电力市场分时竞价模式程序设计.docx
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电力市场分时竞价模式程序设计
电力市场分时竞价模式程序设计
摘要:
电力市场环境下,系统电量的边际价格、交易数量是市场运营和交易中心以及市场成员关注的重要技术指标,当前各国都在实践以分时竞价为基础的电力市场。
本文首先概述了电力市场、市场成员及其作用,然后简要介绍了电力市场中通常采用的竞价模式,并将分时竞价模式与分段竞价模式做了比较。
最后针对在pool模式分时竞价机制下,以一天某个时段中各个公司的供需电量及相对应的报价为参数,以电力公司运营收益最大化为目标,按照分时竞价的计算原理、数学模型,对该模型在该时间段的最终交易总量、边际价格以及各公司交易数量进行程序设计。
在程序设计的过程中,结合实际情况,考虑了五种可能的交易情况,并对每一种情况都举出了相应的算例加以分析。
关键词:
电力市场,分时竞价,程序设计
ProgramDesignedinHourlyBiddingModelElectricMarket
Abstract:
Inaelectricmarket,thesystemmarginalpriceofelectricity,numberoftransactionsaretechnicalindicatorsbythemarketoperationsandtradingcenter,aswellasmembersofanimportantmarket,atpresentalotofcountryadopttheelectricitymarketbasedonthehourlybiddingmodelinpractice.Firstthepaperprovidesanoverviewoftheelectricmarket,marketmembersandtheirroleintheelectricmarket,andthenintroducingbrieflysomeauctionmodelswhichusuallyusedintheelectricmarket,andmakingthetime-sharingmodelcomparedwiththesub-bidauctionmodel.Finally,inthehourlybiddingmechanismofPoolmodel,atacertaintimeeachday,thecompany'selectricitysupplyanddemand,aswellastheircorrespondingquotedpricefortheparameters,makingthereturnper-dayinelectriccompanylimitedmaximumasobjective,accordingtothecalculationofhourlybiddingtheory,mathematicalmodel,designingprogramforthefinaltransactiontotalandthemarginalpriceandthenumberofcompaniestradingatthetimeinhourlybiddingmodel.Intheprocessofprogramdesigning,combinedwiththeactualsituation,takingintoaccountfivepossibletransactions,andeachofthesecasesarecitedcorrespondingexamplestoanalysis.
Keyword:
Electricmarket,hourlybidding,programdesign
1引言
