李德銀，汪 哿，樊恒武

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

20世紀(jì)90年代，巴西的民主化完成，國家政權(quán)逐步穩(wěn)定，聯(lián)邦政府開始推動電力行業(yè)改革，改變了原有“計劃模式”及國有企業(yè)對電力行業(yè)的壟斷，推動國有企業(yè)的私有化改革，以解決電力系統(tǒng)面臨的問題，獨立的電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)和創(chuàng)建了電能批發(fā)市場，發(fā)電企業(yè)間開始出現(xiàn)市場競爭。2004起，巴西開始采用新的市場模式，全國電網(wǎng)互聯(lián)，ONS負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度，電能的生產(chǎn)和銷售分離，設(shè)立管制市場和自由市場，建立電能拍賣機(jī)制和電能再分配機(jī)制，以管制市場為主，自由市場為輔及用于結(jié)算偏差的短期市場并存，促進(jìn)形成合理的市場電價，恢復(fù)中長期電力發(fā)展規(guī)劃，以滿足未來電能需求增長和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1-2]。

在建立新市場模式前期，巴西國家電力局ANEEL于 2000-08-03日第290號決議規(guī)定了三個階段實施電力市場，第一階段是按月定價，第二階段是每周，最后是每小時。每個階段從本質(zhì)上與電力市場和國家電氣系統(tǒng)運(yùn)營商(ONS)在互連系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃中使用的模型的開發(fā)和驗證過程相關(guān)，這些模型由CEPEL(電能研究中心)開發(fā)，由NEWAVE(月)，DECOMP(周)和DESSEM(小時)程序組成。ONS和CCEE采用NEWAVE、DECOMP、DESSEM三大模型，通過不同時期、不同水文階段及約束限制目標(biāo)變化，計算得出長中短期的調(diào)度運(yùn)行計劃PMO、水文風(fēng)險系數(shù)GSF以及偏差結(jié)算電價PLD。

本文主要研究巴西電力市場中主要應(yīng)用的優(yōu)化模型的基本原理、相關(guān)作用、特點及區(qū)別等，可以看到巴西采用全國統(tǒng)一調(diào)度模式，利用不同時間維度的優(yōu)化模型實現(xiàn)電能的生產(chǎn)和銷售，解決了中長期規(guī)劃激勵性不足和指導(dǎo)性差的問題，對于我國(特別是水電富集區(qū)域)的電力市場建設(shè)有較強(qiáng)的借鑒意義，提出建設(shè)統(tǒng)一有序的電力市場、統(tǒng)籌考慮各類型能源各時空的協(xié)調(diào)優(yōu)化、加強(qiáng)信息公開等改進(jìn)中國電力市場運(yùn)營的建議。

1 巴西電力系統(tǒng)構(gòu)成

巴西電力系統(tǒng)以水力發(fā)電為主、且水力發(fā)電能力豐枯年和豐枯季節(jié)差異較大，而且流域梯級電站中上下游電站的水力和發(fā)電能力關(guān)聯(lián)密切，為了充分利用水力資源，同時以經(jīng)濟(jì)的方式滿足電力需求，電力系統(tǒng)運(yùn)行計劃的基本目標(biāo)是以最大程度降低運(yùn)行成本的前提下，獲得系統(tǒng)中每個電站(包括水電站和火電站)的發(fā)電運(yùn)行計劃，以滿足負(fù)荷需求。該運(yùn)行成本包括當(dāng)前運(yùn)行成本和未來成本，以達(dá)到整體運(yùn)營成本最小化和水資源價值最大化目標(biāo)[3-4]。

1.1 火電系統(tǒng)

