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深度|电力市场交易机制设计的关键概念及方法论

来源:大唐电力人才网 时间:2017-09-21 作者:陈皓勇 浏览量:

交易机制设计是电力市场建设的关键问题。国家发展改革委、国家能源局2015年11月26日印发的电力体制改革配套文件2《关于推进电力市场建设的实施意见》对电力市场模式、交易机制等进行了一些规定和说明。2016年12月29日,国家发展改革委、国家能源局印发了《电力中长期交易基本规则(暂行)》(以下简称“基本规则”)。“基本规则”出台后,各省都纷纷参照制订或修订了自己的电力中长期交易规则,并提出了许多创新交易机制。目前来看,这当中有经典微观经济学理论属于解释性理论,不适用于电力市场竞价机制设计
经典微观经济学将供给与需求两者结合起来说明市场机制及市场价格的决定。供给曲线与需求曲线的交点对应的价格就是均衡价格,或者叫市场出清价格,在此价格水平上,买方愿意并能够购买的数量与卖方愿意并能够供给的数量恰好相等。
国外电力现货市场出清规则完全建立在上述供需均衡模型的基础上,即在满足分时(实时)功率平衡和其他技术约束条件的前提下,基于购、售电侧报价曲线求解社会福利最大化的优化模型。实际电力市场出清一般采用安全约束机组组合(SCUC)和安全约束经济调度(SCED)等模型来计算,所求得的对偶变量(或影子价格)即为现货价格(实时电价)。这种出清方式也称为统一边际价格出清,国内部分省份的中长期电量集中竞价也采用这种出清方式。
但是,上述供需均衡理论适合于市场的一般原理性解释,却不适用于电力市场机制的设计和交易规则的制订。
英国经济学家阿尔弗雷德•马歇尔(Alfred Marshall)在1890年出版的《经济学原理》建立起西方经济学界的“新古典经济学”理论体系,其核心内容即单个或部分市场上的均衡价格决定理论,称为局部均衡理论(Partial Equilibrium Theory),也创立了上述供需曲线的图示方法。局部均衡理论长期以来一直是微观经济学教科书最基本的内容,适用于理想市场的建模与分析。
容易被忽略的一个事实是,虽然经济学理论蓬勃发展,但大部分商品市场都是自发形成的,经典经济学的作用主要是对这些市场进行分析和解释。而电力市场是第一个完全基于局部均衡理论人为设计出的市场。世界各国电力市场运行的实际经验并不理想,笔者认为原因之一是经典经济学理论本身是实际市场高度抽象的产物,忽略了许多重要因素,只适用于市场机制的一般原理性的解释,而不能直接用于市场竞价设计,基于它所设计的市场自然也不能按理论所预期的那样运行。实际上,电力市场设计应该基于更先进的设计经济学(Design Economics),后文将对其关键概念和方法进行介绍。
电力市场交易规则必须充分考虑市场主体策略行为的影响
如前所述,虽然国内外大多数电力市场的集中竞价交易机制都可用类似于供需曲线的方式来图形化表示,但其内在工作机理却与供需曲线表示的市场均衡与价格决定机制截然不同,不能生搬硬套,等同视之。从博弈论的观点看,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,进而通过相互作用形成市场整体的结果。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、知识技能、风险偏好等)下,市场主体基于市场规则采取各自的交易策略(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。
以2017年广东电力市场为例,2017年2月~8月电量集中竞价出清结果中,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(搭便车),只有少部分电量“博边际”,但这少部分电量却影响整个市场价格,形成俗称的“钓鱼曲线”。从供应方(发电厂)策略来看,从2月~7月电量竞价,越来越多的供应方报地板价(也是搭便车),形成俗称的“跳高曲线”。按目前的广东电力市场交易规则,需求方报价越高越优先成交,供应方报价越低越优先成交。无论是供应方还是需求方,保电量(保成交)都是第一位的,而除边际的供需方外,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,搭便车就成为普遍现象。需要特别说明的是,这些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。
