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来论 应用节点电价理论分析广东电力市场直接交易机制

2023-05-10 14:56:27


引言

 作为我国电力体制改革的先锋,广东省在2016、17年分别采用了价差电费返还和统一价格出清市场交易机制,针对这两种市场机制已有不少专家都提出了各自的精辟见解。


有些专家认为,与2016年鼓励市场个体积极为价差电费做贡献(根据个体对价差电费贡献程度的不同对价差电费进行分配)不同,2017年的统一出清交易规则会导致大部分需求方报零价(搭便车),只有少数需求方用很少的电量去搏电价,无法实现激励相容作用;

有些专家则认为,新的交易规则能够激励发电侧部分可能成为边际机组的市场主体按照实际成本报价,实现发电侧真正的资源优化配置,是一个可以接受的交易规则。


尽管广东电力市场在这两年积累很多宝贵经验,但应该认识到目前其直接交易几乎不考虑电网潮流安全约束(只是事后做安全校核),与一般的商品市场并无本质区别。应该说,电力现货市场的出现才会使“电力市场”研究变成真正的“电力+市场”研究。目前,国外大部分成功电力现货市场都采用了基于节点电价的市场出清方式,能否借助节点电价方法分析我国目前电力直接交易是一个很有趣的问题。


一、统一价格出清(UCP)与按照报价支付(PAB)
  •  定义:

统一价格出清(UCP),是指交易中心按照发电企业申报的供给曲线和用户申报的需求曲线的交叉点价格作为市场的统一出清价格进行结算。

按照报价支付(PAB),是指交易中心按照市场个体各自的报价分别进行结算。


  • 特点

统一价格出清(UCP):

1、有利于市场透明、有利于市场个体按照自己的边际成本或边际收益进行报价(因为该市场个体一旦最终中标,将以大于其边际成本的统一出清价格进行出清);

2、有利于刺激发电商提高生产效率降低生产成本;

3、让中标个体通过统一出清价格与其边际成本之间差额利润回其收固定生产成本。

按照报价支付(PAB):

1、容易引导用户不按照其边际成本/收益报价(因为这样的结果是使用户收益为0);

2、容易使得某些节能高效机组因报高价(报价超过其边际成本以获取利润)无法成交;

3、不利于刺激发电商提高生产效率降低生产成本;

4、不利于让中标个体通过统一出清价格与边际成本间的差额利润回收其固定生产成本。


由上可见,统一价格出清(UCP)相比按照报价支付(PAB)具有很多明显优势,这也是目前许多国外成功电力现货市场采用统一价格出清(UCP)的原因。

尽管如此,仍然有一些学者以实际电力市场中发电商策略性(抬高)报价的事实(如美国加州)对统一价格出清方式产生质疑,转而研究以按照报价支付(PAB)替代统一价格出清(UCP)。也许,统一价格出清(UCP)和按照报价支付(PAB)孰优孰劣确实需要具体问题具体分析。


  • 社会福利分配

在经济上,生产者剩余是指生产者获得的总净效益,消费者剩余是指消费者从竞争市场获得的总净效益,二者之和就是通过市场交易产生的社会福利。通常来讲,对于社会福利的分配并没有固定的形式,交易机构既可以将社会福利按照一定比例分给生产者和消费者,还可以将其分给其他非市场个体。显然,不同的社会福利分配方案将刺激市场参与者实施不同的交易策略,这主要由市场交易规则制定者根据实际情况来确定。


下面以图1做进一步说明:


供给曲线,代表了生产者的边际成本(marginal cost),即生产者每增加一个单位商品所带来总成本增量;

需求曲线,代表了消费者的边际效用(marginal utility),即消费者每增加一个单位商品所带来的新增效用;

面积S1代表了消费者净效益;面积S2代表了生产者净效益;面积S1+S2代表了总的社会福利。


对于统一价格出清方式而言,市场将以统一的价格MCP进行出清,此时隐含着将社会福利将自动分配给生产者和消费者。也就是,边际成本低的生产者分配的社会福利多,边际成本高的生产者分配的社会福利少;边际效益高的消费者分配的社会福利多,边际效益低的消费者分配的社会福利少。

对于按照报价支付而言,市场个体均按照各自的边际成本(或效用)进行结算,总社会福利的分配方式将由市场交易规则制定者根据实际情况来确定。

图1中的供给曲线和需求曲线相交,达到供需均衡。而从2016年3月至今,由于交易规则的限制,广东电力直接交易市场中发电侧报价曲线和用户需求曲线一直没有相交,其实质是发电侧和用电侧两个独立的市场,这与阻塞情况下基于节点电价的现货市场出清类似。下面我们介绍节点电价相关理论。


