省間電力現貨交易運營技術

胡晨旭，孫大雁，關 立，陶洪鑄，羅治強，常乃超

（1.中國電力科學研究院有限公司,北京市 100192；2.電力調度自動化技術研究與系統(tǒng)評價北京市重點實驗室,北京市 100192；3.國家電網有限公司國家電力調度控制中心,北京市 100031）

0 引言

2015 年,《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》中要求進一步深化電力體制改革,完善跨省跨區(qū)電力市場交易機制,標志著中國新一輪電改拉開大幕［1-3］。中國電力市場建設穩(wěn)步推進,在省間和省內現貨市場等多個方面均取得了階段性成效［4-5］。

隨著電力市場的深入推進,國內學者開展了大量的電力市場研究工作。在市場總體設計方面,對歐美電力市場進行了深入研究［6-8］,為中國電力市場建設提出了建議；在跨省區(qū)電力現貨交易方面,提出了中國跨省區(qū)電力交易發(fā)展途徑和交易機制［9-13］,并開展了跨區(qū)域省間富余可再生能源現貨市場設計的研究［14］。

在實踐層面,以美國和歐洲國家為代表的國外電力市場,在跨?。▏┈F貨市場集中交易的組織與出清方式等方面,與省間電力現貨交易存在一定差異。美國7 個區(qū)域電力市場中,日前和實時市場統(tǒng)一組織、集中出清,區(qū)域之間只開展中長期雙邊交易。歐洲統(tǒng)一電力日前市場采用跨國集中出清、分價區(qū)定價的模式。在中國,自2017 年起,跨區(qū)域省間富余可再生能源電力現貨交易投入試運營,截至2021 年底,市場連續(xù)運行超過4 年,有效促進了可再生能源大范圍消納,為省間電力現貨市場建設奠定了堅實基礎。

國外的理論研究和實踐成果為研發(fā)國內省間電力現貨交易運營技術提供了良好的借鑒價值,但由于電網結構、調度體系等方面存在差異,仍需在中國已有的實踐基礎上,進一步開展市場機制和技術創(chuàng)新。與跨區(qū)域省間富余可再生能源電力現貨交易相比,省間電力現貨交易進一步拓展了交易范圍、增加了市場主體、提高了交易頻次,僅依靠跨區(qū)域省間富余可再生能源現貨市場的技術基礎,難以支撐省間電力現貨交易高效穩(wěn)定運營,仍需深入研究交易組織所需的功能框架和關鍵技術。

為此,本文首先分析了省間電力現貨交易面臨的技術挑戰(zhàn)；然后,設計了交易運營功能框架,提出了市場運營所需的關鍵技術；最后,展望了省間電力現貨交易運營技術的發(fā)展方向。

1 省間電力現貨交易面臨的技術挑戰(zhàn)

1.1 省間電力現貨市場建設基礎

中國能源資源與負荷中心呈逆向分布,隨著中東部負荷和西北、華北、東北（簡稱“三北”）地區(qū)新能源裝機規(guī)模持續(xù)增長,電力電量平衡及清潔能源消納僅依賴本省、本區(qū)域已難以為繼,客觀上要求構建大電網、大市場,實現資源大范圍優(yōu)化配置。與此同時,國家電網有限公司經營區(qū)內的跨省跨區(qū)輸電能力已超300 GW,為開展省間電力交易提供了堅實的物理基礎。

1.2 省間電力現貨交易機制

省間電力現貨交易是在落實跨省跨區(qū)中長期交易基礎上,在送受端開展預計劃后,當送端有富余能力、通道有剩余空間、受端有購電需求時,組織送受端市場主體自主報量報價,在日前、日內市場集中競價,以社會福利最大化為目標,實現電力余缺互濟和清潔能源大范圍消納［15］。

1.2.1 市場主體及范圍

省間電力現貨交易支持符合準入條件的所有市場主體開展跨省電力現貨交易,參與主體涵蓋水、火、風、光、核等各類型電源,市場初期由電網企業(yè)代理電力用戶參與購電。未來,將有序推動符合準入要求的售電公司和電力大用戶參與。交易范圍覆蓋國家電網有限公司和內蒙古電力有限責任公司范圍內全部省間交易。

