本书是一本探讨经济学理论基本概念以及电力市场先进优化方法的实用教材。作为电力系统领域的专家，作者在书中分析了世界多地电力行业转型的主要驱动因素，讨论了电力系统运行及电力市场设计、结构和运行的基本原理。此外，本书还深入探讨了电力系统运行和电力市场设计的前沿性主题，包括分区与节点定价对比、市场绩效和市场力问题、输电定价机制以及智能电网和微电网环境下电力市场面临的新问题。本书还研究了电力市场环境下的输电规划问题，并提出了依靠大量现有电力系统经济数据解决问题的新方法。本书适用于研究电力市场基础和前沿课题的从业者和专业人士，以及电力市场的爱好者。
Jeremy Lin博士，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校动力与能源系统电机工程学硕士，美国德雷塞尔大学电力工程学博士，目前任职于PJM互连电网公司（美国电力系统运营商），是美国电气电子工程师学会（IEEE）资深会员。Jeremy Lin博士拥有超过18年的电力系统规划、运营和电力市场方面的经验，对美国的电力行业改革和电力市场发展有着广泛的了解。除此之外，Jeremy Lin博士在建模、仿真、电力市场改革分析、输电系统分析、潮流分析以及电力系统中的计算机技术应用方面也具有丰富的经验。Jeremy Lin博士在顶级期刊和会议上发表了大量文章，目前正与许多国内外机构的研究人员开展各种合作研究工作。
Fernando H.Magnago博士，阿根廷里奥夸尔托公立大学电气与电子工程系教授，负责与电力系统分析、优化和生产模拟相关的本科生、研究生课程和研究项目，在电力系统软件和设备的研发方面拥有超过28年的经验，设计并开发了与故障分析、状态估计和安全约束机组组合相关的分析技术和软件。Magnago博士在电力系统领域出版了3本图书，发表了22篇期刊论文和70篇会议论文。
前言
本书将探讨电力市场出现的原因、电力市场的运行模式、判断电力市场是否运行良好的绩效指标等问题，主要介绍以电力工程、经济学和优化方法为基础的电力市场基础理论和概念。
本书适用于研究生一年级学生、本科四年级学生、研究电力市场基础和前沿课题的从业者和专业人士，以及电力市场的爱好者。工程学科（如电力工程和电信工程）市场的出现，对我们利用工程学科领域之外的理论和概念提出了挑战，充分理解这些基本概念可以帮助我们进一步加深对电力系统和电力市场复杂运行的理解。
许多工程学科普遍运用数学方程表示物理系统，本书也不例外。但作者试图将复杂数学方程应用其中，为学生和专业人士解决电力市场相关问题提供一个比较有意义的解决措施。
本书的第1章简要描述电力系统的性质和特点，涵盖世界多地电力行业转型的基本驱动因素。电力行业的巨大变化为我们带来了挑战和复杂的问题，理解这些复杂问题需要具备电力工程原理、微观经济理论以及优化方法的基础和高级知识，所以第2章介绍电力系统的基本原理，第3章介绍电力市场相关的微观经济理论。
第4~6章将介绍电力系统经济运行的关键部分，即机组组合、经济调度和最优潮流。读者在对电力系统运行原理有了深入了解后将接触电力市场的基本要素，了解电力市场的设计和结构。因此，第7章介绍电力市场的设计、结构和运行。
第8章介绍市场定价相关知识，如分区定价与节点定价、市场建模与电力市场仿真，这些内容在电力行业中有着广泛的应用。随着电力市场的出现，市场力及其缓解、市场绩效等问题自然出现，这些问题是经济理论和基于物理定律的电力系统相结合的必然结果。第9章将广泛论述评估电力市场的基本方法，特别是检测和缓解市场力。对上述内容有基本了解之后，读者才能够更好地理解电力市场运行中产生的更复杂的问题。
第10章讨论电力市场的关键问题之一，即电力市场体制下的输电规划问题，解释为什么会有新方法来解决同样的问题，因为拥有电力市场的电力系统具备大量与电力系统相关的经济数据可供使用，这些新数据让我们能够以新的方式解决同样的问题。第11章介绍另一个新出现的问题，即电力市场在智能电网和微电网环境下的作用，还提供了与这些新兴且重要的主题相关的定性论据。
本书涵盖了电力市场多个主题及其基础理论知识，而在一个学期的课程中讲授本书的所有章节是十分具有挑战性的。因此，需要根据实际情况选择相关的章节来讲授。本书所涵盖的材料、相关参考资料和来源并不绝对全面，感兴趣的读者可以通过阅读其他参考文献来探索更多内容，这些参考文献在每章的拓展阅读部分中列出。
