基于集中竞价模式的发电权交易模型分析

张 蕊,刘克城,李晓明,董靓媛,李安昌

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.盾石磁能科技有限责任公司,河北 石家庄 050000)

目前,我国正在大力推进电力体制改革,加大电力市场建设,发电权交易作为电力市场的一种交易品种被明确纳入新电改。随着电力供需矛盾的缓解,一些地方为优化发电资源、促进电源结构的调整、实现降耗减排,也相继开展了发电权交易的尝试,通过市场机制压缩小机组发电,在节能降耗方面取得了很好的效果。这种方式可以在尊重发电企业经营自主权并且不影响电力消费者利益的前提下,在降低能耗、减少污染及碳减排方面收到很好的功效。

1 发电权交易概述

1.1 含义及机理

发电权交易是指拥有发电份额的发电企业,在合约市场、日前市场等市场中通过双边谈判或撮合洽谈等方式,将其所拥有的发电份额有偿转让给其他发电企业,由其他发电企业替代其发电的电力市场交易行为。发电权交易的实质是一种以市场方式实现发电机组、发电厂之间电量替代的交易行为,是一种有偿替代发电交易。它是在具有成本、能耗和效率等差异的发电企业之间进行的以许可发电份额为标的的交易行为,通过相互自发的发电补偿效益,实现发电资源的优化配置[1]。

对于一些发电机组,如果由于某种原因无法执行其已签订的、在有效期内的全部或部分合约发电量合同,可以通过双边协商交易或电力调度交易机构组织的集中撮合交易,以自己认可的价格向高效节能环保机组(如水电机组、风电机组等)购买相应数量的电量合同,以弥补自己无法执行的合约发电量,减少可能的违约损失[2]。

1.2 交易模式

目前,我国电力市场中主要存在2种发电权交易的模式,分别为双边交易模式以及集中竞价模式。

1.2.1 双边交易

双边交易模式是一种分散进行的发电权交易[3]。在规定的截止日期前,发电企业可以自由选择其它发电企业进行洽谈,并达成发电权交易电量和电价的初步协议。交易中心对所有发电权交易进行汇总并交由调度中心进行安全校核;如果安全校核未通过,则按照规定的原则裁减部分交易后再次进行安全校核,直至校核通过。校核通过后,交易中心在规定的日期前向发电企业公布最终确定的发电权交易,并将这些交易纳入下一时间周期各电厂发电计划。

1.2.2 集中竞价交易

集中竞价交易模式是在规定的时间内,交易双方在电力交易运营系统上申请交易的电量以及补偿报价。电力交易运营系统按照节能优先、价格优先、时间优先等原则通过统一的交易平台对所有参与报价的机组进行集中撮合[4]。交易双方按照电力交易运营系统确认后的成交结果签订发电权交易合同,明确交易周期、成交电量、成交价格、结算方式等。现阶段,集中撮合交易组织交易的核心思想是“高低匹配”,即买家按照报价由高到低依次排优先级,卖家按照报价由低到高依次排优先级。首先撮合优先级最高的买家和卖家的交易,交易的成交价格为卖方报价和买方报价的平均值,然后撮合优先级次高的市场成员的交易,依此类推。在集中撮合交易方式中,交易中心可以通过集中化的方式进行区内资源优化配置和系统管理,应用能耗管理方法进行节能总量控制。

2 发电权交易的集中竞价交易模型

针对不同的发电权交易模式,有不同的发电权交易模型。对于不同的目标与约束,所建立的模型以及其对应的解法也各不相同。双边交易模式交易模型简单,本文不再详细阐述。现行的集中竞价是按照价格“高低匹配”的方式进行交易配对,本文介绍一种以节能量最优为目标函数的集中竞价发电权交易模型。此模型能实现交易后节能量最大。

2.1 交易模型

2.1.1 目标函数

即目标函数为交易的总节能量最大。

式中:m为发电权出让方总数;n为发电权受让方总数;fSi为发电权出让方i的机组的能耗;fBj为发电权受让方j的机组的能耗;Qij为一笔交易中出让方i与受让方j的实际交易电量。

