電力市場(chǎng)集中競(jìng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析：阻塞管理基本原理4-歐洲分區(qū)競(jìng)價(jià)、輸電容量計(jì)算及分配1

2018-04-04 14:45:16 走進(jìn)電力市場(chǎng) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

在《阻塞管理基本原理1》、《阻塞管理基本原理2》和《阻塞管理基本原理3》中，我們對(duì)阻塞的基本原理及事前事后兩種阻塞管理方法進(jìn)行了介紹...

在《阻塞管理基本原理1》、《阻塞管理基本原理2》和《阻塞管理基本原理3》中，我們對(duì)阻塞的基本原理及事前事后兩種阻塞管理方法進(jìn)行了介紹。歐洲的阻塞管理是一種基于區(qū)域的管理方法，但與美國(guó)德州、加州早期采用的分區(qū)定價(jià)和阻塞管理方法又不同。這里我們對(duì)歐洲的分區(qū)競(jìng)價(jià)和阻塞管理、輸電容量的計(jì)算及分配等進(jìn)行介紹和分析，并與其他的阻塞管理方法進(jìn)行對(duì)比。歐洲的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易等見(jiàn)之前的文章《歐洲電力現(xiàn)貨市場(chǎng)聯(lián)合出清機(jī)制》。

一、輸電容量顯式拍賣(mài)和隱式拍賣(mài)

電力交易與一般市場(chǎng)交易的最大的一個(gè)區(qū)別是電力的交易必須通過(guò)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，而電網(wǎng)有許多特殊的屬性，如其在電網(wǎng)中的傳輸受電路規(guī)律控制，實(shí)際流向無(wú)法跟蹤，必須保持供需實(shí)時(shí)的平衡等。如果將傳輸作為單獨(dú)的一個(gè)服務(wù)，電力市場(chǎng)中交易的產(chǎn)品主要有兩大類(lèi)：能量和傳輸。根據(jù)市場(chǎng)中對(duì)能量產(chǎn)品和傳輸產(chǎn)品之間的關(guān)系考慮方法的不同，可以把輸電容量分為顯式拍賣(mài)和隱式拍賣(mài)兩大類(lèi)。

1)顯式拍賣(mài)。確定區(qū)域之間或關(guān)鍵支路上傳輸容量的極限，考慮安全運(yùn)行需要的裕度，將剩余的可用傳輸容量進(jìn)行顯式的拍賣(mài)，獲得輸電容量的市場(chǎng)主體才可以進(jìn)行相應(yīng)數(shù)量(由其獲得的輸電容量確定)的區(qū)域之間的能量交易。這種方式下，輸電容量的拍賣(mài)和能量的拍賣(mài)是分離的，首先進(jìn)行輸電容量的拍賣(mài)，然后再進(jìn)行能量的拍賣(mài)。在能量拍賣(mài)中不需考慮詳細(xì)且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)約束，僅考慮市場(chǎng)主體的傳輸容量約束即可。

2)隱式拍賣(mài)。輸電容量的拍賣(mài)和能量的拍賣(mài)同時(shí)進(jìn)行。不直接對(duì)輸電容量進(jìn)行分配。認(rèn)為市場(chǎng)主體的出價(jià)中，已經(jīng)包含了能量和傳輸兩種產(chǎn)品(服務(wù))的價(jià)格。譬如以美國(guó)PJM、德州等為代表的日前、實(shí)時(shí)市場(chǎng)的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度，就是一種典型的隱式拍賣(mài)。發(fā)電商不需要事先購(gòu)買(mǎi)輸電容量，僅需要申報(bào)在其上網(wǎng)節(jié)點(diǎn)愿意接受的上網(wǎng)電價(jià)即可。系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)(ISO)根據(jù)市場(chǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)價(jià)情況、各個(gè)支路的約束情況等確定最終的交易結(jié)果。

