邢玉輝，王幫燦，丁文嬌，張茂林，龔思宇，張維靜

（1. 昆明電力交易中心有限責(zé)任公司，昆明 650011；2. 北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100080）

0 前言

云南自2014年開展大用戶直接交易以來，經(jīng)過不斷的實(shí)踐與探索，交易品種日益豐富、市場(chǎng)電量規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成了日前電量交易和各類中長(zhǎng)期電量交易相互配合的交易品種體系[1-3]。但是云南現(xiàn)有中長(zhǎng)期市場(chǎng)機(jī)制沒有形成清晰的價(jià)格信號(hào)，導(dǎo)致資源優(yōu)化配置能力有限，難以反映資源余缺及有效評(píng)估資產(chǎn)利用效率。為解決這一問題，現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)成為云南電力市場(chǎng)下一步的發(fā)展方向。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)的意義和模式等問題做了大量研究：文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)外成熟電力市場(chǎng)模式進(jìn)行了對(duì)比分析，表明現(xiàn)貨市場(chǎng)具有促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、形成價(jià)格信號(hào)、降低交易風(fēng)險(xiǎn)和保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的作用；文獻(xiàn)[5-8]闡述各國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)情況，可見在交易體系、出清方式、價(jià)格機(jī)制的設(shè)計(jì)上各國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)都有顯著的不同；文獻(xiàn)[9]通過借鑒國(guó)外區(qū)域現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)格局、國(guó)家戰(zhàn)略、省內(nèi)電力市場(chǎng)建設(shè)特點(diǎn)，提出南方區(qū)域現(xiàn)貨市場(chǎng)應(yīng)該選擇建設(shè)成為分區(qū)平衡的區(qū)域現(xiàn)貨市場(chǎng)模式。

云南電力市場(chǎng)目前以中長(zhǎng)期交易為主，擁有大量的電量合約。中長(zhǎng)期合同電量在現(xiàn)貨市場(chǎng)的交割是現(xiàn)貨市場(chǎng)與中長(zhǎng)期市場(chǎng)銜接的關(guān)鍵。在現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的初期，如何實(shí)現(xiàn)由電量向電力曲線的過渡，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主體簽訂的電量合同的曲線分解與調(diào)度執(zhí)行，是云南電力市場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。

國(guó)內(nèi)外對(duì)中長(zhǎng)期合約分解的相關(guān)研究較為匱乏。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的“三階段”建設(shè)路徑，提出了一套中長(zhǎng)期交易電量在現(xiàn)貨市場(chǎng)上的執(zhí)行、分解與結(jié)算方法；文獻(xiàn)[11]提出了適應(yīng)于國(guó)內(nèi)中長(zhǎng)期電量合約分解的調(diào)頻市場(chǎng)解耦設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[12]以澳大利亞推薦的合約電量分解算法為基礎(chǔ),提出適用于浙江電網(wǎng)的確定性合約電量分解算法。已有文獻(xiàn)在中長(zhǎng)期曲線分解方面，均未考慮水電特性及梯級(jí)水電水量匹配的約束條件，對(duì)云南中長(zhǎng)期電量合約的分解缺乏有效指導(dǎo)意義。

本文在云南現(xiàn)有中長(zhǎng)期交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建中長(zhǎng)期與現(xiàn)貨市場(chǎng)的銜接機(jī)制，考慮水電的運(yùn)行特性，提出一種計(jì)及梯級(jí)水量匹配約束的中長(zhǎng)期電量合約分解方法，用于指導(dǎo)包含水電電量合約在內(nèi)的月度電量合約的分解工作，為云南電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的平穩(wěn)開展打下理論基礎(chǔ)。

1 云南中長(zhǎng)期交易機(jī)制

云南中長(zhǎng)期交易的交易品種設(shè)置已經(jīng)十分完善。年度交易采用雙邊協(xié)商方式簽訂雙邊交易合同。月度交易包括省內(nèi)優(yōu)先購(gòu)電量的掛牌交易、框架協(xié)議內(nèi)西電東送電量的掛牌交易、省內(nèi)市場(chǎng)電量的集中競(jìng)價(jià)交易和掛牌交易、框架協(xié)議外西電東送增送電量的掛牌交易、月度合約轉(zhuǎn)讓交易（分為事前合約轉(zhuǎn)讓交易和事后合約轉(zhuǎn)讓交易）、月度預(yù)招標(biāo)、月度長(zhǎng)期備用市場(chǎng)。即年度交易按照雙邊協(xié)商交易方式組織，月度交易采用雙邊協(xié)商、集中撮合、掛牌等方式進(jìn)行。

