基于節能減排的發電權交易模式初探

摘要：發電權交易是通過市場機制實現節能減排的重要手段，而如何構建合理的交易模式是決定其節能減排效果的關鍵因素。在此背景下，通過引進能耗和排放水平因子，分別利用規范化加權平方和法、增加能耗和排放約束的方法，建立了同時考慮節能和減排的兩種發電權交易模型，最后算例結果表明，提出的兩種模型相對于于社會效用最大化模型可以更好地兼顧降耗和減排的雙目標。在此基礎上，探討了三種交易模型在發電權交易市場發展階段的適用情況。

關鍵詞：發電權；節能減排；電力市場

作者簡介：伍玉林（1985-），男，廣東臺山人，廣州供電局有限公司調控中心，助理工程師。（廣東 廣州 510000）

中圖分類號：F270.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0183-02

發電權交易是指發電機組將發電權電量有償轉讓給有剩余發電能力的低能耗機組。[1]發電權通過市場機制的作用引導發電成本、能耗與排放高的機組將其合同電量部分或全部出售給發電成本低的節能環保機組替代其發電，交易的結果是交易雙方在取得經濟上雙贏的同時電源結構得到優化配置、降耗減排目的得以實現。目前國內已有部分的省市進行發電權交易試點，如河南、四川、江蘇，實踐結果也證明發電權交易具有良好的經濟和社會效益。

近年來，許多學者對發電權的機制進行了研究。文獻[2借鑒了普通商品二級市場交易的理論，首次提出了發電權交易的概念與交易機制，并分析了經紀人模式組織普通雙邊交易的機理。在機會約束規劃的框架下，文獻[3]構建了發電權出讓方與受讓方的競價模型，分析了其中的競價行為。

合理的發電權轉讓和利益補償機制對于能否順利執行節能減排政策有重要的影響。如能增加潔凈能源發電權交易的份額，則其節能減排效果必然更加明顯。文獻[4]提出了一種基于兩部制電價的發電權集中撮合交易模式，按照可以體現煤耗成本的電量電價的“高低匹配”原則進行撮合交易，使交易結果符合節能調度要求。文獻[5]通過引入煤耗率，提出了基于能耗最優的發電權交易模型。文獻[6]以節能降耗為目的，提出了計及能耗約束的發電權阻塞調度模型。但上述文獻還沒對排放這一約束條件作直接的處理。為止，通過引進能耗與排放因子，本文建立了一種同時考慮交易機組的能耗與排放的發電權交易模式，力圖使發電權交易取得更為明顯的節能減排效果。

一、發電權交易模型

目前發電權交易模型主要有三種類型——經紀人（集中撮合）[2]、基于期權[7、8]與基于委托代理[9、10]的發電權交易模式。

現階段，經紀人交易模型更具有實用性。經紀人模型的核心思想是“高低匹配”，即發電權買賣雙方在交易平臺上各自申報價格，分別按照報價由高到低以及由低到高的次序將買賣方依次排序成交，成交價格為雙方報價的平均值。交易的目標是使所有市場成員的效用之和（社會總效用）最大，據此可建立社會效用最大化的交易模型。基于經紀人交易模型，本文引入能耗和排放因子，建立兩種新的交易模型——能耗排放規范化加權和最優模型、考慮能耗排放約束的社會效用最大化模型。

二、基于節能減排的發電權交易模型

1.社會效用最大化的交易模型

當前電力市場均是以微觀“社會效益最大化”為基礎設計的，即買賣雙方的社會剩余最大化。[11]從微觀經濟學的社會效用的概念出發，可以得出發電權交易中的社會效用為：

式中：Uij為雙方的社會效益；，為參與發電權交易的出讓機組編號；，為受讓機組編號；PBj為出讓機組i的申報價格；Psj為受讓機組j的申報價格；Cij為雙方的交易成本，包括固定交易成本Cc和網損成本CR兩部分[2，5]，即；Qij為雙方的成交量。社會效用最大化的交易模型為：

目標函數——社會效用最大化：

約束條件：一是發電權成交量約束條件：

其中：式（3）為出讓機組i的總出讓量約束條件，QBi為出讓機組i提交的最大發電權出讓量，應不超過機組的最大有功出力。式（4）為受讓機組j的總受讓量約束條件，QSj為受讓機組j提交的最大發電權受讓量，應不大于機組的最大出力與原有功出力的差值。

二是電網安全約束條件：

其中：式（5）為機組技術出力約束條件：為發電機組i的最小出力；PGi為發電機組i的實際出力；為發電機i的最大出力。式（6）為電網功率平衡約束條件，PD為整個電網負荷功率；PL為電網總的網絡損耗。式（7）為功率傳輸線安全約束，Pij表示首末點為i和j的線路傳輸功率；和分別為該線路傳輸的最小和最大功率。

2.能耗與排放加權最優模型

理論上，市場競爭與節能是一致的，即生產成本低、能耗低，往往更具競爭優勢，能夠優先在市場中被利用。所以，能夠通過市場機制來發揮資源優化配置的作用。[11]如能優先撮合潔凈、高效的機組替代能耗低、污染重的機組進行發電權交易，則能實現市場競爭與節能減排的有機結合。

