基于“虛擬水庫”的梯級水電現貨報價單元組建方法

張宏圖 熊志杰 朱燕梅 黃煒斌 陳仕軍

基于“虛擬水庫”的梯級水電現貨報價單元組建方法

張宏圖1熊志杰1朱燕梅2黃煒斌2陳仕軍2

（1. 國網四川省電力公司 成都 610046 2. 四川大學水力學與山區河流開發保護重點實驗室（四川大學水電學院） 成都 610065）

梯級水電之間存在高度耦合的時空水力聯系，并且由于在流域中所處位置和調節能力多不同，各水電廠市場競爭力和報價靈活性出現較大差異，加大了現貨市場投標的難度和風險。報價單元的組建有利于抵抗風險，但合作對象的選取是關鍵。針對梯級水電現貨報價單元組建問題，該研究以徑流調蓄關系為依托，引入“虛擬水庫”一詞，構建了基于“虛擬水庫”組建梯級水電現貨報價單元的方法，并設計了完整的競價流程。以24點市場為背景，基于購電、售電雙方利益訴求建立了雙層模擬模型，最后以四川省某流域“一庫三級”梯級水電構建報價單元進行報價模擬，結果表明以“虛擬水庫”報價單元參與市場可以提升各成員的市場份額，擴大報價空間，降低市場風險，提升市場凈收益，同時降低用戶購電成本。驗證了基于“虛擬水庫”組建報價單元的科學性和正確性。

梯級水電 現貨市場 報價單元 虛擬水庫

0 引言

由于梯級水電之間在時間維度和空間維度都存在復雜的水力電力聯系，各站之間電量成相互影響、彼此制約的關系，因此含梯級水電的電力現貨市場更為復雜。目前有關學者針對含梯級水電的電力現貨市場的有關問題進行了專門研究。例如路軼等[1]在分析高比例水電電網特性的基礎上，以四川省為例設計了豐枯雙期的現貨市場機制。華北電力大學張粒子團隊[2]針對資產隸屬關系不同的上下游電站之間中標電量與實發電量匹配失衡的問題，研究了下游電站作為價格接受者的日前市場出清模型，并探討了水流時滯對電站運行的影響。莫東等[3]針對我國發電機組市場電量、基數電量將長期并存的事實，提出了等比例和按發電能力將年度基數電量分解到現貨市場的方法。以上這些研究在含梯級水電電力現貨市場的建設方案[4]、交易模式[5]、現貨系統設計[6]以及梯級水電競價策略[7]、中長期電量分解[8]等方面取得了重要成果，但缺乏對梯級水電現貨市場報價單元組建方法的研究。

電力現貨市場報價單元的組建對水電發電商降低市場風險和電網的出清調度都具有重要意義。一方面數量巨大的水電廠加大了電力現貨市場調度和出清工作的難度；另一方面各個水電廠裝機、成本不一，在流域中所處位置和調節能力不同等原因導致各電廠市場競爭力和報價靈活性差異大，為了獲得期望收益，降低市場風險，各電廠也有意愿組建報價單元，聯合參與市場。但隨著流域開發格局的形成，流域具有投資主體多元化、電力分區交疊、水庫系統拓撲關系網絡化等復雜特性，各電站將面臨如何選擇合作對象，從而共同組建報價單元參與市場投標的難題。

針對梯級水電現貨報價單元組建問題，本研究以徑流調蓄關系為依托，引入“虛擬水庫”一詞，構建了基于“虛擬水庫”組建梯級水電現貨報價單元的方法，并設計了完整的競價流程。以24點市場為背景，基于購電、售電雙方利益訴求建立了雙層模擬模型，最后以四川省某流域“一庫三級”梯級水電構建報價單元，驗證了“虛擬水庫”報價的效果。

