CN107392432B - 考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法，属于电力系统规划的技术领域。本发明考虑能量发电成本、调频市场预期收益、合约完成率等因素并以自身利益最大化为目标对电量合约进行分解，根据安全性要求和合约完成约束修正合约分解得到的发电初始曲线，调频备用市场“两部制”报价模式设置了对于性能优机组的交易优先权与结算奖励额度，发电商申报容量价格时基于机会成本进行报价，市场出清价格能够体现系统内的调频供需情况，在保证系统安全运行的前提下促进机组积极提供调频辅助服务，对机组性能进行改造。

Description

考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法

技术领域

本发明公开了考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法，属于电力系统规划的技术领域。

背景技术

新一轮电力体制改革开始前，调频辅助服务依据原国家电监会颁布的《发电机组并网安全性评价管理办法》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》开展。由于调频备用一般由调度部门预留，机组出力与调频容量的大小无法体现系统需求，且政策文件对于AGC服务补偿的具体标准与计量方法较为粗糙，补偿机制的额度长期固定使得调频服务的价值无法体现，补偿水平甚至较大程度地偏离成本。除此以外，补偿机制无法体现机组性能差异性，系统中性能较好的机组往往提供了更多的服务，但在结算时却以相同的费用进行补偿，影响了机组提供调频辅助服务的积极性，不利于系统资源的优化配置和机组自身的性能升级。

电力体制改革深化后，计划电量份额将不断缩小，调峰调频机组备用能否足量保障是电力调度部门担心的问题。调峰调频主要用于满足电力供需平衡、频率质量等要求，对于维持电力系统安全稳定运行具有非常重要的作用。在现行电力系统运行的管理模式下，机组每日的发电计划由调度部门制定下发，由于大部分现役机组都装有AGC装置，因此，剩余的机组备用可直接视为调频备用容量。电力市场放开后，机组的发电出力由市场成员竞价决定，机组组合与剩余容量的可控性减弱，调频指令的完成率将受到威胁。

之前的研究都是基于时间尺度较短的能量市场与调频辅助服务市场，考虑不同参与主体的调频性能指标，进行耦合机制及竞价模型的设计，并未从中国国情出发，研究适合中国电力市场化初期的调频辅助服务市场机制设计。由于现阶段国内电力交易方式仍以中长期电量合约为主，日前交易仅试点省份率先实施，并未在全国范围实施。因此，当前电力市场建设并不成熟，调频辅助服务交易也应以建设中长期备用容量市场的方式开始，且研究现阶段的调频辅助服务市场机制需要结合中长期电量合约进行考虑，而与此相关的研究却较为欠缺。本发明旨在考虑中长期电量合约的分解设计了调频备用市场的交易机制，为中国调频备用市场的建立提供了参考和依据。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法，旨在通过调频备用市场与中长期电量合约分解方案的耦合方式确定提供调频辅助服务的中标机组容量与结算价格，解决了未考虑中长期电量合约的调频备用市场交易机制不适合调频辅助服务市场需求的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法，考虑各发电商完成中长期电量合约的情况分解中长期电量合约得到各发电商的初始发电曲线，考虑机组可调整容量裕度和系统安全校核要求修正各发电商的初始发电曲线获得机组基本出力情况，在机组基本出力情况的约束下确定各发电商的可申报备用容量，结合成本函数以及机组性能申报包括容量价格和性能价格的两部制报价信息，由两部制报价信息确定能够满足系统调频需求的调频备用市场出清指标值，由调频备用市场出清指标值的排序确定调频备用市场的出清顺序。

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，根据各发电商历史调频效果建立奖励机制以调整调频备用市场的出清价格，再由调整后的调频市场出清价格及中标容量确定调频备用市场的结算费用。

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，考虑各发电商完成中长期电量合约的情况分解中长期电量合约得到各发电商的初始发电曲线，具体方法为：以发电商利润最大为目标，在发电商所提供机组出力范围的约束下、中长期电量合约完成情况的约束下初始化各发电商的发电曲线，

