節能降耗目標下的發電權交易研究

張 虹，邢曉野，張 莉，于 雷

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林132012)

發電權交易是指發電廠商把在市場競價中獲得的發電量部分或全部出售給其它發電廠商的一種發電許可份額交易.目前，發電權研究主要集中在3個方面:(1)是分析機理以及帶來的社會效益［1-2］，(2)是響應國家節能減排的政策以系統節煤量最大為目的［3-5］，(3)是研究發電權交易過程中產生增量網損對交易的影響以及增量網損的分攤補償問題［6-8］.

目前，國內外學者對節能降耗為目標的發電權交易進行研究和計算時，大多考慮發電權交易雙方機組煤耗率的差額量和交易后各機組煤耗率的變化［3-5］，利用“高低匹配”進行指導，較少考慮交易引起的網損成本對交易的影響，無法取得發電權交易產生的最大的節能效果.

本文結合電力行業節能減排政策［9-11］，應用PSO算法求出各交易方的決策交易量，兼顧雙方經濟效益建立模型.算例表明，該模型對中長期的發電權交易有一定指導意義.

1 發電權交易的交易成本

1.1 考慮交易成本的發電權交易模型的建立

為了達到節能減排的目的，調動交易雙方的積極性，而且考慮的節能降耗為目的發電權交易具有強制性因素，本文將采用集中撮合交易方式

由于參加發電權交易的發電廠商其特殊性，不同于一般的證券市場，不能忽略發電權交易成本.交易成本可由固定交易傭金C0和網損成本Cij0組成.(i=1，2，，，m，代表發電權賣家，j=1，2，，，n，代表發電權買家.)其中交易傭金C0是開展發電權所固有的成本，一般確定為一個定值;而網損成本Cij0則根據初始潮流與發電權交易后兩種情況網損的變化確定.

考慮網損成本的發電權交易數學模型為

式中，CPi表示發電權出售方的出售申報價;CPj表示發電權購買方的購買申報價;Qij表示雙方的成交電量;Qj表示購買方的申報購買電量;Qi表示出售方的出售申報電量;Cij表示交易成本，由網損成本Cij0和交易傭金C0之和構成.

1.2 網損成本的計算

計算網損的變化方法很多，本文采用邊際網損系數法(Marginal Loss Coefficient)［12］.

系統總網損表達式為:

式中:L表示全網網損;Gij為節點i，j間的電導;N為系統節點數;Vi，Vj分別為節點i，j的電壓幅值;θi，θj分別為節點 i，j的電壓相角.

根據上式可求得

式中:P，Q表示節點注入有功功率和無功功率，通過式(6)可以計算全網有功邊際網損系數Kp=?L/?P 與無功邊際網損系數 KQ= ?L/?Q.

由于系統的PV節點k的無功功率Q是用于調節系統電壓，不應收取其無功功率的網損費用，即?L/?Qk=0;同理，由于系統的平衡節點S用于提供系統的網損，故應對于平衡節點S的有功功率和無功功率均不收取網損費用，即?L/?Qs=0且 ?L/?Ps=0.

無功損耗相對于有功損耗較小，忽略無功損耗后系統總網損為:

當處于節點i的發電廠向節點j的發電廠出售單位發電權數量，系統總網損將變為:

自此，發電權轉讓交易引起的網損變化為:

2 考慮煤耗的發電權轉讓交易分析

2.1 節能量最優模型的設計

小機組由于其發電效率低、煤耗高、污染大，有悖于國家節能減排的能源政策.因此，開展發電權交易，實現電力系統的節能降耗具有重要意義.

在規定交易時間段內，發電權出售方i與購買方交易量為Qij，設發電權交易出售方機組煤耗率分別為f1，f2，……fn(n為發電權出售方機組總數)，發電權交易購買方的機組煤耗率分別為f′1，f′2，……f′m(m 為發電權購買方的機組總數).為了達到節能減排的目的，必須保證f′j＜fi，方可進行交易.

式中:Fij為出售方i與購買方j交易的能耗效益.

式(10)可以求得交易系統節煤量最優解，但并不是發電權交易能達到的最大節能量.發電權交易會引起網絡系統的網損增加，由于購買方替代出售方發電，這里假設發電權交易增量網損的電量由購買方承擔，則交易單位電量系統的節煤量為:

因此每對交易系統的實際節煤量為

節能量最優的目標函數變為

對式(16)的求解，屬于求解有約束條件的最優解問題，本文將采用粒子群算法進行求解.

