電力市場實驗?zāi)芰ㄔO(shè)面臨的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)

楊爭林，曾 丹，馮樹海，鄭亞先，馮 凱，邵 平

（1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司（南京）,江蘇省南京市 210003；2. 電力市場運營技術(shù)實驗室,江蘇省南京市 210003）

0 引言

電力市場運營與電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電等環(huán)節(jié)密切相關(guān),并且與調(diào)度運行密不可分,對電網(wǎng)運營的經(jīng)濟(jì)性與安全性起到重要作用。不同的市場模式設(shè)計對于市場運營的效率和市場中不同利益主體的效益［1］有決定性的影響,往往決定市場設(shè)計的成敗。因此,電力市場運營的設(shè)計者在開展市場模式設(shè)計時,希望通過具備一定通用性的電力市場全景實驗平臺來量化分析、評估市場設(shè)計的預(yù)期運營效果［2］。

從現(xiàn)實背景來看,國內(nèi)外市場處于持續(xù)發(fā)展中。國外電力市場已初步建立了周期完整、品種齊全的電力市場運營體系,覆蓋了年度、季度、月度、日前和實時等不同時間尺度,涵蓋了電能、輔助服務(wù)、容量、輸電權(quán)等一系列市場品種聯(lián)合運營的市場模式［3］。隨著《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見（中發(fā)〔2015〕9 號文）》［4］及配套文件的相繼發(fā)布,明確了“緊緊圍繞使市場在資源配置中起決定性作用深化經(jīng)濟(jì)體制改革”,中國的電力體制改革正一步步深入推進(jìn)。與此同時,中國電網(wǎng)運行形態(tài)也發(fā)生了深刻的變化,電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電等環(huán)節(jié)均面臨與競爭性市場協(xié)調(diào)耦合運行的挑戰(zhàn)［5］。電網(wǎng)安全風(fēng)險、電力經(jīng)濟(jì)風(fēng)險、市場中不同利益主體的效益風(fēng)險劇增,市場模式與規(guī)則設(shè)計面臨的試錯成本風(fēng)險巨大。

隨著中國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的確定,在交直流混聯(lián)的特高壓骨干網(wǎng)架以及強(qiáng)不確定性、隨機(jī)性、波動性的新能源高比例接入等電網(wǎng)運行新形態(tài)下,一方面,需要高度關(guān)注高比例新能源電力系統(tǒng)的電力平衡問題,充分發(fā)揮多元化清潔能源、需求側(cè)資源和傳統(tǒng)能源作用［6］,全方位保障電力平衡；另一方面,需要充分考慮新能源為主體、需求側(cè)參與、靈活調(diào)節(jié)電源等特點,加快推進(jìn)適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的電力市場建設(shè),完善新能源電力市場交易機(jī)制［7］,統(tǒng)籌解決新能源消納問題。電力市場運營面臨的電網(wǎng)安全風(fēng)險、市場價格風(fēng)險函須在電網(wǎng)、市場、社會耦合互動的電力市場全景實驗平臺上進(jìn)行分析評估。

科學(xué)、合理的電力市場實驗推演技術(shù)是未來電力市場平穩(wěn)發(fā)展的有力保障。為此,本文調(diào)研了國內(nèi)外電力市場實驗推演技術(shù)的研究進(jìn)展,分析了電力市場實驗推演需求,建立了全景實驗平臺總體功能框架,探討了“雙碳”目標(biāo)下電力市場實驗?zāi)芰ㄔO(shè)面臨的主要挑戰(zhàn)、涉及的實驗方法理論基礎(chǔ)和函待突破的關(guān)鍵技術(shù)。從全面提升電力市場實驗建設(shè)能力著手,更合理地引導(dǎo)并優(yōu)化適應(yīng)現(xiàn)在和未來的電力交易規(guī)則設(shè)計,降低電力市場建設(shè)的試錯成本。

1 國內(nèi)外電力市場實驗推演技術(shù)研究進(jìn)展

市場發(fā)展的大環(huán)境對實驗推演技術(shù)提出了新的要求,國外電力市場實驗?zāi)芰Φ玫搅碎L足發(fā)展。從國際范圍來看,國外電力市場實驗?zāi)芰μ幱诔掷m(xù)發(fā)展中,特別是在近15 年得到了長足發(fā)展,以美國阿貢 國 家 實 驗 室 的 EMCAS［8］、ABB 公 司 的GridView［9］以 及PLEXOS 公 司 的PLEXOS［10］等 為代表,分別建立了國家級的實驗環(huán)境和企業(yè)級的實驗驗證平臺產(chǎn)品,并在傳統(tǒng)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上啟動了電力市場實驗技術(shù)的相關(guān)研究,朝著多周期、多市場運營實驗和高度集成、全景化方向發(fā)展［8-10］。

中國現(xiàn)有的電力市場實驗?zāi)芰€遠(yuǎn)不能支撐完整體系的電力市場實驗的開展,需要迎頭趕上,深入開展電力市場實驗推演技術(shù)研究。在電力系統(tǒng)的物理運行實驗?zāi)芰ㄔO(shè)方面,中國起步較早,目前已經(jīng)具備較強(qiáng)的實驗驗證能力。但在電力市場環(huán)境下,從經(jīng)濟(jì)運營與物理運行的角度開展多周期、多市場品種的電力市場運營實驗的能力還較為缺乏?！笆晃濉逼陂g,開展了電力市場仿真技術(shù)的研究［11-12］,初步構(gòu)建了電力市場仿真系統(tǒng),但從功能上來看還局限于針對單一時間周期、單一市場、單一產(chǎn)品的競價過程的模擬仿真,難以支撐中國市場模式推演與驗證評估等市場改革背景下的新需求。

