生产模拟仿真在电力市场环境下的应用案例及建议

顾颖中, 李慧杰， 史保壮

(1. 通用电气能源咨询， Schenectady, 美国; 2. 通用电气电网技术中心有限公司， 上海市 201114)

生产模拟仿真在电力市场环境下的应用案例及建议

顾颖中1, 李慧杰2， 史保壮1

(1. 通用电气能源咨询， Schenectady, 美国; 2. 通用电气电网技术中心有限公司， 上海市 201114)

生产模拟仿真，作为电力系统规划及运行的核心工具，在欧美国家过去30多年的电力市场化发展过程中发挥了重要作用。文中重点介绍了生产模拟仿真的概念、结构、数学模型和应用情况，对其在电力市场环境下的应用案例进行了详细分析；探讨了生产模拟仿真在中国应用所面临的机遇和挑战。文中建议在中国电力市场化改革背景下的系统规划和运行机制研究中应用生产模拟仿真并对其作必要的改进，以促进中国系统规划和运行机制的科学发展。

生产模拟仿真; 电力市场; 输电阻塞评估； 可再生能源接入

0 引言

2015年在中国电改“中发〔2015〕9号文”出台后，国家相关部委陆续发布了相应配套文件，从不同角度为电力市场改革提供政策性指导和实施依据。同时确定了首批试点省、市，分别从售电侧、输配电价、电改综合方面推动电改实施，探索实现电力市场资源优化配置的途径[1]。全国相关高校、科研机构也从经济学理论角度，结合中国电力工业实际，开展电力市场仿真模拟建构，研究电力市场经济运行新模式。但是，由于电力商品的特殊性，电力市场相关活动存在着种种风险，如何规避和使各种风险影响最小化是推动电力市场健康发展的必然要求[2]。因此，有必要建立电力市场仿真实验平台，开展模拟实验，研究、验证各种市场方案和规则的合理性以及分析可能出现的风险[3]。通过建立和完善模拟仿真系统，在充分考虑利用经济杠杆的调节作用条件下，实现电力市场综合效益的最大化[4]。

欧美国家在过去30多年的电力市场改革过程中也面临过很多挑战[5]。在这个过程中，电力系统生产模拟仿真(production simulation)作为一项关键技术，在电力市场变革的大环境下，为解决电网市场机制评估、电力市场整合分析、中长期经济规划、可再生能源消纳、辅助服务市场及容量市场评估等一系列关键问题发挥了重要作用[6-9]。电力市场分析是生产模拟仿真主要应用场景之一。

生产模拟仿真的核心价值在于通过科学的方法对新的市场机制进行预演和评估，从而有效地减少不良设计所导致的潜在风险。同时，生产模拟仿真建模也会帮助中国电力市场研究建立完备的数据库，为未来的各种研究协作提供宝贵的数据平台。本文介绍了电力系统生产模拟仿真的模型和结构，以及典型应用案例，为中国电力市场改革背景下的系统规划和运行机制发展提供参考。

1 生产模拟仿真简介

生产模拟仿真主要研究电力系统调度中的机组组合和经济调度问题，进而评估在不同市场机制下各机组以及整个系统的运行经济性问题[6-7]。通过对电力系统的运行进行仿真，再依据仿真结果作各类电力系统规划分析。通过模拟电力系统的中长期运行，从而能够更精确地确定电网以及系统内各设备的运行方式。

多区域生产模拟仿真不但可以计算以满足系统各个时间负荷需求为目标系统调度所需的电源开机组合及各机组的出力、排放，还可以计算系统输电网络的有功潮流和节点电价，并考虑输电线路受到载荷约束和系统安全约束以及其他边界条件，分析线路阻塞和机组出力的改变对系统运行成本和经济性的影响。生产模拟仿真可用于以下方面的研究。

1)电力市场模拟。可以模拟电力市场的不同结构和模式，进行规则/机制的设计和改进。如已在纽约电力市场、加州电力市场、新英格兰电力市场和PJM电力市场建设和运行中均发挥了重要作用。

