區(qū)域節(jié)能論文：區(qū)域節(jié)能市場模式建構(gòu)及其有效性探討
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本文作者：文旭、顏偉、王俊梅、郭琳、黃淼、邱大強(qiáng) 單位：輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))、重慶電網(wǎng)電力交易中心、重慶市電力科學(xué)研究院
隨著節(jié)能降耗形勢的進(jìn)一步嚴(yán)峻，對跨省交易的能耗或節(jié)能效益進(jìn)行評估與考核必將成為各省級電網(wǎng)面臨的重大現(xiàn)實課題[6]。為此，考慮在區(qū)域市場通過跨省交易實現(xiàn)廣域范圍節(jié)能的角度，提出了區(qū)域節(jié)能電力市場(簡稱區(qū)域節(jié)能市場)新模式；同時在構(gòu)建的區(qū)域節(jié)能市場模式下，考慮跨省交易的能耗評估建立了省級電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃購電模型，以期為在區(qū)域市場開展節(jié)能降耗工作提供借鑒。需指出的是，本文重點以區(qū)域節(jié)能市場模式以及該模式下的購電模型進(jìn)行討論，但其基本思路可推廣到跨省跨區(qū)交易的全國電力市場。
區(qū)域節(jié)能市場交易模式的構(gòu)建
區(qū)域節(jié)能市場交易模式構(gòu)建的整體思路。所建的區(qū)域節(jié)能市場與現(xiàn)有省內(nèi)節(jié)能市場的不同之一在于其交易主體中含省級電網(wǎng)售電單位。由于省級電網(wǎng)售電單位其網(wǎng)內(nèi)各機(jī)組在不同時段參與跨省售電時可能存在多種組合，其能耗水平具有一定的不確定性。由此，區(qū)域節(jié)能市場交易模式的建立將面臨如下問題：1）區(qū)域市場交易機(jī)構(gòu)如何設(shè)計區(qū)域節(jié)能市場的交易流程，以滿足省級電網(wǎng)跨省交易的能耗評估和節(jié)能需要。2）在區(qū)域節(jié)能市場的交易中，各省級電網(wǎng)售電單位如何申報其能耗水平，以實現(xiàn)其省內(nèi)省外能耗的分割。3）區(qū)域市場交易機(jī)構(gòu)如何確定跨省交易邊際能耗水平限制值，以提高區(qū)域市場整體的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益。4）如何評估區(qū)域節(jié)能市場中省級電網(wǎng)跨省交易的能耗與節(jié)能效益。為此，本文重點對包含上述4個問題的區(qū)域節(jié)能市場交易模式展開研究。
區(qū)域節(jié)能市場跨省交易的基本流程設(shè)計。與省內(nèi)節(jié)能市場將售電單位的能耗作為公開數(shù)據(jù)不同，本文將區(qū)域節(jié)能市場中各跨省售電省級電網(wǎng)申報的能耗水平在交易前作為保密數(shù)據(jù)(可直接參與跨省交易的機(jī)組其能耗水平仍可作為公開數(shù)據(jù))，采取交易后再公開其能耗水平的思路。通過市場競爭實現(xiàn)能耗水平的優(yōu)化，同時降低能耗水平的全部公開引起各售電單位投機(jī)性報價的可能性。為此，重點以跨省售電省級電網(wǎng)為例，對區(qū)域節(jié)能市場跨省交易基本流程設(shè)計如下：1）首先，各省級電網(wǎng)根據(jù)自身網(wǎng)內(nèi)剩余的可競價交易發(fā)電能力(某些高能耗機(jī)組具有剩余發(fā)電能力，但無競價交易資格)、預(yù)測的區(qū)域市場負(fù)荷需求以及跨省交易能耗水平準(zhǔn)入條件，各自獨立組織本省具有富裕發(fā)電能力的機(jī)組參與跨省售電；然后，統(tǒng)一以模式作為區(qū)域市場的一個售電單位申報跨省交易的電價、電量以及能耗水平信息。2）區(qū)域市場交易機(jī)構(gòu)得到各售電單位申報的上述交易信息后，確定最低的能耗水平約束值作為區(qū)域市場跨省交易能耗水平準(zhǔn)入條件，以確定具有跨省交易資格的售電單位。3）區(qū)域市場交易機(jī)構(gòu)在已確定的具有跨省售電資格的售電單位中，結(jié)合各購電單位的申報電價、電量信息，按照區(qū)域市場交易規(guī)則以及安全校核[11]，確定交易成功的購售電方。4）交易成功的購售電雙方簽訂電能交易合同，評估計算出各交易合同中的能耗或節(jié)能效益，將售電方的能耗或節(jié)能效益折算到購電方。
