邢玉輝，張茂林，王幫燦，丁文嬌，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

中發(fā)電改“9 號文”及其配套文件[1]下發(fā)后，全國各網(wǎng)省公司積極開展電力市場的推進(jìn)和建設(shè)。云南交易中心遵循中央“9 號文”及其配套文件的路線，已經(jīng)建成了相對成熟、穩(wěn)定運(yùn)行的中長期電量交易市場，在全國起到了先行者的標(biāo)桿作用。

但是，從市場機(jī)制建設(shè)本身出發(fā)，云南仍然處于改革的初級階段，存在著市場交易體系不完整、交易品種相對單一、價格信號不明確、信息披露不充分等問題[2-3]。如何在現(xiàn)有中長期電量市場的基礎(chǔ)上，完善市場機(jī)制建設(shè)，平穩(wěn)有序的開展現(xiàn)貨市場，提升市場在資源配置中的主導(dǎo)作用、激發(fā)市場主體的競爭活力、釋放電力市場改革紅利、加強(qiáng)市場與調(diào)度協(xié)調(diào)、確保電網(wǎng)安全運(yùn)行和市場有序運(yùn)作，無疑是云南下一階段的電力體制改革所亟待解決的問題。

在現(xiàn)有中長期電量交易的基礎(chǔ)上，充分考慮云南電網(wǎng)運(yùn)行特性和水電參與現(xiàn)貨市場競價的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的現(xiàn)貨市場機(jī)制，是本文的工作重點(diǎn)。為了將云南現(xiàn)有中長期電量合同和現(xiàn)貨市場有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從單一中長期電量市場向現(xiàn)貨市場的平穩(wěn)過渡，本文將自調(diào)度的機(jī)制應(yīng)用于現(xiàn)貨市場機(jī)制設(shè)計(jì)，提出一種基于自調(diào)度的日前市場出清機(jī)制設(shè)計(jì)方法。

1 PJM市場中的自調(diào)度

美國PJM 電力市場指賓西法尼亞-新澤西-馬里蘭聯(lián)合電力市場，PJM 成立于1927 年，是北美地區(qū)最大的互聯(lián)電力系統(tǒng)，也是全世界第四大集中調(diào)度的互聯(lián)電網(wǎng)。美國PJM 電力市場以中長期金融市場、能量現(xiàn)貨市場為主，輔以輔助服務(wù)市場、容量市場、金融輸電權(quán)市場[4-5]。

其中能量現(xiàn)貨市場由兩級市場組成，分別是日前市場和實(shí)時平衡市場。日前市場和實(shí)時平衡市場均采用“全電量優(yōu)化”模式。根據(jù)發(fā)電商申報(bào)的量價曲線和用戶側(cè)申報(bào)需求信息，以社會福利最大化為目標(biāo)，對全網(wǎng)的發(fā)電資源重新進(jìn)行全局優(yōu)化配置，得到出清電價和發(fā)用電曲線。

PJM 能量現(xiàn)貨市場中，機(jī)組可以選擇自調(diào)度[6-7]（self schedule）或由調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度（pool schedule）兩種調(diào)度方式。其中，選擇自調(diào)度的機(jī)組，只申報(bào)電量不申報(bào)價格，在市場上作為價格接受者，優(yōu)先參與市場出清。由調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度的機(jī)組，同時申報(bào)電量和價格，參與市場集中競價，調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)市場出清結(jié)果確定機(jī)組中標(biāo)電量。參與自調(diào)度投標(biāo)的機(jī)組無資質(zhì)要求，火電機(jī)組、水電機(jī)組以及風(fēng)機(jī)、光伏等新能源機(jī)組均可[8-11]。

機(jī)組若在能量現(xiàn)貨市場選擇自調(diào)度方式，其申報(bào)、出清及結(jié)算流程如下：

圖1 PJM市場自調(diào)度機(jī)組申報(bào)、出清及結(jié)算流程

輔助服務(wù)市場中的調(diào)頻市場和備用市場中，自調(diào)度投標(biāo)也十分常見，本文不再詳細(xì)論述。

2 基于自調(diào)度的日前市場出清機(jī)制設(shè)計(jì)

2.1 水電競價的特點(diǎn)

