电力市场环境下发电商电能分配策略研究

第28卷第25期中国电机工程学报Vol.28No.25Sep.5,20082008年9月5日ProceedingsoftheCSEE©2008Chin.Soc.forElec.Eng.111文章编号：0258-8013(2008)25-0111-07中图分类号：TM73文献标志码：A学科分类号：470⋅40电力市场环境下发电商电能分配策略研究刘敏1，吴复立2(1．贵州大学电气工程学院，贵州省贵阳市550003；2．香港大学电机电子工程系，中国香港特别行政区)TradingStrategyofGenerationCompaniesinElectricityMarketLIUMin1,FelixFWU2(1.CollegeofElectricalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550003,GuizhouProvince,China;2.DepartmentofElectricalandElectronicsEngineering,HongKongUniversity,HongKongSAR,China)ABSTRACT:Inanelectricitymarket,generationcompanies(Gencos)facepricerisksduetothehighfluctuationofthespotenergyprice.BilateralcontractmarketprovidesanefficientwayforGencostohedgethepricerisk.Therefore,makingappropriatetradingstrategyandallocatingenergybetweenspotandbilateralcontractmarketscanhelpGencostoachievetheirtradingobjectiveofmaximizingprofitsandminimizingriskstoalargeextent.Basedonthemean-variancecriterion,atradingdecisionmodelisproposedinwhichpricecharacteristicsofeachtradingintervalduringtheplanningperiodareconsideredanddifferenttradingstrategyismadefordifferenttradinginterval.BasedonthehistoricaldataoftheUSAPJMmarket,simulationresultsconfirmtherationalityandefficiencyoftheproposedmodel.AnanalyticalapproachforGencostomaketradingstrategiesisdeveloped.KEYWORDS:electricitymarket;spotmarket;bilateralcontractmarket;tradingstrategy;riskmanagement;utilityfunction摘要：电力市场环境下，电能现货交易价格的高度不确定性给发电商带来了很大的交易风险。双边合同交易市场的设立为发电商提供了一个有效的风险规避途径。因此，制订合理的交易策略，合理的分配现货市场和双边合同市场交易份额有助于发电商在最大程度上实现利润最大化和风险最小化的交易目标。基于均值–方差原理提出了一个发电商交易策略构建模型，该模型充分考虑交易计划期内每个交易时段的电价特性并针对每个交易时段制订不同的交易策略。基于美国PJM电力市场历史数据的仿真结果验证了该模型的合理性和有效性。该文的研究结果为发电商的交易策略制定提供了一种解析分析的途径。关键词：电力市场；现货市场；双边合同市场；交易策略；风险管理；效用函数基金项目：香港政府研究资助局资助项目(RGC-HKU7174/04E)。0引言自1990年英国开始全面对其电力工业进行改革并建立电力市场以来，美国、瑞典、丹麦、澳大利亚等多个国家也加入到电力工业市场化的进程中。中国于2002年开始系统地进行电力市场建设。虽然各国电力市场化的进程和深度不尽相同，但至少有一点是共同的，即发电公司从原来垂直垄断的电力公司(公共事业公司)中脱离开来成为以盈利为目的企业实体。在电力市场环境下，现货交易为发电公司创造了获取可观利润的机会，同时也带来了很高的风险[1-2]。因为现货市场的电价由于电能不能大量贮存且电能交易受到电网输送能力的限制而波动得相当剧烈。而双边合同市场的电能价格虽然较低但相对稳定，发电商适当的参与双边合同交易可以在一定程度上降低整体交易风险[3]。因此，对发电商而言，为了实现计及风险的利润最大化的短期运营目标，在制订交易策略时需要解决2个层面的问题：1）如何决定现货市场和双边合同市场的电能交易份额，即电能分配策略问题；2）如何在各个市场投标以获取最大的利润，即投标策略问题。目前对发电商交易策略的研究大都集中在投标策略研究上[4-12]，对分配策略的研究相对较少。文献[13-14]从购电商的角度，以购买费用和风险最小为目标，对现货市场和合同市场的电能分配问题进行了探讨。而从发电商的角度出发，文献[15]综合考虑电价风险和发电机组的运行约束，建立了结合期望效益与风险的发电商电能分配效用模型；文献[16]在建立电能分配模型时不但考虑电价风险，还考虑网络阻塞风险；文献[17]进一步考虑112中国电机工程学报第28卷燃料价格风险对电能分配策略的影响。以上文献在建模时均假设交易计划期内各个交易时段采用同样的电能分配方案，即所谓平均分配法。本文在建立电能分配模型时将综合考虑电价风险、燃料价格风险和阻塞风险，并对不同交易时段采用不同的电能分配策略。