【無所不能 文丨陳皓勇】美國加州大學伯克利分校S.Borenstein 和J. Bushnell教授的研究報告《20年重組后的美國電力工業》（The US Electricity Industry After 20 Years of Restructuring, Annual Review of Economics, Vol.7:1-688, August 2015）基于美國電力市場的實際數據分析指出了20年電改（restructuring）存在的問題，認為美國電改的最大政治動機是租金轉移（rentshifting）（可理解為利益轉移），而不是提高效率。

雖然電改提高了發電環節的效率，但結果令人失望，因為改革倡導者所作的降價承諾是基于租金轉移的，在政治上不可持續。實際上，改革后的電價變化更多地受到外生因素的驅動，例如發電技術的進步和天然氣價格的波動，而不是電改的結果。作者甚至直截了當地指出通過改革大大提高效率和降低用電成本的希望大部分屬于錯覺。

Borenstein 和 Bushnell教授的研究報告無疑給當前正在緊鑼密鼓推進的中國電改敲響了警鐘，對于美國電改沒有達到預期目標的原因有各種解釋，其中一種觀點認為是政府不當干預所導致的。筆者試圖從電改的理論基石電力商品模型、電價及市場模式設計等方面進行分析，并且對我國電力市場的目標模式進行探討。

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適合國情的電力市場交易目標模式

主導電力市場改革的部門和研究電力市場的專家心目中或多或少地都有自己的目標模式，目前建立現貨市場已經成為普遍共識，某種程度上筆者也認可“無現貨，不市場”的觀點（事實上，電力市場這種實物交易為主的市場是不可能沒有現貨交易的，日前、日內和實時市場的建立也是電力市場體系初步完善的標志）。但是，如果把這個觀點推向極端，把現貨市場狹隘地理解為日前、日內、實時的分時競價交易，認為只有到了日前、日內市場產生的現貨價格才是電力的“真實價格”，并認定中長期電量交易不是電力市場，把日前、日內、實時現貨交易的建立作為電力市場改革成功的唯一評判標準，這些失之偏頗的觀點只可能誤導改革。

事實上，國外基于分時競價的現貨交易或多或少都出了一些問題：實時市場價格變化劇烈，給市場主體帶來很大的財務風險，需要另外引入金融交易等避險措施；大多數電力用戶并無能力（或無意愿）對快速變化的實時電價作出反應，需要倚賴售電公司將批發市場的實時電價轉化為簡單的購電套餐，沒達到通過實時電價增強供需方互動的理論設計目標，也導致電改紅利被售電公司等中間商截留，傳導不到用戶側，違背了電改的初衷；實時電價不能完全覆蓋固定成本，導致發電投資容量不足，需要另設容量市場，等等。

筆者認為，產生這些問題的原因與實時電價理論及其實現方式的固有缺陷有關，有如下幾點：

1.   雖然實時電價理論模型包括了從運行到規劃的長時間尺度的資源優化（參見文末R.E. Bohn的博士學位論文），但這樣的超大規模優化問題在實際中是無法應用的。實際市場往往采用SCUC（安全約束機組組合）或SCED（安全約束經濟調度）模型計算出清電價，只考慮資源短期優化配置，未考慮資源長期（跨時間）優化配置；

2.   電能商品的生產和消費大多是以具有一定持續時間的“能量塊”的形式進行的，能量（電量）是發電廠商和電力用戶所關注的主要對象，而功率（電力）平衡主要作為電力系統運行的物理約束（主要體現在潮流方程中）。在實時電價理論與分時競價機制中，由于未將時間因素納入商品模型，功率平衡與能量平衡成為等同的，物理約束直接作為市場供需平衡方程。而實際上，電力市場的供需平衡方程應該是在功率平衡物理約束條件下的電量平衡模型；

