電力市場設計的討論

2018-01-24 14:51:13 走進電力市場作　點擊量：評論 (0)

作者：荊朝霞,華南理工大學,教授/博士生導師;何利平，廣東電網管理科學研究院，高級工程師;喻蕓,華南理工大學,碩士研究生。電力行業中進行...

作者：

荊朝霞,華南理工大學,教授/博士生導師;

何利平，廣東電網管理科學研究院，高級工程師;

喻蕓,華南理工大學,碩士研究生。

電力行業中進行市場化的改革是為了提高電力系統資源配置的效率，提高社會的整體福利。但是，效率提高和福利增加的前提是，市場進行良好的設計。不好的、不合適的設計，不僅不能帶來收益，反而可能帶來損害，甚至是很大的損害。這里對電力市場設計的一些問題進行簡單的討論。

一、電力市場改革的目標

1、多目標問題概述

電力市場的目標簡單的說包括效率和公平兩大方面。效率方面，反映社會的總福利，而公平方面，反映社會福利的分配，這兩個方面的目標可以用“美好生活、平衡充分”來表達。

效率反映電力生產、消費過程中引起的總成本、效益的情況。從時間維度上，又可以分為長期效率和短期效率。短期效率考慮投資一定情況下的運行的最優化，長期效率考慮投資、規劃的優化。

很多地方會提到“環保”、“安全”的目標。廣義上，這兩個目標都可以認為是“效率”目標的一個部分。環保目標之所以單獨提出，是由于相關環境問題的外部性，沒有有效的市場對環保問題進行定價。安全問題本質上也可以通過安全問題造成的成本轉化為經濟問題，但由于電力系統的安全問題的影響、成本很難定量評估，安全也經常作為單獨的一個目標。

2、效率的多目標的解決方法

多目標問題的根本原因是一些目標無法定量評估，或者不同目標之間的量綱不同。借鑒數學優化領域解決多目標問題的方法，電力市場中對效率的多個方面的目標(短期效率、產期效率、環保、安全等)可以通過固定約束、彈性約束、加權三種方式解決。

假設某個決策中考慮發電成本和安全兩個目標，其中安全用失負荷概率來表示。這個多目標問題可以用上圖來表示。藍色的曲線是以發電成本最小和失負荷概率最小兩個目標作為優化得到的帕累托前沿，曲線上的每個點都代表帕累托最優點：在這些點上，無法同時改善兩個指標。或者說，在其中一個指標確定的情況下，另外一個指標是最優的值。

實際中，應該選擇曲線上的哪個點作為決策的點?如何實現?圖中看到三種不同方法得到了不同的結果。

1)加權方法。之所以將安全作為一個單獨的目標，是由于其無法準確評估。但如果能用某種方法估計安全成本，就可以將其轉化為與發電成本相同量綱的指標。比如，失負荷量作為可靠性的指標，給出單位失負荷量給社會造成的損失值，就可以將安全目標轉化為與發電成本相同的量綱，從而可以直接相加。這相當于給出了可靠性指標的權重，得到如圖中的紅色虛線所示的一條直線，其與帕累托前沿相交，就得到了最優運行點A點。

2)固定約束。可以將不好量化的指標作為固定約束處理。如上圖所示的綠色虛線所示，其與帕累托前沿相交，就得到了另外一個最優運行點B點。這個點的含義，是在可靠性指標不高于1.8的情況下的最優點為B點。

3)彈性約束。考慮到可靠性的成本，在不同的發電成本下，可以有不同的可靠性：發電成本非常高的時候，可以適當的降低可靠性約束，在發電成本非常低的時候，可以適當提高可靠性約束。如圖中的灰色虛線所示，其與帕累托前沿相交，就得到了最優運行點C點。

3、公平(福利分配)目標的實現

公平目標是電力市場設計中必須要考慮的一個方面，包括福利在不同地區的分配、在不同類型市場主體之間的分配、在同類市場主體的不同的個體之間的分配等。可以通過以下方式實現公平的目標。

1)資源的初始分配，或者說產權的分配。這是比較好的實現公平目標的一種方式。根據科斯理論，只要產權是確定的，交易成本又很小，市場總是可以通過自由的交易實現資源的最優配置。我國目前電力市場中的優先發電權、優先用電權、基數發電合同等機制，就可以認為是一種通過產權分配實現公平目標的一種方式。

