源网荷储多元协同互动背景下的现货电力市场运营评价方法_李再忠.pdf

Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期源网荷储多元协同互动背景下的现货电力市场运营评价方法李再忠1，潘明杰2，赵承汉2(1 国家电投山东能源发展公司，山东 济南250001;2 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240)摘要:在源网荷储多元协同互动背景下，传统运营评价方法已不能准确有效地描述现货电力市场的运行情况。结合国内外已有研究，首先构建了现货电力市场运营评价指标体系;随后采用基于级差最大化的层次分析法 熵权法的赋权方法求解指标权重，给出现货电力市场运营综合评价流程;最后基于某实际电力市场数据进行算例验证。结果表明，所提出的现货电力市场运营评价方法得到的综合评价结果能够反映市场的真实运营情况、发展状况及潜在问题。关键词:源网荷储多元互动;现货电力市场;运营评价;指标体系;层次分析法(AHP)熵权法DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 019 中图分类号 TM711 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0069 04Evaluation Method of Spot Power Market Operation Under the Backgroundof Multi-source，Grid，Load and Storage InteractionLi Zaizhong1，Pan Mingjie2，Zhao Chenghan2(1 Shandong New Energy Co，Ltd，State Power Investment Corporation Limited，Jinan Shandong 250001，China;2 School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)Abstract:In the context of the diversified interaction of source-grid-load-storage，the traditional operation evaluation methods can no longeraccurately and effectively describe the operation of the spot power market Combining with existing research at home and abroad，thespot power market operation evaluation index system was firstly constructed，and then the weighting method based on the analytichierarchy process(AHP)-entropy weight method based on the maximum level difference was used to solve the index weight，and thecomprehensive evaluation process of the spot power market operation was given Finally，a calculation example was verified based ona certain actual electricity market data The results show that the comprehensive evaluation results obtained by the proposed spotpower market operation evaluation method can reflect the real operating conditions，development status and potential problems of themarketKeywords:interaction of multiple source-grid-load-storage;spot power market;operation evaluation;evaluation index system;analytic hierarchyprocess(AHP)-entropy weight method定稿日期:2021 11 100引言随着综合能源系统建设的推进和双碳政策的提出，源网荷储多元协同互动成为电力系统发展和改革的重要方向1。国家发改委于 2020 年明确提出大力推动源网荷储协同互动，为电力行业明确了发展方向2。现货电力市场作为电力交易中心，需要一套合理、准确、有效的运营评价流程来分析其运行状况，这首先需要构建科学实用的评价指标体系3。