新一代电力市场交易平台架构探讨

史连军, 邵 平, 张 显, 黄龙达, 耿 建, 叶 飞

(1. 北京电力交易中心, 北京市100031; 2. 中国电力科学研究院(南京), 江苏省南京市 210003)

新一代电力市场交易平台架构探讨

史连军1, 邵 平2, 张 显1, 黄龙达2, 耿 建2, 叶 飞2

(1. 北京电力交易中心, 北京市100031; 2. 中国电力科学研究院(南京), 江苏省南京市 210003)

新一轮电力体制改革要求电力供应由传统的计划方式向市场交易模式逐步转变,面对复杂的市场变化,对电力交易技术支持系统提出了新的要求。对“现货+中长期”市场联合运营、面向互联网的高并发访问、标准化的市场模型、外部系统信息交换与交易安全保障等重点需求进行了分析,提出了适应中国电力市场特色的四大应用业务架构,以及基于“混合云”的两级市场协调运作的平台架构体系,最后对系统建设需要解决的关键技术问题进行了探讨。

电力市场; 技术支持系统; 系统架构; 交易平台

0 引言

电力市场是指电力商品、交易周期和交易方式的一个组合,是把电这种商品进行交易的市场,市场走势受能源政策、电网结构、供需关系和市场成员经营决策等多种因素的共同影响[1]。电力市场的交易平台是服务于市场运营的技术支持系统,并随着电力市场化改革的推进与互联网信息技术的进步而不断发展。

国家电网公司的电力市场交易平台经历了“十一五”和“十二五”两个时期。“十一五”初期交易中心刚刚成立,围绕国网、区域、省(市)市场建立三级交易平台,平台主要为发电企业单边侧的市场竞价提供交易服务支撑[2-4];“十二五”期间,电力市场竞争从发电侧进一步拓展到用户侧,电力用户直接交易成为国内电力市场改革的重要内容,采用统一设计、两级部署的架构,建立了提供支撑多类用户同时参与竞争的统一电力市场交易平台,在国网经营范围内的总(分)部以及各省(市)共32家交易中心部署实施,实现了市场交易全业务流程的在线运作[5-7]。经过两个时期的平台建设,国家电网公司建成了目前世界上覆盖面积最大的中长期电力市场交易平台,为市场在电力资源大范围优化配置中的作用发挥提供了技术保障。

随着2015年《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号)及相关配套文件的发布,要求还原电力的商品属性,以市场机制优化配置电力资源[8]。交易机构作为电力交易平台的运营方,要逐步提高交易平台自动化、信息化水平,有责任确保所有市场主体依法依规在平台上公开、公平、公正地开展各类市场交易[9]。而现有的平台无论是在满足电力体制改革的要求方面,还是与国外主流电力市场交易平台相比都还有一定的差距:①现有平台主要支撑中长期交易业务,随着日前、实时市场的不断推进,交易商品必然由“电量”交易向“电力”交易转变,交易业务的不断细分,对平台支持多周期、多品种的市场运营提出了更高的要求;②售电侧市场和低压侧电力用户的不断放开,市场成员接入数量和数据存储将呈几何级增长,平台要承受大规模复杂业务计算和万级用户在线并发访问,要求平台必须能支持高并发访问和具有海量信息处理的能力;③无论是国外的成熟市场还是其他行业和交易平台,都可以向交易成员提供稳定可靠的系统信息交换服务,因此要求新一代平台能支撑信息发布、交易申报、结算单确认等多类市场交易信息的自动化交互需求。

虽然国外电力市场交易平台架构已经相对成熟,但与中国的电力体制改革(简称电改)政策,以及国家和省(市)两级市场运作的要求不完全相同。因此,新一代电力交易平台不仅要能满足电改提出的新要求,也要考虑到国内两级电力市场统一运营的整体要求,不能直接照搬国外市场交易平台的设计,必须在统一市场交易平台的建设经验上结合新要求、新技术开展下一代平台的总体设计。

为此,本文分析了电改对新一代平台提出的总体设计要求,借鉴了部分国外电力交易平台和国内类似行业交易平台的设计思路和理念,结合国内电力市场运营的特点,提出了适应中国电力市场特色的四大应用业务架构,以及两级市场协作的平台架构体系设计思路,并对未来要开展研究的关键技术进行了分析讨论。

