胡 蔓，劉寧寧，楊 明

（山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

自2015年以來(lái)我國(guó)電力市場(chǎng)改革穩(wěn)步快速推進(jìn)，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)是電力市場(chǎng)改革的重中之重，對(duì)熟悉電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力市場(chǎng)交易的人才需求越來(lái)越大。本文結(jié)合電力市場(chǎng)專業(yè)理論知識(shí)與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則，搭建電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為培養(yǎng)社會(huì)亟需的新型電氣工程人才提供平臺(tái)支撐與技術(shù)保障。本平臺(tái)還可作為電力市場(chǎng)交易人員的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用，是電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。

1 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性

1.1 中國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)需求

2017年8月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局選取浙江、山西、山東、福建、四川、甘肅等8個(gè)地區(qū)為第一批試點(diǎn)，加快推動(dòng)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)工作。2019年6月底，首批8個(gè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)全部進(jìn)入試運(yùn)行階段；9月底，首批8個(gè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)全部完成結(jié)算試運(yùn)行，標(biāo)志著各地現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)工作實(shí)現(xiàn)質(zhì)的跨越，電力市場(chǎng)化改革取得突破性進(jìn)展。電力市場(chǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，需要有較多的電力市場(chǎng)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(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)電力市場(chǎng)的建設(shè)和人才培養(yǎng)均具有積極的推動(dòng)作用。

1.2 電力市場(chǎng)專業(yè)課程教學(xué)需求

電力市場(chǎng)是一個(gè)多學(xué)科融合的專業(yè)領(lǐng)域，學(xué)生既需要掌握市場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)理論，又需要掌握電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理規(guī)律，并能把二者融會(huì)貫通。僅通過(guò)書本講授這些課程，學(xué)生往往無(wú)法理解經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，幫助學(xué)生直觀理解相關(guān)知識(shí)。

本文開發(fā)了以山東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則為基礎(chǔ)，模擬電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易全過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合，改變電力市場(chǎng)純理論教學(xué)抽象無(wú)趣的現(xiàn)象；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)不僅能夯實(shí)學(xué)生的理論知識(shí)，還可提升學(xué)生的技能水平，進(jìn)而快速實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

2 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除包括發(fā)電企業(yè)和售電企業(yè)市場(chǎng)交易信息申報(bào)、市場(chǎng)交易撮合、出清結(jié)果發(fā)布等功能外，還設(shè)計(jì)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(chǎng)出清分析、電價(jià)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(chǎng)理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和仿真平臺(tái)功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，基本實(shí)驗(yàn)設(shè)置和知識(shí)點(diǎn)如圖1所示。首先，通過(guò)電力市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制認(rèn)知，讓學(xué)生了解現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則和電力市場(chǎng)運(yùn)行流程。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需掌握機(jī)組組合與經(jīng)濟(jì)調(diào)度等電力市場(chǎng)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(chǎng)申報(bào)決策，從而掌握發(fā)電企業(yè)“報(bào)量報(bào)價(jià)”、售電企業(yè)“報(bào)量不報(bào)價(jià)”的申報(bào)原則及企業(yè)的申報(bào)策略。申報(bào)完成后，學(xué)生進(jìn)行電力市場(chǎng)交易撮合實(shí)驗(yàn)，掌握電價(jià)產(chǎn)生機(jī)制，探索發(fā)電企業(yè)報(bào)價(jià)、用戶負(fù)荷、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、輔助服務(wù)等因素對(duì)電價(jià)的影響。最后，通過(guò)結(jié)果分析，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理規(guī)律和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，挖掘物理與市場(chǎng)的最佳契合點(diǎn)，從而改進(jìn)市場(chǎng)參與策略，最大化市場(chǎng)收益。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與知識(shí)點(diǎn)

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，如圖2所示，將系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)部分集中到服務(wù)器上，用戶端通過(guò)瀏覽器即可訪問(wèn)［1］。用戶登錄后，完成市場(chǎng)信息申報(bào)，申報(bào)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)；用戶在客戶端調(diào)用算法引擎對(duì)市場(chǎng)交易進(jìn)行優(yōu)化出清，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，并在終端瀏覽器上進(jìn)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(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)，也方便后期進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

圖2 仿真平臺(tái)架構(gòu)

2.3 技術(shù)難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 市場(chǎng)成員功能權(quán)限設(shè)計(jì)

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)主要參與角色有系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(chǎng)中的利益訴求、掌握的市場(chǎng)信息、關(guān)注的市場(chǎng)信息、可看到的交易信息都不同，因此需要對(duì)不同市場(chǎng)成員進(jìn)行功能和權(quán)限設(shè)計(jì)［2-3］。

系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商作為整個(gè)電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)者，掌握電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、全網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，并將其在市場(chǎng)交易申報(bào)前披露給各市場(chǎng)成員。在各市場(chǎng)成員申報(bào)完畢后，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行交易撮合，最后將出清結(jié)果發(fā)布給各市場(chǎng)成員。傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果及自身設(shè)備情況，申報(bào)機(jī)組的發(fā)電報(bào)價(jià)曲線，市場(chǎng)出清后能夠看到本企業(yè)機(jī)組的中標(biāo)信息（各時(shí)段中標(biāo)電價(jià)、中標(biāo)電量）。新能源發(fā)電企業(yè)除需申報(bào)發(fā)電報(bào)價(jià)曲線外，還需申報(bào)自身出力預(yù)測(cè)結(jié)果（山東規(guī)則）。售電企業(yè)根據(jù)自身負(fù)荷需求申報(bào)未來(lái)一天各時(shí)段的負(fù)荷，市場(chǎng)出清后可查看本企業(yè)各時(shí)段中標(biāo)電價(jià)和電量，并進(jìn)行售電成交分析和電價(jià)分析。除上述角色外，另設(shè)第五種角色超級(jí)用戶，具有上述所有用戶的權(quán)限。

