考慮靈活塊交易的電力現(xiàn)貨市場出清模型

張馨瑜, 陳啟鑫, 葛 睿, 趙興泉, 李鳴鏑, 鄒 鵬

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市100084; 2. 國家電力調(diào)度控制中心, 北京市100031;3. 國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心, 山西省太原市 030002)

考慮靈活塊交易的電力現(xiàn)貨市場出清模型

張馨瑜1, 陳啟鑫1, 葛 睿2, 趙興泉3, 李鳴鏑3, 鄒 鵬3

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市100084; 2. 國家電力調(diào)度控制中心, 北京市100031;3. 國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心, 山西省太原市 030002)

靈活塊交易是國外電力現(xiàn)貨市場新設(shè)計(jì)的交易品種。該交易品種允許發(fā)電企業(yè)、電力用戶根據(jù)自身的發(fā)電技術(shù)特征與用電實(shí)際需求,選擇多樣化、個(gè)性化的交易方式,以增加市場的流動(dòng)性,這對(duì)于在中國開展電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點(diǎn)具有借鑒價(jià)值。為此,文中首先簡要介紹了北歐電力現(xiàn)貨市場的運(yùn)行機(jī)制,描述了現(xiàn)貨市場中小時(shí)交易、靈活小時(shí)交易、塊交易等交易品種的定義與特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)貨市場交易機(jī)制設(shè)計(jì),重點(diǎn)構(gòu)建了考慮靈活塊交易的現(xiàn)貨市場出清模型。由于該模型屬于多時(shí)段、大規(guī)模、非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題,因此為提高該模型的求解效率,提出了降低模型非線性程度的線性化建模方法。最后,通過算例分析驗(yàn)證了所提模型與求解方法的正確性和有效性。

現(xiàn)貨市場; 復(fù)雜投標(biāo); 靈活塊交易; 出清模型; 線性化

0 引言

2015年3月,中國啟動(dòng)了以“中發(fā)〔2015〕9號(hào)文”為標(biāo)志的新一輪電力體制改革[1]。隨后,多項(xiàng)改革配套文件陸續(xù)下發(fā),初步完成了本輪電改的頂層設(shè)計(jì),力圖構(gòu)建起以中長期交易規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、以現(xiàn)貨交易發(fā)現(xiàn)價(jià)格、優(yōu)化資源配置、品種齊全、功能完善、競爭充分、開放有序的電力市場體系。其中,現(xiàn)貨市場被認(rèn)為是電力市場體系建設(shè)的核心環(huán)節(jié)[2-4]。

目前,國家已將廣東等8個(gè)省列入首批現(xiàn)貨市場試點(diǎn)建設(shè)省份,要求于2018年底前啟動(dòng)試運(yùn)行。為做好現(xiàn)貨市場試點(diǎn)建設(shè)工作,需要加強(qiáng)對(duì)國外現(xiàn)貨市場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和借鑒。尤其是近年來,在北歐日前電力現(xiàn)貨市場中,引入了靈活塊交易的交易品種與競價(jià)機(jī)制,允許發(fā)電企業(yè)、電力用戶根據(jù)其發(fā)電技術(shù)特征與用電實(shí)際需求,選擇適宜的靈活塊交易進(jìn)行投標(biāo),反映交易意愿,參與市場競爭,并對(duì)各類交易品種實(shí)現(xiàn)一體化集中出清[5],使電力交易過程更加自主、公平,并達(dá)到電力資源供需高效匹配的效果。靈活塊交易允許市場成員申報(bào)一定的電力供給或需求、連續(xù)中標(biāo)3 h及以上,并給市場成員提供可移動(dòng)式塊交易、鏈接式塊交易、擴(kuò)展鏈接式塊交易等多類選擇,給予市場成員充分自主的選擇權(quán)[6]。事實(shí)上,靈活塊交易本質(zhì)上屬于考慮了時(shí)段耦合、電量耦合、價(jià)格耦合的分時(shí)競價(jià)機(jī)制,是分時(shí)競價(jià)市場的高階版本,對(duì)于豐富電力交易方式、提升市場競爭程度、提高交易便利性等均具有重要的促進(jìn)作用,也將為中國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)提供重要的借鑒意義。

考慮靈活塊交易的現(xiàn)貨市場出清模型,本質(zhì)上是含互補(bǔ)約束的多時(shí)段大規(guī)模非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題[7]。文獻(xiàn)[8-11]研究了在市場需求隨機(jī)變動(dòng)的條件下,競爭者如何達(dá)到個(gè)體利潤最大化的市場均衡點(diǎn)。文獻(xiàn)[12-13]以社會(huì)福利最大化作為目標(biāo)函數(shù),并考慮了功率與容量約束、時(shí)間約束、網(wǎng)絡(luò)約束等,構(gòu)建了完整的市場出清模型。文獻(xiàn)[14-16]基于區(qū)域電力市場,采用多賣方、多買方的競價(jià)模式,建立了買賣雙方報(bào)價(jià)的雙向拍賣競價(jià)模型,但只考慮了簡單的交易品種,未考慮塊交易類型。

