输电阻塞管控方式研讨论文
本文在节点边际电价的背景下，分析阻塞盈余作为电能传输“拥堵费”的内涵，结合阻塞线路影子价格和用户需求价格弹性系数的特性，引入节点边际价格-再调度费用影响因子，作为衡量节点价格变化对系统再调度成本影响的依据。在此基础上，借鉴文献[16]在销售侧发放奖励券(coupon)的理念，基于日前与实时“两级市场、两步结算”的市场机制，提出了以阻塞盈余为资金来源，基于奖励券机制的输电阻塞管理方法。
一、输电阻塞相关概念分析
输电网络发生阻塞的根本原因是输电线路的热稳定极限和电力系统的安全稳定运行需要，使得传输的电能必须限定在一定额度以内。作为本文研究的基础，下面将分析相关概念的内涵。LMP机制是一种基于最优潮流的定价方法，表示在满足当前输电网络设备约束条件和各类其它资源的工作特点的情况下，在电价节点增加单位负荷需求时的边际成本[17]。由于考虑了阻塞费用，因此它既可以用于衡量电能价值，也可以用于阻塞管理。阻塞盈余是在电力市场环境下由输电阻塞所引起的交易盈余。当采用LMP机制时，通常情况下，输电阻塞将导致电能输入区域的电价高于电能输出区域，因此电能输入区的电力用户所支付的购电费用会多于输出区的售电收入，这一差额就形成了阻塞盈余。本质上，阻塞盈余是电力用户为输电网络阻塞所支付的“拥堵费”，理应用于减轻网络阻塞。要达到这一目标，最有效的解决方式是新建线路，相应的，既可以将阻塞盈余直接用于线路投资，也可以用于投资回报。但输电线路的规划、建设是一种相对长期的行为，如果能更为有效地通过阻塞盈余激励电力用户及时响应，减轻实际运行中的网络阻塞，将有效推迟对新建线路的需求，提高现有线路的利用效率，使电网资源获得更高效的使用。
线路出现阻塞时，通常通过再调度、交易削减或负荷控制实现阻塞管理。其中再调度是基于最优潮流模型，通过重新安排发电机组出力，将阻塞线路的潮流控制在安全限值以内。对比有约束与无约束的最优调度结果，系统运行成本的增加量就称为再调度成本，它衡量了网络阻塞造成的经济性影响。阻塞线路影子价格与系统再调度成本紧密相关。计算过程中，由于阻塞线路的容量约束为起作用约束，因此将形成相应的影子价格，该影子价格可通过对最优潮流模型构造Lagrange函数，并基于K-T条件求解得到。它有着严格的经济含义：对阻塞线路l，如果为了缓解该线路p的有功阻塞，在满足安全约束基础上系统最小的再调度成本为rdlC，则rdlC与p的比值就是阻塞线路l的影子价格l[18]。文献[19]提出了一种日前预测阻塞线路影子价格的方法，可以为阻塞管理提供参考。
二、市场机制
在采用LMP的市场中，如果将阻塞盈余用于激励用户响应以减少网络阻塞，面临一个现实难题：当网络阻塞被消除时，阻塞盈余也将不复存在，这时激励用户响应的资金无从而来。为此，本文借鉴PJM电力市场，将日前市场与实时市场相结合，利用时序衔接解决上述问题。机制如下：
1）建立日前与实时两级市场。在日前市场中，输电提供商以自愿、竞标和安全约束方式运行日前电能市场，使用节点电价为电能的供应方和需求方提供公平的标准。对发电方和用电方统一实行节点定价。对于每个节点将在每小时电能投标价格的基础上计算出一个清算价格。实时电能市场与日前电能市场类似，它以竞价为基础，并以电网安全为约束条件。实时市场只有电量投标，每5min显示1个清算价格。
2）执行日前与实时两步结算。日前市场与实时市场分别独立地进行会计结算，具体的结算机制如下：日前市场首次结算，形成阻塞盈余。在日前市场中，根据发电商的卖标、电力用户的买标(或负荷预测情况)以及其他合约交易计划，计算次日每个小时的LMP。日前市场根据各个小时的计划电量和相应的LMP结算。实时市场再次结算，处理不平衡量。在实时市场中，根据负荷的变动情况，再次计算市场清算价格。每个小时用于结算的LMP根据该小时内每5min的价格综合计算得到。市场基于各个小时的实际电量与该小时的日前计划电量之差，以相应时段和节点的LMP结算。上述机制可以使市场成员以日前价格锁定日前计划量，以价格的稳定性降低发电和用电双方的市场风险，避免市场成员的投机行为，激励用户在日前主动申报自身真实的用电意愿，也有利于促使发电机组服从调度安排。
三、基于实时市场奖励券机制的阻塞管理方法
