計及梯級水量匹配約束的中長期電量合約分解方法

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)過不斷的實踐與探索，交易品種日益豐富、市場電量規(guī)模不斷擴大，形成了日前電量交易和各類中長期電量交易相互配合的交易品種體系[1-3]。但是云南現(xiàn)有中長期市場機制沒有形成清晰的價格信號，導致資源優(yōu)化配置能力有限，難以反映資源余缺及有效評估資產(chǎn)利用效率。為解決這一問題，現(xiàn)貨市場建設成為云南電力市場下一步的發(fā)展方向。

目前國內(nèi)外對現(xiàn)貨市場的意義和模式等問題做了大量研究：文獻[4]對國外成熟電力市場模式進行了對比分析，表明現(xiàn)貨市場具有促進市場競爭、形成價格信號、降低交易風險和保障電網(wǎng)安全運行的作用；文獻[5-8]闡述各國現(xiàn)貨市場的建設情況，可見在交易體系、出清方式、價格機制的設計上各國現(xiàn)貨市場都有顯著的不同；文獻[9]通過借鑒國外區(qū)域現(xiàn)貨市場的建設經(jīng)驗，綜合考慮國內(nèi)經(jīng)濟格局、國家戰(zhàn)略、省內(nèi)電力市場建設特點，提出南方區(qū)域現(xiàn)貨市場應該選擇建設成為分區(qū)平衡的區(qū)域現(xiàn)貨市場模式。

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

國內(nèi)外對中長期合約分解的相關研究較為匱乏。文獻[10]設計了電力現(xiàn)貨市場的“三階段”建設路徑，提出了一套中長期交易電量在現(xiàn)貨市場上的執(zhí)行、分解與結算方法；文獻[11]提出了適應于國內(nèi)中長期電量合約分解的調(diào)頻市場解耦設計；文獻[12]以澳大利亞推薦的合約電量分解算法為基礎,提出適用于浙江電網(wǎng)的確定性合約電量分解算法。已有文獻在中長期曲線分解方面，均未考慮水電特性及梯級水電水量匹配的約束條件，對云南中長期電量合約的分解缺乏有效指導意義。

本文在云南現(xiàn)有中長期交易機制的基礎上，構建中長期與現(xiàn)貨市場的銜接機制，考慮水電的運行特性，提出一種計及梯級水量匹配約束的中長期電量合約分解方法，用于指導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)貨市場的平穩(wěn)開展打下理論基礎。

1 云南中長期交易機制

云南中長期交易的交易品種設置已經(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)市場電量的集中競價交易和掛牌交易、框架協(xié)議外西電東送增送電量的掛牌交易、月度合約轉讓交易（分為事前合約轉讓交易和事后合約轉讓交易）、月度預招標、月度長期備用市場。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、掛牌等方式進行。

2 中長期電量合約分解方法

2.1 中長期合約分解方法

對雙邊協(xié)商、掛牌方式兩種交易方式而言，將中長期電量合約分為兩類，一類為市場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構提交中長期實物合同所約定的日發(fā)用電曲線；另一類為市場主體不進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構提供分解到日的電力曲線。對集中撮合這種交易方式而言，集中撮合的結果為電量的交易結果，所簽合約均屬于II類合約。

表1 云南中長期交易合約分類

圖1 中長期電量合約分解流程圖

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

1）年分月：依據(jù)交易中心設定和公布月度電量比例分解到月；

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

3）日分時：依據(jù)“標準化金融交割曲線”機組的日電量合約進行分解，形成分時電力曲線[10]；

4）對日電量曲線的分解結果交由調(diào)度機構進行安全校核，若校核通過，則中長期合約分解完成，若校核不通過，由調(diào)度機構提出對分解結果的調(diào)整依據(jù)和調(diào)整方式。

中長期電量合約分解流程見圖1。

2.2 中長期電量合約分解模型

2.2.1 目標函數(shù)