2)输电费用计算。计算系统节点电价，进而分析各电源的输电成本，为相应输电协议提供支持。

3)输电阻塞分析。分析系统中输电线路和联络线的阻塞及其对系统运行成本的影响，研究可能的改进措施，如增加线路、系统加强或增加输电能力。

4)新增电源、输电电路或需求响应的影响评估。分析上述措施对系统整体运行成本的影响以及系统内各输电线路载荷的影响，从而为最优方案/措施提供决策支持。

5)电力库设计。研究各机组在电力库中的成本以及电力库规则的设计。

6)新能源(风电和光电等间歇性电源)对系统运行的影响分析。分析新能源对系统调度和运行成本的影响，研究提高系统消纳能力的各种措施及其优化方法。

2 生产模拟仿真的结构和数学模型

电力系统生产模拟仿真的核心职能是求解电力系统机组组合和电力系统经济调度问题。图 1所示为简化的生产模拟仿真的流程图[10]。在进行了全方位的系统初始化和各种输入数据处理后，生产模拟仿真核心是在3个时间尺度(年、周、小时)中对机组组合问题和经济调度问题进行求解，从而计算出每小时线路潮流、机组出力、节点电价、排放、机组和负荷历时曲线等各种结果。生产模拟仿真允许用户在时间和空间上进行各种数据的重载，以提高对各种可能的系统状况进行建模的自由度和灵活度。

图1 生产模拟仿真流程图Fig.1 Flowchart of power system production simulation

机组组合问题的优化目标是最小化全系统的运行成本(包括机组启停成本)的同时满足各种运行约束条件，其决策变量是机组每小时的开关状态。可以由式(1)至式(13)来描述[11-12]。

(1)

(2)

-Fmax≤Fk≤Fmaxk=1,2,…,T

(3)

(4)

PGi,k+1-PGi,k≤RUixi,k+SUi(xi,k+1-xi,k)+

(5)

PGi,k-PGi,k+1≤RDixi,k+SDi(xi,k-xi,k+1)+

(6)

i∈G,k=2,3,…,T

(7)

i∈G,k=2,3,…,T

(8)

i∈G,k=1,2,…,T

(9)

(10)

xi,k-xi,k-1≤cUi,ki∈G,k=1,2,…,T

(11)

xi,k-1-xi,k≤cDi,ki∈G,k=1,2,…,T

(12)

xi,k,cUi,k,cDi,k∈{0,1}i∈G,k=1,2,…,T

(13)

经济调度问题的优化目标是最小化全系统的运行成本(不包括机组启停成本)的同时满足各种运行约束条件，其决策变量是机组每个调度时段的出力，可以由目标函数式(14)，以及约束条件式(2)、式(3)、式(15)至式(17)来描述[13-15]。

(14)

PGi,k+1-PGi,k≤RUii∈G,k=1,2,…,T-1

(15)

PGi,k-PGi,k+1≤RDii∈G,k=1,2,…,T

(16)

(17)

虽然从数学模型和系统流程图上来看，生产模拟仿真只是将传统的电力系统调度(经济调度、机组组合问题)放在更长的时间尺度(如12个月或30年)上运行，但工业级的生产模拟仿真和电力系统调度在模型架构、算法以及应用特性上却区别较大。表1列举了电力系统生产模拟仿真和电力系统调度的一些主要区别。

表1 生产模拟仿真和电力系统调度比较Table 1 Comparison between production simulation and power system scheduling

由于电力系统调度决定系统中机组的出力和开关状态，在电力市场环境下还决定节点电价和市场运行效率，因此其计算精度和对优化算法的最优精度要求较高。相比较而言，生产模拟仿真是对电力系统的中长期运行进行模拟，并不直接决定机组出力和影响系统运行效率，其计算精度和优化精度的要求自然比电力系统调度的要求低。同时生产模拟仿真大多用于解决规划问题，它的时间尺度相较于解决系统运行问题的电力系统调度而言是相当大的。以北美为例，很多大型电网经济规划和可再生能源并网规划问题的研究周期可以长达30年。因为相对较长的时间尺度，生产模拟仿真所面临的不确定性也较系统调度要大得多。就电力系统调度中最复杂的机组组合问题而言，其面临的主要不确定性是日前市场和实时市场之间直接的负荷预测误差、可再生能源预测误差、机组或线路故障等。而生产模拟仿真所面临的不确定性则是长达30年的负荷预测误差、可再生能源预测误差、新机组选址、旧机组停运、政策变化、燃料价格变化、系统运行方式变化和货币价值随时间变化等各种不确定性。也正因为如此，这些不确定性带来的误差将远远超过最优化方法和计算方法本身的误差，使得花费大量计算资源一味追求计算精度对生产模拟仿真而言变得意义不大。为了应对各种不确定性的挑战，生产模拟仿真需要作大量的灵敏度分析，以确保最终的规划方案在各种条件下都有符合预期的表现。