本文介紹的方法適用于第一種機(jī)制即顯式拍賣(mài)機(jī)制下，當(dāng)前正應(yīng)用于歐洲中長(zhǎng)期市場(chǎng)交易中。

二、歐洲分區(qū)競(jìng)價(jià)機(jī)制

歐洲電力市場(chǎng)與美國(guó)電力市場(chǎng)的一個(gè)重要的區(qū)別是：歐洲是基于分區(qū)的市場(chǎng)，而美國(guó)是基于節(jié)點(diǎn)的市場(chǎng)。

美國(guó)電力市場(chǎng)中，市場(chǎng)主體的報(bào)價(jià)按節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，對(duì)每個(gè)交易時(shí)段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)價(jià)格。當(dāng)然，如果需要，在節(jié)點(diǎn)價(jià)格的基礎(chǔ)上，可以對(duì)若干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)產(chǎn)生一些用于結(jié)算的區(qū)域價(jià)格、hub價(jià)格等。

歐洲遠(yuǎn)期及日前電力市場(chǎng)中，市場(chǎng)主體的報(bào)價(jià)按“報(bào)價(jià)區(qū)”進(jìn)行，市場(chǎng)出清也按報(bào)價(jià)區(qū)進(jìn)行。也就是說(shuō)，將一個(gè)報(bào)價(jià)區(qū)內(nèi)的所有的節(jié)點(diǎn)當(dāng)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)看。如果不發(fā)生阻塞，整個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)一的價(jià)格;如果發(fā)生阻塞，每個(gè)報(bào)價(jià)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)價(jià)格。

圖1 簡(jiǎn)單兩區(qū)域系統(tǒng)

如圖所示，系統(tǒng)中有兩個(gè)區(qū)I區(qū)和II區(qū)，每個(gè)區(qū)分別有三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C及D、E、F，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分別有一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)負(fù)荷。I區(qū)和II區(qū)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線CD聯(lián)絡(luò)。

三、關(guān)鍵支路的定義

根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)理論，理論上，對(duì)一個(gè)聯(lián)通的電網(wǎng)，任意兩點(diǎn)之間的功率交換都會(huì)引起系統(tǒng)中所有支路上潮流的變化。因此，在進(jìn)行跨區(qū)交易的相關(guān)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮所有支路的約束。但實(shí)際上，由于有些支路的傳輸容量非常大，或者受跨區(qū)交易的影響非常小，一般不會(huì)由于跨區(qū)交易的變化引起該支路的阻塞，因此在進(jìn)行跨區(qū)交易的相關(guān)計(jì)算中可以不考慮。歐洲電力市場(chǎng)中，定義了關(guān)鍵支路(Critical Branch,CB)的概念，具體如下。

【關(guān)鍵支路】一個(gè)關(guān)鍵支路是在一定的運(yùn)行方式下，顯著的受到跨區(qū)交易影響的支路，由其所在區(qū)域的輸電公司(Transmission System Owner, TSO)定義。一個(gè)關(guān)鍵支路需要定義以下內(nèi)容：

1)一條線路(可以是聯(lián)絡(luò)線，也可以是區(qū)內(nèi)的線路)，或者是一臺(tái)變壓器，其顯著受到跨區(qū)交易的影響;

2)一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)(operational situation)，如正常狀態(tài)(N狀態(tài))、事故狀態(tài)(N-1，N-2，母線故障等，由TSO的可靠性原則確定)。

在上述定義中，請(qǐng)注意兩點(diǎn)：

1)關(guān)鍵支路可以是聯(lián)絡(luò)線支路，也可以是區(qū)內(nèi)支路。也就是說(shuō)，在進(jìn)行區(qū)域之間的傳輸功率極限等的計(jì)算過(guò)程中，不僅僅考慮聯(lián)絡(luò)線支路的功率限制，也可以考慮區(qū)內(nèi)受跨區(qū)交易影響的支路的限制。這是和美國(guó)德州、加州早期電力市場(chǎng)中的區(qū)域定價(jià)方法中有本質(zhì)區(qū)別的地方。