為此,本文在傳統(tǒng)的分時(shí)競價(jià)機(jī)制中,借鑒分段競價(jià)機(jī)制中保障電力生產(chǎn)連續(xù)性、平穩(wěn)性的思想[17-18],引入了多種類型的靈活塊交易品種,對(duì)電力現(xiàn)貨市場出清模型進(jìn)行了研究。

1 靈活塊交易機(jī)制

北歐電力現(xiàn)貨市場設(shè)計(jì)了小時(shí)交易(hourly order)、塊交易(block order)、靈活小時(shí)交易(flexible hourly order)3種不同類型的交易品種,市場成員可根據(jù)自身實(shí)際的發(fā)用電需求,選擇其中任意一種或者三者的組合來進(jìn)行投標(biāo),參與交易[19]。

1.1 小時(shí)交易

小時(shí)交易是最靈活的交易品種,其成交額占北歐日前市場交易份額的一半以上[20]。小時(shí)交易需要申報(bào)競價(jià)小時(shí)內(nèi)的電量與價(jià)格。若市場成員要參與次日全天的交易,需申報(bào)24個(gè)時(shí)段、相互獨(dú)立的小時(shí)交易意向。各個(gè)小時(shí)交易的投標(biāo)之間不存在時(shí)段耦合約束,由市場成員自行考慮機(jī)組爬坡約束與用電負(fù)荷變化等因素。以發(fā)電側(cè)為例,小時(shí)交易的中標(biāo)規(guī)則為:當(dāng)發(fā)電側(cè)申報(bào)的小時(shí)交易價(jià)格低于或等于市場出清邊際價(jià)格時(shí),該小時(shí)交易中標(biāo);否則不中標(biāo)[21]。

1.2 靈活小時(shí)交易

靈活小時(shí)交易,同樣需要市場成員申報(bào)該小時(shí)內(nèi)的電量與價(jià)格,以及該小時(shí)交易可以被接收的多個(gè)中標(biāo)時(shí)段(如不加說明,本文中的時(shí)段均指1 h)。在這些允許的時(shí)段內(nèi),該靈活小時(shí)交易可以中標(biāo)1次。即靈活小時(shí)交易允許申報(bào)幾個(gè)投標(biāo)時(shí)段,但在這些時(shí)段中至多出清1次,即至多中標(biāo)1次,且出清時(shí)段由市場出清模型統(tǒng)一優(yōu)化確定。目前,北歐現(xiàn)貨市場中只允許發(fā)電側(cè)申報(bào)靈活小時(shí)交易的投標(biāo),主要用來滿足高峰負(fù)荷需求,降低總發(fā)電成本或提高總社會(huì)福利,具體中標(biāo)的時(shí)段由電力交易所依據(jù)市場申報(bào)情況統(tǒng)一優(yōu)化確定[22]。

1.3 塊交易

塊交易允許多種量—價(jià)組合的投標(biāo)類型,包括常規(guī)塊交易、可移動(dòng)式塊交易、鏈接式塊交易、擴(kuò)展鏈接式塊交易等。從其發(fā)展歷程來看,2004年,常規(guī)塊交易與鏈接式塊交易正式引入北歐日前市場中。2006年,上述2類塊交易品種引入到日內(nèi)市場中。2015年6月30日,由北歐電力交易所(Nord Pool)控股的英國2家電力交易所之一N2EX,在英國日前拍賣交易中推出了塊交易的交易品種。2015年11月,鏈接式塊交易被引入到北歐日前市場中[23]。

1)常規(guī)塊交易

常規(guī)塊交易需要申報(bào)電力和價(jià)格。作為一個(gè)整體,常規(guī)塊交易投標(biāo)必須連續(xù)3 h及以上(最長不超過24 h),并在多個(gè)時(shí)段內(nèi)整體性中標(biāo)(如附錄A圖A1所示),即一整個(gè)塊交易要么都中標(biāo),要么都不中標(biāo)。對(duì)發(fā)電側(cè)來說,中標(biāo)常規(guī)塊交易能夠避免機(jī)組啟?；蝾l繁地進(jìn)行出力調(diào)整;對(duì)用戶側(cè)來說,中標(biāo)常規(guī)塊交易能夠保障其以穩(wěn)定的價(jià)格連續(xù)用電,避免頻繁地參與交易,增加交易成本[22]。

2)可移動(dòng)式塊交易

可移動(dòng)式塊交易是多個(gè)常規(guī)塊交易的組合,并最多由3個(gè)常規(guī)塊交易組成,且其投標(biāo)總電量不能超過一定上限(如附錄A圖A2所示)。其中標(biāo)方式類似于靈活小時(shí)交易,在制定的多個(gè)時(shí)段內(nèi)最多只能出清1次?？梢苿?dòng)式塊交易的開始和結(jié)束時(shí)間由市場成員自行申報(bào),并包含多個(gè)常規(guī)塊交易。此外,多個(gè)常規(guī)塊交易在不同的時(shí)段內(nèi),可以申報(bào)不同的投標(biāo)電力和價(jià)格。設(shè)計(jì)可移動(dòng)式塊交易的目的是對(duì)于某些市場成員來說,其預(yù)期的發(fā)電量或用電量是一定的,但其電力生產(chǎn)和使用的時(shí)間沒有剛性要求,存在一定程度的時(shí)間自由度[24]。因而,可以在價(jià)格較為合適的時(shí)段中標(biāo),擴(kuò)大市場成員的收益。