3.   電能商品的能量（電量）價值與功率（電力）價值應該作明確的區分。無論對于發電廠商和電力用戶，能量（電量）價值（成本）都是關注的重點，特別在中長期交易中更是如此。電能商品的功率價值和電網物理約束主要體現在電力系統運行的物理約束中，目的是保持電力系統安全穩定運行，特別存在于實時電力平衡、調頻、備用、阻塞管理、峰荷機組發電、需求側響應等交易環節。越接近電力系統實際運行的交易環節，電能商品越呈現功率價值，由于實時市場的電價主要體現功率價值，實際上無法通過它來“發現”中長期市場的價格。由于電力系統安全穩定是必須的，功率實時平衡甚至可以通過非市場手段解決；

4.   電量（能量型）型商品（特別是中長期交易的商品）與電力（功率）型商品的特性不同，電量型商品與普通商品更相近，在較長時期內達到供需動態平衡即可；在中長期交易中電量型商品其實是可存儲的，主要以煤（或其他燃料）、水庫儲水等形式存儲，這與不能存儲的電力型商品形成鮮明對比；

5.  電能作為基礎性產品與生產資料的一部分（在我國尤其如此），保證持續穩定供應是最關鍵的考慮，不需要片面追求電力市場本身的“最高效率”（特別是短期現貨市場的絕對的最高效率）。

基于以上考慮，筆者主張建立中長期與現貨（日前、日內、實時）交易相協調、電量與電力型交易相結合的交易目標模式，如圖1所示。主能量交易采用此前筆者介紹過的分段競價（或水平拍賣）或合約交易機制，實時平衡與輔助服務交易采用分時競價（或垂直拍賣）機制。分段競價和合約交易既涵蓋現貨也涵蓋中長期交易，時間跨度可以從日內幾個小時直到一年甚至數年。簡而言之，“以分段競價（合約交易）完成主能量交易，以分時競價修正負荷曲線”。

圖1  適合國情的電力市場交易目標模式

需要提醒主導電力市場改革的部門和研究電力市場的專家的是，我們的電力市場改革的目的不是仿照國外模式制造一個精巧的玩具，而是要結合中國國情切切實實地實現電力資源的優化配置，降低成本，提高效率，為能源生產和消費革命盡一份力量。

基礎知識：實時電價理論及其分析

美國麻省理工學院（MIT）F. C. Schweppe教授等人提出的實時電價（spot pricing）理論是國外電力現貨市場的理論基礎，取決于某一小時的電力供需情況，特別是：

l  負荷（總負荷及分區負荷）；

l  發電的充裕度及成本（包括從其它公司購電）；

l  輸、配電網的充裕度及損耗。

實時電價的定義為各用戶在各時段（1h/0.5h/0.25h/…）的電價，包括以下分量：發電邊際燃料成本、發電邊際維護成本、發電供電質量費用、發電收支平衡費用、網絡邊際損耗成本、網絡供電質量費用、網絡收支平衡費用。

在不考慮收支平衡費用時，實時電價由邊際成本決定，即

上式在求導時應滿足以下約束：

l  電能平衡：總發電量等于總負荷加損耗；

l  發電限制：第t小時的總需求不能超過該小時所有發電廠的可用容量之和；

l  基爾霍夫定律：電力潮流及損耗應滿足電路定律；

l  線路潮流極限：任何線路潮流不得超過其功率傳輸極限。

限于篇幅，本文不對實時電價理論作詳細介紹，有興趣的讀者可進一步閱讀文末的參考文獻。實時電價理論被認為是電力現貨市場設計的“金科玉律”，數學上十分精致，但筆者認為并不符合電力生產和消費的物理特征。

實時電價是基于經典微觀經濟學中的社會福利最大化原理而形成的，綜合考慮了短期與長期、運行與規劃，但其計算模型仍采用傳統經濟調度的分時段功率平衡模型。實時電價理論把整個考察區間分成一系列的周期（cycle），每個周期又分為若干時段（period），然后分時段按能量（電量）平衡模型進行計算，由于每個時段的功率（電力）假設為常數，所以能量平衡模型也就是功率平衡模型。如圖2所示，在這個過程中，電能商品實際上按時段切分成若干“條”，然后每條又分為若干“段”。在一個時段中，中標的發電商或電力負荷各取一“段”（即一個商品），而按統一邊際價格出清方式，各段負荷（所有商品）的結算價是相同的。

