电力市场实验能力建设面临的挑战及关键技术

杨争林，曾 丹，冯树海，郑亚先，冯 凯，邵 平

（1. 中国电力科学研究院有限公司（南京）,江苏省南京市 210003；2. 电力市场运营技术实验室,江苏省南京市 210003）

0 引言

电力市场运营与电力系统发电、输电、用电等环节密切相关,并且与调度运行密不可分,对电网运营的经济性与安全性起到重要作用。不同的市场模式设计对于市场运营的效率和市场中不同利益主体的效益［1］有决定性的影响,往往决定市场设计的成败。因此,电力市场运营的设计者在开展市场模式设计时,希望通过具备一定通用性的电力市场全景实验平台来量化分析、评估市场设计的预期运营效果［2］。

从现实背景来看,国内外市场处于持续发展中。国外电力市场已初步建立了周期完整、品种齐全的电力市场运营体系,覆盖了年度、季度、月度、日前和实时等不同时间尺度,涵盖了电能、辅助服务、容量、输电权等一系列市场品种联合运营的市场模式［3］。随着《关于进一步深化电力体制改革的若干意见（中发〔2015〕9 号文）》［4］及配套文件的相继发布,明确了“紧紧围绕使市场在资源配置中起决定性作用深化经济体制改革”,中国的电力体制改革正一步步深入推进。与此同时,中国电网运行形态也发生了深刻的变化,电力系统发电、输电、用电等环节均面临与竞争性市场协调耦合运行的挑战［5］。电网安全风险、电力经济风险、市场中不同利益主体的效益风险剧增,市场模式与规则设计面临的试错成本风险巨大。

随着中国“碳达峰、碳中和”目标的确定,在交直流混联的特高压骨干网架以及强不确定性、随机性、波动性的新能源高比例接入等电网运行新形态下,一方面,需要高度关注高比例新能源电力系统的电力平衡问题,充分发挥多元化清洁能源、需求侧资源和传统能源作用［6］,全方位保障电力平衡；另一方面,需要充分考虑新能源为主体、需求侧参与、灵活调节电源等特点,加快推进适应新型电力系统的电力市场建设,完善新能源电力市场交易机制［7］,统筹解决新能源消纳问题。电力市场运营面临的电网安全风险、市场价格风险函须在电网、市场、社会耦合互动的电力市场全景实验平台上进行分析评估。

科学、合理的电力市场实验推演技术是未来电力市场平稳发展的有力保障。为此,本文调研了国内外电力市场实验推演技术的研究进展,分析了电力市场实验推演需求,建立了全景实验平台总体功能框架,探讨了“双碳”目标下电力市场实验能力建设面临的主要挑战、涉及的实验方法理论基础和函待突破的关键技术。从全面提升电力市场实验建设能力着手,更合理地引导并优化适应现在和未来的电力交易规则设计,降低电力市场建设的试错成本。

1 国内外电力市场实验推演技术研究进展

市场发展的大环境对实验推演技术提出了新的要求,国外电力市场实验能力得到了长足发展。从国际范围来看,国外电力市场实验能力处于持续发展中,特别是在近15 年得到了长足发展,以美国阿贡 国 家 实 验 室 的 EMCAS［8］、ABB 公 司 的GridView［9］以 及PLEXOS 公 司 的PLEXOS［10］等 为代表,分别建立了国家级的实验环境和企业级的实验验证平台产品,并在传统仿真技术的基础上启动了电力市场实验技术的相关研究,朝着多周期、多市场运营实验和高度集成、全景化方向发展［8-10］。

中国现有的电力市场实验能力还远不能支撑完整体系的电力市场实验的开展,需要迎头赶上,深入开展电力市场实验推演技术研究。在电力系统的物理运行实验能力建设方面,中国起步较早,目前已经具备较强的实验验证能力。但在电力市场环境下,从经济运营与物理运行的角度开展多周期、多市场品种的电力市场运营实验的能力还较为缺乏。“十一五”期间,开展了电力市场仿真技术的研究［11-12］,初步构建了电力市场仿真系统,但从功能上来看还局限于针对单一时间周期、单一市场、单一产品的竞价过程的模拟仿真,难以支撑中国市场模式推演与验证评估等市场改革背景下的新需求。

