中國跨區(qū)跨省電力交易綜述及展望

劉 昊，郭 燁，孫宏斌，2，3

（1. 清華-伯克利深圳學(xué)院,清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東省深圳市 518000；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）,北京市 100084；3. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084）

0 引言

2021 年,中國提出“碳達(dá)峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）的戰(zhàn)略目標(biāo),構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),推動建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系,實(shí)現(xiàn)電力資源在更大范圍內(nèi)的共享互濟(jì)和優(yōu)化配置［1-2］?？紤]到新能源發(fā)電與負(fù)荷的逆向地理分布現(xiàn)狀,完善跨區(qū)跨省電力交易機(jī)制有利于提升省間輸電通道利用率,促進(jìn)西南、三北的新能源發(fā)電消納,推動實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程［3］。此外,推動跨區(qū)跨省交易也將有效提升單一區(qū)域應(yīng)對極端天氣條件的能力,加強(qiáng)不同區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)互濟(jì)。

目前,國外區(qū)域電力市場已歷經(jīng)較長時間的發(fā)展。美國電力市場主要包含10 個區(qū)域電力市場,歷經(jīng)了發(fā)電側(cè)競爭、區(qū)域獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（independent system operator,ISO）集中組織、區(qū)域輸電運(yùn)營商（regional transmission operator,RTO）集中組織3 種區(qū)域電力市場模式［4-6］。目前,各ISO/RTO 負(fù)責(zé)本區(qū)域電力市場出清,以節(jié)點(diǎn)邊際電價（locational marginal price,LMP）進(jìn)行結(jié)算,反映了電力資源的稀缺性。美國電力市場已建立日前市場、實(shí)時市場、容量市場、金融輸電權(quán)交易、輔助服務(wù)市場等多種交易形式［7-9］。歐洲各國電力市場在各交易所輪值的組織架構(gòu)下進(jìn)行出清,實(shí)現(xiàn)了電量分區(qū)平衡,從中長期的雙邊電力市場交易逐步發(fā)展到日前、日內(nèi)、實(shí)時平衡市場,采用分區(qū)統(tǒng)一電價進(jìn)行結(jié)算［10］。

近年來,國內(nèi)外跨區(qū)跨省電力交易機(jī)制不斷發(fā)展,北美電力市場采用跨區(qū)協(xié)調(diào)交易調(diào)度（coordinated transaction scheduling,CTS）等機(jī)制實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域電力市場的出清和結(jié)算,推動資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置［11］。歐洲各國采用可用傳輸容量（available transfer capacity,ATC）模 型、Flowbased 模型開展多區(qū)域電力現(xiàn)貨市場聯(lián)合出清［12］。中國積極推進(jìn)全國統(tǒng)一電力市場體系的建設(shè),建立北京、廣州電力交易中心來協(xié)調(diào)跨區(qū)跨省交易,促進(jìn)省間富余可再生能源電力現(xiàn)貨交易［13-15］。此外,中國先后出臺了系列跨區(qū)跨省的中長期交易規(guī)則［16-18］和《省間電力現(xiàn)貨交易規(guī)則（試行）》［19］《加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》［20］等,有利于中長期市場與現(xiàn)貨市場的有效銜接,推動省內(nèi)富余電力交易,實(shí)現(xiàn)電力資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置。2018 年,北京電力交易中心通過雙邊協(xié)商、集中競價、掛牌等方式組織了599 次市場交易,組織開展省間富余可再生能源現(xiàn)貨交易達(dá)7 TW·h,廣州電力交易中心以消納云南富余水電為重點(diǎn),組織開展了各類市場化交易［21］。2020 年,中國南方電網(wǎng)有限公司開展跨區(qū)跨省年度交易,落地側(cè)年度成交電量達(dá)194.9 TW·h,完成跨區(qū)跨省市場化交易電量達(dá)6.95 TW·h,占西電東送電量比例的8.6%,清潔能源占比為62.4%［22］。

推動完善跨區(qū)跨省電力交易可以有效促進(jìn)電力資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置,提升不同區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)互濟(jì)。本文主要著眼于電能量市場,對典型的多區(qū)域電力市場基本架構(gòu)和交易分類進(jìn)行了介紹,概述了跨區(qū)跨省電力交易的市場出清模型、模型求解算法、定價機(jī)制。此外,對跨區(qū)跨省電力交易的關(guān)鍵問題與后續(xù)研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 多區(qū)域電力市場基本架構(gòu)

區(qū)域電力市場總體基于地理因素劃分,跨區(qū)跨省電力交易則基于區(qū)域電力市場進(jìn)行組織實(shí)施。美國或歐洲電力市場各區(qū)域的電力系統(tǒng)運(yùn)營由ISO/RTO 負(fù)責(zé),中國則由對應(yīng)的省級電力交易中心負(fù)責(zé)。區(qū)域電力市場根據(jù)“是否統(tǒng)一規(guī)則和統(tǒng)一出清”可以分為統(tǒng)一市場和共同市場2 類［23］。其中,統(tǒng)一市場（如美國PJM 市場）是指在一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個電力市場運(yùn)營機(jī)構(gòu),出清電量和交易價格均在一個市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)內(nèi)形成,實(shí)行統(tǒng)一運(yùn)作。共同市場（如北歐Nord Pool 市場）是指在一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個區(qū)域市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)和若干個市場運(yùn)營分支機(jī)構(gòu),出清電量和交易價格在市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)內(nèi)分層形成,實(shí)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。在多區(qū)域電力市場中,不同區(qū)域的運(yùn)營機(jī)構(gòu)通過聯(lián)絡(luò)線開展交易,實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。

