陳 熠 王 晗 嚴(yán) 正 馮 凱 劉子杰

全國統(tǒng)一電力市場演進(jìn)過程下省間-省內(nèi)市場出清及定價(jià)模型

陳 熠1,2王 晗1,2嚴(yán) 正1,2馮 凱3劉子杰3

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海交通大學(xué) 上海 200240 2. 上海非碳基能源轉(zhuǎn)換與利用研究院 上海交通大學(xué) 上海 200240 3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司 南京 210037）

為了促進(jìn)電力資源在省間的余缺互濟(jì)和在全國范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，我國正有序推進(jìn)電力市場改革，逐步實(shí)現(xiàn)省間-省內(nèi)市場的耦合和全國統(tǒng)一市場的演進(jìn)。根據(jù)省間-省內(nèi)市場耦合程度的不同，該文將演進(jìn)過程劃分為三個(gè)階段：分層階段、松耦合階段和緊耦合階段。進(jìn)一步考慮跨區(qū)、跨省以及省內(nèi)輸電的輸電費(fèi)回收問題，跨區(qū)直流輸電線路與區(qū)域內(nèi)交流輸電線路按照傳輸電量收費(fèi)，省內(nèi)線路按照用戶負(fù)荷用電量收費(fèi)。構(gòu)建了面向不同輸電費(fèi)收取方式的出清模型與定價(jià)機(jī)制，分層階段采用順序出清，松耦合階段采用雙層迭代出清，緊耦合階段采用統(tǒng)一出清，定價(jià)機(jī)制均采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)機(jī)制。最后，利用IEEE 39節(jié)點(diǎn)和118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了出清模型和定價(jià)機(jī)制的有效性，并分析了輸電費(fèi)對出清和定價(jià)結(jié)果的影響。

省間-省內(nèi)電力市場 輸電費(fèi) 出清模型 定價(jià)模型 松耦合階段

0 引言

我國地域遼闊但能源分布差異明顯，能源供需呈現(xiàn)逆向分布特征[1]，因此需要開展跨省電力輸送與電力交易，以實(shí)現(xiàn)不同省市、地區(qū)之間電力資源的余缺互濟(jì)以及全國范圍內(nèi)資源的優(yōu)化配置[2]。在此背景下，我國不斷推進(jìn)電力體制改革[3-5]，打破省間壁壘，其中《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》（發(fā)改體改〔2022〕118號）[6]明確指出，要健全多層次統(tǒng)一電力市場體系，有序推進(jìn)跨省跨區(qū)市場間開放合作。

目前，我國跨省跨區(qū)電力市場體系尚處于起步階段，市場機(jī)制、運(yùn)營方式和出清模型等方面有待探索，部分學(xué)者對此展開了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[7]梳理了國外典型統(tǒng)一電力市場的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出了我國省間-省內(nèi)電力市場的演進(jìn)路徑，提供了省間-省內(nèi)市場有序銜接與協(xié)調(diào)的政策建議。文獻(xiàn)[8]提出了省間-省內(nèi)分階段出清路徑，包括分層出清、松耦合出清和緊耦合出清三個(gè)階段，分別對應(yīng)于市場初期、中期和成熟期。文獻(xiàn)[9]綜述了國內(nèi)外多區(qū)域電力市場的基本架構(gòu)、出清和定價(jià)機(jī)制，并總結(jié)了我國目前跨區(qū)跨省電力交易存在的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了跨區(qū)域省間富余可再生能源電力現(xiàn)貨交易的市場框架和交易機(jī)制，并建立了市場運(yùn)行綜合評估指標(biāo)。文獻(xiàn)[11]構(gòu)建了新能源外送的日前魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，提高了系統(tǒng)調(diào)峰性能，降低了系統(tǒng)棄電和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了送受端一體化日前調(diào)度計(jì)劃模型，并考慮了直流動態(tài)限額約束。上述文獻(xiàn)總結(jié)了適用于省間-省內(nèi)兩級市場的相關(guān)機(jī)制，并制定了符合我國“統(tǒng)一市場，兩級運(yùn)作”方針的全國統(tǒng)一電力市場演進(jìn)路徑，為后續(xù)市場的建設(shè)與發(fā)展提供了指導(dǎo)。

然而，針對不同的市場發(fā)展階段，需要制定相應(yīng)的市場出清模型與定價(jià)機(jī)制以評估市場運(yùn)行情況。目前，常用的建模方法包括基于路徑和基于靈敏度的優(yōu)化出清方法。對于基于路徑的方法，文獻(xiàn)[13-15]將買方報(bào)價(jià)按照交易路徑折算至賣方，并按照高低匹配原則出清，盡管考慮了跨區(qū)輸電費(fèi)，但折算過程使得決策變量維數(shù)提高，而且高低匹配出清會導(dǎo)致交易潮流與實(shí)際潮流不一致，影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[16]。對于基于靈敏度的方法，文獻(xiàn)[17-19]構(gòu)建了一體化市場出清模型，但并未考慮輸電費(fèi)不同的收取方式，模型完整性欠缺，并且尚未提供可適用的定價(jià)機(jī)制。此外，輸電費(fèi)的計(jì)算還需要考慮實(shí)際核算方式，其復(fù)雜性進(jìn)一步增加。

