电力现货市场技术支持系统关键技术探讨

2018-12-06涂孟夫

电力系统自动化 2018年23期

丁恰，昌力, 涂孟夫

(1. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏省南京市 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市 211106； 3. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏省南京市 211106)

0 引言

20世纪90年代开始，西方多个国家纷纷启动电力市场化改革，经过多年发展完善和实践，逐步形成电力市场基础理论，积累了丰富的市场建设经验，美国PJM市场、英国市场、北欧市场是国外电力市场模式的典型代表。长期以来，国内相关单位和研究人员持续跟踪国外电力市场建设进展[1-6]，积极开展相关研究和实践工作。

随着《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)及其配套文件发布，新一轮深化电力体制改革全面启动，电力市场化建设正在提速。2017年8月28日，国家发展改革委和国家能源局发布了《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》(发改办能源〔2017〕1453号)，选择南方(以广东起步)、蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等8个地区作为第一批试点，将在2018年底前启动电力现货市场试运行[7-8]。

电力现货市场规则机制设计与各方相关利益密切相关。电力现货市场环境下，既要发挥市场对资源优化配置的决定性作用，还要充分考虑电网物理运行条件，电网运行在电力电量平衡机制、安全校核、市场出清、日发电计划编制、实时调度运行等方面都将发生重大变化，电力现货市场技术支持系统是市场化改革推进的重要技术保障，与此同时也对调度机构现有调度能量管理系统(energy management system,EMS)中负荷预测、检修计划、限额管理、实时控制等传统应用功能及其数据质量提出更高要求。

以华东地区为代表，中国在上一轮电改曾开展了电力现货市场相关系统建设工作，实现了电力现货市场模拟运行和两次调电运行，但最终未在技术与工程实践上取得长期有效的实质性经验积累[9]。中国新一轮电改逐步进入深水区，也对电力现货市场技术支持系统提出高要求。一是由于各地区在电源结构、网架结构、供需水平、市场化程度及社会经济发展水平等方面都具有鲜明特点，在现货市场的规则设计上存在一定差异性，尤其是计划与市场将在一段时间内并存、供热机组以热定电、新能源全额保障性消纳、局部网络阻塞严重及各级电网中普遍存在少数发电集团占比过大等中国电力市场特征，相关国家的系统建设经验无法直接照搬套用，不同地区更不能千篇一律；二是各地区通常会采取积极稳妥，分步实施的思想，规模由小到大，交易品种逐渐增加，交易机制逐步完善，市场建设分阶段推进优化，技术支持系统因而也将长期处于调整完善过程中，具有复杂多变特点；三是电力现货市场技术支持系统这样涉及国计民生领域的重大技术，在核心领域更应该具有自主知识产权，走国产化道路。

目前，中国在电力现货市场技术支持系统建设方面0.尚处于摸索阶段，多数研究集中在市场模式选择[10-12]方面,关于系统建设相关报道较少。本文针对国内电力现货市场业务复杂多变特点，基于调度控制系统[13]、中长期交易系统[14]及国外现货市场系统建设经验，提出分区部署分层应用功能框架，实现对多种电力市场交易产品和业务功能的灵活适应，并重点在技术支撑平台、核心算法、模型数据管理、评估分析、模拟推演等关键技术进行探讨，为国内电力现货市场技术支持系统建设提供参考借鉴。

1 总体框架

1.1 系统要求

随着电力市场改革逐步推进和信息通信技术(information and communication technology,ICT)发展，对电力现货市场技术支持系统设计提出如下几方面基本要求。

1)安全运行要求。技术支持系统不仅在业务层面要充分考虑市场运营和电网安全运行的要求，还需要对现货市场及其支持系统的当前运行状态及未来发展态势进行监视评估分析，及时发现潜在运行风险并采用一定技术措施来消除或缓解运行风险，保障系统自身运行安全和数据安全，提升运行风险防范能力。

2)一体化要求。技术支持系统应基于标准化和服务化原则，采用柔性架构设计，全面支撑日前、日内、实时等多周期及电能、调频、备用等多交易品种在交易、计划、结算、合同等核心业务的一体化运行和功能灵活拓展，实现多周期与多交易品种在市场时序上有效衔接与业务功能上无缝集成。