在區(qū)域電力市場發(fā)展的基礎(chǔ)上,跨區(qū)跨省電力交易的組織基于多區(qū)域電力系統(tǒng)的通信控制架構(gòu)開展,根據(jù)通信和調(diào)度方式可以分為集中式、分散式、分布式3 種主要類型［24-25］,如圖1 所示。

圖1 多區(qū)域電力系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of multi-area power system

1）集中式:通過中央控制器收集系統(tǒng)信息并計算,發(fā)送指令給各區(qū)域調(diào)度中心執(zhí)行。該架構(gòu)在小規(guī)模電力系統(tǒng)中較為適用,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和區(qū)域數(shù)目的增多,系統(tǒng)通信壓力不斷上升,加之不同市場參與者對信息保護(hù)的需求,使得該架構(gòu)難以適用［26］。

2）分散式:不同區(qū)域間沒有直接通信,中央控制器不進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和指令發(fā)送,各個區(qū)域的潮流計算和市場出清均由區(qū)域控制器計算并發(fā)送指令。該架構(gòu)通常面向區(qū)域內(nèi)交易,在不同區(qū)域間存在壁壘,難以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)跨省電力交易。

3）分布式:基于電網(wǎng)調(diào)度和控制的分層分區(qū)特性,各區(qū)域的控制中心收集、處理區(qū)域內(nèi)的信息,將部分重要信息發(fā)送至上級調(diào)度中心,中央控制器匯總信息并進(jìn)行計算,將協(xié)調(diào)信息返回給各區(qū)域,各區(qū)域分別計算［27］。不同分解協(xié)調(diào)計算模式的計算效果和通信要求有較大差別,頻繁的信息通信和交換在提高計算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時,也造成了通信壓力［28］。

目前,跨區(qū)跨省交易的組織需要充分考慮多區(qū)域電力系統(tǒng)物理層調(diào)度架構(gòu)的特點(diǎn),合理實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的分層分布式建模計算,完善市場出清機(jī)制,使得不同區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部的分析決策與全局電網(wǎng)的優(yōu)化目標(biāo)協(xié)調(diào)一致,實(shí)現(xiàn)電能在更大范圍內(nèi)的高效配置［29］。

2 跨區(qū)跨省電力交易分類

在時間尺度方面,跨區(qū)跨省電力交易可以分為中長期交易和現(xiàn)貨交易,如圖2 所示,兩者在時序上銜接協(xié)調(diào)、互為補(bǔ)充。在現(xiàn)貨市場中,通常根據(jù)電力供需狀況、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力、網(wǎng)絡(luò)阻塞情況將中長期電量分解后進(jìn)行財務(wù)交割或物理執(zhí)行。

圖2 多時間尺度跨區(qū)跨省電力交易Fig.2 Inter-regional and inter-provincial power trading with multi-time scales

1）中長期交易

以《南方區(qū)域跨區(qū)跨省電力中長期交易規(guī)則（暫行）》為例,廣州電力交易中心、南方電網(wǎng)調(diào)度中心等在東西部市場主體中根據(jù)交易各方簽訂的跨?。▍^(qū)）年度交易合同確定協(xié)議計劃,依次組織發(fā)電合同轉(zhuǎn)讓、直接交易、富余電能增量掛牌。當(dāng)出現(xiàn)阻塞情況時,需要對跨區(qū)跨省計劃進(jìn)行調(diào)整,其次序與交易組織次序相反。發(fā)電合同轉(zhuǎn)讓、直接交易、增量外送的基本流程包括:發(fā)布交易通知、交易申報、交易撮合/出清、形成成交價格、編制有約束交易計劃等,表1給出了跨區(qū)跨省中長期交易采用的組織方式。

表1 跨區(qū)跨省中長期電力交易組織形式Table 1 Organization form of inter-regional and inter-provincial medium- and long-term power trading

2）現(xiàn)貨交易

電力現(xiàn)貨交易時間范圍包括日前、日內(nèi)、實(shí)時,一般采用集中出清的方式。日前市場是現(xiàn)貨市場的主要交易平臺,其交易規(guī)模較大。日內(nèi)市場旨在為成員提供發(fā)電計劃的微調(diào),交易規(guī)?？傮w較小。實(shí)時市場出清結(jié)果非常接近于系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行情況,可以給出近似實(shí)時價格信號,反映資源稀缺程度。

在中國省間現(xiàn)貨市場運(yùn)行過程中,每個省份設(shè)定一個或者多個交易節(jié)點(diǎn),每筆交易的買賣雙方在報價的同時需要指定交易路徑。每成交一筆交易,須在其申報的交易路徑中扣除相應(yīng)容量。省間電力現(xiàn)貨交易出清后,在物理層需要開展安全校核,若安全校核未通過,則按照靈敏度由高到低的順序取消相關(guān)省間電力現(xiàn)貨交易,消除設(shè)備越限,而出清邊際電價不變。

3 跨區(qū)跨省交易出清模型

跨區(qū)跨省交易出清需要對多區(qū)域聯(lián)合最優(yōu)潮流模型進(jìn)行求解,以確定發(fā)電機(jī)出力和聯(lián)絡(luò)線功率,在滿足相關(guān)約束條件的前提下,最小化目標(biāo)函數(shù)值（一般為發(fā)電機(jī)成本）。目前,國內(nèi)省間現(xiàn)貨市場剛剛起步,初步采用雙向報價、集中撮合、邊際出清的方式進(jìn)行組織,可借鑒國外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展完善。國外常見的跨區(qū)交易出清機(jī)制主要包括聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度（joint economic dispatch,JED）、聯(lián) 絡(luò) 優(yōu) 化（tie optimization,TO）、CTS、廣 義 協(xié) 調(diào) 交 易 調(diào) 度（generalized CTS,GCTS）、ATC 模型、Flow-based模型［30-32］等。