記ei、di、ej、dj分別為參與發電權交易的出讓機組i的煤耗率、污染氣體（如二氧化硫）排放率、受讓機組j的煤耗率、污染氣體排放率。同時引入兩交易變量：出讓機組i和受讓機組j在交易量Qij下的能耗因子Eij和排放因子Dij，為正確反映在Qij交易下的能耗和排放的減少程度，有，。則發電權交易后總能耗和排放的減少量分別為：

問題現在轉化為求解雙目標最優化——函數f1和f2最大值，求解該這類問題的一般思路是將雙目標化為單目標，數學上可采用“目的規劃法”和“線性加權和法”。 [13、14]但上述方法在子目標數量級不一致的情況下將導致主要目標被次要目標掩蓋，影響優化效果。為此，文獻[14]給出了在處理多目標優化問題方面具有計算效率高、規避目標希望值難以確定等優點的規范化加權平方和法。

所謂規范化加權平方和，就是先對線性加權和法進行規范化。具體方法是分別以各個子目標函數maxfi為單一最優化問題求解出該子目標函數的最大值（fi）max，將各子目標與其相比，即可將各子目標規范化，其值約束在[-l，1]。同時為減小各子目標差值較大對目標函數的影響，將各項平方后相加得到單目標函數。采用上述思想與方法構建的能耗排放加權和最優的發電權交易模型可表示為：

目標函數：

式中：σ為加權因子，；（f1）max、（f2）max分別為以maxf1、maxf2為單一目標函數時求得的最優值，并分別記為能耗最優模型與排放最優模型。

約束條件為社會效用最大化模型的發電權成交量約束條件和電網安全約束條件。為確保交易雙方都能獲益，保證交易的自愿原則，需增加報價約束條件：

3.能耗排放約束模型

考慮上面提出的模型以能耗和排放為最優化，可能導致社會總效用大為減少，基于能耗約束節能電力市場[11]和能耗約束的發電權阻塞調度模式[6]的設計思想，在社會效益最大化模型式（1）～（7）基礎上，為保證交易前后的發電能耗和排放量控制在設定范圍以內，構建了同時考慮能耗和排放約束的交易模型。其增加能耗和排放約束條件如下：

式中：α、β分別為預定的能耗下降率和排放下降率；Pi為機組原發電出力；、為發電權交易前的總能耗和排放。

三、算例

1.算例數據

由于本文主要研究目的是說明模型的節能減排效果，故暫不考慮功率傳輸線安全約束（7）與交易成本（即Cij=0）。算例數據如表1所示。取加權因子σ=0.5，預定能耗下降率α=25%，預定排放下降率β=40%，分別對第二節提出的模型進行計算。其中，模型1、模型2、模型3、模型4、模型5分別為社會效用最大化模型、能耗與排放加權平均和模型、能耗排放約束模型、能耗最優模型、排放最優模型。

2.算例分析

從表2可以得出，模型2的能耗下降率和排放下降率分別與模型4的能耗下降率和模型5的排放下降率相差8.045%和0.387%，說明了所采用的規范化加權平方和法可以很好地將雙目標統一起來，使其能同時接近單個目標時的最優值，對于雙目標函數的最優化問題具有很好的優化效果。

對比模型1、2、3可以得出，社會總效用最高的為模型1（社會效用最大化模型），但其成交量、能耗和排放下降率為最低。這是因為該模型是按照報價差排序進行撮合交易，沒有涉及機組能耗和排放的條件。模型2（能耗與排放加權和最優模型）的節能減排效果最為顯著。該模型通過增加總交易量，提高節能環保機組的交易額，帶來較高的能耗和排放下降率。模型3（能耗排放約束模型），既可以滿足預定的能耗和排序下降率要求，又能使社會總效用得到一定提升，在實現節能減排的預定要求的同時又能兼顧交易機組的經濟效益。另外，該模型通過直接確定下降率的方法對能耗和排放進行約束，便于量化控制，相對另兩種模型，更為直觀、易于操作。

四、結論

模型1適合于發電權交易市場實施的最初階段，該模型通過優先撮合出報價差大的讓機組和受讓機組，交易雙方獲利最大，通過市場手段吸引、鼓勵更多的機組參與發電權交易，有利于建立活躍、穩定的發電權交易市場。發電權交易市場穩定后，可采用模型3，在保證能耗和排放下降率控制在預定水平的基礎上，最大限度地保證交易機組的經濟利益，兼顧市場機制和節能減排的效果。在實現了小火電的停運和機組脫硫設備的普遍安裝后的階段，大部分的機組能耗和排放都相近，用模型3難以確定合理的預定下降率，而用模型1則會導致總能耗和排放的增加，這時，可以用模型2，通過確定加權因子來控制能耗與排放的優化程度，犧牲一定的經濟性來獲取節能減排的效果。

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（責任編輯：劉輝）