從發(fā)展趨勢來看,在全球市場和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)的環(huán)境下,在市場需求和技術(shù)演變的推動下,電力市場實驗驗證技術(shù)正向更加通用、更加集成、更加開放的方向發(fā)展,其主要特征體現(xiàn)在實驗平臺的通用性、功能集成性、互動性。

2 電力市場實驗推演需求和功能架構(gòu)

2.1 業(yè)務(wù)需求

電力市場運營是一個多交易品種并發(fā)、多交易周期并行且相互關(guān)聯(lián)的完整體系。電力市場全景實驗平臺以電力市場的現(xiàn)實和未來發(fā)展的業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ),通過電力市場實驗推演賦能電網(wǎng)典型應(yīng)用場景,及時響應(yīng)國內(nèi)電力市場規(guī)則復(fù)雜變化,并進(jìn)行分析和研究。

全景實驗平臺的虛擬化、工具化、可配置、開放性、擴(kuò)展性和安全性特征能夠為電力市場建設(shè)的業(yè)務(wù)需求提供多方位服務(wù),如圖1 所示。

圖1 全景實驗平臺的業(yè)務(wù)需求Fig.1 Service demands of full-scope experiment platform

電力市場運營技術(shù)實驗室整體功能包括物理模型管理、經(jīng)濟(jì)模型管理、推演場景構(gòu)建、報價模擬、模擬推演、評估分析6 個功能模塊。各模塊之間相關(guān)獨立,具備一定的可復(fù)制性。通過對電力市場運營技術(shù)實驗室各功能模塊的功能提升和擴(kuò)展,以支撐電力市場不同區(qū)域、不同階段、不同規(guī)則下的電力市場模式推演與評估業(yè)務(wù),電力市場軟件驗證測試業(yè)務(wù),科研成果驗證與新技術(shù)引進(jìn)業(yè)務(wù)以及電力市場業(yè)務(wù)人員實務(wù)培訓(xùn)。

2.2 功能架構(gòu)

全景實驗平臺總體功能框架由電力市場運營模擬、市場成員行為模擬、電網(wǎng)運行模擬3 個部分組成,如圖2 所示。

圖2 全景實驗平臺總體功能框架Fig.2 Overall function framework of full-scope experiment platform

電力交易運營模擬是實現(xiàn)電力市場組織、出清和結(jié)算的仿真,采用典型的3 層云架構(gòu)設(shè)計,包括基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺服務(wù)、應(yīng)用服務(wù),通過分布式、可伸縮的系統(tǒng)架構(gòu),支撐電力市場實驗環(huán)境的靈活擴(kuò)展。

市場成員行為模擬是實現(xiàn)市場成員決策行為的演化,采用人工申報和代理（機(jī)器人）申報2 種申報方式。

電網(wǎng)運行模擬是以市場出清的發(fā)電量、負(fù)荷中標(biāo)量作為電網(wǎng)調(diào)度運行的輸入條件,再結(jié)合運行方式實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度和穩(wěn)定運行的分析計算。

電力市場運營模擬功能架構(gòu)如圖3 所示。底層為數(shù)據(jù)區(qū),包括案例數(shù)據(jù)區(qū)和工作區(qū)。案例數(shù)據(jù)區(qū)為實驗場景數(shù)據(jù)的存儲區(qū),為實驗驗證平臺提供各種模擬場景的數(shù)據(jù)資源。對于工作區(qū)存儲實驗平臺直接訪問的數(shù)據(jù)資源,在實驗?zāi)M之前實驗人員須從案例數(shù)據(jù)區(qū)中選擇實驗場景加載到工作區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)之上是實驗平臺底層支撐,提供包括權(quán)限、流程、任務(wù)調(diào)度等支撐［13］。模擬控制區(qū)則包括模擬總控管理、智能代理投標(biāo)、模擬數(shù)據(jù)生成、實驗場景設(shè)置、時序設(shè)置等。實驗管理區(qū)設(shè)計有案例管理、學(xué)員管理、實驗推演日志、系統(tǒng)管理等功能。最后為功能區(qū),是實驗?zāi)M開發(fā)的具體應(yīng)用,支撐交易運營模擬的申報、出清、執(zhí)行、結(jié)算等全部過程。通過配置算法庫技術(shù),支撐中長期市場、日前實時市場的模擬推演。為適應(yīng)相對靈活的界面輸入和輸出功能,平臺需要研發(fā)相對靈活的組態(tài)功能,也可以直接嵌入第三方的工具化軟件。

圖3 電力市場運營模擬功能架構(gòu)Fig.3 Function architecture of electricity market operation simulation

1）平臺數(shù)據(jù)區(qū)。為了滿足電力市場運營推演業(yè)務(wù)的高性能使用需求,推演平臺在傳統(tǒng)商用數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上引入高性能內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,包括Oracle 數(shù)據(jù)庫、Redis 數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫（RTDB）,并且支持分布式存儲。從數(shù)據(jù)類型劃分,平臺數(shù)據(jù)又可劃分為工作數(shù)據(jù)區(qū)、案例數(shù)據(jù)區(qū)和推演環(huán)境樣本數(shù)據(jù)區(qū)。其中,工作數(shù)據(jù)區(qū)使用的數(shù)據(jù)資源包括所模擬市場的物理模型、經(jīng)濟(jì)模型、市場運營模擬數(shù)據(jù)以及模擬過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件。物理模型管理通過電力系統(tǒng)分析軟件（BPA）、電力系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入（CIME）實現(xiàn)模型入庫和模型校驗,通過模型映射管理實現(xiàn)與經(jīng)濟(jì)模型的銜接匹配。