1 总体设计要求

随着电改的不断深化,要求由传统的计划方式向市场交易模式转变,逐步建立以中长期交易为主、现货交易为补充的市场化电力电量平衡机制[8-9]。同时,交易机构要根据市场交易实际需要,规划、建设功能健全、运行可靠的电力交易平台。因此,对平台的设计提出了如下几个方面的要求。

1.1 “现货+中长期”市场

“中发〔2015〕9号文”配套文件明确提出,中国电力市场建设目标是“现货交易发现价格,中长期交易规避风险”的现货和中长期交易相结合的市场化电力电量平衡模式[10]。现货市场与中长期市场的协调运行主要体现在时序衔接和交易衔接两个方面。中长期交易的组织一般在现货市场开市前进行,覆盖数年前至月前、周前、数日前等不同时间段。从国外主要电力市场的运行实践来看,现货市场主要在日前市场、日内市场和实时市场开展各类交易,现货市场的交易规模可占到电力市场总交易量的30%～80%[11]。因此,未来国内市场的发展必然是以“现货+中长期”市场联合运营的模式,要求平台必须进一步支撑电力现货和中长期等多周期、多品种合约的交易和结算模式。此外,国外主流的电力市场还开展了电力金融等相关的配套市场,但这些市场基本都是由专门的金融类交易所负责组织和开展,如美国纽约期货交易所、芝加哥商品交易所等[12],其交易的电力合约通常是标准的且无须进行物理交付的,也不用考虑电网阻塞等物理条件,只需按照现货市场的价格进行金融结算和清算,本文中的交易平台设计将不特别考虑这一需求。

1.2 面向互联网的高并发访问

截至2017年5月,统一市场交易平台上注册的市场成员数已超过3.7万家。随着售电侧市场和低压侧电力用户的放开,市场成员接入数量将呈几何级数增长,预计电力用户和售电主体的注册数量将大幅增长,电压等级10 kV及以上潜在用户约1 400万户。各类新型售电主体也将爆发式增长。符合条件的所有市场主体都将无差别地安全接入交易平台,通过多种方式参与各类市场交易。而由于各类市场成员原有的管理主体不同,注册信息和计量信息等关键数据来源各异,必将大大提高交易平台中成员注册、交易组织、合同管理、市场结算等核心业务功能的复杂度。而现有交易平台是基于关系数据库的交互架构,由于I/O灵活性差、效率较低,缺乏并发数据高效处理、海量数据存储等关键技术支撑,已经难以支撑未来市场高并发、高频度交易的性能需求。因此,新一代交易平台需要从基础技术架构着手,研究数据访问优化、消息总线等关键技术,为新一代交易平台提供海量市场成员用户接入和并发访问能力。

1.3 标准化的市场模型

目前交易平台已对市场成员、业务单元、物理机组、经济机组实现了多层次市场模型统一管理,支撑了交易、计划、结算、合同等核心交易业务。考虑到新一轮售电侧及未来市场化改革要求,市场模型将需要进一步完善售电公司、配电公司及电网企业等模型。同时,因为目前市场模型未与电网物理模型关联,所以在开展无约束交易结果提供安全校核,以及为电量计划分配提供网络优化空间时,在模型层面遇到了挑战。因此,为完善和拓展交易平台业务功能,亟须完善基于标准化的市场模型。

1.4 外部系统信息交换

电力交易平台对外主要与发电企业、售电公司、电力用户进行信息交换,分为数据级交互和非数据级交互两种。其中非数据级交互指的是各类市场成员用户登录平台的外网网站后,直接通过网页进行查询、申报、确认、下载等操作。而数据级交互指的是使用平台提供的服务接口进行信息的交互操作,交互信息的内容主要包括交易公告、交易申报、交易结果、客户档案、合同信息等。电力交易平台需要向所有的市场成员提供面向“服务”模式的信息交换接口,并约定信息交换的通信模式、通信方式,以及信息交换的格式。未来随着电力市场业务的不断变化,还需要对信息交换接口进行动态扩展和扩充。

1.5 交易安全保障

电力交易直接面向全社会广大的客户,交易数据机密敏感,必须能够在互联网上被安全、可靠地访问。新一代电力交易平台的安全保护等级为三级,要求按照GB/T 22239—2008《信息安全技术信息系统安全等级保护基本要求》以及“分区分域、安全接入、动态感知、全面防护”的安全策略,对信息系统的物理安全、边界安全、应用安全、数据安全、主机安全、网络安全及终端安全进行安全防护设计[13-14]。防护目标包括:①电力交易平台安全可靠运行;②保障电力交易平台边界和网络传输通道安全;③保障电力交易平台用户身份真实可信,防止恶意用户、非授权用户访问;④对访问控制信息、用户对数据的异常操作事件进行审计,设计数据的抗抵赖机制,保证关键敏感数据传输加密、存储加密、数据实时备份。