每個電廠的成本基本上取決于燃料成本，因此，系統(tǒng)運(yùn)行是在滿足每個火力發(fā)電廠的發(fā)電限制的前提下，確定使?jié)M足需求所需的燃料(煤炭，石油，核能等)總成本最小化的電廠組合。簡單的來說，通過將電廠按發(fā)電增量成本的升序排列，并根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整運(yùn)行計劃，最后分配的發(fā)電機(jī)組稱為邊際發(fā)電機(jī)組。所有成本低于邊際成本的發(fā)電機(jī)組都將調(diào)用，而運(yùn)營成本高于邊際成本的發(fā)電機(jī)組將無法啟動。但實際運(yùn)行時，還需考慮輸電損耗、功率限制、機(jī)組啟動成本、機(jī)組爬坡率等因素，運(yùn)行將更為復(fù)雜。

從火電系統(tǒng)運(yùn)行決策中可以看出，一是時間離散的，即上一階段的運(yùn)行決策不會影響下一階段的運(yùn)行成本決策；二是發(fā)電機(jī)組或企業(yè)經(jīng)營成本獨立，即本企業(yè)或發(fā)電機(jī)組的經(jīng)營成本不取決于其他企業(yè)或發(fā)電機(jī)組的發(fā)電水平，同時，本企業(yè)或發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行不會影響其他企業(yè)或發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力或可用性。三是系統(tǒng)供電的可靠性僅取決于總的可用發(fā)電量或發(fā)電能力，而不取決于系統(tǒng)各機(jī)組的組合。火電系統(tǒng)的優(yōu)化相對簡單，發(fā)電機(jī)組和企業(yè)相互基本獨立，采用優(yōu)化模型時不需要考慮其他外部因素相互影響。

1.2 水電與火電共存系統(tǒng)

水電與火電共存系統(tǒng)與純火電系統(tǒng)不同，具有大量水電機(jī)組的電力系統(tǒng)可以利用水庫蓄水調(diào)節(jié)能力來滿足電力需求，從而替代了較高成本的火電機(jī)組。但是，由于水庫蓄能基本上取決于未來降雨情況及水庫調(diào)節(jié)能力限制，因此水庫總可用發(fā)電能力不能確定。因此，在中長期運(yùn)行決策時，當(dāng)前運(yùn)行策略與未來運(yùn)行策略存在相互制約的關(guān)系，若當(dāng)前過多使用水電，在未來發(fā)生干旱時，則將導(dǎo)致未來成本較高，并可能造成電力供應(yīng)不足問題；若當(dāng)前選擇火力發(fā)電，則可能導(dǎo)致水庫蓄水位較高，在未來來水較豐沛時，則將造成棄水、系統(tǒng)能源資源浪費(fèi)，也間接地增加了系統(tǒng)運(yùn)營成本。

水電與火電共存系統(tǒng)一是時間相互耦合，即必須評估當(dāng)前決策對未來決策的影響，根據(jù)火電的預(yù)期燃料成本來衡量當(dāng)前水價值和未來水價值之間的相互平衡是最優(yōu)的方案；二是水文中長期預(yù)報是世界性難題，水文預(yù)報流量不確定，同時加上未來負(fù)荷需求不確定，使得水熱交互系統(tǒng)運(yùn)營決策本質(zhì)上是隨機(jī)動態(tài)決策；三是空間上也相互耦合，水電站上下游存在水力聯(lián)系，上游電站運(yùn)行將影響下游電站，電站運(yùn)行相互依賴；四是水資源價值只能根據(jù)節(jié)省的火電燃料成本或減少的棄水價值來衡量，不能像純火電系統(tǒng)那樣簡單地按機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)衡量；五是系統(tǒng)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性和電力供應(yīng)可靠性相互制約，在運(yùn)營決策時盡可能利用水電是最經(jīng)濟(jì)的選擇，但水庫蓄水位將降低，未來電力供應(yīng)可靠性降低，未來成本也將增加，反之，若減少水電，提高水庫蓄水位，未來電力供應(yīng)可靠性增加，但必然需增加火電，當(dāng)前運(yùn)營成本增加。水電與火電共存系統(tǒng)對評估決策需要統(tǒng)籌考慮，才能達(dá)到系統(tǒng)效益或社會福利最大化，但對于各個外部系統(tǒng)間的優(yōu)化還需要整體在更大范圍考慮水火統(tǒng)籌優(yōu)化問題。

