輸電阻塞管控方式研討論文
本文在節(jié)點邊際電價的背景下，分析阻塞盈余作為電能傳輸“擁堵費”的內(nèi)涵，結(jié)合阻塞線路影子價格和用戶需求價格彈性系數(shù)的特性，引入節(jié)點邊際價格-再調(diào)度費用影響因子，作為衡量節(jié)點價格變化對系統(tǒng)再調(diào)度成本影響的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，借鑒文獻[16]在銷售側(cè)發(fā)放獎勵券(coupon)的理念，基于日前與實時“兩級市場、兩步結(jié)算”的市場機制，提出了以阻塞盈余為資金來源，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路的熱穩(wěn)定極限和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需要，使得傳輸?shù)碾娔鼙仨毾薅ㄔ谝欢~度以內(nèi)。作為本文研究的基礎(chǔ)，下面將分析相關(guān)概念的內(nèi)涵。LMP機制是一種基于最優(yōu)潮流的定價方法，表示在滿足當前輸電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備約束條件和各類其它資源的工作特點的情況下，在電價節(jié)點增加單位負荷需求時的邊際成本[17]。由于考慮了阻塞費用，因此它既可以用于衡量電能價值，也可以用于阻塞管理。阻塞盈余是在電力市場環(huán)境下由輸電阻塞所引起的交易盈余。當采用LMP機制時，通常情況下，輸電阻塞將導(dǎo)致電能輸入?yún)^(qū)域的電價高于電能輸出區(qū)域，因此電能輸入?yún)^(qū)的電力用戶所支付的購電費用會多于輸出區(qū)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為輸電網(wǎng)絡(luò)阻塞所支付的“擁堵費”，理應(yīng)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路，相應(yīng)的，既可以將阻塞盈余直接用于線路投資，也可以用于投資回報。但輸電線路的規(guī)劃、建設(shè)是一種相對長期的行為，如果能更為有效地通過阻塞盈余激勵電力用戶及時響應(yīng)，減輕實際運行中的網(wǎng)絡(luò)阻塞，將有效推遲對新建線路的需求，提高現(xiàn)有線路的利用效率，使電網(wǎng)資源獲得更高效的使用。
線路出現(xiàn)阻塞時，通常通過再調(diào)度、交易削減或負荷控制實現(xiàn)阻塞管理。其中再調(diào)度是基于最優(yōu)潮流模型，通過重新安排發(fā)電機組出力，將阻塞線路的潮流控制在安全限值以內(nèi)。對比有約束與無約束的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，系統(tǒng)運行成本的增加量就稱為再調(diào)度成本，它衡量了網(wǎng)絡(luò)阻塞造成的經(jīng)濟性影響。阻塞線路影子價格與系統(tǒng)再調(diào)度成本緊密相關(guān)。計算過程中，由于阻塞線路的容量約束為起作用約束，因此將形成相應(yīng)的影子價格，該影子價格可通過對最優(yōu)潮流模型構(gòu)造Lagrange函數(shù)，并基于K-T條件求解得到。它有著嚴格的經(jīng)濟含義：對阻塞線路l，如果為了緩解該線路p的有功阻塞，在滿足安全約束基礎(chǔ)上系統(tǒng)最小的再調(diào)度成本為rdlC，則rdlC與p的比值就是阻塞線路l的影子價格l[18]。文獻[19]提出了一種日前預(yù)測阻塞線路影子價格的方法，可以為阻塞管理提供參考。
二、市場機制
在采用LMP的市場中，如果將阻塞盈余用于激勵用戶響應(yīng)以減少網(wǎng)絡(luò)阻塞，面臨一個現(xiàn)實難題：當網(wǎng)絡(luò)阻塞被消除時，阻塞盈余也將不復(fù)存在，這時激勵用戶響應(yīng)的資金無從而來。為此，本文借鑒PJM電力市場，將日前市場與實時市場相結(jié)合，利用時序銜接解決上述問題。機制如下：
1）建立日前與實時兩級市場。在日前市場中，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，使用節(jié)點電價為電能的供應(yīng)方和需求方提供公平的標準。對發(fā)電方和用電方統(tǒng)一實行節(jié)點定價。對于每個節(jié)點將在每小時電能投標價格的基礎(chǔ)上計算出一個清算價格。實時電能市場與日前電能市場類似，它以競價為基礎(chǔ)，并以電網(wǎng)安全為約束條件。實時市場只有電量投標，每5min顯示1個清算價格。
