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何光宇,肖居承,范帅,等./适应新型电力系统的电力互替品市场——（三）体系设计.
讨论人物介绍
老李
电力市场专家
小张
公司营销尖兵
小何（我）
研究生毕业四年
调度中心调度员
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分时交易理论是在上世纪八十年代新能源占比极低的背景下提出的，随着新能源占比提升，该理论所依赖的“同质性假设”已难以成立，导致极端电价与负电价频发、市场价格剧烈波动。为此，摒弃传统分时交易理论，提出“整体交易”理念与构想。
电力互替品是指与市场规定标准形态相符的功率曲线，包含互替电量和调节电量两个部分，分别表征电能的生产使用价值和平衡价值。可通过自主优化或互补聚合来形成，其形成过程就是市场主体贡献调节能力并促进系统整体调节能力提升的过程。
（1）电力互替品市场的长期目标之一是降低新能源的系统消纳成本。如果这一目标实现，大规模高比例新能源将同时具备低发电成本和低消纳成本的优势。这或许能为全球能源转型面临的"供应安全、清洁低碳、价格可及"三大挑战提供解决思路，为破解"能源不可能三角"带来启示。
（2）提出了"电能双重价值理论"，即电能同时具有生产使用价值和电力电量平衡价值。这一理论为电力互替品市场体系设计提供了理论基础，也解释了为什么整体交易可以用"两个价格"（互替电量价格和调节电量价格）来实现。
（3）构建了以主能量市场（互替电量市场与调节电量市场）和辅助服务市场为主的完整体系。其中，电能量市场处理"确定性"的平衡问题，辅助服务市场专注于"不确定性"的平衡问题。
老李
大家好！今天我们来探讨电力互替品市场的体系设计。本着“以终为始”的原则，我们先聊聊目前市场体系设计的最终目标应当是什么？
我提前做了点功课，原文明确指出：电力互替品市场体系的建设，正是为了适应低发电边际成本、高系统消纳成本的新能源，其短期目标是提升调节能力，其长期建设目标是让系统具有低调节边际成本。
我
小张
等等，这个不新鲜啊。国家能源局的《新型电力系统发展蓝皮书》不也是这么说的吗？蓝皮书中提到，"适应新能源低边际成本、高系统成本、大规模高比例发展的市场设计亟待创新"。
小张
老李
没错，小张。电力互替品市场体系的研究正是响应国家能源局的号召。在此基础上,作者还指出，新能源不仅要有低发电边际成本,还要追求低系统消纳成本。
这听起来有点反直觉啊
我
不过仔细一想也对！新能源消纳，凭什么必须是高系统成本，不能是低系统成本呢?！
我
老李
说到低成本，这让我想起杰里米·里夫金的《零边际成本社会》。书中描绘了新能源在未来几乎具有零边际发电成本的愿景，而这正在成为现实。
老李
老李
不过，里夫金似乎没有注意到,仅仅具有零边际发电成本是不够的，还需要具有零边际系统消纳成本
说得好！那么，我们是不是可以说,追求零边际系统消纳成本，才能让零边际成本社会真正成为可能？
我
老李
，想象一下，在这样一个社会里，清洁能源取之不尽、用之不竭，而且价格低廉。这将彻底改变我们的生产生活方式。
小张
等等，“清洁能源取之不尽、用之不竭，而且价格低廉”，你这描述的不就是全球能源转型的三个终极目标吗？所谓“供应安全、清洁低碳、价格可及”。
小张
只是人们原本认为，在现有技术经济条件下，这三个目标不可能同时达到，所以又将这三点称之为“能源不可能三角”。
那岂不是意味着，当电力互替品市场愿景实现时，能源不可能三角就被破解了?！这么美好的一个愿景，到底该怎么实现呢？
我
老李
要建好市场体系，咱们得先弄明白电是啥、值多少钱。研究生，你对此有什么高见呢？
老李又取笑我。说到这个，我还真有个问题挺困惑的。现在的分时交易机制有96个电价，而咱们说的整体交易机制只有替量电价、调量电价两个价格。
我
(a) (b)
不同交易方式下电力商品的形式
（a）分时交易；（b）整体交易
我
可是我们平常不是常说负荷有高峰、低谷、腰荷时段吗？用“两个价格”替代96个电价，这合理吗？
我
老李
这个问题问得好！让我们换个角度来思考这个问题。
小张
我也很好奇，老李您怎么看？
老李
我来设计一个简单的思想实验，帮大家理解这个问题。想象一下，我们有一个拥有n个节点的电网。为了简化问题，我们先只看一个时段。
老李