1.2.2 交易品種及周期

省間電力現貨交易包括日前交易和日內交易,交易品種為電能量交易,每15 min 為一個交易時段。日前交易按日開展次日全天96 個交易時段的省間電力現貨交易。日內交易以2 h 為一個固定交易周期,開展省間日內現貨交易。在固定交易周期內,可組織臨時交易,通過增加日內交易頻次,進一步滿足新增富余電力外送需求和購電需求。

1.2.3 出清機制

省間電力現貨交易出清及定價機制不同于省內電力現貨市場,需要充分考慮中國跨省跨區(qū)輸配電價機制特點。在出清中,考慮購售雙側報價及輸電成本,以社會福利最大化為目標,在滿足購售電力約束、輸電通道容量、輸電通道爬坡等約束的條件下,求解最優(yōu)交易組合,出清得到購售側成交電力和成交價格。

1.3 市場建設面臨的技術挑戰(zhàn)

省間電力現貨交易以中國特高壓交直流混聯(lián)電網為載體,具有交易范圍廣、交易方向靈活、市場主體多、協(xié)同運營組織難度高、網絡規(guī)模大、電網運行約束復雜等特點。市場建設主要面臨以下技術挑戰(zhàn):

1）支撐多運營機構間高效協(xié)同組織。省間電力現貨交易組織涉及市場運營機構多,組織流程鏈條長,各流程時間節(jié)點銜接緊密。省間電力現貨交易涉及國、網、省三級調度機構,以及北京電力交易中心和各省級交易中心,是目前在運的電力現貨市場中涉及運營機構數量最多的市場。各運營機構協(xié)作支撐覆蓋范圍內市場主體參與交易,需要在短時間內協(xié)同完成信息公告、交易申報、市場出清和結果發(fā)布等多個交易環(huán)節(jié),對機構間協(xié)同運營的高效性、可靠性提出了極高要求。

2）市場出清模型構建和高效求解難度高。省間電力現貨交易以跨省區(qū)特高壓交直流輸電網為載體,該網絡由特高壓交直流輸電通道混聯(lián)構成。由于直流系統(tǒng)引入大量電力電子設備,傳統(tǒng)的交流網絡模型難以直接應用于省間電力現貨交易出清計算。為最大化提升資源配置能力,省間電力現貨交易需要開展全域、全通道、雙向的集中出清。出清中需要考慮購售雙側報價、輸電費用、網損等多重因素,解決輸電潮流轉移因子、成本參數與輸電路徑強關聯(lián)性問題,構建考慮通道限額、電力流、交易流等耦合約束的出清模型,模型構建復雜。同時,還需要解決海量交易組合的高效求解難題。

3）統(tǒng)籌協(xié)調省間和省內安全運行約束難度大。省間電力現貨交易覆蓋不同調度機構管轄范圍內的多類市場主體,購售雙方達成交易的輸電距離遠,交易形成的穿越潮流會對途經的省級電網、區(qū)域電網和跨省跨區(qū)專項輸電工程產生影響。各級電網和跨省跨區(qū)專項輸電工程的安全運行約束耦合關系復雜,省內安全約束不僅會限制本省市場主體的成交量,還會限制跨省區(qū)交易成交量。為保證省間電力現貨交易結果的可執(zhí)行性,需要研發(fā)國、網、省三級調度機構協(xié)同校核和處置技術,統(tǒng)籌協(xié)調各類市場結果對電網運行的影響,避免各級市場間往復迭代,提升電力市場總體運行效率。

4）亟須提升基于大規(guī)模市場數據的輔助分析決策能力。省間電力現貨交易涉及市場主體多、范圍廣,是全國統(tǒng)一電力市場體系的重要組成部分,與各層次市場銜接關系緊密。一方面,省間電力現貨交易以省間中長期交易結果為邊界；另一方面,省間電力現貨交易出清結果又是各區(qū)域輔助市場和各省級市場的邊界條件。為了保證市場高效穩(wěn)定運行,需要統(tǒng)籌考慮各層次市場運行情況,充分挖掘海量市場數據,開展市場風險防控、評估分析和模擬推演工作,為保證市場連續(xù)穩(wěn)定運營和市場機制的不斷完善提供技術支撐。