1.3 互聯(lián)系統(tǒng)

互聯(lián)系統(tǒng)重要作用是與相鄰系統(tǒng)通過能量交互，降低系統(tǒng)運(yùn)營成本，同時通過合理分配水庫蓄能，提供電力系統(tǒng)供應(yīng)安全穩(wěn)定。

在純火電系統(tǒng)中，燃料成本高低決定了系統(tǒng)能量交互決策。若系統(tǒng)A邊際成本為45 R$/kWh，系統(tǒng)B燃料邊際成本為40 R$/kWh，則系統(tǒng)A成本最低的運(yùn)行方式為由系統(tǒng)B向系統(tǒng)A供電，因此互聯(lián)系統(tǒng)之間的能量交互過程使系統(tǒng)整體運(yùn)行成本優(yōu)化。對于純火電的系統(tǒng)，根據(jù)子系統(tǒng)各機(jī)組邊際成本進(jìn)行交互與整個系統(tǒng)共同運(yùn)行時相互交互的運(yùn)行決策結(jié)果是一致的，但子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)僅通過成本確定，無需共享信息。

同樣的，對于水電與火電共存系統(tǒng)，則必須首先確定水資源價值，如前所述，水資源價值可以用當(dāng)前成本和未來成本最優(yōu)成本近似為火電發(fā)電邊際成本。該價值的確定是運(yùn)行決策的關(guān)鍵步驟，水電可以表示為“熱能”，其“邊際運(yùn)行成本”是水的價值。但是，水資源價值并不像火電系統(tǒng)將可單獨確定，若單獨計算每個系統(tǒng)的最優(yōu)水電與火電運(yùn)行策略，即使是基于每個系統(tǒng)的水電和火電的即時成本和未來成本，也不會帶來整個系統(tǒng)最小化成本運(yùn)營的最優(yōu)策略。簡而言之，為了從互聯(lián)的水熱系統(tǒng)中獲得最大的系統(tǒng)效益，系統(tǒng)必須要以集成的方式運(yùn)行，即通過集中優(yōu)化所有子系統(tǒng)的運(yùn)行以使總運(yùn)行成本最小化。互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化問題，將水火共存系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，既考慮社會效益最大化問題，也需要考慮系統(tǒng)間安全約束等限制，從而使更大范圍資源優(yōu)化配置。巴西三種優(yōu)化模型統(tǒng)籌考慮不同目標(biāo)需求、不同時間維度，全國水電和火電等電源統(tǒng)籌優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)資源價值充分利用，實現(xiàn)全社會福利最大化。

2 三種優(yōu)化模型主要功用與特點

2.1 優(yōu)化模型運(yùn)行的基本原理

NEWAVE、DECOMP、DESSEM模型旨在通過在時間和空間上合理運(yùn)用水資源，統(tǒng)籌水電和火電的發(fā)電量，實現(xiàn)短期和長期內(nèi)系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營。模型的目標(biāo)函數(shù)是系統(tǒng)運(yùn)營總成本最小化，總成本包括當(dāng)前成本和未來成本兩部分，主要為當(dāng)前或未來水電和火電運(yùn)營成本、負(fù)荷削減經(jīng)濟(jì)成本。

ONS以在所有預(yù)期負(fù)荷需求下提供能源供應(yīng)為目標(biāo)，它控制著所有發(fā)電機(jī)組(包括火力發(fā)電廠)的能源分配，由于火力發(fā)電成本與其發(fā)電量基本呈正比關(guān)系，而其發(fā)電成本與燃料消耗直接相關(guān)。CT=CI+CF，其中，CT為總成本，模型的目標(biāo)函數(shù)，CI為當(dāng)前成本，CF為未來成本。由于巴西電力系統(tǒng)中水力發(fā)電的優(yōu)勢，隨著時間的流逝相互依賴，因此未來成本CF受當(dāng)前運(yùn)營決策的影響。因此，當(dāng)前運(yùn)營決策的總成本CT為當(dāng)前成本和未來成本之和，將兩個曲線相加，可以得到總成本曲線，如圖1，有一個最佳總成本最小的操作點。

