基于“虛擬水庫(kù)”的梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建方法

張宏圖 熊志杰 朱燕梅 黃煒斌 陳仕軍

基于“虛擬水庫(kù)”的梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建方法

張宏圖1熊志杰1朱燕梅2黃煒斌2陳仕軍2

（1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 成都 610046 2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)水電學(xué)院） 成都 610065）

梯級(jí)水電之間存在高度耦合的時(shí)空水力聯(lián)系，并且由于在流域中所處位置和調(diào)節(jié)能力多不同，各水電廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和報(bào)價(jià)靈活性出現(xiàn)較大差異，加大了現(xiàn)貨市場(chǎng)投標(biāo)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。報(bào)價(jià)單元的組建有利于抵抗風(fēng)險(xiǎn)，但合作對(duì)象的選取是關(guān)鍵。針對(duì)梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建問(wèn)題，該研究以徑流調(diào)蓄關(guān)系為依托，引入“虛擬水庫(kù)”一詞，構(gòu)建了基于“虛擬水庫(kù)”組建梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元的方法，并設(shè)計(jì)了完整的競(jìng)價(jià)流程。以24點(diǎn)市場(chǎng)為背景，基于購(gòu)電、售電雙方利益訴求建立了雙層模擬模型，最后以四川省某流域“一庫(kù)三級(jí)”梯級(jí)水電構(gòu)建報(bào)價(jià)單元進(jìn)行報(bào)價(jià)模擬，結(jié)果表明以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與市場(chǎng)可以提升各成員的市場(chǎng)份額，擴(kuò)大報(bào)價(jià)空間，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提升市場(chǎng)凈收益，同時(shí)降低用戶購(gòu)電成本。驗(yàn)證了基于“虛擬水庫(kù)”組建報(bào)價(jià)單元的科學(xué)性和正確性。

梯級(jí)水電 現(xiàn)貨市場(chǎng) 報(bào)價(jià)單元 虛擬水庫(kù)

0 引言

由于梯級(jí)水電之間在時(shí)間維度和空間維度都存在復(fù)雜的水力電力聯(lián)系，各站之間電量成相互影響、彼此制約的關(guān)系，因此含梯級(jí)水電的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)更為復(fù)雜。目前有關(guān)學(xué)者針對(duì)含梯級(jí)水電的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了專門(mén)研究。例如路軼等[1]在分析高比例水電電網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上，以四川省為例設(shè)計(jì)了豐枯雙期的現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制。華北電力大學(xué)張粒子團(tuán)隊(duì)[2]針對(duì)資產(chǎn)隸屬關(guān)系不同的上下游電站之間中標(biāo)電量與實(shí)發(fā)電量匹配失衡的問(wèn)題，研究了下游電站作為價(jià)格接受者的日前市場(chǎng)出清模型，并探討了水流時(shí)滯對(duì)電站運(yùn)行的影響。莫東等[3]針對(duì)我國(guó)發(fā)電機(jī)組市場(chǎng)電量、基數(shù)電量將長(zhǎng)期并存的事實(shí)，提出了等比例和按發(fā)電能力將年度基數(shù)電量分解到現(xiàn)貨市場(chǎng)的方法。以上這些研究在含梯級(jí)水電電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)方案[4]、交易模式[5]、現(xiàn)貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]以及梯級(jí)水電競(jìng)價(jià)策略[7]、中長(zhǎng)期電量分解[8]等方面取得了重要成果，但缺乏對(duì)梯級(jí)水電現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)單元組建方法的研究。

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)單元的組建對(duì)水電發(fā)電商降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)和電網(wǎng)的出清調(diào)度都具有重要意義。一方面數(shù)量巨大的水電廠加大了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)調(diào)度和出清工作的難度；另一方面各個(gè)水電廠裝機(jī)、成本不一，在流域中所處位置和調(diào)節(jié)能力不同等原因?qū)е赂麟姀S市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和報(bào)價(jià)靈活性差異大，為了獲得期望收益，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，各電廠也有意愿組建報(bào)價(jià)單元，聯(lián)合參與市場(chǎng)。但隨著流域開(kāi)發(fā)格局的形成，流域具有投資主體多元化、電力分區(qū)交疊、水庫(kù)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)絡(luò)化等復(fù)雜特性，各電站將面臨如何選擇合作對(duì)象，從而共同組建報(bào)價(jià)單元參與市場(chǎng)投標(biāo)的難題。

