本科毕业设计论文双边交易模式下输电设备利用份额计算电气.docx

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本科毕业设计论文双边交易模式下输电设备利用份额计算电气

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《双边交易模式下输电设备利用份额计算》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月

摘要

在我国电力市场改革才刚起步时，改革的重点放在厂网分开，竞价上网部分。

近年来，随着我国电力市场化改革的逐步深化，电力市场环境下发电、输电、配电等环节已各自成为独立的经济体。

输电作为一种比较特殊的项目，向独立发电厂和电力批发商提供服务，而如何确定这些业务中产生的输电费用则是输电服务中需要解决的问题之一。

输电定价的过程可以看作是电网费用在输电系统用户间的分摊过程。

因此,了解各输电用户对输电线路的利用份额便成为计算输电电价的关键。

在输电网开放的环境下，如何将由输电设备所产生的损耗（成本）在各输电用户（发电厂和负荷）进行分摊，即各用户对输电设备的利用份额分配问题是急需解决的问题。

输电设备利用份额是指发电厂和负荷对输电设备的利用程度（也可叫使用程度）。

而输电设备利用份额的确定是输电开放环境下输电费用计算中的基本问题。

所以对其计算方案的研究是十分必要的且具有一定的重要意义。

本文首先对电力市场交易模式进行系统的介绍，并对电力市场下的输电设备利用份额展开了研究和探索。

先对现有的输电设备利用份额确定方法进行了系统性综述，对现有的输电设备利用份额进行了详细的分析，论述了每一种方法的数学模型，并对各种方法进行比较和讨论。

在此基础上本文采用了潮流增量法进行输电设备利用份额计算，以IEEE-14节点模型为实例进行了验证。

以验证使用潮流增量法下输电设备利用份额的确定的公平性和合理性。

计算结果表明该方法能有效地给每个参与市场的交易确定相应的输电设备利用份额，计算简单且具有较好的经济信号。

关键词：

电力市场；输电设备利用份额分配；潮流增量法

ABSTRACT

ReformoftheelectricitymarketinChinahasjuststarted,thefocusontheseparationofgeneration,biddingsection.Withthemarketreformsofpowerindustrydeepening,powergeneration,transmissionanddistributionhavebecomeindependenteconomicentitiesunderelectricitymarketenvironment.Transmission,asaspecialkindofbusiness,providesservicesforpowerplantsandelectricitydistributors.Howtodeterminethetransmissioncostoftheseservicesisoneproblemoftransmissionneededtoberesolved.Transmissionpricingistheprocessofnetworkcost-sharingprocessamongtransmissionsystemusers.Therefore,eachtransmissionusersusingproportionoftransmissionlinewillbecomekeytocalculatingtransmissionprice.Undertransmissionopenaccessenvironment,howtheloss（cost）generatedbytransmissionequipmentinthepoweruser（powerplantandload）wereassessed,thatisanurgentissuewitheachuser’sutilizationoftransmissionequipmentusageproblem.Usingproportionoftransmissionequipmentisthedegreeofpowerplantsandloadingontransmissionequipmentforutilization（canalsobedegreeofuse）.Determinationofusageoftransmissionfacilityisundertransmissionopenaccessenvironmentoffundamentalproblemsintransmissioncostcalculation.Sostudytousageoftransmissionfacilityprogramisverynecessaryandimportantsignificance.

Basedonthepointofviewfromtheestablishmentoftheelectricitymarketenvironmentforfaircompetition,theissueofusage-of-transmission-facilityisstudieddeeplyinthispaper.Firstlytheusedmethodsareintroducedandwiththeirmodelsanalyzeddelicately.Thenthepower-flowincrementalmethodisputforwardandtestedusingtheIEEE-14busessystem.Toverifythefairnessandreasonablenessdeterminedusingusage-of-transmission-facilityunderPower-flowIncrementalMethod.Theresultsindicatethisapproachefficientlyusage-of-transmission-facilitytarifftoeachtransactionandprovidesbeneficialeconomicsignalsandtheprocessprovessimplistic.