2 四大业务应用

现有的统一电力市场交易平台是通过一套完整系统支撑所有的业务开展,市场成员模型、交易、合同、结算、信息发布等核心业务应用之间都是紧耦合关系,基本上通过数据表或视图等方式直接交互,如果上游数据表出现问题或核心业务功能模块发生故障,可能会造成其他业务功能出现故障、失效,甚至整体系统的宕机。随着电力市场将稳步推进现货市场、辅助服务、容量、输电权等新市场交易业务,交易业务将变得越来越复杂,必然会对电力市场交易的业务进行细分。而国外主流电力市场业务架构,如PJM细分为能量管理系统(EMS),市场管理系统(MMS),电子套件(eSuit),双结算系统(two settlement system)等几个大的应用子系统[15],系统间通过消息总线和服务进行交互。因此,根据总体设计要求,新一代交易平台建议从以下四类业务应用的角度进行业务架构的重构。

1)电力商品交易应用:随着电力商品和交易周期逐步细分,各种电力商品建立相应的市场,形成从中长期到短期,再到日前和实时的完整交易体系,实现对容量、电能、辅助服务、绿色能源证书等多种电力商品的交易组织和市场运营。通过电力商品交易集中管理,不仅能够为市场成员提供必需的价格信号,同时也是连接各类电力商品市场的纽带。总部与省市交易中心间通过标准、规范的两级业务协作的流程和管控手段,无缝开展电力商品的交易、合约及电能计划两级业务互动。市场成员通过北京电力交易中心(总部)开展跨省区市场交易业务,省市交易中心开展省内的市场交易业务,两级交易业务通过信息专用网络实现业务无缝协调运作;交易周期包括年度、月度、多日、日前、日内、实时等多种周期的市场运营;支撑包括电能、辅助服务、容量、绿色能源证书等多种电力商品的交易组织;支持预交易计划和考虑电网安全约束的交易计划管理等业务的开展。

2)市场结算应用:电能结算业务是交易运营的重要环节,按照政策规定的业务职责,交易中心根据关口计量数据、交易合同数据、特殊电量数据、网损、电价数据,以及交易主体的运行考核数据和交易运营状态,依据结算规则进行各交易主体的电量结算或电量电费结算。随着电改的推进,市场上任何电力商品的交易过程及由此产生的合约,最终都要靠结算来实现其市场价值。目前的中长期市场主要是为电力用户直接交易、发电权替代、跨省跨区外送等品种开展市场结算,其结算标的主要是支撑以月为周期的电量、电费结算。未来在日前和日内现货市场、辅助服务市场、容量市场逐步开展的需求下,不仅要支撑多电力商品的日清、周清和月结算工作,还要支撑对电量、电力、容量多种商品标的的结算能力。因此,在交易规模扩大、市场成员由几百向几万数量级发展、交易周期缩短的情况下,结算公式的数据处理量将达到超过千万条,必须建立相对独立和统一的结算子系统,以应对在极短时间内快速、准确地计算出各个交易商品的量、价、费。支撑对包括发电厂、电力用户、分布式电源用户及售电商等全口径的市场成员结算工作,以及市场成员因各种交易违约带来的电量的清算,确保结算业务无差错清算能力。

3)市场服务应用:是面向发电企业、电力用户、售电商、电网企业等各类市场主体,提供安全、便捷、灵活、友好的统一服务平台。一是对发电企业、电力用户、售电商等各类市场主体进行注册、入市、变更、注销、退市的全生命周期管控,管理各类市场主体之间的服务关系(如电力用户与为其提供服务的售电商之间),对市场主体的交易不良行为管理,建立市场主体的交易信用体系;二是提供市场管理、交易、结算、合同、计划、商运、信息发布等业务的在线一站式服务,满足市场成员的安全、便捷办理需求;三是根据信息公开政策规定,实现为各类市场主体和监管机构提供信息披露和信息报送服务,并提供各类信息查询服务和个性化信息定制推送服务,通过市场交易网站、移动APP及系统级的统一信息交换接口,实现与市场成员间的友好、互动。在此基础上,为各类市场成员提供从成员管理、业务交互到信息服务等全方位、优质的市场服务,建立与市场主体、监管机构等各方的高效协调和良性互动的机制。

