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1、376 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 基于社会效益最优的直购电交易 Pareto 改进 刘友波 刘俊勇 张 力 潘 睿 四川大学电气信息学院 四川 成都 610065 【摘 要】 直购电应是各方获益的均衡发展过程，不宜使任一方承担较大损失风险。作为市场设计与监 管方，电力监管机构具有调整直购比例、输配电价与网供电价峰谷浮动比例的权利。本文将 其视为控制变量，从监管机构角度建立了基于经济/环境社会综合效益最优的直购电交易方 案帕累托改进（Pareto Improvement） ，模型考虑了网损、排放、价格、市场力等因素，在满 足各方利益不劣化约束下对控制变量进行寻优，利用用户电量电
2、价弹性矩阵调节各类利益分 配，达到社会效益最大化。最后，利用 5 电厂 4 用户算例验证了模型的有效性。 【关键词】 直购电交易 社会综合效益 帕累托改进 优化模型 Pareto improvement of direct power-purchase transaction based on social benefit maximization Liu Youbo Liu Junyong Zhang Li Pan Rui School of Electrical Engineering and Information，SiChuan University，Chengdu 610065，Si
3、chuan，China Abstract ： Direct power-purchase （ DPP ） transaction should be a process with balanced advantage development，much loss risk of any part should be avoided. As designer and administer of the market， supervision institution has right to adjust DPPs ratio，floating ratio transmission/distribu
4、tion price and TOU price. This paper use these variables to establish Pareto Improvement to achieve the optimization of social benefit with economy and environment. The model has considered the factor of network loss，emission， price and martket power. Electricity-price elasticity is used to adjust b
5、enefit distribution in order to find social benefit maximization without deterioration of any parts benefit. At last，example with 5 plants and 4 consumers illustrates validity of model. Key words：Direct power-purchase transaction；society benefits；Pareto Improvement；optimization model 1 引 言 作为单一购买模式的
6、补充，直购电符合电力市场初级到高级的发展趋势，能优化资源配置、避免电 力富余期弃水浪费，丰富电力交易品种1-3。随着供需形势缓和，稳步推进直购电交易得到多方认可，成 为研究热点4：文献5分析了直购模式下参与者收益变化及利益博弈。文献6较早地提出转供价格、最 优转供计划、转供利润评估，并详细推导各类基于转供的定价方法。文献7-8基于报价机制研究了直购 交易模型及博弈优化问题。文献9提出周转基金法进行收益调节以为电网投资提供正确价值信号。 我国处在直购电试点阶段，电力监管机构负责制定交易机制、售电侧电价、输配电价水平、直购电 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目（No.2004C
7、B217905） 作者简介：刘友波（1983） ，男,博士研究生，研究方向为电网购售电决策与大用户直购电。E-mail：mailtobo 通信作者：刘俊勇（1963） ，男, 教授, 博士生导师，研究方向为电力系统分析与电力市场。E-mail：starword 电力系统及其自动化 377 量比例10。文献11基于机制设计理论构造激励相容的输配分开市场竞价模型提高社会效益。文献12 采用ROR和RPI-X方法提出动态价格上限设置监管模型以抑制价格尖峰。文献13从决策支持和信息披 露角度出发构建涵盖“实时”与“离线”2个时间纬度的电力市场监管体系。假设监管机构具有包括直 购电价、电量、弹性等交易流
8、程的全部知识，本文建立了基于经济/环境的社会综合效益最优与满足各方 利益期望的直购电交易Pareto改进模型，控制变量包括由监管机构决策调整的输配电价浮动方案、直购 电量比例与网供分时电价浮动比例，为监管机构的直购电交易方案设计与决策提供了工具。 2 市场结构与假设 本文中直购电总量比例、各大用户直购比例和输配电价浮动由监管机构负责制定与调整。设以双 边交易模式参与直购电交易的电厂I个与大用户J个，其集合分别用和表示。开展直购电交易可能 使电网存在较高利润丧失风险，考虑系统安全稳定运行与提前规划特点，同时考虑到各参与方利益变 化、社会效益变化应在各方认同范围内保持合理比例，应赋予电力监管机构一