在源网荷储多元协同互动的大背景下，传统指标体系中考虑的因素不够全面，已不再适用。此外，评价体系中指标的重要程度各不相同，需要对其权重赋值以得到综合评价结果。目前国内外的综合评价方法主要有主观法和客观法两类4。主观赋权法通过咨询专家或相关学者得出各评价指标的评分即权重，评价结果具有主观随意性，其中比较典型的有模糊综合评判法等。客观赋权法根据各个指标值的变异程度或各个指标之间的相互关系来决定权重的数值，该评价结果理论基础坚实，例如主成分分析法等。但上述两种方法都存在局限性，需要结合使用5 6。本文在建立现货电力市场运营评价指标体系的基础上，使用基于级差最大化的层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)熵权法的赋权方法求解指标权重，并给出了现货电力市场运营综合评价流程。最后基于某电力市场的算例数据，求解得到各个指标及市场运营综合评价结果，所得结果具有合理性和先进性。1现货电力市场运营评价指标体系本文构建如表 1 所示的现货电力市场运营评价指标体系，通过市场指标、安全性指标和可持续性指标三类一级指标反映市场各方面的运营状态，在一级指标之下再设置二级指标和三级指标，用于量化市场的各方面表现。市场指标是最为重要的一级指标，直接反映电力市场的改革效果和运营状态。电网安全性是电力交易各方利益的根本保障，安全性指标同样必不可少。此外，电力系统作为目前最主要的二次能源系统具有社会责任，还需有可持续性指标来表征电力市场的能耗环保特性。96Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电力系统及其自动化Power System Automation表 1现货电力市场运营评价指标体系一级指标二级指标三级指标市场指标结构供需经济市场集中度赫芬达尔 赫希曼指数(Herfindahl-Hirschman index，HHI)()Top-m 份额()市场力高价申报中标率()申报容量持留率()勒纳指数()局部市场力()开放程度竞价机组占比(+)市场交易电量占比(+)市场主体数量增长率(+)市场供需比(+)需求侧响应容量比例(+)系统电价及波动率()市场净效益(+)尖峰电价频率()安全性指标可持续性指标充裕度可靠性发电结构污染物备用水平(+)输电断面重载比例()N 1 标准执行程度(+)暂态稳定程度(+)火电厂平均煤耗率()可再生能源发电占比(+)单位发电量污染物排放量()注:正指标(+)即值越大评价效果越好，负指标()反之。2现货电力市场运营评价方法2 1基于级差最大化的 AHP-熵权法的赋权方法首先采用隶属度函数将指标归一化，随后从主观赋权法中选择 AHP，从客观赋权法中选择熵值法，将二者结合，以级差最大化(不同评价对象间区分度最高)为目标在所得权重区间内优化求解最终的指标权重。2 1 1AHPAHP 基于专家对指标之间的相对重要程度的判断得到指标权重。计算步骤如下:(1)由专家建议构造 n 个指标 X1，X2，Xn的判断矩阵 A。A=a11a1nan1ann(1)式中:aij为指标 Xi与 Xj的相对重要性。(2)对矩阵各行求平均值得到各指标权重。wi=nj=(1aij/ni=1a)ijni，j=1，n(2)式中:wi为指标 Xi的权重。(3)检验权重结果 W=(w1，w2，wn)T的一致性。矩阵 A的最大特征根 max由式(3)可得:max=1nni=1(AW)iwi(3)然后对判断矩阵进行一致性检验:CI=max nn 1，C=CII(4)式中:I 为固定常数;C 为矩阵的随机一致性比率。当 C 0 1时认为权重合理，否则需要调整矩阵 A 中各元素的值。2 1 2熵值法熵值法计算步骤如下:(1)构建 m 个待评价对象的 n 个评价指标的特征矩阵 Y。Y=y11y1nym1ymn(5)式中:yij为第 i 各评价对象的第 j 个评价指标。(2)将判断矩阵 Y 归一化处理，得到新的判断矩阵 P=(pij)mn。(3)根据熵的定义求出评价指标相对熵值。Ej=mi=1pijlnpijlnm，i=1，m;j=1，n(6)式中:Ej为评价指标 j 的相对熵值。当 pij=0 时，定义 ln pij0。(4)计算评价指标的熵权即权重。wj=1 Ejn nj=1Ej，j=1，n(7)式中:wj为第 j 个评价指标的权重。2 1 3基于级差最大化的 AHP-熵权法的赋值方法设层次分析法和熵权法最终得到的权重指标集为 W=(w1，w2，wn)T，m 个待评价对象的 n 个评价指标的特征矩阵为X，则最终评价结果 Z 由式(9)计算得到。X=x11x1nxm1xmn(8)Z=XW=z1，z2，z()mT(9)权重需要保持合理区分度，为此构建综合权重优化模型，如式(10)所示，目标函数为使 m 个待评价对象得分的级差最大。max1m 1mj=(1zj1mmj=1z)j2s tw i wi wini=1wi=1(10)式中:wi和 w i分别为指标 wi的取值上下限。取得优化权重后，重新代入式(9)即可得到最终评价结果。2 2现货电力市场运营综合评价流程本文关注核心为一级指标和运营综合评价结果，故可跳过二级指标，将三级指标定义为基础指标，详细评价流程如下。