針對上述問題，本文構(gòu)建了基于靈敏度的省間電力市場出清模型，并考慮了輸電費(fèi)不同的收取方式，對引入輸電費(fèi)帶來的非線性進(jìn)行線性化處理，采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制解決了基于靈敏度出清模型定價(jià)不清晰的問題。具體而言，本文在文獻(xiàn)[8]的分階段電力市場耦合出清框架下進(jìn)一步細(xì)化出清模型，并考慮跨區(qū)域省間輸電費(fèi)、區(qū)域內(nèi)省間輸電費(fèi)以及省內(nèi)輸電費(fèi)，構(gòu)建了基于靈敏度的優(yōu)化出清模型，出清結(jié)束后采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)的方式進(jìn)行結(jié)算。首先，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來看待電力市場，分析了市場均衡及輸電費(fèi)對供需平衡的影響；其次，分別建立了分層、松耦合和緊耦合三個(gè)階段的出清和定價(jià)的數(shù)學(xué)模型，并闡述了節(jié)點(diǎn)電價(jià)結(jié)算的合理性；最后，通過IEEE算例仿真對比三個(gè)階段的出清與定價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證了緊耦合出清最能實(shí)現(xiàn)社會福利最大化，以及所提定價(jià)方式的有效性。本文所提的基于靈敏度的省間電力市場出清及定價(jià)方式為未來我國省間電力市場的建設(shè)提供了一定的參考價(jià)值。

1 輸電費(fèi)對電力市場的影響

為貫徹落實(shí)文件《關(guān)于推進(jìn)價(jià)格機(jī)制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕28號）[20]中輸配電價(jià)的改革原則，目前我國主要采用“準(zhǔn)許成本+合理收益”的方式對輸配電價(jià)進(jìn)行核定，以保證輸配電價(jià)定價(jià)的規(guī)范性、公平性和合理性。

1.1 我國輸配電價(jià)機(jī)制

我國輸電線路可分為三類，如圖1所示，包括跨區(qū)輸電線路、區(qū)域內(nèi)跨省輸電線路及省內(nèi)輸電線路。

（1）跨區(qū)輸電線路，如華北區(qū)域的山西省與華東區(qū)域的江蘇省之間的跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線?？鐓^(qū)輸電促進(jìn)全國范圍的資源優(yōu)化配置，服務(wù)于國家重大能源戰(zhàn)略，例如西電東送?？鐓^(qū)輸電線路通常為特高壓直流線路，定價(jià)方式采用單一電量電價(jià)制（一線一價(jià)制），即按每條輸電線路的輸電量單獨(dú)收取輸電費(fèi)[21]。

（2）區(qū)域內(nèi)跨省輸電線路，如華東區(qū)域內(nèi)的江蘇省與浙江省之間的跨省聯(lián)絡(luò)線。區(qū)域電網(wǎng)的功能是保障省級電網(wǎng)的安全運(yùn)行，并促進(jìn)區(qū)域內(nèi)省份間電力互濟(jì)。區(qū)域內(nèi)跨省輸電線路通常為特高壓交流線路，輸電費(fèi)用包括容量電費(fèi)和電量電費(fèi)[22]，其中容量電費(fèi)按照受益付費(fèi)原則向區(qū)域內(nèi)各省級電網(wǎng)公司收取，并納入省級電網(wǎng)的準(zhǔn)許收入。電量電費(fèi)按照區(qū)域電網(wǎng)傳輸電量乘以區(qū)域電網(wǎng)輸電價(jià)格計(jì)算。

圖1 輸電線路示意圖

（3）省內(nèi)輸電線路。省級電網(wǎng)為省內(nèi)用戶提供安全可靠的輸配電服務(wù)。省級電網(wǎng)的輸配電價(jià)隨電壓等級而有所不同，電壓等級越高，輸配電價(jià)越低。同時(shí)，不同類別用戶的輸配電價(jià)不同，通常大工業(yè)用電采用兩部制電價(jià)，一般工商業(yè)及其他用電采用單一制電價(jià)[23]，其中兩部制電價(jià)中包括與用戶最大需求量或變壓器最大容量相關(guān)的容量電價(jià)和與用戶實(shí)際用電量相關(guān)的電量電價(jià)。

1.2 輸電費(fèi)對供需平衡的影響機(jī)理

由上述三類輸配電價(jià)機(jī)制可知，輸電費(fèi)包括容量電費(fèi)和電量電費(fèi)，而容量電費(fèi)為固定值，不影響市場出清，因此本文在出清模型與定價(jià)模型的構(gòu)建中不考慮容量電費(fèi)。為敘述方便，后文中所述的輸電費(fèi)和輸電價(jià)格均指代電量電費(fèi)和電量電價(jià)。進(jìn)一步，根據(jù)輸電費(fèi)的計(jì)算方式不同，我國三類輸電線路的輸電費(fèi)可劃分為兩種：①基于負(fù)荷用電量收取，如省內(nèi)輸電費(fèi)用；②基于輸電線路實(shí)際潮流收取，如跨區(qū)輸電費(fèi)用、區(qū)域內(nèi)跨省輸電費(fèi)用。輸電費(fèi)的引入會影響市場供需平衡，下面分別分析上述兩種輸電費(fèi)收取方式的影響。為簡化分析，暫不考慮線路阻塞的影響。

1.2.1 基于負(fù)荷用電量收取

省內(nèi)輸電費(fèi)按負(fù)荷用電量收取，輸電費(fèi)對供需平衡的影響如圖2所示。由于我國的輸電費(fèi)向負(fù)荷側(cè)收取，在市場出清中等價(jià)于將負(fù)荷需求曲線向下平移，平移量為省內(nèi)輸電價(jià)格。平移后的負(fù)荷需求曲線與發(fā)電供給曲線的交點(diǎn)為市場均衡點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的電量為成交電量，對應(yīng)的價(jià)格為發(fā)電側(cè)價(jià)格，負(fù)荷側(cè)價(jià)格需要在發(fā)電側(cè)價(jià)格的基礎(chǔ)上疊加省內(nèi)輸電價(jià)格。

