簡介
在電力工業引入競爭、提高效率、降低成本是電力市場改革的重要目的，各國政府在市場化改革中依據自身電力工業發展狀況、政策體制和能源戰略，選擇相應的市場模式。不同的市場模式設計。對市場運營效率、市場主體效益，以及對電力系統的可持續安全穩定運行都具有決定性影響，往往是決定電力市場改革成敗的關鍵。由於電力市場建設和運營是一個複雜的系統工程，試錯成本巨大，2000年加州電力市場就未能達到電力市場改革的預期目的，反而引發了一系列的電力危機，是未能選擇合理市場模式的例證。
為降低市場模式選擇及運營的風險，電力交易機構和科研單位研究建立了多種電力市場實驗手段。在市場運營和市場模式改進中，電力市場實驗手段發揮了重要支撐作用，其中，美國的Argonne國家實驗室通過對政策推演、運營模擬等方面的實驗支撐，為美國電力市場運營模式與規則制訂做出了重要貢獻;,EXS公司的PLEXOS} , LCU公司的UPLAN} , ABB公司的UridView等電力市場仿真軟體為電網規劃、市場分析提供了決策支持;康奈爾大學的Powerweb}ll}、愛荷華州立大學的AME具有日前電能市場模擬仿真功能，為電力市場研究與用戶培訓提供了技術支撐。在中國，自1998年啟動省級電力市場試點建設以來，西安交通大學、國家電網公司、南方電網公司等也都在電力市場探索中建立了相應的電力市場仿真系統，用於市場模式分析和市場運營培訓。2015年3月，中共中央國務院關於進一步深化電力體制改革的若干意見(中發〔2015] 9號文)提出電力市場改革的總體思路，其配套檔案進一步闡述了未來可能選擇的分散市場模式和集中市場模式。各試點單位如何根據自身特點，選擇合適的市場模式，也需要進行深入全而的市場推演，降低市場建設風險。
電力市場是電力系統經濟運營和物理運行的有機融合，市場走勢受能源政策、電網結構、供需關係和市場成員經營決策等多種因素的共同影響。通常，電力市場是指電力商品、交易周期和交易方式的一個組合，比如日前集中電能交易即為一個電力市場，一個國家或地區的電力市場往往是多個電力市場共同組成的集合，市場成員也通常能夠參與多個市場，提供相應的商品並獲得回報。由於市場成員在各個市場中能夠提供的商品相互影響，在市場運營中，市場成員會根據綜合成本構成，理性決策在各個市場中的投標行為，從而實現整體收益最大化。
然而，由於現有的許多電力市場實驗手段存在各種功能限制，距離推演評估預想電力市場模式優劣的目標，還有很大差距。第一，有的實驗系統依託線上運行的電力市場運營系統實現，只能模擬己有的市場模式，主要服務於交易人員操作層而的培訓，無法模擬不同的市場模式。第二，有的實驗系統不具備對市場成員決策行為的模擬能力，僅限於對市場成員歷史申報數據或者人工模擬數據進行實驗，無法反映市場成員的決策行為。第三，有的實驗系統雖能夠配置市場規則，模擬市場成員智慧型決策，但僅能模擬單一電力商品、單一交易周期的市場運營，比如AMES主要模擬日前電能市場，無法反映不同電力商品、不同周期市場間的相互影響。第四，有的實驗系統僅從經濟學角度對電力市場進行推演，未考慮電網安全約束，無法真實反映電力市場運營的網路特徵。第五，有的實驗系統僅限於一定供需關係下的靜態市場推演，無法模擬電力需求和生產隨時間周期變化、設備非正常停運等對市場運營的影響。
由於一個國家或地區的各個電力市場相互影響，市成員在每個市場中的決策行為都會受到其他市場的影響，孤立模擬某一個市場無法真實反映市場成員的實際行為，需將一個國家或地區的電力市場作為一個整體來分析，建立電力市場全景實驗環境，模擬各商品類型、各交易周期和各交易方式電力市場的藕合運營。為此，從電力交易運營、市場成員決策行為和電網運行三個維度出發，以年度為經營周期，將市場模式中的所有商品類型、所有交易周期、相關交易方式和定價機製作為一個整體看待，以總體利益最大化作為市場成員的決策目標，通過對市場運營中的需求預測、成員決策、交易出清、調度運行、結算評估等關鍵環節的完整模擬，量化評估相應市場模式下的經濟、安全、節能和可持續性等指標，從而建立一個電力市場全景實驗評價平台，為電力市場模式的設計和選擇提供有效的實驗手段 。
