省間電力現貨交易優化設計與定價機制

劉 昊，郭 燁，孫宏斌，3，4

（1.清華-伯克利深圳學院,清華大學深圳國際研究生院,廣東省深圳市 518000；2.電力規劃設計總院,北京市 100120；3.電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學）,北京市 100084；4.清華大學電機工程與應用電子技術系,北京市 100084）

0 引言

2021 年,中國提出“碳達峰·碳中和”戰略目標,不斷提高新能源發電占比,加快建設新型電力系統［1-3］。考慮新能源發電與負荷的逆向地理分布現狀,完善全國統一電力市場體系有利于電力資源在中國更大范圍內實現優化配置。而省間電力現貨市場作為全國統一電力市場體系的關鍵環節,可以促進中國西部地區新能源發電的消納,加強不同區域電網間的互聯互濟,加快“碳達峰·碳中和”目標的實現進程［4-5］。

對于跨區域電力現貨交易,國外已有諸多研究和應用。在市場出清方面,美國中西部獨立系統運營 商（midcontinent independent system operator,MISO）和PJM 獨立系統運營商（Pennsylvania-New Jersey-Maryland independent system operator,PJMISO）、MISO 和 美 國 西 南 電 網（southwest power pool,SPP）、紐約獨立系統運營商（New York independent system operator,NYISO）和PJMISO 分別就區域市場間協調（market-to-market,M2M）達成了聯合運營協議,以管理實時運營中的輸電線路阻 塞［6］。 協 調 交 易 調 度（coordinated transaction scheduling,CTS）已經在不同獨立系統運營商（independent system operator,ISO）間得到應用,但其依賴于代理節點的設置,會產生模型誤差,造成環流效應［7-9］。廣義協調交易調度（generalized CTS,GCTS）進一步消除了對代理節點的依賴,在一定條件下可以與聯合經濟調度（joint economic dispatch,JED）的 結 果 等 價［10］。在 歐 洲,可 用 傳 輸 容 量（available transfer capacity,ATC）模型僅考慮區域間交易量限制并分配聯絡線容量,出清結果較為保守［11］。基于流的模型采用功率轉移分布因子量化每個區域對聯絡線的影響,相較于ATC 模型可以提高區域間聯絡線的利用率,降低系統發電成本［12］。

在市場結算方面,美國的CTS 機制中,跨區域投標者根據ISO 預測的代理節點的節點邊際電價（locational marginal price,LMP）提交投標向量。在實時市場中,ISO 通過增加交易頻率和降低交易費用來激勵投標人參與區域間電力交易,并采用代理節點的LMP 來進行結算［7］。在歐洲,不同國家和地區根據線路擁堵情況靈活劃分報價區,每個報價區采用統一價格［13-14］。歐洲各國聯合開展了區域價格耦合（price coupling of regions,PCR）項目,開發了單一價格耦合算法EUPHEMIA（pan-European hybrid electricity market integration algorithm）,用于求解ATC 和Flow-based 模型并獲得隱式拍賣價格［15］。

在中國,北京電力交易中心和廣州電力交易中心已經成立,用于組織中國跨區跨省電力交易的出清和結算［16-17］。目前,中國國內的省間現貨市場已具有較大規模。以國家電網有限公司為例,2022年,超過6 000 家發電企業參與省間現貨交易。全年累計交易電量27.8 TW·h,最大單日交易電量超過19 GW·h,發電側平均交易電價0.87 元/（kW·h）［16,18］。在省間現貨交易的出清過程中,每個省份采用一個或多個代理節點供市場參與者競價。每筆交易的買賣雙方都需要在出價時指定交易路徑,調度中心基于交易路徑來出清,根據報價高低依次扣除對應路徑的相應容量,直至節點間交易路徑無可用容量［19］。這種基于交易路徑的市場出清方法雖然易于理解,但會導致交易流和物理潮流之間存在差異,在線路容量不足時,會造成實際物理潮流越限。

