[科普中国]-电力市场全景实验平台

简介

在电力工业引入竞争、提高效率、降低成本是电力市场改革的重要目的，各国政府在市场化改革中依据自身电力工业发展状况、政策体制和能源战略，选择相应的市场模式。不同的市场模式设计。对市场运营效率、市场主体效益，以及对电力系统的可持续安全稳定运行都具有决定性影响，往往是决定电力市场改革成败的关键。由于电力市场建设和运营是一个复杂的系统工程，试错成本巨大，2000年加州电力市场就未能达到电力市场改革的预期目的，反而引发了一系列的电力危机，是未能选择合理市场模式的例证。

为降低市场模式选择及运营的风险，电力交易机构和科研单位研究建立了多种电力市场实验手段。在市场运营和市场模式改进中，电力市场实验手段发挥了重要支撑作用，其中，美国的Argonne国家实验室通过对政策推演、运营模拟等方面的实验支撑，为美国电力市场运营模式与规则制订做出了重要贡献;,EXS公司的PLEXOS} , LCU公司的UPLAN} , ABB公司的UridView等电力市场仿真软件为电网规划、市场分析提供了决策支持;康奈尔大学的Powerweb}ll}、爱荷华州立大学的AME具有日前电能市场模拟仿真功能，为电力市场研究与用户培训提供了技术支撑。在中国，自1998年启动省级电力市场试点建设以来，西安交通大学、国家电网公司、南方电网公司等也都在电力市场探索中建立了相应的电力市场仿真系统，用于市场模式分析和市场运营培训。2015年3月，中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发〔2015] 9号文)提出电力市场改革的总体思路，其配套文件进一步阐述了未来可能选择的分散市场模式和集中市场模式。各试点单位如何根据自身特点，选择合适的市场模式，也需要进行深入全而的市场推演，降低市场建设风险。

电力市场是电力系统经济运营和物理运行的有机融合，市场走势受能源政策、电网结构、供需关系和市场成员经营决策等多种因素的共同影响。通常，电力市场是指电力商品、交易周期和交易方式的一个组合，比如日前集中电能交易即为一个电力市场，一个国家或地区的电力市场往往是多个电力市场共同组成的集合，市场成员也通常能够参与多个市场，提供相应的商品并获得回报。由于市场成员在各个市场中能够提供的商品相互影响，在市场运营中，市场成员会根据综合成本构成，理性决策在各个市场中的投标行为，从而实现整体收益最大化。

然而，由于现有的许多电力市场实验手段存在各种功能限制，距离推演评估预想电力市场模式优劣的目标，还有很大差距。第一，有的实验系统依托在线运行的电力市场运营系统实现，只能模拟己有的市场模式，主要服务于交易人员操作层而的培训，无法模拟不同的市场模式。第二，有的实验系统不具备对市场成员决策行为的模拟能力，仅限于对市场成员历史申报数据或者人工模拟数据进行实验，无法反映市场成员的决策行为。第三，有的实验系统虽能够配置市场规则，模拟市场成员智能决策，但仅能模拟单一电力商品、单一交易周期的市场运营，比如AMES主要模拟日前电能市场，无法反映不同电力商品、不同周期市场间的相互影响。第四，有的实验系统仅从经济学角度对电力市场进行推演，未考虑电网安全约束，无法真实反映电力市场运营的网络特征。第五，有的实验系统仅限于一定供需关系下的静态市场推演，无法模拟电力需求和生产随时间周期变化、设备非正常停运等对市场运营的影响。

由于一个国家或地区的各个电力市场相互影响，市成员在每个市场中的决策行为都会受到其他市场的影响，孤立模拟某一个市场无法真实反映市场成员的实际行为，需将一个国家或地区的电力市场作为一个整体来分析，建立电力市场全景实验环境，模拟各商品类型、各交易周期和各交易方式电力市场的藕合运营。为此，从电力交易运营、市场成员决策行为和电网运行三个维度出发，以年度为经营周期，将市场模式中的所有商品类型、所有交易周期、相关交易方式和定价机制作为一个整体看待，以总体利益最大化作为市场成员的决策目标，通过对市场运营中的需求预测、成员决策、交易出清、调度运行、结算评估等关键环节的完整模拟，量化评估相应市场模式下的经济、安全、节能和可持续性等指标，从而建立一个电力市场全景实验评价平台，为电力市场模式的设计和选择提供有效的实验手段1。

