市场耦合作为评估区域划分的通用算法

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英文标题：
《Market Coupling as the Universal Algorithm to Assess Zonal Divisions》
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作者：
Grzegorz Orynczak, Marcin Jakubek, Karol Wawrzyniak, Michal Klos
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最新提交年份：
2014
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英文摘要：
  Adopting a zonal structure of electricity market requires specification of zones\' borders. In this paper we use social welfare as the measure to assess quality of various zonal divisions. The social welfare is calculated by Market Coupling algorithm. The analyzed divisions are found by the usage of extended Locational Marginal Prices (LMP) methodology presented in paper [1], which takes into account variable weather conditions. The offered method of assessment of a proposed division of market into zones is however not limited to LMP approach but can evaluate the social welfare of divisions obtained by any methodology.
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中文摘要：
采用区域电力市场结构需要明确区域边界。在本文中，我们使用社会福利作为衡量标准来评估各个分区的质量。社会福利采用市场耦合算法计算。通过使用文献[1]中提出的扩展区位边际价格（LMP）方法发现了分析的分区，该方法考虑了可变天气条件。然而，所提供的市场分区评估方法不限于LMP方法，而是可以评估通过任何方法获得的分区的社会福利。
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分类信息：

一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Computational Engineering, Finance, and Science        计算工程、金融和科学
分类描述：Covers applications of computer science to the mathematical modeling of complex systems in the fields of science, engineering, and finance. Papers here are interdisciplinary and applications-oriented, focusing on techniques and tools that enable challenging computational simulations to be performed, for which the use of supercomputers or distributed computing platforms is often required. Includes material in ACM Subject Classes J.2, J.3, and J.4 (economics).
涵盖了计算机科学在科学、工程和金融领域复杂系统的数学建模中的应用。这里的论文是跨学科和面向应用的，集中在技术和工具，使挑战性的计算模拟能够执行，其中往往需要使用超级计算机或分布式计算平台。包括ACM学科课程J.2、J.3和J.4（经济学）中的材料。
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一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Computers and Society        计算机与社会
分类描述：Covers impact of computers on society, computer ethics, information technology and public policy, legal aspects of computing, computers and education. Roughly includes material in ACM Subject Classes K.0, K.2, K.3, K.4, K.5, and K.7.
涵盖计算机对社会的影响、计算机伦理、信息技术和公共政策、计算机的法律方面、计算机和教育。大致包括ACM学科类K.0、K.2、K.3、K.4、K.5和K.7中的材料。
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一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Systems and Control        系统与控制
分类描述：cs.SY is an alias for eess.SY. This section includes theoretical and experimental research covering all facets of automatic control systems. The section is focused on methods of control system analysis and design using tools of modeling, simulation and optimization. Specific areas of research include nonlinear, distributed, adaptive, stochastic and robust control in addition to hybrid and discrete event systems. Application areas include automotive and aerospace control systems, network control, biological systems, multiagent and cooperative control, robotics, reinforcement learning, sensor networks, control of cyber-physical and energy-related systems, and control of computing systems.
cs.sy是eess.sy的别名。本部分包括理论和实验研究，涵盖了自动控制系统的各个方面。本节主要介绍利用建模、仿真和优化工具进行控制系统分析和设计的方法。具体研究领域包括非线性、分布式、自适应、随机和鲁棒控制，以及混合和离散事件系统。应用领域包括汽车和航空航天控制系统、网络控制、生物系统、多智能体和协作控制、机器人学、强化学习、传感器网络、信息物理和能源相关系统的控制以及计算系统的控制。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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PDF下载：
--> Market_Coupling_as_the_Universal_Algorithm_to_Assess_Zonal_Divisions.pdf (504.95 KB)

2022-5-6 04:52:55 上传

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关键词：Applications Quantitative Optimization Mathematical Experimental

市场耦合作为评估分区的通用算法格热戈尔茨·奥伦扎克、马尔金·雅库贝克、卡罗尔·瓦夫兹尼亚克、米夏克·奥斯国家核研究中心、沃克计算中心、波兰德卡罗尔的沃克-沃克。Wawrzyniak@fuw.edu.plAbstract-采用区域性电力市场结构需要指定区域边界。在本文中，我们使用社会福利作为衡量标准来评估各种社会福利的质量。社会福利采用市场耦合算法计算。通过使用文献[1]中提出的扩展位置边际价格（LMP）方法发现了分析的分区，该方法考虑了多变的天气条件。然而，所提供的市场分区评估方法不限于toLMP方法，而是可以评估通过任何方法获得的分区社会福利。指数术语——基于流量的市场耦合、电力系统经济学、社会福利。简介欧洲的能源市场正在经历一个转型过程，旨在整合国家市场，更好地利用可再生能源。由于历史原因，许多国家采用的市场结构是统一定价，即每天每小时在一个国家市场上设定一个单一的能源价格。尽管这种方法表面上很简单，但也有严重的缺点。

