基于多輪出清方法的日前市場出清機制研究

宋瑜輝，劉 煜，荊朝霞，劉潤澤，黃寧馨

（1.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640；2.國網(wǎng)紹興供電公司，浙江紹興 312000）

《關(guān)于深化電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的意 見》的印發(fā)標志著我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)已進入深入推進推廣階段[1]。日前市場是電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在通過日前市場價格信號引導電力資源優(yōu)化配置，同時合理安排日前開機方式保障系統(tǒng)實時穩(wěn)定運營[2-3]。目前，國內(nèi)關(guān)于日前市場的研究集中在兩個方面：外國典型國家的現(xiàn)貨市場建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)[4-5]以及國內(nèi)日前市場建設(shè)的探索、設(shè)計和改進[6-9]。相關(guān)研究較少關(guān)注日前市場價格的形成機制。

市場均衡作為日前市場設(shè)計的核心，日前市場價格需由供需雙方共同決定?，F(xiàn)階段，我國部分現(xiàn)貨試點省份允許用戶側(cè)進入日前市場，但日前市場購電需求是采用負荷預(yù)測數(shù)據(jù)[10-11]，導致日前市場出清價格未真實反映市場供需，價格信號難以引導資源優(yōu)化配置。紐約是美國最早開展電力市場改革的地區(qū)之一，現(xiàn)貨市場已運行多年。紐約日前市場開展多輪出清計算，每次計算完成特定市場目標，其日前市場出清價格可真實反映市場供需，開機方式安排滿足運行日負荷需求[12]，這對我國日前市場建設(shè)具有極高的借鑒意義。

1 廣東電力日前市場問題分析

日前市場組織流程從市場主體報價開始到日前市場發(fā)電計劃編制結(jié)束。以廣東電力為例，文中從報價機制設(shè)計、市場出清兩個方面分析我國部分現(xiàn)貨試點省份[10-11]日前市場建設(shè)存在的問題。

在報價機制設(shè)計方面，發(fā)電側(cè)在其最小技術(shù)出力基礎(chǔ)上提交增量電能量成本報價及啟動成本報價；用戶側(cè)采用“報量不報價”的方式提交其購電需求；在市場出清方面，調(diào)度機構(gòu)以負荷預(yù)測值作為日前市場購電需求，進行機組組合和經(jīng)濟調(diào)度，以獲得日前市場出清結(jié)果，其中，用戶側(cè)申報量僅用于日前市場結(jié)算，而不進行出清[12]。圖1 為日前市場報價及出清示意圖，圖中QB、QF、PF、PB分別為日前市場用戶側(cè)申報量、負荷預(yù)測值、日前市場出清價格、市場均衡價格。

鑒于機組實際運行成本除啟動成本、增量電能量成本外還包含空載成本[13]，而機組報價方式不包含空載成本報價，機組為實現(xiàn)其空載成本回收，需將空載成本計入增量電能量成本報價，報價偏離發(fā)電邊際成本的程度較大，無法激勵機組按成本進行報價，最終日前市場價格也難以正確反映系統(tǒng)的實際供電增量成本。在圖1 中，計入空載成本后的增量電能量成本報價曲線明顯高于實際發(fā)電邊際成本曲線。

日前市場采用負荷預(yù)測數(shù)據(jù)進行出清，導致市場出清價格未完全反映購售雙方主體的真實供需關(guān)系。在圖1 中，日前市場出清價格為PF，并非市場均衡價格PB。同時，用戶側(cè)申報需求在日前市場結(jié)算，造成日前市場存在結(jié)算不平衡資金，通過式（1）表示：

