（电力系统及其自动化专业论文）电力市场稳定性及其风险管理.pdf

东南大学博士学位论文 义价值化。提出了由静态充裕度、动态充裕度及经济代价组成的三维空间法，并构建 了发电容量的风险分析模型。分析了静态和动态容量扰动对充裕度及其代价的影响。 将可中断负荷视为一种紧急备用容量资源，协调充裕度的发电侧决策与需求侧决策， 求取最优风险不中断负荷。协调充裕性与经济性的决策方法，为电力系统和电力市场 的规划、运营以及监管提供了有力工具。 7 采用风险管理和协调优化的观点，结合电力可靠性与可中断负荷价值化理念，将发电 容量可靠性问题统一为风险最小化问题，提出了一种基于风险量化的备用容量优化决 策方法，其目标函数用货币值统一了物理系统的可靠性和市场参与者的经济意愿，有 效协调了安全性和经济性问题。所提出的方法不但实现了各类备用容量之间的组合优 化，也提供了不同类氆备_ f j 的市场需求与投资激励信息。 关键词：电力市场；稳定性；风险管理；动态仿真；晕化分析；协调优化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e rm a r k e ta l lo v e rt h ew o r l dt h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r i e so f p o w e r m a r k e ts t a b i l i t ya l em o r ea n dm o l en e e d e df o rs e c u r i t yo p e r a t i o na n dh e a l t h yd e v e l o p m e n t p o w e rm a r k e ti sl a r g e l yd i f f e r e n tf r o mo t h e rm a r k e t si nu a t u r e ，s ot h a tt h ee x i s t i n gm e t h o d sa n d m o d e l sf o ra n a l y z i n gg e n e r a le c o n o m i cd y n a m i c sm n om o r ev a l i df o rp o w e rm a r k e t ar e a s o n a b l e m a t h e m a t i c a lm o d e ls h o u l db ef o u n d e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rm a r k e tw i l h r e - d e f i n e ds t a t ev a r i a b l e s ，i no r d e rt oe x a c t l yr e f l e c ta c c u m u l a t e dc a p i t a l ，i n v e s t m e n t , a v a i l a b l e g e n e r a t i o nc a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , a n dr e f l e c ti n t e r a c t i o n sb e t w e e np o w e rm a r k e t d y n a m i c sa n dp o w e rs y s t e m sd y n a m i c s t h es 仃o n gu n c e r t a i n t yi sap r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co f c o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t t h eo p e r a t i o n c o n d i t i o no fp o w e rs y s t e mw a sd e c i d e db ym a r k e te x c h a n g e s u c ht h a ts y s t e md i s p a t c h e r sh a v et o b ec o n f r o n t e d 、i 血al o to f u n c e r t a i n t yf a c t o r s ，s u c h 勰m u c he n e r g ye x c h a n g e ，u n p r e d i c t a b l ep o w e r f l o w sa n dl i n el o s s e t c 1 1 i ep a r t i c i p a n t s p u r s u i tf o rm a x i m u mi n d i v i d u a lp r o f i tm a k e sp o w e r s y s t e mm o r ea n dm o r ec l o s e rt oc r i t i c a ls