Keywords：

ElectricityMarket;usage-of-transmission-facility;Power-flowIncrementalMethod

1引言

1.1国内外电力市场的发展情况

1.1.1国外电力市场发展概况

电力工业是国民经济和社会发展的基础产业，它为国民经济和工业等其他部门的发展提供了基本的动力，是国民经济的先行部门。

一直以来，电力产业都是传统的垄断行业，电力市场化的目的是打破垄断，解除管制、引入竞争，更合理的配置资源，提高资源的利用率，从而促进电力产业与经济、社会、环境的和谐发展，以实现全社会范围内的资源优化和社会效益最大化。

电力市场化改革是世界各国电力工业发展的大趋势。

从二十世纪开始，全世界范围的电力产业掀起了市场化改革的浪潮。

开始进行电力市场化最早的国家是智利，起步于20世纪70年代末，其目的是消除国有企业中的腐败、低效与资金缺乏等现象。

1982年智利颁布了新电力法，以法律的形式把电力企业推入了竞争市场[1]。

随后英国，北欧，美国，澳大利亚，新西兰，阿根廷，日本等相继进行了市场化改革，其中比较典型的是英国，北欧，美国和澳大利亚的改革过程[2]。

英国和一些拉美国家电力私有化主要是为了吸引电力投资商，以减轻政府负担，美国大部分电力工业原本属于私有，电力工业体制改革主要是为了开放电网，增加竞争，减少管制以提高效益。

由于各国的国情不同，电力工业的市场化改革方式也不同，但它们的目标是一致的，都希望通过一系列改革措施，打破垄断，引入竞争，提高生产效率，健全电价机制，促进行业的良性发展。

美国电力市场的形成是自然发展的过程，共分为四个阶段：

紧急功率交换；制定联合运行政策；经济功率交换；电力交易市场—电力经纪人。

至今美国大部分地区的电力市场基本局限在发电市场，用户市场仍由各个电力公司垄断。

英国包括英格兰，威尔士，苏格兰和北爱尔兰，国土总面积24.4万平方公里，人口为6226.2万（2010年数据）。

英国输电系统按地理位置分布可划分为3大系统：

英格兰和威尔士系统，苏格兰系统和北爱尔兰系统。

1990年以前，英国电力工业由地方政府在各自的管辖区域统一管理经营，对发电，送电，配电和售电实施纵向一体化垄断式管理模式。

在英格兰和威尔士，原中央发电局拆分为3个发电公司和1个输电公司，3个发电公司分别是国家电力公司（NationalPower），电能公司（Powergen）和核电公司（NuclearElectric），输电公司为国家电网公司（NationalGridCompany），国家电力公司和电能公司于1992年实行私有化，成为股份公司。

英国电力市场主体除上述3个发电公司（国家电力公司，电能公司和核电公司）以外，国家电网公司主要经营输电系统，是系统的调度员，拥有，管理，维护超高压输电系统，还负责撰写输电网7年规划报告。

现在,国家电网公司和一家天然气公司合并，改名为国家电网天然气公司。

原来的地区供电局被新成立的12家地区配电公司所取代。

英国电力工业的监管机构（OfficeofGasandElectricityMarkets，简称Ofgem）是一个独立于政府的组织，在GB范围内同时监管天然气和电力两个市场。

监管机构对电力工业监管的主要法律依据是由电力法授权，为发电，输电，配电和供电等各类业务活动颁发业务许可证，监督这些许可证相关条件的执行情况，并且对违规行为有权作出处罚。

国外对于电力市场的研究起步较早，取得了大量的成果和较大的进展。

对电网经济运行的研究，最重要的是确定其价格理论体系和成本体系。

基于在理论上电价应随负荷变化而变化，随所处位置的不同而不同，随可靠性要求不同而不同，即理想的电价应该是时刻变动的，美国麻省理工学院（MIT）的Ec.schweppe教授于1987年成功地提出了以边际成本为基础的实时电价理论，由此使电价机制进入一个全新的阶段。

1.1.2我国电力市场发展概况

新中国成立之后，如同我国的经济状况一般，我国的电力行业也有同样迅速的发展阶段。

至文化大革命前，我国电力的总装机容量达到1206万千瓦，年发电量达到572亿千瓦时，基本上满足了经济发展的需要。

但是由于一些历史原因，电力工业的发展逐渐滞后，渐渐跟不上经济发展的需求和国民用电的需求，到70年代出现了全国性缺电的局势。

1985年之后，国家预算内基本建设由财政拨款改为贷款。

1986年，国务院明确了集资电厂可以独立经营，可与电网签订供电经济合同，或者委托电网代为经营，而且集资电厂向电网的售电价格是允许上下浮动的。

除此之外，集资办电政策同样对外商开放，以便吸引更多的资金投入到电力工业建设中。

例如，1985年深圳和香港合力电力有限公司合资建设沙角电厂，很多外商纷纷到中国各地投资电力工业。

集资办电政策吸引各方资金建立了很多新的发电厂，但是由于电力工业建设周期长，以至于很长一段时间电力工业的发展速度始终跟不上国民经济的发展速度，使得拉闸限电现象时有发生，而且全国还有大量的农户没有用上电。

