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探讨电能-调频联合出清市场模拟方法的的构建及应用
摘要：市场模拟是电力市场机制设计中重要的环节,其作用在于评估交易机制对市场成员收益的影响,以判断其是否符合市场改革要求。针对电力现货市场中电能-调频辅助服务联合出清模式下市场模拟分析的实际需要,构建了基于双层博弈的市场模拟方法。上层为考虑网络约束的市场决策出清模型,下层为市场成员决策分析模型。通过实施上下层模型之间的迭代,模拟市场成员决策过程,以评估市场机制作用。最后基于该方法在我国某省区电网的实际应用情况,分析了该模拟方法的实际使用效益。
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成员效益的影响,以评估市场机制是否符合电力市场改革的发展要求。当前,我国电力市场改革已由中长期电力市场交易向电力现货市场交易逐步过渡,电力市场交易与电网物理运行的联系更加紧密,市场交易的复杂性更强。因此,迫切需要有力的市场模拟方法,支撑电力现货市场改革发展。
文献[1,2]介绍了基于价差返还机制的月度集中市场模拟技术,重点分析了市场供需关系变化情况下交易发展趋势;文献[3]基于博弈实验方法,研究了电力市场的综合模拟策略;文献[4]介绍了智能代理技术在市场模拟中的应用;文献[5]研究了智能个体信念学习技术在电力市场交易模拟中的应用;文献[6]以南方区域市场为对象,开展了市场模拟与分析。
可以看出,当前的市场模拟仍集中于中长期电力市场下的决策分析,对电力现货市场下的市场运行机理研究相对较少。为此本文立足于电力现货市场,重点分析电能-调频辅助服务联合出清模式下的市场模拟方法,构建双层博弈模型实现对该交易机制下市场成员预期收益的评估分析。最后基于该方法在我国某电网的实际应用,介绍其实施效益。
1、电能-调频联合出清市场双层博弈模型
电力现货市场一般是指日前、日内时间尺度的电力交易形式。与中长期电力市场相比,电力现货市场的复杂性在于市场交易结果与电网物理特性紧密结合,导致市场交易机制更加复杂[7]。其中,电能-调频辅助服务联合出清机制就是电力现货市场中常用的价格出清机制。其在美国PJM、加州等多个国家和地区的电力市场中得到了广泛的应用[8,9]。
双层博弈模型是博弈论中经典的分析模型,其主要特点是将待评估分析的问题拆分为上下两个相互独立的决策过程,从而解决多决策过程下的市场模拟分析问题。电能-调频联合出清市场中的双层博弈模型,如图1所示。其中,上层为基于各市场成员报价的考虑网络约束出清决策过程。该出清决策以电能-调频联合出清中系统总购电成本最低为目标,基于市场成员报价的基础上考虑网络约束条件实施优化出清;而下层为各市场成员基于市场预测的报价分析决策过程,该分析过程以其收益最大化为目标,考虑电能和调频两类发电资源的边际成本,并基于市场出清价格预测实施优化分析。通过上下层模型之间的反复迭代,实现对市场成员的效益评估与分析。
图1电能-调频辅助服务联合出清双层博弈模型
2、考虑网络约束的电能-调频联合出清
2.1优化目标
电能-调频辅助服务联合出清优化问题可归结为以购电成本最小的优化问题,其目标函数可表示为:
如式(1)所示,λEi、λPi分别为发电机组i在电能市场和调频辅助服务市场报价;PE,Ci、PP,Ci分别为发电机组i在电能市场和调频辅助服务市场的中标量;NG为系统中发电机组的台数。
需要说明的是,各发电机组的出清价格并不一定是其申报价,不同出清模式下发电机组的出清价格不同,但可根据电能-调频辅助服务联合出清模型简单推导得到。
2.2约束条件
所需要考虑的约束条件包括发电机组发电能力约束、网络传输能力约束、电力电量平衡约束三大类。
(1)发电机组发电能力约束
发电机组发电能力约束用于限定电能和调频辅助服务的申报量、中标量不能超过发电机组自身发电能力,可表示如下:
如式(2)所示,第一、二个约束项分别用于限定发电机组的电能、调频辅助服务交易中标量不超过其申报量;第三个约束项用于限定发电机组所申报的电能、调频辅助服务总量不超过其装机约束;第四、五个约束项用于限定发电机组的电能、调频辅助服务申报量须在给定申报范围内。其中,PE,Si、PP,Si分别为发电机组i的电能、调频辅助服务申报量,PIi为该机组的装机;PE,Smaxi、PE,Smini分别为发电机组i的电能申报上、下限;PP,Smaxi、PP,Smini分别为发电机组i的调频辅助服务申报上、下限。