在中长期电力系统生产模拟中，还需考虑各种各样复杂的中长期约束条件，如天然气的区域性供气约束(例如美国东北地区有很多天然气机组，由于要优先保证居民用户供暖，会分片区采取季度性的供气上限，即某个地区的天然气机组在某个季度内发电所用天然气不得超过某个上限)和排放限制的约束条件(即某台发电机全年碳排放、氮化物排放、硫化物排放不得超过某个上限)等。

除了时间上的巨大跨度，生产模拟仿真还需建立空间上的巨大跨度。例如对美国加州电力系统进行生产模拟仿真时，不仅要对其内部系统建模，还需使用整个北美西部大电网(WECC)的数据库，包括美国和加拿大两国数十个行政州(省)[16]。如此巨大的空间跨度和时间跨度使得生产模拟仿真对核心算法的计算性能要求非常高，往往对相同区域的工业级生产模拟仿真的计算性能需要达到电力系统调度的数十至数百倍。

3 生产模拟仿真的案例分析

电力市场环境下的电力系统分析是生产模拟仿真非常重要的应用场景。在欧美的能源电力行业，通常在电力市场环境下，通过生产模拟仿真可以做以下研究：评估电力市场的运行效率；评估市场机制设计是否合理，能否进一步改善；新区域整合入某一电力市场所能得到的综合效益提升；研究各种新增辅助服务市场/产品对电网运行的影响，从市场参与者的角度对他们的报价曲线和报价策略进行优化；研究电力市场环境下用户资产的利用率；研究各种新技术或商业模式对电力市场或电力系统的影响等。

3.1 电力市场整合研究

生产模拟仿真的主要应用之一是电力市场整合研究。美国加州电力市场是目前世界上最成熟的电力市场之一。PacifiCorp是美国西部重要的电网公司，为美国西部6个州(加州、俄勒冈州、犹他州等)的居民提供电力服务[17]。由于人口和经济的增长、可再生能源的推广以及州政府和联邦政府的各种能源环保政策的变化，诸如PacifiCorp这样的电网公司想进一步谋求更好的区域合作和资源整合,以进一步降低运行成本。因此，PacifiCorp和加州独立系统运行商(ISO)于2014至2015年共同开展了一项电力市场整合研究，通过电力系统生产模拟仿真来全面分析PacifiCorp加入加州ISO所运营电力市场的利弊[18]。

该研究依据不同的负荷水平、可再生能源穿透率，以及2个区域间的输电传输容量分别建立低水平场景和高水平场景，通过对整个北美西部电网WECC的生产模拟仿真得到以下的结论(具体模拟结果见附录A表A1)：通过电力系统生产模拟仿真能够科学和定量地分析出PacifiCorp电网公司加入加州电力市场所能够获得的各种收益，其中包括在提高电网调度效率、降低系统装机容量、有效管理可再生能源导致的电力过剩等方面的显著提升，从而更好地支持PacifiCorp公司整合入加州电力市场的战略决策。

3.2 电网经济规划及输电阻塞评估

进行系统规划分析时，输电线路阻塞的影响是非常重要的一个方面。输电阻塞所对应的经济成本对于电力市场下的电网运行是一个非常重要的经济指标，如果发生输电阻塞，会影响系统中机组的出力以及输电网络的潮流，并且限制了系统供给侧和需求侧资源的自由配给，降低市场运行效率。生产模拟仿真是研究输电阻塞影响的有效手段，因而它在ISO的电网规划部门所进行的电网经济规划及输电阻塞评估中发挥了重要作用，如纽约州ISO进行的输电阻塞评估及电源并网研究[19]。该项研究每年都要进行，其目的是在纽约电力市场框架下为整个纽约州的电网进行未来几十年的输电阻塞评估,为纽约电力市场参与者提供减少输电阻塞和增加运行效率的方案,同时为电网建设项目的审批提供科学和经济的依据[19]。

