發(fā)電負(fù)荷雙側(cè)報(bào)價(jià)的日前電能市場(chǎng)出清模型及其定價(jià)分析

唐堯，楊爭(zhēng)林，鄭亞先，馮樹(shù)海

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，南京市210003)

0 引 言

過(guò)去二十多年間，世界各發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體紛紛在電力行業(yè)引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，建立電力市場(chǎng)，以改變電力行業(yè)的壟斷經(jīng)營(yíng)模式[1]。在我國(guó)電力系統(tǒng)新一輪電力市場(chǎng)改革的背景下[2-3]，如何將負(fù)荷側(cè)引入市場(chǎng)定價(jià)過(guò)程，能更好反映當(dāng)前能源供需關(guān)系的電價(jià)，成為了業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。在全國(guó)第1批8個(gè)現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)單位均進(jìn)入模擬試運(yùn)行，發(fā)電單側(cè)報(bào)價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清關(guān)鍵技術(shù)在已經(jīng)具備一定的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)發(fā)電和負(fù)荷雙側(cè)參與報(bào)價(jià)的市場(chǎng)，符合電力市場(chǎng)改革的發(fā)展規(guī)律。廣東省考慮到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，將市場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃分為兩階段，從發(fā)電側(cè)單側(cè)報(bào)價(jià)過(guò)渡到發(fā)電負(fù)荷雙側(cè)報(bào)價(jià)出清，采取節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)機(jī)制[4]。在浙江電力市場(chǎng)規(guī)則中已明確提出要在日前市場(chǎng)中建立發(fā)電、負(fù)荷雙側(cè)報(bào)價(jià)的出清模式，但在初期擬采用負(fù)荷統(tǒng)一電價(jià)的方式。電能作為特殊的商品，體現(xiàn)在市場(chǎng)的設(shè)計(jì)者還要同時(shí)考慮電力系統(tǒng)的物理特性和它作為關(guān)系到國(guó)泰民安的基本能源所要求的可靠性、安全性，這就給雙側(cè)報(bào)價(jià)帶來(lái)了挑戰(zhàn)[5]。

在傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)中，負(fù)荷側(cè)不參與競(jìng)爭(zhēng)，從供需平衡的角度來(lái)看可視其為固定的剛性負(fù)荷。針對(duì)單側(cè)情形下普遍適用的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)計(jì)算方法，文獻(xiàn)[6]基于節(jié)點(diǎn)電價(jià)進(jìn)行了需求響應(yīng)策略研究，提出了求解非線(xiàn)性方程約束的松弛法；文獻(xiàn)[7]基于長(zhǎng)期增量成本法，提出了計(jì)及供電可靠性的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算方法，并提出了供電可靠性這一指標(biāo)；文獻(xiàn)[8]給出了節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格的直流潮流法求解原理；文獻(xiàn)[9]提出了一種利用線(xiàn)性無(wú)關(guān)約束規(guī)格進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電價(jià)多解判定的方法；文獻(xiàn)[10]提出了一種考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算方法，分解出了考慮網(wǎng)損與不考慮網(wǎng)損的節(jié)點(diǎn)電價(jià)之間的規(guī)律；文獻(xiàn)[11]重點(diǎn)討論了節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)的算法原理，實(shí)現(xiàn)了混合整數(shù)規(guī)劃與拉格朗日松弛2種機(jī)組組合優(yōu)化算法；文獻(xiàn)[12]提出了全時(shí)段優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)計(jì)算模型，驗(yàn)證了全時(shí)段比單時(shí)段優(yōu)化范圍更廣、計(jì)算結(jié)果更優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[13]指出單側(cè)報(bào)價(jià)的電力市場(chǎng)中缺乏需求彈性，負(fù)荷側(cè)只能被動(dòng)地接受價(jià)格，不利于資源的優(yōu)化配置。對(duì)于發(fā)電負(fù)荷參與的雙側(cè)報(bào)價(jià)，如美國(guó)PJM市場(chǎng)、得州市場(chǎng)等國(guó)外發(fā)達(dá)電力市場(chǎng)中已有成熟應(yīng)用的實(shí)例，其中PJM市場(chǎng)在其最新手冊(cè)[14]中強(qiáng)調(diào)將需求側(cè)資源整合入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，體現(xiàn)了負(fù)荷響應(yīng)對(duì)充分發(fā)揮市場(chǎng)功能的重要作用；而在我國(guó)的電力市場(chǎng)中，目前處于第1批8個(gè)試點(diǎn)現(xiàn)貨市場(chǎng)探索發(fā)展階段。文獻(xiàn)[15]研究了在我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)條件下，定價(jià)機(jī)制的選擇與設(shè)計(jì)問(wèn)題；文獻(xiàn)[16-17]聚焦于負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員競(jìng)價(jià)策略，通過(guò)負(fù)荷代理等方式提升效率；文獻(xiàn)[18]結(jié)合現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)，重點(diǎn)構(gòu)建了考慮靈活塊交易的現(xiàn)貨市場(chǎng)出清模型；文獻(xiàn)[19]建立了多目標(biāo)優(yōu)化的市場(chǎng)出清模型，并采用多目標(biāo)的強(qiáng)化帕累托改進(jìn)算法求解；文獻(xiàn)[20]將分段競(jìng)價(jià)理論拓展到了負(fù)荷側(cè)，驗(yàn)證了分段競(jìng)價(jià)理論能更好反映電力特性以及負(fù)荷側(cè)參與競(jìng)爭(zhēng)能體現(xiàn)購(gòu)電主體的價(jià)格意愿的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[21]驗(yàn)證了負(fù)荷側(cè)競(jìng)價(jià)能夠有效抑制電價(jià)波動(dòng)水平；文獻(xiàn)[22]分析了虛擬投標(biāo)的機(jī)理及其功能價(jià)值；文獻(xiàn)[23-24]對(duì)電價(jià)與負(fù)荷的關(guān)系進(jìn)行了分析驗(yàn)證；文獻(xiàn)[25]將可時(shí)移的大型負(fù)荷在日前市場(chǎng)的投標(biāo)總結(jié)成了一個(gè)時(shí)間耦合的多階段優(yōu)化問(wèn)題，并研究了其最優(yōu)投標(biāo)策略。