電力市場全景實驗平台的功能
電力市場全景實驗平台主要用於市場運營模擬與評估、運營技術驗證、運營人員實務培訓和電力市場運營系統功能測試。
市場運營模擬與評估
應能夠支持電能、輔助服務、容量、輸電權、發電權、綠色證書等多商品類型，中長期、月度、日前、日內、實時等多交易周期，集中撮合與雙邊協商等多種交易方式，分區定價和節點定價等多種定價機制的多電力市場藕合運營的市場機理推演，模擬電網安全約束在市場出清、電網調度等各個環節中的作用，在對市場成員自主動態決策模擬基礎上，量化評價實驗市場模式的運營效率和運營風險，依據對市場推演中的各種指標分析，評估市場規則公正性和交易模式可行性，為市場模式的設計和選擇提供決策支持，以更好地引導並最佳化電力市場規則設計。
電力市場運營技術驗證
應能基於預期市場模式、市場規模和電源電網結構，搭建目標電力市場運營環境，為海量成員接入、市場出清最佳化算法、定價算法、市場結算、安全約束市場化調度等新技術驗證提供數據接入、流程控制和結果校對等支持，同時為大數據、雲計算、桌而雲等技術在電力市場運營中的套用提供實驗驗證環境，評估運營技術的適用性，推動電力市場運營技的創新和持續發展 。
市場運營人員實務培訓
應能依據電網模型靈活構建預期市場模式的電力市場運營環境，模擬電網運行和市場成員自主決策，為電力市場運營、市場成員交易、科研機構研究、理論教學、監管評價和系統運維等人員提供實務培訓環境，參訓人員與投標機器人共同參與各電力市場運營模擬，通過對一定時間範圍內不同供需形勢、市場成員自主決策和多市場成員聯合決策等市場運營場景的模擬，評估人員培訓效果，使參訓人員深入掌握電力市場運營機理。
電力市場運營系統功能測試
通過標準接口與電力市場運營系統連線，模擬目標電力市場運營，提供電網運行斷而和市場成員申報案例，接收被測電力市場運營系統的出清結果，並對被測系統功能正確性和計算性能進行測試驗證，實現電力市場運營系統功能軟體的業務級測試。
實驗平台功能結構
總體功能架構
電力市場全景實驗平台總體結構主要包括電力交易運營模擬器、市場成員行為模擬器和電網運行模擬器三部分。電力市場全景實驗平台功能框架結構其中電力交易運營模擬器用於模擬部署於電力交易機構、目標市場模式下的電力市場運營系統，支持市場成員的註冊管理、信息發布、成員申報、交易出清、安全分析和結算評估。市場成員行為模擬器用於模擬市場成員參與市場的管理和決策過程，支持成本管理、交易決策、收益分析和策略進化。電網運行模擬器主要用於模擬與市場運營緊密相關的電網運行狀態量變化，支持潮流分析、發電計畫跟蹤、聯絡線計畫跟蹤、故障模擬、擾動模擬等 。
電力交易運營模擬器
電力交易運營模擬器的主要功能包括電力市場商品結構生成器、電力市場運營模式配置、電力交易實驗平台、實驗評估分析、市場運營時序配置，以及實驗控制與管理等部分。
1)電力市場商品結構生成器
用於定義待實驗市場模式的電力商品構成，可以為電能、輔助服務(可以進一步細分為調頻、旋轉備用、非旋轉備用、無功電壓、黑啟動等)、容量、輸電權、綠色證書、發電權等一種或者多種商品的組合。商品結構生成器預置了可以在市場運營中出現的所有商品細分類型，並預定義了每一種細分電力商品的成本構成和成本模型。根據預置的電力商品成本模型和待實驗電力商品類型選擇，自動生成交易商品的成本模型，以反映各種電力商品的成本，並將未選擇商品的成本自動歸入電能或者其他商品之中。在電力商品選擇的基礎上，定義每種電力商品的交易周期(包括年、月、日前、日內、實時等)、交易方式(集中、雙邊等)。電力商品、交易周期和交易方式的每個組合稱為一種電力市場，所有電力市場的總和形成待實驗的目標電力市場結構。
2)電力市場運營模式配置
用於設定每個市場的運營模式，生成對應的市場規則。每個市場的規則配置包括:市場成員準入條件、市場時序、買方報價格式、賣方報價格式、市場定價機制、市場出清機制、市場結算機制，以及需要聯合出清的電力市場組合等，如日前電能商品和日前備用商品相互影響，這兩種商品需定義為聯合出清。