圖1 日前市場報價及出清方式示意圖

式中，RU、RG、RD分別為日前市場結(jié)算不平衡資金、發(fā)電側(cè)日前市場電能量收入、用戶側(cè)日前市場電能量電費。

要從根本上解決上述問題，需進一步完善日前市場報價機制及出清機制。

2 紐約日前市場出清框架

紐約日前市場出清框架包括市場主體報價及日前市場出清這兩部分。

2.1 市場主體報價機制設(shè)計

發(fā)電側(cè)在紐約日前市場采用三部制報價[14]，以反映機組各項運行成本，申報內(nèi)容包括啟動成本報價、空載成本報價、增量電能量成本報價。如圖2 所示，其中灰色面積為空載成本報價。在三部制報價機制下，發(fā)電側(cè)的各項成本可通過對應(yīng)報價內(nèi)容反映，機組基于成本進行報價可完全覆蓋其各項運行成本，利于擴大市場電力資源優(yōu)化配置空間。用戶側(cè)在日前市場提交報價包括固定報價及價格敏感型報價，其中，固定報價僅提交電量，不申報價格，優(yōu)先出清；價格敏感型報價為單調(diào)遞減報價，反映用戶在不同日前市場出清價格下的意愿購電量。

圖2 三部制報價示意圖

2.2 日前市場出清機制設(shè)計

紐約日前市場出清以總報價成本最小化為目標，滿足以下要求：①日前市場出清滿足用戶側(cè)申報需求；②提供充裕發(fā)電容量，滿足負荷預(yù)測及輔助服務(wù)需求。為實現(xiàn)上述要求，紐約日前市場進行兩次安全約束機組組合(Security Constrained Unit Commitment，SCUC)、兩次安全約束經(jīng)濟調(diào)度(Security Constrained Economic Dispatch，SCED)，每次計算都為完成特定的市場目標，每輪計算結(jié)果都為后續(xù)計算提供基礎(chǔ)[14-15]，如圖3 所示。

圖3 紐約日前市場多輪出清流程

第一次機組組合的計算旨在最小化總報價成本，以滿足用戶側(cè)申報需求，啟動機組集合1μ′，但不進行日前市場定價和結(jié)算，為日前市場預(yù)出清；鑒于第一次機組組合確定的開機方式是基于用戶側(cè)申報需求，申報需求與負荷預(yù)測存在偏差，因此僅依靠第一次機組組合獲得的開機方式可能無法滿足部分時段的實際負荷預(yù)測，為此需在機組集合1μ′開機方式基礎(chǔ)上，進行第二次機組組合，稱為“可靠性機組組合”。通過新增機組集合2μ*提供額外發(fā)電容量，以滿足負荷預(yù)測與第一次機組組合預(yù)出清電量間的偏差；第一次經(jīng)濟調(diào)度計算在確定機組集合1μ′、機組集合2μ*的開機方式情況下，進行能量-輔助服務(wù)聯(lián)合優(yōu)化，以滿足負荷預(yù)測及輔助服務(wù)需求，并確定各機組的輔助服務(wù)提供量；第二次經(jīng)濟調(diào)度旨在確定各機組的日前市場電能量中標量及日前市場出清價格，在該過程中，將機組集合2μ*調(diào)整至最小出力，重新調(diào)整機組集合1μ′的出力，以滿足剩余用戶側(cè)申報需求，并最終確定日前電能量市場出清結(jié)果。

綜上所述，紐約日前市場出清結(jié)果基于用戶側(cè)申報數(shù)據(jù)，出清價格反映市場供需關(guān)系。同時，日前市場為滿足負荷預(yù)測需求進行可靠性機組組合，保障系統(tǒng)可用發(fā)電容量的充裕性，實現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 紐約日前市場出清模型

3.1 第一次機組組合計算

第一次機組組合是在滿足各項安全約束條件下，以總供電成本最小為原則滿足用戶側(cè)申報需求。

1）目標函數(shù)

