电力市场中合同电量与竞争电量交易比例的研究.pdf

第 1 6卷 第 1期 2 0 0 7年 2月 运 筹 0PERAT1 0NS RESEARCH 与 AND 管 理 M ANAGEM ENT SCI ENCE Vo 1 1 6，NO 1 Fe b 2 00 7 电力市场 中合 同电量与竞争 电量交易比例 的研究 王红蕾 ，魏一鸣 (1 中国科学院 科技政策与管理科学研究所，北京 1 0 0 0 8 0；2 中国科学院 研究生 院，北京 1 0 0 0 8 0)摘 要：在单边开放的 区域 电力市场中，合理 的合 同电量与竞争 电量交 易 比例是保证 电力市 场有效 运行 的一个 重要 环节。竞争电量所 占的比例将 主要 取决 于当前发 电公 司的市场行 为。首先使 用 B P神 经 网络 对 电力需 求 弹性系数进行了预测，然后 以长期 电力市场均衡为 目标函数，考 虑贵州电网发 电机 组 的可 用容量与 负荷预测 的 误 差，以及贵州输 电线 路的可靠性诸 因素，推导 出合 同电量与竞争电量交易 比例，经过与南方区域 电力市 场 目前 运营规则规定 的交 易比例 比较，该 比例是合理 的，可以规避 电力市场价格波动等带来的风险。关键词：管理系统 工程；交易 电量 比例；B P神经 网络；电力市场均衡 中图分 类号：F 2 2 4：TM7 3 文章标识码：A 文章编号：1 0 0 7 3 2 2 1(2 0 0 7)0 1-0 0 9 2 0 5 Res e ar c h o n Tr a de Pr o p or t i o n o f Co n t r a c t a n d Co mp et i t i on El e c t r i ci t y i n El ec t r i c i t y Mar k e t W ANG H o n g l e i ”W EI Yi mi n g (1 I n s t i t u e o f P o l i c y a n d Ma n a g e me n t，C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e，B e i j i n g 1 0 0 8 0，C h i n a；2 G r a d u a t e S c h o o l o f C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s，B e i j i n g 1 0 0 0 8 0，C h i n a)Abs t r ac t：I n t he u ni l a t e r a l op e n l oc a l e l e c t r i c i t y ma r k e t，a r a t i o na l p r op o r t i o n o f c o nt r a c t a n d c omp e t i t i o n e l e c t r i c i t y i s a n i m p o r t a nt l i n k t o i n s u r e e l e c t r i c i t y m a r ke t f u nc t i on we l 1 Th e p r op o r t i o n o f c omp e t i t i on e l e c t r i c i t y i s d e c i d e d by t r a d e a c t i o ns o f e l e c t r i c i t y po we r c o mpa n i e s Fi r s t o f a l l，we a nt i c i p a t e t h e e l a s t i c i t y f a c t or o f e l e c t r i c i t y r e q ui r e me n t by us i n g BP ne u r a l n e t wor k Con s i de r i ng t he r e l i a bi l i t y ne t wor k a nd i t s a n t i c i pa t i o n，we t h e n m a na g e t o ge t t he r a t i on a l pr o p o r t i o n o f c o nt r a c t a nd c o mpe t i t i o n e l e c t r i c i t y by s e t t i n g e l e c t r i c i t y ma r ke t ba l a nc e a s ou r t a r