电力市场全景实验平台的功能电力市场全景实验平台主要用于市场运营模拟与评估、运营技术验证、运营人员实务培训和电力市场运营系统功能测试。

市场运营模拟与评估应能够支持电能、辅助服务、容量、输电权、发电权、绿色证书等多商品类型，中长期、月度、日前、日内、实时等多交易周期，集中撮合与双边协商等多种交易方式，分区定价和节点定价等多种定价机制的多电力市场藕合运营的市场机理推演，模拟电网安全约束在市场出清、电网调度等各个环节中的作用，在对市场成员自主动态决策模拟基础上，量化评价实验市场模式的运营效率和运营风险，依据对市场推演中的各种指标分析，评估市场规则公正性和交易模式可行性，为市场模式的设计和选择提供决策支持，以更好地引导并优化电力市场规则设计。

电力市场运营技术验证应能基于预期市场模式、市场规模和电源电网结构，搭建目标电力市场运营环境，为海量成员接入、市场出清优化算法、定价算法、市场结算、安全约束市场化调度等新技术验证提供数据接入、流程控制和结果校对等支持，同时为大数据、云计算、桌而云等技术在电力市场运营中的应用提供实验验证环境，评估运营技术的适用性，推动电力市场运营技的创新和持续发展1。

市场运营人员实务培训应能依据电网模型灵活构建预期市场模式的电力市场运营环境，模拟电网运行和市场成员自主决策，为电力市场运营、市场成员交易、科研机构研究、理论教学、监管评价和系统运维等人员提供实务培训环境，参训人员与投标机器人共同参与各电力市场运营模拟，通过对一定时间范围内不同供需形势、市场成员自主决策和多市场成员联合决策等市场运营场景的模拟，评估人员培训效果，使参训人员深入掌握电力市场运营机理。

电力市场运营系统功能测试通过标准接口与电力市场运营系统连接，模拟目标电力市场运营，提供电网运行断而和市场成员申报案例，接收被测电力市场运营系统的出清结果，并对被测系统功能正确性和计算性能进行测试验证，实现电力市场运营系统功能软件的业务级测试。

实验平台功能结构总体功能架构电力市场全景实验平台总体结构主要包括电力交易运营模拟器、市场成员行为模拟器和电网运行模拟器三部分。电力市场全景实验平台功能框架结构其中电力交易运营模拟器用于模拟部署于电力交易机构、目标市场模式下的电力市场运营系统，支持市场成员的注册管理、信息发布、成员申报、交易出清、安全分析和结算评估。市场成员行为模拟器用于模拟市场成员参与市场的管理和决策过程，支持成本管理、交易决策、收益分析和策略进化。电网运行模拟器主要用于模拟与市场运营紧密相关的电网运行状态量变化，支持潮流分析、发电计划跟踪、联络线计划跟踪、故障模拟、扰动模拟等1。

电力交易运营模拟器电力交易运营模拟器的主要功能包括电力市场商品结构生成器、电力市场运营模式配置、电力交易实验平台、实验评估分析、市场运营时序配置，以及实验控制与管理等部分。

1)电力市场商品结构生成器

用于定义待实验市场模式的电力商品构成，可以为电能、辅助服务(可以进一步细分为调频、旋转备用、非旋转备用、无功电压、黑启动等)、容量、输电权、绿色证书、发电权等一种或者多种商品的组合。商品结构生成器预置了可以在市场运营中出现的所有商品细分类型，并预定义了每一种细分电力商品的成本构成和成本模型。根据预置的电力商品成本模型和待实验电力商品类型选择，自动生成交易商品的成本模型，以反映各种电力商品的成本，并将未选择商品的成本自动归入电能或者其他商品之中。在电力商品选择的基础上，定义每种电力商品的交易周期(包括年、月、日前、日内、实时等)、交易方式(集中、双边等)。电力商品、交易周期和交易方式的每个组合称为一种电力市场，所有电力市场的总和形成待实验的目标电力市场结构。

2)电力市场运营模式配置

用于设置每个市场的运营模式，生成对应的市场规则。每个市场的规则配置包括:市场成员准入条件、市场时序、买方报价格式、卖方报价格式、市场定价机制、市场出清机制、市场结算机制，以及需要联合出清的电力市场组合等，如日前电能商品和日前备用商品相互影响，这两种商品需定义为联合出清。