圖2 基于負(fù)荷用電量收取的輸電費(fèi)對供需平衡的影響

1.2.2 基于輸電線路實(shí)際潮流收取

對于跨區(qū)直流輸電線路而言，通常其潮流方向固定由送端流向受端，線路潮流等于損耗系數(shù)乘以送端送出電量（或受端負(fù)荷需求電量），因此跨區(qū)直流輸電線路的輸電費(fèi)按照基于輸電線路實(shí)際潮流收取的方式等價(jià)于基于負(fù)荷用電量收取的方式。略有不同的是，計(jì)及損耗系數(shù)時(shí)負(fù)荷需求曲線的平移量相對增加。

對于區(qū)域內(nèi)跨省交流輸電線路而言，由于交流線路潮流是由所有發(fā)電或用電主體共同決定的，在電力市場出清中，為便于計(jì)算，線路潮流通常采用直流潮流模型來表示，即

圖3 區(qū)域內(nèi)跨省交流線路輸電費(fèi)對供需平衡的影響

綜上所述，不同的輸電費(fèi)收取方式對市場均衡的影響機(jī)理不同，需要在實(shí)際市場出清過程中予以考慮。尤其在我國統(tǒng)一電力市場建設(shè)過程中，必然涉及跨區(qū)、跨省及省內(nèi)輸電，一方面需要考慮省間- 省內(nèi)市場的耦合關(guān)系，另一方面還需要構(gòu)建面向不同輸電費(fèi)收取方式的出清模型與定價(jià)機(jī)制。

2 統(tǒng)一電力市場演進(jìn)下出清與定價(jià)模型

我國電力資源在空間上分配不均，需要通過跨區(qū)跨省電力輸送來實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)資源的優(yōu)化配置，并在全國統(tǒng)一電力市場框架下，完善跨省電力市場交易體系[24]。其中，省間電力市場的定位是促進(jìn)電力資源合理分配和新能源的消納，省內(nèi)電力市場的定位是保障省內(nèi)供需平衡和電力的可靠供應(yīng)。省間市場與省內(nèi)市場的協(xié)調(diào)至關(guān)重要，需要在交易時(shí)序、安全校核等方面做好銜接，從而實(shí)現(xiàn)社會福利最大化的目標(biāo)。隨著全國統(tǒng)一電力市場演進(jìn)過程的不斷推進(jìn)，跨省電力市場將經(jīng)歷省間-省內(nèi)分層出清、松耦合出清和緊耦合出清三個(gè)階段[7]。

2.1 分層出清階段

我國電力市場目前尚處于初步建立的階段，市場發(fā)展尚未成熟，目前省間-省內(nèi)主要采用較為簡便的分層出清模式。圖4中展示了分層出清階段省間-省內(nèi)市場的出清與定價(jià)流程，在分層出清階段，省間和省內(nèi)市場的開展在時(shí)間上存在先后順序，省間電力市場優(yōu)先出清，并將出清結(jié)果作為省內(nèi)電力市場運(yùn)營的邊界條件，進(jìn)而開展省內(nèi)電力市場出清。

圖4 分層階段省間-省內(nèi)市場出清模型與定價(jià)模型

在市場初期，為減小出清計(jì)算負(fù)擔(dān)，只有部分市場主體可以參與省間市場[25]，省間市場分層階段的出清模型可參見文獻(xiàn)[8]。在省間市場出清結(jié)束后，未中標(biāo)或部分未中標(biāo)的市場主體可修改報(bào)價(jià)曲線再次參與到本省的省內(nèi)電力市場。在定價(jià)機(jī)制方面，為保障省間-省內(nèi)市場銜接的可靠性和公平性，省間-省內(nèi)市場的最終出清價(jià)格由省間出清電價(jià)與省內(nèi)出清電價(jià)“耦合加權(quán)”獲得[7]。上述省間-省內(nèi)市場分層出清雖然不能最大化利用全國范圍內(nèi)的電力資源，但其交易體系和出清方式易于實(shí)行，能夠滿足全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)初期時(shí)跨省電力交易需求。

2.2 松耦合出清階段

在市場中期階段，市場機(jī)制相對完善，優(yōu)化出清技術(shù)得到了一定的提高，可以支持較大規(guī)模及較為復(fù)雜的出清計(jì)算，此時(shí)省間-省內(nèi)電力市場可以逐步從分層出清階段轉(zhuǎn)向松耦合出清階段，省間市場與省內(nèi)市場逐步耦合，有效提高電力資源利用率。

