输送给负荷的实际功率被认为是由量测的发电出力( 实际出力) 乘以一 个系数g m m ( g e n e r a t i o nm e t e rm u l t i p l i e r ，文中用k 删表示) ，砧枷可通过边际网损 率( m l r m 盯g i n a ll o s sr a t e ，文中用丑m 表示) 的计算得到。 。是一个灵敏度系数，定义为节点发电出力单位变化，而其他节点发电出力 都不变，但所有节点的负荷按其在系统总负荷中所占的比例进行变化时，系统总网 损的变化量。 由定义可知，在计算边际网损率时，做了两个假设： 假设其他节点的发电出力不变； 假设每个节点都分配了一个“松弛负荷”，即相当于整体上抬高( 或降低) 系 统负荷。 另外，计算出的k 。需要再进行一次调整，避免过度回收损耗成本和过度发电 出力等问题( 损耗成本回收基本上是实际损耗的2 倍左右，加州电力市场运行经验表 明是1 8 倍) 。a n , j , i ii s o 取调整系数a 为系统总网损与未调整的乃。和发电实际出力 的乘积之和的比值，从而使总摊网损等于实际系统网损。 这样，如。由下式计算： m 。1 一。混 显然，认为实际向负荷输送的有效功率为： g f 九，2g f o 以舭rg f 所以，节点i 分摊嚼损为：以。q f ，一，7 ) ( ；一i8 ) 在实际运行中，砧肼是根据系统发电计划( g ) 和负荷计划( 厶) ，每小时提 前计算，所以有： q 。，( 有效的发电计划) = 工，( 负荷计划) c 2 一， 虽然，g m m 法在计算边际网损系数时做了两个假设，但是，通过运行实例的 计算和比较，加州电力市场i s o 认为，g m m 网损分摊方法在大多数情况下能够提 1 2 华北电力人学工程硕士学位论文 供公正、有效和与地理位置相关的经济效益信号，应该予以保留。 2 4 3 节点和区域边际网损分摊方法 节点和区域边际网损分摊方法主要应用于澳大利亚国家电力市场】1 1 4 。 澳大利亚国家电力市场( n e m ) 包括输电网( 2 2 0 k v 及以上) 和配电网( 2 2 0 k v 以下) 两部分。考虑到边际网损系数法对配电网计算的复杂性，因而配电网实行平均网损 系数法，而对输电潮采用节点和区域边际网损分摊方案。整个澳大利亚的输电网划 为5 个区，每个区定义一个区域参考节点( p r n 一r c g i o n a lr e f e r e n c en o d e ) ，一般p r n 取本区域大的负荷中心或发电中心。区域内的各连接节点的边际网损系数( m l f 一一 m a r g i n a ll o s sf a c t o r ，这里用a m f 表示) 的定义为： k r = 卺卅+ 鲁 一圳 式中。为p r n 发电出力微增量； 。为连接点负荷微增量： 。为网损微增量。 这样，可以将各节点的网损系数均折算到本区域的p r n 上。 所以，对于p r n ，其a m f = 1 ；而负荷节点或重负荷地区的节点，a 。倾向于 大于1 ，且a 。，越大，负荷所承担的网损就越多：相反，对于发电节点或主要向外 输出功率的地区的节点，a 。倾向于小于1 ，且a 旺，越小，发电机承担的网损也就 越多。 因为负荷的波动和运行方式的变化使以舭也经常波动，n e m 使用前一财政年 度的历史数据，对区域内每0 5 小时的网损系数在1 年范围内按负荷的权重进行平 均( 共。1 7 5 2 0 个区段) ，从而形成一个静态的网损系数。而区域之间的网损系数则是 动态的，每5 分钟更新一次。具体计算较复杂，主要是根据每时段区域边界的交换 功率和总负荷数据，利用回归分析拟合区域间网损系数和交换功率的变化关系，但 仍然是一种近似计算。 当电网发展很快时，上一年的历史数据与本年度的实际运行数据会有较大的差 别，从而造成计算得到的区域内节点网损系数和实际值相比有较大的出入。另外， n e m 区域间的动态网损系数计算复杂，效果也不太理想。 