借鉴巴西电力市场优化模型促进中国电力市场建设

李德银，汪 哿，樊恒武

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

20世纪90年代，巴西的民主化完成，国家政权逐步稳定，联邦政府开始推动电力行业改革，改变了原有“计划模式”及国有企业对电力行业的垄断，推动国有企业的私有化改革，以解决电力系统面临的问题，独立的电力系统调度机构和创建了电能批发市场，发电企业间开始出现市场竞争。2004起，巴西开始采用新的市场模式，全国电网互联，ONS负责统一调度，电能的生产和销售分离，设立管制市场和自由市场，建立电能拍卖机制和电能再分配机制，以管制市场为主，自由市场为辅及用于结算偏差的短期市场并存，促进形成合理的市场电价，恢复中长期电力发展规划，以满足未来电能需求增长和能源结构优化[1-2]。

在建立新市场模式前期，巴西国家电力局ANEEL于 2000-08-03日第290号决议规定了三个阶段实施电力市场，第一阶段是按月定价，第二阶段是每周，最后是每小时。每个阶段从本质上与电力市场和国家电气系统运营商(ONS)在互连系统运行规划中使用的模型的开发和验证过程相关，这些模型由CEPEL(电能研究中心)开发，由NEWAVE(月)，DECOMP(周)和DESSEM(小时)程序组成。ONS和CCEE采用NEWAVE、DECOMP、DESSEM三大模型，通过不同时期、不同水文阶段及约束限制目标变化，计算得出长中短期的调度运行计划PMO、水文风险系数GSF以及偏差结算电价PLD。

本文主要研究巴西电力市场中主要应用的优化模型的基本原理、相关作用、特点及区别等，可以看到巴西采用全国统一调度模式，利用不同时间维度的优化模型实现电能的生产和销售，解决了中长期规划激励性不足和指导性差的问题，对于我国(特别是水电富集区域)的电力市场建设有较强的借鉴意义，提出建设统一有序的电力市场、统筹考虑各类型能源各时空的协调优化、加强信息公开等改进中国电力市场运营的建议。

1 巴西电力系统构成

巴西电力系统以水力发电为主、且水力发电能力丰枯年和丰枯季节差异较大，而且流域梯级电站中上下游电站的水力和发电能力关联密切，为了充分利用水力资源，同时以经济的方式满足电力需求，电力系统运行计划的基本目标是以最大程度降低运行成本的前提下，获得系统中每个电站(包括水电站和火电站)的发电运行计划，以满足负荷需求。该运行成本包括当前运行成本和未来成本，以达到整体运营成本最小化和水资源价值最大化目标[3-4]。

1.1 火电系统

每个电厂的成本基本上取决于燃料成本，因此，系统运行是在满足每个火力发电厂的发电限制的前提下，确定使满足需求所需的燃料(煤炭，石油，核能等)总成本最小化的电厂组合。简单的来说，通过将电厂按发电增量成本的升序排列，并根据负荷变化调整运行计划，最后分配的发电机组称为边际发电机组。所有成本低于边际成本的发电机组都将调用，而运营成本高于边际成本的发电机组将无法启动。但实际运行时，还需考虑输电损耗、功率限制、机组启动成本、机组爬坡率等因素，运行将更为复杂。

从火电系统运行决策中可以看出，一是时间离散的，即上一阶段的运行决策不会影响下一阶段的运行成本决策；二是发电机组或企业经营成本独立，即本企业或发电机组的经营成本不取决于其他企业或发电机组的发电水平，同时，本企业或发电机组的运行不会影响其他企业或发电机组的发电能力或可用性。三是系统供电的可靠性仅取决于总的可用发电量或发电能力，而不取决于系统各机组的组合。火电系统的优化相对简单，发电机组和企业相互基本独立，采用优化模型时不需要考虑其他外部因素相互影响。

1.2 水电与火电共存系统

水电与火电共存系统与纯火电系统不同，具有大量水电机组的电力系统可以利用水库蓄水调节能力来满足电力需求，从而替代了较高成本的火电机组。但是，由于水库蓄能基本上取决于未来降雨情况及水库调节能力限制，因此水库总可用发电能力不能确定。因此，在中长期运行决策时，当前运行策略与未来运行策略存在相互制约的关系，若当前过多使用水电，在未来发生干旱时，则将导致未来成本较高，并可能造成电力供应不足问题；若当前选择火力发电，则可能导致水库蓄水位较高，在未来来水较丰沛时，则将造成弃水、系统能源资源浪费，也间接地增加了系统运营成本。