針對(duì)梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建問(wèn)題，本研究以徑流調(diào)蓄關(guān)系為依托，引入“虛擬水庫(kù)”一詞，構(gòu)建了基于“虛擬水庫(kù)”組建梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元的方法，并設(shè)計(jì)了完整的競(jìng)價(jià)流程。以24點(diǎn)市場(chǎng)為背景，基于購(gòu)電、售電雙方利益訴求建立了雙層模擬模型，最后以四川省某流域“一庫(kù)三級(jí)”梯級(jí)水電構(gòu)建報(bào)價(jià)單元，驗(yàn)證了“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)的效果。

1 “虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元

“虛擬”一詞是指不以傳統(tǒng)物質(zhì)形態(tài)而存在的新型的信息互動(dòng)方式。近年來(lái)，“虛擬電廠”[9-10]、“虛擬水網(wǎng)”[11]、“虛擬水交易”[12-13]等詞匯的出現(xiàn)，為解決水資源管理等問(wèn)題提出了新的思路。早在2018年，張慧等[14]將溪洛渡分為左右岸兩個(gè)“虛擬水庫(kù)”，解決了溪洛渡電站“一廠兩調(diào)”的難題；2019年，馬琴等[15]將小流域虛擬為一個(gè)水庫(kù)模型，提出了無(wú)資料地區(qū)的山洪預(yù)警方法。這些研究依據(jù)研究問(wèn)題的不同而賦予了“虛擬水庫(kù)”不同的涵義。本研究引入“虛擬水庫(kù)”一詞，將梯級(jí)水電站虛擬為一個(gè)水庫(kù)，用于解決梯級(jí)水電報(bào)價(jià)單元組建的問(wèn)題。

具備蓄水調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)電站（簡(jiǎn)稱水庫(kù)電站）控制著其下游電站的徑流，將水庫(kù)電站與其下游徑流式水電打捆成“虛擬水庫(kù)”參與電力市場(chǎng)，可以充分發(fā)揮水庫(kù)的庫(kù)容效益，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；“虛擬水庫(kù)”內(nèi)部制定相應(yīng)的管理機(jī)制，可以解決梯級(jí)水電上下游電站之間水力出力的高度耦合問(wèn)題，同時(shí)降低電網(wǎng)調(diào)度和出清工作難度。

“虛擬水庫(kù)”的建立有賴于梯級(jí)水電上下游之間的徑流調(diào)蓄關(guān)系。因此“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元是指將流域（分段）具有較強(qiáng)蓄水調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)電站及其下游弱調(diào)節(jié)電站整合成一個(gè)集合體，以一個(gè)報(bào)價(jià)單元的形式參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和電力調(diào)度，競(jìng)價(jià)過(guò)程中以報(bào)價(jià)單元申報(bào)出力和電價(jià)。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)一般分為日前市場(chǎng)、日內(nèi)市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)，日前市場(chǎng)是電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的重要組成部分，在很大程度上關(guān)系著報(bào)價(jià)單元的利益[16]。由于水電來(lái)水、電力負(fù)荷、市場(chǎng)出清價(jià)都具有不確定特征，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手信息往往具有隱蔽性，因此報(bào)價(jià)單元在日前市場(chǎng)上可能出現(xiàn)中標(biāo)量過(guò)少或者過(guò)大的情況。為了增大報(bào)價(jià)單元的靈活性，使其在日前市場(chǎng)出清后，可以靈活應(yīng)對(duì)中標(biāo)量過(guò)少或過(guò)大的情況，而不至于陷入棄水或無(wú)水可發(fā)的困境，報(bào)價(jià)單元中的水庫(kù)電站應(yīng)至少具備周及以上蓄水調(diào)節(jié)能力。因此為滿足現(xiàn)貨市場(chǎng)的調(diào)節(jié)需求，一條流域通?？梢灾芗耙陨险{(diào)節(jié)能力水庫(kù)電站為節(jié)點(diǎn)，將其下游（日調(diào)節(jié)或徑流式）電站一起整合成“虛擬水庫(kù)”，其組成如圖1所示。

