電力現(xiàn)貨市場節(jié)點電價關(guān)鍵影響因素研究

周保榮，趙文猛，禤培正，張元，楊瑞，徐征

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 廣東 廣州 510663；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100080)

由于各國電力行業(yè)的重組，電力市場正逐步進(jìn)入放松管制的時代[1]。中國電力市場的改革也在不斷深化之中，電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)和運營尚且處于初期階段[2-3]。電力價格體系在競爭激烈的市場環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，尤其是節(jié)點電價已經(jīng)成為能源定價中最流行的模式之一。

價格是市場的核心，節(jié)點電價是指在滿足各類設(shè)備和資源的運行特性和約束條件情況下，在某一節(jié)點增加單位負(fù)荷需求時的邊際成本[4]。節(jié)點電價一般由系統(tǒng)電能價格、阻塞價格和網(wǎng)損價格組成。網(wǎng)損價格反映將電輸送到該節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)損耗情況，對于輸配電價中已核定網(wǎng)損的情況，節(jié)點電價中不再收取。

節(jié)點電價的計算根據(jù)分節(jié)點分時段的電量供需平衡求得，既能夠還原電力作為商品的本質(zhì)，又能夠滿足電力商品的特殊性，合理的節(jié)點電價能夠側(cè)面反映規(guī)則的合理性；因此，分析節(jié)點電價的影響因素對電力現(xiàn)貨市場建設(shè)至關(guān)重要[5]。

由節(jié)點電價的定義可知，節(jié)點電價的影響因素主要包括電源、電網(wǎng)、負(fù)荷3類：電源參數(shù)包括機(jī)組[6]運行參數(shù)、約束信息和報價參數(shù)[7]；電網(wǎng)參數(shù)[8]包括網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、約束信息和備用容量等；負(fù)荷參數(shù)包括負(fù)荷大小及其分布[9]、負(fù)荷側(cè)報價信息等。

在電力現(xiàn)貨市場建設(shè)進(jìn)程的關(guān)鍵階段，本文對影響電力現(xiàn)貨市場節(jié)點電價的關(guān)鍵因素進(jìn)行了深入的研究和分析。同時依托南方電網(wǎng)科學(xué)研究院電力市場仿真平臺[10]，基于IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)和數(shù)值攝動靈敏度分析法，定量分析了多個交易指標(biāo)變化對于節(jié)點電價的影響。本文的研究將為現(xiàn)貨市場制訂市場規(guī)則提供量化依據(jù)，為市場交易機(jī)制的持續(xù)完善提供充分支持，以最大限度地降低現(xiàn)貨市場決策與實施的風(fēng)險。

1 節(jié)點電價關(guān)鍵影響因素分析

1.1 發(fā)電商電量成本

發(fā)電商成本可分為容量成本和電量成本[11]，其中：容量成本包括發(fā)電廠投資、運行和人工等成本，與發(fā)電量無關(guān)；電量成本則包括機(jī)組燃料、機(jī)組維護(hù)等成本，取決于發(fā)電量的大小。發(fā)電商每增加單位發(fā)電量所增加的成本為發(fā)電的邊際成本。

從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度講，為了保證收益，發(fā)電商報價應(yīng)高于其邊際成本才能保證每度電的利潤為正；因此，在不考慮發(fā)電成本補貼等機(jī)制時，機(jī)組成本越高，申報價格越高，在系統(tǒng)負(fù)荷相同的情況下，為滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，調(diào)用的邊際機(jī)組的價格也較高，相應(yīng)節(jié)點電價也較高。

然而，市場的電力供應(yīng)能力相對固定，短期內(nèi)變化較小。如果某一區(qū)域每個用電高峰的市場價格不同，則整個電網(wǎng)的電力需求變化相對緩慢，從而降低了系統(tǒng)的備用發(fā)電容量，降低了系統(tǒng)的發(fā)電成本，也在一定程度上降低了電價。

1.2 發(fā)電企業(yè)市場力

在現(xiàn)貨市場環(huán)境下，發(fā)電企業(yè)通過進(jìn)行策略性投標(biāo)而不是降低自身成本來增加利潤，則稱該發(fā)電企業(yè)具有市場力[12]。在現(xiàn)貨市場初級階段，一些發(fā)電商會利用市場規(guī)則的不完善性，通過對自身及其他企業(yè)的市場力、市場信息進(jìn)行分析，進(jìn)而提出偏離其邊際成本的報價，這將會給出清電價帶來嚴(yán)重的不確定性波動。