2 省間電力現貨交易運營功能框架設計

2.1 運營功能框架設計

省間電力現貨交易組織流程長、涉及調度和交易機構多,需要規(guī)范省間電力現貨交易技術支持系統(tǒng)與現有應用的交互內容和交互方式,解決各地差異化運行需求和各機構間高效協(xié)同組織的難題。本文提出“統(tǒng)一設計建設、分區(qū)分級部署”的運營功能框架設計思路。

省間電力現貨交易技術支持系統(tǒng)是省間電力現貨交易運營組織的核心系統(tǒng),包括日前市場、日內市場等10 個應用功能。系統(tǒng)基于規(guī)范化市場模型、數據交互接口和服務調用方式進行統(tǒng)一設計,采用廣域消息總線、廣域服務總線等協(xié)同交互技術,實現與各級調度計劃類應用、全國統(tǒng)一電力市場交易平臺的即時交互,統(tǒng)一匯集市場邊界和申報數據,保障技術支持系統(tǒng)內市場出清、風險管控、評估分析等各類應用可靠運行。

按照各市場運營機構在省間電力現貨交易運營中的職責定位,統(tǒng)籌考慮功能復用性、擴展性和易維護性,采用分區(qū)分級方式部署系統(tǒng)功能［16］。省間電力現貨交易運營功能框架如圖1 所示。

圖1 運營功能架構圖Fig.1 Operation functional architecture diagram

在安全Ⅱ區(qū)部署市場運營核心功能,包括日前/日內市場、風險管控等模塊,可與國調和網調調度計劃類應用、北京交易中心相關功能交互；在省調網絡節(jié)點分布式部署日前和日內市場配套功能,可與省調調度計劃類應用和省級交易中心相關功能交互。在安全Ⅲ區(qū)部署市場輔助分析功能,包括模擬推演和評估分析等模塊。在信息內網及外網,基于全國統(tǒng)一電力市場交易平臺部署省間電力現貨交易的申報發(fā)布等功能［17］。

2.2 基于廣域分布式并行技術的數據流設計

大規(guī)模市場主體參與后,面臨著海量交易申報、申報校核和信息發(fā)布的時效性問題。為解決此問題,設計了基于廣域分布式并行技術的數據流,按照多級分布式并行方式,分別設置一級計算節(jié)點和若干二級計算節(jié)點,計算節(jié)點間通過廣域網連接,采用廣域消息總線進行數據交互和任務分發(fā),如圖2所示。

根據市場主體所屬地理位置,分配其申報數據接入的二級計算節(jié)點。各二級節(jié)點并行開展申報數據校核和匯總計算,并將校核和匯總后的申報數據發(fā)送至一級計算節(jié)點。一級計算節(jié)點匯集申報數據后,進行出清計算,將出清結果按照地域關聯(lián)性分發(fā)至各二級節(jié)點。二級節(jié)點將匯總出清結果分解并向市場主體發(fā)布。

采用上述方法后,可實現申報數據的高效校核和匯集、出清結果數據的快速分解,減少大規(guī)模數據集中處理環(huán)節(jié),解決計算資源要求高、單點故障影響市場整體運行的問題。

3 省間電力現貨交易運營技術

針對面臨的技術挑戰(zhàn),研發(fā)了廣域協(xié)同交互、省間電力現貨交易出清、多階段安全校核、全過程輔助決策分析等技術,涵蓋了基礎共用服務、市場出清、安全管控和決策分析等不同方面,有力支撐了省間電力現貨交易高效穩(wěn)定運行。

3.1 支撐多機構運營的廣域協(xié)同交互技術

面向省間電力現貨交易業(yè)務特點,研發(fā)了跨系統(tǒng)、跨調度層級、跨安全區(qū)的數據共享和業(yè)務流轉技術。

3.1.1 廣域服務交互技術

采用廣域服務代理技術,建立國、網、省三級調度機構與應用服務站點的廣域數據交互通道。采用通道狀態(tài)實時監(jiān)視、通道故障自動切換等技術,保障了服務調用的穩(wěn)定性和可靠性,提升了功能標準化和復用度水平,減少了異地系統(tǒng)間的數據交互,提高了多級調度協(xié)同運營的便捷性。

