區域節能論文：區域節能市場模式建構及其有效性探討

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本文作者：文旭、顏偉、王俊梅、郭琳、黃淼、邱大強 單位：輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)、重慶電網電力交易中心、重慶市電力科學研究院

隨著節能降耗形勢的進一步嚴峻，對跨省交易的能耗或節能效益進行評估與考核必將成為各省級電網面臨的重大現實課題[6]。為此，考慮在區域市場通過跨省交易實現廣域范圍節能的角度，提出了區域節能電力市場(簡稱區域節能市場)新模式；同時在構建的區域節能市場模式下，考慮跨省交易的能耗評估建立了省級電網隨機規劃購電模型，以期為在區域市場開展節能降耗工作提供借鑒。需指出的是，本文重點以區域節能市場模式以及該模式下的購電模型進行討論，但其基本思路可推廣到跨省跨區交易的全國電力市場。

區域節能市場交易模式的構建

區域節能市場交易模式構建的整體思路。所建的區域節能市場與現有省內節能市場的不同之一在于其交易主體中含省級電網售電單位。由于省級電網售電單位其網內各機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，區域節能市場交易模式的建立將面臨如下問題：1）區域市場交易機構如何設計區域節能市場的交易流程，以滿足省級電網跨省交易的能耗評估和節能需要。2）在區域節能市場的交易中，各省級電網售電單位如何申報其能耗水平，以實現其省內省外能耗的分割。3）區域市場交易機構如何確定跨省交易邊際能耗水平限制值，以提高區域市場整體的經濟與節能效益。4）如何評估區域節能市場中省級電網跨省交易的能耗與節能效益。為此，本文重點對包含上述4個問題的區域節能市場交易模式展開研究。

區域節能市場跨省交易的基本流程設計。與省內節能市場將售電單位的能耗作為公開數據不同，本文將區域節能市場中各跨省售電省級電網申報的能耗水平在交易前作為保密數據(可直接參與跨省交易的機組其能耗水平仍可作為公開數據)，采取交易后再公開其能耗水平的思路。通過市場競爭實現能耗水平的優化，同時降低能耗水平的全部公開引起各售電單位投機性報價的可能性。為此，重點以跨省售電省級電網為例，對區域節能市場跨省交易基本流程設計如下：1）首先，各省級電網根據自身網內剩余的可競價交易發電能力(某些高能耗機組具有剩余發電能力，但無競價交易資格)、預測的區域市場負荷需求以及跨省交易能耗水平準入條件，各自獨立組織本省具有富裕發電能力的機組參與跨省售電；然后，統一以模式作為區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）區域市場交易機構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域市場跨省交易能耗水平準入條件，以確定具有跨省交易資格的售電單位。3）區域市場交易機構在已確定的具有跨省售電資格的售電單位中，結合各購電單位的申報電價、電量信息，按照區域市場交易規則以及安全校核[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能效益，將售電方的能耗或節能效益折算到購電方。