如果没有阻塞发生，你们觉得所有节点应该是同一个价格，还是多个价格？
按常识来说，应该是一个价格吧？虽然不同节点的供需关系可能不一样。
我
老李
没错！为什么会这样呢？为什么n个节点的供需关系可以仅用一个价格表征？
小张
小张
我明白了！因为我们可以通过电力网络对各节点的供需进行空间转移和调节，对吧？
老李
现在，让我们把这个思路从空间层面（多节点）类比、沿用至时间层面（多时段）的电能平衡问题上。
哦！我好像有点明白了。您是说，虽然不同时段供需关系不一样，但我们可以通过某种方式在时间层面调节电能的供需关系？
我
老李
，这就像我们在空间上可以通过电力网络调节一样，在时间上我们可以通过等效储能来调节供需关系。所谓等效储能，就是通过调整发用电计划，实现类似储能的调节效果。
小张
这么说来，我们真正需要体现的是等效储能的调节贡献和价值，而不是把这个贡献混在96个时段的电能价格里？
老李
说得太对了！这就是为什么我们只需要"两个价格"：一个反映电能的生产使用价值，另一个反映其调节价值。
老李
具体来说，一个是给零售商的电能价格，96个时段都是同一个价；另一个是给发电商的等效储能价格，同样是96个时段一个价。
老李
也就是说，对于零售商和发电商而言，实际都是全天一个价。
，这种价格机制确实更加清晰。不过用户还有动力节约用电吗？
我
小张
放心！参与调节的用户照样能赚钱。这种方式反而能更好地鼓励大家配合电网调度。
老李
这“两个价格”，正是电能双重价值的体现。电能既是普通商品，具有生产使用价值，又是特殊商品，具有平衡价值。“两个价格”分别对应了这两种价值。
老李
不过啊，要把电力互替品市场真正建设好，咱们还得先把新型电力系统面临的难题摸透了。
我有点好奇啊，新型电力系统的主要难点是什么？
我
小张
我知道！我刚听了院士报告。他指出新型电力系统面临两大主要挑战。
老李
小张，能具体说说吗？
小张
第一个是电力电量平衡问题。院士说，高比例新能源并网后，现有的调节机制和调峰能力已经跟不上了。
小张
第二个是系统安全稳定运行问题。新能源的惯量小，导致系统频率支撑能力大幅下降。同时，它的动态无功支撑能力比常规电源弱，还降低了系统的电压稳定水平。
，听起来挺棘手的。那么，电力互替品市场体系，能够试着回答下这些问题吗？尤其是，新体系如何解决第一个电力电量平衡问题？我在调度中心工作，对这方面特别感兴趣。
我
老李
好的，我们就从这个问题说起。电力互替品市场体系设计如图所示。相比于传统体系，新体系下的电能量市场和辅助服务市场的价值内涵与功能定位均发生了深刻变化。
老李
电力互替品市场体系设计概览
我似乎看出来了一些区别，新体系下的电能量市场是由互替电量市场和调节电量市场两部分组成，这与传统电能分时交易市场设计明显不同。
我
这一设计，是不是与前面我们谈到的电能双重价值有关系？
我
老李
，很敏锐！互替电量市场和调节电量市场设计，正是对应了电能的双重价值。
小张
那辅助服务市场呢？它在电力互替品市场体系中扮演什么角色？
老李
新体系设计中，电能量市场旨在解决“确定性”的平衡问题（variability）；而辅助服务市场专注于解决“不确定性”的平衡问题（uncertainty），进而体现各类型备用的平衡价值。
老李
这恰恰也是大家经常谈到的“灵活性”内涵的两个方面。这对于应对新能源带来的挑战尤为重要。
第一个问题我理解了。但新体系和第二个问题似乎没有直接关系啊？新能源的频率支撑能力下降和电压稳定问题，这个市场机制如何解决呢？我有点迷糊了。
我
小张
你说的没错，老李介绍的辅助服务市场仅仅为解决这些技术问题提供了一个框架和激励机制，具体的解决方案还需要一系列新技术支持。
这些技术问题的具体解决方案是什么呢？我们在调度中心经常遇到这些问题，真希望能有更好的解决办法。
我
小张
例如，我最近了解到一种叫DTCR的技术，全名是事故备用分散转移技术。这种技术可能有助于解决频率支撑能力大幅下降的问题。它的技术原理是将原本集中在发电侧和电网侧的事故备用，向用电侧转移。
老李
DTCR这一新技术本质上是一个备用交易问题，能够很好地融入我们的市场机制。但更关键的是，我们需要先建立一个合理的市场机制，为类似新技术的应用提供激励和空间。
，我明白了！市场机制提供激励，新技术提供手段，两者相辅相成，才能真正应对新型电力系统面临的挑战。
我
