輸電阻塞管控方式研討論文
輸電阻塞管控方式研討論文
本文在節點邊際電價的背景下，分析阻塞盈餘作為電能傳輸“擁堵費”的內涵，結合阻塞線路影子價格和使用者需求價格彈性係數的特性，引入節點邊際價格-再排程費用影響因子，作為衡量節點價格變化對系統再排程成本影響的依據。在此基礎上，借鑑文獻[16]在銷售側發放獎勵券(coupon)的理念，基於日前與實時“兩級市場、兩步結算”的市場機制，提出了以阻塞盈餘為資金來源，基於獎勵券機制的輸電阻塞管理方法。
一、輸電阻塞相關概念分析
輸電網路發生阻塞的根本原因是輸電線路的熱穩定極限和電力系統的安全穩定執行需要，使得傳輸的電能必須限定在一定額度以內。作為本文研究的基礎，下面將分析相關概念的內涵。LMP機制是一種基於最優潮流的定價方法，表示在滿足當前輸電網路裝置約束條件和各類其它資源的工作特點的情況下，在電價節點增加單位負荷需求時的邊際成本[17]。由於考慮了阻塞費用，因此它既可以用於衡量電能價值，也可以用於阻塞管理。阻塞盈餘是在電力市場環境下由輸電阻塞所引起的交易盈餘。當採用LMP機制時，通常情況下，輸電阻塞將導致電能輸入區域的電價高於電能輸出區域，因此電能輸入區的電力使用者所支付的購電費用會多於輸出區的售電收入，這一差額就形成了阻塞盈餘。本質上，阻塞盈餘是電力使用者為輸電網路阻塞所支付的“擁堵費”，理應用於減輕網路阻塞。要達到這一目標，最有效的解決方式是新建線路，相應的，既可以將阻塞盈餘直接用於線路投資，也可以用於投資回報。但輸電線路的規劃、建設是一種相對長期的行為，如果能更為有效地透過阻塞盈餘激勵電力使用者及時響應，減輕實際執行中的網路阻塞，將有效推遲對新建線路的需求，提高現有線路的利用效率，使電網資源獲得更高效的使用。
線路出現阻塞時，通常透過再排程、交易削減或負荷控制實現阻塞管理。其中再排程是基於最優潮流模型，透過重新安排發電機組出力，將阻塞線路的潮流控制在安全限值以內。對比有約束與無約束的最優排程結果，系統執行成本的增加量就稱為再排程成本，它衡量了網路阻塞造成的經濟性影響。阻塞線路影子價格與系統再排程成本緊密相關。計算過程中，由於阻塞線路的容量約束為起作用約束，因此將形成相應的影子價格，該影子價格可透過對最優潮流模型構造Lagrange函式，並基於K-T條件求解得到。它有著嚴格的經濟含義：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上系統最小的再排程成本為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
在採用LMP的市場中，如果將阻塞盈餘用於激勵使用者響應以減少網路阻塞，面臨一個現實難題：當網路阻塞被消除時，阻塞盈餘也將不復存在，這時激勵使用者響應的資金無從而來。為此，本文借鑑PJM電力市場，將日前市場與實時市場相結合，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，輸電提供商以自願、競標和安全約束方式執行日前電能市場，使用節點電價為電能的供應方和需求方提供公平的標準。對發電方和用電方統一實行節點定價。對於每個節點將在每小時電能投標價格的基礎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，並以電網安全為約束條件。實時市場只有電量投標，每5min顯示1個清算價格。
2）執行日前與實時兩步結算。日前市場與實時市場分別獨立地進行會計結算，具體的結算機制如下：日前市場首次結算，形成阻塞盈餘。在日前市場中，根據發電商的賣標、電力使用者的買標(或負荷預測情況)以及其他合約交易計劃，計算次日每個小時的LMP。日前市場根據各個小時的計劃電量和相應的LMP結算。實時市場再次結算，處理不平衡量。在實時市場中，根據負荷的變動情況，再次計算市場清算價格。每個小時用於結算的LMP根據該小時內每5min的價格綜合計算得到。市場基於各個小時的實際電量與該小時的日前計劃電量之差，以相應時段和節點的LMP結算。上述機制可以使市場成員以日前價格鎖定日前計劃量，以價格的穩定性降低發電和用電雙方的市場風險，避免市場成員的投機行為，激勵使用者在日前主動申報自身真實的用電意願，也有利於促使發電機組服從排程安排。