3)電力交易實驗平台
電力交易實驗平台是模擬市場運營的實體，是一個預製的電力市場運營實例創建和運行容器，能夠容納多種電力商品、多種交易周期和多種交易方式組合的多電力市場實例聯合運營。根據市場商品結構生成器生成的市場結構配置信息，自動激活對應電力市場實例;並根據電力市場運營模式配置，初始化相應電力市場實例的算法庫和人機界而;根據市場運營時序配置，確定各電力市場實例間的相互激活機制，最終形成容納多個市場實例的電力市場實例容器，支撐配置市場模式的運營實驗。電力交
4)實驗評估分析
實驗評估分析主要包括兩部分功能。一是市場成員競爭策略有效性和行為競爭性評估。根據市場出清和電網運行信息，自動計算各市場成員的電能費、輔助服務費、容量費等收益，並根據其變動成本和固定成本分攤原則，計算各市場成員在各市場中的淨收益和總體淨收益，同時計算市場總體平均收益和各類市場成員的平均收益，對比市場成員收益與總體平均收益、所屬類市場成員平均收益，評估市場成員競爭策略的有效性;同時通過分析市場成員申報價格與實際成本之間的偏離度，評估各成員市場行為的競爭性。二是市場競爭性和有效性評估。通過對各周期市場中邊際機組市場報價與其成本的偏離程度，評估各個市場是否具有競爭性;從各電力商品的平均市場價格與平均供應成本比例、市場總體供給能力與市場需求比例、輸電設備利用率變化等指標，評估電力市場的有效性。
5)市場運營時序配置
用於配置各電力市場的啟動周期、電力市場啟動順序，配置市場運營中的流轉環節組成和各環節之間的流轉條件，以及各電力市場之間時序配合條件，比如一次月度電能市場出清後應自動觸發至多31次日前電能市場，每次日前電能市場出清後應自動觸發24次實時市場等。市場運營時序設定決定了各個市場的運作流程以及之間的相互觸發關係。
6)實驗控制與管理
實驗控制與管理用於配置生成具體的實驗案例，模擬預想的市場規模、一次能源價格等市場運營外部環境，形成市場啟動和持續運行所需的各種基礎信息。其功能結構如圖3所示。
市場模型人工配置用於手工註冊參與市場的各類成員信息，或者直接選用內嵌的RTS-96標準算例生成電網物理模型和市場經濟模型。市場模型自動生成則能夠根據基於CIM/ E的電網模型或者IEC 62325-301標準的電力市場模型，按照廠站機組間的所屬關係、裝機容量等信息，自動生成用於實驗的電網物理模型和市場經濟模型。
市場成員決策模型配置用於設定各市場成員智慧型代理的策略集、風險承受能力、決策子目標偏好等各種決策參數，用於成員自主決策策略生成。
實驗周期及市場啟動前狀態配置用於設定實驗案例的時間範圍，並設定各市場成員己簽訂契約、設備檢修計畫、機組運行狀態等各種市場初始參數，實驗周期的設定決定了各類電力市場的運行次數。
學員參與市場的教案配置用於設定各市場成員由智慧型代理模擬或是由參訓學員代理參與市場競爭，以及哪些市場成員可以聯合以模擬發電集團決策等，並可以預置部分市場成員的成本、檢修計畫、輔助服務能力等參數。
教員干預控制可以預設發輸電設備檢修計畫調整、發輸電設備故障，用於模擬電網運行對成員收益的影響。
市場成員成本構成及一次能源價格自動生成模組則依據一次能源價格等信息自動生成模擬器內的燃料價格變化及固定成本構成。
市場成員行為模擬器
市場成員行為模擬器既可以通過智慧型代理模擬各類成員參與市場競爭，也可以為參訓人員提供參與市場競爭的數據申報和信息管理的人機界而。其重要功能包括:競價策略管理、市場申報決策、數據申報與信息管理。
1)競價策略管理:用於設定市場成員的競價策略集合，包括參與的市場種類、決策的主要目標和從屬目標，以及對風險的偏好程度，並設定固定成本等長周期成本在短周期市場中的可選分攤策略 。