以上研究雖然相對(duì)詳盡，但都沒(méi)有較好結(jié)合考慮負(fù)荷側(cè)報(bào)價(jià)、負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員統(tǒng)一電價(jià)、分階段放開(kāi)市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)等我國(guó)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀。本文在文獻(xiàn)[26]的基礎(chǔ)上，將負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員以分段報(bào)量報(bào)價(jià)的形式引入市場(chǎng)，研究節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)在雙側(cè)市場(chǎng)模式下的應(yīng)用方法。在浙江電力市場(chǎng)初期階段發(fā)電側(cè)采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)機(jī)制，而負(fù)荷側(cè)采用統(tǒng)一電價(jià)的要求下，提出一種將實(shí)際負(fù)荷節(jié)點(diǎn)折算到虛擬負(fù)荷中心節(jié)點(diǎn)的電價(jià)折算方式；量化分析雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)及其仍存在的問(wèn)題，并驗(yàn)證虛擬投標(biāo)能夠有效提升市場(chǎng)效率，適應(yīng)于我國(guó)電力市場(chǎng)的發(fā)展路線(xiàn)。本文的研究成果有助于為我國(guó)負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)做參考評(píng)估。

1 市場(chǎng)申報(bào)

1.1 報(bào)價(jià)方式與市場(chǎng)成員

在單側(cè)報(bào)價(jià)的市場(chǎng)模式中，負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員不參與競(jìng)爭(zhēng)，在交易過(guò)程中體現(xiàn)為用電量不受發(fā)電報(bào)價(jià)及線(xiàn)路阻塞的影響；發(fā)電側(cè)市場(chǎng)成員報(bào)量報(bào)價(jià)，在一定程度上掌控著市場(chǎng)力，若無(wú)政策保護(hù)，易出現(xiàn)發(fā)電商共謀報(bào)價(jià)的行為。

在從發(fā)電側(cè)單側(cè)報(bào)價(jià)到發(fā)電、負(fù)荷雙側(cè)報(bào)價(jià)的建設(shè)過(guò)程中，為了兼顧工程可行性，存在各種樣式的過(guò)渡態(tài)。在當(dāng)前的省級(jí)電力市場(chǎng)建設(shè)中，擬采用發(fā)電側(cè)依其實(shí)際所在節(jié)點(diǎn)申報(bào)并計(jì)算電價(jià)，而負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員在申報(bào)后經(jīng)過(guò)折算，等價(jià)為統(tǒng)一申報(bào)在“虛擬負(fù)荷中心節(jié)點(diǎn)”的方式。在該市場(chǎng)模式中，負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員享有統(tǒng)一的價(jià)格，雖不能完整體現(xiàn)因阻塞帶來(lái)的地區(qū)性資源稀缺價(jià)值的差異，但可以滿(mǎn)足雙側(cè)市場(chǎng)成員均以報(bào)量報(bào)價(jià)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的階段性建設(shè)目標(biāo)。

在更為成熟的雙側(cè)報(bào)價(jià)的市場(chǎng)模式中，雙側(cè)市場(chǎng)成員均依其所在節(jié)點(diǎn)以報(bào)量報(bào)價(jià)的形式參與市場(chǎng)。面臨線(xiàn)路阻塞、聯(lián)合報(bào)價(jià)等經(jīng)典場(chǎng)景時(shí)，在滿(mǎn)足安全校核的范圍內(nèi)，市場(chǎng)成員可以就電能開(kāi)展更為充足的博弈競(jìng)爭(zhēng)。

1.2 分段式申報(bào)

日前市場(chǎng)以24 h為一個(gè)交易日，分為96個(gè)交易時(shí)段，市場(chǎng)成員依時(shí)段分別進(jìn)行投標(biāo)。申報(bào)曲線(xiàn)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏κ袌?chǎng)規(guī)則，統(tǒng)一為若干個(gè)容量段的形式，本文中將其數(shù)目假定為5。典型的發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷用戶(hù)申報(bào)曲線(xiàn)分別如圖1、2所示。交易中心根據(jù)每個(gè)時(shí)段各成員類(lèi)型的報(bào)價(jià)，綜合擬定相應(yīng)的供給曲線(xiàn)和需求曲線(xiàn)。

圖1 發(fā)電機(jī)組申報(bào)曲線(xiàn)Fig.1 Declaration curve style of generation unit

圖2 負(fù)荷用戶(hù)申報(bào)曲線(xiàn)Fig.2 Declaration curve style of load user

1.3 虛擬投標(biāo)