3.1.2 廣域消息分發(fā)與訂閱技術

通過建立橫向（跨安全區(qū)）、縱向（跨調度層級）的安全可靠數據共享機制,在保證數據傳輸實時性的同時,減少數據冗余傳輸、提升傳輸效率。通過提供回執(zhí)確認、失敗重傳等機制,顯著提升數據可靠性。同時,針對省間電力現貨交易業(yè)務特點,對敏感數據進行脫敏加密,保證數據傳輸安全。

3.2 支撐全域雙向交易的省間現貨交易出清技術

省間電力現貨交易具有交易范圍廣、參與主體多、流程銜接緊湊等特點［18］,出清計算需要滿足省間電力現貨交易出清時間和可靠性要求［19-20］。

3.2.1 基于交易組合經濟性的降維技術

隨著特高壓輸電工程陸續(xù)投運、市場主體不斷增多,市場出清求解規(guī)模呈指數級上升,求得最優(yōu)解需要的計算量與存儲空間的增長速度非?？?易產生賣電、買電和路徑的“組合爆炸”問題。在解空間規(guī)模不可控的情況下,傳統(tǒng)的數學規(guī)劃算法難以在短時間內求得最優(yōu)解。為解決此問題,可根據各節(jié)點成員報價,動態(tài)生成基于節(jié)點間可行交易路徑的交易組合集合,考慮買賣方報價及輸電費用,計算交易組合經濟性。按照交易組合經濟性,定位最優(yōu)解搜索方向,加快模型求解速度。

3.2.2 并行計算出清技術

根據省間電力現貨交易出清計算的特點,分析了并行計算技術的適用性,通過將輸電通道爬坡約束轉化為輸電通道分時容量約束,實現了時段耦合約束的解耦?？紤]輸電通道上限、下限和預計劃等約束,以成交電力調整最小為目標,滾動調整通道分時容量約束。采用基于邊界條件掃描的計算任務調度方法,實現了面向彈性交易時段的省間電力交易并行出清技術。

3.2.3 多活計算服務技術

基于廣域服務總線技術,設計了多活出清計算服務模式,計算服務流程圖如圖3 所示。采用服務化方式封裝出清計算功能,實時監(jiān)測異地多主機下的出清計算服務狀態(tài),支持按照順序、隨機等不同策略選擇出清計算服務,避免調用離線或忙碌狀態(tài)的服務,減少無效調用和調用等待時間,實現在線出清計算服務的最優(yōu)選擇,保證了出清計算的可靠性。

圖3 多活并行出清計算服務流程圖Fig.3 Flow chart of multi-activity parallel clearing computing service

3.3 基于模型重構技術的多階段安全校核

省間電力現貨交易涉及多種電壓等級電網,若采用全模型進行出清和校核,計算規(guī)模相當于全部省級市場的集合,出清和校核復雜度極高［21-22］。若采用大電網分解協(xié)調算法,則可能會出現迭代振蕩甚至不收斂的問題,且迭代信息交互過程會累積較多的通信延時,算法整體耗時較長,難以滿足市場運行時效性要求。

省間電力現貨交易采用多階段分層次的校核架構,實現電網安全約束校核的串行化。按照省間電力現貨交易組織流程,可分為出清前、出清中和出清后3 個階段進行校核,如圖4 所示。

圖4 多階段校核示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi-stage check

在省間電力現貨交易出清前,省調使用220 kV及以上電網詳細模型,對省內市場主體的申報數據進行預校核,解決因局部電網阻塞帶來的交易執(zhí)行問題。

在省間電力現貨交易出清時,國調將省內電網、競價分區(qū)的關鍵信息聚合,形成規(guī)模下降但不失精度的等值模型。考慮各通道網損率的差異性,計算模型中斷面潮流分布系數,保證跨區(qū)潮流計算精度。在出清過程中,判斷通道可用輸電能力（available transfer capability,ATC）進行約束校核,出清結果疊加至輸電通道預計劃后,再開展基于全網模型的安全校核。