2 “虛擬水庫(kù)”競(jìng)價(jià)的SWOT分析

電力不能大量存儲(chǔ)的特殊性使得電力商品需要供求實(shí)時(shí)平衡，增加了市場(chǎng)的不確定性和復(fù)雜度。作為現(xiàn)貨電力市場(chǎng)一種重要的市場(chǎng)主體，梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元需要充分認(rèn)識(shí)自己在市場(chǎng)中的地位，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能在市場(chǎng)中獲得期望收益。SWOT分析是一種典型的態(tài)勢(shì)分析方法，該方法能夠從內(nèi)部和外部全面分析研究對(duì)象所處的環(huán)境，其中內(nèi)部分析主要指SW分析，即內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)（strengths）、劣勢(shì)（weaknesses）分析；外部分析主要指OT分析，即外部環(huán)境帶來(lái)的機(jī)會(huì)（opportunities）和威脅（threats）。SWOT分析法可以輔助決策者找出利己及對(duì)自己不利的因素，使得決策者對(duì)研究對(duì)象所處的情景有全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地把握，從而決策未來(lái)的發(fā)展方向。本研究擬采用SWOT分析法對(duì)“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 “虛擬水庫(kù)”組成

圖2 “虛擬水庫(kù)”競(jìng)價(jià)的SWOT模型

SWOT分析的目的是在綜合分析企業(yè)內(nèi)外優(yōu)、劣勢(shì)的基礎(chǔ)上，將這些因素進(jìn)行兩兩匹配，從而做出一些決策，其基本思路是發(fā)揮優(yōu)勢(shì)因素，克服劣勢(shì)因素，利用機(jī)會(huì)因素，化解威脅因素。由圖2“虛擬水庫(kù)”競(jìng)價(jià)的SWOT模型可得出“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元的四大戰(zhàn)略如圖3所示。

綜上所述，按照徑流調(diào)節(jié)關(guān)系組建“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元后，相比單站獨(dú)立報(bào)價(jià)，報(bào)價(jià)單元在整體調(diào)節(jié)能力、市場(chǎng)力、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力等方面都更具有優(yōu)勢(shì)，并且能夠減輕電網(wǎng)的調(diào)度和出清工作。與此同時(shí)也面臨內(nèi)部管理問(wèn)題、成員背叛風(fēng)險(xiǎn)等，但可以通過(guò)管理機(jī)制設(shè)定及整體戰(zhàn)略安排進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。因此以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)具有科學(xué)性和優(yōu)越性。

圖3 “虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元的戰(zhàn)略分析

3 “虛擬水庫(kù)”競(jìng)價(jià)機(jī)制

從SWOT分析的結(jié)果得知，以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)具有較多的優(yōu)勢(shì)，但競(jìng)價(jià)效益的分配是報(bào)價(jià)單元得以建立及持續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種新的報(bào)價(jià)單元市場(chǎng)競(jìng)價(jià)機(jī)制，該機(jī)制可以避免效益分配中的各種爭(zhēng)端，從而提高報(bào)價(jià)單元的穩(wěn)定性。在該競(jìng)價(jià)機(jī)制中，報(bào)價(jià)單元的統(tǒng)一電力曲線由成員各站向報(bào)價(jià)單元提交的電力曲線疊加而成，市場(chǎng)出清后按照單元各時(shí)段中標(biāo)比例分配內(nèi)部中標(biāo)電量。

梯級(jí)水電通過(guò)組建報(bào)價(jià)單元參與現(xiàn)貨電力市場(chǎng)，是指一個(gè)單元作為一個(gè)市場(chǎng)主體與市場(chǎng)上其他售電方無(wú)差別化地參與市場(chǎng)投標(biāo)和調(diào)度運(yùn)行管理，電網(wǎng)實(shí)行對(duì)該單元的直接調(diào)度管理和電費(fèi)結(jié)算。報(bào)價(jià)單元內(nèi)部各成員之間的競(jìng)價(jià)方案、發(fā)電行為及效益結(jié)算等，需要由報(bào)價(jià)單元內(nèi)部自行處理，為了加強(qiáng)報(bào)價(jià)單元的管理，每個(gè)報(bào)價(jià)單元可增設(shè)專門(mén)的單元管理委員會(huì)，以統(tǒng)籌管理報(bào)價(jià)單元內(nèi)部各項(xiàng)事宜。因此“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的流程主要包含報(bào)價(jià)單元組建、競(jìng)價(jià)前準(zhǔn)備、各成員提交出力方案、單元制定統(tǒng)一電價(jià)方案、形成單元競(jìng)價(jià)曲線、電力市場(chǎng)交易及出清、單元內(nèi)部負(fù)荷分配和效益結(jié)算等，如圖4所示。

