【精彩论文】复杂市场环境下区域电网安全校核机制架构设计

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

复杂市场环境下区域电网安全校核机制架构设计

张怀宇¹, 胡宏¹, 张粒子², 唐成鹏², 李雲建², 贾兴²

（1. 国家电网有限公司华东分部,上海 200120; 2. 华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206）

摘要：安全校核是保障区域电网安全运行和区域内电力市场正常运营的重要技术环节。当前区域电网范围内已呈现电力现货试点省与非试点省并存、省间交易电量与计划电量交织的复杂形态，倒逼电网运行组织者必须创新提出与之相适应的安全校核机制。首先总结分析国外典型单一市场形态下电力市场出清和跨市场/跨国电力交易的电网安全校核机制架构及其借鉴意义，揭示中国复杂市场环境下区域电网安全校核的现实基础、特殊约束与需求，在此基础上设计了与中国近期电力市场形态、现行电力调度管理体制、区域电网结构等相适应的跨省跨区电力中长期交易、区内各省日前市场预出清发电计划和非现货试点省日前发电计划的安全校核机制架构。对于跨省跨区电力中长期交易，提出了基于跨区交易电力曲线典型场景集的电力校核方法和提高安全校核频次的安全校核机制改进方案；针对构建区内日前发电计划安全校核机制，提出了适应复杂市场环境的3种可选择方案，在对比分析三者特点的基础上，给出了方案实施路径建议。

引文信息

张怀宇, 胡宏, 张粒子, 等. 复杂市场环境下区域电网安全校核机制架构设计[J]. 中国电力, 2021, 54(11): 11-18.

ZHANG Huaiyu, HU Hong, ZHANG Lizi, et al. Design of the security analysis mechanism with complex market condition for regional power grid[J]. Electric Power, 2021, 54(11): 11-18.

引言

目前，中国电力中长期市场和电力现货市场建设已进入实质性阶段。在国家发展改革委、国家能源局发布的《电力中长期交易基本规则》指导下，全国各省（西藏除外）内电力中长期交易和跨省跨区电力中长期交易的规模逐年扩大、交易品种和交易方式不断丰富。2017年8月，国家发展改革委、国家能源局发布《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》，选择8个地区先期开展电力现货市场试点建设，逐渐形成了同一控制区内不同市场模式与传统计划调度管理方式并存的格局。传统计划调度管理方式下，区域及各省电力调度机构统一以全网安全、可靠、优质为前提，按照“三公”和节能发电调度原则、采用区域-省两级计划协调方式编制系统日前运行方式。而在省域现货试点运行后，各试点省将以局部系统最优为取向，省内发电计划和机组启停乃至电力辅助服务的初始方案都将由市场交易结果决定，然后再提交给区域电网调度机构进行安全校核，同时试点省与省外的电力交换也同样逐渐由市场交易形成。因此，同一区域内系统日前运行方式的编制原则、调控目标和方式、信息交互和业务流程均发生了重大变化。区域电网将处于前所未有的复杂市场形态：（1）市场和计划交织（现货试点省份与非试点省份、省间（含跨省跨区）计划电量与市场电量）；（2）区内试点省份市场模式差异显著（集中式/分散式）；（3）试点省份内部计划与市场并存。在如此复杂的环境下，省内市场组织和发电计划形成流程的变化将直接导致区域调度机构与其配合方式在时序配合、组织流程、信息交互等方面出现一系列不协调问题，区域电网安全校核机制面临新的挑战：（1）在跨区电力中长期交易未能约定曲线的情况下，如何满足《电力中长期交易基本规则》提出的提高安全校核频次的要求；（2）区域电网安全校核机制如何公平对待现货试点省不同市场模式的市场出清发电曲线和非现货试点省发电计划安排。安全校核是指为保证电力系统安全稳定运行，对于电力市场出清或计划调度安排的发电计划（一般是指次日机组启停机计划）和实时调度指令所进行的网络安全分析校验过程，一般可以耦合在电力现货市场出清软件系统或发电计划编制流程中。国外电网安全校核具有较丰富的理论和实践经验^[1-4]，但均建立在单一市场形态基础之上，不具备移植到中国区域电网的条件。国内在电网安全校核领域的研究，主要集中在4个方面：（1）针对单一市场形态，提出了调度计划安全校核框架^[5-6]；（2）针对中长期电量交易的电网安全校核方法^[7-12]；（3）针对计划调度和节能调度方式的电网安全校核模型算法^[13]；（4）现货市场试点建设方案中，针对本省单一市场形态下的电网安全校核机制^[14-15]，没有考虑与区域电网安全校核的协同机制^[16]。综上所述，目前尚未见到针对区域内不同市场模式和不同调度方式并存、计划与市场交织的复杂环境下区域电网安全校核机制的研究文献。2019年7月，国家发展改革委办公厅、国家能源局综合司印发《关于深化电力现货市场建设试点工作的意见》，明确提出电力现货试点应符合国家区域协调发展要求，应按照统一开放、竞争有序的市场体系要求，为未来市场间交易和市场融合创造条件。逻辑上，要求各级系统运行机构按照市场的原则运行管理电网，这为区域电网的新型安全校核机制设计确定了基本原则和前提条件。基于此，本文在借鉴国际典型区域电力市场及其跨市场电力交易安全校核实践经验的基础上，结合中国电力市场形态、区域电网结构与功能、区域电网调度机构的职责及其面临的特殊现实问题，提出适于复杂市场环境的区域电网全周期（中长期和日前）安全校核机制架构，以期为实现电网安全分析管理制度变迁和新技术支持系统开发提供参考、促进电力市场建设和发展。

