南方(以广东起步)电力现货市场双边交易仿真分析研究

袁泉，张蔷，禤培正，刘春晓，王子强，禤宗衡，何希然

(1．中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623；2. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

2015年3月，国务院正式下发了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发﹝2015﹞9号)，新一轮深化电力体制改革全面启动[1]。市场机制是配置资源的有效手段。电力市场化改革旨在通过市场机制尤其是电力现货市场的建设，恢复电力的商品属性，优化电力资源配置。现货市场是电力市场的核心，建设完善的现货市场对促进清洁能源消纳、发掘电力资源优化潜力、优化电力资源布局具有重大意义[2-7]。为深入贯彻国家电力体制改革精神，南方(以广东起步)电力现货市场从2018年8月31日起进入试运行阶段，成为全国首个进入试运行的现货市场。

根据2021年南方(以广东起步)电力现货市场试运行情况，发现广东存在电力供需紧张、调峰能力不足、出清电价偏高等情况，在煤价持续上涨的严峻形势下问题更为突显。针对上述问题，从供给侧方面出发的传统资源配置优化方式难度越来越大。一个好的办法是从需求侧入手，设计需求侧资源参与电力市场竞价机制，通过市场手段发挥需求侧调节作用，从而缓解全系统的供需紧张问题，实现电力资源的优化配置[8-9]。

当前，学界对需求侧参与电力市场已有诸多研究。文献[10]阐述了需求侧资源参与电力市场的主要途径，将参与方式分为基于价格和基于激励的需求响应2类。文献[11-13]进行了需求侧参与竞争性电力市场的相关研究，其中文献[11]介绍多个典型国外市场需求侧资源参与市场的模式，文献[12]对适应友好型负荷参与的现货市场机制进行设计，文献[13]研究负荷侧参与电力市场的竞价策略。文献[14]总结了当前国内需求侧资源参与电力市场的典型模式及实例。文献[15]以广东市场为背景，研究需求侧资源参与需求响应的运营策略。文献[16-18]结合国外需求侧参与电力现货市场的建设经验及我国电力市场实情，对需求侧参与电力市场的模式、策略和利润空间进行系统分析，并在关键问题、建设逻辑、发展路径等方面为我国开放需求侧参与的电力现货市场体系建设提出合理建议。

上述文献大多基于国外市场建设经验进行理论研究。我国现货市场处于建设初期，且具有计划与市场并轨运行、用户报价决策意识与能力较弱、可再生能源优先消纳等特殊性，国外市场经验不能直接应用于我国电力市场。因此，结合实际数据对电力现货市场运行情况进行仿真分析具有重要意义。本文针对参与竞价的弹性负荷，分别搭建考虑负荷按容量报价和考虑负荷按增量报价的现货市场出清模型。基于南方(以广东起步)电力现货市场试结算运行数据，对双边竞价模式进行仿真模拟分析，并从系统调节能力、价格变化和弹性负荷成本3个方面展开对比分析，得出指导性结论，为未来南方(以广东起步)电力现货市场开放需求侧参与提供参考。

1 南方(以广东起步)电力现货市场运行情况

1.1 市场概述

南方(以广东起步)电力现货市场采用集中式市场模式，既包含集中式市场一般特征，又保留了区域特殊性。其特殊性在于省内发电量和“西电东送”电量并存，计划与市场并存。南方(以广东起步)电力市场包括中长期交易市场、日前现货市场、实时现货市场及调频辅助服务市场，整体架构如图1所示。

图1 市场结构

与一般集中式市场类似，日前现货市场出清考虑次日电网运行条件和物理约束，以系统总购电成本最低为目标，集中优化运行日的机组组合和出力曲线，得到交易结果。日前市场优化出清的本质是通过安全经济调度，实现电力电量平衡、电网安全管理和资源优化配置。优化中，通过集中竞争体现各节点的分时能量价值，从而形成分时节点电价信号，充分反映电力商品的时空价值，引导资源进行优化配置。广东市场可以有效实现通过申报价格体现机组成本情况和市场力对节点电价的影响[19]。