老李，您能总结下电力互替品市场体系的主要特点吗？
我
老李
好的。简单来说，它围绕系统连续平衡而设计，让电力买卖更公平、竞争更充分、规则更简单。你看这张图就明白了。
老李
电力互替品市场体系的特点与优势
小张
您再详细解释一下？
老李
好的。让我们从电能商品的双重属性、市场主体的角色，以及市场机制的设计三个维度来分析。
先说下商品吧。
我
老李
简单来说，电能作为商品的双重属性,在电力互替品市场中得到了充分的体现。
老李
首先，整个市场都围绕"平衡"而设计，其中电能量市场处理已知的平衡需求，辅助服务市场用于应对突发情况，还原电能特殊商品属性。
老李
其次，通过电力互替品的设计，让不同发电商提供的电能商品同质互替，还原电能普通商品属性。
小张
，看起来很清晰。那市场主体在电力互替品市场中能发挥主观能动性吗？
老李
这是电力互替品市场强项。电力互替品市场将系统调节责任下放给了市场主体，类似于“包产到户”，期望能更好地发挥市场主体的主观能动性。
那市场机制又是怎么保证高效运转的呢？
我
老李
主要是坚持"少而精"原则。即商品种类要少，规则要简单透明。这样更容易做到统一开放，新主体容易加入，市场运行效率也更高。
小张
听起来不光能解决现在的问题，还能适应未来发展！
老李
是啊，这里的"保持平衡"正如大自然的生态法则，"互替"则如市场的看不见的手，"自主决策"更像是人类社会的组织方式。
老李
希望通过遵循这些基本规律，能为建设清洁能源取之不竭、价格低廉合理的能源社会贡献一份力量。让我们共同努力，朝着零边际系统消纳成本社会的愿景迈进！
1.针对电力市场，提出了"理想交易"概念，即交易模式应既能实现基于“暗知识”的分散决策（市场主体自主决策），又能达到与完全信息下集中决策相当的经济效率。
2.首次设计了基于分散决策的电力市场交易模式。现行电力市场虽然形式上保留了市场主体的报价决策权，但由于在出清时集中考虑所有主体的个体约束，本质上仍是一种集中决策机制。
3.通过严格的数学证明表明，所设计的交易模式能够达到与完全信息下集中决策相当的经济效率，为电力互替品市场交易模式具体设计奠定了理论基础。
2024年《电力系统自动化》期刊上陆续发表上海交通大学何光宇教授团队关于“适应新型电力系统的电力互替品市场”的系列论文。为促进新思想的交流讨论，“电力系统自动化”微信公众号同步推出“互替：电力市场新范式”系列微文。本期为第三篇，主要介绍建设电力互替品市场的体系设计。下期将介绍电力互替品市场的交易模式与经济性分析，敬请期待！
欢迎大家在评论区留言讨论，共同推动新型电力市场机制的研究。
/ 引文信息
HE Guangyu, XIAO Jucheng, FAN Shuai, et al. Substitute Power Product Market Suitable for New Power System—Part Three System Design[J/OL]. Automation of Electric Power Systems[2024-11-14]. http://doi. org/10.7500/AEPS20240415001.
何光宇
博士，教授，上海交通大学博士生导师，主要研究方向：智能用电与节能、智慧园区与虚拟电厂、需求响应与新型电力市场、源荷双侧调度。E-mail: gyhe@sjtu.edu.cn
肖居承
上海交通大学博士研究生，主要研究方向：需求响应与新型电力市场。E-mail: xiaojc_office@163.com
范 帅
严正
李祖毅
上海交通大学何光宇教授课题组主要研究兴趣集中于智能用电网络领域，致力于“让用电更满意、更灵活、更低碳”，具体研究包括新终端（节能与智能用电）、新平台（智慧园区与虚拟电厂）、新机制（准线需求响应与新型电力市场）与新调度（供需双侧调度）等方面。原创性地提出了电力互替品市场、准线型需求响应、事故备用分散转移等理论与方法，为新型电力系统建设发展所面临的平衡调节问题提供了解决思路。近年来，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个国家级科研项目，获上海市科技进步奖、北京市科技进步奖、内蒙古自治区科技进步奖、中国电力科技进步奖等省部级科技进步奖十余项，获中美日澳等国发明专利七十多项，发表SCI、Ei收录论文两百余篇。
