电力市场设计|电力市场设计中的反直觉问题

2018-07-30 09:05:21 走进电力市场　点击量：评论 (0)

电力市场是否能够实现其目标，市场这只无形的手是否能够发挥更好的作用，很大程度上取决于市场的具体的设计。电力市场的设计需要考虑电力系

电力市场是否能够实现其目标，市场这只无形的手是否能够发挥更好的作用，很大程度上取决于市场的具体的设计。电力市场的设计需要考虑电力系统的一些物理的、技术的特点和约束，但其本质上仍然是一个经济学方面的问题，设计中需要更多从经济的角度考虑。考虑市场中市场主体之间的博弈，考虑市场的动态性等因素，电力市场会有很多“反直觉”的问题，也就是说，市场的结果和直观的判断常常是反的。美国国家工程院院士，IEEE Fellow，电力市场资深设计专家Shmuel S. Oren教授2018年7月20日在广州交易中心交流，也特别提到了这个问题。本文对这个问题进行简单的讨论，以避免在我国电力市场设计中出现反直觉、不利于市场目标实现的因素。

一、反直觉问题概述

简单的说，反直觉就是某种过程的实际结果与直觉的预测不一样。电力市场设计中，反直觉就是：对市场设计中的某个环节，其实际的效果与预期的不一致，甚至是相反的。

反直觉的原因，主要是由于市场的动态性、系统性和长期性。动态性主要是考虑到，市场主体的策略、行为是会随着市场规则的变化而变化的，如果将其行为看为静态的，固定不变的，预期的结果和实际的结果就会有很大的差别。

而系统性主要是考虑到电力市场是一个包括多个产品、多个市场、多个主体的复杂系统，其目标也包括效率、公平、环保等多个方面。某个市场设计方案、措施可能对市场的某个方面是好的，但对其他方面的坏的影响可能更大，总体就产生了坏的影响。

长期性主要考虑短期效果和长期效果之间的矛盾。电力市场的最终目标是长期的效果。某种设计或某个政策在短期内是有利的，在长期可能反而起到相反的结果。

二、反直觉问题举例

这里用大家熟悉的几个例子进一步说明电力市场中的反直觉问题。

1、市场结算方式的问题

我们知道，在集中的竞价市场中，市场结算有多种方式(参考本公众号之前的文章：我国电力市场直接交易竞价模式的经济学原理分析 (四竞价规则分析))，比较典型的就是按报价结算和按统一边际价格结算两种方式。

按报价结算(PAB，Pay as Bid)：所有中标的市场主体按照其申报的价格结算。

统一边际价格结算(MCP，Marginal Clearing Price)：所有中标的市场主体按照统一的边际成本价格结算。边际成本是指增加单位负荷增加的成本。

图1 PAB与MCP机制的对比

如图1 的例子，是某个市场的报价及出清曲线。横坐标是出力水平，单位为MW，纵坐标为价格，单位为(￥/MWh)。图中橙色的线条是发电侧的报价，蓝色的垂直的线条是系统的需求曲线(没有价格弹性，是固定的负荷)。绿色的虚线是系统的统一边际出清价格MCP。

1）直观的结果

从图中可以看到，如果对发电出力按报价进行结算，相对按统一边际价格结算的方法，总购电成本要更低。

PAB结算：总购电成本=100*2+200*1+400*1=800元。

MCP结算：总购电成本=400*4=1600元。

如果用户的价格按平均购电成本，则PAB下，电价为200￥/MWh，MCP方式下电价为400￥/MWh。

【直观结果】显然，如果市场的目标是尽量降低电价，从直觉上，应该选择PAB方式，这种方式下电价大大下降，能够把市场的红利尽量多的给消费者。

2）实际的结果

实际市场中，会出现这个结果吗?增加消费者福利的目标可以实现吗?