1987年9月，李鹏副总理代表国务院明确提出了“政企分开、省为实体、联合电网统一调度、集资办电”的方针。

使得电力工业得到了较大的发展，电力工业的产权也出现了多元化。

电力供不应求的局面得到极大的改善。

全国绝大多数地区电力供需矛盾基本解决，电力的生产基本上能够满足国民经济发展的需求。

集资办电政策带来电力工业迅速发展的同时，也带来了一系列严重的问题。

首先，这种政策下投资电厂具有“零风险、高回报”的特点，导致电厂的投资成本居高不下，以至于出现了大量的规模小、效率低、污染严重的小型电厂。

而且，地方政府为了自己的利益，宁愿购买本地的高成本、高污染的小型电能厂的电能。

也不购买其它地区的优质低价电能。

省间壁垒非常严重（例如二滩水电站曾经有三分之二的电能卖不出去）。

1995年，浙江、安徽等省开始在省内实行模拟电力市场。

1997年1月，国家电力公司成立，1998年撤销了电力部，电力行业成为独立运营的企业。

1999年，国家电力公司开始在浙江、山东、上海、辽宁、吉林、黑龙江6省市进行“厂网分开、竞价上网”的改革试点。

自2000年初陆续开始的6个试点省（市）电力市场的运行已经取得了一些成绩，包括：

初步实现了厂网分开；探索形成了适合各省实际情况的几种有效竞价模式；对市场运营规则和监管规则进行了探索；积累了经验，提高了市场意识；大大促进了电力市场技术支持系统的研究和开发工作，并根据市场的进展，不断进行完善和改进。

“全国联网、西电东送、南北互供”是国家电力公司“十五”规划的工作重点，2005年前，除海南、西藏、新疆、台湾外，将实现全国联网。

全国联网的逐步实施，为更大范围内的资源优化奠定了基础；随着三峡电站建成。

促进了对建立大区、甚至全国电力市场的研究。

2002年4月，国务院发布了《关于印发电力体制改革方案的通知》[3]，这份文件是指导我国电力市场设计、运行与管理的标志性，纲领性文件，解开了我国电力市场改革从试点到实施的序幕。

目前，我国电力工业真正从垄断走向市场，开创了电力工业发展的崭新时代。

目前，我国已经基本建立并完成了以发电侧区域电力市场为主的六大区域市场，正逐步以大用户直购电为代表向双边侧市场发展。

我国现有电力市场的特点是：

①单一购买者模式，即“1+N”模式，“1”是指电力市场和单一购买者，“N”是指参与市场竞争的各家独立发电企业。

②部份电量竞价上网，一般安排当年市场需求的10％～20％作为竞价电量。

③双轨制竞价体系，基本电量按国家批准的合同电价结算，竞争电量部分按竞价电价结算。

④交易类型，我国现有电力市场主要采用长期合同、现货交易、实时交易的模式进行交易。

⑤生产调度与市场交易一体化。

⑥技术支持系统尚处于初始阶段，有待进一步完善。

在现阶段，厂网分开遗留问题、主辅分离、农电管理体制、电力法规建设、电价形成机制、电力市场建设等都有待进一步研究和解决。

国务院审议通过的《关于“十一五”深化电力体制改革的实施意见》明确指出，“十一五”期间要抓住电力供求矛盾缓和的有利时机，巩固改革成果，把电力体制改革和电力市场化引向深入，重点解决电源结构不合理、电网建设滞后、市场在电力资源配置中的基础性作用发挥不够等突出问题。

坚持以改革促发展，坚持市场化改革方向，坚持整体规划、分步实施、重点突出的基本原则。

解决厂网分开遗留问题和电网主辅分离问题，构建符合国情的、统一开放的电力市场体系，构建与市场经济相适应的电价机制与政策，坚持政企分开，健全电力监管体制等仍是今后电力市场化的主要任务。

