基于虚拟电交易的水火电置换机制研究.pdf

第 3 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3， No ． 5 Oc t ．。 2 01 0 基 于虚拟 电交 易 的水火 电置换机制研究 陈岭 ， 李俊 1 ． 成都电业局， 四川 成都6 1 0 0 4 1 ； 2 ．四川大学电气信息学院， 四川 成都6 1 0 0 6 5 摘要 电力产业能效严重影响着整个能源行业的效率。如何通过经济手段提 高发电能效是提高整个能源行业效率 的关键 。在遵循 国家能源政 策， 充分有 效利 用水资源的前提 下， 引入 了市场机制 的调节作 用， 构建 了基于水 火电置换 的虚拟 电交 易市场 ， 其市场交易主体 包括 各发电企业 、 供 电企业及 大型用 电企业。在 虚拟 电交 易的基础上 ， 各 交 易主 体根据各 自利益最大化原则， 制定市场参与计划， 并建立置换电量在虚拟 电交易主体中的优化分配模型， 应用线性规 划法进行求解， 以合理分配各方利益。计算表明该模型简单实用， 能够较好地兼顾 国家能源政策和市场机制的调节 作 用两方面的 因素 ， 在 中国电力市场 改革 的初级 阶段具有 一定的实用性 。 关键词 电力市场； 水火电置换 ； 虚拟电； 虚拟电交易 Ab s t r a c t T h e e ffi c i e n c y o f p o w e r i n d u s t r y i s r e l a t e d t o t h e e ffi c i e n c y of t h e e n t i r e e n e r g y i n d u s t ry．Ho w t o i mp r o v e t h e p o w e r e f fic i e n c y i n p r o d u c t i o n p r o c e s s b y e c o n o mi c me t h o d i s t h e k e y t o i n c r e a s e t h e e ffi c i e n c y o f t h e e n t i r e e n e r gy i n d u s t ry ．W i t h t h e p r e c o n d i t i o n s o f c o mp l y i n g w i t h t h e s t a t e e n e r gy p o l i c i e s a n d s u f f i c i e n t l y u t i l i z i n g t h e wa t e r r e s o u r c e ，t h e r e g u l a t i o n o f ma r k e t me c h a n i s m i s i n t r o d u c e d ．A ma r k e t f o r v i r t u a l e l e c t r i c i t y t r a d e i s c o n s t r u c t e d o n t h e b a s i s o f h y d r ot h e r ma l e x c h a n g e ． T h e ma i n p a rt i c i p a n t s o f t h i s ma r k e t i n c l u d e p o w e r g e n e r a t i o n c o mp a n i e s ，p o we r s u p p l y c o mp a n i e s a n d h i g h e n e r g yc o n s u rui n g e n t e r p r i s e s ． B a s e d o n t h e v i rt u a l e l e c t r i c i t y ma r k e t ，e a c h p a r t i c i p a n t f o r mu l a t e s t h e i r o w n p l a n c o n s i d e rin g t h e p r i n c i p l e o f ma x i mi z i n g b e n e fi t s ． A n o p t i ma l d i s p a t c h mo d e l i s s e t u p f o r e l e c t ri c i t y v o l u me e x c h a n g e d a mo n g t h e p l a n t s w h i c h p a r t i c i p a t e i n t h e v i r t u a l e l e c t ri c i t y t r a d e s ，a n d t h e l i n e a r p r o g r a mmi n g a p p r o a c h i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e r e s u l t s ．