从20世纪80年代以来,世界上许多国家陆续进行了电力工业的市场化改革,其主要目标是打破传统的电力工业垄断运营的模式,厂网分开,开放电网,实现竞争,进而降低发电成本,提高服务质量,促进电力工业的健康发展。
电力市场有两个目标,其一是保证电力工业安全稳定运行,没有电力系统的安全稳定运行,一切没有基础;其二则是要保证电力工业运行的效率。
到目前为止,这种市场还未能建立非常成功的样板,各种模式都还处于不断探索、不断完善的过程中。
电力交易可采取双边合同和竞价上网的形式。
当前各国都在实践以分时竞价为基础的电力市场。
在目前技术水平下,电能还难以经济的实现大规模贮存,电能的生产与消耗几乎可以说是同时发生的。
在这种情况下,进行电力交易也就意味着总是需要在规定时限内交付一定数量的电能。
时限的长度通常可以是1h、0.5h或者15min,具体选择多少要根据电力市场所在国家与地区的实际情况而定。
发电市场中的运作模式分为双边合同模式和交易中心集中竞价出清(Pool模式)两大类。
当前各国都在实践以Pool模式下分时竞价为基础的电力市场。
实行分时竞价模式,有利于调动用户削峰填谷和转移用电负荷,降低峰谷时段的负荷差,提高系统设备容量的利用效率和节约能源。
使用电客户在高峰时段少用电,低谷时段多用电,有利于降低用电成本;以鼓励用户和发电企业削峰填谷,提高电力资源的利用效率。
在电力市场中,参与各方是平等的竞争关系。
比如,在英国的电力市场中,英国是最先采用分时竞价模式的国家,在竞价过程中首先由电厂根据成本报价,再依照成本高低安排发电计划。
这样,各电厂为了降低成本、增加竞争优势,努力在发电厂内部精简机构、提高效益、增强活力。
同时由于各发电厂提高了效率和机组的利用率,因而可以取消或缓建一些新的电厂。
所以说电力市场就是向管理要资源,并通过竞争手段,挖掘潜力,缓和电力紧张,推迟电力投资。
我国的改革开放使电力行业出现了产权多元化的局面。
外资、合资、股份制、地方集资等多种办电形式的大量涌现,一方面对缓和电力供需矛盾起到了积极作用,另一方面也形成了利益主体多元化的局面。
只有走向市场才能平等互利协调好现有各投资方的利益。
另外结合我国目前的具体国情,实施分时竞价有助于提高经济效益。
2电力市场基础
电力市场的本质是在电力工业内部引进竞争机制,促进电力公司生存与发展的良性循环。
电力市场化
电力工业在发展历程中作为公用事业,长期采用垂直一体化管理方式长达百年之久。
在一体化经营阶段,工程师往往将电力管理视为一系列复杂的优化问题。
随着时间的推移,此类优化问题的规模变得越来越大,涉及范围日益宽广,内容也更加复杂。
21实际以来,世界范围内的电力行业正经历着重大变革,无论是电力技术上,还是电力体制上,都与以往的迥然不同。
近百年来,电力行业在世界各国都是传统的垄断性行业。
电力市场的目的是打破垄断,促进竞争。
这样必将会损害垄断行业本身的既得利益。
因此,电力行业是电力市场化改革的对象,而各国政府或议会才是电力市场改革的推动者。
走向电力市场的第一步几乎都是各国的政府或议会以立法的形式强制电力行业的重组。
在20世纪的大部分时间里,用户的购电选择对象是唯一的,即垄断他们所在地区电力供应的公用事业公司是垂直一体的,也就是说它们会发出电力,并将其从电厂输送到负荷中心,然后向单个用户配送。
另外一些公用事业虽然也向用户售电,但仅仅负责局部地区的电能销售与配送,它们为此需要向垄断区更大的的发电与输电公用事业购买电能。
就世界范围来看,在一部分国家里,电力公用事业是受监管的私营公司;而在另外一些国家,它们可能是公众公司或政府机构。
上述运营模式下的电力公用事业在促进经济增长、改善人们的生活质量方面做出了非凡的贡献。
几十年来,通过电力网络输送的电能每八年就会翻一番。
在20世纪80年代,既有一些经济学家开始对垂直一体化垄断模式提出质疑,认为它已经过时了,且容易导致过度投资;还提出私营公用事业犯错的代价不应当转嫁给用户。
