考虑现货市场竞价空间的水电站中长期交易计划分解方法与流程

本发明属于电力市场领域及水电调度运行领域，特别涉及一种考虑现货市场竞价空间的水电站中长期交易计划分解方法。

背景技术：

新一轮电力体制改革以来，我国已建成相对完善的多品种中长期交易体系，主要形成月尺度的物理电量合约，可以有效地帮助市场成员控制交易风险，锁定电能价格。为进一步提高电能资源优化配置的时效性，提供可反映电力市场短期供需关系和市场价值的经济信号，国家能源局综合司于2019年3月7日印发了《关于进一歩推进电力现货市场建设试点工作的意见(征求意见稿)》，意在推动我国电力现货市场在建设方案、衔接与运行机制、组织运营实施等方面取得实质性突破。

尽管现货市场的试点与探索工作正如火如荼开展，但中长期交易仍就发挥着不可或缺的作用。中长期合约在交割前需分解至短时间尺度，为后续现货市场提供运行边界。预测的负荷曲线与中长期交易计划分解对应的负荷曲线之间的差额即为余留现货市场竞价空间。如若不能对中长期合约进行合理分解，会导致合同难以执行，实际发电调度过程与合同分解过程严重不符，大多数电站无法完成交易计划，产生大量的超发或少发，导致结算偏差考核，产生利益损失，同时也不利于后续现货市场的平稳开展，难以实现清洁能源的充分消纳，不利于能源结构的低碳化转型，有悖于利用市场手段进行资源优化配置的电力市场建设初衷。

对于水电富集电力市场，上下游梯级水电站之间存在极为紧密的水力和电力联系，在合同分解时需充分考虑上下游之间的协调关系，由此加大了合同分解的复杂度和难度。因此，针对水电富集的电力市场，寻求中长期交易计划有效且合理的分解方式，对于下一步现货市场的平稳开展，实现中长期与现货市场的有效衔接具有重要的理论意义与实际应用价值。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种考虑现货市场竞价空间的梯级水电站中长期交易计划分解方法，能够合理的分解各流域梯级中长期交易计划，并为现货市场余留均衡化的竞价空间。

本发明的技术方案为：

一种考虑现货市场竞价空间的水电站中长期交易计划分解方法，步骤如下：

(1)目标函数的构建：兼顾各流域梯级间合约分解公平性，以余留现货竞价空间均衡化作为梯级水电站中长期交易计划分解模型的目标，其函数表达式如下：

式中：f为各流域梯级对于竞价空间调整程度之和；αi为流域梯级i的调整竞价空间的权重，为保证公平性，均取相同的正实数；i为系统内流域梯级个数；fi为流域梯级i对于竞价空间波动程度的调整水平，采用方差表示；t为分解周期时段总数；ct为t时段对应梯级水电系统的模拟负荷，由预测的系统总负荷扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间后得到；bi,t为t时段仅由流域梯级i对系统负荷调整之后的余留负荷；为bi,t在整个分解周期内t个时段的平均值；为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量对应的出力，为模型的决策变量；ji为流域梯级i内的水库个数。

(2)交易计划执行度控制约束的构建：基于电力市场结算规则中各电站实际发电量和交易计划电量的偏差考核标准，确定中长期合同的完成偏差裕度，建立交易计划执行度控制约束，表达式如下：

式中：以各水库为调度单元，为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量；δt为对应的时段长；ei,j为流域梯级i水库j的月尺度交易计划总电量；δ为合同完成的偏差裕度，根据结算规则设置，用来控制各个电站之间中长期交易计划具有相近的完成率。

由步骤(1)和步骤(2)共同构成梯级水电站中长期交易计划分解模型。

(3)计算梯级水电站中长期交易计划分解模型所需数据并输入模型：

第一步，通过计算获取待分解的中长期交易计划电量。根据水电调度单元和电力市场中交易单元的对应关系，将交易单元的成交结果通过三种方式计算形成调度单元的中长期交易计划电量，具体如下：

1)若一个交易单元对应一个调度单元，则交易单元累计中标电量即为调度单元交易计划电量；

2)若多个交易单元对应一个调度单元，则多个交易单元累计中标电量之和为调度单元交易计划电量；

3)若一个交易单元对应多个调度单元，则交易单元累计中标电量为多个调度单元的交易计划电量之和，需按照预先设置的分解比例，分解至单一的调度单元，作为单一调度单元的交易计划电量。