2）公共服務(wù)區(qū)。實驗平臺基于服務(wù)總線提供平臺公共服務(wù),包括公用服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)兩大類。其中,公用服務(wù)包括數(shù)據(jù)服務(wù)、圖形組態(tài)服務(wù)、模型服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、時序控制服務(wù)等。數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)實驗平臺所有數(shù)據(jù)的存取以及通用數(shù)據(jù)庫與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸和同步。圖形組態(tài)服務(wù)提供豐富的界面控件庫和響應(yīng)事件類型,可實現(xiàn)展示界面的自由定制。模型服務(wù)實現(xiàn)對系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)的管理,并為其他業(yè)務(wù)應(yīng)用提供模型數(shù)據(jù)的存取和檢索服務(wù)。時序控制服務(wù)用于控制市場連續(xù)運營模擬過程,包括按照時間順序控制和基于事件狀態(tài)觸發(fā)控制2 種類型。應(yīng)用服務(wù)包括安全校核服務(wù)、市場出清服務(wù)、機(jī)器投標(biāo)服務(wù)、文件數(shù)據(jù)交互服務(wù)?；诜?wù)的方式部署可以降低客戶端的消耗,所有服務(wù)均基于實驗平臺的服務(wù)總線統(tǒng)一管理和調(diào)用。

3）業(yè)務(wù)功能區(qū)。業(yè)務(wù)功能區(qū)包括全球廣域網(wǎng)（Web）應(yīng)用、市場運營、分析展示、數(shù)據(jù)管理、市場管理等多個部分。Web 應(yīng)用區(qū)面向各市場成員進(jìn)行數(shù)據(jù)申報和信息發(fā)布,包括成本申報、交易競價申報、交易結(jié)果查詢以及操作日志檢索等。實驗功能區(qū)是面向電力市場模擬實驗而開發(fā)的具體功能,涵蓋交易公告發(fā)布、交易申報、交易出清、電網(wǎng)運行、市場結(jié)算等功能。分析展示區(qū)主要用于電力交易運營模擬實驗的過程和結(jié)果的展示以及對于市場運營結(jié)果、運營趨勢的分析統(tǒng)計等。數(shù)據(jù)管理區(qū)包括模型管理、標(biāo)簽數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)交互文件配置等。實驗管理區(qū)包括市場場景創(chuàng)建、模擬時序配置、機(jī)器投標(biāo)配置、教/學(xué)員管理,主要針對實驗案例的模擬環(huán)境和模擬過程進(jìn)行配置,對參與實驗?zāi)M的用戶進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)限控制和導(dǎo)引,并對實驗運營模擬過程的進(jìn)展情況、實驗參與人員的操作狀態(tài)、實驗的中間數(shù)據(jù)等進(jìn)行觀測。

3 電力市場實驗推演面臨的主要挑戰(zhàn)

基于第2 章的設(shè)計,已初步完成電力市場全景實驗平臺總體架構(gòu)的搭建和基本功能的研發(fā),已實現(xiàn)能夠支撐中長期、日前、實時單一時間尺度的電能、備用、調(diào)頻等市場品種的電力市場模擬推演。其中,中長期電力交易運營功能已應(yīng)用于北京電力交易中心及省級交易中心的模擬驗證環(huán)境,現(xiàn)貨電力交易運營功能已應(yīng)用于浙江、上海、山西等?。ㄊ校?為其現(xiàn)貨市場建設(shè)方案和市場規(guī)則提供了實施前的仿真驗證分析。

然而,“雙碳”目標(biāo)下新能源裝機(jī)容量、電量將逐步占據(jù)主體地位,新型電力系統(tǒng)的特征日趨明顯,電力系統(tǒng)將從以確定性可控傳統(tǒng)電源為主體的系統(tǒng),逐步演進(jìn)為以強(qiáng)不確定性隨機(jī)波動電源為主體、靈活調(diào)節(jié)資源廣泛參與的電力系統(tǒng)［14］。未來電力系統(tǒng)電力電量平衡特性將不斷演化,與之銜接的市場機(jī)制也將逐步發(fā)展,不同的市場主體、交易品種、交易機(jī)制、出清模式、定價機(jī)制等市場規(guī)則設(shè)定對于電力市場運營效果、新型電力系統(tǒng)運行效果以及不同類型市場主體的收益回報水平和激勵效果缺乏有效的量化評估手段。電力市場實驗?zāi)芰ㄔO(shè)正面臨著更大的挑戰(zhàn)。

3.1 實驗推演場景構(gòu)建的能力要求

未來場景下新能源裝機(jī)規(guī)模不斷變化,相應(yīng)的數(shù)據(jù)場景需要動態(tài)構(gòu)建。目標(biāo)電力系統(tǒng)實驗推演環(huán)境的構(gòu)建,一方面考慮到以新能源為主體的電力系統(tǒng)尚無實際的數(shù)據(jù)來源,實驗平臺需要支持對未來態(tài)、動態(tài)演變的電網(wǎng)、電源、負(fù)荷的科學(xué)建模和系統(tǒng)構(gòu)建；另一方面考慮到未來電力系統(tǒng)電力電量平衡特性將不斷演化,與之銜接的市場機(jī)制也將逐步發(fā)展,同時須結(jié)合政策走向,使得電力市場與碳市場、新能源補(bǔ)貼機(jī)制以及綠色證書市場呈現(xiàn)相對獨立又相互關(guān)聯(lián)的局面,需要對綠電市場、容量市場、碳市場與電力市場之間的耦合關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

