新能源行业必会基础知识-----电力市场概论笔记-----日前市场

新能源行业必会基础知识-----电力市场概论笔记-----主目录(进不去说明我没写完)：https://blog.youkuaiyun.com/grd_java/article/details/139946830

1. 日前市场的竞价空间、报价及市场出清

日前市场

日前市场的交易属性是电量，时间属性是日前（提前24小时），也就是说今天做明天的市场交易计划，称为日前市场

设置日前市场的目的

1. 目的1：由调度交易机构每天组织，应对短期负荷不平衡。中长期市场交易电量对我们调度机构来说，对所有市场来说提前的时间太长了，实际的负荷需求，供给需求存在一定偏差，所以需要提前一天的市场来组织未来中长期合约偏差，重新进行我们市场竞争的交易
2. 目的2：反映短期的供需平衡关系与生产成本；为长期合约市场提供价格风向标。要满足未来的供需平衡关系就需要组织未来这个偏差怎么样用市场的机制来解决，让其平衡，这就是设置日前市场的根本目的

1.1 日前市场的竞价空间

中长期合约在现货市场的交割

1. 提前一年或一个月用户与电厂签订的双边合约，其实有两种合约方式，上图给出两种合同
2. 合同1给出了具有相应交易的曲线，除了这个电厂与大用户签订的用电量以外，还规定了供电的负荷曲线以及每个时段用电量的多少，而不是一个月总的分时的
3. 合同2没有曲线，只签订了价和量，日前怎么交割呢？市场规则里面可以这样规定，虚线是我们交易那一天预测的日负荷曲线，实线是负荷曲线，是交易的合同的曲线，按照上面这个虚的曲线形状把电量分解到每个时段，就形成了电厂与大用户之间的一个交割曲线。
4. 也透露了我们可以得到任何一个中长期合同明天的交割曲线

物理交割的日前市场部分竞价空间

1. 上图$绿柱子$是我们预测的第二天的一个负荷曲线，如果把刚才所有合同的交割曲线加在一起，就会形成合同电量交割曲线。
2. 而绿色预测负荷曲线和交割负荷曲线（合同电量）之差，就是我们的竞价空间。是第二天的负荷曲线 - 所有合同要交割的交易曲线，剩余的部分我们称为竞价空间。
3. 对这部分新产生的空间，我们要重新通过市场机制去竞争，但是上图中的竞价空间是夸大的，实际上要根据预测的误差大小来决定，一般在10%到1%左右

日前市场全电量竞争空间

1. 中长期合约交易的所有合同曲线都不在日前市场经济空间中考虑，而是在结算中解决
2. 明天所有的电厂，必须面临着全新的预测服务曲线，都是竞价空间，这是金融的交割方法，也叫全电量竞争

1.2 日前市场的报价

发电厂报价方式

1. 单段报价：也就是可以只报一个单价，无论多少电量我只有一个价格，这个方式在日前市场已经被多段报价替代了。
2. 多段报价：上图中右边的阶梯型曲线表示着，供应一部分电量的时候，处理一部分的时候，是一个价格，当处理再增加，又是一个价格，再往上增加，又是一个价格
3. 例如美国PGM系统，可以有十段报价，这样的一个报价曲线里面蕴含着经济学的含义
4. 在电厂待过的人可能会说这个曲线应该是下降的，因为电厂越多发电我们就愿意降价，但是这只是考虑固定成本，发电处理越大效率越高，成本角度也许是对的，但这里是市场，要反映资源稀缺性和供求关系
5. 随着市场的供给越大，要求的价格就应该越高，是资源稀缺性的一个重要表现。实际上在报这个多段报价的时候，是市场成员在试探着市场，规避着风险。
6. 比如说我第一段报的低一点，竞报价低容易中标，所以我是保底的。随着后面电量不断上升，要试探市场，别人价格怎么样是不是比我高，我报太低是不是不合适，所以需要不断一段一段往上加价，实际上我在试探市场上对我不断增加的量的这个价格是否可以接受。
7. 如果我只报一个价格，要么中标，要么不中标。现在我报多段价格时，有一部分价格比较低的肯定中标，如果市场价格高于我现在的某个第五段的价格，第五段以上就不中标就行，防止了全军覆没，给我们市场重新报价提供了一个试探市场了解市场的一个机会，规避了市场成员报价的风险，这就是我们报价多段单调上升的基本的经济学原理。