作者谨向各组织、学术和研究机构的许多同事及其前学术顾问表示诚挚的感谢，特别感谢莱森特公司的Herminio Pinto，以及阿根廷加塞普公司的Diego Moitre和Juan Alemany，如果没有之前的讨论和研究工作，这本书是不可能完成的。作者还要感谢对第一份手稿提出宝贵意见和建议的审核专家，这些意见和建议有助于改进本书的最终内容。
本书谨献给世界各地热衷于探索电力市场复杂运行机理的你们！
作者序
《电力市场：理论与应用》英文版于2017年出版，至今已有五年时间。自出版以来，本书被全球多所院校当作“电力市场”课程的标准教材，作者本人教授类似课程时也使用该书作为教材。
随着越来越多国家逐步放开垄断行业并引入竞争，电力市场作为电力系统当中的一个专业领域，开始受到各方广泛关注。建立电力市场是一个既具有挑战性又十分复杂的过程。作者撰写本书的主要目标之一是简化并剖析电力市场建设背后的复杂性，使读者能够更好地了解电力市场组成及其相互作用。如今该书被翻译成中文出版，作者倍感荣幸。
中国是世界上最大的电力生产国之一。21世纪第一个十年，中国发电年增长率为12.0%，第二个十年为6.3%，远高于世界2.5%的年增长率。2020年，中国年发电量约7.78万亿千瓦时，约占世界发电量的29%，位居世界第一。
目前中国电力市场建设尚处于初期。2015年，《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发〔2015〕9号）正式印发，拉开了中国新一轮电力体制改革的序幕。当前中国正在进行的能源转型面临着许多挑战，为了应对能源转型过程中的一系列挑战，需要针对这些话题进行深入探讨研究。这种情况下，本书中文版的问世或许会对中国能源转型提供有关帮助。
本书主要目的是基于电力工程、经济学和优化方法三个学科，介绍支撑电力市场的基本理论和概念。本书作为教材主要面向研究生一年级或高年级本科生，同时也适合希望研究电力市场基本和前沿课题的从业者和专业人士阅读。
在英文版中，本书重点强调了理解电力市场运作、结构、模型和绩效评价的重要性，主要目的是介绍电力市场相关基本概念，以及经济学和优化方法相关理论和概念。
本书英文版出版后受到广泛好评，读者普遍反映该书有很强的实用性。很欣慰看到本书英文版能够成为电力市场专业的标准教材。此外，根据反馈，本书对电力市场专业人士同样实用。本次中文翻译版的主要目标是为对电力市场改革感兴趣的学生和电力市场改革相关人士提供电力市场基础理论与实践经验。
学生及读者的背景不一定局限于上面提到的学科。电力工程和电信工程等许多工程学科领域中市场的出现，要求我们拓宽理论和概念的边界范围。掌握这些基本概念对于理解电力系统和电力市场复杂运行十分必要。和许多工程学科一样，本书采用一系列数学方程来刻画物理系统。在此基础上，作者试图使内容具备一定的数学复杂性，既能使学生和从业者接触到这些内容，又能将重要问题通过有意义的方式得以处理解决。
本书章节组织如下：第1章简要描述电力系统的性质和特点，涵盖美国和世界多地电力行业转型的基本驱动力。巨大的变化带来了挑战和复杂的问题，理解这些复杂问题需要电力工程原理、微观经济学理论和优化方法的基础和进阶知识。第2章论述电力系统的基本原理，第3章介绍相关微观经济学理论。第4~6章涵盖电力系统经济运行的关键部分，包括机组组合、经济调度和最优潮流。对电力系统运行方式有了扎实了解后，接下来将接触电力市场的基本要素，了解电力市场的设计和结构。第7章介绍电力市场的设计、结构和运行。第8章主要涵盖市场定价（如区域定价与节点电价）、市场建模和在行业中具有广泛应用的电力市场模拟。
随着电力市场出现，市场支配力及其缓解、市场绩效等问题自然相继产生。这些问题是经济理论和基于物理规律的电力系统结合的必然结果。第9章讨论用于评估电力市场的基本方法，尤其是检测和缓解市场力的方法。了解这些主题将有助于读者更好地理解电力市场运行出现的复杂问题。第10章讨论电力市场环境下的系统规划。电力市场环境下的电力系统拥有大量与电力系统相关的经济数据，基于这些新数据人们能够以新方式解决系统规划问题。
另一个新出现的问题是智能电网和微电网环境中电力市场将发挥什么样的作用。第11章将提供一些与新兴且重要的主题相关的定性论证。作为教材，虽然本书涵盖了几个与电力市场相关主题及其背后的基本理论，但对于讲师，在一个学期课程中涵盖本书所有内容是一项挑战，因此有必要选择对学生来说较为重要的章节。书中内容无法涵盖所有的相关参考资料和来源，感兴趣的读者可以通过每章后的“扩展阅读”部分给出的其他参考文献来探索更多内容。
感谢电力规划设计总院凡鹏飞博士带领的电力市场研究团队为本书中文翻译和推广付出的努力。凡鹏飞博士及其团队对中国电力市场建设的深刻理解，让人深感钦佩。
Jeremy Lin