华b 电力人学f ：程硕士学位论文 除上面两种分摊方法之外，文献【1 5 】提出一种不但对节点有功功率而且对节点 无功功率也进行网损分摊的算法。在该方法中，平衡节点的有功网损系数和无功网 损系数均为o ，即不对其收取网损费用。而对于p v 节点，其无功网损系数也为0 ， 即不对p v 节点的无功功率进行网损的分摊。但文献 1 6 】认为，即使平衡节点提供了 全网的网损，也应该承担网损，并提出可用于分布式平衡节点潮流下的边际网损分 摊方法。 2 5 潮流追踪法 2 5 1 潮流追踪法在电力市场中的发展 由于电网存在着并行流及环流，电力从电源( 发电厂) 到负荷( 用户) 流经的路线具 有多样性和不确定性，因而采用传统的潮流方法无法实现“追踪”发电节点到特定 负荷节点的有功及无功潮流。要确定发电( 负荷) 节点与输电线潮流的关系也只能运 用灵敏度分析方法，评估节点发电量( 负荷需求) 变化对于输电线潮流的影响，但它 并没有回答潮流走向问题。 近年来由于电力工业不断走向进一步的开放，在电力市场环境下，提出了许多 新的问题，有关潮流追踪的研究取得了极大的发展。随着技术进步，发电侧作为电 力市场的组成部分之一，其规模效益日益枯竭，因而它的开放最易实现。在完全竞 争的发电市场中，用户可自由选择发电厂商为其供电。从本质上说，这种开放的市 场可实现系统资源的充分利用，促进整个电力系统的有效运作，但同时也提出了对 于运作机制的更高要求：要实现发电成本在不同用户间的合理分摊，并且还要为发 电厂商及用户提供正确的经济信息。在这种新的环境下，以往的边际成本方法就无 法实现“一方向多方供电”或“一方向多方购电”情况下的成本的合理分摊。而近 来有关潮流追踪的研究为其提供了有效的解决途径。潮流追踪方法可“追踪”特定 发电节点到各负荷节点有功无功潮流的大小以及各发电( 负荷) 节点对特定输电线的 利用程度。 在电力系统中引入竞争机制前，潮流追踪没有意义，因为整个系统在经济上是 一体的，因此在电力系统内部并无商业行为。引入市场机制后，发电、输电和配电 可以分开经营，在这种情况下，输电公司必须要明确发电与配电公司的电能在输电 网络中的分布情况，据此来度量它们对输电网络的使用程度，为收费提供理论依据。 因此，在电力市场中，潮流追踪法得到了很大的发展和深入研究，也得到了较为广 泛的应用。现今所提出的潮流追踪方法中，大体上可分为按功率直接追踪、按电流 直接追踪和按功率迭代追踪等三类方法。 1 4 华北电力人学程硕士学位论文 2 5 2 潮流追踪法的基本原理 本小节主要对潮流追踪法的基本原理进行阐述【1 7 】【1 8 1 。 潮流追踪实际上就是判定由发电节点注入的功率如何在电网的各输电线及负 荷节点间进行分配。由于电网存在着并行流及环流，通常认为要追踪从发电节点到 负荷节点的潮流比较困难，而潮流追踪方法提供了有效途径。该方法建立的前提是 正比分配原则：假设网络节点都是理想的输入潮流“汇合点”。因而能够判断特定 的流入功率由哪条输出线流出。将该原则扩展运用到电网中的所有节点，追踪从发 电节点到负荷节点的有功、无功潮流，其具体实现可采用直观方法或运用网络矩阵。 这里，以网络矩阵方法为例进行介绍，因为网络矩阵方法比较简洁，数据更新方便， 更适用于理论分析。 设系统由n 个节点和脚条支路组成，p 为节点f 的输入潮流总和，若仅考虑节 点f 的输入潮流，则该节点的输入潮流的平衡等式可写成： 只= 吲+ ， 扛1 , 2 ，n ( 2 删) 式中为所有与节点i 相连，并向其输入潮流的节点集合； 弓为线，- i 上输入节点i 的潮流； 吃为节点f 的发电功率。 由于系统有功线损与节点输入潮流相比较小，故可假设： i 兰i 为说明0 与节点，潮流的关系，得下式： 阶牛阱弓兰巳弓 式中： c ，= f 叱 用式( 2 - 3 ) 对( 2 1 ) 进行代换，得到 只= 巳+ j e a i ( 2 汜) ( 2 为) ( 2 叠4 ) ( 2 _ 巧) 华北电力人学一i ：程硕士学位论文 整理后得到： 只一巳e = 圪 e 或写成： a 。p = 屹 式中a u y o ( n x n ) 矩阵，p 为各节点输入潮流向量，a 。