2 中長(zhǎng)期電量合約分解方法

2.1 中長(zhǎng)期合約分解方法

對(duì)雙邊協(xié)商、掛牌方式兩種交易方式而言，將中長(zhǎng)期電量合約分為兩類，一類為市場(chǎng)主體可自主分解電力曲線的電量合約（I類合約），即交易主體可以自行向交易機(jī)構(gòu)提交中長(zhǎng)期實(shí)物合同所約定的日發(fā)用電曲線；另一類為市場(chǎng)主體不進(jìn)行自主分解電力曲線的電量合約（II類合約），即合約只約定了年度或者月度雙方的交易電量，交易主體無法向交易機(jī)構(gòu)提供分解到日的電力曲線。對(duì)集中撮合這種交易方式而言，集中撮合的結(jié)果為電量的交易結(jié)果，所簽合約均屬于II類合約。

表1 云南中長(zhǎng)期交易合約分類

圖1 中長(zhǎng)期電量合約分解流程圖

I類合約無需進(jìn)行處理，II類合約需要進(jìn)行中長(zhǎng)期合同電量的統(tǒng)一分解。年度雙邊協(xié)商形成的II類合約需要進(jìn)行年分月的步驟，其余電量合約直接進(jìn)行月分日和日分時(shí)步驟。具體分解過程如下：

1）年分月：依據(jù)交易中心設(shè)定和公布月度電量比例分解到月；

2）月分日：利用中長(zhǎng)期電量合約分解模型滾動(dòng)計(jì)算，依據(jù)電網(wǎng)供需平衡、梯級(jí)水量匹配約束、檢修計(jì)劃、系統(tǒng)備用、啟停次數(shù)等約束，以各電廠月度計(jì)劃執(zhí)行均衡為目標(biāo)，將月度市場(chǎng)電量合約和計(jì)劃電量合約一起分解到日；

3）日分時(shí)：依據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線”機(jī)組的日電量合約進(jìn)行分解，形成分時(shí)電力曲線[10]；

4）對(duì)日電量曲線的分解結(jié)果交由調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全校核，若校核通過，則中長(zhǎng)期合約分解完成，若校核不通過，由調(diào)度機(jī)構(gòu)提出對(duì)分解結(jié)果的調(diào)整依據(jù)和調(diào)整方式。

中長(zhǎng)期電量合約分解流程見圖1。

2.2 中長(zhǎng)期電量合約分解模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在考慮一定啟動(dòng)費(fèi)用的前提下，同進(jìn)度完成各電廠月度計(jì)劃電量和月度市場(chǎng)電量。

其中：N表示機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；D表示所考慮的總天數(shù)，假設(shè)一月有30天，則D為30；Mi是機(jī)組i的電量進(jìn)度偏差罰值，量綱為元/MW，默認(rèn)所有機(jī)組Mi相等；Si,+、Si,－分別是機(jī)組i電量進(jìn)度的正偏差和負(fù)偏差；Fi,d,U是機(jī)組i在第d天的啟動(dòng)費(fèi)用，若第d天沒有啟停，則相應(yīng)值為零。

2.2.2 約束條件

1）機(jī)組電量約束

機(jī)組電量約束可以描述為：

其中，T表示所考慮的時(shí)段總數(shù)，假設(shè)一月有30天，每天考慮24個(gè)時(shí)段，則T為720；T0為計(jì)劃周期內(nèi)一個(gè)時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度，若每天考慮24個(gè)時(shí)段，則每個(gè)時(shí)段為1個(gè)小時(shí)，即T0=1（小時(shí)）；Qi為機(jī)組i的計(jì)劃電量與市場(chǎng)電量之和，Si,+和Si,－分別是機(jī)組i電量進(jìn)度的正偏差和負(fù)偏差，通過在目標(biāo)函數(shù)中最小化Si,+和Si,－，可使得各機(jī)組電量進(jìn)度盡量均衡。