市场上设定的平衡没有考虑电网的安全要求。因此，（i）市场上设定的单一价格均衡（能源交换）通常是不可行的，（ii）系统运营商必须进行成本高昂的调整，（iii）不同地点的能源供应成本不同，但不包括它们出现的地方。随着其他形式市场的引入，拥堵成本得到缓解，市场价格更充分地反映了向不同地点供应能源的真实成本。到目前为止，未来泛欧能源市场的明确类型仍然是一个悬而未决的问题，因为第三个能源包并没有精确地指定设计，而是国家市场解决的两种最流行的方法是节点定价和区域定价。节点定价模型目前在美国和俄罗斯等国使用。北欧国家和英国都引入了分区定价。这种定价方式在欧洲越来越流行，这将是本文的主要主题。区域市场可以被认为是统一结构的简单性和准确性之间的折衷。例如，2011年，在波兰，平衡市场调整的成本占总生产成本的3%以上（超过2.5亿欧元）（来源：URE/ARE S.a.）____________________________________________________________这项工作得到了欧盟和MSHE grant nr POIG的支持。02.03.00-00013/09.  感谢您在NCBJ使用CIS计算机集群。nodal one引入了能源供应成本不同的地区之间的价格差异，但它保持了nodal市场所缺乏的透明度。

电网被划分为地理区域，每个区域都有一个单独的能源市场，价格可能不同。市场耦合（MC）算法用于控制区域间的潮流，并计算给定潮流的区域内的价格。这样，在假定这些区域的边界上有经常拥堵的线路的情况下，区域市场的均衡将考虑这些关键线路上的转移限制。因此，对额外拥塞管理的需求被最小化，大部分任务由MC机制执行。当然，可能需要对平衡进行小的调整，以满足区内线路的限制，但预计这些调整的成本比相应的统一市场上的调整要低。尽管如此，在文献中，关于确定最佳区域数量及其边界的方法还没有达成共识。现有的方法大多基于两阶段方法——将一些特定值分配给每个节点，并通过在这些参数上对节点进行聚类，将系统划分为多个区域。在现有的方法中，我们可以区分两种常用的选择节点特征值的方法。第一种方法基于节点价格，称为局部边际价格（LMP）[2,3]。节点价格代表能量的局部价值，即向特定节点（输电系统中的物理点）提供额外1 MW能量的成本，在该点上，能量可由发电机注入或由负载提取。这个价格包括在给定节点上产生能源的成本，以及在考虑到拥塞的情况下在该节点上提供能源的成本。

因此，如果两个地点之间发生拥堵，LMP会将它们分为价格较高和价格较低的区域。第二种方法基于功率传输分布因子（PTDF）。该程序从识别拥挤线路开始，然后计算出PTDF。分布系数反映了单位节点注入对沿传输线的功率流的影响，因此，将具有类似系数特征的节点分组到一个区域，定义了一个理想的类似拥塞敏感性区域[4]。关于分区配置的最终选择，必须解决的主要问题是用于分离节点的不一致性不确定性，以及用于评估已构建分区的标准中的不一致性不确定性。然而，上述两种方法的划分是基于一个合理的假设，即拥挤的线路应成为区域间线路，边界线的实际形状基于几个不同的前提，这些前提用于（i）用一个值（例如节点价格）或一组值（例如PTDF）标记每个节点，以及（ii）使用聚类技术将节点分组到地理区域。由于分区方法根据节点市场结构（如LMP）得出的数据分配值，因此有理由需要评估新定义的分区架构。我们可以将评估标准大致分为基于网络安全性的评估标准，其中包括区域内线路流量的可预测性，以及基于经济（市场）措施的评估标准，如市场流动性、集中度或社会福利（由[7]等建议）。

在本文中，我们计算并比较了社会福利（SW），即区域市场供需平衡中生产者和消费者剩余的总和。具体来说，我们使用基于流量的市场耦合机制（FB MC）来确定每个区域市场上的均衡，同时考虑到它们之间的电力流限制。作为划分的一个测试案例，我们使用了[1]中介绍的LMP方法学的结果，该方法考虑了可变的天气条件，并应用于波兰网格的简化模型，得出了适当的福利措施。下一节将介绍市场耦合和社会福利计算的确切方法。以秒计。我们描述了用作测试用例的网络模型。文中给出并讨论了由此导出的结果。四、 以秒计。我们总结并提出未来工作的方向。二、区域能源市场的方法可以表示为一组能源交易所，每个交易所管理位于特定地理区域的发电商和能源消费者之间的交易。区域间的能量传输是允许的，并且由MC机制控制，该机制考虑了区域间传输线的约束。为了确定每个能源交易所的安全供需平衡，MC机制必须确定买入/卖出报价的实现如何转化为（i）电网节点的电力注入/提取，以及（ii）区域间线路上的流量。