水电与火电共存系统一是时间相互耦合，即必须评估当前决策对未来决策的影响，根据火电的预期燃料成本来衡量当前水价值和未来水价值之间的相互平衡是最优的方案；二是水文中长期预报是世界性难题，水文预报流量不确定，同时加上未来负荷需求不确定，使得水热交互系统运营决策本质上是随机动态决策；三是空间上也相互耦合，水电站上下游存在水力联系，上游电站运行将影响下游电站，电站运行相互依赖；四是水资源价值只能根据节省的火电燃料成本或减少的弃水价值来衡量，不能像纯火电系统那样简单地按机组运行状态衡量；五是系统运营经济性和电力供应可靠性相互制约，在运营决策时尽可能利用水电是最经济的选择，但水库蓄水位将降低，未来电力供应可靠性降低，未来成本也将增加，反之，若减少水电，提高水库蓄水位，未来电力供应可靠性增加，但必然需增加火电，当前运营成本增加。水电与火电共存系统对评估决策需要统筹考虑，才能达到系统效益或社会福利最大化，但对于各个外部系统间的优化还需要整体在更大范围考虑水火统筹优化问题。

1.3 互联系统

互联系统重要作用是与相邻系统通过能量交互，降低系统运营成本，同时通过合理分配水库蓄能，提供电力系统供应安全稳定。

在纯火电系统中，燃料成本高低决定了系统能量交互决策。若系统A边际成本为45 R$/kWh，系统B燃料边际成本为40 R$/kWh，则系统A成本最低的运行方式为由系统B向系统A供电，因此互联系统之间的能量交互过程使系统整体运行成本优化。对于纯火电的系统，根据子系统各机组边际成本进行交互与整个系统共同运行时相互交互的运行决策结果是一致的，但子系统之间的协调仅通过成本确定，无需共享信息。

同样的，对于水电与火电共存系统，则必须首先确定水资源价值，如前所述，水资源价值可以用当前成本和未来成本最优成本近似为火电发电边际成本。该价值的确定是运行决策的关键步骤，水电可以表示为“热能”，其“边际运行成本”是水的价值。但是，水资源价值并不像火电系统将可单独确定，若单独计算每个系统的最优水电与火电运行策略，即使是基于每个系统的水电和火电的即时成本和未来成本，也不会带来整个系统最小化成本运营的最优策略。简而言之，为了从互联的水热系统中获得最大的系统效益，系统必须要以集成的方式运行，即通过集中优化所有子系统的运行以使总运行成本最小化。互联系统优化问题，将水火共存系统统筹考虑，既考虑社会效益最大化问题，也需要考虑系统间安全约束等限制，从而使更大范围资源优化配置。巴西三种优化模型统筹考虑不同目标需求、不同时间维度，全国水电和火电等电源统筹优化，进而实现资源价值充分利用，实现全社会福利最大化。

2 三种优化模型主要功用与特点

2.1 优化模型运行的基本原理

NEWAVE、DECOMP、DESSEM模型旨在通过在时间和空间上合理运用水资源，统筹水电和火电的发电量，实现短期和长期内系统的安全、经济运营。模型的目标函数是系统运营总成本最小化，总成本包括当前成本和未来成本两部分，主要为当前或未来水电和火电运营成本、负荷削减经济成本。

ONS以在所有预期负荷需求下提供能源供应为目标，它控制着所有发电机组(包括火力发电厂)的能源分配，由于火力发电成本与其发电量基本呈正比关系，而其发电成本与燃料消耗直接相关。CT=CI+CF，其中，CT为总成本，模型的目标函数，CI为当前成本，CF为未来成本。由于巴西电力系统中水力发电的优势，随着时间的流逝相互依赖，因此未来成本CF受当前运营决策的影响。因此，当前运营决策的总成本CT为当前成本和未来成本之和，将两个曲线相加，可以得到总成本曲线，如图1，有一个最佳总成本最小的操作点。

图1 模型原理示意图

考虑到未来成本与未来的来水情况具有密切的联系，而未来来水情况的预测十分困难，因此未来成本的确定较为复杂。如图2，模型根据1931年以来的历史来水数据，考虑来水的周期性特征，采用自回归模型随机生成未来的来水序列。针对不同的蓄水率控制值，在未来不同的来水情况、不同的系统调度运行方式下，未来成本的计算结果不同，采用随机双动态规划方法，优化计算得出未来成本的最小值。