2)關(guān)鍵支路的定義需由TSO根據(jù)其給自電網(wǎng)的安全、可靠性運(yùn)行準(zhǔn)則確定需要考慮的運(yùn)行狀態(tài)，不同TSO可以有不同的定義方法。比如，以上區(qū)域中，假設(shè)區(qū)域I僅考慮正常運(yùn)行狀態(tài)即N狀態(tài)，而區(qū)域II考慮單一線路故障的N-1狀態(tài)。

假設(shè)系統(tǒng)共定義了三條關(guān)鍵支路

1)CB1：正常運(yùn)行狀態(tài)下的線路AC

2)CB2：正常運(yùn)行狀態(tài)下的線路CD

3)CB3：EF線路故障情況下的線路DE

這里，關(guān)鍵支路CB1、CB2是正常運(yùn)行狀態(tài)下的某條支路的約束，關(guān)鍵支路CB3是某個(gè)N-1(EF故障)下的某條支路的約束。關(guān)鍵支路CB1和CB3是區(qū)內(nèi)線路的約束，關(guān)鍵支路CB2是聯(lián)絡(luò)線約束。

四、報(bào)價(jià)區(qū)轉(zhuǎn)移分布因子

為了確定區(qū)域之間交易的限額，需要了解各個(gè)區(qū)域的凈功率對(duì)關(guān)鍵支路的潮流的影響。比如，對(duì)上面的例子而言，要確定區(qū)域I最多能向區(qū)域II送多少電，需要知道當(dāng)區(qū)域I每增加單位的跨區(qū)交易電力，對(duì)關(guān)鍵支路的影響。

電力系統(tǒng)中的潮流轉(zhuǎn)移分布因子(PTDF,Power Transfer Distribution Factor)可以用于這個(gè)分析。PTDF在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)以及輸配電定價(jià)當(dāng)中早有應(yīng)用，它定義了某個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入功率變化引起的支路潮流變化量，即節(jié)點(diǎn)注入功率對(duì)支路功率的靈敏度。

在分區(qū)定價(jià)和阻塞管理中，需要解決的主要問(wèn)題是，傳統(tǒng)的PTDF是基于節(jié)點(diǎn)的，即計(jì)算的是某個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入功率的變化對(duì)支路潮流的影響;而在分區(qū)定價(jià)方法中，需要給出某個(gè)區(qū)的跨區(qū)交易的變化對(duì)支路潮流的影響。理論上，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有唯一的解。這是由于，區(qū)域內(nèi)不同的發(fā)電組合，會(huì)得到不同的分布因子，也就是說(shuō)，區(qū)域的PTDF取決于發(fā)電的組合情況。

以上述簡(jiǎn)單系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。考慮I區(qū)的PTDF。也就是說(shuō)，要計(jì)算，I區(qū)向II區(qū)傳輸功率增加單位量，如1MW，關(guān)鍵支路CB1和CB2上的潮流分別變化多少?

【算例分析】假設(shè)線路AB、BC、CA的阻抗均相同，區(qū)域1定義了兩條關(guān)鍵支路CB1和CB2，具體定義見(jiàn)表1。表2給出了四種不同的發(fā)電組合情況。比如，組合1下G1、G2、G3的發(fā)電權(quán)重為1、0、0，其含義為：區(qū)域I增加送出功率(向區(qū)域II送電)時(shí)，全部由G1提供;同樣，組合2的含義為區(qū)域I增加送出功率(向區(qū)域II送電)時(shí)，全部由G2提供;組合3的含義為區(qū)域I增加送出功率(向區(qū)域II送電)時(shí)，全部由G3提供。組合4稍微復(fù)雜一些，當(dāng)區(qū)域I增加送出功率(向區(qū)域II送電)時(shí)，分別由G1和G2提供50%的出力。