另一方面,公众公用事业则往往与政府联系过于紧密,政治家可能会干预电力经济的良好运行。
因此,经济学们建议在电力行业引入市场机制,以取代垄断监管或政府计划,从而降低电能价格,提高整体经济效益。
我国电力行业工业大都属于国有,现在的国家电力公司是国有企业,与国外私有电力性质有所区别。
但作为一个企业,其主要目标还是以盈利为主,本身并无立法权利和市场监督的职能。
我国电力市场化的进程同样必须由中央政府来推动,主要包括立法和重组电力工业并建立有效的监督管理体系。
对此,电力工作着应以积极的态度去迎接这个挑战,从社会效益,国家的长远发展利益和电力事业健康发展的观点参与这个进程。
电力市场研究的问题
目前,电力行业的改革席卷全球。
不同的国家以不同的原因推动着电力商业化的进程。
改革有许多模式,各不相同,且这些模式也处在不断改进之中。
我国的电力行业商业化运营的目标是提高效益,改善服务,增加活力。
我国处于社会主义初级阶段,改革的起点和国外不同。
在未来的几十年我们的目标是实现社会主义市场经济,其特点是以社会主义公有制企业为基础,在国家宏观调控下实现资源的优化配置。
因此,我国电力工业改革的终点和国外不会完全相同,照搬任何现成的外国模式是不可取的。
电力市场成员构成
对电力市场进行研究时,可能会出现电力市场中的各类企业与机构。
由于在各地区域或国家,市场发展的速度,乃至方向都不太一样,下述实体可能不会在每个市场都存在。
另外有些时候,一个企业或机构还可能具有一种以上的职能。
垂直一体化公用事业(verticallyintegratedutility)拥有电厂以及输配电网络。
在传统的监管体制下,此类企业垄断了某一给定地理范围内的电力供应。
随着电力市场的建立,它的发电与输配电网络业务可能会分离。
发电企业(generatingcompany,Genco)生产和出售电能。
它们可能还会向系统运营商出售辅助服务,如自动发电控制,电压控制与备用,它们的作用在于保证电力供应质量与安全。
一个发电公司可能只拥有一座电厂,也可能拥有一组不同技术类型的电厂。
发电企业有时与垂直一体化公用事业并存,此时它又被称为独立发电商(independentpowerproducer。
IPP)。
配电企业(distributioncompany,disco)拥有并负责运营配电网络。
在传统体制下,他们垄断了连接在其网络上的所有用户的电能销售业务。
但在完全市场化的环境里,电能销售业务会与配电网络运营,维护及建设等业务分不开。
诸多电力零售商可以开展电能销售竞争,而此类零售商中的某一个也许就是区域配电公司的下属子公司。
零售商(retailer)可以在批发市场上购买电能,然后转售给那些不愿或不被允许参加批发市场买卖的用户。
零售商不需要拥有任何发电、输电、与配电资产。
零售商的所有用户也不一定非得全部连接在同一个配电公司的网络上。
市场运营商(marketoperator,MO)负责匹配电能购买者与销售者所提交的电能投标(offer)和报价(bid),此过程一般需要通过计算机程序才能完成。
市场运营商还需要负责结算中标的投标与报价,这意味着它会按照电能流动方向在购买者与销售者之间进行转移支付。
独立系统运营商通常负责管理最终市场(marketoflastresort),也就是平衡负荷与发电的实时市场。
至于在实时运行之前某段时间存在的市场,如日前市场,一般可以交由独立的盈利性市场运营商管理。
独立系统运营商(independentsystemoperator,ISO)的主要职责是保证电力系统安全。
之所以说是独立的,原因是竞争环境下的系统运营商不能偏向其中某些市场成员,或者不利于另外一些市场成员。
ISO通常仅拥有监视能与控制电力系统所必须的计算通信设施,但它往往兼有系统运营与最终市场运营职能。
输电企业(transmissioncompany,Ttansco)拥有诸如线路、电缆、变压器和无功补偿设备等输电资产,他们需要按照ISO发出的调度指令运行输电设备。
