（电力系统及其自动化专业论文）电力市场动态行为与经济稳定性研究.pdf

摘要 由此，本文提出将电力市场短期、长期相结合并考虑电力系统物理约束来建立电力 市场长、短期数学模型的方法。同时，将电力市场模拟成具有反馈环节的控制系统，短 期电力价格是长期电力价格预测的根据，从而影响电力投资，改变系统的装机容量，最 终影响到短期电力市场价格。 本文首先建立了电力市场短期均衡模型，并引入p i 控制器，建立了完全竞争、古 诺、斯德博格、变量猜测法等仿真模型，结果表明，不同的市场模式对电力市场价格影 响很大，可以证明寡头垄断模式下，电力价格明显高于完全竞争市场的价格。 其次，本文利用长期合约和看涨期权金融工具来抑制短期电力市场价格，结果表明 这两种金融工具都可以明显降低电力市场现货价格，提高市场效率，同时本文根据电力 系统的要求计算出了长期合约电量的最大比例。 接下来，本文以发电投资市场为重点，并根据机组承担任务不同将发电机组分为3 类，建立了电力市场长期均衡模型，对电力市场的发电容量、价格、热效率、备用容量 等变量的动态过程进行仿真分析。结果表明，由于电力工业的特殊性，电力市场不能依 靠自身的力量改变价格波动剧烈的局面，必须增加市场监管机制来改善电力市场价格的 动态行为。 最后，本文提出了多种改善电力市场动态特性、促进电力市场稳定的方法，并以加 州电力市场为算例，对各种改善方法进行仿真实验，观察效果。仿真结果表明可以利用 上述方法来改善电力价格剧烈的波动性，可以为实际电力市场中参与者和监管者提供理 论参考。 本文在研究电力市场动态特性与经济稳定性中考虑了模型的非线性、时变性、多时 间尺度和时滞性等复杂因素，引入了控制理论，研究了各种因素对电力市场动态特性的 影响程度，为各类参与者提供了有效的决策支持。由于该领域研究工作处于刚刚起步阶 段，还有许多问题有待解决，如在长期电力市场均衡模型中，如何引入更先进的控制器? 控制目标是什么? 发电市场考虑核电、风电等新能源时该如何建模? 这些都将是本文的 后续工作。 关键词：电力系统，电力市场，长期均衡，经济稳定性，投资决策 第页 a bs t r a c t t h ea i mo fi n t r o d u c i n gc o m p e t i t i o ni n t op o w e ri n d u s t r yi st oi m p r o v et h ee f f i c i e n to fp o w e r s y s t e me n t e r p r i s e sa n dd e c r e a s et h ep o w e rp r i c ef o rb e n e f i t so fp o w e ru s e r s h o w e v e rt h e r e a r es t i l ls o m ef a i l u r es i t u a t i o n ss u c ha sc a l i f o r n i ap o w e rc r i s i s ，t h o u g ht h er e f o r mi ss u c c e s si n g e n e r a l a sar e s u l t ，t h ed y n a m i c sa n ds t a b i l i t yo fp o w e rm a r k e ti sc o m i n gt ot h ef o c u so f r e s e a r c h i n g a n d ，t h ep r i c es w i n gi s ai m p o r t a n ts i g n a lo fe c o n o m i cs t a b i l i t yo fp o w e r m a r k e t 。 i ne l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r yt h e r ee x i s t ss i m u l t a n e o u s l yp o w e rt r a n s m i s s i o na n dm a r k e t t r a n s a c t i o ns y s t e m s t h e ya r ea b i d e db yp h y s i c a lp r i n c i p l e sa n de c o n o m i c a lr u l e sr e s p e c t i v e l y s t a b i l i t yr e s e a r c ho fp o w e rs y s t e mi s t o a n a l y z et h ed y n a m i cb e h a v i o ra n ds t a b i l i t ye x t e n t u n d e rt h ec o n d i t i o no fv a r i a b l ed i s t u r b a n c e s ，a n dt oe s t i m a t et h ee f f e c t so fc o r r e l a