1 “虛擬水庫”報價單元

“虛擬”一詞是指不以傳統物質形態而存在的新型的信息互動方式。近年來，“虛擬電廠”[9-10]、“虛擬水網”[11]、“虛擬水交易”[12-13]等詞匯的出現，為解決水資源管理等問題提出了新的思路。早在2018年，張慧等[14]將溪洛渡分為左右岸兩個“虛擬水庫”，解決了溪洛渡電站“一廠兩調”的難題；2019年，馬琴等[15]將小流域虛擬為一個水庫模型，提出了無資料地區的山洪預警方法。這些研究依據研究問題的不同而賦予了“虛擬水庫”不同的涵義。本研究引入“虛擬水庫”一詞，將梯級水電站虛擬為一個水庫，用于解決梯級水電報價單元組建的問題。

具備蓄水調節能力的水庫電站（簡稱水庫電站）控制著其下游電站的徑流，將水庫電站與其下游徑流式水電打捆成“虛擬水庫”參與電力市場，可以充分發揮水庫的庫容效益，提升市場競爭力；“虛擬水庫”內部制定相應的管理機制，可以解決梯級水電上下游電站之間水力出力的高度耦合問題，同時降低電網調度和出清工作難度。

“虛擬水庫”的建立有賴于梯級水電上下游之間的徑流調蓄關系。因此“虛擬水庫”報價單元是指將流域（分段）具有較強蓄水調節能力的水庫電站及其下游弱調節電站整合成一個集合體，以一個報價單元的形式參與電力現貨市場競爭和電力調度，競價過程中以報價單元申報出力和電價。電力現貨市場一般分為日前市場、日內市場和實時市場，日前市場是電力現貨市場的重要組成部分，在很大程度上關系著報價單元的利益[16]。由于水電來水、電力負荷、市場出清價都具有不確定特征，而競爭對手信息往往具有隱蔽性，因此報價單元在日前市場上可能出現中標量過少或者過大的情況。為了增大報價單元的靈活性，使其在日前市場出清后，可以靈活應對中標量過少或過大的情況，而不至于陷入棄水或無水可發的困境，報價單元中的水庫電站應至少具備周及以上蓄水調節能力。因此為滿足現貨市場的調節需求，一條流域通常可以周及以上調節能力水庫電站為節點，將其下游（日調節或徑流式）電站一起整合成“虛擬水庫”，其組成如圖1所示。

2 “虛擬水庫”競價的SWOT分析

電力不能大量存儲的特殊性使得電力商品需要供求實時平衡，增加了市場的不確定性和復雜度。作為現貨電力市場一種重要的市場主體，梯級水電現貨報價單元需要充分認識自己在市場中的地位，揚長避短，才能在市場中獲得期望收益。SWOT分析是一種典型的態勢分析方法，該方法能夠從內部和外部全面分析研究對象所處的環境，其中內部分析主要指SW分析，即內部的優勢（strengths）、劣勢（weaknesses）分析；外部分析主要指OT分析，即外部環境帶來的機會（opportunities）和威脅（threats）。SWOT分析法可以輔助決策者找出利己及對自己不利的因素，使得決策者對研究對象所處的情景有全面、系統、準確地把握，從而決策未來的發展方向。本研究擬采用SWOT分析法對“虛擬水庫”報價單元進行優劣勢分析，分析結果如圖2所示。

圖1 “虛擬水庫”組成

圖2 “虛擬水庫”競價的SWOT模型

SWOT分析的目的是在綜合分析企業內外優、劣勢的基礎上，將這些因素進行兩兩匹配，從而做出一些決策，其基本思路是發揮優勢因素，克服劣勢因素，利用機會因素，化解威脅因素。由圖2“虛擬水庫”競價的SWOT模型可得出“虛擬水庫”報價單元的四大戰略如圖3所示。

綜上所述，按照徑流調節關系組建“虛擬水庫”報價單元后，相比單站獨立報價，報價單元在整體調節能力、市場力、價格競爭力等方面都更具有優勢，并且能夠減輕電網的調度和出清工作。與此同時也面臨內部管理問題、成員背叛風險等，但可以通過管理機制設定及整體戰略安排進行風險規避。因此以“虛擬水庫”報價單元參與電力現貨市場具有科學性和優越性。