第二步，通过预测获取合同待交割月份以日为尺度的整月系统负荷并扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间作为梯级水电模拟负荷，通过预测获取各水电站合同待交割月份的逐日来水；预测方法均采用现有时间序列预测分析方法中的累积式自回归移动平均模型。

第三步，通过实际资料获取各电站调度期初始水位，通过电站基础资料获取梯级水电站的运行的特征参数和曲线。

第四步，将第一步～第三步中获得的数据输入梯级水电站中长期交易计划分解模型。

(4)模型求解：采用非线性规划方法求解构建的兼顾各流域梯级间合约分解公平性、以余留现货竞价空间尽量均衡化为目标的梯级水电站中长期交易计划分解模型，优化得到各流域梯级各水库在调度周期各时段分解的合同电量对应的出力，即得到各水电站的中长期交易计划分级方案以及水库的调度计划。

本发明的有益效果：

本发明方法首先构建了以余留现货竞价空间尽量均衡化，兼顾各流域梯级之间的公平性的梯级水电站中长期交易计划分解模型。其次，基于电力市场偏差考核结算规则，确定中长期交易计划完成偏差裕度，由此构建合同执行控制约束，该模型也考虑了梯级水电间复杂水力和电力联系，并采用多项式拟合技术处理模型中复杂的水电站非线性关系。再次，根据电力市场交易单元和水电调度单元的对应关系，计算获得调度单元的中长期交易计划电量，同预测获得的梯级系统模拟负荷、水电站来水以及实际的水电站运行资料一并作为模型的输入条件，最后采用非线性规划方法进行模型求解。

本发明方法能够科学合理、公平有效的将各流域梯级中长期交易计划分解至日尺度，保证中长期交易计划有效执行，所得梯级水库调度计划过程能够充分响应调度周期内的负荷变化、减小电网高峰负荷及峰谷差距、平滑剩余负荷过程，对于减缓余留现货市场竞价空间波动程度的效果显著，有助于缓解现货市场电价的剧烈波动，从而为水电富集电力市场提供了一种行之有效的梯级水电站中长期交易计划分解方法。

附图说明

图1是本发明方法的实施流程图；

图2是现货市场竞价空间示意图；

图3是澜沧江和金沙江的梯级拓扑图；

图4是场景1合同分解效果图；

图5是场景2合同分解效果图；

图6是场景1澜沧江和金沙江合同分解出力情况对比图；

图7是场景2澜沧江和金沙江合同分解出力情况对比图；

图8(a)～图8(j)分别是场景1中小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉的电站出力和水位过程图；

图9(a)～图9(j)分别是场景2中小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉的电站出力和水位过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的实施流程示意图如图1所示,具体实施步骤如下：

(1)目标函数的构建。兼顾各流域梯级间合约分解公平性，以余留现货竞价空间尽量均衡化作为梯级水电站中长期交易计划分解模型的目标，其函数表达式如下：

式中：f为各流域梯级对于竞价空间调整程度之和；αi为流域梯级i的调整竞价空间的权重，为保证公平性，均取相同的正实数；i为系统内流域梯级个数；fi为流域梯级i对于竞价空间波动程度的调整水平，采用方差表示；t为分解周期时段总数；ct为t时段对应梯级水电系统的模拟负荷，由预测的系统总负荷扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间后得到；bi,t为t时段仅由流域梯级i对系统负荷调整之后的余留负荷；为bi,t在整个分解周期内t个时段的平均值；为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量对应的出力，为本发明模型的决策变量；ji为流域梯级i内的水库个数。

上述目标函数满足的水电运行约束条件包括：

1)水量及流量平衡约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段的入库流量、出库流量、发电流量、弃水流量、区间流量，单位为m³/s；和分别表示电站m在t时段和t+1时段末库容，单位m³；ωi,j为流域梯级i水库j的直接上游水库集合，对于龙头水库ωi,j为空集，u属于集合ωi,j的元素；和分别为上游水库u在t时段的发电流量和弃水流量，单位为m³/s。

2)发电流量约束

式中，和分别为流域梯级i水库j在t时段的发电流量上限和下限，单位m³/s，通常受限于机组的检修计划、过流能力等。

3)出库流量约束

式中，和为流域梯级i水库j在t时段的出库流量上限和下限，单位m³/s。一般，上限需要满足水库及其下游的防洪安全等要求，下限需要考虑下游的生态、环境、灌溉、供水等综合利用需求。

4)水位约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段末的上游水位及其上、下限，单位m；为流域梯级i水库j允许的水位变幅；为其对应水库的月初的实际水位，单位m；为流域梯级i水库j在t+1时段末的上游水位，单位m；为流域梯级i水库j在调度周期的初始上游水位，单位m。