1.3 輸電阻塞

在理想電力市場中，系統(tǒng)中任意節(jié)點的發(fā)電企業(yè)均可自由地向任意節(jié)點的負(fù)荷供電，保證市場的最大自由度[13-14]。然而，輸電系統(tǒng)由于自身網(wǎng)絡(luò)容量限制所造成的輸電阻塞則極大程度地限制了這種自由度。在實際的電力市場運營中，由于發(fā)、用電市場規(guī)模的不斷增大，阻塞可能性正在增加。

線路檢修、線路擴(kuò)容、斷面?zhèn)鬏斎萘考s束均會改變線路的阻塞情況。通常而言，發(fā)電企業(yè)意識到自己所處位置網(wǎng)絡(luò)情況后，會通過報價來操縱節(jié)點電價，一般負(fù)荷口袋區(qū)的發(fā)電企業(yè)報價較高，而在負(fù)荷外送區(qū)的企業(yè)報價較低；但由于網(wǎng)絡(luò)阻塞的原因，外送區(qū)報低價的發(fā)電企業(yè)無法將電量送進(jìn)區(qū)域內(nèi)部，只能調(diào)用負(fù)荷口袋區(qū)的高價機(jī)組，導(dǎo)致該時段負(fù)荷口袋區(qū)域的節(jié)點電價上升[15-17]。由于線路阻塞情況的不同，在其他因素不變時，調(diào)用的高價機(jī)組電量不同，導(dǎo)致節(jié)點電價的差異。

1.4 市場供需比

電價通常由電力商品的供求曲線和需求曲線共同決定[18]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，社會對電力的需求也與日俱增。同時，電力消耗的隨機(jī)性和不連續(xù)性，造成電力需求具有很強的波動性，不同季節(jié)、不同時段的電力需求差異較大。

通常發(fā)電商的供應(yīng)曲線與其發(fā)電成本緊密相關(guān)，短期內(nèi)發(fā)電成本不會有太大的變動，其正常供應(yīng)曲線也不會有太大的變化[19]；但發(fā)電商可以通過物理持留來操縱價格，在高峰時段負(fù)荷較大時，發(fā)電商通過不報滿容量改變供需比，同時配合高價申報即可造成人為阻塞和節(jié)點電價攀升。

因此，需要從系統(tǒng)負(fù)荷不變時改變機(jī)組申報容量和在機(jī)組申報容量不變時改變系統(tǒng)負(fù)荷2個方面來分析市場供需比對電價的影響。

1.5 其他因素

現(xiàn)貨市場環(huán)境下，機(jī)組約束信息(包括爬坡約束、出力上下限約束、指定狀態(tài)約束等)會影響各時段出清價格，同時系統(tǒng)備用容量(包括正備用需求、負(fù)備用需求)也會對節(jié)點電價產(chǎn)生影響。

2 電力市場出清分析工具和方法

2.1 電力市場仿真平臺

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院電力市場仿真平臺從電力系統(tǒng)運行的角度全方位模擬電力現(xiàn)貨市場的運行，可基于靈活電網(wǎng)模型設(shè)置市場運行的邊界條件，通過輸入負(fù)荷預(yù)測、電廠申報和用戶申報，對市場進(jìn)行出清模擬和結(jié)果分析。同時，該系統(tǒng)采用B/S應(yīng)用模式J2EE架構(gòu)，以全面的JAVA解決方案來開發(fā)部署，具有安全的網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸能力、高效的計算性能和查詢能力。因此，本文選用南方電網(wǎng)科學(xué)研究院電力市場仿真平臺作為算例分析工具。

2.2 數(shù)值攝動靈敏度分析法

本文采用數(shù)值攝動靈敏度分析法來研究不同因素(α，…，β)對市場出清的影響，該方法計算簡單，能定性地反映影響因子對目標(biāo)值的影響，其基礎(chǔ)是求取靈敏度α系數(shù)[20]。

因素的微小變化Δα對節(jié)點λ的影響，可通過λ對于α的各階導(dǎo)數(shù)來反映，其一階靈敏度系數(shù)Vα和二階靈敏度系數(shù)Vα(2)可定義為：

(1)

(2)

假定因素α初始工作點α0對應(yīng)的目標(biāo)值為λ(α0)，按指定目標(biāo)方向取數(shù)值攝動量Δα，求取λ(α0+Δα)，進(jìn)一步可得到λ對于α的一階、二階靈敏度系數(shù)：

(3)

(4)

獲得節(jié)點電價對于給定因素的各階靈敏度系數(shù)后，就可估算出使λ產(chǎn)生微小變化Δλ所需要的Δα值。按照一階靈敏度分析，可以得到

Δα=Δλ/Vα.