1 复杂市场环境下区域电网安全校核问题及国际经验借鉴

1.1 国际经验分析与借鉴

国外典型电力市场实践经验表明，对于单一市场形态下的安全校核，已有比较完善的解决方案^[17-23]。总体而言，国外典型电力市场中，电网调度机构一般在现货（日前和实时）阶段完成系统的分时电力平衡，因此针对其调度管辖范围内的各类电力交易（不包括电力金融衍生品交易和双边差价合同）的安全校核和阻塞管理一般也在现货阶段进行。在美国ISO/RTO市场中，安全校核是整个市场出清流程中的一部分，针对含约束出清的交易计划进行校核。欧洲各国电力市场在日前不考虑电网安全约束或只考虑部分关键线路（或断面）输电容量约束进行市场出清，安全校核在实时阶段与出清流程一并进行。可见，在单一市场内，电力现货市场出清从交易管理软件系统和管理职责上，是一并解决交易成交、安全校核和通道容量分配问题的。此外，美国跨市场电力交易和欧洲的跨境电力中长期交易主要通过输电服务的显式拍卖获得输电通道容量、满足跨市场/跨境输电通道的安全约束，而不在现货市场开市之前单独进行电网安全校核，该方式有助于在中长期阶段系统运行方式未能完全确定的情况下开展市场交易、提高市场运行效率，值得中国跨区域电力中长期交易借鉴。美国跨市场电力交易主要涉及大电网间联络线的安全约束，因而要事先以固定输电价格购买跨市场输电通道容量，而跨市场输电通道的可用容量是实时更新的，并在中长期交易阶段留有足够的输电容量裕度，不再单独进行安全校核。欧洲跨境电力中长期交易主要涉及国家电网间联络线的安全约束，以显式拍卖机制购买跨境物理输电权，也不单独进行安全校核。中国区域电网安全校核的客观市场环境与欧美有很大的差别：区域电网内各省之间的电网联系紧密，区域内每个省的系统运行方式都对区域电网安全有较大影响，而且外来电和外送电占区内电力电量比例高，省间断面潮流流向随省间交易及各省运行方式变化而变化，因此不适于采用类似欧洲的事先拍卖物理输电权的方式来满足区域电网安全约束；同时，区域内存在多个不同模式的电力市场，也不适于采用类似PJM的简单将区域电网安全校核纳入区域电力现货市场出清流程的处理方法。

