输电传输阻塞合同的即时拍卖模式
高 犁，刘俊勇
（四川大学电气信息学院，四川成都 610065）
摘 要：在电力市场中，系统运行方式的多样性使得电网发生输电阻塞的概率大大增加。根据实时电价理论，输电阻塞是产生节点电价差别的主要因素。输电传输阻塞合同为电网使用者提供了套购保值的机会。文中提出了输电传输阻塞合同的即时拍卖方法，通过算例验证了理论的正确性和有效性。
关键词：电力市场；输电阻塞；即时拍卖；TCC
电力传输系统是一个交互作用的统一网络，仅为了把电力传输系统对所有用户开放并建设成为具有竞争性的电力市场而将完整的电力系统分解为物理上的单个产权是不现实的。输电传输阻塞合同提供了一种明确、有效的机制，可以解决和输电服务相关系物理意义上产权的问题。有很多理论都定义了输电传输阻塞合同的分配方法，现有用户可以基于历史状况得到相应的合同，其它的合同分配给新的用户。用户获得的输电传输阻塞合同必须符合电力系统的运行特点，在开放的电力市场里，通过拍卖来确定输电传输阻塞合同是一种有效的方法。
拍卖必须适应输电系统的许多特殊要求。合同网络框架内容至少应该保证配置的合同必须能够描述电网的结构。最优潮流调度模型可以应用于即时拍卖模式，用于根据市场参与者的意愿选择长期电量合同。拍卖的潮流公式应该能够识别哪一种传输阻塞合同组合是可行的，没有必要去做复杂的工作以确定哪一种可行的合同组合能够使得电网得到比较充分的利用。
1 传输阻塞合同
确定传输阻塞合同（TCC）是一种基于节点边际成本的短期输电服务定价问题。独立系统操作员（ISO）由实时调度和系统参与者的竟标来确定节点电价，包括买卖电力的价格，从一个节点向另一个节点输电的费用。对于大多数的输电服务，节点价格差别是由于阻塞费用造成的。由于节点的价格差别，所有的输电服务都应该被收取费用。
TCC可以用网络净负载矢量来表示。TCCs一般表示为：电网中，从始端向终端输送某一固定数量的电能。传输“X”MW的电量可以由下面的向量表示：
TCC＝（0，…，－Xsource，．．．，Xdestination，．．．，0）t．
一个平衡的TCC加起来应该为0。然而，没有必要强迫每一个独立的TCC满足平衡的要求。所要求的是全部的TCC合同应该具有可行性并且能达到某种平衡。
TCC由各个节点输入、输出的电量决定。相当于由始端向终端传输的实时潮流，是节点间传输能量的一种特殊表达。TCC还不是一种可以界定实际传输了多少电量的合同。实际传输的能量可能与TCCs文件规定的数量不一至。与一个定义实际潮流的合同的比较，TCC是用于支付阻塞费用的合同。通过阻塞费用的支付，当实时传输电力时，用户在经济上就可以产生区别。
实时调度的短期节点价格可以相对于某一母线分解成三个部分：相当于参考母线的发电价格，相对于参考母线由于线路损失产生的边际成本，相对于参考母线由于阻塞产生的边际成本。设Pc为母线阻塞价格矢量。ISO和TCCi持有者签署的合同要求ISO应该为pct（TCCi）矢量付费。对于某一低阻塞价格地方向高阻塞价格地方输电的TCCi合同，对TCCi合同持有者的付费应该是正的，以补偿输电服务价格里的阻塞费用。相反，TCCi合同持有者应该向ISO付费，以补偿ISO付出的阻塞费用。因此，TCC不需要影响电网调度，也不用强行控制用户使用电网。这样，在电力系统各种运行情况下，TCC的持有者可以使阻塞付费保持稳定。
这样的话，一个平衡的TCC就类似于输电阻塞实时价格的期货合同，目标价格是0。如果输电阻塞实时价格大于或小于0，TCC就会根据合同规定的数量来平衡实时价格。这种TCC合同可以在二级市场上交易，它为竞争、开放的电力市场长期定价提供了一种合同机制。
2 即时拍卖
首先只考虑有功功率，直流负荷情况。对于这种简化的模型，假设每一条母线的净有功功率负载为矢量yp，发出电力时，其值为负。网络实际的有功功率受到潮流方程的约束，以及其他的一些约束条件。这些约束包括可以预测和偶然发生的线路潮流限制。这些约束有很多，在多条线路和节点上发生。所需要的只是根据网络负荷确定相应的约束条件。假设，所有的约束条件由函数K（．）表示，对于某种可能的网络负荷，K（．）函数需要满足：
