引言 　　在經過“廠網分開、競價上網”發電競爭模式后，電力市場必將過渡到發、輸、配電相分離，即輸電網開放的模式。在此模式下，不但發電企業要根據公平競爭的規則競價上網，而且允許大的電力用戶直接從發電企業購買低價的電力，通過同一電網或互聯電網予以輸送。該模式使電網公用化，并使其作為電力商品的載體，進入商業化運營，在電力生產者和用戶之間起著傳輸商品的作用，推動電力進入零售市場（即配電網開放、配電與用戶分離的模式），從而達到降低電能成本、降低電價、提供優質服務的目的。 　　輸電網絡對電力系統的可靠性和安全運行有著十分重要的作用，它促進了發電機組的規模經濟、需求分散和供應集中的經濟性，以及維護協調的經濟性等。在電力工業引入競爭的改革中，輸電對于促進電力市場的競爭，支持可靠性管理和市場交易等有更加重要的作用。 　　輸電系統開放所引起的問題是電力系統商業化運營中的基本問題，也是最復雜的問題，其研究已經成為一個熱點[1～4] 。本文將對輸電問題中的幾個主要問題進行研究探討，包括阻塞管理、輸電定價和輸電損失等。 　　1 輸電問題的提出 　　電力作為商品有其一般性和特殊性。電力商品的特點主要是：不能大量存儲，較大的日和季節需求變化，電力系統控制和可靠性等的運行要求，更重要的是網絡的外在性（network externalities），輸電系統的特性和限制[5] 。 　　電力系統的物理特性在于電力網絡中的潮流是由Kirchhoff定理控制并進行分配的，它顯示了從一個節點到另一個節點的電能的流動量和方向。隨著電力電子技術在電力系統中的應用，如靈活交流輸電技術（FACTS-flexible AC transmission systems）和移相變壓器（PST-phase shifting transformers），單條線路的潮流可以有所控制。然而，這種設備對潮流的控制作用有限，而且比較昂貴和稀少。 　　在一個給定的時間，輸電線路對于其中流過的潮流大小有一定的限制，這就使好的潮流控制變得非常有用。對線路的傳輸容量有影響的輸電限制主要有熱限制、電壓限制、穩定限制等。輸電限制必須在正常和故障時得到滿足，以使電力系統在故障發生時也可以繼續輸送電能。系統運行的安全穩定在任何時候都是非常重要的，大規模的事故會對社會和經濟造成嚴重的影響。 　　在競爭的電力市場環境下，輸電發生了很大的變化；隨著輸電網的開放，越來越多的用戶（包括發電廠和負荷）要求輸電網為它們提供公正、平等的輸送服務。這就要求輸電部分從發電和配電環節分離出來，形成獨立的輸電公司，在政府的監控下，負責電力系統的安全運行和市場交易的經濟運行[6] 。同時，輸電網運行的基本問題不再是優先解決電力公司用戶的電力需求，而是要明確地定義輸電服務、用戶使用輸電系統的權利以及相應的服務成本，并將其服務平等地提供給任何市場參與者以及科學合理地分攤其成本。 　　在競爭的市場環境下，輸電問題主要集中在3個方面：阻塞問題、輸電定價問題和輸電損失問題。 　　2 輸電阻塞問題 　　阻塞管理可能是一個最基本的輸電管理問題[5～10] 。在電力市場中引入競爭機制，輸電網絡起著關鍵作用，但是在輸電網絡容量不足的情況下，就經常會出現阻塞現象，以致輸電網絡的擁有者為了保證輸電網絡的可靠安全運行，不得不對電力的輸送加以限制和約束。處理輸電阻塞的手段很多，例如斷開過負荷線路；調節變壓器抽頭或移相器；操作FACTS裝置，特別是串聯裝置；重新調度發電機組；停止供應可中斷負荷等。在壟斷的體制下，這些手段是依靠指令完成的，但是在市場競爭機制下，惟一的調節工具是價格。 　　然而，在一個決策系統中，安全性和經濟性有時會相互抵消，需要有一個最佳平衡點。在放松管制下，輸電系統的阻塞管理需要建立一套規則，以在最大化市場效率的前提下保證對生產者和用戶有足夠的控制，從而在短期和長期條件下使電力系統的安全、可靠維持在一個可以接受的水平上。