电力市场发电投资的系统动力学模型.pdf

第2 3 卷第 1 期 2 0 0 8年 3月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 J OURNAL OF EI ECTRI C POWER S CI ENCE AND TECHNOLOGY V o I 2 3 N o 1 Ma r 2 O 0 8 电力市场发电投资的系统动力学模型 贺红波 ， 杨洪明 ，竺 琳 ， 胡卫东 ( 1 长沙理工大学 电气与信息工程学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 6 2 江西上饶供电公司， 江西 上饶3 3 4 0 0 0) 摘 要 ： 基于系统动力学理论， 提出电力市场发电投资的系统动力学模型 该模型以系统容量、 最大负荷、 发电成 本和利润为主要状态变量， 建立反馈回路； 反映发电容量从申请 、 审批、 建设、 运行、 到退出或替换各个阶段的复杂 关系； 在发电利润中计入可再生能源发电减少温室气体排放所带来的补贴 ； 并通过定义宏函数 ， 考虑发电投资系统 中的政策性因素 根据 2 0 0 1 年至 2 0 0 5年湖南省的历史数据 ， 通过计算机仿真验证了模型的正确性 ， 识别出了发电 投资系统的敏感性因素。最后对湖南省预期的负荷需求在未来( 2 0 0 8 -2 0 1 3 ) 的发展趋势给予了分析 关 键 词 ： 动态模型； 发电投资； 电力市场； 系统动力学 中图分类号 ： T M 7 3 ； F 1 2 3 9 文献标识码： A 文章编号 ： 1 6 7 3 - 9 1 4 0 ( 2 0 0 8 ) 0 1 - 0 0 7 0 - 0 6 S y s t e m d y n a mics m o d e l f o r g e ne r a t io n inv e s t m e n t HE Ho n g b o ， YANG Ho n g mi n g ， ZHU L in ，HU We i d o n g ( 1 C o l le g e o f E l e ct rica l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ， C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S ci e n ce a n d T e ch n o lo g y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6， C h i n a ； 2 S h a n g r a o E l e ct ric P o w e r C o mp a n y ， S h a n g r a o 3 3 4 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r act ： Ba s e d o n t h e s y s t e m d y n a mi cs t h e o r y，s y s t e m d y n a mics mo d e l f o r g e n e r a t io n in v e s t me n t is p r o p o s e d in t h is p a pe r S y s t e m ca p a cit y，ma x i mu m lo a d，g e n e r a t io n p r o fi t a n d co s t a r e t a ke n a s the ma in le v e l v a ri a ble s in the mo d e 1 I t co n s is t s o f a v a ri e t y o f f e e d b a ck p a t h s r e fl e ct in g the co mp le x r e la t io ns h ip o f g e ne r a t i o n in v e s t me n t in a ll s t a g e s，s u ch a s ，the g e ne r a t i o n ca p a cit y a p p lica t i o n，e x a mi n a t i o n，a p p r o v a l，co n s t r u ct i o n，o p e r a t io n a n d r e t ir e me n t T he g r e e n h o u s e g a s e mi s s io n r e d u ct i o n s u bs i d ie s b y u s in g r e n e w a b le e n e r g y a r e i n cl u d e d i n the g e n e r a t io n p r o fit An d s o me p o li cy d e cis i o n s a r e t r e a t e d p r o p e r