从发展趋势来看,在全球市场和网络技术发达的环境下,在市场需求和技术演变的推动下,电力市场实验验证技术正向更加通用、更加集成、更加开放的方向发展,其主要特征体现在实验平台的通用性、功能集成性、互动性。

2 电力市场实验推演需求和功能架构

2.1 业务需求

电力市场运营是一个多交易品种并发、多交易周期并行且相互关联的完整体系。电力市场全景实验平台以电力市场的现实和未来发展的业务需求为基础,通过电力市场实验推演赋能电网典型应用场景,及时响应国内电力市场规则复杂变化,并进行分析和研究。

全景实验平台的虚拟化、工具化、可配置、开放性、扩展性和安全性特征能够为电力市场建设的业务需求提供多方位服务,如图1 所示。

图1 全景实验平台的业务需求Fig.1 Service demands of full-scope experiment platform

电力市场运营技术实验室整体功能包括物理模型管理、经济模型管理、推演场景构建、报价模拟、模拟推演、评估分析6 个功能模块。各模块之间相关独立,具备一定的可复制性。通过对电力市场运营技术实验室各功能模块的功能提升和扩展,以支撑电力市场不同区域、不同阶段、不同规则下的电力市场模式推演与评估业务,电力市场软件验证测试业务,科研成果验证与新技术引进业务以及电力市场业务人员实务培训。

2.2 功能架构

全景实验平台总体功能框架由电力市场运营模拟、市场成员行为模拟、电网运行模拟3 个部分组成,如图2 所示。

图2 全景实验平台总体功能框架Fig.2 Overall function framework of full-scope experiment platform

电力交易运营模拟是实现电力市场组织、出清和结算的仿真,采用典型的3 层云架构设计,包括基础设施服务、平台服务、应用服务,通过分布式、可伸缩的系统架构,支撑电力市场实验环境的灵活扩展。

市场成员行为模拟是实现市场成员决策行为的演化,采用人工申报和代理（机器人）申报2 种申报方式。

电网运行模拟是以市场出清的发电量、负荷中标量作为电网调度运行的输入条件,再结合运行方式实现电网调度和稳定运行的分析计算。

电力市场运营模拟功能架构如图3 所示。底层为数据区,包括案例数据区和工作区。案例数据区为实验场景数据的存储区,为实验验证平台提供各种模拟场景的数据资源。对于工作区存储实验平台直接访问的数据资源,在实验模拟之前实验人员须从案例数据区中选择实验场景加载到工作区。数据区之上是实验平台底层支撑,提供包括权限、流程、任务调度等支撑［13］。模拟控制区则包括模拟总控管理、智能代理投标、模拟数据生成、实验场景设置、时序设置等。实验管理区设计有案例管理、学员管理、实验推演日志、系统管理等功能。最后为功能区,是实验模拟开发的具体应用,支撑交易运营模拟的申报、出清、执行、结算等全部过程。通过配置算法库技术,支撑中长期市场、日前实时市场的模拟推演。为适应相对灵活的界面输入和输出功能,平台需要研发相对灵活的组态功能,也可以直接嵌入第三方的工具化软件。

图3 电力市场运营模拟功能架构Fig.3 Function architecture of electricity market operation simulation

1）平台数据区。为了满足电力市场运营推演业务的高性能使用需求,推演平台在传统商用数据库的基础上引入高性能内存数据库,包括Oracle 数据库、Redis 数据库、实时数据库（RTDB）,并且支持分布式存储。从数据类型划分,平台数据又可划分为工作数据区、案例数据区和推演环境样本数据区。其中,工作数据区使用的数据资源包括所模拟市场的物理模型、经济模型、市场运营模拟数据以及模拟过程产生的数据文件。物理模型管理通过电力系统分析软件（BPA）、电力系统公用数据模型导入（CIME）实现模型入库和模型校验,通过模型映射管理实现与经济模型的衔接匹配。

