计及梯级水量匹配约束的中长期电量合约分解方法

邢玉辉，王帮灿，丁文娇，张茂林，龚思宇，张维静

（1. 昆明电力交易中心有限责任公司，昆明 650011；2. 北京清能互联科技有限公司，北京 100080）

0 前言

云南自2014年开展大用户直接交易以来，经过不断的实践与探索，交易品种日益丰富、市场电量规模不断扩大，形成了日前电量交易和各类中长期电量交易相互配合的交易品种体系[1-3]。但是云南现有中长期市场机制没有形成清晰的价格信号，导致资源优化配置能力有限，难以反映资源余缺及有效评估资产利用效率。为解决这一问题，现货市场建设成为云南电力市场下一步的发展方向。

目前国内外对现货市场的意义和模式等问题做了大量研究：文献[4]对国外成熟电力市场模式进行了对比分析，表明现货市场具有促进市场竞争、形成价格信号、降低交易风险和保障电网安全运行的作用；文献[5-8]阐述各国现货市场的建设情况，可见在交易体系、出清方式、价格机制的设计上各国现货市场都有显著的不同；文献[9]通过借鉴国外区域现货市场的建设经验，综合考虑国内经济格局、国家战略、省内电力市场建设特点，提出南方区域现货市场应该选择建设成为分区平衡的区域现货市场模式。

云南电力市场目前以中长期交易为主，拥有大量的电量合约。中长期合同电量在现货市场的交割是现货市场与中长期市场衔接的关键。在现货市场建设的初期，如何实现由电量向电力曲线的过渡，实现市场主体签订的电量合同的曲线分解与调度执行，是云南电力市场建设的关键问题之一。

国内外对中长期合约分解的相关研究较为匮乏。文献[10]设计了电力现货市场的“三阶段”建设路径，提出了一套中长期交易电量在现货市场上的执行、分解与结算方法；文献[11]提出了适应于国内中长期电量合约分解的调频市场解耦设计；文献[12]以澳大利亚推荐的合约电量分解算法为基础,提出适用于浙江电网的确定性合约电量分解算法。已有文献在中长期曲线分解方面，均未考虑水电特性及梯级水电水量匹配的约束条件，对云南中长期电量合约的分解缺乏有效指导意义。

本文在云南现有中长期交易机制的基础上，构建中长期与现货市场的衔接机制，考虑水电的运行特性，提出一种计及梯级水量匹配约束的中长期电量合约分解方法，用于指导包含水电电量合约在内的月度电量合约的分解工作，为云南电力现货市场的平稳开展打下理论基础。

1 云南中长期交易机制

云南中长期交易的交易品种设置已经十分完善。年度交易采用双边协商方式签订双边交易合同。月度交易包括省内优先购电量的挂牌交易、框架协议内西电东送电量的挂牌交易、省内市场电量的集中竞价交易和挂牌交易、框架协议外西电东送增送电量的挂牌交易、月度合约转让交易（分为事前合约转让交易和事后合约转让交易）、月度预招标、月度长期备用市场。即年度交易按照双边协商交易方式组织，月度交易采用双边协商、集中撮合、挂牌等方式进行。

2 中长期电量合约分解方法

2.1 中长期合约分解方法

对双边协商、挂牌方式两种交易方式而言，将中长期电量合约分为两类，一类为市场主体可自主分解电力曲线的电量合约（I类合约），即交易主体可以自行向交易机构提交中长期实物合同所约定的日发用电曲线；另一类为市场主体不进行自主分解电力曲线的电量合约（II类合约），即合约只约定了年度或者月度双方的交易电量，交易主体无法向交易机构提供分解到日的电力曲线。对集中撮合这种交易方式而言，集中撮合的结果为电量的交易结果，所签合约均属于II类合约。