規則應當強硬、完善，以免參與者不惜以市場效率為代價，利用阻塞取得市場力和增加利潤；同時，應當公平、公正，并且透明。 　　為解決輸電阻塞問題，可采用以下3種手段： 　　a．基于集中優化，用最優潮流（OPF）方法或依靠獨立系統運行員（ISO）控制阻塞。采用此方法時，發電者按其所在區域的價格收費，負荷按其所在區域的價格付費。OPF方法就是通過區域價格的差異來控制系統的潮流和處理阻塞問題以維持系統安全。ISO在系統阻塞時收集了區域價格差異的余額，可以將其作為合同網絡權（contractnet workright）的來源，而合同網絡權是用來作為控制阻塞時價格變化的金融手段[11～13] 。此方法易于實施，但是價格統一確定以后，市場參與者無法根據當前的價格調整交易計劃，缺少市場反饋。 　　b．利用事前市場的價格信號，在實時運行前利用阻塞限制發電機的計劃發電量來延遲阻塞發生，當然，一些阻塞還是會實時產生并要通過集中控制來解決。此方法可以結合費率、定價區域和產品返銷等不同的技術來處理阻塞問題；然而存在以下兩個問題，即不同的輸電費率將會在不同區域的發電者之間產生競爭的優勢，以及需要確定一個獨立于輸電所有者的共同的ISO[5] 。 　　c．基于交易對輸電系統的影響，通過允許或禁止一些雙邊交易的實施來控制阻塞。此方法需要ISO準確地計算出每一條輸電線路和輸電系統的可用輸電容量（ATC-available transfer capability）并對輸電系統進行監控，以防止潛在阻塞的發生。ISO公布的兩個節點間的ATC意味著兩個節點分別作為注入點和流出點時的整個系統能夠輸送的最大交易量，它不表示連接兩個節點的界面的容量。而實際輸電系統的ATC是不斷變化的，并與每一條線路的可用容量相關，其計算的準確度是判斷系統阻塞的關鍵[5] 。 　　另外，當輸電阻塞時如何安排交易，是系統獲得最大經濟利潤，也是阻塞管理的一個方面[14,15]。文獻[14]分析了電力庫交易和雙邊交易兩種模式下的阻塞管理，其中電力庫交易下采用OPF解決，而雙邊交易情況下則采用對策論來求解。文獻[15]給出了電力庫交易、雙邊交易及多邊交易情況下，考慮負荷彈性及系統安全時安排的交易數學模型，最后還分析了3種模型共存時交易的優先順序。 　　文獻[16]將發電機組的爬坡率等約束考慮到阻塞管理中，并將建立的數學模型用于日前和實時市場，結合內點法解決具有時間約束的阻塞管理問題；最后對約束考慮前后的阻塞費用問題進行了分析比較。文獻[17]基于輸電阻塞管理的經濟學原理建立了模型，指出了阻塞價格因子在阻塞管理中的經濟學意義，并給出了其實用算法，利用供求彈性的概念通過多次交互試探的方法來確定阻塞價格因子，指出阻塞價格因子為通過市場手段消除阻塞提供了正確而豐富的經濟信號。文獻[18]提出了一種阻塞管理分散優化的算法，利用分散優化方法來確定阻塞電價的機制，其中每個市場參與者都在ISO的協調下追求自身利益最大化；此方法在一定條件下與集中優化的結果相當接近，而且具有更高的市場透明度。文獻[9]基于靈敏度分析方法建立了輸電阻塞管理的靈敏度分析模型及算法，針對阻塞只與局部電網有關的特點，通過削減部分節點的注入功率或負荷以快速有效地解決阻塞問題。 　　3 輸電定價問題 　　3．1 輸電定價問題的提出 　　輸電服務的邊際成本定價的定義是，當從輸電網絡的一個節點注人或流出一個單位的電力時，對整個系統成本的影響。它主要考慮輸電損失成本和輸電約束的機會成本。 　　但是，由于輸電網絡具有明顯的規模經濟效益，使得利用邊際成本定價所獲得的收入不能覆蓋固定資本投資，因而執行一個有效且公平的輸電定價方法變得更加困難。另外，輸電網絡的物理規律也使得對輸電潮流的控制更加困難。