3.1 CTS

在傳統(tǒng)跨區(qū)交易中,每個ISO 獨(dú)立組織交易,市場參與者在2 個區(qū)域內(nèi)獨(dú)立報價出清,分別作為用電和發(fā)電的角色,可能存在一端得到出清而另外一端未能出清的問題。因此,CTS 機(jī)制中設(shè)定某一協(xié)調(diào)者收集市場參與者投標(biāo)（含投標(biāo)量和期望價差）,從而在多區(qū)域間完成協(xié)調(diào)出清。外部市場參與者在各個代理節(jié)點(diǎn)上提交從一個地區(qū)到另一個地區(qū)進(jìn)口/出口的投標(biāo),這種套利機(jī)會可吸引更多的參與者,從而擴(kuò)大跨區(qū)交易的規(guī)模,其交易架構(gòu)如圖3所示。

圖3 跨區(qū)電力交易的CTS 架構(gòu)Fig.3 CTS architecture of inter-regional power trading

CTS 機(jī)制的市場出清過程如下:

1）在跨區(qū)交易量為0 的條件下,計算每個區(qū)域代理節(jié)點(diǎn)的LMP,跨區(qū)潮流由代理節(jié)點(diǎn)LMP 低的區(qū)域指向代理節(jié)點(diǎn)LMP 高的區(qū)域。

2）各區(qū)域ISO 計算出隨跨區(qū)出清量變化的供給/需求曲線。

3）協(xié)調(diào)層收集供需曲線以及外部投標(biāo)者的報價,將原始需求曲線減去外部投標(biāo)曲線,得到修正后的需求曲線,如圖4 和圖5 所示。

圖4 無阻塞時跨區(qū)電力交易的CTS 機(jī)制Fig.4 CTS mechanism of inter-regional power trading without congestion

圖5 聯(lián)絡(luò)線阻塞時跨區(qū)電力交易的CTS 機(jī)制Fig.5 CTS mechanism of inter-regional power trading with tie-line congestion

4）在不超過聯(lián)絡(luò)線容量的情況下,將跨區(qū)成交量設(shè)置在修正后的需求曲線和供給曲線的交點(diǎn)處（見圖4）；否則,成交量為其聯(lián)絡(luò)線容量上限（見圖5）。

CTS 機(jī)制通過引入大量外部投標(biāo)者的參與推動了跨區(qū)交易,但在區(qū)域間存在多條聯(lián)絡(luò)線的情況下,代理節(jié)點(diǎn)選取位置的不合理會造成模型求解的偏差,無法得到與JED 相同的全局最優(yōu)解。這種跨區(qū)域交易中出現(xiàn)的交易結(jié)果與物理調(diào)度的偏差被定義為“環(huán)流效應(yīng)”,會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［33-34］。

3.2 GCTS

為解決因代理節(jié)點(diǎn)的選取造成的求解偏差問題,GCTS 機(jī)制得到了研究與發(fā)展。在GCTS 中,外部投標(biāo)者可以在所有的邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行買入/賣出,保證了充分的競爭性。外部投標(biāo)包括買入/賣出方向和節(jié)點(diǎn)、投標(biāo)者對價差的預(yù)期、投標(biāo)容量上限［35］。對于不同區(qū)域電力系統(tǒng)的公共邊界系統(tǒng),日前市場在GCTS 機(jī)制下確定次日斷面?zhèn)鬏數(shù)墓β视媱?固定邊界條件。在實(shí)時市場中,每個ISO 將按此邊界條件（一般為邊界節(jié)點(diǎn)電壓相角值或等效注入功率值）完成系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的求解,以滿足其在跨區(qū)電力傳輸交換約束下的需求。與JED 模型相比,GCTS 出清模型的目標(biāo)函數(shù)中增加了外部投標(biāo)成本項(xiàng),且添加了邊界出清等式約束。在CTS 的基礎(chǔ)上,GCTS 機(jī)制解決了代理節(jié)點(diǎn)選取不合理帶來的偏差問題,保證了求解結(jié)果的最優(yōu)性,妥善解決了因環(huán)流效應(yīng)造成的經(jīng)濟(jì)性影響。

3.3 ATC 模型

在ATC 模型中,不考慮具體線路的安全約束,每個區(qū)域由一個等效的交易節(jié)點(diǎn)代替。協(xié)調(diào)層只考慮跨區(qū)傳輸總量約束,對聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行容量分配或競拍［36］。歐洲跨區(qū)交易的線路容量約束可表示為:

3.4 Flow-based 模型

目前,在歐洲電力市場中,Flow-based 模型也廣泛應(yīng)用于跨區(qū)交易。該模型考慮電網(wǎng)約束,與ATC模型相比,可以更加準(zhǔn)確地對物理潮流進(jìn)行建模［38］。在Flow-based 模型中,為保證電網(wǎng)的物理安全性,通常設(shè)定剩余可用裕度,各區(qū)域發(fā)電/負(fù)荷對聯(lián)絡(luò)線的影響使用潮流分布因子進(jìn)行刻畫:

與ATC 模型相比,Flow-based 模型可以提高區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線的利用率,增加社會福利,但其模型的分析計算相對復(fù)雜,對日前市場的價格預(yù)測提出了要求。與北美基于節(jié)點(diǎn)的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型相比,歐洲跨區(qū)交易采用的ATC 和Flow-based 模型對電網(wǎng)模型做了簡化,進(jìn)一步帶來了出清結(jié)果與實(shí)際潮流結(jié)果之間的偏差。因此,通常采用再調(diào)度的方法來緩解線路阻塞,這種方式引入了額外的運(yùn)行成本［40］。