4)市场分析应用:新形势下,市场运行状况复杂多变,从大量的交易数据中揭示市场运行规律本质,掌握市场运营情况,发现存在风险和预测市场走势是电力交易工作的一项重要内容。无论是提高市场服务品质还是公司经营发展需要,电力交易的市场分析业务都需要深入和加强:一是要对分层次的市场进行分析管理,特别是对公共服务的数据统计分析和涉及交易机构内部经营的数据分析,严格区分其管理界面;二是要针对市场成员交易行为相互间的逻辑关联进行分析,如从节能减排与电价最优、长周期合同与短期交易的公平性等角度把握市场健康运行状况,从电力用户与发电企业不同的峰谷比、中长期与短期直接交易合同的组合等角度分析对购售电业务的影响;三是要进行事前、事中、事后的全周期范围的分析,开展主动式、预警式分析,对可能违反国家和地方交易政策、规则,以及影响到交易机构正常有序经营的市场行为,通过实时信息收集、大数据挖掘分析等技术,开展在线交易全业务过程的监控和预警分析,实现对历史任意时间段市场行为的反演分析能力,为电力市场分析和监管提供技术数据,确保市场健康、有序运营。

因此，本文以中国电力市场业务发展需求为基础,对电力商品交易、统一高效的市场结算、友好互动的市场服务和多维分层的市场分析四大应用进行了创新性的重构设计,实现了各业务应用相对独立的部署。业务应用由原来的紧耦合变成通过统一的访问服务实现松耦合式的无缝对接,能有效避免应用出现故障或宕机时影响其他应用的正常运行,提高了系统的可靠性和稳定性。

3 基于云架构的交易平台

现有的统一电力市场技术架构通过负载均衡、双机并行等为系统提供了比较可靠和稳定的运行环境,但在支撑未来新市场环境下高并发、高性能计算方面还需要进一步提升。技术架构设计充分借鉴主流互联网平台的建设理念,融合了虚拟化技术、负载均衡、热备份冗余及网络存储和分布式等技术[16-18],提出了以“云”为技术架构基础,以大数据技术为业务分析基础,以微服务为应用组件中心,以移动应用为扩展服务渠道的新一代电力交易平台。应用云计算技术搭建交易平台基础设施,对现有大而全的应用系统基于微服务技术架构进行重新设计,通过云技术形成适应能力强、运行速度快、可靠性高的交易平台新架构。

如图1所示，架构从下到上主要包括云基础设施层(IaaS)、云平台层(PaaS)、云应用层(SaaS)、云终端层,以及相应的安全和维护体系。平台采用C/S(Client/Server)+B/S(Browser/Server)混合应用架构,C/S主要支撑交易中心内部业务,B/S主要支撑市场成员的交互及表单和流程类应用。

图1 新一代电力交易平台技术架构Fig.1 Technical architecture of a new generation of electricity trading platform

由于交易业务的特殊性,例如中长期交易时每月1至2日是结算应用负载最高时段,2至10日是数据分析的高峰时段,20至25日是市场交易的高峰时段,25至30日是计划应用的高峰时段。未来随着现货市场的启动,业务高峰期将会细分至小时乃至分钟。因此,基于服务总线对各类服务及应用功能的集成,实现交易业务服务间的松耦合,利用云服务向业务应用提供弹性伸缩和高可靠性保障。同时,各级市场交易品种、准入要求、申报条件、出清方法都关乎当地的政策约束,因此需要将各地的交易规则细分为不同的“交易微服务”,未来市场要求修改完善交易规则时,只需要通过对微服务进行细微调整就能适应市场快速发展的需求。

1)基础设施层:通过虚拟化管理主机、存储等资源,为交易平台构建基本的运行环境;为满足海量交易数据存储及高性能和高并发的系统使用和访问,数据库方面需要在传统的磁盘数据库基础上引入分布式海量库和高性能的内存数据库,支持海量数据分布式存储及高性能并行计算;平台在基础资源服务方面,支持负载均衡,包括节点、存储、数据、计算及服务等各个层次的负载均衡。

