电力市场中输电问题的研究

0 引言 在经过“厂网分开、竞价上网”发电竞争模式后，电力市场必将过渡到发、输、配电相分离，即输电网开放的模式。在此模式下，不但发电企业要根据公平竞争的规则竞价上网，而且允许大的电力用户直接从发电企业购买低价的电力，通过同一电网或互联电网予以输送。该模式使电网公用化，并使其作为电力商品的载体，进入商业化运营，在电力生产者和用户之间起着传输商品的作用，推动电力进入零售市场(即配电网开放、配电与用户分离的模式)，从而达到降低电能成本、降低电价、提供优质服务的目的。 输电网络对电力系统的可靠性和安全运行有着十分重要的作用，它促进了发电机组的规模经济、需求分散和供应集中的经济性，以及维护协调的经济性等。在电力工业引入竞争的改革中，输电对于促进电力市场的竞争，支持可靠性管理和市场交易等有更加重要的作用。 输电系统开放所引起的问题是电力系统商业化运营中的基本问题，也是最复杂的问题，其研究已经成为一个热点[1～4] 。本文将对输电问题中的几个主要问题进行研究探讨，包括阻塞管理、输电定价和输电损失等。 1 输电问题的提出 电力作为商品有其一般性和特殊性。电力商品的特点主要是：不能大量存储，较大的日和季节需求变化，电力系统控制和可靠性等的运行要求，更重要的是网络的外在性(network externalities)，输电系统的特性和限制[5] 。 电力系统的物理特性在于电力网络中的潮流是由Kirchhoff定理控制并进行分配的，它显示了从一个节点到另一个节点的电能的流动量和方向。随着电力电子技术在电力系统中的应用，如灵活交流输电技术(FACTS-flexible AC transmission systems)和移相变压器(PST-phase shifting transformers)，单条线路的潮流可以有所控制。然而，这种设备对潮流的控制作用有限，而且比较昂贵和稀少。 在一个给定的时间，输电线路对于其中流过的潮流大小有一定的限制，这就使好的潮流控制变得非常有用。对线路的传输容量有影响的输电限制主要有热限制、电压限制、稳定限制等。输电限制必须在正常和故障时得到满足，以使电力系统在故障发生时也可以继续输送电能。系统运行的安全稳定在任何时候都是非常重要的，大规模的事故会对社会和经济造成严重的影响。 在竞争的电力市场环境下，输电发生了很大的变化；随着输电网的开放，越来越多的用户(包括发电厂和负荷)要求输电网为它们提供公正、平等的输送服务。这就要求输电部分从发电和配电环节分离出来，形成独立的输电公司，在政府的监控下，负责电力系统的安全运行和市场交易的经济运行[6] 。同时，输电网运行的基本问题不再是优先解决电力公司用户的电力需求，而是要明确地定义输电服务、用户使用输电系统的权利以及相应的服务成本，并将其服务平等地提供给任何市场参与者以及科学合理地分摊其成本。 在竞争的市场环境下，输电问题主要集中在3个方面：阻塞问题、输电定价问题和输电损失问题。 2 输电阻塞问题 阻塞管理可能是一个最基本的输电管理问题[5~10] 。在电力市场中引入竞争机制，输电网络起着关键作用，但是在输电网络容量不足的情况下，就经常会出现阻塞现象，以致输电网络的拥有者为了保证输电网络的可靠安全运行，不得不对电力的输送加以限制和约束。处理输电阻塞的手段很多，例如断开过负荷线路；调节变压器抽头或移相器；操作FACTS装置，特别是串联装置；重新调度发电机组；停止供应可中断负荷等。在垄断的体制下，这些手段是依靠指令完成的，但是在市场竞争机制下，惟一的调节工具是价格。 然而，在一个决策系统中，安全性和经济性有时会相互抵消，需要有一个最佳平衡点。在放松管制下，输电系统的阻塞管理需要建立一套规则，以在最大化市场效率的前提下保证对生产者和用户有足够的控制，从而在短期和长期条件下使电力系统的安全、可靠维持在一个可以接受的水平上。规则应当强硬、完善，以免参与者不惜以市场效率为代价，利用阻塞取得市场力和增加利润；同时，应当公平、公正，并且透明。 为解决输电阻塞问题，可采用以下3种手段： a．基于集中优化，用最优潮流(OPF)方法或依靠独立系统运行员(ISO)控制阻塞。采用此方法时，发电者按其所在区域的价格收费，负荷按其所在区域的价格付费。OPF方法就是通过区域价格的差异来控制系统的潮流和处理阻塞问题以维持系统安全。ISO在系统阻塞时收集了区域价格差异的余额，可以将其作为合同网络权(contractnet workright)的来源，而合同网络权是用来作为控制阻塞时价格变化的金融手段[11~13] 。此方法易于实施，但是价格统一确定以后，市场参与者无法根据当前的价格调整交易计划，缺少市场反馈。 b．利用事前市场的价格信号，在实时运行前利用阻塞限制发电机的计划发电量来延迟阻塞发生，当然，一些阻塞还是会实时产生并要通过集中控制来解决。