為了進(jìn)一步抑制市場(chǎng)力，提升市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)水平，在雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)發(fā)展的成熟階段，引入虛擬投標(biāo)(vitrual bidding,VB)為代表的電力市場(chǎng)金融產(chǎn)品。虛擬投標(biāo)不要求市場(chǎng)主體有實(shí)際發(fā)電能力或用電能力，中標(biāo)的電量通過(guò)金融交割，不涉及電能的物理傳輸。從某種角度來(lái)說(shuō)，虛擬投標(biāo)拓展了市場(chǎng)主體的數(shù)目，可以使得市場(chǎng)成員之間的價(jià)格博弈更加充分，從而提高市場(chǎng)效率。本文以有實(shí)際負(fù)荷需求的用戶(hù)參與虛擬投標(biāo)為例開(kāi)展相關(guān)分析。

在結(jié)算階段，電力用戶(hù)的總購(gòu)電成本如下所示：

Cpurchase=Pday-ahead×Qday-ahead+
Preal-time×(Qreal-time-Qday-ahead)=
Preal-time×Qreal-time+
(Pday-ahead-Preal-time)×Qday-ahead

( 1 )

式中：Pday-ahead表示日前市場(chǎng)的電價(jià)；Qday-ahead表示電力用戶(hù)在日前市場(chǎng)的出清電量；Preal-time表示實(shí)時(shí)市場(chǎng)的電價(jià)；Qreal-time表示電力用戶(hù)在實(shí)時(shí)市場(chǎng)的出清電量。

觀察可知，市場(chǎng)成員可以憑借日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)的價(jià)格差異來(lái)調(diào)整自身的總購(gòu)電成本。例如在日前市場(chǎng)中的阻塞節(jié)點(diǎn)虛擬投標(biāo)，通過(guò)消除阻塞等方式降低日前市場(chǎng)的電價(jià)；而在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，只需對(duì)有著實(shí)際負(fù)荷需求的部分電量進(jìn)行物理交割，原有的線(xiàn)路阻塞情況依然未得到緩解，從而使實(shí)時(shí)市場(chǎng)的電價(jià)高于日前市場(chǎng)，相應(yīng)的市場(chǎng)成員從中獲利。

2 雙側(cè)報(bào)價(jià)的全時(shí)段出清優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于發(fā)電、負(fù)荷雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)，以社會(huì)福利最大化作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行出清。

( 2 )

式中:T表示總時(shí)段數(shù);L、G分別表示負(fù)荷用戶(hù)總數(shù)和發(fā)電機(jī)組總數(shù);qload(l,t)、qgen(g,t)分別表示在時(shí)段t負(fù)荷l和發(fā)電機(jī)組g出清的電量;B、C分別表示用電收益和發(fā)電成本;Cstart為所有機(jī)組在指定時(shí)段內(nèi)的啟動(dòng)成本總和。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行約束

2.2.1 系統(tǒng)供需平衡約束

在不考慮網(wǎng)損的情況下，任意時(shí)段內(nèi)，發(fā)電機(jī)組的出清電量都應(yīng)該等于用電負(fù)荷的出清電量。

( 3 )

式中:λ(t)表示系統(tǒng)供需平衡的影子價(jià)格。

2.2.2 線(xiàn)路傳輸容量約束

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)潮流規(guī)律，各節(jié)點(diǎn)分布在線(xiàn)路上的潮流總和不能超過(guò)該條線(xiàn)路的最大傳輸容量。

( 4 )

( 5 )

2.2.3 機(jī)組發(fā)電能力約束

機(jī)組若處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，則在一定范圍內(nèi)出力。

( 6 )

( 7 )

2.2.4 負(fù)荷用電能力約束

負(fù)荷側(cè)負(fù)荷的出清電量不超過(guò)其申報(bào)電量的極值。

ζ(t):qload(l,t)≤Qload(l)

( 8 )

式中:Qload(l)表示負(fù)荷l申報(bào)電量的最大值，可視為負(fù)荷實(shí)際用電能力;ζ(t)表示負(fù)荷用電能力約束的影子價(jià)格。

2.2.5 機(jī)組爬坡、滑坡約束

機(jī)組連續(xù)調(diào)整功率的速度有一定的限制。

( 9 )

( 10 )

2.2.6 虛擬投標(biāo)比例約束

市場(chǎng)成員申報(bào)合同中，虛擬投標(biāo)的電量不能超過(guò)實(shí)際負(fù)荷一定的比例。

Qv(t)≤Qr(t)×θ

( 11 )

式中:Qv(t)表示市場(chǎng)成員參與日前市場(chǎng)競(jìng)價(jià)時(shí)，在時(shí)段t的虛擬投標(biāo)電量;Qr(t)表示在時(shí)段t的實(shí)際負(fù)荷需求或發(fā)電能力;θ為預(yù)設(shè)的最大比例。

2.2.7 機(jī)組啟停約束

因大功率機(jī)組開(kāi)機(jī)成本比較高，在安排機(jī)組啟停計(jì)劃時(shí)，要限定機(jī)組最小連續(xù)開(kāi)機(jī)時(shí)間。

( 12 )

式中:M1(t)表示機(jī)組在時(shí)段t的開(kāi)機(jī)指令;M0(t)表示機(jī)組在時(shí)段t的關(guān)機(jī)指令，兩者皆為0/1值。約束定義為，一旦機(jī)組有開(kāi)機(jī)信號(hào)，則在規(guī)定的n個(gè)時(shí)段內(nèi)不能關(guān)機(jī)。

3 電價(jià)計(jì)算

3.1 節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)