4 模型求解算法

求解跨區(qū)跨省交易的最優(yōu)潮流模型需要電力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)（如輸電線路的阻抗與容量、發(fā)電機(jī)生產(chǎn)成本系數(shù)、負(fù)荷值等）,考慮到各區(qū)域系統(tǒng)參數(shù)可能為私有信息,這就使得傳統(tǒng)集中式求解最優(yōu)潮流的方法存在隱私泄漏的風(fēng)險。因此,需要進(jìn)一步考慮如何在保護(hù)安全隱私的前提下進(jìn)行模型求解。

在模型建立方面,一般形式的最優(yōu)潮流模型具有非凸性,為NP 難問題［41］。傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法（如牛頓法、內(nèi)點(diǎn)法、序列二次規(guī)劃法等）可以得到局部最優(yōu)解,但無法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu),并且難以保證算法的收斂性［42-43］。目前,通常采用松弛的方法對非凸模型進(jìn)行處理,常見方法包括線性松弛、二階錐松弛、半定松弛［44-45］。使用二階錐松弛和半定松弛求解雖然具有相對較高的精度,但增加了算法的迭代次數(shù),過程中可能出現(xiàn)無法找到可行解的問題［46］。在線性松弛方法中,常見的直流最優(yōu)潮流模型在網(wǎng)損、電壓、無功功率等方面進(jìn)行了合理假設(shè)。雖然犧牲了模型的準(zhǔn)確性,帶來了計算誤差,但因其強(qiáng)魯棒性和計算速度快的優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用,并可以根據(jù)應(yīng)用場景和精度要求對模型進(jìn)行修正與擴(kuò)展［47-49］。

在模型求解方面,除了采用并行計算提高效率之外,也要充分考慮不同區(qū)域系統(tǒng)的隱私保護(hù)需求來設(shè)計算法框架,實(shí)現(xiàn)子區(qū)域和全局的協(xié)調(diào)優(yōu)化統(tǒng)一［50］。實(shí)際中通?；诜羌惺降耐ㄐ偶軜?gòu)和電力系統(tǒng)的分級分層結(jié)構(gòu)開展調(diào)度,大型電力網(wǎng)絡(luò)潮流依靠“分解-協(xié)調(diào)”的思路進(jìn)行計算,從而提高計算效率［51］。根據(jù)協(xié)調(diào)變量的不同,網(wǎng)絡(luò)分塊計算可以分為支路切割法和節(jié)點(diǎn)撕裂法,如圖6 所示,兩者分別以切割線電流iL和分裂點(diǎn)電壓VT1、VT2為協(xié)調(diào)變量進(jìn)行計算。與集中式架構(gòu)相比,“分解-協(xié)調(diào)”的架構(gòu)利用網(wǎng)絡(luò)等值的方式通信交互關(guān)鍵信息,在保護(hù)隱私的前提下減輕了協(xié)調(diào)層的計算壓力和上下層之間的通信壓力。

圖6 多區(qū)域電力系統(tǒng)解耦過程Fig.6 Decoupling process of multi-area power systems

在具體算法方面,國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。與傳統(tǒng)集中式求解算法相比,分布式算法因其通信規(guī)模小、響應(yīng)速度快、隱私保護(hù)性高等優(yōu)勢逐漸在多區(qū)域電力系統(tǒng)中得到關(guān)注。文獻(xiàn)［52］考慮公共的等值邊界網(wǎng)絡(luò),采用線性化的增廣拉格朗日方法松弛耦合約束,提高了算法的收斂性。文獻(xiàn)［53］提出了一種基于邊際發(fā)電量和線路容量約束信息交換的邊際等價分解求解算法。文獻(xiàn)［54］基于多參數(shù)規(guī)劃算法,解決了確定性情況下基于聯(lián)絡(luò)線潮流的多區(qū)域經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,并提出了一種結(jié)合混合整數(shù)線性規(guī)劃來解決計及不確定性的求解算法。文獻(xiàn)［55］基于CTS 機(jī)制,將全局系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題分解為多個區(qū)域子問題進(jìn)行分層優(yōu)化,此過程將跨區(qū)交易量作為協(xié)調(diào)變量,在對跨區(qū)交易進(jìn)行顯式建模的同時,也分析了跨區(qū)交易中代理節(jié)點(diǎn)的選取帶來的影響。針對北美電力市場的跨區(qū)交易機(jī)制,電力系統(tǒng)工程研究中心發(fā)布了多區(qū)域電力市場耦合相關(guān)研究的最終報告,提出了基于原始分解和邊界等值網(wǎng)絡(luò)的多區(qū)域經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法,將隨機(jī)優(yōu)化算法應(yīng)用于求解聯(lián)絡(luò)線潮流調(diào)度和經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,以解決新能源發(fā)電和用戶需求的不確定性問題［56-57］。

5 價格機(jī)制

對于跨區(qū)跨省電力交易價格機(jī)制,下面分別從中長期交易價格、現(xiàn)貨交易價格、跨區(qū)跨省輸電價格方面進(jìn)行綜述。

5.1 中長期交易價格

中長期跨區(qū)跨省市場化交易成交價格的形成主要通過雙邊協(xié)商、集中競價、雙向掛牌這3 種方式實(shí)現(xiàn)。

1）雙邊協(xié)商:電力交易供需雙方本著自愿互利原則,在電力市場中通過協(xié)商達(dá)成雙邊合同,雙邊協(xié)商交易價格按照合同約定執(zhí)行,相關(guān)構(gòu)成要素包括交易電量、發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)［58-59］。

2）集中競價:采用統(tǒng)一邊際電價（uniform marginal price,UMP）出清,根據(jù)購電方申報曲線與售電方申報曲線的交叉點(diǎn)價格或者根據(jù)最后一個交易匹配對價格來確定成交價格。