发电商利润最大的目标函数：max.Profit_i，

发电商所提供机组出力范围的约束：

中长期电量合约完成情况的约束：

其中，Profit_i为发电商i在当前电量分解方案下发电并参与调频备用市场时的利润，P_r为上网电价，P_i,j为发电商i日发电曲线上j时刻的值，Revenue_f,i为用等微增率法则确定的发电商i参与调频备用市场的预期收益，

分别为向上调频的市场出清价和向下调频的市场出清价，

分别为向上调频容量需求和向下调频容量需求，

分别为发电商i所提供机组向上调频报价函数的常数项及一次项系数，

分别为发电商i所提供机组向下调频报价函数的常数项及一次项系数，N_G为发电商的数目，

分别为向上调频市场中发电商i的中标容量和向下调频市场中发电商i的中标容量，

a_i、b_i、c_i为发电商i发电成本函数的二次项系数、一次项系数以及常数项，

分别为发电商i所提供机组基本出力的上下限，Q_i为发电商i由总合约电量向日前分解的日电量，ε_i为根据中长期电量合约完成情况确定的发电商i的日分解电量完成偏差率。

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，考虑机组可调整容量裕度及系统安全校核要求修正各发电商的初始发电曲线，具体方法为：

首先，根据发电商所提供机组可调整容量裕度占发电商所提供全部机组可调整容量裕度的比例为各发电商分配初始发电曲线与负荷曲线的偏差量，

接着，以调度部门对合约偏差电量的支付费用最小为目标，在包含机组出力约束、机组爬坡率约束、系统总负荷平衡约束、系统旋转备用约束、线路潮流约束的系统安全校核要求下对各发电商初始发电曲线与负荷曲线的偏差量进行安全校核，调度部门对合约偏差电量的支付费用最小的目标函数：min.punish_d，

机组出力约束：

机组爬坡速率约束：-Δ_i≤(P_i,j+ΔP_i,j+ε_i,j)-(P_i,j-1+ΔP_i,j-1+ε_i,j-1)≤Δ_i，

系统总负荷平衡约束：

系统旋转备用约束：

线路潮流约束：-X_l≤X_l,j≤X_l，

其中，punish_d为调度部门对合约偏差电量的支付费用，C_i为调度部门对发电商i所提供机组合约电量单位偏差量所需支付的费用，ΔP_i,j、P_i,j-1分别为j时刻、j-1时刻为发电商i分配的初始发电曲线与负荷曲线的偏差量，M_i,j为发电商i所提供机组在j时刻的可调整容量裕度，L_j为j时刻系统的负荷值，ε_i,j、ε_i,j-1分别为发电商i的初始发电曲线不满足系统安全校核要求时对发电商i所提供机组j时刻、j-1时刻出力的再次修正值，Δ_i为发电商i所提供机组每时刻爬坡速率的最大值，r_i,j为发电商i所提供机组在j时刻提供的旋转备用，R_s,j为系统在j时刻的旋转备用总需求，X_l,j为j时刻系统线路l上通过的潮流值，X_l为系统线路l上通过潮流的上限值。

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，结合成本函数以及机组性能申报包括容量价格和性能价格的两部制报价信息，发电商i参与向上调频的两部制报价

包含根据发电商i可申报备用容量确定的向上调频容量报价

及发电商i所提供机组向上调频的性能报价

发电商i参与向下调频的两部制报价

包含根据发电商i可申报备用容量确定的向下调频容量报价

及发电商i所提供机组向下调频的性能报价

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，根据机组历史性能指标和效益因子修正发电商申报容量及性能报价进而确定调频备用市场出清指标F，