t i v e p a r a m e t e r s p o w e rm a r k e ti s b a s e do np o w e rs y s t e mp h y s i c a l l y , a n dp o w e rs y s t e mi s o p e r a t i o n i nm a r k e tm o d e l s ot h e p h y s i c a la n de c o n o m i c a l s t a b i l i t i e sa r e c l o s e l y i n t e r c o n n e c t e da n dr e s t r i c t e de a c ho t h e r a ni d e a la n ds u f f i c i e n tc o m p e t i t i v em a r k e ts h o u l db eal o to fm a k e r st op r o d u c et h es a m e p r o d u c ta n da n yo n ec a n n o tb ea b l ee v i d e n t l yt oi n f l u e n c et h em a r k e tp r i c eb yc h a n g eh i s o u t p u t b u tar e a lm a r k e ti sn o ta s u f f i c i e n tc o m p e t i t i v eo n e ，t h a tm e a n sal i t t l ef e wo fm a k e r s m i g h tb ea b l et oi n f l u e n c eo re v e nc o n t r o lt h em a r k e tp r i c ec o n t i n u o u s l ya n d m a k et h em a r k e t p r i c eh i g h e rt h a nn o r m a lp r i c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs u f f i c i e n tc o m p e t i t i o n ，t h i si sr e f e r t oa s m a r k e tp o w e r t h em o r es u f f i c i e n tc o m p e t i t i o nt h ew e a k e rm a r k e tp o w e ra n dv i c ev e r s a t o r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fr e s t r a i n e dc o m p e t i t i v es u f f i c i e n c y , a n a l y z et h em e a n so fa b u s i n g m a r k e tp o w e ra n dc a l c u l a t et h eq u a n t i t a t i v ee x t e n to fs t a b i l i t yh a v es i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ef o r e c o n o m i c a ls t a b i l i t yo fp o w e rm a r k e t m o r e o v e r ，t h e r ea r es h o r t t e r ma n dl o n g t e r mi nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，u s u a l l yw h e n 第1 i l 页 a b s t r a c t p e o p l es t u d y t h e e l e c t r i c i t y m a r k e t d y n a m i c s t a t e s c h a r a c t e r i s t i c ，t w ok i n d s a r e s e p a r a t e d b u ta c t u a l l ys h o r t - t e r ma n dl o n g - t e r me l e c t r i c i t ym a r k e ta r ei n s e p a r a b l ea n d a f f e c t e dm u t u a l l y s ow em u s tp u tt h e mt o g e t h e rt oc o n s i d e rf o rb e t t e rr e s e a r c ho fd y n a m i c s t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t