（电力系统及其自动化专业论文）基于耗散功率转归分量的节点电价网损修正.pdf

基于耗散功率转归分量的节点电价网损修讵 a b s t r a c t t h ep r a c t i c eo fe l e c t r i c i t ym a r k e ti st h ei n e v i t a b l et r e n do fe l e c t r i ci n d u s t r yi n d e v e l o p i n g ， w h i c hr e s u l t si nt h ec h a n g eo ft h ec o n v e n t i o n a lp o w e rs y s t e mi n o r g a n i z a t i o n ，a n dc a u s e sas e r i e so fn e wp r o b l e m ss u c ha sd e t e r m i n i n gt h en o d a l p r i c ec o n l p o n e n t a l t h o u g ht h el o s s e sc o s ti nn o d a lp r i c ei so n l yas m a l lf r a c t i o no f t h ef u l lc o s t ， t h ee c o n o m i cs i g n a l si tp r o v i d e sh a v eg r e a tm e a n i n gi ni m p r o v i n g t h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n dg u i d i n gt h ei n v e s t m e n ti n g e n e r a t i o nr e s o u r c e s ，a sw e l la sp l a n n i n gt h ec o n s t r u c t i o no f t r a n s m i s s i o nn e t w o r k f i r s t l y ，t h i sp a p e re x p o u n d st h en o d a lp r i c et h e o r yi nd e t a i l ，i n t r o d u c e st h eu s e a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fn o d a lp r i c es y s t e mi na b r o a dr e g i o n a le l e c t r i c i t ym a r k e t ， a n da n a l y s e st w ot y p i c a li m p r o v e dn o d a lp r i c em e t h o d st h a tc o n s i d e r i n gl o s s e sc o s t u s et h i sa saf o u n d a t i o n ，an e wi d e at h a ta p p l y i n gt h ei m p u t a t i o no fi m p e d a n c e b r a n c h d i s s i p a t i o np o w e r t od e t e r m i n et h ec o r r e c t e dn o d a lp r i c ec o n s i d e r i n g t r a n s m i s s i o nl o s s e si sa d v a n c e d b a s e do nt h en e wi d e a ，t h ep a p e rp r e s e n t san o v e la l g o r i t h mo fi n c r e m e n t a l t r a n s m i s s i o nl o s st h a tb a s e do nt h et h e o r yo fi m p u t a t i o no fa ni n l p e d a n c e b r a n c h d i s s i p a t i o np o w er i n d e p e n d e n to ft h ec h a n g eo ft h es l a c kb u s ，t h ea l g o r i t h mc a n r e f l e c tt h ei n n u e n c eo fl o s s e sb ye v e r yb u si n c l u d i n gs l a c k ， a n ds e t u p t h e i n c r e m e n t a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e ne v e r yb u si ns y s t e ma n di m p e d