從時間維度看,構(gòu)建需要包括兩方面:一是短周期推演模擬場景的構(gòu)建需求,新能源預(yù)測偏差帶來的電力平衡問題需要針對特定場景進(jìn)行日前、日內(nèi)、實時等短時間深度推演模擬；二是長周期連續(xù)推演模擬場景的構(gòu)建需求,新能源季節(jié)變化特性需要長時間周期推演模擬,與傳統(tǒng)電源相比,新能源主體的收益穩(wěn)定性下降,需要長周期甚至全生命周期的模擬。新能源不斷發(fā)展演化下網(wǎng)源結(jié)構(gòu)特性、電力平衡特性不斷演化,需要長周期模擬推演。

3.2 電力交易運營模擬的能力要求

“雙碳”目標(biāo)下,中國的資源能源格局決定了新能源消納須大范圍協(xié)同運作實現(xiàn),通過省間市場實現(xiàn)全國范圍內(nèi)資源能源優(yōu)化配置,提高特高壓跨區(qū)通道利用率；通過省內(nèi)批發(fā)市場解決電力平衡問題［15］。然而,中國各省級電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、新能源比例、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷結(jié)構(gòu)各不相同,各省在選擇電力市場模式和設(shè)計市場規(guī)則時,單一時間周期、單一市場、單一商品競價過程的電力市場模擬仿真難以支撐未來新型電力系統(tǒng)的新需求。

電力交易運營模擬能力需要能夠支持多種市場模式的出清機(jī)制模擬、多種實驗場景的切換、多種市場模式的人工參與模擬運營、市場成員的決策行為演化、地區(qū)內(nèi)多個電力市場的全景耦合運營機(jī)理模擬；多種源網(wǎng)荷結(jié)構(gòu)、多供需場景、多能源價格環(huán)境模擬；多市場聯(lián)合推演,含中長期市場+實時市場、日前市場+備用、實時市場+調(diào)頻輔助服務(wù)等；各級市場的聯(lián)合推演,含省間、省內(nèi)市場聯(lián)合推演；省內(nèi)市場與區(qū)域分布式交易的聯(lián)合推演；不同規(guī)則的配置化,例如新能源不參與市場、新能源報量不報價參與市場、新能源報量報價參與市場等；出清算法的靈活配置,含新技術(shù)、新算法；實驗算例的靈活接入和結(jié)果分析、數(shù)據(jù)輸出；市場力的行使和抑制模擬；省間、各?。▍^(qū)域）實驗場景數(shù)據(jù)分場景存儲方式；交易周期、交易品種、出清方式、定價機(jī)制、結(jié)算方式靈活組態(tài)的電力市場全業(yè)務(wù)鏈模擬與推演。

此外,為驗證電力市場設(shè)計在多季節(jié)電網(wǎng)和多供需市場環(huán)境下的運營效果,還應(yīng)分析電力市場設(shè)計對市場成員行為以及收益的長期影響,探索“雙碳”目標(biāo)下的電力市場發(fā)展演變趨勢,探索較長時間周期市場,比如容量市場的設(shè)計運營效果等,開展電力市場長周期連續(xù)運營實驗推演,評價多因素疊加、長時間累積的影響效應(yīng)。長周期電力市場連續(xù)模擬推演對出清算法提出了更高的要求。一方面,市場實際運營下的出清計算時長已經(jīng)無法適應(yīng)長周期連續(xù)推演的實驗需求,出清計算環(huán)節(jié)需要同其他市場環(huán)節(jié)一樣建立“縮放”機(jī)制,大幅縮減出清計算時間。另一方面,長周期連續(xù)推演的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與實際市場運營也有較大差距,大量假設(shè)性、時間跨度長的數(shù)據(jù)存在,對出清計算的容錯性提出了更高的要求。

3.3 市場成員行為模擬的能力要求

目前,市場成員決策行為模擬已實現(xiàn)單一市場、單一商品、基于自主學(xué)習(xí)的市場成員行為模擬。在多市場組成的市場商品體系下,不同市場中不同類型的市場成員,包括發(fā)電企業(yè)、分布式新能源、售電企業(yè)、電力用戶、負(fù)荷聚合商、輸電企業(yè)等的成本回報、效益回報和回報方式各不相同,決定了市場成員參與不同市場的決策差異。市場成員決策行為模擬需要考慮市場成員的多目標(biāo)、規(guī)律性和不確定性,既要綜合考慮自身成本,也要考慮提供的商品類型、交易機(jī)會和生產(chǎn)能力；需要建立市場成員合理的成本與回報模型,既是自身參與各個市場決策行為的響應(yīng),也是對體系性電力市場設(shè)計的響應(yīng)；需要建立市場成員行為模擬與電力交易運營模擬的聯(lián)動關(guān)系,將電力市場設(shè)計作為整體考慮,合理預(yù)判市場成員的響應(yīng)行為,預(yù)測設(shè)計市場模式的預(yù)期效果。

另外,已有市場成員決策行為模擬重點圍繞常規(guī)能源市場主體展開,未來還須支持新能源主體的中長期、日前、實時曲線模擬以及儲能、抽水蓄能等新型主體的決策行為模擬。