2）執(zhí)行日前與實時兩步結(jié)算。日前市場與實時市場分別獨立地進行會計結(jié)算，具體的結(jié)算機制如下：日前市場首次結(jié)算，形成阻塞盈余。在日前市場中，根據(jù)發(fā)電商的賣標、電力用戶的買標(或負荷預(yù)測情況)以及其他合約交易計劃，計算次日每個小時的LMP。日前市場根據(jù)各個小時的計劃電量和相應(yīng)的LMP結(jié)算。實時市場再次結(jié)算，處理不平衡量。在實時市場中，根據(jù)負荷的變動情況，再次計算市場清算價格。每個小時用于結(jié)算的LMP根據(jù)該小時內(nèi)每5min的價格綜合計算得到。市場基于各個小時的實際電量與該小時的日前計劃電量之差，以相應(yīng)時段和節(jié)點的LMP結(jié)算。上述機制可以使市場成員以日前價格鎖定日前計劃量，以價格的穩(wěn)定性降低發(fā)電和用電雙方的市場風(fēng)險，避免市場成員的投機行為，激勵用戶在日前主動申報自身真實的用電意愿，也有利于促使發(fā)電機組服從調(diào)度安排。
三、基于實時市場獎勵券機制的阻塞管理方法
日前市場提供的只是交易計劃，預(yù)測了哪些線路會出現(xiàn)阻塞；實時市場形成的才是實際調(diào)度結(jié)果，決定了實際運行中線路的阻塞狀況。如果能夠充分利用從日前到實時的時序過渡，通過激勵用戶響應(yīng)，對日前計劃中的阻塞線路實施有效的阻塞管理，將帶來系統(tǒng)安全穩(wěn)定和用戶福利擴大的雙重收益。本文基于日前阻塞盈余，設(shè)計實時市場的獎勵券機制，激勵用戶在時段間轉(zhuǎn)移負荷，緩解甚至消除實時運行中的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并提供有效的輸電阻塞管理方法。在上述日前與實時“兩級市場、兩步結(jié)算”的市場機制下，對用戶而言，實時市場的主要作用是結(jié)算與日前市場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(jié)算。與日前相比，如果用戶在實時市場將部分用電量轉(zhuǎn)移到其它時段，其用電支付將發(fā)生一定的變化。
實施機制。1）設(shè)置獎勵券的時序安排。獎勵券的設(shè)置和相關(guān)信息發(fā)布安排在日前市場和實時市場之間，時序安排如圖1所示。圖1表示了以下3個階段：①首次結(jié)算。在日前，首先按照日前市場形成的LMP與用戶結(jié)算。②設(shè)置獎勵券。結(jié)算完成后，開始設(shè)置次日實時市場的.獎勵券，并在設(shè)置完成后予以發(fā)布，以激勵用戶在實時市場的響應(yīng)。③二次結(jié)算.在次日的實時市場結(jié)束時，按照實時LMP和設(shè)定的獎勵券與用戶的偏差電量結(jié)算。
2）設(shè)置獎勵券的步驟。由日前交易計劃的計算結(jié)果，可根據(jù)式(7)計算得到每個時段每個節(jié)點的L-R因子。而后即可設(shè)置實時市場的獎勵券，主要過程如下：首先，對L-R因子為正的時段節(jié)點，按因子大小排序。因子越大，相應(yīng)時段節(jié)點的排序越靠前。其次，逐個確定獎勵券的額度。按照優(yōu)先級順序，先選取L-R因子最大的時段節(jié)點，以迭代遞增的方式設(shè)置獎勵券，并在迭代過程中根據(jù)負荷彈性系數(shù)測算該時段線路潮流的變化。隨著獎勵券額度逐漸增大，該時段節(jié)點的負荷逐漸增加，如果獎勵券額度達到了預(yù)設(shè)的額度上限，或者預(yù)計該時段將出現(xiàn)阻塞，則本輪迭代停止，完成該時段節(jié)點的獎勵券額度設(shè)置。然后選取L-R因子次大的時段節(jié)點，以同樣的方式迭代設(shè)置相應(yīng)的獎勵券額度。如此循環(huán)往復(fù)，直至所有L-R因子為正的時段節(jié)點均已設(shè)置了獎勵券，或所有獎勵券價值總和與日前阻塞盈余相等，或日前線路阻塞預(yù)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)放獎勵券的時段、節(jié)點和相應(yīng)的額度，以便在實時市場之前公布，引導(dǎo)和激勵用戶響應(yīng)。