为何国外电力现货市场普遍采用的统一边际价格出清方式能够顺利运转?笔者以美国PJM电力现货市场为例进行进一步分析。从PJM电力市场竞价交易结果可以明显看出,市场供给曲线形状与广东月度电量集中竞价类似,即有很长一段趋0报价,并在尾部迅速上抬,形成“跳高曲线”。此外,华东区域电力市场(采用日前全电量竞价、差约合约结算的方式)2006年4月26日调电试验中也出现了类似的报价曲线。比较以上3个市场交易的结果,可见报价曲线的形状(“钓鱼曲线”和“跳高曲线”)与中长期或现货交易品种无关,而属于以统一边际价格方式出清的集中竞价交易的固有特征。
为规避市场成员的投机交易行为,确保市场的有序竞争,PJM在现货市场上构建了体系完备的市场力抑制机制,如三寡头测试(Three Pivotal Test,TPS)。由于现货市场的发电成本主要由燃料成本决定,比较容易确定真实成本,实施监管措施,因此市场基本上能持续稳定运行。而对于中国特有的中长期集中竞价,影响成本的因素较为复杂,特别在目前监管机制不完善的情况下,市场主体策略行为与市场力对交易结果的影响凸显。
集中竞价交易为价格发现的主要机制,双边交易隐患多
由于涉及系统电力(power,功率)平衡的问题,国外电力现货市场均采用集中竞价方式,而中长期交易常采用远期(包括远期差价)双边合约等形式,但这不意味着集中竞价方式为现货交易所专属。目前,我国大多数省份所采用的中长期集中竞价交易为独特并且符合实际的一种交易方式,市场主体在统一平台公平公开竞争,有较好的价格发现作用。集中竞价交易本质是一种多边交易,需要基于“标准化产品”进行(否则无法在统一平台竞价),无法对负荷曲线进行定制,比较粗糙的办法是只对电量进行竞价。以后可以引入分段竞价(或称水平拍卖,horizontal auction)的思想,把预测的负荷曲线按连续生产(或消费)的时间分为多段(或由用电侧申报各段的负荷需求),针对不同的负荷段电能进行集中竞价交易,初期实施时可将负荷粗略地分为基荷、腰荷和峰荷电能。另外,集中竞价应坚持供需双侧竞价,通过供需互动形成市场价格和交易量。
国外电力远期合约大多采用场外交易方式,供电方与电力用户双方私下交易,然后提交调度分解执行。双边协商交易给予供需双方较大的自由度,但其缺点是不够透明,受人为因素影响大,在我国的现实环境下,可能带来市场力、暗箱操作等一系列公平性问题,增加了政府不当干预的可能性,降低了市场效率,严重的情况下甚至可能造成国有资产流失和腐败问题。
考虑国情现实,尊重电厂和地区经济的现实差异,建立适度竞争的市场机制
电力市场改革必须坚持“效率”与“公平”兼顾。在我国电力行业中,区域经济发展不平衡,购售电主体的电能生产成本和电价承受能力差别较大,是电力市场交易机制设计必须考虑的边界条件。
首先,必须客观对待不同地区经济发展和电价水平的差异。建设区域电力市场的目的是打破省间壁垒,实现区域资源的优化配置,但资源流向必须与区域经济协调发展相适应,在确保区域内各省(自治区,直辖市)电价相对稳定的前提下,优化利用有限的资源。完全自由的竞争将使经济发达地区可以依靠雄厚的实力在区域内购买到所需的电能,而经济落后地区因购买能力限制不能购得所需的电能,与此同时经济发达地区的电厂由于价格竞争力问题不能售出电能。
其次,必须客观对待由于所处地域、电厂类型、投资运行时间不同导致的发电成本差异。在已投入运行的电厂中,东、西部省区电厂的投资成本差别很大,由于我国一次能源与负荷需求的逆向分布,经济发达地区的发电成本也比较高;同一省内机组还贷压力差异也很大;另外,水电、火电、核电等不同类型电厂投资和运行费用差别也很大。开展竞价交易后,很多电厂可以在基本不需要承担市场风险的情况下获得高额回报,对其他电厂和用户而言是不公平的。
再次,电力市场交易必须与国家节能和环保要求相适应。新投产的大容量机组能耗低,但由于刚处于还贷期,财务费用高,总成本高;老机组能耗高,但由于运行时间长,还贷已基本完毕,财务费用低,总成本低。按照目前的能源价格,机组效率提高所产生的变动成本优势无法与财务费用差所产生的成本优势相提并论,完全自由竞争的结果是小机组、老机组打败大机组、新机组。