a n c e - b r a n c h d i s s i p a t i o np h y s i c a l l y c o m b i n i n gt h e c l a s s i cn o d a lp r i c em o d e l ，t h ea l g o r i t h mi s a p p l i e dt oc o r r e c t e dn o d a lp r i c ec o n s i d e r i n gt r a n s m i s s i o nl o s s e s s i m u l a t i o nr e s u l t s i ni e e e 3 0b u st e s ts y s t e mi n d i c a t et h a tt h er e v i s e dn o d a lp r i c ec a nr e n e c tt h e i n n u e n c eo fl o s s e sb ye a c hb u si nd i f f e r e n tl o c a t i o n ， a n dt h ee c o n o m i cs i g n a l i n c l u d i n gl o s s e s m o d i n c a t i o nc a ni m p r o v et h er e s o u r c ea r r a n g e m e n tw i t hl e s s t r a n s m i s s i o nl o s s e sa n dm o r ee f f b c t i v ee n e r g yt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ： l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ；i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o nl o s s e s ； l o s s e s m o d i n c a t i o n ；l o s sc o s t ；d i s s i p a t i o np o w e rc o m p o n e n t ；e l e c t r i c i t ym a r k e t l l 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：蓣淬农 日期：为。7 年f 月影日 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。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蓑泽友 导师签名：璐 日期：口。7 年月以日 日期：加口7 年月砂日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 电力工业由于具有规模经济性，一直都是由发、输、配、用电组合在一起的 地区性垄断产业，也被称为“自然垄断 行业。在生产运营中，一直都是采取自 上而下、垂直统一的管理模式。在这种模式中，电力运行的目标是成本最小化， 同时收取的电费也是以回收成本并获取一定利润为标准。但是，垄断的电力工业 经过多年的发展，逐渐显示出颓态【l 】。一方面，电力企业缺乏高效率运行的动机， 在一定程度上延缓甚至阻滞了电力工业技术创新的步伐；另一方面，监管电力工 业的机构逐渐发现监管电力系统这个庞大的垄断行业困难重重，他们也希望能够 有一种新的手段或模式来管理电力系统的运营。 2 0 世纪8 0 年代，垄断的电力工业开始发生变革，世界许多国家和地区相继进 行了电力工业市场化改革，以达到提高电力行业效率、降低发电企业生产成本的 目的。一个显著的特征是为电力工业引入竞争机制，给发电商提供竞价上网的市 场平台。 1 9 7 8 年，智利率先进行了电力市场化改革，其目的是吸引资金对电力工业的 投入，并在发电侧展开竞争，几年的市场化改革使得智利的电力工业得到了很好 的发展【2 1 ，由此拉开了世界各国电力工业市场化的序幕。英国的电力工业改革从 1 9 8 7 年开始推行【3 】，其市场化进程是从电力工业私有化起步的，国家只负责高压 输电网络的运行，发电公司和用户方作为电力市场的主体参与竞争。从2 0 世纪9 0 年代起至今，世界上已形成了电力市场改革的潮流，阿根廷、美国、加拿大、澳 大利亚、欧盟各国、北欧的瑞典、丹麦、挪威以及中国、日本等亚洲国家都进行 了不同程度的电力工业市场化尝试【4 。6 】。2 0 0 2 年4 月，中国国务院发布了关于印 发电力体制改革方案的通知。该通知是指导我国电力市场设计、运行和管理的纲 领性文件，从而揭开了我国电力市场改革从试点到实施的序幕，标志着我国电力 工业真正从垄断走向市场，开创了我国电力工业发展的崭新时代。 对于目前的电力工业改革来说，电价是整个市场化改革的核心和“温度计 ， 它能测量出电力改革的“温度 ，从而暴露出这个机体存在的问题。