深度丨“电力市场设计学”的基本概念及方法论

陈皓勇教授首次提出“电力市场设计学”理念，源自“设计学”(一门理、工、文相结合，融机电工程、艺术学、人机工效学和计算机辅助设计于一体的科技与艺术相融合的新型交叉学科。有两个含义：一、它是多学科交叉的一门理论;二、电力市场设计既是科学，也是艺术。

体制改革犹如郎中治病，良医懂得对症下药，具体问题具体分析，庸医却自称有神丹妙药能包治百病。因此“电力市场设计学”也只是类似中医的“四诊八纲”，提供市场设计的科学方法论而不给出任何有关具体市场模式和交易机制的定论。

“电力市场设计学”的基本概念及方法论

陈皓勇1，陈玮2，朱刚毅3，荆朝霞1，李小璐3

(1华南理工大学电力学院，广东广州510641，2广州电力交易中心，广东广州510623，3贵州电力交易中心，贵州贵阳550001)

摘要：当前电力体制改革已进入深水区，电力市场设计和规则制订已成为电力市场改革主导部门所面临的关键问题，但是电力市场设计的科学方法论尚未建立起来。本文提出“电力市场设计学”的概念，涉及电力系统工程、运筹学、微观经济学、博弈论、拍卖理论、金融学、计算经济学、实验经济学等多学科的知识。电力市场设计学以中国特色社会主义政治经济学作为总体指导思想，树立系统观并掌握系统工程方法，具体设计过程则包括基于经典微观经济学和金融学的电力市场体系初步设计、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制设计、基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真和电力市场交易的实地研究等步骤。电力市场设计学的基本方法已应用于南方区域电力市场体系和交易品种设计等工作，其所包含的深刻丰富的内容还有待进一步深入研究和应用。

关键词：电力市场，交易机制，微观经济学，实验经济学，拍卖理论

中图分类号：TM73;F123.9

0引言

中共中央、国务院《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号文)(下称“9号文”)印发已近三年，电力市场改革逐渐进入深水区，围绕改革的目标模式、实施路径以及方法论等问题的争论十分激烈。

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，不仅关系到国家能源安全与经济发展的全局问题，也与人们日常的生产、生活息息相关，因此电力市场改革必须慎之又慎。电力既具有商品属性，同时也是重要的生产资料，保持发用电实时平衡是电力系统安全稳定运行的前提，因此电力又不是普通商品。作为一种行业经济体制，电力市场机制与各国的政治经济制度、法律环境、文化背景、工业发展水平等等密切相关。世界上并不存在一个完美的电力市场模式，各国电力市场仍都在实践中不断修改和完善，因此别国市场模式虽可借鉴但无法照搬，而经济学教科书上的经典理论也难以直接应用于实际电力市场的设计。

电力市场的这些特点在理论与实践上都给我国当前的电力市场设计提出重大挑战。在实际市场研究与设计经验的基础上，借鉴“设计学”(“设计学”是一门理、工、文相结合，融机电工程、艺术学、人机工效学和计算机辅助设计于一体的科技与艺术相融合的新型交叉学科)的思路，本文提出“电力市场设计学”的概念并探讨其基本内容。

1作为微观经济系统的电力市场体系

在经典经济学理论中，市场是一种通过自由竞争与交换来实现资源优化配置的一种机制。市场中存在多个相互作用的买方和卖方，通过市场机制共同决定商品或劳务的价格和交易数量，如图1所示。自从西方经济学鼻祖斯密(AdamSmith)揭示了市场机制(看不见的手)的基本原理后，经济学家们进行了许多深入探索。19世纪末英国经济学家马歇尔(AlfredMarshall)建立起支配西方经济学界40年之久的“新古典经济学”理论体系，以局部均衡理论(PartialEquilibrium Theory)(单个或部分市场的供需均衡理论)为基础。局部均衡理论也是国外电力市场设计的重要经济学理论依据。奥地利经济学派代表人物哈耶克(FriedrichAugust von Hayek)的市场秩序理论则认为：市场秩序的本质是自由，法治是基础，效率是优势‍[1]。

图1 市场机制示意图

经典经济学理论侧重于完全竞争和完全信息的理想市场分析，而现代经济学理论则更多地基于博弈论、信息经济学等对不完全竞争和不完全信息市场的建模和分析，更贴近于真实市场的情况。现代经济学将市场机制理解为微观经济系统(microeconomic system)，包含两个不同的元素，即：环境(environment)和制度(institution)[2]。