3）雙向掛牌:采用匿名機(jī)制,購售電主體自主掛牌交易,交易系統(tǒng)根據(jù)價格匹配情況實(shí)時自動撮合。對于實(shí)時建立的購電掛牌和售電掛牌2 個隊列,按照價格優(yōu)先、時間優(yōu)先的原則進(jìn)行撮合成交,根據(jù)各交易匹配對的申報價格形成成交價格。

5.2 現(xiàn)貨交易價格

在跨區(qū)跨省現(xiàn)貨交易定價方面,美國、北歐電力市場分別基于LMP 和分區(qū)邊際電價（zonal marginal price,ZMP）進(jìn)行結(jié)算,中國省間現(xiàn)貨交易采用UMP 進(jìn)行結(jié)算。

1）北美各區(qū)域電力市場普遍采用LMP 進(jìn)行結(jié)算,LMP 定義為某節(jié)點(diǎn)新增單位負(fù)荷后系統(tǒng)發(fā)電成本的增加值［60］。在LMP 機(jī)制中,各ISO/RTO 完成結(jié)算后產(chǎn)生的阻塞盈余用以支付金融輸電權(quán)持有者的收益,從而使得市場參與者可以規(guī)避因線路阻塞帶來的風(fēng)險［61-63］。北美CTS 機(jī)制中,區(qū)域間投標(biāo)者基于ISO 對代理節(jié)點(diǎn)LMP 的預(yù)測值進(jìn)行投標(biāo),并按照實(shí)時市場中代理節(jié)點(diǎn)的LMP 進(jìn)行結(jié)算。ISO 通過提高交易頻率和減免交易費(fèi)用的方式提高投標(biāo)者參與的積極性,從而擴(kuò)大跨區(qū)交易的市場規(guī)模。在結(jié)算過程中,文獻(xiàn)［64］進(jìn)一步考慮了環(huán)流效應(yīng)對多區(qū)域電力系統(tǒng)的影響,通過分布式方法計算得到LMP,保護(hù)各區(qū)域的私有信息,并最終將阻塞盈余在全網(wǎng)范圍內(nèi)合理分?jǐn)?。在跨區(qū)跨省交易中,基于LMP 進(jìn)行結(jié)算也存在以下問題:（1）負(fù)荷和新能源發(fā)電的不確定性會使得LMP 波動較大,難以給出明確的價格信號；（2）CTS 機(jī)制中對代理節(jié)點(diǎn)實(shí)時市場中的價格預(yù)測不夠準(zhǔn)確,這會引導(dǎo)投標(biāo)者產(chǎn)生不合理的投標(biāo)行為,造成由電價高區(qū)域流向電價低區(qū)域的反向交易潮流,降低了社會福利；（3）現(xiàn)實(shí)中往往難以實(shí)現(xiàn)市場的完全競爭,市場成員可能存在虛報高價、操縱出清價格的行為,降低了市場效率［65-66］。

2）歐洲跨國電力市場經(jīng)歷了先到先得、顯式拍賣、隱式拍賣3 個主要階段,分別對應(yīng)固定價格表、UMP、ZMP 這3 種定價機(jī)制［67］。目前,歐洲不同國家和地區(qū)的區(qū)域運(yùn)營商根據(jù)阻塞情況進(jìn)行靈活劃區(qū),在特定分區(qū)內(nèi)實(shí)行統(tǒng)一價格［68］。歐洲開展了區(qū)域價格耦合項(xiàng)目,開發(fā)了單一價格耦合算法,在求解ATC 模型和Flow-based 模型的過程中直接獲得隱式拍賣價格,提高了潮流計算和價格制定過程的透明度［69］。ZMP 的定價過程主要計及了區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線容量約束,忽略部分區(qū)域內(nèi)線路容量的約束。與LMP 相比,該定價方法簡化了物理模型,計算顆粒度較大,適用于區(qū)域內(nèi)線路容量相對充足的電力系統(tǒng)。

3）中國省內(nèi)、省間現(xiàn)貨市場的集中競價環(huán)節(jié)大多采用UMP 機(jī)制。買賣雙方按照高低匹配的方式,采用邊際價格結(jié)算賣方價格,如圖7 所示。值得注意的是,UMP 計算模型忽略線路容量約束,電力網(wǎng)絡(luò)可看作聚合為單一節(jié)點(diǎn),無法充分反映線路阻塞狀況,可能使得交易潮流和物理潮流的差異較大,在線路容量不足的情況下會使得發(fā)電計劃無法執(zhí)行［70］。

圖7 UMP 機(jī)制Fig.7 UMP mechanism

5.3 跨省跨區(qū)輸電價格

在輸電價格制定方面,需要考慮計價形式、核價方式、定價理論和方法等關(guān)鍵問題［71］。在計價形式方面,目前主要有單一制電量電價、單一制容量電價、兩部制電價等多種定價方法。在核價方式方面,需要根據(jù)“誰使用、誰承擔(dān)”的原則,將輸電成本在多主體間進(jìn)行分?jǐn)?。在定價理論和方法方面,通常分為基于會計成本的定價方法和基于邊際成本的定價方法［72］?，F(xiàn)有的成本分?jǐn)偡椒ㄖ饕ㄠ]票法、合同路徑法、邊界潮流法、兆瓦-公里法、模數(shù)法、零反向潮流法、潮流追蹤法、分布因子法、階梯分配法、邊際系數(shù)法,通常需要因地制宜采用合理的定價方法,反映時空價格信號［73］。

