吳天曈，丁 一，尚 楠，包銘磊，宋永華

（1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市310027；2. 南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東省廣州市510663；3. 澳門(mén)大學(xué)智慧城市物聯(lián)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門(mén)999078）

0 引言

2015 年3 月，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》（中發(fā)〔2015〕9 號(hào)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)9 號(hào)文），提出鼓勵(lì)建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的交易機(jī)制［1］。在9 號(hào)文及配套文件的指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)各省確立了電力市場(chǎng)建設(shè)路徑，初步制定了年、季、月等時(shí)間尺度的中長(zhǎng)期交易規(guī)則［2-4］，中長(zhǎng)期交易正在有序開(kāi)展。在各現(xiàn)貨試點(diǎn)省份發(fā)布的市場(chǎng)建設(shè)方案中，都充分放開(kāi)了不同類(lèi)型的發(fā)電機(jī)組參與市場(chǎng)化交易［5］，如浙江省允許煤電、水電、氣電和核電機(jī)組參與市場(chǎng)［6］。在市場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，市場(chǎng)力的濫用往往會(huì)造成出清價(jià)格扭曲、社會(huì)福利受損等嚴(yán)重后果［7-8］。因此，中長(zhǎng)期合約電量分解算法應(yīng)充分考慮各類(lèi)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性和市場(chǎng)力識(shí)別與平抑等重要因素。

在保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、考慮機(jī)組差異化出力特性、符合機(jī)組安全約束條件等前提下，將中長(zhǎng)期合約電量分解至現(xiàn)貨結(jié)算時(shí)段，是有序銜接中長(zhǎng)期交易和現(xiàn)貨交易［9］、保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和維護(hù)市場(chǎng)公平的重要問(wèn)題［10］。國(guó)內(nèi)外對(duì)合約分解問(wèn)題已有較多研究，文獻(xiàn)［10-11］研究了單一類(lèi)型發(fā)電機(jī)組的合約電量分解算法，文獻(xiàn)［12］建立了一種協(xié)調(diào)新能源預(yù)測(cè)的中長(zhǎng)期合約電量分解模型?，F(xiàn)有文獻(xiàn)往往只計(jì)入單種機(jī)組的運(yùn)行約束條件，而較少考慮與其他機(jī)組共同承擔(dān)負(fù)荷，或未深入探討不同類(lèi)型機(jī)組的運(yùn)行特性差異與合約電量分解的關(guān)系［13-14］，僅有較少文獻(xiàn)對(duì)水火電機(jī)組的合約電量分解進(jìn)行了研究［15］，不能完全適應(yīng)當(dāng)前多類(lèi)發(fā)電機(jī)組參與市場(chǎng)的現(xiàn)狀。文獻(xiàn)［16-17］采用滾動(dòng)修正方法處理機(jī)組檢修問(wèn)題，將檢修月份的合約電量分配至其他月份和其他機(jī)組，計(jì)算復(fù)雜度較高。上述文獻(xiàn)在合約分解過(guò)程中往往未考慮市場(chǎng)力校驗(yàn)，而發(fā)電機(jī)組可能以物理持留或金融持留的形式行使市場(chǎng)力，以謀取高額利益，不利于維護(hù)公平競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境。部分文獻(xiàn)從降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)和降低購(gòu)電成本等方面指出在合約分解方法中增加市場(chǎng)力識(shí)別及控制措施的意義，文獻(xiàn)［18］在合約分解算法中使用Lerner 指數(shù)（LI）評(píng)估機(jī)組發(fā)揮市場(chǎng)力的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)合約分解不考慮市場(chǎng)力抑制，市場(chǎng)可能陷入價(jià)格較高且波動(dòng)較大的不穩(wěn)定狀況；文獻(xiàn)［19］指出恰當(dāng)?shù)暮霞s可有效抑制發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)力并增加社會(huì)福利。這些市場(chǎng)力抑制措施對(duì)識(shí)別與平抑發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)力具有一定的積極作用，但較少考慮電網(wǎng)拓?fù)浜统绷鞯扔绊憴C(jī)組市場(chǎng)力的因素，市場(chǎng)力校驗(yàn)的實(shí)用性略顯薄弱。

