电力现货市场并非想象的那样美好

【无所不能 文丨陈皓勇】美国加州大学伯克利分校S.Borenstein 和J. Bushnell教授的研究报告《20年重组后的美国电力工业》（The US Electricity Industry After 20 Years of Restructuring, Annual Review of Economics, Vol.7:1-688, August 2015）基于美国电力市场的实际数据分析指出了20年电改（restructuring）存在的问题，认为美国电改的最大政治动机是租金转移（rentshifting）（可理解为利益转移），而不是提高效率。

虽然电改提高了发电环节的效率，但结果令人失望，因为改革倡导者所作的降价承诺是基于租金转移的，在政治上不可持续。实际上，改革后的电价变化更多地受到外生因素的驱动，例如发电技术的进步和天然气价格的波动，而不是电改的结果。作者甚至直截了当地指出通过改革大大提高效率和降低用电成本的希望大部分属于错觉。

Borenstein 和 Bushnell教授的研究报告无疑给当前正在紧锣密鼓推进的中国电改敲响了警钟，对于美国电改没有达到预期目标的原因有各种解释，其中一种观点认为是政府不当干预所导致的。笔者试图从电改的理论基石电力商品模型、电价及市场模式设计等方面进行分析，并且对我国电力市场的目标模式进行探讨。

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适合国情的电力市场交易目标模式

主导电力市场改革的部门和研究电力市场的专家心目中或多或少地都有自己的目标模式，目前建立现货市场已经成为普遍共识，某种程度上笔者也认可“无现货，不市场”的观点（事实上，电力市场这种实物交易为主的市场是不可能没有现货交易的，日前、日内和实时市场的建立也是电力市场体系初步完善的标志）。但是，如果把这个观点推向极端，把现货市场狭隘地理解为日前、日内、实时的分时竞价交易，认为只有到了日前、日内市场产生的现货价格才是电力的“真实价格”，并认定中长期电量交易不是电力市场，把日前、日内、实时现货交易的建立作为电力市场改革成功的唯一评判标准，这些失之偏颇的观点只可能误导改革。

事实上，国外基于分时竞价的现货交易或多或少都出了一些问题：实时市场价格变化剧烈，给市场主体带来很大的财务风险，需要另外引入金融交易等避险措施；大多数电力用户并无能力（或无意愿）对快速变化的实时电价作出反应，需要倚赖售电公司将批发市场的实时电价转化为简单的购电套餐，没达到通过实时电价增强供需方互动的理论设计目标，也导致电改红利被售电公司等中间商截留，传导不到用户侧，违背了电改的初衷；实时电价不能完全覆盖固定成本，导致发电投资容量不足，需要另设容量市场，等等。

笔者认为，产生这些问题的原因与实时电价理论及其实现方式的固有缺陷有关，有如下几点：

1.   虽然实时电价理论模型包括了从运行到规划的长时间尺度的资源优化（参见文末R.E. Bohn的博士学位论文），但这样的超大规模优化问题在实际中是无法应用的。实际市场往往采用SCUC（安全约束机组组合）或SCED（安全约束经济调度）模型计算出清电价，只考虑资源短期优化配置，未考虑资源长期（跨时间）优化配置；

2.   电能商品的生产和消费大多是以具有一定持续时间的“能量块”的形式进行的，能量（电量）是发电厂商和电力用户所关注的主要对象，而功率（电力）平衡主要作为电力系统运行的物理约束（主要体现在潮流方程中）。在实时电价理论与分时竞价机制中，由于未将时间因素纳入商品模型，功率平衡与能量平衡成为等同的，物理约束直接作为市场供需平衡方程。而实际上，电力市场的供需平衡方程应该是在功率平衡物理约束条件下的电量平衡模型；

3.   电能商品的能量（电量）价值与功率（电力）价值应该作明确的区分。无论对于发电厂商和电力用户，能量（电量）价值（成本）都是关注的重点，特别在中长期交易中更是如此。电能商品的功率价值和电网物理约束主要体现在电力系统运行的物理约束中，目的是保持电力系统安全稳定运行，特别存在于实时电力平衡、调频、备用、阻塞管理、峰荷机组发电、需求侧响应等交易环节。越接近电力系统实际运行的交易环节，电能商品越呈现功率价值，由于实时市场的电价主要体现功率价值，实际上无法通过它来“发现”中长期市场的价格。由于电力系统安全稳定是必须的，功率实时平衡甚至可以通过非市场手段解决；

4.   电量（能量型）型商品（特别是中长期交易的商品）与电力（功率）型商品的特性不同，电量型商品与普通商品更相近，在较长时期内达到供需动态平衡即可；在中长期交易中电量型商品其实是可存储的，主要以煤（或其他燃料）、水库储水等形式存储，这与不能存储的电力型商品形成鲜明对比；

5.  电能作为基础性产品与生产资料的一部分（在我国尤其如此），保证持续稳定供应是最关键的考虑，不需要片面追求电力市场本身的“最高效率”（特别是短期现货市场的绝对的最高效率）。

基于以上考虑，笔者主张建立中长期与现货（日前、日内、实时）交易相协调、电量与电力型交易相结合的交易目标模式，如图1所示。主能量交易采用此前笔者介绍过的分段竞价（或水平拍卖）或合约交易机制，实时平衡与辅助服务交易采用分时竞价（或垂直拍卖）机制。分段竞价和合约交易既涵盖现货也涵盖中长期交易，时间跨度可以从日内几个小时直到一年甚至数年。简而言之，“以分段竞价（合约交易）完成主能量交易，以分时竞价修正负荷曲线”。

