廣東電力市場改革探索電力現貨市場原理從何說起

2016-12-01 09:35:23 電力經濟與電力市場作者:陳皓勇王秀麗　點擊量：評論 (0)

引言電力市場設計與交易規則制定是一個專業性非常強的問題，既涉及到經濟理論（特別是微觀經濟理論），又涉及到電力系統工程學。良好的市場設計能提高市場效率，減小市場勢力的影響，優化電力系統運行方式，減小

（二）生產成本

成本是分析企業經營活動的重要依據。成本有許多種類別，最主要的是短期成本和長期成本。短期成本一般不考慮設備的投資，僅考慮勞動或產量的大小。長期成本則要考慮投資及勞動兩個要素。本節主要介紹短期成本的相關概念，長期成本的相關內容可參考文獻[1]。

短期之中，企業投入生產的某些要素是固定的，而另外的要素則隨企業產出的變化而變化。對企業生產成本的各種衡量基于此而加以區分。

總成本(cT)由兩個因素組成：

1）固定成本(cF)：無論企業生產的產出水平如何，固定成本均由企業承擔。根據具體情況，固定成本可能包括維持廠房的費用、保險費和少量雇員的工資費用。無論企業生產多少產品這些費用均不發生變化，即使產出為0企業也要支付。

2）可變成本（cV）：它根據產出水平的變化而變化。可變成本包括工資和原材料的費用。這些費用隨產出的增加而增加。

表1描述了一個固定成本為50美元的企業。可變成本和總成本隨產出的增加而增加。總成本是固定成本及可變成本的總和。由此可以界定其他的成本變量。

邊際成本（cM）有時被稱為增量成本，是由多生產額外的一單位產出而引起的成本的增加。由于固定成本不隨企業產出水平的變化而變化，因此，邊際成本就是每增加額外的1單位產出所引起的可變成本的增加量。因此，可以將邊際成本寫成：

（5）

邊際成本表明企業要增加多少成本才能增加1單位的產出。在表1中，邊際成本是由可變成本或者由總成本計算而得的。例如，產量由2增至3的邊際成本是20美元，因為企業的可變成本由78美元增至98美元。

平均成本（cA）是單位產出的成本。平均總成本(cAV)是企業的總成本除以其產出水平，即cT/Q。平均總成本即每單位產品的生產成本。通過比較平均總成本和產品的價格，可以確定生產是否有利可圖。

平均總成本有兩個組成要素：

1）平均固定成本（cAF）：是固定成本除以產出水平的結果，即cF/Q。因為固定成本不變，平均固定成本隨產出的增加而遞減。

2）平均可變成本（cAV）：是可變成本除以產出水平的結果，即cV/Q。

圖4顯示了與表1中數據近似的連續曲線。固定成本、可變成本和總成本曲線由圖4(a)顯示。圖則4(b)顯示了邊際成本曲線和平均可變成本曲線。當邊際成本低于平均成本時，平均成本曲線下降。當邊際成本高于平均成本時，平均成本曲線上升。并且，當平均成本最小時，邊際成本與平均成本相等。

（三）實時電價的基本概念

實時電價是電力現貨市場的重要理論基礎[2]，取決于某一小時的電力供需情況，特別是：

>>負荷（總負荷及分區負荷）；

>>發電的充裕度及成本（包括從其它公司購電）；

>>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。

實時電價（不考慮收支平衡）由邊際費用來確定，即

其中：ρk(t)為第k個用戶在第t小時的實時電價，$/kWh；dk(t)為第k個用戶在第t小時的電量需求，kWh。

實時電價可用不同的方式進行計算，這里計算ρk(t)的原則是：在同時考慮運行及投資的情況下在第t小時向第k個用戶供應電能的邊際（或微增）費用。

上式在求導時應滿足以下約束：

>>電能平衡：總發電量等于總負荷加損耗；

>>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；

>>基爾霍夫定律：電力潮流及損耗應滿足電路定律；

>>線路潮流極限：任何線路潮流不得超過其功率輸送極限。

上式中實時電價的基本定義僅僅與邊際費用有關，而未考慮收支平衡問題，即沒有考慮折舊費用和資本收回。一個好的電力系統的邊際費用應該恰好補償運行及投資費用。但不幸的是，實際情況往往不是超過就是不能補償投資費用。

