发电侧电厂机组竞价上网合同电量分配问题算法

吴磊

（北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100083）

发电侧电厂机组竞价上网合同电量分配问题算法

吴磊

（北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100083）

本文基于电网的负荷预测和机组出力功率特性要求，对电网运营管理中合同电量分配问题给出了系列算法，同时对这些算法进行了理论分析。

电网运营管理；合同电量；竞价上网

1　引言

改革开放以后，中国国民经济开始腾飞，仅靠中央一家投资办电远不能满足国民经济发展的需要。在这种形势下，一系列集资办电和多渠道筹资办电政策的出台，促进了电力工业的发展和独立发电企业的形成，使中国电力工业的改革迈出了重要的一步，同时这也是中国电力市场的萌芽。

目前中国电力市场的改革取向是“网厂分开、竞价上网”，即将电网经营企业拥有的发电厂与电网分开，建立规范的、具有独立法人地位的发电实体，市场也只对发电侧开放。发电侧电力市场的市场主体是各独立发电企业与电网经营企业，电网经营企业负责组织各发电公司间的竞争，政府负责对电力市场进行监督管理［1］。与英国、澳大利亚等国的电力市场不同，中国电力市场继续保持着输、配一体的管理模式，保留供电营业区，每个供电营业区只有一个指定的供电机构向终端用户供电。同时，根据“省为实体”的方针，中国的电力市场以省级电力市场为主，各省电力公司是其省内电力市场竞争的组织者。

2　电力市场概况与合同电量分配问题描述

S省作为“网厂分开、竞价上网”的试点单位正在开展相应的电力市场改革。S省电网运营系统包括两大类主体，即电网运营的管理机构——电力调度中心和若干参与竞价上网的发电厂。电力调度中心是电网运营的管理机构，负责组织、计划和协调各电厂的上网发电及发电出力功率。每个发电厂每日在规定的时间内向电力调度中心提出本厂所属机组的投标竞价，电力中心依据负荷预测，在满足机组及电网运行约束的条件下，按时段确定每个机组是否上网发电及发电出力功率并由此对各电厂机组进行管理控制。

在具体电网运营管理系统中的运营管理中，调度中心首先确定各发电厂合同发电总量并按天将合同电量分配到机组，之后各电厂将各机组为完成的合同发电量分配到各时段中，同时电厂依据自己对系统边际电价的预测及各机组的合同电量来制定下个工作日各机组、各时段的功率价格曲线并上报调度中心，调度中心依据所有电厂的功率报价曲线最后确定Smp*，并根据各电厂功率报价曲线及Smp*取舍各厂机组上网发电情况，统计各电厂（或机组）合同发电量并计算出各厂（或各机组）的未完成发电量并调整各机组下一天的合同电量。具体管理过程见图1。

图1　电网运营管理过程

电力调度中心确定各发电厂 （有些电厂将具体指定哪些机组）的月合同发电量（计划发电量）。在实时管理中，依据本月剩余的合同电量，按一定的规则计算下一天的合同发电量，以此跟踪和控制各电厂合同电量的完成［2］。计划发电量部分的结算价格一般高于各厂的发电成本，即按合同电价电厂肯定能获得相应利润，因此各发电厂的运营策略首先应保证合同发电的数量［3］。因此如何将本电厂机组未完成的合同发电量分配到各时段是各个发电厂重点关注的内容。

3　解决方法

由前文介绍可以看到各电厂每天从电力调度中心获取每台机组第二天全天的合同电量，每台机组第二天的合同电量合理分配到每个时段的问题（下称合同电量分配问题），合同电量分配问题的实质就是将机组全天的合同电量按一定的方式分配到每个时段。

本文给出的合同电量分配问题算法分为如下三个大的计算阶段：

阶段1：利用全天用电变化（电网负荷预测）曲线及机组全天合同电量Q计算机组各时段的合同电量初值Qi，i=1，2，…，48。

阶段2：由于阶段1给出的机组合同电量分配问题初始值Qi，i=1，2，…，48，并不一定在机组最高出力功率和最低出力功率范围内，本阶段的任务是通过一定的方式，将Qi，i=1，2，…，48进行处理使之满足上述要求。

阶段3：按机组出力特性进一步优化合同电量的分配方案，得到最后的机组合同电量分配问题的最后方案。

3.1利用电网负荷预测曲线计算合同电量的初始方案

设某台机组全天的合同电量为Q，其分配到每个时段的数量为Qi，i=1，…，48，显然有：

全天用电变化趋势，用由48个时段的权重构成的一个峰、谷、平分布曲线进行描述见图2。设第i个时段的用电分布权重为ri，i=1，2，…，48。其中。取Qi=riQ，i=1，2，…，48，这样就得到了机组各时段的合同电量初值。

图2　全天用电分布曲线

3.2调整合同电量分配方案使之满足机组出力上下限约束

本文给出“削峰填谷平移算法”调整初始合同电量分配方案的方法。削峰填谷平移算法的基本思想是将分配到各时段的合同电量中超出机组最大出力能力的部分（峰）和低于机组最小出力能力的部分（谷）相互抵冲，并对其他各时段的合同电量进行调整，使之符合机组最大最小出力要求［4-5］。

