引言
2015年,我国新一轮电力体制改革启动以来,全国各地都按照中央明确的总体思路、基本原则和重点任务,陆续迈开了推进电改的步子,逐步开始探索电力市场化交易,大力推动双边协商交易和集中竞价交易。在集中交易市场中,由于电力市场主体众多,市场意识参差不齐,再加上现阶段各地市场结构普遍集中程度较高,市场存在的信息不对称性更是增加了市场主体合理、有效参与市场竞争的难度。因此,加强市场规则的顶层设计,科学设计市场竞价模式和交易品种组合,是激励市场主体主动披露其真实成本或用电价值信息,以实现电力的经济调度和有效分配的关键,也是电力市场机制设计中最具挑战性的问题之一[1-4]。
我国在电力市场建设和规划方面的研究由来已久,在市场竞价模式设计等方面也取得了诸多成果[5-7]。文献[8-9]基于系统购电费用最小的目标,提出了一种按电网统一边际成本出清的电力市场竞价模型。文献[10]更多着眼于用电侧,设计了一种按照各市场主体报价的比例确定中标电量的竞价机制,鼓励用电企业按真实的边际成本报价,并按统一出清价结算,在牺牲较少效率的同时,确保了用电侧竞争的公平性。文献[11]基于转轨经济学原理,分析了全电量竞价和部分电量竞价的优缺点,提出了基于发电权、用电权交易的部分电量竞价模式,能够兼顾效率与帕累托改进。文献[12]从节能降耗的角度出发,在竞价规则中引入能耗约束,设计了一种低碳电力市场竞价体系,但留给火电机组的生存空间较小。文献[13]基于关税理论,提出了一种跨省跨区统一电力市场竞价模式和建设思路,但没有给出关税税率τ的测算方法,可操作性不高。文献[14]描述了一种发电侧竞价的规则、模型,并给出了电量、自动发电控制(automatic generation control,AGC)服务和机组临时启停费用结算方法,但忽略了用电侧竞争对发电商报价策略的影响。
上述文献研究的重点在于如何设计和运行一个成熟的电力市场,但没有就电力市场初期如何有效引导供需双方充分、合理竞争做深入的研究和论述。本文放弃了传统的“高低匹配”竞价模式,基于单向挂牌交易机制[15],提出了一种发用电侧双向挂牌的连续竞价模式,并建立了相应的数学模型,通过云南电力市场实际运行经验,表明该竞价模式可有效解决电力市场初期价格信号不清晰、成交风险大、竞争不充分等问题。
1 单向挂牌交易模式
1.1 单向挂牌交易组织过程
单向挂牌交易指市场主体通过电力交易平台,将需求电量或可供电量的数量和价格等信息对外发布要约,由符合资格要求的另一方提出接受该要约的申请,经安全校核和相关方确认后形成交易结果[16]。本文以需求电量挂牌交易为例进行论述,其交易组织过程如下[17]：
1)交易挂牌。在挂牌周期内,用电企业根据自己对电价的承受能力,通过电力交易平台申报单段挂牌电量、电价。
2)交易摘牌。在摘牌周期内,发电企业根据自己的边际发电成本,在价格接受范围内对挂牌电量进行摘牌,总摘牌电量不能超过发电能力约束。
3)交易撮合。交易组织者根据挂牌、摘牌信息,按照交易规则进行交易撮合,形成无安全约束的交易结果。
4)安全校核。电力调度机构根据电网安全约束对初始交易结果进行安全校核,通过校核后形成正式出清结果。
1.2 需求电量挂牌交易的数学模型
上述分析表明,发电企业的每一个摘牌价格与其最低摘牌价格的价差可视为单位成交电量社会福利的系数,该系数越大,单位成交电量产生的社会福利越大,因此,发电企业在价格接受范围内尽可能多摘牌,可创造更多的社会福利。
1.3 单向挂牌交易的局限性
以需求电量挂牌交易为例,根据上述数学模型和成交规则,可分析单向挂牌交易模式的局限性：
