区域发电权交易网省协调优化模式研究

2013-10-22王宣元张粒子

电力自动化设备 2013年3期

于琪，张晶，王宣元，张粒子

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.华北电网有限公司，北京 100053）

0 引言

发电权交易对优化资源配置、提高能源利用效率具有重要意义，是实施电源结构调整、促进节能减排的市场化手段。自2008年3月《发电权交易监管暂行办法》出台以来，全国大部分省市都开展了发电权交易，交易规模与交易范围不断扩大，2009年国家电网公司共完成发电权交易电量1.442×1011kW·h。为打破省间壁垒，在更大范围内提升资源配置效率，中国正在对区域发电权交易进行有益探索和积极实践。2009年11月东北电网公司达成了国内首次跨省发电权交易，撮合成交电量1.376×109kW·h，进一步扩大了资源优化配置的范围。

在发电权交易由省级市场逐步过渡到区域市场以及不断完善区域市场的过程中，通过网省两级市场协调运行，还是由区域市场统一优化，不仅涉及到发电资源优化配置程度的问题，还与区域电力市场运行体系建设紧密相关，选择合理的交易模式不但可以提高发电侧市场活跃度，促进发电资源优化配置，更能进一步完善我国区域电力市场运行体系，推进电力市场化改革。

目前，国内关于发电权交易的研究主要集中在交易机理、交易模式、交易模型、阻塞调度以及网损成本等方面[1-8]，且研究大多基于省内市场。文献[9]对省内发电权交易与跨省跨区发电权交易进行了分析比较，并从提高能源总体利用效率的角度，给出了跨省跨区发电权交易的边界条件。文献[10]以华中电网为例，基于华中区域电力交易平台，分析了市场主体的效益、环境效益及节能减排效果，探讨了跨省发电权交易的效益分配模式。但是，上述研究均未对区域发电权交易的网省协调模式进行详细的探讨。虽然在网省协调模式研究方面，区域电力市场建设[11-15]、电力系统优化调度[16]等领域已有涉及，但是从发电权交易的角度对此进行研究的文献尚未见报道。

在上述背景下，本文结合国内外区域电力市场建设经验和我国现有跨省跨区电力交易组织方式，提出了2种区域发电权交易网省协调优化模式，即区域统一优化模式和网省分层优化模式。文中首先阐述了这2种模式的市场组织形式，定性地分析了模式的特点及适用条件；然后，从经济学的角度，对有输电阻塞和无输电阻塞情况下各模式的经济机理和市场效率进行了深入的剖析；最后，以A、B两省共11台机组的区域发电权交易算例对文中所得结论进行了验证。

1 区域发电权交易网省协调优化模式

1.1 网省分层优化模式

网省分层优化模式是指：在1个区域内设置1个区域发电权交易市场负责省间交易，同时设置若干个省级发电权交易市场负责各自的省内交易。参与发电权交易的机组首先向省交易中心申报交易价格与交易电量，由省交易中心组织本省交易，并将没有成交或成交电量没有达到申报量的机组的申报价格和剩余电量提交至区域交易中心，由区域交易中心组织省间交易。

区域发电权交易网省分层优化模式与我国现有以省为实体的电力管理体制和现有跨省跨区交易机制相切合，因此，在区域发电权交易市场建设初期，可以采用网省分层优化模式，通过网、省两级市场的协调优化，实现发电资源更大范围的优化配置。但是，在网省分层优化模式下，受市场交易时序和省间价差的影响，两级市场容易促使市场主体进行策略性报价，降低市场效率。对于省间成交价格高于省内成交价格的省，将会激励省内替代机组在后续交易中尝试提高报价，以参与省间交易提高自身福利；对于省间成交价格低于省内成交价格的省，则会激励省内被替代机组在后续交易中尝试降低报价，以参与省间交易提高自身福利。

1.2 区域统一优化模式

区域统一优化模式是指：在1个区域内仅设置1个发电权交易市场，区域内参与发电权交易的各省机组均直接向区域电力交易中心申报交易价格与交易电量，由区域交易中心根据各机组提交数据，统一组织发电权交易。

