面向大規模中長期交易的事前電量安全分析機制設計

王崗， 李利利， 汪志成， 周文俊， 范旖暉， 丁恰

(1. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京210024；2. 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京211106)

0 引言

2015年，國務院出臺《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號文)，新一輪電力體制改革正式啟動。隨后，多項配套文件陸續下發，明確了我國電力市場建設目標：逐步建立以中長期交易規避風險、現貨市場發現價格、交易品種齊全、功能完善的電力市場[1—2]。在現階段電力現貨市場尚未完全建立的情況下，電力市場交易的主要形式是以發電企業與電力用戶直接交易為代表的各類中長期交易[3—4]。隨著電力市場化改革的推進，市場交易規模持續增大。從交易方式的角度來看，電力交易已從傳統的電網公司統購統銷，轉向發購雙方直接交易。以江蘇省為例，至2019年，10 kV及以上用電計劃全面放開，29 934家用戶、92家售電公司參與市場，放開規模約3 000億kW·h，約為全社會用電量的一半。

發購雙方大量市場主體的市場逐利行為，可能導致極端的電網運行方式，增加電網運行的安全風險[5]。安全分析和校核是調度機構在市場化環境下保障電網安全的重要手段，由于安全校核可能影響市場成員經濟利益，校核結果將成為各方關注的焦點[6—8]。當前模式下，中長期交易主要進行事后安全校核，在交易結束后由調度機構依據安全校核情況直接調整交易結果[9—14]。各類交易電量的有效執行與市場主體的利益密切相關，事后安全校核直接調整電量交易結果會影響市場成員的生產計劃，增加市場成員的生產經營風險。

針對發電企業的中長期物理交易，電力調度機構如何提供交易前的安全分析服務，引導市場成員合理開展各類市場交易，進而控制電網運行風險、提升市場交易效率，是當前亟需解決的問題。

文中分析了大規模中長期交易環境下的電量安全分析問題，設計了基于市場成員申報交易意愿的事前電量安全校核機制，進一步介紹了與此機制相關的若干關鍵技術，并通過實際系統算例分析，驗證了所提機制的合理性和有效性。

1 中長期市場交易問題分析

中長期電量交易包括電力直接交易、跨省跨區交易、抽水蓄能電量招標交易、合同電量轉讓交易等。其中，以大用戶直購電為代表的雙邊交易規模迅速擴大，雙邊交易以場外交易的形式開展，由市場成員自行協商，簽署電量交易合同。目前，電廠的年度計劃電量和市場交易電量需要物理執行，而阻塞是國內電網普遍存在的問題。隨著中長期交易的規模不斷擴大，中長期電量合同物理執行與電網安全運行的矛盾日益突出，表現為：

(1) 中長期交易品種逐漸增多，交易電量占比逐步提高，市場交易電量逐步替代年度計劃電量，形成了計劃電與市場電并存的格局，發電量的均衡性被打破，電網潮流分布將會產生重大變化；

(2) 雙邊交易本質上是分散決策，分散決策結果的剛性執行給電網安全帶來了較大不確定性，市場逐利的行為可能會產生極端的電網運行方式，導致部分輸電斷面重載或者越限；

(3) 隨著市場化改革的推進，交易電量的占比逐步提高，發電企業將更加依賴市場交易合同，對電量合同剛性執行的要求也日益提高，電量合同的調整結果將會直接關系到發電企業的利益。

2 中長期電量安全分析機制

2.1 電量安全分析思路

在電力中長期市場中，市場成員可以在年度或月度等周期，采取雙邊協商、集中競價[15]等方式開展電量交易，但所有電量交易必須通過電力調度機構安全校核后方可生效。如果在交易結束后，再由調度機構依據安全校核約束條件直接調整電量交易結果，則會增加市場成員的生產經營風險，也給調度機構提出了挑戰，處理不當會引發市場成員對于市場公平性的質疑。

中長期事前電量安全校核的基本思想是在交易前提供安全校核分析服務。進入市場的各發電廠上報市場電量交易意愿，稱之為理想電量。然而理想電量主要體現了市場主體的生產經營意愿，可能無法滿足電網安全運行要求。為此，基于市場成員上報的理想電量，在滿足各種約束的條件下，以和電廠理想電量偏差最小為目標對機組發電計劃進行優化計算，通過安全均衡調度確定機組組合方案，分析理想電量是否滿足電網安全要求，并提出各類發電量計劃的安排和調整建議。在機組組合結果的基礎上，進一步以目標電量主體(電廠、機組群、斷面等)的電量最大/最小為優化目標，計算極限電量，將電網安全穩定要求轉換為電廠/機組群發電能力、斷面輸電能力、系統平衡能力，供市場成員與交易機構參考。