2）公共服务区。实验平台基于服务总线提供平台公共服务,包括公用服务和应用服务两大类。其中,公用服务包括数据服务、图形组态服务、模型服务、数据服务、时序控制服务等。数据服务负责实验平台所有数据的存取以及通用数据库与内存数据库之间的数据传输和同步。图形组态服务提供丰富的界面控件库和响应事件类型,可实现展示界面的自由定制。模型服务实现对系统模型数据的管理,并为其他业务应用提供模型数据的存取和检索服务。时序控制服务用于控制市场连续运营模拟过程,包括按照时间顺序控制和基于事件状态触发控制2 种类型。应用服务包括安全校核服务、市场出清服务、机器投标服务、文件数据交互服务。基于服务的方式部署可以降低客户端的消耗,所有服务均基于实验平台的服务总线统一管理和调用。

3）业务功能区。业务功能区包括全球广域网（Web）应用、市场运营、分析展示、数据管理、市场管理等多个部分。Web 应用区面向各市场成员进行数据申报和信息发布,包括成本申报、交易竞价申报、交易结果查询以及操作日志检索等。实验功能区是面向电力市场模拟实验而开发的具体功能,涵盖交易公告发布、交易申报、交易出清、电网运行、市场结算等功能。分析展示区主要用于电力交易运营模拟实验的过程和结果的展示以及对于市场运营结果、运营趋势的分析统计等。数据管理区包括模型管理、标签数据管理和数据交互文件配置等。实验管理区包括市场场景创建、模拟时序配置、机器投标配置、教/学员管理,主要针对实验案例的模拟环境和模拟过程进行配置,对参与实验模拟的用户进行相应的权限控制和导引,并对实验运营模拟过程的进展情况、实验参与人员的操作状态、实验的中间数据等进行观测。

3 电力市场实验推演面临的主要挑战

基于第2 章的设计,已初步完成电力市场全景实验平台总体架构的搭建和基本功能的研发,已实现能够支撑中长期、日前、实时单一时间尺度的电能、备用、调频等市场品种的电力市场模拟推演。其中,中长期电力交易运营功能已应用于北京电力交易中心及省级交易中心的模拟验证环境,现货电力交易运营功能已应用于浙江、上海、山西等省（市）,为其现货市场建设方案和市场规则提供了实施前的仿真验证分析。

然而,“双碳”目标下新能源装机容量、电量将逐步占据主体地位,新型电力系统的特征日趋明显,电力系统将从以确定性可控传统电源为主体的系统,逐步演进为以强不确定性随机波动电源为主体、灵活调节资源广泛参与的电力系统［14］。未来电力系统电力电量平衡特性将不断演化,与之衔接的市场机制也将逐步发展,不同的市场主体、交易品种、交易机制、出清模式、定价机制等市场规则设定对于电力市场运营效果、新型电力系统运行效果以及不同类型市场主体的收益回报水平和激励效果缺乏有效的量化评估手段。电力市场实验能力建设正面临着更大的挑战。

3.1 实验推演场景构建的能力要求

未来场景下新能源装机规模不断变化,相应的数据场景需要动态构建。目标电力系统实验推演环境的构建,一方面考虑到以新能源为主体的电力系统尚无实际的数据来源,实验平台需要支持对未来态、动态演变的电网、电源、负荷的科学建模和系统构建；另一方面考虑到未来电力系统电力电量平衡特性将不断演化,与之衔接的市场机制也将逐步发展,同时须结合政策走向,使得电力市场与碳市场、新能源补贴机制以及绿色证书市场呈现相对独立又相互关联的局面,需要对绿电市场、容量市场、碳市场与电力市场之间的耦合关系进行统筹考虑。