（1）競(jìng)價(jià)準(zhǔn)備

在“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元組建完成后，每次競(jìng)價(jià)之前，單元需要進(jìn)行信息準(zhǔn)備，包含內(nèi)部信息和外部信息?？紤]到在未來(lái)單元可能因各種原因瓦解，各成員重新回歸競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，并不是所有內(nèi)部信息都共享。單元可共享預(yù)測(cè)水情信息，包括水庫(kù)電站預(yù)測(cè)的入庫(kù)徑流、庫(kù)蓄電量及弱調(diào)節(jié)電站預(yù)測(cè)的區(qū)間入流等，成本信息為私有商業(yè)機(jī)密，各成員的風(fēng)險(xiǎn)偏好自主選擇。電力需求、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手以及歷史出清規(guī)律等外部信息由單元共同搜集并共享。

圖4 報(bào)價(jià)單元參與市場(chǎng)的流程

（2）單元競(jìng)價(jià)曲線生成

基于上述單元共同搜集和分享的內(nèi)外信息，結(jié)合自身成本分析及風(fēng)險(xiǎn)偏好，單元內(nèi)部各站自主制定日前申報(bào)出力曲線，并提交給單元，單元在內(nèi)部公示。由于處在下游的成員受上游成員的徑流影響，出力曲線提交時(shí)按照上下游位置關(guān)系順序提交，下游制定申報(bào)方案時(shí)可參考上游申報(bào)情況。各成員提交的出力曲線疊加構(gòu)成單元申報(bào)出力曲線。價(jià)格曲線由單元根據(jù)歷史出清規(guī)律及電力供需形勢(shì)等綜合確定。

（3）單元內(nèi)部負(fù)荷分配及結(jié)算

通過(guò)市場(chǎng)交易出清后得到單元中標(biāo)曲線及出清價(jià)曲線。競(jìng)價(jià)完成后，報(bào)價(jià)單元按照式（1）和式（2）分別進(jìn)行內(nèi)部成員的負(fù)荷分配及效益結(jié)算。

4 “虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)模擬研究

為了模擬“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元的報(bào)價(jià)效果，本研究基于售電、購(gòu)電雙方利益訴求，建立了電力現(xiàn)貨日前市場(chǎng)模擬競(jìng)價(jià)模型。該模型假定售電方報(bào)量報(bào)價(jià)，購(gòu)電方報(bào)量不報(bào)價(jià)，購(gòu)電方根據(jù)售電方申報(bào)情況結(jié)合負(fù)荷需求擇優(yōu)選擇購(gòu)電對(duì)象及購(gòu)電量，并按照售電方申報(bào)價(jià)格支付購(gòu)電費(fèi)用。每一個(gè)市場(chǎng)主體都是利己主義，因此每一個(gè)市場(chǎng)主體參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)都以自身效益最大化為目標(biāo)。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)市場(chǎng)上共有K個(gè)售電方，則其現(xiàn)貨競(jìng)價(jià)的目標(biāo)函數(shù)都是競(jìng)價(jià)收益最大化，表示為

購(gòu)電方則追求單個(gè)競(jìng)價(jià)周期內(nèi)的總購(gòu)電費(fèi)用最小化，目標(biāo)函數(shù)為

4.2 約束條件

1）申報(bào)電價(jià)約束

2）申報(bào)電力約束

3）報(bào)價(jià)單元內(nèi)部約束

售電方按照是否以報(bào)價(jià)單元進(jìn)行申報(bào)分為兩類。本研究假定只有水電類售電方才會(huì)以報(bào)價(jià)單元的形式參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，其余類型的售電方均采用獨(dú)立競(jìng)價(jià)方式。假設(shè)個(gè)售電主體中有個(gè)報(bào)價(jià)單元，則以單元進(jìn)行申報(bào)的，需要考慮單元申報(bào)出力平衡約束及內(nèi)部水力約束。

