省级电力现货市场技术支持系统技术架构设计

蔡 宇，肖艳炜，张国芳，昌 力，许洪强，常乃超

（1. 国家电网有限公司国家电力调度控制中心，北京市100031；2. 国网浙江省电力有限公司，浙江省杭州市310007；3. 国网四川省电力公司，四川省成都市610041；4. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市211106）

0 引言

中国经济体制改革持续深入推进，电力市场化改革的态势愈发显著。《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》［1］及其配套文件的发布，开启了新一轮深化电力体制改革的序幕。此轮电力体制改革中的一个重要任务是建立中长期市场为主、现货市场为补充的电力市场体系，落实“市场在资源配置中起决定性作用”的部署［1-2］。2017 年8 月，国家发展改革委、能源局联合发文选取了南方（以广东起步）、甘肃、浙江等8 个地区开展电力现货市场试点建设，中国正式进入电力现货市场时代。

从20 世纪90 年代开始，西方国家进行了一系列的电力市场化改革，形成电力市场化建设的基础理论及实践经验，中国学者也对电力市场建设进行了大量的研究，主要包括:①国外电力市场的总体建设情况，最为典型的代表是美国PJM 市场、英国市场和北欧市场［3-7］；②研究分析电力市场中的某个环节，如电力现货市场、平衡机制等［8-13］；③研究国外电力市场建设经验教训［14-16］。中国在电力现货市场技术支持系统方面的研究仍处于探索阶段。文献［17］对电力现货市场技术支持系统涉及的关键技术进行了探讨；文献［18］结合中国南方区域电力现货市场具体情况对其技术支持系统方案进行了研究。

电力现货市场运行是电网调度运行的重要组成部分，电力现货市场的运营与电力调度自动化系统密不可分。目前，已建成的智能电网调度技术支持系统（简称D5000 系统）已包含计划类相关功能，能够实现国、网、省三级调度计划的统一协调，发挥特大电网资源优化配置能力［19-20］。同时，D5000 系统留有新增市场类相关功能接口，可支持调度运行与市场交易有机衔接，促进电力系统的安全运行和市场的可靠运转。在正在建设的新一代调度自动化系统中，也规划了计划市场类应用场景，全面支撑现货及辅助服务市场的运营。

电力现货市场技术支持系统的建设应遵循安全可靠、自主可控的原则，充分吸收国内外先进技术和成功经验，以确保电网安全稳定运行为根本前提，立足于满足初期现货市场运行和清洁能源消纳并兼顾未来成熟市场运行的需要，保障电力体制改革的落地生根，支撑能源互联网建设。本文针对目前复杂多变的电力现货市场，提出了基于调度自动化系统建设电力现货市场技术支持系统的建设思路、目标和原则，从软件、硬件、安全防护和平台集成等方面介绍了建设的技术方案，并分析了系统建设成效，对中国电力现货市场的发展具有参考意义。

1 建设需求及思路

1.1 建设需求

市场化电力电量平衡机制需要中长期交易与现货交易配合。交易中心建设的新一代电力市场交易平台支撑了交易、计划、结算、合同等核心交易业务，但无法支撑现货交易。现有的电力交易平台在现货市场业务开展能力、考虑电网约束的优化计算能力、对交易业务变化的快速响应能力、海量数据接入和高性能运算处理能力、数据即时共享及业务互动能力等方面欠缺较大，难以满足现货市场业务的新需求。

电力现货市场的运营与电网安全稳定运行紧密不可分割。现货市场的出清、执行和清算既需要调度自动化系统提供的电网模型、断面限额、停电计划、负荷预测等信息，又高度依赖基础平台及各类应用功能的支撑。D5000 系统支撑了计划体制下发用电资源优化配置，但对市场体制下的支撑能力存在不足，在发用电需求申报、优化出清、安全校核、信息发布等应用功能方面不能有效满足电力现货市场的需要。

1.2 建设思路

当前，各级调度控制机构广泛使用的电力调度自动化基础平台，已实现了国、分、省级调度控制机构使用全覆盖。该平台具有基础坚实、横向应用集成、纵向数据贯通、功能全面的特点。调度自动化系统应用包括实时监视类、自动控制类、分析校核类、调度管理类、模拟仿真类、运行评估类、计划市场类和数据交换类共八大类，实现了电网实时监控与智能告警、电网自动控制、网络分析、水电及新能源监测、检修计划等多项业务。

