CN106469337A - 考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法。该方法根据电网中长期负荷预测的结果，确定容量市场运行周期内的峰值负荷水平，并根据系统的可靠性要求，确定全网各区域所需的容量需求。为了克服容量市场中由于跨区联络线阻塞导致容量无法调出的困难，将系统进行分区，并建立以总容量成本费用最小为目标的考虑分区容量需求平衡的容量市场优化模型。求解该优化模型得到最优的各分区容量购买量以及各分区容量平衡约束对应的乘子，该乘子表明了各分区的容量价格。本发明可以给出考虑跨区容量约束的分区容量价格，为容量市场提供价格信号，能通过市场手段引导电网投资，对电网中长期规划工作提供一定的参考。

Description

考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价 方法

技术领域

本发明涉及电力市场下考虑跨区联络线约束的中长期容量市场模型设计和定价方法，特别涉及考虑分区容量市场模型的建立和各个区域容量电价的制定。

背景技术

电力工业是经济社会发展的基础性行业，电力市场建设的根本出发点和落脚点是强化电力统筹规划和确保电力安全高效可靠运行，要实现上述目标，客观上要求设计体系完整、功能完善的电力市场，并建立相应的市场化交易机制。要强化电力统筹规划，就必须激励发电企业增加容量，保持适当的容量充裕度，确保电力长期可靠供应，要确保电力安全高效可靠运行，就必须激励市场主体共同确保电网安全稳定运行并获得合理回报，为此建立容量市场模型势在必行。

目前，容量市场的设计有以下几个出发点：一是用市场的办法获取足够的容量(包括机组的容量和需求侧的容量)，保证系统的可靠性。二是给出实现系统安全规划要求的价格信号，正确指导中长期的电力资源的退役和投资决策。在没有容量市场的情况下，仅仅依靠能量市场的所得，机组不一定能回收所有的成本(包括固定投资和运营成本)，特别是一些调峰机组，一年可能就运行不到100个小时。因为在市场竞争性很强的情况下，能量市场中的边际成本价格大多时候只能反映电力的边际运行成本，不体现固定投资成本。这就完全依赖能量市场中的短缺价格和稀缺价格来收回投资。另一方面能量市场并不完全体现系统安全规划的要求，在能量市场中只要求满足负荷加辅助服务，这比可靠性规划的要求要低很多。所以，能量价格很难合理反映系统可靠性规划的要求，会导致机组在收回成本的过程中产生资本缺失。而容量市场恰好可以提供一个合理且相对稳定的资本回收渠道。

近年来，国外电力市场在运行实践中逐渐增加了容量市场的设计规则，可以更好地引导电网中长期规划。容量市场主要由各电源提供者的容量和报价以及系统总的容量需求来决定。通常以经济性最优为目标函数，忽略网络的输电约束，直接根据供给曲线与需求曲线的交点就可以得到整个系统的清算容量和相应的容量价格。

然而，现有的容量市场仅依赖各机组报价，完全按照经济性进行结算，忽略了跨区联络线的约束。在实际系统运行中，由于部分区域内部的机组报价可能非常低，这样会导致中标的机组全部集中在容量报价较低的区域，其他价格高的区域机组难以中标。而实际中，由于网络约束的存在，导致功率无法调出，形成“窝电”的现象。与此同时，价格低的区域中标容量机组多，这样更加促使发电厂商增加容量投资，而其他价格低的区域的容量投资兴趣降低，进一步导致“窝电”的加剧。因此，有必要考虑跨区联络线功率约束，建立分区容量市场模型，同时对各个分区分别设计电价机制，因地制宜，对不同区域采用不同容量电价进行投资激励，从而对电力容量市场设计提供一定的指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

