广东日前电力市场方案设计与市场仿真

广东省自2013年启动电力直接交易扩大试点以来，积极探索电力直接交易的市场模式和规则，出台了一系列配套文件和相关政策;同时，为了对市场主体的信息进行综合管理，为市场成员提供开放便捷的交易平台，提高市场效率，降低交易成本，广东电力市场交易平台于2015年3月正式上线试运行，实现了电力用户与发电企业直接交易的市场注册、交易申报、交易管理、合同管理、结算管理、交易监视、系统维护、信息发布等基本功能。目前，广东电力市场直接交易的基本框架已初步形成，进行了多次年度双边协商交易和月度集中竞争交易，有效激发了发电企业和电力用户参与直接交易的积极性，电力市场改革的红利初步显现。广东电力市场直接交易基本情况如表1所示。

 

然而，随着大用户直购电的深入开展，中长期双边交易的市场化和现货交易非市场化之间的矛盾日益凸显。仅仅具有中长期市场，而没有日前现货市场的电力市场体系是不完善的。日前市场依托日前更加明确的市场信息，对发电资源进行优化配置，形成日前发电计划和日前市场电价。日前市场价格信号是整个交易体系的价格风向标，能够反映短期发电成本、电力资源稀缺性、市场供需形势、电网阻塞情况等关键市场信息。由于电力瞬时平衡的物理特点，现货市场价格信号能够提供比中长期市场价格信号更多的与电力系统物理约束相关的市场信息，因此，没有现货市场，电力市场体系是残缺不全的。建立日前市场是电力市场化改革的关键一步，能够进一步提升电力资源的优化配置水平。

 

发达国家大多已建立了较为成熟的、符合其国情的日前电力市场。国际上主流的电力市场模式以美国PJM市场和英国电力市场为代表。《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发[2015]9号)》(以下简称“中发9号文”)提出的集中式与分散式2种电力市场模式，即分别以美国PJM市场和英国电力市场为蓝本。

 

美国PJM的日前电能市场采用节点边际电价体系(locational marginal price ,LMP)，对次日电能开展全电量优化，日前市场的竞价空间为次日所有电量。日前市场开放报价后，发电机组应在报价截止时间前向独立系统运营商(independent system operator ,ISO)申报报价曲线、机组出力上下限、机组最小连续开停机时间、机组爬坡速率等竞价信息和物理约束。报价截止后，ISO根据机组报价信息、日前市场交易空间、系统备用需求等数据，以总购电成本最小化为目标，运行考虑系统安全约束的日前市场出清程序，计算出日前机组组合方案、调度计划和各节点的日前节点边际电价(day-ahead LMP)。PJM定义的节点边际电价由3部分组成，包括参考节点的边际电价、阻塞分量和网损分量，反映的是在该节点增加一单位电量的负荷供应所引起的系统总费用的增加。

 

英国现货市场主要采用部分电量竞争、边际集中出清的方式。英国大部分电能以双边物理交易的形式完成，由购售双方自行确定自己的发用电曲线，双边交易过程中不考虑系统安全约束;现货市场以日前剩余电量为交易空间，是一个发电企业与电力用户双向申报的双边集中交易市场，在交易过程中不考虑系统安全约束。现货市场采用标准合同制，主要包括半小时至几小时的块合同、基荷块合同、峰荷块合同等，为市场成员提供不同时段的个性化的发用电选择方案。

 

然而，当前广东省(深圳除外)还没有核算独立的输配电价;各机组由于建设时间、机组类型、还贷压力等的不同，成本有较大的差异。而电力用户实行目录电价，不同类型、不同地区的电力用户用电价格亦有较大差别。电力体制的改革不是一蹴而就的，我国电力体制的现状是广东省电力市场建设必须充分考虑的。本文参考国际成熟的日前市场模式，结合广东省实际情况，设计了全电量竞争的日前市场方案。

 

 

日前市场是电力交易、电力调度紧密耦合的市场，不仅要考虑发电成本、社会福利，还要考虑交易结果的可执行性。因此，日前市场建设需要遵循以下一些原则。

 