2.2 電量安全分析功能

基于市場成員申報電量意愿的中長期電量安全分析機制主要包括兩步校核體系，即集中式電量安全分析和極限電量計算，如圖1所示。

(1) 集中式電量安全分析。基于市場成員提出的年內分月電量安排建議和對月度交易物理合同的預期，按月進行年度分月滾動分析，采用基于安全約束機組組合(security constrained unit com-mit-ment，SCUC)的校核技術，綜合考慮系統運行約束、分區平衡約束、電網安全約束、機組運行約束等，計算機組組合方案，并提出電廠發電意愿的安全分析結論和各類電量調整建議。

(2) 極限電量計算。將通過集中式電量安全分析獲得的機組組合方案作為基礎開機方式，通過多時段電網運行方式的優化分析，計算電量相關主體(電廠、機組群、斷面、全網)的極限電量，確定每個電廠或機組群各類交易電量的可執行范圍，供市場成員開展交易時參考。

二者之間通過機組組合方案作為銜接的紐帶。機組組合方案是落實中長期電廠電量意愿的核心，而滿足網絡約束的月度機組組合方案作為基礎開機方式，也是電網安全經濟運行的基礎與關鍵。以機組組合方案為基礎，可以獲得有效的電量可交易空間。

2.3 電量安全分析流程

中長期電量安全分析是在交易環節提供前置安全預校核服務，市場成員可以參考安全分析結果開展電量交易，降低交易電量調整風險以及調度部門的校核壓力。具體包括以下步驟：

(1) 電力調度機構按規定發布中長期的負荷預測、關鍵通道輸電能力、關鍵設備檢修計劃等電網運行相關信息；

(2) 發電企業提交后續月份的電量計劃，包括年內分月電量安排建議和對月度交易物理合同的預期；

(3) 電力調度機構根據電網運行信息及發電企業申報信息，進行后續月份的安全分析計算，得到電網安全越限結果；

(4) 電力調度機構根據電網安全越限情況，對發電企業上報的電量進行安全調整計算，形成調整建議，并得到機組組合結果；

(5) 在步驟(4)的機組組合基礎上，計算目標電廠的極限發電量，包括上限和下限，以及和電廠聯系較緊密的電量相關主體的極限電量；

(6) 調度機構對電廠公布中長期交易前的安全分析結果，包括安全分析結論、電量調整建議、機組組合建議、極限電量等參考信息；

(7) 市場成員在安全分析結果的基礎上，修正市場交易計劃，參考極限電量的安全邊界開展交易。

3 中長期電量安全分析優化模型

SCUC是當前電力生產和調度中應用的先進優化軟件[16—20]，支持發電計劃與電網安全的聯合優化，以及大規模多時段的過程優化。中長期電量安全分析以SCUC技術為基礎開展優化建模。

3.1 電量安全分析計算模型

電量安全計算基于各電廠的基數電量和市場交易意愿，以SCUC技術為基礎，建立精確的電量約束優化模型，對全電量計劃進行一體化的優化分析，給出最優的機組組合方案，以及電量計劃不可行時的調整建議。

電量安全計算優化模型以合同電量的均衡控制為目標，包括系統平衡約束、機組運行約束、電廠電量約束、電網安全約束和各類實用化約束。

目標函數為各電廠的電量偏差成本總和最小：

(1)

式中：f1為電量偏差總成本；F為系統中的電廠個數；ωf為電廠f的電量偏差懲罰成本；Mf，Nf分別為電廠f的電量正、負偏差，二者均為非負變量。

同時，模型需滿足式(2)—式(8)的約束條件：

(2)

(3)

(4)

Pi,minui,t≤Pi,t≤Pi,maxui,t

(5)

(6)

(7)

(8)

硅膠復合材料的制備：在硅膠制備的過程中，水溶膠快要形成凝膠還未形成凝膠時加入1 g制備好的硅酸鹽吸附劑(硅酸鎂)，然后再進行靜置老化，其它制備步驟同硅膠的制備，最后得到干燥的硅膠復合材料。

3.2 極限電量計算模型

極限電量計算基于集中式電量安全分析獲得的機組組合方案，以SCUC技術為基礎，計算電廠/機組群發電限額、斷面輸電限額、系統平衡限額。極限電量計算給出了電廠的發電量空間，為后續的市場電量交易提供定量參考。

(1) 電廠級：以電廠的極限電量為優化目標，計算反映電廠的三公、檢修、最小開停機時間約束等要求的電量上限與下限；

(2) 機組群級：以機組群的極限電量為優化目標，計算反映機組群的三公、檢修、最小開停機時間約束以及網絡安全約束等要求的電量上限與下限；

(3) 全網總電量級：計算調管區域內總電量預測，要求所有電廠年度計劃加上各類交易電量之和不得高于總電量預測，并考慮一定的電量備用；

(4) 斷面級：以斷面的極限電量為優化目標，考慮機組和電網的各類運行約束，求取各斷面潮流的電量上限與下限。

極限電量計算以機組(機組群或電廠)的電量最大或最小為目標函數，不同極限電量的計算對應不同的目標函數。以電廠極限電量計算為例，目標函數為最大化電廠f的發電量。

(9)