在松耦合出清階段，省間-省內(nèi)市場出清模型是一個(gè)雙層優(yōu)化模型，省間市場與省內(nèi)市場的出清結(jié)果會相互影響。首先，省間市場在固定跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線購電功率的條件下進(jìn)行優(yōu)化出清，出清后得到各條跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線對應(yīng)的購電價(jià)格；然后，將跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線在受端的落點(diǎn)視為報(bào)價(jià)固定的虛擬發(fā)電機(jī)，進(jìn)行省內(nèi)市場出清，優(yōu)化求解出各條跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線對應(yīng)的購電功率；最后，購電功率的調(diào)整又反過來影響省間市場出清，從而形成省間-省內(nèi)的迭代優(yōu)化出清。在此過程中，各層優(yōu)化結(jié)果交互迭代，上層省間市場和下層省內(nèi)市場通過不斷傳遞跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線的購電價(jià)格和購電功率需求，從而實(shí)現(xiàn)迭代優(yōu)化求解。同時(shí)，輸電費(fèi)的收取方式包括：基于負(fù)荷用電量收取的省內(nèi)輸電費(fèi)、基于輸電線路實(shí)際潮流收取的跨區(qū)輸電費(fèi)與區(qū)域內(nèi)跨省輸電費(fèi)。值得說明的是，本文所構(gòu)建的上層省間市場模型和下層省內(nèi)市場模型中的跨區(qū)輸電線路指送-受端區(qū)域間的輸電線路，強(qiáng)調(diào)了送-受端跨區(qū)輸電在上、下層模型之間的耦合作用，暫未考慮多個(gè)送端區(qū)域間或多個(gè)受端區(qū)域間的跨區(qū)輸電線路。

2.2.1 省間-省內(nèi)市場松耦合出清模型

1）省間市場——上層模型

上層省間市場模型的目標(biāo)為固定跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率下最大化送端省份社會福利。

約束式（3）描述了送端市場主體本身的約束，包括機(jī)組與負(fù)荷中標(biāo)量上/下限約束、機(jī)組爬坡約束；約束式（4）描述了送端系統(tǒng)運(yùn)行約束，包括電力平衡約束、送端線路潮流約束。

2）省內(nèi)市場——下層模型

下層省內(nèi)市場的目標(biāo)為固定跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線在受端落點(diǎn)的購電價(jià)格下最大化受端省份社會福利。

約束式（7）描述了受端市場主體本身的約束，包括機(jī)組與負(fù)荷中標(biāo)量上/下限約束、機(jī)組爬坡約束；約束式（8）描述了受端系統(tǒng)運(yùn)行約束，包括電力平衡約束、受端線路潮流約束；約束式（9）描述了跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上/下限約束、傳輸功率爬坡約束。

為消除目標(biāo)函數(shù)式（2）、式（6）中絕對值項(xiàng)導(dǎo)致的非線性，引入輔助變量和約束將目標(biāo)函數(shù)線性化[26]。

輔助變量為

輔助約束為

上層省間市場模型可轉(zhuǎn)換為

下層省內(nèi)市場模型可轉(zhuǎn)換為

將松耦合出清模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件展開，可獲得具體的松耦合出清模型見附錄。

2.2.2 省間-省內(nèi)市場松耦合出清下的定價(jià)模型

1）省間市場定價(jià)模型

在上述雙層出清模型求解完成后，分別對上層省間市場與下層省內(nèi)市場進(jìn)行定價(jià)。對于上層省間市場，固定送端負(fù)荷中標(biāo)量和跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，最小化送端發(fā)電、輸電成本之和，有

發(fā)電機(jī)采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)為

送端負(fù)荷定價(jià)在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加所在省份的省內(nèi)輸電價(jià)格，有

2）省內(nèi)市場定價(jià)模型

下層省內(nèi)市場定價(jià)模型為：固定受端負(fù)荷中標(biāo)量和跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，最小化受端發(fā)電、輸電成本之和，有

發(fā)電機(jī)采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)為

受端負(fù)荷定價(jià)在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加所在省份的省內(nèi)輸電價(jià)格，有

將上述松耦合出清下定價(jià)模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件展開，可獲得具體的定價(jià)模型見附錄。

2.2.3 雙層模型求解流程

松耦合階段的省間-省內(nèi)市場出清與定價(jià)模型采用上下層迭代的方式求解，求解流程如圖5所示。首先，設(shè)置初始送-受端跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，依次求解上層省間出清模型和定價(jià)模型，其中，式（18）中跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線在送端的落點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電價(jià)即為省間購電價(jià)格λ,t；其次，將所得省間購電價(jià)格代入下層省內(nèi)出清模型，優(yōu)化求解得到送-受端跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率q,t并代入上層模型；然后，上、下層模型通過傳遞省間購電價(jià)格λ,t和送-受端跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率q,t并迭代求解，以當(dāng)前結(jié)果與上一次迭代結(jié)果偏差值小于設(shè)定值時(shí)作為收斂判據(jù)，獲得出清計(jì)算的結(jié)果；最后，基于出清結(jié)果，固定送-受端跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率q,t和送、受端負(fù)荷中標(biāo)量，完成定價(jià)模型求解與計(jì)算。

圖5 松耦合階段省間-省內(nèi)市場出清模型與定價(jià)模型

2.3 緊耦合出清階段

隨著電力市場的不斷發(fā)展建設(shè)，優(yōu)化出清技術(shù)和調(diào)度水平不斷提升，電力市場已經(jīng)發(fā)展成熟，并具備大規(guī)模出清計(jì)算的能力，此時(shí)省間-省內(nèi)電力市場可以逐步從松耦合出清階段轉(zhuǎn)向緊耦合出清階段，省間市場與省內(nèi)市場完全耦合，進(jìn)一步提升電力資源利用率。緊耦合階段省間-省內(nèi)市場出清模型與定價(jià)模型如圖6所示，所有省份的市場主體將報(bào)價(jià)信息統(tǒng)一申報(bào)至全國交易平臺，并由全國交易中心統(tǒng)一進(jìn)行市場出清和定價(jià)。