在系统调频需求约束：

及机组爬升速率约束：

下最小化调频备用市场出清指标，调频备用市场出清指标的最小值即为能够满足系统调频需求的调频备用市场出清指标值，其中，X_i为发电商i所提供机组的历史性能指标，X_i的取值范围为0-1，Y_i为发电商i所提供机组的效益因子，Y_i的取值范围为0-2。

进一步地，考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法中，调频备用市场的结算费用Cost为：

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一种适合中国电力市场发展要求的调频备用市场实现方法，考虑能量发电成本、调频市场预期收益、合约完成率等因素并以自身利益最大化为目标对电量合约进行分解，根据系统安全校核要求和合约完成约束修正合约分解得到的发电初始曲线，调频备用市场“两部制”报价模式设置了对于性能优机组的交易优先权与结算奖励额度，发电商申报容量价格时基于机会成本进行报价，市场出清价格能够体现系统内的调频供需情况，在保证系统安全运行的前提下促进机组积极提供调频辅助服务，对机组性能进行改造。

附图说明

图1为本发明中中长期电量合约分解与调频备用市场出清的耦合流程图。

图2为本发明中调频备用市场“两部制”报价交易机制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于当前以中长期电量合约为主的交易模式，设计了发电商分解合约与调频市场耦合的交易机制，在市场排序出清时给予性能优机组一定的竞争优先权并对其容量报价与性能报价进行修正；调频市场结算时在基础的容量报价上设置奖励额度，考虑了对性能优机组多承担调频辅助服务的差别性结算。

中长期电量合约分解与调频备用市场出清的耦合流程图如图1所示。发电商基于调频容量的机会成本确定调频报价曲线与收益函数，并考虑能量发电成本、调频市场预期收益、合约完成率等因素，以自身利益最大化为目标对电量合约进行分解，由剩余容量范围以及报价曲线确定调频备用的申报信息。

但由于发电商均从自身角度出发，并未考虑系统安全约束，因此，最终的机组发电曲线必须由调度部门进行校核。调度部门以系统安全校核要求和合约完成约束制定最终的发电曲线后，交易中心根据调频备用市场的容量和性能“两部制”报价机制，各发电商报价信息分别与历史性能指标和效益因子之积作商求和后得到综合排序指标值，以此确定满足系统调频需求的调频市场出清序列。调频备用市场结算时，以发电商申报的容量价格为基础并结合其性能报价与机组性能修正指标进行叠加进而获得最终的结算价格。