 

电力交易机构和电力调度机构必须做到有序衔接，明确各自的职责范围，实现在电力系统安全稳定运行前提下的社会福利最大化。根据中发9号文的精神和电力市场运行要求，交易中心主要负责市场主体注册及注销、组织实施电力市场交易、编制交易计划，并提供结算依据和服务。调度机构主要负责电网运行安全、系统实时平衡和日以内即时交易，执行交易计划，并按照市场规则向交易中心提供与交易相关的负荷、电源及电网数据与信息。

 

 

当前，广东省的年度双边协商交易和月度集中竞争交易，在交易出清时均未考虑安全校核，仅由调度机构开展事后的安全校核。由于日前市场在时序上更加接近实时运行，必然面临更多的物理约束，无约束交易结果很可能无法满足系统安全运行的要求。因此，日前市场的出清必须考虑系统安全约束，保证市场效率与可执行性的有机结合。遵循上述原则，本文设计了基于全电量竞争的广东日前电力市场模式。

 

 

 

全电量竞争的日前现货市场的交易标的为日前预测的总电量。在市场建设初期，主要以电量为标的进行竞争，中标结果以电量形式下发到发电企业;之后可过渡到基于峰、平、谷时段的交易;当日前电力市场建设成熟后，可以从以电量为标的过渡到以电力曲线为标的，以小时为单元进行多时段统一出清。电厂通过年度计划、双边协商与月度竞价已获得的所有电量都转化为差价合约处理，双边合同每日分解量由市场双方决定，并在日前市场交割日前3日上报给交易机构，作为结算的依据。

 

 

发电侧的交易主体不仅包括火电机组，还应逐步纳入核电、水电、气电等所有类型的发电企业，最终实现绝大多数发电企业参与日前现货市场。

 

 

在市场建设初期，日前现货市场可于电力交割日前2—3天开展，一方面为火电机组安排开停机预留足够时间，另一方面为了适应各项工作的开展预留充足时间;待市场建设逐步完善之后，可将交易组织的时间逐渐往交割日靠拢，直至在交割日前一天开展。

 

在市场建设初期，建议开市时间设在日前2—3天开始交易日的8:00，闭市时间设在开市交易日的16:00。待市场建设逐步完善后，参照国际经验，开市时间可以设在日前8:00，闭市时间可以设在日前12:00。

 

 

全电量竞争方案的交易组织流程如图1所示。

 

在日前市场开市前，调度机构应向交易机构提交机组的检修计划、交割日负荷预测曲线、交割日负荷预测电量、最小开机需求、主要输电断面的传输能力等运行信息;以及不同电厂的计划电量完成情况。交易中心向市场发布电力交割日的电量预测(交易标的)、机组的检修计划，主要输电断面的传输能力等市场信息。

 

日前市场开市后，按照规则规定的申报电价和申报电量的形式，电厂向交易中心申报其在交割日的发电量、价格，用户向交易中心申报其在交割日不同时段的用电量与价格。在规定的报价时间截止之前，电厂和用户可随意修改其报价。市场建设初期，建议由交易与调度机构共同核定不同机组类型的启停成本，形成统一、公开的标准，而不采用电厂申报的方式。

 

日前市场闭市后，交易机构根据市场成员的申报数据与电力系统的运行信息，对日前现货市场进行多时段统一出清计算。调度机构对有约束交易结果做进一步安全校核，完成后向交易中心提供安全校核的结果(包括需要调整的交易结果及调整原因等)。交易中心形成最终的有约束出清结果，向调度机构提供并向市场主体公布。

 

交割日结束后，由调度机构将交易执行结果提交给交易机构，作为结算依据。

 

 

在规定时间内，电厂向交易中心申报其在交割日的发电量和价格，用户向交易中心申报其在交割日的用电量和价格，报价可分为多段申报。市场主体申报价格不得高于最高限价，不得低于最低限价。若某日市场主体没有在规定时间内进行申报，则视为延续上一次申报的发(用)电量和价格。

 