2)平台服务层:基于平台服务总线实现对平台各类服务的注册、监视及状态管理,主要包括消息服务、权限服务、模型服务、计算服务等。平台充分考虑电力市场业务发展,实现具有电力交易行业特色的平台,既要支持电力交易门户网站的功能,又要支持信息管理类的功能,还要支持专业的安全校核等服务,平台服务层需体现互联网技术和电力市场的融合。

3)应用服务层:实现电力交易业务市场交易、市场结算、市场分析和市场服务四大类应用功能,基于平台服务总线实现应用功能服务化。并将电力交易业务服务原子化、组件化封装为电力交易微服务,每一个微服务只完成一件不可再拆分的市场业务。将电力市场交易业务按照业务流程重新原子化构建,定义满足不同需求的微服务组件,再由微服务拼装成电力市场业务应用,可快速满足多样化和不断更新的业务需求。微服务技术与电力交易商品交易、市场结算、市场服务、市场分析等业务的融合实现了客户需求及时响应、软件功能灵活配置、服务性能具有弹性等目的。

4)客户端层:市场成员可以利用各种终端设备(如PC电脑、平板电脑、智能手机等),随时随地通过互联网访问电力交易平台各类应用服务,也可为交易中心的大屏及触摸屏等设备的接入,为用户提供多种交互方式。

在与外部系统的交互方面,设计了支持发电商、售电商和电力用户的技术支持系统的对接服务,以及短信和邮件系统的交互能力;与横向业务数据交互方面,支撑与国家电网公司的调度、财务、营销、经法、规划计划和运营监控系统的交互能力;同时,借助公司的电力市场运营技术实验室,可在新一代交易平台上开展市场模拟推演、仿真实验、新技术验证、功能和性能验证,未来还可以向广大市场成员开放交易员培训、考试认证和实验模拟等服务。

PJM等国外主流市场平台目前只支持单级市场,约1 000余家市场成员在线交易,约800 TW·h的年结算电量。而新一代平台通过架构的升级,不仅可以支撑中国特有的两级市场交易体系,未来还可以实现多个省市和地区超过万家的用户在线交易,保障超过3 000 TW·h的电量结算。采用基于云技术平台架构的设计,利于交易中心适应在未来业务快速发展时对软、硬件资源需求的弹性扩展,通过两地三中心的云化的平台设计，为海量市场成员提供近乎全时段在线运营服务的能力,并且向市场成员提供了包括网站、移动终端,以及系统级的交互服务接口等多种交互手段,保障了市场成员可以通过稳定、可靠、高效的平台公平地参与市场交易。

4 两级部署模式

当前国外的一些主流电力市场,如美国PJM电力市场采用单一的区域市场运作模式[19-20]。而中国现阶段是国家和省级两级市场相互协调运作模式[21-22]为主,以国家电网公司为例。北京电力交易中心负责的是国家和区域市场运作,重点组织跨区跨省电力交易业务的开展;而27家省级交易中心负责的是省级市场运作,重点组织省内交易等业务的开展。因此,如图2所示平台架构设计采用两级部署模式,借鉴了目前主流的互联网混合云架构体系,在北京电力交易中心的两地三中心私有云环境上部署国家市场电力交易平台,支撑国家和区域电力市场运营;在各省(区、市)交易中心的私有云环境上分别部署一套省级交易平台支撑省级电力市场运营。为了应对电改后大量终端用户带来的高并发、大流量的网络请求,使用负载均衡技术,并借助第三方公有云平台,将查询类的网络流量引导到公有云上,向广大市场成员提供市场政策、市场信息、交易公告、交易出清结果等公开、非机密数据的只读访问请求,第三方公有云与交易中心私有云之间使用防火墙及虚拟专用网络(VPN)加密通道进行数据同步,此方案可减少交易中心私有云中服务器的负载。而针对敏感性的交易、结算类请求,则直接通过访问交易中心私有云,保证私密和敏感数据安全。

图2 平台两级部署模式Fig.2 Two-tier deployment pattern of trading platform

两级交易中心是通过专用的电力广域网络实现网络互通,再根据业务信息交互的特性分为三种方式交互:①业务时效性高的信息,如跨省区交易开展时必须要省级交易中心、调度中心进行确认和校核电量的信息,则可以通过两级服务总线上的服务实现即时交互;②流程相关性高的信息,如跨省区的结算单的确认,需要下级交易中心在指定时间段内进行确认,如不确认则默认无问题,就可以使用BPM流程引擎实现业务信息交互;③其他业务数据,即对时效和流程都不是特别关注的信息,则可以通过定时任务在闲时通过批量数据总线实现信息的交互。交互的信息包括:基础类模型数据、交易类数据、合同类数据、结算类数据,以及数据统计分析类数据,可以覆盖交易中心各项核心业务。