二、节点电价理论

1990年,节点电价理论率先由sweppe提出,目前已成功应用于很多国家的日前电力现货市场出清:


  • POOL模式下的电力现货市场出清模型

假设发电商g向交易中心申报的发电成本曲线为ag+bgpg,其中ag,bg(>0)为成本参数,pg为其自身发电出力;假设用户d向交易中心申报的负荷效益曲线为pd=cd-ddqd,其中pd,qd分别为负荷d处的电价和需求电量,而cd,dd(≥0)为负荷效益曲线参数。于是,交易中心在收到发电商和用户报价申请之后,会以全社会效益最大化为目标进行市场出清,即:

关于上述模型有如下几点说明:1、尽管为了公式表达简洁,发电侧和用户侧均采用了连续线性报价形式,但该模型也完全适用更为普遍的分段报价形式;2、为了计算高效且突出阻塞,本模型采用直流潮流模型分析潮流约束,且忽略了线损。

省去推导,直接给出任意节点i处的节点电价λi(等于系统向该节点供应额外1MW功率的微增费用)的表达式如下:


上面公式给出了如下信息:


  • 节点电价范例


图2中给出了一个两节点电力系统示意图,在这个电力系统中有1个发电商和1个用户,通过母线1与母线2之间的线路F12相联络。

图2左边部分给出了线路F12载流量无限大供需示意图,这种情况下供需曲线在25MW处相交,实现了最大社会福利SS(=用户效益S1+发电商收益S2),节点1和节点2处的节点电价相等,且均为25$/MWh。

图2右边部分给出了线路F12载流量等于20MW时的供需示意图,在这种情况下供需曲线并没有相交,而是分别与垂直于坐标横轴(距离坐标纵轴20MW)的直线相交,由于线路阻塞的存在,节点1和节点2处的节点电价不再相等,分别为24$/MWh和30$/MWh。


这里有几点需要特别说明:

1、线路阻塞导致系统总的供需曲线不再相交,本质上系统被阻塞线路分割成2个独立的供需平衡系统,母线1处的供需平衡系统由发电商与阻塞20MW进行平衡,母线2处的供需平衡系统由用户与阻塞20MW进行平衡;

2、相比没有阻塞情况,阻塞条件下总的社会福利SS、用户收益S1和发电商收益S2均有所减少;

3、由于阻塞的出现,最大社会效益SS不再等于发电商收益与用户收益之和,而变成由用户收益S1、发电商收益S2和阻塞盈余S3三部分组成;

4、由于各节点电价的不同,交易机构收支不再平衡,会多收一部分阻塞盈余S3,理论上这部分盈余是节点电价的天然产物,并不一定属于谁,可以有多种分配方式,比如在美国阻塞盈余就用来向输电权所有者支付输电权收益;

5、此外,由于阻塞的出现,总的社会效益SS会出现一个效益损失S-,阻塞约严重,总的社会效益SS减少就越多。


三、广东电力市场直接交易机制解析
  • 广东电力直接交易市场规则概况

2016年广东电力直接交易规则:2016年3-9月,广东电力直接交易市场采用价差电费返还机制进行市场出清,该机制将成交发电企业与电力大用户的申报价差电费(绝对值)差额,按照一定比例分别返回给成交的电力大用户和发电企业,初期β值取为25%(6月份后改为50%)。此外,由于交易中心在每次交易之前都规定了最大成交量限制,在已经进行过的各月交易中,供给曲线与需求曲线均没有相交。

2017年广东电力直接交易规则:2017年,广东电力直接交易采用了新的交易规则,并在2、3两个月开始正式实施。相比2016版规则,新的交易规则有两个重大变化:1、采用了最后一个成交的购电方与售电方申报价差的算术平均值为统一出清价差;2、没有确定的最大成交量限制,购电侧累计申报电量等于各购电主体次月需求增量(次月用电需求—月度双边协商量)之和。此外,广东市场2、3月中的购电侧报价曲线依然没有与发电侧报价曲线相交,各月的最终成交电量等于购电侧累计申报电量。

关于2016、2017广东电力直接交易规则的细节这里不做展开,有兴趣的读者可以参看相关文献。


  • 应用节点电价理论分析广东电力直接交易市场

考虑到在新旧版规则下,广东电力直接交易市场中发电侧和需求侧报价曲线均没有相交(即没有达到真正的供需平衡),而是人为的通过规则实现发电侧市场和购电侧市场的同时出清,这与阻塞情况下基于节点电价的电力现货市场出清有异曲同工之处。

下面借助图3分析一下2016年广东电力直接交易规则。图3中所有发电个体均位于节点1处,所有用户均位于节点2处,节点1、2之间的线路传输容量代表了预先给定的月度交易容量限额。