3)鏈接式塊交易

鏈接式塊交易同樣由多個(gè)常規(guī)塊交易組成,但其塊與塊之間存在優(yōu)先級(jí),即一個(gè)塊(子塊)的中標(biāo)取決于另外一個(gè)塊(母塊)的中標(biāo)(如附錄A圖A3所示)。市場成員在選擇鏈接式塊交易時(shí),需規(guī)定每個(gè)塊交易的優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)高的塊交易,在市場出清時(shí)優(yōu)先中標(biāo),之后才能出清優(yōu)先級(jí)低的塊交易。鏈接式塊交易包含的所有塊,只能同時(shí)申報(bào)作為賣出型/賣電型塊交易或買入型/購電型塊交易[25]。一個(gè)完整的鏈接式塊交易不能部分是賣出型塊交易,部分是買入型塊交易。鏈接式塊交易允許部分中標(biāo),即優(yōu)先級(jí)較高的塊可以中標(biāo),而優(yōu)先級(jí)較低的塊可以不中標(biāo)。

4)擴(kuò)展鏈接式塊交易

2016年2月,北歐電力交易所在鏈接式塊交易的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了擴(kuò)展鏈接式塊交易[23]。擴(kuò)展鏈接式塊交易是家族式關(guān)系,包含父塊與子塊。假設(shè)塊P為父塊,塊D為子塊,其中,P(+)表示P單獨(dú)執(zhí)行時(shí),能獲利,可以中標(biāo);P(-)表示P單獨(dú)執(zhí)行時(shí),將虧損,不可以中標(biāo);D(+)表示D單獨(dú)執(zhí)行時(shí),能獲利,可以中標(biāo);D(-)表示D單獨(dú)執(zhí)行時(shí),將虧損,不可以中標(biāo)。

以發(fā)電側(cè)為例,上述獲利是指發(fā)電企業(yè)的申報(bào)價(jià)格低于市場出清價(jià)格時(shí),塊交易能夠中標(biāo)且獲得額外利潤;虧損是指發(fā)電企業(yè)的申報(bào)價(jià)格高于市場出清價(jià)格時(shí),塊交易能夠中標(biāo)但將入不敷出。用戶側(cè)反之。

由父塊P與子塊D所組成的擴(kuò)展鏈接式塊交易中,存在以下4種不同的情形。

情形1:P(+),D(+)。當(dāng)父塊P單獨(dú)執(zhí)行時(shí),能獲利,子塊D單獨(dú)執(zhí)行時(shí),也能獲利,則擴(kuò)展鏈接式塊交易中,父塊P和子塊D均可中標(biāo)。

情形2:P(-),D(+)且P+D≥0。當(dāng)父塊P單獨(dú)執(zhí)行時(shí)虧損,子塊D單獨(dú)執(zhí)行時(shí)獲利,但父塊P與子塊D相加之和為獲利時(shí),擴(kuò)展鏈接式塊交易中,父塊P和子塊D均可中標(biāo)。即父塊P中標(biāo)虧損,但整體塊交易中標(biāo)能獲利時(shí),擴(kuò)展鏈接式塊交易可以全部中標(biāo)。

情形3:P(+),D(-)且P+D≥0。當(dāng)父塊P單獨(dú)執(zhí)行時(shí)獲利,子塊D單獨(dú)執(zhí)行時(shí)虧損,盡管父塊P與子塊D相加之和為獲利,但擴(kuò)展鏈接式塊交易中,只有父塊P可以中標(biāo),子塊D不能中標(biāo)(區(qū)別于情形2)。即子塊D中標(biāo)虧損,但整體塊交易中標(biāo)能獲利時(shí),擴(kuò)展鏈接式塊交易只能夠中標(biāo)父塊P。

情形4:P(-),D(-)。當(dāng)P單獨(dú)執(zhí)行時(shí)虧損,子塊D單獨(dú)執(zhí)行時(shí)也虧損,擴(kuò)展鏈接式塊交易中的父塊P和子塊D均不中標(biāo)。

2 考慮靈活塊交易的市場出清模型建立

2.1 市場機(jī)制

本文所構(gòu)建的考慮靈活塊交易的市場競價(jià)機(jī)制,參考北歐日前電力現(xiàn)貨市場,采用“雙向報(bào)價(jià)、集中競價(jià)、統(tǒng)一出清、邊際定價(jià)”的組織方式。

具體的競價(jià)機(jī)制為:發(fā)電商、售電商與大用戶可以選擇小時(shí)交易、各種類型的塊交易、靈活小時(shí)交易等進(jìn)行競價(jià)申報(bào)。電力交易所在考慮電網(wǎng)安全約束的基礎(chǔ)上,以社會(huì)福利最大化為目標(biāo),進(jìn)行市場統(tǒng)一優(yōu)化出清,確定各市場成員每小時(shí)的中標(biāo)電量、塊交易的中標(biāo)情況,以及每小時(shí)的市場邊際出清價(jià)格[23]。當(dāng)各價(jià)格區(qū)間的輸電斷面發(fā)生阻塞時(shí),則可形成分區(qū)價(jià)格[26]。

