劉 昊，郭 燁，孫宏斌，2，3

（1. 清華-伯克利深圳學院,清華大學深圳國際研究生院,廣東省深圳市 518000；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室（清華大學）,北京市 100084；3. 清華大學電機工程與應用電子技術系,北京市 100084）

0 引言

2021 年,中國提出“碳達峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）的戰(zhàn)略目標,構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),推動建設全國統(tǒng)一電力市場體系,實現電力資源在更大范圍內的共享互濟和優(yōu)化配置［1-2］。考慮到新能源發(fā)電與負荷的逆向地理分布現狀,完善跨區(qū)跨省電力交易機制有利于提升省間輸電通道利用率,促進西南、三北的新能源發(fā)電消納,推動實現“雙碳”目標的進程［3］。此外,推動跨區(qū)跨省交易也將有效提升單一區(qū)域應對極端天氣條件的能力,加強不同區(qū)域電網間的互聯互濟。

目前,國外區(qū)域電力市場已歷經較長時間的發(fā)展。美國電力市場主要包含10 個區(qū)域電力市場,歷經了發(fā)電側競爭、區(qū)域獨立系統(tǒng)運營商（independent system operator,ISO）集中組織、區(qū)域輸電運營商（regional transmission operator,RTO）集中組織3 種區(qū)域電力市場模式［4-6］。目前,各ISO/RTO 負責本區(qū)域電力市場出清,以節(jié)點邊際電價（locational marginal price,LMP）進行結算,反映了電力資源的稀缺性。美國電力市場已建立日前市場、實時市場、容量市場、金融輸電權交易、輔助服務市場等多種交易形式［7-9］。歐洲各國電力市場在各交易所輪值的組織架構下進行出清,實現了電量分區(qū)平衡,從中長期的雙邊電力市場交易逐步發(fā)展到日前、日內、實時平衡市場,采用分區(qū)統(tǒng)一電價進行結算［10］。

近年來,國內外跨區(qū)跨省電力交易機制不斷發(fā)展,北美電力市場采用跨區(qū)協調交易調度（coordinated transaction scheduling,CTS）等機制實現跨區(qū)域電力市場的出清和結算,推動資源在更大范圍內的優(yōu)化配置［11］。歐洲各國采用可用傳輸容量（available transfer capacity,ATC）模 型、Flowbased 模型開展多區(qū)域電力現貨市場聯合出清［12］。中國積極推進全國統(tǒng)一電力市場體系的建設,建立北京、廣州電力交易中心來協調跨區(qū)跨省交易,促進省間富余可再生能源電力現貨交易［13-15］。此外,中國先后出臺了系列跨區(qū)跨省的中長期交易規(guī)則［16-18］和《省間電力現貨交易規(guī)則（試行）》［19］《加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》［20］等,有利于中長期市場與現貨市場的有效銜接,推動省內富余電力交易,實現電力資源在更大范圍內的優(yōu)化配置。2018 年,北京電力交易中心通過雙邊協商、集中競價、掛牌等方式組織了599 次市場交易,組織開展省間富余可再生能源現貨交易達7 TW·h,廣州電力交易中心以消納云南富余水電為重點,組織開展了各類市場化交易［21］。2020 年,中國南方電網有限公司開展跨區(qū)跨省年度交易,落地側年度成交電量達194.9 TW·h,完成跨區(qū)跨省市場化交易電量達6.95 TW·h,占西電東送電量比例的8.6%,清潔能源占比為62.4%［22］。

推動完善跨區(qū)跨省電力交易可以有效促進電力資源在更大范圍內的優(yōu)化配置,提升不同區(qū)域電網之間的互聯互濟。本文主要著眼于電能量市場,對典型的多區(qū)域電力市場基本架構和交易分類進行了介紹,概述了跨區(qū)跨省電力交易的市場出清模型、模型求解算法、定價機制。此外,對跨區(qū)跨省電力交易的關鍵問題與后續(xù)研究方向進行了總結和展望。

1 多區(qū)域電力市場基本架構

區(qū)域電力市場總體基于地理因素劃分,跨區(qū)跨省電力交易則基于區(qū)域電力市場進行組織實施。美國或歐洲電力市場各區(qū)域的電力系統(tǒng)運營由ISO/RTO 負責,中國則由對應的省級電力交易中心負責。區(qū)域電力市場根據“是否統(tǒng)一規(guī)則和統(tǒng)一出清”可以分為統(tǒng)一市場和共同市場2 類［23］。其中,統(tǒng)一市場（如美國PJM 市場）是指在一個區(qū)域內設置一個電力市場運營機構,出清電量和交易價格均在一個市場運營機構內形成,實行統(tǒng)一運作。共同市場（如北歐Nord Pool 市場）是指在一個區(qū)域內設置一個區(qū)域市場運營機構和若干個市場運營分支機構,出清電量和交易價格在市場運營機構內分層形成,實行協調運作。在多區(qū)域電力市場中,不同區(qū)域的運營機構通過聯絡線開展交易,實現更大范圍的資源優(yōu)化配置。