（1）單元申報(bào)出力平衡約束：?jiǎn)卧陥?bào)出力為內(nèi)部各成員申報(bào)出力總和。

（2）水力約束：主要包括水庫(kù)水位約束、下泄流量約束及時(shí)間維度和空間維度的水量平衡約束。

4）供需平衡約束

式中，()為第時(shí)段的電力需求。

5）變量非負(fù)約束

以上所有變量均為非負(fù)數(shù)。

4.3 模型求解

上述模型是一個(gè)多目標(biāo)的模擬模型，多目標(biāo)問(wèn)題的求解常常由于目標(biāo)之間的矛盾與聯(lián)系而變得復(fù)雜。分層嵌套優(yōu)化法巧妙地利用層間邊界進(jìn)行信息交換和反饋，不斷協(xié)調(diào)多目標(biāo)之間的關(guān)系，從而達(dá)到求解的目的，因此在多目標(biāo)求解領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[17-18]。本研究建立的日前市場(chǎng)模擬競(jìng)價(jià)模型具有典型的層次關(guān)系。首先可按照售電、購(gòu)電兩大陣營(yíng)將模型分為上、下兩層，上層求解售電方最優(yōu)競(jìng)價(jià)策略，下層求解最優(yōu)購(gòu)電方案。上層各方的收益不僅取決于上層模型的報(bào)價(jià)，還依賴于下層問(wèn)題對(duì)于電量分配的最優(yōu)決策，而在下層模型用戶求最優(yōu)電量分配的過(guò)程中又受到上層報(bào)價(jià)的影響。上、下兩層目標(biāo)之間是典型的相互影響和制約的關(guān)系，因此可采用分層嵌套優(yōu)化法來(lái)求解該模型。

則售電方模型求解的目標(biāo)函數(shù)為

遺傳算法作為一種快捷、簡(jiǎn)便、容錯(cuò)性強(qiáng)的算法，與傳統(tǒng)的搜索方法相比，具有廣泛的適應(yīng)性、并行性、魯棒性和全局優(yōu)化性等優(yōu)點(diǎn)[23-24]，對(duì)求解問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)無(wú)連續(xù)、可微等要求，特別適合于求解含有多參數(shù)多變量的優(yōu)化問(wèn)題。因此本文采用遺傳算法對(duì)售電方模型進(jìn)行模擬仿真，找出各方博弈的均衡解，算法的染色體即為整個(gè)售電方市場(chǎng)博弈主體的申報(bào)策略集合，適應(yīng)度函數(shù)為

模擬競(jìng)價(jià)模型的求解流程如圖5所示。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 基本概況

5.1.1 市場(chǎng)背景及負(fù)荷信息

為了模擬報(bào)價(jià)單元的市場(chǎng)報(bào)價(jià)，本研究以某日前24點(diǎn)電力市場(chǎng)為背景。并且假定市場(chǎng)中只包含兩大售電主體，分別為“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元及與報(bào)價(jià)單元同臺(tái)競(jìng)價(jià)的其余電站組成的“虛擬對(duì)手”。各售電主體只申報(bào)一條電力曲線和一條價(jià)格曲線。為了簡(jiǎn)化模型，“虛擬對(duì)手”以最大發(fā)電能力680萬(wàn)kW進(jìn)行電量申報(bào)，暫不考慮其他發(fā)電約束條件。整個(gè)市場(chǎng)電力供應(yīng)方總裝機(jī)容量為1 178萬(wàn)kW。

圖5 雙層模型求解流程

競(jìng)價(jià)開(kāi)始前，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)披露，購(gòu)電方該競(jìng)價(jià)周期總需求電量為15 951.78萬(wàn)kW·h，時(shí)段平均負(fù)荷為664.66萬(wàn)kW，24點(diǎn)需求曲線如圖6所示。以平均負(fù)荷為界，該日內(nèi)負(fù)荷曲線存在兩個(gè)高峰，一是第7～10時(shí)段的早高峰，二是第14～21時(shí)段的高峰。

圖6 購(gòu)電方該日24點(diǎn)負(fù)荷需求曲線

5.1.2 “虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元基本信息

“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元由某流域相鄰的三個(gè)梯級(jí)電站A、B、C組成，其中A站具有季調(diào)節(jié)水庫(kù)，其余兩站具有日調(diào)節(jié)水庫(kù)。“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元內(nèi)部成員基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 報(bào)價(jià)單元內(nèi)部成員基本參數(shù)

