輸電阻塞管控方式研討論文
本文在節點(diǎn)邊際電價(jià)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(xiàn)路影子價(jià)格和用戶(hù)需求價(jià)格彈性系數的特性，引入節點(diǎn)邊際價(jià)格-再調度費用影響因子，作為衡量節點(diǎn)價(jià)格變化對系統再調度成本影響的依據。在此基礎上，借鑒文獻[16]在銷(xiāo)售側發(fā)放獎勵券(coupon)的理念，基于日前與實(shí)時(shí)“兩級市場(chǎng)、兩步結算”的市場(chǎng)機制，提出了以阻塞盈余為資金來(lái)源，基于獎勵券機制的輸電阻塞管理方法。
一、輸電阻塞相關(guān)概念分析
輸電網(wǎng)絡(luò )發(fā)生阻塞的根本原因是輸電線(xiàn)路的熱穩定極限和電力系統的安全穩定運行需要，使得傳輸的電能必須限定在一定額度以?xún)�。作為本文研究的基礎，下面將分析相關(guān)概念的內涵。LMP機制是一種基于最優(yōu)潮流的定價(jià)方法，表示在滿(mǎn)足當前輸電網(wǎng)絡(luò )設備約束條件和各類(lèi)其它資源的工作特點(diǎn)的情況下，在電價(jià)節點(diǎn)增加單位負荷需求時(shí)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(jià)值，也可以用于阻塞管理。阻塞盈余是在電力市場(chǎng)環(huán)境下由輸電阻塞所引起的交易盈余。當采用LMP機制時(shí)，通常情況下，輸電阻塞將導致電能輸入區域的電價(jià)高于電能輸出區域，因此電能輸入區的電力用戶(hù)所支付的購電費用會(huì )多于輸出區的售電收入，這一差額就形成了阻塞盈余。本質(zhì)上，阻塞盈余是電力用戶(hù)為輸電網(wǎng)絡(luò )阻塞所支付的“擁堵費”，理應用于減輕網(wǎng)絡(luò )阻塞。要達到這一目標，最有效的解決方式是新建線(xiàn)路，相應的，既可以將阻塞盈余直接用于線(xiàn)路投資，也可以用于投資回報。但輸電線(xiàn)路的規劃、建設是一種相對長(cháng)期的行為，如果能更為有效地通過(guò)阻塞盈余激勵電力用戶(hù)及時(shí)響應，減輕實(shí)際運行中的網(wǎng)絡(luò )阻塞，將有效推遲對新建線(xiàn)路的需求，提高現有線(xiàn)路的利用效率，使電網(wǎng)資源獲得更高效的使用。
線(xiàn)路出現阻塞時(shí)，通常通過(guò)再調度、交易削減或負荷控制實(shí)現阻塞管理。其中再調度是基于最優(yōu)潮流模型，通過(guò)重新安排發(fā)電機組出力，將阻塞線(xiàn)路的潮流控制在安全限值以?xún)�。對比有約束與無(wú)約束的最優(yōu)調度結果，系統運行成本的增加量就稱(chēng)為再調度成本，它衡量了網(wǎng)絡(luò )阻塞造成的經(jīng)濟性影響。阻塞線(xiàn)路影子價(jià)格與系統再調度成本緊密相關(guān)。計算過(guò)程中，由于阻塞線(xiàn)路的容量約束為起作用約束，因此將形成相應的影子價(jià)格，該影子價(jià)格可通過(guò)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(zhù)嚴格的經(jīng)濟含義：對阻塞線(xiàn)路l，如果為了緩解該線(xiàn)路p的有功阻塞，在滿(mǎn)足安全約束基礎上系統最小的再調度成本為rdlC，則rdlC與p的比值就是阻塞線(xiàn)路l的影子價(jià)格l[18]。文獻[19]提出了一種日前預測阻塞線(xiàn)路影子價(jià)格的方法，可以為阻塞管理提供參考。
二、市場(chǎng)機制
在采用LMP的市場(chǎng)中，如果將阻塞盈余用于激勵用戶(hù)響應以減少網(wǎng)絡(luò )阻塞，面臨一個(gè)現實(shí)難題：當網(wǎng)絡(luò )阻塞被消除時(shí)，阻塞盈余也將不復存在，這時(shí)激勵用戶(hù)響應的資金無(wú)從而來(lái)。為此，本文借鑒PJM電力市場(chǎng)，將日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)相結合，利用時(shí)序銜接解決上述問(wèn)題。機制如下：
1）建立日前與實(shí)時(shí)兩級市場(chǎng)。在日前市場(chǎng)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(chǎng)，使用節點(diǎn)電價(jià)為電能的供應方和需求方提供公平的標準。對發(fā)電方和用電方統一實(shí)行節點(diǎn)定價(jià)。對于每個(gè)節點(diǎn)將在每小時(shí)電能投標價(jià)格的基礎上計算出一個(gè)清算價(jià)格。實(shí)時(shí)電能市場(chǎng)與日前電能市場(chǎng)類(lèi)似，它以競價(jià)為基礎，并以電網(wǎng)安全為約束條件。實(shí)時(shí)市場(chǎng)只有電量投標，每5min顯示1個(gè)清算價(jià)格。