T h e c a l c u l a t i o n a n d r e s u l t s j n d i c a t e t h a t t h e d i s c u s s e d mo d e l i s s i mp l e a n d e a s y t o u s e ．I t c a n g i v e c o n s i d e r a t i o n t o b o t h s t a t e e n e r g y p o l i c i e s a n d ma r k e t me c h a n i s m q u i t e we l l ，a n d c a n b e p r a c t i c a l l y u s e d i n t h e i n i t i a l p h a s e o f e l e c t ric i t y ma r k e t r e f o rm i n C h i na． Ke y wo r d s e l e c t ri c i t y ma r k e t ；h y d r ot h e rm a l e x c h a n g e；v i rt u a l e l e c t r i c i t y ；v i rt u a l e l e c t r i c i t y t r a d e 中图分类号 T M7 1 4文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 6 9 5 4 2 0 1 0 0 5 0 0 2 6 0 5 0 前言 电力产业在整个能源行业 中居于核心地位 ， 水火 电是中国未来电力市场 中参与市场竞 争交易的主要 电源类型。因此 ， 如何通过经济手段设计合理机制 ， 实现水火电能源置换 ， 以提高水电资源 的利用效率 ， 是提高发电能效的关键， 也是提高整个能源行业效率 的关键。 水火电置换就是采用签订 双边容量合 同 合 同 中确定合同电量与合同电价 的方式 ， 解决各发电公 司 或电厂 由于历史原 因而引起的容量 固定 成本 的差异， 从而使它们处在 “ 同一起跑线上” 竞争。当 前对水火电置换交易 的研究文献相对 比较少 ，四川 I 电力公司和华 中电网都对水火 电置换进行过实验性 26 研究 。J 。文献 [ 4 ] 对水火 电置换 的发电权 调节市 场进行了研究 ，提出 了以社会 总效用最优 的置换 电 量优化模型。文献 [ 5 ] 提 出了“ 容量合同十效率置换 十实时市场” 模式。文献 [ 6 ] 研究 了在水火电混合系 统中制定现货交易计划 ， 将水电和火电划分成两个独 立的子集 ， 各子集内部分别按照购电费最低的原则竞 价上 网。文献 [ 7 ] 在研究水火 电协调的 日交易计划 时 ， 综合考虑了水火协调与能源 、 环境和经济的关系， 将多 目标优化问题较好地统一到购 电费用最低这个 单 目标问题 中。以上研究主要集中在两个方面 一方 面是利用电力准确调度实现水火电置换 ， 需要电网调 度 中心信息充分并能准确预测 ； 二是通过经 济学办 法 ， 设计发电权交易市场 ， 利用市场机制实现资源的 合理配置。但在发电权交易市场中， 由于发电权 的局 限， 市场参与方只能是发电企业 ， 对合 同电能的风险 第 3 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3， No ． 5 Oc t ．。 2 01 0 规避能力不强。 在借鉴国外可再生能源市场 R O S 一 1 0 ] 发展的 基础上 ， 考虑 中国自身资源特点 ， 引入 了市场机制的 调节作用 ， 构建 了基于水火电置换的虚拟电交易调节 市场 。在虚拟电交易的基础上 ， 各交易主体根据各 自 利益最大化原则 ， 制定市场参与计划 ， 并建立置换 电 量在虚拟 电交易主体中的优化分配模型 ， 应用线性规 划法进行求解 ， 以合理分配各方利益。 1 虚拟电及虚拟电交易市场 1 ． 1 虚拟电概念及特点 虚拟电是指发电企业在电网公 司分配 的发 电权 之外以及和工业用户 已经签订的直购 电合 同之外还 具有的剩余发 电能力 ， 是指 以“ 虚拟 ” 的形式 隐形 于 发电企业发电剩余 能力 中的电。