双边分段竞价电力市场研究

1、双边分段竞价电力市场研究,指导教师： 刘振宇,研究背景,我国目前电力市场普遍存在问题有：用电高峰期电力供应紧张国家为了保障居民生活用电而对企业进行限电；诸多发电商尤其是火力发电企业随着燃煤价格的上升而处于亏损运行，有的火电厂甚至采取关闭一部分发电机组来应对自身经济危机；需求侧方面不管是居民还是企业都对无休止的突然停电是苦不堪言。针对这些矛盾，在电力市场进行一次彻底的革命势在必行。而这次彻底革命首要的问题就是打破国家对电力行业的垄断，将电力的买卖完全投放市场，通过国家定制竞价方式使电力的供需双发都能够满意。我国电力行业已实行计划经济和垄断经营四十多年，而近几年电力行业领导多次指出介于发电厂和用户

2、之间的电网是电力交换的场所，市场机制将是电力运营的基本点。中国加入WTO后电力行业迫于压力必将是中国最后一个打破垄断的行业。,电力市场化改革在国外已经经历了十年多的实践，在国内也进行了三年多的试点实践。目前，英国的电力市场在运行了八年之后，正在针对发电公司市场控制力太大而出现的投机报价问题，进行第二阶段的改革；美国加州电力市场因缺电导致电价急剧上扬，出现了二次世界大战后的第一次分区停电，美国联邦政府正在提出补救措施，并修改竞价模式和规则；我国是发展中国家，前十几年，为了解决严重缺电的局面，我国实行了“集资办电”的政策，从而形成了许多产权多元化的新电厂。由于新电厂还本付息的缘故，其电价远高于老电

3、厂，且电网公司对这些电厂在还款期内承诺了发电利用小时数和上网电价。由于上述原因，我国的发电市场竞价规则绝不会向国外的那么简单。,我国目前的电价标准的缺点,我国目前的电价的标准以我们山西为例，按需电方的类型分为：居民生活用电、一般工业用电、大工业用电和农业生产用电等四档。按用户电压等级的不同分为：不满1千伏、110千伏、110220千伏和220千伏以上等四档。（详见附录一，山西省电网销售电价表）。 这样的电价机制肯定是不符合我国目前经济的日益发展。它虽然很好的体现了政府对各行业均衡的策略性照顾，但是没有照顾到电力供需它具有很强的时段性，实行现有电价造成了电力在高峰负荷段供不应求，在低谷负荷段电力

4、浪费和发电机组的频繁启停而造成发电成本的增加。这对我国的电能的供需两方都是不利的。,我国电力市场改革的目标,电力市场化改革的目标是：引入竞争机制，降低销售电价、优化资源配置、提供优质服务，促进电力工业的可持续发展。电力市场竞价模式和规则设计应满足这个目标。,研究内容与目标,基于上面的原则与我国目前的形势，我们在接下来对在国外电力市场比较流行的分时竞价策略与还处于理论研究阶段的分段竞价来进行比较，以山西省保德县的电力供应为研究对象，通过定量计算与理论分析得出最适合我国国情的电力市场竞价策略，从而使电力供需两方在经济与技术方面能够达到双赢。,山西省保德县电力供应介绍,保德县境内的电力供应总体情况大

5、致如下：全县共有35kv供电线路5条，10kv线路28条。其中一部分是专线，另一部分是农线。在工业较多的两个城镇，在2009年4月份，桥头镇的售电量为50万kwh，义门镇的售电量为70万kwh，其它以农业为主的10个乡的售电量为5.8万kwh。在大工业用电方面，大工业供电基本上是专线供电，在2009年14月份的用电量分别为：2235.5MWh、2257.1MWh、4181.8MWh和7558.8MWh。（各个企业的详细用电量见附录3）。,在居民聚集较多的保德县城所在地东关镇对居民生活供电的是2条10kv线路，我们把其中一条10kv线路2009年4月份某一天各个时段的用电量做成曲线图如下图1。,