yo f e l e c t r i c i t ym a r k e t s o ，t h i st h e s i sb u i l tu pt h ee l e c t r i c i t ym a r k e td y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e lc o m b i n i n g s h o r t - t e r ma n dl o n g e l e c t r i c i t y m a r k e tt e r m a n dt o g e t h e ra n dc o n s i d e r i n gp o w e rs y s t e m p h y s i c sc h a r a c t e r s a tt h es a m et i m e ，e c t r i c i t ym a r k e tw a si m i t a t e da sc o n t r o ls y s t e mw i t h f e e d b a c kl o o p i nt h i sm o d e lt h es h o r t - t e rp o w e rp r i c ew a sab a s i so ft h el o n g t e r mp o w e r p r i c ee x p e c t i t i o n ，t h u sa f f e c t i n gt h ee l e c t r i cp o w e ri n v e s t m e n t ，c h a n g i n gg e n e r a t i o nc a p a c i t y o fp o w e rs y s t e m ，i nt h ee n da f f e c t i n gt h es h o r t - t e r mp o w e r p r i c ea sr e t u r n f i r s t l y , t h i st h e s i sb u i l tu pas h o r t - t e r mb a l a n c e dm o d e lo ft h ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，a n d i n r o d u c e dt h ec o n t r o l l e ro fp ii n t ot h i sm o d e l t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h ep r i c e i no l i g o p o l i s t i cs i t u a t i o nw a sh i g h e rt h a ni nc o m p e t i t es i t u a t i o no b v i o u s l y s e c o n d l y ，f i n a n c i a li n s t r u m e n t ss u c ha sl o n g - t e r mc o n t r a c ta n do p t i o n sw e r eu s e dt o d e c r e a s et h eh i g hv o l a t i l i t yo f s p o tp r i c e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w e dt h a tw a se f f e c t i v e i na d d i t i o n ，t h em a x p r o p o r t i o no fl o n g - t e r mc o n t r a c tw a sg i v e n n e x t ，t h i st h e s i sp u tu pt h el o n g - t e r mb a l a n c e dm o d e lo fe l e c t r i c i t ym a r k e t ，c o n s i d e r i n g t h eg e n e r a t i o nm a r k e tm a i n l y t h es i m u l a t i o n so fc h a n g ep r o c e e d i n gw i t hd i f f e r n tv a r i e sa s p r i c e 、c a p a c i t y 、a n dh o te f f i c i e n c ye t c w e r eg i v e n t h er e s u l t ss h o w e dt h a th i g hv o l a t i l i t yo f s p o tp r i c ec a nn o tb ea v o i d e di fi tw a sa d j u s t e db ye l e c t i c