Tab.1 Basic parameters of members of unit a

報(bào)價(jià)單元中電站A是該單元主要的徑流調(diào)蓄電站，該站在該競(jìng)價(jià)日的來(lái)水過(guò)程如圖7所示，總體而言，該日來(lái)水波動(dòng)較大，尤其是在1～10時(shí)段。該日時(shí)段平均來(lái)水流量為689.16m3/s，最大流量為887.33m3/s，出現(xiàn)在第1個(gè)時(shí)段，最小流量出現(xiàn)在第7個(gè)時(shí)段為408.29m3/s，僅占最大流量的0.46，占平均流量的0.59。

圖7 電站A來(lái)水曲線

5.2 最優(yōu)申報(bào)策略

A、B、C三個(gè)電站組建成“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元進(jìn)行電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)時(shí)，整個(gè)報(bào)價(jià)單元申報(bào)統(tǒng)一的出力曲線和價(jià)格曲線。采用納什均衡求解的思路通過(guò)遺傳算法多次迭代，得到“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元競(jìng)價(jià)的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略，如圖8所示。該日?qǐng)?bào)價(jià)單元申報(bào)總電量合計(jì)為5 957.81萬(wàn)kW·h，以第13個(gè)時(shí)段為界，1～13時(shí)段電量較為規(guī)律，按照1時(shí)段、2～5時(shí)段、6～13時(shí)段出現(xiàn)臺(tái)階式增長(zhǎng)；14～24時(shí)段申報(bào)電量波動(dòng)較大，最大值出現(xiàn)在21時(shí)段。報(bào)價(jià)單元申報(bào)電價(jià)波動(dòng)較大，在時(shí)段平均申報(bào)電價(jià)2 935.79元/(萬(wàn)kW·h)附近波動(dòng)。

表2統(tǒng)計(jì)了“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元各成員向單元提交電量的特征參數(shù)，包括日總電量、日平均出力、日最大及最小出力。該日?qǐng)?bào)價(jià)單元申報(bào)總電量合計(jì)為5 957.81萬(wàn)kW·h，其中A站、B站、C站申報(bào)日總電量分別占報(bào)價(jià)單元申報(bào)量的67.99%、18.85%和13.15%。A站、B站、C站申報(bào)平均電力分別為168.79萬(wàn)kW、46.80萬(wàn)kW、32.65萬(wàn)kW，分別占裝機(jī)容量的46.89%、70.92%和45.35%。

圖8 “虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元a量?jī)r(jià)申報(bào)情況

表2 報(bào)價(jià)單元各成員提交電量特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

Tab.2 Characteristic parameters of unit a

5.3 報(bào)價(jià)效果

為了充分探討“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元的報(bào)價(jià)效果，本研究將A、B、C各站分別作為獨(dú)立主體參與電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的結(jié)果作為參照，此時(shí)市場(chǎng)上售電方包含A、B、C三站和虛擬對(duì)手四方。采用相同的模型及求解方法，得出各站優(yōu)化的量?jī)r(jià)申報(bào)策略及最后中標(biāo)結(jié)果。下面從中標(biāo)市場(chǎng)份額、中標(biāo)電價(jià)、中標(biāo)收益及購(gòu)電成本四個(gè)方面來(lái)探討報(bào)價(jià)單元的報(bào)價(jià)效果。以下分析中將“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元報(bào)價(jià)簡(jiǎn)稱為單元競(jìng)價(jià)，將各站分別作為獨(dú)立主體參與電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)簡(jiǎn)稱為獨(dú)立競(jìng)價(jià)。

5.3.1 市場(chǎng)份額

用戶的購(gòu)電需求是有限的，且在當(dāng)前電力供大于求的形勢(shì)下，各發(fā)電主體需要通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲得發(fā)電資格。因此市場(chǎng)份額是影響發(fā)電商收益的一大重要因素。表3統(tǒng)計(jì)了A、B、C電站以單元競(jìng)價(jià)和獨(dú)立競(jìng)價(jià)參與市場(chǎng)時(shí)的市場(chǎng)份額占比情況。從最后中標(biāo)的結(jié)果來(lái)看，單元競(jìng)價(jià)方式下，各站的市場(chǎng)份額都有所提升，其中A站通過(guò)單元競(jìng)價(jià)方式獲得的市場(chǎng)份額提升量為957.87萬(wàn)kW·h，相比獨(dú)立競(jìng)價(jià)提升了55.28%，市場(chǎng)份額提升最為顯著。A、B、C三站通過(guò)單元競(jìng)價(jià)方式獲得的額外市場(chǎng)份額總計(jì)為1 009.66萬(wàn)kW·h，相比獨(dú)立競(jìng)價(jià)市場(chǎng)份額提升可33.85%；表明以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元來(lái)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，能夠獲得更高的市場(chǎng)份額，從而獲得更好的效益。

