多主體梯級(jí)水電參與日前市場(chǎng)下游電站自調(diào)度投標(biāo)策略

張粒子， 劉 方， 許 通， 蔣 燕， 李秀峰， 徐 宏

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 北京市 102206； 2. 云南電力調(diào)度控制中心， 云南省昆明市 650011；3. 云南電網(wǎng)公司玉溪供電局， 云南省玉溪市 653100)

0 引言

文獻(xiàn)針對(duì)中國(guó)普遍存在梯級(jí)上、下游水電站隸屬于不同運(yùn)營(yíng)主體，電力市場(chǎng)中難以聯(lián)合競(jìng)標(biāo)的問(wèn)題，研究了多運(yùn)營(yíng)主體流域梯級(jí)水電站參與的日前市場(chǎng)出清模型。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索下游水電站如何利用有限的出力空間，在市場(chǎng)交易中自調(diào)度投標(biāo)，爭(zhēng)取自身利益。

美國(guó)加州電力市場(chǎng)將只申報(bào)電量不申報(bào)價(jià)格的投標(biāo)定義為自調(diào)度投標(biāo)，申報(bào)電量和價(jià)格的投標(biāo)為經(jīng)濟(jì)投標(biāo)[2-4]。發(fā)電企業(yè)可根據(jù)市場(chǎng)形勢(shì)和發(fā)電能力預(yù)測(cè)自調(diào)度投標(biāo)，申報(bào)出力，實(shí)現(xiàn)收益最大化[5]。上、下游電站之間水流時(shí)滯，使下游電站中標(biāo)曲線明顯滯后于上游電站，若以此安排次日出力計(jì)劃，則易錯(cuò)過(guò)負(fù)荷、電價(jià)高峰時(shí)段，甚至呈反調(diào)峰特征，有損下游電站經(jīng)濟(jì)效益，亦不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定。下游電站作為價(jià)格接受者無(wú)法決定市場(chǎng)價(jià)格，且中標(biāo)量受限于上游電站，但可利用有限庫(kù)容裕度制定出力調(diào)整策略，使調(diào)整后出力與負(fù)荷、電價(jià)變化趨勢(shì)更加吻合，擴(kuò)展收益空間。此外，日內(nèi)天氣變化帶來(lái)入庫(kù)流量大幅波動(dòng)，影響下游電站穩(wěn)定運(yùn)行，亦需合理調(diào)整出力來(lái)調(diào)蓄降雨入流，緩解棄水。下游電站將出力調(diào)整曲線上報(bào)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行自調(diào)度投標(biāo)。

日前市場(chǎng)以集中競(jìng)價(jià)、統(tǒng)一出清的方式促進(jìn)市場(chǎng)成員競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)化配置電力資源[6-7]，且為上游電站提供策略性報(bào)價(jià)逐利的機(jī)會(huì)，但導(dǎo)致出清價(jià)格和下游電站中標(biāo)量均呈現(xiàn)不確定性[8]。場(chǎng)景分析法用最少場(chǎng)景最大限度地?cái)M合隨機(jī)變量特性，保證優(yōu)化評(píng)估的整體效率[9-11]，常用方法有：場(chǎng)景消減法、典型場(chǎng)景法、時(shí)序仿真法。其中，典型場(chǎng)景法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和研究目的，選用特征相近的某日作為典型日，簡(jiǎn)潔直觀[12]，便于下游電站以典型日為依據(jù)，制定出力調(diào)整策略。

本文以平枯期典型日市場(chǎng)交易為研究對(duì)象，針對(duì)下游電站中標(biāo)曲線滯后于上游電站，與負(fù)荷、電價(jià)曲線走勢(shì)不匹配影響收益問(wèn)題，提出“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”出力調(diào)整策略，拓展收益空間，應(yīng)用典型場(chǎng)景集描述下游電站中標(biāo)量及市場(chǎng)出清價(jià)格，作為決策依據(jù)減小誤差。為降低驟雨入庫(kù)流量大尺度波動(dòng)對(duì)下游電站運(yùn)行的影響，提出兩階段“調(diào)蓄削峰”出力優(yōu)化調(diào)整策略，第1階段平滑入庫(kù)流量波動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第2階段優(yōu)化調(diào)整，從而平穩(wěn)消納降雨入流，增加出力且緩解棄水。下游電站向市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)申報(bào)出力調(diào)整計(jì)劃作為自調(diào)度投標(biāo)，獲取更多收益。最后通過(guò)算例驗(yàn)證了該策略的有效性。