2）機(jī)組出力上下限約束

機(jī)組的出力應(yīng)該處于其最大/最小技術(shù)出力范圍之內(nèi)，其約束條件可以描述為：

其中，Pi,t表示機(jī)組i在t時(shí)段的出力；αi,d為機(jī)組i在第d天的啟停狀態(tài)；Pimin、Pimax分別表示機(jī)組的最小與最大出力，若機(jī)組停機(jī)，αi,d=0，則通過該約束條件可以將機(jī)組出力限定為0；當(dāng)機(jī)組開機(jī)時(shí)，αi,d=1，該約束條件為常規(guī)的出力上下限約束。

3）負(fù)荷平衡約束

對(duì)于每個(gè)時(shí)段t，負(fù)荷平衡約束可以描述為：

其中Dt為t時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷，該負(fù)荷已扣減聯(lián)絡(luò)線送入功率以及新能源、地調(diào)電廠出力。

4）系統(tǒng)正備用容量約束

在確保系統(tǒng)功率平衡的前提下，為了防止系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差以及各種實(shí)際運(yùn)行事故帶來的系統(tǒng)供需不平衡波動(dòng)，一般整個(gè)系統(tǒng)需要留有一定的容量備用。

需要保證每天的總開機(jī)容量滿足系統(tǒng)的最小備用容量。系統(tǒng)正備用容量約束可以描述為：

其中，αi,d表示機(jī)組i在第d天的啟停狀態(tài)；Pi,max為各機(jī)組的最大出力；max{Dt,t∈S(d)}表示第d天的最大負(fù)荷；Ri,U為根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況所確定的正備用容量，每天可取值不同。

5）系統(tǒng)負(fù)備用容量約束

系統(tǒng)負(fù)備用容量約束可以描述為：

其中，αi,d表示機(jī)組i在第d天的啟停狀態(tài)；Pi,min為各機(jī)組的最小出力；min{Dt,t∈S(d)}表示第d天的最小負(fù)荷；Ri,D為根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況所確定的負(fù)備用容量，每天可取值不同。

6）水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)約束

對(duì)水電機(jī)組來說，水電機(jī)組出力應(yīng)避開機(jī)組振動(dòng)區(qū)。Piw,t為水電機(jī)組iw在時(shí)段t的出力，Ziw為水電機(jī)組iw上報(bào)的機(jī)組振動(dòng)區(qū)。

7）梯級(jí)水電水量匹配約束[12]

其中Piwu,t和Piwd,t分別為機(jī)組中有梯級(jí)關(guān)系的水電機(jī)組的上、下游電站出力；ku為分段區(qū)間編號(hào)；Qu,t為上游電站發(fā)電流量；為分段線性擬合參數(shù)，主要由時(shí)段t內(nèi)前池水位、綜合出力系數(shù)，以及尾水位、水頭損失與下泄流量的關(guān)聯(lián)系數(shù)共同決定，為固定參數(shù)系列；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)式如下：

8）機(jī)組最小連續(xù)開停時(shí)間約束

由于火電機(jī)組的物理屬性及實(shí)際運(yùn)行需要，要求火電機(jī)組滿足最小連續(xù)開機(jī)/停機(jī)時(shí)間。最小連續(xù)開停時(shí)間約束可以描述為：

其中，αit為機(jī)組i在t時(shí)段的啟停狀態(tài)；TD、TU為機(jī)組的最小連續(xù)開機(jī)時(shí)間和最小連續(xù)停機(jī)時(shí)間；為機(jī)組i在t時(shí)段時(shí)已經(jīng)連續(xù)開機(jī)的時(shí)間和連續(xù)停機(jī)的時(shí)間，可以用狀態(tài)變量αi,t(i= 1 ～N,t= 1～T)來表示：

9）機(jī)組啟動(dòng)費(fèi)用約束

定義ηi,d為機(jī)組i在d天的狀態(tài)變化量，由于模型中考慮了機(jī)組的開機(jī)費(fèi)用，因此ηi,d應(yīng)當(dāng)反映機(jī)組的開機(jī)過程，ηi,d應(yīng)滿足如下的約束條件：

