借鑒巴西電力市場優化模型促進中國電力市場建設

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90年代，巴西的民主化完成，國家政權逐步穩定，聯邦政府開始推動電力行業改革，改變了原有“計劃模式”及國有企業對電力行業的壟斷，推動國有企業的私有化改革，以解決電力系統面臨的問題，獨立的電力系統調度機構和創建了電能批發市場，發電企業間開始出現市場競爭。2004起，巴西開始采用新的市場模式，全國電網互聯，ONS負責統一調度，電能的生產和銷售分離，設立管制市場和自由市場，建立電能拍賣機制和電能再分配機制，以管制市場為主，自由市場為輔及用于結算偏差的短期市場并存，促進形成合理的市場電價，恢復中長期電力發展規劃，以滿足未來電能需求增長和能源結構優化[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。每個階段從本質上與電力市場和國家電氣系統運營商(ONS)在互連系統運行規劃中使用的模型的開發和驗證過程相關，這些模型由CEPEL(電能研究中心)開發，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變化，計算得出長中短期的調度運行計劃PMO、水文風險系數GSF以及偏差結算電價PLD。

本文主要研究巴西電力市場中主要應用的優化模型的基本原理、相關作用、特點及區別等，可以看到巴西采用全國統一調度模式，利用不同時間維度的優化模型實現電能的生產和銷售，解決了中長期規劃激勵性不足和指導性差的問題，對于我國(特別是水電富集區域)的電力市場建設有較強的借鑒意義，提出建設統一有序的電力市場、統籌考慮各類型能源各時空的協調優化、加強信息公開等改進中國電力市場運營的建議。

1 巴西電力系統構成

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

1.1 火電系統

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

從火電系統運行決策中可以看出，一是時間離散的，即上一階段的運行決策不會影響下一階段的運行成本決策；二是發電機組或企業經營成本獨立，即本企業或發電機組的經營成本不取決于其他企業或發電機組的發電水平，同時，本企業或發電機組的運行不會影響其他企業或發電機組的發電能力或可用性。三是系統供電的可靠性僅取決于總的可用發電量或發電能力，而不取決于系統各機組的組合。火電系統的優化相對簡單，發電機組和企業相互基本獨立，采用優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

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

水電與火電共存系統一是時間相互耦合，即必須評估當前決策對未來決策的影響，根據火電的預期燃料成本來衡量當前水價值和未來水價值之間的相互平衡是最優的方案；二是水文中長期預報是世界性難題，水文預報流量不確定，同時加上未來負荷需求不確定，使得水熱交互系統運營決策本質上是隨機動態決策；三是空間上也相互耦合，水電站上下游存在水力聯系，上游電站運行將影響下游電站，電站運行相互依賴；四是水資源價值只能根據節省的火電燃料成本或減少的棄水價值來衡量，不能像純火電系統那樣簡單地按機組運行狀態衡量；五是系統運營經濟性和電力供應可靠性相互制約，在運營決策時盡可能利用水電是最經濟的選擇，但水庫蓄水位將降低，未來電力供應可靠性降低，未來成本也將增加，反之，若減少水電，提高水庫蓄水位，未來電力供應可靠性增加，但必然需增加火電，當前運營成本增加。水電與火電共存系統對評估決策需要統籌考慮，才能達到系統效益或社會福利最大化，但對于各個外部系統間的優化還需要整體在更大范圍考慮水火統籌優化問題。

1.3 互聯系統

互聯系統重要作用是與相鄰系統通過能量交互，降低系統運營成本，同時通過合理分配水庫蓄能，提供電力系統供應安全穩定。

在純火電系統中，燃料成本高低決定了系統能量交互決策。若系統A邊際成本為45 R$/kWh，系統B燃料邊際成本為40 R$/kWh，則系統A成本最低的運行方式為由系統B向系統A供電，因此互聯系統之間的能量交互過程使系統整體運行成本優化。對于純火電的系統，根據子系統各機組邊際成本進行交互與整個系統共同運行時相互交互的運行決策結果是一致的，但子系統之間的協調僅通過成本確定，無需共享信息。

同樣的，對于水電與火電共存系統，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前成本和未來成本最優成本近似為火電發電邊際成本。該價值的確定是運行決策的關鍵步驟，水電可以表示為“熱能”，其“邊際運行成本”是水的價值。但是，水資源價值并不像火電系統將可單獨確定，若單獨計算每個系統的最優水電與火電運行策略，即使是基于每個系統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最小化成本運營的最優策略。簡而言之，為了從互聯的水熱系統中獲得最大的系統效益，系統必須要以集成的方式運行，即通過集中優化所有子系統的運行以使總運行成本最小化。互聯系統優化問題，將水火共存系統統籌考慮，既考慮社會效益最大化問題，也需要考慮系統間安全約束等限制，從而使更大范圍資源優化配置。巴西三種優化模型統籌考慮不同目標需求、不同時間維度，全國水電和火電等電源統籌優化，進而實現資源價值充分利用，實現全社會福利最大化。