圖3 “虛擬水庫”報價單元的戰略分析

3 “虛擬水庫”競價機制

從SWOT分析的結果得知，以“虛擬水庫”報價單元參與電力現貨市場競價具有較多的優勢，但競價效益的分配是報價單元得以建立及持續穩定的關鍵所在。為此，本研究設計了一種新的報價單元市場競價機制，該機制可以避免效益分配中的各種爭端，從而提高報價單元的穩定性。在該競價機制中，報價單元的統一電力曲線由成員各站向報價單元提交的電力曲線疊加而成，市場出清后按照單元各時段中標比例分配內部中標電量。

梯級水電通過組建報價單元參與現貨電力市場，是指一個單元作為一個市場主體與市場上其他售電方無差別化地參與市場投標和調度運行管理，電網實行對該單元的直接調度管理和電費結算。報價單元內部各成員之間的競價方案、發電行為及效益結算等，需要由報價單元內部自行處理，為了加強報價單元的管理，每個報價單元可增設專門的單元管理委員會，以統籌管理報價單元內部各項事宜。因此“虛擬水庫”報價單元參與現貨市場競價的流程主要包含報價單元組建、競價前準備、各成員提交出力方案、單元制定統一電價方案、形成單元競價曲線、電力市場交易及出清、單元內部負荷分配和效益結算等，如圖4所示。

（1）競價準備

在“虛擬水庫”報價單元組建完成后，每次競價之前，單元需要進行信息準備，包含內部信息和外部信息。考慮到在未來單元可能因各種原因瓦解，各成員重新回歸競爭狀態，并不是所有內部信息都共享。單元可共享預測水情信息，包括水庫電站預測的入庫徑流、庫蓄電量及弱調節電站預測的區間入流等，成本信息為私有商業機密，各成員的風險偏好自主選擇。電力需求、競爭對手以及歷史出清規律等外部信息由單元共同搜集并共享。

圖4 報價單元參與市場的流程

（2）單元競價曲線生成

基于上述單元共同搜集和分享的內外信息，結合自身成本分析及風險偏好，單元內部各站自主制定日前申報出力曲線，并提交給單元，單元在內部公示。由于處在下游的成員受上游成員的徑流影響，出力曲線提交時按照上下游位置關系順序提交，下游制定申報方案時可參考上游申報情況。各成員提交的出力曲線疊加構成單元申報出力曲線。價格曲線由單元根據歷史出清規律及電力供需形勢等綜合確定。

（3）單元內部負荷分配及結算

通過市場交易出清后得到單元中標曲線及出清價曲線。競價完成后，報價單元按照式（1）和式（2）分別進行內部成員的負荷分配及效益結算。

4 “虛擬水庫”報價模擬研究

為了模擬“虛擬水庫”報價單元的報價效果，本研究基于售電、購電雙方利益訴求，建立了電力現貨日前市場模擬競價模型。該模型假定售電方報量報價，購電方報量不報價，購電方根據售電方申報情況結合負荷需求擇優選擇購電對象及購電量，并按照售電方申報價格支付購電費用。每一個市場主體都是利己主義，因此每一個市場主體參與市場競價都以自身效益最大化為目標。

4.1 目標函數

假設市場上共有K個售電方，則其現貨競價的目標函數都是競價收益最大化，表示為

購電方則追求單個競價周期內的總購電費用最小化，目標函數為

4.2 約束條件

1）申報電價約束

2）申報電力約束

3）報價單元內部約束

售電方按照是否以報價單元進行申報分為兩類。本研究假定只有水電類售電方才會以報價單元的形式參與市場競價，其余類型的售電方均采用獨立競價方式。假設個售電主體中有個報價單元，則以單元進行申報的，需要考慮單元申報出力平衡約束及內部水力約束。