有些电力公司会同时拥有发电厂和输电公司,输电公司此时只是他们的下属子公司。
独立输电企业(independenttransmissioncompany,ITC),则不允许拥有发电厂,并且同时兼有独立系统运营商的职能。
监管组织(regulator)是确保电力市场公正有效运营的政府机构。
它可以决定或批准电力市场规则,调查可能出现的市场力滥用情况。
监管组织还可能会负责设定垄断电力企业所提供的服务与产品价格。
小用户(smallconsumer)可以向零售商购买电能。
为了连接到电力网络,他们通常需要向区域配电公司租赁相关设备。
小用户参与电力市场的形式非常简单,在大多数情况下,他们只可能从许多零售商当中挑选一个进行电力零售交易。
大用户(largeconsumer)与小用户不同,他们往往会直接通过市场购电,积极参与批发电力市场竞争。
有一些大用户还能够对负荷进行控制,ISO可以将其当成一种能调用的系统运行资源,在需要时对其进行控制。
少数规模极大的用户有时候会直接与试点系统连接。
电价理论
电价理论是电力市场的核心理论之一。
国外电力市场的理论研究起源于20世纪80年代末期学者对实时电价的研究,从理论上证明了实时电价对合理配置资源的有效性。
电价理论的研究分为两个部分,即电能成本分析(电机预测)和电力市场中的电价形成机制。
电能成本分析是电价预测的基础,对于电力市场的宏观控制、优化电力资源配置有决定性的影响。
但电价的形成最终要通过市场机制形成。
从理想市场运行来看,电力市场的出清价格应与电力系统电能的边际成本相对应。
电能成本的研究可分为短期电能成本分析和长期电能成本分析。
电能短期成本分析的核心是电力系统优化调度、随即生产模拟及开停机计划的问题。
在我国,燃煤火电机组占总装机的70%以上,其启停不仅需要几小时,而且需要很大的启停费用。
在进行电能成本分析时,不考虑启停问题,就不可能得到运行的优化,也达不到资源优化的目的。
不考虑机组带负荷的爬坡能力甚至不能保证供电的可靠性。
然而计及这些因素的电能成本分析理论和算法目前还为成熟。
电能长期成本分析除了运行方式及开停机计划优化之外,还要考虑电源的优化规划与输电系统的优化规则。
在电力市场条件下,电源规划与电网规划的目标发生了变化,在可行性研究时必须增加投入产出分析,这有不能不涉及未来电价预测的问题,此外作为规划标准的可靠性指标也必须得到电力市场参与者的认可。
这些问题的研究在国内外都处于刚刚起步的阶段。
输电及其他辅助服务的度量和定价是电力市场理论研究中比较薄弱的环节,目前只有一些框架的分析。
如何从资源配置和公平公开的原则上具体量化这些服务,以及相应的定价原则还没有成熟的理论。
输电或转运服务的分析给电力系统分析乃至电路理论研究带来巨大的挑战。
电价方面的研究主要有一下几方面的内容:
(1)电能成本:
包括水火电调度,随即生产模拟、发电机组的开停机优化、日运行方式优化;
(2)输电成本:
包括输变电设备利用份额、网损分摊、带安全约束的最优潮流、输电阻塞问题等;
(3)辅助服务成本:
主要包括各种备用容量、能量平衡、AGC、无功及电压调节等服务成本的量化研究;
(4)电力市场环境下的规划:
包括确定系统可靠性指标的机理、电源的投入产出分析、专项输电项目及扩容输电项目的论证及投资分摊等。
3发电市场的竞价模式
概述
发电市场是电力市场中最先开放的市场,也是发展较为成熟的部分。
发电市场中的运作模式分为双边合同模式和交易中心集中竞价出清模式两大类。
目前市场是电力市场的最主要特色之一,通过它可以保持电力商品的供求竞争,有利于提高电力工业的社会效益。
电力市场现货交易是一个连续、实时供需平衡和价格决定的过程。
目前世界电力市场采用最多的是分时竞价的交易模式。
在理论上应通过每5分钟的或10分钟修改价格的过程来近似连续运行,但由于计量和软件方面的限制,一般基于更粗的时间短(0.5h或1h)来进行结算。