確定了發(fā)電的組合方案后，根據(jù)電路、潮流的基本原理，可以計(jì)算得到區(qū)域功率變化對(duì)各關(guān)鍵支路上潮流的靈敏度，即PTDF，見(jiàn)表格2。進(jìn)一步，根據(jù)PTDF，就可以計(jì)算得到區(qū)域間交易的最大功率Pmax(I-II)。比如，組合方案1下，考慮CB1，I-II的最大交易功率為75 (=50/(2/3));考慮CB2，I-II的最大交易功率為80(=80/1)，因此綜合考慮CB1和CB2，I-II的最大交易功率為75(=min(75,80))。同理可以計(jì)算得到組合方案2、3、4下的最大交易功率:80、80及80。

注：

組合1：Pmax(I-II) = Min(50/(2/3),80/1)=75

組合2：Pmax(I-II) = Min(50/(1/3),80/1)=80

組合3：Pmax(I-II) = Min(50/(0),80/1)=80

組合4：Pmax(I-II) = Min(50/(0.5),80/1)=80

組合5：Pmax(I-II) = Min(50/(1/3),80/1)=80

五、發(fā)電轉(zhuǎn)移因子

從上面的例子看，報(bào)價(jià)區(qū)的功率變化對(duì)關(guān)鍵支路的轉(zhuǎn)移分布因子，以及區(qū)域之間交易功率的極限，是與區(qū)內(nèi)發(fā)電的組合有關(guān)的。而在電力市場(chǎng)中，這個(gè)組合與發(fā)電的具體報(bào)價(jià)有關(guān)。表3給出了四種報(bào)價(jià)情況a、b、c及d。假設(shè)報(bào)價(jià)對(duì)應(yīng)的容量均為100MW。對(duì)發(fā)電機(jī)組的調(diào)用如果按照?qǐng)?bào)價(jià)從低到高的順序，則可以得到對(duì)應(yīng)報(bào)價(jià)情況下的組合序號(hào)。比如，報(bào)價(jià)情況a下，G1的報(bào)價(jià)最低，因此當(dāng)區(qū)域1增加送出功率時(shí)，應(yīng)該全部由G1增加出力，對(duì)應(yīng)組合方案1;報(bào)價(jià)情況d下，G1和G2的報(bào)價(jià)相同，因此當(dāng)區(qū)域1增加送出功率時(shí)，由G1和G2按容量比例共同承擔(dān)，即按照1:1比例分配出力，因此對(duì)應(yīng)組合4。

考慮另外一種情況。如果上例中G1、G2、G3對(duì)應(yīng)的申報(bào)價(jià)格不變，但容量均變?yōu)?0MW，則在跨區(qū)交易P(I-II)增加的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的組合序號(hào)將發(fā)生變化。以報(bào)價(jià)情況c為例進(jìn)行分析。

當(dāng)P(I-II)小于等于30MW時(shí)，跨區(qū)交易全部由G3承擔(dān)，邊際機(jī)組為3;如果P(I-II)增加到30MW以上，則需要在G3承擔(dān)30MW的情況下G1承擔(dān)剩余部分，邊際機(jī)組為G1;當(dāng)P(I-II)大于60MW時(shí)，G3和G1分別承擔(dān)30MW，G2承擔(dān)剩余的部分，邊際機(jī)組為G2。

可以看到，在不同的跨區(qū)交易的水平(即凈功率Net Position，簡(jiǎn)稱(chēng)NP)下，系統(tǒng)的邊際機(jī)組不一樣，各機(jī)組的出力水平情況不一樣，因此對(duì)關(guān)鍵支路的影響也不一樣。在歐洲市場(chǎng)中，規(guī)定可以由各TSO確定在進(jìn)行輸電可用容量、區(qū)間交易可行域時(shí)采用的區(qū)內(nèi)各發(fā)電機(jī)組的組合情況，用發(fā)電轉(zhuǎn)移因子(Generation Shift Key ，GSK)表示。實(shí)際上，表2中不同的發(fā)電組合下的發(fā)電權(quán)重就是各方案下的GSK。

表3的例子中，假設(shè)報(bào)價(jià)為方案c。如果區(qū)域1采用邊際機(jī)組的方法，即用邊際機(jī)組的PTDF作為區(qū)域的PTDF，則：