3.4 對于電網(wǎng)調(diào)度運行模擬的能力要求

電力市場運營與電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電等環(huán)節(jié)密切相關(guān),對電網(wǎng)運營的經(jīng)濟(jì)性與安全性起到重要作用。市場模式對各類市場成員的經(jīng)濟(jì)利益和發(fā)展空間影響巨大,不同市場設(shè)計會影響市場成員決策行為和響應(yīng)特性、市場出清結(jié)果,進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全運行。同樣,作為電力市場運營的載體,電網(wǎng)自身的運行特點、各類調(diào)度運行事件等也會對電力市場運營產(chǎn)生極大影響,電網(wǎng)運行和市場運營之間交互影響。現(xiàn)有的實驗平臺側(cè)重于市場運營過程的推演,電網(wǎng)調(diào)度運行模擬面向原有的計劃調(diào)度體制設(shè)計,依據(jù)固定的電網(wǎng)運行邊界和調(diào)度計劃進(jìn)行調(diào)度運行過程的仿真,尚不支持市場環(huán)境下電網(wǎng)調(diào)度運行過程的模擬,推演過程未實現(xiàn)市場運營模擬與電網(wǎng)調(diào)度運行模擬的聯(lián)動,難以反映實際電力市場與電網(wǎng)調(diào)度運行之間互動影響的運營特性。

為滿足電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下電網(wǎng)調(diào)度運行仿真的新需求,還需要解決市場環(huán)境下聯(lián)絡(luò)線計劃分解、電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)生成、自動發(fā)電控制等技術(shù)問題,在功能和數(shù)據(jù)方面與電力現(xiàn)貨市場推演系統(tǒng)相互銜接,以實現(xiàn)電力現(xiàn)貨市場與電網(wǎng)調(diào)度運行的一體化聯(lián)合推演。

3.5 電力市場推演評價指標(biāo)體系及評價方法的要求

實驗平臺構(gòu)建電力市場推演評價指標(biāo)體系對市場推演結(jié)果進(jìn)行評估,對其不良性能進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)的改進(jìn)和提升,是驗證市場模式和市場規(guī)則是否有效、合理的重要一環(huán)。通過評價電力市場推演結(jié)果可以判斷交易機(jī)制設(shè)計是否有利于抑制市場力和市場的有效競爭,以及是否符合社會福利最大化原則等。評估既應(yīng)具備采用歷史表現(xiàn)和已有數(shù)據(jù)的事后評估方法,也應(yīng)具備對于電力市場設(shè)計、運行和預(yù)測的事前評估措施。這樣就可以開展事前與事后的評價結(jié)果比對分析,采納更靈活的指標(biāo)融合策略,多維度、多角度展現(xiàn)市場的顯性和隱性的特征,發(fā)現(xiàn)市場設(shè)計中的風(fēng)險因素,驗證市場風(fēng)險規(guī)避措施的有效性,使得市場向期望的方向發(fā)展。

4 電力市場實驗推演的理論與關(guān)鍵技術(shù)

基于電力市場實驗推演技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)一步深入剖析,提出以下電力市場實驗推演涉及的理論基礎(chǔ)與函待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 實驗方法理論基礎(chǔ)

電力市場實驗推演的目的是通過實驗平臺模擬仿真電力市場與市場成員、電力系統(tǒng)之間的動態(tài)交互影響。常用的電力市場實驗方法包括計算經(jīng)濟(jì)學(xué)和實驗經(jīng)濟(jì)學(xué)。前者借助仿真計算實現(xiàn),涉及宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和微觀經(jīng)濟(jì)學(xué),以基于博弈論的傳統(tǒng)方法和基于多代理的方法為主［2］；后者是通過數(shù)學(xué)模型表征各個環(huán)節(jié)構(gòu)建實驗環(huán)境,兩者具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。在實驗經(jīng)濟(jì)學(xué)成功地將市場成員的主觀博弈引入實驗環(huán)境并實現(xiàn)計算機(jī)智能代理后,其實驗方法在電力市場研究中脫穎而出并推動了電力市場實驗平臺的研發(fā)。

另外,未來新型電力系統(tǒng)中,由于新能源的強(qiáng)不確定性和隨機(jī)性,基于確定性理論的電力市場和電網(wǎng)運行分析方法只能針對一個確定的場景,將難以滿足電網(wǎng)發(fā)展的新需求,不確定性分析方法將成為電力市場的重要學(xué)科理論基礎(chǔ)。按照數(shù)學(xué)中的研究范疇,不確定性可分為隨機(jī)性、模糊性和粗糙性,分別用隨機(jī)概率論、區(qū)間理論序列運算理論與數(shù)理統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)和粗糙集理論等應(yīng)對［16-18］。同時,在不確定性方法基礎(chǔ)上結(jié)合風(fēng)險理論,譬如采用基于蒙特卡洛模擬的風(fēng)險價值計算,能夠?qū)⑹录l(fā)生的概率和后果相結(jié)合［19］,通過相應(yīng)的指標(biāo)來分析新能源隨機(jī)性、電網(wǎng)隨機(jī)故障等對電力市場帶來的影響,評價電網(wǎng)當(dāng)前存在的安全風(fēng)險,更有效地協(xié)調(diào)電力市場全景實驗推演的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。

4.2 實驗推演場景的智能構(gòu)建技術(shù)

1）電力系統(tǒng)運行場景構(gòu)建技術(shù)

