基于节能减排的发电权交易模式初探

摘要：发电权交易是通过市场机制实现节能减排的重要手段，而如何构建合理的交易模式是决定其节能减排效果的关键因素。在此背景下，通过引进能耗和排放水平因子，分别利用规范化加权平方和法、增加能耗和排放约束的方法，建立了同时考虑节能和减排的两种发电权交易模型，最后算例结果表明，提出的两种模型相对于于社会效用最大化模型可以更好地兼顾降耗和减排的双目标。在此基础上，探讨了三种交易模型在发电权交易市场发展阶段的适用情况。

关键词：发电权；节能减排；电力市场

作者简介：伍玉林（1985-），男，广东台山人，广州供电局有限公司调控中心，助理工程师。（广东 广州 510000）

中图分类号：F270.7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）26-0183-02

发电权交易是指发电机组将发电权电量有偿转让给有剩余发电能力的低能耗机组。[1]发电权通过市场机制的作用引导发电成本、能耗与排放高的机组将其合同电量部分或全部出售给发电成本低的节能环保机组替代其发电，交易的结果是交易双方在取得经济上双赢的同时电源结构得到优化配置、降耗减排目的得以实现。目前国内已有部分的省市进行发电权交易试点，如河南、四川、江苏，实践结果也证明发电权交易具有良好的经济和社会效益。

近年来，许多学者对发电权的机制进行了研究。文献[2借鉴了普通商品二级市场交易的理论，首次提出了发电权交易的概念与交易机制，并分析了经纪人模式组织普通双边交易的机理。在机会约束规划的框架下，文献[3]构建了发电权出让方与受让方的竞价模型，分析了其中的竞价行为。

合理的发电权转让和利益补偿机制对于能否顺利执行节能减排政策有重要的影响。如能增加洁净能源发电权交易的份额，则其节能减排效果必然更加明显。文献[4]提出了一种基于两部制电价的发电权集中撮合交易模式，按照可以体现煤耗成本的电量电价的“高低匹配”原则进行撮合交易，使交易结果符合节能调度要求。文献[5]通过引入煤耗率，提出了基于能耗最优的发电权交易模型。文献[6]以节能降耗为目的，提出了计及能耗约束的发电权阻塞调度模型。但上述文献还没对排放这一约束条件作直接的处理。为止，通过引进能耗与排放因子，本文建立了一种同时考虑交易机组的能耗与排放的发电权交易模式，力图使发电权交易取得更为明显的节能减排效果。

一、发电权交易模型

目前发电权交易模型主要有三种类型——经纪人（集中撮合）[2]、基于期权[7、8]与基于委托[9、10]的发电权交易模式。

现阶段，经纪人交易模型更具有实用性。经纪人模型的核心思想是“高低匹配”，即发电权买卖双方在交易平台上各自申报价格，分别按照报价由高到低以及由低到高的次序将买卖方依次排序成交，成交价格为双方报价的平均值。交易的目标是使所有市场成员的效用之和（社会总效用）最大，据此可建立社会效用最大化的交易模型。基于经纪人交易模型，本文引入能耗和排放因子，建立两种新的交易模型——能耗排放规范化加权和最优模型、考虑能耗排放约束的社会效用最大化模型。

二、基于节能减排的发电权交易模型

1.社会效用最大化的交易模型

当前电力市场均是以微观“社会效益最大化”为基础设计的，即买卖双方的社会剩余最大化。[11]从微观经济学的社会效用的概念出发，可以得出发电权交易中的社会效用为：

式中：Uij为双方的社会效益；，为参与发电权交易的出让机组编号；，为受让机组编号；PBj为出让机组i的申报价格；Psj为受让机组j的申报价格；Cij为双方的交易成本，包括固定交易成本Cc和网损成本CR两部分[2，5]，即；Qij为双方的成交量。社会效用最大化的交易模型为：

目标函数——社会效用最大化：

约束条件：一是发电权成交量约束条件：

其中：式（3）为出让机组i的总出让量约束条件，QBi为出让机组i提交的最大发电权出让量，应不超过机组的最大有功出力。式（4）为受让机组j的总受让量约束条件，QSj为受让机组j提交的最大发电权受让量，应不大于机组的最大出力与原有功出力的差值。

二是电网安全约束条件：

其中：式（5）为机组技术出力约束条件：为发电机组i的最小出力；PGi为发电机组i的实际出力；为发电机i的最大出力。式（6）为电网功率平衡约束条件，PD为整个电网负荷功率；PL为电网总的网络损耗。式（7）为功率传输线安全约束，Pij表示首末点为i和j的线路传输功率；和分别为该线路传输的最小和最大功率。

2.能耗与排放加权最优模型

理论上，市场竞争与节能是一致的，即生产成本低、能耗低，往往更具竞争优势，能够优先在市场中被利用。所以，能够通过市场机制来发挥资源优化配置的作用。[11]如能优先撮合洁净、高效的机组替代能耗低、污染重的机组进行发电权交易，则能实现市场竞争与节能减排的有机结合。