節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)(locational marginal pricing,LMP)描述的是在給定的條件下，系統(tǒng)內(nèi)指定節(jié)點(diǎn)增加一單位的負(fù)荷，全系統(tǒng)所增加的最小生產(chǎn)成本。它考慮了完備的發(fā)、輸、用電約束，能夠較好地衡量當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)下資源的價(jià)值。

根據(jù)上述的多時(shí)段電能市場(chǎng)出清優(yōu)化模型，在暫不考慮虛擬投標(biāo)的情況下，可根據(jù)卡羅需-庫(kù)恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)條件，構(gòu)造拓展的拉格朗日函數(shù)，見(jiàn)式(13):

( 13 )

對(duì)其求節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的偏導(dǎo)，即可得到該情形下，目標(biāo)函數(shù)基于節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的單位變化率，見(jiàn)式(14)。對(duì)于一個(gè)雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)，參與報(bào)價(jià)的負(fù)荷用戶(hù)可以視為一個(gè)申報(bào)發(fā)電能力為負(fù)的發(fā)電機(jī)組，則原目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為社會(huì)福利最大化，見(jiàn)式(2)，可視為發(fā)電總量為0的正、負(fù)發(fā)電機(jī)組的最小發(fā)電成本。則社會(huì)福利基于節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的單位變化率，就是指定節(jié)點(diǎn)每增加一單位負(fù)荷，全系統(tǒng)增加的發(fā)電成本。這與節(jié)點(diǎn)電價(jià)中價(jià)格等于該情形下的系統(tǒng)微增成本的定義是相符合的。所以在雙側(cè)報(bào)量報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)中，節(jié)點(diǎn)電價(jià)的定義及計(jì)算原理也是直接適用的。

( 14 )

在不考慮網(wǎng)損時(shí)，雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)價(jià)格，可由以上兩部分構(gòu)成，第1部分是電能價(jià)格分量，第2部分是阻塞分量。

3.2 負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格

為了滿(mǎn)足電力市場(chǎng)穩(wěn)定性，過(guò)渡階段采取負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一電價(jià)的方式。可以利用如下的方式修正各節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸線(xiàn)路的潮流轉(zhuǎn)移因子;N為節(jié)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

( 15 )

式中:ω表示修正過(guò)程中的權(quán)重；F0(n,c)表示由線(xiàn)路本身拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算得來(lái)的原始潮流轉(zhuǎn)移因子；F1(n,c)表示修正過(guò)后的潮流轉(zhuǎn)移因子;N為節(jié)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

令權(quán)重因子ω(n,c)等于線(xiàn)路c上傳輸總功率來(lái)自于節(jié)點(diǎn)n的凈負(fù)荷潮流轉(zhuǎn)移的比重。該情形下，所有節(jié)點(diǎn)對(duì)某一指定線(xiàn)路有著同樣的潮流轉(zhuǎn)移因子。

( 16 )

式中：qn,k(n)為節(jié)點(diǎn)n上的凈負(fù)荷。

在該修正方式下，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各線(xiàn)路的阻塞情況進(jìn)行了加權(quán)折算，式(14)中各節(jié)點(diǎn)潮流轉(zhuǎn)移因子分量相等，可以視為所有的實(shí)際物理節(jié)點(diǎn)都折算到了統(tǒng)一的“虛擬負(fù)荷中心節(jié)點(diǎn)”，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格。需要說(shuō)明的是，此處提到的折算方法，可視為一種數(shù)學(xué)上的等價(jià)手段，并且在電力市場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，“虛擬負(fù)荷中心節(jié)點(diǎn)”會(huì)隨著市場(chǎng)邊界條件等因素動(dòng)態(tài)變化，但隨著電力系統(tǒng)拓?fù)湟约熬€(xiàn)路潮流的確定，總是能根據(jù)式(15)、(16)求得“中心節(jié)點(diǎn)”。對(duì)于市場(chǎng)用戶(hù)而言，每個(gè)時(shí)段“中心節(jié)點(diǎn)”位置的變化并不影響申報(bào)，例如對(duì)于省級(jí)市場(chǎng)而言，總是可以視為申報(bào)在省網(wǎng)中心。

4 算例分析

本文基于PJM-ISO5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，構(gòu)建如圖3所示的簡(jiǎn)化模型，機(jī)組、負(fù)荷報(bào)價(jià)數(shù)值根據(jù)通用的實(shí)際電力市場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)折算。其中節(jié)點(diǎn)C為參考節(jié)點(diǎn)，各發(fā)電機(jī)組的物理參數(shù)信息見(jiàn)表1，其余算例基本信息見(jiàn)附表A1—A4。

表1 發(fā)電機(jī)組物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of generators

表A1 發(fā)電機(jī)組分段報(bào)價(jià)表(以時(shí)段37為例)Table A1 Quotation list of units(taking period 37 as an example)

表A2 用電負(fù)荷分段報(bào)價(jià)表(以時(shí)段37為例)Table A2 Quotation list of electrical load (taking period 37 as an example)

表A3 線(xiàn)路物理參數(shù)Table A3 Line physical parameters

表A4 潮流轉(zhuǎn)移因子Table A4 Power flow transfer factor

圖3 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型Fig.3 5-node system model

以雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)中，一個(gè)交易日內(nèi)的96時(shí)段出清及電價(jià)計(jì)算作為算例基礎(chǔ)，選取其中若干個(gè)時(shí)段作為典型場(chǎng)景，對(duì)比分析其電能價(jià)格相對(duì)于單側(cè)報(bào)價(jià)呈現(xiàn)的特點(diǎn)。