1.3 日期市场的市场出清

也就是说按照规则和报价，要形成这个时段价格到底是多少了，要进行两个方面的出清，一个叫无约束交易计划（发电计划），另一个叫有约束交易计划

日前市场的交易决策——无约束交易计划

1. 上图黑色虚线是一条负荷曲线，早高峰，晚高峰，早上10点高峰上去了，晚上8点高峰更高。代表了我们电力系统负荷的运行规律，也是人们从事生产用电的一种规律，在曲线上我们讲报价放上来，一个个阶梯往上推进
2. 假设早上9点，所有电厂报价由低到高进行排序，而红色的报价，也就是最后满足负荷的基础报价，成为了这个时段的边际价格，反映了这个时段的资源稀缺性
3. 按照这样的原理，就会形成不同时段的价格，称为分时电价，按照这样一个排队的原理，负荷越高，价格就越高，负荷越低，价格就越低，价格一定要反映供求关系。
4. 高峰时，用电关系紧张了，我就价格高上去，希望你少用，低谷时段价格便宜了，你要多用。特别是低谷时新能源大发的话，价格就更加的低，要更多的用。
5. 这样一种分时电价，就会真正引导我们用电合理的时序行为
6. 这是无约束的，电网的约束条件没考虑，一个大系统，几百台机组，难道就一定没有阻塞吗，但是这里我们是无约束考虑的，把电力当做了一般商品，排队的时候也没有考虑时段与时段之间的发电机组这种耦合关系
7. 例如我们一台火电机组开起来，至少开4或5个小时以上，这里这些约束条件都不考虑就完全当做一个商品，按价格排序来反映供求关系。最大的问题就是约束没考虑，我们把电力这个商品当一般商品去考虑了，就产生了我们系统的边际电价。
8. 有了这样一个系统边际电价后，我们会走安全约束条件，例如一个大电网，有很多发电机组，都按照边际电开始组织自己的发电，那么电网很可能出现安全性问题，线路可能出现过载，因此要进入有约束的交易计划

日前市场的交易决策——有约束的交易计划——分区电价

1. 有约束计划的约束条件要在刚才无约束计划的情况下全面加入，这个图之前章节经常出现，什么叫有约束，就是上图中输电线路的输电能力要考虑到我们发电计划中来
2. 按照边际价格出清，不考虑约束条件，会使得B地区报价太低，大量机组中标，A地区好多机组报价太高，比如A地区是复合中心，地皮比较贵，电厂造价本来就高，所以报价得高一点。但是这样就无法中标了
3. 但是一旦考虑电网约束条件后，线路过载了，B地区的电往A地区送的太多了，电网完全出了问题，也就是说无约束条件会导致线路过载。但是市场经济中从来没有稀缺资源，这个阻塞就说明A地区电资源稀缺了，应该涨价，一涨价，这个地区的电厂在有约束条件情况下重新中标，A地区发电机处理全面上涨
4. 同时这个地区的很多需求在价格上涨后，被抑制了，因为电价涨了，大家想能不能少用点。在经济学上这叫需求的弹性，刚才那些事供给的弹性。在价格上要有一个供给的弹性，需求的弹性增加后，会使得A地区对外边电力的需求减少
5. 在B地区，经济学从来不认为有过剩资源，一旦过剩就降价，供给弹性和需求弹性也会发生作用，供给弹性是价格下降后，我少发电，供给减少了，需求弹性是价格下降后，需求会增大，因为价格下降了。
6. 所以在红色地区价格上涨，蓝色地区价格下降，导致这两个地区的供给弹性和需求发生作用后，潮流过载被消除了，分别形成A和B地区分别的市场均衡，形成了相应的区域A的价格和区域B的价格，这就是有约束发电计划形成的分区价格的经济学原理

