輸電阻塞管控方式研討論文
本文在節(jié)點邊際電價的背景下，分析阻塞盈余作為電能傳輸“擁堵費”的內涵，結合阻塞線路影子價格和用戶需求價格彈性系數的特性，引入節(jié)點邊際價格-再調度費用影響因子，作為衡量節(jié)點價格變化對系統(tǒng)再調度成本影響的依據。在此基礎上，借鑒文獻[16]在銷售側發(fā)放獎勵券(coupon)的理念，基于日前與實時“兩級市場、兩步結算”的市場機制，提出了以阻塞盈余為資金來源，基于獎勵券機制的輸電阻塞管理方法。
一、輸電阻塞相關概念分析
輸電網絡發(fā)生阻塞的根本原因是輸電線路的熱穩(wěn)定極限和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需要，使得傳輸的電能必須限定在一定額度以內。作為本文研究的基礎，下面將分析相關概念的內涵。LMP機制是一種基于最優(yōu)潮流的定價方法，表示在滿足當前輸電網絡設備約束條件和各類其它資源的工作特點的情況下，在電價節(jié)點增加單位負荷需求時的邊際成本[17]。由于考慮了阻塞費用，因此它既可以用于衡量電能價值，也可以用于阻塞管理。阻塞盈余是在電力市場環(huán)境下由輸電阻塞所引起的交易盈余。當采用LMP機制時，通常情況下，輸電阻塞將導致電能輸入區(qū)域的電價高于電能輸出區(qū)域，因此電能輸入區(qū)的電力用戶所支付的購電費用會多于輸出區(qū)的售電收入，這一差額就形成了阻塞盈余。本質上，阻塞盈余是電力用戶為輸電網絡阻塞所支付的“擁堵費”，理應用于減輕網絡阻塞。要達到這一目標，最有效的解決方式是新建線路，相應的，既可以將阻塞盈余直接用于線路投資，也可以用于投資回報。但輸電線路的規(guī)劃、建設是一種相對長期的行為，如果能更為有效地通過阻塞盈余激勵電力用戶及時響應，減輕實際運行中的網絡阻塞，將有效推遲對新建線路的需求，提高現有線路的利用效率，使電網資源獲得更高效的使用。
線路出現阻塞時，通常通過再調度、交易削減或負荷控制實現阻塞管理。其中再調度是基于最優(yōu)潮流模型，通過重新安排發(fā)電機組出力，將阻塞線路的潮流控制在安全限值以內。對比有約束與無約束的最優(yōu)調度結果，系統(tǒng)運行成本的增加量就稱為再調度成本，它衡量了網絡阻塞造成的經濟性影響。阻塞線路影子價格與系統(tǒng)再調度成本緊密相關。計算過程中，由于阻塞線路的容量約束為起作用約束，因此將形成相應的影子價格，該影子價格可通過對最優(yōu)潮流模型構造Lagrange函數，并基于K-T條件求解得到。它有著嚴格的經濟含義：對阻塞線路l，如果為了緩解該線路p的有功阻塞，在滿足安全約束基礎上系統(tǒng)最小的再調度成本為rdlC，則rdlC與p的比值就是阻塞線路l的影子價格l[18]。文獻[19]提出了一種日前預測阻塞線路影子價格的方法，可以為阻塞管理提供參考。
二、市場機制
在采用LMP的市場中，如果將阻塞盈余用于激勵用戶響應以減少網絡阻塞，面臨一個現實難題：當網絡阻塞被消除時，阻塞盈余也將不復存在，這時激勵用戶響應的資金無從而來。為此，本文借鑒PJM電力市場，將日前市場與實時市場相結合，利用時序銜接解決上述問題。機制如下：
1）建立日前與實時兩級市場。在日前市場中，輸電提供商以自愿、競標和安全約束方式運行日前電能市場，使用節(jié)點電價為電能的供應方和需求方提供公平的標準。對發(fā)電方和用電方統(tǒng)一實行節(jié)點定價。對于每個節(jié)點將在每小時電能投標價格的基礎上計算出一個清算價格。實時電能市場與日前電能市場類似，它以競價為基礎，并以電網安全為約束條件。實時市場只有電量投標，每5min顯示1個清算價格。