5)出力约束

式中，和分别为流域梯级i水库j在t时段的平均出力上限和下限，单位gw。二者主要取决于水电站的技术出力要求、检修容量、装机容量等。此外，如若存在多电站使用同一输电线路送电，简化处理为各自出力限值。

6)发电水头约束

式中,和分别为流域梯级i水库j在t时段的发电水头、尾水位和水头损失，单位均为m；为流域梯级i水库j在t-1时段末的上游水位，单位m。本发明假定水头损失在调度期内为固定值。

7)水位库容约束

式中,fi,j,zv(·)为流域梯级i水库j的水位库容关系函数，采用4次多项式进行拟合，表达式如下：

式中，αk,i,j，k＝0,1,2,3,4，为水位库容拟合曲线参数。

8)尾水位泄流量约束

式中,fi,j,zu(·)为流域梯级i水库j的尾水位泄量关系函数，采用4次多项式进行拟合，表达式如下：

式中，βk,i,j，k＝0,1,2,3,4，为尾水位泄流量拟合曲线参数。

9)机组动力特性曲线约束

式中,fi,j,phq(·)为流域梯级i水库j的出力与发电水头、发电流量之间的二元关系，采用平均动力特性予以替代，表达式如下：

式中，ai,j为综合出力系数，该系数的单位为gw/(m³/s)/m。

上述目标函数满足的系统负荷约束条件包括：

gt≥0(28)

式中,gt为余留的现货市场竞价空间，单位gw。

(2)交易计划执行度控制约束的构建。基于电力市场结算规则中所述的各电站实际发电量和交易计划电量的偏差考核标准，确定中长期合同的完成偏差裕度，由此建立交易计划执行度控制约束，表达式如下：

式中，以各水库为调度单元，为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量；δt为对应的时段长；ei,j为流域梯级i水库j的月尺度交易计划总电量；δ为合同完成的偏差裕度，根据结算规则设置，用来控制各个电站之间中长期交易计划具有相近的完成率。

(3)计算模型所需数据并输入该模型。

第一步，通过计算获取待分解的中长期交易计划电量。根据水电调度单元和电力市场中交易单元的对应关系，将交易单元的成交结果通过下述三种方式计算形成调度单元的中长期交易计划电量。

1)若一个交易单元对应一个调度单元，则交易单元累计中标电量即为调度单元交易计划电量；

2)若多个交易单元对应一个调度单元，则多个交易单元累计中标电量之和为调度单元交易计划电量；

3)若一个交易单元对应多个调度单元，则该交易单元累计中标电量为多个调度单元的交易计划电量之和，需按照预先设置的分解比例，分解至单一的调度单元，作为单一调度单元的交易计划电量。

第二步，通过预测获取合同待交割月份以日为尺度的整月系统负荷并扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间作为梯级水电模拟负荷。通过预测获取各水电站合同待交割月份的逐日来水。上述预测方法均采用现有时间序列预测分析方法中的累积式自回归移动平均模型(arima)。

第三步，通过实际资料获取各电站调度期初始水位，通过电站基础资料获取梯级水电站的运行的特征参数和曲线。

(4)采用非线性规划方法求解构建的兼顾各流域梯级间合约分解公平性，以余留现货竞价空间尽量均衡化为目标的梯级水电站中长期交易计划分解模型，可优化得到各流域梯级各水库在调度周期各时段分解的合同电量对应的出力。本发明采用非线性规划方法求解，考虑难易程度以及稳定性，选取lingo软件中的全局求解器实现。

现以云南电力市场中的澜沧江梯级和金沙江梯级的中长期交易计划分解为例，进行本发明方法验证。云南电网水电装机占比超70％，是典型的水电富集电网。同时，云南作为我国新一轮电力体制改革的首批试点省份，已经建立起“中长期交易为主，日前短期交易为辅”的市场模式，正逐步过渡到电力现货市场的建设。为实现其中长期市场与现货市场的有效衔接，亟待寻求一种行之有效的梯级水电站中长期交易计划分解方法。为此，本案例以我国西南水电富集的云南电力市场为背景，以参与该市场且在电厂侧占比较大的澜沧江梯级和金沙江梯级的部分电站为研究对象，进行多场景算例验证(场景1选取枯水期，场景2选取平水期)。采用本发明方法针对上述算例场景的详尽实施步骤和效果分析如下。