虚拟 电的特征主要 表现为 ①非真实性 。虚拟 电是 以“ 虚拟 ” 的形式包 含在生产能力 中的电 ， 是“ 看不见 ” 的电。②社会交 易性。没有虚拟 电交易及虚拟电交易市场 ， 虚拟电就 只是一种发 电能力 ， 不能通过这种发 电能力转为真正 的电。③便捷性 。基于实体电能交易中的种种瓶颈， 虚拟电以“ 无形” 的形式存在于发电企业 剩余发 电能 力中， 其市场化交易的特点使虚拟电交易成 了一种可 以利用市场基础功能优化能源配置的有用工具 ， 并为 实现水火 电量置换及充分利用可再生能源发电提供 了有效途径。 1 ． 2 虚拟 电交 易市 场 虚拟电交易是指发电企业剩余发电能力的交易， 其交易主体包括 电网内的各种竞 价发电企业 主要 指火电厂和水 电厂 和供 电企业 ， 还包括电网外的大 型用 电企业 。 虚拟电交易市场是在合约市场 、 月竞价市场和 日 前市场的基础上建立起来 的， 其任务是通 过市场机 制， 利用发电企业的剩余发电能力， 进行电量置换。 交易主要采用市场方式 ， 各交易主体采用挂牌交易 的 方式 。被批准进人市场 的各交易主体根据平等 自愿 的原则 ， 在不推动上 网电价上涨 的前提下 ， 按照市场 运行规则和约定 ， 相互之间进行虚拟 电量转让交 易， 通过竞价实现买进或卖 出虚拟 电量。虚拟 电交易市 场实质上是一种剩余 电量 的期货交易市场 。结合合 约市场上各方年度电量合约的签定情况， 虚拟电卖方 是在合约电量基础上卖出自身的剩余发电能力， 并在 交易的虚拟电中确定的执行时段发 电或利用年初合 同电补偿 ， 即在期货市场提前卖 出产 品并通过现货市 场平仓， 其虚拟电卖价是其自愿利用其剩余发电能力 发电的价格 ； 而虚拟电买方是在经济上 自身发电不划 算或 电力需求超过年初预测 的情况下 ， 通过买入虚拟 电量， 并利用虚拟电量执行合约电量或利用虚拟电满 足增加的电力需求 ， 其虚拟电买价是其 自愿放弃 自身 发电能力发电或为满足电力市场新增需求时的价格 ； 市场调度交易 中心负责计算买卖双方的交易是否符 合 电网潮流约束 ， 并在通过潮流约束条件下同意双方 执行交易 ， 并收取相应的费用。 这里的虚拟 电交易类型指月问虚拟电交易市场 ， 其最大的时间范 围为 申报月的下一个月到当年年底 ， 交易时段为“ 月” 。其他 日间虚拟 电交易及小时虚拟 电交易与月间发电类似 ， 只是交易时段 的不 同， 在此 不再详述 。 1 ． 3 各利益方交易价格限值 由于各发电企业发电成本不同， 各参与方是否参 与虚拟电市场的买卖价格上下限存在了差异。 目前 ， 水 、 火电及大型用 电企业并没有在同一电能市场平台 上参与竞争的实际情况 ， 根据各参与方的利润最大化 原则 ， 虚拟电交易的价格上下限， 见表 1 。 表 1 虚拟电市场各参与方报价 限值 参与方 卖方 价格下限 买方 价格上限 水 电 水 电 边 际 成 本 未 蠢 翕 昱 量 火电 火电边际成本 火电边际成本 供电企业0 销售电价 用电企业 合同电价生产利润 合同电价 1 ． 4 虚拟电交易市场组织流程 虚拟电交易市场的组织流程类似于期货市场， 不 同之处在于需要考虑电力系统的网络约束性 ， 即交易 必须在通过潮流约束后才能成交。其组织流程如 图 1 所 示 。 买卖 方 申报 信 息 发布 价 格 核 定 电 网安 全 核 定 二二[ 交易执行与结算 图 1 虚 拟电交易市场 组织流程 2 7 第 3 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3， No ． 5 Oc t ． ， 2 01 0 1 虚拟电卖方 申报 虚拟 电卖方针对年度内未 来某月 自身发 电能力 的预测 ， 考虑 已签 定的合约 电 量， 计算该月度自身的剩余发电能力多少， 并向交易 中心进行 申报 ， 申报 内容包括 虚拟 电时间 、 虚拟电量 与每个交易时段的虚拟电卖价 ， 以及到期平仓时对应 实际电能的来源。 2 虚拟 电买方申报 买方通过分析 自身 的生产 成本 、 经营特点等 ， 按照利益最大化原则 向交易中心 申报 虚拟电时间、 虚拟 电量与每个 交易时段的虚拟 电买价 。 3 交易 中心发布信息 在 规定的时间 内， 交易 中心发布虚拟电卖方和买方的交易信息。 4 价格核定 交易中心按照 P A B模式进行交易 价格核定 ， 并将成交价格反馈与买 方和卖方 ， 双方 同 意即通过价格核定。 5 电网安全核定 对价格核定通过 的虚拟电交 易前， 调度 中心应进行 电网的潮流计算 和安全校核 ， 若无法通过安全校核 ， 交易无效。 