2.2 考慮常規(guī)塊交易的市場出清模型

2.2.1目標(biāo)函數(shù)

日前市場出清以社會(huì)福利最大化為優(yōu)化目標(biāo),包含小時(shí)交易、塊交易和靈活小時(shí)交易3類交易品種。目標(biāo)函數(shù)如下所示。

max [∑(δh,d,tph,d,tqh,d,t+βb,d,tpb,d,tqb,d,t+

φf,d,tpf,d,tqf,d,t)+∑(δh,g,tph,g,tqh,g,t+

(1)

式中:ph,d,t,qh,d,t和ph,g,t,qh,g,t分別為購電側(cè)和發(fā)電側(cè)小時(shí)交易在時(shí)段t的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)電力;pb,d,t,qb,d,t和pb,g,t,qb,g,t分別為購電側(cè)和發(fā)電側(cè)塊交易在時(shí)段t的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)電力;pf,d,tqf,d,t和pf,g,t和qf,g,t分別為購電側(cè)和發(fā)電側(cè)靈活小時(shí)交易在時(shí)段t的申報(bào)價(jià)格和申報(bào)電力;δh,d,t∈[0,1],δh,g,t∈[0,1]分別為表示購電側(cè)和發(fā)電側(cè)小時(shí)交易是否中標(biāo)的0-1整數(shù)變量,可以中標(biāo)部分電量;βb,d,t∈{0,1},βb,g,t∈{0,1}分別為表示購電側(cè)和發(fā)電側(cè)塊交易是否中標(biāo)的0-1整數(shù)變量;φf,d,t∈{0,1},φf,g,t∈{0,1}分別為表示購電側(cè)和發(fā)電側(cè)靈活小時(shí)交易是否中標(biāo)的0-1整數(shù)變量。

需要說明的是,對(duì)于申報(bào)價(jià)格來說,購電側(cè)、發(fā)電側(cè)均為正;對(duì)于申報(bào)電力,購電側(cè)投標(biāo)為正,發(fā)電側(cè)投標(biāo)為負(fù)。

2.2.2約束條件

1)發(fā)用電平衡約束

各時(shí)段的購電量與發(fā)電量相等,即

∑(δh,d,tqh,d,t+βb,d,tqb,d,t+φf,d,tqf,d,t)+

∑(δh,g,tqh,g,t+βb,g,tqb,g,t+φf,g,tqf,g,t)=0

(2)

2)市場出清約束

考慮到發(fā)電側(cè)的售電報(bào)價(jià)不大于市場出清價(jià)格時(shí)才能中標(biāo),用戶側(cè)的購電報(bào)價(jià)不小于市場出清價(jià)格時(shí)才能中標(biāo),因此，考慮發(fā)電側(cè)申報(bào)電力視為負(fù)數(shù)，發(fā)電側(cè)和購電側(cè)的中標(biāo)表達(dá)式可以簡化。為表示方便,各類交易品種出清的價(jià)格約束條件統(tǒng)一表示,如式(3)至式(6)所示,公式中變量既表示發(fā)電側(cè),也表示購電側(cè),不再區(qū)分。其中式(3)為小時(shí)交易市場出清約束;式(4)為塊交易市場出清約束;式(5)為靈活小時(shí)交易市場出清約束。

δh,t∑(ph,t-πt)qh,t≥0

(3)

式中:πt為時(shí)段t時(shí)市場邊際出清價(jià)格。

βb,t∑(pb,t-πt)qb,t≥0

(4)

φf,t∑(pf,t-πt)qf,t≥0

(5)

3)靈活小時(shí)交易出清次數(shù)約束

靈活小時(shí)交易可以申報(bào)連續(xù)或不連續(xù)的幾個(gè)時(shí)段,其出清時(shí)段不固定,但至多只能出清1次。因此,靈活小時(shí)交易在各個(gè)時(shí)段的決策變量之和要小于等于1,由于發(fā)電側(cè)和購電側(cè)類似,因此,統(tǒng)一如下所示:

∑φf,t≤1

(6)

至此，式(1)至式(6)構(gòu)成了考慮常規(guī)塊交易的日前市場出清模型[22]。

2.3 考慮可移動(dòng)式塊交易的市場出清模型

與常規(guī)塊交易相比,可移動(dòng)式塊交易在常規(guī)塊交易的基礎(chǔ)上,引入了中標(biāo)時(shí)間靈活的彈性約束,即投標(biāo)塊交易的申報(bào)電量是一定的,中標(biāo)時(shí)段不唯一,但只能中標(biāo)1次。因此,出清模型在常規(guī)塊交易的基礎(chǔ)上,需要添加有關(guān)可移動(dòng)式塊交易出清次數(shù)的約束條件。除新增可移動(dòng)式塊交易的出清次數(shù)約束以外,其他約束條件以及目標(biāo)函數(shù)與式(1)至式(6)相同,此處不再贅述[17]。