外网用户通过互联网访问交易中心的外网应用服务器,其中发电企业、电力用户、售电公司作为市场成员交易主体,因为需要参加市场的交易活动,必须使用经过国家认可的第三方金融数字证书的认证后才允许访问;监管机构则可以通过账户级认证后直接访问系统;社会公众无需账号可直接浏览信息发布网站。内网用户包括交易中心及下辖的地市公司用户,可直接通过电力系统内网使用已分配的账号登录平台,或者从各单位门户直接访问内网的交易应用。同时,在外网侧结合统一权限管理平台(ISC)[23],实现单一市场成员在任意市场注册成功后,其注册信息和账号可通过纵向传输通道共享给其他市场,共享成功后不仅可以参与所在省级市场的省内电力交易业务,而且可以直接参加国家市场组织的跨省跨区外送电交易,直接提升了市场成员参与两级市场交易的能力。

5 关键技术

5.1 “混合云”与两地三中心

借鉴了银行、证券公司、12306网站及PJM AC2的技术方案[24-25],采用私有云+公有云的“混合云”的设计。用户的网络访问请求首先到达负载均衡设备,然后将大部分查询类请求送往第三方公有云平台,少量的交易类请求送至交易中心的私有云平台。在交易中心私有云中实现两地三中心[24]的运行模式:两地三中心,分别为同城主中心、同城副中心和异地灾备中心,主中心与副中心设计为双活平台运行,而灾备中心主要实现高可用性,在发生灾难且同城主副中心无法使用时才会使用。其特点包括:资料完全同步,主中心停机,副中心接替运行;副中心不闲置,提升整体效能,创造经济价值;足以应对大多数紧急事故;主中心与灾备实现异步的资料同步;免除大区域灾害的停机风险;确保资料的安全与完整。

需要关注的是,由于交易业务涉及电量和电价,可以说是与市场成员切身利益直接相关,成员在平台中提交的每一笔电量和电价都不能丢失和出错。因此平台双活之间的数据同步是需要重点解决的技术问题,同时与公有云之间的数据同步既要保障数据安全,又要保障无差错,也需要重点关注。

5.2 高并发访问

目前国内电力交易以中长期交易为主,市场成员在集中时间段登录交易平台进行电量或量价信息申报,平台并发访问峰值预计在千级,传统的三/四层互联网架构可以通过简单扩展硬件设备应对。但随着用户侧和售电侧市场的放开,平台要支撑万级用户的并发访问,传统的基于关系数据库的数据处理架构将遭遇瓶颈。因此,本文从架构层面分析海量用户并发访问关键技术,支撑新电改形式下各类准入市场成员高效参与市场组织的各类集中撮合交易,提升市场运营能力。如图3所示,本文在分析电力交易业务需求和借鉴互联网技术基础上,形成如下两层高并发访问优化总体方案。

图3 高并发访问总体优化方案Fig.3 Overall optimized scheme for high concurrent access

1)基础设施层需要合理配置优化高性能服务器和优化网络带宽,为高并发提供基础硬件和网络条件。静态页面访问效率要远高于动态页面,将静态页面与动态页面分离部署,可以总体提升交易平台并发能力。图片加载非常消耗资源,把图片与交易业务页面进行分离,搭建交易平台独立图片服务器,降低提供交易业务访问请求的服务器压力,并能保证交易业务服务器健壮性。

2)平台服务层主要优化方法是提升数据访问性能和异步写入机制。通过分库分表、读写分离提升关系库读写性能,通过部署分布式内存库提升数据读写性能,但基于内存库处理数据时需要考虑与关系库的数据同步及数据备份,防止内存数据因意外原因造成数据丢失。异步写入机制主要用于交易数据申报等应用的高并发场景,实现用户请求的快速响应。基于服务总线的负载均衡机制保证服务横向线性扩展,提升交易平台服务性能。

5.3 IEC 62325模型

中国电力市场运营与国外有所差异,目前中国以年度、月度等中长期方式开展电能交易。欧洲电力市场目前正趋于向统一互联的方向发展,IEC 62325模型标准中的欧洲市场部分系列标准主要针对双边交易,覆盖了市场成员、合同、计划、结算等中长期实际运营业务的信息交换标准。由于与中国现行的统一市场运营模式和业务类似,因此具有重要的借鉴作用和参考意义[26]。本文在IEC 62325标准模型基础上,对IEC 61970模型结合中国电力交易实际业务需求进行了扩展,设计了如图4所示的多层次市场模型。

