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來論| 應用節點電價理論分析廣東電力市場直接交易機制

來論| 應用節點電價理論分析廣東電力市場直接交易機制

引言

作為電力體制改革

的先鋒,廣東省在2016、17年分別採用了價差電費返還和統一價格出清市場交易機制,針對這兩種市場機制已有不少專家都提出了各自的精闢見解。

有些專家認為,與2016年鼓勵市場個體積極為價差電費做貢獻(根據個體對價差電費貢獻程度的不同對價差電費進行分配)不同,2017年的統一出清交易規則會導致大部分需求方報零價(搭便車),只有少數需求方用很少的電量去搏電價,無法實現激勵相容作用;

有些專家則認為,新的交易規則能夠激勵發電側部分可能成為邊際機組的市場主體按照實際成本報價,實現發電側真正的資源優化配置,是一個可以接受的交易規則。

儘管廣東電力市場在這兩年積累很多寶貴經驗,但應該認識到目前其直接交易幾乎不考慮電網潮流安全約束(只是事後做安全校核),與一般的商品市場並無本質區別。應該說,電力現貨市場的出現才會使「電力市場」研究變成真正的「電力+市場」研究。目前,國外大部分成功電力現貨市場都採用了基於節點電價的市場出清方式,能否藉助節點電價方法分析目前電力直接交易是一個很有趣的問題。

一、統一價格出清(UCP)與按照報價支付(PAB

  • 定義:

統一價格出清(UCP),是指交易中心按照發電企業申報的供給曲線和用戶申報的需求曲線的交叉點價格作為市場的統一出清價格進行結算。

按照報價支付(PAB),是指交易中心按照市場個體各自的報價分別進行結算。

  • 特點

統一價格出清(UCP):

1、有利於市場透明、有利於市場個體按照自己的邊際成本或邊際收益進行報價(因為該市場個體一旦最終中標,將以大於其邊際成本的統一出清價格進行出清);

2、有利於刺激發電商提高生產效率降低生產成本;

3、讓中標個體通過統一出清價格與其邊際成本之間差額利潤回其收固定生產成本。

按照報價支付(PAB):

1、容易引導用戶不按照其邊際成本/收益報價(因為這樣的結果是使用戶收益為0);

2、容易使得某些節能高效機組因報高價(報價超過其邊際成本以獲取利潤)無法成交;

3、不利於刺激發電商提高生產效率降低生產成本;

4、不利於讓中標個體通過統一出清價格與邊際成本間的差額利潤回收其固定生產成本。

由上可見,統一價格出清(UCP)相比按照報價支付(PAB)具有很多明顯優勢,這也是目前許多國外成功電力現貨市場採用統一價格出清(UCP)的原因。

儘管如此,仍然有一些學者以實際電力市場中發電商策略性(抬高)報價的事實(如美國加州)對統一價格出清方式產生質疑,轉而研究以按照報價支付(PAB)替代統一價格出清(UCP)。也許,統一價格出清(UCP)和按照報價支付(PAB)孰優孰劣確實需要具體問題具體分析。

  • 社會福利分配

在經濟上,生產者剩餘是指生產者獲得的總凈效益,消費者剩餘是指消費者從競爭市場獲得的總凈效益,二者之和就是通過市場交易產生的社會福利。通常來講,對於社會福利的分配並沒有固定的形式,交易機構既可以將社會福利按照一定比例分給生產者和消費者,還可以將其分給其他非市場個體。顯然,不同的社會福利分配方案將刺激市場參與者實施不同的交易策略,這主要由市場交易規則制定者根據實際情況來確定。

下面以圖1做進一步說明:

供給曲線,代表了生產者的邊際成本(marginal cost),即生產者每增加一個單位商品所帶來總成本增量;

需求曲線,代表了消費者的邊際效用(marginal utility),即消費者每增加一個單位商品所帶來的新增效用;

面積S1代表了消費者凈效益;面積S2代表了生產者凈效益;面積S1+S2代表了總的社會福利。

對於統一價格出清方式而言,市場將以統一的價格MCP進行出清,此時隱含著將社會福利將自動分配給生產者和消費者。也就是,邊際成本低的生產者分配的社會福利多,邊際成本高的生產者分配的社會福利少;邊際效益高的消費者分配的社會福利多,邊際效益低的消費者分配的社會福利少。

對於按照報價支付而言,市場個體均按照各自的邊際成本(或效用)進行結算,總社會福利的分配方式將由市場交易規則制定者根據實際情況來確定。

圖1中的供給曲線和需求曲線相交,達到供需均衡。而從2016年3月至今,由於交易規則的限制,廣東電力直接交易市場中發電側報價曲線和用戶需求曲線一直沒有相交,其實質是發電側和用電側兩個獨立的市場,這與阻塞情況下基於節點電價的現貨市場出清類似。下面我們介紹節點電價相關理論。