t a t e t h et r a d i t i o n a l 删s t i cc r i t e r i aa n dp r o b a b i l i s t i c a p p r o a c h e sc a n n o tg i v ee c o n o m i cq u a n t i t a t i v ev a l u ef i l la c c o u n to f n o tc o n s i d e r i n gt h el o s sr e s u l t e d f r o mf a u l t s 尉s kw a sd e f i n e d0 8t h ep r o d u c to fp r o b a b i l i t ya n do o n s c q u c r c e , 8 0t h a ti t c o o r d i n a t es t a b i l i t ya n de c o n o m y p o w e rm a r k e ts t a b i l i t ya n di t sr i s km a n a g e m e n tw e r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c h w o r km a i n l yi n c l u d e s ： 1 r e v i e w st h er e s e a r c hs t a t u sa b o u tp o w e rm a r k e ts t a b i l i t ya n dt h p o i n t so u tt h e i r s h o r t c o m i n g s 1 1 h ei n t e g r a t i v er i s ki d e ao ft e c h n o l o g ya n de c o n o m i c p r o p o s e db y c o m p a r i n ga m o n gd e t e r m i n i s t i cm e t h o d s ，p r o b a b i l i s t i cm e t h o d sa n dr i s km e t h o d s 2 t h em a i nc o n t e n t s e s s e n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rm a r k e tw c y ee l a b o r a t e db y c a t c h i n go ne c o n o m i c a lp r i n c i p l e sa n dp h y s i c m l a w s 3 t h em e a $ u l 8o fr i s km a n a g e m e n tw e r em o r ed e f i n i t e l yc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h e i r m e c h a n i s m 砌s kp r o b l e m si np o w e rs y s t e mw e r ea n a l y z e df r o ms y s t e mp l a na s p e c ta n d s y s t e mo p e r a t i n ga s p e c t m s kp r o b l e m si np o w e r m a r k e tw o r es u m m e du pf r o mg e n e r a t i o n d e m a n d , e x c h a n g ea n ds e c u r i t ys e r v i c e t h e n8 0 m ed e f i c i e n c i e sa b o u tt h e s er e s e a r c h e s w e r ep o i n t e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n 4 an o v e lm e t h o dc o m b i n i n ge x p e r i m e n t a le c o n o m i c sa n dd y n a m i cm o d e lo fp o w e rm a r k e t w a sp r e s e n t e dt od e a lw i t hp o w e rm a r k e ts i m u l a t i o n p r i m a r ya p p l i c a t i o nw a l tc a r r i e do u t o np o w e rm a r k e td y n a m i cs i m u l a t o r , i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f p r 删m e t h o d 5 1 