輸電網絡中的實際潮流與合同路徑不同，出現并行和環流問題；并且，系統外在性也使成本分析和定價更為復雜。同時，輸電阻塞和輸電損失問題也可以包含在輸電定價之中。 　　關于輸電定價有3個方面的問題需要注意：①應保證充足的收人來回收輸電系統運行者和所有者的成本，以促進輸電擴建；②可以通過不同的方式來管理阻塞，利用實時或事前價格信號為系統用戶提供關于系統運行情況的經濟信息，促進發電廠和負荷合理利用輸電網絡及選址；③可以用來影響電能市場中分散、無約束優化過程，以補償輸電損失和實際情況。 　　3．2 輸電定價方法研究 　　為了解決邊際成本定價與年收支平衡要求的矛盾，經濟學家的標準解是Ramsey定價方法，它是在保證年收支一致的要求下，極小化邊際成本定價在引導用戶行為上的失真，從而保持了它的最優性。遺憾的是，Ramsey定價在沒有大量用戶信息的情況下無法進行，因而難以應用到輸電定價問題上。為此，許多研究者試圖對上述方法進行改進，包括對成本分攤原則的改進和不同方法的相互結合，主要有： 　　a．Schweppe等人基于實時電價理論，在WRATES軟件中提出了將短期邊際成本價格乘以適當的系數來實現收支平衡的方法[20] 。具體的收支平衡方法在文獻[2]有詳細介紹。 　　b．Shirmohammadi等人提出MW-Mile的分攤方法[22] ，即按照該業務的輸送功率、輸送線路的長度及使用設備類型來分配電網的容量成本。在此基礎上，MarangonLima在文獻[23]中總結了4種基于潮流的分攤方法，指出MW-Mile方法缺乏經濟理論背景，而且是采用支路容量來進行計算的，通常難以完全回收成本，并對模數方法（MM）、反向潮流零定價方法（ZCM）和主導潮流方法（DFM）分別進行了介紹和分析。 　　c．Perez-Arriaga等人分析了SRMC不能達到收支平衡的原因，指出必須收取補充成本以達到收支平衡；并認為按照各使用者對輸電系統的利用而得到的收益來分配補充成本是一個合理的選擇，其中線路安全裕度的部分成本可以按各業務在系統峰荷時承擔的最大負荷來分配；但是，由于輸電投資的不連續性等原因造成的不平衡部分及其分配尚待研究[24,25] 。 　　d．Yu和David等人提出在短期邊際成本價格上加上按輸送容量利用率或可靠性效益分配的電網固定成本項的修正方法[26～28] ，其中備用利益以該線路故障造成的交易失敗的可能性的增加量來計算，此方法比僅使用MW-Mile方法進行分配更為合理。Silva等人將固定成本分為正常情況和不安全情況分別進行考慮，正常情況下采用MW-Mile方法進行分配，不安全情況下則不僅考慮對該輸電業務的影響，而且計人沒有該業務時此線路可流過的最大故障功率[29] 。 　　e．隨著優化技術的發展，不少研究人員將邊際成本方法結合OPF進行研究，提出了一些新的輸電定價方法[30～32] 。其中，大多數是將發電和輸電結合在一起，考慮發電和輸電的一些限制條件，利用OPF來計算實時電價，利用節點電價差來定義輸電電價，并分析輸電電價的組成及其意義。 　　f．文獻[33]針對發展中國家輸電網容量不足、結構不盡合理且償債負擔沉重的特點，用各線路過路費率與潮流乘積來描述對應時段輸電固定成本，然后利用擴展的實時電價理論，將投資成本和運行成本結合在一起考慮，提出了網嵌入的邊際成本定價方法（GEMP-grid embedded marginal-costpricing），得出的輸電費率不僅包含了運行、阻塞和固定成本，還包含了輸電優化效益分量，可以達到既完全回收固定成本又向用戶提供準確經濟信號的目的。其中，過路費率定義為各線路年固定成本支出額按一定的原則（如按負荷）分配到每一個時段的值。 　　g．