电力市场“出清”难在哪里？

想象一下，

在2⁷⁸⁰⁰⁰⁰种方案中，

选择唯一一个最优解，

有多难？

近期，南方区域电力市场通过了4轮次调电试运行和8轮次结算试运行，转入连续结算试运行阶段。它以区域为主体，交易范围覆盖广东、广西、云南、贵州、海南等地，市场注册主体数量已超过22万个，涵盖煤电、核电、新能源、水电、气电等全部类型发电电源和电力用户、售电公司等用户主体。转为连续结算后，预计日均交易规模将达到38亿度。

（来源：微信公众号“国资小新”）

在如此庞大、复杂的市场中，解决一些看似简单的问题，实现市场“出清”，满足市场所有供需，都变得复杂起来。

电力市场“出清”难在哪里？

这是一道需要从宇宙诞生开始算的计算题

要想了解运行庞大电力市场的难度，我们先来引入一个市场概念——出清。

“出清”是一个经济学术语，通常指的是市场中供求关系达到平衡时，所有供应和需求都得到满足的状态。按照交易规则，一般按照报价从低到高进行排序，形成卖方序列；再按照从高到低的申购价进行排序，形成买方序列。然后，从最低卖方价格和最高买方价格开始依次匹配，并规定买卖双方价格相减大于零时匹配有效，直到买卖双方出现最后一个有效配对为止，此时，实现“出清”。

这看起来似乎可以理解成简单的“连连看”，但在电力市场中却不止如此。

电能是一种不可储存的商品，在买卖过程中，首先要考虑供需平衡问题，否则就会造成电能的浪费或用户需求得不到完全满足。其次，要考虑发电方面，所有发电机组的功率曲线要随着供需变化实时计算调整。此外，还要考虑输电方面，省间交易、多端直流等带来的运输路径选择。最后，还要考虑全社会购电成本最小化、清洁能源消纳最大化等目标。这是一个极为复杂的决策过程，也是支撑我国电力市场的核心技术。

看不懂一点？没关系。

这一过程可以用足球比赛排兵布阵简单类比。

想象一下：

教练赛前需要决定派哪些球员上场（市场出清）。

他不仅要考虑谁进球能力强（发电成本低），

还得确保队伍有前锋（响应速度快）、

后卫（稳定保障）、

替补（发电备用），

考虑每个球员的体力限制能踢多久（机组启停时间/技术约束），

还要考虑足球比赛的各种规则限制（安全约束），

选好这个最优阵容名单，

就是为了比赛（未来一天/几小时）

以最经济有效的方式得分（满足用电需求）。

这份名单，

就是市场“出清”的结果。

当然这只是理论逻辑，现实中，电力市场的出清过程则更加复杂。

南方区域电力市场是目前世界上集中统一出清规模最大的高阶先进电力市场，涉及2400多台火电、水电、核电、抽蓄、新能源、储能等机组的开停时间、功率设定，超120万个出清变量，超200万条约束条件。

在这120万个出清变量中，

有78万个整数变量。

它们来自2400个机组、10条直流线路、

200台水电机组振动区（每个水电平均2-3个振动区）、

100多条条件断面

（每个条件断面平均3-4个条件区间）等复杂设备

在98个时段的开停变量。

这种整数变量

是一种判断型变量，

就像一个开关按钮，

只有“开、关”

两种结果。

根据我们在初高中学习的排列组合法

一次出清，

按完所有的按钮，

有2⁷⁸⁰⁰⁰⁰种组合方式

……

所以，南方总调需要在保障电网安全稳定运行的前提下，每隔15分钟计算购电成本最低情况下的发电机功率、开停时间、成交电价等，从2⁷⁸⁰⁰⁰⁰种方案中选择唯一一个最优方案。2⁷⁸⁰⁰⁰⁰，这是一个光是位数就超过21万的恐怖数字，就算是世界上最先进的超级计算机采用穷举法，也需要分析10²¹⁰⁶⁸²年。这远远超过了宇宙的年龄，从宇宙诞生开始算，都算不完。

这样的超大规模复杂问题被称为“NP完全问题”，与庞加莱猜想同为世界七大数学难题之一。也就是说，电力市场出清交易绝不是简单的你买我卖，而是一道从无数条可能路径中寻找到最优解的复杂数学优化问题。