1 ”s t a b i l i t ym a r g i n i n s t a b i l i t ym a l g i na n ds t a b i l i t yd o m a i nw c r ei n t r o d u c e dt oi m p l e m a n t q u a n t i t a t i v ea n a l y s ef o rp o w e rm a f k e ts t a b i l i t y s o m eu s e f u lc o n t r o la d v i c ef o rc a l i f o r n i a p o w e rm a r k e ts t a b i l i t yw a sp r o v i d e db ys i m u l a t i o na n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s e t h et h r e e d e f e n s e - l i n e so fp o w e sm a r k e tw e r ep r e s e n t e d s p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ef r a m e w o r ko f d e f e n d i n gc r i s i s o n p o w e r m a r k e t w a s p r o p o s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n 6 t h ea v a i l a b l eg e n e r a t i o nc a p a c i t yc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es d i e s t a t i ci n a d e q u a c y , d y n a m i cr i s k “b q i l a c ya n dd y n a m i ca d e q u a c y m a r g i n so fs t a t i ca d e q u a c ya n dd y n a m i c a d e q u a c ya md e f i n e dr e s p e c t i v e l y ；, t h ee f f e c t so fs t a t i ca n dd y n a m i cd i s t u r b a n c e sc o u l db e n i 东南大学博土学位论文 q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d , r i s k so fg e n e r a t i o nc a p a e i t ya r cd e a l tw i l hi na3 - ds p a l c o n s i s t i n g o fs t a t i c a d e q u a c ym a r g i n ，d y n a m i ca d c q l l a c ym 啦如a n dc o s t m r i s k - o p t i m i z e du n i n t e r r u p f i b l el o a dc a l lb ee s t i m a t e db yt r e a t i n gi n t e r m p t i b l el o a d s o n e k i n do fe m e r g e n c yg e n e r a t i o nr c l v e s i m u l a t i o n ss h o wt h ev a l i d i t yo ft h ep r e s e n t e d m e t h o d 7 b a s e do i lr i s km a n a g e m e n ta n dc o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o n ，a l lo p t i m a ld e c i s i o n - m a k i n g m e t h o di sp r e s e n t e df o rr c g c l v ee a p a c i t yi n t h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hc o o r d i n a t e sv a r i o u s k i n & o f “墨e e 蕾髓d u r c 嚣i n c l u d i n gi n s t a n t a n e o u sa n dn o n - i n s t a n t a n e o n sg e n e r a t i o n c a p a c i t i e sa sw e l la si n t e r m p t i b l el o a d s s