i t ym a r k e ti t s s e l l f i n a l l y ，v a r i o u se c o n o m i cm e t h o d sf o ri m p r o v i n ge l e c t r i c i t ym a r k e td y n a m i cs t a t e c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yw e r eg i v e nt a k i n gc a l i f o r n i ac r i s i sa se x a m p l e m a n yc o m p l i c a t e d f a c t o r sw e r ec o n s i d e r e di nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e ls u c ha sn o n l i n e a r i t y , t i m e - v a r i a t i o n ， m u l t i - t i m es p a n ，t i m el a ga n ds of o r t h s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h eq u a n t i t a t i v es t a b i l i t y e x t e n tu n d e ri n f l u e n c eo fd i f f e r e n td i s t u r b a n c e s ，a n dp r o v i d e de f f e c t i v es u p p o r tt od e c i s i o n m a k i n gf o ra l lp a r t i c i p a n t s r e s e a r c hw o r ki nt h i sa r e ai sj u s ti nt h eb e g i n n i n gs t e pa n df a c e s 第1 v 页 a b s l l r a c t g r e a tc h a l l e n g e s ，a n dm a n yp r o b l e m sa r ew a i t e df o rr e s o l v e ds u c ha sh o wt oi n t r o d u c ep i c o n t r o l l e ri nl o n g t e r me l e c t r i c i t ym a r k e tm o d e l ? w h a ti st h et a r g e tf o rc o n t r o l ? h o wt os e t u pt h em o d e lw i t hc o n s i d e r a t i o no fn e wg e n e r a t i o np l a n t ? t h e s ew i l lb eaf o l l o w i n gw o r k s k e yw o r d s ： p o w e rs y s t e m s ；e l e c t r i c i t y m a r k e t s ；l o n g - t e r me q u i l i b r i u m ；s t a b i l i t y ； i n v e s t m e n td e c i s i o n 第v 页 上海交通大学 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。本人授权上海交通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。 保密路：在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：i 禾也z 派 日期：硼年il 片彩日 指导教师签名：彳 日期：棚年1 1 月 、 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：蜜函孑该 日期：劬啊7 年，月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力市场动态特性与经济稳定性研究的意义 传统的发输电一体化的垂直垄断方式使得电力的运行没有效率，如造成设备劳动力 的生产效率低下，发电容量长期过度的投资，零售电价和批发电价的差过大等。为了刺 激电力工业的有效运行，2 0 世纪7 0 年代末，美国最早开始探了电力工业的改革【l 】，8 0 年 代以来，世界上不少国家开始重建其电力工业，其同特点是非管制化，以打破垄断、引 入公平竞争和改善经济效率，实现社会资的合理分配和社会效益最大化。一般来说，这 意味着电力公司由多种电力服务的纵向解捆转向横向解捆，以至于各种电力服务能够由 专门的公司提供而不由受管制的电力公司提供。这些努力导致了电力工业特别是发电方 的市场化，促进了电力市场的形成。