因此，本文針對(duì)多類(lèi)機(jī)組廣泛參與電力市場(chǎng)現(xiàn)狀，考慮各類(lèi)機(jī)組的運(yùn)行特性和平抑發(fā)電側(cè)潛在的市場(chǎng)力風(fēng)險(xiǎn)的需求，提出一種面向多類(lèi)發(fā)電機(jī)組的中長(zhǎng)期合約電量聯(lián)合分解算法。本算法以差異化合約電量分解原則為基礎(chǔ)，建立了考慮各類(lèi)機(jī)組差異化出力特性和機(jī)組檢修計(jì)劃的合約電量聯(lián)合分解模型。此外，為避免機(jī)組濫用市場(chǎng)力，以“機(jī)組必須運(yùn)行功率（must-run generation，MRG）”指標(biāo)檢驗(yàn)分解結(jié)果的合理性，可發(fā)現(xiàn)并平抑發(fā)電側(cè)主體行使市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避以往市場(chǎng)力抑制措施未考慮電網(wǎng)拓?fù)涞牧觿?shì)。最后，通過(guò)采用中國(guó)東部某省負(fù)荷特征修正的IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了算法的有效性。

1 基于機(jī)組運(yùn)行特性的合約電量分解原則

在市場(chǎng)建設(shè)初期，由于僅放開(kāi)部分參與市場(chǎng)交易用戶(hù)采用市場(chǎng)電價(jià)，多數(shù)電網(wǎng)企業(yè)供電用戶(hù)仍采用目錄電價(jià)，為此多數(shù)試點(diǎn)地區(qū)的非市場(chǎng)化電量常由政府部門(mén)制定并簽訂中長(zhǎng)期電量合約。核電、水電、燃?xì)夂腿济簷C(jī)組是中國(guó)發(fā)電量最高的4 種機(jī)組，2019 年發(fā)電量之和占全國(guó)總發(fā)電量的91.6%［20］，也是發(fā)電側(cè)市場(chǎng)的典型主體。因此，本文面向核電、水電、燃?xì)夂腿济? 種機(jī)組進(jìn)行合約電量聯(lián)合分解算法的設(shè)計(jì)。上述4 種機(jī)組的運(yùn)行特性各不相同，這決定其分別適合承擔(dān)不同的負(fù)荷（如基荷、峰荷等），為使各類(lèi)機(jī)組盡可能利用其發(fā)電能力和發(fā)電特性滿(mǎn)足負(fù)荷需求，合約電量分解原則應(yīng)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行特性決定。本章首先分析各類(lèi)機(jī)組的運(yùn)行特性，為了保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，考慮部分機(jī)組的建設(shè)成本、收益變化及非市場(chǎng)環(huán)境下的發(fā)電計(jì)劃［21］，進(jìn)而形成差異化的合約電量分解原則，可體現(xiàn)不同電源在市場(chǎng)環(huán)境下的公平性［22］。

1.1 核電機(jī)組

核電廠的基建成本高而燃料成本較低，為了盡快回收核電廠建設(shè)成本，需要盡量增加核電機(jī)組的發(fā)電小時(shí)數(shù)，保持核電機(jī)組滿(mǎn)功率運(yùn)行［23］。國(guó)內(nèi)核電機(jī)組以壓水堆為主，雖然具備一定的負(fù)荷跟蹤能力［24］，但升降功率所需時(shí)間較長(zhǎng)，且頻繁調(diào)節(jié)出力可能會(huì)降低機(jī)組壽命，增加安全風(fēng)險(xiǎn)［25］。綜合安全和經(jīng)濟(jì)角度的考量，核電機(jī)組適合承擔(dān)基荷，合約電量遵循“一條直線(xiàn)”的分解原則，即不考慮機(jī)組檢修情況下，核電機(jī)組保持恒定功率運(yùn)行，合約曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)，分解原則表示為:

1.2 水電機(jī)組

水電機(jī)組為受到能源約束的代表性機(jī)組，國(guó)內(nèi)水電站多為徑流式水電站［26］，其出力功率與來(lái)水的徑流量直接相關(guān)，總體呈現(xiàn)季節(jié)變化性較強(qiáng)的特征。另外，水電機(jī)組的發(fā)電成本低，為了充分利用水能資源和有效降低系統(tǒng)發(fā)電成本，水電機(jī)組的合約電量遵循“典型來(lái)水曲線(xiàn)”的原則進(jìn)行分解，即水電機(jī)組盡量不棄水，出力曲線(xiàn)呈季節(jié)性波動(dòng)趨勢(shì)，合約曲線(xiàn)形狀與典型來(lái)水曲線(xiàn)類(lèi)似，分解原則表示為［27］:

式 中:PH，i，t為 水 電 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 合 約 分 解 功 率；γH，i為 水 電 機(jī) 組i 合 約 電 量 比 例 的 一 個(gè) 常 數(shù)；uH，i，t為水電機(jī)組i 在t 時(shí)刻的啟停狀態(tài)，開(kāi)機(jī)則uH，i，t=1，關(guān)機(jī)則uH，i，t=0；η 為水輪發(fā)電機(jī)組效率；Qi，t為水電機(jī)組i 在t 時(shí)刻的發(fā)電流量；Hi，t為t 時(shí)刻作用于水電機(jī)組i 的水位落差；Q和Q分別為水電機(jī)組i 在t 時(shí)刻 的 最 大、最 小 發(fā) 電 流 量；P和P分 別 為 水 電機(jī)組i 在t 時(shí)刻的最大、最小出力，i=1，2，…，NH，NH為系統(tǒng)中水電機(jī)組的數(shù)量。式（2）為水電機(jī)組i在t 時(shí)刻的合約分解功率，式（3）為發(fā)電流量約束，式（4）為水電機(jī)組i 在t 時(shí)刻的出力約束。

1.3 燃?xì)鈾C(jī)組

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟停迅速、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，適于承擔(dān)電力系統(tǒng)峰荷和作為應(yīng)急備用電源。受天然氣價(jià)格的影響，燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電成本較高，目前不適合長(zhǎng)期承擔(dān)基荷運(yùn)行［28-29］。考慮到燃?xì)鈾C(jī)組的運(yùn)行特性和發(fā)電成本，燃?xì)鈾C(jī)組的合約電量以“頂峰”原則開(kāi)展分解，即燃?xì)鈾C(jī)組在總合約曲線(xiàn)的尖峰時(shí)段運(yùn)行，在非尖峰時(shí)段停機(jī)，分解原則表示為:

式中:uG，i，t為燃?xì)鈾C(jī)組i 在t 時(shí)刻的啟停狀態(tài)；PQ，t為總合約曲線(xiàn)在t 時(shí)刻的功率為當(dāng)日總合約曲線(xiàn)的平均功率；ε 為以PQ，t-為變量的單位階躍函數(shù)；PG，i，t為 燃 氣 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 合 約 分 解 功 率；P和P分 別 為 燃 氣 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 最 大、最 小出力；P和P分別為 燃 氣機(jī)組i 在Δt 時(shí) 間內(nèi)出力的最大升、降值，i=1，2，…，NG，NG為系統(tǒng)中燃?xì)鈾C(jī)組的數(shù)量。當(dāng)PQ，t＞時(shí)，燃?xì)鈾C(jī)組i 運(yùn)行，uG，i，t=1；反之，燃?xì)鈾C(jī)組i 停機(jī)，uG，i，t=0。式（5）為燃?xì)鈾C(jī)組i 在t 時(shí)刻的啟停狀態(tài)，式（6）為燃?xì)鈾C(jī)組i在t 時(shí)刻的出力約束，式（7）和式（8）為燃?xì)鈾C(jī)組i 的爬坡率約束。

1.4 燃煤機(jī)組

燃煤機(jī)組的啟停過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，并耗用大量燃料，承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻等任務(wù)會(huì)提高強(qiáng)迫停運(yùn)率和事故率，因此燃煤機(jī)組適合承擔(dān)比較均勻的負(fù)荷，不宜頻繁啟停和大幅度調(diào)整出力［30］，合約電量以“總合約曲線(xiàn)”原則進(jìn)行分解，在獲得核電、水電、燃?xì)獾葯C(jī)組的合約分解曲線(xiàn)后，其余負(fù)荷由燃煤機(jī)組承擔(dān)，根據(jù)總合約曲線(xiàn)調(diào)整發(fā)電功率，燃煤機(jī)組合約曲線(xiàn)的形狀接近總合約曲線(xiàn)，分解原則表示為:

2 面向多類(lèi)發(fā)電機(jī)組的合約電量聯(lián)合分解模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文第1 章設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型機(jī)組合約電量的分解原則，為了使不同類(lèi)型機(jī)組的合約分解曲線(xiàn)依照分解原則疊加形成總合約曲線(xiàn)，形成各類(lèi)機(jī)組承擔(dān)不同負(fù)荷的堆疊順序，可使用線(xiàn)性規(guī)劃方法分配不同類(lèi)型機(jī)組的合約電量，通過(guò)給每種機(jī)組的總出力乘以不同的權(quán)重，則機(jī)組的合約電量按照所乘權(quán)重大小的自發(fā)分層，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的不同分解原則［31-32］。本分解算法可歸納為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)是最大化t 時(shí)刻帶權(quán)重的4 種機(jī)組合約分解功率，因而機(jī)組按照權(quán)重大小的降序，依次堆疊承擔(dān)總合約曲線(xiàn)的不同部分:

式中:a1、a2、a3、a4分別為核電、水電、燃?xì)夂腿济簷C(jī)組的合約分解功率權(quán)重，可根據(jù)歷年發(fā)用電計(jì)劃獲得，滿(mǎn)足a1＞a2＞a3＞a4，以實(shí)現(xiàn)核電機(jī)組承擔(dān)基荷、水電機(jī)組充分利用水能資源、燃?xì)鈾C(jī)組峰荷時(shí)運(yùn)行和燃煤機(jī)組承擔(dān)其余負(fù)荷的目標(biāo)。

2.2 約束條件

1）合約電量分配平衡約束

未來(lái)合約年的總合約曲線(xiàn)通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法獲得，本文基于切實(shí)可行和簡(jiǎn)單易懂的原則選取負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，以對(duì)合約年負(fù)荷曲線(xiàn)進(jìn)行整體預(yù)測(cè)，進(jìn)而結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)曲線(xiàn)和合約電量比例獲得合約年的總合約曲線(xiàn)。使用歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)合約年的負(fù)荷曲線(xiàn)屬于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)［33］提出了一種綜合考慮了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)、氣溫等多重因素的中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，獲得了較好的負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，預(yù)測(cè)模型可表示為:

式中:CGDP為負(fù)荷區(qū)域的地區(qū)生產(chǎn)總值；Tt為當(dāng)前溫度；Tt-k為 前k 小 時(shí) 的 溫 度；Ta為 過(guò) 去24 h 平 均 溫度；Tmonth、Tweekday、Tday和Thour分別表示月、周、日和小時(shí)變量；α 和β 為待定系數(shù)，使用歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型得到。

綜合式（14）所述的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和合約電量比例獲得合約年的總合約曲線(xiàn)后，合約電量分配平衡約束表示為:

2）機(jī)組檢修約束

機(jī)組檢修期間不應(yīng)承擔(dān)合約電量，如果采用滾動(dòng)修正或交叉修正的方法處理機(jī)組檢修問(wèn)題，則首先在不考慮檢修情況下分解各機(jī)組合約電量，再將檢修期間的電量分配到其他機(jī)組和其他月份，循環(huán)修正以保證機(jī)組年合約總量不變［16-17］。當(dāng)機(jī)組數(shù)目較多且已知各機(jī)組檢修時(shí)間時(shí)，沒(méi)有必要使用滾動(dòng)修正方法，可采用機(jī)組檢修計(jì)劃編入合約分解結(jié)果的方法，不再給檢修機(jī)組分配合約電量，則每臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行期間自動(dòng)承擔(dān)了其他機(jī)組檢修期間的電量，反之亦然，避免了對(duì)檢修期間未執(zhí)行電量的循環(huán)分配。

當(dāng)機(jī)組的檢修時(shí)間單位為日時(shí)，由機(jī)組檢修引起的啟停約束由式（16）和式（17）表示。

式 中:ui，j為 機(jī) 組i 在 第j 日 的 運(yùn) 行 狀 態(tài)，運(yùn) 行 則ui，j=1，檢 修 則ui，j=0；ds和de分 別 為 機(jī) 組i 的 檢 修 開(kāi) 始天 數(shù) 和 檢 修 結(jié) 束 天 數(shù)；ui，t為 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 啟 停狀態(tài)。

3）機(jī)組出力約束和爬坡率約束

式（18）為所有機(jī)組在t 時(shí)刻的出力約束，式（19）和式（20）分別為燃?xì)夂腿济簷C(jī)組的爬坡率約束。

式 中:Pi，t為 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 合 約 分 解 功 率；P和分 別 為 機(jī) 組i 在t 時(shí) 刻 的 最 大、最 小 出 力，i=1，2，…，NU+NH+NG+NC；和分別為燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組j 在Δt 時(shí)間內(nèi)出力的最大升、降值，j=1，2，…，NG+NC。

4）線(xiàn)路容量約束

3 合約分解結(jié)果的市場(chǎng)力檢驗(yàn)

