省间电力现货交易运营技术

胡晨旭，孙大雁，关 立，陶洪铸，罗治强，常乃超

（1.中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192；2.电力调度自动化技术研究与系统评价北京市重点实验室,北京市 100192；3.国家电网有限公司国家电力调度控制中心,北京市 100031）

0 引言

2015 年,《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》中要求进一步深化电力体制改革,完善跨省跨区电力市场交易机制,标志着中国新一轮电改拉开大幕［1-3］。中国电力市场建设稳步推进,在省间和省内现货市场等多个方面均取得了阶段性成效［4-5］。

随着电力市场的深入推进,国内学者开展了大量的电力市场研究工作。在市场总体设计方面,对欧美电力市场进行了深入研究［6-8］,为中国电力市场建设提出了建议；在跨省区电力现货交易方面,提出了中国跨省区电力交易发展途径和交易机制［9-13］,并开展了跨区域省间富余可再生能源现货市场设计的研究［14］。

在实践层面,以美国和欧洲国家为代表的国外电力市场,在跨省（国）现货市场集中交易的组织与出清方式等方面,与省间电力现货交易存在一定差异。美国7 个区域电力市场中,日前和实时市场统一组织、集中出清,区域之间只开展中长期双边交易。欧洲统一电力日前市场采用跨国集中出清、分价区定价的模式。在中国,自2017 年起,跨区域省间富余可再生能源电力现货交易投入试运营,截至2021 年底,市场连续运行超过4 年,有效促进了可再生能源大范围消纳,为省间电力现货市场建设奠定了坚实基础。

国外的理论研究和实践成果为研发国内省间电力现货交易运营技术提供了良好的借鉴价值,但由于电网结构、调度体系等方面存在差异,仍需在中国已有的实践基础上,进一步开展市场机制和技术创新。与跨区域省间富余可再生能源电力现货交易相比,省间电力现货交易进一步拓展了交易范围、增加了市场主体、提高了交易频次,仅依靠跨区域省间富余可再生能源现货市场的技术基础,难以支撑省间电力现货交易高效稳定运营,仍需深入研究交易组织所需的功能框架和关键技术。

为此,本文首先分析了省间电力现货交易面临的技术挑战；然后,设计了交易运营功能框架,提出了市场运营所需的关键技术；最后,展望了省间电力现货交易运营技术的发展方向。

1 省间电力现货交易面临的技术挑战

1.1 省间电力现货市场建设基础

中国能源资源与负荷中心呈逆向分布,随着中东部负荷和西北、华北、东北（简称“三北”）地区新能源装机规模持续增长,电力电量平衡及清洁能源消纳仅依赖本省、本区域已难以为继,客观上要求构建大电网、大市场,实现资源大范围优化配置。与此同时,国家电网有限公司经营区内的跨省跨区输电能力已超300 GW,为开展省间电力交易提供了坚实的物理基础。

1.2 省间电力现货交易机制

省间电力现货交易是在落实跨省跨区中长期交易基础上,在送受端开展预计划后,当送端有富余能力、通道有剩余空间、受端有购电需求时,组织送受端市场主体自主报量报价,在日前、日内市场集中竞价,以社会福利最大化为目标,实现电力余缺互济和清洁能源大范围消纳［15］。

1.2.1 市场主体及范围

省间电力现货交易支持符合准入条件的所有市场主体开展跨省电力现货交易,参与主体涵盖水、火、风、光、核等各类型电源,市场初期由电网企业代理电力用户参与购电。未来,将有序推动符合准入要求的售电公司和电力大用户参与。交易范围覆盖国家电网有限公司和内蒙古电力有限责任公司范围内全部省间交易。

1.2.2 交易品种及周期

省间电力现货交易包括日前交易和日内交易,交易品种为电能量交易,每15 min 为一个交易时段。日前交易按日开展次日全天96 个交易时段的省间电力现货交易。日内交易以2 h 为一个固定交易周期,开展省间日内现货交易。在固定交易周期内,可组织临时交易,通过增加日内交易频次,进一步满足新增富余电力外送需求和购电需求。