第k個用戶在第t小時的實時電價由以下分量構成：

式中的分量都有物理（或經濟）意義，但這并不是說其中每個分量都是相互獨立的。

發電燃料費及維修分量之和λ(t)=γF(t)+γM(t)屬于運行分量，是實時電價的最大分量。它是發電總燃料費用和維修費用對第t小時負荷的偏導數。該量可以由現代電力系統調度中心的調度規則中直接求出。系統λ(t)還受從其它互聯系統的購電的影響。一般來說系統λ(t)隨d(t)的增加而上升。λ與負荷曲線的關系是隨時間而改變的。

網絡損耗分量ηL,k(t)與系統λ(t)有關。實時電價的電網分量之所以與用戶k有關是因為不同的用戶位于系統中不同位置，由此引起不同的損耗，并可造成不同地區線路過負荷等。

發電質量分量γQS(t)或網絡供電質量分量ηQS,k(t)與供電可靠性有關。在大部分時間這兩者都很小，但當供電趨于發電或網絡容量極限時，這部分分量迅速增長，成為實時電價的主要成分。

網絡收支平衡分量ηR(t)用以確保電力公司既不虧損又不致盈利過大。

總的來說，實時電價是隨著時間、地點和負荷水平的不同而發生變化的一種電價體系，它可以更真實的反映系統供電成本，并為供需雙方提供價格信號。

（四）現貨市場交易的一般模型

電力現貨市場建立在實時電價概念的基礎上，這里以一個簡化的單時段單邊現貨交易（pool）模型為例來說明電力現貨市場（spotmarket）的基本原理[3]。獨立調度ISO代表所有電力用戶向發電廠商購買電能，其目標是使購電總費用最小：

（7）

式中：ĉi是發電廠商的競價曲線，為其出力Pi的凸函數(即ĉi對Pi的導數隨Pi的增大而增大)；n為發電廠商數。式（7）中Pi應滿足：

（8）

式（8）為功率平衡方程，PL為用戶的總需求電力。

對于式（7）、式（8）的條件極值問題可建立以下拉格朗日函數：

（9）

因此可得到c的極小化條件為：

（10）

式中拉格朗日乘子λ即等于邊際價格ρM。將式（10）與式（8）聯立求解，就可得ρM（即出清價）及各發電廠商的發電出力，這就是電力市場中獨立調度的優化調度模型。

以上的ĉi(Pi)為發電廠商的競價曲線，并不是其真正的成本函數。一般來說，其成本函數ci(Pi)只有發電廠商i自己知道，并不屬于公共信息。

當發電廠商競價曲線使dĉi/dPi不連續，或無法完全滿足式（10）時，以上市場出清方法將退化為排隊法，但兩者本質一樣。

要注意上述現貨市場模型只是一個簡化模型，在實際應用中還必須考慮電廠和系統運行的各種約束條件。實際現貨市場交易模型有以下區別：1）采用多時段交易模型而不是單時段模型；2）用潮流方程取代式（8）的功率平衡方程，形成節點電價；3）考慮更多的發電機組技術約束；4）在雙邊競價市場模式中，還包括負荷報價模型。

（五）小結

微觀經濟學是電力市場設計與分析所依托的基本理論，本文對供給、需求、市場均衡及生產成本的相關概念進行了介紹，作為后續電力市場理論闡述的基礎。本文比較詳細地介紹了實時電價的基本概念，然后以一個簡化的單時段單邊現貨交易（pool）模型為例說明了電力現貨市場的基本原理。需要說明的是，國內電力市場領域所討論的“現貨市場”概念主要來源于國外電力市場的spotmarket，并無統一定義，是一個有爭議的概念。本文中的“現貨市場”指日前、日內、實時的實物（電能量）交易市場，近期我國電力市場改革中有現貨市場概念和理論神秘化的趨勢，希望此文能清晰地解釋相關概念，使更多改革參與者理解電力現貨市場的本質。