2.3.1 緊耦合出清模型

緊耦合出清模型采用統(tǒng)一出清的形式，送端、受端市場主體同時(shí)參與到市場出清中，故略去上標(biāo)se和re，其變量含義與松耦合出清模型一致。緊耦合出清模型的目標(biāo)函數(shù)為最大化所有省份的社會福利之和，有

圖6 緊耦合階段省間-省內(nèi)市場出清模型與定價(jià)模型

式中，約束式（24）為市場主體約束，包含約束式（3）和約束式（7）；約束式（25）為系統(tǒng)運(yùn)行約束，包含約束式（4）和約束式（8）；約束式（26）為跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線約束；約束式（27）為輔助約束。

2.3.2 緊耦合定價(jià)模型

緊耦合階段的定價(jià)模型為：固定負(fù)荷中標(biāo)量，最小化發(fā)電與輸電成本之和，有

發(fā)電機(jī)采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)為

式中，為約束式（25）的對偶變量向量；ω,t為約束式（27）的對偶變量。

負(fù)荷定價(jià)在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加所在省份的省內(nèi)輸電價(jià)格，有

2.4 定價(jià)合理性

本文所提模型兼顧了跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線、區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線、省內(nèi)交流輸電線輸電費(fèi)的收取方式，所得節(jié)點(diǎn)電價(jià)形式多了一項(xiàng)有關(guān)輸電費(fèi)的輔助約束價(jià)格分量，但仍具備傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的性質(zhì)。

（1）激勵相容。松耦合和緊耦合出清模型在去絕對值處理之后轉(zhuǎn)變?yōu)橥箖?yōu)化問題，所得節(jié)點(diǎn)電價(jià)仍舊滿足激勵相容原理[27]，即個(gè)體用戶追求個(gè)人利益的行為與整個(gè)市場實(shí)現(xiàn)社會福利最大化的目標(biāo)一致，能夠有效激勵市場主體申報(bào)真實(shí)價(jià)格，減少市場投機(jī)行為。

（2）非歧視性。本文節(jié)點(diǎn)電價(jià)形式的拉格朗日乘子對應(yīng)于公有約束，反映了公有資源的影子價(jià)格，表示了公有資源的稀缺程度。各個(gè)市場主體對公有資源的使用收費(fèi)采用統(tǒng)一的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文節(jié)點(diǎn)電價(jià)形式具有非歧視性[28]。

（3）市場盈余非負(fù)。

松耦合和緊耦合出清模型中的約束限值向量是非負(fù)的，保證了采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)進(jìn)行市場結(jié)算時(shí)的市場盈余非負(fù)[29]。

（4）釋放經(jīng)濟(jì)信號。不同時(shí)段、不同節(jié)點(diǎn)的電價(jià)的差異反映了資源的稀缺程度，例如線路容量資源的稀缺會造成線路阻塞，導(dǎo)致同一時(shí)段阻塞線路兩端的節(jié)點(diǎn)電價(jià)不同，從而影響市場主體未來的行為，例如在電價(jià)低的節(jié)點(diǎn)新增負(fù)荷，在電價(jià)高的節(jié)點(diǎn)新增發(fā)電機(jī)，不僅能使市場主體本身獲利，還能夠適當(dāng)緩解線路阻塞。此外，線路兩端節(jié)點(diǎn)電價(jià)的不同能夠引導(dǎo)輸電線路的建設(shè)，通過擴(kuò)充輸電容量來消除線路阻塞。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

算例系統(tǒng)設(shè)置如圖7所示，包含送端和受端2個(gè)區(qū)域共4個(gè)省份（2個(gè)送端省和2個(gè)受端省），送端A省、B省和受端D省均采用IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，受端C省采用IEEE 118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。送、受端之間通過跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線相連，其參數(shù)見表1。送、受端區(qū)域內(nèi)各省份通過跨省交流聯(lián)絡(luò)線相連，其參數(shù)見表2。上述直流聯(lián)絡(luò)線考慮傳輸損耗，交流聯(lián)絡(luò)線暫不考慮傳輸損耗。送端A、B省的省內(nèi)輸電價(jià)格分別為100元/(MW·h)和105元/(MW·h)，受端C、D省的省內(nèi)輸電價(jià)格分別為150元/(MW·h)和140元/(MW·h)。負(fù)荷一天中報(bào)量最大值根據(jù)典型日負(fù)荷曲線的比例來申報(bào)，如圖8所示；其中受端C省節(jié)點(diǎn)18的負(fù)荷一天中的報(bào)價(jià)曲線如圖9所示。

圖7 算例系統(tǒng)示意圖

表1 跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線參數(shù)

Tab.1 Parameters of cross-regional DC tie-lines

表2 區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線參數(shù)

Tab.2 Parameters of inter-provincial AC tie-lines

圖8 典型日負(fù)荷曲線

圖9 受端C省節(jié)點(diǎn)18的負(fù)荷一天中報(bào)價(jià)曲線

3.2 出清計(jì)算結(jié)果

無省間輸電與考慮省間輸電的分層出清、松耦合出清和緊耦合出清的結(jié)果見表3，其中階段“無”代表無省間輸電。通過對比可知，考慮省間輸電后，送端發(fā)電機(jī)中標(biāo)量高于負(fù)荷中標(biāo)量，受端負(fù)荷中標(biāo)量高于發(fā)電機(jī)中標(biāo)量，社會福利顯著提高。隨著市場的放開程度越高，送端發(fā)電機(jī)的中標(biāo)量和受端負(fù)荷的中標(biāo)量也逐漸增加，這是由于省間市場促進(jìn)了送端報(bào)價(jià)較低的發(fā)電機(jī)與受端報(bào)價(jià)較高的負(fù)荷的成交，更有效地提升了電力資源的利用效率。此外，省間市場的逐步放開會使得送、受端的結(jié)算電價(jià)越來越接近，即送端電價(jià)升高，受端電價(jià)降低，從而導(dǎo)致送端負(fù)荷中標(biāo)量與受端發(fā)電機(jī)中標(biāo)量下降。

