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电力市场集中竞价的经济学原理分析 (六 平衡机制及定价)

走进电力市场 2018-11-17 11:27:55

作者:荆朝霞,华南理工大学教授,博士生导师。


【导读】 前面几部分对集中竞价的出清规则进行了介绍。这些规则大多是和一般的商品都一样的一些特性。之前提到过,电力市场设计还有很多其他重要的方面要考虑,其中非常重要的一个方面就是如何实现功率的实时平衡,即平衡机制及其定价方法。这一部分结合国外典型的市场模式对这一问题进行分析。

 

1、平衡机制概述

 

1)偏差存在的原因

电力市场的一个重要特性是存储成本高,需要保持实时的供需平衡,而电力负荷又无法提前准确预测。这就决定了,实时运行前电力供需双方签订的电力供需合同中的发电量及用电量,与供、需方实际的发电、用电量一般会有一定的偏差。电力市场必须建立一套对偏差电量的交易、定价机制。

  

2)电力系统调度基本原理

电力系统由于要保持实时的平衡和安全稳定运行,必须有一个集中的调度机构进行系统的运行,其一个重要的职责就是负责实时的供需平衡。

 

在不考虑网络约束的情况下,调度的主要工作就是:在实时,根据负荷的情况安排各发电机的出力,实现系统的最优。一般会提前做一些运行方式的安排,包括年运行方式、月运行方式、日运行方式等,根据对系统负荷及供给能力的预测提前进行机组检修、开停机计划等的安排。

 

实时调度从数学上可以认为是一种优化问题:在现有的网络、装机、设备状态等情况下,考虑系统安全及负荷需求等约束,以成本最小、环境影响最小等为目标,安排发电机组的出力(有需求响应能力的情况下同时进行负荷调度)。

 

在集中、垄断运行的电力系统中,调度机构和发电机构属于一个企业,调度机构可以根据各发电机组技术、经济特性进行调度。考虑到电力负荷有显著的日周期特性,大多数调度机构都会在日前进行日方式安排,制定各机组的发电计划曲线,实时根据实际的负荷情况对曲线进行修正。除此之外,还会进行年运行方式、月运行方式等的安排,为规划、检修、机组组合等提供依据。

 

市场环境下,调度和发电分属不同的企业,调度机构不具有发电企业的真实成本数据,调度主要依据市场成员的报价。

 

3)电力市场中的市场类型

由于电必须保持实时的平衡,提前又无法准确预测,电力市场中必不可少的一个市场是实时电能交易市场。由于供需情况实时波动,实时市场的电价波动大,因此一般会设计若干种远期市场帮助市场成员规避风险。

 

区分不同类型市场的因素有何时报价何时出清交易周期调度周期如何出清如何结算等。其中,何时报价指什么时候报价或报价截止的时间;何时出清指进行供需匹配,确定市场出清量和出请价的时间;交易周期指报价的最小时间粒度;调度周期指计算和发布出清结果的时间粒度;如何出清包括出清算法的目标及约束;如何结算包括对发电方的支付价及对负荷的收费价,或者说包括提供服务者的支付价和对使用服务者的收费价。

 

电力系统的负荷每时每刻都在变化,不可能每个时间(如每秒)进行一次出清,因此实时市场也是定期进行一次出清,出清以后的不平衡量由辅助服务如调频来解决。

 

2、典型电力市场的平衡机制

市场的平衡机制与其远期市场的设计有很大关系,这里对几个典型国家的电力市场的平衡机制进行介绍。

 

1)英国POOL模式

该模式下,相当于有两个市场:一个是日前市场,一个是实时市场。

 

1)日前市场(无约束出清)

何时报价:提前一天上午1000报价;

何时出清:提前一天下午200出清。

如何出清:不考虑电网约束,发电单边报价,负荷用预测值。

交易时段:半个小时。

如何结算:发电侧和用户侧均采用全网统一价格结算。

交易对象:日前预测的负荷。

 

2)实时市场(有约束出清)

何时报价:不用重新报价,采用日前市场的报价。

何时出清:实时出清。

交易时段:半个小时。

如何出清:考虑网络约束和实际负荷,根据报价对日前出清的结果进行调整,包括上调和下调。上调部分容量称为限上,下调部分容量称为限下。

如何结算:提供调整服务的发电商按报价结算,即限上容量按其申报价格结算,限下容量按报价与出清价之差进行补偿。实时市场发电功率调整的成本以uplift的形式平均分摊给所有用户。

交易对象:总负荷减去日前出清后剩余的部分负荷。

 

分析讨论:英国POOL模式下没有一个显式的实时市场或平衡市场,但实际上实时通过上调、下调来解决实时供需平衡和网络约束问题,就是一个实时市场,或者说平衡市场。

 