从理论上说,每个电厂的发电机生产有功功率的边际成本不同,而用户对电价的承受能力也不同。
优先顺序确定了发电的短期边际成本或电力供给曲线,他与24小时期间内每个时段的电力需求曲线的交点确定了市场的出清价。
只要发电商获得市场出清价,并且有足够多的竞争者,因此每个发电商都认为它无法影响边际电厂和市场出清价的确定,则每个发电上的优化投标都应基于其短期边际成本。
如果发电商的投标高于短期边际成本,只能减小被选中的机会,而改变不了市场出清价。
如果发电上的投标低于短期边际成本,只能增加被调度而使其售出的价格低于成本的风险。
电力市场是不完全的垄断市场,有其自身特点:
如有限的商品(电力)提供者,很大的投资规模(市场进入障碍),电力网络传输限制了用户有效地面向更多的电厂,线路传输损耗是用户难以向较远的电厂购电等等。
这些决定了在给定地区只有有限的几个电厂参与竞争,电厂报价对市场有一定的影响。
在电力市场环境下,很多发电公司可以通过策略性的投资而非降低成本来成功的增加利润,发电公司有一定的市场势力(企业影响其出售市场价格的能力称为市场势力)。
电力市场的这些特点决定了其非完美性,使得电力市场存在一些很难克服的漏洞。
这样作为发电商而言,就存在利用这些市场漏洞进行投机的可能。
如发电厂通过操纵机组容量可以抬升市场电价,既可以是物理上的操纵(只报一部分容量),也可以是经济上的操纵(让部分容量报价很高),从而抬高合成供给曲线,获得超额利润,导致电力市场出现价格上扬现象。
这些说明电力市场的规则或竞价模式的设计是至关重要的。
对于电力竞标的另一个重要问题是制定能处理发电机组跨时段约束的交易规则,如机组开停机时间约束,加减负荷速度约束和机组功率上下限约束。
对于一般商品来说,人们对市场的认识早已超越亚当·斯密的“看不见的手”所描述的完全竞争市场阶段,而取代之以对现实的不完全竞争市场的分析,其中博弈论的应用是一个显著的特征。
在现代经济学中,对于竞标机制的研究是有拍卖理论完成的。
拍卖问题从狭义上来看,是有一定使用范围及特殊规则的市场交易类型;而从广义上理解,它反映的是市场经济价格均衡机制及资源配置的内在过程和本质机理。
将一般商品的拍卖机制应用与电力市场,并考虑电力商品的特殊性,便可设计出电力市场的各种竞价机制。
电力市场的竞价机制按照不同的分类标准可以分为静态竞价和动态竞价(也称迭代竞价),开放式竞价和密封式竞价等等。
静态竞价是电厂只有一次机会,分为歧视性竞价和统一价格竞价,前者是只赢得了投标的电厂按其报价付给报酬,后者指按市场统一价付给其报酬。
动态竞价是电厂可以在观察市场出清价和其他对手的出清情况后修改自己的报价。
目前大多数电力市场都是采用密封统一价格的竞价的形式。
报价协议对于竞价来说是一个至关重要的问题。
报价形式主要有两种:
单一报价和复合报价。
前者只要求电厂给出他将来每一段时间的电价曲线,系统调度中心不负责机组启停安排由电厂自己考虑机组的物理限制;后者要求发电厂除了上报电价曲线之外,还要报机组爬升率、启/停费用以及无负荷运转费用等参数。
市场的交易与出清是交易中心的核心任务。
日前市场要求参与竞价的发电商按照报价协议向市场组织者,如调度中心或者交易中心,上报自己次日每时段(一般为0.5h)的电价和电量曲线。
然后市场组织者按照竞价协议通过计算处理得到系统合成供给曲线,与系统合成的需求曲线进行匹配,得到市场出清价和出清负荷。
最后根据各个参与者的报价情况决定每个发电厂的出清电量。
市场出清方法有排队法、动态规划法、线性规划法等。
分时竞价模式
电力库
在电力行业刚引入市场竞争机制的时候,双边交易曾被视为极大地偏离了电力系统的物理实际情况。
既然电能在从发电机流向负荷时是混合在一起的,所以有人认为电能交易也需要通过集中方式进行,并且全部生产者与用户都必须同时参与才行。
正是这种背景下,一些国家建立了竞争性电力库。