6 虚拟电交 易确认 在规定 的时 间内， 交易 中 心发布通过价格核定 和电网安全核定 的虚拟 电交易 结果 ， 内容包括 交易时段 、 虚拟 电交易量 、 成交价格 及到期平仓对应实际电能的来源。 7 交易执行与结算 交易确定后 ， 买卖 双方执 行虚拟 电交易。买方获得虚拟电量 ， 并按照价格核定 内容支付卖方虚拟电价格 。买卖 双方平摊安全校核 费用。 1 ． 5 相比发电权交易市场的优势 发电权市场转让的只是发电权 ， 而发电权是调度 中心分配给各电厂的发电权利 ， 市场参与方局限于拥 有发电权和需要发 电权 的发电企业 ， 相 比而言 ， 虚拟 电市场参与方除了发电企业外 ， 增加了供 电企业和大 型用 电企业 ， 大型用 电企业通过参与产品期货市场安 排 自身用电时段及用 电量 ， 可将 电力系统 中无法解决 的问题 如 电力传输、 垄断定价 转移 到成 熟的商品 市场给予解决。 当市场参与主体签定年初发电合同或购电合同 后， 由于经济原因或不可抗力因素出现了市场预测错 误时 ， 参与方可以通过在虚拟电市场买人虚拟电或卖 出虚拟 电的形式 ， 增加 自身收入或减少 自身损失 ， 因 此， 虚拟电市场相对于发电权市场而言， 提高了参与 方的风险规避能力 。 ．28 ． 2 交易电量电价优化模型 2 ． 1 假设条件 1 假设共有 ， 个发电企业 包括火电和水 电 ， 第 i 个企业用下标 i 表示 ； 有 ．， 个 大型用 电企业 ， 第 个企业用下标 表示 ； 有 K个供 电企业 ， 第 k个供 电 企业用下标 k表示 。 2 合约电量和合约 电价分别为 和 P ； 虚拟 电量和价格核定的虚拟电价分别为 和 P ， 虚拟 电 市场参与方卖出虚拟 电时 为正 ， 买人虚拟电时 为负。c表示企业 的单位生产成本。 3 假定共有 个时段， 且信息不对称。 2 ． 2 发 电企业 发电企业在 自身发 电能力 的约束下通过虚拟电 市场实现 自身的利益最大化， 目标函数为 Max S P“ ． c ． P“ 一 C “ 约束条件包括 电厂共有约束和水 电特有约束 ， 其 中共有约束为 ①电厂发 电能力 限制 W c i t W “ ≤E t E 为发电企业 i 在第 t 时段的最大发电能力 。 水电特有约束包括水流平衡约束和水 电发 电出 力约束。 ②水流平衡 ． 1 Vi ． 一 ． 一 Q “一S “ 式 中， ． 为第 i 个 电站水库 t 交易时段初存水量 ； ， 为水库 t 交易时段天然来水量 ； Q 水库 t 交易时段发 电用水量 ； s “ 水库弃水量 。有不等式约束条件 ． ． i ≤ ． ≤ ． ． Q ． i ≤ Q ． ≤ Q ． ③水 电厂发电出力 P ． R “ Q “ 式中， “ 第 i 水 电厂 t 交易时段出力系数 ， 由水库水 头和发电效率决定 ； ． 水 电厂 t 交易时段平均水头。 ④水库存水量边界条件 水库在调度期始末的存水量分别为 和 。 2 ． 3 大型用电企业 大型用 电企业是在 自身产 品生产 能力 的约束下 通过虚拟 电市场购 电或投机获得 自身利益最大化 。 对用电企业 ， 其目标函数为 第 3 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 3。 No ． 5 Oc t ． 。 2 0 1 0 M s i P i Q i C i Q i 一 1 0 P 岫 WⅢ P c l j l Wc 其中 尸 为企业产品单价 ， c 为企业产品的单位 成本。Q 为企业 产品产量 ， 企业 产品产量与企业 的 实际生产用电量呈正相关关 系， 为简化模型 ， 假设为 线性关 系 、 O t t 约束条件为生产能力约束 Q ≤ Q ～ 2 ． 4 供 电企业 供电企业根据 自身利润最大化制订参与虚拟 电 市场计划 ， 其 目标函数为 r Max S Pk we ． 一 t k 一 t 约束条件为负荷需求约束 ． 一 t D 其中， D 为供 电企业 k管辖区域在 t 时段 的负荷需 求。 2 ． 5 调度中心 虚拟电市场价格核定通过之后 ， 调度中心要计算 电网的安全约束 ， 即虚拟电交易能否满足平衡约束和 电网输电约束 。 ①平衡约束 l J “ “ j j ， 即 t 时段总的发电量等于总 的用 电量 。 ②输电约束 ≤ Z ． f ．一表示线路 i 的最大输电能力 。 3 算例分析 利用前面所建立的数学模型， 针对水火电置换问 题 ， 在虚拟电交易市场规则 中， 应用线性规划法对丰 水期 8月份 的虚拟电量在虚拟 电市场进行交易。 设 8月份来水偏丰 ， 提前一个月将进行 8月份的 虚拟电市场交易。各参与方在 7月份预测 自身 8月 份的发电量见表 2 。 从交易结果可以看出， 在 8月份共完成水火置换 电量 3 0 0 0 0 M Wh 。