圖1 模型原理示意圖

考慮到未來成本與未來的來水情況具有密切的聯(lián)系，而未來來水情況的預(yù)測十分困難，因此未來成本的確定較為復(fù)雜。如圖2，模型根據(jù)1931年以來的歷史來水?dāng)?shù)據(jù)，考慮來水的周期性特征，采用自回歸模型隨機(jī)生成未來的來水序列。針對不同的蓄水率控制值，在未來不同的來水情況、不同的系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式下，未來成本的計算結(jié)果不同，采用隨機(jī)雙動態(tài)規(guī)劃方法，優(yōu)化計算得出未來成本的最小值。

圖2 未來成本計算圖

2.2 優(yōu)化模型主要作用

1)NEWAVE主要作用。NEWAVE調(diào)度模型主要圍繞電網(wǎng)分區(qū)、按月測算調(diào)度序列，ONS每月末公布新一輪的NEWAVE運(yùn)行結(jié)果，主要對電力系統(tǒng)下個月的運(yùn)行調(diào)度提供原則性參考。NEWAVE可計算輸出未來5年的系統(tǒng)調(diào)度信息，但隨著模型每月滾動更新，每月調(diào)度僅以更新后的下個月信息為準(zhǔn)，后續(xù)月份僅做參考。NEWAVE在滿足電力供給需求的前提下，優(yōu)化當(dāng)前成本與未來成本(5年跨度)之和，尋求最優(yōu)水電及火電供應(yīng)分配。

2)DECOMP主要作用。DECOMP調(diào)度模型主要圍繞各電站機(jī)組、按周測算調(diào)度序列，ONS在當(dāng)月NEWAVE數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，每周運(yùn)行DECOMP模型并公布最新運(yùn)行結(jié)果，對下一周的水電和火電調(diào)度進(jìn)行細(xì)化。DECOMP計算未來成本的時間跨度為2個月，但隨著模型每周滾動更新，每周調(diào)度僅以更新后的下周信息為準(zhǔn)。

3)DESSEM主要作用。DESSEM調(diào)度模型主要圍繞各電站機(jī)組、按日測算調(diào)度序列，ONS在NEWAVE、DECOMP數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對未來幾天的水電或火電調(diào)度進(jìn)行細(xì)化。DESSEM計劃未來成本的時間跨度約1周，按30 min離散化確定，但僅近1～2 d運(yùn)行為準(zhǔn)，具體運(yùn)行決策還需測試或模擬確定，2020年開始正式投入運(yùn)行。

2.3 三種模型對比分析

三大模型采用的模型算法原理基本類似，均是采用當(dāng)前成本和未來成本的總成本最小化的目標(biāo)函數(shù)，但各模型控制目標(biāo)值、分階段目標(biāo)類型、已知參數(shù)及水文條件等不同，其輸出目標(biāo)值不同，其預(yù)測的目標(biāo)值精度也各有不同，每個模型對下個階段或時期的預(yù)測有指導(dǎo)操作意義，對未來階段或時期的預(yù)測均只作為參考，每個階段滾動更新，從而達(dá)到水電、火電最優(yōu)分配的目標(biāo)。各模型之間的使用目的、部分原理、適用階段、輸入?yún)?shù)、時間顆粒度及優(yōu)化確定性也略有不同，如表1。

