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节点边际电价LMP和阻塞管理 采编

作者:郎木晨烟 2020年08月21日

  一、概述

  电价是实现资源有效配置的重要手段,资源配置分为时间和空间两个方面。各电力市场普遍采用的边际电价是指:当前运行状态下增加一单位有功电能,同时保证电力系统安全运行所需的最小购电费用。边际(Marginal)二字体现了资源配置的时间维度,而在体现空间维度上,边际电价又分为节点边际电价(LMP,Locational Marginal Price)和区域边际电价(Zonal Marginal Price)两种方式。美国德州最初采用的就是区域边际电价,后在2011年改用LMP,直观对比如下(左边为4个区域,右边为LMP,600个节点):

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  定价方式选择的目标函数是保证实时电力平衡的前提下实现市场交易购电成本最低,约束条件是电网建设情况和相关经济政治因素。而要保证实时平衡,就要做到有效的阻塞管理。如果没有阻塞,全系统的边际电价均相同。而在现实中,阻塞是不可避免的,必须通过有效的手段进行阻塞管理以维持系统平衡,手段的有效性则与电网建设情况密切相关。

  线路上的有功潮流的绝对值超出限值称为阻塞,阻塞管理是采用市场/经济手段解决了可靠、按计划的供电问题,并不是用物理手段消除阻塞现象。

  二、区域边际电价

  相对而言,欧洲电力系统建设基础较好,采用的是区域定价模式。以英国为例(不考虑苏格兰地区),电网联系紧密,跨区输电能力较强。因此,英国电力市场各类交易以及场外的双边合同均不考虑电网运行约束,不进行安全校核。英国电力调度由国家电网公司(NGC)负责,而现货交易由两家互为竞争关系的交易中心负责,分别是: N2EX和APX。N2EX是北欧现货交易所Nord Pool Spot的独资子公司,专门负责在英国运营,APX则在英国、荷兰和比利时都有电力交易所运营。两家电力交易所均采用集中竞价方式开展实物电力交易。作为欧洲模范的北欧电力市场也是如此,下图为其分区图:

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  交易中心进行市场出清时不考虑阻塞情况,结果直接交付调度中心。调度中心发现出清结果不满足安全校核,有阻塞情况发生时,就通过“再调度”机制来解决。举个最简单的例子,NO1区(挪威)电厂到SE2区(瑞典)用户的电力输送为交易中心的出清结果,出清价格对应A区廉价的边际机组。当阻塞情况出现时,调度中心会调用SE2区高价机组(高价机组)以满足负荷需求。此时,两个区域的出清电价不相同。实际市场中,情况会复杂的多,阻塞也分为区域间、区域内两种。根据市场规则不同,再调度过程中会产生阻塞费用或阻塞剩余,其分摊或分配各不相同。

  三、节点边际电价

  美国整个电力网络情况复杂,输电网电压等级多,有765千伏、500千伏、345千伏、230千伏、161千伏、138千伏、115千伏等。美国电网建设时间较早,电网结构在20世纪中期已基本成型。美国输电网投资自上世纪70年代以来一直裹足不前,长期滞后于电力需求和发电容量的增长。由于输电投资水平低,跨州、跨区电网联系薄弱,输电能力不足,输电阻塞严重建设滞后。此外,美国电力市场主体众多,电网公司就有520家,设立了127个控制区(也叫平衡主体,Balancing Authority,BA)。因此,美国电力市场采用再调度机制解决阻塞问题,难度极大。

  基于电网现状以及调度交易合一的先天优势,PJM等美国电力市场在日前市场出清过程中,就将网络约束考虑进去,与机组参数、机组/负荷申报、负荷预测等进行联合优化,通过安全校核,形成节点边际电价。此时的市场出清结果就可以消除阻塞,保障对应电力交易结果产生的电力潮流可行。

  最初德州、加州采用的是区域边际电价,阻塞出现后采取再调度机制来解决,运行效果不佳。德州分为四个区域,许多发电厂行使市场力,故意加重拥塞以获利。而在加州,没有考虑网络约束的市场交易结果对电力危机起了推波助澜作用。后,两州电力市场均改用节点边际定价方式。

  节点边际电价公式如下:

  LMP=电能价格+阻塞价格+网损价格

  式中,电能价格对应系统无约束出清价格,全网相等。但不是一成不变,由基于安全约束的机组组合(SCUC)、负荷情况等决定。

  下面以一个例子说明阻塞价格的由来,不考虑网损价格。

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  宾夕法尼亚州(Pennsylvania,PJM里的P)的匹兹堡有个A电厂,电价便宜,$1.0/kWh。本州的费城有个B电厂,$1.5/kWh,比较贵。假设两点电厂发电容量都是无穷大,两地之间输电线容量限值只有100kW。费城有个居民叫Tom,隔壁住个王姓中国留学生。不知道因为什么原因,二人不睦,Tom对隔壁老王恨之入骨。话说老王为了挖币与匹兹堡的A电厂签署了100kW的中长期合同,在猴年马月第一天的子时交付。由于交付时刻在深夜,如果只有老王一人用电,两地之间没有阻塞情况,两地的节点边际电价相等,都是A电厂的$1.0/kWh,等于公式中的电能价格。