(2)网络传输能力约束
网络传输约束中不仅需要考虑发电机组按照中标电量发电时断面潮流满足其传输能力限制,还需要考虑当其调频辅助服务调用过程中断面潮流仍能在其传输能力范围内。该约束可表示为:
如式(3)所示,PPFl为输电断面的基态潮流,Gli为发电机组i出力与断面l潮流的转移分布因子,PP,maxl为该断面的传输限值。
(3)电力电量平衡约束
电力电量平衡约束要求电能市场各发电机组中标量满足该时刻的负荷需求,同时调频辅助服务市场中标量应超过该时刻的调频辅助服务需求。该约束可表示为:
如式(4)所示,PPL、PPP分别为该时刻的系统负荷和调频辅助服务需求。
3、基于出清价格预测的市场成员决策
3.1优化目标
各发电企业的决策过程则是根据电能、调频辅助服务市场的出清价格,以其收益最大化为目标决策其申报策略的[10,11,12,13,14,15,16]。该目标函数可表示为:
max[λE,C-λE,Oi(PE,Ci)]PE,Ci+[λP,C-λP,Oi(PP,Ci)]PP,Ci(5)
如式(5)所示,λE,C、λP,C分别为电能、调频辅助服务的出清价格预测值,由上层优化决策得到;PE,Ci、PP,Ci分别为发电机组i的电能、调频辅助服务中标量;λE,Oi(PE,Ci)、λP,Oi(PP,Ci)分别为该机组的电能、调频辅助服务成本函数。不同类型发电机组在不同的中标量情况下成本不同,需根据自身实际情况,合理设定参数。
3.2约束条件
所需要考虑的约束包括报价限制约束和发电能力约束两个方面。
(1)报价限制约束
报价限制约束是指发电企业的电能、调频辅助服务报价应在其系统出清价格限值范围内,同时还应满足交易规则中规定的价格限值。该约束可表示为:
如式(6)所示,λE,Si、λP,Si分别为发电机组i电能、调频辅助服务的报价;λE,Smax、λE,Smin为交易规则规定的电能交易报价上、下限;λP,Smax、λP,Smin为交易规则规定的调频辅助服务交易报价上、下限。
(2)发电能力约束
发电能力约束是指发电机组的电能、调频辅助服务申报量不能超过其发电能力限制,可表示为:
PE,Si+PP,Si≤PIi(7)
4、系统开发与实践应用
4.1系统开发
所提出的电能-调频辅助服务联合出清市场模拟方法,已在我国某省区电网得到实际应用。通过开发模拟测试系统,基于发电企业实际参数,测算不同的电力现货市场组织模式下发电企业的效益变化趋势,以辅助市场交易机制设计。
如图2所示,该系统所需要的基础参数包括负荷预测数据、发电机组参数两大类。其中,负荷预测数据来源于负荷预测系统,该系统位于安全Ⅱ区;发电机组参数则来源于市场营销系统和发电计划编制系统,分别位于安全Ⅲ区和安全Ⅱ区。所开发的市场交易模拟分析系统位于安全Ⅲ区,两个安全分区之间通过正反向隔离装置进行数据交互。
图2数据架构图
4.2实践应用
市场交易模拟分析系统主要用于电力现货市场的交易机制模拟分析,以评估不同的交易策略对市场成员的影响。下面以市场成员电能和调频辅助服务报价上、下限为例,介绍该系统的实施效果。如表1所示为两种不同的市场成员报价限值设计。方案一的限值高于方案二,对市场成员的限制作用更宽松。
表1市场交易规则对比
两种方案下,系统模拟运行中电能和调频辅助服务出清价格变化趋势,如图3所示。其中,图3(a)为电能市场出清价模拟,图3(b)为调频幅值服务市场出清价模拟。可以发现,方案二最终出清价收敛于其报价上限,且低于方案一出清价的收敛值。更进一步对比不同发电机组的收益可以发现,方案一中性能更高的大容量机组中标量高于方案二,其收益高于方案二中的收益;而调节性能较差的小容量机组方案一中标量低于方案二,其收益下降。由此可见,放宽报价限值客观上有利于性能好的大容量机组,符合市场化改革资源优化配置的目标。
图3出清价格迭代
5、结束语
立足于电力现货市场机制,提出了基于双层博弈的电能-调频辅助服务联合出清市场模拟方法,并构建了上下层决策模型。该方法在我国某省区电网的开发应用表明,市场模拟运行能够更加科学地反映市场机制对市场成员的收益影响,有利于市场策划者评估机制设计合理性,且对电力现货市场推进具有重要作用。
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