本文針對省間電力現貨交易設計與定價機制開展相關研究,給出了不依賴于跨區域投標者的省間電力現貨交易流程和市場出清模型,采用分區邊際定價的方法為每個報價區計算出清價格,并計算區域間各交易所需承擔的輸電費用。

1 省間電力現貨交易流程設計

本文基于分區邊際定價原則設計的不依賴于跨區域投標者的省間電力現貨交易流程如下:

1）按地理位置或行政因素將全局系統劃分為多個報價區；

2）基于多區域電力系統中的網絡等值方法,獲得用于省間現貨交易出清的簡化公共網絡；

3）各區域運營商（如省級調度中心和電力交易中心）收集本區域投標,協同完成市場出清,計算得到各筆交易的出清數量；

4）各區域運營商將該區域的邊際報價作為交易出清價格對本區域交易進行結算,進一步計算各筆交易的出清費用和輸電費用。

本章將進一步討論報價區劃分和得到簡化公共網絡的方法,市場出清模型和結算方法將分別在第2 章和第3 章中進行闡述。

1.1 報價區劃分

在歐洲,報價區通常按地理位置劃分,在開展跨區域交易的過程中,各國家內部的輸電線路一般視為容量充足。主要考慮聯絡線容量約束,這極大提高了出清效率,適用于線路容量較為充足的多區域電力系統［20］。類似地,可以將中國的每個省作為一個報價區,在組織省間電力現貨交易的過程中,各報價區內的傳輸線路一般視為非阻塞。值得注意的是,本文將區域內易阻塞線路納入“關鍵設備”集合中進行考慮,并將其容量約束納入市場出清模型。

以圖1 所示的兩區域電力系統為例進行說明,假定區域i從區域j進口電力。根據前文描述,將區域i和區域j均作為報價區,每個報價區由省級調度中心和電力交易中心負責運營。在電力系統實時運行時,存在因各種不確定性因素導致省內輸電線路的阻塞問題。為解決此問題,一方面,在省間現貨市場完成出清確定各省邊界狀態后,省內市場出清過程中會計及省內線路容量約束,進一步降低線路潮流越限風險［18］；另一方面,針對實時運行中出現的阻塞或潮流越限問題,采用機組再調度、改變線路拓撲、調整靈活負荷水平、儲能出力等技術手段進行處理,具體可參考文獻［6,21］。

圖1 兩區域電力系統示例Fig.1 Example of two-region power system

1.2 簡化公共網絡形成

在省間現貨交易過程中,考慮多區域電力系統網絡結構一般較為復雜,如果對全系統進行完整建模會降低計算效率,并增加通信負擔。本文采用網絡等值方法建立簡化公共網絡,在保證出清結果最優的前提下提高計算效率。

簡化公共網絡由多區域電力系統中的“關鍵設備”組成,通常包含區域間的聯絡線和受區域間交易影響較大的每個區域的擁堵線路、變壓器和換流站等。值得注意的是,區域間電力交易對設備的影響通常由功率轉移分布因子進行量度,其可以基于直流最優潮流模型計算得到［22］。

區域間電力交易與電力設備（如輸電線路等）的功率轉移分布因子高于區域運營商設定的閾值時,則將相應的設備納入“關鍵設備”集合,置入簡化公共網絡。

以圖1 所示的兩區域電力系統為例,區域i和區域j分別為省i和省j,此時“關鍵設備”包括兩條省間聯絡線1-3 和2-4。在將區域i和區域j分別作為報價區后,對每個省份網絡對外作網絡等值,得到兩區域電力系統的公共網絡如圖2 所示。圖中:虛線表示區域i和區域j的對外等價支路。此外,區域i的等效邊界功率注入如式（1）所示。

圖2 兩區域電力系統簡化公共網絡Fig.2 Simplified common network for two-region power system

式中:qi為區域i的跨區域交易；ei為關聯矩陣,功率注入節點對應元素為1,其他節點對應元素為0；BBi-Ii為與區域i中的邊界節點和內部節點相關的節點導納矩陣；BIi-Ii為區域i的自導納矩陣。BBi-Ii和B-1Ii-Ii包含的元素均為支路電抗的倒數。區域j的等效邊界功率注入也可以采用類似方法計算得到,表示為P?j。