任何一个国家 电力市场的形成都必须从改革电价制度开始，因为电价是电力市场中最关键的问 题，是电力市场的支点。特别是随着经济的发展，人们对电能的依赖性越来越强， 使得电价对社会各方利益的影响程度也越来越深。因此，不合理的电价将给电力 工业及其它行业、甚至整个社会的稳定带来负面影响。只有建立起合理的电价制 基于耗散功率转归分母的节点电价网损修讵 度，才能优化社会资源配置，实现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。 本文所要研究的节点电价( n o d a lp r i c eo rs 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 y c o m m i s s i o n ，f e r c ) 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【7 。8 l ，并将其定义为满足某节点新增1m 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 价格空间差异的主要原因是电力网络存在输电损耗和输电阻塞。这些随节点位置 不同而不同的实时电价也称为节点边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) ， 它的定价原则为：( 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，阻塞成本等于负荷节点与发电 节点之间l m p 的差值。当输电系统不考虑约束条件且不计及输电损耗时，各节点 的电价相同；而在有约束条件下，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，此时，各节点电价包含了系统能量生产成本、输电阻塞成本 和网损成本。因此，电力市场中采用的节点电价机制，不仅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，而且也能反映电力资源的稀缺程度， 为电力的生产者、消费者、投资者和管理者提供电价信号，从而提高电力资源使 用效率，优化电力资源配置，促进电力市场稳定发展。因此，对节点电价的研究 具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外提出了许多节点电价计算模型与方法。其中应用最广的方法有 2 种：基于最优潮流方法( o p f ) 和基于费用流方法( c o s tf l o wt r a c i n g ) 。 最优潮流法【9 之3 】一般是通过构造某一个最优目标函数( 如发电成本最小、购电 费用最小、社会盈余最大、网损最小和阻塞成本最小) 并考虑网络约束的数学模型， 进而根据拉格朗日乘子确定节点电价。 文献 1 1 使用了改进o p f 模型中有功价格响应来分析实时电价政策对用户的 影响，这是o p f 应用于实时电价的首次尝试。文献 1 2 通过引入无功价格丰富了 文献 1 1 的模型，并揭示出o p f 模型中潮流方程对应的拉格朗日乘子与节点注入 功率边际成本的关系，进一步证明了o p f 是一种极具潜力的实时电价计算方法。 文献 1 3 提出一种新的基于最优潮流( o p f ) 的有功无功一体化实时电价模型及算 法。该模型以0 p f 取代传统实时电价理论中的经济调度概念，在考虑电厂无功支 持辅助服务定价的同时，采用新电网可变成本函数，保证了电网公司的投资回收。 文献 1 4 总结并探讨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 硕士学位论文 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 15 16 在o p f 的基础上证明了每个节点价格 可由相关因素( 诸如发电、传输阻塞、电压限制、竞标策略以及其它因素) 精确地 分解成不同的组成部分，并对每种电价分量提供了详细的描述。这种电价的详细 信息不仅能够提高电网运行效率，同时对制订竟标策略、价格预测等工作具有重 要参考价值。文献 17 基于分布式母线的解耦最优潮流( o p f ) 问题推导出一种新 的实时电价模型，通过遗传算法解该最优潮流模型，并根据扩展拉格朗日乘子法 把最优潮流中的各种等式约束和不等式约束因素转化成电价分量；最后结合实时 电价模型获得各母线处的电价。 文献 18 建立了计算节点边际电价的线性规划模型，通过将有功潮流线性化， 运用原对偶内点法求取节点边际电价，解决了传统线性规划方法求解节点电价存 在的困难。文献 19 从新英格兰市场的节点电价出发，在直流最优潮流模型中引 入网损分布因子，讨论并改进了边际网络损耗在节点电价中的应用。而文献 2 0 则通过发电分布因子( g s d f ) 构造出计及网损的最优直流潮流模型，通过迭代的方 法获取各个节点的节点边际电价。文献 2 1 提出了应用交直流迭代求解含网损节 点边际电价的方法，该方法修正了直流潮流所带来的误差，同时也改进了交流最 优潮流的计算速度和算法的可靠性。