的( i ，j ) 元素等于 阮l =一c # = 一 ( 2 - - 2 6 ) ( 2 玎) l2 j j 吒( 2 - j 8 ) 0 ，其它 从上式可以看出4 为稀疏非对称矩阵，若爿i 1 存在，那么p = 一i 1 p g ，p 的第i 个元素为 弘窆阽】如， h ，n ( 2 - - - i 9 ) k f f i l m 该式表明系统第七个发电节点供给第f 个节点的功率等于k 1 上。同时由于 节点i 总的输入潮流p i 等于节点i 总的输出潮流，即等于节点i 的负荷需求与所有 流出节点i 的支路潮流的总和，所以节点i 的负荷需求最，也可运用“比例分配原则” 通过只进行计算： 吃= 鲁只= 鲁喜d ：1 k ， ( 2 3 0 ) 即第k 个发电单元向第i 个负荷供给的量值就等于p 。p 。- i 1l p ，。 由此可以追踪特定负荷节点潮的来源，并用以进一步确定发电成本的分摊。 运用潮流追踪方法的发电成本分摊方法的基本思想表述如下： 运用潮流追踪方法，通过式( 2 - - 1 0 ) 求得各发电节点向负荷节点i 供给的电量， 运用成本函数，便可得到第i 个负荷节点应分摊的发电节点k 的生产成本： 删k = c k ，如h ，l 剐 ( 2 3 1 ) 其中c 为成本函数。 负荷节点i 应分摊的发电成本总和，即负荷节点f 分摊的所有向其供电的发电 1 g 华j 电力大学一f ：程硕十学位论文 节点生产成本的总和： p a y , = 剐圪 2 5 3 用潮流追踪法进行网损分摊 ( 2 - 3 2 ) 在前面小节所述的潮流追踪法中，假设系统网损很小可忽略，而实际系统是存 在有功及无功损耗的，系统总的发电量一般大于总的电量需求，为更合理的实现系 统收支平衡，有必要对忽略的网损也进行合理分摊。在这里仅考虑有功网损，主要 指有功线损，即输电线两端有功潮流的差值，可具体表示为： l o s s 州寻i i 弓l - l p j ：l i ( 2 一；) 其中 岛= 砟2 9 口一v ；v y g # c o s ( o i q ) + s i n ( b 一嘭) 】( 2 - - ；” 易= 哆g f k 巧k 口c o s ( o j 只) + s i n ( o j 只) 】 ( 2 一耵) 分别为线f j 两端的潮流，f i 为节点i 电压幅值，只为节点i 电压角，g 。为导纳矩阵 实部，为导纳矩阵虚部，l o s s ，一，为线i - j 上的网损。 为对网损进行分摊，与上文的输入潮流相对应建立节点输出潮流平衡等式同 理可推得： 最，。掣只= 掣舭l 气， 二五。，” c z 一砌 即通过线i j 输入第_ i 个负荷节点韵潮流等于 1 只- j i a ；1 l 鼢，只( 2 - - i ；2 ) 其中为所有与节点i 相连并接受节点i 输出潮流的节点集合，匕为节点k 负荷， i 为节点i 输出潮流。以为m x n ) 矩阵，岛的r i ，j 元素等于 k l = 一刚，弓， i = j j c c t 0 ，其它 从上式可类推得到线损l o s s h 可表示为 1 7 华托电力大学工程硕士学位论文 妇f 叫= t l o s s i - je = l o s p s i - j 一 - l i a i l l 吃， f = l ，2 ，一”弦 ， 该式表明负荷节点七应分摊的输电线f 一，的线损为 l o s s ，吖k ；1 l 吃，只 fj 。u 。， 这样就可实现依据各负荷节点使用线路的实际状况来进行网损分摊。 2 6 短期边际成本法 2 6 1 边际成本法的基本原理 总体上来看，输配电定价方法可分为两大类，即：基于微观经济学的边际成本 法和基于会计学的综合成本法i 7 1 。 边际成本法是根据输配电公司在执行输配电业务时，引起的总成本( 或变动成 本) 的边际变化，作为计算输配电费的依据。 综合成本法的是将年固定成本和变动成本所构成的年总输配电成本，按某种约 定的规则在各项输配电交易中分摊，从而计算出各项输配电交易的输配电费。