1.2 复杂市场环境下区域电网安全校核机制构建的难点问题

按照《电网调度管理条例》，中国电网实行“统一调度、分级管理”。区域电网作为联系紧密的同步电网，隶属于同一频率控制区，其调度机构依然承担着组织、指挥、指导和协调所辖电网安全、优质、经济运行的重要责任；在电力市场环境下，又承担维护电力市场有序运营的新职责。电网安全校核是调度机构履行新旧职责的有机结合，电网安全校核机制的科学性，一定程度上体现了调度机构保障区域电网安全稳定运行和资源优化配置的能力和水平。相对于国外典型市场，中国区域电网有统一的调度机构负责全区域电网的安全稳定运行，具备全区域安全校核的现实基础，有利于实现跨市场交易的社会福利最大化。然而，中国区域电网面临的市场环境的复杂程度是任何现有典型市场所难以比拟的，安全校核机制不仅要兼容不同市场形态，而且还需要与计划和市场并存环境相容，这对区域电网安全校核机制设计提出了极高要求。在此特殊背景下，只有充分发挥中国调度管理的体制优势，在国际成熟经验的基础上实现区域电网安全校核机制的创新，才是破解复杂市场环境下大电网调控技术与机制难题的关键，也是实现区域电网调控管理精益化与市场化的唯一路径选择。目前来看，中国暂不具备采用输电服务显式拍卖方式分配输电容量的市场条件和实际需求，对于跨省跨区电力中长期交易的安全校核问题的难点在于：需在现有输电容量分配方式的基础上进行优化，明确外来电曲线的选取方式，兼容电量和电力交易，提高中长期安全校核的有效性。对于日前电力交易的安全校核问题的难点在于：需注重各级调度机构之间的协调配合，统筹考虑省间联络线关口计划编制、区域统调机组和各省统调机组的日前发电计划形成、区域电网安全校核和阻塞管理等多个相关环节，在尊重区内各省（市）发电计划和市场出清结果的前提下，以经济、高效、公平的原则进行安全校核机制架构设计。

2 跨省跨区中长期安全校核架构

中国跨省跨区中长期安全校核是一种规定性要求，《电力中长期交易基本规则》明确规定“各类交易应当通过电力调度机构安全校核，涉及跨区跨省的交易，须提交相关电力调度机构共同进行安全校核”。基于“统一调度、分级管理”的制度基础，需要针对跨区和区内、计划与市场、电量与电力交易并存的中长期交易，创建一套符合区域电网运行管理实际的中长期安全校核机制。

2.1 机制设计原则

（1）安全性原则。安全是网络安全校核的初衷和归宿，必须坚持安全第一的原则，防止为单纯追求经济效益而牺牲安全。跨省跨区中长期交易中电量交易与电力交易并存，跨省跨区中长期安全校核机制应能够满足各层级电网安全稳定运行的要求。在对跨省跨区中长期交易进行安全校核时，由于难以预估系统未来的运行方式，需要留有一定的裕度，保证通过安全校核的中长期交易在交割时间可以调度执行。（2）高效性原则。在复杂的市场环境下，进行有效的安全校核，涉及调度与交易、调度与调度之间多层级、多轮次的迭代和信息交互，效率成为主要难题，需要通过业务流程再造提高跨省跨区中长期安全校核的效率。（3）灵活性原则。机制设计应保障跨省跨区中长期交易的灵活性，尽可能避免不合理的交易削减，提高电力市场的运行效率以及跨区跨省输电通道的利用率。

2.2 跨省跨区中长期安全校核方案

电网安全校核的模型和算法都是基于某些确定的运行方式。但中国跨省跨区中长期交易中存在很多电量交易合同（即没有约定电力交割曲线的合同，包括国家指令性计划和市场化交易合同），因而中国跨省跨区中长期交易安全校核首先要解决的问题是如何预估系统未来的运行方式，并根据多种预估情景，确定预留输电容量裕度，以保证通过安全校核的中长期交易在交割时间可以调度执行。

2.2.1 基于典型场景集的电力校核方法

目前来看，区内省间电力中长期交易一般具备约定交割曲线的条件，并且由于中国区域电网内各省级电网都要以电力平衡和电网安全为前提制定本省统调机组的日前发电计划曲线，有必要要求区内省间中长期交易约定曲线。跨区中长期交易中电源以大水电和新能源发电为主，送电功率具有较强的不确定性，即使要求这些电源在中长期交易阶段即约定具体的合同交割曲线，合同约定曲线与实际发电能力也会有较大差异。因此，这些跨区中长期交易合同短期内不具备在签订合同时约定电力交割曲线的条件。从理论角度出发，对电力中长期交易进行准确的安全校核应以交易合同约定电力交割曲线为前提。针对跨区中长期合同未约定交割曲线的实际情况，应该通过聚类分析等方法对跨区交易历史曲线的规律进行挖掘，建立跨区交易电力曲线的典型场景集，再对应不同的系统运行状态作为确定电网安全校核的前提。开展安全校核时，可以根据事先设定的置信度水平，按概率由大到小的顺序从场景集中选取若干场景，分别进行各场景下的电力安全校核。若中长期交易在所选取的各场景下均能满足安全约束，则视为该笔交易通过安全校核；反之则视为未通过安全校核。为区别于以往对中长期合同进行电量校核的方法，本文将上述方法称为基于典型场景集的电力校核方法。

