基于集中競(jìng)價(jià)模式的發(fā)電權(quán)交易模型分析

張 蕊,劉克城,李曉明,董靚媛,李安昌

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.盾石磁能科技有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050000)

目前,我國(guó)正在大力推進(jìn)電力體制改革,加大電力市場(chǎng)建設(shè),發(fā)電權(quán)交易作為電力市場(chǎng)的一種交易品種被明確納入新電改。隨著電力供需矛盾的緩解,一些地方為優(yōu)化發(fā)電資源、促進(jìn)電源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、實(shí)現(xiàn)降耗減排,也相繼開(kāi)展了發(fā)電權(quán)交易的嘗試,通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制壓縮小機(jī)組發(fā)電,在節(jié)能降耗方面取得了很好的效果。這種方式可以在尊重發(fā)電企業(yè)經(jīng)營(yíng)自主權(quán)并且不影響電力消費(fèi)者利益的前提下,在降低能耗、減少污染及碳減排方面收到很好的功效。

1 發(fā)電權(quán)交易概述

1.1 含義及機(jī)理

發(fā)電權(quán)交易是指擁有發(fā)電份額的發(fā)電企業(yè),在合約市場(chǎng)、日前市場(chǎng)等市場(chǎng)中通過(guò)雙邊談判或撮合洽談等方式,將其所擁有的發(fā)電份額有償轉(zhuǎn)讓給其他發(fā)電企業(yè),由其他發(fā)電企業(yè)替代其發(fā)電的電力市場(chǎng)交易行為。發(fā)電權(quán)交易的實(shí)質(zhì)是一種以市場(chǎng)方式實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組、發(fā)電廠之間電量替代的交易行為,是一種有償替代發(fā)電交易。它是在具有成本、能耗和效率等差異的發(fā)電企業(yè)之間進(jìn)行的以許可發(fā)電份額為標(biāo)的的交易行為,通過(guò)相互自發(fā)的發(fā)電補(bǔ)償效益,實(shí)現(xiàn)發(fā)電資源的優(yōu)化配置[1]。

對(duì)于一些發(fā)電機(jī)組,如果由于某種原因無(wú)法執(zhí)行其已簽訂的、在有效期內(nèi)的全部或部分合約發(fā)電量合同,可以通過(guò)雙邊協(xié)商交易或電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)組織的集中撮合交易,以自己認(rèn)可的價(jià)格向高效節(jié)能環(huán)保機(jī)組(如水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組等)購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)數(shù)量的電量合同,以彌補(bǔ)自己無(wú)法執(zhí)行的合約發(fā)電量,減少可能的違約損失[2]。

1.2 交易模式

目前,我國(guó)電力市場(chǎng)中主要存在2種發(fā)電權(quán)交易的模式,分別為雙邊交易模式以及集中競(jìng)價(jià)模式。

1.2.1 雙邊交易

雙邊交易模式是一種分散進(jìn)行的發(fā)電權(quán)交易[3]。在規(guī)定的截止日期前,發(fā)電企業(yè)可以自由選擇其它發(fā)電企業(yè)進(jìn)行洽談,并達(dá)成發(fā)電權(quán)交易電量和電價(jià)的初步協(xié)議。交易中心對(duì)所有發(fā)電權(quán)交易進(jìn)行匯總并交由調(diào)度中心進(jìn)行安全校核;如果安全校核未通過(guò),則按照規(guī)定的原則裁減部分交易后再次進(jìn)行安全校核,直至校核通過(guò)。校核通過(guò)后,交易中心在規(guī)定的日期前向發(fā)電企業(yè)公布最終確定的發(fā)電權(quán)交易,并將這些交易納入下一時(shí)間周期各電廠發(fā)電計(jì)劃。