环境：环境由个具有自主行为能力的经济人，个商品(包括资源)组成。每个经济人都具有一些特征，如效用函数，技术(知识)禀赋，商品禀赋向量。因此，第个经济人的特征可用向量表示。从而，一个微观经济环境可由一组特征的集合来定义。因此微观经济环境被定义为市场初始条件的集合。

Ÿ制度：制度定义一组规则，在这种规则下经济人能交换或改换商品，因此根据各自的喜好和知识改变初始禀赋。因为所有的商品交换和商品改换都必须以经济人间的信息交流为前提。制度不但规定了财物所有权，也规定了讲话或不能讲话的权力(例如，在一个拍卖交易中不能叫“1000元”除非你想出价1000元)、要求支付或交货的权力、排他性的所有权等等。

微观经济环境和微观经济制度相结合定义了微观经济系统。电力市场交易体系即一个典型的微观经济系统。

从博弈论的观点，电力市场交易属于不完全信息动态博弈。电力市场的交易规则实际上是一组类似于扑克牌规则的博弈规则，市场主体将在这组规则下寻求自身利益最大化的策略，进而通过出清机制形成市场整体的结果，如图2所示。在给定的市场环境(包括供需形势，市场主体的生产成本、资源禀赋、风险偏好，电力系统安全约束等)下，市场主体基于市场规则采取对各自有利的交易策略(一般不会按理论上的真实边际成本或边际效益报价)，多个市场主体的策略行为通过市场规则形成市场整体的交易结果。在市场环境和市场规则相对不变的情况下，市场主体的策略行为和市场交易结果具有一定的规律性。

图2 市场规则的作用机理

电力市场改革属于“技术密集型”的改革，涉及电力系统工程、运筹学、微观经济学、博弈论、金融学等多学科知识，但本身却不是技术上的革新，而属于社会科学的范畴。电力市场改革本质上是经济关系(生产关系)的调整，良好的市场机制将促进电力行业生产力的发展和技术进步。电力市场的核心问题是发、用电权的竞争与分配和电费如何结算(市场福利如何分配)的问题。抛开复杂技术的表象，电力市场改革应被理解为“复杂技术约束条件下的经济体制改革”，应从中国特色社会主义政治经济学的高度进行认识。

2电力市场设计的主要内容

作为一个微观经济系统，电力市场的各个组成部分环环相扣，市场设计属于复杂的系统工程。电力市场设计的目标包括：

1)效率目标：电力市场效率根据时间尺度可分为长期效率和短期效率。长期效率主要表现在电力系统投资、规划的有效性。短期效率主要表现在电力系统运行的有效性。市场机制设计应能引导出整体社会福利最大的投资与运行决策;

图3电力市场体系示意图

2)公平目标：效率与公平自始自终是我国经济体制改革的两大主题，市场机制设计应实现社会福利在生产者与消费者之间、生产者内部、消费者内部以及不同地理、行政区域间的公平分配;

3)安全目标：由于电力供应影响面广并涉及国家安全，电力系统发用必需实时平衡，暂态过程极为短暂，保证电力系统安全可靠运行与良好的电能质量始终是第一要求，也是市场设计的刚性约束;

4)环保目标：构建清洁低碳、安全高效的能源体系是生态文明建设的要求。电力市场机制设计应有助于绿色技术创新，推动绿色金融发展，壮大节能环保产业、清洁生产产业、清洁能源产业。

电力市场设计的中心问题仍然是电力电量平衡，但在实现手段上将从传统的计划经济体制变为符合国情的市场化交易，其内容应包括总体的市场体系设计与具体的交易机制设计。电力市场体系即总体的电力市场架构，图3是一个简化的电力市场体系的基本内容，包括市场主体、交易对象、交易类型3个方面。交易机制设计的基本内容包括交易方式、交易周期等。目前我国电力市场常见的交易方式有双边协商、集中竞价和挂牌交易等。对于双边协商交易，电价和交易量是交易双方的私有信息，而对于集中竞价交易，电价和交易量一般是公开的，集中竞价是电力市场价格形成的主要机制。集中竞价的出清规则等“细枝末节”问题直接决定了电价如何形成，是关乎市场全局的重要问题。