记Q+，Q-分别为机组按最大、最小出力功率运行一个时段的发电量，记ΔQ+，ΔQ-分别为一个报价周期内各时段超出Q+部分和低于Q-部分的合同电量分配额的和，即：

显然，有：

削峰填谷平移算法的具体步骤如下：

给定停机判别数ε＞0，

Step1：依公式（6-1）计算ΔQ+、ΔQ-：

Step2：若ΔQ++ΔQ-〈ε，则计算结束，所得Qi，i=1，2，…，48为得到的满足机组最大最小出力功率约束的合同电量分配的可行方案。

Step3：记ΔQ=ΔQ+-ΔQ-，m为合同电量落在区间［Q-，Q+］上的时段数。按如下公式调整各时段的合同电量的分配（即削峰填谷平移），调整后的合同电量分配为：

Step4：令Qi=Qi，转Step1；

从公式（3）中不难看出：

通过上述处理，超出Q+的部分被截掉了，即“削峰”，低于Q-的部分部分被填平了，即“填谷”。

对于“峰”与“谷”的差异，ΔQ=ΔQ+-ΔQ-，将此差异平均分配到合同电量未超出（Q-，Q+）的时段，即“平移”：当ΔQ＞0时，合同电量的分配曲线向上平移，当ΔQ〈0时，合同电量的分配曲线向下平移，使得在整个分配周期内总的合同电量保持不变。

可以证明，只要总合同电量Q∈［48*Q-，48*Q+］区间内，经过有限次迭代，必定使得调整后的各时段合同电量Qi∈［Q-，Q+］，i= 1，2，…48。

3.3应用机组出力变化特性优化调整合同电量分配方案

机组从一种状态向另外一种状态 （比如从停机状态变为出力状态）时需要一定的时间。按机组状态随时间变化的情况，机组出力变化特性一般通过如下三种曲线来描述：①开机升出力特性曲线；②机组停机降出力特性曲线；③机组出力调节特性曲线。机组出力调节特性描述机组在正常出力范围内，机组出力功率变化速率与机组出力功率的关系。表1，图3给出了某台机组出力调节特性及图形描述

表1　机组出力调节特性

图3　机组出力图形描述

由机组正常出力调整曲线可见，机组在正常出力范围［x1，x4］的调速较快且具有双向特性，这样合同电量分配序列正常出力段的优化调整问题转化为调整合同电量分配序列Qi，i=1，2，…，48，使得机组相邻时段状态的变化不超过给定的幅度ΔQA。利用ΔQA通过机组正常出力变化特性可得到机组相邻状态变化需要的最大时间Δt=ΔQA/变化速率。

相邻时段合同电量Qi-1，Qi之间的关系有如下两种情况：

（1）相邻时段合同电量Qi-1，Qi的变化幅度在给定的变化幅度ΔQA内，即：

|Qi-Qi-1|≤ΔQA。

（2）相邻时段合同电量Qi-1，Qi的变化幅度超过给定的变化幅度ΔQA，即：

|Qi-Qi-1|＞ΔQA。

现在的目的是调整合同电量分配序列Qi，i=1，2，…，48，使相邻时段合同电量变化幅度满足|Qi-Qi-1|〈ΔQA。

下面给出一种迭代算法，并证明该算法通过有限次（轮）迭代可得到合同电量分配序列Qi，i=1，2，…，48，使之满足相邻时段合同电量的变化幅度小于ΔQA。

算法思路是：若相邻时段的合同电量Qi-1，Qi的变化幅度大于ΔQA，即|Qi-Qi-1|＞ΔQA，这里不妨假设Qi-1＞Qi，

给定相邻时段合同电量移动量ε＞0，

公式（4）保证新得到的合同电量分配序列仍然满足各时段的合同电量之和等于该机组全天的合同电量。

4　结论

电力市场的特殊性决定了电力市场竞价策略的特殊性。如何用数学模型描述电力市场竞价策略，通过何种算法求解该策略模型，如何高效求解等问题对中国正在建立的电力市场具有指导意义，是电力市场研究领域的前沿课题，具有重大的理论价值和应用前景。本文针对目前中国S省发电企业合同发电量与竞价发电并行的情况，在竞价上网功率报价曲线的基础上，提出了合同发电量分配方案，并设计了合同电量分配序列正常出力段的优化调整算法。

主要参考文献

［1］于尔铿，韩放，谢开，等.电力市场［M］.北京：中国电力出版社，1988.

［2］Conejo A J，Nogales F J，Arroyo J M.Price-taker Bidding Strategy under Price Uncertainty［J］.IEEE Transaction on Power Systems，2002，17（4）：1081-1088.

［3］庞建斌.基于Agent的电力市场竞价上网策略的研究［J］.计算机时代，2003（5）.

［4］汪应洛.系统工程［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［5］高学东，周儒欣.最优控制的结构化理论［M］.北京：冶金工业出版社，1996.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.21.035

F407.61；TP391.7

A

1673-0194（2015）21-0071-03

2015-09-25