2)補貼或懲罰機制。可以通過設置一些補貼或懲罰機制來實現一些福利分配上的目標。比如，通過對可再生能源企業的補貼來實現支持其發展的目標。在使用這種方式的時候，要特別注意補貼的方式。補貼的存在常常會影響市場整體的效率，不同的補貼方式對市場效率的影響不一樣。比如，對可再生能源，是在其建設時補貼投資成本，還是發電時按發電量補貼;如果按發電量補貼，是固定總價還是固定市場價格基礎上的補貼價等，都需要進行系統的研究。

3)交易體系或交易機制的設置。在市場設計中，經常會出現一些為實現某種福利分配方面的目標而設置的規則。比如，設置交易的優先順序、設置市場出清的規則、結算規則等。實際中，這些規則在短期、市場未達到均衡的時候對市場的結果、福利的分配會有一定影響，但在長期影響很小，或者完全沒有影響。舉個簡單的例子：撮合出清中，按電廠報價結算和按用戶(售電公司)報價結算兩種方式。直觀看起來，按電廠報價結算方式下對用戶有利，反之按用戶報價結算方式下對電廠有利。實際上，在市場主體對市場規則及市場供需狀況都非常熟悉的情況下，兩種方式下的最終結果是一樣的(按電廠報價結算方式下電廠會提高報價，而按用戶報價結算方式下用戶會降低報價)。在《月度電量集中競價市場規則的仿真實驗分析》(電力系統自動化，2017，41(24))中，我們對按交點出清和按平均價出清兩種出清模式進行了仿真分析，得到了類似的結論。

二、市場結構和市場體系

影響市場效率的，主要有兩個方面，市場結構和市場體系。其中，市場結構主要是指與市場的一些技術特性和產權特性相關的因素，如市場主體的集中度情況、市場主體的成本特性情況等。市場體系是指市場中有哪些產品、服務，之間的關系如何，每個產品和服務用何種方式交易，具體的交易規則等。

1、市場結構

市場結構對市場力和投資有決定性的影響。也就是說，影響一個市場投資水平、價格水平的最主要的因素，是市場的結構，而不是具體的市場體系和市場規則。市場規則主要影響交易的效率、交易的成本。

市場結構的核心是供需特性。相對一般的產品，電力的供需特性非常復雜。一方面，在供給側，電力無法儲存因此實時運行特性非常重要。另一方面，用戶側的需求彈性小，在實時運行時很多用戶沒有響應價格的能力。因此，電力市場運行中，需要由一個機構來確定需求水平和可靠性政策(可靠性水平、可靠性價格機制等)，而這個可靠性政策是影響市場價格波動、市場高峰的一個重要因素。

用戶的用電是實時進行的，不需要事先簽定合同就可以用電。在實時運行中，當供不應求，電價很高時，需要由系統運行機構進行決策：是購買高價的電來滿足負荷需求，還是裁減部分負荷?影響這個決策的相關規定，包括備用的水平、最高可接受的價格對市場有很大的影響。

系統運行機構為滿足電網的可靠性水平而支付的最高電價控制所有市場的高電價。為什么這樣說呢?用戶是否簽定中長期的合同、以什么價格簽定合同取決于系統運行機構負責的實時市場的價格。用戶買電力可以在中長期和實時市場之間進行選擇，一般會選擇價格便宜的(考慮風險的成本)。因此，所有中長期交易的價格會降到實時市場的價格。因此，實時市場運行機構支付的最高價格設置所有市場價格的上限。

2、市場體系

目前討論比較多的市場設計的問題，大多是市場體系的問題。包括子市場的構成、市場交易的方式、市場具體規則等。

1)子市場構成

一個完整的電力市場由多個子市場組成。子市場沒有嚴格的定義，可以按不同的方法劃分。

(1)按交易對象類型劃分。首先可以分為能量市場、輸電市場、輔助服務、容量市場等。輔助服務又可以按不同的方法分成多種類型，比如調頻、無功、黑啟動、備用等。

(2)按交易對象的時間粒度。市場設計中需要確定所交易的對象的最小時間粒度，比如按5分鐘，15分鐘，30分鐘，1小時等。

(3)按交易時間。包括遠期市場和現貨市場。現貨是實時(或接近實時)進行的以物理交割為目的的市場;遠期市場是在交割前比較早的時間約定對未來某一時間的電力進行交易的市場，包括自由簽定的雙邊合同，以及在交易所進行的便準化的期貨、期權交易。

