甘德強：《電力市場與電力經(jīng)濟》

電力市場與電力經(jīng)濟講義

甘德強

浙江大學

二00四年四月十五日

電力市場與電力經(jīng)濟

當前我國正在積極進行電力市場開發(fā)。在世界上一些國家，特別是興旺國家，電力市場運行已經(jīng)

多年并正在逐步深化完善。電力市場因而成為近年來電力行業(yè)最熱門的話題之一。同時，電力市場理

論也成為高級電力工程師希望具備的知識。

近年來電力市場有關理論的開展特別迅速。有關的根本概念，運行經(jīng)驗，市場規(guī)那么見諸可能上

千篇的論文和報告。專著也有多本出版。英國于2001年實現(xiàn)了雙邊交易市場，美國于2002年3月提

出了所謂“標準市場設計”。我國東北和華東區(qū)域電力市場也將于2004年正式啟動。為此，有必要編

寫一本系統(tǒng)反映電力市場根本理論和重要進展的講義.此外，電力市場的建立與開展與微觀經(jīng)濟分析

是密切相關的。很多關鍵的決策問題都需要經(jīng)濟學知識。例如要不要市場化主要與電力生產(chǎn)規(guī)模效益

程度有關，怎樣拆分一個壟斷國營企業(yè)為假設干獨立核算的企業(yè)以便建立競爭機制與博弈分析有關。

因此我們在講義中適當?shù)难a充介紹微觀經(jīng)濟分析原理。

本書更像一個“地道”的講義，而非專著。因此，在選材的時候，我們吸收國外教科書的優(yōu)點，

力求突出問題的物理和數(shù)學實質，刪除繁瑣的細節(jié)。盡力做到刪繁就簡，便廣自學。這也是講義的特

點之一。實際上，一旦掌握根本知識，讀者可以在工作的時候自如的處理細節(jié)問題。另外，我們還盡

可能的指出解決問題的一般步驟（如優(yōu)化建模的步驟），引導讀者學習實際工作和研究問題的能力。

本書講述市場運行的根本概念包括市場結構和經(jīng)濟分析，側重于介紹已經(jīng)實際運行的市場結構，

特別是聯(lián)營型電力市場的市場結構。書中也講述局部技術支持系統(tǒng)的知識。這局部內容主要取自作者

的研究成果。

講義的主要內容是為大學電機系高年級學生和一年級研究生編寫的.我們假定讀者已經(jīng)掌握根底

課程包括微積分，線性代數(shù)。因為關心電力市場理論的讀者可能會有各種各樣的專業(yè)背景，所以我們

在編寫講義時，簡要介紹了一些電力系統(tǒng)的根本知識。這樣，即使沒有學習過電路和電力系統(tǒng)分析的

讀者也根本能夠閱讀講義。對于某些涉及較多細節(jié)的章節(jié)，我們都一一指出，以便于不同類型讀者閱

讀。本書的另外一個特點是提供了MATLAB程序，便于學生練習和驗證新的設想。這樣做的另外一

個目的是引導讀者學習MATLAB,為讀者掌握MATLAB這個科學研究的優(yōu)秀語言奠定根底，

在講義中，我們首先簡要介紹電力系統(tǒng)運行方式在過去的一個多世紀以來的變遷歷史，隨后在第

二章介紹電力系統(tǒng)運行的根本知識，包括平安經(jīng)濟調度，潮流計算，AGC和備用方案，以及機組起停

方案。在介紹這些根本概念的時候，我們同時介紹優(yōu)化的根本原理如KTT條件。我們的側重點是優(yōu)化

原理而非優(yōu)化算法。當一個學生具備這些知識后，很容易理解電力市場的理論。

第三章介紹幾種常見的有功巾場運行方式，包括統(tǒng)?電價模型，節(jié)點電價模型，差價合同模型,

多結算系統(tǒng)模型和雙邊交易模型。這些模型都在實際市場，比方美國東北市場和浙江電力市場，得到

廣泛應用。

第四章介紹輔助效勞市場的根本概念。這一章的知識相對來說，還沒有開展成熟。對于有些不希

望知道輔助效勞市場細節(jié)的讀者，跳過這一章也能夠繼續(xù)閱讀后續(xù)內容。本章的特色是，強調輔助效

勞和能量市場的緊密關系，從聯(lián)合優(yōu)化的角度介紹調度和定價的各種嚴格數(shù)學推導和啟發(fā)式方法（如

序列優(yōu)化）。

第五章介紹公共費用分攤，特別是與輸電系統(tǒng)有關的費用分攤。本章的重點是基于公理的分攤輸

電投資費用的方法。另外這一章還要介紹在北美廣泛使用的輸電權投招標。這一章的知識也在快速開

展之中，但我們認為是電力市場理論不可缺少的局部，所以希望對電力市場理論有興趣的讀者能夠了

解。

第六章經(jīng)濟分析是講義的另一個重點局部。經(jīng)濟分析是電力市場高層次決策（如市場結構設計）

的根底。我國開展市場經(jīng)濟較及，相應的對經(jīng)濟分析的投入也較少。因此，電力市場經(jīng)濟分析就尤其

需要得到更多重視。這一章我們將介紹博弈論的根本概念標準博弈以及納什均衡，微觀經(jīng)濟學的根本

概念包括需求函數(shù)，生產(chǎn)函數(shù)和市場博弈分析。在這一章的最后我們介紹電力市場經(jīng)濟分析的幾種模

型。這一章的知識也在快速的開展。有興趣的讀者還應當進一步閱讀有關文獻。

讀者在閱讀完第1,2,3章后可以直接閱讀講義的第4,5,6章中任何一章，因為這些章節(jié)相對

獨立。下列圖顯示講義各個章節(jié)的聯(lián)系。

圖講義中各個章節(jié)的邏輯關系

電力市場這個課題涉及很多學科，自身的內容也沒有比擬通用流行的分類。下面是講義中我們對

電力市一場理論進行的分類（講義也是這樣安排的）：

-技術支持系統(tǒng)：包括調度計算的數(shù)學模型和計算方法，各種負荷預測，各種備用的需求計算，以

及相關的軟件設計等等。這方面的內容和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)理論并沒有實質上的區(qū)別。

