分组竞价的电力合约市场交易模式.docx

第 27 卷 第 1 期162003 年 1 月 10 日电力系统自动化A u tom at io n of E lectric Pow er System sV o l. 27 N o. 1Jan. 10, 2003分组竞价的电力合约市场交易模式赵儆1 , 康重庆1, 尚金成2 , 黄永皓2 , 孟远景2 , 沈瑜1, 丁军威1 , 夏清1(1. 清华大学电机系, 北京市 100084; 2. 河南省电力公司, 河南省郑州市 450052)摘要: 合约市场是电力市场的重要组成部分, 它通过中长期合约交易降低发电商的市场风险, 保证电力系统长期安全平稳运营。文中紧密结合我国现状, 充分考虑各发电公司由于历史原因造成的在 市场上竞争能力的差异, 提出了分组竞价的概念和交易机制, 在最大限度上保证各发电公司的公正 和公平性。 提出了分组竞价的合约市场交易模型和算法, 可以同时考虑上升、下降及混合型报价曲 线。 算例分析表明, 这种分组竞价机制能保证交易的经济性和公平性, 将对电力市场的稳定运营提 供有力的保障。关键词: 电力市场; 合约市场; 分组竞价中图分类号: TM 73; F 123. 90引言当前, 全世界电力工业正在引入竞争机制 1, 2 , 电力工业走向市场是国家基础产业改革的方向。 数 年的实际运行表明: 在电力系统中引入市场机制后, 由于电力这种商品的特殊性, 在电力市场的运营过 程中往往会出现一些问题。 特别是在电力市场的运 营过程中, 单纯的现货交易会给电力市场的安全平 稳运营带来潜在的威胁, 可能出现部分市场成员的 市场控制力过大、电价剧烈波动等问题, 加州电力市竞争效果。我国目前采用的只是一种保电协议合同, 不是规范的远期合约。在目前电力市场条件下, 本文推荐的合约市场 的运营模式为: 合约交易算法保证交易中心以尽可能低的价格购买所需的合约电量, 由电力交易中心 作为单一买主与各电厂交易, 签订中长期 (年或者 月) 的购电合约, 再由交易中心将各电厂竞争得到的 合约电量分配到各日甚至各时段。考虑到我国在电力市场初期, 参与电力市场的 各电厂的机组类型、还贷情况、发电成本存在很大差场的失败证明了这一点 3 。异, 本文提出了分组竞价的思想,建立了合约交易的相反, 远期合约的存在使得发电商大部分的电量和电价被提前 1 个月甚至 1 年确定, 这样, 发电商 可能会失去未来价格上涨时获得利益的机会, 但同 时也避免了价格下跌时遭受损失的风险 4 。可见, 合 约的存在可以保证长期稳定的电力供应, 并同时降 低发电商和电网的运营风险, 是完善的电力市场必 不可少的组成部分。因此, 必须依据先进的经济学原 理, 设计一个能够规避市场运营风险和稳定电价的 电力合约市场, 研究其竞价模式、数学模型和计算方 法。本文研究的是以年或者月为竞价周期的远期合 约(合同) 交易市场, 在不引起歧义的情况下, 简称为 合约市场。值得指出的是, 远期合约不能是人为制定 的结果, 而必须作为一个交易市场存在, 才能发挥其收稿日期: 2002205224; 修回日期: 2002209208。国家重点基础研究专项经费资助项目 (G1998020311); 高等 学校博士学科点专项科研基金资助项目 (200100030251); 清 华大学基础研究基金资助项目 (JC 2002018)。数学模型和算法。 着重分析了交易中发电商可能申 报的下降型电价电量曲线以及其他特殊情况, 保 证了交易的公平性和经济性。1 分组竞价现行交易模式中, 所有机组都是同等竞争的。这 事实上是一种理想的情况。 在目前我国电力市场状 况下, 让所有机组处于同等竞争的地位, 势必导致许 多竞争能力不强的电厂过早地濒临破产, 反而阻碍 了电力市场健康、有序地发展。市场的开放和竞争应该是逐步过渡的。 那么如 何实现这个逐步过渡呢? 本文提出了分组竞价的思 想, 其思路如下:a. 在电力市场初期, 根据参与电力市场的各电 厂的机组类型、还贷情况、发电成本的差异, 在合约 市场中, 将发电机组分成若干竞价上网组。 在各组 内, 依据一定的价格机制, 组织竞价。b. 根据对各发电机组成本审核结果, 由电力市 场交易中心提出各发电机组应参与的竞价组并报监电力市场专栏 赵 儆等 分组竞价的电力合约市场交易模式17管委员会审批。 发电公司有权申请参与结算价格低 的竞价组的竞争。在同一时期, 某发电机组只能在一 个竞价组参与竞价。 