《電力市場概論》 課件 第六章 電力市場與輸電網(wǎng)絡(luò)

第六章

電力市場與輸電網(wǎng)輸電網(wǎng)開放是電力市場的重要特征輸電網(wǎng)開放就是輸電網(wǎng)的所有者必須將輸電網(wǎng)無歧視地開放給所有使用者。面臨的問題輸電阻塞輸電損耗阻塞管理（CongestionManagement）基本思路：建立競爭機制，利用價格手段進行電力交易量的增減，從而降低過載線路的潮流功率。一、引言兩份交易：G1－L1：300MW；G2－L2：200MW當A－B間的傳輸容量低于500MW時，為保證交易的順利實現(xiàn)，可購買物理輸電權(quán)（PhysicalTransmissionRights）

輸電權(quán)是對輸電容量的一種權(quán)利，PTR賦予其所有者在特定時間在給定輸電支路或斷面上傳輸一定容量電力的權(quán)利。二、雙邊交易與物理輸電權(quán)PTR的實施問題1、潮流計算在由變壓器、輸電線路等構(gòu)成的電網(wǎng)中，功率將如何流動，可通過潮流計算確定。直流潮流模型：支路的無功潮流可以不計，交流支路可等效成直流支路。

潮流計算的數(shù)學(xué)模型節(jié)點方程

快速解耦潮流計算的原理是：1、由于交流高壓電網(wǎng)中輸電線路等元件的x>>r,因此電力系統(tǒng)有功功率的變化主要決定于電壓相位角的變化，而無功功率的變化則主要決定于電壓模值的變化。反映在雅可比矩陣的元素上，就是N及M二個子塊元素的數(shù)值N相對于H、L二個子塊的元素要小的多。作為簡化的第一步，可以將它們略去不計。2、在實際的高壓電力系統(tǒng)中，下列的假設(shè)一般都能成立：（1）線路兩端的相角差不大（小于10度～20度）（2）與節(jié)點無功功率相對應(yīng)的導(dǎo)納通常遠小于節(jié)點的自導(dǎo)納Bii

于是得到：上述二式中的系數(shù)矩陣B’及B”由節(jié)點導(dǎo)納矩陣的虛部所組成，從而是一個常數(shù)且對稱的矩陣。為了加速收斂，目前通用的快速解耦法又對B’及B”的構(gòu)成作了下列進一步修改。（1）在形成B’時略去那些主要影響無功功率和電壓模值，而對有功功率及電壓角度關(guān)系很少的因素，這些因素包括輸電線路的充電電容以及變壓器非標準變比。（2）為了減少在迭代過程中無功功率及節(jié)點電壓模值對有功迭代的影響，將式右端U的各元素均設(shè)為標么值1.0，也即令U作為單位陣。（3）在計算B’時，略去串聯(lián)元件的電阻。于是，目前通用的快速解耦潮流算法的修正方程式可寫成：

近似模型－直流潮流

支路導(dǎo)納組成的對角矩陣與節(jié)點導(dǎo)納矩陣相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的支路－節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣

三節(jié)點系統(tǒng)取節(jié)點1為參考點求逆復(fù)原2、并行和逆向潮流問題傳輸路徑由物理定律而不是市場參與者的意愿決定

示例設(shè)A－Y：300MW，D－X：200MW其中I

：1－2－3：120MWII：1－3：180MW

III

：3－2：120MWIV：3－1－2：80MW

僅合同1時，受線路容量限制（2-3容量100MW），實際上

Pmax＝(0.5/0.2)*100=250MW

合同1和合同2同時執(zhí)行，3、物理輸電權(quán)與市場力兩節(jié)點例子中的G3：是節(jié)點B處唯一的機組，它買斷從A到B的所有物理輸電權(quán)，同時既不使用也不出售，顯然就成為節(jié)點B處電力供給的壟斷者