省級電網(wǎng)跨省售電能耗水平申報值的確定方法。為實現(xiàn)省級電網(wǎng)跨省售電時省內(nèi)省外能耗的合理分割和確定省級電網(wǎng)跨省售電的能耗水平，本文提出了各省級電網(wǎng)跨省售電時能耗考核“省內(nèi)較省外優(yōu)先滿足”的思路。從區(qū)域市場的角度，各省級電網(wǎng)均是在滿足自身負(fù)荷平衡之后，如果各統(tǒng)調(diào)機(jī)組還有富裕發(fā)電能力(還需滿足一定的跨省交易能耗水平準(zhǔn)入條件)，才能采取省級電網(wǎng)模式跨省售電[10](具有直接參與跨省交易資格的統(tǒng)調(diào)機(jī)組除外)?？梢?，電能交易計劃具有省內(nèi)較省外“優(yōu)先滿足”的特點。從節(jié)能降耗的角度，各省級電網(wǎng)均優(yōu)先安排水電等綠色能源發(fā)電，再按能耗水平由高到低排序確定火電等機(jī)組發(fā)電，以最大化提高本省的能耗水平與節(jié)能效益[4-5]。綜上分析，考慮節(jié)能降耗與區(qū)域市場的結(jié)合，本文提出能耗考核省內(nèi)較省外“優(yōu)先滿足”的思路：各省級電網(wǎng)跨省售電時，根據(jù)節(jié)能調(diào)度排序的思路對自身所有具有競價交易資格(部分高能耗機(jī)組只具有計劃分配電量資格，而不具有競價交易資格)的發(fā)電機(jī)組按能耗水平排序[5]，排在滿足本省負(fù)荷需求之前的競價機(jī)組就為各省省內(nèi)交易計劃的發(fā)電機(jī)組(也就對應(yīng)該省省內(nèi)交易能耗水平考核對象)；而排在本網(wǎng)負(fù)荷需求以外的競價機(jī)組就為該省級電網(wǎng)跨省售電電能來源，該部分機(jī)組對應(yīng)跨省交易電量的平均能耗水平就為該省級電網(wǎng)參與跨省交易的能耗申報水平。由此，為提高跨省交易的能耗水平競爭優(yōu)勢，跨省售電省級電網(wǎng)會在預(yù)測區(qū)域市場能耗水平約束值基礎(chǔ)上，在省內(nèi)理性設(shè)定能耗水平，以限制部分具有競價資格的高能耗機(jī)組參與跨省售電，從而實現(xiàn)跨省交易能耗水平的整體提高。
跨省交易邊際能耗水平約束值的確定方法。為提高區(qū)域節(jié)能市場跨省交易經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益的綜合效益，本文在對區(qū)域市場跨省交易邊際能耗水平約束值的確定時，提出了采取跨省交易各售電單位申報的總?cè)萘砍渥懵手笜?biāo)[13](bidsufficiency，BS)達(dá)到125%時的邊際能耗水平，在此基礎(chǔ)上再將能耗懲罰的模式應(yīng)用到所建的區(qū)域節(jié)能市場模式。現(xiàn)有文獻(xiàn)在對市場交易中的能耗水平約束值進(jìn)行選取時，多采用在無約束的能耗總量(一定時期)或能耗率的基礎(chǔ)上降低一個百分點[3]、政府下達(dá)的能耗水平[3-5,8]作為選取標(biāo)準(zhǔn)。這些能耗水平約束值的選取獲得了較好的節(jié)能效益，但沒有兼顧市場競爭的需要。根據(jù)美國加州電力市場多年運行經(jīng)驗，當(dāng)市場中各售電單位申報的BS大于125%時，可認(rèn)為市場競爭比較充分，售電單位的市場投機(jī)行為概率較小[13]。為此，本文對申報參與區(qū)域節(jié)能市場交易的所有售電單位按照能耗水平由高到低排序，并依次統(tǒng)計總申報容量。為確保區(qū)域市場的安全運行，區(qū)域市場規(guī)定跨省交易電量與電力具有確定的函數(shù)關(guān)系[10]，當(dāng)售電單位申報的是電量信息時可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)時段的容量信息。當(dāng)申報總?cè)萘坷塾嬤_(dá)到跨省交易需求容量的125%時，其對應(yīng)的售電單位就可確定為跨省交易邊際售電單位。該單位對應(yīng)的能耗水平就為跨省交易邊際能耗水平約束值，低于該能耗水平的售電申報單位，則不具有售電資格。