i m u l m i o n ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dm e t h o dc b a l a n c et h es u p p l y - d e m a n dr e l i a b l ya sw e l la sc o s te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ；s t a b i l i t y ；d s km a n a g e m e n t ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；q u a n t i t a t i v ea n a l y s e ； c o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o n i v 东南大学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：盗竺置日期：翌! ：! ：z ? 东南大学学位论文使用授权声明 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。 e t 期：迦! ! 兰! 第一章绪论 1 1 电力市场的研究背景 第一章绪论 垄断体制使得电力企业缺乏活力，管理效率低、电价高且服务质量差等问题日益突出。 为了改变这一现状，以市场调节为主要手段，实现资源的有效配置，这已成为当前世界各国 电力工业发展的趋势。 电力市场改革包括了打破垄断、引入竞争、放松管制( d e r e g u l a t i o n ) 、结构重组 ( r e s t r u c t u r i n g ) 、服务分解( u n b i n d i n g ) 和分类计价( u n b u n d l i n g ) 等i l j 。具体地，打破电力 系统原有的垂直和水平垄断，在发、输、配、售等领域全面引入竞争机制，建立电力交易市 场；放松对电力企业的直接管制，按业务功能进行结构分拆与重组，组建发电公司、电网公 司及供电公司，使其成为自主经营、自负盈亏、自我发展、自我约束的法人实体和市场竞争 主体；电力服务分解为发电服务、输电服务、配电服务和售电服务，并根据每种服务的特点 确定相应的交易方式和定价机制。 自2 0 世纪7 0 年代末，智利实行世界上酋个电力市场以来 2 1 ，英国e n g l a n d & w a l e s ( 1 9 9 0 年) 、阿根廷( 1 9 9 2 年) 、日本( 1 9 9 5 年) ，美国加州( 1 9 9 6 年) 、美国纽约( 1 9 9 6 年) 、美国 p j m ( 1 9 9 7 年) 、欧盟( 1 9 9 6 年) 、挪威( 1 9 9 6 年) 、瑞典( 1 9 9 6 年) 、澳人利哑( 1 9 9 8 年) 以及新西兰( 1 9 9 9 年) 等国家与地区都纷纷加入市场化改革行列，并建立了实际运营的电力 市场1 2 - 4 1 。 1 9 9 8 年起，我国也在浙江、山东、上海以及东北三省推行了“厂网分开、竞价上网”的 市场化改革试点，并于2 0 0 3 年提出以合理的电价机制为核心，深化电力体制改革，构建起省 级、区域级和国家级三级电力市场体系。要求各级电力市场必须在准确定位、责权明晰的基 础上优化市场结构。并依据各自的功能统一协调发展。 省级电力市场是省级区域范围资源优化配置的基础性市场和直接面向广大用户的供电市 场，因此要规范统一、健全机制，并通过全面开放带动竞争、促进市场良性发展；区域电力 市场是跨省区资源优化配置的载体，只有打破各省问的壁垒，才会使市场交易规模不断扩大； 国家级电力市场是按照国家宏观调控的要求、保持国家控制力的重要手段，是实施匿电东送、 南北互供的重要载体，也是提高全国电网整体经济效益的基础。 发挥大电网在资源优化配置中的优越性和基础性作用，逐步形成以区域资源配置为基础 的全国范围内资源优化配置的大市场。通过深化电力体制改革，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。 改革，是一项探索和创新工程，因而机遇与挑战并存。电力行业与其它行业有着很大的 区别。就服务对象而言，其它垄断行业如铁路、民航、电信的服务对象都是社会部分群体， 而电力对社会是全方位的覆盖，其服务对象是所有人群，密切关系国计民生。再加上电能产 品的特点和电力系统的特殊性，电力体制改革更为复杂，挑战性更高，极需慎重。 电力市场实际运营的经验告诉我们，电力改革能否顺利进行，能否取得良好效果，首要 问题是市场模式及规则的设计。好的市场模式与规则能满足公平竞争要求，提高电力企业的 生产效率和服务水平，降低生产成本，带来巨大的经济效益，反之，不合理的市场设计则阻 碍了电力系统的运行与发展，处理不当甚至会引发严重社会后果及经济损失。美国加州2 0 0 0 年的电力危机就一个典型案例”1 。 市场模式与规则的设计主要包括市场的组织结构、交易模式及结算规则等。