式中，F(xiàn)1為第一次機組組合的總社會福利，可表示為負荷總用電效益與機組總供電成本之差；G、D分別代表市場中機組集合、負荷集合；si,t、μi,t分別為時段t機組i的啟動變量、啟停狀態(tài)，都為0 或1 的變量(si,t為1 表明機組發(fā)生啟動動作，si,t為0 表明機組未發(fā)生啟動動作；μi,t為1 表明機組處于開機狀態(tài)，μi,t為0 表明機組處于停機狀態(tài))；為t時段機組i的最小技術(shù)出力；分別為機組i的空載成本、啟動成本；Ci,t(Pi,t)為機組i在t時段出清電量為Pi,t時對應(yīng)其報價曲線的價格；Bj,t(Qj,t)為負荷j在時段t出清電量為Qj,t時對應(yīng)其報價曲線的價格；T為日前市場出清優(yōu)化時段集合。

2）系統(tǒng)供需平衡約束

供需平衡約束需反映購售雙方的供需關(guān)系情況，如下式所示：

3）機組運行約束

機組運行約束如下：

4）網(wǎng)絡(luò)約束

網(wǎng)絡(luò)約束如下：

式中，為線路l的潮流傳輸極限；Gl-i、Gl-j均為機組i、負荷j所在節(jié)點對線路l的發(fā)電轉(zhuǎn)移分布因子。

由此獲得機組集合1μ′在各時段的開機狀態(tài)和預(yù)出清電量。

3.2 第二次機組組合計算

可靠性機組組合計算旨在新增機組為系統(tǒng)提供充裕發(fā)電容量，以滿足負荷預(yù)測需求?，F(xiàn)貨市場運營機構(gòu)通過購買機組啟停服務(wù)提供可用發(fā)電容量，以最小化市場主體承擔的與系統(tǒng)可靠性相關(guān)的費用，為此，該次機組組合以新增機組的空載成本和啟動成本最小化為目標[12，16]。

1）目標函數(shù)

目標函數(shù)雖為最小化新開機組的空載成本、啟動成本，但市場運營機構(gòu)會對機組的增量電能量成本報價乘以一個極小調(diào)整參數(shù)，并將調(diào)整后的報價數(shù)據(jù)計入目標函數(shù)，以避免增量電能量成本報價數(shù)據(jù)對優(yōu)化目標造成過大影響。在目標函數(shù)中，考慮電能量報價數(shù)據(jù)，為方便第二次機組組合進行阻塞管理，保證在正確的位置新開機組，也防止對可用發(fā)電容量的無規(guī)則調(diào)用[16]。

式中，F(xiàn)2為第二次機組組合中新增機組的總啟停成本與空載成本之和；分別為時段t新開機組i的啟停狀態(tài)、啟動變量，都為0或1的變量；α為調(diào)整參數(shù)。

2）必開機組約束

將機組μ*設(shè)為必開機組，且出力不能低于日前市場預(yù)出清電量，約束如下：

3）系統(tǒng)功率平衡約束

為保障開機方式μ*和新增機組提供的可用發(fā)電容量滿足負荷預(yù)測需求，系統(tǒng)功率平衡約束如下：

式中，Dt為t時段的系統(tǒng)負荷預(yù)測值。

4）網(wǎng)絡(luò)約束

網(wǎng)絡(luò)約束如下：

式中，Gl-k為節(jié)點k對線路l的發(fā)電轉(zhuǎn)移分布因子，Dk,t為t時段節(jié)點k的負荷預(yù)測值，K為系統(tǒng)節(jié)點集合。

5）機組運行約束

機組運行約束滿足式（4）-（8）。

通過該次機組組合計算新增機組集合2μ*的開機狀態(tài)，根據(jù)兩次機組組合計算結(jié)果確定最終開機方式。

3.3 第一次經(jīng)濟調(diào)度

1）目標函數(shù)

式中，F(xiàn)3為第一次經(jīng)濟調(diào)度中系統(tǒng)總電能量成本與輔助服務(wù)成本之和。

2）約束條件

約束條件包括：①系統(tǒng)功率平衡約束，為式（14）；②網(wǎng)絡(luò)約束，為式（15）；③備用需求約束，為式（17）；④機組運行約束，在滿足式（5）-（8）的基礎(chǔ)上還需考慮機組能提供的10 min 備用、30 min 備用上限，為式（18），以及機組提供輔助服務(wù)后的出力上下限，為約束（19）；⑤機組的開機方式約束，為式（20）。