9、定的灵活决策空间，以 平抑各种风险。建模前作如下说明与假设： （1）直购电量占总用电量的比例和大用户间直购交易比例分配均由监管部门制定； （2）大用户用电依据行业具有不同的价格弹性，信息对监管机构是已知知识； （3）直购与网供电价均采用分时电价（Time-Of-Use）机制，电网供电能力有保障； （4）对直购电用户的网供电量部分，监管机构可以适当调整其网供电价峰谷差； （5）输配电价平均水平保持恒定，监管机构可根据市场运行情况在一定范围内调节价差； （6）备用问题暂不在模型中考虑，且非直购用户用电方式不变，转运费用由用户方支付； （7）直购电用户与电厂采用多对多方式交易，交易价格与交易电量对监
10、管机构开放。 3 直购电交易各方的数学模型 3.1 发电企业模型 参加直购电过渡市场的发电厂可与多家大用户签订一定量的双边交易合同，且直供电量总量不大 于时段发电能力，总供电量与直购电量之差由电网公司按机组上网电价收购。设电厂i在时段t内的 供电量为 1 . s i t Q，其中, ,f p gt表示分为峰平谷时段，在无直购电参与下，火电厂i的耗量曲线用的发 电机有功功率的二次函数近似表示 111 2 . ()() () sss i tiii tii t t C QabQcQi=+ （1） 设电厂i上网电价为 1 . s i t P，费用系数为 c i ，若为水电厂则0 c i =，其未参与直
11、购电交易时的发电企 业利润水平为 111 . () sssc ii ti tii t t AQ PC Q= （2） 电厂i与用户j的交易电量与交易价格分别表示为 2 . . s i j t Q和 2 . . s i j t P， 1 . s i t Q 为直购下时段t电网对的电厂i 的网购电量，上网电价 1 . s i t P恒定，电厂i利润水平变为 221121 . ()() ssssssc ii j ti j ti ti tii j ti t tjj AQPQ PC QQ = + （3） 发电企业有害气体排放主要包括NO和SO2等对环境影响较大的化合物，电力监管部门在进行市 场方案设计和调
12、整时必须计及减排约束，或使在产生更多社会经济效益的同时排放增量最小。本文采 378 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 用带有已知测试参数的有害气体统一排放模型 2 2 , ()10 ()exp() I sssssss i tii tii tii t i E QQQQ =+ （4） 由于不同电气位置的电厂向电网输送功率所造成的网损不同，在较长时期内这种差异不能忽略， 用B系数模型来量化这种影响14 000 () TT tttt L QQ BQQ BB=+ （5） 式中 t L 时段t所有电厂造成的网损费用； 费用折算系数； t Q 时段t发电量列矢量； T t Q 其转置； B 电厂I
13、I维矩阵； 0 B I维列矢量； 00 B 常数。 3.2 用户模型 实行直购电的最终目的是降低用户用电成本以激励生产。假设用户理性且具有弹性，从中长期能 对分时电价产生响应，采用电量电价弹性系数矩阵量化直购电过渡市场中大用户电价响应15。用户不 仅简单地降低或增加电量，还通过重新安排生产计划将负荷从高价时段转移到低价时段。因此应包含 自弹性系数与交叉弹性系数，其中 ii 为用户自弹性矩阵， ij 为交叉弹性矩阵，,i j表示不同时段 / / iiii iiij iijj qqqq = （6） TT 1111 / / / nnnn qqqq=E （7） 式（7）中矩阵 E 即为电量电价弹性系数
14、矩阵。文献15给出了基于该矩阵的电量电价变化量代数 关系，如式（8）所示 m iili li l lm q q + + = = （8） 式中 l 为相应弹性系数，m表示对i时刻电量有影响的时刻范围。设部分电量参与直购之前，用 户j时段t的购电量为 1 . d j t Q，购电价格 1 , d j t P，购电总支出 j D；直购电后，网供电量与直购电量分别 为 1 . d j t Q 与 2 . d j t Q，网供电价为 1 , d j t P ，购电总支出 j D ，由于用户购电均价下降，根据电价弹性产生的激励电 量为 ,j t Q，直购总量比例限制(0,1) j 为监管机构决策变量，根据
15、定义以下式成立 11 ., , , dd jj tj t t tf p gDQ P= （9） 1122 .,. . ( +) ddss jj tj ti j ti j t ti DQ PQP = （10） 121 ,. ddd j tj tj tj t QQQQ =+ （11） 可推导出不含输配电价的直购后用户j在时段t直购与网供2部分的总购电量均价为 1222 . . (1)() d dsss j t jj tji j ti j ti j t ii PPQPQ =+ （12） 取用户j的电力效用函数()U 为二次函数，系数可从用户生产历史数据拟合得到 电力系统及其自动化 379 2 , () j tjj tjj tj U QQQ=+ （13） 3.3 电网公司购售电及转运模型 考虑各方利益变化保持合理比例，监管机构应制定最优交易方案，在保障各方期望前提下最大化 社会效益。相关决策变量包括：参与直购电比例 j ，网供电价峰谷浮动比例 j ，输配电价峰谷浮动比 例 j 1111 , , (1) , dddd j tj tj tjj t PPtpPPtf g =