其目的都是通过引入竞争机制达到节省资源、提高 系统行效率，降低生产成本：同时为电力用户提供合理电价与高质量的服务；以及协调 区域经济与利益的公平分配，取得更大的社会效益等。 电力市场是一个典型的跨学科的研究领域，是社会科学和自然科学的有机结合体， 经济学是研究电力市场的基础，经济学研究常用的一些方法也是研究电力市场的工具。 对电力市场的研究主要是以微观经济学为基础，结合电力系统的实际，分析电力市场中 企业的行为特性、市场特性，解决在电力市场中出现的问题。然而，电力工业和其他网 络运营的工业，如天然气、航空、运输、通信等行业有明显不同的特点，主要是电能输 送服从基尔霍夫定律，电能不能大量存储，要求发电、输电、配电、用电各个环节时刻 保持平衡，即电力系统的供给与需求时刻保持平衡，同时还要求系统的电能质量和安全 稳定运行高度集中控制等，这就对电力市场运行的稳定性提出了更高的要求，也可以说， 电力生产能否稳定运行是关系到电力工业改革能否成功的一个关键因素。因此，要求电 力的市场化不仅有竞争的一面，也有协调的一面，不能像一般商品市场那样只要市场中 “看不见的手”来进行长期、白发的均衡调节，这就要求必须有市场运营机构以及各种 第一章绪论 平衡市场( 包括期货市场、现货市场、实时市场和辅助服务市场等) 来进行主动调节。我 国的电力工业改革始于上世纪9 0 年代末期，现已组建了国家电网公司和南方电网公司 两大国家级电网公司，五大独立的发电集团公司也已宣告成立，目前正处于发电资产重 组的实施阶段，“厂网分开 已初步实现。此外，国家电网公司所属的东北、华东、 华中、西北、华北五家区域电网公司重组改制的第一步工作已经全部完成。电力工业的 改革使得电力系统面临巨大的挑战，相应出现了许多新的研究领域。当前，研究工作主 要集中在实时电价理论、输电定价及阻塞管理、辅助服务、市场力与博弈论在电力系统 中的应用、电力市场风险理论等领域。 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【2 1 。为此，必须理解电力市场的动态 规律，特别是市场在受到各种大扰动时的稳定性问题。但是国内外在这方面的研究工作 极少，还需要进行更多的研究和分析。 总之，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 迫切需要电力市场经济稳定性的研究成果来适应电力市场的健康发展。在本文中，电力市场动态 行为主要指电力价格、发电量、电力需求等变量在电力市场中的变化情况，而电力市场 价格的波动性是电力市场经济稳定性与否的重要标志。 2 第一章绪论 1 2 电力市场主要相关领域的研究现状 1 2 1 最优潮流研究的主要进展 世界范围内电力工业的市场化改革，对电力系统的经济运行提出了新的任务，相应 地对最优潮流的研究提出了更高的要求。数十年来，种类繁多的优化方法被应用于最优 潮流问题，其中主要的经典优化算法大致可分为简化梯度法、牛顿法、内点法、线性规 划法、二次规划法等。近年来有人将遗传、进化算法以及模拟退火算法和混沌优化算法 等随机搜索的智能方法求解o p f 问题【3 。1 4 1 。总的来说，以上所提到的智能算法可处理目 标函数不连续、不可微的优化问题，然而当所研究的问题规模较大时，其计算速度难以 令人满意。 1 2 2 实时电价理论 实时电价( s p o tp r i c e ) 理论将经济学中边际成本定价的理论引入到电力市场的定价 之中，系统地论证了节点电价与时间、地点和用电量之间的关系，能反映短期的生产成 本和用电量信息，具有全社会效益最大的优点；便于互联电网间的交易结算；能够发出 正确的激励信号，鼓励承担备用、指导用户优化用电、合理配置资源等。因此，它被认 为是理想定价模式的基础。近年来，实时电价理论体系被不断完善与扩充【1 5 2 9 】。从模型 本身可以看出，当目标函数一定时，影响实时电价的关键因素是各种约束条件，因而随 着o p f 的发展和模型本身的完善，影响实时电价的各种因素越来越受到关注。 1 2 3 输电服务定价与阻塞定价管理 由于输电网络具有天然的垄断性，因此在电力市场条件下，输电网仍然采用垄断经 营的方式，但为了实现竞争输电系统必须开放。目前输电定价的方法大致可分为基于会 计学的综合成本法( 嵌入成本法，e m b e d d e dc o s t ) 和基于微观经济学的边际成本法。阻塞 定价目前采用的成本分摊法主要有邮票法、合同路径法、边界潮流法、兆瓦一公里法 ( m w m i l e ) 、逐线计算法以及近几年研究比较热门的潮流跟踪类算法等【3 蝴l 。 3 第一章绪论 1 2 4 有功辅助服务研究 在传统的电力系统中，不单独列出辅助服务，其费用包括在电费中，然而随着电力 市场改革的不断深入，辅助服务的问题受到了人们越来越密切的关注，目前已成为研究 热点。在正在运行的电力市场中，辅助服务的获取主要采用强制方法和基于市场的方法 【4 4 5 4 】 o 1 2 5 博弈论在电力市场中的应用 实际的电力市场不是一个完全竞争的市场，而是接近寡头垄断的市场( o l i g o p o l y m a r k e t ) ，这使得市场中的发电公司具有市场力。