(5)

對應(yīng)于二階靈敏度，改進(jìn)后

(6)

因此參數(shù)α的新值

α'=Δα+α0.

(7)

3 仿真分析

3.1 算例基本參數(shù)

本文所采用的IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)共有39個節(jié)點、46條線路，另有10臺機(jī)組分別位于節(jié)點30—39上。系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù)見表1，機(jī)組參數(shù)見表2，由于篇幅的原因，此處不再贅述系統(tǒng)的線路參數(shù)信息。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

表1 系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù)Tab.1 System load parameters

表2 機(jī)組參數(shù)Tab.2 Generator parameters

3.2 案例分析

本文依托南方電網(wǎng)科學(xué)研究院電力市場仿真平臺，基于IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)，采取數(shù)值攝動靈敏度分析法，定量分析廣東電力現(xiàn)貨市場規(guī)則第一階段報量不報價模式下，機(jī)組申報容量、機(jī)組申報價格、用戶實際用電負(fù)荷、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測、線路傳輸容量等交易指標(biāo)變動對節(jié)點電價的影響。為便于分析，節(jié)點電價取負(fù)荷側(cè)全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價。

由于機(jī)組爬坡速率、出力上下限、指定狀態(tài)等約束和系統(tǒng)備用容量的分析較為復(fù)雜，本文并未對以上因素進(jìn)行分析。為便于分析，在仿真計算時未考慮機(jī)組爬坡速率和指定狀態(tài)約束，出力上下限約束為最小技術(shù)出力和機(jī)組額定容量，系統(tǒng)正、負(fù)備用容量約束值均為5 MW。

本文假設(shè)在考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束下所有機(jī)組均為單段報價，機(jī)組默認(rèn)初始報價為機(jī)組成本，機(jī)組所有時段默認(rèn)申報最大容量均為額定容量，申報最小容量為零。在默認(rèn)參數(shù)下，日前市場和實時市場中各時段系統(tǒng)供需比均在1.17～2.04。

3.2.1 機(jī)組申報容量變化

通過改變機(jī)組申報容量來研究供需比變化對節(jié)點電價的影響，對比滿額申報和申報容量折扣5%的情形下日前全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價變化情況。申報容量折扣5%后，日前系統(tǒng)供需比在1.11～1.93之間，日前全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價變化情況如圖2所示。定義IG,price為申報容量變化引起的價格差比例，Pchange為申報容量降低5%出清的全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價，Poriginal為原始申報容量出清的全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價，則IG,price=(Pchange-Poriginal)/Poriginal。

圖2 機(jī)組申報容量變化后全網(wǎng)加權(quán)平均電價波動Fig.2 Weighted average node pricefluctuating trend of the whole network after unit declaration capacity changing

由圖2可知，當(dāng)機(jī)組申報容量等比例消減后，全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價會在負(fù)荷高峰時段產(chǎn)生增幅波動，而且經(jīng)數(shù)值攝動靈敏度分析法計算可得其波動增幅基本在5%以內(nèi)。這主要是因為機(jī)組申報容量等比例消減后，負(fù)荷高峰時段的市場供需比更接近1，受各時段不同線路阻塞程度的影響，高峰各時段節(jié)點電價的波動也有所不同。當(dāng)各機(jī)組申報容量減小5%后，總申報容量相應(yīng)減小了368 MW，此值小于任一機(jī)組的額定容量，因此在本案例中無需過多改變或者調(diào)動機(jī)組就能滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求，從而導(dǎo)致波動增幅量相對較小。對于市場供需比遠(yuǎn)大于1的非高峰時段，線路阻塞較輕且用戶需求較少，因此機(jī)組申報輕微變動對其影響很小。

3.2.2 機(jī)組申報價格變化

機(jī)組成本和發(fā)電企業(yè)市場力對節(jié)點電價的影響均通過改變申報價格實現(xiàn)。為研究機(jī)組申報價格變化對于節(jié)點電價的影響，本文假設(shè)在初始按成本報價的基礎(chǔ)上報價分別上浮10%和下浮10%，日前全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價變化情況如圖3所示。定義IPU,price為申報價格增幅10%引起的價格差比例，IPD,price為申報價格降低10%引起的價格差比例，PU,change為申報價格增幅10%的全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價，PD,change為申報價格降低10%的全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價,Pp,original為原始申報價格出清的全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價，則

IPU,price=(PU,change-Pp,original)/Pp,original，

IPD,price=(PD,change-Pp,original)/Pp,original.