图4 多层次市场模型Fig.4 Multi-level market model

1)市场成员层:市场成员层根据市场成员主体类型的不同,主要划分为发电商、输电商、交易中心、配电公司、售电商和电力用户等信息。

2)业务单元层:根据交易应用核心业务划分为不同的业务单元,解决不同业务模型粒度不一致带来的问题。

3)经济机组/负荷层:为满足不同应用间的数据交互和共享,不同应用间的业务单元在进行业务逻辑处理时,必须将业务单元应用数据分解到经济机组粒度。

4)物理机组/负荷层:物理机组和物理负荷层分别与IEC 61970标准电网的物理模型物理机组/负荷进行相互映射,为电力市场交易安全校核、发电计划优化等奠定模型基础。需要注意的是,由于电网的物理模型由调度平台负责管理和维护,未来电网模型的即时同步和映射是需要关注的一个问题。

5.4 海量存储与处理

售电及用户低压侧市场放开后,各类市场成员主体数量跨数量级增长将直接导致结算计算、交易撮合等核心业务数据量的急剧增长,交易、计量、结算等核心业务数据量将高达几百万条甚至上千万条。在梳理三类不同数据源存储特点基础上,基于面向服务的架构,根据电力交易业务的特点,研究设计了三层的海量数据存储和处理方案。

1)数据层:为解决交易海量数据存储问题,本文提出三类海量数据存储策略,即关系库(分库分表)、分布式内存库和分布式海量库,这三类库均支持弹性横向扩展。其中,关系库负责交易业务历史数据存储,分布式内存库主要用作缓存为计算准备数据,分布式海量库主要用于超大规模历史数据和非结构化数据。

2)通信层:基于面向服务的架构设计交易平台服务总线,提供三类数据访问服务的注册、定位及远程调用,实现应用服务松耦合,提升服务通信和复用效率。

3)逻辑层:应用分布式计算框架,支持基于磁盘的分布式计算模型Map/Reduce和基于内存的分布式计算模型Spark。当涉及需要重复读取同样数据进行迭代式计算时,Spark有其自身优势,如平台基于Spark进行结算时迭代计算效果提升数十倍。但当涉及单次读取、类似 ETL操作任务,如数据转化、数据整合等时,Map/Reduce更加合适。逻辑层通过平台注册的三类数据访问服务访问数据,同时可以通过消息总线,支持不同应用间的消息传递,提升计算效率。

5.5 标准化信息交换接口

电力交易平台主要与发电、售电及电力用户技术支持系统进行信息交换。交换体系由信息交换总线、标准接口服务器、数据传输总线、隔离装置,以及参与信息交换的市场成员技术支持系统共同组成,其关系如图5所示。

图5 外部系统信息交换体系Fig.5 Information exchange system for external system

所有信息交换都会基于一种通信模式,通信模式实际上就是说明通信双方协同工作的方式。新一代电力交易技术支持系统与售电技术支持系统信息交换涉及的通信模式共包含以下三种。①对话通信模式:指由市场成员的技术支持系统主动发起的通信请求。该请求被交易技术支持系统接收和处理,并给予响应,如申报、查询等。这种通信模式与普通的客户/服务器模式相同。②私有通信模式:指交易平台主动向某个特定的成员发出的信息,如成交结果通知等。③广播通信模式:指交易平台端主动向市场中的所有成员都发出相同的信息,如市场公告、行情等。

信息交换的通信方式可使用FTP协议、WebService协议、WebSocket协议三种,如图5所示,分别对应单向只读传输、请求应答及长连接双向传输。针对交易公告、交易申报、消息推送等不同的信息交换类别,可以选用相应的通信方式。

目前在电力市场标准工作组的组织下,中国电力科学研究院正在牵头起草电力市场技术支持系统与售电技术支持系统信息交换的标准,未来基于此标准将会扩展到与发电商和电力用户相关系统的信息交换。