合理的合約分解結(jié)果能平抑機(jī)組發(fā)揮市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)，不合理的合約可能給機(jī)組以發(fā)揮市場(chǎng)力的機(jī)會(huì)，因此以第2 章所述模型對(duì)機(jī)組的合約電量進(jìn)行分解后，需要檢驗(yàn)分解結(jié)果是否讓機(jī)組有行使市場(chǎng)力的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已對(duì)發(fā)電側(cè)的市場(chǎng)力進(jìn)行了多角度分析，文獻(xiàn)［34-35］基于剩余需求函數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)力進(jìn)行了理論推導(dǎo)與測(cè)試，文獻(xiàn)［36］研究了發(fā)電機(jī)組位置與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與市場(chǎng)力的關(guān)系，文獻(xiàn)［37］提出了考慮網(wǎng)絡(luò)約束的市場(chǎng)力量化指標(biāo)。實(shí)際電力市場(chǎng)中使用的市場(chǎng)力檢驗(yàn)指標(biāo)主要有LI、Herfindahl-Hirschman 指 數(shù)（HHI）［38］、Residual Supply 指 數(shù)（RSI）［39］和Three Pivotal Supplier 指 數(shù)（TPS）［40］等，計(jì)算方式分別為:

表1 常用市場(chǎng)力檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of common market power test indices

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)往往采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)電價(jià)與機(jī)組報(bào)價(jià)、網(wǎng)絡(luò)潮流約束和負(fù)荷水平等息息相關(guān)，發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)力體現(xiàn)在提高報(bào)價(jià)以惡意抬高現(xiàn)貨市場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)，從而獲得超額收益。因此，檢驗(yàn)合約電量分解結(jié)果是否讓機(jī)組有行使市場(chǎng)力的機(jī)會(huì)時(shí)，需要綜合考慮現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制和發(fā)電機(jī)組行使市場(chǎng)力的方式與影響因素，因而本文采用文獻(xiàn)［37］中的MRG 作為檢驗(yàn)指標(biāo)。在考慮發(fā)電和輸電容量約束時(shí)，MRG 是機(jī)組為了滿(mǎn)足負(fù)荷需求而必須運(yùn)行的功率，系統(tǒng)必須調(diào)用這部分發(fā)電容量以維持發(fā)用電平衡，由式（26）至式（29）求解。MRG 綜合反映了輸電容量約束、負(fù)荷波動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素對(duì)機(jī)組市場(chǎng)力的影響［37］，是一種較簡(jiǎn)潔且有效的市場(chǎng)力檢驗(yàn)指標(biāo)。美國(guó)加州電力市場(chǎng)也采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制，美國(guó)加州ISO 采取與部分機(jī)組簽訂可靠性必須運(yùn)行（reliability must-run，RMR）合同的方式緩解市場(chǎng)力［43］，與MRG 檢驗(yàn)指標(biāo)具有相似之處。

式 中:Pm，t和PL，t分 別 為 機(jī) 組 出 力 和 負(fù) 荷 向 量；P和P分別為機(jī)組出力向量下限和上限；Pl，max為線(xiàn)路潮流約束向量；F 為潮流分布系數(shù)矩陣。式（26）為求解的目標(biāo)函數(shù)，由于機(jī)組行使市場(chǎng)力的程度與MRG 正相關(guān)，因此目標(biāo)函數(shù)是最小化機(jī)組i 在t 時(shí)刻的出力Pm，i，t以降低單臺(tái)機(jī)組行使市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)，Pm，t即為機(jī)組i 在t 時(shí)刻的MRG。式（27）—式（29）分別為功率平衡約束、機(jī)組出力約束和潮流約束。

機(jī)組低于分解結(jié)果Pi，t部分的電量（Pi，t對(duì)時(shí)間的積分）以事先約定的合約價(jià)格結(jié)算，超過(guò)Pi，t的部分以現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格結(jié)算。如果部分輸電線(xiàn)路上產(chǎn)生了阻塞，使得合約分解結(jié)果Pi，t＜Pm，i，t，那么位于阻塞 節(jié) 點(diǎn) 的 機(jī) 組 有Pm，i，t-Pi，t的 功 率 未 被 合 約 覆 蓋，由于系統(tǒng)必須調(diào)用這部分發(fā)電容量，當(dāng)機(jī)組在現(xiàn)貨市 場(chǎng) 中 抬 高Pi，t至Pm，i，t功 率 段 的 報(bào) 價(jià) 時(shí)，市 場(chǎng) 出 清價(jià)格和節(jié)點(diǎn)電價(jià)都將增加［44］，機(jī)組有機(jī)會(huì)獲得Pi，t至Pm，i，t段電量的超額利益，有損其他發(fā)電機(jī)組的公平 性。因 此，當(dāng)Pi，t＜Pm，i，t時(shí)，令Pi，t=Pm，i，t，使 這部分電量不參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)［45］，并重新計(jì)算合約電量分解結(jié)果，直至每臺(tái)機(jī)組Pi，t≥Pm，i，t，以降低機(jī)組在現(xiàn)貨市場(chǎng)中惡意抬高報(bào)價(jià)的機(jī)會(huì)，維護(hù)公平競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境。