日前市场竞价经济学原理

1. 电厂先申报价格，最上端电厂一个个直到N个电厂各自报了一条报价曲线，也称为局部的供给曲线
2. 把这些供给曲线合成了到中间这一段，叫集中的聚合供给曲线，或者叫系统的供给曲线。与绿色的需求曲线一交割，就是我们市场的无约束电价，如果此时没有阻塞，每个时段的价格就都是无约束交易计划产生的边际价格来决定
3. 一旦出现阻塞，马上市场分割，分成A地区和B地区，也就是分区价格，可以发现省A和省B曲线分为左右两条，左边的曲线上浮，右边的曲线下降，两个市场均衡的价格产生了变化，形成了分区的市场均衡，这张图就全面产生了由报价到无约束出清，到有约束出清的全部过程。

节点电价实例：美国德州电力市场

上图不同颜色就表明它的电力位置在断面上出现了阻塞，阻塞价格有多高呢？左边的图表中，横轴是时间，纵轴是节点电价的水平，差别很大，这一点上正是电力市场发现价格机制的魅力，在我们国家这个峰谷电价值只差了3倍。但上图中可以看到，这可不是个位数的倍数问题

节点电价

1. 1982年MIT教授Schweppe提出节点电价理论
2. 定义：在满足当前输电网络设备约束条件情况下基于各类发电资源报价，在电价节点增加单位负荷需求时的边际成本。

一个大电网上，很多发电机组已经报完价了，这个时候什么叫结点电价呢？你所处的这个地区，想增加单位负荷电价，在全网想要找一个最便宜的来满足你，并满足约束条件，并且不过负荷的一个机组来供电给你的话，那个基础的报价就是你的节点电价，反映了地理位置也反映了边际的概念。

3. 节点电价的经济学意义是：在电网出现阻塞后，考虑输电损耗成本，而形成的局部市场均衡价格

节点电价的作用

1. 潮流方向出现阻塞后，可以将负荷B地区的电价调上去，负荷A地区的电价降下来，这个时候负荷B地区的部分负荷就会迁移到负荷A地区来
   

2. 所以节点电价可以产生价格信号引导作用。对于节点电价比较高的地区，电力消费者会减少电能的使用，而对于节点电价比较低的地区，低价则鼓励用户多用电能。从而在一定程度上削弱两地间的输电阻塞

节点电价实例：美国德州电力市场

1. 在美国电力市场，特别是德州的电力市场中，我们计算时，上图右边每一个点都密密麻麻的，都是我们电网的各个节点，每个节点我们都算作它的节点电价
2. 但是如果没有阻塞的话，为了操作方便，一个区域里面只要不出现阻塞，我们就可以把它通通归成一类（一个区域），所以我们有时也叫区域电价
3. 我们由节点电价走向分区电价就是这样一个概念，在这个分区里面节点电价基本相同，因为没有阻塞，可能有点网损，但基本上已经忽略了，因为是非常非常小的。所以这就是节点电价给我们看到的一个远景，节点电价好像我们的节点电压一样，在未来的电力系统运行中，电压能够引导着潮流的流动，我们未来市场中，我们的节点电价是真正驱动潮流的机理

2. 日前市场的数学模型、均衡过程及Lagrange松弛法

2.1 日前市场的数学模型

我们要把市场整个促进的过程建立成一个数学模型，能更好的实现其科学性

日前市场的交易模型

目标函数：追求各时段的购电费用之和最小。所有时段中，我们只买电价最便宜的那些机组优先上网
约束条件：当你在追求经济性的时候，我们的电网存在很多物理的、设备的、网络的约束条件