3.4 第二次經(jīng)濟調(diào)度

將機組集合2μ*降至最小技術(shù)出力，以避免為滿足負荷預(yù)測需求而新增機組的出力對市場價格造成過大影響。剩余用戶側(cè)需求由機組集合μ′滿足，確定日前市場電能量中標結(jié)果及節(jié)點電價。

1）目標函數(shù)

式中，F(xiàn)4為第二次經(jīng)濟調(diào)度的總社會福利，可表示為負荷總用電效益與機組總電能量成本之差。

2）約束條件

約束條件包括：①系統(tǒng)供需平衡約束，為式（3）；②網(wǎng)絡(luò)約束，為式（9）；③機組運行約束，除式（4）-（8）和（20）外，還包括機組集合2μ*的最小技術(shù)出力調(diào)整約束，為式（22）。

4 對中國電力市場建設(shè)的啟示

中國電力市場建設(shè)須結(jié)合國內(nèi)實際情況，也需借鑒國外電力市場建設(shè)的先進經(jīng)驗?，F(xiàn)階段，我國部分現(xiàn)貨試點省份的機組報價方式未反映其各項成本，市場價格未完全體現(xiàn)市場真實供需關(guān)系。紐約電力市場作為美國現(xiàn)有7 個相對獨立的電力市場之一，其日前市場建設(shè)的啟示表現(xiàn)在如下幾個方面：

1）報價機制設(shè)計需結(jié)合機組運行成本特性。機組實際運行成本包含啟動成本、空載成本、增量電能量成本，機組的報價機制設(shè)計需合理反映其各項成本，以避免報價在較大范圍偏離邊際成本，影響市場出清價格信號；同時便于市場運營機構(gòu)根據(jù)機組申報的各項成本報價數(shù)據(jù)進行集中優(yōu)化出清，擴大市場優(yōu)化空間。

2）日前市場出清價格反映市場供需。日前市場采用用戶側(cè)申報需求進行出清，出清結(jié)果由市場供需主體共同決定，出清價格反映市場供需均衡。

3）日前市場需保障電力系統(tǒng)運行的可靠性。鑒于基于用戶側(cè)申報需求確定的第一次機組組合開機方式無法滿足負荷預(yù)測需求，為此，市場運營機構(gòu)需代表全體用戶向發(fā)電側(cè)購買可用發(fā)電容量，以滿足負荷預(yù)測需求，進行可靠性機組組合。

5 結(jié)束語

文中針對我國部分現(xiàn)貨試點省份的日前市場報價機制和出清機制等方面存在的問題進行分析，研究其機制設(shè)計對市場運營結(jié)果造成的不利影響。在此基礎(chǔ)上，對紐約日前市場出清框架進行深入研究，并結(jié)合我國日前市場建設(shè)現(xiàn)狀，提出了對我國電力日前市場建設(shè)的啟示，即報價機制設(shè)計需結(jié)合機組運行成本特性，反映機組各項運行成本；日前市場出清結(jié)果需反映市場實際供需；日前市場開機方式需保證系統(tǒng)發(fā)電容量充裕度需求。

我國電力市場建設(shè)處于探索階段，中國電力市場建設(shè)須結(jié)合中國國情，也須借鑒國外電力市場建設(shè)先進經(jīng)驗。美國不同地區(qū)的日前市場出清方式存在一定的差異，不同出清方式會對電力資源優(yōu)化配置產(chǎn)生極大影響，為此通過系統(tǒng)仿真對比美國不同地區(qū)的日前市場出清方式對市場價格、系統(tǒng)總供電成本、機組開機方式等市場運營結(jié)果的影響是下一步研究的重點。