回答这个问题，需要考虑市场主体在市场中的策略。这里，由于负荷不参与报价，影响市场结果的主要因素就是发电侧的报价。为了分析方便，这里假设图1中发电侧的几段报价分别代表不同的发电企业，也就是说市场中共有4个发电企业，其发电成本(边际成本)分别为100￥/MWh、200￥/MWh、400￥/MWh和600￥/MWh，其最大发电容量分别为2MW、1MW、2MW和2MW，系统的负荷为4MW。

（1）直觉实现的条件

假设市场主体在不同的市场机制中策略都一样。也就是说，在PAB和MCP两种出清机制下，报价一样，比如报价曲线都为图1中橙色的线条。那么，PAB下的总购电成本一定比MCP下的低，PAB下用户的电价就会比MCP下的低。这样，就是直觉的结果。

（2）实际结果

在这个例子中，预期的、直觉的结果能否实现，主要就取决于直觉分析的假设条件在实际中是否成立：市场主体在不同市场机制下的报价策略相同。

显然，实际市场中，这个结论是不成立的。市场中的一个基本假设，就是认为市场主体会在市场规则下尽量追求自身利益的最大化。因此，其市场策略会随着市场规则的变化而变化。

在MCP机制下，所有入围发电的机组，无论其成本、报价是多少，最终都按照系统统一的边际成本价格结算。这种情况下，如果竞争充分，市场主体的最佳策略是按照自身真实的边际成本报价：市场出清价如果高于报价，就可以发电，同时拿到市场价格与报价之间的差价的额外利润;如果市场价低于报价，说明市场价格低于其发电成本，也没必要发电。如果报价高于边际成本，存在本来能盈利但因报价过高无法入围的风险;如果报价低于边际成本，存在以低于其实际边际成本的价格出清而引起亏损的风险。简单的说，在MCP机制下，在竞争充分的市场中，市场主体的最佳报价策略是按真实的成本报价。市场的统一出清价，也就是用户的购电成本，就是系统的边际成本。在本例中，市场统一出清价MCP为400￥/MWh。

关键是PAB下的结果。PAB下，市场主体从自身利益最大化的角度，会如何报价呢?其最佳策略会仍然是按照真实的成本报价吗?显然不是。其策略是：预测系统中最后入围(报价最高)的机组的报价，然后报一个类似的价格。比如，本例子中，市场主体如果能够准确预测市场的需求情况，也知道市场中各个发电机组的容量和成本情况，考虑到一般市场主体的报价不会低于实际成本，无论发电企业自身的发电成本是多少，其最佳策略都是报一个略低于400￥/MWh的价格。

在市场运行的早期，在市场主体对市场供需、其他市场主体的经济技术特性和报价策略不太清晰的情况下，其报价策略会比较保守，低成本的电厂为了保证成交，申报价格会低于预测的MCP较大幅度，因此PAB下市场的购电成本会减小，用户的电价会降低。但是，随着市场的成熟，市场主体对市场信息的了解，所有电厂的报价会都趋同MCP价格，这样，就达到了类似MCP出清方法下的结果。

从上面的分析看到，MCP机制下市场主体需要的信息较少，报价策略也相对比较简单。PAB下，市场主体为实现其最大收益报价需要较多的市场信息，包括市场供需情况和其他市场主体的情况，报价策略也会更加复杂。因此，PAB下，市场的信息成本、交易成本相对MCP下会增加。

【实际的市场结果】不考虑交易成本，在短期PAB机制下的购电成本会低于MCP机制下，但在长期，考虑市场主体市场策略的调整，PAB机制下的购电成本与MCP机制下的趋同。从交易成本的角度，PAB机制下的信息成本、报价策略成本等会更高。总的来说，从长期看，PAB下的总成本可能反而高于MCP机制下的成本，增加用户的负担，出现反直觉的现象。