4 考慮市場(chǎng)力檢驗(yàn)的合約分解算法流程

結(jié)合第2 章和第3 章所述的合約電量聯(lián)合分解模型和發(fā)電側(cè)市場(chǎng)力風(fēng)險(xiǎn)平抑措施后，多類(lèi)發(fā)電機(jī)組合約電量分解的算法流程如圖1 所示，總結(jié)為以下步驟。

步驟1:生成優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。由第1 章中針對(duì)多類(lèi)機(jī)組設(shè)計(jì)的差異化合約分解原則，形成式（13）所示的目標(biāo)函數(shù)?；跉v史負(fù)荷曲線(xiàn)并考慮合約年的電量增長(zhǎng)情況，結(jié)合式（14）所示的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法和合約電量比例，生成合約年的總合約曲線(xiàn)，進(jìn)而形成式（15）所示的合約電量分配平衡約束；根據(jù)機(jī)組申報(bào)的檢修計(jì)劃，形成機(jī)組檢修約束條件，如式（16）和式（17）所示；基于發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件限制，生成式（18）至式（21）所示的機(jī)組出力、爬坡率約束和線(xiàn)路容量約束。

步驟2:求解合約電量分解結(jié)果。結(jié)合式（13）的目標(biāo)函數(shù)和式（16）至式（21）的約束條件，聯(lián)合分解核電、水電、燃?xì)狻⑷济簷C(jī)組的合約電量到全年每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，形成不同機(jī)組的合約分解曲線(xiàn)。

步驟3:合約分解結(jié)果的市場(chǎng)力檢驗(yàn)。由式（26）至式（29）求解機(jī)組的Pm，i，t，并與步驟2 中得到的 合 約 分 解 結(jié) 果Pi，t進(jìn) 行 比 較。如 果Pi，t＜Pm，i，t，則調(diào)整該機(jī)組的合約分解結(jié)果，使Pi，t=Pm，i，t，返回步驟2 重新分解其他機(jī)組的合約電量，直到所有機(jī)組滿(mǎn) 足Pi，t≥Pm，i，t。當(dāng) 合 約 比 例 過(guò) 低 或 系 統(tǒng) 阻 塞 情 況嚴(yán)重時(shí)，部分機(jī)組可能不滿(mǎn)足收斂條件Pi，t≥Pm，i，t，可對(duì)低于Pm，i，t的功率段 進(jìn)行限價(jià)。

圖1 合約分解算法流程圖Fig.1 Flow chart of contract decomposition algorithm

本分解算法充分考慮了不同的電源特性與約束條件，可公平地保證各類(lèi)機(jī)組盡可能利用其運(yùn)行特性滿(mǎn)足負(fù)荷需求。同時(shí)，以MRG 指標(biāo)檢驗(yàn)合約分解結(jié)果，能抑制機(jī)組發(fā)揮市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少發(fā)電機(jī)組的不合理超額收益，在市場(chǎng)力抑制方面體現(xiàn)了算法的公平合理性。

5 算例分析

5.1 算例說(shuō)明

以含有32 臺(tái)發(fā)電機(jī)組的IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例［46］，對(duì)核電、水電、燃?xì)?、燃煤機(jī)組的合約電量進(jìn)行聯(lián)合分解，形成每日96 點(diǎn)的分解曲線(xiàn)。4 類(lèi)機(jī)組的容量參照國(guó)內(nèi)發(fā)電量比例進(jìn)行分配，機(jī)組參數(shù)如附錄A 表A1 和表A2 所示，機(jī)組的位置與類(lèi)型如圖2 所示。根據(jù)中國(guó)東部某省近3 年的負(fù)荷數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)2020 年全年的負(fù)荷曲線(xiàn)并進(jìn)行計(jì)算。另外，假設(shè)典型來(lái)水曲線(xiàn)以月為單位變化，并近似認(rèn)為同一月份的最大發(fā)電功率不變。