在區(qū)域電力市場發(fā)展的基礎上,跨區(qū)跨省電力交易的組織基于多區(qū)域電力系統(tǒng)的通信控制架構開展,根據通信和調度方式可以分為集中式、分散式、分布式3 種主要類型［24-25］,如圖1 所示。

圖1 多區(qū)域電力系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of multi-area power system

1）集中式:通過中央控制器收集系統(tǒng)信息并計算,發(fā)送指令給各區(qū)域調度中心執(zhí)行。該架構在小規(guī)模電力系統(tǒng)中較為適用,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和區(qū)域數目的增多,系統(tǒng)通信壓力不斷上升,加之不同市場參與者對信息保護的需求,使得該架構難以適用［26］。

2）分散式:不同區(qū)域間沒有直接通信,中央控制器不進行統(tǒng)一的數據處理和指令發(fā)送,各個區(qū)域的潮流計算和市場出清均由區(qū)域控制器計算并發(fā)送指令。該架構通常面向區(qū)域內交易,在不同區(qū)域間存在壁壘,難以實現跨區(qū)跨省電力交易。

3）分布式:基于電網調度和控制的分層分區(qū)特性,各區(qū)域的控制中心收集、處理區(qū)域內的信息,將部分重要信息發(fā)送至上級調度中心,中央控制器匯總信息并進行計算,將協調信息返回給各區(qū)域,各區(qū)域分別計算［27］。不同分解協調計算模式的計算效果和通信要求有較大差別,頻繁的信息通信和交換在提高計算結果準確性的同時,也造成了通信壓力［28］。

目前,跨區(qū)跨省交易的組織需要充分考慮多區(qū)域電力系統(tǒng)物理層調度架構的特點,合理實現物理系統(tǒng)的分層分布式建模計算,完善市場出清機制,使得不同區(qū)域電網內部的分析決策與全局電網的優(yōu)化目標協調一致,實現電能在更大范圍內的高效配置［29］。

2 跨區(qū)跨省電力交易分類

在時間尺度方面,跨區(qū)跨省電力交易可以分為中長期交易和現貨交易,如圖2 所示,兩者在時序上銜接協調、互為補充。在現貨市場中,通常根據電力供需狀況、電網調節(jié)能力、網絡阻塞情況將中長期電量分解后進行財務交割或物理執(zhí)行。

圖2 多時間尺度跨區(qū)跨省電力交易Fig.2 Inter-regional and inter-provincial power trading with multi-time scales

1）中長期交易

以《南方區(qū)域跨區(qū)跨省電力中長期交易規(guī)則（暫行）》為例,廣州電力交易中心、南方電網調度中心等在東西部市場主體中根據交易各方簽訂的跨省（區(qū)）年度交易合同確定協議計劃,依次組織發(fā)電合同轉讓、直接交易、富余電能增量掛牌。當出現阻塞情況時,需要對跨區(qū)跨省計劃進行調整,其次序與交易組織次序相反。發(fā)電合同轉讓、直接交易、增量外送的基本流程包括:發(fā)布交易通知、交易申報、交易撮合/出清、形成成交價格、編制有約束交易計劃等,表1給出了跨區(qū)跨省中長期交易采用的組織方式。

表1 跨區(qū)跨省中長期電力交易組織形式Table 1 Organization form of inter-regional and inter-provincial medium- and long-term power trading

2）現貨交易

電力現貨交易時間范圍包括日前、日內、實時,一般采用集中出清的方式。日前市場是現貨市場的主要交易平臺,其交易規(guī)模較大。日內市場旨在為成員提供發(fā)電計劃的微調,交易規(guī)?？傮w較小。實時市場出清結果非常接近于系統(tǒng)實時運行情況,可以給出近似實時價格信號,反映資源稀缺程度。

在中國省間現貨市場運行過程中,每個省份設定一個或者多個交易節(jié)點,每筆交易的買賣雙方在報價的同時需要指定交易路徑。每成交一筆交易,須在其申報的交易路徑中扣除相應容量。省間電力現貨交易出清后,在物理層需要開展安全校核,若安全校核未通過,則按照靈敏度由高到低的順序取消相關省間電力現貨交易,消除設備越限,而出清邊際電價不變。

