前  言

目前在世界范围内电力工业正经历一场结构改革。在这场电力工业重组的改革中，核心是实现以“厂网分开，电网开放”为基础的电力市场化，要求打破发电、输电、配电、售电一体化的传统结构和地区性垄断。这种变革必然会带来许多与过去的垄断经营不同的新问题，对电力工业的管理、经营、规划及调度等都将产生深层的影响和巨大的冲击，给系统安全带来诸多未知的和不确定的因素。

2003年8月以后，世界范围内连续发生了几次大停电。由于大面积停电除了在经济上造成巨大损失外，还给人民生活带来危害，甚至会影响社会稳定，因而引起了社会的广泛关注。造成大停电的原因未必和目前推进的电力市场直接有关，但我们应该从中汲取经验教训，使电力市场的设计和运营更有利于电网安全保障。

在计划经济或垄断环境下，电网安全完全由垄断的电力部门负责。在市场环境下，电力工业由不同实体的市场参与者组成。在这种情况下，如何保证电力工业的建设“适当超前”，使发电系统和输电系统有必要的充裕度；如何保证系统运行时组织发电厂商提供足够的有功和无功电源；如何使输电系统适应瞬息万变的运行情况，是我们从电力市场运营角度确保电网安全、防止大面积停电面临的重要研究课题。

应该指出，在市场经济条件下，解决电力系统可靠性问题不仅要考虑在安全和经济之间寻求适当的折中，而且还要协调各市场主体之间的利益。所有这些都给我们的研究工作带来新的挑战。电力市场的结构和规则不同，对电力系统可靠性的影响也不同。为此，应对各种模式电力市场进行模拟仿真研究。

本课题针对电力市场对电力系统可靠性影响进行了全面深入的研究，获得了丰硕的理论成果并建立了电力市场的模拟仿真平台。理论成果涉及电力市场条件下发电系统和输电系统的充裕度问题。

发电系统充裕度的核心问题是在经济性和可靠性之间进行协调。供电可靠性是有成本和效益的。当其成本低于效益时，应采取措施提高可靠性，例如可以增加系统的装机容量；否则，应满足当前的可靠性水平。基于这个基本思路，我们提出了系统有功弹性备用和发电机组状态检修的概念，并对电力市场条件下负荷管理和发电厂商的投资决策从效益和风险两方面进行了分析和建模。

电力市场中，各市场参与者片面追求经济效益而可能带来新的不稳定因素，备用的获取和定价遇到了许多新挑战。本项目对系统最优备用容量、分区备用等问题作了深入研究。对于前者，提出了通过分析购买备用的费用及其产生的效益来动态确定最优备用容量的弹性备用思想；对于后者，从事故预调度和网络流两个不同角度进行讨论，对网络约束和当地备用进行了分析，并进一步提出了备用费用的分摊方法。

市场环境下，机组检修规划模式应由以系统运行为中心转向在发电厂商经济效益和系统运行可靠性之间取得均衡。本项目系统地研究了机组突然故障、市场电价波动等不确定因素对发电厂商和系统机组检修安排的影响，讨论了不同充裕度水平下的检修模式，给出了基于迭代思想和基于市场竞争的机组检修规划模型。

发电投资风险决策问题是电力市场下的热点问题。本书提出了火电厂投资风险决策模型： ①提出了全新的机会成本评价原则，使资金在全局意义下得到最合理利用。以投资商最关心的装机进度和规模以及融资结构作为决策变量，建立了电力市场环境下火电厂项目投资决策问题的实用而新颖的数学模型，进而应用博弈论方法，分析了竞争对手投产策略对本项目的影响，形成了投资风险决策的整体框架。②结合一般项目投资风险分析的方法，对现有的火电厂投资风险决策模型进行了改进： 一是对决策变量的精简，使之更具实用性;二是引入投资组合理论和期望效用理论,使决策过程更加理性化。在收益风险评估阶段，采用蒙特卡洛模拟进行分析；在风险决策阶段，结合投资者风险偏好，综合考虑期望收益和风险，对所有方案进行评价与选择。

电力市场对电力系统运行可靠性的影响（二）前  言需求响应是需求侧管理在电力市场下的发展。针对基于价格的需求响应项目特点，提出了不同应用背景下的决策模型。①利用电量电价弹性矩阵来描述用户响应，综合考虑丰枯季节用电量差异率、水火互济指数和电网公司实施丰枯季节电价的风险度，建立了一种有效的丰枯季节电价决策模型，用于制定合理的丰枯季节电价水平。②考虑用户对尖峰电价的响应与电价预测模型，建立了一种兼顾用户和供电公司利益的尖峰电价决策模型，用于制定合理的尖峰电价实施策略并选择合适的尖峰日。③采用无套利定价原理推导了实时电价套期保值合同的定价模型，并利用蒙特卡洛模拟法对合同进行定价。基于条件风险价值(CVaR)法，建立了综合考虑用户购电成本与购电风险的决策模型，用于不同风险喜好的用户制定合适的套期保值策略。