在省間電力現貨交易出清后,網調基于全網完整模型,對各層級市場的總出清結果進行區(qū)域交流同步電網安全校核及越限處置。

3.4 基于模塊柔性聯(lián)動的全過程輔助決策分析技術

3.4.1 市場運營全景監(jiān)測與風險預警技術

1）多層級現貨市場運營狀態(tài)全景監(jiān)測技術

采用云技術對省間電力現貨交易和各省級電力現貨市場數據進行集中整合和全景展示,實現電力現貨市場的實時動態(tài)分析與運行狀態(tài)監(jiān)測,為指導省間、省級現貨市場建設與運營提供技術支撐和數據基礎。

2）多模塊柔性聯(lián)動的市場風險預警技術

基于廣域協(xié)同交互技術,針對不同的市場風險場景,將申報發(fā)布、模型與數據管理、出清計算等業(yè)務功能組件,與風險識別、風險告警和風險管控等風險預警組件進行柔性組合,自定義編排各風險場景所需的數據流和服務流,將風險預警嵌入市場運營組織的各關鍵環(huán)節(jié),有效提升風險預警的及時性。模塊間的聯(lián)動關系如圖5 所示。

圖5 多模塊柔性聯(lián)動的市場風險預警功能圖Fig.5 Function diagram of market risk warning for flexible linkage of multiple modules

3.4.2 多情景長周期模擬推演技術

通過設定場景參數,基于歷史網絡模型、市場申報數據和輸電通道數據,自動對長周期時序數據進行批量調整,模擬構建交易場景?；趶V域協(xié)同交互技術,整合模擬推演和評估分析功能,實現對長周期模擬推演結果的多維度指標計算和對比分析。

4 工程應用

國家電網有限公司國家電力調度控制中心組織中國電力科學研究院有限公司建設的省間電力現貨交易技術支持系統(tǒng)已投入試運行。該系統(tǒng)應用本文所提運營技術進行設計和建設,有效提升了市場運營組織能力。

在多運營機構協(xié)同方面,采用廣域協(xié)同交互技術后,國調和網調市場運營人員可在同一套系統(tǒng)中按權查看和維護市場信息,避免了數據在多套系統(tǒng)中存儲和查詢,減少了多套系統(tǒng)間數據生成、數據傳輸和數據解析入庫的交互環(huán)節(jié),數據查詢和傳輸效率由原來的分鐘級提升至秒級。

在市場出清方面,實現國家電網和蒙西電網經營區(qū)內任意兩省之間均可開展交易,可交易路徑超過3 萬條,所有跨區(qū)通道均可開展正向和反向雙向交易,極大地提升了省間電力現貨交易大范圍資源配置能力。采用本文所提技術,解決了市場成員和交易路徑增長帶來的出清規(guī)模指數級增長問題,顯著降低了出清規(guī)模對系統(tǒng)內存要求和出清效率的影響,出清計算時間在5 min 以內,實現了大規(guī)模交易組合的高效求解。表1 展示了不同出清規(guī)模下出清時間的變化情況,隨著求解變量數的提升,出清時間沒有顯著上升。

表1 出清規(guī)模與出清時間關系Table 1 Relationship between clearing scale and clearing time

表2 展示了本文所提算法與線性規(guī)劃法的性能對比情況。以迎峰度夏期間2022 年8 月12 日的實際數據為例,兩種方法社會福利一致,本文所提算法96 時段計算時間遠短于線性規(guī)劃法單時段計算時間,且所需內存更小。

表2 算法性能對比Table 2 Comparison of algorithm performance

在安全校核方面,通過多階段安全校核設計,在保證電網安全、交易結果可執(zhí)行的前提下,實現多層次市場交易流程的串行運轉,避免了不同層次市場出清的往復迭代,提升了市場整體組織效率。

在輔助決策分析方面,基于多情景長周期模擬推演技術,實現對60 個交易日內超600 個案例的自動模擬仿真和數據分析,為省間電力現貨交易限價優(yōu)化提供了數據支撐。

