基于節(jié)能減排的發(fā)電權(quán)交易模型研究

張 麗， 劉 輝

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于節(jié)能減排的發(fā)電權(quán)交易模型研究

張 麗， 劉 輝

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

通過(guò)研究發(fā)電權(quán)交易來(lái)促進(jìn)電力行業(yè)節(jié)能減排，響應(yīng)以清潔和綠色的方式來(lái)滿(mǎn)足電力需求的號(hào)召。從發(fā)電權(quán)交易中心的角度提出了以綜合考慮節(jié)能、降耗和碳減排為目標(biāo)的發(fā)電權(quán)交易模型。以電力市場(chǎng)發(fā)電權(quán)交易中的撮合交易方式為基礎(chǔ)，形成綜合總效益、節(jié)能量與碳減排量三者最大化的多目標(biāo)發(fā)電權(quán)交易模型。運(yùn)用蟻群優(yōu)化算法來(lái)求解此發(fā)電權(quán)交易的模型，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該方法能夠良好的達(dá)到發(fā)電權(quán)交易中節(jié)能減排的要求，同時(shí)又能夠保證交易后綜合經(jīng)濟(jì)效益的良性發(fā)展。

發(fā)電權(quán)交易； 節(jié)能降耗； 碳減排； 撮合交易； 蟻群算法

世界各國(guó)都在日益提升清潔能源的利用效率，加大清潔能源的規(guī)模開(kāi)發(fā)，降低化石能源的使用程度。本文主要探究撮合交易模式下的發(fā)電權(quán)交易模型，建立綜合總效益、節(jié)能量與碳減排量三者最大化的多目標(biāo)函數(shù)模型，通過(guò)這樣的對(duì)發(fā)電權(quán)的交易形式來(lái)促進(jìn)對(duì)世界資源的優(yōu)化配置以及清潔能源的高效使用。采用蟻群優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最終決策量。

1 發(fā)電權(quán)交易內(nèi)涵和機(jī)制

發(fā)電權(quán)交易的本質(zhì)是屬于電力市場(chǎng)的一種競(jìng)價(jià)交易，它能夠透過(guò)市場(chǎng)機(jī)制更深入地發(fā)覺(jué)交易對(duì)象的不同特性，從而穩(wěn)固利用電力市場(chǎng)機(jī)制對(duì)交易資源進(jìn)行合理配置，在重新配置我國(guó)的電力資源時(shí)盡可能使優(yōu)化成本最小化，并使得最終決策方案中社會(huì)效益能夠趨向最大化發(fā)展。發(fā)電權(quán)交易這一交易品種不僅符合我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)情，也對(duì)節(jié)能減排政策的施行起到良好的推動(dòng)作用，是電力工業(yè)能夠在市場(chǎng)中實(shí)施節(jié)能降耗政策的最好方式之一[1-2]。

在電力市場(chǎng)的交易過(guò)程中，統(tǒng)一市場(chǎng)出清價(jià)格機(jī)制是用于競(jìng)價(jià)交易結(jié)算時(shí)最早的機(jī)制，它是由市場(chǎng)均衡理論、邊際成本理論以及拍賣(mài)理論這三大理論加以微觀(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)，又稱(chēng)為系統(tǒng)邊際價(jià)格(SMP：System Marginal Price)。但是早期的這種SMP機(jī)制并不完善，尤其對(duì)于電力市場(chǎng)這一不完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的特點(diǎn)，其存在許多缺點(diǎn)，因此后來(lái)又根據(jù)SMP的特點(diǎn)定義了新的拍賣(mài)機(jī)制，即以實(shí)際投標(biāo)價(jià)格結(jié)算(PAB：Pay as Bid)。但通過(guò)對(duì)電力市場(chǎng)交易機(jī)制的深入研究以及市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的日益累積，使得PAB機(jī)制的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)，它沒(méi)有市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)，不能完全解決SMP機(jī)制的缺點(diǎn)。另外SMP和PAB這兩種交易方法并不能很好地解決電力市場(chǎng)中的所有交易行為，于是又引進(jìn)了雙邊交易機(jī)制和撮合交易機(jī)制[3-4]。