2）執(zhí)行日前與實時兩步結算。日前市場與實時市場分別獨立地進行會計結算，具體的結算機制如下：日前市場首次結算，形成阻塞盈余。在日前市場中，根據發(fā)電商的賣標、電力用戶的買標(或負荷預測情況)以及其他合約交易計劃，計算次日每個小時的LMP。日前市場根據各個小時的計劃電量和相應的LMP結算。實時市場再次結算，處理不平衡量。在實時市場中，根據負荷的變動情況，再次計算市場清算價格。每個小時用于結算的LMP根據該小時內每5min的價格綜合計算得到。市場基于各個小時的實際電量與該小時的日前計劃電量之差，以相應時段和節(jié)點的LMP結算。上述機制可以使市場成員以日前價格鎖定日前計劃量，以價格的穩(wěn)定性降低發(fā)電和用電雙方的市場風險，避免市場成員的投機行為，激勵用戶在日前主動申報自身真實的用電意愿，也有利于促使發(fā)電機組服從調度安排。
三、基于實時市場獎勵券機制的阻塞管理方法
日前市場提供的只是交易計劃，預測了哪些線路會出現阻塞；實時市場形成的才是實際調度結果，決定了實際運行中線路的阻塞狀況。如果能夠充分利用從日前到實時的時序過渡，通過激勵用戶響應，對日前計劃中的阻塞線路實施有效的阻塞管理，將帶來系統(tǒng)安全穩(wěn)定和用戶福利擴大的雙重收益。本文基于日前阻塞盈余，設計實時市場的獎勵券機制，激勵用戶在時段間轉移負荷，緩解甚至消除實時運行中的網絡阻塞，并提供有效的輸電阻塞管理方法。在上述日前與實時“兩級市場、兩步結算”的市場機制下，對用戶而言，實時市場的主要作用是結算與日前市場交易計劃相比的不平衡量。能否激關鍵就在于對不平衡量如何結算。與日前相比，如果用戶在實時市場將部分用電量轉移到其它時段，其用電支付將發(fā)生一定的變化。
實施機制。1）設置獎勵券的時序安排。獎勵券的設置和相關信息發(fā)布安排在日前市場和實時市場之間，時序安排如圖1所示。圖1表示了以下3個階段：①首次結算。在日前，首先按照日前市場形成的LMP與用戶結算。②設置獎勵券。結算完成后，開始設置次日實時市場的.獎勵券，并在設置完成后予以發(fā)布，以激勵用戶在實時市場的響應。③二次結算.在次日的實時市場結束時，按照實時LMP和設定的獎勵券與用戶的偏差電量結算。
2）設置獎勵券的步驟。由日前交易計劃的計算結果，可根據式(7)計算得到每個時段每個節(jié)點的L-R因子。而后即可設置實時市場的獎勵券，主要過程如下：首先，對L-R因子為正的時段節(jié)點，按因子大小排序。因子越大，相應時段節(jié)點的排序越靠前。其次，逐個確定獎勵券的額度。按照優(yōu)先級順序，先選取L-R因子最大的時段節(jié)點，以迭代遞增的方式設置獎勵券，并在迭代過程中根據負荷彈性系數測算該時段線路潮流的變化。隨著獎勵券額度逐漸增大，該時段節(jié)點的負荷逐漸增加，如果獎勵券額度達到了預設的額度上限，或者預計該時段將出現阻塞，則本輪迭代停止，完成該時段節(jié)點的獎勵券額度設置。然后選取L-R因子次大的時段節(jié)點，以同樣的方式迭代設置相應的獎勵券額度。如此循環(huán)往復，直至所有L-R因子為正的時段節(jié)點均已設置了獎勵券，或所有獎勵券價值總和與日前阻塞盈余相等，或日前線路阻塞預期全部得到消除為止。完成上述工作后，也就確定了所有發(fā)放獎勵券的時段、節(jié)點和相應的額度，以便在實時市場之前公布，引導和激勵用戶響應。