世界各国的 电力市场化改革都十分注重这些问题，并按实际需要采取了相应的解决方案【强7 l ： 东南大学博士学位论文 1 ) 组织结构 电力市场运营由发、输、配等环节的联合工作来完成。厂网分开后，输电服务的商业化 运营机制很大程度上决定了市场的组织结构。输电服务要素主要包括：电能交易中心p x ( p o w e re x c h a n g e ) ，其主要职能是提供一个供需双方交易电能的场所。独立系统调度员 i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) ，其主要职责是运行方式制定、实时调度、系统监控等。 输变电设备拥有者t o ( t r a n s m i s s i o no w n e r ) ，负责调度输电系统并向所有用户提供输电服 务。辅助服务a s ( a n c i l l a r ys e r v i c e ) ，提供辅助支持服务以保证电力系统安全可靠运行。 发电协调s c ( s c h e d u l e r c o o r d i n a t o r ) ，以分散的方式进行电能供需交易。 因国情差异，市场的组织结构不尽相同。美国的加州电力市场按上述的5 个要素分别形 成5 个独立的职能机构。而有些电力市场按自身的需要，将一些职能结合起来，比如英格兰 将p x 、i s o 和1 _ o 组合成国家电网公司n c r c ( n a t i o n a l g r i d c o m p a n y ) l s j ，挪威将i s o 和1 d 结合唧，一并处理调度和输电服务。我国成立了两个大电网公司和五个发电公司，电网公司负 责电网的运行、维护、调度和交易。 2 ) 交易模式 电力市场的交易模式主要为两个基本类型【l q ：联营交易模式( p o o lm o d e l ) 和双边交易模 式( b i l a t e r a lm o d e l ) 。前者是购、售电交易必须在电力联营中心( p o w e rp 0 0 1 ) 内进行，并由 所有市场参与者与联营中心进行交易的方式；后者是购、售电交易主要在发电公司和配电公 司之间进行，然后向电网公司支付转运费的交易方式。英国、美国p j m 、澳大利亚等电力市 场采用联营交易模式，挪威、美国加州等电力市场采用双边交易模式。 从两种基本模式出发，有些市场加入经纪人( b r o k e r ) 、零售商( r e t a i l e r ) 等中间环节， 派生出了多边交易模式、p + b 混合模式。 3 ) 结算方式 电力市场的交易结算一般采用按统一出清价结算( m c p ) 或按自报价结算( p a y - a s - b i d ) 。 前者根据发电机组的报价进行优良排序，然后按最后入围的一台机组价格进行统一结算；后 者则是按各自的实际报价进行交易结算。 虽然市场模式及规则因国情不同而不必强求完全一致，但都遵循着一些普适性原则： 是否满足市场经济的要求。是否充分考虑剑电力商品的特殊性。是否有利于电力工业和 国民经济持续、稳定发展。 竞争机制提高了电力行业的活力及生产效率，为消费者提供了灵活多样的电力服务。但 与此同时也引发出一系列新问题，如电价波动大、电网阻塞加剧、安全裕度降低等。这些问 题反过来又制约了市场的竞争充分性，阻碍了电力系统和电力市场的运行与发展。 电力专家和学者都十分关注电力市场化改革中出现的新问题，研究指出：电力改革必须 把市场经济原则和电力系统客观规律结合起来。电力不能大规模储存，电力供应具有系统性， 随机性，且要求实时平衡，因此电力交易只能在符合物理与经济规律的基础上进行。一个竞 争，有序、健康、可持续发展的电力市场应当具备以下的技术经济条件【l l 】： 1 ) 耍有足够的发电容量 电力市场稳定运行和持续发展的前提是必须有足够的发电厂供给系统负荷。其目标在于 满足系统可靠性要求下经济地增加供电量。并能止确分摊市场投资者风险。一些专家建议采 用长期合约方式去保证未来的电力供需，这样有利于保障投资者利益，调动投资积极性。此 外，一些学者认为双边合约的市场结构能让每个用户可以自由选择供电商，有利于激励新的 参与者投资与竞争，满足供应充足要求。 2 ) 要有足够的备用容趋 2 第一章绪论 系统要有充足的备用容量，这既是市场化改革的原因之一( 追求系统的价值最大化) ，也 是市场化改革的基础( 保证安全稳定供电) 足够的系统备用容量能够保证电力市场发展期间 供电和用电、电能交换的实时平衡，达到安全、稳定供电的目的。同时，对具备备用能力机 组支付基于市场出清的容量费用可以实现整个系统的效益最大化。 3 ) 高质量的输配电网络系统 对于当前大区域联网的电力市场发展趋势，跨区域、长距离输电需要强大的网络结构。 高质量电网既是电力交易在区域电力市场条件下顺利进行的基础条件，又是提高大范围供电 可靠性和安全性的保障。因此应正确引导电网投资，加强输配电网络基础设施建设。 4 ) 成熟的信息技术支持系统 电力市场信息技术支持系统是基于计算机、网络通信、信息处理技术，并融入电力系统 及电力市场理论的综合信息系统。随着电力工业改革的迅速发展，只有信息技术支持系统不 断完善，才能满足市场运行功能要求。为市场报价、交易、结算、合同管理及信息发布提供 技术手段，并实现电力系统的监控、计量、调节、安全分析等应用功能，从而支持电力市场 的公平、公开和公正竞争，也支持电力系统安全、稳定、优质和经济运行。 