其 中火 电企业 2和火 电企业 3根 据 自身生产平均成本和各参 与方报价 ， 决定不参与虚 拟电市场； 水 电企业 1和水电企业 2通过虚拟电市场 交易 ， 增加了利润 ； 火电企业 1和用 电企业 1 通过虚 拟电交易 ， 降低 了生产成本。 表 2 八月份预测发 电量 表 3 八 月已签合 同电量 表 4 水电厂约束条件 参与方 类型 月份 h 卖方买方虚拟 ／MW 电量 h／ 4 结论 建立月间虚拟电交易市场 ， 各参与主体可根据 自 身能力和市场条件确定是否参与虚拟电交易。通过 虚拟电市场 ， 发电企业可实现 自身利益最大化 ， 供电 企业和大型用电企业可规避市场风险。参 与主体达 29 第 3 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3I No ． 5 Oc t ．。 2 01 0 到自身目的同时， 通过市场机制实现了水火电置换， 水电资源得以充分利用 ， 国家相关政策得到较好 的实 施。算例结果表明， 所提出的模型简单可行， 能较好 的发挥市场调节功能 ， 在中国电力市场改革初期具有 一 定的实用性。 参考文献 四川省电力公司编． 探索中的四川电力市场[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 0 ． 国家电力监管委员会． 华 中电力市场建设研究报告 [ R] ． 北京 国家电力监管委员会 ， 2 0 o 4 ． 国家电力监管委员会供电监管部． 东北区域电力市场试 点工作理论与实践探索两部制 电价模式 [ R] ． 北 京 国家电力监管委员会 ， 2 0 0 4 ． 王雁凌， 张粒子，杨以涵．基于水火电置换的发电权调 节市场[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 6 ， 3 2 6 1 3 1 1 3 6 ． 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L舢． ； I L． S J L． S ． 址 ． S l L ． S t． S I L姐． 址 上接第 6页 合[ S ] ． I E 京 电力工业出版社， 1 9 9 7 ． 4 结束语 雷 电活动具有很大的随机性和分散型， 惠州地区 的雷电参数统计结果 表 明， 惠州地 区属于特殊 强雷 区， 雷电流极性 的分布与现行规程分布一致 ， 但是在 雷电流小于 4 0 k A出现的概率 比规程推荐公式 高 l 0 个百分点 ， 认为应 当加强 1 1 0 k V以上高压输 电线路 绕击 的防护。而落雷次数几乎以三年为周期呈上升 趋势 ， 雷电活动也有增强 的趋势 ， 同时惠州地区各行 政区域 的雷暴 日均很高 ， 属于特殊强雷区， 落雷次数 差异 比较大 ， 落雷次数 与雷暴 日正相关 ， 建议加强现 有线路的防雷改造 ， 适当提高惠州地区的防雷设计标 准 ， 在防雷设计中应当考虑各区域雷电频度的差异。 参考文献 [ 1 ] 陈水明， 樊灵孟，何宏明， 等．广东省雷电定位系统运 行情况[ J ] ． 中国电力， 2 0 0 1 ， 3 4 1 2 4 34 7 ． [ 2 ] D L ／T 6 2 0 2 1 9 9 7． 交流电气装置的过电压保护和绝缘配 3 O [ 3 ] 孙萍 ， 郑庆均， 吴璞三， 等．2 2 0 k V新杭线 l回路 2 7年 雷电流幅值实测结果的技术分析[ J ] ．中国电力， 2 0 0 6 7 7 4 7 6 ． [ 4 ] 杜澍春．关于输电线路防雷计算 中若干参数及方法的 修改建议[ J ] ．电网技术， 1 9 9 6 ， 2 0 1 2 5 3 5 6 ． [ 5 ] 李功新．基于 G I S的电网生产管理系统建设与应用 [ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 陈家宏， 童雪芳， 谷山强 ， 等．雷电定位系统测量的雷电 流幅值分布特征[ J ] ． 高电压技术， 2 0 0 8 ， 3 4 9 1 8 9 3 一 l 8 9 7． 作者简介 谢鹏 1 9 7 8 男， 硕士， 工程师， 主要从事高电压技术及 变电一次设备 的管理与研 究。 魏莱， 男， 工作于广 东电网公 司惠州供 电局 。 赵紫辉 1 9 8 5 男， 硕士研究生， 主要研究方向为过电压防 护与接地技术。 马御棠 1 9 8 6 男， 硕士研究生， 研究方向为架空线路防雷 与接地技 术。 吴广宁 1 9 6 9 男， 教授 ， 博士生导师， 主要从事高电压与 绝缘技术方面的研究。 收稿 日期 2 0 1 00 71 5 1 j 1』1J 1 2 3 4 5 I二J