最强大脑诞生

全自主可控电力求解器“天权”30分钟解题

要想实现电力市场出清交易，只能使用求解器。

这是一种用于优化计算的数学基础软件，就像一个超级聪明的“数学大脑”，能将实际问题抽象化、模型化，并快速找到复杂问题的最优解，被誉为“工业软件之芯”，长期被欧美垄断，属于“卡脖子”核心技术。

长期以来，我国电力市场出清引擎普遍采用的都是进口求解器。一方面，代码漏洞可能威胁我国电力安全供应。另一方面，国产通用求解器性能比进口差10倍以上，一旦断供将直接影响到全国各级电力市场稳定运营。此外，即便是国外最先进的求解器Gurobi也难以满足南方区域电力市场超大规模出清要求。

在此情况下，南方电网自主研发了国内首套全自主可控电力求解器——“天权”。

“天权”求解器logo（南方总调供图）

2018年初，南方电网公司居安思危，针对求解器“卡脖子”问题提前布局，成立平均年龄32岁的攻关团队，牵头带领杉数科技、清能互联、南瑞继保、清华大学、华中科技大学等行业龙头产学研单位创新突围，向研制出全国产自主可控的电力求解器发起冲击。研发团队获得南方电网公司首个“揭榜制”项目支撑，经历5年超1800个日夜的烧脑奋战，啃下“硬骨头”，“天权”求解器于2022年底诞生并投入试运行。

相较于计算一次平均要2111秒的世界最顶级的求解器Gurobi，“天权”平均计算时间仅为1827秒，计算性能平均超越Gurobi14%，最大超越38%。

“天权”求解器软件界面图（南方总调供图）

5小时→30分钟

“天权”如何“拿捏”百万变量？

其实，“天权”在诞生之初，单次计算超过5小时。但经过持续迭代升级，性能累计提升了11倍，目前稳定在30分钟以内。

这是如何做到的？

南方总调自动化处高级经理周华锋介绍，“天权”研发首创了“行业求解器为核心、模型紧凑为路径、算法解耦为手段”的系统化方法，基于电力领域知识突破求解器核心数学算法，提出与求解器深度适配的模型结构优化、规模降维方法，最大限度发挥出求解器性能，除计算效率平均超越国外顶尖求解器Gurobi14%外，计算误差也超越Gurobi23%，计算稳定性超越Gurobi21%。

“天权”、Gurobi三轮计算时间对比（南方总调供图）

如果用汽车来类比求解器，“天权”的创新之处就在于为汽车配上了自主研发的、更强劲的发动机，同时通过结构优化、规模降维定制了与发动机适配的流线外形和传动系统，让汽车跑得更快。

百万变量规模，轻松“拿捏”。

专治疑“难”

“天权”求解前景无限，不止于电力市场出清

投运以来，从与国外求解器双轨运行，到2024年正式转为主用求解器独立运行，历经从跟跑到并跑，再到全面领先的过程，“天权”圆满完成支撑南方区域电力市场历次调电及结算试运行的改革重任，支撑交易时间由2天扩大到整月，品种由日前扩展到日前+实时，类型由传统能源扩充到新能源，完整覆盖枯期到汛期、冬季检修高峰、夏季供应紧张等运行场景。

目前，“天权”已服务南方区域电力市场历次结算试运行，完整覆盖枯期、汛期、冬季检修高峰、夏季供应紧张等场景，日均降低总发电成本7000万元，减排二氧化碳1.86万吨，并作为超1642亿度电量、630亿电费的结算依据，支撑了南方区域电力市场首次调电、首次分省结算、首次全域结算、首次整月结算等我国电力市场改革重大里程碑，助力南方区域电力市场成为国内首个且唯一采用全自主可控软件运营的电力市场。

“天权”计算过程（南方总调供图）

截至目前，“天权”求解器共获专利等知识产权50余项，相关成果入选国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备、国资委中央企业深化信创应用替代典型案例，经多位院士领衔的电力、数学等多学科专家鉴定，整体达国际领先水平，获南方电网公司科技进步奖一等奖。

当然，应用于电力市场出清并不是“天权”的终点，为国家关键基础行业提供优化决策的核心计算引擎，才是星辰大海。

“天权”求解器已在深圳虚拟电厂、武汉新能源研究院、西门子综合园区，新加坡综合能源公司、香港大学等10余家国内外产学研单位广泛推广，并通过成果转化销售到其他行业，促进相关企业生产效率提升2—10倍，年均创造经济效益260亿元。