5 展望

本文所述運營技術有力支撐了當前省間電力現貨交易的高效、穩(wěn)定運營,但省間電力現貨交易尚處于起步階段,市場出清和決策分析的技術需求與市場發(fā)展情況密切相關,需要結合未來市場發(fā)展方向持續(xù)創(chuàng)新。未來,隨著跨省跨區(qū)專項工程的建設、市場交易量的提升、市場成員的增加和新型主體的發(fā)展,仍需在多類型主體參與市場、復雜約束下高效出清、輸配電價模式適應性等方面持續(xù)開展市場出清和決策分析等運營技術研究。

在多類型主體參與市場方面,當前的省間電力現貨交易主要為發(fā)電側市場主體參與。隨著新型電力系統(tǒng)建設推進,新能源占比不斷提升,其間歇性和波動性更加突出,迫切需要拓展更多類型市場主體參與交易,進一步挖掘全網各類資源調節(jié)潛力。因此,需要研究獨立儲能、虛擬電廠等靈活性調節(jié)資源參與市場的關鍵技術,設計多類型報價模式,構建考慮獨立儲能、虛擬電廠等新型市場主體運行特性的出清模型,充分發(fā)揮市場主體調節(jié)能力,促進實現社會福利最大化。

在復雜約束下高效出清方面,隨著省間電力現貨雙向交易成交量的提升,成交結果可能對電網運行方式產生較大影響。因此,需要研究考慮復雜多直流動態(tài)耦合約束的優(yōu)化出清技術,設計多直流通道限額的動態(tài)變化和耦合關系描述方法,構建考慮時段耦合、多通道耦合約束的出清模型,綜合運用圖計算、動態(tài)規(guī)劃和靜態(tài)規(guī)劃等多種算法,研發(fā)支持海量交易組合的高性能優(yōu)化出清技術,實現對超大規(guī)模解空間的快速求解。

在適應不同跨省跨區(qū)輸配電價模式方面,當前的省間電力現貨交易中,跨區(qū)專項工程輸電價格采用單獨定價模式,該模式適用于送受端相對明確、潮流方向相對固定的交易場景。而隨著省間電力現貨交易在購售電角色靈活轉換、省間雙向交易等方面的機制和技術創(chuàng)新,省間電力現貨交易的送受端和潮流方向不再確定,需要探索不同跨省跨區(qū)輸配電價模式對省間電力現貨交易的影響。因此,需要提升適應不同跨省跨區(qū)輸配電價模式的技術支撐能力,研究交易出清模型和算法改進方法,對比分析不同模型算法的適應性,研發(fā)支持不同輸配電價模式的模擬推演和智能分析技術,為電價模式的制定提供決策參考。

6 結語

市場建設與運營是一項對系統(tǒng)運行效率、安全性、自動化水平要求極高且高度復雜的系統(tǒng)工程。本文提出的省間電力現貨交易運營技術,涵蓋了功能框架、廣域協(xié)同交互技術、市場優(yōu)化出清技術、市場運營監(jiān)測技術和模擬推演技術,實現了多機構高效協(xié)同運營、高性能優(yōu)化計算和海量數據智能分析,涵蓋申報發(fā)布、優(yōu)化出清、價格計算、交易執(zhí)行等運營功能,相關技術已應用于省間電力現貨技術支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持28 家省級電網內的6 000 多家經營主體開展省間電力現貨交易,提升了系統(tǒng)可靠性、安全性和運行效率,在平臺服務、核心算法、計算能力和決策分析等方面取得了創(chuàng)新突破,保障了省間電力現貨交易合規(guī)穩(wěn)定運營。自2022 年1 月1 日省間電力現貨交易試運行以來,市場運行平穩(wěn),主體踴躍參與,在提升電力供應能力、促進清潔能源消納、實現資源大范圍優(yōu)化配置等方面發(fā)揮了重要作用。為適應未來海量市場主體參與省間電力現貨交易,需要持續(xù)提升市場運行效率,確保多層次統(tǒng)一電力市場高效協(xié)同運作,不斷在運營技術和交易機制等方面進行研究探索。