三、基於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，預測了哪些線路會出現阻塞；實時市場形成的才是實際排程結果，決定了實際執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，透過激勵使用者響應，對日前計劃中的阻塞線路實施有效的阻塞管理，將帶來系統安全穩定和使用者福利擴大的雙重收益。本文基於日前阻塞盈餘，設計實時市場的獎勵券機制，激勵使用者在時段間轉移負荷，緩解甚至消除實時執行中的網路阻塞，並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、兩步結算”的市場機制下，對使用者而言，實時市場的主要作用是結算與日前市場交易計劃相比的不平衡量。能否激關鍵就在於對不平衡量如何結算。與日前相比，如果使用者在實時市場將部分用電量轉移到其它時段，其用電支付將發生一定的變化。
實施機制。1）設定獎勵券的時序安排。獎勵券的設定和相關資訊釋出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首次結算。在日前，首先按照日前市場形成的LMP與使用者結算。②設定獎勵券。結算完成後，開始設定次日實時市場的.獎勵券，並在設定完成後予以釋出，以激勵使用者在實時市場的響應。③二次結算.在次日的實時市場結束時，按照實時LMP和設定的獎勵券與使用者的偏差電量結算。
2）設定獎勵券的步驟。由日前交易計劃的計算結果，可根據式(7)計算得到每個時段每個節點的L-R因子。而後即可設定實時市場的獎勵券，主要過程如下：首先，對L-R因子為正的時段節點，按因子大小排序。因子越大，相應時段節點的排序越靠前。其次，逐個確定獎勵券的額度。按照優先順序順序，先選取L-R因子最大的時段節點，以迭代遞增的方式設定獎勵券，並在迭代過程中根據負荷彈性係數測算該時段線路潮流的變化。隨著獎勵券額度逐漸增大，該時段節點的負荷逐漸增加，如果獎勵券額度達到了預設的額度上限，或者預計該時段將出現阻塞，則本輪迭代停止，完成該時段節點的獎勵券額度設定。然後選取L-R因子次大的時段節點，以同樣的方式迭代設定相應的獎勵券額度。如此迴圈往復，直至所有L-R因子為正的時段節點均已設定了獎勵券，或所有獎勵券價值總和與日前阻塞盈餘相等，或日前線路阻塞預期全部得到消除為止。完成上述工作後，也就確定了所有發放獎勵券的時段、節點和相應的額度，以便在實時市場之前公佈，引導和激勵使用者響應。
3）實施流程。實施過程中還應考慮以下因素：首先，儘管阻塞時段個別節點負荷的增加也會有助於減輕線路阻塞、減少系統再排程成本，但從系統安全執行的角度出發，獎勵券的發放應優先面向非阻塞時段的節點，促使負荷的時空分佈更加均勻；其次，獎勵券的單位價值一般也不應超過該節點在日前市場阻塞時段的節點電價。文獻[8]的研究表明，可中斷負荷用於阻塞管理的最優排程原則是呼叫可中斷負荷直至補償價格與所在節點的LMP相等為止，從而為本文設定獎勵券額度上限提供重要參考。綜上，基於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、並根據各時段阻塞線路影子價格計算L-R因子的過程；虛線框②表示外層迴圈，根據L-R因子排序，在每一輪次迴圈中選定相應的時段t和節點n。該層迴圈的中止條件為所有L-R因子為正的時段節點均完成設定獎勵券；虛線框③表示內層迴圈，對選定的時段*t、節點*n，以為步長，迭代遞增設定相應獎勵券的額度**bt,n。當**bt,n增加到超過預設的獎勵券額度上限**bt,n或引起該時段出現阻塞時，即跳出內層迴圈，回到外層迴圈，尋找L-R因子次大的時段和節點，而後再次進入內層迴圈設定該時段節點的獎勵券。隨著內外層迴圈的交替進行，當日前阻塞盈餘用盡或日前阻塞完全得到消除時，停止迴圈，完成設定獎勵券。
這一獎勵券機制價值如下：
1）深度激勵使用者響應。日前交易計劃確定後，使用者支付已經鎖定，而實時市場價格風險又比較大，使用者響應的動力不足。而獎勵券的設定減小了使用者在日前市場後轉移時段負荷所面臨的價格風險，使他們有更大的動力以有利於系統執行的方式調整自身的用電行為。
2）減輕系統實時阻塞。在獎勵券的激勵下，使用者響應將改變系統中節點負荷的時段分佈。由L-R因子可知，與日前交易計劃相比，這一改變將有利於從整體上降低系統的再排程成本，減輕線路阻塞程度。
3）增進使用者福利。實時市場中，若指定節點的電力使用者從阻塞時段向獎勵券時段轉移用電，則可以獲得獎勵券。這是因為他們的用電行為有益於系統阻塞管理，理應獲得相應的獎勵。與此同時，其他電力使用者仍然按照實時LMP結算用電偏差量。因此，獎勵券機制將從整體上增進使用者福利。需要強調的是，與文獻[7]不同，上述機制並不是對節點邊際電價的簡單修正，也並非將阻塞盈餘簡單地返還給電力使用者。所有的電力使用者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濟訊號，只是在此基礎上，對在特定時間、特定節點改變用電的使用者提供了額外的經濟訊號。節點邊際價格機制的有效性並未受到影響。
