胡 蔓，劉寧寧，楊 明

（山東大學(xué)，山東 濟南 250002）

0 引言

自2015年以來我國電力市場改革穩(wěn)步快速推進，電力現(xiàn)貨市場建設(shè)是電力市場改革的重中之重，對熟悉電力系統(tǒng)運行和電力市場交易的人才需求越來越大。本文結(jié)合電力市場專業(yè)理論知識與電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則，搭建電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺，為培養(yǎng)社會亟需的新型電氣工程人才提供平臺支撐與技術(shù)保障。本平臺還可作為電力市場交易人員的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用，是電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)的有益補充。

1 電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺建設(shè)的必要性

1.1 中國電力市場建設(shè)需求

2017年8月，國家發(fā)改委、國家能源局選取浙江、山西、山東、福建、四川、甘肅等8個地區(qū)為第一批試點，加快推動電力現(xiàn)貨市場建設(shè)工作。2019年6月底，首批8個電力現(xiàn)貨市場全部進入試運行階段；9月底，首批8個電力現(xiàn)貨市場全部完成結(jié)算試運行，標(biāo)志著各地現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作實現(xiàn)質(zhì)的跨越，電力市場化改革取得突破性進展。電力市場建設(shè)的快速推進，需要有較多的電力市場專業(yè)人才，并配置相應(yīng)的技術(shù)支持系統(tǒng)。電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺的建設(shè)對電力市場的建設(shè)和人才培養(yǎng)均具有積極的推動作用。

1.2 電力市場專業(yè)課程教學(xué)需求

電力市場是一個多學(xué)科融合的專業(yè)領(lǐng)域，學(xué)生既需要掌握市場運行的經(jīng)濟理論，又需要掌握電力系統(tǒng)運行的物理規(guī)律，并能把二者融會貫通。僅通過書本講授這些課程，學(xué)生往往無法理解經(jīng)濟理論和物理規(guī)律二者是如何相互作用、相互影響的，亟需借助實驗教學(xué)手段，幫助學(xué)生直觀理解相關(guān)知識。

本文開發(fā)了以山東電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則為基礎(chǔ)，模擬電力現(xiàn)貨市場交易全過程的仿真實驗平臺。通過理論教學(xué)與仿真實驗虛實結(jié)合，改變電力市場純理論教學(xué)抽象無趣的現(xiàn)象；通過仿真實驗不僅能夯實學(xué)生的理論知識，還可提升學(xué)生的技能水平，進而快速實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

2 電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺建設(shè)

2.1 仿真實驗平臺功能設(shè)計

電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺除包括發(fā)電企業(yè)和售電企業(yè)市場交易信息申報、市場交易撮合、出清結(jié)果發(fā)布等功能外，還設(shè)計了結(jié)果分析功能，包括發(fā)電成交分析、售電成交分析、市場出清分析、電價分析及歷史數(shù)據(jù)查詢等多方面內(nèi)容。

根據(jù)電力市場理論教學(xué)知識點和仿真平臺功能設(shè)計實驗內(nèi)容，基本實驗設(shè)置和知識點如圖1所示。首先，通過電力市場運行機制認知，讓學(xué)生了解現(xiàn)貨市場交易規(guī)則和電力市場運行流程。在實驗中，學(xué)生需掌握機組組合與經(jīng)濟調(diào)度等電力市場理論。其次，在理論基礎(chǔ)上，學(xué)生分別以發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)的角色完成電力市場申報決策，從而掌握發(fā)電企業(yè)“報量報價”、售電企業(yè)“報量不報價”的申報原則及企業(yè)的申報策略。申報完成后，學(xué)生進行電力市場交易撮合實驗，掌握電價產(chǎn)生機制，探索發(fā)電企業(yè)報價、用戶負荷、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、輔助服務(wù)等因素對電價的影響。最后，通過結(jié)果分析，指導(dǎo)學(xué)生認知電力系統(tǒng)運行的物理規(guī)律和市場經(jīng)濟規(guī)律，挖掘物理與市場的最佳契合點，從而改進市場參與策略，最大化市場收益。