2022年7月
译者序
近年来，在“四个革命、一个合作”能源安全新战略指引下，我国坚定不移推进能源革命，全面深化能源体制改革，释放市场活力，推动能源高质量发展。我国电力市场建设稳步有序推进，多元竞争主体格局初步形成，市场化交易电量比重大幅提升，电力中长期市场、现货市场和辅助服务市场有机衔接的电力市场体系基本建立。2022年1月印发的《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》，对适应碳达峰碳中和新要求、优化电力市场总体设计、推进适应能源结构转型的电力市场机制做出了明确部署。
随着碳达峰、碳中和目标提出，电力市场也被赋予了更重要的使命。如何构建促进清洁低碳转型和新型电力系统建设的新型电力市场体系，充分发挥电力市场在电力系统分配和流通环节的作用，成为政府、企业、研究机构、专家学者高度关注的问题。在工作中我们深刻认识到，中国电力市场建设要立足我国能源资源禀赋、经济社会发展等实际国情，更需要充分借鉴国际成熟电力市场建设经验，了解国外市场运行和机制设计的深层次机理，“知其然，知其所以然”“取其精华，去其糟粕”，推动有效市场和有为政府更好结合。
电力规划设计总院政策与市场团队长期从事电力市场研究咨询工作，重点聚焦我国电力市场建设，同时持续关注欧美发达国家成熟电力市场建设经验借鉴。在收集阅读国外众多电力市场经典著作过程中，Electricity Markets:Theories and Applications一书引起我们重点关注。该书是一本探讨电力市场设计和先进优化方法的优秀教材，作者Jeremy Lin和Fernando H.Magnago拥有丰富的电力系统规划运营、电力市场理论和实践经验。我们认为，书中关于电力市场基本理论、经济学原理、优化方法以及国外电力市场经验的内容具有很强的理论和实践价值，对于我国推进省级电力现货市场以及全国统一电力市场设计和建设具有重要借鉴意义。为此，我们组织工作组开展本书的翻译工作，希望将本书引入国内，为我国电力市场建设提供指导帮助。
本书首先介绍电力系统相关基础、运行原理和经济学理论。第1章主要描述电力系统的性质和特点；第2、3章主要介绍电力系统的基本原理和电力市场相关的微观经济理论；第4~6章涉及电力系统经济运行的关键部分，包括电力系统机组组合、经济调度和最优潮流；第7章主要介绍电力市场的设计、结构和运行；第8章阐述电力市场定价相关知识，包括分区定价与节点定价，以及电力市场建模与模拟仿真；第9章介绍评估电力市场的基本方法，特别是检测和缓解市场力；第10章讨论电力市场环境下的输电规划问题；第11章介绍电力市场在智能电网和微电网环境下的作用。
在此感谢机械工业出版社对本书出版的大力支持。本书翻译组成员为翻译工作付出了很大努力，但因水平有限，译文内容有不当之处，敬请各位读者批评指正。译者联系方式：zqli@eppei.com。
推荐序
中文版序
译者序
原书前言
作者简介
第1章引言
1.1电力系统
1.2美国电力行业重组
1.2.1电力行业重组的关键驱动因素
1.2.2联邦能源管理委员会第2000号令之前
1.2.3联邦能源管理委员会第2000号令之后
1.2.4区域输电组织
1.2.5后区域输电组织
1.3拉丁美洲电力行业重组
1.3.1智利
1.3.2阿根廷
1.3.3巴西
1.3.4墨西哥
1.4欧洲电力行业重组
1.4.1英国
1.4.2北欧国家
1.4.3法国
1.5亚洲电力行业重组
1.5.1韩国
1.6首要目标——可靠性
1.6.1基于电力市场机制的可靠性
1.7进一步讨论
章节问题
拓展阅读
第2章电力系统
2.1电力系统基本组成
2.2发电
2.3电力系统负荷
2.4输电线路
2.4.1输电线路的结构和类型
2.4.2输电线路的电气参数
2.4.3输电线路的网络模型
2.5变压器
2.6同步发电机
2.7网络分析
2.7.1阻抗图
2.7.2节点导纳矩阵
2.7.3潮流分析
2.7.4潮流控制
章节问题
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第3章微观经济学理论
3.1简介
3.2消费者行为理论
3.2.1个体和市场需求
3.2.2消费者剩余
3.3企业理论
3.3.1利润大化假设
3.3.2生产成本
3.3.3竞争企业的需求与边际收益
3.3.4短期内选择产出
3.3.5生产者剩余
3.3.6社会福利
3.4市场理论
3.4.1完全竞争
3.4.2完全垄断
3.4.3垄断竞争
3.4.4买方垄断
3.5博弈理论
3.5.1纳什均衡