1)由于挂牌交易的成交价格等于被摘牌对象的挂牌价格,发电企业为追求利润最大化,必然会一致地对更有利的报价进行摘牌,但受成交电量约束,市场将会出现某些价格电量被过度摘牌,摘牌电量成交比例较低的情况,局部市场过分竞争。
2)根据式(4),发电企业的总摘牌电量受到发电能力的限制,如果发电企业都按照挂牌价格从高到低的顺序进行摘牌,必然无充裕的能力对价格相对较低的挂牌电量进行摘牌,极有可能导致市场竞争不充分的问题。
2 发用电侧双向挂牌交易机制设计
2.1 设计思路及交易流程
要解决单向挂牌交易机制中存在的局部市场过分竞争,另一部分市场竞争不充分的问题,可考虑从加强市场引导和优化机制两个方面入手,鼓励挂牌方、摘牌方根据边际成本尽可能多申报挂牌、摘牌电量,通过引导供需双方充分竞争,实现成交量价的有机配合,从而有效提高市场交易的社会福利。本文提出的发用电侧双向挂牌竞价模式正是基于此目标设计,其与单向挂牌交易机制的主要区别在于：
1)引入信息公示步骤,用电企业公示需求电量和期望电价,发电企业公示满足发电能力约束的可供电量和期望电价,准确展示市场的供需形势和价格诉求。
2)采用连续交易的模式,依次组织电厂挂牌用户摘牌、用户挂牌电厂摘牌交易,利用供需双方的市场博弈,促使双方不断调整报价策略,努力缩小双方价格诉求的差距,提高市场总成交电量。
3)优化摘牌规则,取消总摘牌电量上限约束,将摘牌方公示电量和挂牌方挂牌电量的较小值作为单次摘牌电量的上限,鼓励摘牌方在价格范围内对全部挂牌电量进行摘牌。
4)优化出清规则,将供需双方的公示电量作为自身在整个挂牌交易市场成交电量的上限,用户摘牌阶段按照价格由低到高的方式出清,电厂摘牌阶段按照价格由高到低的方式出清。当摘牌方在成交到某一个价格时,累计成交电量达到公示电量,则其余摘牌电量不再参与后续成交。
按照上述思路设计的发用电侧双向挂牌交易的流程图如图1所示。
图1 发用电侧双向挂牌交易组织流程图
2.2 数学模型
同时,电网潮流还应满足式(5)的约束。
发用电侧双向挂牌交易成交算法流程如图2所示。步骤S1中挂牌电价的排序方式与挂牌交易所处的阶段有关,如果是电厂挂牌用户摘牌阶段,则按挂牌电价由低至高的顺序成交;如果是用户挂牌电厂摘牌阶段,则按挂牌电价由高至低的顺序成交。在步骤S5或S8每一次交易出清后,都需要重新计算每一个摘牌方的累计成交电量,以确保摘牌方的累计成交电量始终满足以下约束：
由式(17)和式(8)可知,由于发用电侧双向挂牌竞价模式直接将发电企业公示电量、用电企业成交剩余电量作为交易标的,在摘牌阶段不设置发、用电企业总摘牌电量的上限约束,同时供需双方可根据市场情况及时调整报价策略,并按价格区间进行摘牌,可以确保供需双方在充分竞争,不断缩小供需双方价格诉求的差距,显然可创造更大的社会福利。
图2 发用电侧双向挂牌交易成交算法流程图
3 发用电侧双向挂牌交易竞价模式的应用与实践
2017年,云南电力市场开始引入发用电侧双向挂牌交易机制。作为月度市场最后一轮交易,此时市场大部分电量已经成交,价格信号较为清晰,供需双方如何通过市场的博弈,不断促使对方调整价格预期,是获取更大利润关键。本文以2017年3月份的发用电侧双向挂牌交易数据为例,来描述供需双方市场博弈的过程。
2017年3月,云南电力市场共有154家发电企业、1540家用电企业参与了发用电侧双向挂牌交易,信息公示情况如图3所示,对应的供需曲线如图4所示。用电企业公示电量14.06亿kW•h,均价0.233元/(kW•h),发电企业公示电量47.43亿kW•h,均价0.281元/kW•h。按照双方的公示信息,在传统“高低匹配”竞价模式下,本轮交易最大成交电量仅5 055.8万kW•h,用户侧成交率3.6%。由此可见,购售双方的初始期望分歧较大。
图3 公示信息电量、电价区间分布