圖1 實驗設(shè)置與知識點

2.2 仿真實驗平臺架構(gòu)設(shè)計

本仿真實驗平臺采用B/S架構(gòu)，如圖2所示，將系統(tǒng)核心功能的實現(xiàn)部分集中到服務(wù)器上，用戶端通過瀏覽器即可訪問［1］。用戶登錄后，完成市場信息申報，申報數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫存儲；用戶在客戶端調(diào)用算法引擎對市場交易進行優(yōu)化出清，計算結(jié)果存儲至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，并在終端瀏覽器上進行出清結(jié)果查看和數(shù)據(jù)分析。該架構(gòu)方便了用戶使用，簡化了系統(tǒng)開發(fā)，也方便后期進行系統(tǒng)功能擴展。

圖2 仿真平臺架構(gòu)

2.3 技術(shù)難點實現(xiàn)

2.3.1 市場成員功能權(quán)限設(shè)計

電力現(xiàn)貨市場主要參與角色有系統(tǒng)運營商、傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)、新能源發(fā)電企業(yè)和售電企業(yè)（或批發(fā)用戶）4種。每種角色在市場中的利益訴求、掌握的市場信息、關(guān)注的市場信息、可看到的交易信息都不同，因此需要對不同市場成員進行功能和權(quán)限設(shè)計［2-3］。

系統(tǒng)運營商作為整個電力市場的運營者，掌握電網(wǎng)設(shè)備的運行狀態(tài)、全網(wǎng)系統(tǒng)負荷預(yù)測結(jié)果，并將其在市場交易申報前披露給各市場成員。在各市場成員申報完畢后，系統(tǒng)運營商對市場進行交易撮合，最后將出清結(jié)果發(fā)布給各市場成員。傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)根據(jù)系統(tǒng)負荷預(yù)測結(jié)果及自身設(shè)備情況，申報機組的發(fā)電報價曲線，市場出清后能夠看到本企業(yè)機組的中標(biāo)信息（各時段中標(biāo)電價、中標(biāo)電量）。新能源發(fā)電企業(yè)除需申報發(fā)電報價曲線外，還需申報自身出力預(yù)測結(jié)果（山東規(guī)則）。售電企業(yè)根據(jù)自身負荷需求申報未來一天各時段的負荷，市場出清后可查看本企業(yè)各時段中標(biāo)電價和電量，并進行售電成交分析和電價分析。除上述角色外，另設(shè)第五種角色超級用戶，具有上述所有用戶的權(quán)限。

2.3.2 市場交易流程重構(gòu)

根據(jù)《山東省電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則（試行）》，電力現(xiàn)貨市場主要分為日前市場和實時市場。參與市場的發(fā)電企業(yè)和售電企業(yè)在運行日前一天完成運行日的市場信息申報。系統(tǒng)運營商在運行日前一天綜合考慮發(fā)電機組和電網(wǎng)安全運行約束條件等因素，以發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，以每15 min為一個交易時段，采用安全約束機組組合（SCUC）和安全約束經(jīng)濟調(diào)度（SCED）算法進行優(yōu)化計算，得到運行日的機組開機組合、機組分時出力曲線以及分時節(jié)點電價，用于日前市場交易結(jié)算。進入運行日后，也即進入實時市場，系統(tǒng)運營商基于最新的電網(wǎng)運行狀態(tài)和超短期負荷預(yù)測信息，綜合考慮發(fā)電機組和電網(wǎng)安全運行約束條件，在日前市場確定的開機組合基礎(chǔ)上，以發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用安全約束經(jīng)濟調(diào)度（SCED）算法進行優(yōu)化計算，在系統(tǒng)實際運行前15 min開展實時市場交易出清，并滾動修改未來2 h市場交易結(jié)果。

如直接采用上述交易規(guī)則，將使整個仿真流程冗長。為方便模擬，對交易規(guī)則做了部分調(diào)整?？紤]到實時負荷與日前負荷變化不大，程序設(shè)置了一個實時負荷調(diào)整參數(shù)δ，日前市場模擬完成后，在售電企業(yè)申報日前負荷的基礎(chǔ)上調(diào)整實時負荷，一次性完成所有時段實時市場的交易模擬，從而提高模擬效率。仿真平臺的運行流程如圖3所示。