博弈论( g a m et h e o r y ) 是研究决策主体的 行为发生直接相互作用时候的决策以及这些决策的均衡问题的理论，它是市场经济最重 要的工具之一。由于电力市场采用的密封式拍卖交易方式可以被描述成一个近似的不完 全信息非合作博弈过程，所以用博弈论来研究市场主体的行为应该与实际情况更加接 近。国内外学者最近几年在上述领域做了较多的研究工作【5 州】。 1 2 6 电力市场动态特性与经济稳定性研究 近几年，研究电力市场问题的文献大量涌现，与之极不相称的是研究其稳定性的文 章却少之又少。 1 2 6 1 短期电力市场动态特性与稳定性研到6 5 斟】 目前短期电力市场稳定性的研究主要方法是：1 线性化模型：2 特征值分析；3 电价 在均衡点附近的小扰动；4 不考虑可发电容量的变化；5 不考虑投资市场对交易市场的 影响；6 不考虑参与者的博弈策略；7 不考虑稳定阻塞：8 定性研究。 f e m a n d oa l v a r a d o 是采用该方法的代表，也是首次提出了电力市场的稳定性问题的 学者。在文献 6 5 1 中，作者建立了两个一阶微分方程。其基本假设为：发电商电量增加 的速度正比于价格与成本之差，而用户电量增加的速度正比于收益与价格之差。 4 第一章绪论 是供给时间常数，是供给电量， 是实际价格，+ 烙是边际成本a 。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。 rt g t p g ii 入- b s i cg t p g i 死e d i b 讲+ c 硪f 名一a ( 1 - 1 ) l 所” l 善巳2 巳 如是需求时间常数，p d f 是需求电量，+ c 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 式表明，总供给等于总需求。 作者在分析这些微分方程时，却将带有微分的项全部取为o ，仅研究了平衡点附近 的静态稳定性问题。其后续研究【9 , 1 0 j 考虑了频率的二次调节与报价的关系，研究当负荷 突然变动时，系统的稳定性问题。 t g t 空醇i bl l c 畦p 略一k t , e + 九 i - 1 m 。 厶- 6 嘶+ ：巧厶- k d j e a _ i1 刀 (1-2)rfl一一 五。著巳一再厶 t a 彳- 一k z e k x a 其中：e 为系统存储的能量( 例如频率偏差) ，为市场供给稳定器增益，为市场 需求稳定器增益，丁。为价格时间常数。 当负荷突然变动时，联合电力系统全部汽轮机的转动惯量提供能量，整个联合电力 系统的频率变化，直到发电功率等于变化后的负荷值，这就是所谓的一次调节。一次调 节留下了频率偏差和净交换功率偏差，a g c 因此而动作，恢复频率和交换功率，这就 是所谓的二次调节。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和 经济性，从而与机组的报价有关。该文在描述电网特性的微分方程中考虑了电价，但其 研究的是在几分钟内的辅助服务的质量问题，而不是辅助服务市场的稳定性问题。 文献 6 6 】以价格为变量，套用经济学中的蛛网理论建立了差分方程模型： 5 第一章绪论 墨( 。) - 正( 凡，凡，2 ， ，。) l b ( 。) 一g ，( l 九，2 ，九，。) ( 1 3 ) l 著，。薹 似为供应方f 在第以周期的供应量，a 珈为供应方i 在刀周期的价格，五表示供给和 价格的关系，研似为需求方j f 在第九周期的需求量，_ 工一为需求方_ 在以周期的价格，舒 表示需求和价格的关系。 将上式用泰勒级数展开，取一次项；假设万周期供应与，l ，以j 周期的价格有关，咒 周期需求只与，l 周期的价格有关；网络无阻塞时有a 一= a 工一，则上式简化为： r 墨( 。) 一口f + 吮 。- 1 ) + 6 2 f 。) 2d ，o ) 一c ，+ d j 。) ( 1 - 4 ) l 善s 2 善 该文最终的分析依然是基于线性化的模型，它采用了差分方程，用广义离散系统解 的稳定性定理作为稳定性的判据，从本质上也是利用线性差分方程组的系数矩阵来分析 稳定性，因而不可能用来分析长期稳定性问题。再者，这些假设并不符合电力市场的特 殊规律。一方面，用电量的弹性系数本来就很小，特别在短期内；另一方面，电力市场 中用户侧电价一般由政府和电力监管部门制定，不会轻易变动，因此对上网电价的变化 短期内也并不敏感。 其后，有的学者提出了新的思路 6 7 6 9 ，将短期电力市场均衡转换成传递函数形式， 并利用控制理论知识进行判稳分析市场电价的变化过程。 1 2 6 2 电力市场长期动态特性与稳定性研究【8 5 9 6 1 由于加州电力市场的失败，尤其是加州电力市场在一开始运行良好，而在运行几年 后开始出现危机这一情况引起许多学者的深思。其中，薛禹胜院士率先提出的关于电力 市场长期稳定性研究方法【8 5 ，8 6 值得我们学习、思考。其基本观点为：电力市场稳定性 的研究必须考虑电力系统物理影响；必须考虑电力市场的长期稳定性：不仅要定性分析， 更要定量分析电力市场稳定。