當(dāng)交易成員數(shù)量較少時(shí)，進(jìn)行雙邊交易十分簡(jiǎn)便，其最主要的特點(diǎn)是進(jìn)行交易談判的雙方市場(chǎng)成員能夠自由自愿的協(xié)商包括數(shù)量和價(jià)格在內(nèi)的各自交易意愿；但在市場(chǎng)成員較多時(shí)，大量的市場(chǎng)成員進(jìn)行交易磋商勢(shì)必會(huì)需要更多的時(shí)間和精力，不利于快速找到最優(yōu)的最終協(xié)議方案。其適用于電力市場(chǎng)初期情況。電力市場(chǎng)交易的基礎(chǔ)模式之一，是雙邊交易模式，將撮合交易應(yīng)用于這種模式中，通過(guò)交易中心收集市場(chǎng)成員的購(gòu)售信息(購(gòu)買(mǎi)或者出售發(fā)電權(quán)、交易時(shí)間段、電力電量、價(jià)格等信息)，整理信息后對(duì)交易成員以某種優(yōu)先制度進(jìn)行排序(如距離最近的水火交易優(yōu)先匹配)，由電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)對(duì)上報(bào)交易的安全性進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)后最終確定所有發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓交易的成交項(xiàng)目。交易雙方在簽訂雙邊交易合同后，報(bào)電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)組織執(zhí)行，并報(bào)電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)備案。在撮合交易模式中，交易成員不進(jìn)行面對(duì)面的磋商，只需將信息報(bào)給交易中心，由交易中心來(lái)進(jìn)行全局優(yōu)化的交易匹配。其適用于電力市場(chǎng)中后期多成員的情況[5-6]。本文主要在撮合交易機(jī)制基礎(chǔ)上建立發(fā)電權(quán)交易多目標(biāo)函數(shù)模型來(lái)解決所求問(wèn)題。

2 多目標(biāo)發(fā)電權(quán)交易模型

在仔細(xì)學(xué)習(xí)了解當(dāng)前我國(guó)發(fā)電權(quán)交易市場(chǎng)機(jī)制的情況下，考慮了交易雙方的效益、總節(jié)能量以及碳減排量，由此建立以某一個(gè)交易時(shí)段內(nèi)交易主體總效益、交易總節(jié)能量以及碳減排量分別最大化為目標(biāo)的發(fā)電權(quán)交易模型。

假設(shè)某一個(gè)撮合交易時(shí)段內(nèi)出讓發(fā)電權(quán)的有m臺(tái)機(jī)組，購(gòu)入發(fā)電權(quán)的有n臺(tái)機(jī)組，令出讓機(jī)組的集合為

受讓機(jī)組的集合為

目標(biāo)函數(shù)

(1)

(2)

(3)

約束條件:

1)電量約束：Qi≤QBi，Qj≤QSj

3)單個(gè)交易價(jià)格約束：pi≥pj

4)碳排放量約束：Ei≥Ej

5)輸電約束：WLmin≤WL≤WLmax

目標(biāo)函數(shù)中：式(1)表示交易主體的總效益最大，式(2)表示交易的總節(jié)能量最大，式(3)表示交易后的碳減排量最大。

此模型是多目標(biāo)函數(shù)模型，根據(jù)對(duì)現(xiàn)今各種優(yōu)化算法的研究，選用蟻群算法對(duì)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能地找到較優(yōu)良的交易結(jié)果。

3 改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法

采用蟻群優(yōu)化算法對(duì)建立的多目標(biāo)發(fā)電權(quán)交易模型進(jìn)行優(yōu)化。蟻群優(yōu)化算法是最新流行的仿生優(yōu)化算法之一，它能夠進(jìn)行并行計(jì)算，通過(guò)收集正反饋的信息進(jìn)行啟發(fā)式搜索，其采用迭代的方式來(lái)獲取最優(yōu)解，當(dāng)?shù)_(dá)到一定次數(shù)，算法就將收斂。當(dāng)優(yōu)化求解的函數(shù)規(guī)模較大時(shí)，并行蟻群算法收斂速度快，在計(jì)算時(shí)可以縮短計(jì)算時(shí)間[7]。

在單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中，利用基本蟻群算法的基于轉(zhuǎn)移概率的搜索機(jī)制和信息素的更新方式，便可找到全局最優(yōu)解。而在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中，尋求最優(yōu)解就是以找到最優(yōu)解的一個(gè)Pareto解集的方式呈現(xiàn)。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)不止一個(gè)時(shí)，在更新信息素時(shí)就要同時(shí)考慮多個(gè)目標(biāo)函數(shù)條件的限制。

在連續(xù)域內(nèi)，令螞蟻的信息素僅存留于其周邊，將t時(shí)刻之前找到的Pareto解集存放于一個(gè)外部集合A(t)。若螞蟻i進(jìn)入該集合，則需要增加其信息素，以便讓其他螞蟻對(duì)螞蟻i所在位置的領(lǐng)域進(jìn)行搜索；反之，若螞蟻i并未進(jìn)入該集合，則需要適量減少信息素。當(dāng)多個(gè)螞蟻同時(shí)進(jìn)入該集合，要分別調(diào)整不同螞蟻的信息素增量[8-9]。