-市場設計：包括有功和輔助效勞調度模型的設計，交易結算機制，公共費用分攤方法，市場壟斷

力的管制方法等等。我們認為這方面的內容是電力市場理論的核心。

-市場分析：包括市場各方廳為分析，社會效益分析，市場運行計量經(jīng)濟分析，市場力計算，電價

預測等等。這些內容也是電力市場的重要課題。

在編著這本教材的過程中我們得到了選修浙江大學《電力市場與電力經(jīng)濟》課程的研究生和本科

生同學們的支持與幫助。他們積極參與了課程討論和實驗，閱讀了講義內容，對講義的結構提出了意

見并糾正了講義中的局部錯誤。講義中局部研究成果取自浙江大學電機系博士研究生胡朝陽，趙學順

和許蜻的“杰作”。研究生于洋幫助編寫了電價預測有關內容。此外，講義中的一些觀點和內容也是與

美國康乃爾大學電氣學院RJThomas教授，高級研究員RZimmerman博士，美國ISONewEnglandInc

技術部主任ELitvinov博士的奉獻分不開的。在此表示感謝。最后也是最重要的，感謝導師西安交通

大學王錫凡教授引導筆者走上科學研究的道路！

講義的目的是傳播知識，表達的意見只有學術意義，當中的錯誤應當作者負責。希望熱心讀者批

評指正。作者的地址是dgan碰通信地址為浙江大學電氣工程學院，浙江杭

州，310027。

電力市場與電力經(jīng)濟講義

1.緒論EquationChapter1Section14

1.1微觀經(jīng)濟學根底4

1.2電力生產(chǎn)的歷史8

參考文獻10

2.電力系統(tǒng)運行根底EquationChapter2Section1Ii

2.1經(jīng)濟調度11

2.2潮流計算12

2.3事故潮流分析17

2.4約束優(yōu)化根底18

2.5平安經(jīng)濟調度22

2.6頻率控制25

2.7旋轉備用28

2.8機組起停方案28

2.9輸電界面輸電能力計算31

2.1()電力系統(tǒng)運行概述36

附錄一確定輔助效勞需求37

附錄一非線性規(guī)劃約束正那么條件**40

參考文獻41

3.市場設計一實時有功市場EuualionChamer3Seclion142

3.1機構設置43

3.2統(tǒng)一電價模式44

3.3節(jié)點電價模式48

3.4配電側競標原理54

3.5日前市場55

3.6事后節(jié)點電價**57

3.7網(wǎng)損考慮**60

3.8英國雙邊交易模式63

3.9加州電力市場68

附錄一區(qū)域電力市場的討論68

附錄一多段報價機組的處理69

參考文獻72

4.市場設計一輔助效勞管理EquationChapter4Section173

4.1備用市場73

4.2AGC市場77

4.3有功、備用和AGC聯(lián)合運行巾場79

4.4AGC效勞非競價管理82

4.4無功管理83

附錄一澳大利亞國家電力市場87

參考文獻87

5.市場設計一公共費用分攤EqualionChapter5Section188

5.1輸電費89

5.2開停機費用90

5.3輸電權**100

附錄一美國標準市場設計106

參考文獻106

6.微觀經(jīng)濟分析EqualionChapter6Section1107

6.1非合作博弈論根底108

6.2電力市場價格競爭博弈模型114

6.3市場力分析119

6.4電力市場模擬實驗120

6.5電價預測128

附錄一電力市場監(jiān)管和評估133

附錄一不動點理論和市場均衡的存在性**134

參考文獻135

中英文用語對照表136

1.緒論EquationChapter1Section1

1.1微觀經(jīng)濟學根底

現(xiàn)代微觀經(jīng)濟學的核心理論大概包括需求理論，生產(chǎn)理論，市場均衡和博弈理論。本節(jié)將簡要介

紹前兩局部的知識。后面介紹博弈理論及其應用。

?供需平衡原理?

在現(xiàn)代社會，人們消費商品以獲得自身效益。例如，人們都接受高等教育或消費食品。社會中每

一個個體都有各臼的偏好(PREFERENCE)<,個體的偏好會影響個體對某種商品的需求。商必是有價

的。因此，消費某種商品的數(shù)量(商品需求)一般還是價格的函數(shù)?，F(xiàn)代需求理論是建立在這兩個根

本概念的根底上的。在經(jīng)濟學研究中進行市場供需分析的時候，一般假設需求僅僅是價格的函數(shù)。本

節(jié)也采用這個假設。這個函數(shù)就是需求函數(shù)(Demandfunction)o例如，某一時刻的電量需求可以表示

為函數(shù)P(0)。

顯然，電價越高，電量需求越少。因此電量需求函數(shù)P(p)應當是單調減的，如下圖。

圖單調減的電量需求函數(shù)P(p)

后面常常用到需求函數(shù)的逆函數(shù)，記為夕（P）,如下圖。

圖電量需求函數(shù)的逆函數(shù)夕（P）

在市場的另外?面，供給商也可以采用供給曲線來描述，如下列圖所示。

圖供給曲線

供給曲線表示對于市場上.生產(chǎn)者能夠得到的價格，他們愿意出售的數(shù)量。顯然，供給曲線是單調

增的。

下列圖顯示，供給與需求交點為供需平衡點，其相應價格為出清價格Po當市場價格高于P,處

于P1時，供需不平衡，供給剩余量迫使供給商降低價格，最終供需平衡在價格水平P;當市場價格低

于P,處于P2時，供需不平衡，供給短缺量促使供給商提高價格，最終供需平衡仍然在價格水平P。

圖供需平衡

?無形的手與有形的手?

前面我們講述到，供需可以自動平衡到一個出清價格..這就是所謂“無形的手”.市場供需平衡

時，消費者和生產(chǎn)者享受贏余，如下列圖所示。當價格處于均衡點時，局部消費者可能愿意支付高于

均衡點價格P的價格P1，因此這些消費者享受贏余。市場消費者享受贏余的幅度由圖中上三角形的面

積來描述。同理，生產(chǎn)者贏余可以由圖中下三角形的面積表示。

圖消費者贏余和生產(chǎn)者贏余

假設政府處于某種原因干預市場（有形的手〕，設定一個市場最高限價P2（如下列圖所示），此

時生產(chǎn)者將降低產(chǎn)量至Q2。消費者贏余變化為A-B,生產(chǎn)者贏余變化是一A一C。兩者之差為無謂損

失，人小等于B十C。

圖管制價格上限低于出清價格時的社會贏余損失

假設政府設定?個市場最低限價P1（如卜?列圖所示），比時需求量為至Q1。消費者贏余變化為

-A-B,生產(chǎn)者贏余變化是A—C。兩者之差為無謂損失，大小等于B+C。

圖管制價格高于出清價格時的社會贏余損失

上述說明，政府干預市場是沒有必要的。當然，這個斷言的正確性是有前提的。

?價格彈性和完全競爭市場?

