基于多輪出清方法的日前市場出清機制研究

宋瑜輝，劉 煜，荊朝霞，劉潤澤，黃寧馨

（1.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640；2.國網紹興供電公司，浙江紹興 312000）

《關于深化電力現貨市場建設試點工作的意 見》的印發標志著我國電力現貨市場建設已進入深入推進推廣階段[1]。日前市場是電力現貨市場建設的關鍵環節，旨在通過日前市場價格信號引導電力資源優化配置，同時合理安排日前開機方式保障系統實時穩定運營[2-3]。目前，國內關于日前市場的研究集中在兩個方面：外國典型國家的現貨市場建設經驗總結[4-5]以及國內日前市場建設的探索、設計和改進[6-9]。相關研究較少關注日前市場價格的形成機制。

市場均衡作為日前市場設計的核心，日前市場價格需由供需雙方共同決定?，F階段，我國部分現貨試點省份允許用戶側進入日前市場，但日前市場購電需求是采用負荷預測數據[10-11]，導致日前市場出清價格未真實反映市場供需，價格信號難以引導資源優化配置。紐約是美國最早開展電力市場改革的地區之一，現貨市場已運行多年。紐約日前市場開展多輪出清計算，每次計算完成特定市場目標，其日前市場出清價格可真實反映市場供需，開機方式安排滿足運行日負荷需求[12]，這對我國日前市場建設具有極高的借鑒意義。

1 廣東電力日前市場問題分析

日前市場組織流程從市場主體報價開始到日前市場發電計劃編制結束。以廣東電力為例，文中從報價機制設計、市場出清兩個方面分析我國部分現貨試點省份[10-11]日前市場建設存在的問題。

在報價機制設計方面，發電側在其最小技術出力基礎上提交增量電能量成本報價及啟動成本報價；用戶側采用“報量不報價”的方式提交其購電需求；在市場出清方面，調度機構以負荷預測值作為日前市場購電需求，進行機組組合和經濟調度，以獲得日前市場出清結果，其中，用戶側申報量僅用于日前市場結算，而不進行出清[12]。圖1 為日前市場報價及出清示意圖，圖中QB、QF、PF、PB分別為日前市場用戶側申報量、負荷預測值、日前市場出清價格、市場均衡價格。

鑒于機組實際運行成本除啟動成本、增量電能量成本外還包含空載成本[13]，而機組報價方式不包含空載成本報價，機組為實現其空載成本回收，需將空載成本計入增量電能量成本報價，報價偏離發電邊際成本的程度較大，無法激勵機組按成本進行報價，最終日前市場價格也難以正確反映系統的實際供電增量成本。在圖1 中，計入空載成本后的增量電能量成本報價曲線明顯高于實際發電邊際成本曲線。

日前市場采用負荷預測數據進行出清，導致市場出清價格未完全反映購售雙方主體的真實供需關系。在圖1 中，日前市場出清價格為PF，并非市場均衡價格PB。同時，用戶側申報需求在日前市場結算，造成日前市場存在結算不平衡資金，通過式（1）表示：

圖1 日前市場報價及出清方式示意圖

式中，RU、RG、RD分別為日前市場結算不平衡資金、發電側日前市場電能量收入、用戶側日前市場電能量電費。

要從根本上解決上述問題，需進一步完善日前市場報價機制及出清機制。

2 紐約日前市場出清框架

紐約日前市場出清框架包括市場主體報價及日前市場出清這兩部分。

2.1 市場主體報價機制設計

發電側在紐約日前市場采用三部制報價[14]，以反映機組各項運行成本，申報內容包括啟動成本報價、空載成本報價、增量電能量成本報價。如圖2 所示，其中灰色面積為空載成本報價。在三部制報價機制下，發電側的各項成本可通過對應報價內容反映，機組基于成本進行報價可完全覆蓋其各項運行成本，利于擴大市場電力資源優化配置空間。用戶側在日前市場提交報價包括固定報價及價格敏感型報價，其中，固定報價僅提交電量，不申報價格，優先出清；價格敏感型報價為單調遞減報價，反映用戶在不同日前市場出清價格下的意愿購電量。