在这样做时，MCalgorithm的目标是最大化社会福利（消费者剩余+生产者剩余+拥挤租金），同时将流量保持在安全极限。将地带间流动保持在安全极限的机制可能具有不同程度的复杂性。在我们的方法中，我们使用基于流量的MC，它利用功率传输分布系数（PTDF）矩阵来确定特定注入/提取如何影响分区间线路上的功率流。这种方法类似于直流电力流（DC-PF）模型，我们使用术语“市场耦合”专门作为管理由一个系统运营商管理的市场区域之间交换的机制（例如，国家市场划分为多个区域的情况，或跨越多个国家的公共区域市场）。本文没有研究两个（或多个）未整合市场边界上的流的治理。在网格中。因此，与更简单的MC机制相比，FB MC在稳健性方面有了显著提升，例如，可用传输容量（ATC）MC，它仅限制分区之间的聚合流量，而不明确计算每个分区之间的流量。我们基于COSMOS/Euphymia算法[5,8]的描述来实现FB MC，该算法是针对CWE（中欧-西欧）能源市场推导的。A.报价输入MC算法的主要输入数据是能源消费者/发电机的购买/出售报价。

第n个报价，n=1，…，n，其特征是属于区域j，j=1，…，j，我们用n表示Zjand，由注入/提取能量的节点的物理位置衍生，并由交易量qn衍生，对于卖出出价，其编码为正值，对于买入出价，其编码为负值。该算法允许部分实现报价，也允许使用“三角形”报价，其中报价在区间[0，|qn |]上线性降低（对于买入报价）或增加（对于卖出报价），因此报价的特征是两个价格，Pn和Pn，即PnPn购买要约，Pn我们需要一个卖出价。在该算法找到的平衡中，每个报价都可以被接受、部分接受或根本不被接受，这将由一个系数和[0,1]. 因此，按百分比接受的报价与电量的注入/撤回有关，金额为Anqn，在“三角”卖标情况下的最高价格（在买标情况下的最低价格）由10 0表示.B.流量计算计算报价的实现如何影响给定分区注入向量的分区间流量Q=（Q，…，QJ）T（代表给定分区中所有节点中已接受报价的聚合注入/提取），其坐标由JJ n nn ZQ a Q给出,  （1） 我们使用从网格模型导出的节点PTDF矩阵（nPTDF）和生成移位键（GSK）矩阵[6]来获得沿K条带间线（矢量1t（，…，）KQ）的流量) asQ nPTDF GSK Q.为了构造GSK矩阵，我们首先运行MCalgorithm，在不使用GSK asQ R nPTDF Q的情况下计算流量, 式中，R矩阵选择沿Kinter带状线的流动。

为此类约束找到的负荷/发电平衡用于计算GSK矩阵，然后将其视为“适当”MC FB算法运行的输入。C.目标函数和约束社会福利的最大化等价于优化问题01Max2nn NNPAPQ.  （2） K带间线路的安全极限由其容量Ck、1、…、，。。。，Kk,  用向量C定义asC=（C，…，CK）T。对于由（1）给出的分区注入向量Q，分区间管线中流动的安全约束以条件CQ为特征, 翻译成tonPTDF GSK Q C.  （3） 最后，我们添加了平衡条件，即在ZJAN区的市场上购买的能量和进口到Zj区的能量必须等于在该市场上出售并从Zj区出口的能量，也就是说，（（））j jn n l ln Z l从ZL到ZA q q    ,  （4） 其中，通过from（Zj）和to（Zj），我们分别表示沿其能量流动的带间线的集合，能量分别从区Zj中提取功率和注入功率。然后，将目标函数（2）和约束条件（3）和（4）描述的优化问题输入IBM CPLEXmixed整数二次型解算器，并导出报价接受级别A=（A，…，AN）的向量。D.市场清算价格当发现接受水平A时，我们可以确定每个区域Zj的市场清算价格（MCP），即MCPj，j=1，…，j。一般来说，市场清算价格是指总供求（考虑进出口流量）处于平衡状态的任何价格。

由于此类价格可能无法准确确定（可能存在一系列满足均衡条件的价格），我们选择以下方式定义MCPjin，以适应非弹性需求假设（参见第三节）：（i）如果ZJ区的需求得到满足（对于ZJ区的所有购买要约，我们有一个=1），然后，我们将Zj接受的或进口到Zj的销售报价的最高价格作为MCPj；（ii）如果ZJ区的需求未完全满足（ZJ区存在Aj<1的购买要约），则我们将购买要约的共同价格P作为MCPj，如第三节E.社会福利所定义。通过上述程序发现的市场均衡中的社会福利等于01112（），Jnnnzjjkjkjkpsw a q MCP MCPf（5） 其中，第二个双倍和是系统运营商的总阻塞租金（Fjk表示相邻区域j和k之间的电力传输）。F.重新分配成本由于MC机制仅控制了区内线路的拥堵，系统运营商可能必须纠正市场上设置的发电配置文件，以避免区内线路的拥堵。这种重新分配的过程会产生额外的成本，因为一些发电商必须从更便宜的生产商转移到更昂贵的生产商。因此，为了在我们的社会福利措施中更好地反映能源供应的真实成本，我们通过重新分配成本的估计器来修正数量（5）。为此，根据从MC获得的负荷/发电曲线，我们运行潮流算法来计算分区内线路上的流量，并将其与线路的容量进行比较。