表1 云南中长期交易合约分类

图1 中长期电量合约分解流程图

I类合约无需进行处理，II类合约需要进行中长期合同电量的统一分解。年度双边协商形成的II类合约需要进行年分月的步骤，其余电量合约直接进行月分日和日分时步骤。具体分解过程如下：

1）年分月：依据交易中心设定和公布月度电量比例分解到月；

2）月分日：利用中长期电量合约分解模型滚动计算，依据电网供需平衡、梯级水量匹配约束、检修计划、系统备用、启停次数等约束，以各电厂月度计划执行均衡为目标，将月度市场电量合约和计划电量合约一起分解到日；

3）日分时：依据“标准化金融交割曲线”机组的日电量合约进行分解，形成分时电力曲线[10]；

4）对日电量曲线的分解结果交由调度机构进行安全校核，若校核通过，则中长期合约分解完成，若校核不通过，由调度机构提出对分解结果的调整依据和调整方式。

中长期电量合约分解流程见图1。

2.2 中长期电量合约分解模型

2.2.1 目标函数

在考虑一定启动费用的前提下，同进度完成各电厂月度计划电量和月度市场电量。

其中：N表示机组的总台数；D表示所考虑的总天数，假设一月有30天，则D为30；Mi是机组i的电量进度偏差罚值，量纲为元/MW，默认所有机组Mi相等；Si,+、Si,－分别是机组i电量进度的正偏差和负偏差；Fi,d,U是机组i在第d天的启动费用，若第d天没有启停，则相应值为零。

2.2.2 约束条件

1）机组电量约束

机组电量约束可以描述为：

其中，T表示所考虑的时段总数，假设一月有30天，每天考虑24个时段，则T为720；T0为计划周期内一个时段的时间长度，若每天考虑24个时段，则每个时段为1个小时，即T0=1（小时）；Qi为机组i的计划电量与市场电量之和，Si,+和Si,－分别是机组i电量进度的正偏差和负偏差，通过在目标函数中最小化Si,+和Si,－，可使得各机组电量进度尽量均衡。

2）机组出力上下限约束

机组的出力应该处于其最大/最小技术出力范围之内，其约束条件可以描述为：

其中，Pi,t表示机组i在t时段的出力；αi,d为机组i在第d天的启停状态；Pimin、Pimax分别表示机组的最小与最大出力，若机组停机，αi,d=0，则通过该约束条件可以将机组出力限定为0；当机组开机时，αi,d=1，该约束条件为常规的出力上下限约束。

3）负荷平衡约束

对于每个时段t，负荷平衡约束可以描述为：

其中Dt为t时段的系统负荷，该负荷已扣减联络线送入功率以及新能源、地调电厂出力。

4）系统正备用容量约束

在确保系统功率平衡的前提下，为了防止系统负荷预测偏差以及各种实际运行事故带来的系统供需不平衡波动，一般整个系统需要留有一定的容量备用。

需要保证每天的总开机容量满足系统的最小备用容量。系统正备用容量约束可以描述为：

其中，αi,d表示机组i在第d天的启停状态；Pi,max为各机组的最大出力；max{Dt,t∈S(d)}表示第d天的最大负荷；Ri,U为根据电网实际运行情况所确定的正备用容量，每天可取值不同。

5）系统负备用容量约束

系统负备用容量约束可以描述为：

其中，αi,d表示机组i在第d天的启停状态；Pi,min为各机组的最小出力；min{Dt,t∈S(d)}表示第d天的最小负荷；Ri,D为根据电网实际运行情况所确定的负备用容量，每天可取值不同。

6）水电机组振动区约束

对水电机组来说，水电机组出力应避开机组振动区。Piw,t为水电机组iw在时段t的出力，Ziw为水电机组iw上报的机组振动区。

7）梯级水电水量匹配约束[12]