正在开展建设的电力现货市场技术支持系统作为调度自动化系统的一个子系统（简称为现货子系统），近期基于D5000 系统，远期融入正在建设的新一代调度自动化系统，通过扩展建设应用功能，支撑调度机构现货市场业务开展，实现电网安全和现货市场运转的有机统一，是综合业务需求、系统性能、功能互动、建设经济性和周期性方面因素的合理选择。如图1 所示，充分利用现有调度自动化系统的软硬件资源，复用调度自动化系统数据交换、潮流安全分析等功能，在调度自动化系统计划市场类应用中建设日前市场、日内市场、实时市场、辅助服务市场和风险管控等功能模块，在模拟仿真类应用中建设市场模拟推演功能模块，在运行评估类应用中建设市场评估分析、市场监管支持2 个功能模块。同时，结合现货市场需要，提升自动发电控制、负荷预测、电能量计量及安全校核等功能。

图1 电力调度自动化系统总体设计Fig.1 Overall design of power dispatching automation system

现货市场全面启动运行后，电力现货子系统日前市场、日内市场、实时市场功能将逐渐承担调度自动化系统发电计划应用大部分功能，为保证计划到市场模式平稳过渡，计划与现货市场类应用将长期并列运行并根据需要在两者间进行切主运行。

2 系统建设目标

在现有调度自动化系统平台上，满足“架构先进、安全可靠、运营高效、功能完备、界面友好”5 个方面的建设目标，设计开发建设电力现货子系统，实现对电力现货市场运行的全面技术支撑。现货子系统应具备以下几个目标。

1）架构先进。现货子系统应遵循云架构思想和面向服务的设计理念，统一平台、统一消息总线、统一数据接口，实现优化算法服务化和组件化。

2）安全可靠。现货子系统应保证现货市场运营所需的物理安全、系统安全、应用安全和数据安全，满足设备N-1 的高可靠性运行要求，确保数据的私密性、完整性和及时性。

3）运营高效。现货子系统应支持千级并发数、万级用户访问数，支持快速优化出清，保障市场运营高效。

4）功能完备。现货子系统应满足电力现货市场的市场规则和发展目标，满足现货市场运营的功能要求，确保系统的实用性和适用性。

5）界面友好。现货子系统应支持功能和部署的灵活扩展，支持可视化展示，适应现货市场逐步发展完善的需要。

3 技术方案

3.1 系统设计原则

现货子系统建设时应遵循安全可靠、自主可控的要求，充分吸收国内外先进技术和成功经验，以确保电网安全稳定运行为根本前提，立足于满足现货初期市场运行和清洁能源消纳，兼顾中远期市场运行的需要，保障电力体制改革落地生根，有以下设计原则。

1）安全第一。电力现货市场与调度运行工作紧密衔接，现货子系统设计研发建设过程中，要以电网安全为首要原则，保障电网安全稳定运行。

2）统一标准。现货子系统应以统一标准、统一平台、统一模型、统一接口为基础，统筹规划建成满足初期市场并兼顾中远期市场扩展需求的技术支持系统。

3）需求导向。要以现货市场规则和市场业务应用需求为导向，设计系统功能和人机界面，并能充分适应业务需求的发展与变化。

4）相对独立。现货子系统保持相对独立运行，采用独立数据库等逻辑分离技术措施，确保安全风险的有效解耦。

5）经济适用。坚持实事求是、简约高效，充分利用现有的硬件和软件资源，紧密结合现货市场和调度计划的业务特点和发展需求，逐步完善、有序推进。

3.2 系统功能架构

调度自动化系统基础平台全面支撑现货子系统，提供数据存储与管理、公共服务、通信总线、人机交互、系统监视与管理功能等基础平台服务，现货子系统利用调度自动化系统数据交换应用实现与外部系统数据交互，利用调度自动化系统分析校核类应用安全校核功能实现出清结果潮流安全分析。