从时间维度看,构建需要包括两方面:一是短周期推演模拟场景的构建需求,新能源预测偏差带来的电力平衡问题需要针对特定场景进行日前、日内、实时等短时间深度推演模拟；二是长周期连续推演模拟场景的构建需求,新能源季节变化特性需要长时间周期推演模拟,与传统电源相比,新能源主体的收益稳定性下降,需要长周期甚至全生命周期的模拟。新能源不断发展演化下网源结构特性、电力平衡特性不断演化,需要长周期模拟推演。

3.2 电力交易运营模拟的能力要求

“双碳”目标下,中国的资源能源格局决定了新能源消纳须大范围协同运作实现,通过省间市场实现全国范围内资源能源优化配置,提高特高压跨区通道利用率；通过省内批发市场解决电力平衡问题［15］。然而,中国各省级电网的电源结构、新能源比例、电网结构和负荷结构各不相同,各省在选择电力市场模式和设计市场规则时,单一时间周期、单一市场、单一商品竞价过程的电力市场模拟仿真难以支撑未来新型电力系统的新需求。

电力交易运营模拟能力需要能够支持多种市场模式的出清机制模拟、多种实验场景的切换、多种市场模式的人工参与模拟运营、市场成员的决策行为演化、地区内多个电力市场的全景耦合运营机理模拟；多种源网荷结构、多供需场景、多能源价格环境模拟；多市场联合推演,含中长期市场+实时市场、日前市场+备用、实时市场+调频辅助服务等；各级市场的联合推演,含省间、省内市场联合推演；省内市场与区域分布式交易的联合推演；不同规则的配置化,例如新能源不参与市场、新能源报量不报价参与市场、新能源报量报价参与市场等；出清算法的灵活配置,含新技术、新算法；实验算例的灵活接入和结果分析、数据输出；市场力的行使和抑制模拟；省间、各省（区域）实验场景数据分场景存储方式；交易周期、交易品种、出清方式、定价机制、结算方式灵活组态的电力市场全业务链模拟与推演。

此外,为验证电力市场设计在多季节电网和多供需市场环境下的运营效果,还应分析电力市场设计对市场成员行为以及收益的长期影响,探索“双碳”目标下的电力市场发展演变趋势,探索较长时间周期市场,比如容量市场的设计运营效果等,开展电力市场长周期连续运营实验推演,评价多因素叠加、长时间累积的影响效应。长周期电力市场连续模拟推演对出清算法提出了更高的要求。一方面,市场实际运营下的出清计算时长已经无法适应长周期连续推演的实验需求,出清计算环节需要同其他市场环节一样建立“缩放”机制,大幅缩减出清计算时间。另一方面,长周期连续推演的数据基础与实际市场运营也有较大差距,大量假设性、时间跨度长的数据存在,对出清计算的容错性提出了更高的要求。

3.3 市场成员行为模拟的能力要求

目前,市场成员决策行为模拟已实现单一市场、单一商品、基于自主学习的市场成员行为模拟。在多市场组成的市场商品体系下,不同市场中不同类型的市场成员,包括发电企业、分布式新能源、售电企业、电力用户、负荷聚合商、输电企业等的成本回报、效益回报和回报方式各不相同,决定了市场成员参与不同市场的决策差异。市场成员决策行为模拟需要考虑市场成员的多目标、规律性和不确定性,既要综合考虑自身成本,也要考虑提供的商品类型、交易机会和生产能力；需要建立市场成员合理的成本与回报模型,既是自身参与各个市场决策行为的响应,也是对体系性电力市场设计的响应；需要建立市场成员行为模拟与电力交易运营模拟的联动关系,将电力市场设计作为整体考虑,合理预判市场成员的响应行为,预测设计市场模式的预期效果。