实时市场在日前市场的出清结果基础上，基于最新的电网运行状态进行增量调整。其调度过程仍然采用安全经济调度，以最新的电网实际运行情况为约束，优化电网实时运行情况与日前预测的偏差。调频辅助服务则通过集中竞争的手段满足系统调频需求，在保证电网安全运行的前提下充分调动调频资源，实现优化配置。现阶段，广东调频辅助服务市场与现货电能量市场分开独立运行。实时运行期间，电力调度机构根据调频容量需求及机组调频报价排序，出清得到各机组的调频中标容量。然后，将调频市场中标机组的出力上、下限扣除调频中标容量后，再进行实时电能量市场的出清[20]。现货市场交易流程如图2所示。

图2 现货市场交易流程

当前，南方(以广东起步)电力现货市场采取的是“发电侧报量报价，用户侧报量不报价”的形式，而在实际出清中，用户侧用电量以负荷预测为准。此为单边竞价模式，其优点在于有效维护了市场改革的平稳推进，但由于价格信号无法传导至用户侧，使得用户侧的需求响应潜力得不到释放，系统调节能力提升空间受到限制。

1.2 试运行开展情况

南方(以广东起步)电力现货市场作为中国首批电力现货市场试点，于2018年8月31日投入模拟试运行，随后于2019年5月、6月分别开展了2次按日结算试运行，同年10月完成了“中长期+现货”完整市场体系的按周结算试运行。2020年，历经6轮全月结算试运行公开测试后，南方(以广东起步)电力现货市场在8月首次全月结算试运行。

2021年5月1日，广东正式启动电力现货市场结算试运行，12日开始出清价格逐渐升高，13日后发电侧日前成交均价均高于燃煤基准价，5月全月日平均电价为495.05元/MWh，而2020年8月平均价格仅为194.09元/MWh，价格涨幅高达155.06%。导致电价升高的原因有：一是负荷增长迅猛，“西电东送”电量减少，电力供应紧张；二是动力煤价格持续高涨，发电企业抬高报价。此外，通过价格统计可知，试运行中部分交易日出清价格出现“倒挂”现象，即峰时平均价格小于谷时平均价格。这是由于调峰紧张，为保障高峰时段市场运行平稳而不得不进行的人工干预造成的。由此可见，缓解电力供应压力，提高系统调节性已经变得十分重要。

开放需求侧参与市场可以拓宽市场竞价空间，解决供需紧张和价格方面的问题。为此，本文基于南方(以广东起步)电力现货市场实际数据，对双边竞价的市场模式进行仿真研究，对比不同报价方式对于实际市场的适用性，全面分析运行中可能出现的问题并提出解决方法，为未来开放负荷侧竞价提供参考。

2 双边竞价模式

2.1 双边竞价

消费者是具有弹性的，一般来说：一种产品的价格越高，该产品的需求量就会越小；相反，价格越低，需求量越大。因此，需求曲线一般是一条向下的曲线。电力市场集中竞争中，用户或售电公司的报价实际上就是一种需求曲线：在不同的价格(降价幅度)下，电价越低(降价越多)，愿意购买的电量越大。典型集中竞价市场中发电商与用户的报价如图3、图4所示，前者为发电侧单边竞价，固定的用户需求表现为一条直线。如果市场中有多个主体，将市场中所有需求者的需求以及生产者的报价曲线叠加，就可以得到市场整体的需求曲线和供给曲线，二者的交点即为供需平衡点。

图3 单边竞价模式报价

图4 双边竞价模式报价

电力市场中，一些用户缺乏对价格的响应能力(至少在规定时段内)，其需求曲线表现为完全无弹性，如图3中的用户需求。这部分负荷只需要申报电量，而不需要申报电价，用户需求呈现出一条竖直线，代表价格接受者。有些市场不要求市场成员申报负荷，直接由调度或交易机构通过负荷预测得到市场的需求。

在竞争比较充分的市场中，产品的市场价格由所有的生产者和消费者共同决定，每个消费者都是市场价格的接受者，因此最佳的报价策略是按照真实的需求特性报价：考虑使用不同数量产品时可以产生的效益，据此进行报价(如图4所示)。由此，可以实现市场机制对资源的优化配置。