2）執行日前與實(shí)時(shí)兩步結算。日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)分別獨立地進(jìn)行會(huì )計結算，具體的結算機制如下：日前市場(chǎng)首次結算，形成阻塞盈余。在日前市場(chǎng)中，根據發(fā)電商的賣(mài)標、電力用戶(hù)的買(mǎi)標(或負荷預測情況)以及其他合約交易計劃，計算次日每個(gè)小時(shí)的LMP。日前市場(chǎng)根據各個(gè)小時(shí)的計劃電量和相應的LMP結算。實(shí)時(shí)市場(chǎng)再次結算，處理不平衡量。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，根據負荷的變動(dòng)情況，再次計算市場(chǎng)清算價(jià)格。每個(gè)小時(shí)用于結算的LMP根據該小時(shí)內每5min的價(jià)格綜合計算得到。市場(chǎng)基于各個(gè)小時(shí)的實(shí)際電量與該小時(shí)的日前計劃電量之差，以相應時(shí)段和節點(diǎn)的LMP結算。上述機制可以使市場(chǎng)成員以日前價(jià)格鎖定日前計劃量，以?xún)r(jià)格的穩定性降低發(fā)電和用電雙方的市場(chǎng)風(fēng)險，避免市場(chǎng)成員的投機行為，激勵用戶(hù)在日前主動(dòng)申報自身真實(shí)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(shí)時(shí)市場(chǎng)獎勵券機制的阻塞管理方法
日前市場(chǎng)提供的只是交易計劃，預測了哪些線(xiàn)路會(huì )出現阻塞；實(shí)時(shí)市場(chǎng)形成的才是實(shí)際調度結果，決定了實(shí)際運行中線(xiàn)路的阻塞狀況。如果能夠充分利用從日前到實(shí)時(shí)的時(shí)序過(guò)渡，通過(guò)激勵用戶(hù)響應，對日前計劃中的阻塞線(xiàn)路實(shí)施有效的阻塞管理，將帶來(lái)系統安全穩定和用戶(hù)福利擴大的雙重收益。本文基于日前阻塞盈余，設計實(shí)時(shí)市場(chǎng)的獎勵券機制，激勵用戶(hù)在時(shí)段間轉移負荷，緩解甚至消除實(shí)時(shí)運行中的網(wǎng)絡(luò )阻塞，并提供有效的輸電阻塞管理方法。在上述日前與實(shí)時(shí)“兩級市場(chǎng)、兩步結算”的市場(chǎng)機制下，對用戶(hù)而言，實(shí)時(shí)市場(chǎng)的主要作用是結算與日前市場(chǎng)交易計劃相比的不平衡量。能否激關(guān)鍵就在于對不平衡量如何結算。與日前相比，如果用戶(hù)在實(shí)時(shí)市場(chǎng)將部分用電量轉移到其它時(shí)段，其用電支付將發(fā)生一定的變化。
實(shí)施機制。1）設置獎勵券的時(shí)序安排。獎勵券的設置和相關(guān)信息發(fā)布安排在日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)之間，時(shí)序安排如圖1所示。圖1表示了以下3個(gè)階段：①首次結算。在日前，首先按照日前市場(chǎng)形成的LMP與用戶(hù)結算。②設置獎勵券。結算完成后，開(kāi)始設置次日實(shí)時(shí)市場(chǎng)的.獎勵券，并在設置完成后予以發(fā)布，以激勵用戶(hù)在實(shí)時(shí)市場(chǎng)的響應。③二次結算.在次日的實(shí)時(shí)市場(chǎng)結束時(shí)，按照實(shí)時(shí)LMP和設定的獎勵券與用戶(hù)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(gè)時(shí)段每個(gè)節點(diǎn)的L-R因子。而后即可設置實(shí)時(shí)市場(chǎng)的獎勵券，主要過(guò)程如下：首先，對L-R因子為正的時(shí)段節點(diǎn)，按因子大小排序。因子越大，相應時(shí)段節點(diǎn)的排序越靠前。其次，逐個(gè)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(shí)段節點(diǎn)，以迭代遞增的方式設置獎勵券，并在迭代過(guò)程中根據負荷彈性系數測算該時(shí)段線(xiàn)路潮流的變化。隨著(zhù)獎勵券額度逐漸增大，該時(shí)段節點(diǎn)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(shí)段將出現阻塞，則本輪迭代停止，完成該時(shí)段節點(diǎn)的獎勵券額度設置。然后選取L-R因子次大的時(shí)段節點(diǎn)，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(shí)段節點(diǎn)均已設置了獎勵券，或所有獎勵券價(jià)值總和與日前阻塞盈余相等，或日前線(xiàn)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(shí)段、節點(diǎn)和相應的額度，以便在實(shí)時(shí)市場(chǎng)之前公布，引導和激勵用戶(hù)響應。