3.5.2贝叶斯纳什均衡
3.6寡头垄断
3.6.1古诺模型
3.6.2斯塔克尔伯格模型
3.6.3伯特兰德模型
3.6.4共谋模型
3.7拍卖理论
3.8进一步讨论
章节问题
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第4章电力系统机组组合
4.1简介
4.2机组组合
4.3机组组合的数学公式
4.4机组组合问题的数值方法
4.4.1启发式算法
4.4.2动态规划
4.4.3对偶问题求解：拉格朗日松弛
4.4.4混合整数规划方法
4.5机组组合问题面临的新挑战
章节问题
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第5章电力系统经济调度
5.1简介
5.2发电成本
5.2.1投入-产出曲线
5.2.2燃料成本曲线
5.2.3热耗率曲线
5.2.4耗量微增率曲线
5.3经济调度的数学表达
5.4经济调度问题
5.5不考虑网损的经济调度公式
5.6经济调度的数值方法
5.6.1λ迭代法
5.6.2牛顿-拉夫逊法
5.6.3简化梯度法
5.7考虑输电网损的经济调度
5.7.1总损失和增量损耗计算
5.8经济调度计算的新进展
章节问题
拓展阅读
第6章优潮流
6.1简介
6.2优潮流问题的一般形式
6.3优潮流问题的求解方法
6.3.1原始方法
6.3.2惩罚函数法
6.3.3基于线性规划的方法
6.3.4线性规划
6.4优潮流在竞争性电力市场中的应用
6.5关于优潮流计算的进一步讨论
6.6代数建模语言及求解器
章节问题
拓展阅读
第7章电力市场设计、结构和运行
7.1电力市场概述
7.2电力市场模型
7.2.1电力库模型
7.2.2电力交易所模型
7.3电能量市场
7.3.1日前电能量市场
7.3.2实时电能量市场
7.4双结算体系
7.5电力市场运行时间表
7.6市场运行工具
7.6.1基于安全约束的经济调度
7.6.2可靠性机组组合
7.6.3电网安全分析
7.6.4对输电阻塞的考虑
7.7金融输电权市场
7.8容量市场
7.9辅助服务市场
7.9.1调频市场
7.9.2一次备用市场
7.10其他服务
7.10.1无功电源服务和电压控制
7.10.2黑启动服务
7.11进一步讨论
章节问题
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第8章电力市场的定价、建模与仿真
8.1市场出清
8.1.1分区定价
8.1.2节点定价
8.1.3统一价格拍卖
8.1.4差别定价
8.2电力市场建模与仿真
8.2.1基础模型
8.2.2市场均衡模型
8.3进一步讨论
章节问题
拓展阅读
第9章电力市场评估
9.1市场竞争力
9.2市场力
9.3结构-行为-绩效模型
9.3.1结构
9.3.2行为
9.3.3绩效
9.4其他市场力相关问题
9.5进一步讨论
章节问题
拓展阅读
第10章电力市场环境下的输电规划
10.1简介
10.2输电规划的关键驱动因素
10.2.1负荷预测
10.2.2需求侧资源
10.2.3发电侧资源
10.2.4市场效率
10.2.5跨区域协调
10.2.6运行性能
10.2.7公共政策
10.2.8其他因素
10.3基于可靠性的输电规划
10.3.1建立参考系统
10.3.2参考系统的可靠性分析
10.3.3短期可靠性评估
10.3.4长期可靠性评估
10.4基于市场的输电规划
10.4.1市场效率模型
10.4.2模型基准
10.4.3市场效率分析
10.4.4系统经济变量
10.4.5经济效益的多种定义
10.4.6经济标准
10.5跨区域输电规划
10.5.1可靠性
10.5.2经济性
10.5.3跨区域输电规划方法
10.6竞争性输电规划
10.6.1管制输电业务
10.6.2FERC1000号法令
10.6.3竞争性投标流程
10.7欧洲输电规划
10.8进一步讨论
章节问题
拓展阅读
第11章未来电网下的电力市场
11.1可再生能源技术
11.1.1可再生能源的类型
11.1.2可再生能源的增长驱动力
11.1.3可再生能源对电力市场的影响
11.2智能电网
11.2.1微电网
11.2.2主动需求响应
11.2.3主动需求响应的影响
11.2.4储能系统
11.2.5电动汽车
11.2.6智能电表
11.2.7配电系统的电力市场
11.2.8智能电网政策与方案
11.2.9电力市场实施
11.3终思考
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