美國PJM 市場根據(jù)峰荷責(zé)任法將輸電成本分?jǐn)傊帘緟^(qū)域或其他區(qū)域的用戶側(cè)。輸配電價由各大電力公司自行確定,監(jiān)管部門按照投資回報率的方法進(jìn)行監(jiān)管。通過峰荷/日化區(qū)域比例系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)綜合傳輸服務(wù)率、計費(fèi)天數(shù)的乘積得到輸電費(fèi)用［74］。除美國PJM 市場外,英國電力市場采取單一制容量價格,通過峰荷責(zé)任法分?jǐn)傒旊姵杀?容量一次性計算后按月收繳；其他歐洲各國的輸電價格普遍實(shí)行兩部制電價,容量價格基于峰荷責(zé)任法分?jǐn)傒旊姵杀?以保證電網(wǎng)企業(yè)獲得準(zhǔn)許收入,電量價格只用于回收網(wǎng)損成本［75］。

中國目前已經(jīng)建立了覆蓋跨區(qū)跨省輸電工程、區(qū)域電網(wǎng)、省級電網(wǎng)、地方電網(wǎng)、增量配電網(wǎng)的全環(huán)節(jié)輸配電價格監(jiān)管制度框架［76］?？鐓^(qū)跨省輸電定價形式可以分為容量電費(fèi)和電量電費(fèi)2 種類型:以聯(lián)網(wǎng)功能為主的專項(xiàng)工程按單一容量電價核定,由聯(lián)網(wǎng)雙方共同承擔(dān)；以輸電功能為主的專項(xiàng)工程按單一電量電價核定。2021 年發(fā)布的《跨省跨區(qū)專項(xiàng)工程輸電價格定價辦法》進(jìn)一步規(guī)定,對輸電價格均采用單一電量電價進(jìn)行核定,并在計算方法、計算參數(shù)等方面進(jìn)行了修訂、完善［77］。

6 關(guān)鍵問題及研究展望

跨區(qū)跨省電力交易機(jī)制在國外已經(jīng)得到較長時間的發(fā)展,雖然在交易流程、出清機(jī)制、模型求解、價格機(jī)制等方面已有較多應(yīng)用,但仍存在市場操縱、隱私保護(hù)、環(huán)流引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失等問題。近年來,中國跨區(qū)跨省交易規(guī)模不斷擴(kuò)大,省間中長期市場和現(xiàn)貨市場不斷建設(shè)完善。下面將對國內(nèi)外跨區(qū)跨省電力交易的關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié),并對后續(xù)研究方向進(jìn)行展望。

6.1 關(guān)鍵問題

1）跨區(qū)跨省電力交易的市場主體、交易范圍、交易品種較為局限,出清交易流程需要進(jìn)一步優(yōu)化。

首先,在市場出清方面,目前中國跨區(qū)跨省交易仍然是以中長期計劃合約為主,省間現(xiàn)貨市場規(guī)模相對較小?？鐓^(qū)跨省電力市場大多采取“網(wǎng)對網(wǎng)”的掛牌交易方式,售電公司和電力用戶參與度較少,市場競爭活力較低。其次,省間現(xiàn)貨市場交易以富余新能源為主,主要面向新能源企業(yè)開放,目前這部分資源配置范圍仍有拓展空間。此外,隨著新能源發(fā)電占比的不斷提高,系統(tǒng)的隨機(jī)性和波動性將進(jìn)一步加劇,可能出現(xiàn)在某一時段新能源發(fā)電資源稟賦較高的區(qū)域因極端天氣需要在省間現(xiàn)貨市場進(jìn)行購電的情況,這就對省間現(xiàn)貨市場的交易頻次、購售電角色轉(zhuǎn)變的靈活性提出了更高要求,需要實(shí)現(xiàn)靈活快速的跨區(qū)跨省交易。最后,目前跨區(qū)跨省電力交易仍然以電能量交易為主,在調(diào)峰、備用、輸電權(quán)交易等方面的實(shí)踐應(yīng)用仍然較少,而考慮到新能源為主體的電力系統(tǒng)中電能量邊際價格趨于零的情況,不同區(qū)域間的余缺互濟(jì)效益可能主要體現(xiàn)在調(diào)峰、備用等方面,因此后續(xù)可能需要將其納入考慮。

2）在保證出清效率的前提下,需要提升跨區(qū)跨省交易出清模型的適應(yīng)性和擴(kuò)展性,考慮更加準(zhǔn)確的電網(wǎng)運(yùn)行約束和多市場主體隱私保護(hù)的需求。

在模型求解方面,國外跨區(qū)交易中各市場主體的隱私保護(hù)需求愈加迫切,各區(qū)域運(yùn)營商希望在保護(hù)本區(qū)域私有信息的前提下完成跨區(qū)交易,此問題需要在市場出清中被妥善考慮。中國跨區(qū)跨省交易采用基于交易路徑的投標(biāo)方法,在市場成員規(guī)模較大的情況下,這種方式將會使得交易對匹配數(shù)量呈指數(shù)增長,降低了出清效率。為解決這些問題,分布式算法已經(jīng)得到初步研究和應(yīng)用,雖然在通信實(shí)時性、隱私保護(hù)等方面存在優(yōu)勢,但在算法的收斂性、魯棒性等方面仍然存在問題,需要進(jìn)一步完善。

3）在跨區(qū)跨省交易過程中,交易潮流與實(shí)際物理潮流之間可能存在偏差,將會造成電網(wǎng)阻塞和額外經(jīng)濟(jì)損失,給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。