5.6 身份认证与安全防护

由于电力交易平台与市场成员的信息交换基本都是通过互联网通道,除了传统的防火墙和入侵检测、分布式拒绝服务(DDOS)之外,建议增强如下几个方面的能力。

1)身份认证技术。新一代电力交易平台的身份认证设计,根据用户角色,划分不同的安全等级:针对参与市场交易的发电企业、售电商、电力用户,仍采用国家认可的第三方数字证书;针对不参与市场交易的市场成员,以及从移动设备登录的场景,可使用短信、APP等形式的动态口令进行双因子认证,降低市场成员参与市场的成本,提升操作便捷度。此外,可以根据操作的类型来进行安全等级的划分,如简单的查询类操作,可以配置仅通过用户口令进行身份认证;涉及交易类的核心操作,则要求插入数字证书或者进行双因子认证。

2)云安全防护。此次设计采用了云架构设计,因此为了提高性能和安全等级,可以在负载均衡前增加内容分发网络(CDN),在云CDN服务集成Web应用防火墙(WAF),以及防借助代理服务器攻击(CC)的能力,可进一步阻止针对Web服务的结构化查询语言(SQL)注入、跨站脚本攻击(XSS),以及CC拒绝服务攻击,提升交易平台在外网的安全性。

3)数据安全技术。关于数据安全,可以分为数据存储安全和数据传输安全两个部分。在传输安全方面,新一代电力交易平台要求全站启用HTTPS网络协议支持,采用服务器数字证书及安全套接层(SSL)协议,加密客户端与服务端交互的全部数据通信;在存储安全方面,针对数据库的访问控制和加密,其中内网主数据库存储所有机密或者非机密数据集,位于防火墙或者隔离装置后,仅能通过指定源IP访问,外网数据库位于公有云,存放只读的非机密数据,只能通过VPN专线与内网主数据库进行同步,并对数据库所在的硬盘分区全盘加密,而且关键数据如交易申报等加密存放在相应表中,出清计算时需要使用相应密钥动态解密,避免数据库造成的信息泄露。

6 结语

本文提出了适应国家电力市场两级交易运营业务协调开展的新一代电力市场交易平台的设计方案。该方案具有以下的特点:①适应国家和省级两级市场运营的交易平台统一设计方案,有效提升了两级业务的协调运作能力;②重构了适应中国特色的四大应用子系统的业务架构,实现业务系统的松耦合交互,提升了平台的性能和可靠性;③设计了支撑与广大市场成员的技术支持系统进行信息交换的机制和方案;④借鉴互联网先进的“混合云”技术,借助公有云分担部分只读信息的查询,有效减少了交易中心平台的负载。该设计可适应电改要求的“现货+中长期市场”协调运营的需求,提升了两级市场协调动作的能力,可为下一代电力市场交易平台的设计、研发提供参考。

虽然设计方案中提到了两地三中心的私有云架构思路,考虑到交易业务的特殊性,还需要借鉴国外主流市场的双活设计方案,针对基于双活架构的两地三中心的方案和关键技术开展研究和探讨。

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DiscussiononArchitectureofNew-generationElectricityTradingPlatform

SHILianjun1,SHAOPing2,ZHANGXian1,HUANGLongda2,GENGJian2,YEFei2

(1. Beijing Power Exchange Center, Beijing100031, China;2. China Electric Power Research Institute (Nanjing), Nanjing210003, China)

Along with the new round of electricity market reform, the supply of electricity has been gradually transformed from traditional planning mode to market trading mode. Faced with complex market variations, the technical support system of electricity trading has made some new requirements regarded as the joint operation of “spot+medium and long term” market, the Internet-oriented high concurrent access, the standardized market model, the external system information exchange and the transaction security guarantee. In addition, a four-major-application business architecture is proposed, which is adapted to the characteristics of China’s electricity market, with a two-tier-coordination platform architecture based on “hybrid cloud”. Finally, the key technical problems that need to be solved in system expansion are discussed.

This work is supported by National Key R&D Program of China (No.2016YFB0901900) and State Grid Corporation of China.

electricity market; technical support system; system architecture; trade platform

2017-06-14;

2017-08-14。

上网日期: 2017-09-12。

国家重点研发计划资助项目(2016YFB0901900);国家电网公司科技项目“适应多边市场运作的交易平台总体框架和关键技术研究”。

史连军(1966—),男,博士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力市场。

邵 平(1979—),男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力市场。E-mail: shaoping@epri.sgcc.com.cn

张 显(1977—),男,博士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力市场运营与管理、电力系统优化。E-mail: xian-zhang@sgcc.com.cn

(编辑章黎)