区域统一优化模式规避了网省协调过程中所造成的效率损失，对提高市场整体的资源配置效率具有重要意义。在该模式下，市场规模变大，参与竞争的交易主体增多，有利于增强市场价格的稳定性。因此，为促进区域发电权交易的发展，逐渐完善区域电力市场运营体系，应逐步推进区域统一优化的交易模式。

2 无输电阻塞时网省协调模式经济学分析

2.1 网省分层优化模式下的社会福利

设某区域电网共包含2个省网，两省分别组织其省内的发电权交易，如图1所示（ρ为价格，P为电量），省1内被替代机组的综合报价曲线为BTD1，替代机组综合报价曲线为TD1，省内均衡价格为ρ1，成交电量为P1；省2被替代机组综合报价曲线为BTD2，替代机组综合报价曲线为TD2，省内均衡价格为ρ2，成交电量为P2。在网省分层优化模式下省1和省2边际出清后总社会福利分别如图1（a）、（b）中阴影部分所示。

图1 网省分层优化下省内交易的社会福利Fig.1 Welfare of inner-provincial trade in layered optimization mode

省内交易后，省1内有部分未成交的被替代电量报价高于省2内部分未成交的替代机组，即图1（b）中曲线BTD1的O1O12段的值大于曲线TD2的O2O12段的值，因此具有进行省间交易的价格空间。

省内出清后，区域交易中心组织省间交易，如图2所示，曲线段O1O12上报价高的机组应先与O2O12上报价低的机组交易，但是由于P1

图2 网省分层优化下省间交易的社会福利Fig.2 Welfare of inter-provincial trade in layered optimization mode

2.2 区域统一优化模式下的社会福利

在区域统一优化模式下，如图3所示，全区域总被替代曲线BTD由省1、省2被替代曲线BTD1、BTD2合成，全区域总替代曲线TD由省1、省2替代曲线TD1、TD2合成。同时，市场均衡点从省1和省2的市场均衡点O1、O2变为全区域均衡点OR，均衡价格变为ρR，该均衡价格低于省1的均衡价格ρ1，并高于省2的均衡价格ρ2。

图3 区域统一优化下省1的社会福利Fig.3 Welfare of province 1 in integrated optimization mode

暂不考虑省间交易对各省福利的影响，相比省1单独出清，区域统一出清后，省1交易价格下降，省1的被替代机组福利增加，其增加量为曲边梯形ABN1O1的面积，而省1的替代机组福利减少，其减少量相当于曲边梯形ABM1O1的面积。所以，区域统一优化模式可以使省1总社会福利增加，其值等于增加的被替代机组福利扣除减少的替代机组福利，即曲边三角形O1M1N1的面积。

同理可知，区域统一优化模式可使省2总社会福利增加，如图4所示，其值等于增加的替代机组福利扣除减少的被替代机组福利，即曲边三角形O2M2N2的面积。通过上述分析可知，曲边三角形O1M1N1与O2M2N2的面积之和即为相比各省内单独出清，区域统一优化模式下的总社会福利增加值。

图4 区域统一优化下省2的社会福利Fig.4 Welfare of province 2 in integrated optimization mode

2.3 2种模式下社会福利的对比分析

如图5所示，区域统一优化模式与网省分层优化模式的社会福利对比实际上是比较曲边三角形O1M1N1与O2M2N2的面积之和与曲边三角形O1O′12O′2的面积的大小。

图5 2种模式的社会福利对比Fig.5 Comparison of welfare between two modes

由于O′2M2=O2M，M2N′2=MN2，并且曲线段O′2N′2=O2N2，所以有曲边三角形 O′2M2N′2全等于曲边三角形O2MN2，因而二者面积相等，即：

设Ua为网省分层优化下省间交易获得的福利增量，Ub为区域统一优化相对于各省单独出清（不考虑省间交易）获得的福利增量，根据图5可知：

即在不考虑输电阻塞时，区域统一优化模式下的社会福利大于网省分层优化模式下的社会福利。

3 有输电阻塞时网省协调模式经济学分析

3.1 网省分层优化模式下的社会福利

网省分层优化模式下，省间输电约束不会影响各省的省内交易结果，因而不会影响各省省内交易的社会福利，但可能会影响省间交易成交总量。如图6所示，在没有输电约束情况下，省间交易量为Psj，联络线输电约束为Pcs，当Pcs