3 跨區(qū)跨省交易出清模型

跨區(qū)跨省交易出清需要對多區(qū)域聯合最優(yōu)潮流模型進行求解,以確定發(fā)電機出力和聯絡線功率,在滿足相關約束條件的前提下,最小化目標函數值（一般為發(fā)電機成本）。目前,國內省間現貨市場剛剛起步,初步采用雙向報價、集中撮合、邊際出清的方式進行組織,可借鑒國外經驗進一步發(fā)展完善。國外常見的跨區(qū)交易出清機制主要包括聯合經濟調度（joint economic dispatch,JED）、聯 絡 優(yōu) 化（tie optimization,TO）、CTS、廣 義 協 調 交 易 調 度（generalized CTS,GCTS）、ATC 模型、Flow-based模型［30-32］等。

3.1 CTS

在傳統(tǒng)跨區(qū)交易中,每個ISO 獨立組織交易,市場參與者在2 個區(qū)域內獨立報價出清,分別作為用電和發(fā)電的角色,可能存在一端得到出清而另外一端未能出清的問題。因此,CTS 機制中設定某一協調者收集市場參與者投標（含投標量和期望價差）,從而在多區(qū)域間完成協調出清。外部市場參與者在各個代理節(jié)點上提交從一個地區(qū)到另一個地區(qū)進口/出口的投標,這種套利機會可吸引更多的參與者,從而擴大跨區(qū)交易的規(guī)模,其交易架構如圖3所示。

圖3 跨區(qū)電力交易的CTS 架構Fig.3 CTS architecture of inter-regional power trading

CTS 機制的市場出清過程如下:

1）在跨區(qū)交易量為0 的條件下,計算每個區(qū)域代理節(jié)點的LMP,跨區(qū)潮流由代理節(jié)點LMP 低的區(qū)域指向代理節(jié)點LMP 高的區(qū)域。

2）各區(qū)域ISO 計算出隨跨區(qū)出清量變化的供給/需求曲線。

3）協調層收集供需曲線以及外部投標者的報價,將原始需求曲線減去外部投標曲線,得到修正后的需求曲線,如圖4 和圖5 所示。

圖4 無阻塞時跨區(qū)電力交易的CTS 機制Fig.4 CTS mechanism of inter-regional power trading without congestion

圖5 聯絡線阻塞時跨區(qū)電力交易的CTS 機制Fig.5 CTS mechanism of inter-regional power trading with tie-line congestion

4）在不超過聯絡線容量的情況下,將跨區(qū)成交量設置在修正后的需求曲線和供給曲線的交點處（見圖4）；否則,成交量為其聯絡線容量上限（見圖5）。

CTS 機制通過引入大量外部投標者的參與推動了跨區(qū)交易,但在區(qū)域間存在多條聯絡線的情況下,代理節(jié)點選取位置的不合理會造成模型求解的偏差,無法得到與JED 相同的全局最優(yōu)解。這種跨區(qū)域交易中出現的交易結果與物理調度的偏差被定義為“環(huán)流效應”,會造成嚴重的經濟損失［33-34］。

3.2 GCTS

為解決因代理節(jié)點的選取造成的求解偏差問題,GCTS 機制得到了研究與發(fā)展。在GCTS 中,外部投標者可以在所有的邊界節(jié)點進行買入/賣出,保證了充分的競爭性。外部投標包括買入/賣出方向和節(jié)點、投標者對價差的預期、投標容量上限［35］。對于不同區(qū)域電力系統(tǒng)的公共邊界系統(tǒng),日前市場在GCTS 機制下確定次日斷面?zhèn)鬏數墓β视媱?固定邊界條件。在實時市場中,每個ISO 將按此邊界條件（一般為邊界節(jié)點電壓相角值或等效注入功率值）完成系統(tǒng)內部經濟調度問題的求解,以滿足其在跨區(qū)電力傳輸交換約束下的需求。與JED 模型相比,GCTS 出清模型的目標函數中增加了外部投標成本項,且添加了邊界出清等式約束。在CTS 的基礎上,GCTS 機制解決了代理節(jié)點選取不合理帶來的偏差問題,保證了求解結果的最優(yōu)性,妥善解決了因環(huán)流效應造成的經濟性影響。

3.3 ATC 模型

在ATC 模型中,不考慮具體線路的安全約束,每個區(qū)域由一個等效的交易節(jié)點代替。協調層只考慮跨區(qū)傳輸總量約束,對聯絡線進行容量分配或競拍［36］。歐洲跨區(qū)交易的線路容量約束可表示為:

3.4 Flow-based 模型

目前,在歐洲電力市場中,Flow-based 模型也廣泛應用于跨區(qū)交易。該模型考慮電網約束,與ATC模型相比,可以更加準確地對物理潮流進行建模［38］。在Flow-based 模型中,為保證電網的物理安全性,通常設定剩余可用裕度,各區(qū)域發(fā)電/負荷對聯絡線的影響使用潮流分布因子進行刻畫:

與ATC 模型相比,Flow-based 模型可以提高區(qū)域間聯絡線的利用率,增加社會福利,但其模型的分析計算相對復雜,對日前市場的價格預測提出了要求。與北美基于節(jié)點的安全約束經濟調度模型相比,歐洲跨區(qū)交易采用的ATC 和Flow-based 模型對電網模型做了簡化,進一步帶來了出清結果與實際潮流結果之間的偏差。因此,通常采用再調度的方法來緩解線路阻塞,這種方式引入了額外的運行成本［40］。

4 模型求解算法

求解跨區(qū)跨省交易的最優(yōu)潮流模型需要電力系統(tǒng)的相關參數（如輸電線路的阻抗與容量、發(fā)電機生產成本系數、負荷值等）,考慮到各區(qū)域系統(tǒng)參數可能為私有信息,這就使得傳統(tǒng)集中式求解最優(yōu)潮流的方法存在隱私泄漏的風險。因此,需要進一步考慮如何在保護安全隱私的前提下進行模型求解。

在模型建立方面,一般形式的最優(yōu)潮流模型具有非凸性,為NP 難問題［41］。傳統(tǒng)的數值計算方法（如牛頓法、內點法、序列二次規(guī)劃法等）可以得到局部最優(yōu)解,但無法實現全局最優(yōu),并且難以保證算法的收斂性［42-43］。目前,通常采用松弛的方法對非凸模型進行處理,常見方法包括線性松弛、二階錐松弛、半定松弛［44-45］。使用二階錐松弛和半定松弛求解雖然具有相對較高的精度,但增加了算法的迭代次數,過程中可能出現無法找到可行解的問題［46］。在線性松弛方法中,常見的直流最優(yōu)潮流模型在網損、電壓、無功功率等方面進行了合理假設。雖然犧牲了模型的準確性,帶來了計算誤差,但因其強魯棒性和計算速度快的優(yōu)點,得到廣泛應用,并可以根據應用場景和精度要求對模型進行修正與擴展［47-49］。

在模型求解方面,除了采用并行計算提高效率之外,也要充分考慮不同區(qū)域系統(tǒng)的隱私保護需求來設計算法框架,實現子區(qū)域和全局的協調優(yōu)化統(tǒng)一［50］。實際中通?；诜羌惺降耐ㄐ偶軜嫼碗娏ο到y(tǒng)的分級分層結構開展調度,大型電力網絡潮流依靠“分解-協調”的思路進行計算,從而提高計算效率［51］。根據協調變量的不同,網絡分塊計算可以分為支路切割法和節(jié)點撕裂法,如圖6 所示,兩者分別以切割線電流iL和分裂點電壓VT1、VT2為協調變量進行計算。與集中式架構相比,“分解-協調”的架構利用網絡等值的方式通信交互關鍵信息,在保護隱私的前提下減輕了協調層的計算壓力和上下層之間的通信壓力。

圖6 多區(qū)域電力系統(tǒng)解耦過程Fig.6 Decoupling process of multi-area power systems

在具體算法方面,國內外學者開展了廣泛的研究。與傳統(tǒng)集中式求解算法相比,分布式算法因其通信規(guī)模小、響應速度快、隱私保護性高等優(yōu)勢逐漸在多區(qū)域電力系統(tǒng)中得到關注。文獻［52］考慮公共的等值邊界網絡,采用線性化的增廣拉格朗日方法松弛耦合約束,提高了算法的收斂性。文獻［53］提出了一種基于邊際發(fā)電量和線路容量約束信息交換的邊際等價分解求解算法。文獻［54］基于多參數規(guī)劃算法,解決了確定性情況下基于聯絡線潮流的多區(qū)域經濟調度問題,并提出了一種結合混合整數線性規(guī)劃來解決計及不確定性的求解算法。文獻［55］基于CTS 機制,將全局系統(tǒng)的經濟調度問題分解為多個區(qū)域子問題進行分層優(yōu)化,此過程將跨區(qū)交易量作為協調變量,在對跨區(qū)交易進行顯式建模的同時,也分析了跨區(qū)交易中代理節(jié)點的選取帶來的影響。針對北美電力市場的跨區(qū)交易機制,電力系統(tǒng)工程研究中心發(fā)布了多區(qū)域電力市場耦合相關研究的最終報告,提出了基于原始分解和邊界等值網絡的多區(qū)域經濟調度算法,將隨機優(yōu)化算法應用于求解聯絡線潮流調度和經濟調度問題,以解決新能源發(fā)電和用戶需求的不確定性問題［56-57］。