文献 2 2 比较了基于直流最优潮流( d c o p f ) 模型和交流最优潮流( a c o p f ) 模型的节点电价计算方法，探讨了它们在节点电价 中的特点及存在的不足。而文献 2 3 也是从d c o p f 和a c o p f 出发，分别建立了电 能交易数学模型，推导出节点电价及其各分量的计算公式，并分析了节点电价特 性和基于节点电价的市场参与者收支情况。 而费用流法【2 4 也8 】是通过对系统中节点费用进行追踪，从而展现出包括网损功 率在内的发电功率和负荷功率之间的直接关系，再结合发电上网电价确定节点电 价的一种追踪方法。文献 2 4 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， 并依据节点价值流平衡的原理，求解线性方程组获取系统中各节点电价。文献 2 5 提出一种电力市场环境下电力配送计划的优化模型，将电力系统描述为一个由发 电节点和用电节点构成的二分图，并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，从而确定各节点成本电价。文献 2 6 从经济学的角 度出发，运用费用流方法分析了输电网中各节点负荷功率的成本构成，并在该构 成方案中综合考虑了各发电厂上网电价、输电元件固定成本以及网损的成本。文 献 2 7 基于追踪加权平均理论提出了一种新的定价方法。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 2 8 从功率分解和功率分量的 归属问题出发，分析了电网功率的分布情况；以节点费用流守恒为原则，在研究 基于耗散功率转归分量的节点电价网损修正 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。基于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。 随着电力工业体制改革的不断发展和电力市场开放的不断深入，准确掌握节 点电价分量已成为适应市场经济发展的必然要求，文献 2 9 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。并以一个5 节点母线系统为例讨论了发生阻塞时各节点l m p 的变 化。文献 3 0 和 31 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，并给出了l m p 的三个元素一边际能量成本、边际阻塞成本和边际损 耗成本的具体计算方法。文献 3 2 提出一种新型分布式松弛潮流方法计算节点电 价，分别计算了参考电价，网损和阻塞价格。 综上所述，可知国内外对节点电价的研究已经比较深入，但还存在进一步探 讨研究的空间，如节点电价中网损修正分量的计算问题。由于目前节点边际电价 中网损的修正分量主要是采用相对平衡节点的网损微增率进行计算，使得修正后 的节点电价对平衡机的选取具有依赖性，从而影响到发电商和负荷用户的利益。 因而寻求一种独立于平衡节点选取的节点电价网损修正方法是一个亟待解决的问 题，该问题的解决将对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。 1 3 本文主要研究内容 随着我国社会主义市场经济体制的建立和完善，电力工业要面向市场，引进 市场经济体制，己是大势所趋。由于电价是电力市场支点，故应当对其进行详细研 究，以促进电力市场健康发展。本文首先对节点边际电价进行了详细阐述，并总 结、分析了目前节点电价的网损修正方法，在此基础上提出了一种基于耗散功率 ( 损耗功率) 转归分量的节点电价修正方法。具体工作如下： ( 1 ) 对实时电价理论进行了详细阐述，并介绍了目前国外区域电力市场中节 点电价体系的现状以及发展趋势，同时对节点电价方法作了深入的综述。 ( 2 ) 根据拉格朗日函数推导了节点边际电价；详细分析了网损成本分量对节 点边际电价的影响，并给出了计及网损成本分量的节点电价修正表达式。同时介 绍了传统网损微增率在节点修正电价中的应用，并针对现有方法存在的缺陷，提 出将支路耗散功率转归分量应用到节点电价网损修正的思想。 ( 3 ) 从电路理论出发，通过s h a p l e y 值推导出电力网耗散功率转归分量理论的 解析式，并基于该理论发展了一种新型网损微增率算法，该算法不依赖于平衡节 点，能够反映包括平衡节点在内的系统所有节点注入功率对网损的影响，从而在 物理层面上建立了系统各节点( 电源负荷) 出力与支路耗散功率之间的微增量关 硕士学位论文 系。结合节点电价的网损修正表达式，给出了基于耗散功率转归分量的节点电价 修正方法。 ( 4 ) 通过i e e e 3 0 节点系统对本文所提节点电价网损修正方法进行仿真分析， 并与其它修正方法进行比较、分析。结果表明：运用本文算法求得的节点修正电 价能有效反映系统中不同地理位置的节点出力对网损的贡献情况，且由其所提供 的经济激励信号，能引导市场参与者合理配置资源、提高输电网利用效率。 基于耗散功率转归分晕的节点电价网损修正 第2 章市场环境下的节点电价体系 在电力市场中，电能是一种商品，电价是电能价值的货币表现。合理的电价 体系将能够引导输电容量的合理投资，促进发电公司和电力用户有效使用输电网， 从而实现电力工业健康发展。