发电商提供调频辅助服务的机会成本与备用容量有关，假设有N_G个独立的发电商参与调频备用市场，发电商i所提供机组的调频市场报价函数为：

式中，

与

分别表示发电商i所提供机组的向上调频申报容量与价格，

与

分别表示发电商i所提供机组的向下调频申报容量与价格，

分别表示发电商i所提供机组向上调频报价函数的常数项与一次项系数，

分别表示发电商i所提供机组向下调频报价函数的常数项与一次项系数。

由等费用微增率确定发电商参与调频备用市场的预期收益函数，包括以下步骤：

第一步，调频市场中向上调频容量以统一价格出清，且向上中标调频容量之和满足系统向上调频需求，则向上调频市场结果满足：

式中，

表示向上调频的市场出清价，

表示系统向上调频的容量需求，

表示向上调频市场中发电商i的中标容量；

第二步，向上调频市场的出清价及机组中标容量分别为：

第三步，调频市场中向下调频容量以统一价格出清，且向下中标调频容量之和满足系统向下调频需求，则向下调频市场结果满足：

式中，

表示向下调频的市场出清价，

表示系统向下调频的容量需求，

表示向下调频市场中发电商i的中标容量；

第四步，向下调频市场的出清价及机组中标容量分别为：

第五步，发电商i参与调频备用市场的预期收益函数为：

由滚动平均曲线与原负荷曲线作差获得系统向上调频与向下调频的容量需求，步骤包括：

第一步，滚动平均法求负荷拟合曲线：

L′_t＝Avg(L_t-M,L_t-(M-1),…,L_t,L_t+1,…,L_t+M) (8)，

式中，L′_t表示原负荷曲线滚动平均处理后t时刻的负荷值，L_t表示原负荷曲线t时刻的负荷值，(2M+1)表示滚动平均所需的所有负荷数；

第二步，由滚动平均曲线与原负荷曲线作差可得每一时刻的系统调频容量需求，且差值为正表示向上调频容量，差值为负表示向下调频容量，容量大小以绝对值表示，即：

式中，

表示t时刻的向上调频容量需求，

表示t时刻的向下调频容量需求。

发电商分解中长期电量合约的具体步骤如下：

第一步，考虑机组出力曲线的发电成本以及其在调频备用市场中的期望效益，综合确定总体的利润函数，发电商i的利润函数表示为：

式中，Profit_i表示发电商i在某种电量分解方案发电并参与调频备用市场时的利润，P_r表示上网电价，P_i,j表示发电商i的日发电曲线上j时刻的值，Revenue_f,i表示发电商i参与调频备用市场的预期收益函数，a_i、b_i、c_i分别表示发电商i发电成本函数的二次项系数、一次项系数以及常数项；

第二步，发电商分解合约制定策略的目标应该使得自身利润最大化，即，

max.Profit_i (11)；

第三步，发电商需要考虑的约束包括：

(1)机组出力范围约束

机组发电功率根据其运行要求必须保证在基本出力范围内，且由于发电功率值与可提供的调频容量存在相互制约的关系，即增加出力导致向上调频范围缩小，降低出力则会导致向下调频范围减小，因此，机组出力与调频容量存在约束：

式中，

与

分别表示发电商i所提供机组基本出力的上下限，

(2)电量合约完成约束

根据《电力中长期交易基本规则(暂行)》可知，若由于发电商自身原因，中长期电量合约完成偏差率超过限值，要对该发电商进行考核，发电商分解电量合约时应该考虑约束：

式中，Q_i表示发电商i由总合约电量向日前分解的某日电量，ε_i表示发电商i根据电量合约的已完成情况，设定的该日分解电量完成偏差率。

调度部门对初始发电曲线进行修正的步骤包括：

第一步，结合负荷预测情况对各台机组进行出力的初步调整，即以该机组可调整容量裕度占系统所有机组可调整总容量裕度的比例分配初始总发电曲线与负荷曲线的偏差量，计算公式为：

式中，ΔP_i,j、P_i,j-1分别表示调度部门于j时刻、j-1时刻对发电商i所提供机组发电出力的初步调整量，M_i,j表示发电商i所提供机组在j时刻的可调整容量裕度；

第二步，为保证各台机组能够在系统中安全运行，调度部门对初调后的发电曲线进行安全校核，根据国家发改委、国家能源局印发的《电力中长期交易基本规则》对于中长期合同偏差量的价格优先处理方式，将调度部门对合约偏差电量的支付费用最小设为目标函数，表示为：

式中，punish_d表示调度部门对某日合约偏差电量的支付费用，C_i表示调度部门对发电商i所提供机组合约电量单位偏差量所需支付的费用，ε_i,j表示发电曲线不满足安全校核条件时调度部门于j时刻对发电商i所提供机发电出力的再修正值；