3电力市场设计的系统工程方法论

与别的市场显著不同，电力市场是基于电力系统这个世界上规模最庞大、层次最复杂、资金和技术最密集的人造工业系统而建立的。我国拥有世界上规模最大的电力工业，在电力系统规划、设计方面积累了丰富的经验。因此电力系统规划设计所采用的系统思维和系统工程方法也可作为电力市场设计的参考。电力系统规划设计的根本目标是：在国民经济发展的宏观规划下，合理开发和利用动力资源，用尽可能少的投资和运行成本提供充足、可靠和质量合格的电能，满足国民经济发展及人民生活水平提高的需要。电力系统规划由电力负荷预测、电源规划和电网规划构成。电力系统规划设计需要系统思维和科学方法论。在规划设计过程中不仅要考虑能源资源、经济发展趋势等不确定因素，还要兼顾长期与短期、经济发达地区和欠发达地区的能源供需，还要考虑法律法规、环境保护、政治经济形势，进行全方位地分析和评价[3]。

电力市场作为微观经济系统，其影响贯穿电力系统规划运行的各个环节，其规划设计的难度绝不低于电力系统工程项目，由于涉及不同市场主体的利益博弈，难度甚至更大。从系统的视角，电力系统属于物理系统，而电力市场属于社会系统(人的系统)，前者的科学严谨的设计方法完全可以为后者的设计提供参考。在电力市场设计过程中，也应该遵循一定的科学程序和方法论：先分析当地的电源结构、负荷需求、电力网络结构、系统运行情况，确定初步的电力市场体系(市场主体、交易对象、交易方式等);然后设计具体的交易机制(交易周期、双边协商交易具体内容、集中竞价出清方式等);市场设计方案初步确定后，要进行测算和仿真实验分析，预判可能出现的交易结果，如可能出现不合理的结果则需要返回修改设计方案;市场设计方案最终确定后，要制订详细的交易规则，开发技术支持系统，开展市场试运行，进行实地研究，根据实际交易中出现的种种情况还可能需要进一步修改完善市场设计方案和交易规则。

4基于经典微观经济学和金融学的电力市场体系初步设计

在中国特色社会主义政治经济学的指导下确定了电力市场的价值目标后，在电力市场体系和交易机制设计的技术层面，应充分借鉴西方现代经济学的科学方法。在经典微观经济学的局部均衡理论中，供给曲线和需求曲线的交点对应的价格就是均衡价格(市场出清价格)，交点对应的产量就是市场均衡产量。在市场均衡条件下，将实现社会福利(socialwelfare)最大化。经典经济学理论描述的是理想化市场的情形，是实际市场高度抽象的产物，忽略了许多重要因素，适用于市场机制的原理性分析，可以应用于电力市场体系的初步设计，判断不同市场结构下的价格变化趋势和社会福利分配情况。除现货实物交易外，国外电力市场还建立了电力金融衍生品交易市场，目前常见的电力金融衍生品主要包括电力远期合约、电力差价合约、电力期货、电力期权等。电力金融市场的设计需要采用现代金融学的方法。

图4为作者所提出的电力现货市场建立前南方区域电力市场体系建议方案。保持省区内中长期交易和跨省区中长期交易并存的局面，广州交易中心负责跨省区电力中长期交易，由各省区交易中心负责本省区的电力中长期交易。在2017年《南方区域跨区跨省月度电力交易规则(试行)》的基础上，增加年度交易品种，包括年度协议计划，年度电力直接交易以及年度发电合同转让交易;月度交易引入年度合同电量调整机制、月度双边交易。

从跨省区交易和省区内交易的组织时序上看，省间年度交易先于省内年度交易开展，省内、省间年度交易结束后开展省间年度发电合同转让交易。省内月度交易与省间月度交易的开展时间不区分先后顺序，市场主体自行分解电量，选择参与相应的市场。

从跨省区交易品种的组织时序上，年度交易依次开展年度协议计划、年度双边协商和集中交易和年度发电合同转让交易，月度交易依次开展月度协议计划交易、月度发电合同转让交易、月度富余电能直接交易，丰水期可考虑周内开展发电合同转让交易和富余电能直接交易。

图4南方区域电力市场体系建议方案示意图

5基于拍卖理论、博弈论的电力市场交易机制设计

如前所述，经典微观经济学的供需均衡理论不能生搬硬套于不完全竞争/不完全信息市场的竞价机制设计，电力市场交易机制设计需要基于更先进的拍卖理论、博弈论与设计经济学等。