5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在日前市場(chǎng)中的電力出清情況及負(fù)荷用戶(hù)總電力申報(bào)情況如圖4所示，機(jī)組啟停計(jì)劃見(jiàn)附表B1。

表B1 機(jī)組組合結(jié)果Table B1 Unit Commitment

圖4 一個(gè)完整交易日內(nèi)的系統(tǒng)負(fù)荷情況Fig.4 System load in a full trading day

4.1 場(chǎng)景1(線(xiàn)路阻塞)

時(shí)段36(即08:45—09:00)內(nèi)的供需寬松，可以視為一個(gè)典型的無(wú)阻塞場(chǎng)景。該場(chǎng)景下，機(jī)組出力安排遵循價(jià)低者優(yōu)先的原則，不受線(xiàn)路潮流約束的影響，出力結(jié)果如表2所示。此時(shí)系統(tǒng)中的阻塞價(jià)格為0，節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)完全由系統(tǒng)電能價(jià)格決定。此時(shí)機(jī)組5作為邊際機(jī)組，該時(shí)段的系統(tǒng)電能價(jià)格即為機(jī)組5在該出力段的報(bào)價(jià)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)相等。該場(chǎng)景下，負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員申報(bào)的電量均在日前市場(chǎng)出清。

表2 無(wú)阻塞時(shí)段機(jī)組出力結(jié)果Table 2 Unit output in non-blocking period

如表3所示，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)不存在線(xiàn)路阻塞時(shí)，雙側(cè)報(bào)價(jià)與單側(cè)報(bào)價(jià)的區(qū)別并不會(huì)對(duì)日前市場(chǎng)的出清與電價(jià)產(chǎn)生影響。負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格時(shí)，發(fā)電側(cè)的價(jià)格仍按照節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)上的發(fā)電價(jià)格與雙側(cè)報(bào)價(jià)均以節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算時(shí)一致，不再單獨(dú)列出，下同。

表3 無(wú)阻塞時(shí)段下的電價(jià)Table 3 Electricity price in non-blocking period 元/(MW·h)

時(shí)段49(即12:00—12:15)處于最為顯著的用電高峰，供需偏緊，可以視為一個(gè)典型的有阻塞場(chǎng)景。如圖5所示，該場(chǎng)景下，由于各用電負(fù)荷需求量較大，線(xiàn)路DE滿(mǎn)載，潮流方向由節(jié)點(diǎn)E到節(jié)點(diǎn)D，制約了發(fā)電成本更低的機(jī)組5的出力能力，成本較高的機(jī)組3為邊際機(jī)組，如表4所示。輸電容量約束對(duì)負(fù)荷的制約體現(xiàn)為，節(jié)點(diǎn)D的電價(jià)顯著高于其他節(jié)點(diǎn)，旨在引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)D處的負(fù)荷在該時(shí)段削減用電，以消除線(xiàn)路阻塞。該場(chǎng)景下，主動(dòng)參與負(fù)荷側(cè)報(bào)價(jià)的負(fù)荷用戶(hù)受困于阻塞帶來(lái)的電價(jià)上漲，其申報(bào)的電量不能都在日前市場(chǎng)出清。

表4 有阻塞時(shí)段機(jī)組出力結(jié)果Table 4 Unit output in blocking period

圖5 時(shí)段49時(shí)系統(tǒng)潮流圖Fig.5 Power flow chart at Period 49

如表5所示，相較于雙側(cè)報(bào)價(jià)，單側(cè)報(bào)價(jià)的日前電能市場(chǎng)中的用電負(fù)荷表現(xiàn)為剛性需求，不受電價(jià)高低的影響，負(fù)荷側(cè)不能主動(dòng)參與定價(jià)的過(guò)程，所以當(dāng)阻塞產(chǎn)生時(shí)，在日前市場(chǎng)中出現(xiàn)了顯著升高的電價(jià)。在過(guò)渡態(tài)采用負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格時(shí)，雖能在一定程度上反映市場(chǎng)主體的主動(dòng)參與競(jìng)爭(zhēng)的能力，但同時(shí)存在著部分節(jié)點(diǎn)上的用戶(hù)因“政策性保護(hù)”而享有著低廉電價(jià)的現(xiàn)象。在雙側(cè)報(bào)價(jià)市場(chǎng)建設(shè)更為成熟的階段，采用例如節(jié)點(diǎn)電價(jià)等有著區(qū)分度的定價(jià)方法，能更好地反映阻塞產(chǎn)生的原因及影響。

表5 有阻塞時(shí)段下的電價(jià)Table 5 Electricity price in blocking period 元/(MW·h)

以上2個(gè)典型場(chǎng)景可以論證，無(wú)論是雙側(cè)報(bào)價(jià)還是單側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)，在大多數(shù)場(chǎng)景下都能憑借節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格較好地反映資源的稀缺價(jià)值，自動(dòng)出清那些報(bào)價(jià)低的發(fā)電機(jī)組。特別是對(duì)于供需寬松的無(wú)約束場(chǎng)景，雙側(cè)報(bào)價(jià)和單側(cè)報(bào)價(jià)的日前電能市場(chǎng)有著同樣的出清結(jié)果及電價(jià)。此時(shí)市場(chǎng)價(jià)格代表當(dāng)前供需平衡的情形下每增加一單位的出力，邊際機(jī)組新增的發(fā)電成本。