该项研究主要通过通用电气(GE)的多区域生产模拟仿真软件进行，其对纽约电网以及几个相邻的区域大电网(PJM等)进行非常细致的数学建模，除了基本的网架结构、机组及负荷参数之外，还包括未来几十年新增及停运机组、线路、柔性输电设备，同步调相机，跨区域双边及多边协议，各种故障及政策性约束，各种燃料(煤、石油、天然气、核燃料等)价格预测，各种排放(二氧化碳、氮化物、硫化物等)曲线，最低资本回报率(hurdle rate)等各种复杂因素。该研究的主要成果包括未来几十年全系统输电阻塞情况分析、系统及各区域运行成本、发电量、区域电能进出量、预测节点价格、发电企业的收益及电网企业的支出、各种污染物排放等。

通过对输电阻塞价格的总结(2016至2034年纽约州所有主要输电走廊的输电阻塞价值的变化，见附录A图A1)，可以表明对输电线路进行升级改造来消除阻塞所带来的全系统运行成本降低的经济价值[20]，它为纽约州兴建输电工程提供了科学的指导性意见。

3.3 可再生能源消纳研究

生产模拟仿真在电力市场环境下的另一项重要应用是可再生能源消纳研究。很多可再生能源集中的地区都面临着弃风、弃光等各种并网问题，同时大规模的可再生能源接入对电网的可靠性、安全性、电源结构和系统运行等方面所带来一系列挑战。一种成熟有效的电力市场机制能够更好地调配区域内及跨区域的各种资源以更好地支持电网对可再生能源的消纳。因而如何科学和定量地分析可再生能源在电力市场环境下的消纳问题就成为生产模拟仿真的另一个重要应领域。

泛加拿大风电消纳研究[21]是继美国东部可再生能源消纳研究[22]和美国西部风电和太阳能消纳研究[23]之后北美大陆最主要的可再生能源消纳研究之一。该研究对整个美加大电网进行详细建模，旨在分析和解决泛加拿大地区风电并网消纳的一系列关键问题，如加拿大电网能否支持政策预期的35%风电穿透率、需要增加多少额外的备用容量、弃风状况如何、对各区域污染物排放的影响是多少、需要对现有电网进行怎样的扩容规划,以及这些可再生能源带来的经济环保收益的量化分析等。该研究假设4个场景[24]。5%基本场景代表着现有的加拿大电网以及已经投运及在建的所有风电场，其约占总装机容量的5%。20%分布式场景代表着将风电的穿透率提升至20%，并且平均分布到加拿大各省。20%集中式场景指将风电穿透率提升至20%且集中分布在风电资源最好且容量系数最高的地点，这意味着各省风电资源装机分配不均。35%目标场景指根据加拿大各省的可再生能源政策目标分配而全国总的风电穿透率达到35%。

通过生产模拟仿真，可以发现越高的风电穿透率将导致越高的弃风率，而分布式场景会比集中式场景有着略高的弃风率[21]，具体结果见附录A表A2)。

图2展示了在泛加拿大风电并网研究中生产模拟仿真得到的各种污染物排放下降的预测[21]。由于加拿大和美国电网间的高度互联，以及美国有着更高比例的天然气和煤电电源结构，因此从3种主要污染物(二氧化碳、硫化物、氮化物)的排放来看，美国侧的污染物排放下降要超过加拿大侧。考虑到加拿大新增的可再生能源导致的从加拿大到美国的大规模输电，这样的排放变化是符合预期的。

图2 各种污染物排放的预测Fig.2 Projected reduction in various emissions

通过生产模拟仿真得到加拿大西部电网输电扩容规划[21](具体规划线路图见附录A图A2)。表2为各种场景下对相关区域电网进行输电扩容所需的投资，其所能够带来的电网运行成本的下降以及投资回报时间[24]。