3)电力交易实验平台

电力交易实验平台是模拟市场运营的实体，是一个预制的电力市场运营实例创建和运行容器，能够容纳多种电力商品、多种交易周期和多种交易方式组合的多电力市场实例联合运营。根据市场商品结构生成器生成的市场结构配置信息，自动激活对应电力市场实例;并根据电力市场运营模式配置，初始化相应电力市场实例的算法库和人机界而;根据市场运营时序配置，确定各电力市场实例间的相互激活机制，最终形成容纳多个市场实例的电力市场实例容器，支撑配置市场模式的运营实验。电力交

4)实验评估分析

实验评估分析主要包括两部分功能。一是市场成员竞争策略有效性和行为竞争性评估。根据市场出清和电网运行信息，自动计算各市场成员的电能费、辅助服务费、容量费等收益，并根据其变动成本和固定成本分摊原则，计算各市场成员在各市场中的净收益和总体净收益，同时计算市场总体平均收益和各类市场成员的平均收益，对比市场成员收益与总体平均收益、所属类市场成员平均收益，评估市场成员竞争策略的有效性;同时通过分析市场成员申报价格与实际成本之间的偏离度，评估各成员市场行为的竞争性。二是市场竞争性和有效性评估。通过对各周期市场中边际机组市场报价与其成本的偏离程度，评估各个市场是否具有竞争性;从各电力商品的平均市场价格与平均供应成本比例、市场总体供给能力与市场需求比例、输电设备利用率变化等指标，评估电力市场的有效性。

5)市场运营时序配置

用于配置各电力市场的启动周期、电力市场启动顺序，配置市场运营中的流转环节组成和各环节之间的流转条件，以及各电力市场之间时序配合条件，比如一次月度电能市场出清后应自动触发至多31次日前电能市场，每次日前电能市场出清后应自动触发24次实时市场等。市场运营时序设置决定了各个市场的运作流程以及之间的相互触发关系。

6)实验控制与管理

实验控制与管理用于配置生成具体的实验案例，模拟预想的市场规模、一次能源价格等市场运营外部环境，形成市场启动和持续运行所需的各种基础信息。其功能结构如图3所示。

市场模型人工配置用于手工注册参与市场的各类成员信息，或者直接选用内嵌的RTS-96标准算例生成电网物理模型和市场经济模型。市场模型自动生成则能够根据基于CIM/ E的电网模型或者IEC 62325-301标准的电力市场模型，按照厂站机组间的所属关系、装机容量等信息，自动生成用于实验的电网物理模型和市场经济模型。

市场成员决策模型配置用于设置各市场成员智能代理的策略集、风险承受能力、决策子目标偏好等各种决策参数，用于成员自主决策策略生成。

实验周期及市场启动前状态配置用于设置实验案例的时间范围，并设置各市场成员己签订合同、设备检修计划、机组运行状态等各种市场初始参数，实验周期的设置决定了各类电力市场的运行次数。

学员参与市场的教案配置用于设置各市场成员由智能代理模拟或是由参训学员代理参与市场竞争，以及哪些市场成员可以联合以模拟发电集团决策等，并可以预置部分市场成员的成本、检修计划、辅助服务能力等参数。

教员干预控制可以预设发输电设备检修计划调整、发输电设备故障，用于模拟电网运行对成员收益的影响。

市场成员成本构成及一次能源价格自动生成模块则依据一次能源价格等信息自动生成模拟器内的燃料价格变化及固定成本构成。

市场成员行为模拟器市场成员行为模拟器既可以通过智能代理模拟各类成员参与市场竞争，也可以为参训人员提供参与市场竞争的数据申报和信息管理的人机界而。其重要功能包括:竞价策略管理、市场申报决策、数据申报与信息管理。

1)竞价策略管理:用于设置市场成员的竞价策略集合，包括参与的市场种类、决策的主要目标和从属目标，以及对风险的偏好程度，并设置固定成本等长周期成本在短周期市场中的可选分摊策略1。

2)市场申报决策:依据成员的各种成本构成，以实验周期内利益最大化为目标，参照竞价策略集合设置和成本分摊策略，考虑实验周期内己经达成的各类交易合同，协调优化市场成员所有发用电资源在各个市场中的竞价策略。在多周期竞争决策中，能够根据市场出清和结算结果，自动调优后续竞争策略。