需求隨價格變化的速率用價格塑性來描述。其定義如下：

p_dP_

￡（「）=(1.1)

~P~dp

消費者對某些商品具有幾乎無窮大的彈性（無窮大為數(shù)學抽象），比方珠寶。對這樣的商品其需

求函數(shù)的逆函數(shù)如下列圖所示,

圖彈性無窮大的需求

而對某些生活必須品，例如食品，消費者的需求與價格沒有多少關系。這樣的商品其需求函數(shù)的

逆函數(shù)如下列圖所示。

圖完全無彈性的需求

生產(chǎn)商品是需要費用的。比方，生產(chǎn)電量需求購置燃料。一般，生產(chǎn)費用是原料價格和產(chǎn)量的函

數(shù)。經(jīng)常，我們假設原料價格恒定，或者我們對原料價格不感興趣，所以認為生產(chǎn)費用只是產(chǎn)量的函

數(shù)。對于電量生產(chǎn)費用函數(shù)，我們用c(P)表示。生產(chǎn)費用函數(shù)有一個重要概念叫邊際費用，其定義為

—.顯然，邊際費用是產(chǎn)量的函數(shù)。

dP

現(xiàn)在我們介紹生產(chǎn)理論的一個重要定律，即根本生產(chǎn)定律，一個公司生產(chǎn)的目的是取得最大贏利。

假設這個公司面臨的逆需求函數(shù)是p(P)。公司的贏利最大化問題可以表示為：

Max乃(P)=v(P)-c(P\=p(P)P-c(P)(1.2)

p

對P求導得:

dvde八、

—=—(1.3)

(1PdP

上式說明：如果公司獲得最大廉利，那么邊際嬴利等于邊際費用。這就是著名的根本牛.產(chǎn)定律。

注意WP)=p(P)P,所以手=p(P)+半這樣根本生產(chǎn)定律可以寫為:

dPdP

如然瓢)

從價格塑性的定義￡=?"，我們得到生二」巴。代入式(1.4)經(jīng)整理我們得到一個重要結論:

PdpdPPs

c/c

P=a(i.5)

1+-

￡

一般情況下，？VO,所以EVO。上式(1.5)說明，公司的定價策略是由價格塑性確定的。如果價格

dp

塑性高，那么價格應當?shù)停环粗?，如果價格塑性低，那么價格應當高。這個結論在日常生活中都能夠

觀察到。

現(xiàn)在考慮?個理想化的情況。當價格塑性無窮高時，逆需求函數(shù)P(P)是個常數(shù)。所以■!■二(),

￡

這時：

P*L6)

dP

這就是完全競爭市場的價格，即生產(chǎn)價格等于邊際費用。經(jīng)濟學家們認為，一個完全競爭的生產(chǎn)

從社會利益來講是最好的。在設計市場的時候，應當盡量使得所設計的市場是完全競爭市場。試想如

果所有商品，電力，通訊，等等都非常廉價，對公民來講豈不是很理想？

當市場存在幾乎無窮多個供給商的時候，而且各個供給商所長生產(chǎn)份額都很小的時候，市場就是

一個完全競爭市場。

?規(guī)模效益與自然壟斷?

現(xiàn)在介紹生產(chǎn)函數(shù)(PRODUCTIONFUNCTION)的概念。一個公司生產(chǎn)某種商品，總是需要使

用原料。比方，一個大學“生產(chǎn)”大學生需要足夠多的老師。再如，一個電廠生產(chǎn)電力需要使用燃料。

用z表示一個燃煤電廠使用的煤的噸數(shù)，E表示相應的發(fā)電機生產(chǎn)的電量，生產(chǎn)函數(shù)可表示為E(z)。

顯然，生產(chǎn)函數(shù)常常是單調增的，如下圖。

圖單調增的電量生產(chǎn)函數(shù)

關于生產(chǎn)函數(shù)有兩個根本概念。第一，生產(chǎn)函數(shù)一般是個參數(shù)優(yōu)化問題。原因在于許多商品可以

用不同技術和不同原料生產(chǎn)，顯然廠商會采用最廉價的方式生產(chǎn)出最多的商品。第二個根本概念很重

要，它是關于生產(chǎn)函數(shù)的形狀的。這就是規(guī)模效益。有如下三種情況(參見圖示)：

如果對任何/>0和z,￡(/z)=/E(z),我們說生產(chǎn)函數(shù)有恒定規(guī)模效益。

如果對任何，>0和z,E([z)<lE(z),我們說生產(chǎn)函數(shù)無規(guī)模效益。

如果對任何1>0和z,⑵，我們說生產(chǎn)函數(shù)有顯著規(guī)模效益。

一個生產(chǎn)是否具有規(guī)模效益也可以通過觀察邊際費用函數(shù)的形狀來判斷。一般，對恒定規(guī)模效益

的生產(chǎn)，其對應的邊際費用函數(shù)是常數(shù)；對有顯著規(guī)模效益的生產(chǎn)，其對應的邊際費用函數(shù)是下降的;

反之，對無規(guī)模效益的生產(chǎn)，其對應的邊際費用函數(shù)是上升的；如下圖。

圖邊際費用函數(shù)和規(guī)模效益

現(xiàn)代微觀經(jīng)濟學有如下重要斷言：一個具有規(guī)模效益的產(chǎn)業(yè)不能到達完全競爭，因此是自然壟斷

產(chǎn)業(yè)。對于自然壟斷產(chǎn)業(yè)，政府干預是恰當?shù)摹?/p>

以上講述的主要內容是常規(guī)的，在一般的微觀經(jīng)濟學教材里都能找到。我們主要參考了文獻

[LUENBERGER].