ly u s i n g ma cr of un ct io n I n a d di t io n，n u me ri ca l s i mu la t i o n s a r e ca r r ie d o ut u s in g Hun a n p o we r s y s t e m o p e r a t i o n d a t aThe r e s u I t s v e ri f y t h e v a lid i t y a n d f e a s ib ili t y o f t h e p r o p o s e d s y s t e m d y n a mics mo d e 1 Th e s e n s it i v e f a ct o r s o f g e ne r a t i o n i n v e s t me n t a r e id e n t ifi e d F in a lly，the s che d u le d i n v e s t me n t ca p a ci t y o f Hu n a n p o w e r s y s t e m in t h e f u t u r e fiv e y e a r s( 2 0 0 8 2 0 1 3 )is f o r e ca s t e d Ke y wo r d s： d y n a mic mo d e l；g e n e r a t i o n i n v e s tm e nt ；p o we r ma r ke t ；s y s t e m d y n a mi cs 收稿 日期 ： 2 0 0 7 1 1 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 7 0 6 0 1 0 0 3 ) 作者简介： 贺红波( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 硕士研究生， 主要从事电力市场及运营研究 通讯作者 ： 杨洪明 ， 女 ， 博士 ， 教授 ； E ma i l： y h m 5 2 1 8 1 6 3 t o n i 维普资讯 第 2 3 卷第 1 期 贺红波， 等： 电力市场发电投资的系统动力学模型 71 电力工业的市场化改革在给发电投资者带来更 高的灵活性和更多的获利机会的同时也带来了新的 挑战 与传统体制下的发电投资行为相比， 电力市场 环境下的发 电投资行为的主要 区别在于 ： ( 1 ) 发 电 投资决策 目标 由最小化整个系统的总成本转变为投 资者的投资收益最大化； ( 2 ) 投资者在进行投 资决 策时需要考虑市场中其它发电投资者的竞争； 投资 者将面对比传统体制下更多的不确定性因素以及由 此而带来的各种风险 因此 ， 发 电投 资系统涉及了越 来越多的人类活动的干预， 使得系统复杂性增加， 更 多的行为难于用明显 的数学描叙表示出来 目前 ， 发电投资问题吸引了越来越多的关注 ， 主 要研究集中在 3个方面H ： 一个是基于传统 的优 化算法的方法 ， 一个是基于博弈论的方法 ， 另一个是 基于实物期权理论的方法 这 3种 方法从不 同角度 解决了一些问题， 考虑了部分不确定性因素， 但发电 投资的众多相关因素很难全面考虑 目 前， 用系统动态理论描叙一般商品市场的供 求关 系是 一 个 普 遍 应 用 ， 在 电 力 市 场 中也 是 如 此 一些参考 文献 采用系统动力学模 型来描叙 发 电投资行为 ， 在这些模型中， 许多不确定 因素被考 虑， 诸如政策变化 、 社会 和经济发展 影响等等 J 但这些模型在建模过程中 ， 对系统 边界 内变量的选 择以及因果关系的确定， 大多基于相关领域专家的 定性分析 本文在尽可能收集现有数据的基础上 ， 采 用计量经济学方法筛选进入系统边界内的主要变 量 ， 并对筛选出的变量进行 G r a n g e r因果关 系检验 ， 并根据检验结果绘制模型的因果关系图 借助系统动力学， 本文对电力市场发电投资行 为进行 了研究 ， 主要工作如下 ： ( 1 ) 提 出了电力系统 发电投资的系统动力学模 型 该模 型借助系统动力 学 ， 构建了由新容量投 资子系统、 容量需求子 系统 、 成本与利润子系统3个子系统组成的发电投资系统 动态模型， 在发电商利润中计人了可再生能源发电 减少温室气 体排放所带来 的补贴 ( 2 ) 通过定义宏 函数 ， 处理 了发电投资系统 中的政策性因素 ( 3 ) 通 过定义噪声 函数 ， 测试 了当负荷增长率 、 容量缺 口的 反映时间和电价呈正态分布变化时， 计划投资容量 所发生的灵敏反应 ( 4 ) 基于 V e n s i m D S S软件， 对 湖南省预期 的负荷需求在 2 0 0 8 -2 0 1 3年 的发展趋 势给予了仿真 1 系统动力学理论 系统动力学 ( S Y S T E M D Y N A MI C S缩写为 S D) 由美国麻省理工学院斯隆管理学院F o r r e s t e r 教授在 2 O世纪 5 O年代创 立 ， 是一 门分析研究 信息反馈系 统的学科 S