本章从实时电价理论出发，给出了电价的八个组成 分量；并介绍了国外典型节点电价模式以及对节点电价方法作了全面的综述。 2 1 实时电价理论 实时电价理论的研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代末期，并从8 0 年代开始引起 各国研究者的注意。其早期的理论成果由s c h w e p p e 等人总结于文献 3 3 中。文 献 3 4 从经典经济学理论出发，深入而详细地讨论了实时电价的定义、组成部分 和相应模型，并提出了依据经济调度和直流潮流的实时电价计算方法。文献 3 5 进一步发展了实时电价的计算工具，提出了用修正的直流潮流模型结合交流潮流 模型处理线路潮流和网损，并得到了所需的灵敏度矩阵。文献 3 6 研究了实时电 价各组成部分的物理与经济意义，特别讨论了缓冲机组的边际费用与系统实时电 价的异同。 根据s c h w e p p e 建立的数学模式，实时电价由以下八个分量组成，其数学表 达式为： p k ( ，) = 圩( ，) + 厂m ( f ) + 抱，s ( f ) + 鲰( f ) + 叩，髟( f ) + ，k ( f ) + ，7 白，s ( f ) + 刁足，( ，) ( 2 1 ) 式中：风( f ) 为第k 个用户在时刻f 的实时电价；7 为发电分量，包括肝( f ) 、助( f ) 、 场，s ( ，) 、绦( ，) 四项；其中肝( ，) 为发电微增燃料成本，砌( f ) 为发电微增维修成 本，拖，s ( f ) 为发电供电质量，( ，) 为发电收支协调；卵为输电分量，包括玑，k ( f ) 、 ，7 m ，足( f ) 、，s ( f ) 、，h ( f ) 四项；其中观，髟( ，) 为网络损耗微增成本，7 m ，k ( f ) 是边 际网络维护成本，s ( f ) 为网络供电质量，弦，( ，) 为网络收支协调。 边际发电运行成本是指边际发电燃料成本肝( f ) 和边际发电维护成本( ，) 两 项之和，可用冗表示，具体计算公式如下所示： 乃：呈 竺【竺：；宴垒! 垦：! 卫 ( 2 2 ) 1 a ，r 式中：g ( ，) 、c m ( ，) 分别为系统发电量为，时的燃料总成本和维护总成本。 以的大小与系统发电量，f 、机组状况、水的可用率以及电力公司间的交易等因 素有关，且随系统发电量，的增加而呈上升趋势。 硕十学位论文 发电供电质量分量场，s ( f ) 的大小反映出整个系统发电容量的充裕程度。当电 力供应十分充足时，该值接近为零；当电力非常紧缺时，其值增大并趋于v o l l ( 缺 电损失值) 。 边际网损成本钆k ( ，) ，是指用户k 的负荷，发生微增变化，进而引起网损 增加所带来的成本，它与用户所在节点的位置有关。其数学表达式为： 一 一a 渺 钆，k ( ，) = 肝( ，) + 所( f ) + 托，s ( ，) 嘉堡 ( 2 3 ) v d ，x ，f a 形 式中：生为第k 个用户的网损微增率。 d d ，k ，f 边际网络维护成本，k ( ，) ，是指用户k 的负荷，发生微增变化时，整个系 统网络维护总成本所发生的微增变化。 网络供电质量分量约，s ( f ) 反映用户k 的负荷，发生微增变化时，电网各支 路输送容量的充裕程度。当，微增时，如果第f 条支路的实际潮流远远小于其允 许传输容量，该支路的网络供电质量分量矗，( ，) 数值将会很小；如果第f 条支路 的实际潮流接近其允许传输容量，该支路的矗j ( f ) 值将会迅速增大。用户k 的负 荷f 微增时，各支路a ，( f ) 之和即为用户k 的总网络供电质量砸，s ( ，) 。 由前述结论可知，实时电价的计算是依据边际成本理论。而采用边际成本定 价，必然会带来收支不平衡问题。对实时电价而言，造成收支不平衡的原因主要 有两个： ( 1 ) 实时电价只考虑电量成本，如燃料费和维护费等，而不考虑容量成本。 ( 2 ) 从理论上说，边际成本必然高于或者低于平均成本。 显然，为了实现系统的收支平衡，就必须在实时电价的表达式中加入相应的 修正量或者调整量，即对发电分量采用淼( ，) 进行平衡，对输电分量采用弦。厅( ，) 进 行平衡。平衡分量的存在，在一定程度上损害了边际成本定价方法本身所具有的 优势一电力市场的经济导向作用。 9 0 年代后，实时电价理论从模型和计算方法两方面都得到了长足的发展、完 善。文献 3 7 提出了利用0 p f 求解无功s p ( s p o tp r i c e ) 的方法，其最重要的贡献 是发现了o p f 对应于潮流平衡方程的l a g r a n g i a n 乘子a p 、，乃与有功、无功负荷 实时电价具有相同的含义。文献 3 8 提出了一种基于解耦0 p f 的有功无功实时定 价方法。文献 3 9 提出了基于反馈机制的安全性定价问题。文献 4 0 提出了一种 全面的实时定价模型，但是作者也承认求解这一大规模最优控制问题非常困难。 值得一提的是，随着我国电力改革的深入，对电力市场理论也进行了大量的 研究工作。文献 4 1 从s c h w e p p e 的原始概念出发，应用解耦的有功无功经济调 度模型和二次规划算法，通过无功费用进一步考虑了有功、无功的耦合关系。