電力系統(tǒng)運行場景構(gòu)建技術(shù)需要對電源、電網(wǎng)、負(fù)荷側(cè)各類主體、運行設(shè)備進(jìn)行物理建模,對各類設(shè)備參數(shù)、運行方式進(jìn)行配置管理。通過接口規(guī)范可進(jìn)行實際運行電力系統(tǒng)、模擬仿真電力系統(tǒng)場景的整體接入,實現(xiàn)對已知電力系統(tǒng)運行場景的構(gòu)建；通過對各類型發(fā)電資源、用電資源、儲能資源的輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化建模以及動態(tài)化、批量化配置技術(shù),可對系統(tǒng)中的電源、負(fù)荷構(gòu)成進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整,通過電網(wǎng)圖模一體化技術(shù)可對電網(wǎng)設(shè)備模型、拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行在線編輯,共同支撐對未來電力系統(tǒng)運行場景的構(gòu)建。

2）電力市場運營場景構(gòu)建技術(shù)

電力市場運營場景構(gòu)建技術(shù)需要對各類市場主體進(jìn)行經(jīng)濟(jì)建模,對各類市場主體行為規(guī)則邊界進(jìn)行配置管理。電力市場運行場景包含交易品種、市場周期、市場主體三大要素。其中,交易品種包含了申報、出清、運行、結(jié)算、評估等各個環(huán)節(jié)的規(guī)則算法信息；市場周期包含了交易開始、結(jié)束時間,峰平谷時間配置,交易出清的時段配置等信息；市場主體包含了準(zhǔn)入范圍、報價方式、運行方式等市場主體相關(guān)信息。通過統(tǒng)一規(guī)范的底層邏輯和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,打造開放通用的市場配置模塊,實現(xiàn)對上述要素的自由組合是電力市場運營場景構(gòu)建技術(shù)的關(guān)鍵。

4.3 電力市場出清模擬技術(shù)

4.3.1 高性能智能出清算法

出清算法是市場模擬推演的核心之一,實驗環(huán)境下的出清算法需克服計算規(guī)模大、建模復(fù)雜度高等關(guān)鍵問題。最優(yōu)化問題建模求解是各市場品種出清算法的技術(shù)基礎(chǔ),從底層優(yōu)化引擎層面、智能優(yōu)化建模層面開展深入研究,提升出清算法的高性能與高可靠性。

在底層優(yōu)化引擎層面,研究適用于大規(guī)模機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法的模型分解方法,以及Benders分解［20-21］、Dantzig&Wolfe 分解方法［22］的實現(xiàn)技術(shù)；研究適應(yīng)于各類出清優(yōu)化問題特點的初始基確定方法與檢驗數(shù)計算規(guī)則,加快算法的收斂［23］；從冗余約束識別、約束及決策變量限值合法性識別、特殊約束轉(zhuǎn)化等角度［24］,研究出清優(yōu)化模型的預(yù)處理技術(shù),實現(xiàn)待求解問題的規(guī)模縮減［23］。

在智能優(yōu)化建模層面,一方面,建立適用于電力現(xiàn)貨市場出清模擬的電網(wǎng)安全約束智能化處理技術(shù),基于人工智能技術(shù)充分挖掘市場成員申報行為、電網(wǎng)運行特征等與阻塞斷面的內(nèi)在聯(lián)系,從眾多常規(guī)斷面中預(yù)測阻塞斷面作為初始斷面集,實現(xiàn)模型的降維處理,縮減迭代輪次,提升求解效率；另一方面,研究適用于新型電力系統(tǒng)的魯棒優(yōu)化出清模型,建立考慮大規(guī)模清潔能源隨機(jī)性和源網(wǎng)荷儲多元互動的魯棒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù),突破傳統(tǒng)出清建模無法考慮大規(guī)模清潔能源不確定性的影響、發(fā)電側(cè)調(diào)峰能力不足造成的清潔能源消納困難等瓶頸,解決大規(guī)模清潔能源隨機(jī)性給電網(wǎng)運行帶來的安全威脅問題,實現(xiàn)面向強(qiáng)不確定性電力系統(tǒng)的魯棒出清。

4.3.2 多市場耦合運營模擬

為支撐多交易品種、多時間周期、多級市場的耦合運營模擬,需要突破以下關(guān)鍵技術(shù):

1）預(yù)研適合中國特色市場品種的市場出清機(jī)理。部分市場品種在中國尚無實踐經(jīng)驗,比如容量市場、輸電權(quán)市場等,須研究相應(yīng)市場品種的申報形式、成本模型、定價模型、結(jié)算規(guī)則。

2）研究中長期與現(xiàn)貨市場、容量、電能、輔助服務(wù)市場之間的耦合運營模式、時序銜接關(guān)系、數(shù)據(jù)交互形式,支持對不同市場間物理銜接、金融銜接及不同市場品種間聯(lián)合出清、獨立出清等多種銜接方式的模擬。

3）研究中國龐大的、特高壓交直流混聯(lián)復(fù)雜電網(wǎng)條件下省間-省內(nèi)兩級協(xié)調(diào)耦合運作的交易組織方式、價格分區(qū)方法和出清技術(shù)。實驗平臺既要提供適用于不同市場階段的省間、省內(nèi)市場成員報價形式,還應(yīng)綜合考慮省間和省內(nèi)在輸電成本、輸電阻塞管理等方面的協(xié)調(diào)機(jī)制,研究省間、省內(nèi)統(tǒng)一報價,分級優(yōu)化、耦合迭代、一體化計算模式下的優(yōu)化出清技術(shù)。

4）攻克多市場耦合運營的場景配置自適應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。在完成對市場周期、品種的場景配置后,電力市場推演平臺需要具備根據(jù)不同市場之間的耦合關(guān)系,自動建立數(shù)據(jù)交互關(guān)系的能力?？紤]到場景配置是時間周期、市場層級、商品品種等多維度的排列組合,可配置的場景全集較為龐大,為支撐全景實驗?zāi)M、適應(yīng)未知的推演需求,需要建立簡潔、高效的場景配置自適應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù),提升開發(fā)效率。4.3.3 長周期連續(xù)模擬任務(wù)調(diào)度