图6 有输电阻塞时省间交易的社会福利Fig.6 Welfare of inter-provincial trade with transmission congestion

3.2 区域统一优化模式下的社会福利

当省间联络线有输电阻塞时，区域内各省的出清价格将不再相同，如图7所示，当输电阻塞为Pcs时，省1出清价格为 ρE1，省 2出清价格为 ρE2，省 1较单独出清时的福利增加值是曲边三角形O1M′1N′1的面积；省2较单独出清时的福利增加值是曲边三角形O2M′2N′2的面积；此外，由于输电阻塞产生阻塞盈余为Ccs，其值等于联络线可用输电容量与两省出清价差的乘积，即：

图7 有输电阻塞时区域统一优化下的社会福利Fig.7 Welfare in integrated optimization mode with transmission congestion

图7 中，矩形 M′1N′1L1K1与矩形 M′2N′2L2K2面积之和即为阻塞盈余。设U′ty、Uty分别为有、无输电阻塞时区域统一优化下的社会福利，由图7可知：

即区域统一优化模式下，无输电阻塞时区域社会福利大于有输电阻塞时区域社会福利。

3.3 2种模式下社会福利的对比分析

如图8所示，当省间有输电阻塞时，区域统一优化模式下，相比各省单独出清，省1总福利增加值为曲边三角形O1M′1N′1的面积，省2总福利增加值为O2M′2N′2的面积，阻塞盈余为矩形L1L1′L2′L2的面积，区域总社会福利等于三者之和。网省协调优化模式下，各省单独出清后，当省间传输容量小于无约束下省间交易电量时，产生的福利为曲边四边形O1O′2F′F的面积。

图8 有输电阻塞时不同模式的社会福利对比Fig.8 Comparison of welfare between modes with transmission congestion

因O′2L2=O2M，L2S=MN2′，并且曲线段O2′S=O2N′2，故曲边三角形 O′2L2S全等于曲边三角形 O2MN′2，因而可得二者面积相等，即：

设Uacs为有输电阻塞时省间交易获得福利增量，Ucbs为有输电阻塞时区域统一优化相对于各省单独出清（不考虑省间交易）获得福利增量，由图8可知：

即当省间有输电阻塞时，区域统一优化模式的总社会福利仍大于网省协调模式的总社会福利。

在前面的分析中，本文均将发电权交易综合报价曲线视为连续光滑曲线，然而，在实际操作中，发电权交易主体一般被规定按照常数或分段常数的形式进行投标，综合报价曲线通常为阶梯型，由图9可知：

图9 阶梯型综合报价曲线下的社会福利对比Fig.9 Comparison of welfare under stepped bidding curve

即当发电权交易双方报价为阶梯曲线时，在省间有输电阻塞情况下，区域统一优化模式下的总社会福利可能等于网省协调模式下的总社会福利。

4 算例分析

A、B两省共11台机组参与的发电权交易，各机组申报价格及申报电量如表1所示。其中省A中替代机组相对较多，且申报价格较低；省B中多为小容量机组，申报价格较高。

表1 算例数据Tab.1 Data for case study

4.1 无输电阻塞情况

在无输电阻塞情况下，按照网省分层优化和区域统一优化模式得到的发电权交易结果如表2所示。

表2 不同网省协调模式下各机组成交结果Tab.2 Results of trade for different coordinated optimization modes

图10 不同模式下省A各机组单位福利与报价关系Fig.10 Relation between unit power welfare and quoted price for province A in different modes

如图10所示，在区域统一优化模式下省A中被替代机组A1、A2单位福利（单位福利是指机组成交单位电量时所获得的收益，在数值上等于机组报价与成交价格之差）与申报报价成正比，替代机组A3—A6单位福利与申报价格成正反比。然而在网省分层优化模式下，省A内替代机组A4报价低于替代机组A5、A6，所获单位福利却小于 A5、A6，这是因为 A5、A6参加省间交易，成交价格要大于省内交易价格，这种情况将会激励省A内替代机组提高报价以参与省间市场，这将进一步降低省A的社会福利，有碍发电权交易的顺利开展。