解決方法：在物理輸電權(quán)交易中附加一個“或用或棄”的條款，但實際實施有難度。此時，系統(tǒng)運行員也起著市場運行員的作用系統(tǒng)運行員在考慮由輸電網(wǎng)引起的安全約束時，能夠本著使市場實現(xiàn)最佳效率的原則選擇合適的賣家和買家，并決策市場出清價格。有利于真正實現(xiàn)最好的經(jīng)濟效率。采用節(jié)點電價（NodalPrice）或區(qū)域電價（ZonalPrice）三、集中交易與節(jié)點電價1、集中交易中輸電網(wǎng)的作用電力系統(tǒng)的電源與負荷的分布往往是不平衡的，電源充足、負荷較少的地區(qū)電價偏低；反之，負荷需求量過重的地區(qū)電價偏高。兩地區(qū)各自獨立運行情況下，兩地間會有電價差；兩地間由輸電線路連成統(tǒng)一市場時，電能就會由電價低的地區(qū)流向電價高的地區(qū)，直至兩地間的價差消失為止。但線路輸電容量不足時，會停止于由線路輸電容量決定的某一價差水平上。兩地區(qū)的供給函數(shù)分別為：

S區(qū)：πS＝80＋0.04PS

￥/MWh，DS＝500MWD區(qū)：πD＝100＋0.08PD￥/MWh，DD＝1500MW（1）不互聯(lián)時的分析S區(qū)：PS

＝500MW，πS

＝100

￥/MWhD區(qū)：PD＝1500MW，πD

＝220

￥/MWh（2）互聯(lián)線路能傳遞1600MW

兩節(jié)點系統(tǒng)簡化為單母線系統(tǒng)，電價相同，則：

S區(qū)：PS

＝1500MW，πS

＝140￥/MWhD區(qū)：PD＝500MW，πD

＝140￥/MWh

兩地區(qū)聯(lián)合市場的供需平衡（3）線路受限情況線路傳輸能力500MW。結(jié)果：

PS＝1000MW，πS

＝120￥/MWh

PD＝1000MW，πD

＝180￥/MWh小結(jié)：只要互聯(lián)線路的輸電容量低于自由交易所需的容量，兩地區(qū)間的差價就一定存在。由于維持系統(tǒng)安全而產(chǎn)生的約束使得輸電網(wǎng)產(chǎn)生阻塞，將統(tǒng)一的市場分割為各自獨立的市場，各地區(qū)負荷的增加將必須由當?shù)貦C組單獨來承擔。因此，各地區(qū)的發(fā)電邊際成本是不同的。由于系統(tǒng)中每個節(jié)點的電價都可能不同，因此考慮輸電網(wǎng)后的實時價格又稱為節(jié)點價格。另外，輸電損耗也會造成不同節(jié)點的電價不一樣。通常買進功率的地區(qū)的實時價格高，而賣出功率的則低。2、節(jié)點電價的數(shù)學(xué)模型

必須在滿足第5章中討論的安全性要求的前提下，選擇可以接受的賣價和買價，并設(shè)定市場清除價格，使得系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大化－－有約束的最優(yōu)化潮流問題將電源和負荷統(tǒng)一考慮成每個節(jié)點的凈功率注入量假設(shè)：市場是完全競爭的，市場參與者無博弈行為

負荷與發(fā)電機連接在網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點上，定義在節(jié)點K的注入功率為定義，表示節(jié)點K注入功率的收益整個電網(wǎng)的整體的效益問題描述

假設(shè)需求對價格不敏感，每個節(jié)點的負荷是確定的，則消費者的收益是常數(shù)，于是有忽略電網(wǎng)損耗，系統(tǒng)的凈注入功率必為零設(shè)定平衡節(jié)點：節(jié)點n

輸電線路的傳輸功率約束

拉格朗日函數(shù)最優(yōu)條件

討論是平衡節(jié)點的價格。其它節(jié)點的節(jié)點價格與平衡節(jié)點的節(jié)點價格的聯(lián)系如上式每一節(jié)點的價格受兩方面因素影響：一是與該節(jié)點的網(wǎng)損靈敏度

有關(guān)，如果節(jié)點k的凈注入功率增大使網(wǎng)損增大，則二是受支路潮流約束的影響，這一影響取決于約束的影子成本（即乘子

）和第i支路潮流對各節(jié)點凈注入功率的靈敏度。顯然，如果忽略輸電容量約束和網(wǎng)絡(luò)損耗，則所有節(jié)點的節(jié)點價格都相等例6.4分析三節(jié)點系統(tǒng)的電能交易情況與節(jié)點電價X＝200MW、Y＝300MW（1）網(wǎng)絡(luò)無約束時，經(jīng)濟調(diào)度