圖2 三部制報價示意圖

2.2 日前市場出清機制設計

紐約日前市場出清以總報價成本最小化為目標，滿足以下要求：①日前市場出清滿足用戶側申報需求；②提供充裕發電容量，滿足負荷預測及輔助服務需求。為實現上述要求，紐約日前市場進行兩次安全約束機組組合(Security Constrained Unit Commitment，SCUC)、兩次安全約束經濟調度(Security Constrained Economic Dispatch，SCED)，每次計算都為完成特定的市場目標，每輪計算結果都為后續計算提供基礎[14-15]，如圖3 所示。

圖3 紐約日前市場多輪出清流程

第一次機組組合的計算旨在最小化總報價成本，以滿足用戶側申報需求，啟動機組集合1μ′，但不進行日前市場定價和結算，為日前市場預出清；鑒于第一次機組組合確定的開機方式是基于用戶側申報需求，申報需求與負荷預測存在偏差，因此僅依靠第一次機組組合獲得的開機方式可能無法滿足部分時段的實際負荷預測，為此需在機組集合1μ′開機方式基礎上，進行第二次機組組合，稱為“可靠性機組組合”。通過新增機組集合2μ*提供額外發電容量，以滿足負荷預測與第一次機組組合預出清電量間的偏差；第一次經濟調度計算在確定機組集合1μ′、機組集合2μ*的開機方式情況下，進行能量-輔助服務聯合優化，以滿足負荷預測及輔助服務需求，并確定各機組的輔助服務提供量；第二次經濟調度旨在確定各機組的日前市場電能量中標量及日前市場出清價格，在該過程中，將機組集合2μ*調整至最小出力，重新調整機組集合1μ′的出力，以滿足剩余用戶側申報需求，并最終確定日前電能量市場出清結果。

綜上所述，紐約日前市場出清結果基于用戶側申報數據，出清價格反映市場供需關系。同時，日前市場為滿足負荷預測需求進行可靠性機組組合，保障系統可用發電容量的充裕性，實現電力系統穩定運行。

3 紐約日前市場出清模型

3.1 第一次機組組合計算

第一次機組組合是在滿足各項安全約束條件下，以總供電成本最小為原則滿足用戶側申報需求。

1）目標函數

式中，F1為第一次機組組合的總社會福利，可表示為負荷總用電效益與機組總供電成本之差；G、D分別代表市場中機組集合、負荷集合；si,t、μi,t分別為時段t機組i的啟動變量、啟停狀態，都為0 或1 的變量(si,t為1 表明機組發生啟動動作，si,t為0 表明機組未發生啟動動作；μi,t為1 表明機組處于開機狀態，μi,t為0 表明機組處于停機狀態)；為t時段機組i的最小技術出力；分別為機組i的空載成本、啟動成本；Ci,t(Pi,t)為機組i在t時段出清電量為Pi,t時對應其報價曲線的價格；Bj,t(Qj,t)為負荷j在時段t出清電量為Qj,t時對應其報價曲線的價格；T為日前市場出清優化時段集合。

2）系統供需平衡約束

供需平衡約束需反映購售雙方的供需關系情況，如下式所示：

3）機組運行約束

機組運行約束如下：

4）網絡約束

網絡約束如下：

式中，為線路l的潮流傳輸極限；Gl-i、Gl-j均為機組i、負荷j所在節點對線路l的發電轉移分布因子。

由此獲得機組集合1μ′在各時段的開機狀態和預出清電量。

3.2 第二次機組組合計算

可靠性機組組合計算旨在新增機組為系統提供充裕發電容量，以滿足負荷預測需求。現貨市場運營機構通過購買機組啟停服務提供可用發電容量，以最小化市場主體承擔的與系統可靠性相關的費用，為此，該次機組組合以新增機組的空載成本和啟動成本最小化為目標[12，16]。

1）目標函數

目標函數雖為最小化新開機組的空載成本、啟動成本，但市場運營機構會對機組的增量電能量成本報價乘以一個極小調整參數，并將調整后的報價數據計入目標函數，以避免增量電能量成本報價數據對優化目標造成過大影響。在目標函數中，考慮電能量報價數據，為方便第二次機組組合進行阻塞管理，保證在正確的位置新開機組，也防止對可用發電容量的無規則調用[16]。