g e t f u n c t i on Co m p a r e d wi t h t he p r op o r t i o n no w a s s i gne d i n t he r e gul a t i o ns o f t he S ou t h e l e c t r i c i t y ma r ke t，t h e t r a d e pr o po r t i on i s r e a s on a bl e e n ou gh t O a v oi d r i s ks b r o u ght by pr i c e f l uc t ua t i o n Key wor d s：s y s t e ms e n gi n e e r i ng o f ma n a ge me n t；e l e c t r i c i t y t r a de pr o p or t i on；BP ne ur a l n e t wo r k；e l e c t r i c i t y po we r m a r ke t e q ui l i br i u m 0 引言 根据国外经验，在有序的电力市场里，一天的实际负荷 电量中，合同市场、日前市场、实时市场、辅助服 务市场上的成交 电量的比例大约为 6 O 8 O 、3 5 1 5 9 5、4 1 E 。实际的比例将取决于负荷预 测的准确程度、交易 中心 的市场调节和发 电公司的市 场行为。如美 国宾夕法尼亚一新泽西一马里 兰州(P J M)电力市 场L 2 j，现货 交易 占 1 5 ；澳大 利亚(NE M)电力市 场，双边金 融期货 合 同市场 成交 电量 的 比例 达 8 O 。我国在 电力市场改革的初期阶段，电力交易中心之间是以短期现货交易及远期合约交易相结合的方 式为主，这是平抑电价波动的重要手段。文献V 3-7 3 对现货交易、远期合约及期货交易的特性与作用进行 了较为详细的分析。许多学者认为我国目前 尚不具备期货市场的交易条件 1 0,1 1 。收稿 日期：2 0 0 6 0 9 1 0 作者简介i 王红蕾，男，博士研 究生，研究方向：管理系统工程；魏一呜，男，研究员，博士生导师，研究方向：管理 系统工程。维普资讯 http:/ 第 1 期 王红蕾，等：电力市场 中合同电量与竞争电量交易比例 的研 究 9 3 我 国区域电力市场的电能交易按照“合约交易为主，现货交易为辅”的原则组织，合约交易原则上通过 竞争 的方 式形 成，竞 争 电量 的 比例 由电力 监管 机构确 定。这 种 比例的选 取并 没有严 格 的理论 根据，更 多 的 是从运行经验、价格稳定和供电保障安全的角度出发的，但合同电量与竞争电量交易份额的比例问题一方 面涉及电力市场的有序竞争，另一方面还涉及到电力市场的电价稳定和供电保障，自然是电力市场工作者 普遍关心的问题n 引。有些学者以市场效率最大化为目标，以发、输、负荷三个 串联系统可靠供电的概率性 指标 为基 础，推 导 出其交 易 比例的计 算公 式，并 给出 了定量 比例L 1，做 了有 益 的探讨。本 文参 考 了 电力需 求弹性 系数的变化对竞争程度和结构比例的影响，考虑贵州电网的实际状况，推导出合同电量与竞争电量 的 比例，经验证该 比例是合理 的。1 电力 市场的均衡 市 场 在资 源配 置 中起 着基 础性 的作用，这是 建立 电力市场 机制 的前提。对 电力市 场进行 评估，最根 本 的两个指标是市场效率和效益分配的公平性L 1 。电力市场均衡 是指市场 中电力供给与电力需求的暂态平衡。要想使得每一个 市场的电力供给和需求相等，其关键是通过供需双方的交易谈 判，形成 电能 交 易 的均 衡 价 格。实 现 电力 市 场 均 衡 的条 件，是 在 电力市场交易过程 中进行动态 的、全方位 的价格调整和数量调 整，经济发展进程中，电力需求弹性系数是不能忽略的。在电力供给与电力需求处于均衡状态下，电力交易使 电力企 业 的利润 达到 最大 化。则长期 电力市 场模 拟可表 示为 max L r iL i=1 N M p _-，P L D 图 1 电力 市场供 求平 衡 简单 图示(面 积 B (1)表示 消费者盈余，面积 A 表示发 电商 盈余)(2)其中 N为发电厂商的数量；M 为年度计划，若 M一5，即为 5年计划；P 为发电商 i的装机容量；为长 期边际电价；z，为第 J年的电力需求弹性系数；P 为第 年电力负荷。合同市场实现的长期稳定的电力交易，以激励发电商进行电力投资。在每一个周期内，又可以划分为多个 时段，而在每个时段上，实现现货市场电力交易，在其中的每个时段上，现货市场可以用如下数学模型表出 max S r S (3)=1 N Ps=P 占 (4)其中 P 为发电机组的发电量；P昌为短期 电力负荷，可以认为是实际的负荷；为短期边际电价。