PA＝400MW，PB

＝100MW。網(wǎng)絡(luò)中的潮流情況:a.由KAL、KVL定律

b.利用疊加原理首先，1－2的200MW電力傳輸引起的潮流其次，1－3的300MW電力傳輸引起的潮流

潮流結(jié)果：1－2：280MW，

1－3：220MW，

2－3：80MW

購電費用：400×150＋100×180＝78000￥（2）修正經(jīng)濟調(diào)度：1－2越限，需進行調(diào)整。首先考慮增加母線2的出力，即機組C發(fā)電設(shè)在bus2增加1MW，則bus1需減少1MW，對潮流的影響為：1－2潮流的變化：減少0.8MW2－3潮流的變化：減少0.2MW

要消除30MW的越限，則

PC＝30/0.8＝37.5MW，PB減到62.5MW，PA仍為400MW。潮流結(jié)果：

1－2：250MW2－3：87.5MW1－3：212.5MW

購電費用：400×150＋62.5×180＋37.5×900＝105000￥考慮增加母線3的出力進行調(diào)整（3）節(jié)點電價計算：在該節(jié)點以最經(jīng)濟的方式多供應(yīng)1MW負荷所需的成本。

bus1，π1＝180￥/MWhbus3，由發(fā)電機B供，會造成線路1－2過流，所以由發(fā)電機D供，π3

＝300￥/MWhbus2，由發(fā)電機C供太貴，應(yīng)由bus1或3的發(fā)電機供，同時，不能造成線路1－2過流，分析得：

ΔP1＋ΔP3＝1MW0.8ΔP1＋0.4ΔP3＝0

解得：ΔP1＝－1MWΔP3＝2MW

所以，π2

＝2×300－1×180＝420￥/MWh

（4）最優(yōu)潮流求解

結(jié)果：PA＝400MW，PB＝25MW

PC＝0，PD＝75MW

F12＝250MW，F(xiàn)13＝175MW，F(xiàn)23＝50MWCost＝87000￥/h

π1＝180￥/MWh，π2＝420￥/MWh，

π3

＝300￥/MWh小結(jié)：在一個沒有輸電約束的系統(tǒng)中，如果我們將所有機組視為恒邊際成本模型，那么除一臺機組（邊際機組）之外的所有機組要么滿負荷發(fā)電，要么不發(fā)電。邊際機組的邊際成本決定了整個系統(tǒng)的電價。當輸電限值約束了經(jīng)濟調(diào)度時，某些機組的出力受到限制，將介于上下限之間而成為邊際機組。通常，系統(tǒng)中如果存在m個輸電約束，那么就有m+1個邊際機組。每一臺邊際機組都決定著它所在節(jié)點的邊際價格。其余節(jié)點的邊際價格是由所有邊際機組的價格組合所決定的，這種組合又取決于約束網(wǎng)絡(luò)中KVL的作用。

3、阻塞剩余

用戶付費：發(fā)電商收益4、節(jié)點電價的深入討論（1）潮流方向問題

支路2-3中的潮流

是從電價高的節(jié)點流向低價節(jié)點。（2）節(jié)點電價與線路輸電容量的關(guān)系當支路1-2的輸電容量逐漸增大時，節(jié)點電價表現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律。例如輸電容量由236MW提高到240MW時，節(jié)點3的電價反而由525元/MWh上升到540元/MWh。因為此時便宜的機組（A和B）承擔了較大的出力，而成本高的機組（C）出力減少，總體來看發(fā)電成本降低了，但用戶付費、發(fā)電商利潤和阻塞剩余均在增加，表明此時提高輸電容量的措施是將用戶利益轉(zhuǎn)給了發(fā)電商。當支路1-2的輸電容量提高到超過245MW時，最貴的機組C將不再發(fā)電，機組D成為邊際機組，節(jié)點價格、發(fā)電商利潤、用戶付費和阻塞剩余等才會隨之減少，直到輸電容量達到280MW時系統(tǒng)進入無阻塞狀態(tài)。