對(duì)于負(fù)荷用電量較大，并且存在線(xiàn)路約束的場(chǎng)景，雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)能夠體現(xiàn)電力用戶(hù)主動(dòng)參與定價(jià)過(guò)程的能力。雙側(cè)報(bào)價(jià)在一定程度上保證了日前市場(chǎng)價(jià)格不會(huì)超過(guò)電力用戶(hù)預(yù)期的最大值，對(duì)于那些用電收益低、并處于地緣劣勢(shì)的負(fù)荷，難以在日前市場(chǎng)中標(biāo)全部申報(bào)的電量，出清結(jié)果能指引其及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃；對(duì)于那些發(fā)電成本較高的發(fā)電機(jī)組，如算例中的機(jī)組4，即使選址合理，與大負(fù)荷用戶(hù)同處一個(gè)節(jié)點(diǎn)，但因發(fā)電成本較高，在雙側(cè)報(bào)價(jià)的模式下全時(shí)段都未曾獲得開(kāi)機(jī)機(jī)會(huì)。雙側(cè)報(bào)價(jià)的市場(chǎng)模式實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員提高生產(chǎn)效率的功能與作用，并能引導(dǎo)大規(guī)模用戶(hù)正確選址。

4.2 場(chǎng)景2(共謀報(bào)價(jià))

機(jī)組5根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)與預(yù)測(cè)值，判斷時(shí)段65(即16:00—16:15)內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷需求量較大，且自身在機(jī)組啟停安排中會(huì)處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，遂聯(lián)合機(jī)組3、4共同抬高報(bào)價(jià)，自身在低出力段不調(diào)整報(bào)價(jià)以保證啟停計(jì)劃不受影響，以實(shí)現(xiàn)抬高出清電價(jià)，獲得超額經(jīng)濟(jì)收益的目的，該時(shí)段可視為一個(gè)典型的存在共謀報(bào)價(jià)的場(chǎng)景。各機(jī)組在該時(shí)段的報(bào)價(jià)情況如表6所示，數(shù)字后的“+”表示機(jī)組在該出力段參與共謀報(bào)價(jià)。為了直觀體現(xiàn)負(fù)荷側(cè)放開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)主體數(shù)目給全系統(tǒng)電價(jià)帶來(lái)的影響，以下不再列出負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格的情形。

表6 存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)各機(jī)組申報(bào)價(jià)格Table 6 Declared price of each unit in case of collusion in quotation 元/(MW·h)

實(shí)際電力市場(chǎng)建設(shè)中參與負(fù)荷側(cè)報(bào)價(jià)的負(fù)荷用戶(hù)比例的放開(kāi)，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，在改革初期只選定大負(fù)荷用戶(hù)擁有報(bào)價(jià)權(quán)。本文以該模型中的3個(gè)負(fù)荷側(cè)用戶(hù)逐步擁有報(bào)價(jià)權(quán)作為模擬，稱(chēng)無(wú)電力用戶(hù)參與時(shí)為單側(cè)報(bào)價(jià)，稱(chēng)一個(gè)以上電力用戶(hù)參與時(shí)為雙側(cè)報(bào)價(jià)。

該時(shí)段下的電價(jià)如圖6所示。在單側(cè)報(bào)價(jià)的模式下，若存在發(fā)電商共謀報(bào)價(jià)，市場(chǎng)價(jià)格會(huì)嚴(yán)重受到發(fā)電商市場(chǎng)力的影響而處于一個(gè)特別高的位置；當(dāng)負(fù)荷用戶(hù)參與報(bào)價(jià)，市場(chǎng)則可以自發(fā)地憑借其調(diào)節(jié)機(jī)制，降低市場(chǎng)價(jià)格受共謀報(bào)價(jià)的影響，并隨著參與報(bào)價(jià)的負(fù)荷用戶(hù)數(shù)目的增加，發(fā)電商的市場(chǎng)力逐步降低。總的來(lái)說(shuō)，雙側(cè)報(bào)價(jià)模式下的電能市場(chǎng)通過(guò)發(fā)揮負(fù)荷側(cè)市場(chǎng)成員對(duì)市場(chǎng)價(jià)格的主動(dòng)參與能力，降低在日前市場(chǎng)的出清電量，使得發(fā)電商共謀報(bào)價(jià)的出力段不易中標(biāo)，來(lái)保證市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)仍處于相對(duì)合理的區(qū)間，不同市場(chǎng)模式下各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)變化情況如表7所示。

圖6 存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)節(jié)點(diǎn)A的電價(jià)Fig.6 The price of node A in the presence of collusion in quotation

表7 存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)節(jié)點(diǎn)電價(jià)變化情況Table 7 The change of node price in the presence of collusion in quotation

值得注意的是，由于優(yōu)化目標(biāo)為全局最優(yōu)，可能會(huì)出現(xiàn)局部次優(yōu)解的情況。不存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)，在雙側(cè)報(bào)價(jià)模式下的機(jī)組啟停計(jì)劃中，為了追求全時(shí)段社會(huì)收益最大化，申報(bào)電價(jià)相對(duì)較低的機(jī)組3也會(huì)在時(shí)段65處于關(guān)停狀態(tài)；而在單側(cè)報(bào)價(jià)模式的啟停計(jì)劃中，機(jī)組3處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組3的出力不僅緩解了線(xiàn)路阻塞，而且使得系統(tǒng)電能價(jià)格降低，最終體現(xiàn)為不存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)，全部節(jié)點(diǎn)都有著相較于雙側(cè)報(bào)價(jià)模式更低的電價(jià)。不同報(bào)價(jià)模式下的市場(chǎng)出清都遵循全局最優(yōu)的原則，因機(jī)組啟停計(jì)劃等因素造成的某個(gè)時(shí)段電價(jià)差異是合理的。本文在此場(chǎng)景下關(guān)注的重點(diǎn)在于，相比單側(cè)報(bào)價(jià)模式，逐步放開(kāi)負(fù)荷側(cè)競(jìng)爭(zhēng)的雙側(cè)報(bào)價(jià)模式能有效遏制發(fā)電商市場(chǎng)力，從而控制市場(chǎng)價(jià)格的波動(dòng)范圍，故不再對(duì)單側(cè)報(bào)價(jià)、雙側(cè)報(bào)價(jià)的初始電價(jià)差異深入討論。