研究水電廠參與電力市場的競價策略時，應(yīng)分清水電機(jī)組區(qū)別于火電機(jī)組的特點(diǎn)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面[12-13]。

1）中小水電站對發(fā)電出力和發(fā)電量的可控性不高。水力發(fā)電受河川天然徑流豐枯變化的影響，來水具有較大的不確定性，同時受水情預(yù)見期及預(yù)報(bào)精度的限制，導(dǎo)致水電站對發(fā)電出力和發(fā)電量的可控性不高。

2）水電機(jī)組存在汽蝕和振動區(qū)。在安排水電機(jī)組運(yùn)行策略時，必須避免水電機(jī)組在這些禁止運(yùn)行區(qū)長期運(yùn)行。

3）梯級水電之間的影響。水電站具有流域梯級分布的特點(diǎn)，上下游梯級水電站之間存在天然的水文聯(lián)系。水電站的發(fā)電量由水量和水頭兩個因素決定，同時水電站具有流域梯級分布的特點(diǎn)，上下游梯級水電站之間存在天然的水力聯(lián)系，電站的發(fā)電效益與水庫(群)的調(diào)度運(yùn)行方式密切相關(guān)。

由于水電機(jī)組具有以上特性，在統(tǒng)一出清的日前市場出清模式下由調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一安排發(fā)電計(jì)劃會使出清模型過于復(fù)雜，計(jì)算時間難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此本文將自調(diào)度機(jī)制用于水電機(jī)組，由水電機(jī)組在考慮自身出力特性的基礎(chǔ)上自行安排發(fā)電計(jì)劃。同時在安全校核中考慮梯級水量匹配校核。

2.2 基于自調(diào)度的日前市場出清機(jī)制設(shè)計(jì)

通過對PJM 市場自調(diào)度問題的調(diào)研及對水電競價特點(diǎn)的深入分析，本文設(shè)計(jì)一種基于自調(diào)度的云南日前市場出清機(jī)制，該機(jī)制符合云南水電競價的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)云南現(xiàn)有中長期電量市場向現(xiàn)貨市場的平穩(wěn)過渡。

該日前市場出清機(jī)制的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是，發(fā)電側(cè)申報(bào)電量電價、用戶側(cè)申報(bào)負(fù)荷曲線。簽訂中長期電力合約（市場主體可提供中長期合約分解曲線）的機(jī)組可以選擇在日前電量市場選擇自調(diào)度方式投標(biāo)，即在日前市場報(bào)量不報(bào)價，作為價格接受者。

日前市場采用集中競價的組織方式，考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束，以發(fā)電成本最小化為目標(biāo)，進(jìn)行日前能量市場的優(yōu)化出清。日前市場交易組織程序如下：

1）交易機(jī)構(gòu)發(fā)布由電力調(diào)度機(jī)構(gòu)提供的日前系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線。

2）選擇自調(diào)度的機(jī)組上報(bào)次日出力預(yù)測曲線，報(bào)量不報(bào)價，作為價格接受者參與市場。

3）未選擇自調(diào)度的機(jī)組在規(guī)定的時間前向電力交易機(jī)構(gòu)提交以下信息：

a．次日機(jī)組運(yùn)行的物理參數(shù)，包括機(jī)組振動區(qū)（水電機(jī)組）、爬坡速率、最大最小技術(shù)出力等；

b．次日機(jī)組報(bào)價信息，即上報(bào)一條分段量價曲線；

c．對于有水量約束的水電站，還需申報(bào)其各時段最大電量約束和全天最大電量約束，最大電量約束是指為了維持航運(yùn)、灌溉等其他需求的最大發(fā)電量。

4）售電企業(yè)、電力用戶在規(guī)定的時間前向電力交易機(jī)構(gòu)申報(bào)次日各時段購電量。

5）根據(jù)市場主體的申報(bào)信息，自調(diào)度機(jī)組按報(bào)價為0 處理，將水電機(jī)組振動區(qū)、機(jī)組運(yùn)行能力、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、事故校?yàn)等各類安全約束作為約束條件，以發(fā)電成本最小化為目標(biāo)，進(jìn)行全電量的集中優(yōu)化出清，計(jì)算形成滿足各類安全約束的市場出清結(jié)果，包括次日機(jī)組組合、各市場主體中標(biāo)電力及分區(qū)邊際電價或節(jié)點(diǎn)邊際電價。