文 献 4 2 提出了考虑网络生产维护费用的输电交易算法。对于一个网络结构确定的 幕于耗散功牢转门分量的节点电价网损修正 电力市场来说，电力负荷的变化使供电成本也随之变化。即使同一用户，在不同 的用电时间，对其供电的成本也是不同的。因此电力市场实行实时电价可以实现 资源的优化配置。即其既能为电厂提供了一个严格的发电调度基础，降低发电成 本，又能提供一个闭环的反馈信息流，使用户将控制权直接掌握在自己手中，从 而降低用电成本。 2 2 典型节点电价模式 2 2 1p j m 有功市场 p j m 即宾夕法尼亚( p e n n s y l v a n i a ) 、新泽西( n e wj e r s e y ) 、马里兰( m a r y l a n d ) 互联电网的简称，为美国东岸和中部五个州( 上述三州加上特拉华、弗吉尼亚和首 都华盛顿) 供应电力。p j m 是北美地区最大的互联电力系统，也是世界上第四大中 心调度的互联电网，其电力系统的组织结构和规模类似于我国的区域电力系统。 p j m 是经美国联邦能源委员会批准，于1 9 9 7 年3 月2 1 日成立的非股份制有限责任公 司，实际上是一个独立系统运行员。1 9 9 7 年4 月1 日，p j m 丌始运营这个基于投标 方式的区域电力市场。经过近l0 年的运营，p j m 已成为美国运转最流畅，最具活 力的电力市场，特别是在美国加州电力市场失败的同时，p j m 市场却能稳定运行 并不断取得新成果，使得其成为世界范围内电力市场化改革比较成功的典范【4 3 1 。 p j m 市场的设计是基于节点边际电价( l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ，l m p ) 的概 念。在这个节点电价模型中，上网点和下网点的电价之差就等于电网阻塞费用， 这种电能价格和输电阻塞费用的结合是p j m 日前市场和实时市场的共同特征，甚 至电力期货交易也是按照实时节点边际电价结算。 1 日前市场的事前电价 市场采用l m p 确定市场价格。市场交易中心根据市场成员提交的数据以及系 统安全和输电容量等约束条件，以最小费用安全经济调度的方法进行最优潮流计 算，安排运营日每小时的发电计划，同时计算得到各时段系统中各母线的l m p 。 它反映了在考虑输电容量约束的条件下，对于某一指定母线，增加单位容量负荷 供应所引起的系统总费用的增加。 调度中心根据机组报价( 报价曲线是递增的) 进行下一个调度时段的有安全约 束的经济调度。令发电机组报价为p ，以购电费用最小为目标，则该最优潮流的 数学模型可描述如下： m i n p g s 丁 p 。( 圪一尸d ) = o r ， 小 丁( 圪一易) f 易圪尼 硕士学位论文 按照常规取如下拉格朗日函数： r 絮鸳亮驾化喝卜司 眨5 ， + f r ( 圪一昂) + f 7 ( 殇一圪) 一“ 其中：a ，f r 和f r 为与约束相对应的拉格朗日乘子。 则根据k k t 条件，第f 节点的节点电价是： 肛= 一五一心死 ( 2 6 ) 这个节点电价是预想意义上的，其基本假设是负荷预测完全准确，机组完全 听从调度命令。这个电价被称为“事前电价”，相应的“理想”调度被称为“事 前调度。 2 实时市场的事后电价 在实际系统运行中，事前电价的两点假设是几乎不可能满足的。例如，负荷 预测会有误差，机组出力也不可能刚好与事前调度一致，因此，事前电价与实际 系统运行并不相符。事后电价的基本思想就是根据系统实际运行情况计算节点边 际电价，计算是从一个调度时段结束的时刻开始( 假设一个调度时段从1 2 ：0 0 开始， 1 2 ：0 5 结束) ，具体流程如下所示： ( 1 ) 估计1 2 ：0 5 负荷，进行事故分析并运用调度员经验确定“起作用的输电线 路约束 ，计算1 2 ：0 5 预想出力和调度电价。 ( 2 ) 计算1 2 ：0 5 状态估计，确定不可调度机组，根据状态估计结果确定各个机 组实际出力和所处价格段，计算1 2 ：0 5 事后电价。 令尼代表根据状态估计得到的实际调度出力向量，占代表一个很小的数( 如 1 m w ) 的矢量。故可通过求解下述优化模型得到节点电价。 m 讯p lp g 趿 p 2 ( 屹一圪) = ” ( 2 7 ) 醌 o 圪圪+ 占 调度优化和事后电价计算问题中的功率平衡方程存在一定的区别，这是因为 事后电价计算希望在运行点附近进行，而采用调度优化形式的功率平衡方程则不 能达到该目的。采用o 圪宪+ 占形式的约束不等式是因为电价计算只包含可调 度机组，这些机组总是可以设电价的，所以不应当有出力下限约束。采用醌吃 形式的潮流不等式约束方程，是根据“人工选择起作用约束的原则，事后电价 计算过程中，认为原阻塞线路仍然是阻塞的。 p j m 采用节点电价模式进行有功功率结算，通过几次的机组安排计划，不断 基于耗散功率转归分量的节点电价网损修正 逼近实际的需求，在实时调度时，采用事后电价的方法，以平衡系统中负荷实时 需求。 2 2 2 新英格兰i s 0 市场 19 6 5 年美国东北部大停电事故之前，这六个州的供电是由不同的电力公司来 独立承担的，每个电力公司都有自己的用户，公司向用户提供从发电到输电再到 配电的一体化服务。