第三步，为满足系统安全校核的要求，调度部门修正发电曲线模型的约束条件如下：

(1)机组出力约束

调度部门调整发电曲线时，必须考虑各台机组的基本出力范围，即，

(2)机组爬坡速率约束

受机组硬件条件影响，机组发电曲线上相邻时段的出力变化值必须保证在机组的爬坡速率限值范围内，即，

-Δ_i≤(P_i,j+ΔP_i,j+ε_i,j)-(P_i,j-1+ΔP_i,j-1+ε_i,j-1)≤Δ_i (18)，

式中，Δ_i表示发电商i所提供机组每时段的爬坡速率最大值，

(3)系统总负荷平衡约束

为满足系统发用双方曲线的匹配性，在任意时刻系统的发用电功率必须平衡，即，

式中，L_j表示系统在j时刻的负荷值，

(4)系统旋转备用约束

为留有一部分的系统安全裕度，充分保证在调频市场中能够获取足够的备用容量需求，某时刻系统中所有机组提供的旋转备用必须满足系统的旋转备用总需求，即，

式中，r_i,j表示发电商i所提供机组于j时刻提供的旋转备用，R_s,j表示系统于j时刻的旋转备用总需求，

(5)线路潮流约束

为防止系统出现阻塞问题，安全校核时必须计算系统中各条线路的潮流值，并检验其是否越界，即，

-X_l≤X_l,j≤X_l (21)，

式中，X_l表示系统内线路l上通过潮流的上限值，X_l,j表示j时刻系统线路l上通过的潮流值。

调度部门对机组发电曲线进行校核后获得各台机组最终的电量合约分解方案。

调频备用市场“两部制”报价模式下出清的具体步骤包括：

第一步，以机组的历史性能指标与效益因子对发电商的调频容量和性能报价信息进行修正，并将修正值作为调频市场出清指标值，调频市场出清指标F表示为：

式中，

与

分别表示发电商i参与向上调频与向下调频的“两部制”报价，

与

分别表示发电商i所提供机组向上调频与向下调频的性能报价，范围均为0～0.2元/兆瓦。X_i表示发电商i所提供机组的历史性能指标，范围为0～1；Y_i表示发电商i所提供机组的效益因子，范围为0～2，且X_i与Y_i值越大表示机组性能越优；

第二步，调频备用市场的出清模型是以交易中心在某种市场模式下的出清标准最小为目标，即，

min.F (25)；

第三步，交易中心需要考虑的约束包括：

(1)系统调频需求约束

为保证系统安全可靠运行，机组提供的调频辅助服务必须满足系统的总调频需求，即向上调频需求约束表示为：

向下调频需求约束表示为：

(2)机组爬升速率约束

机组爬升速率受硬件条件影响会有所差异，其提供向上调频、向下调频辅助服务时，必须满足爬升速率的约束，即，

调频备用市场结算机制是在向上调频、向下调频市场出清价基础上结合历史性能指标和性能报价进行叠加，体现对性能优机组承担更多调频辅助服务的奖励，交易中心购买一定容量的机组调频备用所需支付的费用为：

为防止低成本机组的投机行为，在奖励机制中设置了min{1,X_i·Y_i}因子，即需要对各机组以历史调频效果为标准确定奖励额度，且奖励值上限为其性能报价。通过引入历史性能指标和效益因子建立的出清指标赋予性能优机组优先交易权，通过引入历史性能指标和效益因子建立包含奖励机制的费用结算方案能够提高性能优机组的奖励额度，有效促进机组积极提供调频辅助服务、进行性能改造。

Claims (1)

1.考虑中长期电量合约分解的调频备用市场实现方法，其特征在于，

考虑各发电商完成中长期电量合约的情况分解中长期电量合约得到各发电商的初始发电曲线，以发电商利润最大为目标，在发电商所提供机组出力范围的约束下、中长期电量合约完成情况的约束下初始化各发电商的发电曲线，

发电商利润最大的目标函数：max.Profit_i，

发电商所提供机组出力范围的约束：

中长期电量合约完成情况的约束：

其中，Profit_i为发电商i在当前电量分解方案下发电并参与调频备用市场时的利润，P_r为上网电价，P_i,j为发电商i日发电曲线上j时刻的值，Revenue_f,i为用等微增率法则确定的发电商i参与调频备用市场的预期收益，