步骤1：根据电网中长期负荷预测的结果，确定各区域电网在容量市场运行周期内的峰值负荷水平，并进一步根据系统的可靠性要求，确定各区域所需的容量需求；

步骤2：以容量市场购买的所有发电容量总成本最小为目标函数，建立以满足各个分区容量需求为约束，同时考虑跨区联络约束以及机组容量约束的分区容量市场出清优化模型；

步骤3：求解所建立的优化模型，并求解相应的拉格朗日函数，得到等式约束对应的拉格朗日乘子，将该乘子作为各分区容量电价，用于指导规划。

所述步骤1中，根据实际电网调度自动化系统的中长期负荷预测结果，得到各个分区的负荷峰值。假设系统有m个分区，则各个分区的负荷峰值可表示为 为了保证容量供应的可靠性，需要计及系统的可靠性指标，从而系统留有一定裕度。各个分区给定的可靠性裕度可定义为保证系统可靠性而留有的裕量占系统峰值负荷的百分数，可设为η₁,η₂,…,η_m。那么，各分区实际的容量需求量可以表示为：

其中，为第i个区域的容量需求量，FOR_i为第i个区域的等效发电故障率，F_i为第i个区域容量市场以外签订的双边合同，I_i为第i个区域的需求侧响应的容量。

所述步骤2中，由于容量市场的优化模型以及电价出清方法是以经济性最优为目标，即全网在容量运行的周期内所购买发电容量的成本达到最小，具体的目标函数可以表示为：

其中，P_i为第i台发电机组的容量购买量，a_i表示第i台发电机组单位MW的容量费用报价，单位为Yuan/MW，N_g为全网参与容量市场的机组总数。

考虑跨区联络线约束的分区容量市场出清优化模型中，所述满足各个分区容量需求的约束为等式约束，所述跨区联络约束以及机组容量约束为不等式约束，具体表达如下所示：

1)容量需求平衡方程

其中，Θ_j表示属于第j个区域的机组集合，y_l为第l条区域联络线的传输功率，In_j为功率流入j区域的联络线集合，Out_j为功率流出j区域的联络线集合。通过上式以满足各个分区容量需求。

2)机组容量约束

其中，为第i台发电机组的最大有功出力。

3)区域间联络线路传输容量约束

在容量市场下，区域联络线功率应满足传输容量的限制。其中，为第l条联络线的传输容量限值，通常该值可由电网调度中心能量管理系统的可用传输容量(ATC)计算得到，N_l为区域联络线的总条数。

所述步骤3中，通过求解所建立的优化模型，可得到容量市场中各个机组最优的购买容量值。并进一步求解相应的拉格朗日函数，得到等式约束对应的拉格朗日乘子，并将该乘子作为各分区容量电价，用于指导规划，具体如下：

设其中，λ₁,…,λ_m为容量需求平衡方程对应的拉格朗日乘子；

设其中，为机组容量约束对应的拉格朗日乘子。由于不等式约束为双边不等式，因此每条双边不等式对应两个乘子，“-”对应“≤”的约束(即)，“+”对应“≥”的约束(即0≤P_i)。

设其中，为区域间联络线路传输容量约束的拉格朗日乘子。同理，由于不等式约束为双边不等式，因此每条双边不等式对应两个乘子，“-”对应“≤”的约束，“+”对应“≥”的约束。

进一步，构造优化模型对应的拉格朗日函数，可知：

进一步，定义各个区域的容量市场电价为：区域j每增加单位MW的容量，目标成本增加的费用￥，其单位为￥/MW。可得：

不难看出，区域j的容量市场电价price_j恰好等于第j个等式约束对应的拉格朗日乘子。

本发明的有益效果体现在：

本发明在容量市场设计中提出考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计以及相应的定价方法。其中，为了克服容量市场中由于跨区联络线阻塞导致容量无法调出的困难，将系统进行分区，并建立以总容量成本费用最小为目标的考虑分区容量需求平衡的容量市场优化模型，并给出考虑跨区容量约束的分区容量价格，对各个分区的容量分别定价。提出的分区容量电价，能够对容量市场中的各个分区提供价格信号，能通过市场手段引导电网投资，对电网中长期规划工作提供一定的参考。