另外,已有市场成员决策行为模拟重点围绕常规能源市场主体展开,未来还须支持新能源主体的中长期、日前、实时曲线模拟以及储能、抽水蓄能等新型主体的决策行为模拟。

3.4 对于电网调度运行模拟的能力要求

电力市场运营与电力系统发电、输电、用电等环节密切相关,对电网运营的经济性与安全性起到重要作用。市场模式对各类市场成员的经济利益和发展空间影响巨大,不同市场设计会影响市场成员决策行为和响应特性、市场出清结果,进而影响电网的安全运行。同样,作为电力市场运营的载体,电网自身的运行特点、各类调度运行事件等也会对电力市场运营产生极大影响,电网运行和市场运营之间交互影响。现有的实验平台侧重于市场运营过程的推演,电网调度运行模拟面向原有的计划调度体制设计,依据固定的电网运行边界和调度计划进行调度运行过程的仿真,尚不支持市场环境下电网调度运行过程的模拟,推演过程未实现市场运营模拟与电网调度运行模拟的联动,难以反映实际电力市场与电网调度运行之间互动影响的运营特性。

为满足电力现货市场环境下电网调度运行仿真的新需求,还需要解决市场环境下联络线计划分解、电网运行数据生成、自动发电控制等技术问题,在功能和数据方面与电力现货市场推演系统相互衔接,以实现电力现货市场与电网调度运行的一体化联合推演。

3.5 电力市场推演评价指标体系及评价方法的要求

实验平台构建电力市场推演评价指标体系对市场推演结果进行评估,对其不良性能进行开环或闭环的改进和提升,是验证市场模式和市场规则是否有效、合理的重要一环。通过评价电力市场推演结果可以判断交易机制设计是否有利于抑制市场力和市场的有效竞争,以及是否符合社会福利最大化原则等。评估既应具备采用历史表现和已有数据的事后评估方法,也应具备对于电力市场设计、运行和预测的事前评估措施。这样就可以开展事前与事后的评价结果比对分析,采纳更灵活的指标融合策略,多维度、多角度展现市场的显性和隐性的特征,发现市场设计中的风险因素,验证市场风险规避措施的有效性,使得市场向期望的方向发展。

4 电力市场实验推演的理论与关键技术

基于电力市场实验推演技术面临的挑战进一步深入剖析,提出以下电力市场实验推演涉及的理论基础与函待突破的关键技术。

4.1 实验方法理论基础

电力市场实验推演的目的是通过实验平台模拟仿真电力市场与市场成员、电力系统之间的动态交互影响。常用的电力市场实验方法包括计算经济学和实验经济学。前者借助仿真计算实现,涉及宏观经济学、统计学和微观经济学,以基于博弈论的传统方法和基于多代理的方法为主［2］；后者是通过数学模型表征各个环节构建实验环境,两者具有很强的互补性。在实验经济学成功地将市场成员的主观博弈引入实验环境并实现计算机智能代理后,其实验方法在电力市场研究中脱颖而出并推动了电力市场实验平台的研发。

另外,未来新型电力系统中,由于新能源的强不确定性和随机性,基于确定性理论的电力市场和电网运行分析方法只能针对一个确定的场景,将难以满足电网发展的新需求,不确定性分析方法将成为电力市场的重要学科理论基础。按照数学中的研究范畴,不确定性可分为随机性、模糊性和粗糙性,分别用随机概率论、区间理论序列运算理论与数理统计、模糊数学和粗糙集理论等应对［16-18］。同时,在不确定性方法基础上结合风险理论,譬如采用基于蒙特卡洛模拟的风险价值计算,能够将事件发生的概率和后果相结合［19］,通过相应的指标来分析新能源随机性、电网随机故障等对电力市场带来的影响,评价电网当前存在的安全风险,更有效地协调电力市场全景实验推演的经济性与稳定性。

4.2 实验推演场景的智能构建技术

1）电力系统运行场景构建技术

电力系统运行场景构建技术需要对电源、电网、负荷侧各类主体、运行设备进行物理建模,对各类设备参数、运行方式进行配置管理。通过接口规范可进行实际运行电力系统、模拟仿真电力系统场景的整体接入,实现对已知电力系统运行场景的构建；通过对各类型发电资源、用电资源、储能资源的轻量化、标准化建模以及动态化、批量化配置技术,可对系统中的电源、负荷构成进行规划调整,通过电网图模一体化技术可对电网设备模型、拓扑关系进行在线编辑,共同支撑对未来电力系统运行场景的构建。