新增可移動(dòng)式塊交易的出清次數(shù)約束,如下式所示:

∑βb，i,t≤1

(7)

式中:βb,i,t為在時(shí)段t時(shí)塊交易中交易順序?yàn)閕的可移動(dòng)式塊交易的中標(biāo)變量。

2.4 考慮鏈接式塊交易的市場出清模型

與常規(guī)塊交易相比,鏈接式塊交易的特點(diǎn)在于存在優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)高的塊,先出清;優(yōu)先級(jí)低的塊,后出清。

在出清模型中,在常規(guī)塊交易的基礎(chǔ)上,需添加中標(biāo)優(yōu)先級(jí)的相關(guān)約束,即可構(gòu)建考慮鏈接式塊交易的出清模型。除新增鏈接式塊交易的優(yōu)先級(jí)約束以外,其他約束條件以及目標(biāo)函數(shù)與上文提到的一致,為式(1)至式(6),此處不再贅述。

新增鏈接式塊交易的優(yōu)先級(jí)約束,如下式所示:

為降低“政銀企戶?！毙☆~貸款風(fēng)險(xiǎn)，政府及金融機(jī)構(gòu)采取一系列風(fēng)險(xiǎn)防范措施。首先是監(jiān)督機(jī)制。政府配合銀行、保險(xiǎn)公司對(duì)貧困戶貸款用途進(jìn)行跟蹤調(diào)查，防止出現(xiàn)“貸而不用、貸而它用”的現(xiàn)象。對(duì)于未按約定使用的貸款給予引導(dǎo)干預(yù)，確保其能最大限度地發(fā)揮成效。其次是信用機(jī)制。銀行以貸款協(xié)議履行情況度量借款人信用度，將未按協(xié)議使用貸款行為、不良貸款記入農(nóng)戶信用檔案，健全農(nóng)村信用體系。最后是熔斷機(jī)制。當(dāng)全縣不良貸款率達(dá)3%時(shí)，暫停貸款發(fā)放，由縣政府會(huì)同擔(dān)保中心、合作銀行、保險(xiǎn)公司及時(shí)調(diào)查原因并尋求解決辦法，確保貸款安全性。

β3≤β2≤β1

(8)

式中:β1,β2,β3分別為表示3個(gè)不同的塊組成的鏈接式塊交易的中標(biāo)優(yōu)先級(jí)變量,塊1的優(yōu)先級(jí)最高,塊1中標(biāo)之后,塊2才能中標(biāo)，塊2中標(biāo)之后,塊3才能中標(biāo)。

更多層級(jí)的鏈接式塊交易的模型處理方式與上述類似。

2.5 考慮擴(kuò)展鏈接式塊交易的市場出清模型

與一般的鏈接式塊交易相比,擴(kuò)展鏈接式塊交易是在其基礎(chǔ)上,有了新的擴(kuò)展定義。因此,在模型中需要將新的擴(kuò)展定義轉(zhuǎn)化為約束條件,構(gòu)建考慮擴(kuò)展鏈接式塊交易的出清模型。其他約束條件以及目標(biāo)函數(shù)與上文提到的一樣,為式(1)至式(6),此處不再贅述。

βD∑(pD-πD)qD≥0

(9)

(10)

βP≥βD

(11)

式中:pD和pP分別為子塊D和父塊P的申報(bào)價(jià)格;βD和βP分別為表示子塊D和父塊P的中標(biāo)變量;πD和πP分別為子塊D和父塊P的出清價(jià)格;βP+D為該擴(kuò)展鏈接式塊交易的中標(biāo)變量;qD和qP+D分別為子塊D和該擴(kuò)展鏈接式塊交易的中標(biāo)電量。

在考慮擴(kuò)展鏈接式塊交易的出清模型中,添加了3種約束條件來描述該交易品種。

約束式(9)表示,當(dāng)發(fā)電側(cè)子塊D的申報(bào)價(jià)格小于市場平均出清價(jià)格,因定義中發(fā)電側(cè)申報(bào)電量為負(fù),故塊D可中標(biāo);或者購電側(cè)子塊D的申報(bào)價(jià)格大于市場平均出清價(jià)格時(shí),因定義中購電側(cè)申報(bào)電量為正,故塊D也可中標(biāo)。

約束式(11)表示,無論購電側(cè)還是發(fā)電側(cè)父塊P的0-1整數(shù)變量始終大于等于子塊D的0-1整數(shù)變量,確保了父塊P中標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。

約束式(9)至式(11)描述了父塊與子塊存在的優(yōu)先級(jí)問題。結(jié)合之前的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,即可構(gòu)成考慮擴(kuò)展鏈接式塊交易的日前現(xiàn)貨市場出清模型。

3 模型求解方法

考慮到出清模型為大規(guī)模、強(qiáng)耦合的非線性整數(shù)規(guī)劃問題,其關(guān)鍵在于如何處理非線性約束條件。本文采用非線性問題線性化的數(shù)學(xué)思想,以降低模型的求解難度。