1 梯級(jí)上下游水電站耦合關(guān)系模型

根據(jù)梯級(jí)上、下游水電站之間的電力耦合關(guān)系，時(shí)段t內(nèi)下游電站中標(biāo)量可描述為：

Pd,t=αtPu,t-τu,d+βt

(1)

式中：Pu,t和Pd,t分別為上、下游電站出力；τu,d為上、下游電站之間的水流時(shí)滯；αt和βt為上、下游電站出力耦合系數(shù)，表達(dá)式見(jiàn)式(2)。

(2)

下游電站時(shí)段t末庫(kù)容可近似為庫(kù)水位的一元函數(shù)[-14]，為避免直接線性化造成水位—庫(kù)容關(guān)系與實(shí)際偏差較大，可用分段線性函數(shù)表示為：

(3)

下游電站下泄流量與庫(kù)容變化關(guān)系為：

(4)

2 “峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”出力調(diào)整策略

下游電站“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”主要思路如下。

1)在負(fù)荷/電價(jià)高峰時(shí)段來(lái)臨，而上游電站泄流峰值尚未到達(dá)之前上調(diào)出力，提高收益，且適當(dāng)消落庫(kù)水位，騰出部分庫(kù)容消納流量峰值。

2)在負(fù)荷/電價(jià)高峰結(jié)束時(shí)段，上游電站泄流尚未削弱，適當(dāng)下調(diào)出力，攔蓄水流恢復(fù)水位，提高水頭效益。

3)通過(guò)此消彼長(zhǎng)，使下游電站中標(biāo)曲線追蹤出清價(jià)格波動(dòng)，獲取更多利益，且緩解消納上游電站時(shí)變泄流的壓力。

針對(duì)上述出力調(diào)整策略建立優(yōu)化模型，從大量歷史數(shù)據(jù)中篩選出與次日市場(chǎng)形勢(shì)接近的交易場(chǎng)景，用典型場(chǎng)景集描述出清價(jià)格和下游電站中標(biāo)量的隨機(jī)變量序列。

目標(biāo)函數(shù)如下：

(5)

主要考慮的約束條件包括：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3 降雨流量“調(diào)蓄削峰”策略

根據(jù)下游電站區(qū)間流域降雨—入流歷史數(shù)據(jù)，用典型場(chǎng)景描述天氣變化對(duì)下游電站入庫(kù)流量的影響。天氣場(chǎng)景可分為平穩(wěn)天氣場(chǎng)景和非平穩(wěn)天氣場(chǎng)景[15]：平穩(wěn)天氣場(chǎng)景主要包括無(wú)降雨天氣、持續(xù)降雨天氣、持續(xù)強(qiáng)降雨天氣；非平穩(wěn)天氣場(chǎng)景主要包括白天降雨天氣、夜間降雨天氣、晝夜間歇降雨天氣。附錄A圖A2給出了6種典型天氣場(chǎng)景下游電站入流情況。

根據(jù)下游電站區(qū)間流域降雨—入流歷史數(shù)據(jù)，用典型場(chǎng)景描述天氣變化對(duì)下游電站入庫(kù)流量的影響。天氣場(chǎng)景可分為平穩(wěn)天氣場(chǎng)景和非平穩(wěn)天氣場(chǎng)景[15]：平穩(wěn)天氣場(chǎng)景主要包括無(wú)降雨天氣、持續(xù)降雨天氣、持續(xù)強(qiáng)降雨天氣；非平穩(wěn)天氣場(chǎng)景主要包括白天降雨天氣、夜間降雨天氣、晝夜間歇降雨天氣。附錄A圖A2給出了6種典型天氣場(chǎng)景下游電站入流情況。

天氣變化特別是非平穩(wěn)強(qiáng)降雨天氣，帶來(lái)下游電站入庫(kù)流量突漲突落，此時(shí)水電站以避免棄水為主要運(yùn)行目標(biāo)。若直接以大尺度調(diào)整出力來(lái)消納區(qū)間流域降雨入流，則會(huì)導(dǎo)致水位大幅波動(dòng)，甚至破壞約束，不利于穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文制定兩階段出力調(diào)整優(yōu)化策略：①“調(diào)蓄削峰”，將突增降雨流量平滑分配到相鄰時(shí)段；②在第1階段基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整出力，降低棄水量，拓展收益空間。

1)降雨流量“調(diào)蓄削峰”策略。本文借鑒滑動(dòng)平均濾波思想[16-18]，對(duì)降雨流量進(jìn)行“調(diào)蓄削峰”后，下游電站在各時(shí)段承擔(dān)的降雨流量為：

(13)