3)成熟可靠要求。技术支持系统运行不仅牵涉到市场主体经济利益，还影响电网实时运行。随着电网规模日益扩大，市场参与主体数量激增，面对电网阻塞情况复杂、各类约束条件增多，市场规则不断调整等情况，借鉴国外多年积累的经验和教训，采用成熟可靠的建模技术及高效求解算法，在计算时效性、准确性、可靠性等方面满足不同周期下市场运行要求，保障系统不间断稳定运行。

4)精度质量要求。技术支持系统需要与多个横向及纵向系统间进行数据交互，对外还要与发电企业、售电公司和用户等市场主体进行信息交换，要保障进入市场环节的各类数据符合精度和数据质量要求，确保市场相关计算收敛性及结果精度。

5)循序渐进要求。系统建设应充分利用电力调度、交易机构现有调度控制数据网、通信、安全防护、数据采集及市场参与者安全接入设施，在相关业务与数据上尽量实现共用、共享，降低系统建设成本与运维成本。

1.2 系统架构

为了满足电力市场环境下用户种类多、接入方式复杂、数据交互量大、系统安全性要求高、业务规则不确定等特点，采用灵活、易用、可扩展、高安全的架构体系设计，实现电力现货市场海量数据安全、高效访问，市场数据丰富可视化展现，市场成员便捷、安全接入，全面支撑电能现货市场、辅助服务市场等不同类别电力市场产品的业务功能需求。

技术支持系统整体构建于统一支撑操作平台之上，并通过企业统一支撑平台与现有EMS、订单管理系统(operation management system,OMS)及中长期交易系统实现模型、数据、业务融合。系统的服务器、操作系统、中间件、数据库及应用核心功能优先按照国产化原则设计。

根据中国电力行业二次系统安防要求及现货市场自身业务特点，电力现货市场技术支持系统跨安全Ⅱ区、Ⅲ区、信息外网进行部署，如图1所示。其中，现货市场核心的出清计算等功能属于非控制生产类应用部署在安全Ⅱ区，Ⅲ区主要是结合管理类需求，部署评估分析与模拟推演类功能。涉及与互联网市场成员申报发布等交互类功能要通过物理隔离进行安全防护。

1.3 功能架构

系统功能设计采用分层架构设计，从下往上分别为基础平台层、管理服务层、市场应用层、市场仿真层、综合展示层，层与层之间、功能模块之间采用服务化访问调用，实现系统模块间松耦合与可扩展性，如图2所示。

1)基础平台层。基础平台层各类基础平台相关功能与服务组成，整体上可利用现存的传统架构实现。随着近年ICT发展，平台层应借鉴互联网平台建设理念，基于“云”技术架构，采用虚拟化、分布式等技术，建立基础设施层(infrastructure as a service,IaaS)和平台层(platform as a service,PaaS)，为上层应用功能提供基础服务和组件[15]。

2)管理服务层。针对电力现货市场系统自身应用提供考虑安全约束的机组组合(security constrained unit commitment,SCUC)与考虑约束的经济调度(security constrained economic dispatch,SCED)优化、安全校核等公共服务、核心算法和市场管理服务和工具，组成了市场系统基础运行环境和应用搭建平台。

3)市场应用层。市场应用层依赖管理服务层提供的核心算法、市场模型及公共服务，按照业务流程需要实现现货市场主要业务功能，包括中长期交易计划管理及电量分解、长周期机组组合、日前市场、日内计划、实时市场、市场结算、评估分析等功能。

4)市场仿真层。基于一体化现货市场系统模型、数据及仿真数据开展市场模拟仿真。

图1 电力现货市场技术支持系统总体架构Fig.1 Overall architecture of technical support system for electricity spot market

图2 电力现货市场技术支持系统功能结构Fig.2 Function architecture of technical support system for electricity spot market

5)综合展示层。借助各类图表、图像、控件等可视化展示技术系统对外提供现货市场出清及分析结果数据，并对外展示与发布。

2 关键技术

2.1 一体化支撑平台

电力现货市场技术支持系统一体化支撑平台为现货市场系统各项应用提供稳定、易用、高效的基础运行环境，兼具调度实时运行监控特点和交易支持系统特点，在模型、数据、功能等方面需要与EMS、OMS及中长期交易等相关系统实现互操作。

