電力市場統一協調聯合優化出清模型研究

羅曼璐LUO Man-lu

（河海大學教務處，南京 211100；河海大學能源與電氣學院，南京 211100）

0 引言

電力市場的健康、有效運行，關系到國民經濟的命脈及人民的福祉。優化我國電力市場模式，對我國建成一個能夠成熟運行的電力現貨市場，具有重要的理論及現實意義。

為打破電力市場的空間交易壁壘，實現電力資源大范圍優化配置，建設統一的電力市場，歐洲在進行大范圍資源優化配置方面已有較多可行性經驗。目前，PCR項目已構建了以名Euphemia為核心的統一協調聯合優化出清算法[1]。使用Euphemia算法計算歐洲整個統一市場的電能交易情況，可使整體福利最大化，同時提高了電力交易的透明度。我國的現貨市場目前仍停留在對國外經驗的梳理分析[2-6]，尚未建立起適用于國內市場的模型或算法。此外，中國的能源資源與負荷中心逆向分布的現狀，以及各地區經濟發展水平的較大差異導致負荷分布不均；近年來，遠離負荷中心的新能源的集中快速開發更加劇了能源供需的逆向分布。這樣的大環境與歐洲多個國家非常類似[7-9]，因此歐洲的電力市場建設經驗對中國有較強的借鑒意義。

文章基于Euphemia算法，根據我國實情，從電力庫的建立、投標區的劃分以及我國統一市場的出清流程等方面試圖構建適用于我國的統一市場模式；從報價方式、目標函數和約束條件3方面嘗試建立適用于我國省間電力市場統一聯合優化出清模型。文章可為打破我國當前省間電力市場交易壁壘，建成一個可以成熟運行的電力現貨市場提供參考。

1 Euphemia算法流程簡介

為了落實統一聯合優化出清模型，解決日前歐洲市場耦合問題，歐洲構建了名為Euphemia的統一電價聯合出清算法。Euphemia算法對第二天所有時間段的電力供給和需求進行能量匹配，同時還要考慮到市場和網絡的約束。Euphemia算法的主要目的是為了收益最大化，即日前市場的競拍表達為消費者剩余和生產者剩余的函數。Euphemia算法運行了一種基于市場耦合模型的聯合優化過程。該算法旨在解決主問題社會福利最大化問題和三個相互關聯的子問題，分別是定價子問題、PUN尋找子問題和電量不確定子問題（圖1）。

圖1 Euphemia算法結構

2 我國的統一市場聯合優化出清模型構建

2.1 我國的統一電力市場模式構建

2.1.1 電力庫的建立

電力庫的交易方式能夠最大化的發揮市場和競爭的作用，突出電力的商品屬性。在電力庫模式下，為確保競爭的公平性，以發用電兩側為主的市場參與者，均為匿名的方式同時向電力庫申報訂單，電力庫是市場參與者的唯一接觸者（圖2）。

圖2 發用電側與電力庫的關系

2.1.2 投標區的劃分

投標區的劃分對整個統一市場影響深遠。本文依據歐洲PCR項目，在全國范圍內，遵循來自同一投標區的各訂單被視為來自同一市場成員；投標區內部無輸電阻塞或忽略不計；一個投標區同一時間段內只能有一個出清價格；各投標區之間的聯絡線可用輸電容量已知[10-11]的原則，以省為單位對我國統一電力市場進行投標區劃分（圖3）。

圖3 我國統一電力市場投標區劃

2.1.3 我國統一市場出清流程

我國統一市場出清即為日前市場的耦合，具體流程如下：①省屬電力機構整理轄區內次日負荷所需電量形成需求側報價訂單，匯總各發電企業所提交的供給側報價訂單；②省屬電力機構將匯總好的報價一次性全部提交給電力庫；③電力庫匯總各省的所有報價訂單，一次性運行出清程序，得到出清結果，即所有報價的中標情況，并將所有中標情況返回給各省；④各省公司按照電力庫所返回的出清結果進行交易，安排發用電調度以及省內的再調度事宜。

2.2 我國的統一電力市場聯合優化出清模型

2.2.1 報價方式

文章基于歐洲較為復雜的報價方式，選取普通小時報價、塊報價和靈活小時報價（表1）。文章建立的全國統一市場模型時間顆粒度為1小時，即各報價的基本時間單位為1小時。

表1 我國統一電力市場報價方式

2.2.2 目標函數

2.2.2.1 競價模式的目標函數原則

根據市場經濟原則，商品交易的目標是最大化社會福利。電能競價的目標函數選用為：

式中，BD表示用戶使用電能的收益；CG表示從發電商處獲取電能的成本。在電價結算方面，存在按邊際電價統一結算和按各機組實際報價結算兩種方式：

式（2）-（4）中，FM表示按邊際電價統一結算下的購電費用；T為交易周期的時段數；Pi（t）為第i個發電機組（或發電廠、發電公司）在t時間段的中標電量，當t以小時表示時，Pi（t）即機組出力；i為機組序號，N為機組總數；πSMP為系統邊際電價πi[Pi（t）]表示機組i出力為Pi時的報價，FB表示按各機組實際報價結算的購電費用。

2.2.2.2 我國統一市場的目標函數

考慮到我國統一市場的目標函數的實際可行性，本模型參考歐洲PCR項目，其需求側報價選擇普通小時報價，發電側報價選取：普通小時報價、塊報價和靈活小時報價。因此，社會福利最大化可表示為：

式中，wtot為目標社會福利，優化問題即求wtot的最大值，udem為負荷側總價值，csup為供電側普通小時報價總價值，cbo為供電側塊報價總價值，cfho為供電側靈活小時報價總價值。其中，udem、csup、cbo、cfho分別表示如下：

2.2.2.3 我國統一市場出清模型的約束條件

在我國電網實際運行中，線路上的爬坡速度往往調整都非常迅速，且1小時的時間顆粒度，相對爬坡速度來說裕量充分。因此，本模型將我國電力市場出清模型的約束歸為訂單帶來的約束、電力平衡約束以及傳輸通道的容量約束，未采用歐洲統一聯合優化出清模型中對爬坡率的約束。具體約束分述為：

式（10）-（12）為訂單帶來的約束。其中t為將一天24小時分割成的時間段，在我國統一市場模型中，時間的顆粒度為1小時，式（10）與（11）分別約束了發電側和負荷側的中標率≤1；（12）式約束了靈活小時報價的總中標率≤1，靈活小時報價的中標時間段服從出清系統分配，但各中標時間的中標率總和≤1，即同一靈活小時訂單不能重復中標。塊報價和靈活小時報價的中標率和，依然為0或1。

3 結論

文章通過借鑒歐洲PCR項目的成功經驗，根據我國實情，打破省間交易壁壘，以電力市場社會福利最大化為目標，首先從電力庫的建立、投標區的劃分、以及我國統一市場出清流程等方面的設計，闡述了我國的統一電力市場模式構建；其次，通過報價方式、目標函數以及約束條件的具體分析，成功構建了適用于我國的統一電力市場聯合優化出清模型。文章可為我國建成可成熟運行的電力現貨市場提供理論參考。