直流潮流模型在高壓輸電網中已有廣泛應用,準確度較高［23］,本文基于直流潮流模型對潮流轉移因子進行求解。此外,采用目前在多區域電力系統中已經應用的靜態網絡等值方法得到簡化公共網絡,該方法在穩態情況下不引入額外的建模誤差,詳見文獻［23-24］。

2 市場出清模型

不依賴于跨區域投標者直接參與的省間現貨機制的市場出清流程包括以下步驟:

步驟1:與傳統發電負荷參與現貨市場的投標方式相同,參與省間現貨交易的市場主體對未來某一時段進行報量和報價；

步驟2:省級或區域電力交易中心收集投標向量以形成該區域的供需曲線；

步驟3:區域間協調者收集所有報價區的供需曲線并進行聯合市場出清。

下文將對以上3 個步驟分別進行說明。步驟1中,市場參與者k向省級電力交易中心提交分時電力-價格曲線。在投標價格方面,賣方和買方在各交易出清時段申報多段投標價格；在報量方面,要求各段報量出力區間首尾相接,各出力報價曲線隨出力增加應滿足單調非遞減。在具體描述方式上,市場參與者k的電力-價格曲線的第s個區間可采用投標向量Rk,s表示,該向量格式為:

式中:tk、nk分別為投標的目標時間段、購/售電的節點位置編號；pk,s、-qk,s、qˉk,s分別為第s個區間的投標價格、投標數量下限、投標數量上限。考慮信息披露的要求［19］,在投標環節各市場參與者無法掌握網架信息。市場出清過程中充分考慮目標電網線路容量約束,各參與者投標環節不考慮目標電網架構,認為其不影響市場活力。

步驟2 中,省級或區域電力交易中心收集所有投標向量,形成各個區域的供給或需求曲線,如圖3所示。此時,省級電力交易中心代表其區域內的市場參與者在省間現貨市場中進行電力買賣。根據投標位置,區域運營商可以通過式（1）計算區域i中所有投標對邊界總線的等效功率注入。

圖3 各區域供給和需求曲線Fig.3 Supply and demand curve of each region

步驟3 中,考慮多區域電力市場中不同區域間的跨區域交易,在各區域匯總形成各自的電力-價格曲線后,建立多區域市場的省間現貨交易出清模型,如式（3）—式（9）所示。

s.t.

式中:R為購電區域集合；C為售電區域集合；eR、eC分別為購電區域、售電區域的關聯矩陣；決策變量qR、qC分別為購電區域、售電區域的投標出清數量向量；pR、pC分別為購電區域、售電區域的報價向量；St,B為聯絡線和邊界節點之間的功率轉移分布因子矩陣；SR,B、SC,B分別為購電區域、售電區域的“關鍵設備”和邊界節點之間的功率轉移分布因子矩陣；SR,R為購電區域“關鍵設備”和購電區域內部節點之間的功率轉移分布因子矩陣；SC,C為售電區域“關鍵設備”和售電區域內部節點之間的功率轉移分布因子矩陣；fˉt為聯絡線容量限制向量；fˉR、fˉC分別為購電區域、售電區域“關鍵設備”容量限制向量；-qR、qˉR分別為購電區域的投標數量的下限、上限向量；-qC、qˉC分別為售電區域的投標數量的下限、上限向量。

在需求總量方面,跨區域電力現貨交易主要針對用電缺口或發電余量進行優化配置。在設定缺口或余量投標上、下限值時,如式（8）和式（9）所示,已經考慮了有關電網的需求總量,不再需要對各區域電網的需求總量進行設定。在需求彈性方面,各市場參與者提交的電力-價格曲線體現了供需各方出清量對價格的彈性。

與引言中介紹的美國CTS 機制、GCTS 機制相比,本文設計的機制不依賴于跨區域投標者,解決了因跨區域投標者套利導致的跨區域交易不充分的問題。與歐洲電力市場采用的ATC 機制相比,所提方法能夠充分利用輸電線路容量,提升經濟性。與歐洲采用的Flow-based 機制相比,所提方法基于網絡等值方法后的簡化公共網絡完成出清,簡化了投標流程,保護了各區域內部網架信息隱私。

