摘要:有序推進電價機制改革,構建“公平、開放、有序、競爭、完整”的電力市場體系,是中國新一輪電力體制改革的關鍵任務。目前國外電力市場普遍采用邊際價格出清的交易機制,然而理論與實踐均證明,邊際價格機制難以促進市場成員真實報價,難以解決電力系統信息不對稱的難題。為促進市場成員理性報價、實現電力資源優化配置,提出一種基于價值公平分配的電力市場競爭機制。首先,分析了邊際價格難以保證發電機組真實報價、導致市場效率損失的現象和原因;進而,基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)機制設計理論,提出適應電力日前市場的價值公平分配機制,理論證明所提機制滿足激勵相容、個體理性以及系統成本最小化,并解釋了該機制實現激勵相容原理的經濟學意義。基于IEEE30節點和118節點系統的算例分析驗證了該機制的有效性。

0 引言

在中共中央、國務院發布的《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》[1]指導下,中國各省因地制宜,積極開展電力體制改革試點方案,推進電力交易市場化進程[2-3]。中國電力市場的交易和結算主要沿用國外電力市場現有的機制[4-5]。美國 PJM 電力市場于1998年引入基于成本投標和節點邊際電價的實時市場體系,并于2000年引入日前能量和調頻市場[6]。此外,美國加州、得州、新英格蘭、紐約、中西部等電力市場均采取以邊際電價作為電力交易和結算價格的市場機制。英國電力市場于2001年開展電力體制改革,由集中交易模式(Pool)改變為以中長期雙邊交易為主、平衡機制和不平衡結算為輔的市場模式(Neta)[7],從而抑制集中競價的市場力。北歐電力市場以現貨市場為基礎、輔助服務和金融市場為補充,其現貨市場主要采用日前、日內和實時市 場 有 序 協 調 的 運 營 模 式,由 北 歐 電 力 交 易 所(NordPool)組織集中競價,同樣采用邊際電價出清的結算機制[8]。

目前,國外電力現貨市場普遍采用邊際價格出清的交易機制,然而理論與實踐均證明,邊際價格機制難以促進市場成員真實報價,難以解決電力市場信息不對稱的難題。在市場供求關系緊張或者存在輸電阻塞的情況下,發電機組具有虛報高價的激勵和沖動[9],從而抬高邊際出清價格,顯著擴大自身利益。美國 PJM、加州等電力市場在2000年曾出現價格尖峰超過平時電價10倍的情況[10]。文獻[11]指出,市場力的存在將阻礙市場有效競爭,而市場操縱和輸電阻塞是電力市場中市場力的兩個主要來源。文獻[12]通過策略性報價模型模擬加州電力市場的價格釘現象以及市場效率損失。文獻[13]研究美國東部電網的市場力情況,模擬2725臺發電機組策略性參與市場,并為美國市場監管提供電價管制的政策建議。因此在市場環境下,資源優化配置的最佳狀態是所有市場成員申報真實的邊際成本,由于市場力的存在,背離真實成本的報價方式將損失市場效率。為解決邊際價格的弊端,迫切需要研究滿足激勵相容原理、促進市場成員真實報價的電力市場競爭機制。

激勵相容是指市場成員理性實現個體利益最大化的策略,與機制設計所期望的策略一致,即市場成員真實表現(truthfulness)是其最優策略。針對滿足激勵相容的市場機制,國內外已有相關研究。文獻[14]研究一般商品在若干市場成員之間的分配機制和方法,該機制在比例公平分配 (proportionalfairness)的基礎上,實現市場成員真實報價。文獻[15]提出一種基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)理論的利益分配機制,應用于風電聚合商對風電機組進行利益結算,并激勵風電機組真實申報發電概率分布函數。 文獻[16]對比節點邊際 電價(locationalmarginalprice)和基于 VCG 的節點平均電價的區別,理論證明基于 VCG 的節點平均電價高于節點邊際電價。文獻[17]提出一種結算機制,理論證明該機制滿足收支平衡、激勵相容等性質,并通過次梯度算法進行求解。文獻[18]將 VCG理論應用于儲能商對電池儲能的結算,從而實現電池儲能真實申報參數。

