电力现货市场仿真实验平台建设及应用

2021-07-15刘宁宁

山东电力高等专科学校学报 2021年3期

胡蔓，刘宁宁，杨明

（山东大学，山东济南 250002）

0 引言

自2015年以来我国电力市场改革稳步快速推进，电力现货市场建设是电力市场改革的重中之重，对熟悉电力系统运行和电力市场交易的人才需求越来越大。本文结合电力市场专业理论知识与电力现货市场交易规则，搭建电力现货市场仿真实验平台，为培养社会亟需的新型电气工程人才提供平台支撑与技术保障。本平台还可作为电力市场交易人员的模拟训练系统使用，是电力市场技术支持系统的有益补充。

1 电力现货市场仿真实验平台建设的必要性

1.1 中国电力市场建设需求

2017年8月，国家发改委、国家能源局选取浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等8个地区为第一批试点，加快推动电力现货市场建设工作。2019年6月底，首批8个电力现货市场全部进入试运行阶段；9月底，首批8个电力现货市场全部完成结算试运行，标志着各地现货市场建设试点工作实现质的跨越，电力市场化改革取得突破性进展。电力市场建设的快速推进，需要有较多的电力市场专业人才，并配置相应的技术支持系统。电力现货市场仿真实验平台的建设对电力市场的建设和人才培养均具有积极的推动作用。

1.2 电力市场专业课程教学需求

电力市场是一个多学科融合的专业领域，学生既需要掌握市场运行的经济理论，又需要掌握电力系统运行的物理规律，并能把二者融会贯通。仅通过书本讲授这些课程，学生往往无法理解经济理论和物理规律二者是如何相互作用、相互影响的，亟需借助实验教学手段，帮助学生直观理解相关知识。

本文开发了以山东电力现货市场交易规则为基础，模拟电力现货市场交易全过程的仿真实验平台。通过理论教学与仿真实验虚实结合，改变电力市场纯理论教学抽象无趣的现象；通过仿真实验不仅能夯实学生的理论知识，还可提升学生的技能水平，进而快速实现教学目标。

2 电力现货市场仿真实验平台建设

2.1 仿真实验平台功能设计

电力现货市场仿真实验平台除包括发电企业和售电企业市场交易信息申报、市场交易撮合、出清结果发布等功能外，还设计了结果分析功能，包括发电成交分析、售电成交分析、市场出清分析、电价分析及历史数据查询等多方面内容。

根据电力市场理论教学知识点和仿真平台功能设计实验内容，基本实验设置和知识点如图1所示。首先，通过电力市场运行机制认知，让学生了解现货市场交易规则和电力市场运行流程。在实验中，学生需掌握机组组合与经济调度等电力市场理论。其次，在理论基础上，学生分别以发电企业、售电企业的角色完成电力市场申报决策，从而掌握发电企业“报量报价”、售电企业“报量不报价”的申报原则及企业的申报策略。申报完成后，学生进行电力市场交易撮合实验，掌握电价产生机制，探索发电企业报价、用户负荷、网架结构、辅助服务等因素对电价的影响。最后，通过结果分析，指导学生认知电力系统运行的物理规律和市场经济规律，挖掘物理与市场的最佳契合点，从而改进市场参与策略，最大化市场收益。

图1 实验设置与知识点

2.2 仿真实验平台架构设计

本仿真实验平台采用B/S架构，如图2所示，将系统核心功能的实现部分集中到服务器上，用户端通过浏览器即可访问［1］。用户登录后，完成市场信息申报，申报数据通过网络传输至服务器数据库存储；用户在客户端调用算法引擎对市场交易进行优化出清，计算结果存储至服务器数据库，并在终端浏览器上进行出清结果查看和数据分析。该架构方便了用户使用，简化了系统开发，也方便后期进行系统功能扩展。

图2 仿真平台架构

2.3 技术难点实现

2.3.1 市场成员功能权限设计

电力现货市场主要参与角色有系统运营商、传统发电企业、新能源发电企业和售电企业（或批发用户）4种。每种角色在市场中的利益诉求、掌握的市场信息、关注的市场信息、可看到的交易信息都不同，因此需要对不同市场成员进行功能和权限设计［2-3］。