例如, 在电力市场初期, 可将所 有注册发电机组分为 4 组: 第 1 组为不参与竞争机 组(包括核电、无法实时监视的机组、风电、径流小水 电) ; 第 2 组为水电组; 第 3 组为有还贷任务或其他 成本较高的火电机组; 第 4 组为普通火电机组。c. 以电量作为合约交易对象。各组竞价电量占 总竞争电量的比例由交易中心根据电网实际情况确 定, 并报监管委员会审批。 确定的原则是: 在保证新 建机组有一定还贷电量、执行充分利用水电的能源 政策的前提下, 各组的竞价电量占总负荷电量的比 例应与各组的结算电价成反比。d. 各组竞价电量应小于本组发电厂的发电能 力, 制造一个买方市场, 有利于竞争的充分性。e. 为了保证引入电力市场竞争机制后综合上 网电价不上涨, 防止发电公司的报价偏离其成本的 过度投机, 在各分组中设立最高限价。f. 当有还贷负担的机组累计利用小时数满足 还贷期限规定的小时数, 或者某些成本高的机组设 法降低成本之后, 这些机组必须退出第 3 分组, 进入 到成本较低的第 4 分组中。随着时机逐步成熟, 分组 市场最终将合并为一个统一的市场。分组竞价是解决我国电力工业走向市场竞争的进行合约电量的竞争; 各电厂根据交易中心发布的 信息和自身的竞价策略, 在合约市场上进行电量 电价曲线的申报 (发电商的电量电价曲线反映在 不同价位上发电商愿意提供的电量) ; 电力交易中心 根据各电厂的申报, 本着“三公”的原则购买所需的 合约电量, 并将合约电量分解到每天的各个时段, 同 时将交易结果下发各电厂。在这种交易模式下, 交易总购电量以及各分组 的比例是由交易中心指定的, 它不受电厂申报的影 响, 因此可以保证一定的电量交易量, 降低电力市场 运营的风险。 在电力市场运营的初级阶段将采用这 种运营模式, 保证整个电力运营体制的平稳过渡。2. 2 数学模型从本质上看, 在单一买主模式下合约市场的交 易是一个约束优化问题, 在分组竞争前提下, 交易模 型的目标函数为各分组购电费用最低。目标函数为:m in CgD g (1)式中: D g 为某分组交易电量; Cg 为在该分组内的市 场出清价。由于分组交易电量为定值, 因此, 原来的目标函 数就转化为求解可能购买到分组电量的最低电价。在这个优化问题中还需考虑以下约束条件:a. 分组电量平衡:一种过渡方案。 该模式考虑了各发电公司由于历史I j E j= D g(2)原因造成的在市场上竞争能力的差异, 从历史的角度, 保证对各发电公司的公正和公平性。避免了采用 由政府处理搁浅成本的计划经济的手段。 随着电力 市场改革的不断深入和历史遗留问题得到解决, 可 以调整各组的竞争电量, 使得各组的结算电价趋于 一致, 并最终可以将各组合并, 达到更大程度上的公 平竞争。从以上论述可看出, 在分组竞价过程中, 电力交 易中心扮演了重要的角色, 它承担着根据电网实际 情况来初步决定分组数目和各分组交易电量比例、 维护市场竞争公平性的重任; 而电力市场监管委员 会则应对交易中心提交的方案进行有效的核准、审 批和备案, 并对其实施过程的行为进行有力的监督。2 分组竞价的合约交易模型2. 1 发电侧单边开放的交易模式在发电侧单边开放、不开放供电侧市场的情况 下, 采取单一买主的交易模式。 在该模式下, 由电力 交易中心根据负荷预测的结果以及电网安全运行的 需要, 确定每年、每月的合约电量, 同时确定各分组 的电量比例, 并向电厂发布, 在年前和月前组织电厂j Ggb. 机组最大和最小电量约束:E m in, j E j E m ax, jj Gg(3)c. 报价曲线约束:j = f j (E j )(4)式中: Gg 为 g 分组的机组集合; E j , E m in, j , E m ax, j 分别 为机组 j 的合约电量, 在该竞价周期内的最小、最大 可能发电量, 这些数据由机组额定功率、最小出力 率、检修计划等共同决定; I j 是机组 j 参与合约交易 的状态变量, I j = 1 表示参与交易, I j = 0 表示不参 与交易; f j 是机组 j 申报的电量电价函 数; j = f j (E j ) 表示对应电量 E j 的电价为 j。3分组竞价的合约交易算法3. 1基本思路在单一买主交易模式下, 各分组需要购买的总 电量已经确定, 问题实际上等价于寻找一个能够购 买到既定电量的最低价格, 一旦价格确定了, 各发电 商的发电量也就确定了。 这个成交价格也就是市场 出清价。在本文提出的合约市场的交易算法中采用一维18电力系统自动化2003, 27 (1)搜索的方法优化交易价格, 对于价格轨迹上的每个 点, 算法都对该分组内所有机组的报价曲线进行一 次扫描, 以确定当前电价可购买的各机组电量, 然后 可以确定在当前价格下的分组购电量。