5 ) 完备的市场监管机制 合理监管是市场能够有序、开放、竞争运营与发展的重要保证。它涉及到电力市场的各 个环节，监管对象包括电力市场各参与者和市场运营机构。 电力市场本质上属于寡头肇断的市场，一方面，市场参与者很容易滥用市场力，采取不 正当竞争、串通报价及违规交易等行为，进而操纵电力市场；另一方面，市场运营机构也会 违反市场规则，对市场主体有歧视行为，妨碍了公平性。因此，要有与市场化改革相配套的 电力法和完备的基于激励机制的监管法规。 电力市场化改革发展至今，虽然取得了不少成果，但道路并不一帆风顺。竞争体制下出 现的容量短缺、电价飚升、阻塞严重等问题给社会经济造成了负面影响，这制约着改革的进 一步发展。特别是在美国加州发生了电力危机之后，电力市场改革受到了不小的打击，甚至 出现了反对改革的声音。 应该认识到，改革是创新与发展的动力不必因为出现挫折而放弃前进的步伐，相反， 更应该总结经验与教训，积极寻找对策，完善规则方案，以推进电力市场化建设，促进电力 工业持续、健康及协调发展 分析电力市场改革中所出现的负面问题，不难发现它们都与系统的稳定性有关。在市场 主体与利益格局多元化体制下，人们更多地追求个体利益最大化，如果缺乏全局的稳定性分 析，并采取合理的监控与指导措施，出现上述负面问题也就不意外了。 遗憾的是，目前有关电力市场的研究大都集中在规则设计、报价策略，利益博弈等领域。 虽然电力市场稳定性问题十分突出，也迫切需要解决，但仍缺乏必要的深入研究和探讨，这 与关系国计民生的电力行业的改革及发展要求极不相称。 1 2 电力市场稳定性研究的必要性 不能保证稳定的系统是谈不上其他品质的。随着市场化改革的推进，电力市场的稳定性 问题越来越突出，它影响着系统的安全运行和可持续发展。 3 东南大学博士学位论文 在电力市场这个大系统中，同时存在着遵循物理规律的电力系统和遵循经济规律的电力 市场。这两类不同领域内的稳定问题彼此密切相关【1 2 1 。例如发电容量充裕度问题不但影响电 力市场的运营稳定性，也会影响了电力系统的长期稳定运行。 电力交易瞬息万变电力调度既要保证公平竞争，又要保证安全运行。主管部门在研究 和制定适合电力市场的新的安全运行导则时，也必须依据有效的量化指标来作为安全运行的 标准。在电力市场环境中，政府部门、电力市场的主管部门和电力市场的参与各方都希望评 估影响电力市场稳定性的各种因素，掌握在受到不同程度、方式和持续时间的扰动情况下， 电力市场稳定程度的量化指标，便于他们正确地制定宏观经济政策法规和市场规则，建立稳 定的市场秩序，避免人为因素对电力市场造成大的扰动。当市场受到不可抗拒的冲击时可以 及早采取预防措施或紧急措施，尽量减少电价的波动，避免电力市场的崩溃。 2 0 0 0 年美国加州电力市场的崩溃就是这样的一个深刻教训，也引起了我国政府和电力主 管部门对电力市场自身稳定性问题的高度重视。为此，必须理解电力市场的动态规律，特别 是市场在受剑并种大扰动时的稳定性问题。但是国内外在这方面的研究1 = 作极少，人们还不 知道如何建立数学模型，不知道如何评估其稳定性，相关的研究工作成为十分必要和迫切。 电力界在技术层面上讨论过1 9 9 6 年的北美西部丈停电，又在经济层面上讨论过2 0 0 0 年 的加州电力危机，却没有充分认识到在电力市场环境下的电力系统发生更人停电灾难的可能 性i l ”。2 0 0 3 年人类历史上最大规模的北美东部“8 1 4 ”大停电发生后，又回过头来重新在技 术层面上进行讨论。这种在思维方式上孤立地仅从技术上寻找原冈，或仅从经济上寻找原因 的状况必须改变。 实际上，在大规模的市场化和系统互联下，系统的运行条件、稳定裕度、备垌容最以及 对突发事什的应变能力都与以前人相径庭。电网中能晕流、资金流和信息流的时间尺度差别 巨大，却又紧密地互相影响。电力生产和消费必须每时每刻平衡，但其流通环竹在物理上和 运行上都具有自然垄断性，而且其生产规模的扩大义需要很& 的时滞。一方面，为了缓解电 网的阻塞及正确地引导对发电和输电的投资，在输电费中必须考虑物理系统火稳的风险；为 了在紧急状态卜的应变，系统在任何情况下必须保留足够的备用容量。这些技术因素强烈地 影响了电力市场的经济稳定性。另一方面，电力交易市场通过发电竞争影响到电力系统当前 的物理稳定性；电力投资市场通过改变今后的可j ；i 发电容量和可删输电容量来影响电力系统 以后的物理稳定性。如果市场运营不能引导出充足的远期可崩发电容量和可用输电容量，不 但电力市场有稳定性危机，电力系统中的偶然故障也更容易发展成相继开断，并导致大范围 停电。由此可见，电力市场中电力系统和市场化固有的密切联系，决定了必须将技术问题和 经济问题融合在一起，结合电力生产、电力运行以及电力市场运营的特点，来研究电力市场 的长期稳定性。 只有保证电力市场的稳定性，才能实现电力市场的正常运行与可持续发展，进而确保电 力系统的安全。 世界各国电力市场的发展和我国电力市场逐步形成的大环境是本课题研究的背景，目前 迫切需要电力市场稳定性的研究成果来促进电力市场的健康发展。 