图2 未来成本计算图

2.2 优化模型主要作用

1)NEWAVE主要作用。NEWAVE调度模型主要围绕电网分区、按月测算调度序列，ONS每月末公布新一轮的NEWAVE运行结果，主要对电力系统下个月的运行调度提供原则性参考。NEWAVE可计算输出未来5年的系统调度信息，但随着模型每月滚动更新，每月调度仅以更新后的下个月信息为准，后续月份仅做参考。NEWAVE在满足电力供给需求的前提下，优化当前成本与未来成本(5年跨度)之和，寻求最优水电及火电供应分配。

2)DECOMP主要作用。DECOMP调度模型主要围绕各电站机组、按周测算调度序列，ONS在当月NEWAVE数据的基础上，每周运行DECOMP模型并公布最新运行结果，对下一周的水电和火电调度进行细化。DECOMP计算未来成本的时间跨度为2个月，但随着模型每周滚动更新，每周调度仅以更新后的下周信息为准。

3)DESSEM主要作用。DESSEM调度模型主要围绕各电站机组、按日测算调度序列，ONS在NEWAVE、DECOMP数据的基础上，对未来几天的水电或火电调度进行细化。DESSEM计划未来成本的时间跨度约1周，按30 min离散化确定，但仅近1～2 d运行为准，具体运行决策还需测试或模拟确定，2020年开始正式投入运行。

2.3 三种模型对比分析

三大模型采用的模型算法原理基本类似，均是采用当前成本和未来成本的总成本最小化的目标函数，但各模型控制目标值、分阶段目标类型、已知参数及水文条件等不同，其输出目标值不同，其预测的目标值精度也各有不同，每个模型对下个阶段或时期的预测有指导操作意义，对未来阶段或时期的预测均只作为参考，每个阶段滚动更新，从而达到水电、火电最优分配的目标。各模型之间的使用目的、部分原理、适用阶段、输入参数、时间颗粒度及优化确定性也略有不同，如表1。

表1 优化模型对比分析表

3 借鉴巴西电力市场优化模型改进中国电力市场运营的建议

1)建设统一有序的电力市场，实现更大范围资源优化配置。巴西虽然是联邦国家，但在电力市场设计之初，即从全国水力资源最优化利用出发，建设全国统一的电力市场，设计分阶段市场优化模型(NEWAVE、DECOMP、DESSEM)，电力运营机构统一应用相同优化模型，跨州跨区电站由国家电力系统运营商统一调度，交易机制相同，不存在州间和州内两级市场，极大地保障了巴西能源资源的优化配置。我国虽然不像巴西市场的全国统一调度，而是存在分级调度，但理顺省级和省内两级市场的关系，建立统一有序的市场对电改的整体推进和国家层面的资源优化配置意义重大。

2)对于水电富集区域统筹考虑各类型能源、各时空能源的协调优化。水电富集区域梯级水电站运行时空耦合紧密，需要中长期优化调度保障电力供应安全，火电机组作为备用容量保障枯水期电能供应。可借鉴巴西电力市场经验，建立集中调度和基于成本定价的市场机制。通过流域梯级集中调度，保障可靠供电，提高水电资源利用效率。由国家调度机构进行从长期(1～5年)、到中期(1～2个月)、再到短期(1周)和实时的经济调度计算，在中长期经济调度的基础上进行短期经济调度；同时，由于流域梯级电站中，上下游电站的水力和发电能力关联密切，不同区域间存在来水特性互补，应该考虑流域梯级水电站的统一优化调度。

3)加强信息公开，促进市场透明。巴西电力市场中，各个发电企业和政府均采取电力运营机构优化模型对现货市场结算价格和水文风险指数进行预测，但在预测过程中，设置的边界条件，输入的参数及限制不同(如水文预报数据、负荷预报数据等)，使得预测结果不同，有时会存在较大的差异。国内电力市场建设过程中应加强信息公开工作的深度，除了相关数据信息外，还应公开优化调度模型，成本、价格计算方法和模型等，进一步提升发电企业营销决策可靠性，促进市场运营稳定健康发展。

4 结 语

本文介绍了以水电为主的巴西电力市场优化模型原理及主要特点和区别，提出了对我国电力市场建设的相关思考和启示。巴西电力市场其能源结构、电网架构以及社会经济发展与我国有许多的不同，国内电力市场建设过程中，主要可借鉴以下几点，一是建设统一有序的电力市场，实现更大范围资源优化配置；二是对于水电富集区域统筹考虑各类型能源、各时空能源的协调优化；三是加强信息公开，进一步促进市场透明。下一步巴西电力市场将稳步推进短期市场小时结算价格机制和容量市场建设，后续作者将继续跟进相关情况，及时提出对我国电力市场建设可供借鉴的经验。