3 定價機制

本章對省間電力現貨交易的定價機制進行說明。對于省i中的區域間市場參與者k,它的支付金額Mi,k由下式計算得到:

式中:Hi,k、Li,k分別為市場清算支付、所需承擔的輸電費用。這兩部分費用的計算分別在3.1 節和3.2節中進行闡述。

3.1 計算分區LMP

在分區邊際定價的規則下,每個區域的市場出清價格等于該區域的邊際投標價格［20］。以圖2 中的兩區域電力系統為例進行說明,其市場出清過程如圖4 所示。圖中:星號表示邊際投標。

圖4 區域i 和j 的市場出清價格Fig.4 Market clearing prices of region i and region j

由出清模型式（3）—式（7）對應的Karush-Kuhn-Tucker（KKT）條件,區域i和區域j的區域邊際價格用λi和λj表示,計算公式分別如式（11）和式（12）所示。

式中:pi,m、pj,m分別為區域i、區域j的邊際投標價格。

區域i中的區域間市場參與者k所需支付的市場出清金額Hi,k可由式（13）計算得到。

式中:qi,k為省i中的區域間市場參與者k的出清量。區域j的計算過程類似,此處省略。

3.2 計算跨省跨區輸電價格

本節計算各筆省間現貨交易所需支付的輸電費用。

首先,將簡化公共網絡的傳輸價格向量lC表示如下:

式中:lP、lR、lI分別為省、地區（如:華北電網、華東電網等）、區域間輸電價格。中國各省、地區和跨地區輸電價格詳見文獻［25-26］,對每個省電網、區域電網、每條區域間聯絡線分別核定其輸電價格。

其次,為了量化區域間交易對輸電線路的潮流貢獻,需要明確每筆省間交易的源節點和匯節點,進而將出清的投標數量乘以等效功率注入和線路之間的功率轉移分布因子以獲得潮流貢獻。在完成市場出清后,通過如圖5 所示的等效雙邊交易求解方法得到等效的雙邊交易,明確各省間現貨交易的源匯節點。圖中:矩陣S、矩陣D分別包含電力賣出區域和電力購入區域的投標信息,其中矩陣的1—4 列向量分別是價格、數量、節點編號、區域編號；矩陣C包含等價雙邊交換信息,其中矩陣的1—6 列分別為數量、源匯節點價差、源節點數、匯節點數、電力購入區域編號、電力賣出區域編號。

圖5 等效雙邊交易求解方法Fig.5 Solving method of equivalent bilateral trading

以圖1 所示的兩區域電力系統為例。根據圖5所示的算法流程,可以基于高低配對的原則形成5 筆 雙 邊 交 易,分 別 為qi,1-qj,1、qi,2-qj,1、qi,2-qj,2、qi,3-qj,2、qi,3-qj,3。假設區域i的市場參與者k（購入電力）和區域j的市場參與者α（賣出電力）之間存在省間現貨交易,其數量用qk,α表示。值得注意的是,目前中國的跨區跨省輸電費用均由電力購買者一側承擔［19］。在此條件下,市場參與者k承擔的輸電費用Li,k為:

式中:li、lj分別為區域i、區域j的輸電價格；li,j為區域i與區域j間跨區域輸電線路的輸電價格向量；qk,α為區域i的市場參與者k（購入電力）和區域j的市場參與者α（賣出電力）之間存在的省間現貨交易數量。式中向量B與e的含義與式（1）中相同,詳見1.2 節中對式（1）各變量的相關解釋說明。

市場參與者α承擔的輸電費用Lj,α可由式（16）計算得到。

在輸電費用計算方面,相較于目前中國國內省間現貨市場中基于合同路徑的輸電費用計算方法［19］,本文提出的方法充分考慮跨區域交易對區域間聯絡線和區域內線路的物理潮流影響,采用潮流轉移分布因子對該影響進行量化,從而按潮流貢獻合理收取輸電費用。該方法解決了合同路徑法由于物理潮流對合同潮流的偏離無法實現“誰受益,誰承擔”的問題［27］。