(1)目标函数的构建。兼顾各流域梯级间合约分解公平性，以余留现货竞价空间尽量均衡化作为梯级水电站中长期交易计划分解模型的目标，上述余留现货市场竞价空间的示意图如图2所示，目标函数表达式如下：

式中：f为各流域梯级对于竞价空间调整程度之和；αi为流域梯级i的调整竞价空间的权重，为保证公平性，均取相同的正实数；i为系统内流域梯级个数；fi为流域梯级i对于竞价空间波动程度的调整水平，采用方差表示；t为分解周期时段总数；ct为t时段对应梯级水电系统的模拟负荷，由预测的系统总负荷扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间后得到；bi,t为t时段仅由流域梯级i对系统负荷调整之后的余留负荷；为bi,t在整个分解周期内t个时段的平均值；为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量对应的出力，为本模型的决策变量；ji为流域梯级i内的水库个数。

上述目标函数满足的水电运行约束条件包括：

1)水量及流量平衡约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段的入库流量、出库流量、发电流量、弃水流量、区间流量，单位为m³/s；和分别表示电站m在t时段和t+1时段末库容，单位m³；ωi,j为流域梯级i水库j的直接上游水库集合，对于龙头水库ωi,j为空集。u属于集合ωi,j的元素；分别为上游水库u在t时段的发电流量、弃水流量，单位为m³/s。

2)发电流量约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段的发电流量上、下限，单位m³/s，通常受限于机组的检修计划、过流能力等。

3)出库流量约束

式中为流域梯级i水库j在t时段的出库流量上、下限，单位m³/s。一般而言，上限需要满足水库及其下游的防洪安全等要求，下限需要考虑下游的生态、环境、灌溉、供水等综合利用需求。

4)水位约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段末的上游水位及其上、下限，单位m。为流域梯级i水库j允许的水位变幅。为其对应水库的月初的实际水位，单位m；为流域梯级i水库j在t+1时段末的上游水位，单位m。为流域梯级i水库j在调度周期的初始上游水位，单位m。

5)出力约束

式中，分别为流域梯级i水库j在t时段的平均出力上、下限，单位gw。二者主要取决于水电站的技术出力要求、检修容量、装机容量等。此外，如若存在多电站使用同一输电线路送电，简化处理为各自出力限值。

6)发电水头约束

式中,为流域梯级i水库j在t时段的发电水头、尾水位、水头损失，单位均为m；为流域梯级i水库j在t-1时段末的上游水位，单位m。本发明假定水头损失在调度期内为固定值。

7)水位库容约束

式中,fi,j,zv(·)为流域梯级i水库j的水位库容关系函数，采用4次多项式进行拟合，表达式如下

式中αk,i,j(k＝0,1,2,3,4)为水位库容拟合曲线参数。

8)尾水位泄流量约束

式中,fi,j,zu(·)为流域梯级i水库j的尾水位泄量关系函数，采用4次多项式进行拟合，表达式如下

式中βk,i,j(k＝0,1,2,3,4)为尾水位泄流量拟合曲线参数。

9)机组动力特性曲线约束

式中,fi,j,phq(·)为流域梯级i水库j的出力与发电水头、发电流量之间的二元关系。采用平均动力特性予以替代，表达式如下

式中ai,j为综合出力系数，该系数的单位为gw/(m³/s)/m。

上述目标函数满足的系统负荷约束条件包括：

gt≥0(52)

式中,gt为余留的现货市场竞价空间，单位gw。

模型中参数设置如下：流域梯级i的调整竞价空间的权重αi＝1；i＝2，j1＝5，j2＝5；场景1中t＝28，场景2中t＝31。

(2)交易计划执行度控制约束的构建。基于电力市场结算规则中所述的各电站实际发电量和交易计划电量的偏差考核标准，确定中长期合同的完成偏差裕度为3％，由此建立交易计划执行度控制约束，表达式如下

式中，以各水库为调度单元，为流域梯级i中水库j在t时段分解的合同电量；δt为对应的时段长；ei,j为流域梯级i水库j的月尺度交易计划总电量；δ为合同完成的偏差裕度，根据结算规则设置取3％，用来控制各个电站之间中长期交易计划具有相近的完成率。

(3)计算模型所需数据并输入该模型。

第一步，通过计算获取待分解的中长期交易计划电量。根据水电调度单元和电力市场中交易单元的对应关系，将交易单元的成交结果通过下述三种方式计算形成调度单元的中长期交易计划电量。