6、研究目的,从上面的四个月的工业用电和城镇居民某一天的各个时段的用电量可以看出现在的电力需求时间性很强，用电高峰期和低谷期的电力需求差别很大。而电力供应的发电厂机组容量是一定的，这就会造成高峰期电力负荷不堪重压而突然停电，而在低谷期却造成电能的浪费，同时这也给发电企业也造成了很大的不确定性，机组的频繁启停使发电成本不断增大，而电价却是国家发改委统一定价，这也就造成发电企业的运营困难。所以我们必须通过改革电价来引导用户将高峰用电量向低谷转移，也就是移峰填谷。而且通过将电力完全投放市场，采取通过引入发电侧与需求侧的双边竞价方式，最终能够使发电侧与需求侧能够达到双赢。本文将以东关镇一条10kv线路上一

7、天中各个时段的用电量为研究重点，通过电网损耗分析与定量计算市场出清来得出最适合目前我国的电价策略还是发电侧与需求侧的双边分段竞价策略。,峰谷分时竞价的意义,这种竞价方式能够引导用户合理分配使用电能。尽管这样，但是高峰负荷的紧张, 导致发电公司在负荷高峰期具有较大的市场力, 而在低谷期的电力负荷剩余却造成了极大的浪费。峰谷分时电价策略作为需求侧管理的重要手段之一,在削峰填谷、改善负荷曲线形状、调节电力供求关系、延缓新增装机容量、节省国家大量电力投资、提高电力系统运行效益、减轻用户电费负担、保护环境等方面的作用是十分明显的。,峰谷分时电价削峰填谷的合理性,由于电能不能大量储存,发电、输电、用电具有

8、瞬时平衡的特殊性。电力系统在不同的运行时段随着负荷的变化,运行成本明显不同,即使在一天之内,由于一些用户的用电时间和用电负荷分散且波动较大,造成较大的峰谷差异,考虑到机组爬坡和最小出力的限制,以及系统采取的调峰等措施,使发供电成本亦大幅变化。,负荷率和最小负荷系数不仅反映了负荷的波动程度,而且是影响电网电能损耗的主要因素。根据电力系统中,电力网可变电能损耗的等值功率计算方法知,负荷在电网中传输引起的可变电能损耗为: 式中L 负荷曲线P(t)的形状系数， Q 负荷曲线Q(t)的形状系数。,对典型的持续有功负荷曲线和无功负荷曲线的分析表明,当负荷的功率因数保持不变时,L与M满足: 式中负荷曲线P

9、( t)的最小负荷系数,0 1。 由式(1)和式(2)可知,越大, L 和M 越小,电能损耗也越小。反之,越小,说明峰谷差越大, L 和M 也越大,电能损耗也越大。 由此可见,需求侧实行峰谷分时电价体系,不仅可以提高系统削峰填谷的效果,而且对降低电网的电能损耗,提高系统运行的经济性具有重要作用。 需求侧峰谷分时电价模型要体现不同用户的负荷率和最小负荷系数对提高电网综合效益的贡献,使其符合电网运行的实际,体现对用户的公平性和合理性。如果建立双边价格联动的峰谷分时电价模型能够体现这种差异。,衡量用户功率因数的原则,电力用户的自然功率因数一般都比较低,往往需要采用相应的无功电源来提高功率因数。如果用

10、户无功补偿电源的补偿容量不能随着用电负荷的变化而自动进行调整,就可能出现在用电高峰期需要从电网吸取大量无功功率,系统就需要更多的备用容量,造成电源结构极不合理。 另外,为了弥补因无功增加而造成功率因数下降,发电机就必须不断地爬坡,使运行成本大大增加,更严重的是这可能造成发电机运行于接近极限稳定状态;而在用电低谷期无功功率过剩,转向电网反送无功功率,可能会造成电力系统某些节点电压过高,特别对用电低谷期的轻载高压线路危害更大。这些都是不合理的,严重时会危及到电力系统运行的安全性与稳定性。,负荷在电网中传输引起的有功功率损耗可以简单地表示为: 在负荷有功功率P和节点电压U 不变的情况下,电网中有功功