出清模型中,式(3)至式(5)為非線性約束,且三者約束條件相似,故均統(tǒng)一表示為:

xt∑(pt-πt)qt≥0

(12)

式中:x可分別代表小時(shí)交易、塊交易、靈活小時(shí)交易的決策變量δ,β,φ。

考慮式(12),引入變量xt為中標(biāo)變量;ut為0-1變量;Mt為ut相關(guān)變量;λ為已知的參與者申報(bào)價(jià)格。其中,下標(biāo)t表示時(shí)段,購電側(cè)Mt=1-ut;發(fā)電側(cè)Mt=ut。化簡如下。

xt≤Mt

(13)

(14)

(15)

ut∈{0,1}

(16)

針對(duì)化簡后的數(shù)學(xué)模型,采用GAMS平臺(tái)中的CPLEX算法,求解考慮靈活塊交易的現(xiàn)貨市場出清模型。

4 算例分析

所采用算例模擬某日10位市場成員參與日前現(xiàn)貨市場的情形,其中現(xiàn)貨交易針對(duì)次日24個(gè)交易時(shí)段開展。具體投標(biāo)數(shù)據(jù),見附錄B表B1和表B2。

電力市場24 個(gè)交易時(shí)段的價(jià)格如圖1所示,交易總量為2 627 MW·h,用戶側(cè)共支付購電資金45 692歐元。塊交易的出清結(jié)果如表1和表2所示。表中0表示不中標(biāo)；1表示中標(biāo)；0.4表示部分中標(biāo)。

圖1 市場出清價(jià)格Fig.1 Market clearing price

表1 購電側(cè)出清結(jié)果Table 1 Clearing results of demand side

1)常規(guī)塊交易

發(fā)電商2在時(shí)段9至?xí)r段12之間的常規(guī)塊交易中連續(xù)中標(biāo),因?yàn)槠渖陥?bào)價(jià)格為12歐元/MW,小于時(shí)段9至?xí)r段12的平均出清價(jià)格12.75歐元/MW。而如果將該塊交易拆開來單獨(dú)中標(biāo),則在時(shí)段10時(shí),因其投標(biāo)價(jià)格12歐元/MW大于市場出清價(jià)格11歐元/MW,將不能中標(biāo);同理,在時(shí)段11也不能中標(biāo)，這將可能造成機(jī)組的頻繁啟停。但此處,該常規(guī)塊交易作為一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)了時(shí)段9至?xí)r段12的連續(xù)4個(gè)時(shí)段中標(biāo),在保障交易整體效益的前提下,有效避免了發(fā)電機(jī)組頻繁的出力調(diào)整與啟停。

表2 發(fā)電側(cè)出清結(jié)果Table 2 Clearing results of generation side

2)可移動(dòng)式塊交易

電力用戶3在時(shí)段1至?xí)r段4、時(shí)段18至?xí)r段20這2個(gè)時(shí)段所構(gòu)成的可移動(dòng)式塊交易中,中標(biāo)時(shí)段為時(shí)段18至?xí)r段20。盡管該用戶在時(shí)段1至?xí)r段4的塊交易中,申報(bào)價(jià)格為13歐元/MW,大于市場平均出清價(jià)格12.75歐元/MW,滿足單獨(dú)中標(biāo)的規(guī)則，但由于可移動(dòng)式塊交易只能出清1次,且該電力用戶3又只追求總投標(biāo)電量得到滿足,而對(duì)電力生產(chǎn)和使用的時(shí)間均無明確要求,故市場出清時(shí),考慮到社會(huì)福利的最大化,必然選取投標(biāo)價(jià)格更高的時(shí)段中標(biāo)。而如果該可移動(dòng)式塊交易,作為2個(gè)單獨(dú)的塊交易進(jìn)行投標(biāo),電力需求將為用戶所需電力的2倍。此外,用戶也沒有自由選擇時(shí)間段的機(jī)會(huì),且其塊交易不中標(biāo)的可能性也相對(duì)較大。但用戶以可移動(dòng)式塊交易的方式參與投標(biāo),不僅能提高其電力中標(biāo)的可能性,還擁有相對(duì)自由的時(shí)間選擇,一定程度上也將有助于實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利的最大化。

3)擴(kuò)展鏈接式塊交易

發(fā)電商5在時(shí)段5至?xí)r段8、時(shí)段21至?xí)r段24構(gòu)成的擴(kuò)展鏈接式塊交易連續(xù)中標(biāo)。主要原因是父塊(時(shí)段5至?xí)r段8)和子塊(時(shí)段21至?xí)r段24)相加之和為獲利,且子塊單獨(dú)中標(biāo)時(shí)也獲利。而如果將擴(kuò)展鏈接式塊交易的父塊和子塊拆開單獨(dú)中標(biāo),則父塊的申報(bào)價(jià)格14歐元/MW,大于時(shí)段5至?xí)r段8的市場平均出清價(jià)格12歐元/MW,故父塊不能中標(biāo)。但因?yàn)楦笁K的優(yōu)先級(jí)高于子塊,且子塊獲利,以及父塊和子塊相加之和也獲利,故父塊和子塊可以同時(shí)中標(biāo)。這有效避免了發(fā)電商的發(fā)電損失,提高了其中標(biāo)概率。