下游電站在不同時(shí)段出力裕度不同，對(duì)降雨入流調(diào)蓄尺度承受能力有所差異。時(shí)間窗參數(shù)Tw是滑動(dòng)平均濾波算法的重要參數(shù)，Tw越大濾波結(jié)果越平滑，“調(diào)蓄削峰”效果越好，有利于降低棄水，但會(huì)導(dǎo)致水位大幅度波動(dòng)；Tw越小，對(duì)強(qiáng)降雨流量調(diào)蓄尺度越小，但對(duì)出力裕度需求較大，否則導(dǎo)致棄水。鑒于此，本文對(duì)時(shí)間窗參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整：

(14)

2)出力調(diào)整優(yōu)化模型。雨流量歷史數(shù)據(jù)豐富，短期預(yù)測(cè)精度較高，優(yōu)化模型中作為確定性序列。滿足所有場(chǎng)景下無(wú)棄水可能帶來(lái)出力調(diào)整尺度過(guò)大，不利于水電站穩(wěn)定運(yùn)行，因此將棄水流量以懲罰項(xiàng)形式列入優(yōu)化模型中作為軟約束。目標(biāo)函數(shù)為：

maxJd=

(15)

需要說(shuō)明：優(yōu)化變量ΔPd,t是包含了第1階段降雨泄流出力增量的總調(diào)整量。相應(yīng)約束條件為：

(16)

(17)

4 日前市場(chǎng)出清優(yōu)化模型

下游電站自調(diào)度投標(biāo)，即向市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)提交各時(shí)段出力調(diào)整量，上、下游電站出力耦合關(guān)系為：

Pd,t=αtPu,t-τu,d+βt+ΔPd,t

(18)

考慮上、下游電站耦合關(guān)系及下游電站自調(diào)度投標(biāo)的日前市場(chǎng)出清優(yōu)化模型為：

(19)

π1,u,t(βt+ΔPd,t)]

(20)

式中：J為交易帶來(lái)的社會(huì)總福利[19]；下標(biāo)D和G分別表示購(gòu)電商和發(fā)電商；ND，NG，nD，nG分別為參與日前市場(chǎng)的購(gòu)電商、發(fā)電商總數(shù)和編號(hào)索引；KD，KG，kD，kG分別為購(gòu)電商、發(fā)電商可申報(bào)的容量段數(shù)和段號(hào)；πkD,nD,t,πkG,nG,t和PkD,nD,t,PkG,nG,t分別為時(shí)段t購(gòu)電商nD在容量段kD、發(fā)電商nG在容量段kG的報(bào)價(jià)(元/(MW·h))和中標(biāo)量(MW)；Jud,t為梯級(jí)上、下游水電站在時(shí)段t內(nèi)愿意發(fā)電收入；PkG,u,t和PkG,u,t-τu,d分別為上游電站在時(shí)段t和t-τu,d內(nèi)容量段kG的中標(biāo)量；πkG,u,t和π1,u,t分別為上游電站時(shí)段t內(nèi)kG容量段和第1容量段的報(bào)價(jià)。

主要約束條件包括：發(fā)電商和購(gòu)電商中標(biāo)量平衡約束、發(fā)電商機(jī)組出力和爬坡約束、購(gòu)電商申報(bào)量約束、發(fā)電商和購(gòu)電商中標(biāo)量約束等。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以文獻(xiàn)中的算例進(jìn)行仿真分析，考慮到下游電站出力優(yōu)化調(diào)整過(guò)程中，庫(kù)容—水位分段線性關(guān)系及相鄰時(shí)段之間呈耦合關(guān)系，采用二進(jìn)制編碼的遺傳算法[20]求解出力調(diào)整優(yōu)化模型。下面給出下游電站“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”以及降雨流量“調(diào)蓄削峰”優(yōu)化結(jié)果，并分析了下游電站運(yùn)行誤差。附錄B表B1、表B2分別給出上、下游電站出力—發(fā)電流量部分分段線性參數(shù)；表B3給出下游電站自調(diào)度投標(biāo)示例數(shù)據(jù)。