综上所述，我国的电力工业经过电力体制改革之后，电力工业体制改革目前正在平稳有序的进行。

但是，为了更好的推进电力工业改革的进一步发展，对我国输电设备利用份额的研究迫在眉捷

1.2计算输电设备利用份额的目的和意义

输电定价[4]的过程可以看作是电网费用在输电系统用户间的分摊过程。

因此,了解各输电用户对输电线路的利用份额便成为计算输电电价的关键。

在输电网开放的环境下，如何将由输电设备所产生的损耗（成本）在各输电用户（发电厂和负荷）进行分摊，即各用户对输电设备的利用份额分配问题是急需解决的问题。

输电设备利用份额是指发电厂和负荷对输电设备的利用程度（也可叫使用程度）。

在电力市场中如何实现输电设备成本在各个用户之间的公平合理的分配关系到电力系统稳定运行和市场的正常运营，同时也是输电管理的一项基本内容。

在电力市场环境下，各个市场参与者对输电设备利用份额的确定是研究过网费等相关数据的基础。

由于输电网中元件的非线性性，以及有功功率和无功功率的耦合关系，公平、合理的确定输电设备利用份额成为了一个难题。

不同的计算方法和确定方法会造成不同的结果，如何进行统一的精确的计算和公平合理的分摊是输电设备利用份额确定的关键[5]。

因此，公平、合理的输电设备利用份额的确定方案，无论对于提高整个电力系统的效率，还是从对不同用户的公平开放来说，都有重大意义。

由于电力市场交易模式的多样性，一种能适用于各种交易模式下的输电设备利用份额的确定的方法对于现实电力市场来说显得尤为重要。

1.3研究现状:

典型输电设备利用份额计算方法

现行对输电设备利用份额的计算多是基于潮流追踪法的，潮流追踪法是以潮流计算或状态估计所得到的系统潮流分布为基础，根据节点功率的比例分配原则来追溯潮流走向，从而确定输电用户功率在每个输电设备所通过功率中所占份额，并以此作为输电成本分摊的依据。

潮流追踪的关键是提出科学的模型和分摊原则，合理地在发电方和电力用户之间分摊输电费用和网损。

随着博弈论在电力市场中的广泛应用，以及其在分配领域的显著优势，近年来基于博弈论的输电设备利用份额确定方案也时有提出。

1.3.1基于潮流追踪法的输电设备利用份额的确定

潮流追踪法是由Bialek提出的，潮流追踪法由于其强烈的市场信号而引起学者的广泛关注。

归纳起来，潮流追踪法主要有两种思路，一种是基于拓扑网络矩阵法；另一种是采用图论理论。

其中，前一种方法首先要将网络等效成无损网，列写节点潮流平衡方程，通过矩阵求逆来获取各发电机或负荷应承担的损耗。

这种方法能够解决环流问题，但是在应用于大系统时计算速度会比较慢。

后一种方法利用了图论的理论，将电力系统等效成有向图，计算原理简单、速度快，但是目前提出的算法还无法解决自环流问题。

一般的潮流追踪方法大都是在无环流的网络中研究的，而事实上，在电力系统中，由于某些支路阻抗异常，或者变压器分接头的调节等原因，系统中可能会出现循环潮流，即环流。

环流将导致网络损耗的增加及输电网传输能力的下降，因此有必要针对有环流的网络采用特殊的处理方式。

潮流追踪法[6]虽然可以方便地分析输电设备利用份额，在各成员关系上做到公平合理，但是却不能为市场成员提供经济学信号，用户可能要为电网公司不合理的投资无条件的付费。

而且算法应与电力市场实际情况相结合，建立适应运营机制和交易模式的分摊原则。

此外，潮流追踪法需要充分考虑到诸如非线性元件的处理、直流输电、网络阻塞等问题，制定出公平合理的分摊原则。

目前，基于潮流追踪法的输电设备利用份额的确定都是基于比例分配原则的，该原则是建立在假设基础上的，理论依据不强，随着计算机技术的发展，直接解析的方法成为了可能。

除此之外潮流追踪法在输电成本分摊、网损分摊、阻塞成本分摊、无功功率定价、电力系统安全控制等方面都有广泛的应用。

1.3.2基于Shapley值法的输电设备利用份额的确定

博弈论（GameTheory）又名“对策论”，属于应用数学的一个分支，是指研究理性行动者互相作用的形式理论。

在经济学，政治学，社会学等领域得到广泛的应用。

它代表着一种全新的分析方法与思想，主要有矩阵博弈、无限博弈、n人非合作博弈、n人合作博弈等分支。

博弈论中的Shapley值是n个人联盟博弈理论中的一种解的概念，它实现了联盟总体效益在各局中人之间的公平、有效分配。

美国学者Shapley在1953年注意到，每个局中人在开始对策前可以合乎情理地希望得到些报酬，于是他提出了三条公理，且认为在特征函数为v的对策中，局中人i的期望赢得