省級電網跨省售電能耗水平申報值的確定方法。為實現省級電網跨省售電時省內省外能耗的合理分割和確定省級電網跨省售電的能耗水平，本文提出了各省級電網跨省售電時能耗考核“省內較省外優先滿足”的思路。從區域市場的角度，各省級電網均是在滿足自身負荷平衡之后，如果各統調機組還有富裕發電能力(還需滿足一定的跨省交易能耗水平準入條件)，才能采取省級電網模式跨省售電[10](具有直接參與跨省交易資格的統調機組除外)。可見，電能交易計劃具有省內較省外“優先滿足”的特點。從節能降耗的角度，各省級電網均優先安排水電等綠色能源發電，再按能耗水平由高到低排序確定火電等機組發電，以最大化提高本省的能耗水平與節能效益[4-5]。綜上分析，考慮節能降耗與區域市場的結合，本文提出能耗考核省內較省外“優先滿足”的思路：各省級電網跨省售電時，根據節能調度排序的思路對自身所有具有競價交易資格(部分高能耗機組只具有計劃分配電量資格，而不具有競價交易資格)的發電機組按能耗水平排序[5]，排在滿足本省負荷需求之前的競價機組就為各省省內交易計劃的發電機組(也就對應該省省內交易能耗水平考核對象)；而排在本網負荷需求以外的競價機組就為該省級電網跨省售電電能來源，該部分機組對應跨省交易電量的平均能耗水平就為該省級電網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勢，跨省售電省級電網會在預測區域市場能耗水平約束值基礎上，在省內理性設定能耗水平，以限制部分具有競價資格的高能耗機組參與跨省售電，從而實現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。為提高區域節能市場跨省交易經濟效益和節能效益的綜合效益，本文在對區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容量充足率指標[13](bidsufficiency，BS)達到125%時的邊際能耗水平，在此基礎上再將能耗懲罰的模式應用到所建的區域節能市場模式。現有文獻在對市場交易中的能耗水平約束值進行選取時，多采用在無約束的能耗總量(一定時期)或能耗率的基礎上降低一個百分點[3]、政府下達的能耗水平[3-5,8]作為選取標準。這些能耗水平約束值的選取獲得了較好的節能效益，但沒有兼顧市場競爭的需要。根據美國加州電力市場多年運行經驗，當市場中各售電單位申報的BS大于125%時，可認為市場競爭比較充分，售電單位的市場投機行為概率較小[13]。為此，本文對申報參與區域節能市場交易的所有售電單位按照能耗水平由高到低排序，并依次統計總申報容量。為確保區域市場的安全運行，區域市場規定跨省交易電量與電力具有確定的函數關系[10]，當售電單位申報的是電量信息時可轉化為相應時段的容量信息。當申報總容量累計達到跨省交易需求容量的125%時，其對應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。所提的區域節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濟上的合理性，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)創造較大的競價空間，有可能造成區域市場節能效益不明顯。為此，本文將能耗懲罰節能模式[8]應用到所提的區域節能市場中。具體如下：在市場結算時，由區域市場交易機構向各售電單位全電量加收其超標能耗的外部成本，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能耗的外部成本。由此，在滿足區域節能市場能耗水平約束值基礎之上，在售電側形成有利于節能減排的競爭格局。

考慮跨省交易能耗評估的隨機規劃購電模型

在構建的區域節能市場模式下，由于跨省交易的能耗由購電單位承擔，參與跨省購電的省級電網在該市場模式下如何實現經濟和節能效益的最大化就成為關注的焦點。由此，重點以省級電網月度典型負荷狀態(峰、平、谷)參與區域節能市場購電時的單購電方情形建模。在構建的區域節能市場模式下，由于其交易管理機構對各售電單位收取了超標能耗懲罰折價(此時網內機組也需考慮超標能耗懲罰折價)，各售電單位申報電價中自然包含了能耗水平的差異信息，且其超標能耗已折算到了內部成本的同一度量平臺。由此，省級電網在參與區域市場交易的購電模型可理解為是經典的購電費用最小組合優化問題在區域節能市場中的延伸[14-15]。而模型還需重點考慮跨省交易電力電量函數關系約束以及跨省售電單位邊際能耗水平約束。另外，現有節能市場模式下其購電模型均屬確定性的節能模型[3-8]。而實際節能市場環境中市場電價、水電(或風電)生產、負荷需求均具有一定隨機性。對市場電價隨機性帶來的風險價值，鑒于半絕對離差(semi-absolutedeviation)半方差風險向下的概念能夠體現風險的本質[15]，可選用半絕對離差來度量購電組合的風險價值。對水電生產與負荷需求的隨機性，如果要保證所有隨機狀態對應的交易方案都滿足購電單位的負荷供需平衡,購電方案會過于保守，可采用含隨機變量的機會約束來描述負荷供需函數關系。由此，模型可在含機會約束的隨機規劃理論框架下建模。不失一般性，為突出重點模型還作如下簡化：1）市場電價、負荷需求均服從正態分布，水電生產服從均勻分布[9,14]；2）忽略網絡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完成，模型中不再單獨表示。

針對所建的含機會約束的隨機規劃模型，因很難將機會約束式(7)(8)轉化為確定的等價類，故可采用內嵌蒙特卡洛隨機模擬技術的遺傳算法求解[16]。為滿足實際交易中購電單位對風險偏好的要求，可先將各目標函數處理成同一數量級后，再根據購電單位對風險價值的偏好程度采用線性加權和法將其轉化為單目標[17]。