1.2.3 出清机制

省间电力现货交易出清及定价机制不同于省内电力现货市场,需要充分考虑中国跨省跨区输配电价机制特点。在出清中,考虑购售双侧报价及输电成本,以社会福利最大化为目标,在满足购售电力约束、输电通道容量、输电通道爬坡等约束的条件下,求解最优交易组合,出清得到购售侧成交电力和成交价格。

1.3 市场建设面临的技术挑战

省间电力现货交易以中国特高压交直流混联电网为载体,具有交易范围广、交易方向灵活、市场主体多、协同运营组织难度高、网络规模大、电网运行约束复杂等特点。市场建设主要面临以下技术挑战:

1）支撑多运营机构间高效协同组织。省间电力现货交易组织涉及市场运营机构多,组织流程链条长,各流程时间节点衔接紧密。省间电力现货交易涉及国、网、省三级调度机构,以及北京电力交易中心和各省级交易中心,是目前在运的电力现货市场中涉及运营机构数量最多的市场。各运营机构协作支撑覆盖范围内市场主体参与交易,需要在短时间内协同完成信息公告、交易申报、市场出清和结果发布等多个交易环节,对机构间协同运营的高效性、可靠性提出了极高要求。

2）市场出清模型构建和高效求解难度高。省间电力现货交易以跨省区特高压交直流输电网为载体,该网络由特高压交直流输电通道混联构成。由于直流系统引入大量电力电子设备,传统的交流网络模型难以直接应用于省间电力现货交易出清计算。为最大化提升资源配置能力,省间电力现货交易需要开展全域、全通道、双向的集中出清。出清中需要考虑购售双侧报价、输电费用、网损等多重因素,解决输电潮流转移因子、成本参数与输电路径强关联性问题,构建考虑通道限额、电力流、交易流等耦合约束的出清模型,模型构建复杂。同时,还需要解决海量交易组合的高效求解难题。

3）统筹协调省间和省内安全运行约束难度大。省间电力现货交易覆盖不同调度机构管辖范围内的多类市场主体,购售双方达成交易的输电距离远,交易形成的穿越潮流会对途经的省级电网、区域电网和跨省跨区专项输电工程产生影响。各级电网和跨省跨区专项输电工程的安全运行约束耦合关系复杂,省内安全约束不仅会限制本省市场主体的成交量,还会限制跨省区交易成交量。为保证省间电力现货交易结果的可执行性,需要研发国、网、省三级调度机构协同校核和处置技术,统筹协调各类市场结果对电网运行的影响,避免各级市场间往复迭代,提升电力市场总体运行效率。

4）亟须提升基于大规模市场数据的辅助分析决策能力。省间电力现货交易涉及市场主体多、范围广,是全国统一电力市场体系的重要组成部分,与各层次市场衔接关系紧密。一方面,省间电力现货交易以省间中长期交易结果为边界；另一方面,省间电力现货交易出清结果又是各区域辅助市场和各省级市场的边界条件。为了保证市场高效稳定运行,需要统筹考虑各层次市场运行情况,充分挖掘海量市场数据,开展市场风险防控、评估分析和模拟推演工作,为保证市场连续稳定运营和市场机制的不断完善提供技术支撑。

2 省间电力现货交易运营功能框架设计

2.1 运营功能框架设计

省间电力现货交易组织流程长、涉及调度和交易机构多,需要规范省间电力现货交易技术支持系统与现有应用的交互内容和交互方式,解决各地差异化运行需求和各机构间高效协同组织的难题。本文提出“统一设计建设、分区分级部署”的运营功能框架设计思路。

省间电力现货交易技术支持系统是省间电力现货交易运营组织的核心系统,包括日前市场、日内市场等10 个应用功能。系统基于规范化市场模型、数据交互接口和服务调用方式进行统一设计,采用广域消息总线、广域服务总线等协同交互技术,实现与各级调度计划类应用、全国统一电力市场交易平台的即时交互,统一汇集市场边界和申报数据,保障技术支持系统内市场出清、风险管控、评估分析等各类应用可靠运行。

按照各市场运营机构在省间电力现货交易运营中的职责定位,统筹考虑功能复用性、扩展性和易维护性,采用分区分级方式部署系统功能［16］。省间电力现货交易运营功能框架如图1 所示。