3）實(shí)施流程。實(shí)施過(guò)程中還應考慮以下因素：首先，盡管阻塞時(shí)段個(gè)別節點(diǎn)負荷的增加也會(huì )有助于減輕線(xiàn)路阻塞、減少系統再調度成本，但從系統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(shí)段的節點(diǎn)，促使負荷的時(shí)空分布更加均勻；其次，獎勵券的單位價(jià)值一般也不應超過(guò)該節點(diǎn)在日前市場(chǎng)阻塞時(shí)段的節點(diǎn)電價(jià)。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(jià)格與所在節點(diǎn)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(xiàn)框①表示形成日前交易計劃、并根據各時(shí)段阻塞線(xiàn)路影子價(jià)格計算L-R因子的過(guò)程；虛線(xiàn)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(shí)段t和節點(diǎn)n。該層循環(huán)的中止條件為所有L-R因子為正的時(shí)段節點(diǎn)均完成設置獎勵券；虛線(xiàn)框③表示內層循環(huán)，對選定的時(shí)段*t、節點(diǎn)*n，以為步長(cháng)，迭代遞增設置相應獎勵券的額度**bt,n。當**bt,n增加到超過(guò)預設的獎勵券額度上限**bt,n或引起該時(shí)段出現阻塞時(shí)，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(shí)段和節點(diǎn)，而后再次進(jìn)入內層循環(huán)設置該時(shí)段節點(diǎn)的獎勵券。隨著(zhù)內外層循環(huán)的交替進(jìn)行，當日前阻塞盈余用盡或日前阻塞完全得到消除時(shí)，停止循環(huán)，完成設置獎勵券。
這一獎勵券機制價(jià)值如下：
1）深度激勵用戶(hù)響應。日前交易計劃確定后，用戶(hù)支付已經(jīng)鎖定，而實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格風(fēng)險又比較大，用戶(hù)響應的動(dòng)力不足。而獎勵券的設置減小了用戶(hù)在日前市場(chǎng)后轉移時(shí)段負荷所面臨的價(jià)格風(fēng)險，使他們有更大的動(dòng)力以有利于系統運行的方式調整自身的用電行為。
2）減輕系統實(shí)時(shí)阻塞。在獎勵券的激勵下，用戶(hù)響應將改變系統中節點(diǎn)負荷的時(shí)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的再調度成本，減輕線(xiàn)路阻塞程度。
3）增進(jìn)用戶(hù)福利。實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，若指定節點(diǎn)的電力用戶(hù)從阻塞時(shí)段向獎勵券時(shí)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阻塞管理，理應獲得相應的獎勵。與此同時(shí)，其他電力用戶(hù)仍然按照實(shí)時(shí)LMP結算用電偏差量。因此，獎勵券機制將從整體上增進(jìn)用戶(hù)福利。需要強調的是，與文獻[7]不同，上述機制并不是對節點(diǎn)邊際電價(jià)的簡(jiǎn)單修正，也并非將阻塞盈余簡(jiǎn)單地返還給電力用戶(hù)。所有的電力用戶(hù)仍可從日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)的LMP中獲得用電邊際成本的經(jīng)濟信號，只是在此基礎上，對在特定時(shí)間、特定節點(diǎn)改變用電的用戶(hù)提供了額外的經(jīng)濟信號。節點(diǎn)邊際價(jià)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節點(diǎn)算例驗證上述機制和方法的合理性、有效性。方便起見(jiàn)，將原IEEE30節點(diǎn)標準算例數據擴展至4個(gè)時(shí)段，并修改個(gè)別線(xiàn)路的潮流限值，作為日前市場(chǎng)的基本數據。機組報價(jià)如表1所示。經(jīng)Matpower最優(yōu)潮流計算，得到各時(shí)段的線(xiàn)路阻塞情況如表2所示。表中：時(shí)段1和時(shí)段4未出現線(xiàn)路阻塞；時(shí)段2僅有18號線(xiàn)路出現了阻塞；時(shí)段3則有18、29、35號3條線(xiàn)路均出現了阻塞，其中29、35號線(xiàn)路為反向潮流。由計算可知，日前阻塞盈余為3076.47USD，系統再調度成本為164.77USD。