最早的電力市場經(jīng)濟分析論文出現(xiàn)在1980年左右。隨后，每年都有大量的文獻和報告介紹電力

巾場經(jīng)濟分析方法。盡管如此，電力巾場經(jīng)濟仍然是?個非常新的領域。同時，因為電力巾場許多重

要的，高層次的決策都是基于微觀經(jīng)濟分析的結論，因此，電力市場經(jīng)濟分析是個重要的領域。

多年以來，人們一直認為電力生產(chǎn)具有明顯的規(guī)模效益。文獻［JOSKOW］對電力生產(chǎn)規(guī)模效

益進行了實證分析，改變了人們對這個問題的看法，引發(fā)了電力市場在世界范圍的建立。影響電力市

場開發(fā)的其它因素當然也存在，比方，在英國有歷史和政治的原因。據(jù)我們所知，文獻【JOSKOW】

的結論為電力市場的建立提供了理論依據(jù)。

1.2電力生產(chǎn)的歷史

電力生產(chǎn)自電燈創(chuàng)造以來的大局部時間里都是由政府調控的。政府調控主要表現(xiàn)在對電價的調控

上。政府調控后的電價略高于本錢。為什么電力生產(chǎn)在以前要政府調控呢？有以下幾個原因：規(guī)模效

益顯著；很低的用電需求彈性。具有上述特性的產(chǎn)業(yè)被稱為“自然壟斷”產(chǎn)業(yè)。因此，電力生產(chǎn)過去

是“自然壟斷”產(chǎn)業(yè)。其它常見自然壟斷產(chǎn)業(yè)有郵政效勞和初級教育等等。

自然壟斷的優(yōu)點是，如果監(jiān)管得當，仍然有較高的效率，且效率高于市場。自然壟斷的缺點一般

包括以下幾點：勞動效率不高：沒有動因來鼓勵新技術使用；沒有動因來鼓勵新效勞的開發(fā),

在最近的十年里，世界各國都在嘗試或研究市場方式的電力生產(chǎn)。當前我國正在積極進行電力市

場開發(fā)，以市場的方式運行電力系統(tǒng)即將成為事實。為什么呢？技術進步推動了市場化進程：

>研究成果說明發(fā)電本錢規(guī)模效益正在減小且已經(jīng)足夠小（各個國家發(fā)電技術水平不同，國

外研究結論未必適合中國國情）；

>強大的電網(wǎng)是競爭的必要條件之一。比照交通系統(tǒng)對經(jīng)濟的影響就可以得到這個結論?，F(xiàn)

在輸電技術逐步提高，電網(wǎng)越來越強；

>用電彈性正在或者將要提高。這是因為各種智能化電表，設備的出現(xiàn)，以及因特網(wǎng)的誕生。

這說明，發(fā)電側可以引入競爭。競爭可能帶來的好處：更多的用戶選擇（效勞多樣性）：更多的

新技術使用；更有效的資源配置。那么網(wǎng)絡呢？讓我們來看看下述事實：

>如果線路由一個廠商獨立擁有，用戶仍然可以選擇有線電視節(jié)目，供電廠商，或供給商，

享受競爭帶來的好處。

>為在線路側引入競爭，架設兩條線路是高本錢的重復建設。類似地，架設多條鐵軌或輸油

管道來實現(xiàn)網(wǎng)絡競爭是浪費的。

電網(wǎng)和配電經(jīng)營仍然是“自然壟斷”，適合運用固定投資回報率的調節(jié)經(jīng)濟（regulatedeconomy）o

電力系統(tǒng)市場開展的重要事件小結如下：

>1980—美國里根總統(tǒng)經(jīng)濟參謀主任，麻省理工學院P.Joskow發(fā)表發(fā)電技術規(guī)模效益分析報

告

>1982—智利在世界二首次建立實時電力市場；麻省理工學院F.Schweppe等人提出分時電

價理論

1990—英國作為世界上第一個興旺國家建立聯(lián)營電力市場

>1992—哈佛大學W.Hogan提出財務輸電權理論

>1994—挪威和周邊國家建立世界上第一個跨國電力市場Nordic電力市場

>1995—新西蘭Cantbury大學學者和新西蘭國家電力公司提出后來廣泛使用的事后電價理

論

>1996—澳大利亞和新西蘭建立基于事后節(jié)點電價的聯(lián)營電力市場；美國加州建立基于區(qū)域

電價體系的聯(lián)營電力市場；美國FERC發(fā)表FERCORDER888：

>1997—加拿大阿爾伯他省建立類似英國聯(lián)營電力市場的電力市場

>1998—美國PJM地區(qū)建立基于事后節(jié)點電價的聯(lián)營電力市場

>1999—美國新英格蘭地區(qū)建立基于聯(lián)合優(yōu)化的電力市場：紐約州建立基于聯(lián)合優(yōu)化和節(jié)點

電價的聯(lián)營電力市場

>2000—加拿大安大概省建立基于聯(lián)合優(yōu)化和節(jié)點電價的聯(lián)營電力市場：浙江省建立類似英

國聯(lián)營電力市場的電力市場并使用差價合約技術

>2001—英國實現(xiàn)第二次改革，建立雙邊交易電力市場；美國德克薩斯州建立基于區(qū)域電價

體系的聯(lián)營電力市場；美國FERC發(fā)表FERCORDER2000

>2002—美國FERC發(fā)表”標準市場設計草案WorkingPaperOnStandardMarketDesign")