应满足这三条公理：

公理一：

与局中人的标号无关。

公理二：

期望赢得的总和应等于对策所能得到的最大值。

公理三：

假如u，v是两个对策的特征函数，u+v是同时实施两种对策时的特征函数，则

应满足：

（1-1）

接着，他对n人合作对策问题的分配给出并证明了如下定理。

定理：

只存在一种函数满足三条公理，即

…n，

（1-2）

其中，求和是遍及所有包含局中人i的联盟S（包含局中人i的一个或多个构成的集合），而

是联盟

内的局中人数；v（S）是特征函数；S-{i}表示在联盟中去除局中人i；

称为Shapley值。

Shapley值给出了一个n人合作对策问题的分配向量。

定理中，项

考虑了局中人i加入后和加入前的不同效应，可认为Shapley值的取得综合了局中各人的影响，从而分配向量是合理、公正的[7]。

不难看出，Shapley值具有以下特点：

（l）.计算简单，采用Shapley值进行分配时，只需先计算各种可能的联盟（S）收益或分配[v（S）]，然后直接代入公式计算即可；

（2）.单调性，即多用多付费的原则，局中人i的分配量实际上是它对所有可能出现的联盟边际贡献的均值，它对各联盟贡献大时，最终的分配量自然也大。

在电力市场中，各项电力交易是市场利益的主体，市场运作过程中发生的运作成本和费用，应在各项交易间合理分配。

可见，Shapley值为这种分配提供了一条有效途径。

博弈论广泛应用于经济领域，Shapley值也可以用于电力市场中输电设备利用份额的分配，从而使输电设备利用份额分配更具经济学意义。

设区域电力市场中存在n个交易，这些交易在同时进行。

按博弈论，这n个交易可以视为n个局中人，市场运作过程中产生的输电设备利用份额问题，可看成一个合作对策问题，即n个局中人的合作对策问题。

可采用Shapley值实现输电设备利用份额的公平分配。

1.4本文工作

本课题的主要目的就是通过深入分析双边交易模式和已有的输电设备利用份额确定方法，研究理论上能够促进电力公平竞争，引导电力市场经济、安全运行的最佳方法，并提出保证一定经济效率、公平公正的输电设备利用份额确定方法。

第二章主要是对电力市场交易模式进行系统性介绍，并对输电设备利用份额确定方法进行介绍。

第三章采用了基于潮流增量法的输电设备利用份额确定方法，本方法最初是应用于输电损耗问题上的，因为其物理意义清晰，容易被用户接受，故将其应用于输电设备利用份额确定上。

基于此方法用Matlab7.0编程进行潮流计算，对一个IEEE-14节点算例进行求解验证。

第四章对全文进行了简要的总结，并对以后进一步的工作进行了展望。

2市场模式与输电设备利用份额确定的方法分析

2.1电力市场交易模式

按照市场的集中程度，电力市场模式可以分为联营体模式，双边交易模式和混合模式。

2.1.1联营体交易模式

联营交易模式是指：

在一个区域，只有一个强制市场成员参与的、集中的、竞争的市场，有时也被称为“电力库”。

电力供需各方交易的全部电量及其电价都必须经由现货市场竞争确定，发电商竞争获取发电的权力，但并不为特定的用户发电：

同理，配电商也仅能在电力库，而不是从特定的发电商那里购电。

在电力联营体模式下的市场中，电力市场运营、系统的调度运行、输电网的管理等工作由统一的系统运行者或者几个分立的机构负责。

电力联营模式的强制性电力库只是针对物理交易即电量交易的，在此之外的金融交易不一定强制性地经由电力库，如发电商与供电商、大用户之间可以签订财务合同——差价合约等金融性交易。

按照市场开放的程度，这种模式又可以分为两种市场模式：

非竞争购电模式和竞争购电模式。

（1）非竞争购电模式：

即单一的购电模式，仅在发电侧进行卖方之间的竞争投标，而所有买方的购电权利是平等的，无需提交购电的投标、对购电价格的形成也没有影响。

英国早期的电力联营（P