在考慮一定啟動費用的前提下，同進度完成各電廠月度計劃電量和月度市場電量。

其中：N表示機組的總臺數(shù)；D表示所考慮的總天數(shù)，假設一月有30天，則D為30；Mi是機組i的電量進度偏差罰值，量綱為元/MW，默認所有機組Mi相等；Si,+、Si,－分別是機組i電量進度的正偏差和負偏差；Fi,d,U是機組i在第d天的啟動費用，若第d天沒有啟停，則相應值為零。

2.2.2 約束條件

1）機組電量約束

機組電量約束可以描述為：

其中，T表示所考慮的時段總數(shù)，假設一月有30天，每天考慮24個時段，則T為720；T0為計劃周期內(nèi)一個時段的時間長度，若每天考慮24個時段，則每個時段為1個小時，即T0=1（小時）；Qi為機組i的計劃電量與市場電量之和，Si,+和Si,－分別是機組i電量進度的正偏差和負偏差，通過在目標函數(shù)中最小化Si,+和Si,－，可使得各機組電量進度盡量均衡。

2）機組出力上下限約束

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

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

3）負荷平衡約束

對于每個時段t，負荷平衡約束可以描述為：

其中Dt為t時段的系統(tǒng)負荷，該負荷已扣減聯(lián)絡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)負荷預測偏差以及各種實際運行事故帶來的系統(tǒng)供需不平衡波動，一般整個系統(tǒng)需要留有一定的容量備用。

需要保證每天的總開機容量滿足系統(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表示機組i在第d天的啟停狀態(tài)；Pi,max為各機組的最大出力；max{Dt,t∈S(d)}表示第d天的最大負荷；Ri,U為根據(jù)電網(wǎng)實際運行情況所確定的正備用容量，每天可取值不同。

5）系統(tǒng)負備用容量約束

系統(tǒng)負備用容量約束可以描述為：

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

6）水電機組振動區(qū)約束

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

7）梯級水電水量匹配約束[12]

其中Piwu,t和Piwd,t分別為機組中有梯級關系的水電機組的上、下游電站出力；ku為分段區(qū)間編號；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滯；αt和βt為上、下游電站出力耦合系數(shù)，表達式如下：

8）機組最小連續(xù)開停時間約束

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

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

9）機組啟動費用約束

定義ηi,d為機組i在d天的狀態(tài)變化量，由于模型中考慮了機組的開機費用，因此ηi,d應當反映機組的開機過程，ηi,d應滿足如下的約束條件：

機組的開機費用可表達為：

其中Ki為機組i的單次開機費用。

10）機組最大啟停次數(shù)約束

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

相應機組i的啟停次數(shù)限制可表達如下：

其中，ηi,max、γi,max分別為機組i的最大啟動和停機次數(shù)。

11）電廠最小運行方式約束

電廠最小運行方式約束可表達為：

其中，Φk是電廠k包含機組的下標集合，φk,min是電廠k的最小開機臺數(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為機組i所在節(jié)點對線路l的發(fā)電機輸出功率轉移分布因子；K為系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量；Gl-k為節(jié)點k對線路l的發(fā)電機輸出功率轉移分布因子；Dk,t為節(jié)點k在t時段的母線負荷值。

13）斷面潮流約束

在模型中考慮關鍵斷面的潮流約束，該約束可以描述為：

2.3 輸出數(shù)據(jù)處理

對中長期合約分解模型輸出的數(shù)據(jù)進行處理，將每臺機組每天各時段的出力數(shù)據(jù)相加，得到每臺機組每天的電量數(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)點標準電網(wǎng)模型進行算例分析，電網(wǎng)拓撲圖見圖2。算例中包含54臺機組，其中24臺水電機組，22臺燃煤機組，8臺燃氣機組。G87、G90、G100三臺機組為梯級水電機組。

圖2 118節(jié)點算例拓撲圖

表2 各機組合約分解后的日電量結果

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

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

4 結束語

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

現(xiàn)貨市場的建設初期，實現(xiàn)市場主體簽訂的電量合同的曲線分解與調(diào)度執(zhí)行，是亟待解決的關鍵問題之一。本文在云南現(xiàn)有中長期交易機制的基礎上，構建中長期與現(xiàn)貨市場的銜接機制，考慮水電運行特性，提出一種計及梯級水量匹配約束的中長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)貨市場建設提供有效指導。