1.2.2 集中競(jìng)價(jià)交易

集中競(jìng)價(jià)交易模式是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),交易雙方在電力交易運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)上申請(qǐng)交易的電量以及補(bǔ)償報(bào)價(jià)。電力交易運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)按照節(jié)能優(yōu)先、價(jià)格優(yōu)先、時(shí)間優(yōu)先等原則通過(guò)統(tǒng)一的交易平臺(tái)對(duì)所有參與報(bào)價(jià)的機(jī)組進(jìn)行集中撮合[4]。交易雙方按照電力交易運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)確認(rèn)后的成交結(jié)果簽訂發(fā)電權(quán)交易合同,明確交易周期、成交電量、成交價(jià)格、結(jié)算方式等?，F(xiàn)階段,集中撮合交易組織交易的核心思想是“高低匹配”,即買(mǎi)家按照?qǐng)?bào)價(jià)由高到低依次排優(yōu)先級(jí),賣(mài)家按照?qǐng)?bào)價(jià)由低到高依次排優(yōu)先級(jí)。首先撮合優(yōu)先級(jí)最高的買(mǎi)家和賣(mài)家的交易,交易的成交價(jià)格為賣(mài)方報(bào)價(jià)和買(mǎi)方報(bào)價(jià)的平均值,然后撮合優(yōu)先級(jí)次高的市場(chǎng)成員的交易,依此類推。在集中撮合交易方式中,交易中心可以通過(guò)集中化的方式進(jìn)行區(qū)內(nèi)資源優(yōu)化配置和系統(tǒng)管理,應(yīng)用能耗管理方法進(jìn)行節(jié)能總量控制。

2 發(fā)電權(quán)交易的集中競(jìng)價(jià)交易模型

針對(duì)不同的發(fā)電權(quán)交易模式,有不同的發(fā)電權(quán)交易模型。對(duì)于不同的目標(biāo)與約束,所建立的模型以及其對(duì)應(yīng)的解法也各不相同。雙邊交易模式交易模型簡(jiǎn)單,本文不再詳細(xì)闡述?，F(xiàn)行的集中競(jìng)價(jià)是按照價(jià)格“高低匹配”的方式進(jìn)行交易配對(duì),本文介紹一種以節(jié)能量最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)的集中競(jìng)價(jià)發(fā)電權(quán)交易模型。此模型能實(shí)現(xiàn)交易后節(jié)能量最大。

2.1 交易模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

即目標(biāo)函數(shù)為交易的總節(jié)能量最大。

式中:m為發(fā)電權(quán)出讓方總數(shù);n為發(fā)電權(quán)受讓方總數(shù);fSi為發(fā)電權(quán)出讓方i的機(jī)組的能耗;fBj為發(fā)電權(quán)受讓方j(luò)的機(jī)組的能耗;Qij為一筆交易中出讓方i與受讓方j(luò)的實(shí)際交易電量。

2.1.2 約束條件

a.電量平衡

c.價(jià)格約束

式中:PSi為發(fā)電權(quán)出讓方i的機(jī)組報(bào)價(jià);PBj為發(fā)電權(quán)受讓方j(luò)的機(jī)組報(bào)價(jià);QSi為出讓方i的機(jī)組計(jì)劃發(fā)電權(quán)出讓電量;QSimax為出讓方i的機(jī)組本身獲得的發(fā)電份額;QBj為受讓方j(luò)的機(jī)組發(fā)電權(quán)申報(bào)電量;WL為流經(jīng)輸電斷面的電量向量;WLmax為輸電斷面最大允許輸送電量向量;WLmin為輸電斷面最小允許輸送電量向量;U為網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓向量;Umax為節(jié)點(diǎn)電壓的上限值;Umin為節(jié)點(diǎn)電壓的下限值;Pl為機(jī)組實(shí)際出力向量;Plmax為機(jī)組最大出力向量;Plmin為機(jī)組最小出力向量。