1)高性能与高可靠。针对高频、高密度、海量的电网运行及市场运营数据，采用面向大数据的分布式数据存储与访问机制，支持大规模市场用户交互访问及市场运行计算要求，并通过负载均衡、多机集群、异地互备与同城双活等技术手段提升系统高可靠性运行。

2)灵活扩展易集成。建立灵活可扩展的架构体系，利用微服务、虚拟化、容器等最新技术[15-16]，将低耦合、高重用、独立高频调用的功能模块微服务化，根据现货市场业务需求对相关功能基于服务和微服务整合封装和虚拟化容器化部署，即插即用适应现货市场中交易品种及市场模式变化要求，实现不同业务功能灵活集成，提高技术支持系统运行可靠性和问题排查、现场部署升级效率。

3)立体安全防护体系。针对现货系统面临着接入用户多、接入方式多样、网络环境复杂、安全要求等级高等挑战，从系统安全、业务安全、数据安全、接入安全等多方面建立全纬度安全防护体系。通过采用安全加密信道及身份认证、网络边界防护、隔离装置等安全措施，为业务提供数据源认证、数据加密、数据完整性验证等多种安全功能，有效抵抗窃取网络信息、篡改网络数据、网络重放攻击，确保数据的安全性或通过网络诱骗防止内部网络信息等攻击，构建事前预防、事中监测、事后审计全过程安全控制手段。

4)强交互体验。随着大数据、云计算、互联网技术快速发展，各类大数据可视化展示技术突飞猛进，传统的基于简单表格、以数据详细内容为主的展现方式将难以满足电力现货市场系统应用需要，需要利用大数据分析技术提炼出市场运行各类关键性指标数据，借助增强现实、虚拟现实、地理信息系统(geographic information system,GIS)、三维(three-dimensional,3D)、图形联动钻取等可视化技术来对指标进行全方位个性化展示，全景展示电力现货市场运行态势。

2.2 稳定可靠的核心算法

1)市场出清模型算法

电力市场出清模型是进行资源优化配置的核心引擎，依据发用电双向竞价市场价格信息，建立大规模电网安全约束机组组合和安全约束经济调度的优化模型与电价出清模型[17]，适应多种电源类型、考虑系统平衡、机组运行、电网安全、分区平衡等多种约束，基于高效的混合整数规划算法，实现多时段耦合全局寻优。由于各种原因，各地在出清规则上会存在差异，出清模型也需要根据规则和调度运行要求，对出清模型的约束条件和目标函数进行调整和补充。

通过优化求解可获得节点边际电价(locational marginal price,LMP)[18]，反映了电能在不同时空的价格信号。LMP是边际电能价格、网损价格和阻塞价格的总和。边际电能价格是在不考虑电网阻塞与网损情况下的全网无约束统一购电边际成本，反映了电力实时平衡的物理特性；边际阻塞价格是由电网阻塞造成的节点购电边际成本分量，反映了电网输电能力这一资源的稀缺性；边际网损价格是由电力传输损耗造成的边际成本，反映了电力有损传输的物理特性。LMP分析在国外电力市场中已经得到广泛应用，在国内处于起步阶段。

在电能市场优化出清的基础上,进一步建立电能与辅助服务联合优化模型,将电能量市场与调频市场、运行备用市场等辅助服务市场的决策过程统一进行，将对核心模型的算法性能提出更高要求。

优化算法是电力现货市场优化出清的核心，必须进行透彻验证。可以从3节点、5节点等可明确优化结果的简单标准算例开始，从准确性、收敛性、稳定性、安全性等方面进行充分的对比分析，逐步发展到多节点标准复杂算例和实际电网算例进行验证，经过持续运行分析后方具备上线运行条件。

电力现货市场牵涉到调度方式转变，市场规则设计需要结合当地电网运行特点，充分考虑在计划体制下，运行部门长期以来在大规模电网安全稳定运行方面积累的大量经验。市场出清模型算法也要根据不同阶段、不同主体对象参与市场方式，不断进行适应性建模调整。比如目前国内在输配电价核算已覆盖网损条件下节点电价网损分量的处理、丰枯水季节对水电建模、调频和调峰辅助服务市场与电能市场在初期如何相互配合协调建模等。