此外，由于共謀報(bào)價(jià)的發(fā)電機(jī)組在日前市場(chǎng)的出清電量下降，其總發(fā)電收益反而可能會(huì)減少。共謀報(bào)價(jià)行為抬高的市場(chǎng)價(jià)格給其他遵守市場(chǎng)規(guī)則的發(fā)電機(jī)組帶來(lái)了額外收益，如表8所示。

表8 存在共謀報(bào)價(jià)時(shí)各機(jī)組收益Table 8 Revenue of each unit in case of collusion in quotation 元

電力行業(yè)中若缺少競(jìng)爭(zhēng)，則會(huì)出現(xiàn)寡頭利用市場(chǎng)力共謀控制電價(jià)的現(xiàn)象。負(fù)荷側(cè)參與競(jìng)爭(zhēng)的雙側(cè)報(bào)價(jià)模式下，負(fù)荷用戶(hù)對(duì)于用電價(jià)值的衡量有個(gè)預(yù)期的上限，若發(fā)電機(jī)組共謀報(bào)高價(jià)，會(huì)造成兩敗俱傷的局面，負(fù)荷用戶(hù)無(wú)法在日前市場(chǎng)獲得足額的電量，發(fā)電機(jī)組的中標(biāo)發(fā)電量也相應(yīng)減少；當(dāng)前的市場(chǎng)規(guī)則規(guī)定，對(duì)于發(fā)電機(jī)組而言，在實(shí)時(shí)市場(chǎng)的報(bào)價(jià)不能高于其在日前市場(chǎng)的報(bào)價(jià)，并且同時(shí)還要考慮金融市場(chǎng)帶來(lái)的沖擊，共謀報(bào)價(jià)的機(jī)組難以如預(yù)期中獲得超額收益，從而通過(guò)機(jī)制本身降低了發(fā)電機(jī)組嘗試共謀報(bào)價(jià)的概率。遵守市場(chǎng)規(guī)則的發(fā)電機(jī)組可能會(huì)因?yàn)槠渌麢C(jī)組的共謀報(bào)價(jià)行為而獲得額外收益，這就實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)相容，鼓勵(lì)各機(jī)組均依成本報(bào)價(jià)。

4.3 場(chǎng)景3(虛擬負(fù)荷投標(biāo))

在時(shí)段80(即19:45—20:00)，可以視為一個(gè)典型的考慮虛擬負(fù)荷投標(biāo)的場(chǎng)景。為了簡(jiǎn)便說(shuō)明，假設(shè)在該場(chǎng)景下，有著實(shí)際用電需求的負(fù)荷3作為唯一參與虛擬投標(biāo)的市場(chǎng)主體。根據(jù)虛擬投標(biāo)的相關(guān)規(guī)定，負(fù)荷3可以在系統(tǒng)內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)位置，以發(fā)電機(jī)組或用電負(fù)荷的方式進(jìn)行虛擬投標(biāo)。此時(shí)，線(xiàn)路DE上的潮流達(dá)到了所能承受的最大限值，潮流方向?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)E到節(jié)點(diǎn)D。結(jié)合此時(shí)段的潮流特點(diǎn)，負(fù)荷3選擇將虛擬投標(biāo)申報(bào)在其本身所在節(jié)點(diǎn)D，如圖7所示。

圖7 負(fù)荷3參與虛擬投標(biāo)Fig.7 Load 3 participates in virtual bidding

在日前市場(chǎng)的出清階段，虛擬投標(biāo)與物理投標(biāo)具有無(wú)差異性，這意味著對(duì)于市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)而言，對(duì)市場(chǎng)投標(biāo)出清時(shí)不對(duì)投標(biāo)的屬性加以物理或金融上的區(qū)分。從系統(tǒng)層面來(lái)看，當(dāng)虛擬投標(biāo)于節(jié)點(diǎn)D以用電負(fù)荷的形式參與時(shí)，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)D的凈負(fù)荷需求增加，本就存在阻塞的線(xiàn)路阻塞情況加重；當(dāng)虛擬投標(biāo)以發(fā)電機(jī)組的形式參與時(shí)，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)D的凈負(fù)荷需求下降，線(xiàn)路阻塞情況得到一定程度的緩解，此時(shí)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的邊際電價(jià)降低，不同虛擬投標(biāo)策略下的電價(jià)如表9所示。適應(yīng)當(dāng)前潮流特點(diǎn)的虛擬投標(biāo)策略，能夠使得指定節(jié)點(diǎn)的日前市場(chǎng)電價(jià)降低，參與虛擬投標(biāo)的市場(chǎng)成員獲得了可能獲利的空間。這就激勵(lì)了市場(chǎng)成員主動(dòng)參與虛擬投標(biāo)，在規(guī)則準(zhǔn)許的范圍內(nèi)顯著提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與市場(chǎng)效率。