11、率损耗与负荷功率因数的平方成反比。如果负荷的功率因数由原来的cos提高到cos ,电网有功功率损耗随功率因数变化的关系可以进一步表述为: 当功率因数由0. 75提高到0. 95时,电网中的有功功率损耗可减少近38%。由面两市可知,负荷的功率因数也是影响电网有功功率损耗的重要因素之一。提高负荷的功率因数是降低电网电能损耗,提高电力系统的经济性和综合效益行之有效的方法。 需求侧峰谷分时电价模型中应该按时段考核用户的功率因数,并根据不同的功率因数在时段电价中进行激励,科学的激励原则应该是实行计及实时功率因数的峰谷分时电价体系,这与电力系统的运行实际要求是相符合的。,上图反映了需求侧实行峰谷分时电价后

12、,不同的拉开比对电网电能损耗的影响。图2中电能损耗变化率定义为: 从上图看出需求侧实行峰谷分时电价策略后,随着峰谷电价比的增大,用户做出反应主动避峰,削峰填谷效果明显,负荷率提高,电能损耗的变化率迅速上升,电网中的电能损耗大幅下降。,两种竞价方式,分时竞价,分段竞价,分时竞价的缺点,分时竞价这种竞价方式没有充分考虑电力生产的持续性特征, 给电力市场的运营造成了一些负面影响。在这种竞价方式下发电商只提交电能报价，机组启停方式由发电商自己确定，启停费用分配到电能报价中。系统不负责机组运行方式的安排，仅按照报价采购电能，市场出清简单透明。机组实际的运行方式根据发电商的报价由市场竞争来决定，而报价又要

13、依赖于机组的运行方式，这给发电商造成了报价决策的困难。市场竞争的不确定因素，导致了发电商发电曲线的随机性。当发电曲线剧烈波动时，会导致发电商的机组频繁启停，造成非经济运行；严重时，甚至会导致机组的运行方式无法满足其竞标电量。 分时竞价方式下，市场统一出清电价定为满足各时段负荷需求的边际投标价格。因此，在统一出清价方式下，基荷机组、腰荷机组在峰荷时段可得到超额利润回报。在超额利润的驱使下，这些机组会采用各种投机策略最大化自身的利润。而且这种竞价方式会造成会造成峰荷时段的电价过高，不符合我国的基本国情，毕竟我国的经济水平还处于发展中国家的行列，这种在某一时段电价过高会造成一些主要靠电能生产的企业生

14、产成本加大，物价上升，不利于我国的经济快速稳定的发展。,分段竞价,与分时竞价相比分段竞价是一种新的竞价思想。分段竞价对持续的负荷进行竞价，符合电力生产的持续性特征。便于发电商确定机组运行方式和投标决策， 市场交易公平透明、简单易行。它将负荷曲线分为若干持续的负荷分段，对持续的负荷进行拍卖竞价。这样也易于解决机组启停等问题，便于发电商投标和市场出清。在市场方面分段竞价采用分段出清、分段结算的方式，根据机组所带的负荷分段，给予该分段负荷的边际价格，避免了分时竞价中基荷机组、腰荷机组通过“搭配销售”获得超额利润，市场购电费用随之下降，市场效率提高。而且分段竞价对需求侧的报价也相对稳定符合我国经济快速

15、稳定发展的要求。,分段竞价的报价过程,分段持续负荷竞价，便于发电商确定机组运行方式和投标决策。根据负荷分段的起止时段和持续时间，结合机组的技术约束，发电商可以直接确定机组的启停方式，对可行的运行方式，提出报价，开机费用分配到报价曲线中。机组一旦中标，将持续运行，避免了分时竞价中机组频繁启停的问题。 持续负荷分段对应着机组的持续运行方式。发电商对任一个可行的负荷分段提出一条报价曲线。按照负荷分段，发电商可以逐段对所有可行分段提出报价，这等价于报出了机组所有可行的运行方式。这些投标曲线是“互斥”的：某个投标曲线中标，则其他投标曲线失效。例如，若某机组在L1段中标，则该机组在t1-t5时段持续运行，