2 三種優化模型主要功用與特點

2.1 優化模型運行的基本原理

NEWAVE、DECOMP、DESSEM模型旨在通過在時間和空間上合理運用水資源，統籌水電和火電的發電量，實現短期和長期內系統的安全、經濟運營。模型的目標函數是系統運營總成本最小化，總成本包括當前成本和未來成本兩部分，主要為當前或未來水電和火電運營成本、負荷削減經濟成本。

ONS以在所有預期負荷需求下提供能源供應為目標，它控制著所有發電機組(包括火力發電廠)的能源分配，由于火力發電成本與其發電量基本呈正比關系，而其發電成本與燃料消耗直接相關。CT=CI+CF，其中，CT為總成本，模型的目標函數，CI為當前成本，CF為未來成本。由于巴西電力系統中水力發電的優勢，隨著時間的流逝相互依賴，因此未來成本CF受當前運營決策的影響。因此，當前運營決策的總成本CT為當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系，而未來來水情況的預測十分困難，因此未來成本的確定較為復雜。如圖2，模型根據1931年以來的歷史來水數據，考慮來水的周期性特征，采用自回歸模型隨機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、不同的系統調度運行方式下，未來成本的計算結果不同，采用隨機雙動態規劃方法，優化計算得出未來成本的最小值。

圖2 未來成本計算圖

2.2 優化模型主要作用

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

2)DECOMP主要作用。DECOMP調度模型主要圍繞各電站機組、按周測算調度序列，ONS在當月NEWAVE數據的基礎上，每周運行DECOMP模型并公布最新運行結果，對下一周的水電和火電調度進行細化。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，每周調度僅以更新后的下周信息為準。

3)DESSEM主要作用。DESSEM調度模型主要圍繞各電站機組、按日測算調度序列，ONS在NEWAVE、DECOMP數據的基礎上，對未來幾天的水電或火電調度進行細化。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運行為準，具體運行決策還需測試或模擬確定，2020年開始正式投入運行。

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，均是采用當前成本和未來成本的總成本最小化的目標函數，但各模型控制目標值、分階段目標類型、已知參數及水文條件等不同，其輸出目標值不同，其預測的目標值精度也各有不同，每個模型對下個階段或時期的預測有指導操作意義，對未來階段或時期的預測均只作為參考，每個階段滾動更新，從而達到水電、火電最優分配的目標。各模型之間的使用目的、部分原理、適用階段、輸入參數、時間顆粒度及優化確定性也略有不同，如表1。

表1 優化模型對比分析表

3 借鑒巴西電力市場優化模型改進中國電力市場運營的建議

1)建設統一有序的電力市場，實現更大范圍資源優化配置。巴西雖然是聯邦國家，但在電力市場設計之初，即從全國水力資源最優化利用出發，建設全國統一的電力市場，設計分階段市場優化模型(NEWAVE、DECOMP、DESSEM)，電力運營機構統一應用相同優化模型，跨州跨區電站由國家電力系統運營商統一調度，交易機制相同，不存在州間和州內兩級市場，極大地保障了巴西能源資源的優化配置。我國雖然不像巴西市場的全國統一調度，而是存在分級調度，但理順省級和省內兩級市場的關系，建立統一有序的市場對電改的整體推進和國家層面的資源優化配置意義重大。

2)對于水電富集區域統籌考慮各類型能源、各時空能源的協調優化。水電富集區域梯級水電站運行時空耦合緊密，需要中長期優化調度保障電力供應安全，火電機組作為備用容量保障枯水期電能供應。可借鑒巴西電力市場經驗，建立集中調度和基于成本定價的市場機制。通過流域梯級集中調度，保障可靠供電，提高水電資源利用效率。由國家調度機構進行從長期(1～5年)、到中期(1～2個月)、再到短期(1周)和實時的經濟調度計算，在中長期經濟調度的基礎上進行短期經濟調度；同時，由于流域梯級電站中，上下游電站的水力和發電能力關聯密切，不同區域間存在來水特性互補，應該考慮流域梯級水電站的統一優化調度。

3)加強信息公開，促進市場透明。巴西電力市場中，各個發電企業和政府均采取電力運營機構優化模型對現貨市場結算價格和水文風險指數進行預測，但在預測過程中，設置的邊界條件，輸入的參數及限制不同(如水文預報數據、負荷預報數據等)，使得預測結果不同，有時會存在較大的差異。國內電力市場建設過程中應加強信息公開工作的深度，除了相關數據信息外，還應公開優化調度模型，成本、價格計算方法和模型等，進一步提升發電企業營銷決策可靠性，促進市場運營穩定健康發展。

4 結 語

本文介紹了以水電為主的巴西電力市場優化模型原理及主要特點和區別，提出了對我國電力市場建設的相關思考和啟示。巴西電力市場其能源結構、電網架構以及社會經濟發展與我國有許多的不同，國內電力市場建設過程中，主要可借鑒以下幾點，一是建設統一有序的電力市場，實現更大范圍資源優化配置；二是對于水電富集區域統籌考慮各類型能源、各時空能源的協調優化；三是加強信息公開，進一步促進市場透明。下一步巴西電力市場將穩步推進短期市場小時結算價格機制和容量市場建設，后續作者將繼續跟進相關情況，及時提出對我國電力市場建設可供借鑒的經驗。