3）實施流程。實施過程中還應(yīng)考慮以下因素：首先，盡管阻塞時段個別節(jié)點負荷的增加也會有助于減輕線路阻塞、減少系統(tǒng)再調(diào)度成本，但從系統(tǒng)安全運行的角度出發(fā)，獎勵券的發(fā)放應(yīng)優(yōu)先面向非阻塞時段的節(jié)點，促使負荷的時空分布更加均勻；其次，獎勵券的單位價值一般也不應(yīng)超過該節(jié)點在日前市場阻塞時段的節(jié)點電價。文獻[8]的研究表明，可中斷負荷用于阻塞管理的最優(yōu)調(diào)度原則是調(diào)用可中斷負荷直至補償價格與所在節(jié)點的LMP相等為止，從而為本文設(shè)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：虛線框①表示形成日前交易計劃、并根據(jù)各時段阻塞線路影子價格計算L-R因子的過程；虛線框②表示外層循環(huán)，根據(jù)L-R因子排序，在每一輪次循環(huán)中選定相應(yīng)的時段t和節(jié)點n。該層循環(huán)的中止條件為所有L-R因子為正的時段節(jié)點均完成設(shè)置獎勵券；虛線框③表示內(nèi)層循環(huán)，對選定的時段*t、節(jié)點*n，以為步長，迭代遞增設(shè)置相應(yīng)獎勵券的額度**bt,n。當**bt,n增加到超過預(yù)設(shè)的獎勵券額度上限**bt,n或引起該時段出現(xiàn)阻塞時，即跳出內(nèi)層循環(huán)，回到外層循環(huán)，尋找L-R因子次大的時段和節(jié)點，而后再次進入內(nèi)層循環(huán)設(shè)置該時段節(jié)點的獎勵券。隨著內(nèi)外層循環(huán)的交替進行，當日前阻塞盈余用盡或日前阻塞完全得到消除時，停止循環(huán)，完成設(shè)置獎勵券。
這一獎勵券機制價值如下：
1）深度激勵用戶響應(yīng)。日前交易計劃確定后，用戶支付已經(jīng)鎖定，而實時市場價格風(fēng)險又比較大，用戶響應(yīng)的動力不足。而獎勵券的設(shè)置減小了用戶在日前市場后轉(zhuǎn)移時段負荷所面臨的價格風(fēng)險，使他們有更大的動力以有利于系統(tǒng)運行的方式調(diào)整自身的用電行為。
2）減輕系統(tǒng)實時阻塞。在獎勵券的激勵下，用戶響應(yīng)將改變系統(tǒng)中節(jié)點負荷的時段分布。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(tǒng)的再調(diào)度成本，減輕線路阻塞程度。
3）增進用戶福利。實時市場中，若指定節(jié)點的電力用戶從阻塞時段向獎勵券時段轉(zhuǎn)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(tǒng)阻塞管理，理應(yīng)獲得相應(yīng)的獎勵。與此同時，其他電力用戶仍然按照實時LMP結(jié)算用電偏差量。因此，獎勵券機制將從整體上增進用戶福利。需要強調(diào)的是，與文獻[7]不同，上述機制并不是對節(jié)點邊際電價的簡單修正，也并非將阻塞盈余簡單地返還給電力用戶。所有的電力用戶仍可從日前市場和實時市場的LMP中獲得用電邊際成本的經(jīng)濟信號，只是在此基礎(chǔ)上，對在特定時間、特定節(jié)點改變用電的用戶提供了額外的經(jīng)濟信號。節(jié)點邊際價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(jié)點算例驗證上述機制和方法的合理性、有效性。方便起見，將原IEEE30節(jié)點標準算例數(shù)據(jù)擴展至4個時段，并修改個別線路的潮流限值，作為日前市場的基本數(shù)據(jù)。機組報價如表1所示。經(jīng)Matpower最優(yōu)潮流計算，得到各時段的線路阻塞情況如表2所示。表中：時段1和時段4未出現(xiàn)線路阻塞；時段2僅有18號線路出現(xiàn)了阻塞；時段3則有18、29、35號3條線路均出現(xiàn)了阻塞，其中29、35號線路為反向潮流。由計算可知，日前阻塞盈余為3076.47USD，系統(tǒng)再調(diào)度成本為164.77USD。