設各節點(diǎn)的價(jià)格需求彈性系數為已知。以節點(diǎn)1為例，其4個(gè)時(shí)段的價(jià)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(gè)時(shí)段的自彈性系數，非對角元素為兩個(gè)時(shí)段間的交叉彈性系數。由于只對由阻塞時(shí)段向非阻塞時(shí)段轉移的負荷提供獎勵券，因此阻塞時(shí)段之間和非阻塞時(shí)段之間與獎勵券相關(guān)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(shí)段間是“無(wú)損”轉移。根據式(7)，由節點(diǎn)的價(jià)格需求彈性系數、各時(shí)段的節點(diǎn)負荷、節點(diǎn)對阻塞線(xiàn)路的轉移分布因子和阻塞線(xiàn)路的影子價(jià)格，計算得到如圖4所示的各節點(diǎn)的L-R因子。其中非阻塞時(shí)段(時(shí)段1和時(shí)段4)共有21個(gè)時(shí)段節點(diǎn)的L-R因子大于零。由表4可知，時(shí)段4的21號節點(diǎn)L-R因子最大，應當優(yōu)先發(fā)放獎勵券。其它節點(diǎn)的優(yōu)先級按L-R因子從大到小依次降低。
根據3.4節的實(shí)施流程，以1USD/MWh為步長(cháng)，以各節點(diǎn)在相應時(shí)段日前LMP的60%為獎勵券發(fā)放的上限，求得系統在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中實(shí)施獎勵券的情況如表5所示。結果表明，每個(gè)節點(diǎn)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(huì )對獎勵券的額度造成影響，需要結合用戶(hù)的價(jià)格需求彈性、線(xiàn)路阻塞程度等實(shí)際狀況綜合確定這些邊界條件。
根據價(jià)格需求彈性系數矩陣可以計算得到節點(diǎn)負荷的時(shí)段變化。在此基礎上的最優(yōu)調度結果顯示，負荷響應后，時(shí)段2的阻塞消除，時(shí)段3也僅剩35號線(xiàn)路出現阻塞，系統阻塞狀況大為減輕。與此同時(shí)，用于發(fā)放獎勵券的資金總價(jià)值僅為579.64USD，不到日前阻塞盈余總額的1/5。因此，通過(guò)選擇L-R因子較大的時(shí)段節點(diǎn)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(dòng)”用戶(hù)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(jìn)入單獨的基金賬戶(hù)，作為今后獎勵券的資金來(lái)源，也為實(shí)時(shí)市場(chǎng)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(mén)檻，使更多的電力用戶(hù)能夠廣泛參與到系統的輸電阻塞管理過(guò)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(jià)機制的方法相比，本文保留了LMP作為邊際價(jià)格所包含的豐富價(jià)格信息，并實(shí)現了相對的“精確制導”，對系統阻塞管理貢獻越大的用戶(hù)，從獎勵券機制中獲得的收益越多。為更好地實(shí)施這一機制，需要更加充分地采集負荷相關(guān)信息、建立更加精確的負荷模型，對各節點(diǎn)用戶(hù)在不同時(shí)段的價(jià)格需求彈性系數進(jìn)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(shí)時(shí)市場(chǎng)獎勵券機制，充分利用日前市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)的時(shí)序銜接，以日前阻塞盈余作為資金來(lái)源，通過(guò)對指定時(shí)段、指定節點(diǎn)發(fā)放增加用電的獎勵券，激勵用戶(hù)負荷的時(shí)段轉移，以減輕實(shí)時(shí)運行中的線(xiàn)路阻塞。該機制將深化電力用戶(hù)與系統的互動(dòng)，激勵更多用戶(hù)參與到輸電阻塞管理。
2）引入了節點(diǎn)邊際價(jià)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(shí)段和節點(diǎn)的依據。該因子可以衡量節點(diǎn)價(jià)格變化對系統再調度成本的影響，從經(jīng)濟性的角度，使系統以較少的資金投入激勵用戶(hù)更加有效的負荷時(shí)段轉移，達成更好的阻塞管理效果。
3）通過(guò)擴展的IEEE30節點(diǎn)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(chǎng)環(huán)境下的激勵機制，但對我國當前的智能電網(wǎng)建設也具有現實(shí)意義。獎勵券機制落實(shí)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(shí)段和節點(diǎn)開(kāi)展獎勵，以最有效的方式消除阻塞，激勵用戶(hù)以配合的方式用電，提升電力資產(chǎn)的利用率。，
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