表3 兩種競(jìng)價(jià)方式的市場(chǎng)各電站份額及占比情況

Tab.3 Market shares of the two bidding methods

5.3.2 電價(jià)

在本研究的雙層模型中，購(gòu)電方按照負(fù)荷需求，結(jié)合售電方的量?jī)r(jià)申報(bào)方案以購(gòu)電費(fèi)用最小化為目標(biāo)，最終決策出每一時(shí)段購(gòu)買(mǎi)某個(gè)售電方電量的總額。因此電價(jià)在很大程度上決定了售電方的收益。表4統(tǒng)計(jì)了報(bào)價(jià)單元和A、B、C三站獨(dú)立競(jìng)價(jià)時(shí)的電價(jià)參數(shù)，包括最高電價(jià)、最低電價(jià)、價(jià)格極差。單元競(jìng)價(jià)的價(jià)格極差大于三站獨(dú)立競(jìng)價(jià)時(shí)的價(jià)格極差，即A、B、C三站通過(guò)單元競(jìng)價(jià)中標(biāo)后的電價(jià)分布更廣，在一定程度上降低了市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，低價(jià)能保證中標(biāo)份額，高價(jià)能適當(dāng)提升收益。報(bào)價(jià)單元和A、B、C三站獨(dú)立競(jìng)價(jià)時(shí)的24點(diǎn)電價(jià)分布情況如圖9所示。

表4 兩種競(jìng)價(jià)方式的電價(jià)參數(shù)

Tab.4 Price parameters of the two bidding methods（單位：元/(萬(wàn)kW·h)）

圖9 兩種競(jìng)價(jià)方式的24點(diǎn)電價(jià)分布情況

5.3.3 收益

兩種競(jìng)價(jià)方式下各站的收益對(duì)比如圖10所示。從圖10中可知，以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)后，各電站的收益都有所提升，整個(gè)梯級(jí)單元報(bào)價(jià)獲得的額外收益額高達(dá)161.5萬(wàn)元。其中A站的效益提升最為顯著，相比獨(dú)立競(jìng)價(jià)，單元競(jìng)價(jià)給A站創(chuàng)立的凈收益高達(dá)143.79萬(wàn)元，其收益提升了54.15%；B站、C站的收益分別提升了11.47萬(wàn)元和6.24萬(wàn)元。表明以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元來(lái)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，能夠使得各站都能創(chuàng)收。

圖10 兩種競(jìng)價(jià)方式下各電站競(jìng)價(jià)收益

5.3.4 購(gòu)電成本

梯級(jí)電站以單元競(jìng)價(jià)時(shí)，用戶的平均購(gòu)電價(jià)格為2 831.1元/(萬(wàn)kW·h)，相比獨(dú)立競(jìng)價(jià)時(shí)的平均購(gòu)電價(jià)2 847元/(萬(wàn)kW·h)，降低了15.9元/(萬(wàn)kW·h)。因此，對(duì)于購(gòu)電方而言，通過(guò)下層購(gòu)電費(fèi)用最小化目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，能夠抑制市場(chǎng)力較大的發(fā)電企業(yè)通過(guò)協(xié)同抬高報(bào)價(jià)，降低其對(duì)市場(chǎng)價(jià)格的控制力度，最終減少用戶的購(gòu)電費(fèi)用。

綜上所述，基于“虛擬水庫(kù)”組建報(bào)價(jià)單元參與市場(chǎng)投標(biāo)可以提升各成員的市場(chǎng)份額，擴(kuò)大報(bào)價(jià)空間，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提升市場(chǎng)凈收益，同時(shí)降低購(gòu)電方購(gòu)電費(fèi)用。