現有研究已將 VCG 機制應用于一般商品、風電和儲能代理商的激勵相容機制設計中,然而針對電力日前市場出清、滿足激勵相容原理的市場機制鮮有報道。激勵相容原理,本質上要求市場成員按照自身的價值獲得收益,實現個體與集體利益最大化目標的一致性。在中國電力市場建設中,如果能按市場成員的價值公平分配利益,將有效促進市場成員真實報價,解決電力市場信息不對稱的難題,進一步推進電力體制改革的發展[19]。為此,本文提出基于價值公平分配的電力市場競爭機制,創新點總結如下。

本文首先分析邊際價格難以保證發電機組真實報價、導致市場效率損失的現象和原因。基于VCG理論,定義一臺發電機組的價值為該機組對其他機組的替代效益,即該機組參與日前市場前后,對其他機組發電成本的變化。進而,理論證明價值公平分配機制滿足激勵相容、個體理性以及系統成本最小化的性質,從經濟學含義,解釋該機制實現激勵相容的機理。

1 數學模型

1.1 日前市場出清模型

不失一般性,本文有如下假設:①假設每個節點最多只有一臺發電機組(對于沒有發電機組的節點,只需將該 節 點 機 組 成 本 函 數、功 率 上 下 限 設 置 為0),各機組的成本函數為正的凸函數,如二次函數;②假設不考慮網絡損耗和無功功率,采用直流潮流模型出清日前市場;③假設各節點電力負荷剛性,考慮單時段的電力供需平衡問題。

在現有成熟的電力市場,如美國得州市場ERCOT(ElectricReliabilityCouncilofTexas)中,發 電 機 組 參 與 日 前 市 場,并 向 系 統 獨 立 調 度 員(independentsystem operator,ISO)申 報 成 本,由ISO 建立日前市場模型,生成節點電價用于市場交易結算[20]。考慮一個具有 N 個節點、K 條線路的輸電網絡,基于直流潮流的日前市場出清模型為

式(2)至式(5)分別表示系統供需平衡約束、線路傳輸容量約束以及發電機組出力約束。優化求解模型 (式(1)至 式(5)),即 可 得 到 發 電 機 組 的 出 力計劃。

1.2 機制設計

為分析某種價格機制的優劣,機制設計理論提出一些標準化的性質與條件。本文重點關注系統成本最小化 (cost minimization,CM)、個體理性(individualrationality,IR)、激勵相容(incentivecompatibility,IC)以及收支平衡(budgetbalance,BB)。下面分別描述性質含義

1)系統成本最小化

本文假設系統負荷為剛性。系統成本最小化是指,通過日前市場出清優化所得的最優發電出力計劃,能夠達到機組真實成本最小化的運行狀態。

當所有發電機組申報真實成本時,日前市場出清模型自動滿足系統成本最小化的性質;值得注意的是,發電機組虛假報價,可能導致發電出力計劃難以實現真實發電成本的最小化。

2)個體理性

個體理性,又稱參與約束,是指發電機組參與電力市場競爭是自愿的[20-21]。對于滿足個體理性的機制,各發電機組的凈利潤不小于零,否則該發電機組將選擇退出電力市場。值得注意的是,個體理性僅保證發電機組的變動成本能夠收回,發電機組的投資或固定成本并非本文機制所關注的重點。事實上,諸如美國 PJM 等電力市場,是通過容量市場及相關機制來解決發電機組的投資成本。

3)激勵相容

1972年,美國經濟學家 Leonid Hurwicz提出激勵相容的概念。在市場經濟中,每個理性市場成員都會有自利的一面,其個人行為會按自利的規則行為行動;如果有一種機制,使市場成員追求個人利益的行為,與集體實現價值最大化的目標相吻合,這種機制就滿足激勵相容[22]。在電力市場中,一種電價機制滿足激勵相容意味著,各發電機組申報真實的發電成本是其最優選擇,而不是策略性申報虛假的發電成本。