日前市场提供的只是交易计划，预测了哪些线路会出现阻塞；实时市场形成的才是实际调度结果，决定了实际运行中线路的阻塞状况。如果能够充分利用从日前到实时的时序过渡，通过激励用户响应，对日前计划中的阻塞线路实施有效的阻塞管理，将带来系统安全稳定和用户福利扩大的双重收益。本文基于日前阻塞盈余，设计实时市场的奖励券机制，激励用户在时段间转移负荷，缓解甚至消除实时运行中的网络阻塞，并提供有效的输电阻塞管理方法。在上述日前与实时“两级市场、两步结算”的市场机制下，对用户而言，实时市场的主要作用是结算与日前市场交易计划相比的不平衡量。能否激关键就在于对不平衡量如何结算。与日前相比，如果用户在实时市场将部分用电量转移到其它时段，其用电支付将发生一定的变化。
实施机制。1）设置奖励券的时序安排。奖励券的设置和相关信息发布安排在日前市场和实时市场之间，时序安排如图1所示。图1表示了以下3个阶段：①首次结算。在日前，首先按照日前市场形成的LMP与用户结算。②设置奖励券。结算完成后，开始设置次日实时市场的.奖励券，并在设置完成后予以发布，以激励用户在实时市场的响应。③二次结算.在次日的实时市场结束时，按照实时LMP和设定的奖励券与用户的偏差电量结算。
2）设置奖励券的步骤。由日前交易计划的计算结果，可根据式(7)计算得到每个时段每个节点的L-R因子。而后即可设置实时市场的奖励券，主要过程如下：首先，对L-R因子为正的时段节点，按因子大小排序。因子越大，相应时段节点的排序越靠前。其次，逐个确定奖励券的额度。按照优先级顺序，先选取L-R因子最大的时段节点，以迭代递增的方式设置奖励券，并在迭代过程中根据负荷弹性系数测算该时段线路潮流的变化。随着奖励券额度逐渐增大，该时段节点的负荷逐渐增加，如果奖励券额度达到了预设的额度上限，或者预计该时段将出现阻塞，则本轮迭代停止，完成该时段节点的奖励券额度设置。然后选取L-R因子次大的时段节点，以同样的方式迭代设置相应的奖励券额度。如此循环往复，直至所有L-R因子为正的时段节点均已设置了奖励券，或所有奖励券价值总和与日前阻塞盈余相等，或日前线路阻塞预期全部得到消除为止。完成上述工作后，也就确定了所有发放奖励券的时段、节点和相应的额度，以便在实时市场之前公布，引导和激励用户响应。
3）实施流程。实施过程中还应考虑以下因素：首先，尽管阻塞时段个别节点负荷的增加也会有助于减轻线路阻塞、减少系统再调度成本，但从系统安全运行的角度出发，奖励券的发放应优先面向非阻塞时段的节点，促使负荷的时空分布更加均匀；其次，奖励券的单位价值一般也不应超过该节点在日前市场阻塞时段的节点电价。文献[8]的研究表明，可中断负荷用于阻塞管理的最优调度原则是调用可中断负荷直至补偿价格与所在节点的LMP相等为止，从而为本文设定奖励券额度上限提供重要参考。综上，基于奖励券机制的阻塞管理方法如图2所示。图中：虚线框①表示形成日前交易计划、并根据各时段阻塞线路影子价格计算L-R因子的过程；虚线框②表示外层循环，根据L-R因子排序，在每一轮次循环中选定相应的时段t和节点n。该层循环的中止条件为所有L-R因子为正的时段节点均完成设置奖励券；虚线框③表示内层循环，对选定的时段*t、节点*n，以为步长，迭代递增设置相应奖励券的额度**bt,n。当**bt,n增加到超过预设的奖励券额度上限**bt,n或引起该时段出现阻塞时，即跳出内层循环，回到外层循环，寻找L-R因子次大的时段和节点，而后再次进入内层循环设置该时段节点的奖励券。随着内外层循环的交替进行，当日前阻塞盈余用尽或日前阻塞完全得到消除时，停止循环，完成设置奖励券。
这一奖励券机制价值如下：
1）深度激励用户响应。日前交易计划确定后，用户支付已经锁定，而实时市场价格风险又比较大，用户响应的动力不足。而奖励券的设置减小了用户在日前市场后转移时段负荷所面临的价格风险，使他们有更大的动力以有利于系统运行的方式调整自身的用电行为。
2）减轻系统实时阻塞。在奖励券的激励下，用户响应将改变系统中节点负荷的时段分布。由L-R因子可知，与日前交易计划相比，这一改变将有利于从整体上降低系统的再调度成本，减轻线路阻塞程度。
3）增进用户福利。实时市场中，若指定节点的电力用户从阻塞时段向奖励券时段转移用电，则可以获得奖励券。这是因为他们的用电行为有益于系统阻塞管理，理应获得相应的奖励。与此同时，其他电力用户仍然按照实时LMP结算用电偏差量。因此，奖励券机制将从整体上增进用户福利。需要强调的是，与文献[7]不同，上述机制并不是对节点边际电价的简单修正，也并非将阻塞盈余简单地返还给电力用户。所有的电力用户仍可从日前市场和实时市场的LMP中获得用电边际成本的经济信号，只是在此基础上，对在特定时间、特定节点改变用电的用户提供了额外的经济信号。节点边际价格机制的有效性并未受到影响。