（1）單元申報出力平衡約束：單元申報出力為內部各成員申報出力總和。

（2）水力約束：主要包括水庫水位約束、下泄流量約束及時間維度和空間維度的水量平衡約束。

4）供需平衡約束

式中，()為第時段的電力需求。

5）變量非負約束

以上所有變量均為非負數。

4.3 模型求解

上述模型是一個多目標的模擬模型，多目標問題的求解常常由于目標之間的矛盾與聯系而變得復雜。分層嵌套優化法巧妙地利用層間邊界進行信息交換和反饋，不斷協調多目標之間的關系，從而達到求解的目的，因此在多目標求解領域具有廣泛應用[17-18]。本研究建立的日前市場模擬競價模型具有典型的層次關系。首先可按照售電、購電兩大陣營將模型分為上、下兩層，上層求解售電方最優競價策略，下層求解最優購電方案。上層各方的收益不僅取決于上層模型的報價，還依賴于下層問題對于電量分配的最優決策，而在下層模型用戶求最優電量分配的過程中又受到上層報價的影響。上、下兩層目標之間是典型的相互影響和制約的關系，因此可采用分層嵌套優化法來求解該模型。

則售電方模型求解的目標函數為

遺傳算法作為一種快捷、簡便、容錯性強的算法，與傳統的搜索方法相比，具有廣泛的適應性、并行性、魯棒性和全局優化性等優點[23-24]，對求解問題的目標函數無連續、可微等要求，特別適合于求解含有多參數多變量的優化問題。因此本文采用遺傳算法對售電方模型進行模擬仿真，找出各方博弈的均衡解，算法的染色體即為整個售電方市場博弈主體的申報策略集合，適應度函數為

模擬競價模型的求解流程如圖5所示。

5 模擬結果分析

5.1 基本概況

5.1.1 市場背景及負荷信息

為了模擬報價單元的市場報價，本研究以某日前24點電力市場為背景。并且假定市場中只包含兩大售電主體，分別為“虛擬水庫”報價單元及與報價單元同臺競價的其余電站組成的“虛擬對手”。各售電主體只申報一條電力曲線和一條價格曲線。為了簡化模型，“虛擬對手”以最大發電能力680萬kW進行電量申報，暫不考慮其他發電約束條件。整個市場電力供應方總裝機容量為1 178萬kW。

圖5 雙層模型求解流程

競價開始前，市場運營機構披露，購電方該競價周期總需求電量為15 951.78萬kW·h，時段平均負荷為664.66萬kW，24點需求曲線如圖6所示。以平均負荷為界，該日內負荷曲線存在兩個高峰，一是第7～10時段的早高峰，二是第14～21時段的高峰。

圖6 購電方該日24點負荷需求曲線

5.1.2 “虛擬水庫”報價單元基本信息

“虛擬水庫”報價單元由某流域相鄰的三個梯級電站A、B、C組成，其中A站具有季調節水庫，其余兩站具有日調節水庫。“虛擬水庫”報價單元內部成員基本參數見表1。

表1 報價單元內部成員基本參數

Tab.1 Basic parameters of members of unit a

報價單元中電站A是該單元主要的徑流調蓄電站，該站在該競價日的來水過程如圖7所示，總體而言，該日來水波動較大，尤其是在1～10時段。該日時段平均來水流量為689.16m3/s，最大流量為887.33m3/s，出現在第1個時段，最小流量出現在第7個時段為408.29m3/s，僅占最大流量的0.46，占平均流量的0.59。

圖7 電站A來水曲線

5.2 最優申報策略

A、B、C三個電站組建成“虛擬水庫”報價單元進行電力現貨市場競價時，整個報價單元申報統一的出力曲線和價格曲線。采用納什均衡求解的思路通過遺傳算法多次迭代，得到“虛擬水庫”報價單元競價的最優報價策略，如圖8所示。該日報價單元申報總電量合計為5 957.81萬kW·h，以第13個時段為界，1～13時段電量較為規律，按照1時段、2～5時段、6～13時段出現臺階式增長；14～24時段申報電量波動較大，最大值出現在21時段。報價單元申報電價波動較大，在時段平均申報電價2 935.79元/(萬kW·h)附近波動。