1)若一个交易单元对应一个调度单元，则交易单元累计中标电量即为调度单元交易计划电量；

2)若多个交易单元对应一个调度单元，则多个交易单元累计中标电量之和为调度单元交易计划电量；

3)若一个交易单元对应多个调度单元，则该交易单元累计中标电量为多个调度单元的交易计划电量之和，需按照预先设置的分解比例，分解至单一的调度单元，作为单一调度单元的交易计划电量。

各电站的交易计划电量计算情况如表1所示。

表1中长期交易计划电量

第二步，通过预测获取合同待交割月份以日为尺度的整月系统负荷并扣除系统内火电、风电、光伏电、部分水电等所占空间作为梯级水电模拟负荷。通过预测获取各水电站合同待交割月份的逐日来水。上述预测方法均采用现有时间序列预测分析方法中的累积式自回归移动平均模型(arima)。

第三步，通过实际资料获取各电站调度期初始水位，通过电站基础资料获取梯级水电站的运行的特征参数和曲线。各电站的基本信息如表2所示，其拓扑结构如图3所示。

表2澜沧江流域与金沙江流域梯级电站的基本信息

(4)模型求解。经过优化计算所得结果以及分析如下。

图4和图5分别为本发明模型在场景1和场景2中各流域梯级交易计划分解对应的出力过程以及系统负荷过程图，依次给出了金沙江和澜沧江对于负荷的调整情况，余留的日负荷即可表征为余留现货市场的竞价空间。表3展示了两场景中竞价空间调整前后的关键指标。采用本发明所提模型优化后，场景1中负荷峰谷差从9.39gw减少至2.75gw，均方差从2.25gw减少到0.86gw，降幅分别达到了70.71％和61.78％；场景2总负荷峰谷差由4.95gw降至3.85gw，均方差由1.67变为1.24，降幅分别为22.22％和25.75％。基于上述图表展示及分析可得，本发明模型所得各梯级电站整体分解合同电量对应的出力能较好地跟踪系统负荷曲线的趋势，负荷较高时段分解电量多增大出力，负荷较低时段分解电量少减小出力，充分响应负荷变化，减缓余留现货市场竞价空间波动程度。

表3竞价空间调整前后指标对比

图6和图7分别为场景1和场景2中澜沧江和金沙江的合同分解对应出力过程对比图，从图中可以看出两个梯级流域各电站的总出力曲线趋势非常相近。为进一步衡量参与优化的各梯级电站之间对于余留竞价空间的调整水平的公平程度，采用各梯级电站的出力曲线的相似性作为对比指标。本发明采用离散fréchet距离来衡量各梯级电站出力过程的相似性。

本发明对比澜沧江梯级和金沙江梯级之间对于余留负荷调整程度的公平性，由于两者合同总电量不一致，为了便于对比，首先采用下式进行归一化处理：

式中：为梯级i在时段t的平均出力占梯级i所有时段出力之和的比例；其次基于在全周期内的离散点形成澜沧江和金沙江两条曲线，采用离散的fréchet距离来衡量参与优化的澜沧江和金沙江梯级之间的各日出力占比曲线的相似性。经过计算，两梯级电站出力占比曲线的离散fréchet距离分别为0.011和0.0078，与理想的公平结果(fréchet距离为0)较为接近，本发明模型所得结果中两曲线较为相似，对于竞价空间的调整水平相近，能够通过优化合同分解出力过程，很好的协调好利益主体间的公平性。

图8和图9分别为场景1和场景2中本发明所提模型优化计算得到的澜沧江和金沙江参与计算的各电站出力和水位过程。场景1所属枯水期，来水相对较少，各电站出力相对平稳且水位消落相对缓慢；场景2所属汛前期，小湾和糯扎渡为多年调节水库，水位过程消落到死水位附近，为即将到来的汛期腾库。两场景各算例中各电站的出力、水位等均满足各类运行约束以满足防洪安全、生态、环境、灌溉、供水等综合利用需求。

交易计划电量的分配情况见表4。两场景各电站的交易计划电量和计划分配电量的偏差均落在偏差范围之内，说明分解结果均能够保障交易计划的执行。

表4澜沧江流域与金沙江流域梯级电站的合同电量分配情况

综上，本发明为水电富集电力市场提供了一种行之有效的梯级水电站中长期交易计划分解方法，能够科学合理、公平有效的将各流域梯级中长期交易计划分解至日尺度，保证中长期交易计划有效执行，所得梯级水库调度过程充分响应调度周期内的负荷变化、减小电网高峰负荷及峰谷差距、平滑剩余负荷过程，对于减缓余留现货市场竞价空间波动程度的效果显著，进而有助于缓解现货市场电价的剧烈波动。