如果阻塞付费的义务由ISO获得的阻塞收益承担，当TCC=∑TCCi而且K（TCC）≤0时，TCCs是可行的。很清楚，当采用TCCs决定输电服务的网络负载时，可行性是非常重要的。对于直流负荷情况，所有的约束条件K（．）是线性的，TCC可行并能够充分保障阻塞收益的水平。如果实际运行的系统有yp＊，并且TCC是可行的，那么当知道Pct（yP＊）≥Pct（TCC）
换句话说，ISO实际获得的网络阻塞收益至少应该和付给TCCs合同持有者的网络阻塞费用一样多。因此ISO总能够套购保值的。只要电网是一样的，而仅是负荷形式在变化，ISO总能保障对TCC的承诺。
这样的话，对于长期电量销售产生的输电费用里的阻塞费用部分，TCC可以起到套购保值的作用。用户愿意支付给TCC的价格就会受到电力输送经济性的影响。假如这种影响或别的经济评估方法使得用户可以对TCCs估价，相当于用户对长期输电合同里的节点之间评估阻塞费用。在竞争性的市场驱动下，拍卖可以在市场价格基础上有效地分配TCCs，出价最高的用户获得合同。
可能的TCCs的无限排列组合使得事先确定有效的合同组合非常困难；许多的TCCs是由即时拍卖产生的独立合同，它们在电网中相互影响。网络方程和其约束条件提供了各种TCCs的组合方式，构建一个可以同时投标和中标的TCCs即时拍卖系统是可能的。从经济调度的角度上讲，如果市场参与者都尽力投标以获得合同，TCCs的组合会获得某种平衡，等效于TCCs投标后的集中估价。如果所有的竟标人都为他们的TCCs按照市场清算价付款，如果有足够的竟标者，那么就没有竟标者会事先知晓谁的竟标价格会决定市场价格，参与者就会尽力地投标，集中式的TCCs即时拍卖就会获得市场的合理分配。
TCC即时拍卖最优化问题和电力系统经济调度问题相似。假设将投标人“i”的最大投标电量作为TCCBIDi，矢量bidPi定义为每一笔TCC合同输入输出的有功功率。相应的最高价格为Pbidi。设Xi为TCCi的竟标电量。那么，如果假设系统是直流负荷模型，而且忽略掉损耗，TCCs最优分配的问题化为：
对这个问题的求解就会解决最优TCC中标组合的问题。另外，基于投标都代表了最大竟买愿望的假设，上述最优问题的求解同时解决了投标市场清算价问题。此时，相应的变量和最优条件应该包括
很明显，此时定义每一个节点的阻塞机会成本为矢量λP，对某一中标的TCCi的机会成本是
。由互补松弛性原理知，对于正标的TCC，边际机会成本价格为
，投标者的效益为θi＝Pbidi－PTCCi。由于这种效益总为正，市场TCC中标的市场清算价格PTCCi就永远不会高于投标价格。
3 拍卖示例
图1是三条母线的电力系统的示例，它可以说明即时拍卖TCCs的要素。由三条参数相同的电力线将三个节点连接到一起。假设是直流负载，而且忽略损耗。母线1到母线3的电力线最大潮流不超过600MW，这是仅有的约束条件。根据市场情况，有两种可能的TCCs，一种是从母线1到母线3，第二种是从母线2到母线3。假设市场上的投标者们都为各自的TCCs付费估价了可能的最大值情况。在即时拍卖系统里，这些估价将通过拍卖成为投标价。对每一种TCC，竟标表现为一条竟标曲线。为了简便起见，假设各种类型的TCCs的投标形式都是相同的，但是投标价各不相同。
三母线的示例是最简单的情况，能表现出环流和电力网络相互作用的影响。确定TCCs合同和电力线所有权之间没有什么必然的联系。示例里也可以添加其他的输电线和母线。TCCs由一条母线到另一条母线来确定，两条母线之间不一定需要直接连接。
示例中，最高的出价是6分，出价随容量增加而下降，在1 200 MW时为0。目标是寻找中标的组合，它能使得投标曲线下的面积最大，这个面积是指成功的投标组合曲线的总和。TCCs都能够从任一个电源点赢得输电容量的投标，这里假设所有的TCCs来源于母线1，输电线路容量限制就会产生约束，最大的中标可能性是900 MW，价格为1．5分。总量就是投标曲线下的面积，1．5（900）＋4．5（900）／2＝3 375。
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