四、算例分析
下文采用扩展的IEEE30节点算例验证上述机制和方法的合理性、有效性。方便起见，将原IEEE30节点标准算例数据扩展至4个时段，并修改个别线路的潮流限值，作为日前市场的基本数据。机组报价如表1所示。经Matpower最优潮流计算，得到各时段的线路阻塞情况如表2所示。表中：时段1和时段4未出现线路阻塞；时段2仅有18号线路出现了阻塞；时段3则有18、29、35号3条线路均出现了阻塞，其中29、35号线路为反向潮流。由计算可知，日前阻塞盈余为3076.47USD，系统再调度成本为164.77USD。
设各节点的价格需求弹性系数为已知。以节点1为例，其4个时段的价格需求弹性系数矩阵如表3所示。在该系数矩阵中，对角元素为每个时段的自弹性系数，非对角元素为两个时段间的交叉弹性系数。由于只对由阻塞时段向非阻塞时段转移的负荷提供奖励券，因此阻塞时段之间和非阻塞时段之间与奖励券相关的交叉弹性系数为零。此外，每一行的弹性系数之和为零，也即假设所有负荷在时段间是“无损”转移。根据式(7)，由节点的价格需求弹性系数、各时段的节点负荷、节点对阻塞线路的转移分布因子和阻塞线路的影子价格，计算得到如图4所示的各节点的L-R因子。其中非阻塞时段(时段1和时段4)共有21个时段节点的L-R因子大于零。由表4可知，时段4的21号节点L-R因子最大，应当优先发放奖励券。其它节点的优先级按L-R因子从大到小依次降低。
根据3.4节的实施流程，以1USD/MWh为步长，以各节点在相应时段日前LMP的60%为奖励券发放的上限，求得系统在实时市场中实施奖励券的情况如表5所示。结果表明，每个节点的奖励券额度均达到限定的最大值。需要注意的是，奖励券预设的上限、用于奖励券的阻塞盈余总额等约束都会对奖励券的额度造成影响，需要结合用户的价格需求弹性、线路阻塞程度等实际状况综合确定这些边界条件。
根据价格需求弹性系数矩阵可以计算得到节点负荷的时段变化。在此基础上的最优调度结果显示，负荷响应后，时段2的阻塞消除，时段3也仅剩35号线路出现阻塞，系统阻塞状况大为减轻。与此同时，用于发放奖励券的资金总价值仅为579.64USD，不到日前阻塞盈余总额的1/5。因此，通过选择L-R因子较大的时段节点并发放相应的奖励券，可以以相对少的资金更加有效地“撬动”用户响应，达成更好的阻塞管理效果。剩余的阻塞盈余可以累积进入单独的基金账户，作为今后奖励券的资金来源，也为实时市场奖励券的支付提供了更加充分的资金保障。与采用可中断负荷的阻塞管理方法相比，上述基于奖励券机制的方法降低了负荷响应的门槛，使更多的电力用户能够广泛参与到系统的输电阻塞管理过程中，从而提供了更为丰富的负荷响应资源和阻塞管理手段。与采用峰谷电价机制的方法相比，本文保留了LMP作为边际价格所包含的丰富价格信息，并实现了相对的“精确制导”，对系统阻塞管理贡献越大的用户，从奖励券机制中获得的收益越多。为更好地实施这一机制，需要更加充分地采集负荷相关信息、建立更加精确的负荷模型，对各节点用户在不同时段的价格需求弹性系数进行更深入的研究。
五、结论
1）本文提出了基于输电阻塞盈余的实时市场奖励券机制，充分利用日前市场与实时市场的时序衔接，以日前阻塞盈余作为资金来源，通过对指定时段、指定节点发放增加用电的奖励券，激励用户负荷的时段转移，以减轻实时运行中的线路阻塞。该机制将深化电力用户与系统的互动，激励更多用户参与到输电阻塞管理。
2）引入了节点边际价格再调度费用影响因子(L-R因子)，作为奖励券机制中选择时段和节点的依据。该因子可以衡量节点价格变化对系统再调度成本的影响，从经济性的角度，使系统以较少的资金投入激励用户更加有效的负荷时段转移，达成更好的阻塞管理效果。
3）通过扩展的IEEE30节点算例验证了本文所提机制与方法的有效性。
4）尽管本文研究的是电力市场环境下的激励机制，但对我国当前的智能电网建设也具有现实意义。奖励券机制落实和细化了发改委和财政部最新的需求侧响应政策，详细给出了在什么时段和节点开展奖励，以最有效的方式消除阻塞，激励用户以配合的方式用电，提升电力资产的利用率。，
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