实际上, 这个 价格寻找的过程也就是进行该分组电量电价曲线合 成的过程。3. 2计算过程中可能出现的特殊情况在市场运营的实际过程中, 电厂的报价曲线可 能会呈现出多种形态, 而算法对于每一种形态曲线 的处理都不一样。特别是下降型曲线, 它集中反映了 一些机组发电量越大, 单位成本越低的现实情况。也 有些电厂为了在竞争中获得更多的利益而申报下降 型曲线, 以占得更大的市场份额。针对下降型曲线的 出现带来的公平性和经济性相冲突的问题, 文献 5 中进行了详尽的讨论, 并提出了合理的解决方案。在 本文合约市场的算法中沿用了该文的思想, 对于电 价轨迹上的每一个点考虑其可能购买的最大电量, 体现在申报下降型曲线的机组上就是一旦电价大于 其申报曲线的最低电价, 成交电量即为申报曲线的 最高电量, 否则为 0。由于下降型和复杂型报价曲线的存在以及电厂 申报的任意性, 对各类型报价曲线的处理可能会造 成分组合成电量电价曲线的阶跃, 若不对这种情况 进行特殊处理, 则可能无法获得市场出清价。如图 1 所示, 若某电价 P 对应某申报下降型曲线机组的最 小电价, 则分组合成报价曲线中会出现电量的阶跃。借鉴市场出清价与结算电价分离的思想 5 , 在 寻优过程中, 先确定可能购买到所需电量的市场出 清价, 再调整边际机组的交易结果以使供需平衡。具 体地说, 当市场出清价确定时, 若市场出清价恰好使 得某台机组的交易电量发生阶跃, 其可购买的电量 很有可能大于所需的电量。出现这种情况时, 算法将 按照一定顺序对所有其他机组的交易电量进行调 整, 通过降低这些机组的交易电量来平衡供需差距。4 算例分析本文根据某省实际情况, 模拟了 2001 年 1 月省 网合约市场交易的全过程, 特别构造了一些特殊的 报价情况, 充分体现了算法的公平、公正。 算例中将 该省所有机组分成新火电、旧火电和水电 3 个分组;将 2001 年 1 月省网发电量拿出一定的比例作为合 约市场的竞价空间, 电量总计237 273 MW h; 按 30% , 60% , 10% 的比例将合约电量分配给旧火电、新火电和水电 3 个分组。4. 1 分组交易结果分析从表 1 可以看出, 3 个分组的成交电价相差较 大, 由于电量是根据各分组机组的总装机容量比例 分配到各组, 这个结论也说明了属于不同分组的机 组发电成本的差异, 从而体现了分组竞争可以充分 保证各种类型机组竞争的公平性。表 1 分组交易结果 Ta ble 1 Tra d in g re sul ts of d if f eren t group s 图 2 表示了由于电厂申报电价的随意性, 很有可能 造成合成电量电价曲线的不连续, 若分组成交电量分组名称成交电量(MW h)成交电价(元 (MW h) - 1)处于阶跃区中, 则也无法获得系统市场出清价。图 1 下降型曲线造成分组合成报价曲线的阶跃F ig. 1 Sa ltus due to descend ing bidd ing curve图 2 上升型曲线造成分组合成报价曲线的阶跃F ig. 2 Sa ltus due to a scend ing bidd ing curve旧火电分组73 555187. 04新火电分组139 991208. 53 水电分组23 727140. 48 4. 2普通机组交易结果分析表 2 反映的是一台普通上升型报价曲线机组的 交易情况。 这台机组的最高报价比该机组所在分组 的市场出清价低, 所以其交易电量即为其报价曲线 上的最高电量。指标数值最低申报电价(元 (MW h) - 1)40最低申报电价对应电量(MW h)1 000最高申报电价(元 (MW h) - 1)140最高申报电价对应电量(MW h)13 698机组所在分组市场出清价(元 (MW h) - 1)208. 53机组交易电量(MW h)13 698机组交易电量对应电价(元 (MW h) - 1)140机组结算电价(元 (MW h) - 1)208. 53表 2 普通机组申报数据与交易结果的分析 Table 2 Trad ing results ana lysis of ord inary un it with a scend ing bidd ing curve 电力市场专栏 赵 儆等 分组竞价的电力合约市场交易模式194. 3下降型机组交易结果分析表 3 反映的是典型的下降型曲线申报的机组。 