1市场环境与交易风险1.1现货市场根据国家电力监管委员会《关于区域电力市场建设的指导意见》中现货交易的定义，“现货交易是由发电企业竞价形成的次日(或未来24h)电能交易以及为保证电力供需的即时平衡而组织的实时电能交易”，即现货市场包括日前市场和实时平衡市场。现货市场的价格由市场交易中心或ISO在满足电力系统安全稳定校核的前提下根据发电企业的投标曲线和用户的需求来确定。目前的现货市场中共有3种定价机制：统一边际定价(uniformmarginalpricing)、分区定价(zonalpricing)和节点边际定价(locationalmarginalpricing-LMP)[18]。从本文的研究角度看，统一边际定价和分区定价都是节点边际定价的特例，以下讨论均基于节点边际定价机制进行。在采用节点边际定价机制的电力市场中，如果忽略网损，当网络无阻塞时，各节点电价均相同；而当网络出现阻塞时，节点间出现电价差。任意两节点间的电价差与其间流过的电能量之积即为相应的阻塞收费[19]。在电力交易和电力系统运行中，电力需求、发电机出力、网络潮流随时都在发生变化。因而各节点的电价、网络阻塞费用都是不确定的。1.2双边合同市场电力市场中的双边合同分为物理合同和金融合同两大类[20]。物理合同指有固定的电价、电量、交易地点、交易时间，且需进行实物交割(即实际的电能传输)的远期合同。物理合同签订后上报交易调度中心，经中心批准后在合约履行期进行交割。物理合同的合约电量不再参与现货竞价。而金融合同仅用于规避现货市场的价格风险，无需实物交割，即不涉及实际的物理电能的传输。本文讨论的是物理远期双边合同，由发电商与购电方在交易期之前签订。具体的电价、交易量、交易期由双方协商达成。电能送出点和送达点分别为发电机组和买电方所在的实际地理位置。1.3交易风险发电企业的利润是由其在电力交易中的收入和成本决定的，即利润=收入−成本。成本主要取决于燃料的价格。燃料价格的波动(燃料价格风险)必然给发电企业带来利润上的风险。而收入上的风险则取决于发电企业的电能交易方式，即是参与现货市场交易还是通过双边合同进行交易。当发电商在现货市场交易时，其结算电价为其所在节点的节点电价。所以发电商的现货交易风险为节点电价风险。当发电商通过双边合同进行交易时，合同电价是双方协商事先确定下来的，不存在价格风险问题。但如果购电方与发电商不在同一个电价区，则相应的双边交易会面临阻塞风险。即当网络发生阻塞时，双边交易需支付阻塞费用(购电方所在地与发电商所在地的电价差与所交易电量的乘积)。从风险考虑的角度看，发电商有3类交易方式：1）现货交易，有电价风险；2）本地合同，与本地用户签订，无风险；3）非本地合同，与非本地用户签订，有阻塞风险。2交易策略模型2.1交易目标以上分析可见，发电商无论是参与现货交易还是双边合同交易，其收益和相应的利润都是不确定的，即存在一定程度的风险。因此在制订交易策略时，在追求利润最大化的同时应尽可能降低相应的风险。从概率论的角度来分析，发电商的利润是一个随机变量，可用利润的期望值来描述可能会获得的利润；而相应的风险则用利润的方差或标准差来衡量。这就是所谓的期望值－方差原理。2.2交易组合假设电力市场中共有n+1个节点/电价区，某发电商位于区域0，其他区域标示为区域1~n。为简单起见，假设发电商与每个区域的用户只签订一份合同(如有多份合同，可按平均合同价综合为一份合同)，则发电商有n+2种交易方式：1笔现货交易、1份本地合同、n份非本地合同。在总交易量给定的情况下，任意交易方式、任意交易份额的组合称为一个交易组合。假设交易计划期内共有m个交易时段(交易时段的长短可根据交易计划期的长短来灵活划分，比如交易计划期为1个月，交易时段可按日计，也可以按小时计)，第i个交易方式在第k个交易时段的交易量占该时段总交易量的比例为1,,0(1,1~)nikikiwwkm+===∑，则任意交易组合C在第25期刘敏等：电力市场环境下发电商电能分配策略研究113交易计划期内的交易利润为1c,,01nmikikikwππ+===∑∑(1)式中：πi,k为第k个交易时段所有电能在第i个交易方式中获得的利润；πc的期望值和方差可计算为1c,,01()nmikikikEwππ+===∑∑(2)11c,,,,,0011()nnmmijklikjlijklVwwπσ++=====∑∑∑∑(3)式中：,,,,,(,)ijklikjlσσππ=，,,(,)ikjlσππ是交易i在第k个交易时段的利润与交易j在第l个交易时段的利润的协方差；,ikπ是,ikπ的期望值；,ikπ和,,,ijklσ的具体计算公式在第3节中介绍。2.3交易份额分配发电商在制订交易策略时可以有2种方法：风险最小化和效用最大化。1）风险最小化。如果发电商对交易利润有明确的预期值，则可采用风险最小化的方法，即对于给定的利润期望值，通过选择各交易方式的交易分配比例来使整体交易的风险最小。该方法的数学模型为：11c,,,,,00111,01c,,01min()s.t.1,1~()nnmmijklikjlijklnikinmikikikVwwwkmEwπσπππ++====+=+==⎧=⎪⎪⎪==⎨⎪⎪==⎪⎩∑∑∑∑∑∑∑(4)式中π为发电商给定的利润期望值。求解该优化问题即可得出各交易时段各交易方式的最优交易分配比例*,ikw。2）效用最大化。如果发电商希望获取尽可能高的利润，同时相应的风险最小，则必须在高利润与低风险间作一个权衡。可用一函数来描述这个选择：cc()()()UEBVππ⋅=−⋅(5)式中：()U⋅称为效用函数，其值与利润期望值成正比，而与利润的风险成反比；B称为风险惩罚因子，表示发电商在考虑到有风险的情况下对相应利润期望值的“惩罚”程度，其值与发电商的风险厌恶程度成正比。因此应用效用函数来描述发电商选择行为的关键在于如何确定B的取值。文献[17]根据效用理论推导出B的计算公式为/2()BAC=⋅(6)式中：()C⋅为交易计划期内的发电总成本；A为金融界广泛采用的风险厌恶指标；A=3为风险厌恶程