1 3 电力市场稳定性的研究现状 虽然电力市场的发展已走过了几十年，但目前的相关理论研究大多集中在模式设计【、 竟价上网【| 5 - 1 6 、交易结算“7 1 、输电定价【1 “、辅助服务1 卅以及支持系统开发1 2 0 等问题上，而很 少研究电力市场的稳定性。 文献【2 l 】首次提出了电力市场的稳定性问题。文中假设：发电商电量增加的速度正比于价 格与成本之差，而h 户电鼍增加的速度正比于收益与价格之差。建立了两个一阶微分方程， 具体的数学模型为： 4 第一章绪论 岛= 五一一勺弓 死允= + 名一名 ( 1 - 1 ) 式中，是供给时间常数，0 是供给电量， 是实际价格，+ c 亭d 是边际成本。第一 式表明：当价格高于边际成本时，发电商希望增加电量；当价格低于边际成本时，发电商希 望减少电量。 是需求时间常数，畜是需求电鼍，+ c 4 p 0 是边际收益。第二式表明：当价格高于边 际收益时，用户希望减少电量；当价格低于边际收益时，用户希望增加电量。 第三式描述供需均衡，即市场的总供给等于其总需求。 作者在分析这些微分方程时，却将带有微分的项全部取为0 ，仅研究了平衡点附近的静态 稳定性问题。 随后，作者的后续研究考虑了频率的二次调节与报价的关系模型 2 2 - 2 3 1 ，试图研究当负荷 突然变动时系统的稳定性问题。具体的数学模型为： t 口垂口= 一b 口一c 口p 口一ks i e + a i = 1 m t 日p 4 ：b 自+ c ? p 日- k , # e - 2 j2 1 “ l l - 2 ) m 一一 言= 匕一岛 - i j - i 乃彳= 一k e e t 2 a 式中，e 代表系统存储的能簟( 例如频率偏差) ，k 代表市场供给稳定器增益，如代表市场 需求稳定器增益，n 代表价格时间常数。 文中指出：当负荷突然变动时，电力系统由全部汽轮机的转动惯量提供能量，整个电力 系统的频率发生变化，直到发电功率等于变化后的负荷值，称之为一次调节。一次调节留下 了频率偏差和净交换功率偏差，由a g c 动作去恢复频率和交换功率，称之为二次调节。二次 调频中除了要考虑机组的调节特性，还要考虑到系统的安全性和经济性，从而与机组的报价 有关。 该文献虽然在描述电网特性的微分方程中考虑了电价，但从本质上来说，它只是研究在 短期内辅助服务的质量问题，并非稳定性。 文献【2 4 】以价格为变量，应用经济学中的蛛网理论建立了市场供需均衡的差分方程模璀， 如式( 1 - 3 ) 所示： s l = z ( 以- ，：，五) d j ( 。) = g j 以l ，乃2 ，乃。) ( 1 - 3 ) ， y s 咖，- q 式中，s 轴为供应方f 在第n 周期的供应量，_ “为供应方i 在h 周期的价格，石表示供给 和价格的关系；为需求方在第 周期的需求量， 扣为需求方，在周期的价格，白表示 需求和价格的关系。 作者将上式用泰勒级数展开，取一次项；假设n 周期供应只与”，m j 周期的价格有关，n 周期需求只与n 周期的价格有关；网络无阻塞时有 。= 1 扣，则式( 1 - 3 ) 简化为： - 5 巳 。m = 巳 _川 东南大学博士学位论文 s 舢) = a f + 6 i & 。1 ，+ 岛l ) d j ( 。) = c ，+ d j 。) ( 1 4 ) 通过简约后，建立了式( 1 4 ) 的线性化模型，然后采用广义离散系统解的稳定性定理来 分析和建立判据，以数值特征值来表述市场稳定性。 文献 2 5 1 结合a l v a r a d o 提出的动态市场模型，在l y a p u n o v 稳定意义f ，从理论上讨论了 电力市场的稳定性，并给出一系列判断条件。 综观文献 2 1 - 2 5 1 ，所有研究的建模思想及数学模犁都隶属于a l v a r a d o 所提出的动态市场 模型的范畴，只是处理方法上加以改变。仅注重经济领域理论( 蛛网理论) 的引用和推广， 而忽视了电力市场的特殊性规律。电力属于一种需求量弹性极小的商品，且用户侧屯价一般 由政府和电力监管部门制定，不会轻易变动。冈此，这些文献的数学模型中，供给量与价格 以及需求量与价格的关系描述并不符合电力市场的特性。而且，市场模型的分析方法都采j i j 了基于线性化的手段，难免局限于平衡点附近的静态稳定性分析。 文献 2 6 1 认为电力市场的稳定性是指市场状态由一种状态变为另一种状态的倾向性。在这 种思想指导f ，作者根据不同的发电成本和消费函数提出了一种电力市场稳定性的度螭指标。 文中的分析结果表明，所提出的指标只适用于均衡态的短期小扰动稳定性。同样研究短期均 衡稳定性的还有文献【2 7 】，该文作者基于控制理论观点。采煽闭环动态系统米建立电力市场模 型，并以市场价格作为反馈信号，分析了供应方为获取经济博弈中个体利赫最人化而调整供 应量的行为的动态过程，最后通过控制理论米论证市场均衡及其稳定的充分条件。 独立系统操作员( i s o ) 在制定电力交易方案时，需要了解方案是否满足电力市场的稳定 均衡要求。文献 2 8 1 提出了一种有限理性的动态c o u m o t 搏奔模型，以研究市场参与者的博弈 行为。基于所提出的模型，分析了电力市场的纳什均衡及其稳定性，讨论了发电调整堵及电 价最大约束值等市场参数对电力市场稳定性的影响。