混合商品库是一种很少见的商品交易形式,但是它们与电力系统的运行很契合一致。
目前正在运行的电力库实际上是以电力联营体为建立基础的,而此类联营体则是在较早的时候由垄断公用事业公司联合相邻的服务区所创立的。
供应者与用户的重复相互作用是实现市场均衡的常见方式,但电力库与之不同的,它采用了一种系统性的方法来确定市场均衡。
尽管可能存在某些方面的变化,电力库的基本运营模式大致上可以总结如下:
1)发电公司针对交易时段提供发电报价,标明它的供电数量与对应的价格需求。
发电报价按照从低到高的顺序排列,根据这一序列,可以得到一条表示价格与累计数量关系的函数曲线。
该曲线就是市场上的供应曲线。
2)采用同样的做法,即要求用户提交包含价格信息的投标,并按照价格从低到高的顺序进行排列,可以得到市场的需求曲线。
由于电力需求弹性极低。
这一步有时会省略掉,然后直接以负荷预测值作为市场的电能需求,换句话说,需求曲线此时被假定为一根竖直线,他的横坐标就等于负荷预测值。
3)市场的均衡点极为上面所“构造”的供应与需求曲线的交点。
所有价格低于或等于市场出清价的报价都会被接受,发电商需求按照他们的中标报价所对应的电能数量组织电力生产。
同样所有价格高于或等于市场出清价的投标都会被接受,用户可以依据他们的中标投标所对应的数量从系统中获取电能。
4)市场出清价代表新增单位兆瓦是电能的价格,可以被认为系统边际价(systemmarginalprice,SMP)。
不管他们提供的报价与投标是多少,发电商均以系统边际价出售他们生产的全部兆瓦电能,而用户则需要支付系统边际价格购买所需的每兆瓦电量。
乍看上去,按照系统边际支付所有中标的发电显得有些不合理。
为什么不能仅按生产成本比较低的发电商的要价支付呢?
这样做不是可以降低平均电价吗?
不采用按报价支付办法的主要原因在于,它会阻碍发电商按照自身的边际成本进行报价。
所有发电商会想尽办法猜测最终的系统边际价格可能是多少,然后据此进行报价以获得最大的收益。
理想情况下,两种机制对应的市场边际价格不会存在任何差异。
然而实际情况总是有所变化,一些低成本的发电商有时可能会高估系统边际价,从而给出过高的报价。
此时,该类发电机就被排除在发电计划之外,而另外一些边际成本更高的机组则补充进来,这就意味着市场的系统边际价格会在一定程度上高于它的真实值。
更需要注意的是,高成本机组代替低成本机组发电是不经济的,它没有实现资源的最优利用。
另外系统边际价的不确定性也会给发电商带来收入风险,为此他们可能会稍微提高报价以弥补这一损失。
最终,按报价支付这一降低电价的措施反而会导致电价的上涨。
分时竞价模式
由于电能的生产与消费是同时完成的,因此及时发电厂商与用户的直接双边交易是未来电力市场的主要交易模式,整个电力系统的实时平衡交易仍是不可缺少的。
竞价上网交易时电力市场最具有特色的交易形式。
执行竞价上网交易的机构必须在没有任何自身的市场利益的基础上,才能保证这种交易的公正和公平,使电力市场健康地运营。
目前,几乎国外所有的独立调度ISO或电力交易机构PX都是与电力还是以及发电厂商脱钩的。
3.2.2.1市场交易的一般模型
在平衡交易市场中,独立调度代表所有电力用户向发电厂商购买电能,其目标是使购电总费用c最小:
式(3-1)
式中:
是发电厂商的竞价曲线,为其出力
的凸函数(即
对
的导数随着
的增大而增大);n为发电厂商数。
式(3-1)中
应满足:
式(3-2)
式(3-4)为功率平衡方程,
为用户总需求电力,一般
随电价ρ而变化:
=
式(3-3)
式中
是某一电价上的负荷电力。
通常也是
的凸函数,代表了电力需求的弹性特征。
对于式(3-1)、式(3-2)的条件极值问题可建立一下拉格朗日函数:
式(3-4)
因此可得到c的极小化条件为
式(3-5)
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