以2010年6月某省級電網在區域市場購電的基礎數據為例，仿真驗證所建區域市場節能模式以及購電模型的有效性。該電網月總預測需求電量為5.572TWh，標準差為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(不含超標能耗懲罰折價)，電價標準差為0.030元/kWh；區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，各售電單位交易基礎信息見表1。設定區域市場社會基準煤耗率為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]。利用上述基礎數據設計以下4種方案對該月峰、平、谷各典型狀態下該省級電網參與區域市場交易的經濟效益與節能效益進行評估，最后匯總月交易數據。風險價值權重取0.30[17]，各機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能耗懲罰折價，且不考慮市場電價、水電生產以及負荷需求的隨機性。方案2：在方案1的基礎上，采用文獻[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的基礎上，采用所提的區域節能市場模式。能耗水平約束值取區域市場BS為125%時的邊際能耗水平，同時考慮超標能耗懲罰折價方式。方案4：在方案3的基礎上，進一步考慮市場電價、水電生產以及負荷需求的隨機性，同時考慮機會約束。

區域節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的電量、煤耗(峰荷狀態)如表2所示。月總購電經濟效益、節能效益如表3所示。在表2中，方案3較方案2多售電主體D，由此說明，在構建的區域節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按照傳統內部成本報價時售電單位C申報電價較D高。采用了超標能耗懲罰折價的區域市場交易模式后，由于C的能耗率遠低于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低能耗率售電單位向更具交易優先權方向轉化的作用。在表3中，方案3(本文所提的能耗約束與能耗懲罰相結合的新方法)較方案1(傳統純市場模式)多支出0.1295億元，該費用可購0.9522萬t煤，但實際多節能1.787萬t煤。方案3較方案2[6]少節能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更兼顧了經濟與節能效益的統籌社會福利最大。

綜上所述，在節能環境下對區域市場跨省交易的能耗進行評估和考核，能夠更加有效促進資源在廣域范圍的優化配置。在市場交易中采用能耗約束與能耗懲罰相結合的新方法，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規劃購電模型的有效性分析由表2可見，在構建的區域節能市場環境下，方案4(本文所建省級電網隨機規劃購電模型)考慮了市場電價、水電生產以及負荷需求的隨機性后，能夠給出滿足符合供需平衡置信水平要求的最小風險價值。雖然其節能與經濟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性與風險價值的本質，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關系的特點(該函數關系區別于省內交易時電力電量的弱耦合關系特點)，從而使所建的購電模型能夠適應區域節能市場跨省交易的能耗評估的實際需要。

區域節能市場模式以及該模式下省級電網隨機規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所建區域節能市場模式及該模式下省級電網隨機規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，然后再以超標能耗的懲罰折價體現低能耗率售電單位的交易優先權。上述兩種節能模式的結合還進一步考慮了區域市場區別于省內交易的能耗評估與交易規則特點，故所建區域節能市場模式較省內節能市場模式更具普適性。

2）所提區域節能市場模式實現了與現有交易規則的有效銜接，具有較強的實用性。但在實際應用時還需進一步參考各市場的發展成熟度以及節能降耗工作的進展(如高能耗機組淘汰進程)，以提高該方法的實用性。

3）在區域節能市場存在多個購售電方時，結合各購售電方交易電量的結算[10]以及售電方能耗水平的確定，可實現區域節能市場能耗以及節能效益的整體評估。

4）對跨省售電的省級電網而言，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機組的富裕電能參與跨省售電。此時，該省級電網類似中間交易商的角色，在獲得經濟效益的同時需承擔由于區域市場電價、負荷等隨機性帶來的收益風險。

5）區域市場節能考核管理機構對跨省交易的節能效益進行控制時，采用式(2)對區域市場的各交易方案的節能效益進行評估。利用評估結果可采用以下兩種手段實現節能效益的控制：①在BS為125%的基礎上調整區域市場跨省交易能耗水平約束值；②調整售電單位能耗懲罰折價[8]，實質是調整區域市場交易中經濟效益與節能效益之間的權重。

結論

在更廣域的市場開展節能降耗工作具有重要的現實意義。本文考慮跨省交易的能耗評估提出了區域節能市場模式。由此，將節能降耗工作的開展從省內市場擴展到了區域市場。在所建的區域節能市場模式下，考慮市場中的各種隨機因素以及跨省交易的實際特點，構建了考慮跨省交易能耗評估的省級電網隨機規劃購電模型。算例證明了所建的區域節能市場模式與購電模型的有效性。建議有關部門適時對區域市場跨省交易的能耗與節能效益進行評估與考核，以促進節能降耗工作的深入開展。