（3）異常的節(jié)點電價當支路2-3的容量降為45MW時情況（4）節(jié)點價格與市場力當支路2-3存在約束時，節(jié)點2的電價為120￥/MWh。假設(shè)節(jié)點2的機組C叫價低于目前的節(jié)點邊際價格，它決定以50￥/MWh參與競爭節(jié)點2處提出一個較低的叫價，使節(jié)點3處的電價從300￥/MWh上升到440￥/MWh，并且其發(fā)電量從87.5MW上升到90MW

。

假設(shè)機組D抬高其價格到550￥/MWh

機組D抬高其叫價，除了使機組C虧本外，還會增加自己的收益，即使是在出力減少的時候：小結(jié)在沒有邊際機組的節(jié)點處，其節(jié)點價格與有邊際機組的節(jié)點價格相比，可高可低，也可介于其中，甚至節(jié)點價格可以為負數(shù)！上述結(jié)果可能違反一般意義上的經(jīng)濟概念，但是它們在數(shù)學(xué)上是正確的。這些價格不僅受制于經(jīng)濟還受制于KVL。甚至在簡單的三節(jié)點系統(tǒng)中，理解這些價格也是很費時費力的。對于實際的系統(tǒng)，這種分析會更加復(fù)雜。5、集中交易系統(tǒng)中阻塞風(fēng)險的管理需要什么樣的新合約形式用于控制與輸電阻塞相關(guān)的風(fēng)險討論的結(jié)論可同樣解釋損耗引起的影響（1）差價合約的可行性回顧：集中交易市場中的參與者也允許進行雙邊合同交易，以規(guī)避節(jié)點電價變化帶來的風(fēng)險。西源的發(fā)電商與東荷的鋼鐵廠簽訂差價合同：500MW，160￥/MWh。實時電價為140￥/MWh，無阻塞時的結(jié)算情況：發(fā)電商售電500MW，得到收益為500×140=70000￥

鋼鐵公司買進500MW，支付500×140=70000￥

鋼鐵公司支付500×(160-140)=10000￥給發(fā)電商以解決差價合約。發(fā)電商和鋼鐵公司以160￥/MWh的有效電價進行了500MW的交易。若節(jié)點價格比160￥/MWh高,發(fā)電商將支付鋼鐵公司差價以解決合約。

若聯(lián)絡(luò)線傳輸功率限制為500MW，則西源的節(jié)點價格為120￥/MWh,而東荷的節(jié)點電價上升為180￥/MWh，結(jié)算：發(fā)電商以120￥/MWh的價格售電500MW，實時市場得到收益為：500×120=60000￥

差價合同結(jié)算的收益為：500×40=20000￥因此，按現(xiàn)貨價格虧20000￥，應(yīng)該由鋼鐵公司根據(jù)合約來支付。鋼鐵公司以180￥/MWh的價格購買500MW，實時市場應(yīng)支付：500×180=90000￥

差價合同應(yīng)支付：500×20=10000￥。因此，按現(xiàn)貨價格多支出10000￥，鋼鐵公司期待發(fā)電商按差價合約來承擔。有阻塞時，差價合同不能正常進行

（2）金融輸電權(quán)（Financialtransmissionrights）差價合同中的總?cè)鳖~為:20000＋10000＝30000￥/h阻塞剩余

500×(180－120)＝30000￥/h推導(dǎo)阻塞存在時處理差價合約的解析表達設(shè)：差價合約敲定價為，合同量為F按合同鋼鐵公司支付發(fā)電商得到收益按現(xiàn)貨市場鋼鐵公司支付發(fā)電商得到收益如果鋼鐵公司希望得到補償：發(fā)電商希望得到補償

如果，可見在時，結(jié)論：達到最大傳輸能力時，阻塞剩余便表征兩地市場按差價合約的補償數(shù)量解決方法：金融輸電權(quán)（FTRs）（3）金融輸電權(quán)：