2.2 需求侧申报方式

需求侧参与双边竞价的申报方式一般可以分为按容量申报和按增量申报2种。这2种方式本质上都是市场主体交易意愿的表达形式，但在实际应用效果不同。

按容量申报是指：将负荷类比成发电机，认为负荷也存在一个容量的概念，可以在容量范围灵活调整出力；然后将容量拆分成多段报价，出力越大，报价越小，是一种负荷需求的直接申报方式。这种申报方式在PJM等成熟的电力市场中具有广泛应用，其特点是能够给予负荷较大的自主权，有效促进负荷响应能力的发挥。但这种方式对市场完善程度和用户成熟度的要求较高。由于模型对单边竞价模型的改动较大，将给市场运行带来较大的不稳定性，同时由于负荷的用电效益、额定容量等指标的量化不像发电机组一样简单，同时报价的物理概念不清晰，将导致申报困难，有时还会产生一定盲目性。

按负荷增量申报是指：以预测值为基准，弹性负荷可在预测值的基础上增出力和减出力，通过申报增出力价格和减出力价格，从而达到需求响应的目的，是一种负荷需求的间接申报方式。这种方法的优点是报价的物理概念清晰，对单边竞价模型的改动小，同时可以控制负荷中标曲线与预测曲线偏差。例如申报减出力报价为a元，意味着当所在节点电价高于a元时弹性负荷才会削减负荷。极端情况下，如果将减出力报价设的很高，同时将增出力报价设的很低，则最后的中标曲线近似于预测曲线。这种报价方式的灵活性不如容量申报方式，且没有完全放开需求侧的响应潜力，但对价格平稳和市场运行的稳定性起到很好的维持作用，适用于市场改革的过渡阶段。

2.3 分布式负荷聚合建模

目前，国外电力市场对负荷侧参与市场的准入条件比较低，大部分终端负荷均可以参与市场，但需要负荷聚合商来聚合分布式负荷参加电力市场，形成统一报价进行批发侧市场出清，再通过零售市场将电能卖给终端负荷。负荷聚合商是比较广义的概念，主要用于聚合可调节资源并代理用户参与需求响应，例如国内的售电公司是负荷聚合商的一种。大部分负荷侧资源分布都比较分散，若不采用负荷聚合，市场出清模型的决策变量较多，不利于模型求解。

关于分布式资源参与市场竞价问题，目前学术界仍没有很好的解决方案。目前普遍将相邻的分布式资源进行聚合(包括不在同一个主网节点的分散负荷)，确实可以降低模型规模，但基于分布因子的聚合近似模型可能会给输电线路潮流带来较大误差，导致市场出清结果不理想，甚至不适用于实际物理系统。为了兼顾出清模型复杂度和线路潮流计算精度2个方面因素，可以将同一主网节点下的分布式负荷采用聚合建模，不同主网节点下的分布式负荷不进行聚合。

3 考虑双边竞价的现货市场出清模型

为了促进双边竞价市场建设的推进，本文基于负荷侧的2种双边竞价模式进行建模，模型以当前南方(以广东起步)电力现货市场出清模型为基础进行设计[20]。当前市场出清模型的目标函数是最小化购电成本，而在完全开放负荷侧参与之后将变为最大化社会福利，同时修改相应的约束。

3.1 基于负荷容量报价

在基于负荷容量的报价模式中，用户可以自主申报电量-电价曲线，在出清时将由市场运营机构统一优化供给与需求曲线，以最大化社会福利。

优化目标为社会福利最大化，即

(1)

约束条件如下：

a)系统负荷平衡约束为省内机组出力与省间联络线功率之和等于省内非弹性负荷与弹性负荷之和，即

(2)

b)中标负荷上下限约束为

(3)

c)断面潮流约束为

(4)

d)其他约束参考南方(以广东起步)电力现货市场出清模型[20]。

3.2 基于负荷增量报价

在基于负荷增量的报价模式中，弹性负荷以负荷预测值为基准申报增量价格，包括减出力报价和增出力报价。系统运营商在以最小化购电成本为目标出清时在原负荷预测的基础上根据系统供需情况优化得到负荷增量，相当于负荷自动参与了需求响应，能起到削峰填谷的作用。

优化目标需要考虑弹性负荷的增减出力报价，即

(5)

约束条件如下：

a)系统负荷平衡约束为省内机组出力与省间联络线功率之和等于省内非弹性负荷与弹性负荷之和，即

(6)

b)弹性负荷上下限约束为：

(7)