式中：f2為電廠的總發電量。模型需要考慮系統平衡約束、機組運行約束以及電網安全約束，即式(3)—式(8)，此處不再贅述。

4 中長期電量安全分析應用

4.1 算例介紹

算例系統包含86個電廠，共278臺建模發電機組，240個穩定斷面，為運行工況較為復雜的省級電網，輸電阻塞嚴重。圖2為潮流過載問題嚴重的局部電網，存在大量監視斷面，其中，紅色虛線為監視斷面，編號為阻塞斷面的標識號。考慮到中長期的計算時間尺度，以及國內以火電為主的發電環境，文中在實際應用中進行了工程化處理，設定模型每天考慮4個啟停狀態，而機組出力及安全分析仍然是小時的時間粒度。

圖2 仿真電網部分接線Fig.2 Partial wiring diagram of simulation grid

發電企業以年度交易物理合同為基礎，結合后續月份的電量安排情況，滾動提出年內分月電量安排建議和對月度交易物理合同的預期，并上報調度機構。某電廠年度分月電量計劃如圖3所示。

圖3 電廠分月電量計劃Fig.3 Monthly electric quantity plan of power plant

4.2 電量安全分析結果

調度機構根據電廠上報的詳細電量計劃以及電網中長期運行邊界信息，開展基于SCUC技術的中長期電量安全分析，獲得機組組合結果，并通過各時段的平衡情況對其進行分析，如圖4所示。

圖4 系統平衡統計結果Fig.4 System power balance statistics results

由圖4可得，在調度周期全時段范圍內，中長期負荷均在發電能力的上、下限之間，由此可見，系統開機容量保持在合理的范圍內，并留有適當的備用容量，保證了開機水平的合理性。

電量安全分析計算后的部分電網輸電斷面負載率統計結果如圖5所示。由圖5可知，部分輸電斷面的最大負載率為1，包括圖2中的斷面3(茅斗雙線)、5(梅木雙線)、8(玉車石車三線)、11(蘇木車江四線)。以計劃電量為基礎的SCUC計算，同樣存在斷面阻塞情況，而這部分斷面會影響電量計劃的可行性。

圖5 斷面負載率統計結果Fig.5 Statistical results of section load rate

由阻塞斷面的靈敏度關系可知，利港二廠、諫壁電廠與相關阻塞斷面具有較大的正向靈敏度，常熟二廠、華蘇電廠則具有較大的反向靈敏度。部分電廠的電量計劃安全分析結果見表1。

表1 電廠電量安全分析結果Table 1 Energy security analysis results of power plants

通過詳細的電量安全分析計算可知，部分電廠的電量計劃無法滿足電網安全運行要求，此時需要進行電量計劃的調增(常熟二廠、華蘇電廠)與調減(利港二廠、諫壁電廠)。電量安全分析計算能夠同時給出相應的調增與調減建議。

4.3 極限電量計算結果

極限電量計算工作可以有效計算目標機組、電廠或機組群的極限電量，從而為中長期交易的組織及安全校核提供邊界條件。調度機構以通過集中式電量安全分析獲得的機組組合方案為基礎開機方式，根據系統網絡參數、機組運行參數、負荷預測和系統安全約束計算每個電廠的電量極限，部分電廠電量極限計算結果如表2所示。

表2 電廠極限電量計算結果Table 2 Caculation results of energy limit of power plants

通過極限電量計算，可得到各電廠交易電量空間的上限與下限。同時，對于電量安全分析環節的調減電廠(利港二廠、諫壁電廠)，其極限電量上限結果為對應的調減后電量；對于電量安全分析環節的調增電廠(常熟二廠、華蘇電廠)，其極限電量下限結果為對應的調增后電量。

市場成員基于上述安全分析結果，以及電廠極限電量計算結果，調整相應的交易電量計劃，開展電量交易。交易機構可根據可交易電量極限結果來組織市場交易，從而降低交易電量調整風險以及調度部門的校核壓力。

5 結語

針對電力中長期市場環境下的電量安全校核前置需求，設計了基于市場成員申報交易意愿的中長期電量安全分析機制，以機組組合方案為紐帶，建立了集中式電量安全分析與極限電量計算的兩步校核體系。基于省級電網實際數據的案例分析表明了該機制的有效性。大規模中長期交易環境下的電量安全分析技術，為調度計劃專業提供了更豐富的、市場化的手段和工具，為改革過渡期有效履行調度部門職責提供了技術支持。

文中機制的實施，有助于在電力市場化環境下為市場成員留出充足靈活的市場決策空間，保障各類電力交易的可執行性，提前化解結算風險，規避電網企業經營風險。希望文中的研究結果能為國內電力市場化交易的有序開展提供參考。