2)澳大利亚市场单实时市场模式

澳大利亚的电力市场中,电能仅有一个实时市场,没有日前市场。为了规避实时市场的风险,供需双方可以自行签订差价合约。

 

何时报价:市场成员日前提交报价,但到实际调度前一直可以修改报价(只能修改每段的容量,不能修改价格)。

何时出清:实时出清。

交易时段:半个小时。

如何出清:考虑网络约束,按购电成本最小的原则出清。5分钟一个调度时段,即每5分钟进行一次计算,确定每个市场成员的成交量,交易价格为半个小时内6个调度时段出清价的算术平均值。

如何结算:分区定价机制,整个市场分成若干区,每个区采用统一的价格结算。

交易对象:实时的全部负荷。

 

分析讨论:澳大利亚仅有一个实时市场,由于实时市场是实时出清,事后结算,不需要另外的平衡机制。

 

3)美国PJM、德州等市场为代表的双结算模式

美国大多数市场采用日前+实时的双结算机制。

 

1)日前市场

何时报价:提前一天的某个时间,如上午10:00

何时出清:提前一天报价结束后每个时间,如中午12:00

交易时段:一个小时或半个小时。

如何出清:根据日前的负荷预测进行出清,根据考虑约束的不同,分为分区出清机制和节点出清机制。早期有些州采用分区出清机制,后来大多数都改为节点出清机制。

如何结算:根据考虑约束的不同,分为分区定价及节点定价。每个区域或节点的发电机和负荷按照相同的价格结算。节点机制下,一般对负荷采用分区定价机制,每个区的价格等于该区内节点价格的加权值。

交易对象:虚拟报价(virtual bid)

 

2)实时市场

何时报价:提前一天日前市场出清后,比如下午1600.

何时出清:实时出清。

交易时段:一般为半个小时。可以在一个交易时段内划分若干调度时段,如5分钟一个调度时段。

如何出清;考虑全部网络约束节点电价出清。

如何结算:一般发电侧按节点电价结算,负荷侧按区域的节点加权价结算。

交易对象;总负荷减去日前出清的部分负荷。

 

分析讨论:这些市场中的实时市场就是起能量平衡的作用。与英国Pool模式的一个主要区别在于:实时市场需要重新报价而不是采用日前市场的报价。

 

4)英国NETTA模式

英国2000年对市场模式进行了较大的改进,将POOL模式改为BATA模式,2005年进一步改为NETTA模式。NETTA模式和BATA模式的市场组成类似,均包括双边交易市场、平衡机制和不平衡结算。

 

1)双边交易市场

双边交易市场废除了统一的联营体POOL,由供、需双方的市场成员自由签订,形式可以是双边协商或者通过电子交易所等。没有固定的出清方式。双边交易不考虑网络约束,可以同时有多个交易所。

交易时段:每半个小时为一个时段。

交易截止时间:实时运行前的几个小时。截止时间随着市场的成熟逐渐接近实时,目前为1个小时。

 

2)平衡机制

何时报价:双边交易截止后。

何时出清:实时出清。

交易时段:半个小时。

如何出清:每个市场成员申报在双边合同出力(或负荷)水平上调整功率水平愿意接受的价格,即Bid/Offer。调度机构根据成本最小的原则选择采用的报价。

如何结算:对提供平衡服务的市场成员按照报价结算。

 

对造成不平衡的市场成员的结算机制称为不平衡定价(结算),早期采用双结算机制,目前采用单结算机制。双结算机制下,对不平衡与系统方向相同的市场成员和方向不同的市场成员分别按照惩罚价格非惩罚价格结算,其中惩罚价格为根据购买的平衡服务成本计算出的价格,非惩罚价格为短期合同市场价格。单结算机制下,取消了非惩罚性价格,所有不平衡量均按照平衡服务价格结算。平衡服务价格早期采用最后接受的500MW功率的加权平均价,目前这个数值逐渐缩小,最终将变化为按最后接受的1MW功率的价格,即边际价格结算。


交易对象:实际总供需减去双边交易市场交易量后的不平衡电量。

 

3、平衡机制的分类总结

不同的平衡机制的差别主要在以下几个方面。

 

1)最后一个市场(关门市场)的交易时段和调度时段

一般交易时段为半个小时或一个小时。可以以一个交易时段为一个调度时段,也可以在一个交易时段内设置多个调度时段。这里,调度时段是指给出成交量的时段。比如,30分钟为一个交易时段,5分钟为一个调度时段。市场成员报价时仅需要对每半个小时报价,而出清是每5分钟出清一次,每半个小时产生6组出清量和出请价。结算时对每个交易时段以其各个调度时段出清价的平均价作为该交易时段的出请价。调度时段以内的供需不平衡,通过辅助服务解决。

 

调度时段越长,所需的辅助服务越多,调度时段越短,所需的辅助服务(主要指能量方面的)越少。由于目前大多数成熟的电力市场的调度时段都为5分钟,调度时段以内的不平衡量已经很少,因此所需的能量方面的辅助服务也大大减少。