电力市场中，电能产品实际上都是通过各种拍卖机制完成的。1961年，诺贝尔经济学奖获得者美国哥伦比亚大学WilliamVickrey教授提出拍卖理论，在详细分析了上升出价拍卖(ascending-bidauction，或称为英国式拍卖)、下降出价拍卖(descending-bidauction，或称为荷兰式拍卖)、第一价格暗标拍卖(first-pricesealed-bid auction)、第二价格暗标拍卖(second-pricesealed-bid auction，或称Vickrey拍卖)后，他发现无论采用什么拍卖制度，中标者的最优的出价策略是使竞争力第二的投标者刚好出局，并提出了著名的收益等价定理(RevenueEquivalence Theorem)。通过半个多世纪的研究，拍卖理论已发展成为一套系统的微观经济理论，用来分析和解释拍卖机制的内在机理，也为实际操作提供了许多有用的建议。有关拍卖机制与行为的研究，广泛涉及到博弈论、信息经济学及机制设计理论等众多当代经济学前沿领域[4,5]。

对于四种基本拍卖类型，各国学者已进行了深入的研究。但现实经济生活中的拍卖过程是非常复杂的。相对于单个商品的拍卖问题，有多个商品的拍卖问题(multi-unitauctions);相对于单一拍卖者的问题，有多个拍卖者的拍卖问题，这样多个买方和多个卖方的竞标问题称为双侧拍卖(doubleauctions)。当前国内电力市场常见的中长期电量集中竞价实际上属于多个买卖方的多个商品双侧暗标同时拍卖。从拍卖的出清方式来讲，主要有统一边际价格出清方式(MarginalClearing Price，MCP)、按报价支付的方式(Pay-as-Bid，PAB)及其他各种变形的方式。

受广东电力市场2016年月度电量集中竞价所采用的独特的价格电费返还出清机制启发，本文提出一种适合电力中长期集中竞价的“双侧等效PAB出清机制”，如图5所示。供应方结算价格为申报价格乘以供应方结算系数α，总供给曲线即向上等比例延伸一段，需求方结算价格为申报价格乘以需求方结算系数β，即总需求曲线向下等比例收缩一段，而此等比变换所产生的社会福利(代表总电量需求的红色直线左侧褐色实线和虚线所夹面积与蓝色实线和虚线所夹面积之和)正好等于供需申报价格所产生的社会福利(红色直线左侧褐色实线和蓝色实线所夹面积)。在此机制下，供应方和需求方只有尽可能靠近红色直线处的边际价格报价并且保证成交，才能使收益最大，但此时不成交的风险也最大，风险与收益成正比。在此竞价机制下，α和β的选取是一个关键问题，决定了社会福利在供需两方的分配。由于供需主体的报价策略与PAB出清机制相似(即按预测的边际价格报价)，故称之为“等效PAB出清机制”。

图5适合中长期集中竞价的双侧等效PAB出清机制

从方法论上讲，由于电力市场设计类似于工程师思路，应基于现代设计经济学(DesignEconomics)[6]。设计经济学被称为经济领域的工程学，是一门仍在形成中的学科，除了拍卖理论和博弈论外，还将实验经济学(ExperimentalEconomics)和计算经济学(ComputationalEconomics)(经济系统的计算机仿真)方法引入市场设计。美国联邦通讯委员会(FCC)采用几位经济学家设计的拍卖机制，分配无线频谱的使用权，为美国财政部带来二百多亿美元的收入，因此拍卖机制很快就被推广到其他领域。这是设计经济学成功应用的突出案例。

6基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真

在制订和修改交易规则时，对于规则执行可能产生的效果，不应仅仅停留在定性分析，而应该进行定量计算。最基本的要求是基于本地市场的实际数据做好测算分析，判断交易规则实施后可能出现的市场形势、电价水平及可能出现的问题。如前所述，严格的理论分析应建立在市场机制的拍卖理论和博弈论模型的基础上，但由于电力市场的复杂性，所建立的数学模型往往难以求解和分析，另外一种有效途径是基于实验经济学和计算经济学的仿真实验。

Ÿ基于代理的计算经济学仿真

基于代理的计算经济学(Agentbased Computational Economics，ACE)是用计算机模拟的方法来进行经济研究的新技术。其途径是通过大量具有独立智能并相互影响的Agents(代理)组成的软件平台来模拟真实的经济系统。代理(Agent)指模拟计算中采用的一个实体(具有一定智能决策能力的软件模块)，它由一系列数据和方法构成，具有自主性、社会性、反应性、主动性等特性。待研究市场的每个市场主体都用模型中的一个代理来代表。作为一种特殊的电力市场ACE方法，由作者最早开展研究的协同进化算法(Co-evolutionaryAlgorithm)由于有进化博弈论(EvolutionaryGame Theory)的理论基础，并已找到生物学证据，是电力市场仿真和稳定性研究的好工具[7-9]。当前人工智能技术出现了飞跃式发展，在诸如围棋等多个领域已经战胜人类，若能引入电力市场仿真，必能为电力市场的设计、分析与评估提供崭新的手段。