2）电力市场运营场景构建技术

电力市场运营场景构建技术需要对各类市场主体进行经济建模,对各类市场主体行为规则边界进行配置管理。电力市场运行场景包含交易品种、市场周期、市场主体三大要素。其中,交易品种包含了申报、出清、运行、结算、评估等各个环节的规则算法信息；市场周期包含了交易开始、结束时间,峰平谷时间配置,交易出清的时段配置等信息；市场主体包含了准入范围、报价方式、运行方式等市场主体相关信息。通过统一规范的底层逻辑和数据结构设计,打造开放通用的市场配置模块,实现对上述要素的自由组合是电力市场运营场景构建技术的关键。

4.3 电力市场出清模拟技术

4.3.1 高性能智能出清算法

出清算法是市场模拟推演的核心之一,实验环境下的出清算法需克服计算规模大、建模复杂度高等关键问题。最优化问题建模求解是各市场品种出清算法的技术基础,从底层优化引擎层面、智能优化建模层面开展深入研究,提升出清算法的高性能与高可靠性。

在底层优化引擎层面,研究适用于大规模机组组合和经济调度算法的模型分解方法,以及Benders分解［20-21］、Dantzig&Wolfe 分解方法［22］的实现技术；研究适应于各类出清优化问题特点的初始基确定方法与检验数计算规则,加快算法的收敛［23］；从冗余约束识别、约束及决策变量限值合法性识别、特殊约束转化等角度［24］,研究出清优化模型的预处理技术,实现待求解问题的规模缩减［23］。

在智能优化建模层面,一方面,建立适用于电力现货市场出清模拟的电网安全约束智能化处理技术,基于人工智能技术充分挖掘市场成员申报行为、电网运行特征等与阻塞断面的内在联系,从众多常规断面中预测阻塞断面作为初始断面集,实现模型的降维处理,缩减迭代轮次,提升求解效率；另一方面,研究适用于新型电力系统的鲁棒优化出清模型,建立考虑大规模清洁能源随机性和源网荷储多元互动的鲁棒优化关键技术,突破传统出清建模无法考虑大规模清洁能源不确定性的影响、发电侧调峰能力不足造成的清洁能源消纳困难等瓶颈,解决大规模清洁能源随机性给电网运行带来的安全威胁问题,实现面向强不确定性电力系统的鲁棒出清。

4.3.2 多市场耦合运营模拟

为支撑多交易品种、多时间周期、多级市场的耦合运营模拟,需要突破以下关键技术:

1）预研适合中国特色市场品种的市场出清机理。部分市场品种在中国尚无实践经验,比如容量市场、输电权市场等,须研究相应市场品种的申报形式、成本模型、定价模型、结算规则。

2）研究中长期与现货市场、容量、电能、辅助服务市场之间的耦合运营模式、时序衔接关系、数据交互形式,支持对不同市场间物理衔接、金融衔接及不同市场品种间联合出清、独立出清等多种衔接方式的模拟。

3）研究中国庞大的、特高压交直流混联复杂电网条件下省间-省内两级协调耦合运作的交易组织方式、价格分区方法和出清技术。实验平台既要提供适用于不同市场阶段的省间、省内市场成员报价形式,还应综合考虑省间和省内在输电成本、输电阻塞管理等方面的协调机制,研究省间、省内统一报价,分级优化、耦合迭代、一体化计算模式下的优化出清技术。

4）攻克多市场耦合运营的场景配置自适应数据关联技术。在完成对市场周期、品种的场景配置后,电力市场推演平台需要具备根据不同市场之间的耦合关系,自动建立数据交互关系的能力。考虑到场景配置是时间周期、市场层级、商品品种等多维度的排列组合,可配置的场景全集较为庞大,为支撑全景实验模拟、适应未知的推演需求,需要建立简洁、高效的场景配置自适应数据关联技术,提升开发效率。4.3.3 长周期连续模拟任务调度