5 價格機制

對于跨區(qū)跨省電力交易價格機制,下面分別從中長期交易價格、現貨交易價格、跨區(qū)跨省輸電價格方面進行綜述。

5.1 中長期交易價格

中長期跨區(qū)跨省市場化交易成交價格的形成主要通過雙邊協商、集中競價、雙向掛牌這3 種方式實現。

1）雙邊協商:電力交易供需雙方本著自愿互利原則,在電力市場中通過協商達成雙邊合同,雙邊協商交易價格按照合同約定執(zhí)行,相關構成要素包括交易電量、發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點［58-59］。

2）集中競價:采用統(tǒng)一邊際電價（uniform marginal price,UMP）出清,根據購電方申報曲線與售電方申報曲線的交叉點價格或者根據最后一個交易匹配對價格來確定成交價格。

3）雙向掛牌:采用匿名機制,購售電主體自主掛牌交易,交易系統(tǒng)根據價格匹配情況實時自動撮合。對于實時建立的購電掛牌和售電掛牌2 個隊列,按照價格優(yōu)先、時間優(yōu)先的原則進行撮合成交,根據各交易匹配對的申報價格形成成交價格。

5.2 現貨交易價格

在跨區(qū)跨省現貨交易定價方面,美國、北歐電力市場分別基于LMP 和分區(qū)邊際電價（zonal marginal price,ZMP）進行結算,中國省間現貨交易采用UMP 進行結算。

1）北美各區(qū)域電力市場普遍采用LMP 進行結算,LMP 定義為某節(jié)點新增單位負荷后系統(tǒng)發(fā)電成本的增加值［60］。在LMP 機制中,各ISO/RTO 完成結算后產生的阻塞盈余用以支付金融輸電權持有者的收益,從而使得市場參與者可以規(guī)避因線路阻塞帶來的風險［61-63］。北美CTS 機制中,區(qū)域間投標者基于ISO 對代理節(jié)點LMP 的預測值進行投標,并按照實時市場中代理節(jié)點的LMP 進行結算。ISO 通過提高交易頻率和減免交易費用的方式提高投標者參與的積極性,從而擴大跨區(qū)交易的市場規(guī)模。在結算過程中,文獻［64］進一步考慮了環(huán)流效應對多區(qū)域電力系統(tǒng)的影響,通過分布式方法計算得到LMP,保護各區(qū)域的私有信息,并最終將阻塞盈余在全網范圍內合理分攤。在跨區(qū)跨省交易中,基于LMP 進行結算也存在以下問題:（1）負荷和新能源發(fā)電的不確定性會使得LMP 波動較大,難以給出明確的價格信號；（2）CTS 機制中對代理節(jié)點實時市場中的價格預測不夠準確,這會引導投標者產生不合理的投標行為,造成由電價高區(qū)域流向電價低區(qū)域的反向交易潮流,降低了社會福利；（3）現實中往往難以實現市場的完全競爭,市場成員可能存在虛報高價、操縱出清價格的行為,降低了市場效率［65-66］。

2）歐洲跨國電力市場經歷了先到先得、顯式拍賣、隱式拍賣3 個主要階段,分別對應固定價格表、UMP、ZMP 這3 種定價機制［67］。目前,歐洲不同國家和地區(qū)的區(qū)域運營商根據阻塞情況進行靈活劃區(qū),在特定分區(qū)內實行統(tǒng)一價格［68］。歐洲開展了區(qū)域價格耦合項目,開發(fā)了單一價格耦合算法,在求解ATC 模型和Flow-based 模型的過程中直接獲得隱式拍賣價格,提高了潮流計算和價格制定過程的透明度［69］。ZMP 的定價過程主要計及了區(qū)域間聯絡線容量約束,忽略部分區(qū)域內線路容量的約束。與LMP 相比,該定價方法簡化了物理模型,計算顆粒度較大,適用于區(qū)域內線路容量相對充足的電力系統(tǒng)。

3）中國省內、省間現貨市場的集中競價環(huán)節(jié)大多采用UMP 機制。買賣雙方按照高低匹配的方式,采用邊際價格結算賣方價格,如圖7 所示。值得注意的是,UMP 計算模型忽略線路容量約束,電力網絡可看作聚合為單一節(jié)點,無法充分反映線路阻塞狀況,可能使得交易潮流和物理潮流的差異較大,在線路容量不足的情況下會使得發(fā)電計劃無法執(zhí)行［70］。

圖7 UMP 機制Fig.7 UMP mechanism

5.3 跨省跨區(qū)輸電價格

在輸電價格制定方面,需要考慮計價形式、核價方式、定價理論和方法等關鍵問題［71］。在計價形式方面,目前主要有單一制電量電價、單一制容量電價、兩部制電價等多種定價方法。在核價方式方面,需要根據“誰使用、誰承擔”的原則,將輸電成本在多主體間進行分攤。在定價理論和方法方面,通常分為基于會計成本的定價方法和基于邊際成本的定價方法［72］。現有的成本分攤方法主要包括郵票法、合同路徑法、邊界潮流法、兆瓦-公里法、模數法、零反向潮流法、潮流追蹤法、分布因子法、階梯分配法、邊際系數法,通常需要因地制宜采用合理的定價方法,反映時空價格信號［73］。