图1 运营功能架构图Fig.1 Operation functional architecture diagram

在安全Ⅱ区部署市场运营核心功能,包括日前/日内市场、风险管控等模块,可与国调和网调调度计划类应用、北京交易中心相关功能交互；在省调网络节点分布式部署日前和日内市场配套功能,可与省调调度计划类应用和省级交易中心相关功能交互。在安全Ⅲ区部署市场辅助分析功能,包括模拟推演和评估分析等模块。在信息内网及外网,基于全国统一电力市场交易平台部署省间电力现货交易的申报发布等功能［17］。

2.2 基于广域分布式并行技术的数据流设计

大规模市场主体参与后,面临着海量交易申报、申报校核和信息发布的时效性问题。为解决此问题,设计了基于广域分布式并行技术的数据流,按照多级分布式并行方式,分别设置一级计算节点和若干二级计算节点,计算节点间通过广域网连接,采用广域消息总线进行数据交互和任务分发,如图2所示。

根据市场主体所属地理位置,分配其申报数据接入的二级计算节点。各二级节点并行开展申报数据校核和汇总计算,并将校核和汇总后的申报数据发送至一级计算节点。一级计算节点汇集申报数据后,进行出清计算,将出清结果按照地域关联性分发至各二级节点。二级节点将汇总出清结果分解并向市场主体发布。

采用上述方法后,可实现申报数据的高效校核和汇集、出清结果数据的快速分解,减少大规模数据集中处理环节,解决计算资源要求高、单点故障影响市场整体运行的问题。

3 省间电力现货交易运营技术

针对面临的技术挑战,研发了广域协同交互、省间电力现货交易出清、多阶段安全校核、全过程辅助决策分析等技术,涵盖了基础共用服务、市场出清、安全管控和决策分析等不同方面,有力支撑了省间电力现货交易高效稳定运行。

3.1 支撑多机构运营的广域协同交互技术

面向省间电力现货交易业务特点,研发了跨系统、跨调度层级、跨安全区的数据共享和业务流转技术。

3.1.1 广域服务交互技术

采用广域服务代理技术,建立国、网、省三级调度机构与应用服务站点的广域数据交互通道。采用通道状态实时监视、通道故障自动切换等技术,保障了服务调用的稳定性和可靠性,提升了功能标准化和复用度水平,减少了异地系统间的数据交互,提高了多级调度协同运营的便捷性。

3.1.2 广域消息分发与订阅技术

通过建立横向（跨安全区）、纵向（跨调度层级）的安全可靠数据共享机制,在保证数据传输实时性的同时,减少数据冗余传输、提升传输效率。通过提供回执确认、失败重传等机制,显著提升数据可靠性。同时,针对省间电力现货交易业务特点,对敏感数据进行脱敏加密,保证数据传输安全。

3.2 支撑全域双向交易的省间现货交易出清技术

省间电力现货交易具有交易范围广、参与主体多、流程衔接紧凑等特点［18］,出清计算需要满足省间电力现货交易出清时间和可靠性要求［19-20］。

3.2.1 基于交易组合经济性的降维技术

随着特高压输电工程陆续投运、市场主体不断增多,市场出清求解规模呈指数级上升,求得最优解需要的计算量与存储空间的增长速度非常快,易产生卖电、买电和路径的“组合爆炸”问题。在解空间规模不可控的情况下,传统的数学规划算法难以在短时间内求得最优解。为解决此问题,可根据各节点成员报价,动态生成基于节点间可行交易路径的交易组合集合,考虑买卖方报价及输电费用,计算交易组合经济性。按照交易组合经济性,定位最优解搜索方向,加快模型求解速度。

3.2.2 并行计算出清技术

根据省间电力现货交易出清计算的特点,分析了并行计算技术的适用性,通过将输电通道爬坡约束转化为输电通道分时容量约束,实现了时段耦合约束的解耦。考虑输电通道上限、下限和预计划等约束,以成交电力调整最小为目标,滚动调整通道分时容量约束。采用基于边界条件扫描的计算任务调度方法,实现了面向弹性交易时段的省间电力交易并行出清技术。

3.2.3 多活计算服务技术

基于广域服务总线技术,设计了多活出清计算服务模式,计算服务流程图如图3 所示。采用服务化方式封装出清计算功能,实时监测异地多主机下的出清计算服务状态,支持按照顺序、随机等不同策略选择出清计算服务,避免调用离线或忙碌状态的服务,减少无效调用和调用等待时间,实现在线出清计算服务的最优选择,保证了出清计算的可靠性。

