基于自調度的日前市場出清機制設計

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任公司，昆明 650011；2. 北京清能互聯科技有限公司，北京 100080）

0 前言

中發電改“9 號文”及其配套文件[1]下發后，全國各網省公司積極開展電力市場的推進和建設。云南交易中心遵循中央“9 號文”及其配套文件的路線，已經建成了相對成熟、穩定運行的中長期電量交易市場，在全國起到了先行者的標桿作用。

但是，從市場機制建設本身出發，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]。如何在現有中長期電量市場的基礎上，完善市場機制建設，平穩有序的開展現貨市場，提升市場在資源配置中的主導作用、激發市場主體的競爭活力、釋放電力市場改革紅利、加強市場與調度協調、確保電網安全運行和市場有序運作，無疑是云南下一階段的電力體制改革所亟待解決的問題。

在現有中長期電量交易的基礎上，充分考慮云南電網運行特性和水電參與現貨市場競價的特點，設計合理的現貨市場機制，是本文的工作重點。為了將云南現有中長期電量合同和現貨市場有機結合，實現從單一中長期電量市場向現貨市場的平穩過渡，本文將自調度的機制應用于現貨市場機制設計，提出一種基于自調度的日前市場出清機制設計方法。

1 PJM市場中的自調度

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

其中能量現貨市場由兩級市場組成，分別是日前市場和實時平衡市場。日前市場和實時平衡市場均采用“全電量優化”模式。根據發電商申報的量價曲線和用戶側申報需求信息，以社會福利最大化為目標，對全網的發電資源重新進行全局優化配置，得到出清電價和發用電曲線。

PJM 能量現貨市場中，機組可以選擇自調度[6-7]（self schedule）或由調度機構統一調度（pool schedule）兩種調度方式。其中，選擇自調度的機組，只申報電量不申報價格，在市場上作為價格接受者，優先參與市場出清。由調度機構統一調度的機組，同時申報電量和價格，參與市場集中競價，調度機構根據市場出清結果確定機組中標電量。參與自調度投標的機組無資質要求，火電機組、水電機組以及風機、光伏等新能源機組均可[8-11]。

機組若在能量現貨市場選擇自調度方式，其申報、出清及結算流程如下：

圖1 PJM市場自調度機組申報、出清及結算流程

輔助服務市場中的調頻市場和備用市場中，自調度投標也十分常見，本文不再詳細論述。

2 基于自調度的日前市場出清機制設計

2.1 水電競價的特點

研究水電廠參與電力市場的競價策略時，應分清水電機組區別于火電機組的特點，其特點主要表現在以下幾個方面[12-13]。

1）中小水電站對發電出力和發電量的可控性不高。水力發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，同時受水情預見期及預報精度的限制，導致水電站對發電出力和發電量的可控性不高。

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

3）梯級水電之間的影響。水電站具有流域梯級分布的特點，上下游梯級水電站之間存在天然的水文聯系。水電站的發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，上下游梯級水電站之間存在天然的水力聯系，電站的發電效益與水庫(群)的調度運行方式密切相關。

由于水電機組具有以上特性，在統一出清的日前市場出清模式下由調度機構統一安排發電計劃會使出清模型過于復雜，計算時間難以滿足實際應用需求。因此本文將自調度機制用于水電機組，由水電機組在考慮自身出力特性的基礎上自行安排發電計劃。同時在安全校核中考慮梯級水量匹配校核。

2.2 基于自調度的日前市場出清機制設計

通過對PJM 市場自調度問題的調研及對水電競價特點的深入分析，本文設計一種基于自調度的云南日前市場出清機制，該機制符合云南水電競價的特點，有利于實現云南現有中長期電量市場向現貨市場的平穩過渡。

該日前市場出清機制的設計特點是，發電側申報電量電價、用戶側申報負荷曲線。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）的機組可以選擇在日前電量市場選擇自調度方式投標，即在日前市場報量不報價，作為價格接受者。

日前市場采用集中競價的組織方式，考慮網絡拓撲約束，以發電成本最小化為目標，進行日前能量市場的優化出清。日前市場交易組織程序如下：

1）交易機構發布由電力調度機構提供的日前系統負荷預測曲線。

2）選擇自調度的機組上報次日出力預測曲線，報量不報價，作為價格接受者參與市場。

3）未選擇自調度的機組在規定的時間前向電力交易機構提交以下信息：

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

b．次日機組報價信息，即上報一條分段量價曲線；

c．對于有水量約束的水電站，還需申報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、灌溉等其他需求的最大發電量。

4）售電企業、電力用戶在規定的時間前向電力交易機構申報次日各時段購電量。

5）根據市場主體的申報信息，自調度機組按報價為0 處理，將水電機組振動區、機組運行能力、網絡拓撲、事故校驗等各類安全約束作為約束條件，以發電成本最小化為目標，進行全電量的集中優化出清，計算形成滿足各類安全約束的市場出清結果，包括次日機組組合、各市場主體中標電力及分區邊際電價或節點邊際電價。