从表中可以看出, 机组所在分组的市场出清价高于 其申报曲线的最低电价对应点, 所以其成交电量就 是其申报曲线中的最高电量。表 3 下降型机组申报数据与交易结果的分析Table 3 Trad ing results ana lysis of a un it with descend ing bidd ing curve指标数值最低申报电价(元 (MW h) - 1) 100最低申报电价对应电量(MW h)13 698最高申报电价(元 (MW h) - 1) 460最高申报电价对应电量(MW h) 1 000机组所在分组市场出清价(元 (MW h) - 1) 208. 53机组交易电量(MW h)13 698机组交易电量对应电价(元 (MW h) - 1) 100机组结算电价(元 (MW h) - 1) 208. 535供电侧电力市场开放后的展望在供电侧电力市场开放后, 各个独立的供电商 将参与到合约市场中来, 与发电商一同成为市场的 交易成员, 这时省电力交易中心将成为交易的中介 机构, 它组织交易双方进行申报, 并撮合双方进行交 易。而在撮合交易模式下, 合约交易算法根据交易双 方申报的需求曲线与供给曲线计算出成交点。5. 1撮合交易模式当供电侧电力市场开放后, 合约市场的交易模 式也将转变为撮合交易型。 供电商将申报自己的电 量电价曲线 (供电商的电量电价曲线反映在各个 价位上供电商愿意购买的电量) , 这时电量总需求也 将随电厂和供电商的申报波动, 市场均衡理论成为 交易中心进行交易决策的基础。在这种交易模式下, 电力交易中心成为交易的 中介机构。电力交易中心首先在年前、月前组织发电 商和供电商进行交易申报; 各发电商和供电商根据 自身营销策略进行电量、电价申报; 交易中心根据申 报进行均衡计算并发布交易结果。 在撮合交易模式 下, 省电力交易中心扮演了十分重要的角色, 其用以 计算交易结果的合约交易算法必须保证交易的公平 与公正。5. 2交易算法本文提出的合约市场交易算法对撮合交易模式 的处理与单一买主相似, 不同的是由于供电商也进 行电量电价申报, 对于电价轨迹上每个确定的电价, 需要对供需双方在此电价下愿意交易的电量进行统 计, 直至找到使得供需双方电量可以匹配的电价, 也 就是成交价格, 一旦成交价格确定, 各机组的成交电量也就确定了。图 3 形象地描述了撮合交易过程。 在撮合交易 模式下, 供给和需求曲线都有可能出现电量阶跃的 情况, 若它们的交点又恰好在出现阶跃的区域, 就需 要进行特殊的处理, 其方法与单一买主模式处理的 思想类似, 这里不再赘述。图 3 撮合交易成交示意图F ig. 3Illustra tion of ma tch- trad ing6结语本文提出了基于分组竞价的电力市场合约交易 的运作方式、交易模型和计算方法。 在该模式中, 考 虑了我国在电力市场初期, 参与电力市场的各电厂 的机组类型、还贷情况、发电成本差异, 提出了将发 电机组分成若干竞价上网组的分组竞价方案; 年合 约市场的竞争标的既可以是全年统一的年合约电 量, 也可以是按照不同比例逐月竞争, 从而考虑了电 力在不同月份的市场供需状况变化; 为了保证基于 边际原理的价格机制尽可能使发电公司的报价接近 其成本, 充分发挥市场的价格发现功能, 该模型还可 以采用发电公司多次报价的机制, 通过反复的竞价, 使得发电公司的报价动态地接近其成本。分组竞价的思路是一种新的尝试, 较好地解决 了我国电力市场的逐步过渡问题。但是, 目前的认识 可能还存在一些局限性, 需要将来在实际应用中根 据它所出现的问题进一步完善。参 考 文 献1 黄永皓, 尚金成(H uang Yonghao, Shang J incheng). 电力市场运 营模式研究及其技术支持系统设计 (Study on E lectricity M arket Operat iona lM odel and T echnique Suppo rt System ). 北京: 科学 出版社(Beijing: Science P ress) , 19992 M annila T , Ko rp inen L. 