國外采用CTS 等跨區(qū)跨省交易機(jī)制,外部投標(biāo)者在每個區(qū)域的代理節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行報量報價并完成出清。中國通常以省為單位設(shè)立一個或多個交易節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電力交易。在實(shí)際應(yīng)用時,代理節(jié)點(diǎn)或交易節(jié)點(diǎn)的不合理選取可能會造成交易潮流對物理潮流的較大偏離,多區(qū)域系統(tǒng)中對出清模型的簡化也會使得交易結(jié)果不滿足實(shí)時物理調(diào)度的要求,從而造成線路阻塞或者安全校核不通過,增加了電力系統(tǒng)的再調(diào)度成本。因此,在交易出清環(huán)節(jié),應(yīng)考慮適當(dāng)提高建模精細(xì)度,并在結(jié)算環(huán)節(jié)對出現(xiàn)的偏差進(jìn)行合理定價,分?jǐn)傁嚓P(guān)費(fèi)用。

4）中長期市場與現(xiàn)貨市場之間、省間與省內(nèi)市場之間的銜接運(yùn)作有待加強(qiáng),市場管理機(jī)制需要進(jìn)一步完善。

在時間尺度方面,中國跨區(qū)跨省交易對中長期合同中如何進(jìn)行曲線分解和完全執(zhí)行的處理等問題仍未能很好地解決。隨著新能源出力的不斷增加,系統(tǒng)的隨機(jī)性和波動性將日益加劇,進(jìn)一步加大了系統(tǒng)實(shí)時平衡的難度。在這一過程中,可以通過跨時間尺度多級市場滾動出清的方式降低系統(tǒng)隨機(jī)性帶來的影響,使得出清結(jié)果更加接近于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。在空間尺度方面,省間-省內(nèi)市場銜接中,各子區(qū)域電網(wǎng)通常將上級運(yùn)營機(jī)構(gòu)的出清結(jié)果作為邊界,而省間出清結(jié)果又依賴于區(qū)域內(nèi)交易的預(yù)出清過程,上下級之間存在耦合。目前,各省市場的模式和規(guī)則存在較大差異,省間交易和省內(nèi)交易的協(xié)同運(yùn)作在交易時間、流程次序等方面存在挑戰(zhàn)。在市場管理方面,在國外采用的LMP 機(jī)制的應(yīng)用過程中,存在發(fā)電商哄抬、操縱電價的問題,加劇了實(shí)時電價的波動。

5）跨區(qū)交易中,節(jié)點(diǎn)電價機(jī)制下的阻塞盈余分配機(jī)制尚不明確,跨區(qū)線路投資建設(shè)方面的公共成本回收機(jī)制也需要進(jìn)一步完善。

在定價結(jié)算方面,跨區(qū)交易中線路阻塞可能導(dǎo)致長時間、經(jīng)常性的分區(qū)價差,使得市場運(yùn)行效率下降,社會福利減少。在LMP 機(jī)制的應(yīng)用過程中,由于未充分計及環(huán)流效應(yīng),存在阻塞盈余分?jǐn)偛缓侠硪约案鲄^(qū)域金融輸電權(quán)的結(jié)算虧空等問題。在CTS 機(jī)制中,紐約ISO 和新英格蘭ISO 通常采用平攤區(qū)域間阻塞盈余的方法?？紤]到聯(lián)絡(luò)線阻塞可能同時由區(qū)域內(nèi)交易和跨區(qū)交易造成,因此平攤阻塞盈余的方法可能不符合“激勵相容”原則,所以可以考慮根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移分布因子的數(shù)值進(jìn)行更加精細(xì)化的分?jǐn)?。類似?由于多區(qū)域電力系統(tǒng)之間存在物理耦合,公共建設(shè)成本不應(yīng)該僅僅基于地理位置進(jìn)行回收,可以考慮根據(jù)各個區(qū)域典型場景集的貢獻(xiàn)值、潮流靈敏度等因素在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行科學(xué)合理分?jǐn)?。目?中國省間現(xiàn)貨市場中基于交易路徑的出清方式雖然能夠在一定程度上促進(jìn)通道資源的優(yōu)化利用,但因?yàn)閷?shí)際送電量和送電路徑可能與簽約路徑不符,需要在安全校核、線損和輸電成本分?jǐn)傊羞M(jìn)一步妥善考慮。

6.2 研究展望

1）市場出清與管理

首先,跨區(qū)跨省電力交易的現(xiàn)貨市場出清需要建立聯(lián)合出清模型,可以采用網(wǎng)絡(luò)等值技術(shù)研究跨區(qū)容量建模方法和價區(qū)劃分原則,在實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)域內(nèi)隱私的同時,減少計算規(guī)模和矩陣維數(shù),提高計算效率。其次,需要推動建設(shè)跨區(qū)跨省交易平臺,建立標(biāo)準(zhǔn)化合約,采用統(tǒng)一信息發(fā)布格式,保持一致性和規(guī)范性。對電網(wǎng)物理約束信息、安全校核信息等分類分等級進(jìn)行科學(xué)規(guī)范披露,簡化出清流程,提高用戶申報和系統(tǒng)出清效率。此外,需要在保證出清效率的前提下適當(dāng)提高交易頻次,進(jìn)一步應(yīng)對因新能源發(fā)電占比不斷提升帶來的系統(tǒng)隨機(jī)性和波動性的增加,加強(qiáng)不同區(qū)域間的互聯(lián)互濟(jì)。