圖3 仿真平臺運行流程

2.3.3 快速高效的優(yōu)化算法

電力現(xiàn)貨市場交易撮合的核心數(shù)學(xué)模型是安全約束機組組合（SCUC）和安全約束經(jīng)濟調(diào)度（SCED）。SCUC是一個混合整數(shù)優(yōu)化模型，SCED是一個二次規(guī)劃模型。求解上述模型的數(shù)學(xué)方法很多，混合整數(shù)線性規(guī)劃算法因其計算快速、運行穩(wěn)定得到推廣。通過對上述目標(biāo)函數(shù)和約束條件的線性化處理，完成混合整數(shù)線性規(guī)劃建模，然后采用商用求解器進行求解［4］。山東電網(wǎng)的實際算例表明，本仿真平臺完全滿足省級電網(wǎng)電力市場交易仿真需求。

3 電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺的應(yīng)用

3.1 電力現(xiàn)貨市場仿真實驗平臺教學(xué)應(yīng)用情況

本仿真實驗平臺已在某大學(xué)“電力市場原理”課程中使用。教師在授課過程中通過該平臺將理論知識、行業(yè)發(fā)展與仿真實驗相結(jié)合，取得較好的教學(xué)效果。

3.1.1 實驗過程

學(xué)生通過角色專屬ID登錄仿真平臺，自主瀏覽電力市場基本知識、平臺框架、實驗步驟及交易規(guī)則等內(nèi)容。在模擬發(fā)電企業(yè)報價過程中，學(xué)生可探索不同報價策略對發(fā)電收益的影響，進而尋求最優(yōu)報價策略，如表1所示。學(xué)生也可結(jié)合電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)探索不同申報策略對購電成本的影響，如圖4所示。在歷史數(shù)據(jù)分析界面，學(xué)生可以查詢歷史市場出清情況，如圖5所示，并可將市場出清數(shù)據(jù)導(dǎo)出，便于對數(shù)據(jù)進行分析。

圖4 模擬售電企業(yè)申報過程

圖5 歷史數(shù)據(jù)分析界面

表1 模擬發(fā)電企業(yè)申報過程

3.1.2 課程評價與應(yīng)用效果

課程采用線上線下相結(jié)合的方式對學(xué)生實驗情況進行綜合評估［5］。線下以考核實驗報告完成情況為主，試卷作答為輔。線上考核由知識預(yù)習(xí)、仿真實驗操作兩部分組成，通過考察仿真平臺的操作規(guī)范性及實驗完成度進行評分。評價方式彌補了單一考核方式的不足。該仿真實驗平臺使用前后學(xué)生“電力市場原理”課程成績的對比結(jié)果如圖6所示。使用該平臺進行實驗教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到了預(yù)期效果。

圖6 學(xué)生“電力市場原理”課程成績對比

3.2 電力現(xiàn)貨市場仿真平臺企業(yè)應(yīng)用情況

該仿真平臺完全依據(jù)省級電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則建設(shè)，除實驗教學(xué)外，還可作為電力市場交易人員的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用。目前，山東省內(nèi)已有多家發(fā)電企業(yè)、新能源企業(yè)和售電公司選擇本平臺對市場交易人員進行培訓(xùn)。使用該平臺，可使交易人員熟悉市場規(guī)則和交易流程，企業(yè)也可利用該平臺開展實際交易策略模擬，以便能夠在真正的電力市場中獲取更好的收益。

4 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)貨市場交易規(guī)則，結(jié)合電力市場相關(guān)理論知識，搭建了基于B/S架構(gòu)的仿真實驗平臺。一方面，該平臺可為學(xué)生提供電力市場仿真實驗環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高電力市場專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。另一方面，該平臺可為電力市場改革提供技術(shù)支持，幫助相關(guān)市場成員更好地參與市場，助推電力市場建設(shè)。