5.2 “峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”優(yōu)化分析

圖1給出下游電站有/無(wú)自調(diào)度投標(biāo)的出清結(jié)果?？芍合掠坞娬尽胺迩膀v庫(kù)、峰后蓄水”自調(diào)度投標(biāo)使上游電站泄流峰值到來(lái)之前增加出力，泄流峰尾時(shí)段降低出力蓄水，充分利用有限的庫(kù)容進(jìn)行調(diào)蓄，挖掘效益空間；相比于無(wú)自調(diào)度投標(biāo)，下游電站中標(biāo)曲線明顯前移，與上游電站中標(biāo)曲線走勢(shì)趨近，追蹤價(jià)格變化逐利，“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”效果明顯，特別是在一些電價(jià)偏高時(shí)段，根據(jù)預(yù)測(cè)出清價(jià)格和出力空間裕度，優(yōu)化自調(diào)度上調(diào)投標(biāo)量，增發(fā)增收顯著。例如：時(shí)段12增加出力15.38 MW，增加收益5 537.88元；時(shí)段13增加出力22.91 MW，增加收益11 845.30元。

圖1 有/無(wú)自調(diào)度投標(biāo)出清結(jié)果Fig.1 Clearing results with or without self-scheduling bidding

圖2給出下游電站有/無(wú)自調(diào)度投標(biāo)情況下的出清價(jià)格曲線、上游電站最高段價(jià)曲線。對(duì)比分析可知：盡管下游電站自調(diào)度投標(biāo)量不報(bào)價(jià)，無(wú)法承擔(dān)邊際機(jī)組，但由于該部分出力在出清過(guò)程中作為固定值考慮，導(dǎo)致供給曲線發(fā)生平移，改變了供需平衡交點(diǎn)，使某些時(shí)段的出清價(jià)格和邊際機(jī)組發(fā)生改變。例如：下游電站無(wú)自調(diào)度投標(biāo)情況下，上游電站在時(shí)段11，20承擔(dān)邊際機(jī)組，而增加下游電站自調(diào)度投標(biāo)后，上游電站在時(shí)段10，11承擔(dān)邊際機(jī)組。

若按照自調(diào)度投標(biāo)量預(yù)期收益計(jì)算，下游電站可增加收益53 743.03元，而經(jīng)過(guò)出清優(yōu)化后，實(shí)際增加收益為32 712.9元，低于預(yù)期收益，這是由于下游電站自調(diào)度投標(biāo)量改變了供需交點(diǎn)，特別是其大尺度調(diào)整出力時(shí)段帶來(lái)出清價(jià)格明顯變化(見(jiàn)表1)。例如：時(shí)段7至10為“峰前騰庫(kù)”增加出力時(shí)段，各發(fā)電商開(kāi)始爭(zhēng)相抬價(jià)使市場(chǎng)電價(jià)普遍偏高，下游電站增收顯著，但出清價(jià)格受自調(diào)度投標(biāo)量影響小幅下降，影響預(yù)期收益；時(shí)段21至24為“峰后蓄水”降低出力時(shí)段，市場(chǎng)出清價(jià)格受自調(diào)度投標(biāo)下調(diào)量影響大幅提升，下游電站可在一定程度上提高收益，但價(jià)格水平和出力總體偏低，增加實(shí)際收益有限。此外，上游電站承擔(dān)邊際機(jī)組時(shí)段中標(biāo)量被消減，例如：時(shí)段10，11分別消減20 MW，69 MW，下游電站與之耦合的中標(biāo)量部分同比例消減，亦是造成實(shí)際收益與預(yù)期收益偏差的重要因素。

圖2 市場(chǎng)出清價(jià)格及上游電站報(bào)價(jià)Fig.2 Market clearing price and upstream hydropower station offer

5.3 降雨流量“調(diào)蓄削峰”優(yōu)化分析

非平穩(wěn)天氣導(dǎo)致下游電站區(qū)間入流陡漲陡落，對(duì)電站運(yùn)行影響顯著，給予重點(diǎn)分析。圖3給出白天強(qiáng)降雨、夜間強(qiáng)降雨和晝夜間歇強(qiáng)降雨3種典型非穩(wěn)定天氣場(chǎng)景下，下游電站中標(biāo)量變化(Tw=8 h)。

圖3中，下游電站出力增量由降雨入庫(kù)流量調(diào)蓄泄流決定，曲線走勢(shì)一致。可知：強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)間不同，調(diào)蓄尺度不同，對(duì)下游電站運(yùn)行影響差異較大。白天強(qiáng)降雨場(chǎng)景下，降雨入流“調(diào)蓄削峰”后，高峰時(shí)段與上游電站泄流高峰時(shí)段疊加，仍然可能出現(xiàn)部分棄水，經(jīng)第2階段優(yōu)化調(diào)整后，僅在時(shí)段12至14有小量棄水，該部分棄水是由于優(yōu)化調(diào)整較為保守所致。夜間強(qiáng)降雨場(chǎng)景下，出力裕度足以消納降雨入流，調(diào)蓄尺度較小，平滑泄流出力增量疊加上游泄流出力后，中標(biāo)曲線平緩起落。晝夜間歇強(qiáng)降雨場(chǎng)景下，夜間降雨入流疊加上游電站泄流，仍低于額定發(fā)電流量，無(wú)消納壓力；白天降雨入流經(jīng)大尺度調(diào)蓄后，有小量棄水，經(jīng)第2階段調(diào)整出力，僅有微量棄水，且拓展了收益。