2)市场出清算法规则库

基于对市场出清规则分析，将市场出清规则分解成多个可配置的出清算法、定价机制组成部件，通过不同出清算法和定价机制灵活组合形成出清算法规则库，如图3所示，可用于适应不同地区下不同市场模式、不同交易品种的建设要求及市场过渡期政策及规则变化[19]。

图3 市场出清规则库功能结构Fig.3 Function structure of market clearing rule library

3)基于组件库的统一结算算法

结算业务与市场交易主体的经济利益紧密相关，直接影响到电力市场的平稳运营。随着市场主体日益丰富，交易模式更为灵活多样，各个市场主体之间的利益关系更加错综复杂，从而对电力市场交易结算业务提出了新的挑战，结算功能需要适应各种结算规则的要求。

根据结算业务把结算功能分为结算算法、结算规则、结算元素、结算参数、结算类型等子模块，所有子模块都通过组件化方式进行实现，每个子模块单独配置，多个子模块灵活组合形成业务需要的结算算法实例，并在结算业务过程中由结算计算引擎进行解析和调用，形成结算电量和电费等信息。基于组件化的结算算法设计[20]，能够灵活适应节点价格、分区价格、系统边际价格等多种定价机制，大用户、售电公司、发电商等不同市场主体，电能、辅助服务以及金融输电权、容量市场等不同电力市场商品结算需求。

2.3 全维度模型与数据管理

在引入市场化机制后，市场成员更加多样化，包括发电企业、用户、售电公司、调控机构、交易机构、监管机构等，各个市场成员之间、各个市场化业务之间的数据交互更加复杂多样，对数据完整性、可靠性、一致性和时效性等提出了更高的要求。

1)全维度、动态市场模型管理

市场模型是电力现货市场技术支持系统的核心和基础信息。通过全维度、动态市场模型管理,建立空间维度、时间维度统一的市场模型[21]，并能平稳灵活地适应因市场规则和业务变化引发的模型调整，是整个系统可用和实用的关键。

市场模型需要在空间维度上建立与电网模型关联，实现经济模型与物理模型的统一，为安全校核提供基础,如图4所示。市场模型主要关注市场主体的经济和商业属性，而电网物理模型主要关注设备或机组物理运行特性及其连接关系。二者的关联也是电力现货市场技术支持系统与EMS数据交换的基础。

在时间维度上，对所有市场模型建立时间可回溯的模型版本管理，确保模型全生命周期的管控，保证市场计算结果事后可反演，满足审计要求。

电力市场相关业务的复杂性导致其业务需求及规则不确定性和多样性，市场模型包含的属性信息也会随之发生变化。将市场模型属性信息分别固定属性和可扩展属性两部分，固定属性采用固定存储方式，一般为基本的、标准化的、常用的、不随业务变化的模型属性，可扩展属性主要针对个性的、随业务场景变化而变化的模型属性，采用参数动态定义的通用存储方式，实现模型属性的动态扩展。

图4 市场主体建模示意图Fig.4 Schematic diagram of market entity model

2)多场景应用数据管理

在市场出清等环节需要基于大量运营数据进行计算分析，不同场景下需要获取不同的应用数据并集合为一个整体形成案例。多场景应用数据管理用于提供一种案例管理工具，根据不同交易品种和业务需求，自动抽取相关数据形成完整的计算分析的数据环境，如基于短期预测数据用于日前市场出清的日前场景案例、基于超短期预测数据用于实时市场出清的实时场景案例、基于实测和历史数据用于研究分析的事后场景案例等。多场景应用数据管理是市场运营和市场监管等相关人员解决电力市场交易计划追溯、事后分析和审计的关键技术。

在多场景应用数据管理中，如图5所示，根据业务需要，通过灵活可配置的场景数据抽取规则把各类数据抽取到案例数据表中，针对计算场景需求形成案例，在案例环境中根据需要调用出清等相关服务进行分析计算。所有案例独立存储，支持保存、重命名、导入、导出、存档和检索等功能，最终选为发布的案例将归档封存。

在进行事前行为测试及事后评估分析时，可以利用多场景应用数据管理可以同时形成多套计算案例，案例之间仅有局部数据设置差异，多套案例在不同计算环境中计算，通过算例输入数据和输出结果的多场景差异性对比，可以为市场运行人员找出这些数据变化带来的影响提供量化分析依据。