输配 电价格为平均固定成本和平均变动成本之和。 边际成本法与综合成本法的主要不同在于：在综合成本法中，输配电的固定成 本只主要着眼于电网已经发生的成本费用：而在边际成本方法中，固定成本则着眼 于成本费用的变化量，即将要进行的投资。两类方法中变动成本的计算基本一致。 短期边际成本方法是根据输配电公司在执行输配电业务时，引起的边际变动成 本及收支协调费等，作为输配电费的计算依据。 边际变动成本，是指输配电公司承担输配电业务后，对其变动成本产生的边际 影响。其公式表达为； 孟：丑( z 4 ，) a 既， 式中国在时段t 输电的边际变动成本，元k w ，符号“”表示此价格尚未进行 收支平衡的调整： ”t 输送的电能值； 。，一一输电公司在时段t 的所有变动成本，包括网损、发电成本变化以及输配 电线路的功率约束成本等。其中功率约束部分反映了系统重新调度后发电机及线路 过负荷的费用或重新建设新线路的费用。 1 8 华北电力大学j 【：程硕j ：学位论文 潮流计算 j l 计算该输配电业务引起的短期边际运行成本 j 上 确定收支协调费用 上 计算该输配电业务短期边际总成本 约束条件包括： 系统最大发电约束 图2 - 3 短期边际成本法流程图 第，台发电机最大发电约束： 第i 条线路最大输电约束： 电能平衡约束： 式中系统总负荷； 彬一一线路损耗； 睨枷 ，s j 一 只f 只 。 玎0 + 彬+ 彬一砰名= 0 ( 2 屯i ) ( - 2 ，泓) 矿本电网与其他电网的电能净交换量： 发电量 通常以变动成本e 最小为寻优条件，考虑各项约束，引入拉格朗同乘子，建立 拉格朗目函数，详细的分析可以发现：电网公司输配电的边际变动成本，即为输配 电业务对电网线路损耗即其他相关费用，包括电网维护费和功率约束等费用的边际 影响。 此外，依据实时电价理论可知：输配电业务的短期边际变动成本等于流出节点 的实时电价( 未进行收支协调) 减去注入节点的实时电价( 未进行收支协调) 。 1 9 华北电力大学1 ：程硕士学位论文 用短期边际成本方法确定输配电价格，可获得社会效益和经济效益的最优，并 给予用户正确的经济信号。但由于短期边际成本是输配电变动成本对输配电能的导 数，没有考虑固定资产的投资回报和折旧，从而造成收支不平衡问题，所以通常要 进行收支平衡的调整，使得总的输配电费可以补偿输配电两的变动成本和固定成 本，l l p 辛b 偿电网的综合成本。 例如：智利于1 9 8 2 年颁布电力法，允许发电厂有偿使用电网给大用户供电。 随后发现，如果仅以边际输配电成本收取输配电费，将引起严重的收支不平衡，影 响电网的发展，据资料提供，其线路的年输配电费收入，与实际的支出相比，只占 1 0 4 0 ，最低只有1 。 所以，通常须进行收支平衡的调整，使得总的输配电费可以补偿电网的变动成 本和固定成本，即补偿电网的综合成本。此种补偿可以在全网范围内进行，也可逐 条线路进行。 进行收支协调的步骤为：确定电网的年收入及实际支出，得出待补偿部分，然 后对电网使用者采用相同原则进行收支协调。收支协调的方法有： 附加费方法：按小时边际变动成本以收取输配电费，年末收取附加费或归还多 收的金额以获得收支平衡。具体为： 一一垦： 堡 ( 挑b ) q 。瓦高芦而 以 式中蛾一一附加费； e ，全年输电综合成本： 胄。电网公司按短期边际成本确定的输电价格所获输电收入： 既电网公司承担的转运业务量。 修改电价方法：修改边际变动成本q 为q ，使c o , 尽可能接近q ，达到收支协 调的目的。具体还可分为： 按比例调整： c o ，= + m 国( - v ，) 式中c o 。一一为调整后节点n ，t 时段电价； c o 。为调整前电价； m 一一为收支平衡调整系数。 华北电力人学一程硕士学位论文 附加一个固定分量： q r = c o + 口 ( - 2 彤j 短期边际成本法在实际应用中有些缺点，包括： a ) 由于没有计及输配电投资与建设成本以及运行维修费用等，不能保证收支 平衡。因而，在应用时必须另外加“平衡项”予以修正。但如何合理地