Rudnick等人基于每個用戶在每條輸電線路上引起的潮流變化來分攤成本，提出了利用不同的輸電分配系數分配缺額的追加成本方法[34] ，引入了廣義發電分布系數（GGDF）和廣義負荷分布系數（GLDF）來簡化計算，但是GGDF和GLDF只表示線路潮流與各發電機和負荷之間的靈敏度關系，不能準確反映發電機和負荷之間的供應分配情況。 　　h．Bialek和Kirschen等人幾乎同時提出了潮流跟蹤法來確定線路潮流的流動情況，為按照線路的使用度來分攤成本提供了準確的計算方法，但該方法沒有考慮環流的問題，而且損耗的分攤原則的確定對于輸電成本的分攤有直接的影響[35,36] 。文獻[37，38]基于潮流分析和圖論分別對網損分攤問題和輸電設備的利用份額問題進行了研究。首先提出了作為過網費潮流分析基礎的兩個電流分解公理，據此推導出分攤網損和確定輸變電設備利用份額的基本原則，建立了數學模型；其次，以圖論為依據，提出了潮流標注有向圖中不存在有向回路的論斷，并建立了一套算法，對多個電力系統的網損分攤和輸變電設備利用份額問題進行了計算。 　　i. 文獻[39，40]基于潮流分析方法，利用潮流分解算法，將每一個交易分解為主要分量（只與單個的交易有關）和相互分量（計及了潮流模型的非線性，并反映了各個交易之間的相互影響），此方法可以確定對輸電網的實際利用、電網的功率不平衡項和參與調節的發電機對于有功損耗的貢獻。當分攤網絡不平衡功率時，可以利用一個修正的PFD（powerflowdecomposition）迭代過程進行，結果表明此過程可以滿足公平競爭和經濟調度的原則。 　　j.文獻[41]分析了輸電定價的目的，利用基于區域定價的概念并建議用一個非線性規劃問題來確定有功和無功電價，其目標是在系統約束內最大化凈社會福利；同時，也對FACTS裝置（SVC和TCSC）對輸電定價的影響進行分析。文獻[42]對輸配電定價問題進行了分析，指出了配電定價與輸電定價的不同，并基于標準化管理提出了一種基于微增成本的配電定價方法，間接地促使配電公司進行競爭。文獻[43]對多區域電力聯營體運行下的輸電成本的分配進行了研究，提出了將聯營體內集中調度的計劃交換功率水平分解成多個配對的雙邊交易，考慮了雙邊交易量及其相關的環流輸電成本，通過迭代的多區域全交流最優化潮流來解決成本分配問題，并針對系統參數如系統負荷及輸電容量變化等進行了分析。 　　4 輸電損失問題 　　輸電損失問題也是一個主要的問題，它可以包含在輸電定價問題中，也可以單獨進行考慮。輸電損失成本取決于輸電線路上的潮流，如何根據各項輸電業務對輸電線路的潮流影響來分攤輸電損失成本，是一個較為復雜的問題。盡管輸電損失和其他影響市場效率的因素相比是很小的，但它對于提高輸電定價有效性以及引導輸電用戶合理利用輸電資源有著重要作用，仍需對其進行考慮，以盡可能地提高市場效率[1] 。 　　傳統的電力體制下，電力的生產和消費基本上是依靠調度指令進行的，對應的輸電損失分攤主要是根據負荷水平進行平均分攤。首先計算出交易全部進行時的總的輸電損失，然后基于不同的分攤原則（比如系統采用統一的輸電損失率等）對每一個交易進行分攤。而在電力市場條件下，輸電損失的分攤對電力市場的公平競爭有較大的影響，不少研究者都關注并試圖解決這一復雜的問題，近期的研究成果有： 　　a．文獻[44]利用月損失因子來計算輸電損失，此因子可以從節點導納矩陣或節點阻抗矩陣獲得；并基于此來處理經濟調度問題。 　　b．文獻[45]提出了一種新的輸電損失分攤方法，考慮了輸電用戶的類型、電壓等級和地理位置等因素，并利用圖論作為工具將輸電損失進行分攤。文獻[37，38]以潮流分析為基礎，提出了兩個電流分解公理，確定了輸電損失分攤的基本理論基礎，并以圖論為依據，對輸電損失進行分攤，包括輸電損失分攤的原則和數學模型等。 　　c．