基于调度自动化系统基础平台形成现货市场子系统，支撑现货市场运营的主要场景，主要功能包括市场模型与数据管理、申报发布数据管理、可靠性机组组合、日前市场、日内市场、实时市场、辅助服务市场、市场监管支持、市场评估分析、市场模拟推演等。此外，还包括调度自动化系统相关功能数据交换、潮流安全分析、调度计划、预测功能等。考虑现货市场安全运行要求及各功能实现业务特征，主要功能中市场模型与数据管理、申报发布数据管理、可靠性机组组合、日前市场、日内市场、实时市场、辅助服务市场等核心应用功能应部署于安全Ⅱ区，其余功能部署于安全Ⅲ区。

电力现货子系统功能架构如图2 所示。

图2 现货子系统功能架构Fig.2 Functional architecture of electricity spot market subsystem

现货子系统主要包括以下应用功能。

1）市场模型与数据管理:用于对市场出清计算所需市场模型、各类外部数据及市场参数进行集中管理与维护，为后续市场出清计算提供准确、可靠的市场模型和输入数据。

2）申报发布数据管理:管理和审核来自统一电力市场交易平台的发电企业、大用户、售电公司等市场成员申报信息，并对相关申报发布数据采用数据加密机制保证数据安全性，按照市场信息披露原则审核需要向统一电力市场交易平台等系统提供的市场发布信息。

3）日前市场:是根据市场规则确定中长期合同日分解曲线及长周期机组组合方式，进行满足安全校核的市场出清计算日前市场，支持运行日前一天（D-1 日）进行的决定运行日（D 日）机组组合状态、机组出力计划、机组中标价格、中标负荷及负荷中标价格的电能量市场，支持以安全约束机组组合（SCUC）及安全约束经济调度（SCED）优化出清。

4）日内市场:是根据市场规则确定日内机组组合方式，进行满足安全校核的市场出清计算，支撑形成日内调度计划和可快速启停机组开停机决策，每15 min 滚动计算未来30 min 至多个小时的快速启停机组启停计划、机组出力计划及价格，滚动频率及时间尺度可根据不同地区市场出清计算频率要求进行灵活设定。

5）实时市场:根据电网当前运行状态、最新系统负荷预测和实时市场报价（可采用日前封存报价），在日前与日内滚动机组组合基础上，采用SCED 每15 min 滚动计算未来15 min 至2 h 的机组出力计划及价格。滚动频率及时间尺度可根据不同地区市场出清计算要求灵活设定。

6）可靠性机组组合:考虑电网安全、机组运行、系统平衡等约束条件，通过SCUC 计算得到机组组合计划。支持滚动决策未来7 天或多天因电网安全或机组运行需要提前确定的机组组合计划，支持考虑96 个时段以内的机组组合，在市场出清后根据电网安全运行需要形成满足电网安全运行要求的机组组合。

7）辅助服务市场:基于市场竞价下的辅助服务产品市场化交易，辅助服务交易品种包括调频、备用。辅助服务市场功能包括调频辅助服务市场、备用辅助服务市场及辅助服务市场收益分析等业务模块。

8）市场风险管控:实时监视市场运行状态，对市场各类运行风险进行识别，评估风险对社会经济生活可能造成的损害程度并进行告警提示，同时根据告警级别选择有效的管控手段，有计划有目的地管控风险，保障市场平稳、健康运行。

9）市场监管支持:电力市场运营机构内部监管提供技术支持，根据有关法律、法规和规章对市场主体、电网运营企业、市场运营机构及其市场行为进行监督和管理，以实现电力市场竞争的合理、有序、公正、公平和公开。

10）市场评估分析:基于电力现货市场运营、电网运行、市场注册、市场成员行为记录等数据，从市场供需、市场报价、市场集中度、市场交易结果、市场行为等多方面及市场运营机构和市场成员等多对象对市场进行分析，通过量化指标评估电力现货市场运行状态。

11）市场模拟推演:用于市场运营模拟与评估、运营技术验证、市场运营人员培训等，主要基于现有的出清模型和算法，对市场模型、市场参数、市场运行边界、约束条件等数据进行调整或从外部导入历史算例，开展电能量、辅助服务等市场的模拟出清、结果分析，评估不同市场环境下市场运营效率和运营风险。