步骤 1:确定指标体系。设 m 个现货市场研究对象有 p 个一级指标 X1，X2，Xp 和 n 个基础指标 x1，x2，xn。步骤 2:归一化处理。通过调查统计得到各指标值后，根据07Electrical Automation电力系统及其自动化Power System Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期指标类型(表 1)进行归一化处理。步骤3:基础指标赋权。结合 AHP 和熵值法对各指标值进行赋权。本步骤中需依次对各一级指标下的基础指标赋权。步骤 4:求解各一级指标值。依据步骤 3 中求出的指标权重求解各个一级指标。对于第 k 个一级指标 Xk，其求解公式为:Xk=qkj=qk1+1wjxj，k=1，p(11)式中:qk为第 k 个一级指标下的基础指标;wj为指标 xj的权重。步骤 5:一级指标赋权。同样采用基于级差最大化的 AHP-熵权法的赋权方法，所得指标权重为 wj(j=1，p)。步骤 6:求解综合评价结果。求出各一级指标值及权重后，通过加权平均求出现货电力市场运营综合评价最终结果。Vi=pj=1wjXj，i=1，m(12)式中:Vj为第 j 个一级指标的最终权重。3算例分析3 1电力市场数据以 20182019 年山东省某电力市场公布的数据为基础，得到 A、B、C、D 4 个市场(每个市场时段为半年)数据，如表 2 所示。表 2电力市场数据基础指标市场 A市场 B市场 C市场 DHHI1 3261 2901 4521 330Top-m 份额/(%)495045 0053205600申报中标率/(%)35403030申报容量持留率/(%)5433局部市场力02420 23102050190竞价机组占比/(%)63667483市场交易电量占比/(%)3 804004 60500市场主体增长率/(%)165036 2013206580市场供需比1 581611 75150需求侧响应比例/(%)8 7011 0013201800系统电价/元(MWh)1340 03300350 63255价格波动率/(%)467042 5040003500尖峰电价频率/(%)0 350020 090备用水平/(%)127014 8025201120输电断面重载比例/(%)3 303604 00300N 1 标准执行程度/(%)8899暂态稳定程度/(%)8989火电煤耗率/t(MWh)100180 01800170016可再生能源占比/(%)372038 0039903900污染物排放量/t(MWh)1 0049 20 047 40044 80048 33 2一级指标评价结果使用 AHP-熵权法的赋权法求解市场指标、安全性指标和可持续性指标三个一级指标所对应基础指标权重，结果如表 3所示。从表 3 可以看出，市场指标中权重最大的三个指标分别为局部市场力、价格波动率以及竞价机组占比，代表现货市场中的市场力、经济性以及开放程度。安全性指标中权重最大的是备用容量水平，输电断面重载比例次之，代表现货市场的安全充裕度。可表 3基础指标权重一级指标基础指标指标权重市场指标安全性指标可持续性指标HHI0 028Top-m 份额0 070高价申报率0 040申报容量持留率0 056局部市场力0 125竞价机组占比0 083市场交易电量占比0 078市场主体增长率0 069市场供需比0 071需求侧响应比例0 073系统电价及波动率0 258尖峰电价频率0 050备用容量水平0 409输电断面重载比例0 224N-1 标准执行程度0 184暂态稳定程度0 184火电煤耗率0 150可再生能源占比0 466污染物排放量0 384持续性指标中权重最大是可再生能源发电占比，代表现货市场的发电结构。进一步可计算得到各市场的一级指标，结果如表 4 所示。表 4一级指标计算结果一级指标市场指标安全性指标可持续性指标市场 A014605200市场 B044805410260市场 C056707560925市场 D084102230761从表 4 可知，市场指标排序为 D C B A，表明随着时间的推移，现货市场的市场化程度越来越高，市场化改革卓有成效。安全性指标排序为 C B A D，与市场时间顺序大致一致，其中 D 市场安全性较低可能与下半年用电量显著增大，而市场中装机容量等相比上半年增长不高引起的市场安全充裕度下降有关。可持续性指标排序为 C D B A，表明现货市场的可持续性随着市场发展同样显著增强，其中 D 市场可持续性低于 C 市场，可能与下半年用电量显著增大导致火电机组发电量增大、可再生能源发电占比减小、污染物排放相对增多有关。3 3市场运营评价结果得到一级指标后，同样按照前述方法求出各一级指标权重，所得权重如表 5 所示。由表 5 可知，在市场评价中，市场指标重要性最高，可持续性指标次之，最后是安全性指标，这与电力市场改革的出发点一致。