2.1.2 约束条件

a.电量平衡

c.价格约束

式中:PSi为发电权出让方i的机组报价;PBj为发电权受让方j的机组报价;QSi为出让方i的机组计划发电权出让电量;QSimax为出让方i的机组本身获得的发电份额;QBj为受让方j的机组发电权申报电量;WL为流经输电断面的电量向量;WLmax为输电断面最大允许输送电量向量;WLmin为输电断面最小允许输送电量向量;U为网络中的所有节点的节点电压向量;Umax为节点电压的上限值;Umin为节点电压的下限值;Pl为机组实际出力向量;Plmax为机组最大出力向量;Plmin为机组最小出力向量。

2.2 求解步骤

a.发电权出让方机组按照能耗由高到低排序。当出让方机组能耗相同时,按照出让方报价由高到低进行排序。根据上述原则,形成发电权出让方机组的综合排名。

b.发电权受让方机组按照能耗由低到高排序。当出受方机组能耗相同时,按照受让方报价由低到高进行排序。根据上述原则,形成发电权受让方机组的综合排名。

c.在满足价格约束的前提下,从综合排名靠前的发电权受让方机组开始,优先与综合排名靠前的发电权出让方机组进行撮合交易。

d.所有的撮合过程结束后,检查是否满足网络安全约束以及机组性能约束。如果满足,则交易结束;若不满足,对于不满足网络安全约束的情况:从最后成交的交易逆序开始,调整与约束条件有关的交易的成交电量,并促成后续交易,直至满足安全约束条件。对于不满足机组性能约束的情况,调整相关机组的交易量直至满足机组性能约束。

e.形成最终交易结果,各交易对的交易价格为交易双方报价的平均值。

2.3 模型分析

本模型的目的是通过发电权交易达到一定的节能效果。所建立的目标函数保证了节能量是最优的,同时必须满足一定的约束条件。

约束条件包括了电量平衡和交易量的约束,这2个约束条件保证交易前后,总发电量保持不变。对于交易量的约束,每一个发电权出让方的实际交易量不能超过其计划发电权出让电量,同样,每一个发电权受让方的实际交易量不能超过其发电权申报量;价格约束,发电权出让方报价是其愿意支付给受让方代替其发电的最高价格,发电权受让方的报价是其愿意接受的出让方对自身替代发电所支付的最低价格。只要发电权成交价格高于其发电成本,通过发电权交易便可以获取利润,因此受让方以其发电成本为报价下限。当出让方报价低于受让方报价时,交易价格是低于受让方的发电成本的,这样受让发不会替出让方发电。因此出让方报价不得低于受让方的报价。约束条件中同时还包括了网络安全约束和机组性能约束,保证网络中各节点电压、线路载流量、机组出力都在规定的阈值内。

为了在模型中体现出竞价,增大总的经济效用,在机组能耗相同的情况下,以机组报价的高低作为出让方及受让方机组排序的第二要素,从而形成发电权出让方机组以及受让方机组的综合排序。出让方报价由高到低,受让方报价由低到高,这样即为传统以经济效用最大化为目标的模型的价格“高低匹配”原则。但由于本模型的目标为节能量最大,因此在能耗相同的情况下采用价格的“高低匹配”原则进行交易。这样,模型不仅实现节能量最大,还保证了在节能量最大前提下的经济效用最大化。

3 算例分析

关于火电机组的能耗问题,机组实际的能耗和机组容量,效率,负荷率等很多因素有关。在本算例中考虑火电机组的能耗仅和机组容量有关:机组容量越大,能耗越低。为了计算通过所建模型进行发电权交易后的节能效果,设定煤耗如表1所示。

表1 各容量机组煤耗数据

假设所有交易发生在一个三节点的网络中,且计算线路潮流分布时应用直流潮流模型,支路功率的分布可以类比成简单电路。而节点电压默认为满足要求。实际情况中,需要在交易中心安排完所有发电权交易之后,由调度中心根据计算机潮流计算得到网络中各条支路潮流及各节点电压,判断是否满足网络安全约束。