附图说明

图1为本发明所述考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法的流程图；

图2为本发明实施例中的测试电网分区示意图；图中：y₁、y₂以及y₃分别表示各个联络线的传输功率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以某测试多区域电网容量市场为例，对本发明进行具体介绍，但应该理解的是发明并不局限于此，也同样适用于对其他电网或电力运营商进行分区容量市场设计和电价结算。

如图1所示，本发明提供的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，包括如下步骤：

第一步：从EMS(能量管理系统)获取容量市场所需的原始数据，主要包括示例电网的拓扑结构、分区信息、发电机数据、各分区峰值负荷预测。在本实施例中，将示例电网划分为3个分区，示例电网的分区如图2所示，各分区所需要EMS的信息如表1所示，参与容量市场各台机组的信息如表2所示。此外，共有三条联络通道，其传输容量为F₁ ^max＝100MW，F₂ ^max＝80MW，F₃ ^max＝60MW。

表1示例电网各分区所需EMS信息

表2参与容量市场各台发电机组的信息

第二步：首先根据EMS的信息，求得各分区的容量需求，为：

进一步，以所购买的容量总成本最低为目标函数，建立考虑跨区联络线约束的分区容量市场出清优化模型，如下：

min 40P₁+50P₂+60P₃+30P₄+45P₅+55P₆+75P₇

+15P₈+20P₉+25P₁₀+30P₁₁+18P₁₂+24P₁₃

s.t.P₁+P₂+P₃-y₁-y₃＝530:λ₁

P₄+P₅+P₆+P₇+P₈+y₁-y₂＝354.4:λ₂

P₉+P₁₀+P₁₁+P₁₂+P₁₃+y₂+y₃＝528.8:λ₃

0≤P₁≤200，0≤P₂≤100，0≤P₃≤300，0≤P₄≤200，0≤P₅≤100，

0≤P₆≤100，0≤P₇≤200，0≤P₈≤200，0≤P₉≤300，0≤P₁₀≤300，

0≤P₁₁≤100，0≤P₁₂≤200，0≤P₁₃≤100，

-100≤y₁≤100，-80≤y₂≤80，-60≤y₁≤60

同时，上述优化模型对应的拉格朗日函数可表示为：

第三步：利用优化软件求解上述优化问题，可得到：

最优解为：P₁＝200，P₂＝100，P₃＝70，P₄＝174.4，P₅＝0，P₆＝0，P₇＝0，P₈＝200，P₉＝300，P₁₀＝68.8，P₁₁＝0，P₁₂＝200，P₁₃＝100。

各分区的容量电价为：λ₁＝60，λ₂＝30，λ₃＝25。

将最终得到的优化调度方案，返回EMS，为电网中长期规划提供参考。

Claims (7)

1.考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据电网中长期负荷预测的结果，确定电网各分区在容量市场运行周期内的峰值负荷水平，并进一步根据系统的可靠性要求，确定电网各分区的容量需求；

步骤2：以容量市场购买发电容量的总成本最小为目标函数，建立满足分区容量需求约束、跨区联络线传输容量约束以及机组容量约束的分区容量市场出清优化模型；

步骤3：求解所建立的分区容量市场出清优化模型，得到容量市场中各个发电机组最优的购买容量值，求解该分区容量市场出清优化模型相应的拉格朗日函数，得到分区容量需求约束对应的拉格朗日乘子，将该乘子作为各分区的容量电价。

2.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述各分区的容量需求表示为：

$L_i^{peak}=D_i^{peak}(1+{\mathrm{\η}}_i)(1-{\mathrm{FOR}}_i)-F_i-I_i,i=1,2,3...,m$