式中，F2為第二次機組組合中新增機組的總啟停成本與空載成本之和；分別為時段t新開機組i的啟停狀態、啟動變量，都為0或1的變量；α為調整參數。

2）必開機組約束

將機組μ*設為必開機組，且出力不能低于日前市場預出清電量，約束如下：

3）系統功率平衡約束

為保障開機方式μ*和新增機組提供的可用發電容量滿足負荷預測需求，系統功率平衡約束如下：

式中，Dt為t時段的系統負荷預測值。

4）網絡約束

網絡約束如下：

式中，Gl-k為節點k對線路l的發電轉移分布因子，Dk,t為t時段節點k的負荷預測值，K為系統節點集合。

5）機組運行約束

機組運行約束滿足式（4）-（8）。

通過該次機組組合計算新增機組集合2μ*的開機狀態，根據兩次機組組合計算結果確定最終開機方式。

3.3 第一次經濟調度

1）目標函數

式中，F3為第一次經濟調度中系統總電能量成本與輔助服務成本之和。

2）約束條件

約束條件包括：①系統功率平衡約束，為式（14）；②網絡約束，為式（15）；③備用需求約束，為式（17）；④機組運行約束，在滿足式（5）-（8）的基礎上還需考慮機組能提供的10 min 備用、30 min 備用上限，為式（18），以及機組提供輔助服務后的出力上下限，為約束（19）；⑤機組的開機方式約束，為式（20）。

3.4 第二次經濟調度

將機組集合2μ*降至最小技術出力，以避免為滿足負荷預測需求而新增機組的出力對市場價格造成過大影響。剩余用戶側需求由機組集合μ′滿足，確定日前市場電能量中標結果及節點電價。

1）目標函數

式中，F4為第二次經濟調度的總社會福利，可表示為負荷總用電效益與機組總電能量成本之差。

2）約束條件

約束條件包括：①系統供需平衡約束，為式（3）；②網絡約束，為式（9）；③機組運行約束，除式（4）-（8）和（20）外，還包括機組集合2μ*的最小技術出力調整約束，為式（22）。

4 對中國電力市場建設的啟示

中國電力市場建設須結合國內實際情況，也需借鑒國外電力市場建設的先進經驗?，F階段，我國部分現貨試點省份的機組報價方式未反映其各項成本，市場價格未完全體現市場真實供需關系。紐約電力市場作為美國現有7 個相對獨立的電力市場之一，其日前市場建設的啟示表現在如下幾個方面：

1）報價機制設計需結合機組運行成本特性。機組實際運行成本包含啟動成本、空載成本、增量電能量成本，機組的報價機制設計需合理反映其各項成本，以避免報價在較大范圍偏離邊際成本，影響市場出清價格信號；同時便于市場運營機構根據機組申報的各項成本報價數據進行集中優化出清，擴大市場優化空間。

2）日前市場出清價格反映市場供需。日前市場采用用戶側申報需求進行出清，出清結果由市場供需主體共同決定，出清價格反映市場供需均衡。

3）日前市場需保障電力系統運行的可靠性。鑒于基于用戶側申報需求確定的第一次機組組合開機方式無法滿足負荷預測需求，為此，市場運營機構需代表全體用戶向發電側購買可用發電容量，以滿足負荷預測需求，進行可靠性機組組合。

5 結束語

文中針對我國部分現貨試點省份的日前市場報價機制和出清機制等方面存在的問題進行分析，研究其機制設計對市場運營結果造成的不利影響。在此基礎上，對紐約日前市場出清框架進行深入研究，并結合我國日前市場建設現狀，提出了對我國電力日前市場建設的啟示，即報價機制設計需結合機組運行成本特性，反映機組各項運行成本；日前市場出清結果需反映市場實際供需；日前市場開機方式需保證系統發電容量充裕度需求。

我國電力市場建設處于探索階段，中國電力市場建設須結合中國國情，也須借鑒國外電力市場建設先進經驗。美國不同地區的日前市場出清方式存在一定的差異，不同出清方式會對電力資源優化配置產生極大影響，為此通過系統仿真對比美國不同地區的日前市場出清方式對市場價格、系統總供電成本、機組開機方式等市場運營結果的影響是下一步研究的重點。