1. 系统有功平衡：

电力系统发电是与用电损失平衡的，电力存储困难，能存但是规模不能大，否则成本太高，电力系统里面，常常有个概念叫电力是损失平衡的，是按时段平衡的。也就是发的电要马上用掉，存储起来可以，但代价太高，所以我们数学模型里面，认为你要分时平衡。

2. 发电机最大和最小出力约束：

任何一台发电机组最大出力，不能超过它的上限，最小出力不能低于它的下限。例如我们有100万的、60万的、20万的机组，都是它的上限。而下限，比如上限到下限一般它的出力是50%，也就是说我们所有的火电机组，当低于这个下限时，他的燃烧已经不稳定了，要投油了，机组运行效率将大大下降，所以定义为下限。

3. 机组增减出力的速率约束

一个机组九点到十点的负荷突然就增加了，这个机组能否瞬间跟踪这个负荷的变化呢？机组是一个大惯性，它的出力增加有一定的速率限制，所以我们把这个叫做速率的约束条件

4. 发电合同电量约束

例如今天的合同电量，有多少需要完成，这个就叫电量约束条件，例如水电在一天中由水来定它的电量

5. 直流潮流

学过电力系统的会比较清楚，叫有功考虑，无功不考虑。也就是说每个电厂对每条线路上的有功功率贡献的大小，是有一定规律的，是按照我们的分布因子给出的。可以想象在一个大电网中，有很多线路和机组，那么就有很多负荷，每个机组或负荷对某一条线路商有功功率的贡献率大小是线性关系，也就是比例关系。那么距离的越远，对这条线路的贡献力就越低，所谓的直流潮流，就是所有的发电机组，所有的用户，他的用电在这个时刻，对这条线路的有功功率的贡献叠加起来形成了这个线路的潮流，我们称之为直流潮流。这个直流潮流为什么要作为约束条件，是因为我们不希望它越线

6. 线路传输容量约束

线路直流潮流不能超过它的日稳定上限，否则线路会发热

7. 断面潮流限制

电力系统的概念，所谓的稳定讲的不仅仅是一条线路是不是过了它的热负荷，而是整个断面上的潮流不能太大，太大了以后一旦电网出现故障，两边的功率的相角不能同步（施布）的话，会出现展开稳定问题，这个复杂的机理，在我们这个模型里面就定义成一个很简单的一个断面，就是若干线路加起来总的输送公里，不能超过多少，是电网安全要考虑的

8. 抽水蓄能能量平衡；
9. 水电厂供水约束条件；
10. 满足电厂与供电公司签订的供电合同。

2.2 日前市场出清的市场均衡过程

上面介绍了交易的数学模型，有了这个数学模型如何求解呢？数学老师给我们讲过很多优化原理，我们现在可以用哪种哪种方法来求解，我们先不讲优化原理，先介绍这个日前市场具有这样一个公式，我们怎么形成市场出清的过程，经济学的理念理解后，再来理解我们数学上的优化过程就非常简单了。

经济学家的方法

1. 我们现在电力系统市场出清从市场供需不平衡开始看，上图绿色圆柱是负荷的总需求，一开始时，蓝色的圆柱发电机总出力几乎是0.
2. 因为我不知道该不该发电，所以我们的交易就从这样一个不平衡开始，发电没有，但是需求在那里放着，我们怎样来增加发电出力来满足我们的需求呢？这就是市场均衡的过程，供求不平衡怎么办？交易中心说他们为什么不愿意发电，价格没给啊，接下来就开始提高价格，供不应求，提高价格。

1. 供不应求，提高价格，涨价后所有的发电机组出力的空间在上图中这个虚线的柱子上就体现出来了
2. 发电厂一看价格上去了，只要价格比我成本高，我就愿意出力，如果比我成本低，那我会亏本我肯定不会发电。