2)市場申報決策:依據成員的各種成本構成，以實驗周期內利益最大化為目標，參照競價策略集合設定和成本分攤策略，考慮實驗周期內己經達成的各類交易契約，協調最佳化市場成員所有發用電資源在各個市場中的競價策略。在多周期競爭決策中，能夠根據市場出清和結算結果，自動調優後續競爭策略。
3)數據申報與信息管理:提供參訓人員查詢各種市場運行信息和自身註冊信息的人機界而，提供參與各類市場的數據申報界而，並從市場、發用電資源、時間等多個維度展示市場成員的量本利信息和評價信息。
電網運行模擬器
電網運行模擬器根據市場時序設定，能夠以設定時間間隔自動模擬電力系統負荷變化，根據各市場出清結果和設備檢修狀態，自動計算主要設備的潮流，模擬電力系統與電力市場的藕合運行。根據教員的人工干預，還能夠自動模擬發電、輸電等設備故障，用於評估各類擾動對電網安全和市場成員收益的影響。
實驗平台關鍵技術
一個能夠支持省級以上規模電力市場實驗的工程級實驗平台，其技術複雜度遠高於現有的電力市場運營系統，需要軟體平台、市場出清算法、定價算法、成員決策模擬、電網運行模擬、模型交換標準等一系列關鍵技術支撐。經過十餘年的電力市場運營技術研發和工程積累，研究團隊己經具備了支持多用途資料庫、訊息匯流排、服務匯流排、自定義圖形、流程引擎、電網模型交換的軟體支撐平台;在電力交易運營系統開發中積累了支持多類型電量交易開展的規則庫、算法庫技術，以及可配置的電量電費結算技術;在節能發電最佳化調度技術研究中，研發了多時段多目標安全約束機組組合和經濟調度算法。然而，為推演建立在大規模電網之上由多種電力商品、多種交易周期、多種交易方式組合的電力市場運營機理，分析市場經濟運營和電網安全運行的藕合影響，在有限的實驗時間內模擬長時間周期內的電力市場運營，評估預想市場模式的各種影響，在上述技術積累基礎上，還需要解決電力市場全景實驗平台建設中的如下關鍵技術。
1)大規模市場清最佳化及定價算法技術。在己有安全約束機組組合和經濟調度技術基礎上，建立電能與輔助服務聯合最佳化模型，研究能夠實現適應多種電源類型、發用電雙向競價、電能與輔助服務藕合、多時段藕合，考慮電網安全、機組運行、系統平衡的大規模最佳化算法，適應年度、月度、日前等多交易周期大規模電力市場的快速出清計算，保障計算性能滿足快速實驗要求;開發分區定價和節點邊際電價等常用定價算法。該技術在國外電力市場中己經
得到套用，國內尚未研製出適用於省級以上電力市場的工程化算法和套用，目前己經納入國家電網公司“十三五”科技規劃。
2)市場成員決策行為模擬技術。研究考慮全成本回報、多電力市場收益、整體效益最大化的市場成員決策模型，研發市場成員決策行為智慧型代理模擬算法，反映各市場成交結果間的相互影響和風險喜好對市場成員決策行為的影響，並在實驗進程中，支持市場成員決策行為的動態進化，該技術研究己經納入國家電網公司“十三五”科技規劃。
3)市場模擬的任務調度技術。研究能夠根據設定的市場模擬時間範圍，依據各電力市場間的運行時序和市場各環節觸發條件，自動激活多電力市場並行運行流程的實驗任務調度技術，在實驗進程中依序調用市場出清等計算服務，實現以較短的實驗周期完成對長周期電力市場運營的模擬，該技術正處於研發過程中。
此外，電力商品通用成本模型的建立，基於國際標準的電網模型(IEC 61970)或市場模型檔案(IEC62325)的電力市場環境自動生成、電網運行狀態模擬、適用多市場模式的結算評估等也都是電力市場全景實驗平台建設中必須解決的關鍵技術，均己納入國家電網公司“十三五”科技規劃。由於國內尚未建立商品類型豐富的成熟電力市場，初期實驗環境的生成還主要依靠人工準備，基於國際標準的電網模型或市場模型檔案的電力市場環境自動生成技術可以稍後研發。
總結
目前國內電力市場化改革正深入推進，由於國網情不同，國外市場模式很難照搬，本文提出以電力市場整體運營為研究對象的電力市場全景實驗平台，將為選擇適應中國特點的電力市場模式、降低電力市場改革試錯成本、推演電力市場運營和電網運行藕合機理、培訓電力市場專業人員提供實驗環境支撐。在國家電網公司多個科技項目資助下，己完成電力市場全景實驗平台體系研究和框架設計 。