  消息被Tom知道后,抱着“玉碎也不瓦全”的心态要坑老王一把,TOM在日前市场申报了50kW的用电量,据说要用50kW的电阻丝取暖。日前市场中,费城申报的用电量为150kW,超过了和匹兹堡之间的输电限值,PJM进行SCUC时就要考虑B电厂。市场出清结果,匹兹堡的LMP还是1.0/kWh,而在费城节点,为了增加1kWh的电力供应,B电厂成了边际机组,LMP就变为$1.5/kWh。出力方面,A电厂分得100kW,B电厂分得50kW。为了简化描述,隔壁老王与匹兹堡电厂的中长期合同不是差价合约,价格没有锁定。

  PJM支付给A电厂的费用:100*1.0=$100

  PJM支付给B电厂的费用:50*1.5=$75

  PJM从老王家收的电费:100*1.5=$150

  PJM从Tom家收的电费:50*1.5=$75

  PJM总收入为$225,PJM总支出为$175,$50的差价就来自阻塞价格。匹兹堡的A电厂发出的100kWh的电能是在费城交付的,因此老王和Tom购电结算价格就要采用费城的LMP,也就是$1.5/kWh,其中就包含了$0.5/kWh的阻塞价格。

  匹兹堡有个便宜的电厂,是不是其LMP都是很低的,也不尽然:

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  假设Tom为了防止老王报复,特意跑到匹兹堡去申报用电。不巧,匹兹堡A电厂机组检修,机组上限只有100kW,刚够老王的中长期合同。这下子,Tom可就搬起石头砸自己的脚了,由于A电厂的发电容量已经全部使用,匹兹堡的新增1kW容量只能由伊利的边际机组来满足(假设此时费城电厂涨价了,$4/kWh),匹兹堡的LMP变为$2/kWh。再看一个例子:

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  上图中,伊利和费城输电线路也建好了,TOM搬到加州去了,老王多买了几台矿机,费城电厂涨价了。由于电网已经成网,必须考虑潮流因子的问题了。当老王用电150kW时,全部由匹兹堡电厂供电,但只有2/3的潮流在匹费间线路上,不发生阻塞。如果老王新增加1kW,怎么办呢?本地电厂太贵,暂不考虑。只考虑匹兹堡电厂或伊利电厂也不行,总会在匹费线上增加潮流,造成阻塞。LMP出清算法是这样做的:伊利电厂新增加2kW出力,匹兹堡电厂减少1kW出力。既可以满足老王用电需求,匹费间线路也不会出现阻塞。此时LMP为:2*2-1*1.0=$3.0/kWh,低于本地电厂报价,成交!但,如果费城本地电厂的边际报价不大于$3.0/kWh,那么LMP就是本地电厂的报价。

  实际电网中,情况会复杂的多。一个节点的边际电价由很多因素决定,本地机组、相邻节点的机组、与相邻节点的输电线路容量、相关机组的检修状态、相关输电线路的检修状态等都会影响最终的节点边际电价。LMP算法要经过反复迭代,最终才能收敛。有时候为了管理阻塞,会有“低价机组不用用高价机组”的情况发生。

  提了半天“节点”,节点到底是个什么东西,引用下德州电力市场概述里面的一段文字:每个电气母线(electrical bus)都有一个对应的节点价格,这是最精细的节点电价。但是市场参与者一般是通过结算点(Settlement Point)进行电能交易,并用结算点电价SPP (Settlement Point Prices)进行财务结算。结算点是一些物理母线的集合,结算点电价是根据结算点类型在其对应母线价格的基础上按照一定的规则加权平均算出来的。结算点可以分为以下三类: 发电机节点 (Resource Nodes) ,指的对应于一个电源的母线,这个母线LMP用来作为这个发电机节点电价结算这个电源的输出;负荷区域 (Load Zone),指的是分配在同一个负荷区域的所有母线的集合,负荷区域结算点价格是区域里所有母线LMP按照母线负荷加权平均算出来的,同一区域内的所有负荷只有一个对应的区域价格;枢纽(Hub),指的是分配给同一个枢纽的345KV的枢纽母线的集合,枢纽结算点价格是这些345KV母线LMP的简单平均。

  回到第一个例子,出现了$50的阻塞费用。那这钱给谁呢?给PJM?不能够,PJM是独立系统运营商,FERC已经考虑了其收入了。给输电公司,也不合适呀,并没有超限使用设备。放到公共基金用于交叉补贴?这是我们的做法呀。何况,老王也找上门了:我本来只需要花费$100,结果却花费了$150,还有没有契约精神?我要赔偿!

  于是乎,PJM又想出了“馊”主意,即金融输电权(FTR,Finantial Transmission Rights)和拍卖收入权(ARR,Auction Revenue Rights),以后再说。

  四、简单总结

  1.区域边际电价法采用再调度机制解决阻塞问题,清晰明了。适合于架构坚强的电网;

  2.节点边际电价法市场出清算法复杂,在PJM的实时市场中,每5分钟就要更新10000多个节点边际电价,给电力市场技术支持系统提出了很高的要求。但该定价模式通用性强,尤其适用于网架相对薄弱的电网;

  3.阻塞发生时,两者虽然最终都会调用高价机组。节点边际电价法将这一行为融入到市场出清过程中,直接体现在SCUC上;而区域边际电价法则是在市场出清后,根据需要发起再调度流程;

  4.阻塞剩余的分配和阻塞费用的分摊,各电力市场各不相同;

  5.LMP属于高地理精细度的定价模式,能给出更准确的投资指导信号,在保证未来供电充裕的同时,不会于产生过多的容量裕度。

*文章为作者独立观点,不代表甘蔗网立场,除来源是“甘蔗网”外 文章来源:电力市场那些事儿

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标签: 电力科普

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