图1  适合国情的电力市场交易目标模式

需要提醒主导电力市场改革的部门和研究电力市场的专家的是，我们的电力市场改革的目的不是仿照国外模式制造一个精巧的玩具，而是要结合中国国情切切实实地实现电力资源的优化配置，降低成本，提高效率，为能源生产和消费革命尽一份力量。

基础知识：实时电价理论及其分析

美国麻省理工学院（MIT）F. C. Schweppe教授等人提出的实时电价（spot pricing）理论是国外电力现货市场的理论基础，取决于某一小时的电力供需情况，特别是：

l  负荷（总负荷及分区负荷）；

l  发电的充裕度及成本（包括从其它公司购电）；

l  输、配电网的充裕度及损耗。

实时电价的定义为各用户在各时段（1h/0.5h/0.25h/…）的电价，包括以下分量：发电边际燃料成本、发电边际维护成本、发电供电质量费用、发电收支平衡费用、网络边际损耗成本、网络供电质量费用、网络收支平衡费用。

在不考虑收支平衡费用时，实时电价由边际成本决定，即

上式在求导时应满足以下约束：

l  电能平衡：总发电量等于总负荷加损耗；

l  发电限制：第t小时的总需求不能超过该小时所有发电厂的可用容量之和；

l  基尔霍夫定律：电力潮流及损耗应满足电路定律；

l  线路潮流极限：任何线路潮流不得超过其功率传输极限。

限于篇幅，本文不对实时电价理论作详细介绍，有兴趣的读者可进一步阅读文末的参考文献。实时电价理论被认为是电力现货市场设计的“金科玉律”，数学上十分精致，但笔者认为并不符合电力生产和消费的物理特征。

实时电价是基于经典微观经济学中的社会福利最大化原理而形成的，综合考虑了短期与长期、运行与规划，但其计算模型仍采用传统经济调度的分时段功率平衡模型。实时电价理论把整个考察区间分成一系列的周期（cycle），每个周期又分为若干时段（period），然后分时段按能量（电量）平衡模型进行计算，由于每个时段的功率（电力）假设为常数，所以能量平衡模型也就是功率平衡模型。如图2所示，在这个过程中，电能商品实际上按时段切分成若干“条”，然后每条又分为若干“段”。在一个时段中，中标的发电商或电力负荷各取一“段”（即一个商品），而按统一边际价格出清方式，各段负荷（所有商品）的结算价是相同的。

图2 实时电价计算模型示意图

但是在实际中，电能的生产和利用都具有时间连续性，无论对于发电商还是电力负荷，销售或购买的商品都是具有一定持续时间的“能量块”（energy block）。能量（energy）是自然界中客观存在的，而功率（power）只是人为定义的一个物理量（即能量随时间的变化率）。火电厂的变动成本（煤耗）主要取决于所生产的能量（电量），而用户也主要关注电量的使用。市场中电度表所计量的主要是电量，也是结算的依据，而功率（电力）则主要体现在电力系统运行的物理约束中。

图3  美国PJM市场2015年夏峰日日前市场分时电价及发电成本堆积图

（本图由美国新时代能源/佛州电力公司能源市场交易中心李化先生提供）

图3中的美国PJM市场2015年夏峰日日前市场分时电价及机组发电负荷清晰地显示了电能生产的时间连续性及成本变化规律。

图4  澳大利亚某家庭日负荷成分分解

（本图由香港中文大学（深圳）赵俊华副教授提供）

图4的澳大利亚某家庭日负荷成分按电气分解的情况则清晰地显示了用电的时间连续性。

图5  二维电力商品模型

为强调时间因素在电能商品中的作用，本文定义由（功率，时间）对组成的一般的二维电力商品模型（P,t）（t1≤t≤t2），如图5所示。当 t2=t1+1并且 P=常数（t1≤t≤t2）时，即退化为实时电价理论中的一维电力商品模型，而功率曲线下的面积即为电量。由于功率可看成时间的函数，所以该二维电力商品模型也可写成（P（t）,t）（t1≤t≤t2）的形式，在实时电价定义中的电量（功率）点变成定义于（t1,t2）时间区间的一个函数，需要用无穷维空间上的数学理论（如泛函分析、变分法等）进行分析。

值得指出的是，实际上麻省理工学院研究团队已经意识到电能生产和利用的时间连续性问题，Bohn博士学位论文的第4章的附录部分（pp.247~257）采用时间连续模型研究电力用户的最优用电行为问题，并推导了基于哈密尔顿函数（Hamiltonian）的最优性条件，但这方面的研究没有继续深入下去。

引入二维电力商品模型后，市场出清的社会福利最大化问题从多阶段静态优化问题变为连续时间的最优控制问题，求解方法也从拉格朗日方法变为哈密尔顿原理，相关理论还有待深入研究。

二维电力商品模型既可以描述水平的能量块商品，也可以描述垂直的能量块商品，甚至可以描述曲线的能量块商品，比如爬坡（ramping）商品，因此是一个一般的电力商品模型，也可以扩展到以“流商品”（flow commodity）形式存在的其他能源市场。

实时电价理论的参考文献：

Schweppe教授等的专著

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

R. E.Bohn的博士学位论文

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

M. C. Caramanis的期刊论文

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.

【无所不能专栏作者，专家精英团成员，陈皓勇，华南理工大学电力经济与电力市场研究所】本文仅代表作者观点，不代表无所不能的立场和观点