2）出清模型建立與求解

在跨區(qū)跨省電力交易中,為應(yīng)對交易潮流與物理潮流之間的偏差造成的影響,需要在交易過程中建立跨區(qū)跨省出清的精細(xì)化模型,同時計及跨區(qū)跨省聯(lián)絡(luò)線和區(qū)域內(nèi)（省內(nèi)）關(guān)鍵線路集的容量約束,通過潮流轉(zhuǎn)移分布因子矩陣分析相關(guān)交易對關(guān)鍵線路潮流造成的影響。需要注意的是,雖然建立高準(zhǔn)確性和高拓展性的跨區(qū)跨省交易模型可以有效推動物理潮流和交易潮流的統(tǒng)一,但卻會增加模型的復(fù)雜度,影響模型求解速度和市場出清效率。為進(jìn)一步提高大規(guī)模電力系統(tǒng)的計算速度,實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時優(yōu)化控制,考慮到用戶隱私保護(hù)的需求,除了采用“分解-協(xié)調(diào)”架構(gòu)提高計算效率以外,還需要在算法設(shè)計層面保證信息安全?？梢钥紤]加強(qiáng)分布式算法的研究與應(yīng)用,確定合理的區(qū)域間共享通信信息集,采用邊界相角或者聯(lián)絡(luò)線潮流為協(xié)調(diào)變量進(jìn)行迭代計算,妥善解決計算效率和最優(yōu)性的問題。

3）多級市場間協(xié)調(diào)運(yùn)作

在時間尺度方面,高比例新能源的接入將加劇系統(tǒng)的隨機(jī)性和波動性,需要減小市場出清的時間顆粒度,在多時間尺度上進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作、滾動優(yōu)化。中長期市場（年度/季度/月度）、日前市場、日內(nèi)市場、實(shí)時市場需要進(jìn)行協(xié)同設(shè)計,建立完善高效的中長期合同（包括政府簽訂的基數(shù)電量合同和市場協(xié)商合約、集中競價合約）轉(zhuǎn)讓和交易機(jī)制,通過差價合約等中長期合同形式和現(xiàn)貨市場的互補(bǔ)協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和社會福利的增加。

在省間-省內(nèi)市場協(xié)同運(yùn)作方面,初期可采用省間-省內(nèi)“兩級運(yùn)作、混合銜接”的方式,完善市場準(zhǔn)入機(jī)制,對不同區(qū)域的交易流程、品種、信息申報方式進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范,省間市場以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),省內(nèi)市場則以功率平衡為目標(biāo),優(yōu)化資源配置。在市場兩級運(yùn)作的基礎(chǔ)上,未來將逐漸過渡到省間和省內(nèi)統(tǒng)一報價,最終實(shí)現(xiàn)量價耦合、統(tǒng)一運(yùn)作出清及經(jīng)濟(jì)性與安全性的統(tǒng)一。

4）價格結(jié)算機(jī)制

多區(qū)域電力市場結(jié)算中,需要妥善考慮環(huán)流問題,在保證隱私性的前提下,使得阻塞盈余和線路擴(kuò)容、擴(kuò)建等投資成本在全網(wǎng)范圍內(nèi)合理分?jǐn)?。在?jié)點(diǎn)電價機(jī)制下,線路阻塞造成的全網(wǎng)阻塞盈余可以根據(jù)各區(qū)域或者外部投標(biāo)者對線路阻塞的潮流貢獻(xiàn)值進(jìn)行分?jǐn)?該貢獻(xiàn)值可以通過潮流轉(zhuǎn)移分布因子進(jìn)行量化,并使用線路容量約束的影子價格進(jìn)行定價。在跨區(qū)跨省輸電價格方面,可以考慮系統(tǒng)運(yùn)行的典型場景集將公共成本進(jìn)行合理分?jǐn)?充分考慮環(huán)流效應(yīng)帶來的多區(qū)域電力系統(tǒng)間的耦合特性。在結(jié)算過程中,由于市場中多主體對信息安全、用戶隱私的要求,可以構(gòu)建去中心化的交易管理方案,應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行弱中心化的電力交易管理,利用智能合約的形式進(jìn)行交易信息的記錄和資金的自動轉(zhuǎn)移［78］。

7 結(jié)語

在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下,發(fā)展完善跨區(qū)跨省電力交易機(jī)制有利于實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置,助推綠色低碳發(fā)展進(jìn)程。國外在跨區(qū)跨省電力交易出清機(jī)制、模型求解算法、價格機(jī)制等方面已經(jīng)開展了廣泛的研究。近年來,中國也不斷發(fā)展跨區(qū)跨省交易機(jī)制,完善省間-省內(nèi)市場運(yùn)作模式,推動建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系。

跨區(qū)跨省交易通常基于區(qū)域電力市場組織,實(shí)施過程中需要充分考慮物理層調(diào)度架構(gòu)。在時間尺度方面,跨區(qū)跨省交易可以分為中長期交易和現(xiàn)貨交易。在出清機(jī)制方面,目前美國實(shí)施的CTS 機(jī)制、歐洲采用的ATC 和Flow-based 模型均有效推動了跨區(qū)交易和不同區(qū)域間的互聯(lián)互濟(jì),但也存在代理節(jié)點(diǎn)選取不合理、模型顆粒度大等問題,需要進(jìn)一步研究。在模型求解方面,目前分布式算法得到了研究和關(guān)注,可以適時推動其在求解多區(qū)域電力市場出清模型中的應(yīng)用,提高算法求解的實(shí)時性和安全性?？鐓^(qū)跨省交易中,需要給出合理的中長期交易價格、現(xiàn)貨交易價格、跨區(qū)跨省輸電價格,充分反映電力資源的稀缺程度,根據(jù)“誰受益、誰承擔(dān)”的原則,實(shí)施阻塞盈余的分?jǐn)偤凸渤杀镜幕厥?。目?跨區(qū)跨省交易在市場出清管理、模型求解、多級市場間協(xié)調(diào)運(yùn)作、價格結(jié)算機(jī)制等方面仍存在需要進(jìn)一步完善的問題,本文對此進(jìn)行了分析和展望,以期為中國跨區(qū)跨省電力交易的高效開展提供參考。