分别为向上调频的市场出清价和向下调频的市场出清价，

分别为向上调频容量需求和向下调频容量需求，

分别为发电商i所提供机组向上调频报价函数的常数项及一次项系数，

分别为发电商i所提供机组向下调频报价函数的常数项及一次项系数，N_G为发电商的数目，

分别为向上调频市场中发电商i的中标容量和向下调频市场中发电商i的中标容量，

a_i、b_i、c_i为发电商i发电成本函数的二次项系数、一次项系数以及常数项，P_i ^max、P_i ^min分别为发电商i所提供机组基本出力的上下限，Q_i为发电商i由总合约电量向日前分解的日电量，ε_i为根据中长期电量合约完成情况确定的发电商i的日分解电量完成偏差率；

考虑机组可调整容量裕度和系统安全校核要求修正各发电商的初始发电曲线获得机组基本出力情况：

首先，根据发电商所提供机组可调整容量裕度占发电商所提供全部机组可调整容量裕度的比例为各发电商分配初始发电曲线与负荷曲线的偏差量，

接着，以调度部门对合约偏差电量的支付费用最小为目标，在包含机组出力约束、机组爬坡率约束、系统总负荷平衡约束、系统旋转备用约束、线路潮流约束的系统安全校核要求下对各发电商初始发电曲线与负荷曲线的偏差量进行安全校核，调度部门对合约偏差电量的支付费用最小的目标函数：min.punish_d，

机组出力约束：

机组爬坡速率约束：-Δ_i≤(P_i,j+ΔP_i,j+ε_i,j)-(P_i,j-1+ΔP_i,j-1+ε_i,j-1)≤Δ_i，

系统总负荷平衡约束：

系统旋转备用约束：

线路潮流约束：-X_l≤X_l,j≤X_l，

其中，punish_d为调度部门对合约偏差电量的支付费用，C_i为调度部门对发电商i所提供机组合约电量单位偏差量所需支付的费用，ΔP_i,j、P_i,j-1分别为j时刻、j-1时刻为发电商i分配的初始发电曲线与负荷曲线的偏差量，M_i,j为发电商i所提供机组在j时刻的可调整容量裕度，L_j为j时刻系统的负荷值，ε_i,j、ε_i,j-1分别为发电商i的初始发电曲线不满足系统安全校核要求时对发电商i所提供机组j时刻、j-1时刻出力的再次修正值，Δ_i为发电商i所提供机组每时刻爬坡速率的最大值，r_i,j为发电商i所提供机组在j时刻提供的旋转备用，R_s,j为系统在j时刻的旋转备用总需求，X_l,j为j时刻系统线路l上通过的潮流值，X_l为系统线路l上通过潮流的上限值；

在机组基本出力情况的约束下确定各发电商的可申报备用容量，结合成本函数以及机组性能申报包括容量价格和性能价格的两部制报价信息，发电商i参与向上调频的两部制报价

包含根据发电商i可申报备用容量确定的向上调频容量报价

及发电商i所提供机组向上调频的性能报价

发电商i参与向下调频的两部制报价

包含根据发电商i可申报备用容量确定的向下调频容量报价

及发电商i所提供机组向下调频的性能报价

由两部制报价信息确定能够满足系统调频需求的调频备用市场出清指标值：根据机组历史性能指标和效益因子修正发电商申报容量及性能报价进而确定调频备用市场出清指标F，

在系统调频需求约束：

及机组爬升速率约束：

下最小化调频备用市场出清指标，调频备用市场出清指标的最小值即为能够满足系统调频需求的调频备用市场出清指标值，其中，X_i为发电商i所提供机组的历史性能指标，X_i的取值范围为0-1，Y_i为发电商i所提供机组的效益因子，Y_i的取值范围为0-2；

由调频备用市场出清指标值的排序确定调频备用市场的出清顺序，根据各发电商历史调频效果建立奖励机制以调整调频备用市场的出清价格，再由调整后的调频市场出清价格及中标容量确定调频备用市场的结算费用，调频备用市场的结算费用Cost为：

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