在日前市场建设初期，由于没有完善的输配电价体系，报价采用价差申报的机制。电厂申报基于其机组上网电价的偏差价格，降价为负，提价为正;用户申报基于其目录电价的偏差价格，降价为负，提价为正。待日前市场机制完善后，不再采用价差申报机制，市场主体申报绝对电价。

 

 

日前市场实行节点边际电价出清机制，以反映各个节点、各个区域的边际发电成本。若在市场建设初期采用基于价差的申报机制，则市场出清价格为价差形式。

 

出清应以具有公信力的优化软件作为计算工具。出清计算的结果包括交割日的机组组合、电厂的中标电量和分时的市场边际出清价格。在日前市场建设初期，可公布峰段、平段、谷段3段的市场边际出清价格;逐步过渡到以分时的市场边际出清价格为结算依据。原则上，不安排燃煤火电机组日内启停。出清计算的目标为发电成本的最小化，在考虑所有电厂报价的基础上，还考虑了电厂的启停成本。启停成本只用于交易出清计算，不对机组进行实际补偿。出清计算中应考虑以下约束条件，包括功率平衡、系统备用、机组出力上下限、机组最小连续开停机时间、机组爬坡速率、主要输电断面传输极限等，从而确保出清结果的可执行性。

 

考虑到广东电网存在较为固定的、边界明确的输电阻塞，建议可将广东电网划分为粤东、粤西、珠三角与粤北等几大价区，出清时，分别计算各个价区的结算电价。若运行时价区内出现较严重的网络阻塞或潮流越限情况，则应将该价区继续分区。

 

分区电价的形成可以采用2种方法。一种方法为出清时计算价区内每个节点的节点电价，发电机组结算价格为其所在节点的节点电价，负荷的结算价格为按照价区内各个节点负荷权重得到的加权平均节点电价。另一种方法为出清时以该价区内调用的价格最高的机组的报价(该价区的边际电价)作为结算电价。第一种方法发电侧结算可以充分体现发电成本的空间分布，同时不会因为某一局部区域阻塞导致发电成本和负荷侧价格大幅上升;第二种方法适用于价区内阻塞较小的情况，发电侧和负荷侧价格信号统一，表示该价区的边际电价，但是若某一局部区域阻塞，可能会使得价格出现大幅上升，市场成员可能动用市场力谋利。因此，建议采取第一种方法。

 

 

电力调度机构应根据日前现货市场的出清结果，安排相应的机组组合及发电出力曲线。电力调度机构可在必要时(如出现较大范围的负荷波动、机组停运等)调整机组组合方案，原则上在发电容量不足时，可参照机组的申报序列，适当增加部分开机(电量价格按其报价结算，不改变日前现货市场的出清价格)。

 

原则上，当日前现货市场对于交割日电量的预测出现较大偏差时，调度机构在交割日执行时可采用2种方式进行调度，一种是按照申报价格/价差的序列优先调用便宜机组;一种是按照中标结果依比例调增/调减机组的发电量，保证调增/调减比例基本一致。

 

 

 

由于在日前现货市场开展之前，各电厂通过年度计划、双边协商与月度竞价，分别获得了一定的电量，由电力交易机构采用基于均衡进度的双边交易合约电量分解模型[8]，将中长期合约电量分解到月，其加总称为电厂的月合约电量。在日前现货市场开市之前，电力交易机构需要将各电厂的月合约电量按照一定的规则分解到每日，形成日合约电量。日合约电量原则上按照各日的负荷预测电量比例进行分配。

 

 

首先，对电厂此前所确定的年度计划、双边协商与月度竞价等交易结果按照各自的成交价格进行结算。对于电厂在日前现货市场上的中标电量与其日合约电量的差值，按照日前现货市场的出清价格进行偏差结算。当日前市场中标电量高于其日合约电量时，高出部分按照日前现货市场的出清价格支付给发电企业;当日前市场中标电量低于其日合约电量时，少的部分按照日前现货市场的出清价格由发电企业支付。

 

 