所提的區(qū)域節(jié)能市場能耗水平約束取BS為125%時邊際售電單位能耗水平具有一定經(jīng)濟(jì)上的合理性，但同時也可能給低價高能耗售電單位(也滿足BS為125%時能耗水平要求)創(chuàng)造較大的競價空間，有可能造成區(qū)域市場節(jié)能效益不明顯。為此，本文將能耗懲罰節(jié)能模式[8]應(yīng)用到所提的區(qū)域節(jié)能市場中。具體如下：在市場結(jié)算時，由區(qū)域市場交易機(jī)構(gòu)向各售電單位全電量加收其超標(biāo)能耗的外部成本，使跨省交易售電單位在參與市場交易時其報價中包含交易電量超標(biāo)能耗的外部成本。由此，在滿足區(qū)域節(jié)能市場能耗水平約束值基礎(chǔ)之上，在售電側(cè)形成有利于節(jié)能減排的競爭格局。
考慮跨省交易能耗評估的隨機(jī)規(guī)劃購電模型
在構(gòu)建的區(qū)域節(jié)能市場模式下，由于跨省交易的能耗由購電單位承擔(dān)，參與跨省購電的省級電網(wǎng)在該市場模式下如何實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益的最大化就成為關(guān)注的焦點。由此，重點以省級電網(wǎng)月度典型負(fù)荷狀態(tài)(峰、平、谷)參與區(qū)域節(jié)能市場購電時的單購電方情形建模。在構(gòu)建的區(qū)域節(jié)能市場模式下，由于其交易管理機(jī)構(gòu)對各售電單位收取了超標(biāo)能耗懲罰折價(此時網(wǎng)內(nèi)機(jī)組也需考慮超標(biāo)能耗懲罰折價)，各售電單位申報電價中自然包含了能耗水平的差異信息，且其超標(biāo)能耗已折算到了內(nèi)部成本的同一度量平臺。由此，省級電網(wǎng)在參與區(qū)域市場交易的購電模型可理解為是經(jīng)典的購電費用最小組合優(yōu)化問題在區(qū)域節(jié)能市場中的延伸[14-15]。而模型還需重點考慮跨省交易電力電量函數(shù)關(guān)系約束以及跨省售電單位邊際能耗水平約束。另外，現(xiàn)有節(jié)能市場模式下其購電模型均屬確定性的節(jié)能模型[3-8]。而實際節(jié)能市場環(huán)境中市場電價、水電(或風(fēng)電)生產(chǎn)、負(fù)荷需求均具有一定隨機(jī)性。對市場電價隨機(jī)性帶來的風(fēng)險價值，鑒于半絕對離差(semi-absolutedeviation)半方差風(fēng)險向下的概念能夠體現(xiàn)風(fēng)險的本質(zhì)[15]，可選用半絕對離差來度量購電組合的風(fēng)險價值。對水電生產(chǎn)與負(fù)荷需求的隨機(jī)性，如果要保證所有隨機(jī)狀態(tài)對應(yīng)的交易方案都滿足購電單位的負(fù)荷供需平衡,購電方案會過于保守，可采用含隨機(jī)變量的機(jī)會約束來描述負(fù)荷供需函數(shù)關(guān)系。由此，模型可在含機(jī)會約束的隨機(jī)規(guī)劃理論框架下建模。不失一般性，為突出重點模型還作如下簡化：1）市場電價、負(fù)荷需求均服從正態(tài)分布，水電生產(chǎn)服從均勻分布[9,14]；2）忽略網(wǎng)絡(luò)安全問題與跨省交易輸電費用；3）年度購電計劃在該月的分解計劃已經(jīng)完成，模型中不再單獨表示。
針對所建的含機(jī)會約束的隨機(jī)規(guī)劃模型，因很難將機(jī)會約束式(7)(8)轉(zhuǎn)化為確定的等價類，故可采用內(nèi)嵌蒙特卡洛隨機(jī)模擬技術(shù)的遺傳算法求解[16]。為滿足實際交易中購電單位對風(fēng)險偏好的要求，可先將各目標(biāo)函數(shù)處理成同一數(shù)量級后，再根據(jù)購電單位對風(fēng)險價值的偏好程度采用線性加權(quán)和法將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)[17]。