是指在網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點之間，賦予持有者的一種特權(quán)，該特權(quán)的收益為購買的傳輸量和兩節(jié)點間價格差的乘積如果傳輸沒有阻塞，兩地區(qū)間就沒有差價,FTRs的持有者就得不到收益FTRs的持有者（發(fā)電者或用電者）對傳輸量的起點和終點并不關(guān)心東荷的一個用戶擁有FMWh的金融傳輸權(quán)，他可以:以西源的電價購買FMWh，使用它的傳輸權(quán)使其能夠“免費”到達東荷；以東荷的電價購買FMWh，需支付，但使用它的傳輸權(quán)又可獲得收益為。

（發(fā)電者與用電者）如何得到FTRs

在每一市場周期內(nèi)，系統(tǒng)運行員應(yīng)該確定聯(lián)絡(luò)線上所能傳輸?shù)哪芰Α＿@一能力的FTRs被拍賣給最高價的投標者。這種拍賣對所有參與者（發(fā)電、用電，以及尋求差價來盈利的投機者）開放，同時該權(quán)利可以自由買賣。例6.9三節(jié)點算例的再討論假設(shè)節(jié)點2的一個用戶與節(jié)點1的發(fā)電方簽訂了一個差價合約，該合約敲定價為200￥/MWh，傳輸電力為100MW，這個合約的參考價格是節(jié)點1。用戶同時也購買了節(jié)點1到節(jié)點2的100MW的FTRs

。1）

節(jié)點1和節(jié)點2的價格分別為180￥/MWh和420￥/MWh，合約的結(jié)算：用戶從節(jié)點2獲取100MW，向市場運行員支付

100×420＝42000￥；發(fā)電方從節(jié)點1注入100MW，向市場運行員收取

100×180＝18000￥用戶為履行差價合約向發(fā)電方支付

100×（200－180）＝2000￥；用戶擁有節(jié)點1到2的FTRs，向市場運行員收取

100×（420－180）＝24000￥；上述完成后，用戶共為100MW電力商品的使用支付20000￥，其電價為200￥/MWh。2）

節(jié)點1和節(jié)點2的價格分別為180元/MWh和120元/MWh，結(jié)算：用戶從節(jié)點2獲取功率100MW，支付給市場運行員

100×120＝12000￥；發(fā)電方在節(jié)點1注入功率100MW，從市場運行員收取

100×180＝18000￥；按差價合約，用戶支付給發(fā)電方

100×（200－180）＝2000￥；為結(jié)算FTRs，用戶支付給市場運行員

100×（180－120）＝6000￥；上述完成后，用戶為使用100MW電力商品需支付2000￥，相當于差價合約敲定的價格2000￥/MWh。市場運行員獲取的商業(yè)余額實際為

[(400＋12.5)×180＋87.5×300]

－[200×120＋300×300]

＝13500￥<15000￥

差異產(chǎn)生是因為系統(tǒng)運行員實際執(zhí)行不能按照拍賣FTRs時預(yù)想的傳輸容量進行

FTRs不應(yīng)看成是一種期權(quán)，而是一種在任何情況下都要履行的責(zé)任。

（4）基于潮流的金融輸電權(quán)（FlowgateRights）

FTRs也可以定義為網(wǎng)絡(luò)中確定的一條支路或一個關(guān)口（斷面）的輸電權(quán)。這時的FTRs被稱為基于潮流的金融輸電權(quán)（FlowgateRights，F(xiàn)GRs）與一條支路或關(guān)口（斷面）對應(yīng)最大傳輸容量的拉格朗日乘子或其影子價格相聯(lián)系三節(jié)點算例：節(jié)點2的一個用戶從節(jié)點1的發(fā)電方購買100MW功率，同時購買了100MW的FGRs。相當于支路1-2上80MW支路1-3上20MW支路2-3上20MW

只有支路1－2運行在傳輸限制上，對應(yīng)這一限制的拉格朗日乘子為其它不等式約束均不構(gòu)成緊制約，其對應(yīng)的拉格朗日乘子均為0。因此，持有FGRs的用戶可以獲取

80MW×300￥/MWh＝24000￥。這和用戶購買100MW從節(jié)點1到節(jié)點2的FTRs中的獲取是一樣的?？梢?，在這一情況中，F(xiàn)GRs和FTRs有相同的規(guī)避風(fēng)險的作用。

FGRs的持有者不會遇到支付費用給市場運行員的情況，也就是FGRs總是表現(xiàn)為一種類似期權(quán)的性質(zhì)