文中模型是针对局部环节来建立的，因 而属于局部稳定性的研究。 文献【2 9 】运用博弈论对单边开放电力市场中寡头厂商的动作行为进行了分析。指出：过分 依赖现货市场的自由竞争将导致市场不稳定。要维持电力市场稳定运行，必须在现货市场的 基础上进一步完善其他的市场运行机制，其中，建立发电安装容鼍市场是一种有效的手段。 发电安装容鼍市场的存在可以保证电力市场处于一种有效竞争状态。作者在后续研究中指出 远期合约及期货市场的建立既可以正确引导长期发电投资的增长，也可以削弱寡头厂商在现 货市场中的市场力量0 0 3 。由于该研究只针对单边开放电力市场展开，因此其结论无法指导全 局稳定性。 直接开展电力市场稳定性研究的文献不多，但不少学者关注了该领域中的一个重要内容， 即电力供需均衡问题。电力市场均衡需要经过参与者竞价，然后由电力交易所( p x ) 撮合来 实现，因而与供需双方的行为策略有关，往往表现为一类博弈问题。文献3 1 1 提出了一种分析 c o u r n o t 博弈均衡的方法，作者将c o u r n o t 博弈均衡转化为多元非线性的约束优化问题，然后 用遗传算法进行求解。文献【3 2 】在假设市场是完美的条件下建立了电力市场的均衡模型，并在 数学上讨论了均衡的存在性。 文献 3 3 】研究了电力市场中线性供应函数重复竞标时发电商学习对市场均衡的影响。分析 结果表明发电商经过博弈学习所达剑的均衡点价格反映了真实的市场供需关系，能实现市场 的经济调控作用。文献 3 4 1 在假设各机组边际成本相同的条件下建立了电力市场价格竞争的优 化模型，以此分析按自报价结算( p a b ) 电价机制卜的n a s h 均衡问题，并与市场统一出清( m c p ) - 6 h ， d ，一 = 4 s ，m 第一章绪论 电价机制进行对比。指出在容量紧张时，p a b 机制下电价波动小、平均电价高，而m c p 机翻 下电价波动大、平均电价低。 发电商与用户之间的电力交换需要经过输电线路传递才能实现，因此，线路的传输容量 成为了制约电力市场供需均衡的一个重要因素文献 3 5 1 从市场均衡定义出发，计及线路传输 容量约束，建立一个两层优化的均衡模型。在下层优化中i s o 通过求解最优潮流( o p f ) 问题 来最大化社会效益，而在上层优化中，电力供应商通过线性供应函数竞标来最大化各自利润 最后，通过在不同决策区域中搜索发电供应商最优响应曲线的交点来定位市场均衡点。 文f 跌 3 6 - 3 7 建立了一个考虑输电网络约束的电力市场线性供应函数均衡模型，采用基于 非线性互补方法的改进l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法来求解均衡解。后续研究p ”增加了套利和无 套利分析。结果表明套利者的出现可以起到降低市场电价、限制发电商市场力的作用，同时 有利于整个市场社会福利和消费者利益的提升 输电线路网损是影响供需均衡的另一因素。文献 3 9 1 对这一问题进行了研究， 建立了由 发电方和_ f ；l 户双方共同承担网损的电力市场均衡模型，分析表明市场均衡时的网损分配是公 平的。 系统若要具有稳定性的均衡能力，则应当计及备用因素的影响。文献 4 0 1 建立了发电企业 在电量与备用共同市场规则下策略竞价的供给函数均衡( s f e ) 模型。研究指出，与单纯电量 市场相比，电量与备用共同市场在获取足够备用容量的同时，不会增加系统支付费用，且有 利于系统稳定均衡。 如何保证电力供需长期均衡是当前电力市场建设中迫切需要解决的重大问题。文献 4 1 1 剖析了产生电力供需均衡振荡的经济机理，分析了缺电局面的长期演变特点。指出电力系统 的供需之间存在价格与需求被割裂、缺乏长期价格引导信号等问题，致使电力供需均衡出现 了周期性振荡。针对上述问题，提出了采用累进制电价机制等措施去规避电力供需均衡振荡。 该文意识剑长期均衡的重要性，但没有进行稳定量化分析及长期动态仿真研究。 综观上述的电力市场稳定性研究，不难发现，现有的研究方法具有很大的局限性，具体 体现在：线性化模型；特征值分析；静态稳定分析；局限于均衡点附近的小扰 动，缺乏对大扰动的分析与预警；大都集中在短期稳定性研究，不考虑可用发电容量的变 化；不考虑投资市场与交易市场的相互影响，缺乏闭环反馈控制理念；不计及动态稳 定阻塞；不考虑电力市场经济稳定性与电力系统物理稳定性之间的相互制约；缺乏稳 定性的风险分析及危机防御；定性研究，无法提供稳定性的阜化支持。 要使得电力市场稳定性研究对电力市场的运营与发展具有实际的指导意义，必须克服上 述局限性。应基于电力市场稳定性的本质，探索有效结合市场经济原则和电力系统物理规律 的正确研究方法。文献【1 2 】讨论了电力市场经济稳定性与电力系统物理稳定性的关系，分析了 电力市场不同于其他商品市场的特征。指出经济领域现有的动态模型和研究方法不适合电力 市场的长期稳定性和大扰动稳定性的研究，必须提出新的方法，建立新的模型，开发分析的 有效工具和手段。然后根据交易一投资等环节的闭环控制思想建立了电力市场动力学的框架 模型，为电力市场稳定性指明了正确的研究方向。 基于上述思想，该课题组开展了电力市场稳定性的系列研究。文献 4 2 1 从传统体制到市场 环境之间义利重构