二、節點電價理論

1990年,節點電價理論率先由sweppe提出,目前已成功應用於很多國家的日前電力現貨市場出清:

  • POOL模式下的電力現貨市場出清模型

假設發電商g向交易中心申報的發電成本曲線為ag+bgpg,其中ag,bg(>0)為成本參數,pg為其自身發電出力;假設用戶d向交易中心申報的負荷效益曲線為pd=cd-ddqd,其中pd,qd分別為負荷d處的電價和需求電量,而cd,dd(≥0)為負荷效益曲線參數。於是,交易中心在收到發電商和用戶報價申請之後,會以全社會效益最大化為目標進行市場出清,即:

關於上述模型有如下幾點說明:1、儘管為了公式表達簡潔,發電側和用戶側均採用了連續線性報價形式,但該模型也完全適用更為普遍的分段報價形式;2、為了計算高效且突出阻塞,本模型採用直流潮流模型分析潮流約束,且忽略了線損。

省去推導,直接給出任意節點i處的節點電價λi(等於系統向該節點供應額外1MW功率的微增費用)的表達式如下:

上面公式給出了如下信息:

  • 節點電價範例

圖2中給出了一個兩節點電力系統示意圖,在這個電力系統中有1個發電商和1個用戶,通過母線1與母線2之間的線路F12相聯絡。

圖2左邊部分給出了線路F12載流量無限大供需示意圖,這種情況下供需曲線在25MW處相交,實現了最大社會福利SS(=用戶效益S1+發電商收益S2),節點1和節點2處的節點電價相等,且均為25$/MWh。

圖2右邊部分給出了線路F12載流量等於20MW時的供需示意圖,在這種情況下供需曲線並沒有相交,而是分別與垂直於坐標橫軸(距離坐標縱軸20MW)的直線相交,由於線路阻塞的存在,節點1和節點2處的節點電價不再相等,分別為24$/MWh和30$/MWh。

這裡有幾點需要特別說明:

1、線路阻塞導致系統總的供需曲線不再相交,本質上系統被阻塞線路分割成2個獨立的供需平衡系統,母線1處的供需平衡系統由發電商與阻塞20MW進行平衡,母線2處的供需平衡系統由用戶與阻塞20MW進行平衡;

2、相比沒有阻塞情況,阻塞條件下總的社會福利SS、用戶收益S1和發電商收益S2均有所減少;

3、由於阻塞的出現,最大社會效益SS不再等於發電商收益與用戶收益之和,而變成由用戶收益S1、發電商收益S2和阻塞盈餘S3三部分組成;

4、由於各節點電價的不同,交易機構收支不再平衡,會多收一部分阻塞盈餘S3,理論上這部分盈餘是節點電價的天然產物,並不一定屬於誰,可以有多種分配方式,比如在美國阻塞盈餘就用來向輸電權所有者支付輸電權收益;

5、此外,由於阻塞的出現,總的社會效益SS會出現一個效益損失S-,阻塞約嚴重,總的社會效益SS減少就越多。

三、廣東電力市場直接交易機制解析
  • 廣東電力直接交易市場規則概況

2016年廣東電力直接交易規則:2016年3-9月,廣東電力直接交易市場採用價差電費返還機制進行市場出清,該機制將成交發電企業與電力大用戶的申報價差電費(絕對值)差額,按照一定比例分別返回給成交的電力大用戶和發電企業,初期β值取為25%(6月份后改為50%)。此外,由於交易中心在每次交易之前都規定了最大成交量限制,在已經進行過的各月交易中,供給曲線與需求曲線均沒有相交。

2017年廣東電力直接交易規則:2017年,廣東電力直接交易採用了新的交易規則,並在2、3兩個月開始正式實施。相比2016版規則,新的交易規則有兩個重大變化:1、採用了最後一個成交的購電方與售電方申報價差的算術平均值為統一出清價差;2、沒有確定的最大成交量限制,購電側累計申報電量等於各購電主體次月需求增量(次月用電需求—月度雙邊協商量)之和。此外,廣東市場2、3月中的購電側報價曲線依然沒有與發電側報價曲線相交,各月的最終成交電量等於購電側累計申報電量。

關於2016、2017廣東電力直接交易規則的細節這裡不做展開,有興趣的讀者可以參看相關文獻。

  • 應用節點電價理論分析廣東電力直接交易市場

考慮到在新舊版規則下,廣東電力直接交易市場中發電側和需求側報價曲線均沒有相交(即沒有達到真正的供需平衡),而是人為的通過規則實現發電側市場和購電側市場的同時出清,這與阻塞情況下基於節點電價的電力現貨市場出清有異曲同工之處。

下面藉助圖3分析一下2016年廣東電力直接交易規則。圖3中所有發電個體均位於節點1處,所有用戶均位於節點2處,節點1、2之間的線路傳輸容量代表了預先給定的月度交易容量限額。