2.2.2 提高安全校核频次的方案

目前中国电力中长期交易主要以年度、月度为周期开展，中长期安全校核相应也是以年度、月度为周期进行。随着电力中长期交易机制的逐步完善，未来电力中长期交易的交易频次将逐步提高，甚至实现连续开市，安全校核的频次也就需要相应提高。若以日为周期进行安全校核，或者是在每一笔中长期交易结束后即刻进行安全校核，可以大幅提高安全校核的频次，及时将信息反馈给市场主体，但问题在于调度机构的工作量较大，安全校核的效率较低，因此可操作性不高。若以月或周等较长周期进行安全校核，则校核结果的反馈时间相对较晚，难以满足市场主体需要。一般而言，越临近交割时间，市场主体越需要及时反馈和调整交易策略、生产经营计划。因此，为了权衡安全校核的可操作性与校核结果反馈的及时性，可以对不同交割时间的中长期交易以不同频次进行安全校核，以较高频次校核临近交割的中长期交易。例如，对于未来一周以内交割的中长期交易，以日为周期进行安全校核；对于一周以后、一个月以内交割的中长期交易，以周为周期进行安全校核；对于一个月以后交割的中长期交易，以月为周期进行安全校核。

3 区域电网日前安全校核架构

3.1 机制设计原则

复杂电力市场环境下，区域电网日前安全校核涉及计划调度与市场机制、区域调度与省（市）调度在日前时间尺度下一系列工作衔接与配合，是保障区域电力系统安全稳定运行的重中之重。与区内各省以往采用“三公”调度和节能调度制度相比，在部分省建立电力现货市场后，各省日前市场出清结果与本省内市场主体的经济利益密切相关，而日前市场出清既受省间输电断面分配容量限制、又受外来电力曲线影响，还要受到省内优先发电计划、市场规则和市场出清时间等多重约束。这也反过来要求，区域电网日前安全校核必须与各省日前市场预出清环节高效协同，以保证各省日前市场按时出清、公平对待电力现货市场试点省与非试点省发电计划的安全校核。鉴于此，复杂市场环境下区域电网日前安全校核机制架构设计应遵循以下基本原则。（1）保证区域电力系统安全稳定运行。保证复杂电力市场环境下区域电力系统安全运行，是区域电网日前安全校核与阻塞管理机制设计的出发点和落脚点，也是促进电力市场发展的大前提。（2）同等尊重区内各省（市）发电计划和市场（预）出清结果。一般情况下，区域电网安全校核及阻塞管理机制设计过程中，应当考虑对各省（市）通过计划或市场方式形成的日前发电计划调整较小，一般不改变其机组组合。需要说明的是，在涉及可能影响区域电力系统安全稳定运行情况下，区域调控分中心有权对各省（市）机组组合进行调整。（3）高效协同试点省电力现货市场出清流程和时序。兼顾区内现货试点省不同市场模式下的日前市场机制组织流程和非试点省份计划编制流程，提出安全高效、切实可行的区域与省之间安全校核衔接配合方案。

3.2 可选择方案分析

复杂电力市场环境下，区域电网日前安全校核的主要工作包括对各省日前调度计划（包括日前市场预出清发电计划）进行安全校核，甄别区域电网可能出现输电断面功率越限情况，以便后续进行输电阻塞管理。由于区域电网和省级电网存在两级调度机构，区域电网阻塞管理机制可以采取不同方案，包括区域电网调度机构负责区域电网阻塞管理和区域电网调度机构与省调协同进行区域电网阻塞管理，相应的安全校核机制也会不同。考虑到调整各省日前调度计划的原则不同，可将区域电网日前安全校核机制架构设计细分为3种解决方案（见图1）。

图1 区域电网日前安全校核机制架构可选择方案

Fig.1 Alternative schemes for day ahead security analysis mechanism for regional power grid

方案一是在各省（市）日前发/用电计划（计划机制或市场机制形成）基础上，由区域调控分中心于日前进行区域电网安全校核。当安全校核不通过时，区域调控分中心将线路越限信息向相关省（市）发布。在此基础上，各省（市）调整自身的日前调度计划，并再次上报重新进行校核。若最终各省（市）无法通过上述方法解决区域电网阻塞问题，区域调控分中心具有调整联络线关口和机组发电计划（包含机组启停）的权力，并基于机组灵敏性对区域电网进行阻塞管理。方案二是在各省（市）日前发/用电计划（计划机制或市场机制形成）的基础上，由区域调控分中心于日前进行区域电网安全校核并采用计划的手段进行阻塞管理。当安全校核不通过时，区域调控分中心以系统调整量最小为目标，根据各机组对阻塞线路的灵敏性，调整各省（市）日前发电计划，并将调整结果发布至各省，由各省根据发布信息配合执行。方案三是在各省（市）日前发/用电计划（计划机制或市场机制形成）的基础上，由区域调控分中心于日前采用市场机制一并进行安全校核和阻塞管理。区域电网调度机构基于各主体报价，以系统调整总成本最小为目标，考虑电网安全和机组特性约束，对各省（市）日前调度计划进行优化再调整。该方案下，各省日前低谷调峰和高峰电能量的临时需求亦可通过上述市场机制一并解决。