表 5一级指标权重市场指标安全性指标可持续性指标053701670296(下转第 80 页)17Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电源技术Power Supply Techniques仿真结果表明:系统具有较好的动态、稳态特性;输出电压、纹波以及调整时间均在期望值范围内，由此验证了补偿方法可行。2 2数字电源的电路测试通过上文的设计，基于 Simulink 系统仿真模型验证的补偿参数，在 FPGA 上实现了该算法，搭建试验电路对数字电源进行测图 4输出电压特性试。输出电压特性如图4 所示，输出电压平均值为 21 013 V，纹波电压峰峰值为 770 mV。当输入电压由 28 V突变至 31 V 时，输出电压升高，恢复到额定值的调节时间约为 160 s。图 5 为输入电压调整率特性曲线。在输出端接额定 1 A 负载时，输入电压范围在 25 V 31 V 内，输出电压的变化范围为 20 985 V 21 023 V，由此可计算出本系统的电源电压图 5输入电压调整率特性曲线调整率约为 0 63%。当负载电流由 1 A 突变至 1 5 A 时，输出电压下降，恢复到额定值的调节时间约为 120 s，在输入电压为28 V的情况下，负载电流从 0 5 A 变化到 1 5 A 的输出电压的变化范围为 20 980 V 至 21 036 V，可计算出本系统的负载电流调整率约为 56 V/mA。由试验结果可知，当系统工作条件发生不同变化时，输出电压均能保持稳定，瞬态响应能够迅速调节。3结束语本文以 Buck 型变换器作为功率主电路，电压环反馈作为反馈环路，设计了一个基于 FPGA 的数字控制开关电源，测试结果满足总体性能需求，并将其成功地应用于行波管放大器上。本文的设计方法也为 ASIC 芯片的设计提供了指导。参考文献:1 DUMMOND GUniversal Helix TWT power supply C IEEEInternational Vacuum Electronics Conference，Monterey，2014:195 1962 郭兰芳 行波管电源系统设计D 成都:成都理工大学，20163 罗刚，高荣，江书勇 开关电源的数字控制技术研究J 实验科学与技术，2009，7(2):30 31;344 方舟 通信高频开关电源的现状及展望 J 电源世界，2005(10):35 375 卢少锋 基于 FPGA 的高效 DC/DC 数字电源设计研究D 西安:西安电子科技大学，20186 张浩 基于 FPGA 的数字控制 DC-DC 变换器的研究与设计 D 武汉:华中科技大学，20097 卢诚 基于 FPGA 的 DC-DC 数控电源设计与实现 D 安徽:安徽理工大学，20198 JEZENIK K FPGA-based controllers for switching convertersCIEEE EUOCON 2009，St-Petersburg，2009:971 976【作者简介】左姗姗(1998)，女，河南人，硕士研究生，主要研究方向为FPGA、电路与系统。(上接第 71 页)进一步计算可得到各市场的运营评价结果，如表 6 所示。表 6市场运营评价结果市场 A市场 B市场 C市场 D0 1650 4080 7040714从表 6 可知，四个现货市场运营状态依次为 D C B A，表明随着时间的推移，现货市场运营状态持续变好，市场效率、可持续性及安全性普遍向好发展，市场建设有序推进。4结束语本文构建了现货电力市场运营评价指标体系以及运营综合评价流程，最后进行了算例验证。主要结论如下:(1)层次分析法与熵值法相结合，可以兼顾主、客观赋权法的评价结果，能够合理评价不同市场或同一市场不同时间运营状态的区别。(2)所提评价指标体系可以有效评价市场的市场化程度和运营效率，同时可兼顾市场的可持续性和安全性，具有合理性和先进性。参考文献:1 姚建国，杨胜春，王珂，等 智能电网“源 网 荷”互动运行控制概念及研究框架J 电力系统自动化，2012，36(21):1 6;122 国家发改委 关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见EB/OL 2020 9 23 http:/www hebigov cn/sfgw/3367639/638810/3367697/3422050/index html2 刘敦楠，陈雪青，何光宇，等 电力市场评价指标体系的原理和构建方法J 电力系统自动化，2005，29(23):2 7;142 樊治平，赵萱 多属性决策中权重确定的主客观赋权法J 决策与决策支持系统，1997，19(4):89 932 付可欣，彭澎，孔静，等 基于层次分析法的输电网能效评估方法研究 J 电测与仪表，2016，53(3):23 262 董福贵，张也，尚美美 分布式能源系统多指标综合评价研究J中国电机工程学报，2016，36(12):3214 3223【作者简介】李再忠(1969)，男，山东人，工程师，从事电力系统调度、可靠性、节能及市场营销工作。潘明杰(1997)，男，江苏人，硕士研究生，从事电力系统优化运行及电力市场相关研究工作。赵承汉(1998)，男，河北人，硕士研究生，从事电力系统优化运行以及智能电网运行与控制研究工作。08