1)如果預(yù)測(cè)區(qū)域1的初始NP小于30MW，則采用組合方案3下的GSK，即{0、0、1｝;

2)如果預(yù)測(cè)區(qū)域1的初始NP在30MW到60MW之間，則采用組合方案1下的GSK，即{1、0、0｝;

3)如果預(yù)測(cè)區(qū)域1的初始NP大于60MW，則采用組合方案2下的GSK，即{1、0、0｝;

這里初始NP是指在進(jìn)行輸電可用容量分配時(shí)的現(xiàn)有交易下的區(qū)域凈功率水平。比如，在進(jìn)行日前的輸電可用容量分配時(shí)，初始NP是指在日前交易以前已經(jīng)簽定的年度、月度等交易所確定的各區(qū)凈功率情況。

根據(jù)所確定的GSK策略，就可以計(jì)算得到區(qū)域NP變化時(shí)對(duì)關(guān)鍵支路潮流的影響因子即PTDF。表2給出了四個(gè)發(fā)電組合方案1、2、3、4下的PTDF。

以上例子中假設(shè)區(qū)域I采用邊際機(jī)組的PTDF。實(shí)際中，各TSO也可以采用其他的方法確定GSK和PTDF。一種常用的方法是平均策略，即以當(dāng)前情況下各發(fā)電機(jī)組出力的平均PTDF作為區(qū)域的PTDF。上面的例子中，假設(shè)當(dāng)前的NP為60MW，采用平均GSK策略，則GSK為{0.5,0,0.5}，對(duì)應(yīng)發(fā)電組合方案5。

不同的GSK策略得到的PTDF不一樣，因此據(jù)此計(jì)算出來(lái)的區(qū)域間的可用輸電極限也不一樣。實(shí)際中，各區(qū)域可根據(jù)歷史情況確定各區(qū)域的GSK策略，在后續(xù)的文章中再對(duì)不同的GSK策略進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的分析。

總結(jié)

歐洲電力市場(chǎng)的很多環(huán)節(jié)與美國(guó)市場(chǎng)不一樣。其中重要的一點(diǎn)就是阻塞的管理、輸電容量的分配等方面。歐洲采用的是基于報(bào)價(jià)區(qū)的方法，其方法與美國(guó)加州、德州早期采用的分區(qū)定價(jià)的方法不完全一樣。在加州、德州早期的分區(qū)定價(jià)方法中，首先不考慮區(qū)內(nèi)阻塞進(jìn)行區(qū)間交易出清，然后再考慮區(qū)內(nèi)阻塞進(jìn)行功率的調(diào)整，這可能會(huì)增加一部分機(jī)組的博弈空間、市場(chǎng)力。歐洲的分區(qū)定價(jià)方法中，在進(jìn)行區(qū)間交易的可用輸電容量計(jì)算、區(qū)間交易可行域的計(jì)算中，考慮所有可能會(huì)影響區(qū)間交易的支路，可以是聯(lián)絡(luò)線，也可以是區(qū)內(nèi)支路，可以是正常運(yùn)行狀態(tài)，也可以是N-1等狀態(tài)。歐洲分區(qū)定價(jià)方法的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是發(fā)電轉(zhuǎn)移因子GSK的計(jì)算，區(qū)域TSO選擇的GSK策略與實(shí)際市場(chǎng)中的機(jī)組組合情況可能造成不一致，因此造成PTDF、關(guān)鍵支路可用輸電容量計(jì)算的誤差。實(shí)際中，歐洲市場(chǎng)通過(guò)設(shè)置一定的安全裕度的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在后續(xù)的文章中我們將對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

作者：

荊朝霞,華南理工大學(xué),教授/博士生導(dǎo)師

陳紫穎,華南理工大學(xué),碩士研究生

季天瑤，華南理工大學(xué),副教授/碩士生導(dǎo)師

原標(biāo)題:電力市場(chǎng)集中競(jìng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析（十四阻塞管理基本原理4-歐洲分區(qū)競(jìng)價(jià)、輸電容量計(jì)算及分配1）

責(zé)任編輯：李鑫

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