电力商品供给与需求的平衡过程是以光速来衡量的,同时又必须遵循KCL和KVL两个定律,以及诸多质量和安全的要求。因此与一般普通商品相比,电力商品有其极度的复杂性和差异性。由此电力市场仅依据现有的经济理论而不充分结合电力系统的运行规律,难以准确、到位地解释电力系统运行中的市场经济问题,这在某种程度上阻碍或制约了电力工业改革的良性、稳健发展。以此为出发点,本文结合经济学思想,针对电力商品生产、传输、使用各环节构成的电力系统,从运行调度(ISO)层面,深入研究了计及各种制约影响所反映出的经济规律和市场规律,以促进市场环境下电力系统运行调度理论的发展。在经济学理论基础上,通过对电力商品供给、需求及其平衡规律的分析,给出了电力商品两个属性,即积分和微分属性的定义,以及更苛刻条件下的一个属性,即实时匹配属性的定义。在此背景下,依据优化数学理论,提出等效电力商品的概念及其表达,并给出了有数学依据并符合资源优化配置的论证。合格的电力商品需要多种辅助手段(目前称为辅助服务)才能得以实现和使用,辅助服务正是电力市场实施的难点,也是市场环境下电力系统运行调度研究的焦点。等效电力商品将辅助服务蕴于其中,由此提出了等效度量辅助服务的思想。为实现这一思想,本文建立了满足凸规划假设条件下的广义优化模型,以优化结果的信息刻画辅助服务的价值,体现等效的数学本质,奠定了本研究的理论基础。以上述思想、理论为核心,本文研究市场环境下电力系统运行调度的经济规律,涉及电力系统运行中,有功调度问题,无功调度问题,以及有功与无功联合调度的问题。另外,针对实际电力系统运行调度中非凸性所引起的成本回收问题,在本文思想和理论的基础上,就市场机制下成本补偿产生原因及补偿机制进行了初步探讨,从而使本文的研究在体系上进一步完整。具体主要体现在:首先在直流潮流基础上,对有功运行调度问题进行了深入研究,主要贡献体现在四个方面:(1)就有功备用而言,设置的目的是应对运行中发生的不确定性因素,如发电的不确定性、输电网络的不确定性、负荷的不确定性等。通过分析这些不确定性因素对电力系统运行的影响及后果,阐明了不确定性引起备用的因果,揭示了有功备用的机理,明确了备用的责任,提出了按影响系统风险水平程度大小来分摊备用责任的思想和量化表达。研究表明,按一定风险准则,备用为明确的对象而配置,备用的提供者和享用者具有明了的映射关系,对大系统来讲又具有重叠性,参与者各负其责且相互共享备用是一定安全水平下最好的共赢局面。(2)依据上述思想,提出一定风险准则下,计及备用的新的电力系统有功调度模型。该模型引入具有明确对象和责任的备用约束,使备用的配置能够刚好覆盖预想的风险水平,并显现备用的边际价值信号,同时明确量化备用的提供者和享用者,以及各自应该承担的责任。这一思想与传统方法有着本质的区别,能够适应市场环境下备用配置透明、清晰的需要,同时机会成本作为反映备用价值的信息,进一步透射出等效电力商品的意义。(3)输电网络是备用得以使用的通道,若输电网络出现制约现象,必然会造成备用的无效。因此,当考虑输电网络的不确定性时,备用发生转移现象是不可避免的。本文根据系统给定的风险准则,建立了计及输电网络不确定性的有功调度模型,即上述模型的扩展。该模型对输电网络不确定性事件发生所引起的备用配置进行了有效的修正,明确了备用配置(无输电网络制约时)转移的机理,使备用的边际价值信号由系统转移到了节点,出现了空间上的差异,进一步完善和发展了上述模型。(4)需求侧在市场机制下成为主动者是电力市场的一个显著特点,另外不确定性事件是随机的,可见上述的研究在某种程度上尚存在保守性的弱点。若进一步按市场机制考虑需求侧对备用的贡献以及不确定性事件发生的概率,就会带来更客观的效益。