3）實施流程。實施過程中還應考慮以下因素：首先，盡管阻塞時段個別節(jié)點負荷的增加也會有助于減輕線路阻塞、減少系統(tǒng)再調度成本，但從系統(tǒng)安全運行的角度出發(fā)，獎勵券的發(fā)放應優(yōu)先面向非阻塞時段的節(jié)點，促使負荷的時空分布更加均勻；其次，獎勵券的單位價值一般也不應超過該節(jié)點在日前市場阻塞時段的節(jié)點電價。文獻[8]的研究表明，可中斷負荷用于阻塞管理的最優(yōu)調度原則是調用可中斷負荷直至補償價格與所在節(jié)點的LMP相等為止，從而為本文設定獎勵券額度上限提供重要參考。綜上，基于獎勵券機制的阻塞管理方法如圖2所示。圖中：虛線框①表示形成日前交易計劃、并根據各時段阻塞線路影子價格計算L-R因子的過程；虛線框②表示外層循環(huán)，根據L-R因子排序，在每一輪次循環(huán)中選定相應的時段t和節(jié)點n。該層循環(huán)的中止條件為所有L-R因子為正的時段節(jié)點均完成設置獎勵券；虛線框③表示內層循環(huán)，對選定的時段*t、節(jié)點*n，以為步長，迭代遞增設置相應獎勵券的額度**bt,n。當**bt,n增加到超過預設的獎勵券額度上限**bt,n或引起該時段出現阻塞時，即跳出內層循環(huán)，回到外層循環(huán)，尋找L-R因子次大的時段和節(jié)點，而后再次進入內層循環(huán)設置該時段節(jié)點的獎勵券。隨著內外層循環(huán)的交替進行，當日前阻塞盈余用盡或日前阻塞完全得到消除時，停止循環(huán)，完成設置獎勵券。
這一獎勵券機制價值如下：
1）深度激勵用戶響應。日前交易計劃確定后，用戶支付已經鎖定，而實時市場價格風險又比較大，用戶響應的動力不足。而獎勵券的設置減小了用戶在日前市場后轉移時段負荷所面臨的價格風險，使他們有更大的動力以有利于系統(tǒng)運行的方式調整自身的用電行為。
2）減輕系統(tǒng)實時阻塞。在獎勵券的激勵下，用戶響應將改變系統(tǒng)中節(jié)點負荷的時段分布。由L-R因子可知，與日前交易計劃相比，這一改變將有利于從整體上降低系統(tǒng)的再調度成本，減輕線路阻塞程度。
3）增進用戶福利。實時市場中，若指定節(jié)點的電力用戶從阻塞時段向獎勵券時段轉移用電，則可以獲得獎勵券。這是因為他們的用電行為有益于系統(tǒng)阻塞管理，理應獲得相應的獎勵。與此同時，其他電力用戶仍然按照實時LMP結算用電偏差量。因此，獎勵券機制將從整體上增進用戶福利。需要強調的是，與文獻[7]不同，上述機制并不是對節(jié)點邊際電價的簡單修正，也并非將阻塞盈余簡單地返還給電力用戶。所有的電力用戶仍可從日前市場和實時市場的LMP中獲得用電邊際成本的經濟信號，只是在此基礎上，對在特定時間、特定節(jié)點改變用電的用戶提供了額外的經濟信號。節(jié)點邊際價格機制的有效性并未受到影響。
四、算例分析
下文采用擴展的IEEE30節(jié)點算例驗證上述機制和方法的合理性、有效性。方便起見，將原IEEE30節(jié)點標準算例數據擴展至4個時段，并修改個別線路的潮流限值，作為日前市場的基本數據。機組報價如表1所示。經Matpower最優(yōu)潮流計算，得到各時段的線路阻塞情況如表2所示。表中：時段1和時段4未出現線路阻塞；時段2僅有18號線路出現了阻塞；時段3則有18、29、35號3條線路均出現了阻塞，其中29、35號線路為反向潮流。由計算可知，日前阻塞盈余為3076.47USD，系統(tǒng)再調度成本為164.77USD。