3)数据申报与信息管理:提供参训人员查询各种市场运行信息和自身注册信息的人机界而，提供参与各类市场的数据申报界而，并从市场、发用电资源、时间等多个维度展示市场成员的量本利信息和评价信息。

电网运行模拟器电网运行模拟器根据市场时序设置，能够以设定时间间隔自动模拟电力系统负荷变化，根据各市场出清结果和设备检修状态，自动计算主要设备的潮流，模拟电力系统与电力市场的藕合运行。根据教员的人工干预，还能够自动模拟发电、输电等设备故障，用于评估各类扰动对电网安全和市场成员收益的影响。

实验平台关键技术一个能够支持省级以上规模电力市场实验的工程级实验平台，其技术复杂度远高于现有的电力市场运营系统，需要软件平台、市场出清算法、定价算法、成员决策模拟、电网运行模拟、模型交换标准等一系列关键技术支撑。经过十余年的电力市场运营技术研发和工程积累，研究团队己经具备了支持多用途数据库、消息总线、服务总线、自定义图形、流程引擎、电网模型交换的软件支撑平台;在电力交易运营系统开发中积累了支持多类型电量交易开展的规则库、算法库技术，以及可配置的电量电费结算技术;在节能发电优化调度技术研究中，研发了多时段多目标安全约束机组组合和经济调度算法。然而，为推演建立在大规模电网之上由多种电力商品、多种交易周期、多种交易方式组合的电力市场运营机理，分析市场经济运营和电网安全运行的藕合影响，在有限的实验时间内模拟长时间周期内的电力市场运营，评估预想市场模式的各种影响，在上述技术积累基础上，还需要解决电力市场全景实验平台建设中的如下关键技术。

1)大规模市场清优化及定价算法技术。在己有安全约束机组组合和经济调度技术基础上，建立电能与辅助服务联合优化模型，研究能够实现适应多种电源类型、发用电双向竞价、电能与辅助服务藕合、多时段藕合，考虑电网安全、机组运行、系统平衡的大规模优化算法，适应年度、月度、日前等多交易周期大规模电力市场的快速出清计算，保障计算性能满足快速实验要求;开发分区定价和节点边际电价等常用定价算法。该技术在国外电力市场中己经

得到应用，国内尚未研制出适用于省级以上电力市场的工程化算法和应用，目前己经纳入国家电网公司“十三五”科技规划。

2)市场成员决策行为模拟技术。研究考虑全成本回报、多电力市场收益、整体效益最大化的市场成员决策模型，研发市场成员决策行为智能代理模拟算法，反映各市场成交结果间的相互影响和风险喜好对市场成员决策行为的影响，并在实验进程中，支持市场成员决策行为的动态进化，该技术研究己经纳入国家电网公司“十三五”科技规划。

3)市场模拟的任务调度技术。研究能够根据设定的市场模拟时间范围，依据各电力市场间的运行时序和市场各环节触发条件，自动激活多电力市场并行运行流程的实验任务调度技术，在实验进程中依序调用市场出清等计算服务，实现以较短的实验周期完成对长周期电力市场运营的模拟，该技术正处于研发过程中。

此外，电力商品通用成本模型的建立，基于国际标准的电网模型(IEC 61970)或市场模型文件(IEC62325)的电力市场环境自动生成、电网运行状态模拟、适用多市场模式的结算评估等也都是电力市场全景实验平台建设中必须解决的关键技术，均己纳入国家电网公司“十三五”科技规划。由于国内尚未建立商品类型丰富的成熟电力市场，初期实验环境的生成还主要依靠人工准备，基于国际标准的电网模型或市场模型文件的电力市场环境自动生成技术可以稍后研发。

总结目前国内电力市场化改革正深入推进，由于国网情不同，国外市场模式很难照搬，本文提出以电力市场整体运营为研究对象的电力市场全景实验平台，将为选择适应中国特点的电力市场模式、降低电力市场改革试错成本、推演电力市场运营和电网运行藕合机理、培训电力市场专业人员提供实验环境支撑。在国家电网公司多个科技项目资助下，己完成电力市场全景实验平台体系研究和框架设计1。