3)全过程数据质量管理

各类外部数据接入质量直接影响后续市场出清结果准确性、合理性及可执行性，因而对EMS等外部应用提出更高要求，如EMS实时采集数据和状态估计断面数据、负荷预测的精度、校核限额和检修计划的规范电子化等。必须对这些外部接入数据进行严格的数据校验,尽量避免数据质量问题影响市场正常运行。通过挖掘市场业务数据特点及内在逻辑联系，建立全面、丰富、可灵活配置的数据校验及校正专家规则库[22]，由数据校验引擎在数据接入时根据设置的数据校验规则对数据进行全面甄别、校验并对坏数据进行校正，对不满足校验规则的数据进行告警并采用一定的校正措施，当数据存在严重错误时则不进入市场数据库，确保进入市场数据库的数据满足市场计算要求。

图5 多场景数据管理Fig.5 Multi-scenario data management

数据校验规则库采用了服务化插件方式实现，灵活支撑数据种类及其对应校验规则配置。各类数据接入过程中所产生的校验告警与错误日志进行存档记录，定期通过数据审计功能对所有外部数据进行阶段质量分析，并结合一定的数据质量评分原则形成数据质量量化指标。

2.4 全景评估分析

根据市场监管和运营分析的需求，建立科学、全面的市场评价指标体系，涵盖市场与电网运行等各个方面，全景反映现货市场运行状况及未来发展趋势，提前预判市场潜在运行风险。

基于大数据分析技术，从市场结构、市场安全、市场运营、市场效益、市场力、调度运行等方面，对市场运营、电网运行、市场注册、市场结算、市场成员行为记录等海量数据进行全景评估分析和深度挖掘。

1)市场结构评估分析，包括市场集中度、TOP-m份额指标、供应剩余率、市场竞争空间等指标分析。

2)市场安全性评估分析，包括短期安全性指标分析、长期性安全性指标分析、发电容量充裕度分析、输电容量充裕度分析等。

3)市场运营评估分析，包括市场申报参量指标分析、供需指标分析和成交指标分析等。

4)市场效益评估分析，包括现电价类指标分析、节能减排指标分析、容量利用率指标分析等。

5)市场力分析，包括事前行为测试和事后影响分析，当市场报价未通过市场力检测分析时，采取一定市场力抑制措施后方可参与市场出清，移植措施包括采用核定的成本或报价最高限价来替换市场报价。

6)调度运行指标分析，包括预测准确率、计划执行情况、机组调节性能指标、启停履约率等指标分析。

2.5 仿真模拟推演

在统一平台支撑基础上，建立电力市场仿真模拟环境，实现电力现货市场多交易品种、多交易周期、多市场规则、多市场角色报价行为的仿真模拟推演，满足市场规则评估、运营模拟、系统功能测试验证和运营人员培训教学[23]等业务需求。

仿真模拟推演主要包括电网仿真模拟、市场规则仿真模拟、市场行为仿真模拟，共同形成电力市场仿真模拟环境，如图6所示，并通过市场仿真模拟运行及结果分析形成闭环。

图6 模拟推演仿真Fig.6 Deduction simulation

市场成员行为仿真具有博弈特征，是市场仿真建模的核心问题，主要采用智能代理等技术，模拟不同类别市场主体通过对市场信息和行为的反馈进行学习，不断调整报价决策的过程。市场规则仿真主要对交易品种、竞价规则和出清规则的仿真，模拟相关参数修改调整后对市场成员的影响。电网仿真主要对电网设备进行模拟操作，主要用于模拟调度运行操作对电网和市场运行的影响，并量化评估在此过程中各主体损益情况，可以为规则细则调整和系统实用化提供量化依据。

市场模拟运行提供支持模拟不同周期、不同交易品种的市场在时序上并行运行和顺序运行调度技术，通过设定不同市场下市场业务流程模版，构建多个市场运行实例，根据业务流程执行顺序自动触发和人工激活市场流程，依次完成每个市场运行实例中的需求发布、市场报价、市场出清、信息发布、结算等流程节点。同时对每个市场运行实例的各个环节进行动态监视，实时显示市场实例运行中出现告警异常等信息。