3.3 硬件架构

现货子系统采用物理机部署，遵从双机双网的架构设计，充分利用调度自动化系统原有硬件资源，确保业务的稳定性与连续性。网络划分为调度数据网、业务局域网、存储区域网络（SAN）存储网三层网络，与调度自动化系统交互的节点采用双网卡配置。

硬件配置满足现货市场主要应用功能需求，在安全Ⅱ区部署磁盘阵列、关系数据库服务器、市场（日前市场、日内市场、实时市场和辅助服务市场）应用服务器、出清计算服务器、安全校核服务器、风险管控服务器、光纤交换机、加密机等硬件设备。在安全Ⅲ区部署市场评估分析服务器、模拟推演应用服务器、市场监管服务器、市场监管关系数据库服务器等硬件设备。省级电力现货子系统硬件配置示意图如图3 所示。

3.4 安全防护

现货子系统应依据电力监控系统网络安全相关管理规定，遵循“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的基本安全原则，采用高强度、全方位安全防护技术，满足计算机和网络安全、操作系统和基础软件安全、应用软件安全、终端安全、监测预警等方面相关要求，重点强化数据安防措施和运维人员管控措施。现货子系统网络安全架构如图4 所示。

图3 电力现货子系统硬件配置Fig.3 Hardware configuration of electricity spot market subsystem

图4 现货子系统网络安全架构Fig.4 Network security architecture of electricity spot market subsystem

现货子系统的交易数据在传输、存储过程中需要保障数据的机密性与完整性。对用户申报数据等敏感信息应使用现货子系统专用公钥加密传输，以保障数据的机密性；同时，应使用用户电子钥匙对申报数据签名，以保障数据完整性和交易抗抵赖性。在现货子系统与交易中心等机构的业务数据交互过程中，应使用数字证书实现安全交互；通过密钥协商机制，生成会话密钥，实现数据加密通信；通过数字签名，保证数据完整性及抗抵赖性；采用专用安全硬件（如加密机），保障密钥存储的安全性。在传输过程中应规避申报数据落地和解封的风险，用户申报数据以“不落地”方式传输到现货子系统，通过签名验证后以原有密文形式存储，待开标时使用专用硬件中存储的私钥统一解密。

现货子系统应通过内部专用设施加强对运维人员进行安全管控，采取严格的身份认证和运维授权，对运维人员的操作进行全过程监视审计，保障系统的运行维护行为可管控、可追溯，降低数据泄露风险。

3.5 数据交互

现货子系统对外通过调度自动化系统数据交换应用与统一电力市场交易平台、结算系统、营销系统等外部系统的横向数据交换，交换数据包括中长期交易结果、市场成员注册信息、现货市场申报发布信息、市场出清结果、执行结果等。省级电力现货子系统与省间电力现货子系统、区域辅助服务市场子系统之间纵向交换省间现货与区域辅助服务现货市场的申报数据和出清结果等。

对内通过调度自动化系统基础平台与系统内其他应用功能进行数据交换。系统内部交换的数据主要包括:市场模型数据、电网运行数据、检修计划、投退役计划、联络线计划、断面稳定限额、预测信息、市场出清结果等。

现货子系统应用功能基本的数据交换情况如图5 所示。

图5 现货子系统数据交换Fig.5 Data exchange of electricity spot market subsystem

3.6 D5000 系统功能优化提升

为保障现货市场各项业务的正常开展，可根据实际情况，对调度自动化系统中不满足现货市场要求的现有应用功能进行优化提升，主要包括自动发电控制、电能量采集、负荷预测、安全校核、“两个细则”考核等功能。

1）自动发电控制。改造完善自动发电控制相关功能，使之具备接入现货市场出清结果并进行闭环控制的要求，提供适应市场模式的控制策略和控制模式，具备根据市场出清结果自动修改机组控制参数和控制模式的功能。

2）电能量计量。提高电量数据的采集频率、电量采集完成率和及时性，完善发电厂机组、售电公司关口等采集范围，强化电量数据的准确性校核及统计分析，为电力市场提供电量结算数据。