以2010年6月某省級電網(wǎng)在區(qū)域市場購電的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例，仿真驗證所建區(qū)域市場節(jié)能模式以及購電模型的有效性。該電網(wǎng)月總預(yù)測需求電量為5.572TWh，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0820TWh；峰、平、谷電量比為15:10:6；水電電量為0.700~0.728TWh(均勻分布)；省內(nèi)火電平均煤耗率為340.0g/kWh，邊際煤耗率為348.0g/kWh，電價均值為0.432元/kWh(不含超標(biāo)能耗懲罰折價)，電價標(biāo)準(zhǔn)差為0.030元/kWh；區(qū)域市場售電單位包括A、B、C、D和E共5個。其中A、B為獨立水電廠，C、D和E為以模式跨省售電的省級電網(wǎng)，各售電單位交易基礎(chǔ)信息見表1。設(shè)定區(qū)域市場社會基準(zhǔn)煤耗率為280.0g/kWh、國際市場煤價為200USD/t、人民幣與美元匯率為6.80元/USD[8]。利用上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計以下4種方案對該月峰、平、谷各典型狀態(tài)下該省級電網(wǎng)參與區(qū)域市場交易的經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能效益進(jìn)行評估，最后匯總月交易數(shù)據(jù)。風(fēng)險價值權(quán)重取0.30[17]，各機(jī)會約束置信水平均取90%。方案1：不考慮跨省交易邊際能耗水平約束以及超標(biāo)能耗懲罰折價，且不考慮市場電價、水電生產(chǎn)以及負(fù)荷需求的隨機(jī)性。方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)[6]提出的能耗約束交易模式。能耗水平約束值取購電單位邊際能耗水平。方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，采用所提的區(qū)域節(jié)能市場模式。能耗水平約束值取區(qū)域市場BS為125%時的邊際能耗水平，同時考慮超標(biāo)能耗懲罰折價方式。方案4：在方案3的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮市場電價、水電生產(chǎn)以及負(fù)荷需求的隨機(jī)性，同時考慮機(jī)會約束。
區(qū)域節(jié)能市場模式對購電決策的影響分析。方案1—4仿真得到的售電單位組合以及對應(yīng)的電量、煤耗(峰荷狀態(tài))如表2所示。月總購電經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益如表3所示。在表2中，方案3較方案2多售電主體D，由此說明，在構(gòu)建的區(qū)域節(jié)能市場中跨省交易邊際能耗水平約束值取BS為125%時的能耗水平較采用購電單位邊際能耗水平值[6]會使市場競爭更加充分。在售電單位C、D均具有跨省交易資格的方案1、3中，方案1按照傳統(tǒng)內(nèi)部成本報價時售電單位C申報電價較D高。采用了超標(biāo)能耗懲罰折價的區(qū)域市場交易模式后，由于C的能耗率遠(yuǎn)低于D，使得C的報價反而較D低，從而使得方案3較方案1優(yōu)先購買了C的電能。可見，在市場交易中考慮能耗懲罰具有引導(dǎo)低能耗率售電單位向更具交易優(yōu)先權(quán)方向轉(zhuǎn)化的作用。在表3中，方案3(本文所提的能耗約束與能耗懲罰相結(jié)合的新方法)較方案1(傳統(tǒng)純市場模式)多支出0.1295億元，該費用可購0.9522萬t煤，但實際多節(jié)能1.787萬t煤。方案3較方案2[6]少節(jié)能0.5875萬t煤，但少支出0.133億元，該費用可購0.978萬t煤。顯然，方案3更兼顧了經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益的統(tǒng)籌社會福利最大。