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Guangdong Pow er D ispatch Cen terGuangzhou 510000Ch inaAbstract In the electricity m arket environm en tthe inheren t physical characteristics of the t ran sm issio n netw o rk can conflict w ith the m arket t rade. How to address the relevan t p rob lem s p lays an im po rtan t ro le in the electricity restructu ring. In th is paperby referring to the ach ievem en ts of dom estic and in ternat io nal researchers an overview is m ade of the t ran sm issio n p rob lem s in the environm en t of electricity m arket such as congest io n m anagem en t t ran sm issio n p ricing and t ran sm issio n lo ss. In particu lar the p ropo sit io n and so lu t io n of the above quest io n sand the la test p rogress in their research are analyzed and in t roduced in detail so as to p romo te their fair and reasonab le so lu t io n.T h is p ro ject is suppo rted by Guangdong N atu ral Science Foundat io n ;N o. 000397.Key wordstran sm issio n open accesscongest io n m anagem en ttran sm issio n p ricingtran sm issio n lo ss(上接第 19 页con t inued from page 19)4 赵学顺, 黄民翔, 韩祯祥 (Zhao Xueshun, H uang M inxiang, H an Zhenxiang). 电力市场中风险规避问题的研究 (一) 不同电力 市 场阶段风险规避模型 ( Study on R isk Evasion in E lectricityM arket: Part O ne R isk Evasion M odels Co rresponding to the D ifferent Stages of Pow er M arket ). 电 力 系 统 自 动 化 (A utom at ion of E lectric Pow er System s) , 2001, 25 (7) : 14 205 江 健健, 康重庆, 夏 清, 等 (J iang J ian jian, Kang Chongqing, X ia Q ing, et al). 一种新的边际电价制定体系(N ew P rincip le fo r D eterm in ing System M arginal P rice ). 电 力 系 统 自 动 化 (A utom at ion of E lectric Pow er System s) , 2001, 25 (22) : 10 14赵儆 (1978) , 男, 博士研究生, 从事电力市场的研 究。 E 2m ail: zhao j00m ails. tsinghua. edu. cn康重庆 (1969) , 男, 博士, 副教授, 研究方向包括电力市场、电力系统规划、电力经济与信息技术、负荷预测等。E 2m ail: cqkang tsinghua. edu. cn尚金成 (1966) , 男, 博士, 高级工程师, 主要从事电网 优化调度、电力市场及其技术支持系统等方面的研究。EL ECTR IC ITY TRAD ING MOD EL BY GRO UP B IDD INGZ hao J ing 1 K ang Chong qing 1 S hang J incheng 2 H uang Y ong hao2 M eng Y uanj ing 2 S hen Y u 1 D ing J unw ei1 X ia Q ing 1; 1. 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