6）電力交易機(jī)構(gòu)根據(jù)日前市場交易結(jié)果，形成市場交易主體的次日發(fā)用電計(jì)劃，送電力調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全校核。安全校核應(yīng)包含梯級水量匹配校核。電力調(diào)度機(jī)構(gòu)有權(quán)對日前市場交易結(jié)果進(jìn)行修改，但要提出充分的理由。

7）重新報(bào)價：日前市場結(jié)束后，未納入次日機(jī)組組合的機(jī)組（僅限非自調(diào)度機(jī)組），可以重新申報(bào)電能費(fèi)用報(bào)價，以備用于實(shí)時市場出清。

8）特殊情況處理：在豐水期，如果某時刻自調(diào)度機(jī)組申報(bào)出力曲線疊加后覆蓋負(fù)荷預(yù)測曲線，出現(xiàn)無法出清的情況，則將最低市場限價作為日前市場出清價格，并對自調(diào)度機(jī)組出力曲線進(jìn)行調(diào)整。在滿足安全約束的前提下，對有庫容調(diào)節(jié)能力的水電機(jī)組出力進(jìn)行等比例削減，無庫容調(diào)節(jié)能力的水電機(jī)組出力曲線不變，盡可能減少棄水量。

2.3 基于自調(diào)度的日前市場出清模型

在日前市場的出清過程，要進(jìn)行日前安全約束機(jī)組組合（SCUC）計(jì)算和日前安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）計(jì)算，得到日前市場出清結(jié)果。由于篇幅所限，本文僅列出日前安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）模型部分，算例分析中依次進(jìn)行SCUC 計(jì)算和SCED 計(jì)算，得到出清結(jié)果。

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

其中：N 表示機(jī)組的總臺數(shù)；T 表示所考慮的總時段數(shù)，每天考慮96 時段，則T 為96；Pi,t表示機(jī)組i 在時段t 的出力；Ci,t(Pi,t)為機(jī)組i在時段t 的運(yùn)行費(fèi)用，是與機(jī)組申報(bào)的各段出力區(qū)間和對應(yīng)能量價格有關(guān)的多段線性函數(shù)；M為網(wǎng)絡(luò)潮流約束松弛罰因子；分別為線路l 的正、反向潮流松弛變量；NL 為線路總數(shù)；分別為斷面s 的正、反向潮流松弛變量；NS 為斷面總數(shù)。

機(jī)組出力表達(dá)式：

機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用表達(dá)式：

其中，NM 為機(jī)組報(bào)價總段數(shù)，Pi,t,m為機(jī)組i 在時段t 第m 個出力區(qū)間中的中標(biāo)電力，分別為機(jī)組i 申報(bào)的第m 個出力區(qū)間上、下界。Ci,m為機(jī)組i 申報(bào)的第m 個出力區(qū)間對應(yīng)的能量價格（自調(diào)度機(jī)組均為0）。

2.3.2 約束條件包括

1）系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束

對于每個時段t，負(fù)荷平衡約束可以描述為：

其中，Pi,t表示機(jī)組i 在時段t 的出力，Tj,t表示聯(lián)絡(luò)線j 在時段t 的計(jì)劃功率（送入為正、輸出為負(fù)），NT 為聯(lián)絡(luò)線總數(shù)，Dt為時段t 的系統(tǒng)負(fù)荷。

2）系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束

各個時段機(jī)組出力的上調(diào)能力總和與下調(diào)能力總和需滿足實(shí)際運(yùn)行的上調(diào)、下調(diào)旋轉(zhuǎn)備用要求。

3）機(jī)組出力上下限約束

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

4）機(jī)組爬坡約束

機(jī)組上爬坡或下爬坡時，均應(yīng)滿足爬坡速率要求。爬坡約束可描述為：

5）水電機(jī)組振動區(qū)約束

對水電機(jī)組來說，水電機(jī)組出力應(yīng)避開機(jī)組振動區(qū)。Piw,t為水電機(jī)組iw在時段t 的出力，Ziw為水電機(jī)組iw上報(bào)的機(jī)組振動區(qū)。