显而易见，合同市场与现货市场在形式上是一致的，不管是何种交易模式，在合同市场上，由于不具备远 期交易价格发现功能，在考虑电力需求弹性系数的前提下，通过双边交易，电力市场引导供给可以达到均衡；而在现货市 场上，可 以通过区域 电力市场 中的电力 交易中心用价格和数量调整 的方法达到市场均 衡。2 交易 电量 比例分析 在电力市场进行交易时，无论在合同市场上，还是在现货市场上，都可以用如下的数学模型来模拟 N M In a x (P )+G L r L f=1 j=1 M N M (+一 P LD)一 岛 其中：P；为第J年发电商i 的装机容量；P 为第 年短期电力负荷。其 最 优化条 件 为(5)(6)维普资讯 http:/ 9 4 运 筹 与 管 理 2 0 0 7年 第 1 6卷 C 一 cs(7)式 中 为对 应 负荷 PL D 和 P 的影子价 格。由此 可见，只有合 同与 现货 市场 的边 际电价 相等时，电力市 场 的效 率才 能 达 到最 大 化，也 就 是说 合 同 电量 和竞 争 电量 交 易 的 比例可 以是任 意 的。当存 在短 期 的现货 交 易 时，负 荷 必须 为 短 期 负荷 预 测 所确 定 的值，如式(6)所示。当考虑实际的发 电机组可用容量和负荷的不确定性后，式(5)、式(6)变换为 M N max(c 2 p s+P 知)(8)J一1、=1 M N M (p s+P LD)一 P (9)当 P 知表示第J年的装机容量时，a P 知为发电商 在第 J年电力市场上可以确定 的实际的供电。由此，可 以得 出短期 的现货 交易 电量 为 M N M M N p s 一p sD 一 P LD (1 o)由于南方电力市场参与竞争电厂的发电机组容量皆为 3 0 0 MW，故可设 每台机组的可用容量是相等 的，即 a 一a 一 一a a，并 且考 虑 到式(2)的关 系，有 M N M M N M M p s 一p s D 一 P 知一P S D 一 尸知 (1 1)i 一 1 t 一 1 ，：1 i：1 t 一 1 i 一1 i：1 N 其中P jrD 一 =1 在发电侧电力市场上，长期的负荷预测和实际的负荷值往往是存在一定误差的，可以假设：P L D p ps o，则 M N M M p s 一 娲 一 fl,p s (1 2)则 现货 市场 即竞 争 电量 占交易 电量 的 比例 为 M N M P ir D (1 3)蹄 l 一 1 l 一 1 输电系统也是影响现货与合同交易电量 比例的一个重要因素，可以认为输 电系统是通过影响发 电可 用容量而对交易电量的比例产生影响的，即发电可用输 电容量为 a y P L r L，其 中 为第 J年输 电系统 的 可靠性指标。若 一y 2 一一 一y，一 一一 一卢，一 一 一 M一 ，则现货市场 占交易电量 的比例为 M N 一一 1 一(1 4)M r 一 ，故合 同市场 占交易电量的比例为，见图 2 所示。3 不确定性 分析 图 2 合 同电量与竞争 电量交 易 比例市 场均衡 条件下的方块图 系数 a表示发电系统可用容量 占装机容量的百分数，在实际的运行过程中，影响发电机组供电的因素 主要有：(1)发电系统故障；(2)发电机组检修；(3)由于安全因素考虑的发电机组容量 的热备用 和冷备用。系数 表示 电力需求弹性系数，其和电力需求增长率与 GD P增长率的比值有关；在发电市场上，负荷主要 是通过负荷预测来确定的，在来水量情况正常和实行煤电价格联动的条件下，虽然有一定 的误差，但 卢可 以取一个固定的常数。输 电系统影响发电系统可用容量的因素有：(1)网损；(2)输电系统故障；(3)输电系 统检修；(4)输电阻塞。维普资讯 http:/ 第 1期 王红蕾，等：电力市场中合同电量与竞争电量交易比例的研究 9 5 以上因素都是电力市场实施过程 中的不确定性 因素，由式(8)、式(9)可以看出，考虑到这些不确定性 因素后，现货 市 场 的电价不 再 与合 同市场 的边 际电价 相等，而 是存 在着 一 定 的 比例关 系，这 种 比例恰 好 是 合 同电量 与竞争 电量 的交 易 比例。4 验证 2 0 0 5年度贵州电网总装机容量为 1 3 2 0 3 MW，发电系统故障和发电机组检修约 占 6 O 0 Mw 年左右，热 备用 占装机容量的 2 5 ；冷备用按南方电网规定 占装机容量的 1 0 。现将贵州省电网某天运行主要 指标 及 系统变 化情 况列 表如 下：表 1 贵 州电网运行主要指标及系统变化情况 观察该表，不难发现计划负荷率大于发电负荷率，表明贵州省电力供给已略大于电力需求。