Ÿ实验经济学仿真

近年来实验经济学在电力市场的研究中逐渐得到应用。实验经济学借鉴自然科学实验的方法，试图在实验室通过可控的实验来证明经济学的理论假说或检验经济政策的实施效果，其代表人物VernonL. Smith教授在2002年获得了诺贝尔经济学奖。

在电力市场的实验经济学研究中，用人(如学过电力市场课程的学生，称为被试者)来代表实际市场中的买方、卖方进行交易决策，并根据各自的表现给予一定的奖励。现在的电力市场经济学实验大多在计算机网络平台上进行。实验的方法与博弈论是相伴而生的，对于设计和分析电力市场模式及交易规则、解释电价形成机制等方面有重要作用[10-12]。

价值诱导理论(InducedValue Theory)是实验经济学的核心理论。在经济实验中，为达到对被试者行为的控制，实验者可采用适当报酬媒介(rewardmedium)，如现金，诱导被试者产生所希望的经济行为特征，而减弱被试者的先天特征(innateacteristics)和个性因素的影响。价值诱导的充分条件可归纳为三点：单调性(Monotonicity)、突显性(Salience)、优超性(Dominance)[10-12]。

7电力市场交易的实地研究

任何市场设计方案最终都要经受实践的检验。实地研究(fieldresearch，也称为“田野调查”)是深入到研究对象实地，以观察、访谈的方法搜集实际数据，并通过对实际情况的分析研究来解释社会现象的一种研究方式，是市场研究的最后一个环节。图6为作者搜集的广东电力市场2017年2月～7月电量集中竞价出清结果(采用统一边际价格出清方式)，图中的曲线为参与交易的供应方和需求方的总体报价曲线。可以看出，需求方和供应方的报价策略均有一定的规律性。从需求方(大用户和售电公司)策略来看，绝大部分电量(97%以上)都采取了0报价(天花板报价)，只有少部分电量报价下探以博弈边际价格，形成俗称的“钓鱼曲线”，但在统一边际价格出清方式下，这少部分电量报价却影响整个市场价格。从供应方(发电厂)策略来看，从2月到7月电量竞价，越来越多的供应方报地板价，形成俗称的“跳高曲线”。按目前的广东电力市场交易规则，在月度电量竞价中，需求方报价越高越优先成交，最高限价为0厘/千瓦时(价差)，供应方报价越低越优先成交，最低限价为-450厘/千瓦时(价差)。无论是供应方还是需求方，保电量(保成交)都是第一考虑，而在统一边际价格出清方式下，除边际的供需方外，大部分供应方和需求方的报价与市场出清价没有任何关系，报地板价或天花板价搭便车就成为普遍现象。需要特别说明的是，这些出清顺序及市场主体的策略性行为在经典供需均衡理论中是完全没有考虑的。或者说图5、图‍6中的实际报价曲线与微观经济学中的理论供需曲线[1]“形似而神不似”，其实质是完全不同的，经典经济学理论不能生搬硬套，这也说明实地研究的重要意义。

8结论

当前电力体制改革已进入深水区，电力市场设计和规则制订已成为电力市场改革主导部门所面临的关键问题。但是，“市场设计”的观念尚未建立起来，有关部门也还未掌握电力市场设计的科学方法论，照搬国外市场模式的倾向仍然十分明显。作者认为，电力体制改革的基本原则应该是，在9号文所确定的基本方针指引下，坚持实事求是、问题导向，灵活运用市场经济基本原则解决我国电力工业中现有体制所未能解决的问题，还原电力商品属性;而电力市场交易体系设计的中心问题是以符合国情的市场化交易手段实现电力电量平衡。电力市场设计是一项高度专业化的任务，涉及电力系统工程、运筹学、微观经济学、博弈论、拍卖理论、金融学、计算经济学、实验经济学等多学科的知识。本文提出“电力市场设计学”的概念，以中国特色社会主义政治经济学作为总体指导思想，树立系统观并掌握系统工程方法，具体设计过程则包括基于经典微观经济学和金融学的电力市场体系初步设计、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制设计、基于计算经济学和实验经济学的电力市场仿真和电力市场交易的实地研究等步骤。电力市场设计学的基本方法已应用于南方区域电力市场体系和交易品种的设计等工作，但目前还仅仅属于起步阶段，其所包含的深刻丰富的内容还有待进一步深入研究和应用。

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该文发表在2018年6月《电力大数据》第21卷第6期。