電力有許多區(qū)別于普通商品的特點：

>依賴于網(wǎng)絡傳輸，用電和發(fā)電無一一對應的關系

>電力不可大規(guī)模存儲

>零短期價格塑性

上述特性為電力市場的創(chuàng)立造成了很大困難。現(xiàn)代經(jīng)濟學認為，一個市場成功的必要條件之一是

產(chǎn)權明晰，這樣才可以讓商品自由交換。因為電力依賴于網(wǎng)絡傳輸，用電和發(fā)電無一一對應的關系，

因此，建立一個產(chǎn)權明晰的電力市場有困難。因為電力不可大規(guī)模存儲，這又增加了建立產(chǎn)權的困難。

現(xiàn)代經(jīng)濟學還斷言，一個良好的市場應當有積極的用戶側響應。但電力的零短期價格塑性使得建立用

戶側響應困難。

最后，我們討論一下，中國要不要進行電力市場？這是一個許多電力工程師關心的問題。對這個

問題，我們不能給出一個明確的答案。但是，在這里讓我們看看以下“有利”的事實：

>中國收入不均衡已經(jīng)引起人們重視，中國電價和英國美國相當。各種產(chǎn)業(yè)組織壟斷力量的存在是

原因之一?，F(xiàn)在雖然中國缺電，但市場至少在負荷低水平的時候起到作用。此外，缺電的局面在

2—3年內就能夠得到改善。

>原來龐大的電力系統(tǒng)現(xiàn)在分解為單一購置者和發(fā)電兩大利益競爭的局部。競爭帶來好處。電廠工

作態(tài)度積極，效率提高。

在答及這個問題的時候還應當看到如下“不利”的事實：

>我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)的規(guī)模效益程度還沒有定量的分析的結果。

>發(fā)電企業(yè)的產(chǎn)權結構還沒有完全理順。

>我國電力市場有關的技術支持系統(tǒng)，包括軟件和硬件，都還需要加強。

>支持市場建設的法律制度尚需要進一步完善。

?????文獻[Joskow】介紹電力市場開展的歷史,經(jīng)濟學原因。大量的有關電力市場的信息,包

括詳細的市場規(guī)那么,運行報告等等都可以在互聯(lián)網(wǎng)找到。下面是一些作者收集的網(wǎng)站地址:

://caiso/

://elexon.co.uk/

://ercot/

://eex.de/index_e.asp

://nz.m-co/grids/home-flash.asp?id=110&area=14

://iemo/

://iso-ne/

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://nationa]grid/uk/

://nemmco.au/

://emco.co.nz/

://nyiso/

://.uk/

：//pjm/

://ukpx/default2.asp

://aeso.ca/index_f.html

://miso-pjm-spp/

://pjm-cem/

://nerc/~rto/

://rtowest/

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://t.nz/ers/inf_disc.html

:///djh/index.jsp

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參考文獻

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2.電力系統(tǒng)運行根底EqnationChapter2Section1

現(xiàn)在流行的電力市場大都配備有實時市場。因此，要學習電力市場，必須首先學習電力系統(tǒng)運行

的根本理論。此外，對于一個電力工程師來說，我們最關心的問題往往也是電力市場運行問題.

2.1經(jīng)濟調度

電力系統(tǒng)的首要元件是發(fā)電機。發(fā)電機種類有燃煤，燃油，燃氣，核電和水電。運行這些機組的

本錢有兩類：固定本錢，可變本錢。系統(tǒng)運行應當考慮這兩類本錢。一一般，當發(fā)電機建成后，固定本

錢分攤到可變本錢，由此可得到機組費用曲線。令生代表發(fā)電機出力，費用曲線可以用函數(shù)。(生)表

示。

給定一個預測負荷，顯然，應當調度機組使得運行費用總和最小。這就是經(jīng)濟運行的根本概念.

這個問題的數(shù)學模型可以表達為一個優(yōu)化問題：

NG

M山￡《(％.)(2.1)

Pc<=1

SIe，PG=PD(2.2)

PG<PG<PG(2.3)

其中e,=[l1，…，1].EG和先分別為發(fā)電機出力下限，上限；辦代表系統(tǒng)總負荷；NG

為系統(tǒng)發(fā)電機數(shù)目?，F(xiàn)在，我們介紹怎么求解上述優(yōu)化問題。本節(jié)考慮沒有不等式約束的情形。有不

等式約束問題的解法我們隨后介紹。這個問題變?yōu)椋?/p>

NG

M/力Nq(%j)(2.4)

PGi-i

T

ST.ePG=PD(2.5)

對上述問題可以采用經(jīng)典的拉格朗日乘子法求解。令力代表與等式約束對應的拉格朗日乘子，上述等

式約束優(yōu)化問題可以轉化為：

NG7

Minr=Eq.(&)+「(/PG-%)(2.6)

PG//=1

對變量PG和/I求偏導就得到最優(yōu)性條件：

—=-^+/l=0,z=l,2,...,NG

.”GidPGi（2.7）

身二也-3a

上式即所謂協(xié)調方程。根據(jù)協(xié)調方程，經(jīng)濟調度的最優(yōu)解是調度發(fā)電機出力使得費用曲線微增率

相等。這是因為最優(yōu)解滿足如下方程：

3%明726PG,NG

這個結論也就是著名的等微增率法那么。

2.2潮流計算

如果輸電導線輸送的電流過大的話，導線會被燒斷。所以輸電系統(tǒng)的送電能力是有限的。在調度

系統(tǒng)發(fā)電機時，應當保證線路潮流不過載。例如，在下列圖所示系統(tǒng)中，發(fā)電機G1的出力應當限制

在150MW以內，盡管它的報價比發(fā)電機G2更低。發(fā)電機G2那么不得不出力50MW盡管它的報價

高。

實際電力系統(tǒng)潮流計算要比兩機系統(tǒng)潮流計算復雜。根木計算方法是建立在電磁場和電路理論根

底上。具體的說，根據(jù)電磁場理論可以建立線路模型。發(fā)電機和負荷一般用恒定節(jié)點注入功率表示。

再根據(jù)電路理論可以建立線路和節(jié)點的聯(lián)立非線性方程組。

描述一個電力系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)模型是電路模型，狀態(tài)變量是各個母線（變電站）復電壓和

電流，如下列圖所示。

圖電力系統(tǒng)元件電路模型

圖中各個變量意義如下：

舄+/Q）一節(jié)點，注入功率：

六一節(jié)點i對地支路電流；

號+K”一線路阻抗；

4一節(jié)點/注入電流；

Rio+jX“，一節(jié)點，對地支路阻抗；

%,+jXi0一節(jié)點、j對地支路阻抗;

r—線路電流;

令i和v分別代表節(jié)點電流和電壓復向量，丫代表節(jié)點導納矩陣。電力系統(tǒng)狀態(tài)變量（電壓和電

流）滿足所謂基爾霍夫定律：

I=YV(2.9)

令N為節(jié)點總數(shù)目,上式可以寫為:

令:

Branchi-j的admittance為:

節(jié)點導納矩陣中的非對角元、對角元:

%=—%⑵⑵

匕二Z%（2/3）

J

戶i

注意更功率的定義:

N

(2.14)

這樣：E+./Q—匕之=。⑵15)

./=!