3）启示

我国在本轮电力市场改革中，各地创新了很多种市场的出清机制。包括广东的价差返还机制，云南的比例返回机制，新疆的低低匹配方式等。采用这些方式的目标有多个方面，但其中一个方面的目标都是降低电价。在实践中，很多市场都发现结果与预期的、直观的不一样。目前，集中市场中主流的出清方式仍然是MCP机制。

当然，上面的分析的假设条件是市场竞争充分。在市场竞争不充分的情况，结果可能又有不同。但是我们可以得到的启示是，考虑市场主体的动态(根据市场规则的调整而调整其市场策略)，考虑市场的长期、动态的均衡，市场的结果可能与我们直观的考虑不一样。

2、可再生能源政策的问题

我们这里要举的另外一个例子是可再生能源政策的问题。世界各国都出台了多种多样的支持可再生能源发展的政策。根本目标，是应对环境变化，减少电力生产中产生的对环境不利的影响。实际的效果是否实现了预期的目标?或者说，实际的结果与直觉的结果是否一样?很多国家的经验表明，答案经常是否定的。也就是说，很多支持可再生能源发展的政策，反而增加了排放，恶化了环境，出现了与预期目标相反的结果。这也是很多国家对可再生能源政策进行调整的原因。

本文不是专门讨论可再生能源政策，仅举一个简单的例子说明在可再生能源政策领域中的反直觉问题。

1）可再生能源电价补贴政策

可再生能源电价补贴政策是各国最常用的一项政策。通过给予可再生能源固定的比较高的价格或者固定的电价补贴支持其发展，从而达到可再生能源发电比例增加，传统化石能源发电比例减少，排放减小的结果。

这个直觉的结果的逻辑是：给可再生能源补贴→可再生能源发电比例增加→化石能源发电比例减少→排放减少。

2）直觉结果实现的条件

直觉结果实现的条件是，可再生能源发电比例增加、化石能源发电比例减少可以减小排放。具体来说，假设

(1)系统的总负荷需求是一定的

(2)化石能源企业的单位发电量的燃料消耗、污染排放是固定的

那么，我们直觉的结果就是对的。因为对可再生能源企业的补贴会增加其对化石能源发电企业的市场竞争力，从而使其发电量增多，化石能源企业发电量减小。由于化石能源企业的单位燃料消耗和单位污染物排放是相同的，因此系统总的燃料消耗减少，污染物排放减少，达到了我们预期的、直觉的目标。

3）实际的结果

我们看到，上面分析的直觉结果实现的一个重要条件是，“化石能源企业的单位发电量的燃料消耗、污染排放是固定的”。实际中是否这样的呢?

(1)短期结果。短期，就是不考虑机组的更新换代的情况，仅考虑短期的运行策略。我们知道，电力系统的负荷是波动的，发电必须要保持与负荷的实时的平衡。而发电机组的单位发电煤耗、单位发电污染物排放与其机组的出力水平、波动情况是密切相关的。如果是比较固定的负荷，机组可以在比较高效、低煤耗的水平上平稳发电，系统总煤耗、总排放就会比较低。但是如果负荷波动很大，机组出力需要频繁的调节，机组就会更多运行在煤耗高、排放大的出力水平。随着可再生能源发电比例的增多，系统的净负荷(负荷与可再生能源出力的叠加)的波动性更大，因此即使化石能源企业的总发电量减少，但其总煤耗、总污染排放也可能反而增加。

(2)长期结果。长期考虑对发电投资的影响。对可再生能源发电企业的补贴，降低了传统化石能源企业在市场中的竞争力，因此可能导致传统化石能源企业无法(没有能力，或者没有激励)及时更新、换代。这样，就影响了化石能源发电领域相关新技术的研发与应用，从而影响系统排放的降低。

(3)综合结果。综合结果可能是，可再生能源发电比例增加，但是系统的总的排放并没有减少，反而增多。欧洲很多国家已经观察到这个现象，并开始对相关的政策进行调整。

4）启示

可再生能源政策产生的反直觉的结果，其根本原因是：在制定相关政策或进行市场设计的过程中，没有考虑到系统的整体的情况，仅考虑了对市场某个环节的影响。没有考虑到，政策或者市场机制可能对市场系统的其他部分产生反面的影响。