2.3.2 市場(chǎng)交易流程重構(gòu)

根據(jù)《山東省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則（試行）》，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)主要分為日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)。參與市場(chǎng)的發(fā)電企業(yè)和售電企業(yè)在運(yùn)行日前一天完成運(yùn)行日的市場(chǎng)信息申報(bào)。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)行日前一天綜合考慮發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)安全運(yùn)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(gè)交易時(shí)段，采用安全約束機(jī)組組合（SCUC）和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到運(yùn)行日的機(jī)組開機(jī)組合、機(jī)組分時(shí)出力曲線以及分時(shí)節(jié)點(diǎn)電價(jià)，用于日前市場(chǎng)交易結(jié)算。進(jìn)入運(yùn)行日后，也即進(jìn)入實(shí)時(shí)市場(chǎng)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商基于最新的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，綜合考慮發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)安全運(yùn)行約束條件，在日前市場(chǎng)確定的開機(jī)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(jì)調(diào)度（SCED）算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行前15 min開展實(shí)時(shí)市場(chǎng)交易出清，并滾動(dòng)修改未來(lái)2 h市場(chǎng)交易結(jié)果。

如直接采用上述交易規(guī)則，將使整個(gè)仿真流程冗長(zhǎng)。為方便模擬，對(duì)交易規(guī)則做了部分調(diào)整?？紤]到實(shí)時(shí)負(fù)荷與日前負(fù)荷變化不大，程序設(shè)置了一個(gè)實(shí)時(shí)負(fù)荷調(diào)整參數(shù)δ，日前市場(chǎng)模擬完成后，在售電企業(yè)申報(bào)日前負(fù)荷的基礎(chǔ)上調(diào)整實(shí)時(shí)負(fù)荷，一次性完成所有時(shí)段實(shí)時(shí)市場(chǎng)的交易模擬，從而提高模擬效率。仿真平臺(tái)的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 仿真平臺(tái)運(yùn)行流程

2.3.3 快速高效的優(yōu)化算法

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易撮合的核心數(shù)學(xué)模型是安全約束機(jī)組組合（SCUC）和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）。SCUC是一個(gè)混合整數(shù)優(yōu)化模型，SCED是一個(gè)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(jì)算快速、運(yùn)行穩(wěn)定得到推廣。通過(guò)對(duì)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(jìn)行求解［4］。山東電網(wǎng)的實(shí)際算例表明，本仿真平臺(tái)完全滿足省級(jí)電網(wǎng)電力市場(chǎng)交易仿真需求。

3 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用情況

本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在某大學(xué)“電力市場(chǎng)原理”課程中使用。教師在授課過(guò)程中通過(guò)該平臺(tái)將理論知識(shí)、行業(yè)發(fā)展與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，取得較好的教學(xué)效果。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

學(xué)生通過(guò)角色專屬ID登錄仿真平臺(tái)，自主瀏覽電力市場(chǎng)基本知識(shí)、平臺(tái)框架、實(shí)驗(yàn)步驟及交易規(guī)則等內(nèi)容。在模擬發(fā)電企業(yè)報(bào)價(jià)過(guò)程中，學(xué)生可探索不同報(bào)價(jià)策略對(duì)發(fā)電收益的影響，進(jìn)而尋求最優(yōu)報(bào)價(jià)策略，如表1所示。學(xué)生也可結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索不同申報(bào)策略對(duì)購(gòu)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(chǎng)出清情況，如圖5所示，并可將市場(chǎng)出清數(shù)據(jù)導(dǎo)出，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 模擬售電企業(yè)申報(bào)過(guò)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(bào)過(guò)程

3.1.2 課程評(píng)價(jià)與應(yīng)用效果

課程采用線上線下相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行綜合評(píng)估［5］。線下以考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況為主，試卷作答為輔。線上考核由知識(shí)預(yù)習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)操作兩部分組成，通過(guò)考察仿真平臺(tái)的操作規(guī)范性及實(shí)驗(yàn)完成度進(jìn)行評(píng)分。評(píng)價(jià)方式彌補(bǔ)了單一考核方式的不足。該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用前后學(xué)生“電力市場(chǎng)原理”課程成績(jī)的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。使用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6 學(xué)生“電力市場(chǎng)原理”課程成績(jī)對(duì)比

3.2 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)仿真平臺(tái)企業(yè)應(yīng)用情況

該仿真平臺(tái)完全依據(jù)省級(jí)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則建設(shè)，除實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，還可作為電力市場(chǎng)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(tái)對(duì)市場(chǎng)交易人員進(jìn)行培訓(xùn)。使用該平臺(tái)，可使交易人員熟悉市場(chǎng)規(guī)則和交易流程，企業(yè)也可利用該平臺(tái)開展實(shí)際交易策略模擬，以便能夠在真正的電力市場(chǎng)中獲取更好的收益。

4 結(jié)語(yǔ)

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