美國PJM 市場根據峰荷責任法將輸電成本分攤至本區(qū)域或其他區(qū)域的用戶側。輸配電價由各大電力公司自行確定,監(jiān)管部門按照投資回報率的方法進行監(jiān)管。通過峰荷/日化區(qū)域比例系數、網絡綜合傳輸服務率、計費天數的乘積得到輸電費用［74］。除美國PJM 市場外,英國電力市場采取單一制容量價格,通過峰荷責任法分攤輸電成本,容量一次性計算后按月收繳；其他歐洲各國的輸電價格普遍實行兩部制電價,容量價格基于峰荷責任法分攤輸電成本,以保證電網企業(yè)獲得準許收入,電量價格只用于回收網損成本［75］。

中國目前已經建立了覆蓋跨區(qū)跨省輸電工程、區(qū)域電網、省級電網、地方電網、增量配電網的全環(huán)節(jié)輸配電價格監(jiān)管制度框架［76］。跨區(qū)跨省輸電定價形式可以分為容量電費和電量電費2 種類型:以聯網功能為主的專項工程按單一容量電價核定,由聯網雙方共同承擔；以輸電功能為主的專項工程按單一電量電價核定。2021 年發(fā)布的《跨省跨區(qū)專項工程輸電價格定價辦法》進一步規(guī)定,對輸電價格均采用單一電量電價進行核定,并在計算方法、計算參數等方面進行了修訂、完善［77］。

6 關鍵問題及研究展望

跨區(qū)跨省電力交易機制在國外已經得到較長時間的發(fā)展,雖然在交易流程、出清機制、模型求解、價格機制等方面已有較多應用,但仍存在市場操縱、隱私保護、環(huán)流引發(fā)的經濟損失等問題。近年來,中國跨區(qū)跨省交易規(guī)模不斷擴大,省間中長期市場和現貨市場不斷建設完善。下面將對國內外跨區(qū)跨省電力交易的關鍵問題進行總結,并對后續(xù)研究方向進行展望。

6.1 關鍵問題

1）跨區(qū)跨省電力交易的市場主體、交易范圍、交易品種較為局限,出清交易流程需要進一步優(yōu)化。

首先,在市場出清方面,目前中國跨區(qū)跨省交易仍然是以中長期計劃合約為主,省間現貨市場規(guī)模相對較小。跨區(qū)跨省電力市場大多采取“網對網”的掛牌交易方式,售電公司和電力用戶參與度較少,市場競爭活力較低。其次,省間現貨市場交易以富余新能源為主,主要面向新能源企業(yè)開放,目前這部分資源配置范圍仍有拓展空間。此外,隨著新能源發(fā)電占比的不斷提高,系統(tǒng)的隨機性和波動性將進一步加劇,可能出現在某一時段新能源發(fā)電資源稟賦較高的區(qū)域因極端天氣需要在省間現貨市場進行購電的情況,這就對省間現貨市場的交易頻次、購售電角色轉變的靈活性提出了更高要求,需要實現靈活快速的跨區(qū)跨省交易。最后,目前跨區(qū)跨省電力交易仍然以電能量交易為主,在調峰、備用、輸電權交易等方面的實踐應用仍然較少,而考慮到新能源為主體的電力系統(tǒng)中電能量邊際價格趨于零的情況,不同區(qū)域間的余缺互濟效益可能主要體現在調峰、備用等方面,因此后續(xù)可能需要將其納入考慮。

2）在保證出清效率的前提下,需要提升跨區(qū)跨省交易出清模型的適應性和擴展性,考慮更加準確的電網運行約束和多市場主體隱私保護的需求。

在模型求解方面,國外跨區(qū)交易中各市場主體的隱私保護需求愈加迫切,各區(qū)域運營商希望在保護本區(qū)域私有信息的前提下完成跨區(qū)交易,此問題需要在市場出清中被妥善考慮。中國跨區(qū)跨省交易采用基于交易路徑的投標方法,在市場成員規(guī)模較大的情況下,這種方式將會使得交易對匹配數量呈指數增長,降低了出清效率。為解決這些問題,分布式算法已經得到初步研究和應用,雖然在通信實時性、隱私保護等方面存在優(yōu)勢,但在算法的收斂性、魯棒性等方面仍然存在問題,需要進一步完善。