2)市場的交易方式

市場的交易方式包括雙邊交易和集中交易兩大類，每類又有一些具體的子類。實際中，有些地方可能還有一些重疊。典型的市場交易類型包括以下類型。

自由雙邊協商：交易雙邊自由協商交易確定交易的數量和價格等條款。好處是合同條款靈活，壞處是交易成本高。

交易商(Dearler)：Dearler自己參與買賣，從供給方買產品，賣給需求方，賺取差價。

代理商(Broker)：買賣雙方通過Broker進行交易，Broker收取代理費。

掛牌交易(Bulletin Board)：可以認為是代理商交易的一種，通過在一個場所或計算機網絡掛牌、摘牌、撮合等方式促成交易。

交易所交易(Exchange)：交易所交易強調交易所是所有交易的中央對手方，進行結算風險的管理。

聯營體交易(POOL)：聯營體是電力市場專有的一個詞匯，可以認為是一種特殊類型的交易所，POOL中可能有更加復雜的報價、復雜的功能。

3)市場規則

市場具體規則有很多方面，主要包括：報價的時間、報價的形式、出清的方式、結算的方式、市場力控制機制等。

報價截止時間：即什么時候截止報價。電力現貨市場中一天有24、48或96等個時段，可以在交易時段前比較短的時間截止報價，也可以在較長時間以前截止報價。在市場設計初期，為了市場的穩定，報價截止時間可以提前。比如，對實時市場的報價可以要求日前申報后就不能再修改。截止時間越晚，越能及時反映市場成員、供需的變化，但市場成員行使市場力的機會也增大。

報價有效周期：即一組報價可以對多少個時段有效?如果15分鐘一個時段，對一天的96個時段，可以要求發電廠用同一組報價，也可以允許發電廠對不同的時段申報不同的價格。一個時段一個價格最靈活，同樣也會導致市場成員比較容易行使市場力。

報價形式：發電報價是一部制電量電價，還是包括啟停費用、空載費用等?這主要是區別自啟停和非自啟停機組。對自啟停機組，系統運行機構不對其啟停成本等進行補償。對非自啟停機組，如果收入不夠補償所有成本，需要給市場成員額外補償。

如何出清：如何確定市場成員的成交量。

如何結算：如何確定各市場成員的結算價格。這是不同市場差別的重要的一個方面，包括發電側的結算和用戶側的結算。結算的方法包括按報價結算、按節點價結算、按區域價格結算、按系統統一價結算等。

市場力控制：市場力控制方式是市場設計的很重要的一個方面。包括最高限價的設定或用戶需求曲線的確定、市場力監測程序等。

三、對我國電力市場建設的一些建議

1、擱淺成本

對市場化前建設的電廠，市場化后電價的波動可能造成一些電廠無法回收全部的投資成本，這部分成本就是擱淺成本。各國在電力市場改革時都有擱淺成本的問題。電廠如果是市場化前在管制的政策下建設的，應建立機制保證其能夠回收全部的投資成本。

我國目前發電企業的基數電量合同在一定程度上起到了解決擱淺成本的問題。實際上，在國外，簽定差價合同也是解決這一問題的重要的一種方式。現貨市場下，可以將基數電量轉變為金融的差價合同，并將電量分解到時段。由于這個合同主要是為了解決擱淺成本的問題，轉變為了金融合同，其分解主要考慮不同電廠之間的公平問題，不需要過多考慮運行可行性。

基數電量合同的價格與市場價格的差異可能造成電網額外的成本或收益，這個成本或收益是由于電網代表政府執行合同引起的，因此無論正還是負，都應該制定規則分攤給市場成員。

2、保底供電(指保底售電服務)

市場化后，沒有允許參加市場的用戶、允許參加市場但還沒有改變供電商的用戶、以及參加市場后又退出的用戶，都需要由保底供電商進行供電(這里的供是指售電，不是配電服務)。

如果政府對保底供電的價格進行了規定，且其價格與市場價格不同，會造成保底供電商的額外的成本的收益。這部分費用同樣需要制定規則分攤給市場成員。

3、輔助服務

對于輔助服務，目前用戶的電價中沒有這部分費用，輔助服務費用目前主要是在發電企業之間分攤。實際上，所有的費用最終都會轉移到用戶的終端電費中(市場環境下，如果輔助服務費用分給電廠，電廠成本增加，降價空間減小，相當于用戶電價漲價)。目前用戶的電價中沒有輔助服務這一項目，影響了一些輔助服務市場的設計和效果。

應盡快建立輔助服務的合理的分攤方案。

4、計劃發電和計劃用電的解耦

目前一些省份在市場設計中，為了電網公司收支的平衡，要求計劃發電量(優先發電量+基數電量)與計劃用電(非市場用戶用電量)匹配。表面上，這樣避免了電網的不平衡資金，但會一起很多其他問題。