应对这些购售电主体市场竞争力差异的基本原则是在公平的基础上引入“适度竞争”。一种可行的办法是广东电力市场月度集中竞价采用的价差竞争:需求方(大用户和售电公司)申报与现行目录电价中电量电价的价差,供应方(发电厂)申报与上网标杆电价的差价(δ)。价差竞争是我国独创的电力市场交易方式,不符合标准的经济学模型,却能有效地解决我国电力市场公平与效率的矛盾。基准价格(目前为目录电价和上网标杆电价)体现公平性,价差δ体现效率,需要解决的问题是基准价格合理值的确定,这里体现国家宏观调控的作用。此外,有专家提出的基于国际贸易理念(相对价格竞争)的电力市场竞价机制也能较好地处理不同成本基础电厂的公平竞争问题,值得进一步深入研究。
交易机制的设计和实施必须循序渐进地有步骤进行
不同于国外电力市场,我国电力市场交易机制的建立是从年度、月度等中长期电量交易开始的。目前有的省份已经建立了调峰、调频服务的市场化机制,并正在筹建现货市场。从实践效果看,从中长期电量交易着手并逐渐向现货交易过渡是一条可行的途径。因此,笔者结合“基本规则”提出从电力中长期交易到现货交易的时序路线规划,如图1所示,供市场设计者、运营者、监管者及市场主体参考。图中时间节点只是大致估算,最终取决于各地市场建设的实际进展。
各阶段电力市场的特点如下:
1.第一年:初步建立年度双边协商与月度集中竞价市场,对合同偏差电量进行事后结算和考核。

成功的经验,也有失败的教训。本文主要探讨电力市场交易机制设计的关键概念及方法论问题,以资各地制订交易规则时参考。

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图1 从电力中长期交易到现货交易的时序路线规划图
2.第二、三年:继续开展年度长协交易,完善月度集中竞价交易,开展合同电量转让交易,初步建立电力电量平衡机制。在电量平衡机制中,按机组煤耗或预挂牌报价调度,并包括事后的偏差电量考核与结算;电力平衡机制主要探索调峰服务市场化的途径。
3.第三、四年:完善月度集中竞价市场与平衡机制建设,初步建立日前现货市场。月度竞价市场采用峰谷平3个电量段进行竞价。日前交易将交易日(次日)分为峰谷平3个竞价时段(与分时电表的时段设置一致,各地可能有所不同),通过集中竞价得到次日的峰谷平3时段电价。
4.第五年及以后:完善月度交易与日前现货市场建设,建立实时市场与辅助服务市场。基于分段竞价(或水平拍卖)理论精细化月度集中竞价交易,日前现货市场采用24时段进行竞价,建立15分钟实时市场,初期辅助服务市场主要包括调频和备用。
电力市场改革的核心是“改人”,从年度/月度交易开始,逐渐向日前/日内/实时交易过渡。在这个过程中逐渐培育市场主体,培养市场意识,建设技术支持系统(包括计量系统),完善电力市场相关的信用体系、监管体系、金融市场和法律法规,循序渐进地有步骤推进改革,应该是我国电力市场发展的一条可行路径。此外,电力中长期交易是我国电力市场中非常重要的组成部分,与现货交易作用不同,中长期交易发现中长期电能价值,现货交易发现短期电能价值,不可相互替代,而应在市场运行实践中逐渐完善并与现货交易很好地相协调。由于在我国火电厂燃料计划都是按年度、季度和月度安排的,月度电能交易是我国电力市场一个不可缺少的交易环节。
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
如前所述,经典微观经济学的供需均衡理论不适用于不完全竞争/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(Auction Theory)、博弈论与设计经济学。
拍卖理论由诺贝尔经济学奖获得者美国哥伦比亚大学Vickrey教授奠基,其研究广泛涉及到博弈理论、信息经济学及机制设计理论等众多新兴领域。拍卖机制包括四种基本类型,即上升出价拍卖(或称为英国式拍卖)、下降出价拍卖(或称为荷兰式拍卖)、第一价格暗标拍卖、第二价格暗标拍卖。对于标准拍卖类型,各国学者已进行了相当深入的研究,但现实经济生活中的拍卖过程是非常复杂的,广东电力市场月度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(2小时的暗标报价结束后同时出清)。