此方法可以结合费率、定价区域和产品返销等不同的技术来处理阻塞问题；然而存在以下两个问题，即不同的输电费率将会在不同区域的发电者之间产生竞争的优势，以及需要确定一个独立于输电所有者的共同的ISO[5] 。 c．基于交易对输电系统的影响，通过允许或禁止一些双边交易的实施来控制阻塞。此方法需要ISO准确地计算出每一条输电线路和输电系统的可用输电容量(ATC-available transfer capability)并对输电系统进行监控，以防止潜在阻塞的发生。ISO公布的两个节点间的ATC意味着两个节点分别作为注入点和流出点时的整个系统能够输送的最大交易量，它不表示连接两个节点的界面的容量。而实际输电系统的ATC是不断变化的，并与每一条线路的可用容量相关，其计算的准确度是判断系统阻塞的关键[5] 。 另外，当输电阻塞时如何安排交易，是系统获得最大经济利润，也是阻塞管理的一个方面[14,15]。文献[14]分析了电力库交易和双边交易两种模式下的阻塞管理，其中电力库交易下采用OPF解决，而双边交易情况下则采用对策论来求解。文献[15]给出了电力库交易、双边交易及多边交易情况下，考虑负荷弹性及系统安全时安排的交易数学模型，最后还分析了3种模型共存时交易的优先顺序。 文献[16]将发电机组的爬坡率等约束考虑到阻塞管理中，并将建立的数学模型用于日前和实时市场，结合内点法解决具有时间约束的阻塞管理问题；最后对约束考虑前后的阻塞费用问题进行了分析比较。文献[17]基于输电阻塞管理的经济学原理建立了模型，指出了阻塞价格因子在阻塞管理中的经济学意义，并给出了其实用算法，利用供求弹性的概念通过多次交互试探的方法来确定阻塞价格因子，指出阻塞价格因子为通过市场手段消除阻塞提供了正确而丰富的经济信号。文献[18]提出了一种阻塞管理分散优化的算法，利用分散优化方法来确定阻塞电价的机制，其中每个市场参与者都在ISO的协调下追求自身利益最大化；此方法在一定条件下与集中优化的结果相当接近，而且具有更高的市场透明 度。文献[9]基于灵敏度分析方法建立了输电阻塞管理的灵敏度分析模型及算法，针对阻塞只与局部电网有关的特点，通过削减部分节点的注入功率或负荷以快速有效地解决阻塞问题。 3 输电定价问题 3．1 输电定价问题的提出 输电服务的边际成本定价的定义是，当从输电网络的一个节点注人或流出一个单位的电力时，对整个系统成本的影响。它主要考虑输电损失成本和输电约束的机会成本。 但是，由于输电网络具有明显的规模经济效益，使得利用边际成本定价所获得的收入不能覆盖固定资本投资，因而执行一个有效且公平的输电定价方法变得更加困难。另外，输电网络的物理规律也使得对输电潮流的控制更加困难。输电网络中的实际潮流与合同路径不同，出现并行和环流问题；并且，系统外在性也使成本分析和定价更为复杂。同时，输电阻塞和输电损失问题也可以包含在输电定价之中。 关于输电定价有3个方面的问题需要注意：①应保证充足的收人来回收输电系统运行者和所有者的成本，以促进输电扩建；②可以通过不同的方式来管理阻塞，利用实时或事前价格信号为系统用户提供关于系统运行情况的经济信息，促进发电厂和负荷合理利用输电网络及选址；③可以用来影响电能市场中分散、无约束优化过程，以补偿输电损失和实际情况。 3．2 输电定价方法研究 为了解决边际成本定价与年收支平衡要求的矛盾，经济学家的标准解是Ramsey定价方法，它是在保证年收支一致的要求下，极小化边际成本定价在引导用户行为上的失真，从而保持了它的最优性。遗憾的是，Ramsey定价在没有大量用户信息的情况下无法进行，因而难以应用到输电定价问题上。为此，许多研究者试图对上述方法进行改进，包括对成本分摊原则的改进和不同方法的相互结合，主要有： a．Schweppe等人基于实时电价理论，在WRATES软件中提出了将短期边际成本价格乘以适当的系数来实现收支平衡的方法[20] 。具体的收支平衡方法在文献[2]有详细介绍。 b．Shirmohammadi等人提出MW-Mile的分摊方法[22] ，即按照该业务的输送功率、输送线路的长度及使用设备类型来分配电网的容量成本。在此基础上，MarangonLima在文献[23]中总结了4种基于潮流的分摊方法，指出MW-Mile方法缺乏经济理论背景，而且是采用支路容量来进行计算的，通常难以完全回收成本，并对模数方法(MM)、反向潮流零定价方法(ZCM)和主导潮流方法(DFM)分别进行了介绍和分析。 c．Perez-Arriaga等人分析了SRMC不能达到收支平衡的原因，指出必须收取补充成本以达到收支平衡；并认为按照各使用者对输电系统的利用而得到的收益来分配补充成本是一个合理的选择，其中线路安全裕度的部分成本可以按各业务在系统峰荷时承担的最大负荷来分配；但是，由于输电投资的不连续性等原因造成的不平衡部分及其分配尚待研究[24,25] 。 d．Yu和David等人提出在短期边际成本价格上加上按输送容量利用率或可靠性效益分配的电网固定成