图3 多活并行出清计算服务流程图Fig.3 Flow chart of multi-activity parallel clearing computing service

3.3 基于模型重构技术的多阶段安全校核

省间电力现货交易涉及多种电压等级电网,若采用全模型进行出清和校核,计算规模相当于全部省级市场的集合,出清和校核复杂度极高［21-22］。若采用大电网分解协调算法,则可能会出现迭代振荡甚至不收敛的问题,且迭代信息交互过程会累积较多的通信延时,算法整体耗时较长,难以满足市场运行时效性要求。

省间电力现货交易采用多阶段分层次的校核架构,实现电网安全约束校核的串行化。按照省间电力现货交易组织流程,可分为出清前、出清中和出清后3 个阶段进行校核,如图4 所示。

图4 多阶段校核示意图Fig.4 Schematic diagram of multi-stage check

在省间电力现货交易出清前,省调使用220 kV及以上电网详细模型,对省内市场主体的申报数据进行预校核,解决因局部电网阻塞带来的交易执行问题。

在省间电力现货交易出清时,国调将省内电网、竞价分区的关键信息聚合,形成规模下降但不失精度的等值模型。考虑各通道网损率的差异性,计算模型中断面潮流分布系数,保证跨区潮流计算精度。在出清过程中,判断通道可用输电能力（available transfer capability,ATC）进行约束校核,出清结果叠加至输电通道预计划后,再开展基于全网模型的安全校核。

在省间电力现货交易出清后,网调基于全网完整模型,对各层级市场的总出清结果进行区域交流同步电网安全校核及越限处置。

3.4 基于模块柔性联动的全过程辅助决策分析技术

3.4.1 市场运营全景监测与风险预警技术

1）多层级现货市场运营状态全景监测技术

采用云技术对省间电力现货交易和各省级电力现货市场数据进行集中整合和全景展示,实现电力现货市场的实时动态分析与运行状态监测,为指导省间、省级现货市场建设与运营提供技术支撑和数据基础。

2）多模块柔性联动的市场风险预警技术

基于广域协同交互技术,针对不同的市场风险场景,将申报发布、模型与数据管理、出清计算等业务功能组件,与风险识别、风险告警和风险管控等风险预警组件进行柔性组合,自定义编排各风险场景所需的数据流和服务流,将风险预警嵌入市场运营组织的各关键环节,有效提升风险预警的及时性。模块间的联动关系如图5 所示。

图5 多模块柔性联动的市场风险预警功能图Fig.5 Function diagram of market risk warning for flexible linkage of multiple modules

3.4.2 多情景长周期模拟推演技术

通过设定场景参数,基于历史网络模型、市场申报数据和输电通道数据,自动对长周期时序数据进行批量调整,模拟构建交易场景。基于广域协同交互技术,整合模拟推演和评估分析功能,实现对长周期模拟推演结果的多维度指标计算和对比分析。

4 工程应用

国家电网有限公司国家电力调度控制中心组织中国电力科学研究院有限公司建设的省间电力现货交易技术支持系统已投入试运行。该系统应用本文所提运营技术进行设计和建设,有效提升了市场运营组织能力。

在多运营机构协同方面,采用广域协同交互技术后,国调和网调市场运营人员可在同一套系统中按权查看和维护市场信息,避免了数据在多套系统中存储和查询,减少了多套系统间数据生成、数据传输和数据解析入库的交互环节,数据查询和传输效率由原来的分钟级提升至秒级。

在市场出清方面,实现国家电网和蒙西电网经营区内任意两省之间均可开展交易,可交易路径超过3 万条,所有跨区通道均可开展正向和反向双向交易,极大地提升了省间电力现货交易大范围资源配置能力。采用本文所提技术,解决了市场成员和交易路径增长带来的出清规模指数级增长问题,显著降低了出清规模对系统内存要求和出清效率的影响,出清计算时间在5 min 以内,实现了大规模交易组合的高效求解。表1 展示了不同出清规模下出清时间的变化情况,随着求解变量数的提升,出清时间没有显著上升。