表3 不同出清階段下電力市場出清結(jié)果

Tab.3 Clearing results of the electricity market under different market clearing stages

各階段跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線的出清結(jié)果見表4。從表4中可以看出，隨著電力市場的逐步放開，跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線的傳輸電量逐漸增加。分層出清階段省間市場的參與主體較少，所以省間交易量較少；松耦合出清階段受省間-省內(nèi)交互迭代次數(shù)限制，省間購電量并不一定能夠取得最優(yōu)解；緊耦合出清階段能夠獲得全局最優(yōu)解，因此該階段能夠?qū)崿F(xiàn)社會福利最大化。

表4 各階段跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線出清結(jié)果

Tab.4 Clearing results of inter-regional DC tie-lines

（續(xù)）

進(jìn)一步，分析緊耦合出清階段省間聯(lián)絡(luò)線傳輸功率情況。圖10展示了緊耦合出清階段跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸電功率，從圖中可以看出，直流聯(lián)絡(luò)線1和3一直處于滿送狀態(tài)，而直流聯(lián)絡(luò)線2的輸送功率較低，且為邊際聯(lián)絡(luò)線。這是由于直流聯(lián)絡(luò)線2的傳輸損耗系數(shù)與輸電價(jià)格都較高，省間出清將會優(yōu)先選擇傳輸損耗系數(shù)與輸電價(jià)格較低的聯(lián)絡(luò)線。圖11展示了緊耦合出清階段受端跨省交流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，其中交流聯(lián)絡(luò)線功率大部分是由D省流向C?。?lián)絡(luò)線功率負(fù)值所示方向），只有聯(lián)絡(luò)線5的功率在時(shí)段8～21略大于0，這是因?yàn)镃省負(fù)荷報(bào)價(jià)高于D省負(fù)荷報(bào)價(jià)，部分C省發(fā)電機(jī)中標(biāo)電量會傳輸?shù)紻省。

圖10 緊耦合出清階段跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸電功率

圖11 緊耦合出清階段受端區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線功率

3.3 定價(jià)計(jì)算結(jié)果

市場出清后采用定價(jià)模型進(jìn)行定價(jià)結(jié)算，其中分層出清階段的出清電價(jià)由省間出清電價(jià)與省內(nèi)出清電價(jià)耦合加權(quán)獲得，本文采取的耦合加權(quán)比例為省間負(fù)荷中標(biāo)量與省內(nèi)負(fù)荷中標(biāo)量之比。各出清階段的結(jié)算結(jié)果見表5。其中，只有緊耦合出清階段的資金是完全平衡的，即負(fù)荷費(fèi)用減去發(fā)電機(jī)成本、輸電費(fèi)用和阻塞費(fèi)用為0，分層出清階段與松耦合出清階段的定價(jià)結(jié)算分別存在2 801 963元與2 051 259元的不平衡資金。分層出清階段產(chǎn)生不平衡資金是因?yàn)槎▋r(jià)采取了省間-省內(nèi)出清電價(jià)耦合加權(quán)的方式，松耦合出清階段產(chǎn)生不平衡資金是因?yàn)榭鐓^(qū)聯(lián)絡(luò)線輸電功率在迭代過程中并不一定能夠取得最優(yōu)解，送、受端仍然存在價(jià)差。在本算例中，分層階段與松耦合階段的不平衡資金占受端負(fù)荷費(fèi)用的4.0%和2.4%，結(jié)算完成后可根據(jù)相關(guān)規(guī)則返還（如按中標(biāo)比例返還）。

表5 各階段結(jié)算結(jié)果

Tab.5 The settlement results of each stage（單位：元）

此外，從分層出清到松耦合出清、再到緊耦合出清，雖然送端負(fù)荷中標(biāo)量逐漸減少，但送端負(fù)荷費(fèi)用逐漸增加，這是因?yàn)殡S著市場逐步發(fā)展成熟，送、受端價(jià)差逐漸減小，送端節(jié)點(diǎn)電價(jià)相應(yīng)增長所導(dǎo)致的。

圖12 受端區(qū)域內(nèi)C省和D省的節(jié)點(diǎn)電價(jià)

3.4 輸電費(fèi)影響分析

本小節(jié)進(jìn)一步分析緊耦合出清階段輸電費(fèi)對市場出清結(jié)果的影響。值得說明的是，無論是否考慮輸電費(fèi)，緊耦合階段的節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)方式始終能保證資金平衡。

3.4.1 跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸電費(fèi)對出清和定價(jià)的影響

假設(shè)3條跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線的輸電價(jià)格相同，觀察隨著該輸電價(jià)格的變化，跨區(qū)輸電量與社會福利的變化情況，具體結(jié)果如圖13所示。由圖13中結(jié)果可知，隨著跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸電價(jià)格的增加，跨區(qū)省間輸電量和社會福利都隨之減小，輸電價(jià)格增加阻礙了送端發(fā)電機(jī)與受端負(fù)荷的成交量。圖14展示了跨區(qū)輸電價(jià)格對送、受端區(qū)域平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響，隨著跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸電價(jià)格的增加，受端平均電價(jià)增加，而送端平均電價(jià)降低。這是由于跨區(qū)輸電量減小導(dǎo)致受端負(fù)荷的中標(biāo)量和送端發(fā)電機(jī)的中標(biāo)量減小，進(jìn)而影響了電價(jià)。并且，相比于受端，送端平均電價(jià)的變化幅度小于送端，這是因?yàn)槭芏素?fù)荷主體對電價(jià)的波動更為敏感，較小的電價(jià)降低能夠?qū)?yīng)較大的負(fù)荷成交增量。