（5）FTR與FGR的爭論FTRs情況下，能達到最大傳輸容量的組合數(shù)比支路還要多，所以FGRs市場比FTRs市場可能更靈活一些；由于很難預(yù)測哪些支路會發(fā)生阻塞，所以對給定的關(guān)鍵關(guān)口集合進行交易可能會引起其它支路阻塞的發(fā)生；由于兩點間的輸電容量是隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化而變化的，所以FTR的值也很難確定，另外，給定支路的最大傳輸容量是常數(shù)，尤其是當支路上的潮流只受熱容量約束時；由于網(wǎng)絡(luò)中通常只有很少的支路會發(fā)生阻塞，可能用FGR更簡單一些，另外，當一條支路被阻塞時，所有的節(jié)點價格就不同了。參與者購買基于潮流的輸電權(quán)時必須考慮并理解網(wǎng)絡(luò)的運行，實際上，這就意味著他們必須了解PTDFs矩陣，而購買FTRs的參與者則不必擔心網(wǎng)絡(luò)的運行，他們可以依據(jù)節(jié)點價格的波動做自己的決定。在完全競爭的市場中，F(xiàn)TRs和FGRs，甚至是物理輸電權(quán)都是等價的，當然，如果不是完全競爭的市場，F(xiàn)GRs會提供更多博弈的機會，尤其是在一些固定的關(guān)口進行的交易。有人建議，解決這些爭議最好的方法就是讓市場來決定哪種輸電權(quán)最適合。6、輸電網(wǎng)的損耗

（1）損耗的類型可變損耗。這種損耗是由電流在電網(wǎng)元件中的流動而產(chǎn)生的。可變損耗又可分為負荷損耗、串聯(lián)損耗、銅耗等。由于在電力系統(tǒng)中電壓不會偏離其正常值很大，有功功率要大于無功功率，所以可變損耗能夠大約地表示成有功功率的平方關(guān)系

固定損耗。主要指變壓器內(nèi)鐵芯的磁滯和渦流損耗，其它損耗是由于輸電線中的電暈影響而引起的。固定損耗與電壓的平方成正比，而與電流的大小無關(guān)。固定損耗也被稱為無負荷損耗、并聯(lián)損耗、鐵耗等。其他損耗。主要指上述兩種因素以外的其他因素引起的損耗，也稱管理損耗。（2）損耗的邊際成本

負荷由

則發(fā)電增量

設(shè)發(fā)電機G的邊際成本為C，則由節(jié)點2的負荷增加引起發(fā)電費用增加為：則節(jié)點2的邊際成本為于是商業(yè)剩余（3）考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的發(fā)電調(diào)度以兩地區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)為例設(shè)發(fā)電的成本特性：考慮損耗的調(diào)度模型目標函數(shù)：

約束：假設(shè)損耗使最優(yōu)潮流傳輸從1000MW減少到887MW不計損耗計損耗PS(MW)15001426PD(MW)500613損耗(MW)039傳輸功率(MW)1000887MCS(￥/MWh)140137MCD(￥/MWh)140149總發(fā)電成本(￥/h)225000227982損耗使得S的發(fā)電機在某種程度上缺乏競爭力，因為它生產(chǎn)的能量一部分在傳輸給D的用戶時損失了，因此S產(chǎn)量會減少，D產(chǎn)量會增加。由于再調(diào)度，S和D生產(chǎn)的邊際成本是不等的。價格差大約為12￥/MWh。西源東荷

總量負荷(MW)50015002000發(fā)電量(MW)102510002025節(jié)點邊際價格(￥/MWh)121180用戶付費(￥/h)60500270000330500發(fā)電方收益(￥/h)124025180000304025商業(yè)剩余(￥/h)26475聯(lián)絡(luò)線輸電容量為500MW時，兩節(jié)點間的價格差是59元/MWh，聯(lián)絡(luò)線制約對節(jié)點電價差的產(chǎn)生起到主要作用。由于聯(lián)絡(luò)線功率傳輸受限，損耗也相應(yīng)減少，降為25MW商業(yè)剩余為26475￥/h在S購買的電量將是525MW（1025-500），價格為121￥