[科普中国]-电力市场中的机组组合理论

背景

研究电力市场问题，必然与电力市场的结构、规则等密切相关。在电力市场环境下，机组组合的作用与电力市场的模式有密切的关系。当电能交易和系统运行调度由同一家机构负责时，这种市场交易模式与传统的运作方式相似，因此称为联营体(Pool模式。在此模式下，机组组合是市场运营机构的独立系统运行员(ISO)的重要工作之一，而在其它模式的市场中，发电商将自己进行机组组合。在Pool模式的电力市场中ISO采用机组组合作为电能交易算法是由电力商品的特殊性以及电力技术的状况决定的。

现代大规模电力系统中，发电资源由众多各类型的发电机组组成，不同类型的机组有不同的成本特性和运行、技术约束条件。随着人们生产、生活活动的规律性变化以及天气等因素的影响，电力负荷呈现出周期性起伏波动的特性。如果仅靠改变机组出力而不改变启停机组的数目，在已开机机组的容量范围内往往难以通过调节满足负荷的这种变化。1

电力市场环境下的机组组合在垄断式电力工业中，根据机组的运行成本进行机组组合是系统运行调度人员在运行日前一天的一项重要工作。市场化改革后，电力工业发、输、配一体的垄断格局被打破，虽然各国各地区的结构重组存在着多种形式，但基本的一点是发电侧首先引入了竞争，机组的发电计划不再是系统运行员调度命令的结果，而是以机组报价为基础竞争的结果。2

这种在市场参与者标价基础上以一定规则决定资源配置和资源价格的方式称为拍卖，又称为竞价。具有集中控制特征的机组组合在竞争的电力市场中的地位和作用如何?它如何适应电力市场的要求?这些问题正在引起关注。

首先我们必须看到，电力工业市场化改革是电力工业发展的必然趋势。长期以来，电力工业被认为是自然垄断的。实际上，电力工业的发展经历了自由竞争一一垄断一一放松管制的过程。起步阶段，电力工业是一个完全竞争的市场。比如在1887-1893年间，芝加哥有24家电站通过自己的网络向其周围的用户供电[3]。但充分的竞争并没有带来高效率，重复的电网建设使电价居高不下。随着工农业生产和城市人民生活的发展，电能的需求量迅速扩大:而能源和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，造成用电与供电地理位置的不一致性，这些进一步恶化了孤立电力系统的运行状况，同时也促进了电力技术的进一步发展。当规模经济效益出现时，发、输、配一体的垄断电力工业就形成了。发展到20世纪80年代，大规模电力系统垄断式经营的规模经济效益达到了极限。

电力市场环境下的机组组合应考虑网络安全约束已成为一种共识。电力的传输必须以电力网络为依托，且遵循特定的物理规律，即总是沿着阻抗最小的路径。这也就是说，在电力市场上，难以确定具体的消费者和具体的供给者之间的关系。发电商所售的电流向了哪些电力负荷，消费者消耗的电力来自哪家发电商都是难以明确的，并不以经济合同为依据。网络的影响还会造成不同方向的电能交易相互制约的问题。因此，机组组合只有计及电力网络的约束，才能在保证电网的安全可靠运行的同时实现最优的电能交易，考虑网络安全约束的机组组合己应用于一些实际的电力市场。1

目前存在的问题通过对机组组合研究的全面了解我们看到，目前电力市场环境下的机组组合研究还存在以下问题有待深入:3

1. UC随电力工业改革而变化，从一家垄断到市场竞争，评价UC的标准以及考虑的制约因素(数学表示上称为约束条件)都应跟着变化，如何建立适应这一变化的UC模型、概念等显得尤为重要和急切，这对问题本质的深刻理解，挖掘问题特征，提出更有针对性的求解方法是有益的。

2.把握电力技术与市场原则的融合，是市场环境下电力技术研究的关键。相似或相同机组引起机组组合在电力市场环境下出现不公平问题，是电力技术对电能交易制约的一种表现。如何解决这一问题，关系到电力工业是否能良性发展，目前研究尚未达成一致意见，应引起重视。

3.电力系统市场化运行驱使电网越来越运行于安全极限的边缘，因此，考虑网络安全约束的机组组合变得尤为重要。对网络安全约束机组组合(SCUC)的研究己有大量的成果，但网络约束对机组启停的制约机理仍有待揭示。特别是在市场环境下，网络制约在UC中的责任归属还没有得到明确，这成为以市场手段解决网络安全约束对UC制约的障碍。作为反映网络约束对电能交易制约的经济信号，节点电价与机组组合状态的确定有何关联还缺乏研究。

4.电力工业市场化改革给UC提出的另一个挑战是需求侧的影响。由于单边电力市场存在诸多的不足，用户参与市场交易正逐步推行。由于社会生产和人们生活对电力的高度依赖，用户根据电价变化改变用电行为的规律复杂变化。对用户参与日前市场电力竞争的研究，需借助于考虑需求响应的机组组合来开展，该问题的数学模型有待建立，求解方法有待开发。1

意义电能交易是电力市场的核心问题。但电又是一种特殊的商品，它要求供需瞬时平衡并对输电网有强烈的依赖，这使得电能交易难以通过耗时的买卖双方私下协商达成，有组织的日前电力市场和实时电力市场是必需的。选择适合电力技术特点的电能交易方式是电力市场的首要任务。电能交易的一个重要特点是，随着需求的周期性变化，承担发电任务的机组集合也在变化，并决定市场的电价。

因此，电能交易的中心任务是合理分配资源、平衡供需，并在此过程中发现商品价格，实现这种交易的最佳方式是拍卖。

拍卖是竞争定价，由竞买人通过激烈的竞争，最终由出价最高者获得拍卖商品并决定价格。如果将用户需求的电能作为拍卖商品，由发电商投标竞卖电能，这种拍卖过程恰好与机组组合问题具有相似的特征，因此机组组合算法成为电力市场中重要的一种交易算法。机组组合具有真实反映机组发电成本实际组成的特性，并有利于考虑电网及机组的各种约束，用其做电能交易算法可充分保证发电计划的可行性与经济性。但伴随电力工业垄断经营而出现的机组组合问题在竞争的电力市场中必将发生相应的变化。特别是把握电力技术与市场原则的融合，破解网络约束对电力交易的制约机理，以及引入需求侧响应以改进单边市场的不完善性等问题，都急待解决。

总之，研究电力市场中的机组组合，揭示它在电力市场中的作用，解决它所存在的问题，对于考察电力市场的电能交易具有十分重要的理论价值和实践指导意义。1

建议目前市场是电力市场框架中承上启下的环节，因此，市场环境下，机组组合如何在物理上保证电能长期合同和期货交易的实现，如何完成电能与备用的一体化交易还有待研究。

考虑网络安全约束的机组组合中机组启停状态的确定与节点电价存在着联系，下一步的工作，争取给出市场条件下考虑网络安全约束机组组合可行解存在的充分必要条件的理论证明。1