其中，为第i个分区的容量需求量，FOR_i为第i个分区的等效发电故障率，F_i为第i个分区容量市场以外签订的双边合同，I_i为第i个分区的需求侧响应的容量，为第i个分区的负荷峰值，η_i为第i个分区的可靠性裕度，m为分区总数。

3.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述优化目标采用以下的目标函数进行表示：

$\begin{array}{cc}min& \underset{i}{\overset{N_g}{\Σ}}{a}_i{P}_i\end{array}$

其中，P_i为第i台发电机组的容量购买量，a_i为第i台发电机组单位MW的容量费用报价，N_g为电网参与容量市场的发电机组总数。

4.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述分区容量需求约束采用以下的容量需求平衡方程进行表示：

$\underset{i=1,i\∈{\mathrm{\Θ}}_j}{\overset{N_g}{\Σ}}{P}_i+\underset{l\∈{\mathrm{In}}_j}{\Σ}{y}_l-\underset{l\∈{\mathrm{Out}}_j}{\Σ}{y}_l=L_j^{peak},j=1,2,...,m$

其中，P_i为第i台发电机组的容量购买量，为第j个分区的容量需求量，N_g为电网参与容量市场的发电机组总数，Θ_j表示属于第j个分区的发电机组集合，y_l为第l条跨区联络线的传输功率，In_j为功率流入第j个分区的联络线集合，Out_j为功率流出第j个分区的联络线集合，m为分区总数。

5.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述机组容量约束表示为：

$0\≤P_i\≤P_i^{\max },i=1,2,...,N_g$

其中，为第i台发电机组的最大有功出力，P_i为第i台发电机组的容量购买量，N_g为电网参与容量市场的发电机组总数；

所述跨区联络线传输容量约束表示为：

$-F_l^{max}\≤y_l\≤F_l^{\max },l=1,2,...,N_l$

其中，y_l为第l条分区联络线的传输功率，为第l条跨区联络线的传输容量限值，N_l为跨区联络线的总条数。

6.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述分区容量市场出清优化模型可采用以下的拉格朗日函数表示：

$\begin{array}{c}W=\underset{i}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{P}_i+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j\left(L_j^{peak}-\underset{i=1,i\∈{\mathrm{\Θ}}_j}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i+\underset{l\∈{\mathrm{In}}_j}{\mathrm{\Σ}}{y}_l-\underset{l\∈{\mathrm{Out}}_j}{\mathrm{\Σ}}{y}_l\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i^{-}\left(0-P_i\right)+\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i^{+}\left(P_i-P_i^{\max }\right)\\ +\underset{l=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\π}}_l^{-}\left(-F_l^{\max }-y_l\right)+\underset{l=1}{\overset{N_l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\π}}_l^{+}\left(y_l-F_l^{\max }\right)\end{array}$

其中，W表示分区容量市场出清优化模型的拉格朗日函数，a_i表示第i台发电机组单位MW的容量费用报价，N_g为电网参与容量市场的发电机组总数，P_i为第i台发电机组的容量购买量，m为分区总数，λ_j为分区容量需求平衡约束对应的拉格朗日乘子，为第j个分区的容量需求量，Θ_j表示属于第j个分区的发电机组集合，y_l为第l条跨区联络线的传输功率，In_j为功率流入第j个分区的联络线集合，Out_j为功率流出第j个分区的联络线集合，为第i台发电机组的最大有功出力，为第l条跨区联络线的传输容量限值，为机组容量约束对应的拉格朗日乘子，为跨区联络线传输容量约束对应的拉格朗日乘子，上标-对应双边不等式中<的约束，上标+对应双边不等式中>的约束。

7.如权利要求1所述的考虑跨区联络线约束的分区电力容量市场模型设计和定价方法，其特征在于：所述容量电价定义为分区每增加单位MW的容量，购买发电容量的总成本增加的费用：

${\mathrm{price}}_j=\frac{\&part;W}{\&part;L_j^{peak}}={\mathrm{\&lambda;}}_j$

其中，price_j为第j个分区的容量电价。