當節(jié)點電壓以極坐標表示時，V=VZ^o上述方程中電壓向量是未知，節(jié)點導納矩陣是與系統(tǒng)線

路參數(shù)和系統(tǒng)接線有關常數(shù)矩陣。通常我們知道的是節(jié)點注入有功，節(jié)點負荷和節(jié)點注入無功，節(jié)點

無功負荷。所以上述方程展開并可以改寫為：

PG「"M玄&匕cos%+B/jsin%)=0

j=i

(2.16)

QG「QDL匕￡(4匕sin%BjjVjcos%)=0

7=1

其中?和/b為第i節(jié)點發(fā)電機有功出力和負荷，在求解潮流方程時為常數(shù)；念,?和?為第i節(jié)點

發(fā)電機無功出力和負荷，在求解潮流方程時也為常數(shù)；G和A分別為節(jié)點導納矩陣元素的實部和虛部:

匕和4.為第i節(jié)點復電壓的模和相角，%=名一%。

在講義中，我們主要考慮有功問題，所以不考慮無功方程組。假設電壓模(在實際生產(chǎn)中，電壓

變化不大)，且線路兩端電壓相角差很小所以sin%b%,cos%al,同時G狀。0,這樣我們可以

簡化上述潮流方程，得到如下線性方程組：

N

6一號廠匕Z9易%=0(2.⑺

上述有功潮流方程在許多調度中心在線調度計算時使用。如果我們假設電壓等于I，就得到如下方程:

N

PG「=0(2.18)

>1

NNN

將上式中的和式分開為Z%%=0i￡B廠。如果我們在形成導納矩陣的時候忽略支路

j=l片1j=T

N

電阻，根據(jù)導納矩陣的定義，E%=o,所以，上述方程可以寫為：

/=1

N

%一%+E%%=0(2.19)

7=1

或者：

N

PGi-PDi=￡(一%)%(2.20)

j=l

寫成矩陣形式，

%=PG-PD=B0(2.21)

以上我們得到簡潔的直流潮流方程形式。

在某些節(jié)點沒有負荷或者發(fā)電機，這時，與這些節(jié)點相美的P。或PG矩陣元素為0。上式即為直

流潮流方程。

現(xiàn)在我們推導支路潮流的近似表達式。首先回憶如圖示支路模型，其中++和

6向+/8”為支路導納，,工)。

令7代表電流的共規(guī)，+jQij代表注入節(jié)點i的復功率，這樣根據(jù)一般的電路理論，

=匕花(備-四。)+(日-V.)(G,-JB,)](2.22)

=匕佗Gj。一用%+V^-jV^-叫+用冬)

注意到v=v"，令。,一％=為所以：

2

與+jQ,}=[(Go+G,)V.一(與sin%+G.cos^,)vy7l「23)

+j[-(BiO+紇)匕2+(Bqcos%-G.sin%)匕匕]

所以，

Pq=(Gjo+Gjj)V^—(Bjjsin%+G4cos%)匕匕(2.24)

近似地，我們令匕=％=I,sin%x%,G?0,G"才0,這樣,

JJJioJ

Pij=一為為(2.25)

1

經(jīng)常我們用外表示線路有功潮流。因為嗎?=-.X:,近似地令支路電阻為零，這樣3力=-」一，

〃J考+xjvXu

此處Xij為線路j-J的阻抗，流經(jīng)線路i-j的潮流鳥按照如下公式計算：

Fij=(e「Oj)/Xij(2.26)

令C為節(jié)點關聯(lián)矩陣，其形狀如下：

i列j列

C=...1...-1...線路(2.27)

在形成上面例矩陣時，我們假設潮流從節(jié)點i流向令矩陣X有與C相同的結構，其元素定義如下:

i列J列

11

X?線路一(2.28)

這樣線路潮流方程可以寫成矩陣形式如下:

F—X0(2.29)

上述模型使用稀疏矩陣，便于計算。在后面我們還將用到稠密矩陣表示的經(jīng)濟調度模型?，F(xiàn)在加

以推導。注意矩陣B是不可逆的，為求解直流潮流方程，一般我們選擇一個參考節(jié)點并令其相角為0。

為表達方便起見，我們假設系統(tǒng)有N個節(jié)點，并且參考節(jié)點取為節(jié)點N。我們使用帶‘符號變量表示

刪去與參考節(jié)點有關項后的向量或矩陣。注意當節(jié)點注入功率向量P%和負荷P3后，參考節(jié)點凈注入

有功可以等于直流潮流方程可以改寫為：

P[F=B3

‘兄N-分”-一籃-P；))(2.30)

%=°

母線相角可以直接計算如下：

O'=B'T(PZ-P8)(2.31)

注意:

B-(P2-P})=B-10

F=X6=XM-%)(232)

000

令:

B-10

(2.33)

00

線路潮流可以表達為：

F=T(PG-PD)(2.34)

矩陣T的元素可以稱為支路潮流一發(fā)電機出力靈敏度系數(shù)。木節(jié)介紹的兩種直流潮流模型將在講

義中屢次用到，讀者務必熟練掌握。

例題

在圖示系統(tǒng)中，各個線路阻抗相同，均為1(基準值為lOOOMWJo采用本節(jié)介紹的兩種方法計

算線路潮流1如果需要更多練習，可以參照文獻【王錫凡】或相關書籍。)

答案

先采用第一種方法計算。例系統(tǒng)直流潮流方程為：

現(xiàn)在令節(jié)點3為平衡節(jié)點，在上述方程中刪去第三行和變量打，得如下方程：

這樣，求解上述方程得節(jié)點相用：

注意，3=0,所以各個支路潮流如下：

將上述標么值轉化為有名值就得到各個支路潮流值，分別為500,400,100兆瓦。

現(xiàn)在用第二種方法計算。首先建立矩陣X如下：

--I1I2-1

X=-11,對應線路3-1

1-12-3

-0.66670.3333

前面已經(jīng)計算出矩陣B'的逆為Bi=_。再計算矩陣T：

0.33330.6667

直接計算支路潮流：

兩種方法計算結果吻合。

2.3事故潮流分析

電力系統(tǒng)元件比方發(fā)電機組或者線路會出現(xiàn)偶然事故，其結果是機組跳機或者線路調閘。我們來

看看這些偶然密故對系統(tǒng)調度有什么影響。假設下列圖中的調度方案是最優(yōu)的。

圖不考慮N一】事故時的最優(yōu)調度

當一條線路跳閘后，系統(tǒng)潮流如下列圖所示。

圖事故后系統(tǒng)狀態(tài)