3）在跨區(qū)跨省交易過程中,交易潮流與實際物理潮流之間可能存在偏差,將會造成電網阻塞和額外經濟損失,給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。

國外采用CTS 等跨區(qū)跨省交易機制,外部投標者在每個區(qū)域的代理節(jié)點上進行報量報價并完成出清。中國通常以省為單位設立一個或多個交易節(jié)點進行電力交易。在實際應用時,代理節(jié)點或交易節(jié)點的不合理選取可能會造成交易潮流對物理潮流的較大偏離,多區(qū)域系統(tǒng)中對出清模型的簡化也會使得交易結果不滿足實時物理調度的要求,從而造成線路阻塞或者安全校核不通過,增加了電力系統(tǒng)的再調度成本。因此,在交易出清環(huán)節(jié),應考慮適當提高建模精細度,并在結算環(huán)節(jié)對出現的偏差進行合理定價,分攤相關費用。

4）中長期市場與現貨市場之間、省間與省內市場之間的銜接運作有待加強,市場管理機制需要進一步完善。

在時間尺度方面,中國跨區(qū)跨省交易對中長期合同中如何進行曲線分解和完全執(zhí)行的處理等問題仍未能很好地解決。隨著新能源出力的不斷增加,系統(tǒng)的隨機性和波動性將日益加劇,進一步加大了系統(tǒng)實時平衡的難度。在這一過程中,可以通過跨時間尺度多級市場滾動出清的方式降低系統(tǒng)隨機性帶來的影響,使得出清結果更加接近于系統(tǒng)實際運行狀態(tài)。在空間尺度方面,省間-省內市場銜接中,各子區(qū)域電網通常將上級運營機構的出清結果作為邊界,而省間出清結果又依賴于區(qū)域內交易的預出清過程,上下級之間存在耦合。目前,各省市場的模式和規(guī)則存在較大差異,省間交易和省內交易的協同運作在交易時間、流程次序等方面存在挑戰(zhàn)。在市場管理方面,在國外采用的LMP 機制的應用過程中,存在發(fā)電商哄抬、操縱電價的問題,加劇了實時電價的波動。

5）跨區(qū)交易中,節(jié)點電價機制下的阻塞盈余分配機制尚不明確,跨區(qū)線路投資建設方面的公共成本回收機制也需要進一步完善。

在定價結算方面,跨區(qū)交易中線路阻塞可能導致長時間、經常性的分區(qū)價差,使得市場運行效率下降,社會福利減少。在LMP 機制的應用過程中,由于未充分計及環(huán)流效應,存在阻塞盈余分攤不合理以及各區(qū)域金融輸電權的結算虧空等問題。在CTS 機制中,紐約ISO 和新英格蘭ISO 通常采用平攤區(qū)域間阻塞盈余的方法?？紤]到聯絡線阻塞可能同時由區(qū)域內交易和跨區(qū)交易造成,因此平攤阻塞盈余的方法可能不符合“激勵相容”原則,所以可以考慮根據潮流轉移分布因子的數值進行更加精細化的分攤。類似地,由于多區(qū)域電力系統(tǒng)之間存在物理耦合,公共建設成本不應該僅僅基于地理位置進行回收,可以考慮根據各個區(qū)域典型場景集的貢獻值、潮流靈敏度等因素在全網范圍內進行科學合理分攤。目前,中國省間現貨市場中基于交易路徑的出清方式雖然能夠在一定程度上促進通道資源的優(yōu)化利用,但因為實際送電量和送電路徑可能與簽約路徑不符,需要在安全校核、線損和輸電成本分攤中進一步妥善考慮。

6.2 研究展望

1）市場出清與管理

首先,跨區(qū)跨省電力交易的現貨市場出清需要建立聯合出清模型,可以采用網絡等值技術研究跨區(qū)容量建模方法和價區(qū)劃分原則,在實現保護區(qū)域內隱私的同時,減少計算規(guī)模和矩陣維數,提高計算效率。其次,需要推動建設跨區(qū)跨省交易平臺,建立標準化合約,采用統(tǒng)一信息發(fā)布格式,保持一致性和規(guī)范性。對電網物理約束信息、安全校核信息等分類分等級進行科學規(guī)范披露,簡化出清流程,提高用戶申報和系統(tǒng)出清效率。此外,需要在保證出清效率的前提下適當提高交易頻次,進一步應對因新能源發(fā)電占比不斷提升帶來的系統(tǒng)隨機性和波動性的增加,加強不同區(qū)域間的互聯互濟。

