深度|電力市場交易機制設計的關鍵概念及方法論

2017-09-21 09:40:14 能源研究俱樂部　點擊量：評論 (0)

交易機制設計是電力市場建設的關鍵問題。國家發(fā)展改革委、國家能源局2015年11月26日印發(fā)的電力體制改革配套文件2《關于推進電力市場建設的實施意見》對電力市場模式、交易機制等進行了一些規(guī)定和說明。2016年12月

交易機制設計是電力市場建設的關鍵問題。國家發(fā)展改革委、國家能源局2015年11月26日印發(fā)的電力體制改革配套文件2《關于推進電力市場建設的實施意見》對電力市場模式、交易機制等進行了一些規(guī)定和說明。2016年12月29日，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《電力中長期交易基本規(guī)則(暫行)》(以下簡稱“基本規(guī)則”)。“基本規(guī)則”出臺后，各省都紛紛參照制訂或修訂了自己的電力中長期交易規(guī)則，并提出了許多創(chuàng)新交易機制。目前來看，這當中有成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓。本文主要探討電力市場交易機制設計的關鍵概念及方法論問題，以資各地制訂交易規(guī)則時參考。

經(jīng)典微觀經(jīng)濟學理論屬于解釋性理論，不適用于電力市場競價機制設計

經(jīng)典微觀經(jīng)濟學將供給與需求兩者結(jié)合起來說明市場機制及市場價格的決定。供給曲線與需求曲線的交點對應的價格就是均衡價格，或者叫市場出清價格，在此價格水平上，買方愿意并能夠購買的數(shù)量與賣方愿意并能夠供給的數(shù)量恰好相等。

國外電力現(xiàn)貨市場出清規(guī)則完全建立在上述供需均衡模型的基礎上，即在滿足分時(實時)功率平衡和其他技術約束條件的前提下，基于購、售電側(cè)報價曲線求解社會福利最大化的優(yōu)化模型。實際電力市場出清一般采用安全約束機組組合(SCUC)和安全約束經(jīng)濟調(diào)度(SCED)等模型來計算，所求得的對偶變量(或影子價格)即為現(xiàn)貨價格(實時電價)。這種出清方式也稱為統(tǒng)一邊際價格出清，國內(nèi)部分省份的中長期電量集中競價也采用這種出清方式。

但是，上述供需均衡理論適合于市場的一般原理性解釋，卻不適用于電力市場機制的設計和交易規(guī)則的制訂。

英國經(jīng)濟學家阿爾弗雷德•馬歇爾(Alfred Marshall)在1890年出版的《經(jīng)濟學原理》建立起西方經(jīng)濟學界的“新古典經(jīng)濟學”理論體系，其核心內(nèi)容即單個或部分市場上的均衡價格決定理論，稱為局部均衡理論(Partial Equilibrium Theory)，也創(chuàng)立了上述供需曲線的圖示方法。局部均衡理論長期以來一直是微觀經(jīng)濟學教科書最基本的內(nèi)容，適用于理想市場的建模與分析。

容易被忽略的一個事實是，雖然經(jīng)濟學理論蓬勃發(fā)展，但大部分商品市場都是自發(fā)形成的，經(jīng)典經(jīng)濟學的作用主要是對這些市場進行分析和解釋。而電力市場是第一個完全基于局部均衡理論人為設計出的市場。世界各國電力市場運行的實際經(jīng)驗并不理想，筆者認為原因之一是經(jīng)典經(jīng)濟學理論本身是實際市場高度抽象的產(chǎn)物，忽略了許多重要因素，只適用于市場機制的一般原理性的解釋，而不能直接用于市場競價設計，基于它所設計的市場自然也不能按理論所預期的那樣運行。實際上，電力市場設計應該基于更先進的設計經(jīng)濟學(Design Economics)，后文將對其關鍵概念和方法進行介紹。

電力市場交易規(guī)則必須充分考慮市場主體策略行為的影響

如前所述，雖然國內(nèi)外大多數(shù)電力市場的集中競價交易機制都可用類似于供需曲線的方式來圖形化表示，但其內(nèi)在工作機理卻與供需曲線表示的市場均衡與價格決定機制截然不同，不能生搬硬套，等同視之。從博弈論的觀點看，電力市場交易屬于不完全信息動態(tài)博弈，電力市場的交易規(guī)則實際上是一組類似于撲克牌規(guī)則的博弈規(guī)則，市場主體將在這組規(guī)則下尋求自身利益最大化的策略，進而通過相互作用形成市場整體的結(jié)果。在給定的市場環(huán)境(包括供需形勢，市場主體的生產(chǎn)成本、資源稟賦、知識技能、風險偏好等)下，市場主體基于市場規(guī)則采取各自的交易策略(一般不會按理論上的真實邊際成本或邊際效益報價)，多個市場主體的策略行為通過市場規(guī)則形成市場整體的交易結(jié)果。在市場環(huán)境和市場規(guī)則相對不變的情況下，市場主體的策略行為和市場交易結(jié)果具有一定的規(guī)律性。