D的模型模拟是一种结构 功能的模拟 ， 以定量描叙为主， 辅以半定量、 半定性或定性的描 叙， 它是定量模型与概念模型的结合与统一 s D模 型可作为实际系统， 特别是社会、 经济、 生态复杂大 系统 的实验室 1 1 系统的基本结构及描叙 系统动力学 以反馈 回路来 描叙复杂 系统 的结 构 ， 将一阶反馈回路作为系统的基本 结构或称基本 单元 反馈 回路的极性有正负之分 ， 由一系列有极性 的因果关系连接而成 因果关系具有传递性 ， 当某种 因果关系从某一变量出发经过一个闭合的回路传 递 ， 最后导致该变量本身的增加 ， 则称这样的回路为 正反馈回路 ， 见图 1 ( a ) ， 反之为负反馈 回路 ， 见图 1 ( b ) + B 争 、 、 一 A + C +弋 D 一 ( a ) + F 、 一 E G H 一 ( b ) 图 1正反馈 回路 和 负反馈 回路 Fi g u r e 1 P o s i t iv e f e e d b a ck a n d n e g a t i v e f e e d b a ck lo o p d ia g r a m 一 个复杂系统由若干个因果反馈回路按子系统 和层次加 以组织 ， 进而组成总的反馈系统结构 这些 反馈 回路的交叉、 相互作用形 成了系统 的总功能和 行为， 并对环境变化做出反应 1 2系统动力学模型变量与方程 系统中物质、 能量和信息是时间 t 的函数 ， 它们 在系统中每时每刻都在不断地变动， 构成系统特有 的功能 经过大量的观察 ， 现实系统 中存在的变量大 体上可以归纳为 以下几 种类型 ： 状态 变量、 速率 变 量、 辅助变量和常量 系统动力学模型本质上是带时滞 的一阶微分方 程 它借助流图以及状态变量方程、 速率变量方程来 维普资讯 7 2 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 0 8年 3月 建立定量时间序列模型 ， 其方程标示符号分别是 和 ， 他们与其它一些变量方程、 函数、 以及常数 一 起描叙客观世界各类系统千姿百态的变化 总之 ， 状 态变量是具有积累效应的变量 ， 其单位时间的改变 量为各速率变量汇总值， 即每个状态变量L E V ( t ) 与 其汇总流率变量 R A T ( t ) 满足微分方程： R A T ( )： ( 1 ) 2 发电投资的系统动力学模型 2 1 系统的总体框架 系统是一个相对 的概念 ， 在确定 了系统边界之 后 ， 才能确定系统的内生变量和外生变量 经定性分 析 ， 初步确定发电投资系统边界为一些影响系统 内 生变量的因变量 ( 为常量或数据 变量 ) ， 如 ： G D P的 影响、 气温对负荷的影响等 根据发电投资系统 的物理特点和外部环境 ， 定 义系统的所有变量 ， 分析它们之间的因果关系 本文 对收集到的时间序列数据 ， 如 G D P 、 电力工业产值 、 气温等进行平稳性检验和协整检验 ， 结果显示： G D P 和最大负荷、 气温和最大负荷、 使用新能源和最大负 荷之间存在长期稳定的关系 从而决定它们可以进入 发电投资系统模型边界 然后对这些变量进行 G r a n g e r 因果关系检验 ， 根据检验结果决定因果关系方向， 绘 制模型的因果关系图 发电投资系统总体建模框架见 图2 发电投资问题的提出 平稳性和协整检验 发电投资系统边界的确认 发电投资系统变量定义 G ran g e r 因 果关系 分析 建立系统模型方程 建立发电投资系统流图 数值仿真 湖南省 历史数据 模 型 修改 图 2 发电投 资 系统总体建模框 架 F ig u r e 2 Mod e fi n g fl o w ch a r t o f g e n e r a t io n in v e s t me n t s y s t e m 2 2 发电投资系统流图 发电投资系统是众多的发电商以 自身利益最大 化为目标， 在市场供求关系和电 价的协调作用下进行 决策和管理的一个十分复杂的动态系统 根据图2建 立的发电投资系统动力学模型可用图 3来描叙 气 可 负荷增长率 量 贿需 量 图 3发 电投资 系统流图 F ig u r e 3 Mo d e lin g fl o w c h a r t o f g e n e r a t io n in v e s t me n t s y s t e m 维普资讯 第 2 3 卷第 1 期 贺红波， 等： 电力市场发电投资的系统动力学模型 7 3 发电投资系统 由负荷需求子系统 、 容量投资子 系统， 发电成本与利润子系统 3 个子系统组成 系统 流图包括 7 个状态变量， 8 个速率变量， 3 9 个辅助变 量， 和一些常量或数据变量 为了简化， 系统中的主 要变量分别用字符标示( 表 1 ) 表 1 系统主要 变量及含义 Ta b le 1 Ma in v a r ia b le s in t h e g e n e r a t io n in v e s t me n t mo d e l 数学上， 发电投资系统主要变量间的因果关系， 可用 以下方程来描叙 ： S I C = 0，CG 