3.3 方案特性分析

3种可选择方案的对比如表1所示。相较而言，方案一充分遵从各省（市）发电计划和市场出清结果，但在部分情况下效率低下，同时对区域内省间电力资源优化配置促进作用较弱。阻塞情况下，方案一至少需要进行两次各省（市）日前计划上报和区域电网调度机构安全校核的工作，由于各省在自身调节计划过程中无法兼顾其他省份调度计划，最终可能出现各省自身无法解决区域电网阻塞、区域电网调度机构与省调工作反复迭代的情况。由于方案一主要从各省（市）自身的角度进行阻塞管理，对电力资源在区域范围内的优化配置促进作用较弱。

表1 区域电网日前安全校核机制架构可选择方案对比分析

Table 1 Comparison of alternative schemes of day-ahead security analysis mechanism for regional power grid

方案二中的各级机构配合效率高，在遵从各省（市）发电计划和市场出清结果的基础上，对其进行微调以实现阻塞管理，但对区域资源优化配置促进作用不足。方案二采用计划调度思想，安全校核与阻塞管理一并进行，避免了各级机构多次迭代配合，在复杂电力市场环境初期可操作性较强，但由于直接由区域电网调度机构进行阻塞管理，未充分体现各省在消除区域电网输电阻塞中的主动性和意愿，没有发挥市场机制的作用。方案三采用市场机制解决区域电力系统日前安全校核与阻塞管理协同问题，兼顾了现实基础、各级机构配合效率和公平、促进区域资源优化配置等多个维度。方案三提出的安全校核机制，可以同当前各区域已开展的日前省间低谷调峰（系统功率下调）市场机制高效融合，将其改进为同时包含系统发电功率上调和下调的日前区域调节市场交易机制，通过市场出清一并解决各省面临的低谷调峰问题、高峰电能量短缺问题和区域电网阻塞管理问题，有利于电力资源日前在区域的优化配置。

从实际操作层面看，方案三宜作为复杂电力市场环境下区域电网日前安全校核与阻塞管理机制的目标模式，若考虑到该方案市场建设等系列工作尚需时间，可采用方案二作为阶段性过渡模式。

4 结语

复杂电力市场环境下，中国区域电网内各省紧密互联和非单一市场形态的重要特征，决定了区域电网安全校核机制设计无法移植或套用欧美现行实践经验。本文结合中国未来复杂市场环境下区域电网安全校核的现实基础与特殊需求，提出与中国电力市场形态、现行电力调度管理体制、区域电网结构等相适应的不同时间尺度下安全校核机制架构。中长期针对电量与电力并存复杂场景，基于跨区交易电力曲线典型场景集，进行跨省跨区交易安全校核；日前阶段由区域电网调度机构进行统一安全校核，相应的阻塞管理机制由基于机组灵敏性的计划管理手段向基于成员报价的市场机制逐步过渡。

在区域电网安全校核机制架构基础上，各省（市）电力市场在具体机制设计和不同时间尺度组织流程设置过程中，还应进一步考虑省与省间、省与区域间的安全配合问题，包括区内各省（市）不同电力市场模式之间的匹配方式；传统安全保障措施在复杂市场环境下的适应性；计划体制向市场机制过渡过程中的安全责任落实等。

（责任编辑　李博）

作者介绍

张怀宇(1963—)，男，硕士，高级工程师(教授级)，从事电力运行管理工作，E-mail：zhang_yh@ec.sgcc.com.cn;

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胡宏(1970—)，男，硕士，高级工程师，从事电力调度运行工作，E-mail：hu_h@ec.sgcc.com.cn;

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张粒子(1963—)，女，通信作者，博士，教授，从事电力系统经济调度、电力市场和电价理论等研究，E-mail：lizizhang2000@sina.com;

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唐成鹏 (1992—)，男，博士研究生，从事电力系统优化调度、电力市场研究，E-mail：tcp.317@163.com;

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李雲建(1993—)，男，博士研究生，从事电力系统优化调度、电力市场研究，E-mail：yunjian.li@foxmail.com