機(jī)組的開機(jī)費(fèi)用可表達(dá)為：

其中Ki為機(jī)組i的單次開機(jī)費(fèi)用。

10）機(jī)組最大啟停次數(shù)約束

首先定義啟動(dòng)與停機(jī)的切換變量，如上所述，ηi,d表示機(jī)組i在d天是否切換到啟動(dòng)狀態(tài)；同樣定義γi,d表示機(jī)組i在d天是否切換到停機(jī)狀態(tài)，γi,d滿足如下條件：

相應(yīng)機(jī)組i的啟停次數(shù)限制可表達(dá)如下：

其中，ηi,max、γi,max分別為機(jī)組i的最大啟動(dòng)和停機(jī)次數(shù)。

11）電廠最小運(yùn)行方式約束

電廠最小運(yùn)行方式約束可表達(dá)為：

其中，Φk是電廠k包含機(jī)組的下標(biāo)集合，φk,min是電廠k的最小開機(jī)臺(tái)數(shù)。

12）線路潮流約束

線路潮流約束可以描述為：

其中，為線路l的潮流傳輸極限；Gl-i為機(jī)組i所在節(jié)點(diǎn)對(duì)線路l的發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；K為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Gl-k為節(jié)點(diǎn)k對(duì)線路l的發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子；Dk,t為節(jié)點(diǎn)k在t時(shí)段的母線負(fù)荷值。

13）斷面潮流約束

在模型中考慮關(guān)鍵斷面的潮流約束，該約束可以描述為：

2.3 輸出數(shù)據(jù)處理

對(duì)中長(zhǎng)期合約分解模型輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將每臺(tái)機(jī)組每天各時(shí)段的出力數(shù)據(jù)相加，得到每臺(tái)機(jī)組每天的電量數(shù)據(jù)，即完成電量合同月分日的分解部分。

3 算例分析

利用IEEE118節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)模型進(jìn)行算例分析，電網(wǎng)拓?fù)鋱D見圖2。算例中包含54臺(tái)機(jī)組，其中24臺(tái)水電機(jī)組，22臺(tái)燃煤機(jī)組，8臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組。G87、G90、G100三臺(tái)機(jī)組為梯級(jí)水電機(jī)組。

圖2 118節(jié)點(diǎn)算例拓?fù)鋱D

表2 各機(jī)組合約分解后的日電量結(jié)果

利用大規(guī)模混合整數(shù)規(guī)劃對(duì)本文所提優(yōu)化模型進(jìn)行求解，完成月度電量合約的分解計(jì)算。合約分解部分結(jié)果如下，有II類合約的各機(jī)組某日月分日情況見表2。

根據(jù)合約分解結(jié)果，可以看出本文所提模型能將機(jī)組月度電量合約分解到日，形成分時(shí)電力曲線。梯級(jí)水量匹配約束條件的引入，充分考慮梯級(jí)水電特性，使得電量合約分解得到的分時(shí)電力曲線符合梯級(jí)水電出力特性，不論中長(zhǎng)期合約在現(xiàn)貨市場(chǎng)物理執(zhí)行還是差價(jià)執(zhí)行，均比不考慮水電運(yùn)行特性的分解方法更有利于水電機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃安排。

4 結(jié)束語

云南電力市場(chǎng)2018年交易電量850.99億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)21.03%，云南省電力市場(chǎng)建設(shè)已經(jīng)取得顯著成效。2019年云南電力市場(chǎng)全面放開一般工商業(yè)進(jìn)入市場(chǎng)，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)成為下一步市場(chǎng)體系建設(shè)的重點(diǎn)。

現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)初期，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主體簽訂的電量合同的曲線分解與調(diào)度執(zhí)行，是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文在云南現(xiàn)有中長(zhǎng)期交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建中長(zhǎng)期與現(xiàn)貨市場(chǎng)的銜接機(jī)制，考慮水電運(yùn)行特性，提出一種計(jì)及梯級(jí)水量匹配約束的中長(zhǎng)期電量合約分解方法。算例分析表明，該合約分解方法考慮了梯級(jí)水電上下游水電站出力的耦合性，解決了含水電電量合約在內(nèi)的中長(zhǎng)期電量合約的分解問題，可為水電資源豐富的云南現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)提供有效指導(dǎo)。