4)算例分析結(jié)果表明,不同塊交易在實(shí)際電力交易中,各有其競爭優(yōu)勢和交易特點(diǎn),市場參與者可提前預(yù)估自己的電力需求或者自己的發(fā)電能力,選擇合適的投標(biāo)方式進(jìn)行交易,使得收益最大化。

5 結(jié)語

現(xiàn)貨市場是電力市場體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是協(xié)調(diào)市場運(yùn)行與系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。本文在傳統(tǒng)現(xiàn)貨市場出清模型的基礎(chǔ)上,考慮了新型靈活塊交易復(fù)雜投標(biāo)的多類交易品種,構(gòu)建了相應(yīng)的市場出清模型,研究了針對(duì)該模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的線性化求解方法,得到如下結(jié)論。

1)在電力現(xiàn)貨市場中引入常規(guī)塊交易,能有效避免發(fā)電機(jī)組頻繁的出力調(diào)整與啟停;引入可移動(dòng)式塊交易,能賦予電力用戶自由選擇的權(quán)利,并將在一定程度上有助于增加社會(huì)福利;引入擴(kuò)展鏈接式塊交易,能提高發(fā)電商的中標(biāo)可能性,避免電力損失。

2)含塊交易的現(xiàn)貨市場競價(jià)機(jī)制,具有豐富電力交易方式、提升市場競爭性、提高交易便利性、并為電力用戶提供更多選擇權(quán)的優(yōu)勢,對(duì)于中國下階段現(xiàn)貨市場的建設(shè)有一定的借鑒意義，未來將在實(shí)踐中加以實(shí)施驗(yàn)證。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 張樹偉.電力體制改革的成功標(biāo)準(zhǔn)與動(dòng)力——基于9號(hào)文的討論[J].能源,2015(4):92-96.

[2] 鄭昕.我國電力用戶與發(fā)電企業(yè)直接交易改革的理論依據(jù)與政策選擇[D].福州:福州大學(xué),2014.

[3] 王建學(xué),張成剛,王秀麗,等.電力市場混合競價(jià)模式及其出清算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(7):28-33.

WANG Jianxue, ZHANG Chenggang, WANG Xiuli, et al. A mixed bidding mode and its clearing algorithm for electricity market applications[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(7): 28-33.

[4] 王永福,張伯明,孫宏斌,等.國外平衡機(jī)制介紹及建設(shè)我國實(shí)時(shí)平衡市場的建議[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(9):10-13.

WANG Yongfu, ZHANG Boming, SUN Hongbin, et al. An introduction to foreign balancing market mechanism and suggestions on constructing real-time balancing market in China[J]. Power System Technology, 2003, 27(9): 10-13.

[5] 曾鳴,劉超,段金輝,等.美國與北歐電力雙邊交易市場模式的經(jīng)驗(yàn)借鑒[J].華東電力,2013,41(1):5-10.

ZENG Ming, LIU Chao, DUAN Jinhui, et al. The bilateral electricity market modes of typical countries and our reference from America and Nordic[J]. East China Electric Power, 2013, 41(1): 5-10.

[6] MADRIGAL M, QUINTANA V H. Existence and determination of competitive equilibrium in unit commitment power pool auctions: price setting and scheduling alternatives[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2001, 16(3): 380-388.

[7] 鄒鵬,陳啟鑫,夏清,等.國外電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的邏輯分析及對(duì)中國的啟示與建議[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(13):18-27.DOI:10.7500/AEPS20140219003.

ZOU Peng, CHEN Qixin, XIA Qing, et al. Logical analysis of electricity spot market design in foreign countries and enlightenment and policy suggestions for China[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(13): 18-27.DOI: 10.7500/AEPS20140219003

[8] 張曉東,高波.基于供給函數(shù)均衡模型的區(qū)域電力現(xiàn)貨市場模擬分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(13):80-84.

ZHANG Xiaodong, GAO Bo. Simulation of a real spot market based on supply function equilibrium model[J]. Power System Technology, 2005, 29(13): 80-84.

[9] MOTTO A L, GALIANA F D. Equilibrium of auction markets with unit commitment: the need for augmented pricing[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2002, 17(3): 798-805.

[10] GALIANA F D, MOTTO A L, BOUFFARD F. Reconciling social welfare, agent profits, and consumer payments in electricity pools[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2003, 18(2): 452-459.

[11] 王和康,馬光文,左幸.基于MCP預(yù)測誤差VaR值的日前現(xiàn)貨市場競價(jià)模型研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2007,39(3):57-61.

WANG Hekang, MA Guangwen, ZUO Xing. Research on day-ahead power market bidding model based on VAR of MCP forecasted error[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2007, 39(3): 57-61.

[12] MOTTO A L, GALIANA F D. Unit commitment with dual variable constraints[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2004, 19(1): 330-338.

[13] Association of European Power Exchanges (Europex)[EB/OL]. [2017-04-10]. http://www.europex.org.