表1 出清规模与出清时间关系Table 1 Relationship between clearing scale and clearing time

表2 展示了本文所提算法与线性规划法的性能对比情况。以迎峰度夏期间2022 年8 月12 日的实际数据为例,两种方法社会福利一致,本文所提算法96 时段计算时间远短于线性规划法单时段计算时间,且所需内存更小。

表2 算法性能对比Table 2 Comparison of algorithm performance

在安全校核方面,通过多阶段安全校核设计,在保证电网安全、交易结果可执行的前提下,实现多层次市场交易流程的串行运转,避免了不同层次市场出清的往复迭代,提升了市场整体组织效率。

在辅助决策分析方面,基于多情景长周期模拟推演技术,实现对60 个交易日内超600 个案例的自动模拟仿真和数据分析,为省间电力现货交易限价优化提供了数据支撑。

5 展望

本文所述运营技术有力支撑了当前省间电力现货交易的高效、稳定运营,但省间电力现货交易尚处于起步阶段,市场出清和决策分析的技术需求与市场发展情况密切相关,需要结合未来市场发展方向持续创新。未来,随着跨省跨区专项工程的建设、市场交易量的提升、市场成员的增加和新型主体的发展,仍需在多类型主体参与市场、复杂约束下高效出清、输配电价模式适应性等方面持续开展市场出清和决策分析等运营技术研究。

在多类型主体参与市场方面,当前的省间电力现货交易主要为发电侧市场主体参与。随着新型电力系统建设推进,新能源占比不断提升,其间歇性和波动性更加突出,迫切需要拓展更多类型市场主体参与交易,进一步挖掘全网各类资源调节潜力。因此,需要研究独立储能、虚拟电厂等灵活性调节资源参与市场的关键技术,设计多类型报价模式,构建考虑独立储能、虚拟电厂等新型市场主体运行特性的出清模型,充分发挥市场主体调节能力,促进实现社会福利最大化。

在复杂约束下高效出清方面,随着省间电力现货双向交易成交量的提升,成交结果可能对电网运行方式产生较大影响。因此,需要研究考虑复杂多直流动态耦合约束的优化出清技术,设计多直流通道限额的动态变化和耦合关系描述方法,构建考虑时段耦合、多通道耦合约束的出清模型,综合运用图计算、动态规划和静态规划等多种算法,研发支持海量交易组合的高性能优化出清技术,实现对超大规模解空间的快速求解。

在适应不同跨省跨区输配电价模式方面,当前的省间电力现货交易中,跨区专项工程输电价格采用单独定价模式,该模式适用于送受端相对明确、潮流方向相对固定的交易场景。而随着省间电力现货交易在购售电角色灵活转换、省间双向交易等方面的机制和技术创新,省间电力现货交易的送受端和潮流方向不再确定,需要探索不同跨省跨区输配电价模式对省间电力现货交易的影响。因此,需要提升适应不同跨省跨区输配电价模式的技术支撑能力,研究交易出清模型和算法改进方法,对比分析不同模型算法的适应性,研发支持不同输配电价模式的模拟推演和智能分析技术,为电价模式的制定提供决策参考。

6 结语

市场建设与运营是一项对系统运行效率、安全性、自动化水平要求极高且高度复杂的系统工程。本文提出的省间电力现货交易运营技术,涵盖了功能框架、广域协同交互技术、市场优化出清技术、市场运营监测技术和模拟推演技术,实现了多机构高效协同运营、高性能优化计算和海量数据智能分析,涵盖申报发布、优化出清、价格计算、交易执行等运营功能,相关技术已应用于省间电力现货技术支持系统。该系统支持28 家省级电网内的6 000 多家经营主体开展省间电力现货交易,提升了系统可靠性、安全性和运行效率,在平台服务、核心算法、计算能力和决策分析等方面取得了创新突破,保障了省间电力现货交易合规稳定运营。自2022 年1 月1 日省间电力现货交易试运行以来,市场运行平稳,主体踊跃参与,在提升电力供应能力、促进清洁能源消纳、实现资源大范围优化配置等方面发挥了重要作用。为适应未来海量市场主体参与省间电力现货交易,需要持续提升市场运行效率,确保多层次统一电力市场高效协同运作,不断在运营技术和交易机制等方面进行研究探索。