图4 公示信息供需曲线
进入到电厂挂牌、用户摘牌环节,根据电厂挂牌数据整理出电厂挂牌时的供给曲线如图5所示。大部分电厂信息公示电价在0.231至0.282元/
(kW•h)之间,挂牌价格在0.231至0.25元/(kW•h)之间,挂牌均价为0.245元/(kW•h),与公示价格相比降低0.036元/(kW•h),电厂主动寻求以价换量的意愿较为明显。最终成交电量4.66亿kW•h,成交均价0.243 04元/(kW•h)。
最后进入到用户挂牌、电厂摘牌环节。用户挂牌电量9.32亿kW•h,均价0.242元/(kW•h),较公示价格提高0.009元/(kW•h)。用户挂牌的需求曲线
图5 电厂公示、挂牌信息对比
和公示时的对比如图6所示。从价格区间来看,本轮挂牌价格主要集中在0.24~0.25元/(kW•h),各用户之间挂牌价格相差不到0.01元/(kW•h),市场价格信号已十分清晰。本轮最终成交电量7.32亿kW•h,成交均价为0.242 72元/(kW•h)。2017年3月发用电侧双向挂牌交易总成交电量11.98亿kW•h,用户侧成交率85.2%。
从上述交易过程来看,发用电侧双向挂牌交易竞价模式通过连续的动态博弈,供需双方不断在调整价格预期,最终实现交易量价的有机配合。
为了更好说明双向挂牌交易机制的优势,在双向挂牌交易申报数据的基础上,在电厂挂牌用户摘牌阶段将用户公示电量作为其摘牌电量上限,对用户挂牌电厂摘牌阶段将电厂公示电量作为其摘牌电量上限,分别计算得到可供电量挂牌和需求电量挂牌的单向竞价模式成交结果,同时,根据式(8)和式(17),分别计算单向挂牌交易和发用电侧双向挂牌交易竞价模式的社会福利,如表1所示。
由表1可知,相对于单向挂牌竞价模式,发用电侧双向挂牌竞价模式具有更好的市场指标,市场价格更平稳,总成交电量较两种单向挂牌交易模式
图6 用户公示、挂牌信息对比
表1 3种竞价模式的市场效果比较
之和多成交5.59亿kW•h,增加了87.48%,产生的社会福利增加412.3万元,提高了160.23%,这说明发用电侧双向挂牌竞价模式是富有资源配置效率的,单位成交电量产生的社会福利要远大于单向挂牌竞价模式,有效规避了单向挂牌竞价模式无法充分竞争和资源配置效率不高的问题。
发用电侧双向挂牌竞价模式改变了以往云南电力市场中撮合交易占主导地位的市场模式,进一步了丰富交易品种,优化了市场结构。2016、2017年2至5月份,集中市场各竞价模式成交电量及其占比如表2所示。
表2 集中市场各竞价模式成交情况
4 结论
在单向挂牌交易的竞价机制下,由于市场主体追求利润最大化,存在摘牌电量过于集中的情况,容易导致局部市场过分竞争,另一部分市场竞争不充分的问题。本文通过建立单向挂牌交易社会福利的模型,得出了只有在缩小供需双方价格诉求,摘牌方在价格接受范围内尽可能多摘牌才能创造更多社会福利的结论,基于此结论设计了一种发用电侧双向挂牌交易竞价模式,通过对比分析两种竞价模式的数学模型表明,该竞价模式能创造比单向挂牌竞价模式更大的社会福利。2017年3月云南电力市场发用电侧双向挂牌竞价的申报和成交数据也表明,该竞价模式能在连续的竞价过程中逐步缩小供需双方价格诉求的差距,同时通过优化出清规则,去除了摘牌电量上限约束,在确保成交电量不超过供需双方真实需求的前提下,实现了市场成交量价的有机配合,从而有效提高市场交易的社会福利和效率。云南电力市场的运营经验证实了该竞价模式的合理性、有效性和实用性。
致 谢
本文的研究工作得到云南电网有限责任公司和昆明电力交易中心有限责任公司“复杂特性电力市场多维交易关键技术研究及示范应用”联合研究项目的支持和帮助,谨此致谢!
原标题：一种基于挂牌的电力市场竞价模式与实践