圖3 機(jī)組申報價格變化后全網(wǎng)加權(quán)平均電價波動Fig.3 Weighted average node pricefluctuating trend of thewhole network after unit declaration price changing

由圖3可知，經(jīng)數(shù)值攝動靈敏度分析法計算可得，全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的變化趨勢與機(jī)組申報價格的變化趨勢基本一致，全體機(jī)組申報價格上浮10%，全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價也上浮10%，反之亦然。這主要是因為機(jī)組申報價格變動時，在節(jié)點電價的計算過程中所考慮的源-網(wǎng)-荷約束條件沒有發(fā)生任何變化，唯一發(fā)生變動的是優(yōu)化求解目標(biāo)，而求解目標(biāo)是各機(jī)組申報價格的線性組合，因此全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的變化趨勢與機(jī)組申報價格的變化趨勢保持一致。

3.2.3 用戶實際用電負(fù)荷變化

在廣東現(xiàn)貨市場規(guī)則第一階段報量不報價模式下，交易中心以用戶實際用電負(fù)荷作為實時市場出清計算依據(jù)[21]；因此，本文直接分析用戶實際用電負(fù)荷變化對于市場出清結(jié)果的影響。在其他影響因素不變的前提下，將全天24個時段所有用戶實際用電負(fù)荷分別上浮5%和下浮5%，觀察其對實時全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價帶來的波動，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯河秒娯?fù)荷上浮5%后，實時市場的供需比為1.12～1.94；用電負(fù)荷下調(diào)5%后，實時市場的供需比為1.24～2.15。

圖4 用戶實際用電負(fù)荷變化后全網(wǎng)加權(quán)平均電價波動Fig.4 Weighted average node pricefluctuating trend of the whole network after user's actual electricity load changing

由圖4可知，用戶實際用電負(fù)荷變化對于非高峰時段的節(jié)點電價影響并不大，而對于高峰時段的影響較大且影響結(jié)果相對于負(fù)荷變化系數(shù)呈多倍關(guān)系。在高峰時段11、19、20時，雖然實際用電負(fù)荷提升了5%，但全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價卻提升了60%以上；在高峰時段10，雖然實際用電負(fù)荷下降了5%，但全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價也降低了40%以上。分析其原因，本案例中負(fù)荷提升5%(總負(fù)荷相應(yīng)增加311 MW)時：①在負(fù)荷高峰時段，當(dāng)實際用電負(fù)荷提升時，一方面由于負(fù)荷的增加，需要調(diào)動報價更高的機(jī)組，因而引起節(jié)點電價的增加；另一方面高峰時段線路本身存在阻塞，負(fù)荷的增加會造成線路阻塞的加重，此時原有低報價機(jī)組不能調(diào)用，需要調(diào)用更高報價的機(jī)組。②在非高峰時段，線路阻塞較輕，輕微的負(fù)荷增加幾乎不會加重線路阻塞，同時原有的低報價機(jī)組也能滿足新增的負(fù)荷需求，無需調(diào)動其余高報價機(jī)組，因此非高峰時段節(jié)點電價幾乎不變。

類似地，當(dāng)負(fù)荷減小5%時：①在負(fù)荷高峰時段，一方面由于負(fù)荷的減小，便宜的機(jī)組容量就能滿足負(fù)荷需求；另一方面會緩解線路的阻塞情況，可調(diào)用更便宜的機(jī)組。②同樣地，非高峰時段的節(jié)點電價也幾乎無變化。

綜上分析可得，在負(fù)荷高峰時段，特別是當(dāng)市場供需比接近1時，實際用戶負(fù)荷的輕微提升或降低，都會對實時全網(wǎng)加權(quán)節(jié)點電價產(chǎn)生巨大的影響。

3.2.4 系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測變化

為研究系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測變化對于日前市場出清的影響，本文在其他影響因素保持不變的前提下，只改變系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值，在原始日前負(fù)荷預(yù)測值的基礎(chǔ)上分別上浮5%和下浮5%，分析其對日前市場節(jié)點電價的影響，結(jié)果如圖5所示。與上一案例類似：負(fù)荷預(yù)測值上浮5%后，日前市場的供需比為1.12～1.94；負(fù)荷預(yù)測值下浮5%后，日前市場的供需比為1.24～2.15。