圖13 跨區(qū)輸電價(jià)格對跨區(qū)輸電量和社會福利的影響

圖14 跨區(qū)輸電價(jià)格對平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響

3.4.2 區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線輸電費(fèi)對出清和定價(jià)的影響

假設(shè)受端3條區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線的輸電價(jià)格相同，觀察隨著該輸電價(jià)格的變化，區(qū)域內(nèi)跨省輸電量絕對值與社會福利的變化情況，具體結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，隨著區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線輸電價(jià)格的增加，區(qū)域內(nèi)跨省輸電量絕對值與社會福利都將減小，輸電價(jià)格的增加阻礙了區(qū)域內(nèi)跨省電力交換。

圖15 區(qū)域內(nèi)跨省輸電價(jià)格對輸電量和社會福利的影響

進(jìn)一步，給定區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線不同的輸電價(jià)格，受端區(qū)域在第11 h的節(jié)點(diǎn)電價(jià)如圖16所示，此時(shí)忽略受端區(qū)域及省內(nèi)線路的阻塞。從圖16中可以看出，當(dāng)區(qū)域內(nèi)跨省交流聯(lián)絡(luò)線輸電價(jià)格為0時(shí)，各節(jié)點(diǎn)間電價(jià)相同，隨著輸電價(jià)格的增加，各節(jié)點(diǎn)之間的電價(jià)差異越來越明顯，表明式（29）中的輔助約束價(jià)格分量對電價(jià)的影響越來越大。

圖16 區(qū)域內(nèi)跨省輸電價(jià)格對受端節(jié)點(diǎn)電價(jià)的影響

3.4.3 省內(nèi)輸電費(fèi)對出清和定價(jià)的影響

假設(shè)送、受端省內(nèi)輸電價(jià)格均下降10元/(MW·h)，社會福利增加1 782 168元，送端發(fā)電機(jī)、負(fù)荷的中標(biāo)量分別增加456 MW·h和481 MW·h，受端發(fā)電機(jī)、負(fù)荷的中標(biāo)量分別增加3 804 MW·h和3 781 MW·h。若省內(nèi)輸電費(fèi)用按照原本的輸電價(jià)格計(jì)算，該費(fèi)用增加了617 537元。由此可以看出，省內(nèi)輸電價(jià)格下降后，送、受端發(fā)電機(jī)和負(fù)荷中標(biāo)量均增加，而且社會福利的增加量大于省級電網(wǎng)輸電費(fèi)用的增加量。

省內(nèi)輸電價(jià)格下降10元/(MW·h)后，受端發(fā)電機(jī)平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)由497.6元/(MW·h)增加至504.6元/ (MW·h)，送端發(fā)電機(jī)平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)由390.8元/(MW·h)增加至396.0元/(MW·h)，這是因?yàn)殡娏Τ山涣吭黾?，機(jī)組邊際價(jià)格增加。

4 結(jié)論

本文基于我國電力市場演變進(jìn)程的分層、松耦合、緊耦合三個(gè)階段，構(gòu)建了考慮多種形式輸電費(fèi)的省間-省內(nèi)市場出清模型與定價(jià)模型，并通過算例仿真驗(yàn)證了跨省輸電能促進(jìn)資源優(yōu)化配置，以及緊耦合階段的出清最能夠?qū)崿F(xiàn)社會福利最大化。并且，本文所提的節(jié)點(diǎn)電價(jià)定價(jià)方式具有激勵相容、非歧視性等良好性質(zhì)，在緊耦合階段的定價(jià)模型中實(shí)現(xiàn)了資金平衡。

此外，本文從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)分析了輸電費(fèi)對電力市場出清的影響，并在算例中驗(yàn)證了輸電價(jià)格的增加會導(dǎo)致成交電量減小、社會福利下降。按照輸電線路實(shí)際潮流征收的輸電費(fèi)會導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)的電價(jià)差異，潮流因子與對該線路潮流方向相同的會降低該節(jié)點(diǎn)的電價(jià)，反之亦然。

1. 松耦合階段的具體出清模型

1）上層省間市場出清模型

目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

（1）送端發(fā)電機(jī)、負(fù)荷中標(biāo)量約束

（2）送端發(fā)電機(jī)爬坡約束

（3）電力平衡約束

（4）送端跨省、省內(nèi)交流線路潮流約束

（5）輔助約束

目標(biāo)函數(shù)（A1）對應(yīng)于式（15），約束式（A2）和式（A3）對應(yīng)于式（3），約束式（A4）和式（A5）對應(yīng)于式（4），約束式（A6）對應(yīng)于式（13）。

2）下層省內(nèi)市場出清模型

目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

（1）受端發(fā)電機(jī)、負(fù)荷中標(biāo)量約束

（2）受端發(fā)電機(jī)爬坡約束

（3）電力平衡約束

式中，ξ為跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線的傳輸損耗系數(shù)。

（4）受端跨省、省內(nèi)交流線路潮流約束

（5）跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率約束

（6）跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率爬坡約束

（7）輔助約束

目標(biāo)函數(shù)（A7）對應(yīng)于式（16），約束式（A8）和式（A9）對應(yīng)于式（7），約束式（A10）和式（A11）對應(yīng)于式（8），約束式（A12）和式（A13）對應(yīng)于式（9），約束式（A14）對應(yīng)于式（14）。