表2統計了“虛擬水庫”報價單元各成員向單元提交電量的特征參數，包括日總電量、日平均出力、日最大及最小出力。該日報價單元申報總電量合計為5 957.81萬kW·h，其中A站、B站、C站申報日總電量分別占報價單元申報量的67.99%、18.85%和13.15%。A站、B站、C站申報平均電力分別為168.79萬kW、46.80萬kW、32.65萬kW，分別占裝機容量的46.89%、70.92%和45.35%。

圖8 “虛擬水庫”報價單元a量價申報情況

表2 報價單元各成員提交電量特征參數統計

Tab.2 Characteristic parameters of unit a

5.3 報價效果

為了充分探討“虛擬水庫”報價單元的報價效果，本研究將A、B、C各站分別作為獨立主體參與電力市場競價的結果作為參照，此時市場上售電方包含A、B、C三站和虛擬對手四方。采用相同的模型及求解方法，得出各站優化的量價申報策略及最后中標結果。下面從中標市場份額、中標電價、中標收益及購電成本四個方面來探討報價單元的報價效果。以下分析中將“虛擬水庫”報價單元報價簡稱為單元競價，將各站分別作為獨立主體參與電力市場競價簡稱為獨立競價。

5.3.1 市場份額

用戶的購電需求是有限的，且在當前電力供大于求的形勢下，各發電主體需要通過市場競爭來獲得發電資格。因此市場份額是影響發電商收益的一大重要因素。表3統計了A、B、C電站以單元競價和獨立競價參與市場時的市場份額占比情況。從最后中標的結果來看，單元競價方式下，各站的市場份額都有所提升，其中A站通過單元競價方式獲得的市場份額提升量為957.87萬kW·h，相比獨立競價提升了55.28%，市場份額提升最為顯著。A、B、C三站通過單元競價方式獲得的額外市場份額總計為1 009.66萬kW·h，相比獨立競價市場份額提升可33.85%；表明以“虛擬水庫”報價單元來參與市場競爭，能夠獲得更高的市場份額，從而獲得更好的效益。

表3 兩種競價方式的市場各電站份額及占比情況

Tab.3 Market shares of the two bidding methods

5.3.2 電價

在本研究的雙層模型中，購電方按照負荷需求，結合售電方的量價申報方案以購電費用最小化為目標，最終決策出每一時段購買某個售電方電量的總額。因此電價在很大程度上決定了售電方的收益。表4統計了報價單元和A、B、C三站獨立競價時的電價參數，包括最高電價、最低電價、價格極差。單元競價的價格極差大于三站獨立競價時的價格極差，即A、B、C三站通過單元競價中標后的電價分布更廣，在一定程度上降低了市場風險，低價能保證中標份額，高價能適當提升收益。報價單元和A、B、C三站獨立競價時的24點電價分布情況如圖9所示。

表4 兩種競價方式的電價參數

Tab.4 Price parameters of the two bidding methods（單位：元/(萬kW·h)）

圖9 兩種競價方式的24點電價分布情況

5.3.3 收益

兩種競價方式下各站的收益對比如圖10所示。從圖10中可知，以“虛擬水庫”報價單元參與電力市場競價后，各電站的收益都有所提升，整個梯級單元報價獲得的額外收益額高達161.5萬元。其中A站的效益提升最為顯著，相比獨立競價，單元競價給A站創立的凈收益高達143.79萬元，其收益提升了54.15%；B站、C站的收益分別提升了11.47萬元和6.24萬元。表明以“虛擬水庫”報價單元來參與市場競爭，能夠使得各站都能創收。

圖10 兩種競價方式下各電站競價收益

5.3.4 購電成本

梯級電站以單元競價時，用戶的平均購電價格為2 831.1元/(萬kW·h)，相比獨立競價時的平均購電價2 847元/(萬kW·h)，降低了15.9元/(萬kW·h)。因此，對于購電方而言，通過下層購電費用最小化目標函數的實現，能夠抑制市場力較大的發電企業通過協同抬高報價，降低其對市場價格的控制力度，最終減少用戶的購電費用。