文獻[46]提出了一種按比例對輸電損失進行分攤的方法。此方法對每個交易計算其引起的微增損失，并將總和乘以相應的系數以等于實際系統總的損失。該方法比較簡單，但沒有考慮交易雙方的地點。Tao和Gross提出了對應每個交易的近似損失計算公式[47] 。此方法需要首先假定一條單一的松弛母線，然后計算相應的損失并在交易間進行分攤，可以反映對應于反向潮流的負的損失分攤。 　　d. Galiana等人在文獻[48]中指出市場交易已經成為決定電力系統運行的獨立決策變量，如何將輸電損失分攤到交易雙方對提高市場效率非常重要；并提出了一種簡單、系統的方法以將損失在雙邊交易中進行分攤，該方法是基于損失分攤的微增理論，并考慮了交易雙方以及損失補償者的相對大小和位置，并且計及了其他交易的影響，特別是反向潮流的作用。文獻[49]將微增方法用于輸電損失的分攤，并在電力庫調度下建立了一套微增輸電損失分攤的算法，以用于按照給定的比例在發電者和用戶間進行分攤。 　　e．文獻[50]分析了輸電損失的特性及在電力市場中對其進行分攤的意義，指出了現有的一些分攤方法在處理不同交易相互影響時的不公平性，特別是所涉及的交易存在較大差異的情況；并提出了幾種可以選擇的方案，即比例分攤、非線性分攤、幾何分攤和快速幾何分攤。Narayan則在文獻[51]中提出了一種基于節點響應對輸電損失和阻塞成本分攤的新方法，克服了LMP方法的不對稱和不一致性，有利于提供輸電投資的經濟信號。 　　f．Bhuiya等人在文獻[52]中提出了2種方法來確定輸電損失分攤到發電者的份額。第1種是微增負荷潮流方法（ILFA），它是基于修正的負荷潮流來計算輸電損失，即一個負荷潮流解是通過改變一個用戶負荷而其他用戶負荷保持不變得到的，輸電損失的變化加給與變化負荷對應的發電者；第2種方法是邊際輸電損失方法（MTLA），即輸電損失分攤到一個發電者的份額是在保持其他所有負荷不變的情況下，通過微增發電機的有功需求而獲得的。 　　g．Tan等人在文獻[53]中指出，在輸電網開放環境下對輸電損失的合理分攤是建立公平競爭的一個重要方面；該文利用合作博弈理論建立輸電損失分攤的模型，運用Aumann-Shapley方法對輸電損失成本進行合理的分攤，克服了直接利用邊際成本時的輸電損失成本的收支不一致性，基于優化目標而提供有效的經濟信號。 　　h．文獻[54]基于嚴格的數學推導提出了一種新的損耗分攤原則，主要是將附加損耗按功率比例進行分攤，并將損耗細分為有功功率產生的損耗和無功功率產生的損耗，為用戶提供了有利于降低整個系統損耗的信號。文獻[55]提出了一種基于網絡阻抗矩陣和潮流解的網損分攤方法，根據輸電網絡中功率交換者的地點和交易量對其分攤應承擔的網損份額，所提出的方法同時考慮了有功和無功對網損的貢獻，并且反映了各交易者對網絡的利用程度。 　　5 結論 　　本文通過對電力市場環境下輸電問題的分析，得出以下結論： 　　a．鑒于輸電網絡對于電力系統的安全可靠運行的重要作用，無論在何種電力市場運營機制下，由于輸電系統開放所引起的經濟、技術以及管理問題都是值得研究的重要課題。 　　b．輸電問題主要包括3個方面，即阻塞管理、輸電定價和輸電損失問題，其中阻塞管理和輸電損失問題都可以包含在輸電定價問題中。 　　c．輸電系統的經濟、技術特性使得輸電問題的解決顯得更加復雜、困難；本文通過詳細地闡述輸電阻塞管理、輸電定價和輸電損失等方面的關鍵內容、解決方法以及最新研究進展，以期對電力市場中輸電管理問題的解決有所幫助。 　　d．不同的市場模式下，輸電管理可以采取不同的方法，其中包括基于交易的方法、基于集中OPF的方法、區域定價方法和分散管理方法等；輸電問題的解決和處理不但要根據輸電系統的經濟技術特性，而且要考慮不同的市場模式和規則等政策因素。 轉自：東方自動化