激勵 相 容 具 體 可 分 為 占 優 策 略 激 勵 相 容(dominant-strategyincentivecompatibility)和貝葉斯—納 什 激 勵 相 容 (Bayesian-Nash incentivecompatibility)。占優策略激勵相容表示,某發電機組申報真實發電成本是占優策略,無論其他機組申報真實與否;貝葉斯—納什激勵相容表示,某發電機組申報真實發電成本是最優選擇,如果其他機組都真實報價。可見,占優策略激勵相容是約束力更強的性質,本文考慮占優策略激勵相容。

4)收支平衡

在電力市場中,系統獨立調度是非營利機構。例如,美 國 的 ISO 是 由 聯 邦 能 源 管 理 委 員 會(FederalEnergy RegulatoryCommission,FERC)監管,主要負責協調、控制和監控電力系統運行的機構。因此,收支平衡表示系統調度從電力負荷征收的費用不小于向發電機組支付的費用[20-21]。

1.3 邊際價格理論

在完全競爭的電力市場中,各市場成員作為價格接受者,自身報價不會影響系統邊際價格,因此,以節點電價進行市場交易和結算能夠實現社會福利最優。然而,現實中難以達到完全競爭市場,發電機組可以通過策略性報價,以改變邊際電價從而最大化自身效益。因此,按照邊際電價交易和結算的電力市場不能抑制市場成員虛報高價,難以實現激勵相容,甚至不能達到系統成本最小化的狀態。

2 價值公平分配機制設計

為促進發電機組真實報價、實現系統成本最小化,本文借鑒 VCG 機制,提出適應電力日前市場的價值公平分配機制。

2.1 VCG機制概述

在機制設計理論中,VCG 機制是一種激勵市場成員真實表現的機制設計方法。VCG 機制的結算規則是按照一個市場成員對其他市場成員的替代效益 進 行 結 算。VCG 機 制 由 William Vickrey,EdwardH.Clarke和 TheodoreGroves三位經濟學家的姓氏組合命名,以紀念他們在信息不對稱條件下激勵理論中的貢獻。William Vickrey和另一位經濟學家也因此獲得1996年的諾貝爾經濟學獎。

2.2 基于價值公平分配的電力市場競爭機制

式(8)定義了價值公平分配機制的結算方式。式中等號右端第一項表示,去掉發電機組i后,其他機組參與日前市場的發電成本;第二個括號項表示,在包含發電機組i的出清模式下,其他發電機組的發電成本。兩項相減為發電機組i對其他機組的替代效益,即機組i參與日前市場前后對其他機組發電成本的影響。

價值公平分配機制的經濟學意義在于,利用市場成員間的替代效益定義其價值,并按照該價值結算,從而實現個體與集體利益最大化的一致性。

2.3 機制性質證明

已有研究驗證邊際電價滿足個體理性(由機組報價不小于其真實成本可得)和收支平衡(由文獻[23]證明,可總結為按照節點電價從負荷收費不小于向發電機組付費,當且僅當電力系統無線路阻塞時取等,阻塞時的結余用于補償線路投資)性質,而不滿足激勵相容以及系統成本最小化。本節將證明本文機制滿足激勵相容、個體理性以及系統成本最小化,并提出一種收支平衡的策略。

由上述證明可知,無論其他發電機組申報真實與否,發電機組i申報真實的發電成本是該機組的占優策略。因此,本文提出的價值公平分配機制滿足占優策略激勵相容。

本文機制滿足激勵相容原理的經濟學含義在于:如果一臺機組虛報高價,則系統調度分配給該機組的發電量較少,去除該機組后其他機組參與日前市場電量變化較小,所以去除該機組前后其他機組發電成本變化較小,該機組獲得系統調度的支付費用較少。因此,一臺機組的占優策略是申報真實成本。虛報高價將使得該機組對其他機組的替代效益減少,從而降低自身效益。