2.2 求解步驟

a.發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組按照能耗由高到低排序。當(dāng)出讓方機(jī)組能耗相同時(shí),按照出讓方報(bào)價(jià)由高到低進(jìn)行排序。根據(jù)上述原則,形成發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組的綜合排名。

b.發(fā)電權(quán)受讓方機(jī)組按照能耗由低到高排序。當(dāng)出受方機(jī)組能耗相同時(shí),按照受讓方報(bào)價(jià)由低到高進(jìn)行排序。根據(jù)上述原則,形成發(fā)電權(quán)受讓方機(jī)組的綜合排名。

c.在滿足價(jià)格約束的前提下,從綜合排名靠前的發(fā)電權(quán)受讓方機(jī)組開(kāi)始,優(yōu)先與綜合排名靠前的發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組進(jìn)行撮合交易。

d.所有的撮合過(guò)程結(jié)束后,檢查是否滿足網(wǎng)絡(luò)安全約束以及機(jī)組性能約束。如果滿足,則交易結(jié)束;若不滿足,對(duì)于不滿足網(wǎng)絡(luò)安全約束的情況:從最后成交的交易逆序開(kāi)始,調(diào)整與約束條件有關(guān)的交易的成交電量,并促成后續(xù)交易,直至滿足安全約束條件。對(duì)于不滿足機(jī)組性能約束的情況,調(diào)整相關(guān)機(jī)組的交易量直至滿足機(jī)組性能約束。

e.形成最終交易結(jié)果,各交易對(duì)的交易價(jià)格為交易雙方報(bào)價(jià)的平均值。

2.3 模型分析

本模型的目的是通過(guò)發(fā)電權(quán)交易達(dá)到一定的節(jié)能效果。所建立的目標(biāo)函數(shù)保證了節(jié)能量是最優(yōu)的,同時(shí)必須滿足一定的約束條件。

約束條件包括了電量平衡和交易量的約束,這2個(gè)約束條件保證交易前后,總發(fā)電量保持不變。對(duì)于交易量的約束,每一個(gè)發(fā)電權(quán)出讓方的實(shí)際交易量不能超過(guò)其計(jì)劃發(fā)電權(quán)出讓電量,同樣,每一個(gè)發(fā)電權(quán)受讓方的實(shí)際交易量不能超過(guò)其發(fā)電權(quán)申報(bào)量;價(jià)格約束,發(fā)電權(quán)出讓方報(bào)價(jià)是其愿意支付給受讓方代替其發(fā)電的最高價(jià)格,發(fā)電權(quán)受讓方的報(bào)價(jià)是其愿意接受的出讓方對(duì)自身替代發(fā)電所支付的最低價(jià)格。只要發(fā)電權(quán)成交價(jià)格高于其發(fā)電成本,通過(guò)發(fā)電權(quán)交易便可以獲取利潤(rùn),因此受讓方以其發(fā)電成本為報(bào)價(jià)下限。當(dāng)出讓方報(bào)價(jià)低于受讓方報(bào)價(jià)時(shí),交易價(jià)格是低于受讓方的發(fā)電成本的,這樣受讓發(fā)不會(huì)替出讓方發(fā)電。因此出讓方報(bào)價(jià)不得低于受讓方的報(bào)價(jià)。約束條件中同時(shí)還包括了網(wǎng)絡(luò)安全約束和機(jī)組性能約束,保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)電壓、線路載流量、機(jī)組出力都在規(guī)定的閾值內(nèi)。

為了在模型中體現(xiàn)出競(jìng)價(jià),增大總的經(jīng)濟(jì)效用,在機(jī)組能耗相同的情況下,以機(jī)組報(bào)價(jià)的高低作為出讓方及受讓方機(jī)組排序的第二要素,從而形成發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組以及受讓方機(jī)組的綜合排序。出讓方報(bào)價(jià)由高到低,受讓方報(bào)價(jià)由低到高,這樣即為傳統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)效用最大化為目標(biāo)的模型的價(jià)格“高低匹配”原則。但由于本模型的目標(biāo)為節(jié)能量最大,因此在能耗相同的情況下采用價(jià)格的“高低匹配”原則進(jìn)行交易。這樣,模型不僅實(shí)現(xiàn)節(jié)能量最大,還保證了在節(jié)能量最大前提下的經(jīng)濟(jì)效用最大化。