由此,在上述研究基础上,引入各种不确定性事件发生的概率,以社会效益期望最大化为目标,建立了概率条件下的有功调度模型。该模型进一步实现效益与风险的折中处理,使其更加符合市场实际,即通过引入不同预想事件发生的概率,构成目标的期望加权,实现按概率风险水平调度有功及备用,进而获取社会效益的提高。其次,在有功运行调度研究基础上,进一步对有功调度受无功、电压影响所反映的经济规律进行了研究,主要贡献体现在四个方面:(1)在电力系统运行中,无功的价值体现在维持正常情况或异常情况所需无功支撑的贡献,以及正常情况下运行费用(损耗)的节约。因此,本文分别从无功供给和需求两个角度出发,给出了无功在电力系统运行中引起成本变化的数学描述。分析表明,无功的需求或供给没有严格的界限,其价值由是否引起有功运行成本变化决定,若引起有功调度成本增加,则需对其惩罚,反之则需对其进行补偿;惩罚或补偿的影子反映无功的边际价值信息;同时无功的需求或供给都是无条件必须完成的,否则既会影响自身利益,又会影响其他成员,这是电力系统特有的物理规律决定的。(2)正常运行状况下,当发电机组输出无功而未制约其有功输出时,无功分布引起有功调度成本增加,主要是由于无功需求或供给引导电压水平变化伴随网损功率的增减而产生的机会成本。在这种情况下,当有功调度方式给定时,以网损最小为目标进行无功优化,伴随无功优化的副产品(各类乘子),给出了节点边际价格的快速近似修正方法。这一修正的本质是对网损(包含有功分布产生和无功分布产生)引起成本增加的分配,以体现各参与者对损耗贡献的奖惩机制,也显现在实际电力系统运行调度中对无功价值的度量。(3)进一步,又从数学优化角度按无功分布与电压水平之间牵制的疏密程度定义了三种无功优化解的状态,即松弛状态、制约状态和临界状态。并对这三种状态下无功引起成本增加的变化规律进行分析,揭示了无功支撑系统电压水平所产生的价值。结果表明:当处于松弛状态时,无功分布几乎逼近电流的经济分布条件,此时输电网上流动的无功最少,单位无功流变化引起的损耗流最小,由此其边际价值也最小。当处于制约状态时,一定有节点电压达到了下限,无功分布为支撑这一局面导致了损耗增加,相应节点的无功边际价值随之增大,由此显现网损增大的主要责任者。当处于临界状态时,意味着能刚好满足系统电压水平的要求,此时无功边际价值将陡升。按三种状态,可以界定无功供给或需求的程度,以引导无功资源布局的合理性。(4)另一种情况,当发电机组由于输出无功而制约其有功输出时,如轻载下可能需要某些发电机组的进相运行等,导致有功方式受到无功牵制的情况出现。通过完整的最优潮流求解,对该情况下无功引起的机会成本本质进行了推导。分析表明,无功支撑作用的代价不仅包含网损变化引起的机会成本,同时也包含有功无功牵制所产生的显著机会成本,此情况显现无功和有功的当量交换,出现无功实质性的边际价值。最后,上述市场环境下电力系统调度理论的研究,均隐含一种假设,即研究对象构成的模型满足凸规划条件。而由于发电机组准固定成本的存在,如无负荷费用、启停费用等,若按边际价格清除,必然会出现成本补偿问题而无法实现有效的市场交易。由此,从完全竞争的理论出发,分析、比较了按成本最小和按用户付费最小两种目标的调度方法,后者不存在成本补偿问题,但不能引导出使社会效益发展最好的信息,前者则相反,同时反射本文思想取前者的理由。对此,本文利用了附加成本函数的概念,实现了成本补偿问题的处理,并给出基本的方法和深层次问题处理的思路。由附加成本函数处理成本补偿的优点是不改变边际信息,即不改变社会效益最大化的目标且同时能做到由于补偿使社会效益损失最小,避免了补偿的盲目性。因此,在成本补偿问题得到有效处理的基础上,按本文思路构建的市场环境下电力系统运行调度理论在体系上有其完整性。