大停电事故之后，这些电力公司意识到了互联电网统一调度、 统一规划对保证系统可靠性的重要作用。l9 7 1 年，新英格兰电力联营体( n e w e n g l a n dp o w e rp 0 0 1 ) ，即n e p o o l 成立，其主要职责是负责各个电网之间的可靠 性协调和控制性能考核。1 9 9 7 年，根据美国最新通过的法律，n e p o o l 开始建立 电力市场。新英格兰电力市场的发展经历了两个阶段，在第一阶段( 1 9 9 9 年2 0 0 3 年) ，其市场结构采用全网统一出清的电价体系，并建设有完整复杂的辅助服务市 场，以及容量市场，在这个阶段还完成了“厂网分离；在第二阶段( 2 0 0 3 年至今) ， 市场结构采用了节点电价体系，建立了固定输电权市场，并改进了a g c 和容量市 场，目前正在建设新的备用市场。 2 0 0 0 年6 月，f e r c 认可并通过了一些新的针对新英格兰i s o ( i s o n e ) 市场的 设计元素，包括被提议的由多结算系统支持的节点边际电价法。i s o n e 从2 0 0 1 年 4 月开始启动s m d 进程，2 0 0 3 年3 月1 日，s m d 正式在新英格兰地区投入运行，用 日前和实时市场以及节点电价取代了以前实施的实时市场。 1 配电侧参与竞价的节点电价模型 节点电价的优点很明显：它能够提供正确的价格信号给节点和潜在的市场参 与者。i s o n e 采用的基于l m p m s s ( 边际节点电价多结算系统) 的市场机制，即 发电侧和负荷在日前市场报价，且由i s o 指定经济运行机组。这种多结算系统的 方法能够提供使发电机组服从调度的动机和减少机组的投机行动。多结算系统方 法的另一个特征就是给负荷侧提供了对价格做出反馈的机会。 配电侧竟标的基本思想与发电侧竞标思想是对称的。根据这个思想，负荷向 调度中心申报愿意支付的最高电价曲线，这个曲线一般是阶梯形的、递减的。在 假设一个节点负荷只申报一条经济曲线，并且所有负荷都申报了一个愿意支付的 最高价格，则考虑配电侧竞价后，实时调度模型可描述为： m a x p i d p d p l 毫 5 r 丁 p 1 ( 尼一易) = o 丁( 圪一易) f ( 2 8 ) 易圪圪 易易尸d 此外，新英格兰电力市场在计算节点电价中，使用线性网损模型，在考虑网 硕十学位论文 损、阻塞等因素后，节点电价的表达式为： 月p p = 印+ 丁2 = 加一五等+ 丁1 ( 2 9 ) 从表达式可以看到，节点电价的三个组成部分，即能量部分、网损部分和阻 塞部分。一般情况下，从负荷收取的电费会比支付给发电商的电费高，其差额称 为结算盈余，由网损结算盈余和阻塞结算盈余组成。 2 新英格兰i s o 的节点电价运营情况 新英格兰电力市场采用的线性网损模型会碰到以下两个问题：在实时市场， 参考节点不好选择，因为参考节点的选择会影响节点电价的计算；在日前市场， 网损很难模拟。目前，p j m 市场使用按比例分摊的简化网损模型。但在双边交易 市场中如何处理网损这个问题将要复杂得多，从目前文献记载来看，迄今还没有 一个比较好的解决网损的办法。 由于i s o 并没有规定负荷一定要参与竞标，而且即使负荷参与投标，负荷投 标总量也可能和i s 0 的负荷预测存在较大差距。一般而言，i s o 的负荷预测与真实 的负荷量较为接近，为了保证系统次日运行的可靠性，从l8 ：0 0 时开始，i s o 还要 用负荷预测的结果重新计算机组起停、安排出力计划和进行安全校正，这个过程 被称之为可靠性评估，由可靠性评估过程中得出的机组起停和出力计划才是次日 真正实施的机组起停组合和出力计划。 为了使日前市场指定机组运行计划与负荷相符，i s o 建立了一个三步的指定 机组步骤：第一步，i s o 按照基于负荷侧竞价的安全约束指定机组运行；第二步， i s o 按照基于i s o 预计负荷的安全约束指定机组运行，第二步里面的机组是从第一 步里面所选中的机组中产生的；第三步，i s o 再次按照负荷侧竞价的安全约束制 定机组运行，并执行调度计划，这一步中的中标机组又是从第二步中所产生的。 采用节点边际电价后，系统各注入节点( 包括发电机节点和负荷节点) 的电价 都是不同的。新英格兰i s o 将整个管辖地区划分成8 个不同电价区，同一个区域 内各点的电价经过负荷大小的加权平均得到该区域的区域电价。在结算时，发电 机按节点电价进行结算，而负荷侧则按照区域电价进行结算。整个新英格兰地区 的电价水平又通过对事先选定的一些点的节点电价进行简单代数平均来代表。 2 2 3 其他国外电力市场 国外电力市场中，除p j m 、新英格兰i s o 采用节点边际电价系统外，纽约i s o 、 新加州i s o 、新西兰等电力市场也采用节点电价系统。而e r c o t ( 德州) 、原加州 i s 0 、澳大利亚、挪威、瑞典等电力市场则采用区域电价系统。 纽约i s o 与新英格兰i s o 一样，采用多结算和节点电价体系，其竞价模式、电 价模型等也与新英格兰i s o 类似，并且在应用中也是采取发电侧基于节点、负荷 基于耗散功牢转归分量的节点电价网损修正 侧基于区域的电价体系。