3 算例分析

關(guān)于火電機(jī)組的能耗問(wèn)題,機(jī)組實(shí)際的能耗和機(jī)組容量,效率,負(fù)荷率等很多因素有關(guān)。在本算例中考慮火電機(jī)組的能耗僅和機(jī)組容量有關(guān):機(jī)組容量越大,能耗越低。為了計(jì)算通過(guò)所建模型進(jìn)行發(fā)電權(quán)交易后的節(jié)能效果,設(shè)定煤耗如表1所示。

表1 各容量機(jī)組煤耗數(shù)據(jù)

假設(shè)所有交易發(fā)生在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中,且計(jì)算線路潮流分布時(shí)應(yīng)用直流潮流模型,支路功率的分布可以類比成簡(jiǎn)單電路。而節(jié)點(diǎn)電壓默認(rèn)為滿足要求。實(shí)際情況中,需要在交易中心安排完所有發(fā)電權(quán)交易之后,由調(diào)度中心根據(jù)計(jì)算機(jī)潮流計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)中各條支路潮流及各節(jié)點(diǎn)電壓,判斷是否滿足網(wǎng)絡(luò)安全約束。

算例中所用到的網(wǎng)絡(luò)模型包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C以及3條傳輸線A—B、B—C、C—A。設(shè)3條傳輸線長(zhǎng)度及各參數(shù)完全相同,且雙向所允許通過(guò)的最大有功功率均為500 MW。參與發(fā)電權(quán)集中競(jìng)價(jià)交易的發(fā)電廠機(jī)組申報(bào)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 集中競(jìng)價(jià)市場(chǎng)成員申報(bào)數(shù)據(jù)

集中競(jìng)價(jià)模式中存在多個(gè)發(fā)電權(quán)出讓方和多個(gè)發(fā)電權(quán)受讓方。其中機(jī)組A1、A2、A3位于節(jié)點(diǎn)A。機(jī)組B1、B2位于節(jié)點(diǎn)B。機(jī)組C1、C2、C3、C4、C5位于節(jié)點(diǎn)C。A1、B1、C1、C2、C3為發(fā)電權(quán)出讓方,其中A1、B1、C1是高煤耗關(guān)停的小火電機(jī)組,C2、C3是尚未列入關(guān)停計(jì)劃的中小火電機(jī)組。A2、A3、B2、C4、C5為發(fā)電權(quán)受讓方,其中A3、C4是風(fēng)電機(jī)組,能耗為0。A2、B2、C5是大中型火電機(jī)組。出讓方機(jī)組既有高煤耗關(guān)停的小火電機(jī)組,也有尚未列入關(guān)停計(jì)劃的中小火電機(jī)組。受讓機(jī)組包括風(fēng)電機(jī)組、大中型火電機(jī)組。參與交易的機(jī)組選取涵蓋了各種類型、各種煤耗等級(jí)的機(jī)組,基本能反映發(fā)電權(quán)交易中可能出現(xiàn)的各類情況,具有一定的普遍性。

節(jié)能量最優(yōu)的發(fā)電權(quán)交易模型以交易總的節(jié)能量最大為優(yōu)化目標(biāo),發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組按照能耗由高到低排序,同時(shí)發(fā)電權(quán)受讓方機(jī)組按照能耗由低到高排序,按照交易雙方“能耗”的高低匹配原則進(jìn)行撮合交易。為了體現(xiàn)“競(jìng)價(jià)”,在節(jié)能量最大的前提下實(shí)現(xiàn)社會(huì)總效用最大,當(dāng)出讓方機(jī)組能耗相同時(shí),按照出讓方報(bào)價(jià)由高到低進(jìn)行排序;當(dāng)出受方機(jī)組能耗相同時(shí),按照受讓方報(bào)價(jià)由低到高進(jìn)行排序。最終形成發(fā)電權(quán)出讓方和受讓方機(jī)組的綜合排名,見(jiàn)表3。