在理論支撐方面,基于系統(tǒng)動力學(xué)原理模擬電力市場長期動態(tài)演化,通過對市場成員行為、市場成員收益、市場品種以及交易規(guī)則、電網(wǎng)運行、市場出清等各系統(tǒng)部件相互關(guān)系和影響機(jī)理的全面構(gòu)建［25］,模擬達(dá)到電力市場長期動態(tài)均衡狀態(tài),體現(xiàn)各因素變動造成的復(fù)雜連鎖反應(yīng),分析市場設(shè)計對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性的長期影響。

建立時序控制與任務(wù)調(diào)度技術(shù),通過提取電能、輔助服務(wù)、容量、輸電權(quán)等商品在不同層級、不同周期市場運行中的有效時間,按時間觸發(fā)、事件觸發(fā)和混合觸發(fā)方式實現(xiàn)自動流轉(zhuǎn)、權(quán)限控制和順序啟動。通過部分環(huán)節(jié)前置執(zhí)行、多模擬流程并行執(zhí)行關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)對模擬過程的加速處理。

需要建立“時間比例尺”縮放機(jī)制,在有限時間內(nèi)完成對較長時間周期電力市場的模擬推演。一方面,需要通過虛擬時鐘技術(shù)對現(xiàn)實時間的模擬和多步長控制。但是對于密集出清的實時市場,其時間縮放的裕度較小,需要建立實時市場、電網(wǎng)運行模擬過程的合理簡化機(jī)制,在正確反映市場連續(xù)運營發(fā)展趨勢的前提下提升市場連續(xù)模擬的效率。另一方面,實際市場運營下的出清計算時長無法適應(yīng)長周期連續(xù)推演的實驗需求,出清計算環(huán)節(jié)需要同其他市場環(huán)節(jié)一樣建立“縮放”機(jī)制,大幅縮減出清計算時間。在高性能智能出清技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過變周期優(yōu)化技術(shù),智能選擇推演時間周期的高峰、低谷時點,對不等時間間隔的優(yōu)化時段進(jìn)行建模,在不丟失關(guān)鍵信息的情況下實現(xiàn)快速出清。同時,在出清環(huán)節(jié)增建容錯機(jī)制,通過提前設(shè)置約束優(yōu)先等級,在數(shù)據(jù)校驗后,對非關(guān)鍵錯誤按照預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級進(jìn)行修正,實現(xiàn)沖突數(shù)據(jù)的校驗識別與自動修正。

4.4 市場成員決策模擬技術(shù)

模擬市場成員的競價行為是開展電力市場實驗推演的基礎(chǔ)條件,現(xiàn)有的市場成員競價行為模擬方法主要以市場成員的競價收益最大化為目標(biāo),基于運行成本或?qū)κ謭髢r預(yù)估進(jìn)行報價策略的優(yōu)化選擇。考慮到市場成員之間的數(shù)據(jù)保密,更多采用基于運行成本的競價行為模擬。在電力市場實驗推演中,需要全面考慮發(fā)用側(cè)各類市場成員的生產(chǎn)運營特性和多種競價決策目標(biāo),建立相應(yīng)的成本、效益計算模型,并且結(jié)合多個市場之間的耦合關(guān)系形成市場成員的整體效益,實現(xiàn)多市場耦合下的市場成員的多目標(biāo)競價行為模擬。

為模擬市場成員在市場參與過程中動態(tài)調(diào)整、優(yōu)化競價策略的特性,RE-Learning、Q-Learning、經(jīng)驗加權(quán)吸引（EWA）等自主學(xué)習(xí)算法被廣泛應(yīng)用于基于運行成本的競價行為模擬實現(xiàn)中［26］。需要對這些訓(xùn)練算法進(jìn)一步優(yōu)化,結(jié)合市場成員的競價決策特點進(jìn)行合理的改造設(shè)計,通過獎懲函數(shù)、模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建以及訓(xùn)練優(yōu)化方法合理設(shè)計,提升競價代理的動態(tài)學(xué)習(xí)特性和策略尋優(yōu)能力,通過多次迭代后實現(xiàn)各市場成員競價策略的全局最優(yōu)和電力市場的納什均衡,支撐開展電力市場運營效果和影響因素分析。

為分析市場力對市場運營效果的影響以及市場規(guī)則設(shè)計潛在的風(fēng)險,還需要對發(fā)電集團(tuán)、售電公司等各類經(jīng)營主體的合謀報價行為進(jìn)行模擬。目前常見的合謀報價主要包括影響電價和容量持留2 種方式,分別通過抬升市場整體電價和形成局部區(qū)域阻塞提高合謀集團(tuán)的整體獲利。實際市場中還有發(fā)電與售電聯(lián)合報價、新能源與儲能聯(lián)合報價等形式。針對各類合謀報價形式,需要綜合分析合謀集團(tuán)的市場份額、電網(wǎng)分布、運行特性等,基于合謀集團(tuán)的效益整體最優(yōu)進(jìn)行聯(lián)合報價行為的模擬。

4.5 電網(wǎng)調(diào)度運行模擬技術(shù)

為實現(xiàn)大電網(wǎng)運行仿真和電力市場運營模擬之間的無縫銜接,須進(jìn)一步提升以下2 項關(guān)鍵技術(shù):