记ei、di、ej、dj分别为参与发电权交易的出让机组i的煤耗率、污染气体（如二氧化硫）排放率、受让机组j的煤耗率、污染气体排放率。同时引入两交易变量：出让机组i和受让机组j在交易量Qij下的能耗因子Eij和排放因子Dij，为正确反映在Qij交易下的能耗和排放的减少程度，有，。则发电权交易后总能耗和排放的减少量分别为：

问题现在转化为求解双目标最优化——函数f1和f2最大值，求解该这类问题的一般思路是将双目标化为单目标，数学上可采用“目的规划法”和“线性加权和法”。 [13、14]但上述方法在子目标数量级不一致的情况下将导致主要目标被次要目标掩盖，影响优化效果。为此，文献[14]给出了在处理多目标优化问题方面具有计算效率高、规避目标希望值难以确定等优点的规范化加权平方和法。

所谓规范化加权平方和，就是先对线性加权和法进行规范化。具体方法是分别以各个子目标函数maxfi为单一最优化问题求解出该子目标函数的最大值（fi）max，将各子目标与其相比，即可将各子目标规范化，其值约束在[-l，1]。同时为减小各子目标差值较大对目标函数的影响，将各项平方后相加得到单目标函数。采用上述思想与方法构建的能耗排放加权和最优的发电权交易模型可表示为：

目标函数：

式中：σ为加权因子，；（f1）max、（f2）max分别为以maxf1、maxf2为单一目标函数时求得的最优值，并分别记为能耗最优模型与排放最优模型。

约束条件为社会效用最大化模型的发电权成交量约束条件和电网安全约束条件。为确保交易双方都能获益，保证交易的自愿原则，需增加报价约束条件：

3.能耗排放约束模型

考虑上面提出的模型以能耗和排放为最优化，可能导致社会总效用大为减少，基于能耗约束节能电力市场[11]和能耗约束的发电权阻塞调度模式[6]的设计思想，在社会效益最大化模型式（1）～（7）基础上，为保证交易前后的发电能耗和排放量控制在设定范围以内，构建了同时考虑能耗和排放约束的交易模型。其增加能耗和排放约束条件如下：

式中：α、β分别为预定的能耗下降率和排放下降率；Pi为机组原发电出力；、为发电权交易前的总能耗和排放。

三、算例

1.算例数据

由于本文主要研究目的是说明模型的节能减排效果，故暂不考虑功率传输线安全约束（7）与交易成本（即Cij=0）。算例数据如表1所示。取加权因子σ=0.5，预定能耗下降率α=25%，预定排放下降率β=40%，分别对第二节提出的模型进行计算。其中，模型1、模型2、模型3、模型4、模型5分别为社会效用最大化模型、能耗与排放加权平均和模型、能耗排放约束模型、能耗最优模型、排放最优模型。

2.算例分析

从表2可以得出，模型2的能耗下降率和排放下降率分别与模型4的能耗下降率和模型5的排放下降率相差8.045%和0.387%，说明了所采用的规范化加权平方和法可以很好地将双目标统一起来，使其能同时接近单个目标时的最优值，对于双目标函数的最优化问题具有很好的优化效果。

对比模型1、2、3可以得出，社会总效用最高的为模型1（社会效用最大化模型），但其成交量、能耗和排放下降率为最低。这是因为该模型是按照报价差排序进行撮合交易，没有涉及机组能耗和排放的条件。模型2（能耗与排放加权和最优模型）的节能减排效果最为显著。该模型通过增加总交易量，提高节能环保机组的交易额，带来较高的能耗和排放下降率。模型3（能耗排放约束模型），既可以满足预定的能耗和排序下降率要求，又能使社会总效用得到一定提升，在实现节能减排的预定要求的同时又能兼顾交易机组的经济效益。另外，该模型通过直接确定下降率的方法对能耗和排放进行约束，便于量化控制，相对另两种模型，更为直观、易于操作。

四、结论

模型1适合于发电权交易市场实施的最初阶段，该模型通过优先撮合出报价差大的让机组和受让机组，交易双方获利最大，通过市场手段吸引、鼓励更多的机组参与发电权交易，有利于建立活跃、稳定的发电权交易市场。发电权交易市场稳定后，可采用模型3，在保证能耗和排放下降率控制在预定水平的基础上，最大限度地保证交易机组的经济利益，兼顾市场机制和节能减排的效果。在实现了小火电的停运和机组脱硫设备的普遍安装后的阶段，大部分的机组能耗和排放都相近，用模型3难以确定合理的预定下降率，而用模型1则会导致总能耗和排放的增加，这时，可以用模型2，通过确定加权因子来控制能耗与排放的优化程度，牺牲一定的经济性来获取节能减排的效果。

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