系统运营商作为整个电力市场的运营者，掌握电网设备的运行状态、全网系统负荷预测结果，并将其在市场交易申报前披露给各市场成员。在各市场成员申报完毕后，系统运营商对市场进行交易撮合，最后将出清结果发布给各市场成员。传统发电企业根据系统负荷预测结果及自身设备情况，申报机组的发电报价曲线，市场出清后能够看到本企业机组的中标信息（各时段中标电价、中标电量）。新能源发电企业除需申报发电报价曲线外，还需申报自身出力预测结果（山东规则）。售电企业根据自身负荷需求申报未来一天各时段的负荷，市场出清后可查看本企业各时段中标电价和电量，并进行售电成交分析和电价分析。除上述角色外，另设第五种角色超级用户，具有上述所有用户的权限。

2.3.2 市场交易流程重构

根据《山东省电力现货市场交易规则（试行）》，电力现货市场主要分为日前市场和实时市场。参与市场的发电企业和售电企业在运行日前一天完成运行日的市场信息申报。系统运营商在运行日前一天综合考虑发电机组和电网安全运行约束条件等因素，以发电成本最小为优化目标，以每15 min为一个交易时段，采用安全约束机组组合（SCUC）和安全约束经济调度（SCED）算法进行优化计算，得到运行日的机组开机组合、机组分时出力曲线以及分时节点电价，用于日前市场交易结算。进入运行日后，也即进入实时市场，系统运营商基于最新的电网运行状态和超短期负荷预测信息，综合考虑发电机组和电网安全运行约束条件，在日前市场确定的开机组合基础上，以发电成本最小为优化目标，采用安全约束经济调度（SCED）算法进行优化计算，在系统实际运行前15 min开展实时市场交易出清，并滚动修改未来2 h市场交易结果。

如直接采用上述交易规则，将使整个仿真流程冗长。为方便模拟，对交易规则做了部分调整。考虑到实时负荷与日前负荷变化不大，程序设置了一个实时负荷调整参数δ，日前市场模拟完成后，在售电企业申报日前负荷的基础上调整实时负荷，一次性完成所有时段实时市场的交易模拟，从而提高模拟效率。仿真平台的运行流程如图3所示。

图3 仿真平台运行流程

2.3.3 快速高效的优化算法

电力现货市场交易撮合的核心数学模型是安全约束机组组合（SCUC）和安全约束经济调度（SCED）。SCUC是一个混合整数优化模型，SCED是一个二次规划模型。求解上述模型的数学方法很多，混合整数线性规划算法因其计算快速、运行稳定得到推广。通过对上述目标函数和约束条件的线性化处理，完成混合整数线性规划建模，然后采用商用求解器进行求解［4］。山东电网的实际算例表明，本仿真平台完全满足省级电网电力市场交易仿真需求。

3 电力现货市场仿真实验平台的应用

3.1 电力现货市场仿真实验平台教学应用情况

本仿真实验平台已在某大学“电力市场原理”课程中使用。教师在授课过程中通过该平台将理论知识、行业发展与仿真实验相结合，取得较好的教学效果。

3.1.1 实验过程

学生通过角色专属ID登录仿真平台，自主浏览电力市场基本知识、平台框架、实验步骤及交易规则等内容。在模拟发电企业报价过程中，学生可探索不同报价策略对发电收益的影响，进而寻求最优报价策略，如表1所示。学生也可结合电网拓扑结构探索不同申报策略对购电成本的影响，如图4所示。在历史数据分析界面，学生可以查询历史市场出清情况，如图5所示，并可将市场出清数据导出，便于对数据进行分析。

图4 模拟售电企业申报过程

图5 历史数据分析界面

表1 模拟发电企业申报过程

3.1.2 课程评价与应用效果

课程采用线上线下相结合的方式对学生实验情况进行综合评估［5］。线下以考核实验报告完成情况为主，试卷作答为辅。线上考核由知识预习、仿真实验操作两部分组成，通过考察仿真平台的操作规范性及实验完成度进行评分。评价方式弥补了单一考核方式的不足。该仿真实验平台使用前后学生“电力市场原理”课程成绩的对比结果如图6所示。使用该平台进行实验教学激发了学生的学习兴趣，达到了预期效果。

图6 学生“电力市场原理”课程成绩对比

3.2 电力现货市场仿真平台企业应用情况

该仿真平台完全依据省级电力现货市场交易规则建设，除实验教学外，还可作为电力市场交易人员的模拟训练系统使用。目前，山东省内已有多家发电企业、新能源企业和售电公司选择本平台对市场交易人员进行培训。使用该平台，可使交易人员熟悉市场规则和交易流程，企业也可利用该平台开展实际交易策略模拟，以便能够在真正的电力市场中获取更好的收益。