从拍卖的出清(结算)方式来讲,主要有统一边际出清方式(Marginal Clearing Price,MCP)、按报价支付的方式(Pay-as-Bid,PAB)及其他各种变形的方式。广东电力市场2017年月度电量集中竞价即为统一边际出清方式。按报价支付即按市场主体各自的报价分别结算的方式。在供需双侧竞价中,由于成交条件为需求方申报价高于供应方申报价,若完全按报价支付,将多余一块市场红利(或社会福利),需要在供需方之间分配。广东电力市场2016年月度电量集中竞价采用了一种独特的价差电费返还出清机制,即为一种社会福利分配方式。笔者在该机制的基础上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”。供应方结算价为申报价乘以供应方结算系数α,总供给曲线即向上等比例收缩一段,需求方结算价为申报价乘以需求方结算系数β,即总需求曲线向下等比例延伸一段,而此等比变换所增加的社会福利正好等于供需申报价差所产生的社会福利。在此机制下,供应方和需求方只有尽可能靠近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。由于在此竞价机制下,供需主体的报价策略与PAB出清机制相同(即按预测的边际价格),故称为“等效PAB出清机制”。笔者初步的仿真实验表明,此机制下,经过多轮竞价与出清,市场平均结算价差将趋于稳定。
从方法论上讲,电力市场设计应基于现代设计经济学。设计经济学是一门仍在形成中的学科,被称为经济领域的工程学,除了拍卖理论和博弈论外,还将实验经济学(Experimental Economics)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,并已在美国联邦通信委员会(FCC)的无线频段拍卖等市场设计案例中获得成功应用。本文最后一部分将对实验与计算经济学的基本原理及应用情况进行介绍。
交易规则制订和修改时应从理论上充分分析论证,并做好仿真实验研究
各地在制订和修改交易规则时,最基本的要求是根据本地市场的实际数据做好测算,判断交易规则实施后可能出现的市场态势、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,这种模型难以求得解析解并进行分析,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。电力市场仿真实验的主要方法有基于代理的计算经济学(Agent based Computational Economics,ACE)仿真方法(即多主体的人工智能模拟)和实验经济学方法。本文介绍这两种方法基本概念及应用情况。
1.基于代理的计算经济学仿真
基于代理的计算经济学(ACE)是用计算机模拟的方法来进行经济研究的新技术,使用具有有限理性的和自适应的代理表示各个市场成员,并通过代理在计算机上的交互行为的仿真获得市场运行的特征描述。作为一种特殊的ACE模型,由笔者最早开展研究的协同进化算法(Co-evolutionary Algorithm)是电力市场仿真和稳定性研究的好工具。当前人工智能技术出现了飞跃式发展,在诸如围棋、德州扑克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。
2.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。实验经济学在经济学中借鉴自然科学中的实验方法,用人来代理实际市场中买方、卖方进行决策,已在电力市场设计与分析中取得不错的成果。实验经济学的一个关键方法创新是价值诱导理论(Induced Value Theory)的提出。为达到对被试者行为的控制,实验者可采用适当报酬媒介(reward medium),诱导被试者预设的特征,而使被试者自身的特征(innate acteristics)变得无关紧要。价值诱导的原则可归结为以下3个充分条件:单调性、突显性、优超性。
笔者针对广东2017年月度电量集中竞价规则基于模拟数据进行了多轮竞价模拟实验,根据实验结果分析我们观察到:供需比是影响市场价格走势的关键因素;边际附近的电厂存在形成默契合谋的可能,集体抬高价差。这些实验结论在后续实际市场交易中均得到验证。
本文结合国内外电力市场交易的实践,阐明了电力市场交易机制设计的核心概念、关键问题及方法论。限于篇幅,本文的讨论局限于电力市场交易机制设计的一般原理及方法论,未涉及节点电价、阻塞管理、辅助服务等技术细节。需要强调的是,电力市场是一个“人的系统”,市场交易不可能用行政管理的方式来推动,交易规则制订和修改必须遵循一定的法定程序,实行民主科学决策,应特别反对长官意志和拍脑袋定政策。





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