設各節(jié)點的價格需求彈性系數為已知。以節(jié)點1為例，其4個時段的價格需求彈性系數矩陣如表3所示。在該系數矩陣中，對角元素為每個時段的自彈性系數，非對角元素為兩個時段間的交叉彈性系數。由于只對由阻塞時段向非阻塞時段轉移的負荷提供獎勵券，因此阻塞時段之間和非阻塞時段之間與獎勵券相關的交叉彈性系數為零。此外，每一行的彈性系數之和為零，也即假設所有負荷在時段間是“無損”轉移。根據式(7)，由節(jié)點的價格需求彈性系數、各時段的節(jié)點負荷、節(jié)點對阻塞線路的轉移分布因子和阻塞線路的影子價格，計算得到如圖4所示的各節(jié)點的L-R因子。其中非阻塞時段(時段1和時段4)共有21個時段節(jié)點的L-R因子大于零。由表4可知，時段4的21號節(jié)點L-R因子最大，應當優(yōu)先發(fā)放獎勵券。其它節(jié)點的優(yōu)先級按L-R因子從大到小依次降低。
根據3.4節(jié)的實施流程，以1USD/MWh為步長，以各節(jié)點在相應時段日前LMP的60%為獎勵券發(fā)放的上限，求得系統(tǒng)在實時市場中實施獎勵券的情況如表5所示。結果表明，每個節(jié)點的獎勵券額度均達到限定的最大值。需要注意的是，獎勵券預設的上限、用于獎勵券的阻塞盈余總額等約束都會對獎勵券的額度造成影響，需要結合用戶的價格需求彈性、線路阻塞程度等實際狀況綜合確定這些邊界條件。
根據價格需求彈性系數矩陣可以計算得到節(jié)點負荷的時段變化。在此基礎上的最優(yōu)調度結果顯示，負荷響應后，時段2的阻塞消除，時段3也僅剩35號線路出現阻塞，系統(tǒng)阻塞狀況大為減輕。與此同時，用于發(fā)放獎勵券的資金總價值僅為579.64USD，不到日前阻塞盈余總額的1/5。因此，通過選擇L-R因子較大的時段節(jié)點并發(fā)放相應的獎勵券，可以以相對少的資金更加有效地“撬動”用戶響應，達成更好的阻塞管理效果。剩余的阻塞盈余可以累積進入單獨的基金賬戶，作為今后獎勵券的資金來源，也為實時市場獎勵券的支付提供了更加充分的資金保障。與采用可中斷負荷的阻塞管理方法相比，上述基于獎勵券機制的方法降低了負荷響應的門檻，使更多的電力用戶能夠廣泛參與到系統(tǒng)的輸電阻塞管理過程中，從而提供了更為豐富的負荷響應資源和阻塞管理手段。與采用峰谷電價機制的方法相比，本文保留了LMP作為邊際價格所包含的豐富價格信息，并實現了相對的“精確制導”，對系統(tǒng)阻塞管理貢獻越大的用戶，從獎勵券機制中獲得的收益越多。為更好地實施這一機制，需要更加充分地采集負荷相關信息、建立更加精確的負荷模型，對各節(jié)點用戶在不同時段的價格需求彈性系數進行更深入的研究。
五、結論
1）本文提出了基于輸電阻塞盈余的實時市場獎勵券機制，充分利用日前市場與實時市場的時序銜接，以日前阻塞盈余作為資金來源，通過對指定時段、指定節(jié)點發(fā)放增加用電的獎勵券，激勵用戶負荷的時段轉移，以減輕實時運行中的線路阻塞。該機制將深化電力用戶與系統(tǒng)的互動，激勵更多用戶參與到輸電阻塞管理。
2）引入了節(jié)點邊際價格再調度費用影響因子(L-R因子)，作為獎勵券機制中選擇時段和節(jié)點的依據。該因子可以衡量節(jié)點價格變化對系統(tǒng)再調度成本的影響，從經濟性的角度，使系統(tǒng)以較少的資金投入激勵用戶更加有效的負荷時段轉移，達成更好的阻塞管理效果。
3）通過擴展的IEEE30節(jié)點算例驗證了本文所提機制與方法的有效性。
4）盡管本文研究的是電力市場環(huán)境下的激勵機制，但對我國當前的智能電網建設也具有現實意義。獎勵券機制落實和細化了發(fā)改委和財政部最新的需求側響應政策，詳細給出了在什么時段和節(jié)點開展獎勵，以最有效的方式消除阻塞，激勵用戶以配合的方式用電，提升電力資產的利用率。，
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