3）负荷预测。考虑未建模小电源运行方式、负荷转供、设备检修、市场价格等因素对母线负荷影响，考虑各种气象因素、各类型的日期模型对负荷的影响，针对现货市场下负荷运行特征变化，提供实用有效的预测算法，支持各因素对预测误差的影响分析和反馈，支持自动调整预测方法，支持自动启动预测，支持市场化负荷与非市场化负荷区分及预测，支持超短期和短期的系统负荷与母线负荷之间相互自动校验和修正功能。

4）安全校核。通过对现有的断面稳定限额计算功能进行升级完善，综合考虑中长期合约与现货市场的不确定性，对电网可能出现的多种典型、极端方式进行分档限额计算，为多日可靠性机组组合、日前市场出清、日内滚动出清及实时平衡市场出清提供分档控制限额计算，以保证电气设备及电网的安全运行。

5）“两个细则”考核。根据市场建设情况，视规则要求调整完善“两个细则”考核功能，确保“两个细则”考核与市场的衔接。

3.7 主备系统建设

鉴于电力现货子系统的泛金融性质，系统实时运行的可靠性要求高，需要建设冗余系统。

冗余系统采用“A/B 节点、双活运行”的原则建设，2 套系统间系统架构和核心模块配置保持一致并提供统一的对外服务和数据接口，通过A/B 系统数据同步服务实现A/B 系统间电网模型、配置信息、操作数据、业务数据中间结果双向高速同步，系统具备双活运行和用户无感自动切换，功能数据切换及时、平稳过渡。同时，A/B 系统各自也分别通过独立数据传输通道与国调（分中心）A/B 系统及外部A/B 系统进行双向交叉的数据交互，保证双活运行的可靠性及可用性。现货子系统双活运行示意图如图6 所示。

图6 现货子系统双活运行示意图Fig.6 Schematic diagram of dual-active operation for electricity spot market subsystem

4 关键技术

4.1 多元主体参与下的现货市场联合出清算法

现货市场出清算法是现货子系统的核心，对其计算效率、准确性、适应性要求极高。随着可调负荷、负荷聚合商、电动汽车、储能等新型多元主体参与市场，备用、调频与电能量市场联合运行，需要深入分析上述多元主体运行特性，加入多种类型的优化计算约束条件，构建以综合供电成本最小或社会福利最大化的优化目标函数。针对大规模优化变量下市场出清计算效率问题，采用机组启动预判、无效约束筛选、优化时段归并等模型降维策略来缩小优化计算的解空间，提升效率。利用交直流迭代技术实现安全与效率双重考虑，在优化出清算法内采用基于灵敏度信息的直流潮流计算缩短求解时间，在外部通过交流潮流计算来校验结果是否符合电网安全运行要求［21］。

4.2 全过程数据安全防护技术

针对现货市场报价类敏感数据，在申报终端采用数字证书、生物识别等多因子认证技术，保障申报人员身份真实可靠，使用基于非对称的国家商用密码技术，对用户申报数据等敏感信息进行加密传输和存储，通过数字证书签名、电子签章等技术对申报数据进行签名，保障数据完整性和交易抗抵赖性。在现货子系统与交易中心等机构的业务数据交互过程中，通过密钥协商机制生成会话密钥来构建加密数据传输通道，通过数字签名保证数据完整性及抗抵赖性，采用专用安全硬件（如加密机）保障密钥存储的安全性。构建市场数据区块链，把各类关键数据进行筛选、处理和上链加密存储，利用智能合约对链上数据进行校验和分析，实现数据的分布式存储、防篡改、可溯源。

4.3 市场全景监测与风险评估分析技术

电力现货市场交易频度高、交易品种多、交易体系复杂以及与电网运行关系紧密等特征增大了市场运行风险，基于电力现货市场运行所产生的海量运营数据，利用大数据处理、分析和动态感知技术对电力市场运行情况进行全景监测与风险评估。针对市场运营过程中的市场力、价格异常等风险，从市场结构、市场供需关系、市场主体地位、市场参与者行为等方面入手，构建电力市场运行风险量化特征体系，形成市场运行风险模式库。利用数据挖掘、机器学习等技术手段，搭建电力市场运行风险智能识别神经网络，从“事前”“事中”“事后”等多个维度，智能感知异常市场行为，并给出客观、直观的风险评估结果。