表9 不同虛擬投標(biāo)比例下的日前市場(chǎng)電價(jià)Table 9 Day-ahead electricity price with different proportion of virtual bidding 元/(MW·h)

對(duì)于能夠降低目標(biāo)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的虛擬投標(biāo)策略，負(fù)荷3在對(duì)應(yīng)情形下的總購(gòu)電成本如表10所示。可以看出，總購(gòu)電費(fèi)用并不隨虛擬投標(biāo)的比例增加而單調(diào)遞減，一味地通過(guò)降低目標(biāo)節(jié)點(diǎn)日前市場(chǎng)價(jià)格的投標(biāo)方式，并不能總是帶來(lái)更大的收益。

表10 負(fù)荷3于不同虛擬投標(biāo)比例下的購(gòu)電費(fèi)用Table 10 Power purchase cost of load 3 with different proportion of virtual bidding 元

虛擬投標(biāo)建立在雙側(cè)報(bào)價(jià)的基礎(chǔ)上。虛擬投標(biāo)不受機(jī)組爬坡、滑坡等物理約束的影響，在時(shí)間與空間上都有著更強(qiáng)的自由度。此外，還能引入純金融性資本，有利于擴(kuò)大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主體的范圍。虛擬投標(biāo)增強(qiáng)了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性，通過(guò)充足的價(jià)格博弈，讓電價(jià)回歸真實(shí)價(jià)格。為了避免過(guò)度投機(jī)現(xiàn)象，保持能源的理性，還應(yīng)對(duì)虛擬投標(biāo)加以適當(dāng)?shù)募s束，例如對(duì)于那些有著實(shí)際負(fù)荷需求的市場(chǎng)成員，可以設(shè)置其真實(shí)電量需求的10%作為虛擬投標(biāo)的容量閾值，以保證大部分電量仍在日前市場(chǎng)出清。在實(shí)際電力金融市場(chǎng)中，仍需對(duì)該值進(jìn)行嚴(yán)密測(cè)算。算例驗(yàn)證了市場(chǎng)主體可以通過(guò)虛擬投標(biāo)策略獲得額外收益，適當(dāng)?shù)募s束不會(huì)過(guò)多限制市場(chǎng)主體的盈利能力，并能保證市場(chǎng)價(jià)格處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

基于對(duì)現(xiàn)有電力市場(chǎng)出清與定價(jià)機(jī)制的研究，建立了一個(gè)雙側(cè)報(bào)量報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)出清模型。通過(guò)算例驗(yàn)證，相對(duì)于單側(cè)報(bào)價(jià)的市場(chǎng)模式而言，負(fù)荷側(cè)參與報(bào)價(jià)，可以體現(xiàn)負(fù)荷用戶(hù)靈活用電的選擇權(quán)與價(jià)格意愿，有利于提升電力系統(tǒng)整體效率和全社會(huì)收益，作為從單側(cè)市場(chǎng)到雙側(cè)市場(chǎng)建設(shè)的過(guò)渡態(tài)，負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格的定價(jià)模式亦能有效促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。此外，雙側(cè)報(bào)價(jià)市場(chǎng)的建立，是金融市場(chǎng)發(fā)展的前提與基礎(chǔ)，是對(duì)不平衡電量的全面競(jìng)爭(zhēng)，能夠更好地發(fā)現(xiàn)資源應(yīng)有的價(jià)值，引導(dǎo)電價(jià)最終處于合理的位置。

利用本文建立的5節(jié)點(diǎn)模型，能夠直接進(jìn)行雙側(cè)報(bào)價(jià)的電能市場(chǎng)相關(guān)流程計(jì)算。盡管本文的研究規(guī)模較小，但對(duì)市場(chǎng)在該模式下運(yùn)行效果的定量分析、對(duì)市場(chǎng)模式轉(zhuǎn)變過(guò)程中過(guò)渡態(tài)的探索，都能夠?yàn)槲覈?guó)當(dāng)前電力現(xiàn)貨市場(chǎng)從單側(cè)報(bào)價(jià)向雙側(cè)報(bào)價(jià)的建設(shè)提供一種理論依據(jù)。模型中引入的虛擬投標(biāo)及其相關(guān)討論研究，有利于我國(guó)電力金融市場(chǎng)的建設(shè)。

僅憑報(bào)價(jià)方式的轉(zhuǎn)變，并不能從根本上消除市場(chǎng)力，市場(chǎng)平穩(wěn)運(yùn)行仍離不開(kāi)有效的市場(chǎng)監(jiān)管。研究適用于我國(guó)雙側(cè)報(bào)價(jià)的電力市場(chǎng)定價(jià)方法，還需結(jié)合負(fù)荷用戶(hù)對(duì)于不同節(jié)點(diǎn)的電價(jià)差異接受程度較低這一實(shí)際情況。在我國(guó)電力市場(chǎng)改革的當(dāng)前階段，考慮將負(fù)荷側(cè)負(fù)荷折算到一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)形成負(fù)荷側(cè)統(tǒng)一價(jià)格的方法，能夠有助于平穩(wěn)推進(jìn)負(fù)荷側(cè)參與市場(chǎng)的改革，對(duì)于申報(bào)價(jià)格與結(jié)算價(jià)格存在的不匹配現(xiàn)象是當(dāng)下研究的重點(diǎn)內(nèi)容。在更為完整的電力市場(chǎng)中，不僅是電能價(jià)格，對(duì)旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)頻等輔助服務(wù)進(jìn)行定價(jià)研究，仍需要廣大科研工作者不斷探索。