由圖3中左圖所示,當沒有月度交易容量限額時,發電側報價曲線與用戶側需求曲線相交於點E(發電側報價曲線也可能不與用戶側需求曲線相交,這種情況可參見後圖4的2017年廣東電力直接交易規則示意圖),此時面積S1代表消費者凈效益,面積S2代表生產者凈效益,面積S1+S2代表總的社會福利。

由圖3中右圖所示,當沒有月度交易容量限額時,當有月度交易容量限額時,容量限額曲線(垂直於橫軸)與需求側相較於E,與發電側相較於D。此時面積S1代表消費者凈效益,面積S2代表生產者凈效益,面積S3代表阻塞盈餘,面積S1+S2+S3代表總的社會福利。需要注意的是,由於阻塞的出現,還出現了效益損失S-。

由於廣東2016年規定採用價差電費返還機制將總的社會福利返還給市場個體,其本質為「PAB+價差電費返還」機制。

下面藉助圖4分析一下2017年廣東電力直接交易規則。圖4中所有發電個體均位於節點1處,所有用戶均位於節點2處。

與16年示意圖3不同,節點1、2之間的線路傳輸容量等於購電側累計申報電量。顯然,當發電側報價曲線與用戶側需求曲線相交時,該線路傳輸容量約束與將不起作用(不發生阻塞);當發電側報價曲線與用戶側需求曲線不相交時,該線路傳輸容量約束將起到實際約束作用(發生阻塞)。圖4給出的是發電側報價曲線與用戶側需求曲線不相交的情況,這也正是17年2、3月廣東電力直接交易的實際情況。

如果採用節點電價進行市場出清,則節點1處(發電側)的出清電價為P3,節點2處(需求側)的出清電價為P1,尚有S3的阻塞盈餘。17年新規則規定按照最後一個成交的購電方與售電方申報價差的算術平均值為統一出清價差進行出清,即採用圖4中的價格P3進行市場出清,其本質是將阻塞盈餘先平均分給供給者和消費者,再平均分給每個發電商和用戶。因而,17年新規則的本質是「節點電價統一出清+平均返還」機制。

另外,有一點需要注意的是,與16年情況不同,17年交易出清不存在效益損失S-。

  • 2017年廣東新交易規則有問題嗎?

一般認為,如果某種市場機制能夠引導市場個體按照其邊際成本(發電個體)或邊際效用(用戶個體)報價的話,則認為該市場機制設計是激勵相容的,是近乎完美的市場機制。

那麼2017年廣東新交易規則符合激勵相容嗎?對於發電側來說,已有文章明確指出有約10%的邊際機組按照實際邊際成本進行報價,使得新規則對於發電側是激勵相容的;對於用戶側來講,首先要明確用戶側邊際效用到底是多少。可惜的是,我們並不知道每個用戶的邊際效用是多少(這的確也很難評價),因而,縱然很多用戶報了地板價「搭便車」,需求側報價曲線變成了難看的「釣魚」曲線,至少從原理上不能說17年新規則相比16年規則出現了很大問題。

儘管用戶側邊際效用難以準確評價,但仍有文章提出如果將所有的需求側的市場成員看為一體的,其目標是盡量多的降價,申報降價多的成員對整體降電價有利,因而從需求側成員內部來講,16年交易規則又具有激勵相容的作用。從這點來看,17年交易規則還有繼續改進的地方。

  • 新交易規則可以怎麼改進?

由上文可知,17年新規則實質是採用了「節點電價統一出清+平均返還」機制。筆者認為:基於節點電價的統一出清方式具有統一出清的各種優點,能夠反映供需兩個市場的供需平衡,也有利於讓市場逐步過渡到以節點電價為基礎的電力現貨市場(當然現貨市場也可能採用其他的定價方式);17年新規則的問題主要出在了對阻塞盈餘(圖4中的面積S3部分)的分配上,如果能夠將這部分盈餘按照價差返還機制返還給市場參與者,同樣也能起到16年對需求側成員內部的激勵相容作用。

綜上所述,筆者建議廣東電力直接交易市場採用「節點電價統一出清+價差電費返還」機制,即在供需曲線不相交時,按照供需側各自的邊際電價(圖4中的P1、P2)出清之後,將阻塞盈餘(圖4中的S3部分)按照一定比例(也可以等分)給發電側和用戶側,再將分配給發電側/用戶側的阻塞盈餘部分按照市場個體的價差電費進行返還。

結語

本文藉助節點電價、統一價格出清、PAB出清等理論對廣東電力直接交易市場機制進行了析,得到如下結論:

1、廣東2016年電力市場交易規則本質為「PAB

+價差電費返還」機制;

2、廣東2017年電力市場交易規則本質為「節點電價統一出清+平均返還」機制;

3、建議廣東電力市場交易規則改為「節點電價統一出清+價差電費返還」機制。

來論欄目文章代表作者個人觀點,不代表壹條能立場。

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