以2017年廣東電力市場為例，2017年2月～8月電量集中競價出清結(jié)果中，需求方和供應方的報價策略均有一定的規(guī)律性。從需求方(大用戶和售電公司)策略來看，絕大部分電量(97%以上)都采取了0報價(搭便車)，只有少部分電量“博邊際”，但這少部分電量卻影響整個市場價格，形成俗稱的“釣魚曲線”。從供應方(發(fā)電廠)策略來看，從2月～7月電量競價，越來越多的供應方報地板價(也是搭便車)，形成俗稱的“跳高曲線”。按目前的廣東電力市場交易規(guī)則，需求方報價越高越優(yōu)先成交，供應方報價越低越優(yōu)先成交。無論是供應方還是需求方，保電量(保成交)都是第一位的，而除邊際的供需方外，大部分供應方和需求方的報價與市場出清價沒有任何關系，搭便車就成為普遍現(xiàn)象。需要特別說明的是，這些市場主體的策略性行為在經(jīng)典供需均衡理論中是完全沒有考慮的。

為何國外電力現(xiàn)貨市場普遍采用的統(tǒng)一邊際價格出清方式能夠順利運轉(zhuǎn)?筆者以美國PJM電力現(xiàn)貨市場為例進行進一步分析。從PJM電力市場競價交易結(jié)果可以明顯看出，市場供給曲線形狀與廣東月度電量集中競價類似，即有很長一段趨0報價，并在尾部迅速上抬，形成“跳高曲線”。此外，華東區(qū)域電力市場(采用日前全電量競價、差約合約結(jié)算的方式)2006年4月26日調(diào)電試驗中也出現(xiàn)了類似的報價曲線。比較以上3個市場交易的結(jié)果，可見報價曲線的形狀(“釣魚曲線”和“跳高曲線”)與中長期或現(xiàn)貨交易品種無關，而屬于以統(tǒng)一邊際價格方式出清的集中競價交易的固有特征。

為規(guī)避市場成員的投機交易行為，確保市場的有序競爭，PJM在現(xiàn)貨市場上構建了體系完備的市場力抑制機制，如三寡頭測試(Three Pivotal Test，TPS)。由于現(xiàn)貨市場的發(fā)電成本主要由燃料成本決定，比較容易確定真實成本，實施監(jiān)管措施，因此市場基本上能持續(xù)穩(wěn)定運行。而對于中國特有的中長期集中競價，影響成本的因素較為復雜，特別在目前監(jiān)管機制不完善的情況下，市場主體策略行為與市場力對交易結(jié)果的影響凸顯。

集中競價交易為價格發(fā)現(xiàn)的主要機制，雙邊交易隱患多

由于涉及系統(tǒng)電力(power，功率)平衡的問題，國外電力現(xiàn)貨市場均采用集中競價方式，而中長期交易常采用遠期(包括遠期差價)雙邊合約等形式，但這不意味著集中競價方式為現(xiàn)貨交易所專屬。目前，我國大多數(shù)省份所采用的中長期集中競價交易為獨特并且符合實際的一種交易方式，市場主體在統(tǒng)一平臺公平公開競爭，有較好的價格發(fā)現(xiàn)作用。集中競價交易本質(zhì)是一種多邊交易，需要基于“標準化產(chǎn)品”進行(否則無法在統(tǒng)一平臺競價)，無法對負荷曲線進行定制，比較粗糙的辦法是只對電量進行競價。以后可以引入分段競價(或稱水平拍賣，horizontal auction)的思想，把預測的負荷曲線按連續(xù)生產(chǎn)(或消費)的時間分為多段(或由用電側(cè)申報各段的負荷需求)，針對不同的負荷段電能進行集中競價交易，初期實施時可將負荷粗略地分為基荷、腰荷和峰荷電能。另外，集中競價應堅持供需雙側(cè)競價，通過供需互動形成市場價格和交易量。

國外電力遠期合約大多采用場外交易方式，供電方與電力用戶雙方私下交易，然后提交調(diào)度分解執(zhí)行。雙邊協(xié)商交易給予供需雙方較大的自由度，但其缺點是不夠透明，受人為因素影響大，在我國的現(xiàn)實環(huán)境下，可能帶來市場力、暗箱操作等一系列公平性問題，增加了政府不當干預的可能性，降低了市場效率，嚴重的情況下甚至可能造成國有資產(chǎn)流失和腐敗問題。