1. 当交易中心公布这样一个价格后，所有的我们的市场成员，电厂都会注入这样的一个比较价格与成本的过程，来进行自我决策。
2. 各发电商以自身利益最大化为目标，根据交易中心发布的价格，计算自身发电水平，上报交易中心
3. 这些过程使得他根据价格让我们发电水平不断的上升，直到接近我们发电的总需求，这就是价格驱动下的供需平衡

发电商决策

1. 上图中一条横着的虚线画出来是λ，表明交易中心此时给出的价格
2. 电厂如何决策呢？看到价格后，机组C的成本较高，最小出力的价格就超过了λ，所以只能固定在最小出力
3. 机组A成本低，最大出力都小于λ，所以选择最大出力
4. 而机组B，一部分成本超过λ，一部分低于。λ与成本曲线的焦点就对应着这个机组愿意发多少有功功率，高于这个有功功率就亏本了，低于这个有功功率就赚钱。在这个市场上所有人，都根据这样一个λ来做出自己最明智的选择，所谓的逐利的选择开始了。

回到经济学家的方法解决上述问题

加上前面3个我们有5个步骤

1. 从供求不平衡开始，发电总出力为零；
2. 供不应求，交易中心涨价，发布价格；
3. 各发电商以自身利益最大化为目标，根据交易中心发布的价格，计算自身的发电水平，上报交易中心
4. 交易中心总加所有的发电商上报的发电，看电力需求是否得到了满足？如果满足（无约束交易计划满足），则进行安全校核，去步骤5；否则，去步骤2继续上调价格。
5. 满足就分区，看哪个潮流越界了。根据各发电机组的出力，计算电网潮流，检验是否有越界的线路？有越界的线路，则进行分区，送端区域电价降低，受端区域电价上涨；去3。没有越界，结束价格调整。

可以发现，经济学的方法就是看哪个资源稀缺，就用价格来驱动供给，当供给满足了需求，最终满足了市场均衡的过程。这时候建数学模型没有别的办法，就是个价格不断迭代的过程，这就是我们经济学家所采用的方法

2.3 Lagrange松弛法

1. 为了简单起见，我们只考虑一个时段，目标函数F指所有电厂报价函数。将它们加起来达到最小，也就是购电成本要最小。P就表示各电厂出力是多少。
2. 约束条件中，所有电厂出力P加起来要等于这个时段的总需求D。每个电厂有最大和最小出力限制
3. 用拉格朗日算法怎么算呢？就是求解它，构造拉格朗日函数，左边是拉格朗日函数，右边实际目标函数+约束条件。约束条件要D - 出力，表示系统还有多少偏差存在
4. 引入λ，也就是希望约束条件不要破坏，然后求到最小，也就是增加P的出力，使得它逐渐减少，而前面F这一项增大为前提。所以在λ不断增加的情况下，最后D等于所有出力，就满足了约束条件。最终达到一种均衡，找到了最优解。

下面的过程，由于都可以通过编程解决，不需要自己算，所以大家有兴趣就自己看看，原理搞懂就行，日后都是一次编程到处运行，除了第一次，之后就完全不需要自己算了

3. 日前市场在电力资源优化配置中的作用

行业内有一句话，叫无现货不市场，重点讲的是我们的日前市场到底在电力资源优化配置中的作用是什么

以分时电价引导电网负荷时间分布

1. 我们从风光火电供给侧产生报价后，通过电网再形成各个节点电价，形成每个时段不同的分时电价到用户，用户用这样一个电价来引导着这个用电的曲线跟我们左边的这个发电的曲线尽可能去匹配
2. 为什么能匹配呢？因为电价高的时候，用电侧会减少用电，电价低时，用电侧会多用电，正是这样，价格反映了供求关系，反映了我们资源的稀缺性，所以它能够实现在这张图上，用电曲线，发电曲线同步的如此精妙
3. 更重要的是这样一个信号，会激发我们所有的用户侧通过引日电能综合能源系统，进一步加强我们需求侧响应的一种能力，在实施电价的引导下面，我们用户的用电行为变得更加友好