0 i D E L A Y ( C G， T R C G ) ， C G0 A ( R PMR I )0； ( 2 ) W C GD E L A Y ( C G， T RC G ) ， C G0 A ( R PMR I )0 S I R = ma x 0 ，RR + 豫 S I c C G i ， I ； ( 3 ) 尸 ( )=P R ( 一d )+( S IR 一尸 P )d t； ( 4 ) A P NC f ( )=A P NC ( 一d t )+( P P C s )d t； ( 5 ) C u C ( )=C u C ( 一d t )+( C S C C )d t ； ( 6 ) S C ( )=S C ( 一d )+( C C R e )d t； ( 7 ) EC R =( 儿 +R C +ML )( 1+E G )； ( 8 ) NO I=C E R P( G R EE R F)： ( 9 ) R P = 1 0 0 ( 1 o ) 式( 2 ) 为辅助方程 ， 用来计算计划投资容量 ， 式 ( 3 ) 为速率 方程 ， 是计 划投 资速率 的计算 公式 式 ( 4 ) ( 7 ) 为4个带时滞的一阶微分方程， 分别用来 描叙申请新建容量、 批准新建容量、 在建容量和系统 容量 ， 反映了容量从 申请 、 审批 、 建设到退出的过程 式( 8 ) 反映了预期的容量需求， 式( 9 ) 描叙了使用可 再生能源发电减少 温室气体排放所带来的补贴 ， 式 ( 1 O ) 为利润率 的计算公式 3 发电投资系统的数值仿真 根据 2 0 0 1年到 2 0 0 5年湖南省 的历史数据 ， 借 助计算机仿真， 验证了本文所建模型的正确性和有 效性 3 1 仿真结果分析 目前， 湖南电力市场只开放了发电侧市场 2 0 0 1 年到 2 0 0 5年 ， 湖南 电力装机严重不足 ， 人均装机和 用 电量均低于全国平均水平 ， 加上湖南电力负荷特 性具有 明显的季节性 和时段性 ， 在用电负荷增长迅 猛的情况下， 湖南电网经常出现拉闸限电的现象 湖 南电力市场 2 0 0 1 年到 2 0 0 5年最大负荷曲线见图4 善 挺 时间， 年 圈 4 2 0 0 1 2 0 0 5年最大 负荷曲线 Fig u r e 4 Ma x imu m lo a d e L ll v e f r o m 2 0 0 1 t o 2 0 0 5 y e a r 维普资讯 7 4 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 0 8年 3月 通过对本文所建模型进行计算机仿 真发现 ， 仿 真结果与湖南省 2 0 0 1 年至2 0 0 5年历史数据较为接 近 ， 如系统 容量、 发 电量 ( 图 5， 6中历史 数据 为实 线 ， 仿真曲线为虚线) 扛 1鼯 ， 。 一 _ 一 时问， 年 图 5系统容量仿 真曲线 )5史数据 F ig u r e 5 S imu la t io n cu rve h is t o r ica l d a t a o f t h e s y s t e m ca p a cit y 图 6 发 电量仿真曲线 历史数据 F ig u r e 6 S imu la t io n cu rve h is t o r ica l d a t a o f g e n e r a t io n q u a n t ifi e s 图7为湖南电网2 0 0 1 年至 2 0 0 5 年计划投资容 量仿真曲线 从图7 可以看出， 从第2 0 0 2 年起， 曲线 突然上升 ， 正 是 因为 巨大 的容 量 需 求 ， 湖 南 电 网 2 0 0 3年出现电源投资建设高峰， 2 0 0 5年， 湖南电源 投资增速有所下滑 ， 但仍然保持增长水平 时间 年 图 7 2 0 0 1 2 0 0 5年计 划投 资容量仿真 曲线 F ig u r e 7 S c h e d u le d in v e s t me n t ca p a cit y s imul a t io n cur v e f r o m 20 01 t o 20 0 5 y e a r 因此， 建立有效的发电投资模拟系统， 对于管理 不完善的湖南市场的发电侧行为具有重要意义 运 用本文所建发电投资系统动态模型， 结合湖南电力 负荷特性和经济发展趋势， 进一步预测出未来 5年 内湖南电网预期的负荷需求( 图8 ) 一 l lI _ _ _ 时 间， 年 图8 未来 5年预期容量需求仿真曲线 F ig u r e 8 T h e e x p e ct e d in v e s t me n t ca p a cit y s imul a ti o n cu rve in t h e f u t u r e fi v e y e a r s 3 2 灵敏度分析 为了检测一些不确定性因素对发电投资行为的 影响 ， 本文基于系统动力学灵敏度仿真软件 V e n s i m D S S ， 主要考虑了一些对 系统行 为起关键 影响的变 量， 如负荷增长率、 电价等， 并设置它们的最大值、 最 