圖3 不同降雨場(chǎng)景下游電站出清結(jié)果Fig.3 Clearing results of downstream hydropower station in different rain scenarios

圖4為3種天氣場(chǎng)景下對(duì)比及“調(diào)蓄削峰”過(guò)程中庫(kù)水位變化。

圖4 不同降雨場(chǎng)景下降雨入流、調(diào)蓄泄流及庫(kù)水位變化Fig.4 Rainfall inflow, adjusted output flow and water level change in different rain scenarios

可知：白天強(qiáng)降雨場(chǎng)景下，庫(kù)水位波動(dòng)幅度最大，是由于白天強(qiáng)降雨處于負(fù)荷高峰期，下游電站出力裕度有限，“調(diào)蓄削峰”策略中，滑動(dòng)時(shí)間窗口寬，對(duì)降雨入流調(diào)蓄力度大，在降雨來(lái)臨之前，便開(kāi)始大尺度上調(diào)出力，調(diào)用水庫(kù)存水補(bǔ)償出力，水位迅速跌落至950 m附近；后續(xù)降雨入庫(kù)流量激增，調(diào)蓄余流迅速補(bǔ)償水庫(kù)存水，水位快速恢復(fù)。夜間強(qiáng)降雨場(chǎng)景下，庫(kù)水位先是由調(diào)蓄余流導(dǎo)致快速升高，而后隨著降雨減弱，積存水量被逐步調(diào)蓄泄流，水位回落，后續(xù)小水量入流逐步提升水位，直至?xí)r段19至24削減出力水位恢復(fù)至初始水位。晝夜間歇降雨場(chǎng)景相比于前兩種場(chǎng)景，調(diào)蓄泄流曲線漲落平緩，晝夜調(diào)整補(bǔ)償力度均較低，庫(kù)水位波動(dòng)相對(duì)緩和，僅需要小幅度調(diào)蓄基本可完全消納降雨入流。

盡管非平穩(wěn)天氣場(chǎng)景下，降雨入庫(kù)流量集中，給下游電站帶來(lái)較大運(yùn)行壓力，但利用有限庫(kù)容進(jìn)行調(diào)蓄，控制各時(shí)段平穩(wěn)泄流，可有效降低棄水，且有利于水電站穩(wěn)定運(yùn)行。

5.4 下游電站運(yùn)行偏差分析

圖5 水位波動(dòng)及分段線性參數(shù)誤差帶來(lái)的出力偏差Fig.5 Generation deviation caused by water level fluctuation and piecewise linear parameter error

6 結(jié)語(yǔ)

本文在考慮梯級(jí)水電站耦合關(guān)系的日前市場(chǎng)出清機(jī)制研究基礎(chǔ)上，提出了下游電站“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”和降雨流量“調(diào)蓄削峰”出力調(diào)整策略，為下游電站利用有限庫(kù)容裕度自調(diào)度投標(biāo)，擴(kuò)展收益空間、避免棄水提供參考。

下游電站出力調(diào)整過(guò)程中，庫(kù)水位變化、下泄流量波動(dòng)帶來(lái)發(fā)電計(jì)劃與實(shí)際可發(fā)電量的偏差，均可在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中消納。下游電站“峰前騰庫(kù)、峰后蓄水”調(diào)整量自調(diào)度投標(biāo)，是以出清價(jià)格及下游電站出力典型場(chǎng)景為依據(jù)進(jìn)行決策，盡管與實(shí)際交易情景存在一些偏差，但該部分自調(diào)度投標(biāo)電量?jī)H占日前市場(chǎng)交易電量的很小份額，相比于全電量經(jīng)濟(jì)投標(biāo)/自調(diào)度投標(biāo)，下游電站在信息不對(duì)稱的情況下，承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，且有助于電力系統(tǒng)和電力市場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，本文所提理念、所建模型存在一定的假設(shè)，且算例選取較為理想，隨著中國(guó)電力市場(chǎng)化改革的不斷推進(jìn)，不足之處將會(huì)在水電參與電力市場(chǎng)實(shí)踐中顯現(xiàn)，后續(xù)將結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)一步深入研究。

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