設(shè)各節(jié)點的價格需求彈性系數(shù)為已知。以節(jié)點1為例，其4個時段的價格需求彈性系數(shù)矩陣如表3所示。在該系數(shù)矩陣中，對角元素為每個時段的自彈性系數(shù)，非對角元素為兩個時段間的交叉彈性系數(shù)。由于只對由阻塞時段向非阻塞時段轉(zhuǎn)移的負荷提供獎勵券，因此阻塞時段之間和非阻塞時段之間與獎勵券相關(guān)的交叉彈性系數(shù)為零。此外，每一行的彈性系數(shù)之和為零，也即假設(shè)所有負荷在時段間是“無損”轉(zhuǎn)移。根據(jù)式(7)，由節(jié)點的價格需求彈性系數(shù)、各時段的節(jié)點負荷、節(jié)點對阻塞線路的轉(zhuǎn)移分布因子和阻塞線路的影子價格，計算得到如圖4所示的各節(jié)點的L-R因子。其中非阻塞時段(時段1和時段4)共有21個時段節(jié)點的L-R因子大于零。由表4可知，時段4的21號節(jié)點L-R因子最大，應(yīng)當優(yōu)先發(fā)放獎勵券。其它節(jié)點的優(yōu)先級按L-R因子從大到小依次降低。
根據(jù)3.4節(jié)的實施流程，以1USD/MWh為步長，以各節(jié)點在相應(yīng)時段日前LMP的60%為獎勵券發(fā)放的上限，求得系統(tǒng)在實時市場中實施獎勵券的情況如表5所示。結(jié)果表明，每個節(jié)點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(yù)設(shè)的上限、用于獎勵券的阻塞盈余總額等約束都會對獎勵券的額度造成影響，需要結(jié)合用戶的價格需求彈性、線路阻塞程度等實際狀況綜合確定這些邊界條件。
根據(jù)價格需求彈性系數(shù)矩陣可以計算得到節(jié)點負荷的時段變化。在此基礎(chǔ)上的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果顯示，負荷響應(yīng)后，時段2的阻塞消除，時段3也僅剩35號線路出現(xiàn)阻塞，系統(tǒng)阻塞狀況大為減輕。與此同時，用于發(fā)放獎勵券的資金總價值僅為579.64USD，不到日前阻塞盈余總額的1/5。因此，通過選擇L-R因子較大的時段節(jié)點并發(fā)放相應(yīng)的獎勵券，可以以相對少的資金更加有效地“撬動”用戶響應(yīng)，達成更好的阻塞管理效果。剩余的阻塞盈余可以累積進入單獨的基金賬戶，作為今后獎勵券的資金來源，也為實時市場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(yīng)的門檻，使更多的電力用戶能夠廣泛參與到系統(tǒng)的輸電阻塞管理過程中，從而提供了更為豐富的負荷響應(yīng)資源和阻塞管理手段。與采用峰谷電價機制的方法相比，本文保留了LMP作為邊際價格所包含的豐富價格信息，并實現(xiàn)了相對的“精確制導(dǎo)”，對系統(tǒng)阻塞管理貢獻越大的用戶，從獎勵券機制中獲得的收益越多。為更好地實施這一機制，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(jié)點用戶在不同時段的價格需求彈性系數(shù)進行更深入的研究。
五、結(jié)論
1）本文提出了基于輸電阻塞盈余的實時市場獎勵券機制，充分利用日前市場與實時市場的時序銜接，以日前阻塞盈余作為資金來源，通過對指定時段、指定節(jié)點發(fā)放增加用電的獎勵券，激勵用戶負荷的時段轉(zhuǎn)移，以減輕實時運行中的線路阻塞。該機制將深化電力用戶與系統(tǒng)的互動，激勵更多用戶參與到輸電阻塞管理。
2）引入了節(jié)點邊際價格再調(diào)度費用影響因子(L-R因子)，作為獎勵券機制中選擇時段和節(jié)點的依據(jù)。該因子可以衡量節(jié)點價格變化對系統(tǒng)再調(diào)度成本的影響，從經(jīng)濟性的角度，使系統(tǒng)以較少的資金投入激勵用戶更加有效的負荷時段轉(zhuǎn)移，達成更好的阻塞管理效果。
3）通過擴展的IEEE30節(jié)點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環(huán)境下的激勵機制，但對我國當前的智能電網(wǎng)建設(shè)也具有現(xiàn)實意義。獎勵券機制落實和細化了發(fā)改委和財政部最新的需求側(cè)響應(yīng)政策，詳細給出了在什么時段和節(jié)點開展獎勵，以最有效的方式消除阻塞，激勵用戶以配合的方式用電，提升電力資產(chǎn)的利用率。，
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