圖2 IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.2 IEEE 24-bus system

5.2 面向不同類(lèi)型機(jī)組的合約電量聯(lián)合分解結(jié)果

4 種機(jī)組的年合約電量分解結(jié)果如圖3 所示，每種機(jī)組在圖形中覆蓋的面積即為該類(lèi)型機(jī)組的年度合約電量。4 種機(jī)組的出力情況與分解原則一致，核電承擔(dān)了總合約曲線(xiàn)的基荷部分，考慮到機(jī)組計(jì)劃?rùn)z修，核電機(jī)組出力并非保持始終持平；水電機(jī)組覆蓋區(qū)域的形狀基本與典型來(lái)水曲線(xiàn)一致，呈現(xiàn)夏季發(fā)電功率高、冬季發(fā)電功率低的特點(diǎn)；承擔(dān)峰荷的燃?xì)鈾C(jī)組需要頻繁啟停，發(fā)電功率的波動(dòng)顯著；燃煤機(jī)組根據(jù)總合約曲線(xiàn)調(diào)整出力，承擔(dān)其余的負(fù)荷需求。

由于燃?xì)鈾C(jī)組容量在系統(tǒng)中所占比例整體偏低，圖3 中燃?xì)鈾C(jī)組基本處于邊緣。第216 日的合約電量分解結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可明顯看出，燃?xì)鈾C(jī)組在總合約曲線(xiàn)的尖峰時(shí)段出力，每個(gè)時(shí)刻4 類(lèi)機(jī)組的合約分解功率之和等于總合約曲線(xiàn)的功率。

圖3 一年中所有機(jī)組合約分解結(jié)果Fig.3 Contract decomposition result of all units in one year

圖4 第216 日所有機(jī)組合約分解結(jié)果Fig.4 Contract decomposition result of all units in the 216th day

提取出2020 年10 月份合約分解結(jié)果用以觀察單臺(tái)機(jī)組的檢修與出力情況，如附錄A 圖A1 所示。從圖A1 可以看出，每種類(lèi)型機(jī)組都有一臺(tái)在10 月份檢修，檢修時(shí)期內(nèi)不分配合約電量，不占據(jù)圖形面積。核電機(jī)組的合約電量按照“一條直線(xiàn)”原則進(jìn)行分解，承擔(dān)系統(tǒng)基荷，因此在圖A1（a）中，核電機(jī)組的出力曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)，保持恒定功率運(yùn)行。水電機(jī)組的合約電量按照“典型來(lái)水曲線(xiàn)”原則進(jìn)行分解，由于近似認(rèn)為水電廠的來(lái)水情況每月變化一次，所以水電機(jī)組在10 月份的最大發(fā)電功率為定值，在圖A1（b）中，水電機(jī)組的合約分解功率保持定值。燃?xì)鈾C(jī)組的合約電量以“頂峰”原則進(jìn)行分解，機(jī)組只在系統(tǒng)峰荷時(shí)運(yùn)行，圖A1（c）中燃?xì)鈾C(jī)組的出力在零與最大出力之間持續(xù)波動(dòng)，呈現(xiàn)出明顯的調(diào)峰特性。燃煤機(jī)組的合約電量按照“總合約曲線(xiàn)”原則進(jìn)行分解，承擔(dān)核電、水電和燃?xì)鈾C(jī)組出力之外的剩余負(fù)荷，根據(jù)總合約曲線(xiàn)的波動(dòng)情況調(diào)節(jié)發(fā)電功率，因此圖A1（d）中燃煤機(jī)組的出力曲線(xiàn)有明顯的波動(dòng)，波動(dòng)程度低于圖A1（c）中的燃?xì)鈾C(jī)組。

5.3 合約分解結(jié)果的市場(chǎng)力檢驗(yàn)

由于IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)較多，且傳輸容量較大，為了放大系統(tǒng)阻塞對(duì)機(jī)組行使市場(chǎng)力的影響，并強(qiáng)調(diào)對(duì)合約分解結(jié)果進(jìn)行市場(chǎng)力檢驗(yàn)的必要性，本文對(duì)IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及線(xiàn)路傳輸容量進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)修改的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 修改的IEEE 24 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of modified IEEE 24-bus system

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系和線(xiàn)路的傳輸容量降低，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷不變時(shí)，部分線(xiàn)路產(chǎn)生了阻塞，導(dǎo)致遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)組不能滿(mǎn)發(fā)，靠近負(fù)荷中心機(jī)組的MRG 增加，甚至高于其合約電量分解結(jié)果。如表3 所示，在第216 日的部分時(shí)段，機(jī)組32 的合約電量分解結(jié)果小于其MRG，差值會(huì)為機(jī)組發(fā)揮市場(chǎng)力提供空間，機(jī)組有可能申報(bào)高價(jià)以謀取超額收益。

表3 第216 日機(jī)組32 的合約分解結(jié)果與MRGTable 3 Contract decomposition result and MRG of unit 32 in the 216th day