從上圖可見，線路出現(xiàn)過載。一般，這樣的過載是不能接受的。下列圖顯示平安經(jīng)濟調度的結果。

圖平安經(jīng)濟調度

在平安經(jīng)濟調度下，如果一條線路調閘，其事故后系統(tǒng)也是平安的，如下列圖所示。

圖在平安經(jīng)濟調度時的事故后系統(tǒng)狀態(tài)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的調度都考慮了N-I事故，而平安性分析是其技術根底。

2.4約束優(yōu)化根底

現(xiàn)在我們來看怎樣建立下述單變量，具有不等式約束的優(yōu)化問題的最優(yōu)性條件。

Minc(x)(2.35)

ST.h(x)<h〃(2.36)

假設我們已經(jīng)找到最優(yōu)解x。在這個最優(yōu)解處，不等式約束6")4〃可能是起作用的(即〃(幻=〃),

也可能不起作用(即人(幻<〃：。如果這個不等式約束約束不起作用，最優(yōu)解滿足條件：

—=0(2.37)

dx

如果不等式約束起作用，上述不等式優(yōu)化問題變?yōu)榈仁郊s束同題：

Minc(x)(2.38)

ST.h(x)=b(2.39)

為求解上述問題，建立拉格朗日函數(shù)「=c(x)+川〃(x)一加，對X和4求偏導，建立最優(yōu)性條件：

半+〃孚=。(2.40)

axax

/z(.r)=/?(2.41)

將上述結論小結如下余優(yōu)性■條外：

h(x)<b,—=0(2.42)

dx

或者：

/7(x)=b,F/j—=0(2.43)

dxdx

現(xiàn)在我們來看，當不等式約束起作用時，與不等式相關的拉格朗日乘子〃有什么性質。

首先注意一個根本領實，即如果我們把b當作一個參數(shù)，那么最優(yōu)解X和相應目標函數(shù)值c(x)隨

b變化而變化。也就是說，最優(yōu)解X和目標函數(shù)都是參數(shù)b的函數(shù)。更進一步，因為人的大小決定了

解的集合｛x:〃(x)<〃｝的大小，所以b越大，最優(yōu)解的目標函數(shù)值c(x)就應該越小或者非增。這就是

說：

R標函數(shù)在最優(yōu)點的值是參數(shù)b的非增加函數(shù)

因為最優(yōu)解人和拉格朗日乘子〃滿足如下聯(lián)立方程:

dedh八

dxdx(2.44)

h(x)=b

這樣，我們知道最優(yōu)解是b的隱函數(shù)，即x=將此式帶入上述聯(lián)立方程得:

h[x(h)]=b(2.45)

對〃求導得半空=1。將此式帶入最優(yōu)性條件，得半+〃”=0,即如下重要關系:

dxdbdxdx

…*.46)

前面我們己經(jīng)說明，如果b越大，最優(yōu)解的目標函數(shù)值c(r)就應該越小。也就是說：

>如果db>b,必有devO；反之，如果db<。，必有de>U。因此

從另外一個角度，因為目標函數(shù)在最優(yōu)點的值是參數(shù)人的下降函數(shù)，故化<0,因此〃>0。也

db

就是說：

>不等式(<)約束對應的拉格朗日乘子>0

注意到在不等式約束起作用的最優(yōu)性條件中，如果令〃=0,就得到不等式約束不起作用的最優(yōu)

性條件。為便于統(tǒng)一處理，我們可以令不等式不起約束時的拉格朗日乘子〃=0,得到一個統(tǒng)一形式

的拉格朗R函數(shù)「=「(X)+〃U'7(K)—〃L這樣,在建"拉格朗R函數(shù)時,就不必擔憂不等式約束是否

起作用，也不必將等式和不等式約束區(qū)別對待。今后我們就要采用這個方法建立拉格朗日函數(shù)。我們

還得到一個形式上更簡捷的最優(yōu)性條件如下：

(單變量單不等式約束優(yōu)化問題最優(yōu)性條件)

h(x)<b

dedh八

hU=0

dxdx(2.47)

ju[h(x)-/?]=0

;/>0

這樣，我們就建立了單變量，具有不等式約束的優(yōu)化問題的最優(yōu)性條件。為方便記憶，最優(yōu)性條件中

〈〃可以看作是拉格朗日函數(shù)「=cM+pWx)-h］對〃求導的結果。式//［h(x)-b\=0稱為對

補松弛條件，它要求〃或者［版人)-0兩項中一項必須為冬。

從上述結論很容易就得出多變量，一般不等式約束的最優(yōu)性條件。這個方法在很多場合有效。首

先定義多變量，一般不等式約束的最優(yōu)性優(yōu)化問題為：

Minc(x)(2.48)

S.T.h(x)<b(2.49)

g(x)=d(2.50)

令拉格朗日函數(shù)如下:

r=c(x)+『[h(x)-b]+?[g(x)-d](2.51)

下面不加證明給出這個最優(yōu)性條件，ATT條件:

g(x)=d

ji7|h(x)-b]=0

ji>()

上述方程要成為最優(yōu)解必要性條件還應當滿足一個要求，那就是，上述方程組有解?？梢宰C明,

這等效于如下條件：

>最優(yōu)解處矩陣”和單行滿秩(繪的行向量線性無關,當?shù)男邢蛄烤€性無關】

dxdxdxdx

上述條件就是所謂約束正那么(ConstraintQualification)。有人擔憂約束正那么條件是否總是成立,

這個擔憂是有遠見的。本章附錄給出了一個非常優(yōu)美的數(shù)學斷言：

約束正那么條件幾乎總是成立的

有關KTT條件的詳細推導讀者請參閱優(yōu)化理論書籍。文獻【柳焯】深入淺出并結合電力系統(tǒng)應用,

值得推薦。

最后需要指出，并不是所有優(yōu)化問題都存在最優(yōu)解。解的存在性的一個充分條件⑴山儂）

>目標函數(shù)連續(xù)并且N行解的集合有界和閉合

下面看一個運用KTT條件求解優(yōu)化問題的例子。

例題一求解下述有不等式約束優(yōu)化問題舊?