4 算例驗證

采用兩省系統和三省系統對本文所提出的中國省間現貨交易優化設計與定價機制進行驗證,相關算例在Intel Core i7 1.10 GHz 處理器和16 GB 內存的PC 端完成。

4.1 算例1：兩省（6 節點）系統

首先,采用兩省系統（6 節點）來驗證所提出的省間電力現貨市場出清與定價機制,如圖6 所示。選擇邊界上的5 號節點作為全局系統的相角參考節點,所有內部線路和聯絡線的電抗均設置為1.0 p.u.,假定所有輸電線路的容量為無窮大,省A、省B、聯絡線2-4、聯絡線3-5 的輸電價格分別為lA、lB、l2-4、l3-5。在此算例中,假設省B 從省A 進口電力。省間電力現貨交易投標情況如表1 所示。

表1 算例1 中跨區域投標參數Table 1 Cross-regional bidding parameters in case 1

圖6 算例1 的兩省（6 節點）系統Fig.6 Two-province (6-bus) power system in case 1

其次,對本文提出的市場出清模型（式（3）—式（7））進行求解,計算得到投標1、投標2、投標3、投標4 的出清量分別為10、20、20、10 MW,此時,省A 與省B 之間的跨區域交易量為30 MW,兩省的邊際出清的交易分別為投標2 和4。因此,根據式（11）—式（13）,兩省跨區域交易的市場出清邊際λ和投標1、投標2、投標3、投標4 的支付費用H在表2 中給出。

表2 算例1 中市場出清價格和支付Table 2 Market clearing prices and payments in case 1

然后,對投標1～4 所需承擔的輸電費用進行計算。根據圖5 所示的等效雙邊交易求解方法,可以得到等效的雙邊交易分別為q1-q3、q2-q3、q2-q4,這三筆等效雙邊交易的出清量均為10 MW。表3 給出了等效雙邊交易對聯絡線的潮流貢獻δ,根據式（15）和式（16）可以計算得到區域間交易需承擔的輸電費用（見表4）。

表3 算例1 中等效雙邊交易對聯絡線的潮流貢獻Table 3 Contribution of equivalent bilateral transactions to power flow of tie lines in case 1

表4 算例1 中跨區域輸電費用Table 4 Cross-regional transmission tariffs in case 1

根據3.2 節,因為投標1 和投標2 是電力賣出方,這兩個投標不承擔跨省跨區輸電費用,而電力購買方投標3 和投標4 支付每個等價雙邊交易中的輸電費用。因此,投標1、投標2、投標3、投標4 承擔的輸電費用分別為0、0、650、325 元/h。而省A運營商、省B 運營商和協調者的輸電收入分別為150、150、675 元/h。最后,投標1、投標2、投標3、投標4 的總支付金額分別為-2 000、-4 000、8 650、4 325 元/h,本算例的計算結果如圖7 所示。

圖7 算例1 中市場出清支付和輸電費用Fig.7 Market clearing payments and transmission tariffs in case 1

此外,將本文所提的市場出清方法與JED、GCTS、ATC 機制在跨區域交易量方面進行對比。采用本文所提的市場出清方法、JED、GCTS、ATC 機制得到的跨區域交易量分別為30、30、28、25 MW。可以看出,本文方法在簡化出清流程、保護各區域內部網架隱私的前提下,求解得到的跨區域交易量等于JED 求解的交易量,驗證了第2 章的結論。

將所提的輸電費用計算方法所得結果與當前基于合同路徑的計算方法所得結果進行對比,結果如表5 所示。可以看出,本文所提輸電費用計算方法準確考慮了跨區域交易對省間聯絡線的物理潮流貢獻,驗證了第3 章的結論。

表5 算例1 中不同輸電費用計算方法對比Table 5 Comparison of transmission tariffs calculation methods in case 1