6）電力交易機構根據日前市場交易結果，形成市場交易主體的次日發用電計劃，送電力調度機構進行安全校核。安全校核應包含梯級水量匹配校核。電力調度機構有權對日前市場交易結果進行修改，但要提出充分的理由。

7）重新報價：日前市場結束后，未納入次日機組組合的機組（僅限非自調度機組），可以重新申報電能費用報價，以備用于實時市場出清。

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

2.3 基于自調度的日前市場出清模型

在日前市場的出清過程，要進行日前安全約束機組組合（SCUC）計算和日前安全約束經濟調度（SCED）計算，得到日前市場出清結果。由于篇幅所限，本文僅列出日前安全約束經濟調度（SCED）模型部分，算例分析中依次進行SCUC 計算和SCED 計算，得到出清結果。

2.3.1 目標函數

其中：N 表示機組的總臺數；T 表示所考慮的總時段數，每天考慮96 時段，則T 為96；Pi,t表示機組i 在時段t 的出力；Ci,t(Pi,t)為機組i在時段t 的運行費用，是與機組申報的各段出力區間和對應能量價格有關的多段線性函數；M為網絡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；分別為斷面s 的正、反向潮流松弛變量；NS 為斷面總數。

機組出力表達式：

機組運行費用表達式：

其中，NM 為機組報價總段數，Pi,t,m為機組i 在時段t 第m 個出力區間中的中標電力，分別為機組i 申報的第m 個出力區間上、下界。Ci,m為機組i 申報的第m 個出力區間對應的能量價格（自調度機組均為0）。

2.3.2 約束條件包括

1）系統負荷平衡約束

對于每個時段t，負荷平衡約束可以描述為：

其中，Pi,t表示機組i 在時段t 的出力，Tj,t表示聯絡線j 在時段t 的計劃功率（送入為正、輸出為負），NT 為聯絡線總數，Dt為時段t 的系統負荷。

2）系統旋轉備用約束

各個時段機組出力的上調能力總和與下調能力總和需滿足實際運行的上調、下調旋轉備用要求。

3）機組出力上下限約束

機組的出力應該處于其最大/最小出力范圍之內，其約束條件可以描述為：

4）機組爬坡約束

機組上爬坡或下爬坡時，均應滿足爬坡速率要求。爬坡約束可描述為：

5）水電機組振動區約束

對水電機組來說，水電機組出力應避開機組振動區。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。

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組的集合。Qi,t為機組i 在時段t 的電量，為機組i 在時段t 的電量限值，為機組i 全天的電量限值。

3 算例分析

利用IEEE 39 節點標準電網模型進行日前出清模型的構建，電網拓撲圖見圖2，系統正、負備用設置為5 MW，系統負荷預測見圖3。算例中包含10 臺機組，其中2 臺燃煤機組，1 臺燃氣機組，6 臺常規機組，1 臺小水電機組。用戶數量為21，其中電力大用戶28.6%，售電公司38.1%，公益性負荷33.3%。系統供需申報情況見圖4。

圖2 39節點算例拓撲圖

首先在不考慮自調度的情況下進行日前市場的模擬出清。出清結果如下。系統邊際節點電價見圖5，機組G37（小水電機組，額定容量564 MW）出力中標情況見圖6。

圖3 系統負荷預測曲線

圖4 系統供需申報情況

圖5 無自調度情況系統節點邊際電價

圖6 無自調度情況G37機組中標出力

圖7 自調度機組G37出力曲線

由于機組G37 為小水電機組，其發電出力和發電量的可控性不高，適宜在日前市場選擇自調度。若G37 機組選擇自調度，在日前市場報量不報價，其上報出力曲線見圖7，日前市場出清結果如下。系統邊際節點電價見圖8。

圖8 自調度情況系統節點邊際電價

通過算例分析結果可知，本文所提日前市場出清機制能準確反映電能的供需情況，給出邊際節點電價及各個機組的中標結果。選擇自調度的機組能自由安排自身出力，適合發電量可控性不高的小水電機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度的云南日前市場出清機制設計是合理且符合云南市場實際的。

4 結束語

從2014 年啟動電力市場化改革以來，通過不斷的創新實踐，云南電力市場已經成為全國市場化比例最高、參與范圍最廣、運行最為穩定的電力市場之一。在現有中長期市場的基礎上，構建合理的現貨市場機制，穩步推進現貨市場發展，產生分時、分位置的價格信號，實現電力資源的時空優化配置，是云南電力市場改革下一步的工作重心。

本文通過對PJM 市場自調度問題的調研及對水電競價特點的深入分析，設計一種基于自調度的日前市場出清機制。選擇自調度的機組在日前市場報量不報價，自行安排機組出力，作為價格接受者參與市場，能有效解決部分水電機組參與現貨市場時出力可控性不高及水電機組之間的梯級匹配問題。算例分析表明，該機制符合云南水電競價的特點，有利于實現云南現有中長期電量市場向現貨市場的平穩過渡。在該日前市場出清機制下，發電公司的報價策略及對自調度水電機組群出力的全局優化策略是下一步的研究方向。