16、在该时段区间内，机组不会再度开停机，即机组不会在L2，L3分段再度开停机，因此对L2，L3分段的投标曲线失效。如果机组在某段中标容量没有达到最大技术出力，则剩余容量由电力公司调整到下一分段负荷参与竞价。发电商的具体报价过程如下图5所示。,机组运行方式的可行性判断,根据分段负荷l的起始时段Ts（l）和终止时段Te (l) ，机组判断是否可以在l段运行。机组若要在该段运行，必须满足最小持续运行和最小持续停运时间的要求。设机组i在l段的初始持续运行时间xi(l)，分两种情况进行讨论： 1）xi(l)0 ，机组处于运行状态 最小持续运行时间约束为： 最小持续停运时间的约束不起作用 2）xi(l)0 ，

17、机组处于停运状态 最小持续运行时间约束为： 最小持续停运时间的约束为：,式中，分别为机组i的最小停运时间和最小运行时间，h： 为分段负荷的持续时间，h。 如果机组i满足上述约束，则转入第2步，生成报价曲线；否则，l段不报价，进行l+1段的报价,制定报价曲线,如果机组i在l段可以运行，则提出报价曲线，报价中应当包含机组开停机费用。为叙述方便，本文给出IPP的边际成本报价。开机费用的分配，机组可选择不同的容量段承担，一个简单而无风险的方法是将开机费用分配于第1个容量段： k=1 k1 式中 bi(l,k)为机组i在第l段负荷对第k段发电容量投标价格；Cmi(k)为机组i第k段发电容量的边际成本；S

18、i(xi(l)表示机组在l段的开停机费用；Pi,min为机组i的最小技术出力，MW,山西省保德县10kv线路四月份某一天最大负荷分布表,对这一天的最大负荷进行分段,分段方式坐标示意图,如上图所示，L1负荷段为基荷段，L2段为腰荷段，L3与L4为峰荷段。 由于我们对只对这一回线上的的负荷为对象对发电商进行供电研究，显然目标有点小，不符合发电商发电机组的装配要求，所以我们对调研的四月份这天24h的最大功率扩大一百倍进行研究。 现在我们有一座总装机容量为20万KWh的火力发电厂要对此一天的负荷进行投标，此电厂有四台相同的发电机组，每台发电机组的最大容量都是5万KWh，它们的最小运行是时间、最小停运时

19、间以及容量，如下表所示：,四台机组中，一号机组的初始状态为已停运2h，其余三台机组的状态均为已停运24h，根据运行方式的判断我们得出一号机组由于不满足L1负荷段的最小停运时间，而L3与L4段的运行时间也不满足它的最小运行时间，所以一号机只对L2负荷段进行投标。L3与L4负荷段的运行时间也不满足二号机组的最小运行时间，所以二号机组对L1与L2负荷段进行投标。L4负荷段的运行时间不满足三号机组的最小运行时间，所以三号机组可对L1、L2与L3负荷段进行投标，而四号机组满足所有负荷段的运行时间即停运时间，所以四号机组可以对四个负荷段进行投标。 通过负荷段对发电容量的要求，以及机组之间的配备优化，我们得

20、出四台机组在这一天各个负荷段各自的运行方式。在L1负荷段二号机组以最大容量运行。在L2负荷段加开一号机组，同时二号机组以最大容量运行。在L3负荷段加开加开三号机组，同时一号机组与二号机组以最大容量运行。在L4负荷段加开四号机组，同时一号二号与三号机组都以最大容量运行。 根据上面所述的机组运行方式以及上面式（20）与式（21），对各个负荷段进行报价，将开停机费运分配于第一个容量段，根据我国发改委提供的最新数据火电厂平均每千瓦时耗煤为320g，按目前煤价每吨煤五百元计算，平均每千瓦时电能需0.18元人民币的煤，再加上发电机组运行费运、损耗以及发电厂的其他开支，所以火电厂的发电容量的边际成本大概为3