4)收支平衡

Leonid Hurwicz,Jerry R.Green 以 及 JeanJacquesLaffont證明,不存在一種激勵機制同時滿足占優策略激勵相容、個體理性、系統成本最小化以及收支平衡[24]。現有基于 VCG 的激勵機制不滿足收支平衡性質,即系統調度從電力負荷征收的費用可能小于向發電機組支付的費用。通過數學語言描述,即存在一種場景使得下式成立:

值得一提的是,本文提出一種通過降低發電側收益達到收支平衡的策略,實際操作中還可以考慮提高銷售電價以增加負荷側收費,達到收支平衡。關于收支平衡的深入研究,需要在未來的工作中進一步探索。

2.4 實施流程

本節從實施流程上闡釋,并對比傳統基于邊際電價和本文機制的交易模式。圖1對比了兩種機制的實施流程。

由此可知,價值公平分配機制并未改變傳統市場基于報價的交易模式,僅通過改變價值分配和利益結算的方式,滿足激勵相容原理。因此,價值公平分配機制有效延續了現有市場交易模式,具有可操作性和實用價值。

2.5 案例說明

下文通過2節點、3機組的案例對比邊際電價與價值公平分配機制的效果差異。2節點、3機組案例如圖2所示。圖中,發電機1,2和3的真實發電成本系數分別為c,2c 和3c。節點1的負荷為 D。三臺發電機的出力范圍均為[0,2D]。節點1和2之間的線路容量為0.5D。

2.5.2 價值公平分配機制

根據價值公平分配機制,一臺發電機組獲得收益為該發電機組參與日前市場前后,其他機組總發電成本的變化。下面重點分析在價值公平分配機制下,發電機組申報真實成本為其占優策略。

因此,機組1真實申報的凈收益大于虛假申報的凈收益。價值公平分配機制將打破機組1和2的串謀,促使機組申報真實成本。

需要說明的是,為保障電力市場充分競爭并抑制機組虛報高價,國外現有成熟電力市場引入復雜的市場監管機制。例如,自1999年開始,美國 PJM市場引入市場監管,以客觀監視、調查和評估市場結構及運行方面的缺陷,如三寡頭壟斷測試[25],然而這些市場機制需要高昂的監管成本。相比之下,本文機制滿足激勵相容原理,促進市場成員真實報價,故不再需要復雜的監管。

3 算例分析

本文測試價值公平分配機制在IEEE30和118節點 系 統 的 有 效 性。 測 試 環 境 為 THINKPADT460P,2.60GHz八核筆記本電腦,編程軟件平臺為 MATLAB 2013b,潮 流 計 算 求 解 器 采 用MATPOWER6.0[26]。

3.1 IEEE30 節點系統

在IEEE30節點系統中,有6臺發電機組,最小技術出力 0,其他成本和技術參數見附錄 A 表 A1。

3.1.1 機制性質驗證

為驗證本文機制滿足激勵相容,假設發電機組在一定比例范圍內申報成本系數。圖3所示為各發電機組申報不同系數下的凈利潤水平。

對于6臺發電機組,只有在申報值與真實值比例為1.0,即機組申報真實成本系數時,發電機組獲得凈利潤最大。當機組虛報低價時,系統調度分配給機組較多電量,但支付給機組的費用可能不足以補償機組發電成本,因此機組凈利潤降低,甚至出現負值,如機組 G6。由于系統調度支付給機組的費用取決于該機組對其他機組發電成本的影響,當機組虛報高價時,該機組對其他機組的影響減小,支付給該機組的費用削減,仍然導致機組凈利潤降低;同時,報價過高,可能導致該機組不中標,凈利潤為0,如機組G6。