1）研究適應(yīng)電力市場多場景推演的電網(wǎng)調(diào)度運行數(shù)據(jù)模擬技術(shù)。結(jié)合電力市場推演需求,基于電網(wǎng)調(diào)度運行歷史數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法,研究負(fù)荷波動、設(shè)備故障、新能源機(jī)組出力強(qiáng)不確定性、機(jī)組執(zhí)行偏差等各種典型電力市場運營推演場景下的電網(wǎng)調(diào)度運行數(shù)據(jù)的模擬方法,確保聯(lián)絡(luò)線功率、母線負(fù)荷、機(jī)組出力等各類電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的合理性和相關(guān)性。

2）建立電力市場與電網(wǎng)調(diào)度聯(lián)合運行過程的快速模擬技術(shù)。在電力市場與電網(wǎng)調(diào)度運行的連續(xù)自動推演過程中,需要基于各類數(shù)據(jù)存儲和運算技術(shù),如內(nèi)存存儲、數(shù)據(jù)緩存、并行處理等,研究電力市場與電網(wǎng)調(diào)度運行各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)組織、處理運算和數(shù)據(jù)交互技術(shù),在不影響推演結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下盡量縮短推演過程,實現(xiàn)市場與電網(wǎng)連續(xù)運行過程的快速推演。

4.6 市場運營大數(shù)據(jù)評估技術(shù)

在多市場、多周期、多品種的電力市場實驗推演過程中,從模型輸入、推演過程到仿真結(jié)果將產(chǎn)生海量運營數(shù)據(jù),這些基于業(yè)務(wù)主線流程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按不同業(yè)務(wù)分類進(jìn)行存儲,缺少對數(shù)據(jù)聚合、加工和挖掘的過程,影響了對市場運營效果的有效評估。市場運營大數(shù)據(jù)評估技術(shù)是電力市場連接運營的數(shù)據(jù)與價值的關(guān)鍵橋梁［27］,主要分為大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析與評估技術(shù)。

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要包括分布式計算、內(nèi)存計算和流式計算技術(shù),這3 種技術(shù)在電力市場中適用于不同的業(yè)務(wù)對象和應(yīng)用場景。分布式計算主要用于處理大規(guī)模計算任務(wù),適用于市場全景實驗推演結(jié)果的多種指標(biāo)統(tǒng)計等分散式數(shù)據(jù)的處理,如購售電收益、社會福利、清潔能源消納等。內(nèi)存計算是一種將參數(shù)變量數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中進(jìn)行運算的技術(shù),適用于連續(xù)實驗推演的出清電價趨勢、可用輸電能力（ATC）效果指標(biāo)評價等結(jié)果的計算場景,不需要事前構(gòu)建數(shù)據(jù)模型和預(yù)處理數(shù)據(jù),縮短了系統(tǒng)對業(yè)務(wù)的響應(yīng)周期。流式計算是一種持續(xù)、低時延、事件觸發(fā)的計算作業(yè),適用于市場推演中的連續(xù)掛牌、復(fù)式競價等交易中系統(tǒng)量價指標(biāo)的連續(xù)計算。

需要通過以信息提煉為驅(qū)動的大數(shù)據(jù)分析方法和以知識發(fā)現(xiàn)為驅(qū)動的大數(shù)據(jù)分析方法,結(jié)合當(dāng)今流行的商務(wù)智能（BI）和人工智能（AI）領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),從電力市場實驗推演的大數(shù)據(jù)中找出潛在的模態(tài)與規(guī)律,不同的電力電量平衡場景下、燃料成本變化下對市場價格趨勢的影響。隨著新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,環(huán)境（新能源消納比例）、安全、經(jīng)濟(jì)三者之間表現(xiàn)為三角關(guān)系,通過挖掘隱性交叉的知識,從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其相關(guān)關(guān)系,如清潔能源裝機(jī)容量和消納電量比重的變化與市場主體的行為關(guān)系等,通過市場運營大數(shù)據(jù)的評估技術(shù)為市場推演的效果提供量化的指標(biāo)支撐。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了涵蓋市場成員申報、市場交易組織、交易出清、結(jié)算、電網(wǎng)運行分析等環(huán)節(jié)的電力市場全景實驗平臺總體功能框架,其虛擬化、工具化、可配置、開放性、擴(kuò)展性和安全性特征充分滿足電力市場建設(shè)四大業(yè)務(wù)需求。目前,實驗平臺已完成基本功能研發(fā),并進(jìn)行了市場成員自學(xué)習(xí)報價行為模擬推演,中長期、日前、實時各時間尺度下電能、備用、調(diào)頻等市場品種的電力市場模擬推演,以及獨立的電網(wǎng)調(diào)度運行模擬分析功能的驗證性測試,并為浙江、上海、山西等省（市）的現(xiàn)貨市場建設(shè)方案和市場規(guī)則提供了實施前的仿真驗證分析。

未來在“雙碳”目標(biāo)下,具有強(qiáng)不確定性、隨機(jī)性、波動性的新能源接入比例越來越高,新型電力系統(tǒng)的電力市場運營狀態(tài)評價、運營效率和運營風(fēng)險評估對實驗?zāi)芰ㄔO(shè)提出了更高的要求。為此,本文系統(tǒng)性闡述了實驗推演場景的智能構(gòu)建,電力市場的運營模擬、市場成員行為模擬與電網(wǎng)調(diào)度運行模擬緊密銜接,以及市場運營大數(shù)據(jù)評估等方面函待突破的理論與關(guān)鍵技術(shù)。通過進(jìn)一步加強(qiáng)實驗?zāi)芰ㄔO(shè),為推進(jìn)中國電力市場建設(shè)提供了重要的支撐手段。