这样的区域价格思路，除了被应用到有功市场，还被应 用到其他方面，如阻塞管理和备用服务。 新西兰的节点价格是在实时调度4 小时前，根据各节点报价及系统备用，以购 电方最大收益为目标，计算每半小时各节点的边际价格、线路损失备用价格和约 束补偿，每次计算4 个时段。节点价格按以下公式计算并对外公布：发电节点价 格：发电节点边际价格一系统备用价格一约束补偿；购电节点价格：购电节点边 际价格+ 线路损失+ 系统备用价格+ 约束补偿。 美国德州电力管理委员会( e l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i lo f t e x a s ，简称e r c o t ) 负责管理德州电力市场，确保德州电力市场的公平竞争。与美国国内存在的其他4 个电力市场以及即将开放的中西部电力市场( m i s 0 ) 相比，德州电力市场有着它独 特的特点：德州市场采用区域型包裹模式来提交发电和负荷计划以及辅助服务报 价、定价和进行电网阻塞管理。2 0 0 1 年7 月31 日，德州的l0 个调度中心合并为一个 调度中心，即现在的e r c o t 调度中心。同日，e r c o t 电力批发市场投入运行，建 立了以区域型定价和阻塞管理模式为特点的实时电力市场。区域型模式的最大优 点是它在能量计划和投标方面给予了市场参与者( 尤其是那些拥有大量装机容量 的参与者) 很大的灵活性。同时，对于市场参与者来讲，区域型模式非常简单，这 种单方面有利于市场参与者的灵活性和貌似简单的设计使得作为市场运行者的 e r c o t 的中央调度和安全控制工作充满了复杂而又富有挑战性的困难。 原加州电力市场和德州电力市场有很多相似之处。目前它们采用的都是区域 型模型，电力交易在区域和区域之间进行，系统采用区域型包裹式能量计划和区 域型阻塞管理。加州自2 0 0 0 年电力危机后着手新市场设计，已经向节点型模型过 渡，而德州从2 0 0 3 年底起也一直在研讨是否需要改用节点型模型。 2 3 节点电价方法综述 节点电价的实质，就是输电费用在输电用户间的分配问题，并同时考虑电网 的收支平衡和适当盈利。当今国际公认的节点电价基本方法大致可分为两大类： 基于会计学的综合成本法和基于微观经济学的边际成本法【4 4 铂】。 2 3 1 综合成本法 基于综合成本法的定价模式首先要计算输电网在提供输电服务时的总成本， 然后再根据电网向用户提供的是点对点服务还是网络式服务，将总成本分摊到各 个输电交易或系统中各个用户( 发电商和负荷) 。采用这一方法的关键在于对输电 总成本进行分摊，目前国内外对基于综合成本法的定价研究也主要集中于此。具 体的费用分摊方法可分为以下两种：面向交易的费用分配法及面向用户的费用分 配法。 硕十学位论文 1 面向交易的费用分配 主要包括不以潮流为基础的邮票法，合同路径法；以及以潮流灵敏度为基础 的边界潮流法( p a m ) ，兆瓦一英里( m w m ) 法，模数( m m ) 法，零反向流( z c m ) 法， 优势潮流( d f m ) 法。 ( 1 ) 邮票法，它所计算的是整个输电网的总成本，然后按照功率大小分摊， 不考虑各部分特定输电设备的成本。该方法仅仅考虑了交易量的幅值( m w ) ，而 不顾及交易的收点和发点，即完全忽略了距离与位置的影响，是一种最为粗糙的 算法。该方法往往意味着距电源点较近的用户要对距电源点较远的用户提供补贴； 但因其具有易于实现的优点，使得世界上不少电力公司都采用这种方法。 ( 2 ) 合同路径法，是在交易幅值的基础上，考虑交易路径的影响，并以合同 路径来代替实际的输电路径。该方法忽略了潮流的物理分布规律，合同路径所代 表的并非实际的交易路径。 ( 3 ) 边界潮流法，一般用于系统问转送交易的费用分配。其基本思想是分别 对有或无转送的情况下，进行两次潮流计算，得出各联络线上潮流的变化，视其 为该项交易流经系统的潮流值，然后按照这一潮流值在网络某一负荷水平( 网络可 以选择的负荷峰值、交易幅值或其他合适的负荷水平) 中所占的比例来分配费用。 ( 4 ) 兆瓦一英里( m w m ) 法，这是目前应用最广的算法。其最主要的特点是： 通过两次潮流计算或灵敏度分析得到交易对某一条线路潮流的影响，根据其占该 线路容量的比例分配该线路的使用费用。该方法的缺点是不能保证设备使用费用 的回收。因为该方法中仅考虑了设备的“基本 容量费用，没有考虑_ 备用 容 量费用，而备用容量对电网的安全性、可靠性起着重要的作用，是应该考虑其投 资回收的。 ( 5 ) 模数( m m ) 法，在兆瓦一英里( m w m ) 法的基础上作了一点儿改进，用所 有交易在线路七上引起的潮流绝对值之和来代替线路七的容量，以保证费用的平 衡。但该方法也存在缺点，就是不能促使用户降低线路负载，改善电网运行状况 和引导电网投资。例如，一项交易可能在某一线路上引起与净潮流方向相反的负 向潮流，实际上减轻了电网的负载，对电网有一定的好处，但是依据该方法进行 的费用分配并不能反映这一点。 ( 6 ) 零反向流( z c m ) 法，正是针对m m 法的缺点进行了改进，将提供正向潮 流的交易和提