[14] 尚金成,張兆峰,韓剛.區(qū)域電力市場競價(jià)交易模型與交易機(jī)制的研究:(一)競價(jià)交易模型及其機(jī)理、水電參與市場競價(jià)的模式及電網(wǎng)安全校核機(jī)制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(12):7-14.

SHANG Jincheng, ZHANG Zhaofeng, HAN Gang. Study on transaction model and mechanism of competitive regional electricity market: Part one transaction model and mechanism, participation mode for hydroelectricity participants and power system security checking mechanism[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(12): 7-14.

[16] 楊彥,張堯,陳皓勇,等.考慮系統(tǒng)運(yùn)行不確定性的電力市場均衡模型[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(7):100-105.

YANG Yan, ZHANG Yao, CHEN Haoyong, et al. Electricity market equilibrium model considering uncertainty of system operation [J]. Power System Technology, 2012, 36(7): 100-105.

[17] 王錫凡.分段競價(jià)的電力市場[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(12):1-6.

WANG Xifan. Block bidding model based power market[J]. Proceedings of the CSEE, 2001, 21(12): 1-6.

[18] 王錫凡,耿建.分段競價(jià)與分時(shí)競價(jià)的比較[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(7):1-7.

WANG Xifan, GENG Jian. Comparisons between hourly bidding and block bidding rules[J]. Automation of Electric Power Systems, 2003, 27(7): 1-7.

[19] O′SNEILL R P, SOTKIEWICZ P M, ROTHKOPF M H. Equilibrium prices in power exchanges with non-convex bids[R/OL]. [2017-06-01]. http://warrington.ufl.edu/centers/purc/purcdocs/papers/0601_oneill_equilibrium_prices_in.pdf.

[20] BISKAS P N, CHATZIGIANNIS D I, BAKIRTZIS A G. European electricity market integration with mixed market designs: Part Ⅱ solution algorithm and case studies[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2014, 29(1): 466-475.

[21] MADANI M, VAN VYVE M. A new formulation of the European day-ahead electricity market problem and its algorithmic consequences,discussion paper[R/OL]. [2017-05-10]. https://cdn.uclouvain.be/public/Exports%20reddot/core/documents/coredp2013_74web.pdf.

[22] MARTIN A, MüLLER J C, POKUTTA S. Strict linear prices in non-convex European day-ahead electricity markets[J]. Optimization Methods and Software, 2014, 29(1): 189-221.

[23] Nordpool spot[EB/OL]. [2017-05-20]. http://www.nordpoolspot.com/TAS/Day-ahead-market-Elspot/Order-Types/.

[24] SURHONE L M, TENNOE M T, HENSSONOW S F. Cplex[M]. Gütersloh: Betascript Publishing, 2010.

[25] DIVISION C. Using the Cplex callable library [M/OL]. [2017-05-20]. https://www.researchgate.net/publication/243672594_Using_The_Cplex_Callable_Library.

[26] 趙慶波,周原冰,郭蓉,等.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)邊際電價(jià)預(yù)測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(7):45-48.

ZHAO Qingbo, ZHOU Yuanbing, GUO Rong, et al. Application of fuzzy neural network in power system marginal price forecasting[J]. Power System Technology, 2004, 28(7): 45-48.

ClearingModelofElectricitySpotMarketConsideringFlexibleBlockOrders

ZHANGXinyu1,CHENQixin1,GERui2,ZHAOXingquan3,LIMingdi3,ZOUPeng3

(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China;2. National Electric Power Dispatching and Control Center, Beijing100031, China;3. Dispatching and Control Centre of State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan030002, China)

In the abroad electricity spot market, a flexible block order is the new designed transaction category in the bidding mechanism. It allows the market members to select the diversified and personalized transaction mode according to the technical characteristics of the power generation and the actual demand of the electricity, which enriches the liquidity of trading market. This kind of mechanism has the reference value for China to carry out the construction of electricity spot market pilot. Therefore, the operating mechanism of the Nordic electricity spot market is briefly introduced, and the definition and characteristics of trading varieties including hour order, flexible order and block order in the spot market are described. On this basis, a clearing model for electricity spot market with the complex bidding of flexible block order is established combined with the design of the spot market transaction mechanism. Since the model belongs to the multi-period, large-scale and nonlinear mixed integer programming problem, a linear modeling method to reduce the nonlinearity of the model is proposed to improve the efficiency of the model. Finally, the example analysis is given to illustrate the correctness and validity of the proposed model and the solving method.

This work is supported by State Grid Shanxi Electric Power Company (No. SGSX0000KJS1700374).

spot market; complex bidding; flexible block order; clearing model; linearization

2017-06-14;

2017-10-30。

上網(wǎng)日期: 2017-11-13。

國網(wǎng)山西省電力公司科技項(xiàng)目(SGSX0000KJS1700374)。

張馨瑜(1994—),女,主要研究方向:電力經(jīng)濟(jì)。E-mail: 383234966@qq.com

陳啟鑫(1982—),男,通信作者,副教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力市場、能源互聯(lián)網(wǎng)、低碳電力。E-mail： qxchen@tsinghua.edu.cn

葛 睿(1979—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向:電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行、電力市場、新能源發(fā)電。

(編輯顧曉榮)