主要内容如下： 6 第一章绪论 1 、电力系统与电力市场的关系 电力市场以电力系统为物理基础，电力系统又按电力市场为运营模式，电力市场的经 济稳定性既受到电力系统物理稳定性的制约，又影响着后者。两种稳定性彼此密切相关， 构成闭环( 见图1 - 1 ) 。任一方面的稳定问题都会响应另一方面的稳定性，都会带来严重 的社会闻题，甚至危及国家安全。 电网的可用输电容量( a r c ) 指在保留必需的商业活动后的输电容量，它等于最大 输电容量( t r c ) 减去由于系统条件不确定而保留的裕度( t r m ) ，再减去确保在必要 时可从互联系统获得支援的输电协议量( e k ) 。电力系统的安全稳定性通过对可溺输 电容量的制约，不但会影响输电价格，并且在技术上造成市场壁垒，影响可用发电容量， 制约电力市场的发展和稳定性。 电力市场稳定性 电力交易市场竞争的充分性il 利润秘累的合理性投资赢场激励信息 发电容量地理分布 电力系统稳定性 匿1 - 1电力市场经济稳定性与电力系统物理稳定性之阂的相互涮约 f i g 1 1 强pr e l a t i o no fp o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n de l e c t r i c i t ym a r k e te c o n o m i cs t a b i l i t y 若可用输电容量制约了交易量，不但边际电价会增加，并且相当子降低了实际的可 用发电容量，客观上纵容了发电垄断，降低电力市场的稳定性。并且电力系统稳定性的 制约信息将误导对电源的投资，制约对可再生能源的开发，这将进一步恶化电力市场的长 期稳定性。 而电力市场的稳定性也会影响参与市场各方的利益，通过影响电网的投资和电力系 7 第一章绪论 统的发展而影响电力系统的物理稳定性。例如对于备用容量的政策问题，容量电价如果过 高，会不必要地提高边际电价，减慢技术更新的速度。但如果过低，又会在负荷低的时段内 驱使效益较低的发电机组过快地退役，这样，当发生预料外的高负荷时期，或重要设备强迫 停运时，电力市场将出现不安全、不稳定，也会影响电力系统的稳定性。 2 、考虑电力市场长期稳定的控制策略框图 发电设备及电网设备由不同的经济利益体投资，如果电网建设与电源建设的地点或 进度不协调，阻塞代价可能破坏电力市场稳定性。电源建设和电网建设的周期长，而电力 交易和电网运行工况瞬息万变，使电力市场的抗扰动能力受到很大影响。这个问题相当于 要求用大时间滞后( 若干年) 的经济手段去控制一个快速响应( 若干m s ) 的物理系统( 见 图1 2 ) 。 图卜2 用大时间滞后的经济手段去控制一个快速响应的物理系统 f i g 1 - 2a e c o n o m i cm e t h o dw i t hl o n g - t i m el a gf o rc o n t r o l l i n gp o w e r s y s t e m 薛禹胜院士开创了电力市场长期动态稳定性研究的先河，并对今后的研究指明了方 向。然而，作者建立的电力市场长期均衡模型是用语言描述的，没有给出具体的数学推 导公式。另外，作者没有考虑电力市场长期动态特性与短期市场的密切相关性，实际上 二者也具有很强的互相影响性。从控制理论的角度来看，短期电力市场相当于整个系统 的内环，响应快，然而在短期电力市场不断循环所产生的电力价格信号，将对长期电力 市场的投资者起到强烈的警示作用，是投资决策的主要依据。 8 第一章绪论 其后，在国外也有些学者开始了长期电力市场动态特性与稳定性的研究工作 1 0 5 ， 1 0 6 ，并提出具体的数学模型，然而这些文献都将短麓电力市场与长期电力市场分开来 研究。 薹。3 电力市场参与者对电力市场动态特性的影响 1 3 1 发电侧对电力市场的影响 在发电侧，存在着竞争与垄断同时并存的局面，各发电商之间既是竞争对手，有时 又是共谋的伙伴。首先在电力交易市场中，按照各发电商的报价，由低到高安排发电计 划，这样，备电厂为了降低成本、增加竞争优势，就必须努力在企业内部精简机构、提 高效益、增强活力，这时各发电商之间存在着强烈的竞争关系。但同时，由予各发电商 的规模、地理位置、燃料来源都有很大不同，少数实力强大的发电商可以暗自联合起来 抬高上网电价。又由于电力市场特殊的统一出清价( m a r k e tc l e a d n gp r i c e ，缩写为m c p ) 的影响，抬高的电价对所有发电商都有好处，因此他们会默许甚至纵容这种垄断行为。 在竞争的电力市场中，个别发电商的倒闭或被兼并，是正常的现象，不会影响发电 市场的稳定。但如果竞争过于激烈，就会损害多数发电商的利益。在残酷的竞争压力下， 当发电商只能按燃料的可变成本来报价时，就只能勉强维持日常生产，而没有了扩大再 生产和进行技改的能力。按照经济学的基本原理，如果没有了超额利润，生产商是无法 投资进行扩大再生产的。对于发电商丽言情况更是如此，因为发电设备巨大的前期投入， 需要超额利润的日积月累。残酷的竞争还会使一些处于良好状态的机组过早退役，这就 降低了系统的备用容量，对电力系统的长期稳定是极为不利的。 