圖2 實時電價計算模型示意圖

但是在實際中，電能的生產和利用都具有時間連續性，無論對于發電商還是電力負荷，銷售或購買的商品都是具有一定持續時間的“能量塊”（energy block）。能量（energy）是自然界中客觀存在的，而功率（power）只是人為定義的一個物理量（即能量隨時間的變化率）。火電廠的變動成本（煤耗）主要取決于所生產的能量（電量），而用戶也主要關注電量的使用。市場中電度表所計量的主要是電量，也是結算的依據，而功率（電力）則主要體現在電力系統運行的物理約束中。

圖3  美國PJM市場2015年夏峰日日前市場分時電價及發電成本堆積圖

（本圖由美國新時代能源/佛州電力公司能源市場交易中心李化先生提供）

圖3中的美國PJM市場2015年夏峰日日前市場分時電價及機組發電負荷清晰地顯示了電能生產的時間連續性及成本變化規律。

圖4  澳大利亞某家庭日負荷成分分解

（本圖由香港中文大學（深圳）趙俊華副教授提供）

圖4的澳大利亞某家庭日負荷成分按電氣分解的情況則清晰地顯示了用電的時間連續性。

圖5  二維電力商品模型

為強調時間因素在電能商品中的作用，本文定義由（功率，時間）對組成的一般的二維電力商品模型（P,t）（t1≤t≤t2），如圖5所示。當 t2=t1+1并且 P=常數（t1≤t≤t2）時，即退化為實時電價理論中的一維電力商品模型，而功率曲線下的面積即為電量。由于功率可看成時間的函數，所以該二維電力商品模型也可寫成（P（t）,t）（t1≤t≤t2）的形式，在實時電價定義中的電量（功率）點變成定義于（t1,t2）時間區間的一個函數，需要用無窮維空間上的數學理論（如泛函分析、變分法等）進行分析。

值得指出的是，實際上麻省理工學院研究團隊已經意識到電能生產和利用的時間連續性問題，Bohn博士學位論文的第4章的附錄部分（pp.247~257）采用時間連續模型研究電力用戶的最優用電行為問題，并推導了基于哈密爾頓函數（Hamiltonian）的最優性條件，但這方面的研究沒有繼續深入下去。

引入二維電力商品模型后，市場出清的社會福利最大化問題從多階段靜態優化問題變為連續時間的最優控制問題，求解方法也從拉格朗日方法變為哈密爾頓原理，相關理論還有待深入研究。

二維電力商品模型既可以描述水平的能量塊商品，也可以描述垂直的能量塊商品，甚至可以描述曲線的能量塊商品，比如爬坡（ramping）商品，因此是一個一般的電力商品模型，也可以擴展到以“流商品”（flow commodity）形式存在的其他能源市場。

實時電價理論的參考文獻：

Schweppe教授等的專著

F. C. Schweppe, M. C. Caramanis,R. D. Tabors, R. E. Bohn. Spot Pricing of Electricity.  Boston: Kluwer Academic Publishers, 1988.

R. E.Bohn的博士學位論文

R. E. Bohn. Spot Pricing of PublicUtility Services. Doctoral thesis, Massachusetts Institute ofTechnology. 1982.

M. C. Caramanis的期刊論文

M.C. Caramanis, R.E. Bohn, F.C. Schweppe.Optimal Spot Pricing: Practice and Theory. IEEE Transactions on Power Apparatusand Systems, Vol. PAS-101, No. 9. September 1982.

【無所不能專欄作者，專家精英團成員，陳皓勇，華南理工大學電力經濟與電力市場研究所】本文僅代表作者觀點，不代表無所不能的立場和觀點