表2 输电扩容投资回报分析Table 2 Investment return analysis for transmission expansion

从表2中可以看到对5%基本场景的输电扩容投资所需和2个20%场景的输电扩容投资所需相差并不大(上升28.5%)，但2个20%场景的可再生能源消纳比例却是5%基本场景的4倍(上升300%)。同样风电穿透率下，集中式场景比分布式场景更优，分别提升12.5%的投资回报和缩短13.9%的回报周期。四个场景相比而言，35%目标场景有着最高的输电扩容投资回报和最短的投资回报周期,同时也能最大限度地使泛加拿大电网消纳可再生能源。

4 应用建议

在中国应用生产模拟仿真面临着一系列的挑战和机遇。首先，高质量的电力系统仿真离不开精细完备的数据库建模，包括建立一整套数据采集、校对、调试、跨区域合作、数据分享和安全保密体系。其次，基于生产模拟仿真的电网规划和目前国内电网公司、设计院主导的规划模式有较大的区别，如何使这些新方法、新工具逐渐被规划部门所接受，同时结合中国的实际情况整合到现有的规划体系中也是一个主要的挑战。再次，生产模拟仿真是一个跨学科、跨领域的复杂学术问题，如何通过先进的计算方法、混合整数优化方法、数学建模等来满足生产模拟仿真对计算性能、大量不确定性、优化精度、复杂的中长期约束、灵敏度分析等方面的要求，始终是非常有价值的研究方向。

对于电改下的各种机制，多数可以通过生产模拟仿真已有的模型和规则对其建模，例如输配电价可以分别被加入到现有的计算模型中，大用户直购电可以通过各种灵活的双边交易模型来建模。对于目前生产模拟仿真系统尚不能建模的机制，则需要开展进一步工作，以便适应电力市场发展的需要。

5 结语

欧美电力市场在从初期到目前相对成熟的发展过程中，电力系统生产模拟仿真始终是一项重要的技术，其对电力市场发展、政策制定、电网规划、可再生能源消纳等方面能够进行定量、科学地分析，从而提供宝贵的参考意见和政策指导。本文重点介绍了生产模拟仿真的核心概念、数学建模，以及其与传统电力系统调度的区别；通过分析北美地区的应用案例，详细阐述了生产模拟仿真在电力市场整合、电网经济规划及输电阻塞评估以及可再生能源消纳等方面的应用价值和指导意义。

随着中国电力市场改革的推进，在探索如何建立符合中国国情的电力市场过程中，有必要开展在中国电力市场环境下的生产模拟仿真，为中国电力市场的发展和提高系统运行的经济性发挥积极作用。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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ApplicationandSuggestionsofPowerSystemProductionSimulationinDeregulatedElectricityMarket

GUYingzhong1,LIHuijie2，SHIBaozhuang1

(1. GE Energy Consulting, Schenectady, USA;2. GE Grid Technology Center Limited Company, Shanghai201114, China)

During the30years of electricity market deregulation in North America and Europe, power system production simulation plays a critical role as a core technology to address the challenges in power grid operation and planning. This paper addresses the concept, structure, and mathematic models of power system production simulation. Many applications are analyzed, especially under deregulated market environment. This paper also reveals the value of production simulation applications in China and discusses the potential challenges to be encountered. It is proposed to adopt advanced production simulation technology in power system planning and electricity market mechanism design in order to facilitate scientific quantitative approach based analysis and contribute to this round of electricity market reform in China.

production simulation; electricity market; transmission congestion evaluation; renewable integration

2017-06-15;

2017-11-06。

上网日期: 2017-11-08。

顾颖中(1987—)，男，通信作者，博士，研发主管，主要研究方向：电力市场、生产模拟仿真、可再生能源并网、电力系统随机优化调度。E-mail： garyyingzhong.gu@ge.com

李慧杰(1969—)，女，高级工程师，工学硕士，MBA，主要研究方向：电力系统控制保护技术及新能源技术。E-mail： lily2.li@ge.com

史保壮(1970—)，男，博士，首席工程师，主要研究方向：电力系统分析、新能源并网和消纳。E-mail： baozhuang.shi@ge.com

(编辑顾晓荣)