2)日前市场与实时市场的组合及关系

大多数电力市场有日前市场,但其并不是必须的市场。如澳大利亚电力市场中就没有日前市场。如果有日前市场,实时市场的交易对象一般为实时供需与日前供需的差额部分,或者说不平衡量。

 

英国的POOL模式下,市场成员仅需进行一次报价,系统用其进行两次出清,日前出清和实时出清。NETTA模式与POOL模式的本质区别在:(1)日前的POOL取消,改为自由签订合同或通过选择的交易所签订;(2)实时市场(平衡机制)市场成员重新报价(Bid/Offer)。这两个措施都可以有效降低市场成员的市场力。

 

美国的实时市场从平衡机制的角度与英国NETTA模式的区别在于:(1)美国日前的市场为强制的电力库;(2)美国日前和实时市场的出清通过严格的数学模型计算,英国的平衡机制是由调度机构按照一定的规则进行。

 

3)实时市场中提供平衡服务者的结算

在美国的实时市场,提供平衡服务的主要是发电商(也包含部分参与需求相应计划的用户);在英国的NETTA模式下的平衡机制中,提供平衡服务的是平衡单元BMU

 

对提供平衡服务者的结算有两种方式:按报价结算和按统一的市场价结算。如果将不同分区、不同节点的电力交易看为不同的市场,则按统一的市场价结算方式下,又分为单一市场定价、分区市场定价和节点定价三种。英国的市场中对提供平衡服务的BId/Offer按报价结算;美国的市场中一般按节点电价结算,澳大利亚市场按分区价结算。

 

4)对造成不平衡的市场成员的收费

对不平衡的收费,可以分为综合成本法和边际成本法两大类综合成本法就是首先计算所有的不平衡服务的购买成本,然后按一定方法分摊给所有市场成员。英国Pool下的不平衡服务费用(以及解决网络约束等费用)就是根据用户的用电量按邮票法分摊。边际成本法,就是根据系统提供不平衡服务的边际成本来对造成不平衡的市场成员收费,根据市场细分粒度的不同又可分为分区定价和节点定价。目前大多数市场对不平衡收费采用分区的方法,若整个市场为一个分区,就退化为市场整体统一出清。美国实时市场中对用户的收费采用分区电价的方法,英国不平衡结算机制中对不平衡量采用全国统一价的方法。

 

边际成本法下,边际成本的计算又可以有不同的方法。美国的方法下,边际成本是通过数学优化方程求解,即每个节点的边际成本(节点电价)等于该点的功率平衡方程对应的拉格朗日乘子。英国的方法下,由于平衡机制没有采用严格的数学优化的方法,而是由调度机构按照一套规则选择被调用的报价,价格采用某个规定的数量(如500MW、50MW或1MW)的最后入围的报价的平均价的形式。这从数学上可以看为用差分的方法计算边际成本的一种方式。

 

5)平衡服务收费与付费的差额

对提供平衡服务的市场成员的总付费可能大于对造成不平衡的市场成员的总收费,也就是说,可能有收益盈余。如果有盈余,就需要额外规定盈余的分配方法。比如,美国市场中如果对发电和负荷都按所在节点的电价结算,当系统阻塞时就会产生阻塞盈余,美国采用输电权机制分配阻塞盈余。英国市场中,对提供平衡服务的按报价结算,而对造成不平衡的市场成员按边际价格结算,可能会造成总收费大于总付费,英国规定将多余的部分分给所有消费者。实际上,这部分差额与我们前面几篇文章中的社会剩余、价差电费是类似的。

 

总结及启示


从上面的分析看到,不同国家的市场结构、市场模式有较大的不同。但是,无论市场结构如何,是否有日前市场、日前市场采用何种形式,都有某种形式的平衡机制。平衡机制中交割的电量比例虽然不大,但对整个市场非常重要。平衡机制可以是由交易机构负责的集中竞价和出清的形式,如美国、澳大利亚的电力市场;也可以是有电网公司负责的类市场的形式,如英国的电力市场,平衡机制中Bid和Offer的选取取决于一系列复杂的规则。但是,平衡机制都是电力市场必不可少的一项内容。


国外电力市场中的中长期交易(远期合同、期货合同等)都是一种电力合同,即规定一定时期内每个时间点的负荷。但由于远期难以对负荷进行精确预测,一般签订的是比较固定的负荷合同,比如所有时间的合约交易量相同,或者将交易时间进行峰、谷等简单的分类等。随着时间的推进,逐渐签订更加精细的合同。要从根本上解决我国目前中长期交易中在合同分解、平衡方面的存在的问题,需要一方面将当前的中长期电量合同转变为电力合同,另一方面尽快建立日或日以内的现货市场。

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