由于一年 当中不断有新的机组并网发电，特选某月装机容量为常数时，随机抽取 1 6天的主要指标，取数学期望值得 发电系统可用容量为 口 一8 9 4 7 5 。预测未来电力需求模型可用如下数学表出。M N M =P 知 (1 5)一1 一 1 J=1 计算 PL D 的模型 PL D P (1+琵)(1+醚 2)(1+黜 P )其中 P 为计算初始年份的实际电力负荷；_ 一1，2，M；增长率。则 P jr D P。(1+)一 P。(1+P )(1 6)电一 面P；一 P 考虑到 除了按式(1 6)表达 的 为重要 因素外，还有一些 因素如 D S M 也会对 产生影响，故 采 用人工神经 网络方法来计算电力需求弹性系数。人工神经网络是反映人脑结构及功能的一种抽象数学 模型，一个人工神经 网络是由大量神经元节点互连而成的复杂网络，用以模拟人类进行知识的表示与存储 以及利用知识进行推理的行为。可以利用前向神经网络法 即 B P学习算法来计算 电力需求弹性系数，B P 神经网络是一种单 向传播的多层前 向神经网络，B P网络除有输入层和输 出层之外，还有一层或多层隐层，同层节点间无任何联结，每个节点都是单个神经元，神经元 的传递函数通常为 S i g mo i d型函数。文献 1 5 阐述了许多难 以通过求得连续函数解决 的问题转化为用神经网络来解决。根据 1 9 8 6 2 0 0 4年中国 GD P 增长率和电力需求增长率相关性情况，在“十一五”计划 中，G DP年增长率不低于 8 ，根据南方电网公司 对电力需求增长率为 8 9，6 1 2 9，6 的预测和文献 1 6 引用 2 0 0 3 年中国统计年鉴和电力年鉴 的数据，可 以采 用 N输入单输出的三层 B P神经网络结构。预测模型的 B P网络结构为 N3 N1。即采用 5 1 5 1 的结构 BP学习算法预测 和，故采用 2 3 3 l结构的 BP学 习算法计算，使 之尽 可能地准 确，见图 3所示。维普资讯 http:/ 9 6 运 筹 与 管 理 2 0 0 7年 第 1 6卷 1 5 划 詈05 出 聋 0 蔷 誊 8 葛 ：s 召 S S +电力需求增长率+C DP增长率 电力需求弹性系数 年度 图 3 中国 GD P增 长率、电力需求增长率和 电力需求弹性系数 令 M一5，则。一1 0 9 3 3，南方电力市场主体包括广东、广西、贵州、云南、海南 电网公司，有关发电企业，区外售电主体和符合条件的大用户，其负荷结构使负荷预测的精度 卢 一9 7 ，贵州省输 电系统有 1 1 0 KV、2 2 0 KV、5 0 0 KV交流和 5 0 0 KV直流。对不同的电压等级的架空输 电线，综合网损率为 6 3，西电东送送 出断面 出现阻塞，阻塞概率为 0 0 6 7 4 oA；自然灾害能造成输变电设备损坏，输电系统的可靠性概率指标为 9 9 4 ，则输 电系统 的年 度可用 容量 为 7 _-9 3 0 3 3 ，故 合 同电量所 占的交易 电量 比例为 a fl 7 =8 9 4 7 5 9 7 9 3 O 3 3 1 0 9 3 3=8 8 2 8 oA 竞争电量所 占交易电量 比例为 l 1 7 2 。由此可见，贵州省的发电系统的现货市场和合同市场交易电量的比例介于东北电力市场(2 0 与 8 O )和华东电力市场(1 0 与 9 O o 4)P X采用的比例之间，现阶段这种比例范围是合适的。南方电力市场的竞争电 量暂定为参与竞争 电厂年度核定 电量 的 1 5 ，故南方 电力市场 的合同电量 占交易 电量的 比例肯定大于 8 5 。这种比例与发电系统和输电系统的可靠性、电网的安全性、网损和电力需求弹性系数密切相关。5 结论(1)现货市场中的竞争电量主要考虑的是电力交易的不确定性问题，通过现货交易达到电力市场的动 态供需均衡；(2)合 同电量与竞争电量的交易比例与区域电力市场 中的 有关，文献 1 3 是本计算公式中当年 度计划为 1年，电力需求弹性系数为 1时的特例；(3)用神经网络中的 B P学习算法可以预测今后电力需求弹性系数，的变化应尽量平稳，政府通过宏观 调控 G D P增长率，正确给出电力需求增长率的信号，引导电力投资，调节电力供给，使总供给略大于总需求；(4)已经确定的电力交易可以在合同市场上实施，但合约交易价格缺乏弹性，是用牺牲市场机会收益 为代价，换取价格稳定和供 电保障。应进一步加强双边合同研究和实施开展电力期货交易。参 考 文献：1 刘继春 电力 市场运营系统 M 北京；中国电力出版社，2 0 0 4，3 5 3 6 2 周定山 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