以节点电价引导电网负荷空间分布

1. 上图我们可以看到有很多电源布局和负荷的布局，在这样一个节点电价下，可以看到右边节点电价高，这个时候很多的负荷就可能发生转移
2. 在节点电价高的地方，我们可以装分布式电源了，所以说我们节点电价空间分布能够引导电力资源、电力供需在空间的角度上实现最佳的资源优化配置
3. 它的作用是，激励分布式电源的发展或负荷的转移，降低电厂和负荷的电气距离，提高我们电网资产利用的效率，所以我们利用了节点电价引导的电力资源的空间优化配置，提高了整个资产的利用率

用新的市场模式代替传统的调度模式，实现电网调度运行决策的革命

1. 过去的调度都由调度员决定每个电厂什么时候发多少电，每个用户什么时候用多少，现在由市场规则和报价说了算
2. 用户报价高就有用电优先权，发电报价低就有优先发电权，不再是传统垄断式的调度，是市场经济的调度方式，有市场规则来决定了整个调度的全过程，市场替代了我们传统的调度方式。

中长期交易解决了电量供需均衡，只有现货才能解决电力供需的市场均衡

1. 中长期市场上，供需靠的是电力平衡，但是没有落到每个分时上去
2. 现货市场上，上图的两条曲线，供给曲线和用电曲线（需求曲线）匹配了，平衡了（分时平衡了），实现了我们电力系统的一个重要理念，叫电力电量同时的平衡

现货市场促进能源结构转型

1. 现行电价有峰谷差，有分时电价，但变化不大。而新能源出力，中午的时候发电曲线特别高，这时候阳光强度很高，但是右边大用户负荷（用电曲线）早高峰上班，中午吃饭去了，下午又高上来了。光伏发电大发着却没有人用，存储价格太贵了
2. 现货市场上有什么办法吗，现行电价制度做不到，但是现货市场的发现，中午的时候电价可以下降，因为光伏发电供大于求了，在中午的时候将电价降的特别低，这样一个信号发出以后，就可以告诉用户这时候的电很便宜。
3. 用户此时就说，员工们，我们调整作息行不行，中午这两个小时不要吃饭，之前吃或者之后吃，或者我们轮流吃饭行不行。
4. 此时上图中大用户负荷原来中午凹下去的现在凸起来了，大用户的用电曲线和光伏发电曲线匹配了，用现货市场价格引导了我们用电的消费行为
5. 有了这样一个机制后，我们就能促进我们整个能源结构的转型，实现绿色化清洁化。当前我们之所以现在还存在着很多弃风，弃光的问题，就是因为我们缺乏一个现货市场，日前市场用分时的价格来反映我们供给的稀缺情况

以市场的方式推进需求侧响应

1. 实现源网荷的互动，全面提升电力设备的利用率，分时节点电价实现电力供需在时空尺度上的优化配置
2. 利用现货市场给出的经济信号提高资产利用效率，延缓投资
3. 上图中，上半部分图表是我们现行电价制度，变化不大，此时潮流越过线路的容量了，需要加新的输电线路
4. 如果我们用现货市场产生节点电价反映资源稀缺性，节点电价的不同时段差距就更大了，高峰的时候更贵了，用电就会减少，输电线路就会回到它的线路容量的底价面来了
5. 此时就不用建立线路了，就是简单的电价变动，反映资源稀缺性，延期我们的投资，使得我们现有资产利用率进一步大规模提高

激活售电市场的活力，发挥售电市场价值，实现无序的用户变为有序的用户

上图中，可以看到给出价格时，在高峰期两个用户都在高峰时进行响应，降低自己的用电量，而去低谷时段用电。