21、50元,我们再将各台发电机组的开停机费运加到第一容量段。 开停机费运每台机组大概为 元。,各个负荷段的报价,1.据此我们可以计算得出在L1负荷段，只有二号机组开机，所以它的报价为： 2.在L2负荷段，加开一号机组，二号机组满负荷运行，一号机组调节，同时将开停机费 运加到第一容量短，所以此负荷段的报价为： （1）它在第一容量段的报价为： （2）它在第二容量段的报价为： 3.在L3负荷段，加开三号机组，一、二号机组满负荷运行，三号机组调节，同时将开机费运加到第一容量段，所以此负荷段的报价为： （1）它在第一容量段的报价为： （2）它在第二容量段的报价为：,4.在L4负荷段，加开四号机组，一、二、三

22、号机组满负荷运行，四号机组调节，同时将开机费运加到第一容量段，所以此负荷段的报价为： （1）它在第一容量段的报价为： （2）它在二、三、四容量段的报价均为： 这就是火电厂对这一天根据分段竞价进行的报价，从此报价可以看出，发电厂机组可以连续运行，开停机费运得到合理分配。,分段竞价的市场出清,分段竞价方式下，市场出清简单易行：分段报价已经包含了机组启停方式，因此MO不需要进行机组组合优化，MO只需按照报价从低到高地采购电能来满足各分段负荷。数学模型如下： 目标函数： 负荷平衡约束： 运行功率约束： 分段互斥约束： 剩余容量调整： if 式中i为机组序号；I 为竞标机组总数；l为负荷分段序号；L 为

23、负荷分段总数；k为投标曲线段数；Ui(l，k)表示对机组i投标容量pi(l, k)的购电状态：Ui(l，k) =1表示购买该段容量，Ui(l，k) =0表示不购买该段容量；Pd(l)为l段的负荷需求，MW；pi(l)表示机组i在l段的运行点(MW)；Pi,min，Pi,min分别为机组i的最小、最大技术出力，MW。 式(25)表示，在分段竞价中，已经采购的机组容量，在其他分段不能再度采购；式(11)表示当机组在某负荷分段中标，而中标容量未达到机组最大技术出力时，发电商则把该机组的剩余容量安排到下一负荷分段参与竞价。这种调整给发电商提供了更多的中标机会，因而也符合发电商的利益。,将山西省保德县1

24、0kv线路上一天的用电进行市场出清,根据上边火电厂的报价以及分段竞价的市场出清，得到这天的出清价格表如下。,对这条线路上的用电进行分时出清,分时竞价的市场出清相对简单，它的出清满足目标函数： 为该时段的用电量， 为该时段的电价。 考虑到在谷荷段机组为了保持运行而进行亏损竞价，而在峰荷段机组要收回成本，所以我们给各个时段报价为： 我们还以忻州市保德县东关镇一回线上的用电量算此分时竞价的市场出清，根据它的用电量分布曲线，我们将1h-7h,24h定为谷时电价，8h-12h,15h-18h,23h定为平时电价，13h-14h,19-22h定为峰时电价。据式（27）我们可以算出它的市场出清如下表。,根据上面两种竞价方式的出清价格表制定它的日出清价格曲线比较示意图如下图所示,由上图可看出分时竞价方式下，基荷若干时段电价比较低，尤其在市场刚开辟时。这是由于分时竞价方式下，机组为保证持续运行，在基荷时低价投标，甚至低于成本报价，在峰荷时，通过“搭配销售”回收成本损失，在一定条件下会导致价格尖峰，分段竞价采用分段出清、分段结算的方式，避免了“搭配销售”的问题，机组一旦中标便可持续运行，发电厂商无需通过降低报价来维持机组持续运行，按照真实成本报价，便可得到相应的市场回报。市场出清价较分时竞价市场价格更平稳。而且我们可以通过出清价格表得出分时竞