表3 發(fā)電權(quán)出讓方和受讓方機(jī)組的綜合排名

在滿足價(jià)格約束的前提下,從綜合排名靠前的發(fā)電權(quán)受讓方機(jī)組開(kāi)始,優(yōu)先與綜合排名靠前的發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組進(jìn)行撮合交易。在這個(gè)過(guò)程中,C2—B2這一對(duì)交易因?yàn)槌鲎尫紺2的報(bào)價(jià)低于受讓方B2的報(bào)價(jià),不滿足價(jià)格約束,因此不能進(jìn)行交易。按照發(fā)電權(quán)出讓方機(jī)組及受讓方機(jī)組綜合排名進(jìn)行撮合交易后而未進(jìn)行校核時(shí)形成的交易對(duì)如表4所示。

表4 撮合后未校核時(shí)形成的交易對(duì)

根據(jù)表4中的交易電量計(jì)算各條傳輸線的潮流,發(fā)現(xiàn)C—A傳輸線的潮流是1 600/3 MW,超出了線路的最大允許值500 MW。不滿足網(wǎng)絡(luò)安全校核,需要從最后成交的交易C3—A2逆序開(kāi)始,調(diào)整與約束條件有關(guān)的交易的成交電量,并促成后續(xù)交易C3—C5,直至滿足約束條件。調(diào)整后最后形成的交易對(duì)如表5所示。

各交易對(duì)的交易價(jià)格為交易雙方的報(bào)價(jià)的平均值。根據(jù)本章開(kāi)頭給出的各等級(jí)火電機(jī)組的平均供電煤耗,計(jì)算出各交易對(duì)的節(jié)煤量,在交易結(jié)果中列出,最后的交易結(jié)果(包括交易對(duì)、交易電量、交易價(jià)格及節(jié)煤量)見(jiàn)表5。

表5 集中競(jìng)價(jià)交易調(diào)整后最終交易對(duì)及成交結(jié)果

經(jīng)集中競(jìng)價(jià)交易后,總共的節(jié)煤量是:

185.5+36.5+255.5+73+46.8+4.2+2.1+0.7=604.3 t,節(jié)能效果比較明顯。

4 結(jié)論

本文對(duì)一種基于集中競(jìng)價(jià)模式的發(fā)電權(quán)交易模型進(jìn)行分析。將現(xiàn)有發(fā)電權(quán)集中競(jìng)價(jià)模式以價(jià)格“高低匹配”的模式進(jìn)行改進(jìn),從節(jié)能減排的角度出發(fā),建立了以節(jié)能量最優(yōu)為最終結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)對(duì)模型的深入分析,建立的模型不僅實(shí)現(xiàn)節(jié)能量最大,還保證了在節(jié)能量最大前提下的經(jīng)濟(jì)效用最大化。以一個(gè)三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例,驗(yàn)證了所建立模型的有效性,進(jìn)行發(fā)電權(quán)集中競(jìng)價(jià)交易后,節(jié)煤量達(dá)604.3 t,電網(wǎng)整體的節(jié)能效果明顯。

發(fā)電權(quán)交易作為電力市場(chǎng)交易品種體系的重要組成部分,在清晰界定初始發(fā)電權(quán)的基礎(chǔ)上,以市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)一步挖掘市場(chǎng)成員的互補(bǔ)特性,有利于充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制使能源得到優(yōu)化配置。發(fā)電權(quán)交易是一種新穎而有效的能源配置方式和交易模式,是促進(jìn)清潔能源消納的重要市場(chǎng)化手段,可以在電力市場(chǎng)實(shí)踐中發(fā)揮積極的作用,有效的達(dá)到節(jié)能減排及促進(jìn)新能源消納的效果。