6 結(jié)論

針對(duì)梯級(jí)水電如何參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的問(wèn)題，以徑流調(diào)節(jié)關(guān)系為依托，提出了基于“虛擬水庫(kù)”的現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建方法，并以某流域三站梯級(jí)水電為例構(gòu)建“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元進(jìn)行市場(chǎng)模擬，探索了報(bào)價(jià)單元的報(bào)價(jià)效果，得出主要結(jié)論如下：

1）“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元在整體調(diào)節(jié)能力、市場(chǎng)力、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力等方面都具有優(yōu)勢(shì)，并且能夠減輕電網(wǎng)的調(diào)度和出清工作；同時(shí)通過(guò)整體戰(zhàn)略安排可規(guī)避內(nèi)部管理混亂和成員背叛風(fēng)險(xiǎn)。因此以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)具有科學(xué)性和優(yōu)越性。

2）為探索“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元的報(bào)價(jià)效果，構(gòu)建了以售電方收益最大化和購(gòu)電方購(gòu)電費(fèi)用最小化為目標(biāo)的雙層互饋模型，模型滿足購(gòu)售雙方的利益訴求，具有市場(chǎng)適應(yīng)性。

3）案例分析的結(jié)果顯示，相比獨(dú)立競(jìng)價(jià)，以“虛擬水庫(kù)”報(bào)價(jià)單元參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)可以提升各成員的市場(chǎng)份額，擴(kuò)大報(bào)價(jià)空間，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提升市場(chǎng)凈收益，同時(shí)降低購(gòu)電費(fèi)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于“虛擬水庫(kù)”的梯級(jí)水電現(xiàn)貨報(bào)價(jià)單元組建方法具有優(yōu)越性。

由于日前市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)博弈時(shí)間維度跨越較大、不同時(shí)段的狀態(tài)相互制約，模型求解過(guò)程復(fù)雜，本研究在報(bào)價(jià)模擬過(guò)程中進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化處理。例如以24點(diǎn)日前現(xiàn)貨市場(chǎng)為背景，這與實(shí)際的現(xiàn)貨96點(diǎn)日前市場(chǎng)不太相符；再如將售電方簡(jiǎn)化為報(bào)價(jià)單元及其虛擬對(duì)手兩方，針對(duì)虛擬對(duì)手中各實(shí)際售電方對(duì)報(bào)價(jià)單元的影響分析有所欠缺，因此未來(lái)研究將更注重電力現(xiàn)貨市場(chǎng)實(shí)際。

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Spot Quotation Unit Construction Method of Cascade Hydropower Based on “Virtual Reservoir”

Zhang Hongtu1Xiong Zhijie1Zhu Yanmei2Huang Weibin2Chen Shijun2

（1. State Grid Sichuan Electric Power Company Chengdu 610046 China 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering College of Water Resource and Hydropower Sichuan University Chengdu 610065 China）

There is a highly coupled space-time hydraulic connection between cascade hydropower plants, and due to the different locations in the basin and adjustment capabilities, the market competitiveness and quotation flexibility of various hydropower plants vary greatly, which increases the difficulty and risk of bidding in the spot market. Participating in the market with quotation units is beneficial to resist risks, but how to choose partners is very important. Based on runoff connections in the basin, this paper introduced the concept of "virtual reservoir" and put forward a new spot quotation unit construction method of cascade hydropower, then designed a complete bidding process in the spot market for the quotation unit. A two-layer simulation model was established based on the interests of both power purchase and sales. Finally, a case study was carried out with a cascade hydropower quotation unit in a river basin in Sichuan Province. The results show that participating in the market with a “virtual reservoir” quotation unit can increase the market share of each member, expand the quotation space, reduce market risks, increase net income, and at the same time reduce the purchase cost of electricity, which verifies the scientificity and correctness of the quotation unit based on the “virtual reservoir”.

Cascade hydropower, electricity spot market, quotation unit, virtual reservoir

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210079

TM612

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（含梯級(jí)水電電力現(xiàn)貨市場(chǎng)優(yōu)化出清關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用，DZ71-20-014）資助。

2021-01-16

2021-03-26

張宏圖 男，1973年生，碩士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化E-mail：16377333@qq.com

朱燕梅 女，1993年生，博士研究生，研究方向?yàn)樘菁?jí)水電運(yùn)行管理及電力市場(chǎng)。E-mail：507109510@qq.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）