綜上所述，在節(jié)能環(huán)境下對區(qū)域市場跨省交易的能耗進(jìn)行評估和考核，能夠更加有效促進(jìn)資源在廣域范圍的優(yōu)化配置。在市場交易中采用能耗約束與能耗懲罰相結(jié)合的新方法，能更好兼顧市場競爭以及能耗考核的雙重需要。3.2.2考慮跨省交易能耗評估的隨機(jī)規(guī)劃購電模型的有效性分析由表2可見，在構(gòu)建的區(qū)域節(jié)能市場環(huán)境下，方案4(本文所建省級電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃購電模型)考慮了市場電價、水電生產(chǎn)以及負(fù)荷需求的隨機(jī)性后，能夠給出滿足符合供需平衡置信水平要求的最小風(fēng)險價值。雖然其節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益在一定程度上較方案3有所降低，但這真實反映了電力市場的隨機(jī)性與風(fēng)險價值的本質(zhì)，符合購電單位購電決策的需要，其模型具有實際意義。另外，所建的省級電網(wǎng)購電模型中還考慮了實際跨省交易中電力電量具有確定函數(shù)關(guān)系的特點(該函數(shù)關(guān)系區(qū)別于省內(nèi)交易時電力電量的弱耦合關(guān)系特點)，從而使所建的購電模型能夠適應(yīng)區(qū)域節(jié)能市場跨省交易的能耗評估的實際需要。
區(qū)域節(jié)能市場模式以及該模式下省級電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃購電模型的普適性、實用性討論。鑒于單個算例并不能完全體現(xiàn)所建區(qū)域節(jié)能市場模式及該模式下省級電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃購電模型的普適性以及實用性，為此討論如下：
1）首先采用能耗約束模式(BS為125%時的能耗水平)淘汰高能耗售電單位，然后再以超標(biāo)能耗的懲罰折價體現(xiàn)低能耗率售電單位的交易優(yōu)先權(quán)。上述兩種節(jié)能模式的結(jié)合還進(jìn)一步考慮了區(qū)域市場區(qū)別于省內(nèi)交易的能耗評估與交易規(guī)則特點，故所建區(qū)域節(jié)能市場模式較省內(nèi)節(jié)能市場模式更具普適性。
2）所提區(qū)域節(jié)能市場模式實現(xiàn)了與現(xiàn)有交易規(guī)則的有效銜接，具有較強(qiáng)的實用性。但在實際應(yīng)用時還需進(jìn)一步參考各市場的發(fā)展成熟度以及節(jié)能降耗工作的進(jìn)展(如高能耗機(jī)組淘汰進(jìn)程)，以提高該方法的實用性。
3）在區(qū)域節(jié)能市場存在多個購售電方時，結(jié)合各購售電方交易電量的結(jié)算[10]以及售電方能耗水平的確定，可實現(xiàn)區(qū)域節(jié)能市場能耗以及節(jié)能效益的整體評估。
4）對跨省售電的省級電網(wǎng)而言，可利用所建的購電模型在考慮售電收益后，在一定能耗水平條件下購買省內(nèi)機(jī)組的富裕電能參與跨省售電。此時，該省級電網(wǎng)類似中間交易商的角色，在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時需承擔(dān)由于區(qū)域市場電價、負(fù)荷等隨機(jī)性帶來的收益風(fēng)險。
5）區(qū)域市場節(jié)能考核管理機(jī)構(gòu)對跨省交易的節(jié)能效益進(jìn)行控制時，采用式(2)對區(qū)域市場的各交易方案的節(jié)能效益進(jìn)行評估。利用評估結(jié)果可采用以下兩種手段實現(xiàn)節(jié)能效益的控制：①在BS為125%的基礎(chǔ)上調(diào)整區(qū)域市場跨省交易能耗水平約束值；②調(diào)整售電單位能耗懲罰折價[8]，實質(zhì)是調(diào)整區(qū)域市場交易中經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能效益之間的權(quán)重。
結(jié)論
在更廣域的市場開展節(jié)能降耗工作具有重要的現(xiàn)實意義。本文考慮跨省交易的能耗評估提出了區(qū)域節(jié)能市場模式。由此，將節(jié)能降耗工作的開展從省內(nèi)市場擴(kuò)展到了區(qū)域市場。在所建的區(qū)域節(jié)能市場模式下，考慮市場中的各種隨機(jī)因素以及跨省交易的實際特點，構(gòu)建了考慮跨省交易能耗評估的省級電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃購電模型。算例證明了所建的區(qū)域節(jié)能市場模式與購電模型的有效性。建議有關(guān)部門適時對區(qū)域市場跨省交易的能耗與節(jié)能效益進(jìn)行評估與考核，以促進(jìn)節(jié)能降耗工作的深入開展。