6）線路潮流約束

線路潮流約束可以描述為：

7）斷面潮流約束

考慮關(guān)鍵斷面的潮流約束，該約束可以描述為：

8）最大電量約束

其中，E 為有最大電量約束水電機(jī)組的集合。Qi,t為機(jī)組i 在時段t 的電量，為機(jī)組i 在時段t 的電量限值，為機(jī)組i 全天的電量限值。

3 算例分析

利用IEEE 39 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)模型進(jìn)行日前出清模型的構(gòu)建，電網(wǎng)拓?fù)鋱D見圖2，系統(tǒng)正、負(fù)備用設(shè)置為5 MW，系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測見圖3。算例中包含10 臺機(jī)組，其中2 臺燃煤機(jī)組，1 臺燃?xì)鈾C(jī)組，6 臺常規(guī)機(jī)組，1 臺小水電機(jī)組。用戶數(shù)量為21，其中電力大用戶28.6%，售電公司38.1%，公益性負(fù)荷33.3%。系統(tǒng)供需申報(bào)情況見圖4。

圖2 39節(jié)點(diǎn)算例拓?fù)鋱D

首先在不考慮自調(diào)度的情況下進(jìn)行日前市場的模擬出清。出清結(jié)果如下。系統(tǒng)邊際節(jié)點(diǎn)電價見圖5，機(jī)組G37（小水電機(jī)組，額定容量564 MW）出力中標(biāo)情況見圖6。

圖3 系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線

圖4 系統(tǒng)供需申報(bào)情況

圖5 無自調(diào)度情況系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)邊際電價

圖6 無自調(diào)度情況G37機(jī)組中標(biāo)出力

圖7 自調(diào)度機(jī)組G37出力曲線

由于機(jī)組G37 為小水電機(jī)組，其發(fā)電出力和發(fā)電量的可控性不高，適宜在日前市場選擇自調(diào)度。若G37 機(jī)組選擇自調(diào)度，在日前市場報(bào)量不報(bào)價，其上報(bào)出力曲線見圖7，日前市場出清結(jié)果如下。系統(tǒng)邊際節(jié)點(diǎn)電價見圖8。

圖8 自調(diào)度情況系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)邊際電價

通過算例分析結(jié)果可知，本文所提日前市場出清機(jī)制能準(zhǔn)確反映電能的供需情況，給出邊際節(jié)點(diǎn)電價及各個機(jī)組的中標(biāo)結(jié)果。選擇自調(diào)度的機(jī)組能自由安排自身出力，適合發(fā)電量可控性不高的小水電機(jī)組及涉及梯級水電匹配問題的水電廠。算例分析表明，本文提出的基于自調(diào)度的云南日前市場出清機(jī)制設(shè)計(jì)是合理且符合云南市場實(shí)際的。

4 結(jié)束語

從2014 年啟動電力市場化改革以來，通過不斷的創(chuàng)新實(shí)踐，云南電力市場已經(jīng)成為全國市場化比例最高、參與范圍最廣、運(yùn)行最為穩(wěn)定的電力市場之一。在現(xiàn)有中長期市場的基礎(chǔ)上，構(gòu)建合理的現(xiàn)貨市場機(jī)制，穩(wěn)步推進(jìn)現(xiàn)貨市場發(fā)展，產(chǎn)生分時、分位置的價格信號，實(shí)現(xiàn)電力資源的時空優(yōu)化配置，是云南電力市場改革下一步的工作重心。

本文通過對PJM 市場自調(diào)度問題的調(diào)研及對水電競價特點(diǎn)的深入分析，設(shè)計(jì)一種基于自調(diào)度的日前市場出清機(jī)制。選擇自調(diào)度的機(jī)組在日前市場報(bào)量不報(bào)價，自行安排機(jī)組出力，作為價格接受者參與市場，能有效解決部分水電機(jī)組參與現(xiàn)貨市場時出力可控性不高及水電機(jī)組之間的梯級匹配問題。算例分析表明，該機(jī)制符合云南水電競價的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)云南現(xiàn)有中長期電量市場向現(xiàn)貨市場的平穩(wěn)過渡。在該日前市場出清機(jī)制下，發(fā)電公司的報(bào)價策略及對自調(diào)度水電機(jī)組群出力的全局優(yōu)化策略是下一步的研究方向。