但如果市场力被滥用，使电力市场处在离度垄断状态，又会损害电网公司和用户的 利益，同样也不利于电力市场的长期稳定发展。在发电市场，既要保持一定程度的竞争， 又要维护发电商合理的利润，同时尽量打破行业进入壁垒，使更多资金投入其中，才能 保证发电企业健康的可持续发展。 9 第一章绪论 1 3 2 用户侧对稳定性的影响 用户在电力市场中不再被视为被动的负荷，而是被服务的市场成员。电力市场的最 终目的，就是为用户提供安全、可靠、充足、经济的电力供应。电力在国民经济中的基 础地位决定了用户的根本利益必须首先得到保证，不允许用户侧电价剧烈波动的情况出 现。对用户而言，也不是简单地接受服务，他们可以自主选择供电商或电力公司。那些 成本低、可靠性高、服务质量良好的供应商将获得青睐，并且这些条件是以合同的形式 受到法律保护的。一旦用户的用电需求受到损害，就可以获得一定的停电损失费，如果 由于供电质量问题造成用电设备的损坏，用户也可以获得合理的赔偿。 当然如果过分强调用户的利益，一味压低售电价，也不利于发电商和电网公司的经 营和发展。用户的电价受到监管和保护，也并不意味着售电价是绝对一成不变的。在加 州电力市场建立的初期，规定用户侧电价封冻4 年不变，这就严重违背了市场经济规律， 成为日后加州市场崩溃的一个重要原因。 在电力市场中用户具有很强的能动性，这就需要重视供电方与用户的合作，强调以 经济手段优化用电行为，从而减小负荷的波动，改善电网运行状况。在不同的电力市场 之间，各方也是互为用户和供方的合作关系，体现了平等自愿的原则。区域间的电力市 场能提高各电网间电力交换的积极性，带来更大的经济效益。 1 3 3 电网侧对稳定性的影响 电网公司在物理层面上肩负着电力传输的责任，同时在经济层面上又承担了大部分 电力销售的任务。在发电商和用户之间，电网公司起着桥梁和纽带的重要作用。对于发 电商和大用户之间直接签订用电合同的模式，电网公司以商品流通环节的形式出现，收 取过网费。但在大多数情况下，特别是中小用户都是直接向电网公司购电的，他们并不 在意电能是由哪家发电商提供的。这时，对于用户而言，电网公司是卖者、是供方；而 对于发电商而言，他们又是买方、是用户，电网公司此时扮演着双重身份。 从维护供电质量，保证电力系统安全运行的角度出发，电网公司所起的作用要远远 大于发电商。在本文后序的研究中指出，电能产品实际上是发电的一次生产和电网二次 1 0 第一章绪论 加工的合成品，在某种意义上，电网公司扮演着二次生产加工的第三重身份。除了经济 上的重要作用，输电在技术上也是一个极具挑战性的领域，人们没有完全认识和掌握的 问题还很多，需要经济学家和电力工程师们的不懈努力。 电网公司的关键作用决定了维护好自身的利益对电力市场的稳定发展是至关重要 的。只有经营良好的电网企业，才能保证有足够的资金进行输电网建设和改造，以适应 发电商与电网之间，电网与用户之间的协调发展。在电力市场运行中，还要特别注意不 能由电网公司单方面承担所有经营风险，而应与发电商和用户共同承担，这方面不乏惨 痛的教训。 电力系统安全生产的需要，决定了电网公司还是电力市场中有极大权利的调度管理 者。公平竞争环境下的调度管理者，在保证电网安全运行的前提下，追求的是各方的共 同利益，以互利使市场参与各方自愿地服从统一指挥。由强制型统一调度上升到自愿型 统一调度是调度艺术追求的更高境界，也是电力市场稳定发展的需要。 1 3 4 电力监管的作用 电力市场监管是保证市场竞争能否做到真正合理、有序、公正、公平和公开，发现 和防止违规行为发生的重要保证。电力监管的主要职责是：制定电力市场运行规则，监 管市场运行，维护公平竞争：根据市场情况，向政府价格部门提出调整电价的建议；监 督检查电力企业生产质量标准，颁发和管理电力业务许可证；处理电力市场纠纷；负责 监督社会普遍服务政策的实施。 电力监管部门的主要任务和职能是：依照法律、法规统一监管电力市场，监督包括 发电、输电、售电在内的所有电力企业的市场竞争行为，制止垄断和不正当竞争，协调 价格，监督各类合同的执行，处理违反规定的事件等。另外，还应建立类似“听证会 的组织，吸收政府宏观调控部门、有关工业经济部门、发电企业、电网管理部门、售电 企业以及用户代表参加，对电力市场的建设和发展提出意见和建议，对重大决策进行咨 询。 第一章绪论 作为专业职能机构，电力监管机构有其特点：一是它的独立性，它必须独立于电力 市场的所有利益主体，也必须独立于电力市场中的特殊主体，例如电力交易中的p x 和 i s o 等。独立性包括机构、人员、职能和经费的彻底独力。独立性同时也意味着它的权 威性。二是它的专业性，不仅要求熟悉各种法规和政策，而且要熟悉电力系统和电力市 场的结构和运作，防止以技术和安全为由阻碍电力市场的公平交易。 1 4 有利于电力市场经济稳定的主要措施【9 7 _ 1 1 】 1 4 1 政府调控措施 美国加州电力市场的结局表明，过于依赖现货市场的自发调节难以达到令人满意的 结果，因而需要政府适当地干预，这就需要权衡稳定与效率的关系。由于电力市场改革 的目的就是要从政府管制下的独家垄断经营的低效率模式转向市场竞争的高效率运行 机制，对于电力市场中政府干预方法的选择切不可照搬原有的模式，而应该尽可能利用 市场竞争