在理论支撑方面,基于系统动力学原理模拟电力市场长期动态演化,通过对市场成员行为、市场成员收益、市场品种以及交易规则、电网运行、市场出清等各系统部件相互关系和影响机理的全面构建［25］,模拟达到电力市场长期动态均衡状态,体现各因素变动造成的复杂连锁反应,分析市场设计对电网经济性、安全性的长期影响。

建立时序控制与任务调度技术,通过提取电能、辅助服务、容量、输电权等商品在不同层级、不同周期市场运行中的有效时间,按时间触发、事件触发和混合触发方式实现自动流转、权限控制和顺序启动。通过部分环节前置执行、多模拟流程并行执行关键技术,实现对模拟过程的加速处理。

需要建立“时间比例尺”缩放机制,在有限时间内完成对较长时间周期电力市场的模拟推演。一方面,需要通过虚拟时钟技术对现实时间的模拟和多步长控制。但是对于密集出清的实时市场,其时间缩放的裕度较小,需要建立实时市场、电网运行模拟过程的合理简化机制,在正确反映市场连续运营发展趋势的前提下提升市场连续模拟的效率。另一方面,实际市场运营下的出清计算时长无法适应长周期连续推演的实验需求,出清计算环节需要同其他市场环节一样建立“缩放”机制,大幅缩减出清计算时间。在高性能智能出清技术的基础上,通过变周期优化技术,智能选择推演时间周期的高峰、低谷时点,对不等时间间隔的优化时段进行建模,在不丢失关键信息的情况下实现快速出清。同时,在出清环节增建容错机制,通过提前设置约束优先等级,在数据校验后,对非关键错误按照预先设置的优先级进行修正,实现冲突数据的校验识别与自动修正。

4.4 市场成员决策模拟技术

模拟市场成员的竞价行为是开展电力市场实验推演的基础条件,现有的市场成员竞价行为模拟方法主要以市场成员的竞价收益最大化为目标,基于运行成本或对手报价预估进行报价策略的优化选择。考虑到市场成员之间的数据保密,更多采用基于运行成本的竞价行为模拟。在电力市场实验推演中,需要全面考虑发用侧各类市场成员的生产运营特性和多种竞价决策目标,建立相应的成本、效益计算模型,并且结合多个市场之间的耦合关系形成市场成员的整体效益,实现多市场耦合下的市场成员的多目标竞价行为模拟。

为模拟市场成员在市场参与过程中动态调整、优化竞价策略的特性,RE-Learning、Q-Learning、经验加权吸引（EWA）等自主学习算法被广泛应用于基于运行成本的竞价行为模拟实现中［26］。需要对这些训练算法进一步优化,结合市场成员的竞价决策特点进行合理的改造设计,通过奖惩函数、模型结构构建以及训练优化方法合理设计,提升竞价代理的动态学习特性和策略寻优能力,通过多次迭代后实现各市场成员竞价策略的全局最优和电力市场的纳什均衡,支撑开展电力市场运营效果和影响因素分析。

为分析市场力对市场运营效果的影响以及市场规则设计潜在的风险,还需要对发电集团、售电公司等各类经营主体的合谋报价行为进行模拟。目前常见的合谋报价主要包括影响电价和容量持留2 种方式,分别通过抬升市场整体电价和形成局部区域阻塞提高合谋集团的整体获利。实际市场中还有发电与售电联合报价、新能源与储能联合报价等形式。针对各类合谋报价形式,需要综合分析合谋集团的市场份额、电网分布、运行特性等,基于合谋集团的效益整体最优进行联合报价行为的模拟。

4.5 电网调度运行模拟技术

为实现大电网运行仿真和电力市场运营模拟之间的无缝衔接,须进一步提升以下2 项关键技术:

1）研究适应电力市场多场景推演的电网调度运行数据模拟技术。结合电力市场推演需求,基于电网调度运行历史数据分析和机器学习等方法,研究负荷波动、设备故障、新能源机组出力强不确定性、机组执行偏差等各种典型电力市场运营推演场景下的电网调度运行数据的模拟方法,确保联络线功率、母线负荷、机组出力等各类电网运行数据的合理性和相关性。

2）建立电力市场与电网调度联合运行过程的快速模拟技术。在电力市场与电网调度运行的连续自动推演过程中,需要基于各类数据存储和运算技术,如内存存储、数据缓存、并行处理等,研究电力市场与电网调度运行各环节的数据组织、处理运算和数据交互技术,在不影响推演结果准确性的前提下尽量缩短推演过程,实现市场与电网连续运行过程的快速推演。

4.6 市场运营大数据评估技术

在多市场、多周期、多品种的电力市场实验推演过程中,从模型输入、推演过程到仿真结果将产生海量运营数据,这些基于业务主线流程产生的数据按不同业务分类进行存储,缺少对数据聚合、加工和挖掘的过程,影响了对市场运营效果的有效评估。市场运营大数据评估技术是电力市场连接运营的数据与价值的关键桥梁［27］,主要分为大数据处理技术和大数据分析与评估技术。

大数据处理技术主要包括分布式计算、内存计算和流式计算技术,这3 种技术在电力市场中适用于不同的业务对象和应用场景。分布式计算主要用于处理大规模计算任务,适用于市场全景实验推演结果的多种指标统计等分散式数据的处理,如购售电收益、社会福利、清洁能源消纳等。内存计算是一种将参数变量数据放入内存中进行运算的技术,适用于连续实验推演的出清电价趋势、可用输电能力（ATC）效果指标评价等结果的计算场景,不需要事前构建数据模型和预处理数据,缩短了系统对业务的响应周期。流式计算是一种持续、低时延、事件触发的计算作业,适用于市场推演中的连续挂牌、复式竞价等交易中系统量价指标的连续计算。

需要通过以信息提炼为驱动的大数据分析方法和以知识发现为驱动的大数据分析方法,结合当今流行的商务智能（BI）和人工智能（AI）领域的先进技术,从电力市场实验推演的大数据中找出潜在的模态与规律,不同的电力电量平衡场景下、燃料成本变化下对市场价格趋势的影响。随着新型电力系统的不断发展,环境（新能源消纳比例）、安全、经济三者之间表现为三角关系,通过挖掘隐性交叉的知识,从数据中发现其相关关系,如清洁能源装机容量和消纳电量比重的变化与市场主体的行为关系等,通过市场运营大数据的评估技术为市场推演的效果提供量化的指标支撑。

5 结语

本文设计了涵盖市场成员申报、市场交易组织、交易出清、结算、电网运行分析等环节的电力市场全景实验平台总体功能框架,其虚拟化、工具化、可配置、开放性、扩展性和安全性特征充分满足电力市场建设四大业务需求。目前,实验平台已完成基本功能研发,并进行了市场成员自学习报价行为模拟推演,中长期、日前、实时各时间尺度下电能、备用、调频等市场品种的电力市场模拟推演,以及独立的电网调度运行模拟分析功能的验证性测试,并为浙江、上海、山西等省（市）的现货市场建设方案和市场规则提供了实施前的仿真验证分析。

未来在“双碳”目标下,具有强不确定性、随机性、波动性的新能源接入比例越来越高,新型电力系统的电力市场运营状态评价、运营效率和运营风险评估对实验能力建设提出了更高的要求。为此,本文系统性阐述了实验推演场景的智能构建,电力市场的运营模拟、市场成员行为模拟与电网调度运行模拟紧密衔接,以及市场运营大数据评估等方面函待突破的理论与关键技术。通过进一步加强实验能力建设,为推进中国电力市场建设提供了重要的支撑手段。