答案一首先建立拉格朗日函數(shù)：

最優(yōu)性條件為：

上述最優(yōu)性條件包含4個變量，但只有兩個線性方程，另外兩個線性方程可以從對補松弛條件尋找。

這樣，我們得到4個條件：1一（4%=0）；2-（4，冬工。）；3—（4=。，打工。）；4-

（4工0,4=0對應地，我們得到4個聯(lián)立方程組：

2力+4=02M+4-4=02yl+4-4=0

2y2+24]—=02y2+22|-22=02乃+2%—^2—0

4二0y\+2y2-2=04二0

%=01一%一%二0I一?一）'2=0

2））+4—=0

2乃+24-4=0

y\+2乃一2=0

/U=0

求解上述4個方程組，剔除不符合最優(yōu)性條件的方程解，我們就能夠得到最優(yōu)解。

在本小節(jié)推導中，我們假設起作用約束已經(jīng)找到，并進而找到了最優(yōu)性條件。但這個假設對求解

實際問題不能提供任何幫助。對于線性優(yōu)化問題，尋找起作用約束可采用較為成熟的單純形算法［見

文獻【柳焯】）。

下面介紹一個線性規(guī)劃圖解法。所求解的問題如下：

其圖解如下列圖所示。

圖線性規(guī)劃圖解

對非線性優(yōu)化問題，目前還沒有比擬公認的成熟方法，很多算法都只是對某一類問題有效。解例

題采用的是枚舉法，這個方法顯然不實用，因為它需要求解的方程數(shù)F1隨問題大?。s束數(shù)H和變量

數(shù)目）成指數(shù)增長。

2.5平安經(jīng)濟調度

將經(jīng)濟調度和直流潮流模型合并，我們就得到考慮到線路潮流約束的經(jīng)濟調度模型如下：

NG

M/力(%j)(2.53)

PG/=1

ST.PG-PD=B0(2.54)

X0<F(2.55)

PC<PG<PG(2.56)

上述模型中我們還應當增加?個約束,^-X0<F,這樣就能夠考慮支路潮流逆向問題。但為使

得公式簡潔,我們沒有這么作。

實際現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行都采用了類似上述模型的平安經(jīng)濟調度，只是具體的數(shù)學模型和求解方法

有一定的量的區(qū)別。比方，當需要考慮電壓問題時，我們將上述模型擴展可建立最優(yōu)潮流模僵。沒有

現(xiàn)代軟件支持的調度中心那么憑調度員經(jīng)驗求解上述問題。此外，一般調度中心都需要考慮事故約束

甚至暫態(tài)穩(wěn)定約束。熟練掌握上述經(jīng)濟調度模型有利于進一步學習其它復雜一些的調度模型，起到舉

一反三的效果。為加深理解，讓我們看一個簡單例子。

例題

建立上節(jié)所示三節(jié)點系統(tǒng)平安經(jīng)濟調度問題。

答案

(%二。為常數(shù))

一般，在技術支持系統(tǒng)經(jīng)常使用上述稀疏形式經(jīng)濟調度模型。在電價分析的時候，我們經(jīng)常使用

更為簡潔的稠密形式經(jīng)濟調度,考慮到線路潮流約束的使用稠密矩陣表達的經(jīng)濟調度可以表示為：

NG

Min(生?(2.57)

PGi=l

r

ST.e(PG-PD)=0(2.58)

T(PG-PD)<F(2.59)

PG<PG<PG(2.60)

例題

建立上節(jié)描述的3節(jié)點系統(tǒng)的稠密形式平安經(jīng)濟調度模型。

答案

本節(jié)介紹的經(jīng)濟調度模型將在講義中屢次用到，讀者務必熟練掌握。現(xiàn)在來看怎樣求解上述問題。

當要求解的問題帶有不等式約束時，求解思路與求解帶有等式約束的優(yōu)化問題是接近的。

假設我們已經(jīng)找到所有起作用約束，令％和心分別代表起作用約束對應的T和F,C代表出

力卜限對應的起作用約束的集合，C代表出力上限對應的起作用約束的集合。這樣，問題就變?yōu)榈仁?/p>

約束問題如下：

NG

M%￡q(%j)(2.61)

PGi=l

7

ST.e(PG-PD)=0(2.62)

TQ(PG-Po)=%，

(2.63)

&=&,it0(2.64)

&=&/，JGC(2.65)

類似地，定義拉格朗日函數(shù)：

NG__

/=1/eQjeQ

(2.66)

對拉格朗日函數(shù)求導得如下駐點方程：

=TZ-+4+匯〃人Zi+3?一"?=0(2?67)

°rGiC/Gik

?=G(PG-PQ)-%=0(2.68)

即

Cl-—

—=&一%i=0，ie。(2.69)

2=%-￡0=0,JwC(2.70)

CTj

上述聯(lián)立方程組即為有不等式約束的優(yōu)化問題的最優(yōu)解的必要條件。

為方便，我們仍然定義不起作用約束的拉格朗日乘子，并令他們?yōu)?。這樣，與不等式約束有關

的最優(yōu)解必要條件可以統(tǒng)一寫為下述對補松弛形式〔稱對補松弛條件)：

r

H[T(PG-PD)-F]=0

r

?f(PG-PG)=0(2.71)

/(PGF)=。

最優(yōu)性條件(KTT條件)可以總結如下：

,/(PG-P。)曾

T(PG-PD)^F

PG<PG<PG

鑒+/l+4C-5=0,i=l,2,...,NG

”Gik

?(2.72)

?

11[T(PG-PD)-F]=O

口PG)=0

7

T(PG-PG)=0

|^,T,f20

令MJ弋表線路數(shù)目，注意KTT條件有1+NL+3*NG個方程，正好等于變量數(shù)目。

在KTT條件中，等式和不等式約束得到統(tǒng)一處理。同樣，在建立拉格朗日函數(shù)時，等式和不等

式約束也可以統(tǒng)一處理如下：

NG——

I=I

后面我們就采用上述通用方法建立拉格朗日函數(shù)。

一實用的平安經(jīng)濟調度算法一

平安經(jīng)濟調度的整個計算過程比擬繁瑣，大致包括自動事應選擇，嚴重事故分析?，識別作用約束,

求解線性規(guī)劃模型等等假設干計算步驟，如卜列圖所示。