小值以及它们随机分布( 表 2 ) 当设定定仿真次数 为 2 0 0 ， 初始噪声系数为 1 2 3 4时， 计划投 资容量相 对于表 2参数的灵敏度仿真曲线见图 9和图 l0 图9 显示了2 0 0次仿真的轨迹， 而图 l0 反映了 计划投资容量仿真结果的置信度区间 借助计算机 仿真 ， 不仅可以检验多个参数一起变化对系统 的影 响， 也可以测试单个不确定参数对系统行为的影响 经过多次灵敏度测试， 除电价和负荷增长率对 发电投资系统中的影响较大外， 大多数参数的变化 对系统的影响较小 ， 说 明模 型对改变参数 的反 映呈 不灵敏性 ， 模型具有较好的稳定性 ， 能用于实际的政 策分析和模拟 表2 发电投资模型中的主要不确定参数 T a b le 2 Ma in u n ce r t a in p a r a me t e r s in t h e g e n e r a t io n i n v e s t me n t mo d e l 变化范围 参数 基本值 分布 最小值 最大值 电价 容量 缺 口权重 容量缺 口反应时间 负荷增长率 2 6 0元 M Wh 标准正态分布 2 2 0 0 8 标准 正态 分 布0 6 1 O月 标准正态分布 3 0 9 6 J 标准正态分布0 5 6 2 5 0 l 1 5 1 1 2 维普资讯 第2 3卷第 1 期 贺红波， 等： 电力市场发电投资的系统动力学模型 7 5 4 O 0 0 3 6 o 0 3 2 o o 3 0 0 0 芝2 8 0 0 器 簧 1 2 0 0 寂1 0 0 0 ： #8 o o 6 o 0 4 O O O 2 0 0 2 2 O 0 3 2 0 0 4 2 o o 5 2 0 0 6 时 间 年 图9 计划投资容量仿真轨迹 F ig u r e 9 S ch e d u l e d i n v e s t me n t ca p a ci t y s imul a t i o n t r a ce s 4 0 0 0 3 6 0 0 3 2 o o 3 0 0 0 芝2 8 0 0 龚 i 霜1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 O 0 O 5 0 7 5 一 9 5 黼 1 0 0 2 o ( ) 2 2 o o 3 2 O O 4 2 o o 5 时 间 年 图 1 0 计划投资容量 变化 范围 Fig u r e 1 0 T h e r a n g e o f s ch e d u le d in v e s t me n t ca p a cit y 4 结论 本文基于系统动力学方法， 全面分析了发电投 资系统的结构和功能， 构建了发电投资系统的动态 仿真模 型 从最终模拟结果的分析可以看出 ， 模拟 出 的各参数变化情况与湖南省发电投资系统的历史数 据相吻合， 说明了该模型结构是正确的 模型对发电 投资规划有很好的指导作用， 它将为电力部门预测 未来的容量需求提供有力的支持和帮助 此外 ， 全面、 精确地确定系统边界内所包含的变 量， 优化敏感性因素， 将提高本模型的精确度和决策 准确性 参考文献 ： 1 M i n K J ， Wa n g c H G e n e r a tio n p l a n n i n g f o r i n t e r r e l a t e d g e n e r a t i o n u n i t s ： a r e a l o p t i o n s a p p r o a ch c P r o ce e d i n g s o f I E E E P o w e r En g in e e r in g S o cie ty S u mme r Me e t i n g，S e a R le ， W A ， US A，2 0 0 0 2 P in e a u P O，M u r t o P A n o l i g o p o l is tic i n v e s tm e n t m o d e l of t h e F in n i s h e l e ct r ic； t y m a r k e t J A n n a l s of O p e ra t i o n s R e s e a r ch ， 2 0 0 3， 1 2 1 ( 1 ) ： 1 2 3 1 4 8 3 C h u a n g A S ， W u F ， V a r a i y a P A g a m e t h e o re t i c m ode l fo r g e n e ra t io n e x pa n s io n p la n n in g ： p r o b le m f o r mu la t io n a n d n u me rical co m p a r i s o n s J I E E E T ra n s a ct i o n s o n P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 4) ： 8 8 5 - 8 9 1 4 K a d o y a T，S