(8)

c)状态控制约束为

(9)

d)断面潮流约束为

(10)

e)其他约束参考南方(以广东起步)电力现货市场出清模型[20]。

4 仿真结果

4.1 算例设置

采用2021年某日(每15 min为1个时段)南方(以广东起步)电力现货市场试运行数据开展算例分析，负荷总个数为1 209。

在按容量报价模式下，分别抽取100、200、400个负荷设置为弹性负荷，弹性负荷占总负荷比例情况如图5所示。参与市场竞价(所抽取负荷涵盖多种负荷类型和容量)，弹性负荷的报价范围为300～600元/MW。

图5 200个弹性负荷占总负荷比例情况

在按增量报价模式下，选择200个负荷作为弹性负荷，其中100个为保守型弹性负荷，另100个为激进型弹性负荷。2种负荷的参数设置见表1。对于保守型负荷，其弹性程度较弱，需要更高的利润驱动才能改变原本的用电计划；对于激进型负荷，其弹性程度较强，只需要较低的利润即可改变原本的用电计划。

表1 按增量报价模式下的2种负荷参数设置

4.2 削峰填谷效果

单边竞价和按容量报价模式下的负荷对比如图6所示。按容量报价模式下，弹性负荷参与市场可以起到平缓负荷波动的效果。弹性负荷数量为100、200、400时，负荷峰谷差分别下降5 941 MW、11 389 MW、13 737 MW，调峰效果明显。

图6 单边竞价和按容量报价模式下的负荷曲线对比

单边竞价和按增量报价模式下的负荷曲线对比如图7所示。弹性负荷在负荷低谷时增出力，在负荷高峰时削减出力，负荷峰谷差下降1 528.8 MW，起到了削峰填谷的作用。

图7 单边竞价和按增量报价模式下的负荷曲线对比

单边竞价和2种双边竞价模式(选择同样的200个弹性负荷)的调峰结果对比见表2。从表2可知，2种双边竞价模式均能起到削峰填谷的作用，但按容量报价模式的调节效果更好。当市场发展成熟时，应当采用按容量报价模式，充分利用需求侧的调节作用。

表2 单边竞价和2种双边竞价模式的调峰结果对比

4.3 双边竞价对电价的影响

按容量报价模式与单边竞价模式的电价曲线对比如图8所示。在按容量报价模式下，随着参与报价的弹性负荷个数增加，平均电价曲线趋于平缓，电价曲线偏离原始曲线的幅度也越来越大。

图8 单边竞价和按容量报价模式下的电价曲线对比

按增量报价模式与单边竞价模式的电价曲线对比如图9所示。在按增量报价模式下，双边竞价模式主要降低了负荷高峰时的电价，提高了负荷低估时的电价，其他时段的电价变化不大，电价曲线与原始曲线偏离幅度较小。

图9 单边竞价和按增量报价模式下的电价曲线对比

综上，2种双边竞价模式均有降低峰谷电价差、平缓电价曲线的作用，但按容量报价模式下电价偏离原曲线幅度较大。因此，为保证市场平稳推进，在市场建设初期更适合采用按增量报价模式。

4.4 弹性负荷的成本分析

选择同样的200个弹性负荷时，2种双边竞价模式下弹性负荷的成本见表3。可见，通过参与市场竞价，2种模式下弹性负荷的购电成本和购电单价均有不同程度的下降，需求侧主动参与市场的积极性得到了保证。

表3 不同模式下弹性负荷成本情况

5 结束语

需求侧参与报价有利于发挥需求侧资源的调节能力，削减高峰负荷，提升电网运行的经济性。本文针对南方(以广东起步)现货电能量市场的实际场景，研究按增量报价和按容量报价2种双边竞价模式，发现2种模式均能在一定程度上起到削峰填谷、降低购电成本、提升系统调节能力的作用，但按容量报价模式下的电价曲线严重偏离原电价曲线；相比之下，按增量报价模式基于负荷预测值建模，电价曲线与原电价曲线较为接近，只是峰时电价略有下降、谷时电价略有上升。因此，为保证广东现货市场的平稳推进，建议广东现货市场优先采用按增量报价模式，市场成熟后可逐渐转为按容量报价模式，以充分发挥负荷侧调节潜力。