2. 松耦合階段的具體定價(jià)模型

1）上層省間市場定價(jià)模型

固定送端負(fù)荷中標(biāo)量和跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為：式（A2）～式（A6）。

發(fā)電機(jī)在節(jié)點(diǎn)的電價(jià)為

送端負(fù)荷定價(jià)在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加所在省份的省內(nèi)輸電價(jià)格，即

2）下層省內(nèi)市場定價(jià)模型

固定受端負(fù)荷中標(biāo)量和跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為：式（A8）～式（A11）、式（A14）。

發(fā)電機(jī)在節(jié)點(diǎn)的電價(jià)為

受端負(fù)荷定價(jià)在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的基礎(chǔ)上疊加上所在省份的省內(nèi)輸電價(jià)格，即

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Inter- and Intra-Provincial Electricity Market Clearing and Pricing Model under the Evolution of National Unified Electricity Market

Chen Yi1,2Wang Han1,2Yan Zheng1,2Feng Kai3Liu Zijie3

（1. Key Laboratory of Power Transmission and Conversion of Ministry of Education Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 2. Shanghai Non-carbon Energy Conversion and Utilization Institute Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 3. China Electric Power Research Institute Nanjing 210037 China）

At present, China's inter- and intra-provincial market system is still in its infancy, and market mechanisms, operation methods and clearing models are yet to be explored. The commonly used modeling approaches in the existing literature include path-based and sensitivity-based optimal clearing approaches. The path-based approach increases the dimensionality of decision variables in the high-low matching discounting process, resulting in a large model size. And, the sensitivity-based approach adopts an integrated clearing method but does not provide an applicable pricing mechanism. To address these issues, this paper constructs a sensitivity-based inter- and intra-provincial electricity market clearing model that considers different ways of collecting transmission fees. Furthermore, the nonlinearity introduced by the transmission fees is linearized and the locational marginal price (LMP) method is used to solve the problem of unclear pricing of the sensitivity-based model.

China's transmission lines include inter-regional transmission lines, intra-regional inter-provincial transmission lines and intra-provincial transmission lines. Their transmission pricing mechanisms are introduced and their impact on the supply and demand balance in the electricity market are analyzed. As the evolution of the national unified electricity market, the inter- and intra-provincial electricity market will go through three stages of bi-level stage, loosely-coupled stage and tightly-coupled stage. The degree of coupling between inter-provincial and intra-provincial markets varies at different stages, with the lowest degree of coupling at the bi-level stage and the highest degree of coupling at the tightly-coupled stage. The clearing model and the pricing model were constructed for the three stages. And the proposed pricing mechanism derives the price for each node adopting the LMP method, which has good characteristics such as incentive compatibility and non-discrimination.

To verify the effectiveness of the proposed clearing model and pricing model, simulations were conducted in the IEEE 39-bus and 118-bus systems. The clearing results show that the social welfare in the bi-level stage, loosely-coupled stage, and tightly-coupled stage is 27 028 061 ￥, 30 543 641 ￥, and 31 874 432 ￥, respectively. Also, the transmission power of cross-regional tie-lines is the highest in the tightly-coupled stage indicating high utilization of the cross-regional tie-lines. Besides, the pricing results show that the imbalance funds in the bi-level stage, loosely-coupled stage, and tightly-coupled stage are 2 801 963 ￥, 2 051 259 ￥, and 0 ￥, respectively. And, the price at each node is different due to the transmission fees of intra-regional inter-provincial AC tie-lines. Further, the impact of transmission fees on clearing results and pricing results was analyzed. As the transmission price of inter-regional transmission lines increases, both the transmission volume and social welfare decrease, and the average price in the receiving provinces increases while the average price in the sending provinces decreases. As the transmission price of intra-regional inter-provincial transmission lines increases, the difference in electricity prices between the nodes becomes more pronounced. Assuming that the intra-provincial transmission price in both the sending and receiving provinces decreases by 10 ￥/(MW·h), the bids for generators and loads in the sending provinces increase by 456 MW·h and 481 MW·h, respectively, while the bids for generators and loads in the receiving provinces increase by 3 804 MW·h and 3 781 MW·h, respectively.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) Inter-provincial transmission can increase social welfare and promote optimal resource allocation. And the tightly-coupled stage clearing is best able to maximise social welfare. (2) The proposed pricing mechanism remains applicable when considering multiple transmission fees and has the advantages of LMP. And the pricing mechanism provides a reasonable pricing methodology for sensitivity-based clearing models. (3) Transmission fees charged according to the actual power flow of transmission lines result in a differential price at each node. The sensitivity of the node to the line in the same direction as the power flow will result in a lower price for the node,and vice versa.

Inter- and intra-provincial electricity market, transmission fee, clearing model, pricing model, loosely-coupled stage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230066

TM732

國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目資助（5108-202217033A-1-1-ZN）。

2023-01-17

2023-03-28

陳 熠 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌鰞?yōu)化調(diào)度。E-mail：cy--07@sjtu.edu.cn

王 晗 男，1993年生，博士后，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)不確定性分析、電力系統(tǒng)概率潮流計(jì)算。E-mail：wanghan9894@sjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）