四、算例分析
下文采用擴充套件的IEEE30節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節點標準算例資料擴充套件至4個時段，並修改個別線路的潮流限值，作為日前市場的基本資料。機組報價如表1所示。經Matpower最優潮流計算，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未出現線路阻塞；時段2僅有18號線路出現了阻塞；時段3則有18、29、35號3條線路均出現了阻塞，其中29、35號線路為反向潮流。由計算可知，日前阻塞盈餘為3076.47USD，系統再排程成本為164.77USD。
設各節點的價格需求彈性係數為已知。以節點1為例，其4個時段的價格需求彈性係數矩陣如表3所示。在該係數矩陣中，對角元素為每個時段的自彈性係數，非對角元素為兩個時段間的交叉彈性係數。由於只對由阻塞時段向非阻塞時段轉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的交叉彈性係數為零。此外，每一行的彈性係數之和為零，也即假設所有負荷在時段間是“無損”轉移。根據式(7)，由節點的價格需求彈性係數、各時段的節點負荷、節點對阻塞線路的轉移分佈因子和阻塞線路的影子價格，計算得到如圖4所示的各節點的L-R因子。其中非阻塞時段(時段1和時段4)共有21個時段節點的L-R因子大於零。由表4可知，時段4的21號節點L-R因子最大，應當優先發放獎勵券。其它節點的優先順序按L-R因子從大到小依次降低。
根據3.4節的實施流程，以1USD/MWh為步長，以各節點在相應時段日前LMP的60%為獎勵券發放的上限，求得系統在實時市場中實施獎勵券的情況如表5所示。結果表明，每個節點的獎勵券額度均達到限定的最大值。需要注意的是，獎勵券預設的上限、用於獎勵券的阻塞盈餘總額等約束都會對獎勵券的額度造成影響，需要結合使用者的價格需求彈性、線路阻塞程度等實際狀況綜合確定這些邊界條件。
根據價格需求彈性係數矩陣可以計算得到節點負荷的時段變化。在此基礎上的最優排程結果顯示，負荷響應後，時段2的阻塞消除，時段3也僅剩35號線路出現阻塞，系統阻塞狀況大為減輕。與此同時，用於發放獎勵券的資金總價值僅為579.64USD，不到日前阻塞盈餘總額的1/5。因此，透過選擇L-R因子較大的時段節點併發放相應的獎勵券，可以以相對少的資金更加有效地“撬動”使用者響應，達成更好的阻塞管理效果。剩餘的阻塞盈餘可以累積進入單獨的基金賬戶，作為今後獎勵券的資金來源，也為實時市場獎勵券的支付提供了更加充分的資金保障。與採用可中斷負荷的阻塞管理方法相比，上述基於獎勵券機制的方法降低了負荷響應的門檻，使更多的電力使用者能夠廣泛參與到系統的輸電阻塞管理過程中，從而提供了更為豐富的負荷響應資源和阻塞管理手段。與採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資訊，並實現了相對的“精確制導”，對系統阻塞管理貢獻越大的使用者，從獎勵券機制中獲得的收益越多。為更好地實施這一機制，需要更加充分地採集負荷相關資訊、建立更加精確的負荷模型，對各節點使用者在不同時段的價格需求彈性係數進行更深入的研究。
五、結論
1）本文提出了基於輸電阻塞盈餘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，以日前阻塞盈餘作為資金來源，透過對指定時段、指定節點發放增加用電的獎勵券，激勵使用者負荷的時段轉移，以減輕實時執行中的線路阻塞。該機制將深化電力使用者與系統的互動，激勵更多使用者參與到輸電阻塞管理。
2）引入了節點邊際價格再排程費用影響因子(L-R因子)，作為獎勵券機制中選擇時段和節點的依據。該因子可以衡量節點價格變化對系統再排程成本的影響，從經濟性的角度，使系統以較少的資金投入激勵使用者更加有效的負荷時段轉移，達成更好的阻塞管理效果。
3）透過擴充套件的IEEE30節點算例驗證了本文所提機制與方法的有效性。
4）儘管本文研究的是電力市場環境下的激勵機制，但對我國當前的智慧電網建設也具有現實意義。獎勵券機制落實和細化了發改委和財政部最新的需求側響應政策，詳細給出了在什麼時段和節點開展獎勵，以最有效的方式消除阻塞，激勵使用者以配合的方式用電，提升電力資產的利用率。，