算例中所用到的网络模型包括3个节点A、B、C以及3条传输线A—B、B—C、C—A。设3条传输线长度及各参数完全相同,且双向所允许通过的最大有功功率均为500 MW。参与发电权集中竞价交易的发电厂机组申报参数见表2。

表2 集中竞价市场成员申报数据

集中竞价模式中存在多个发电权出让方和多个发电权受让方。其中机组A1、A2、A3位于节点A。机组B1、B2位于节点B。机组C1、C2、C3、C4、C5位于节点C。A1、B1、C1、C2、C3为发电权出让方,其中A1、B1、C1是高煤耗关停的小火电机组,C2、C3是尚未列入关停计划的中小火电机组。A2、A3、B2、C4、C5为发电权受让方,其中A3、C4是风电机组,能耗为0。A2、B2、C5是大中型火电机组。出让方机组既有高煤耗关停的小火电机组,也有尚未列入关停计划的中小火电机组。受让机组包括风电机组、大中型火电机组。参与交易的机组选取涵盖了各种类型、各种煤耗等级的机组,基本能反映发电权交易中可能出现的各类情况,具有一定的普遍性。

节能量最优的发电权交易模型以交易总的节能量最大为优化目标,发电权出让方机组按照能耗由高到低排序,同时发电权受让方机组按照能耗由低到高排序,按照交易双方“能耗”的高低匹配原则进行撮合交易。为了体现“竞价”,在节能量最大的前提下实现社会总效用最大,当出让方机组能耗相同时,按照出让方报价由高到低进行排序;当出受方机组能耗相同时,按照受让方报价由低到高进行排序。最终形成发电权出让方和受让方机组的综合排名,见表3。

表3 发电权出让方和受让方机组的综合排名

在满足价格约束的前提下,从综合排名靠前的发电权受让方机组开始,优先与综合排名靠前的发电权出让方机组进行撮合交易。在这个过程中,C2—B2这一对交易因为出让方C2的报价低于受让方B2的报价,不满足价格约束,因此不能进行交易。按照发电权出让方机组及受让方机组综合排名进行撮合交易后而未进行校核时形成的交易对如表4所示。

表4 撮合后未校核时形成的交易对

根据表4中的交易电量计算各条传输线的潮流,发现C—A传输线的潮流是1 600/3 MW,超出了线路的最大允许值500 MW。不满足网络安全校核,需要从最后成交的交易C3—A2逆序开始,调整与约束条件有关的交易的成交电量,并促成后续交易C3—C5,直至满足约束条件。调整后最后形成的交易对如表5所示。

各交易对的交易价格为交易双方的报价的平均值。根据本章开头给出的各等级火电机组的平均供电煤耗,计算出各交易对的节煤量,在交易结果中列出,最后的交易结果(包括交易对、交易电量、交易价格及节煤量)见表5。

表5 集中竞价交易调整后最终交易对及成交结果

经集中竞价交易后,总共的节煤量是:

185.5+36.5+255.5+73+46.8+4.2+2.1+0.7=604.3 t,节能效果比较明显。

4 结论

本文对一种基于集中竞价模式的发电权交易模型进行分析。将现有发电权集中竞价模式以价格“高低匹配”的模式进行改进,从节能减排的角度出发,建立了以节能量最优为最终结果的目标函数。通过对模型的深入分析,建立的模型不仅实现节能量最大,还保证了在节能量最大前提下的经济效用最大化。以一个三节点系统为算例,验证了所建立模型的有效性,进行发电权集中竞价交易后,节煤量达604.3 t,电网整体的节能效果明显。

发电权交易作为电力市场交易品种体系的重要组成部分,在清晰界定初始发电权的基础上,以市场机制进一步挖掘市场成员的互补特性,有利于充分发挥市场机制使能源得到优化配置。发电权交易是一种新颖而有效的能源配置方式和交易模式,是促进清洁能源消纳的重要市场化手段,可以在电力市场实践中发挥积极的作用,有效的达到节能减排及促进新能源消纳的效果。