2）出清模型建立與求解

在跨區(qū)跨省電力交易中,為應對交易潮流與物理潮流之間的偏差造成的影響,需要在交易過程中建立跨區(qū)跨省出清的精細化模型,同時計及跨區(qū)跨省聯絡線和區(qū)域內（省內）關鍵線路集的容量約束,通過潮流轉移分布因子矩陣分析相關交易對關鍵線路潮流造成的影響。需要注意的是,雖然建立高準確性和高拓展性的跨區(qū)跨省交易模型可以有效推動物理潮流和交易潮流的統(tǒng)一,但卻會增加模型的復雜度,影響模型求解速度和市場出清效率。為進一步提高大規(guī)模電力系統(tǒng)的計算速度,實現快速實時優(yōu)化控制,考慮到用戶隱私保護的需求,除了采用“分解-協調”架構提高計算效率以外,還需要在算法設計層面保證信息安全。可以考慮加強分布式算法的研究與應用,確定合理的區(qū)域間共享通信信息集,采用邊界相角或者聯絡線潮流為協調變量進行迭代計算,妥善解決計算效率和最優(yōu)性的問題。

3）多級市場間協調運作

在時間尺度方面,高比例新能源的接入將加劇系統(tǒng)的隨機性和波動性,需要減小市場出清的時間顆粒度,在多時間尺度上進行協同運作、滾動優(yōu)化。中長期市場（年度/季度/月度）、日前市場、日內市場、實時市場需要進行協同設計,建立完善高效的中長期合同（包括政府簽訂的基數電量合同和市場協商合約、集中競價合約）轉讓和交易機制,通過差價合約等中長期合同形式和現貨市場的互補協調,實現資源的優(yōu)化配置和社會福利的增加。

在省間-省內市場協同運作方面,初期可采用省間-省內“兩級運作、混合銜接”的方式,完善市場準入機制,對不同區(qū)域的交易流程、品種、信息申報方式進行統(tǒng)一和規(guī)范,省間市場以經濟性最優(yōu)為目標,省內市場則以功率平衡為目標,優(yōu)化資源配置。在市場兩級運作的基礎上,未來將逐漸過渡到省間和省內統(tǒng)一報價,最終實現量價耦合、統(tǒng)一運作出清及經濟性與安全性的統(tǒng)一。

4）價格結算機制

多區(qū)域電力市場結算中,需要妥善考慮環(huán)流問題,在保證隱私性的前提下,使得阻塞盈余和線路擴容、擴建等投資成本在全網范圍內合理分攤。在節(jié)點電價機制下,線路阻塞造成的全網阻塞盈余可以根據各區(qū)域或者外部投標者對線路阻塞的潮流貢獻值進行分攤,該貢獻值可以通過潮流轉移分布因子進行量化,并使用線路容量約束的影子價格進行定價。在跨區(qū)跨省輸電價格方面,可以考慮系統(tǒng)運行的典型場景集將公共成本進行合理分攤,充分考慮環(huán)流效應帶來的多區(qū)域電力系統(tǒng)間的耦合特性。在結算過程中,由于市場中多主體對信息安全、用戶隱私的要求,可以構建去中心化的交易管理方案,應用區(qū)塊鏈技術進行弱中心化的電力交易管理,利用智能合約的形式進行交易信息的記錄和資金的自動轉移［78］。

7 結語

在實現“雙碳”目標的背景下,發(fā)展完善跨區(qū)跨省電力交易機制有利于實現更大范圍內的資源優(yōu)化配置,助推綠色低碳發(fā)展進程。國外在跨區(qū)跨省電力交易出清機制、模型求解算法、價格機制等方面已經開展了廣泛的研究。近年來,中國也不斷發(fā)展跨區(qū)跨省交易機制,完善省間-省內市場運作模式,推動建設全國統(tǒng)一電力市場體系。

跨區(qū)跨省交易通?；趨^(qū)域電力市場組織,實施過程中需要充分考慮物理層調度架構。在時間尺度方面,跨區(qū)跨省交易可以分為中長期交易和現貨交易。在出清機制方面,目前美國實施的CTS 機制、歐洲采用的ATC 和Flow-based 模型均有效推動了跨區(qū)交易和不同區(qū)域間的互聯互濟,但也存在代理節(jié)點選取不合理、模型顆粒度大等問題,需要進一步研究。在模型求解方面,目前分布式算法得到了研究和關注,可以適時推動其在求解多區(qū)域電力市場出清模型中的應用,提高算法求解的實時性和安全性?？鐓^(qū)跨省交易中,需要給出合理的中長期交易價格、現貨交易價格、跨區(qū)跨省輸電價格,充分反映電力資源的稀缺程度,根據“誰受益、誰承擔”的原則,實施阻塞盈余的分攤和公共成本的回收。目前,跨區(qū)跨省交易在市場出清管理、模型求解、多級市場間協調運作、價格結算機制等方面仍存在需要進一步完善的問題,本文對此進行了分析和展望,以期為中國跨區(qū)跨省電力交易的高效開展提供參考。