4.4 基于人工智能的市场模拟仿真技术

在现货市场正式运行之前，一般会依据市场规则建立一套模拟仿真计算环境，在不同电网架构、不同供需形式、不同运行方式、不同市场主体参与等条件下模拟推演市场运行，基于计算结果来分析市场规则的合理性。市场模拟仿真包括电网模型仿真、市场模型仿真、市场报价仿真、市场运行仿真等，实现对物理电网、市场成员、报价、出清、结算、分析等全业务仿真，通过灵活便捷的模拟仿真场景设置支持多市场模式、多交易品种、多交易时序运营仿真，既要能准确基于当前市场开展市场预测、推演，更要仿真预设未来市场要求。其中，市场报价仿真具有非线性、不确定性、复杂性的特点，受运行成本、市场供需、经营策略、主体知识水平、经济环境等多因素影响，借助人工智能强化学习框架能够有效解决电力市场下复杂博弈问题［22］，通过多智能体深度强化学习算法实现自主决策优化下的报价仿真，进而促进人工智能从浅层特征分析发展至深度逻辑分析，从环境感知发展至自主认知与行为决策，从电力系统业务辅助决策发展至核心业务决策。

4.5 双活系统数据同步技术

双活系统间通过统一数据同步服务完成商用库、实时库、消息、文件的高可靠、高吞吐量、低延迟的双向同步，配合同步优先级和同步时效性管理功能，实现双活系统间数据的最终一致性。其中，商用库同步主要通过2 项技术实现:基于包含询问、预提交以及正式提交阶段提交协议实现的一致性技术，以及基于平台归档文件的数据提交实现的主从异步复制技术；实时库同步通过由应用触发的阶段数据同步技术和基于数据缓存的同步数据重传技术达到双活系统间实时库的一致性同步；消息代理转发技术通过消息缓存机制实现双活系统间的消息同步功能；双活系统间的文件同步采用增量同步技术确保系统间文件数据的一致性。另外，双活系统间还提供多副本管理技术，用以冗余存储请求数据，确保双活系统之间通信故障时的数据一致性；同时通过服务代理降低系统间同步的耦合度，提高同步数据发送吞吐量，降低同步延迟。

5 建设成效分析

中国山东、山西、浙江、福建、甘肃、四川等8 个试点地区率先建成了省级电力现货市场技术支持系统，并开展一系列调电与结算试运行，验证了电力现货市场规则和系统对电力现货市场长周期运行的适应性。

在国家电网有限公司经营范围内的6 家试点单位结算试运行中，总体上市场平稳可靠，电网安全稳定，均未出现系统宕机等影响市场连续运营的严重问题。由于各省独立建设，市场规则、系统运行环境各不相同，性能指标也不相同，本文以国家电网有限公司经营范围内最低性能进行统计。

1）系统设计用户规模不小于5 万，包括电厂数量不小于200个，售电公司数量不小于500个，220 kV电力用户数不小于100 个，110 kV 电力用户数不小于350 个，35 kV 电力用户数不小于1 200 个。可容纳在线用户数不小于2.5 万，并发访问操作不小于2 000 个。

2）设计出清计算模型最大机组数不小于1 000 台，最大母线负荷节点数不小于2 000 个，最大线路数不小于5 000 条。

3）满足性能指标要求:在1 000 台发电机组，2 000 个负荷节点，5 000 条网络支路的电网规模下，日前市场出清计算时间不大于30 min，16 时段日内滚动计算时间不大于10 min，实时市场8 时段出清计算时间不大于3 min。界面响应时间不大于2 s。

4）与全国统一交易平台、财务系统等多个系统交互正常，接口数据及时可靠，为市场分析存储了大量基础数据。以某省为例，在试运行期间历史库存储数据100 GB，交互文件88 GB，优化潮流计算过程数据文件130 GB，为电力市场分析评价和市场监管奠定了良好基础。

6 结语

2020 年电力现货市场建设已进入关键时期，本文提出了基于调度自动化系统建设适用省级电力现货市场运营的技术支持系统技术架构，从建设需求、建设思路、建设目标、技术方案等方面进行探讨，并通过试点省份运行情况，验证了方案的可行性。未来将在省间电力现货子系统、省间/省级市场系统交互，以及根据各省电网运行特点细化功能等几个方面进一步开展研究。