因此,本文所提機制滿足激勵相容,有效促進市場成員真實申報,解決電力市場信息不對稱難題。為驗證本文機制滿足個體理性,附錄 A 表 A2給出了發電機組申報真實成本系數時的出力計劃和利潤。由結果可知,當機組申報真實成本系數時,各臺發電機組的凈利潤均大于0,說明機組有意愿參與日前市場,滿足個體理性。進而,由于市場出清模型最小化所有機組真實發電成本,機制滿足系統成本最小化。

3.1.2 收支平衡探討

系統各節點負荷以及系統收支費用見圖4。

系統邊際電價為3.79美元/(MW·h),總負荷水平為189.2MW,因此,從負荷側收取的總費用為716.92美元,而 需 要 支 付 給 發 電 機 組 的 總 費 用 為745.73美元,比負荷側收費多出4.02%。本文采用的收支平衡策略是減少每臺發電機組的收益。為滿足收支平衡、個體理性以及激勵相容,

3.2 IEEE118 節點系統

在IEEE118節點系統中,有 54 臺發電機組、186條線路。各節點負荷水平、發電機組申報真實成本時的最優出力計劃如附錄 A 圖 A1所示。值得注意的是,圖中只統計功率非零的節點和機組。

在 IEEE 118 節 點 系 統 中,總 負 荷 為4242MW,共有19臺發電機組被調度,出力為0的剩余35臺機組獲得系統支付為0,發電成本為0,因此不在本節算例討論范圍內。在發電機組真實報價時,19 臺發電機組的系統支付費用和凈利潤如附錄 A 圖A2所示。發電機組獲得系統支付從152.68美 元 到23550.27美 元,凈 利 潤 從 37.60 美 元 到6085.48美元,因此參與日前市場的發電機組凈利潤均大于0。

4 結語

本文提出基于價值公平分配的電力市場競爭機制,應用于電力日前市場,并理論證明該機制滿足激勵相容、個體理性以及系統成本最小化的性質。基于IEEE30節點和118節點的算例分析表明:①在價值公平分配機制下,所有發電機組申報真實成本為占優策略,即價值公平分配機制滿足激勵相容;②參與日前市場的所有發電機組的凈利潤不小于0,即價值公平分配機制滿足個體理性;③價值公平分配機制引起的收支不平衡可通過事后調整發電機組收益來解決。

在未來的研究中,以下三方面值得進一步探索:①本文僅考慮發電側競價的日前市場機制設計,實際電力市場允許負荷側參與競價,因此,在未來研究中可探索價值公平分配機制在雙邊競價市場中的適用性;②本文重點關注價值公平分配機制如何滿足激勵相容,即發電機組的占優策略為申報真實成本,在未來研究中可對比價值公平分配機制和邊際電價機制納什均衡解的差異;③本文提出通過降低發電側收益的收支平衡策略,在未來的研究中可分析提高負荷側電價的解決方案。

本文的研究成果將為中國電力體制改革提供滿足激勵相容的電力市場競爭機制,積極推動中國電力市場的健康發展。

參 考 文 獻

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王劍曉1,2,鐘海旺1,2,夏 清1,2,汪 洋3,賴曉文3,郭新志4

(1.清華大學電機工程與應用電子技術系,北京市 100084;

2.電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學),北京市 100084;

3.北京清能互聯科技有限公司,北京市 100084;4.國網河南省電力公司經濟技術研究院,河南省鄭州市 450000)

王劍曉(1992—),男,博士研究生,主要研究方向:電力市場、發電計劃、電力規劃、新能源預測 等。E-mail:wangjx14@mails.tsinghua.edu.cn

鐘海旺(1986—),男,通信作者,博士,副教授,博士生導師,IEEE高級會員,主要研究方向:電力市場、需求側響應、發電計劃等。E-mail:zhonghw@tsinghua.edu.cn

夏 清(1957—),男,教授,博士生導師,IEEE 高 級 會員,主要研究方向:智能電網、發電計劃、電力規劃、電力市場、負荷預測等。E-mail:qingxia@tsinghua.edu.cn