表1 優(yōu)化模型對比分析表

3 借鑒巴西電力市場優(yōu)化模型改進(jìn)中國電力市場運(yùn)營的建議

1)建設(shè)統(tǒng)一有序的電力市場，實現(xiàn)更大范圍資源優(yōu)化配置。巴西雖然是聯(lián)邦國家，但在電力市場設(shè)計之初，即從全國水力資源最優(yōu)化利用出發(fā)，建設(shè)全國統(tǒng)一的電力市場，設(shè)計分階段市場優(yōu)化模型(NEWAVE、DECOMP、DESSEM)，電力運(yùn)營機(jī)構(gòu)統(tǒng)一應(yīng)用相同優(yōu)化模型，跨州跨區(qū)電站由國家電力系統(tǒng)運(yùn)營商統(tǒng)一調(diào)度，交易機(jī)制相同，不存在州間和州內(nèi)兩級市場，極大地保障了巴西能源資源的優(yōu)化配置。我國雖然不像巴西市場的全國統(tǒng)一調(diào)度，而是存在分級調(diào)度，但理順省級和省內(nèi)兩級市場的關(guān)系，建立統(tǒng)一有序的市場對電改的整體推進(jìn)和國家層面的資源優(yōu)化配置意義重大。

2)對于水電富集區(qū)域統(tǒng)籌考慮各類型能源、各時空能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。水電富集區(qū)域梯級水電站運(yùn)行時空耦合緊密，需要中長期優(yōu)化調(diào)度保障電力供應(yīng)安全，火電機(jī)組作為備用容量保障枯水期電能供應(yīng)。可借鑒巴西電力市場經(jīng)驗，建立集中調(diào)度和基于成本定價的市場機(jī)制。通過流域梯級集中調(diào)度，保障可靠供電，提高水電資源利用效率。由國家調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行從長期(1～5年)、到中期(1～2個月)、再到短期(1周)和實時的經(jīng)濟(jì)調(diào)度計算，在中長期經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行短期經(jīng)濟(jì)調(diào)度；同時，由于流域梯級電站中，上下游電站的水力和發(fā)電能力關(guān)聯(lián)密切，不同區(qū)域間存在來水特性互補(bǔ)，應(yīng)該考慮流域梯級水電站的統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度。

3)加強(qiáng)信息公開，促進(jìn)市場透明。巴西電力市場中，各個發(fā)電企業(yè)和政府均采取電力運(yùn)營機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型對現(xiàn)貨市場結(jié)算價格和水文風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，但在預(yù)測過程中，設(shè)置的邊界條件，輸入的參數(shù)及限制不同(如水文預(yù)報數(shù)據(jù)、負(fù)荷預(yù)報數(shù)據(jù)等)，使得預(yù)測結(jié)果不同，有時會存在較大的差異。國內(nèi)電力市場建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)信息公開工作的深度，除了相關(guān)數(shù)據(jù)信息外，還應(yīng)公開優(yōu)化調(diào)度模型，成本、價格計算方法和模型等，進(jìn)一步提升發(fā)電企業(yè)營銷決策可靠性，促進(jìn)市場運(yùn)營穩(wěn)定健康發(fā)展。

4 結(jié) 語

本文介紹了以水電為主的巴西電力市場優(yōu)化模型原理及主要特點和區(qū)別，提出了對我國電力市場建設(shè)的相關(guān)思考和啟示。巴西電力市場其能源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)架構(gòu)以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與我國有許多的不同，國內(nèi)電力市場建設(shè)過程中，主要可借鑒以下幾點，一是建設(shè)統(tǒng)一有序的電力市場，實現(xiàn)更大范圍資源優(yōu)化配置；二是對于水電富集區(qū)域統(tǒng)籌考慮各類型能源、各時空能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化；三是加強(qiáng)信息公開，進(jìn)一步促進(jìn)市場透明。下一步巴西電力市場將穩(wěn)步推進(jìn)短期市場小時結(jié)算價格機(jī)制和容量市場建設(shè)，后續(xù)作者將繼續(xù)跟進(jìn)相關(guān)情況，及時提出對我國電力市場建設(shè)可供借鑒的經(jīng)驗。