1)用戶側市場放開的幅度受到優先發電、基數電量的限制。如果強制要求兩者匹配，當用戶側放開比例增大，需要減少基數電量。而基數電量本是起到解決擱淺成本的問題，基數電量比例過小將引起部分電廠的歷史成本無法完全回收。

2)由于事前無法100%對非市場用戶進行準確預測，電廠分配的基數電量也將無法準確確定。按照目前一些省份采取的事后調整的方法，將引起發電企業市場策略的無所適從。

5、機組組合

電力市場集中競價機制設計與一般商品市場交易機制設計的一個重要區別，是電力市場中對發電機組的啟停等約束的考慮，主要體現在市場報價和市場出清的機組組合上。集中安排的方式下要求發電機組在報價包括啟停時間及成本、爬坡速率、空載成本、微增發電成本等，市場出清時將相關技術參數作為出清模型的約束，若出清價不能滿足所有成本之和，則發電商將會獲得額外的補償，保證啟停成本的回收;分散安排(自啟停)方式下的市場出清不考慮復雜的機組約束和啟停成本，中標的發電機組按照相應時段的市場出清價得到單一的能量價格，啟停成本不另外補償。

市場設計中需要考慮機組組合的方式，如果是集中式的，需要研究實時價格的計算方式及對電廠成本回收的影響。

6、長期容量的充裕性

電力市場在嚴格競爭充分、沒有人為限制價格帽、沒有政治干預的情況下，市場的價格信號可以激勵發電商投資，從而保證容量充裕度，不需要其他政策來引導發電商投資。實際上，由于市場力、價格帽和其他政策(如碳稅、綠證等)因素，市場的價格可能無法保證全部發電機組的成本。由于市場成員的投資偏好不同，風險規避型的投資者對價格信號不敏感，即使電力市場提供的價格能夠保證發電成本，也無法吸引風險規避型投資者進行有效的投資。

國外主要采用稀缺定價、容量市場、長期合同三種不同的思路來解決發電容量充裕性的問題。

1)稀缺定價

稀缺定價常見于澳大利亞、北歐和美國德州電力市場，發電側在批發市場的報價上限提高，當備用稀缺時會出現更高的能量價格。這樣一方面間接提高中長期能量價格，給發電商更高的電價預期激勵投資;另一方面，在負荷高峰期(通常發生在夏季或者冬季的幾十個小時)提供較高的結算價格，發電商通過高峰時段的運行回收成本，將容量費用附加在市場電價中。

除了提高報價上限，美國德州還在結算價格中增加實時備用價格增量(Real-Time Reserve Price Adder)和可靠性價格增量(Reliability Deployment Price Adder)兩個價格增量，以反映實時備用稀缺下的真實電價，減少了可靠性調度對電力市場價格的抑制作用。

兩種價格增量最終結果都是反映實時稀缺情況，進一步提高稀缺價格信號。

2)容量市場

容量市場模式下，容量相當于獨立于能量的一種產品，由系統通過拍賣的形式統一購買，購買費用分攤給用戶。容量市場常見于美國東部電力市場、英國。

3)長期合同

政府與各類電廠(用戶)簽訂的購電(賣電)合同是遠期合同的一種，本質上是金融合同，不僅被用來解決市場化產生的擱淺成本問題，還可以支持政府的可再生能源的政策、非市場用戶電價的保障政策。加拿大安大略省政府、新加坡在改革初期與不同類型電廠簽訂了大量的長期合同，起到政府管制的作用。

長期合同有定價定量、定價不定量等形式，合同簽訂者為政府對發電廠或政府對用戶。可以由電網企業代理非市場用戶參與批發市場，造成的不平衡金額放在平衡賬戶中。

7、對我國現貨市場建設的建議

1)計劃發電量和非市場用戶用電量解耦。優先發電、基數電量等計劃發電量轉變為政府主導的金融差價合約。用戶側的市場化根據需要進行，兩者電量不必強制匹配。現貨市場下，計劃發電量需要事前分解到時段。分解主要考慮公平及與歷史情況的銜接，由政府確定原則和分解方式。

2)現貨市場后，中長期市場需要不斷發展更加靈活的交易方式，不斷增加品種、提高交易頻率。

3)現貨市場起步階段，可以根據各地的實際情況采用一些簡化的方式。比如，在市場力突出的地區，起步階段可以按照基于成本報價的方式，報價截止時間可以提前一天，甚至更長，如一周，一個月。

4)現貨市場建設中，實時市場是必須建設的市場，一般是單邊的市場。日前市場是可以選擇的，可以隨著市場成熟再根據需要建設日前市場。