圖5 系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測變化后全網(wǎng)加權(quán)平均電價波動Fig.5 Weighted average node pricefluctuating trend of the whole network after system load forecasting changing

由圖5可知，日前負(fù)荷預(yù)測值同比上浮5%后，引起全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的變化較大，且高峰電價頻次增多、價格增加。對比圖4和圖5可以看出，本案例日前市場中全網(wǎng)加權(quán)節(jié)點電價的變化規(guī)律與上一案例中實時市場的基本一致，僅由于用戶負(fù)荷和系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線的輕微不同引起兩者節(jié)點電價變化的輕微差異，對此不再作詳細(xì)分析。

3.2.5 線路傳輸容量變化

考慮網(wǎng)絡(luò)約束條件下，線路傳輸容量的限制會影響網(wǎng)絡(luò)阻塞情況，進(jìn)而影響市場的出清結(jié)果[22]。為研究線路傳輸容量變化對于市場出清結(jié)果的影響，在所有線路原始傳輸容量的基礎(chǔ)上分別提升10%和降低10%，分析其對于全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的影響，如圖6所示。

圖6 線路傳輸容量變化后全網(wǎng)加權(quán)平均電價波動Fig.6 Weighted average node pricefluctuating trend of the whole network after line transmission capacity changing

由圖6可知，當(dāng)線路傳輸容量提升10%后，時段13全網(wǎng)加權(quán)節(jié)點電價有所降低，且降幅在5%之內(nèi)，這主要是因為原始情景下線路Line5和Line14發(fā)生阻塞，然而擴(kuò)容后僅Line5發(fā)生阻塞，同時受原始較輕的網(wǎng)絡(luò)阻塞和較低的擴(kuò)容比例的影響，其降幅相對較小。當(dāng)線路傳輸容量縮減10%后，在負(fù)荷高峰時段，全網(wǎng)加權(quán)節(jié)點電價均有一定幅度的提升，這主要是因為減容后加重了原始線路的阻塞情況導(dǎo)致的；此外，時段23節(jié)點電價也有較大幅度的提升，這主要是因為原始情景下只有Line5阻塞，而減容后Line5和Line14同時發(fā)生了阻塞。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地研究了影響電力現(xiàn)貨市場出清的關(guān)鍵因素，利用南方電網(wǎng)科學(xué)研究院電力市場仿真平臺、IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)和數(shù)值攝動靈敏度分析法，定量分析了多個交易指標(biāo)變化對于市場出清的影響。在本文算例參數(shù)下，仿真結(jié)果如下：

a)機(jī)組申報容量變化改變系統(tǒng)供需比，進(jìn)而改變節(jié)點電價。機(jī)組申報容量等比例變化時，全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價通常會在負(fù)荷高峰時產(chǎn)生波動，變化大小取決于系統(tǒng)供需比和阻塞情況。

b)機(jī)組成本變化和市場力對節(jié)點電價的影響均通過改變申報價格體現(xiàn)。機(jī)組申報價格變化時，全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的變化趨勢與其變化趨勢基本一致。

c)負(fù)荷變化會改變系統(tǒng)供需比和線路的阻塞情況，全天負(fù)荷高峰時段，用戶實際負(fù)荷和日前負(fù)荷預(yù)測的微小變動分別對實時和日前全網(wǎng)加權(quán)節(jié)點電價產(chǎn)生巨大的影響。系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值上浮時，高峰時段全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價的顯著增加，高峰電價頻次增多、價格增加；系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值下浮時，規(guī)律反之。非高峰時段全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價變化較小，基本保持平穩(wěn)。

d)線路傳輸容量增加，使得原始網(wǎng)絡(luò)阻塞線路減少，可有效降低全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價；線路傳輸容量減少，導(dǎo)致原始阻塞線路的阻塞程度加重，系統(tǒng)阻塞價格增加，因此全網(wǎng)加權(quán)平均節(jié)點電價在負(fù)荷高峰時的價格相應(yīng)有所提升。

此外，在實際市場運營中，爬坡速率、滑坡速率、必開、必停、人工干預(yù)、廠用電處理、西電等交易指標(biāo)影響更加復(fù)雜，因此后續(xù)將沿此方向作深入研究。