本项目还分析了电力市场环境下最优潮流的发展情况及其在电力市场中的应用，着重介绍了使用内点法求解最优潮流的方法。考虑电网离散约束变量的优化问题是最优潮流发展的一个重要方面。内点割平面方法集中了割平面法和内点法的优点，非常适合于求解大规模系统的离散优化问题，但是研究发现内点法在求解松弛的线性规划问题时，如果问题具有多重解，最优解会收敛到凸多面体的最优面的内部，此时内点割平面算法会由于无法得到正确的最优基信息来生成割平面而失效。在此基础上，提出了一种通用的最优基判别准则，解决了原算法失效的问题，提高了算法的鲁棒性。

为了解决应用最优潮流无解时遇到的困难，提出了一种最优潮流的扩展模型(Extended Optimal Power Flow, EOPF)来恢复最优潮流的可行性。在等式约束和不等式约束中加入松弛变量，并在目标函数中加入相应的惩罚项，采用改进的原对偶内点法来求解。当原问题可行时，该模型可以收敛到原问题的最优解；当前约束或者控制变量越界导致原问题无解时，可以自动到更大的可行域内寻优，快速地得到近似解，并且可以明确指出是导致原问题无解的关键约束，从计算结果中可以方便地得到调整的措施。改进的算法在各种情况下都有很好的收敛性。

电力市场运行中，随机因素的影响越来越受到重视，本书给出了一种考虑线路随机故障的随机潮流算法。将线路随机故障等效为线路端节点注入功率的扰动，将负荷波动和发电机故障都当做节点注入功率的变化，以线性化的潮流方程计算它们引起节点电压和支路功率的变化量。为减小线性化引起的误差，对系统影响较大的离散扰动以确定性潮流计算系统状态的变化。在求节点电压和支路功率分布的各阶半不变量时对连续正态分布和离散分布两部分分别计算。用Von Mises提出的方法由各阶矩求离散分布，与正态分布卷积后获得电压和支路功率的分布函数。

本书从理论上提出了电网可靠性评估的随机网流模型。采用随机网流可对电网结构进行系统的剖析，甄别引起连锁事故的元件，量化各元件在电网中的重要程度，并计算出满足给定负荷的概率。为区域网之间的联络线评估以及互联系统可靠性的评估提供了有力的工具。

大型电力系统可靠性评估是确保电力市场安全运行的必需环节，报告建立一种新的蒙特卡洛模拟方法--马尔可夫链蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC). MCMC方法是一种特殊的蒙特卡洛方法，它将随机过程中的马尔可夫过程引入到蒙特卡洛模拟中，实现动态蒙特卡洛模拟。该方法通过重复抽样，建立一个平稳分布与系统概率分布相同的马尔可夫链，从而得到系统的状态样本。由于MCMC方法考虑了系统各个状态间的相互影响，相比于随机采样的蒙特卡洛方法所得到的独立样本序列，更准确地模拟了电力系统运行实际情况。

对电力市场运营模式及其对电力系统的影响有效评估，除了进行理论和算法的研究以外，还应对不同类型电力市场进行模拟仿真研究，需要开发一个高效的、综合性的电力市场运营模拟仿真平台。

本课题所建立的平台结合实际，不仅实现了分时竞价和分段竞价模式，并结合水电削峰、自动划分负荷段、考虑省间潮流断面约束和节能调度等，为模拟试验、制定规则和培训提供了有力工具。此外，该平台能同时支持实验经济学和智能代理理论，可灵活配置参数进行市场模拟，从而可对各种模式市场进行分析。同时，所开发的软件可对相应的电网安全可靠性进行全面评估。目前该模拟仿真系统已在西北电力交易中心运行。

本研究报告将分为理论研究和平台的建立两部分对上述成果进行总结。

本书是根据作者承担的“973”项目“电力市场对电力系统运行可靠性的影响研究”报告整理编写的，由王锡凡教授负责，王秀丽教授、别朝红教授和王建学副教授共同完成。参加本项目研究和本书编写工作的还有华南理工大学陈皓勇教授、西安交通大学丁晓莺讲师以及刘林博士、张钦博士、冯长有博士等。很多研究生帮助完成了本书的绘图和输入、校对书稿等工作。西北电网有限公司交易中心的陈天恩、侯荆州、李焰等同志也在电力市场模拟仿真平台开发方面提出了大量有建设性的意见，为本项目的顺利完成做出了很大的贡献。在此谨对他们表示衷心的感谢。目  录