其中Piwu,t和Piwd,t分别为机组中有梯级关系的水电机组的上、下游电站出力；ku为分段区间编号；Qu,t为上游电站发电流量；为分段线性拟合参数，主要由时段t内前池水位、综合出力系数，以及尾水位、水头损失与下泄流量的关联系数共同决定，为固定参数系列；τu,d为上、下游电站之间的水流时滞；αt和βt为上、下游电站出力耦合系数，表达式如下：

8）机组最小连续开停时间约束

由于火电机组的物理属性及实际运行需要，要求火电机组满足最小连续开机/停机时间。最小连续开停时间约束可以描述为：

其中，αit为机组i在t时段的启停状态；TD、TU为机组的最小连续开机时间和最小连续停机时间；为机组i在t时段时已经连续开机的时间和连续停机的时间，可以用状态变量αi,t(i= 1 ～N,t= 1～T)来表示：

9）机组启动费用约束

定义ηi,d为机组i在d天的状态变化量，由于模型中考虑了机组的开机费用，因此ηi,d应当反映机组的开机过程，ηi,d应满足如下的约束条件：

机组的开机费用可表达为：

其中Ki为机组i的单次开机费用。

10）机组最大启停次数约束

首先定义启动与停机的切换变量，如上所述，ηi,d表示机组i在d天是否切换到启动状态；同样定义γi,d表示机组i在d天是否切换到停机状态，γi,d满足如下条件：

相应机组i的启停次数限制可表达如下：

其中，ηi,max、γi,max分别为机组i的最大启动和停机次数。

11）电厂最小运行方式约束

电厂最小运行方式约束可表达为：

其中，Φk是电厂k包含机组的下标集合，φk,min是电厂k的最小开机台数。

12）线路潮流约束

线路潮流约束可以描述为：

其中，为线路l的潮流传输极限；Gl-i为机组i所在节点对线路l的发电机输出功率转移分布因子；K为系统的节点数量；Gl-k为节点k对线路l的发电机输出功率转移分布因子；Dk,t为节点k在t时段的母线负荷值。

13）断面潮流约束

在模型中考虑关键断面的潮流约束，该约束可以描述为：

2.3 输出数据处理

对中长期合约分解模型输出的数据进行处理，将每台机组每天各时段的出力数据相加，得到每台机组每天的电量数据，即完成电量合同月分日的分解部分。

3 算例分析

利用IEEE118节点标准电网模型进行算例分析，电网拓扑图见图2。算例中包含54台机组，其中24台水电机组，22台燃煤机组，8台燃气机组。G87、G90、G100三台机组为梯级水电机组。

图2 118节点算例拓扑图

表2 各机组合约分解后的日电量结果

利用大规模混合整数规划对本文所提优化模型进行求解，完成月度电量合约的分解计算。合约分解部分结果如下，有II类合约的各机组某日月分日情况见表2。

根据合约分解结果，可以看出本文所提模型能将机组月度电量合约分解到日，形成分时电力曲线。梯级水量匹配约束条件的引入，充分考虑梯级水电特性，使得电量合约分解得到的分时电力曲线符合梯级水电出力特性，不论中长期合约在现货市场物理执行还是差价执行，均比不考虑水电运行特性的分解方法更有利于水电机组的发电计划安排。

4 结束语

云南电力市场2018年交易电量850.99亿千瓦时，同比增长21.03%，云南省电力市场建设已经取得显著成效。2019年云南电力市场全面放开一般工商业进入市场，电力现货市场建设成为下一步市场体系建设的重点。

现货市场的建设初期，实现市场主体签订的电量合同的曲线分解与调度执行，是亟待解决的关键问题之一。本文在云南现有中长期交易机制的基础上，构建中长期与现货市场的衔接机制，考虑水电运行特性，提出一种计及梯级水量匹配约束的中长期电量合约分解方法。算例分析表明，该合约分解方法考虑了梯级水电上下游水电站出力的耦合性，解决了含水电电量合约在内的中长期电量合约的分解问题，可为水电资源丰富的云南现货市场建设提供有效指导。