3、加州电力危机

1）加州电力危机简介

美国加利福尼亚州是硅谷所在地，是美国创新经济的一个核心城市。2000年-2001年之间发生了严重的电力危机：电力供不应求，大面积停电;批发市场电价飙升;电力公司破产。危机的发生有很多方面的原因，包括客观上的原因，如天气寒冷导致供热需求增加;天气干燥造成水电出力减少;经济突然快速发展造成没有预期的电力需求增加等。但是，加州电力市场设计中的一些问题，也是造成、加剧这个危机的重要原因。这里仅举其中的一个例子说明电力市场设计中的反直觉的问题。

国际范围内，在电力市场改革的初期，都起到了降低电价、提高效率的结果。因此，很多市场设计者想当然的将电价降低作为一个假设条件。但是，电力市场中的价格应该是反映供需水平的，在供大于求的情况下，市场化会增加竞争从而促进降低电价;但是在供不应求，电力供给短缺的情况下，市场的自然的结果就是电价上升，从而激励新的投资。如果相关政策、机制的设计基于一个不变的市场供需情况，就会出现反直觉的结果。

2）加州电力市场过渡阶段对电力公司的政策

加州由于电价成本较高，较早响应美国能源监管委员会FERC的要求进行电力市场改革，制定了一系列的市场设计。为了解决一些历史问题，设定了一定的过渡期：1998年-2002年。在过渡期内，制定了一些保证相关主体利益，保证市场平稳过渡的政策。

其中的一个过渡政策是：考虑到市场化后电价会逐渐下降，对负责对终端用户供电的电力公司，要求其不能与发电企业签订长期合同。这样，全部电力均从集中的现货市场中购买，从而可以充分享受市场带来的降价的红利。

【直觉的结果】对这个政策，直觉的结果是：电力公司从现货市场购买到了相对以前更便宜的电力，从而获得更多的利润，用来解决一些沉淀成本的问题。也就是说，禁止电力公司签订长期合同的直观结果是电力公司利润增加。

【实际的结果】实际的结果大家都知道了，由于需求增加，供给减少，批发市场价格飙升(价格上升还有市场力方面的原因)，电力公司由于缺乏长期合约，购电成本大幅上升，甚至导致了电力公司破产的结果。

3）启示

这个例子中出现反直觉结果的主要原因是：市场设计或政策制定中，未考虑市场供需情况可能发生的变化，基于某个特定的供需情况、系统状况进行市场的设计，当市场供需情况或系统状况发生变化时，就会出现与早期预期相反的结果。

总结

在进行电力市场机制设计、电力市场相关政策的制定过程中，要特别注意“反直觉”的问题。也就是说，市场的实际结果经常与直觉的结果是不一致的。为了避免这种反直觉的结果，在电力市场设计中需要注意以下几个方面的问题。

1）考虑电力市场的动态性。电力市场不是一个静态的市场，市场主体的市场策略是会随着市场规则、相关政策的变化而变化的。这是在电力市场设计中最容易忽略的一个问题。进行新的市场设计、出台新的政策时，一定要进行动态的评估，分析这些政策对市场主体的影响是什么?他们的市场策略会发生什么变化?

2）考虑市场的整体性。电力市场由很多个部分组成。某个市场环节的机制的设计，必须考虑这个机制会不会对市场的其他的环节产生影响?产生什么样的影响?可再生能源政策例子中，反直觉结果的原因之一就是没有考虑可再生能源比例增加对化石能源企业出力特性及相关成本的影响。

3）考虑市场的长期性。电力市场改革的最终目标是要实现长期的资源配置的优化。电力市场机制设计中，一定要考虑各种机制、政策的长期影响，考虑市场供需情况等内外部环境变化的影响。