最后,對比考慮完整網絡架構和考慮網絡等值后的潮流計算結果（見表6）和交易出清結果（見表7）。可以看出,網絡等值后與基于完整網絡的計算結果相同,驗證了所提方法的合理性。

表6 算例1 中網絡等值前后輸電線路潮流對比Table 6 Comparison of power flow of transmission lines before and after network equivalence in case 1

表7 算例1 中網絡等值前后交易量對比Table 7 Comparison of trading volumes before and after network equivalence in case 1

4.2 算例2：三省系統（118 節點）

將本文所提方法擴展到三省系統（118 節點）,該系統如圖8（a）所示［24］。應用網絡等值方法后得到的簡化公共網絡如圖8（b）所示。圖中:紅色虛線表示各區域對外等值線路。

圖8 三省系統（118 節點）Fig.8 Three-province power system (118-bus)

假設省1 賣出電力,省2 和3 有進口電力需求,表8 給出了省間現貨投標信息。聯絡線30-3 和聯絡線68-81 的容量分別設置為50 MW 和25 MW,其他輸電線路則設置為無窮大。省1、省2、省3 的輸電價格分別為200、300、400 元/（MW·h）,表9 給出了算例2 中聯絡線的輸電價格。

表8 算例2 中跨區域投標參數Table 8 Cross-regional bidding parameters in case 2

表9 算例2 中聯絡線輸電價格Table 9 Transmission prices of tie-lines in case 2

首先,根據式（8）—式（12）計算得到市場出清結果如表10 所示。基于分區邊際定價的方法,通過列寫模型的KKT 條件計算每個省的邊際價格λ,并用其來結算該省的投標。在此算例中,投標1～10的邊際投標價格為300 元/（MW·h）,而投標11～15的邊際投標價格為650 元/（MW·h）,省間現貨交易1～15 在市場出清過程中需要支付的費用如表10 所示,用符號H表示。

表10 算例2 中跨區域交易出清結果Table 10 Market clearing results of cross-regional trading in case 2

其次,根據圖5 所示的算法流程,可以計算得到省間投標的等效雙邊交易,結果如表11 所示。根據式（15）和式（16）,計算得到等效雙邊交易需要承擔的輸電費用。輸電費用在中國主要由電力購入端進行分攤,投標1～15 所需承擔的輸電費用如表12 所示,圖9 給出了各筆省間現貨交易的總支付金額。綜上,本文所提出的市場清算和結算方式在此三省系統（118 節點）中得到了驗證。

表11 算例2 中等效雙邊交易Table 11 Equivalent bilateral tradings in case 2

表12 算例2 中跨區域投標的輸電費用Table 12 Transmission tariffs of cross-regional biddings in case 2

圖9 算例2 中市場出清支付和輸電費用Fig.9 Market clearing payments and transmission tariffs in case 2

最后,對比算例2 中不同跨區域現貨交易機制出清量,本文所提方法跨區域交易量為92.1 MW,JED、GCTS、ATC 的 跨 區 域 交 易 量 分 別 為92.1、88.3、82.5 MW。輸電費用計算方面的對比結果如表13 所示,分別驗證了第2 章和第4 章分析結果的準確性。

表13 算例2 中不同輸電費用計算方法對比Table 13 Comparison of different transmission tariff calculation methods in case 2

5 結語

在實現“碳達峰·碳中和”目標的背景下,發展完善省間電力現貨交易有利于實現更大范圍內的資源優化配置,助推中國綠色低碳發展進程。本文面向多區域互聯電力系統,研究了適用于省間現貨交易的出清流程與定價機制。首先,根據地理或行政因素劃分報價區,并基于網絡等值得到簡化公共網絡。其次,設計省間現貨市場出清方法,通過求解出清模型得到各市場參與者投標的出清數量。最后,采用區域邊際價格對每個區域進行結算,并基于等效雙邊交易匹配原則計算省間現貨交易所應承擔的輸電費用。

下一步,將在省間現貨交易中進一步考慮不同形式輸電成本分攤機制（如容量費用等）的應用。