在此假設電廠的標煤成本價格為600(元 /噸)，將交易節省的燃料費與發電權交易的經濟效益之和作為綜合經濟效益，可以更加直觀地體現交易帶來的社會效益，其函數為:

需要注意的是無論哪種交易模型，交易結果都必須提交到省電力公司，由省電力公司進行電網的安全校核，包括發電約束、功率平衡約束和傳輸線等，如若無法通過安全校核，則應減少或取消導致網絡阻塞的交易對的交易量，對交易撮合的結果進行調整.電力系統安全約束條件為:

式中:PGi為發電機i的發電功率和為發電機i的最小發電功率和最大發電功率;PD為電網總負荷功率;PL為整個電網的網絡損耗;Pij表示節點i、j間線路傳輸的功率和分別為節點i、j間線路傳輸功率的下限和上限.本文主要研究節能降耗的效果，這里假設每次交易都滿足系統的安全約束條件.

2.2 改進的粒子群優化算法

粒子群算法的基本思想是隨機初始化一群沒有體積沒有質量的粒子，每個粒子代表一個優化問題的可行解，粒子在解空間中以一定的速度飛行，根據自身的歷史信息和群體信息調整飛行的速度和方向，以迭代的方式搜索最優解.

設一個d維的搜索空間里有M個粒子，該群體以一定的速度飛行.粒子i的位置可以表示為xi=(xi1，xi2，…，xid)，xid∈［Ld，Ud］，Ld、Ud為搜索空間的下限和上限;粒子 i的速度 vid∈［vmin，d，vmax，d］，vmin，d、vmax，d為最小和最大速度;該粒子迄今為止搜索到的最優位置pi=(pi1，pi2，…，pid;整個粒子群迄今為止搜索到的最優位置pg=(pg1，pg2，…，pgd).考慮到協調PSO算法的全局和局部尋優能力，在每次迭代中，粒子根據下式更新速度和位置:

慣性權重w的值決定了粒子前一時刻對當前速度的影響程度，故可調整其值來提高尋優能力.采用下式的線性遞減計算公式［13］:

其中，r1、r2為均勻分布在(0，1)區間隨機數;maxgen為最大迭代次數，i為當前迭代次數.改進粒子群算法的流程圖如圖1.

圖1 改進PSO算法流程圖

3 算例分析

文中對IEEE-14標準系統算例進行分析.假設每個節點機組代表一個發電廠，系統圖如圖2所示.標準系統的負荷數據已經給定，不需要再做預測，假設電力公司購電價格為Ct=350(元/MW*h)，交易傭金C0=5(元 /MW*h).

交易雙方申報數據如表1所示.

表1 IEEE-14交易雙方申報數據(已平均到每小時)

表1中給出了各節點發電廠商的買賣情況以及申報價格和其平均發電煤耗.

以式(10)為目標函數，式(11)為約束條件，按“高低匹配”原則得出節煤量最優模型交易結果如表2所示.

表2 節能量最優撮合交易結果

圖2 IEEE 14節點系統

表中實際節煤量是將交易引起的增量網損電量由購買方承擔并轉化為煤量求得，可以看出實際節煤量與視在節煤量有較大差別，有必要充分考慮增量網損對煤耗的影響.

根據式(12)求出單位交易電量系統節點間煤耗差，如表3所示.

表3 單位交易電量節點間煤耗差(kg/MW*h)

應用改進后的粒子群算法，以交易能達到的最大節煤量即式(14)為適應度值，找到最大適應度值，最大適應度值對應的粒子為各交易對的交易量.

求取后的節能量最優解如表4所示.

表4 節能量最優的交易結果

最后，為了滿足各節點發電廠的經濟效益，增加其參加發電權交易的積極性，這里將按各節點發電廠的決策交易量為實際總成交量，再按申報價格“高低匹配”原則進行撮合，若出現撮合后成本差價為負時，則由電力公司出面協商各方申報價格或給予一定補償促進交易的進行.則按表4的實際總交易結果，再按申報價格“高低匹配”后交易結果如表5所示.

表5 節能效益模型交易結果

兩種交易方式的經濟效益、節煤量、綜合經濟效益的對比如表6所示.

表6 交易模型對比

由表6對比可以看出節煤量最優模型的節煤較好，但經濟效益一般;節能量最優模型的節能量最高，而且兼顧了交易雙方的經濟效益，綜合經濟效益最高，達到了節能降耗與經濟性目的較好的統一.因此開展發電權交易時，交易中心可以按照系統申報發電權交易各電廠的平均煤耗率差以及已知的網絡參數確定的網絡網損系數，求得各節點發電廠的決策交易量，最后再按照申報價格的“高低匹配”進行撮合，指導發電權交易的進行.

4 結 論

發電權交易實現了交易雙方的經濟效益的提升和發電環節的節能降耗，對實現國家“十二五”規劃能源結構調整具有重要意義.本文從電力公司角度出發，以節能降耗為目的，同時兼顧交易雙方利益，算例分析表明節能量最優模型在節能量與社會效益上表現都較好.對于充分發揮其節能減排的優勢、滿足發電調度的節能減排要求具有重要的意義和廣闊的應用前景.

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