根據(jù)以上分析，信息素更新方式如下：

(4)

(5)

其中，λij(t)=1/dij，dij為螞蟻i和螞蟻j之間的距離。

4 算例分析

根據(jù)調(diào)查所得某電力調(diào)度系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行算例分析。隨機(jī)選擇5臺(tái)機(jī)組模擬為電力市場(chǎng)成員進(jìn)行發(fā)電權(quán)的交易(表1)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，分別以交易總效益最大化、交易總節(jié)能量最大化、交易總碳減排量最大化以及三個(gè)目標(biāo)函數(shù)均衡考慮的情況，遵循“高低匹配”的方式對(duì)算例進(jìn)行計(jì)算。交易結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 交易機(jī)組申報(bào)數(shù)據(jù)

表2 四種交易模型的交易結(jié)果比較

由表2可以看出，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大化模型節(jié)能效果較差；節(jié)能量最大化與碳減排量最大化效益與節(jié)能效果相差不大，但相比較模型1而言經(jīng)濟(jì)效益不佳；綜合考慮效益、節(jié)能量及碳減排量，在較好完成節(jié)能減排的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)效益也良好。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓這種交易模式可以使得節(jié)能減排項(xiàng)目在電力行業(yè)中取得良好的實(shí)施效果。本文立足于電力市場(chǎng)發(fā)電權(quán)交易中心的角度，采用撮合交易方式令發(fā)電側(cè)各個(gè)不同的類(lèi)型的發(fā)電商進(jìn)行交易，建立包含主體效益、節(jié)能量和碳減排量綜合最優(yōu)的多目標(biāo)函數(shù)模型，求解方法采用蟻群優(yōu)化算法，既能推動(dòng)節(jié)能減排政策的實(shí)行目標(biāo)，也能保證一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。算例分析表明，與單目標(biāo)模型相比，考慮節(jié)能減排的效益最優(yōu)模型表現(xiàn)整體良好，所得綜合經(jīng)濟(jì)效益也較好，能夠在保持經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，使得清潔能源本身具備的節(jié)能減排的優(yōu)秀品質(zhì)最大化。

[1] 李治雄.電力市場(chǎng)資源配置新手段——發(fā)電權(quán)交易[J].中國(guó)市場(chǎng),2011(49) :157-159

[2] 黎燦兵,康重慶,夏清,等．發(fā)電權(quán)交易及其機(jī)理分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(6):13-18．

[3] 吳志云.基于節(jié)能減排的發(fā)電權(quán)交易模型[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2013(10)：60-61.

[4] 佚名. 電監(jiān)會(huì):發(fā)電權(quán)交易新規(guī)推進(jìn)節(jié)能減排[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2008(4):65-65.

[5]GreenR.Theelectricitycontractmarketinenglandandwales[J].TheJournalofIndustrialEconomics, 1999, 47(1):107-124.

[6] 尚金成.基于節(jié)能減排的發(fā)電權(quán)交易理論及應(yīng)用(一)發(fā)電權(quán)交易理論[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009(12):46-52.

[7] 劉波. 蟻群算法改進(jìn)及應(yīng)用研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué), 2010.

[8] 池元成,蔡國(guó)飆.基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2009, 35(15):168-169.

[9] 肖菁, 陳鳳蓮,湯健超.基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)研究[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014(1):1-6.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Generation Rights Trade Model Research Based on Energy Conservation and Emission Reduction

ZHANG Li,LIU Hui

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The paper presents the research on the power generation right transactions to promote energy-saving emission reduction in the power industry, in response to a clean and green way to meet the call of the power demand.A power generation right transaction model with energy conservation, consumption reduction and carbon emission reduction as the target is proposed from the perspective of generation trading center.It also studies the matching trading mechanism applicable to power generation transactions in the electricity market and establishes a multi-objective power generation right transaction model with comprehensive benefit, energy saving and carbon emission reduction maximization. The model is solved with ant colony optimization algorithm. A case study proves that this method can meet the requirement of energy saving and emission reduction in power generation transaction well, and can ensure the benign development of comprehensive economic benefit after trade.

generation right transaction；energy saving；Carbon emission reduction；married deal；ant colony algorithm

2016-12-10

張 麗(1992-)， 女，湖北隨州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)

1003-4684(2017)02-0081-03

TM732

A