假設(shè)各類(lèi)機(jī)組的現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)如附錄A表A1 和表A2 所示，如果燃煤機(jī)組32 在表3 所示Pi，t＜Pm，i，t的時(shí)段54～61 內(nèi)行使市場(chǎng)力，抬高Pi，t至Pm，i，t功率段的報(bào)價(jià)至390 元/（MW·h），那么相對(duì)于按照附錄A 表A1 和表A2 數(shù)據(jù)正常報(bào)價(jià)的情況，機(jī)組32 所處節(jié)點(diǎn)23 的節(jié)點(diǎn)電價(jià)和系統(tǒng)平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)將提高，如圖5 所示。

由于中長(zhǎng)期合約電量基于合約價(jià)格進(jìn)行結(jié)算，現(xiàn)貨市場(chǎng)出清電量以現(xiàn)貨價(jià)格結(jié)算，機(jī)組32 增加的收益是在高報(bào)價(jià)時(shí)段內(nèi)，節(jié)點(diǎn)電價(jià)增量與現(xiàn)貨市場(chǎng)出清電量乘積的累加，現(xiàn)貨市場(chǎng)出清電量即超過(guò)Pi，t的功率對(duì)時(shí)間的積分，機(jī)組的超額收益與節(jié)點(diǎn)電價(jià)增量和高報(bào)價(jià)時(shí)段數(shù)呈正相關(guān)。此外，系統(tǒng)平均節(jié)點(diǎn)的增加意味著用戶(hù)將支付更高的用電費(fèi)用。因此，按照第3 章所述方法對(duì)合約分解結(jié)果進(jìn)行市場(chǎng)力檢驗(yàn)是必要的，如出現(xiàn)Pi，t＜Pm，i，t，令Pi，t=Pm，i，t，重新進(jìn)行合約電量分解直至每臺(tái)機(jī)組滿(mǎn)足Pi，t≥Pm，i，t，則機(jī)組的合約分解功率能覆蓋其MRG，可平抑機(jī)組通過(guò)申報(bào)高價(jià)行使市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 節(jié)點(diǎn)23 的節(jié)點(diǎn)電價(jià)和系統(tǒng)平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)Fig.5 Locational marginal price of the bus 23 and average locational marginal price of system

附錄B 對(duì)比了本文所述算法、現(xiàn)有文獻(xiàn)中的分解算法和國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨試點(diǎn)地區(qū)的合約分解方案，進(jìn)一步說(shuō)明本文所提分解算法具有考慮發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性和保障分解結(jié)果合理性等優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

在中長(zhǎng)期電量市場(chǎng)逐漸向電力市場(chǎng)轉(zhuǎn)變的背景下，本文提出了一種面向不同類(lèi)型機(jī)組的中長(zhǎng)期合約電量聯(lián)合分解算法，公平、合理、有效地將中長(zhǎng)期電量分解為各機(jī)組的出力曲線(xiàn)。該算法充分考慮了不同類(lèi)型機(jī)組運(yùn)行特性、機(jī)組檢修計(jì)劃和市場(chǎng)力檢驗(yàn)等關(guān)鍵問(wèn)題，為核電、水電、燃?xì)夂腿济簷C(jī)組設(shè)計(jì)了不同的合約電量分解原則，建立了面向多類(lèi)機(jī)組的合約電量分解模型，最后使用MRG 指標(biāo)檢驗(yàn)分解結(jié)果的合理性。

本文提出的差異化合約電量分解原則，更加貼合不同類(lèi)型機(jī)組的運(yùn)行特性，可利用各自的運(yùn)行特性分別承擔(dān)不同負(fù)荷；將機(jī)組檢修計(jì)劃作為約束條件加入分解模型，避免了檢修期間合約電量的循環(huán)修正。另外，以MRG 指標(biāo)檢驗(yàn)分解結(jié)果能計(jì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞认到y(tǒng)特征對(duì)市場(chǎng)力的影響，平抑機(jī)組在現(xiàn)貨市場(chǎng)中濫用市場(chǎng)力的風(fēng)險(xiǎn)，有利于維護(hù)公平競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境，促進(jìn)市場(chǎng)的有序高效運(yùn)行。本文可能存在合約比例過(guò)低或系統(tǒng)阻塞情況嚴(yán)重時(shí)算法收斂性降低的問(wèn)題，進(jìn)一步考慮可再生能源發(fā)電量對(duì)合約分解結(jié)果的影響，以及分析合約分解算法與結(jié)果對(duì)機(jī)組參與輔助服務(wù)市場(chǎng)積極性的作用是未來(lái)的研究方向。

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