綜上所述，基于“虛擬水庫”組建報價單元參與市場投標可以提升各成員的市場份額，擴大報價空間，降低市場風險，提升市場凈收益，同時降低購電方購電費用。

6 結論

針對梯級水電如何參與電力現貨市場的問題，以徑流調節關系為依托，提出了基于“虛擬水庫”的現貨報價單元組建方法，并以某流域三站梯級水電為例構建“虛擬水庫”報價單元進行市場模擬，探索了報價單元的報價效果，得出主要結論如下：

1）“虛擬水庫”報價單元在整體調節能力、市場力、價格競爭力等方面都具有優勢，并且能夠減輕電網的調度和出清工作；同時通過整體戰略安排可規避內部管理混亂和成員背叛風險。因此以“虛擬水庫”報價單元參與電力現貨市場具有科學性和優越性。

2）為探索“虛擬水庫”報價單元的報價效果，構建了以售電方收益最大化和購電方購電費用最小化為目標的雙層互饋模型，模型滿足購售雙方的利益訴求，具有市場適應性。

3）案例分析的結果顯示，相比獨立競價，以“虛擬水庫”報價單元參與電力現貨市場競爭可以提升各成員的市場份額，擴大報價空間，降低市場風險，提升市場凈收益，同時降低購電費用，進一步驗證了基于“虛擬水庫”的梯級水電現貨報價單元組建方法具有優越性。

由于日前市場的競價博弈時間維度跨越較大、不同時段的狀態相互制約，模型求解過程復雜，本研究在報價模擬過程中進行了諸多簡化處理。例如以24點日前現貨市場為背景，這與實際的現貨96點日前市場不太相符；再如將售電方簡化為報價單元及其虛擬對手兩方，針對虛擬對手中各實際售電方對報價單元的影響分析有所欠缺，因此未來研究將更注重電力現貨市場實際。

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Spot Quotation Unit Construction Method of Cascade Hydropower Based on “Virtual Reservoir”

Zhang Hongtu1Xiong Zhijie1Zhu Yanmei2Huang Weibin2Chen Shijun2

（1. State Grid Sichuan Electric Power Company Chengdu 610046 China 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering College of Water Resource and Hydropower Sichuan University Chengdu 610065 China）

There is a highly coupled space-time hydraulic connection between cascade hydropower plants, and due to the different locations in the basin and adjustment capabilities, the market competitiveness and quotation flexibility of various hydropower plants vary greatly, which increases the difficulty and risk of bidding in the spot market. Participating in the market with quotation units is beneficial to resist risks, but how to choose partners is very important. Based on runoff connections in the basin, this paper introduced the concept of "virtual reservoir" and put forward a new spot quotation unit construction method of cascade hydropower, then designed a complete bidding process in the spot market for the quotation unit. A two-layer simulation model was established based on the interests of both power purchase and sales. Finally, a case study was carried out with a cascade hydropower quotation unit in a river basin in Sichuan Province. The results show that participating in the market with a “virtual reservoir” quotation unit can increase the market share of each member, expand the quotation space, reduce market risks, increase net income, and at the same time reduce the purchase cost of electricity, which verifies the scientificity and correctness of the quotation unit based on the “virtual reservoir”.

Cascade hydropower, electricity spot market, quotation unit, virtual reservoir

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210079

TM612

國家電網公司科技項目（含梯級水電電力現貨市場優化出清關鍵技術研究及應用，DZ71-20-014）資助。

2021-01-16

2021-03-26

張宏圖 男，1973年生，碩士，教授級高工，研究方向為電力系統及其自動化E-mail：16377333@qq.com

朱燕梅 女，1993年生，博士研究生，研究方向為梯級水電運行管理及電力市場。E-mail：507109510@qq.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）