由图3中左图所示,当没有月度交易容量限额时,发电侧报价曲线与用户侧需求曲线相交于点E(发电侧报价曲线也可能不与用户侧需求曲线相交,这种情况可参见后图4的2017年广东电力直接交易规则示意图),此时面积S1代表消费者净效益,面积S2代表生产者净效益,面积S1+S2代表总的社会福利。

由图3中右图所示,当没有月度交易容量限额时,当有月度交易容量限额时,容量限额曲线(垂直于横轴)与需求侧相较于E,与发电侧相较于D。此时面积S1代表消费者净效益,面积S2代表生产者净效益,面积S3代表阻塞盈余,面积S1+S2+S3代表总的社会福利。需要注意的是,由于阻塞的出现,还出现了效益损失S-。

由于广东2016年规定采用价差电费返还机制将总的社会福利返还给市场个体,其本质为“PAB+价差电费返还”机制。



下面借助图4分析一下2017年广东电力直接交易规则。图4中所有发电个体均位于节点1处,所有用户均位于节点2处。

与16年示意图3不同,节点1、2之间的线路传输容量等于购电侧累计申报电量。显然,当发电侧报价曲线与用户侧需求曲线相交时,该线路传输容量约束与将不起作用(不发生阻塞);当发电侧报价曲线与用户侧需求曲线不相交时,该线路传输容量约束将起到实际约束作用(发生阻塞)。图4给出的是发电侧报价曲线与用户侧需求曲线不相交的情况,这也正是17年2、3月广东电力直接交易的实际情况。


如果采用节点电价进行市场出清,则节点1处(发电侧)的出清电价为P3,节点2处(需求侧)的出清电价为P1,尚有S3的阻塞盈余。17年新规则规定按照最后一个成交的购电方与售电方申报价差的算术平均值为统一出清价差进行出清,即采用图4中的价格P3进行市场出清,其本质是将阻塞盈余先平均分给供给者和消费者,再平均分给每个发电商和用户。因而,17年新规则的本质是“节点电价统一出清+平均返还”机制。


另外,有一点需要注意的是,与16年情况不同,17年交易出清不存在效益损失S-。


  • 2017年广东新交易规则有问题吗?

一般认为,如果某种市场机制能够引导市场个体按照其边际成本(发电个体)或边际效用(用户个体)报价的话,则认为该市场机制设计是激励相容的,是近乎完美的市场机制。


那么2017年广东新交易规则符合激励相容吗?对于发电侧来说,已有文章明确指出有约10%的边际机组按照实际边际成本进行报价,使得新规则对于发电侧是激励相容的;对于用户侧来讲,首先要明确用户侧边际效用到底是多少。可惜的是,我们并不知道每个用户的边际效用是多少(这的确也很难评价),因而,纵然很多用户报了地板价“搭便车”,需求侧报价曲线变成了难看的“钓鱼”曲线,至少从原理上不能说17年新规则相比16年规则出现了很大问题。


尽管用户侧边际效用难以准确评价,但仍有文章提出如果将所有的需求侧的市场成员看为一体的,其目标是尽量多的降价,申报降价多的成员对整体降电价有利,因而从需求侧成员内部来讲,16年交易规则又具有激励相容的作用。从这点来看,17年交易规则还有继续改进的地方。


  • 新交易规则可以怎么改进? 

由上文可知,17年新规则实质是采用了“节点电价统一出清+平均返还”机制。笔者认为:基于节点电价的统一出清方式具有统一出清的各种优点,能够反映供需两个市场的供需平衡,也有利于让市场逐步过渡到以节点电价为基础的电力现货市场(当然现货市场也可能采用其他的定价方式);17年新规则的问题主要出在了对阻塞盈余(图4中的面积S3部分)的分配上,如果能够将这部分盈余按照价差返还机制返还给市场参与者,同样也能起到16年对需求侧成员内部的激励相容作用。


综上所述,笔者建议广东电力直接交易市场采用“节点电价统一出清+价差电费返还”机制,即在供需曲线不相交时,按照供需侧各自的边际电价(图4中的P1、P2)出清之后,将阻塞盈余(图4中的S3部分)按照一定比例(也可以等分)给发电侧和用户侧,再将分配给发电侧/用户侧的阻塞盈余部分按照市场个体的价差电费进行返还。


结语

 本文借助节点电价、统一价格出清、PAB出清等理论对广东电力直接交易市场机制进行了析,得到如下结论:

1、广东2016年电力市场交易规则本质为“PAB+价差电费返还”机制;

2、广东2017年电力市场交易规则本质为“节点电价统一出清+平均返还”机制;

3、建议广东电力市场交易规则改为“节点电价统一出清+价差电费返还”机制。

 

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