在市场建设初期，考虑到并没有组织实时现货市场，也没有产生实时的电价信号，可以直接将电厂在交割日的实际发电量与其日前市场中标电量的差值，视为偏差结算的标的电量，按照日前现货市场的出清价格进行偏差结算，即对于实际发电量高出日前市场的部分，按照日前市场价格获得收益，对于实际发电量低于日前市场的部分，按照日前市场价格扣除收益。现货市场建设成熟阶段，建立实时市场，在实时调度中依据市场成员的实时市场报价调用发电机组，采用日前市场与实时市场价格的差值对偏差电量进行结算。

 

 

为了测算本文提出的日前市场方案对广东电力市场的影响与适用性，本文选取绝对电价申报、日前全电量竞争、分时节点边际电价的日前市场成熟模式，对广东日前电力市场开展市场仿真。采用2016年10月29日广东电网的实际网架、并网机组和节点负荷等数据，机组报价根据广东省现行的机组上网电价做适当调整后获得。

 

图2为系统负荷曲线及湛江1F号机组和中新1F号机组的中标情况。

 

由于湛江1F号机组成本较低，其报价较低，虽然在1—8时段的低谷时段出力在最小出力上，但是在负荷高峰时段，其出力增加至255MW;而中新1F号机组成本较高，报价较高，虽然由于系统约束导致该机组必须开机才能满足负荷需求和系统安全约束，但是该机组全天一直维持在最小出力。

 

图3为阻塞期(12:00)各节点的节点电价分布。可以看出，在该时段，由于部分线路阻塞，大部分节点的节点电价均高于系统边际电价，很多节点的节点电价阻塞分量都大于0。可以看出，当电网出现阻塞时，节点电价的分布将发生较为复杂的变化，对不同地区的市场成员将造成较大的影响。

 

 

本文设计的日前全电量竞争市场方案中，日前计划的编制权由调度机构释放到市场，年度计划电量、年度双边协商交易和月度集中竞争交易全部转化为差价合约，不再物理执行，彻底变革了现有的调度模式和交易模式。全电量日前市场依托日前更加明确的各种信息，对第二日全部电量进行集中优化，能够同时保证日前市场效率与系统运行安全，资源优化配置的空间大。差价合约提前锁定了相当一部分电量的价格，能够起到平稳电价的作用。在没有实时市场的情况下，日前市场交易结果与执行结果之间的偏差量按照日前市场价格结算，也就是执行偏差不追究，对市场主体是不公平的，因此必须建立相应的约束机制，约束调度机构执行过程中的偏差量。

 

该方案采用边际出清的价格机制，市场成员的结算价格与其报价没有直接关系。因此，成本越低的机组获得的利润越高，激励机组降低成本。在市场竞争充分，市场力不强的前提下，机组会趋向于申报其真实成本，用户趋向于申报其真实的支付意愿，能够减少市场主体的策略性报价行为，使电力市场价格趋于稳定。但是，在电网阻塞较严重、市场力较强的情况下，拥有市场力的机组可以通过容量持留、机组抬价等方式，抬高边际出清价格。通过市场仿真发现，广东电网存在较为普遍的阻塞情况，在阻塞区内的机组拥有较强的市场力，可能导致市场力的滥用，引起电价的扭曲，因此，广东日前电力市场需未雨绸缪地设计相应的市场力检测和防范措施，抑制扰乱市场秩序的行为。

 

 

建设日前市场对完善广东省电力市场体系、提升资源优化配置水平起着至关重要的作用。基于日前市场的独特属性，本文为广东日前市场建设提出了交易和调度有序衔接、日前市场安全校核的设计原则。在此基础上，设计了全电量竞争的日前市场方案，从交易标的、市场主体、交易时序、交易组织流程、报价机制、交易出清机制、交易执行、交易结算等方面开展了制度设计。基于广东电网的实际数据，开展了日前电力市场仿真，并对仿真结果进行了分析和讨论。

 

希望本文的研究能够为广东建设日前市场提供参考。

 

本文作者广东电网有限责任公司王 一、谭跃凯、胡建军、姚星安、黄远明、卢 恩，以及清华大学马子明，文章首发于《电力需求侧管理》杂志2018年第一期。