考慮國情現(xiàn)實，尊重電廠和地區(qū)經(jīng)濟的現(xiàn)實差異，建立適度競爭的市場機制

電力市場改革必須堅持“效率”與“公平”兼顧。在我國電力行業(yè)中，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡，購售電主體的電能生產(chǎn)成本和電價承受能力差別較大，是電力市場交易機制設計必須考慮的邊界條件。

首先，必須客觀對待不同地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和電價水平的差異。建設區(qū)域電力市場的目的是打破省間壁壘，實現(xiàn)區(qū)域資源的優(yōu)化配置，但資源流向必須與區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展相適應，在確保區(qū)域內(nèi)各省(自治區(qū)，直轄市)電價相對穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化利用有限的資源。完全自由的競爭將使經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)可以依靠雄厚的實力在區(qū)域內(nèi)購買到所需的電能，而經(jīng)濟落后地區(qū)因購買能力限制不能購得所需的電能，與此同時經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的電廠由于價格競爭力問題不能售出電能。

其次，必須客觀對待由于所處地域、電廠類型、投資運行時間不同導致的發(fā)電成本差異。在已投入運行的電廠中，東、西部省區(qū)電廠的投資成本差別很大，由于我國一次能源與負荷需求的逆向分布，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的發(fā)電成本也比較高;同一省內(nèi)機組還貸壓力差異也很大;另外，水電、火電、核電等不同類型電廠投資和運行費用差別也很大。開展競價交易后，很多電廠可以在基本不需要承擔市場風險的情況下獲得高額回報，對其他電廠和用戶而言是不公平的。

再次，電力市場交易必須與國家節(jié)能和環(huán)保要求相適應。新投產(chǎn)的大容量機組能耗低，但由于剛處于還貸期，財務費用高，總成本高;老機組能耗高，但由于運行時間長，還貸已基本完畢，財務費用低，總成本低。按照目前的能源價格，機組效率提高所產(chǎn)生的變動成本優(yōu)勢無法與財務費用差所產(chǎn)生的成本優(yōu)勢相提并論，完全自由競爭的結(jié)果是小機組、老機組打敗大機組、新機組。

應對這些購售電主體市場競爭力差異的基本原則是在公平的基礎上引入“適度競爭”。一種可行的辦法是廣東電力市場月度集中競價采用的價差競爭：需求方(大用戶和售電公司)申報與現(xiàn)行目錄電價中電量電價的價差，供應方(發(fā)電廠)申報與上網(wǎng)標桿電價的差價(δ)。價差競爭是我國獨創(chuàng)的電力市場交易方式，不符合標準的經(jīng)濟學模型，卻能有效地解決我國電力市場公平與效率的矛盾?；鶞蕛r格(目前為目錄電價和上網(wǎng)標桿電價)體現(xiàn)公平性，價差δ體現(xiàn)效率，需要解決的問題是基準價格合理值的確定，這里體現(xiàn)國家宏觀調(diào)控的作用。此外，有專家提出的基于國際貿(mào)易理念(相對價格競爭)的電力市場競價機制也能較好地處理不同成本基礎電廠的公平競爭問題，值得進一步深入研究。

交易機制的設計和實施必須循序漸進地有步驟進行

不同于國外電力市場，我國電力市場交易機制的建立是從年度、月度等中長期電量交易開始的。目前有的省份已經(jīng)建立了調(diào)峰、調(diào)頻服務的市場化機制，并正在籌建現(xiàn)貨市場。從實踐效果看，從中長期電量交易著手并逐漸向現(xiàn)貨交易過渡是一條可行的途徑。因此，筆者結(jié)合“基本規(guī)則”提出從電力中長期交易到現(xiàn)貨交易的時序路線規(guī)劃，如圖1所示，供市場設計者、運營者、監(jiān)管者及市場主體參考。圖中時間節(jié)點只是大致估算，最終取決于各地市場建設的實際進展。

各階段電力市場的特點如下：

1.第一年：初步建立年度雙邊協(xié)商與月度集中競價市場，對合同偏差電量進行事后結(jié)算和考核。

圖1 從電力中長期交易到現(xiàn)貨交易的時序路線規(guī)劃圖

2.第二、三年：繼續(xù)開展年度長協(xié)交易，完善月度集中競價交易，開展合同電量轉(zhuǎn)讓交易，初步建立電力電量平衡機制。在電量平衡機制中，按機組煤耗或預掛牌報價調(diào)度，并包括事后的偏差電量考核與結(jié)算;電力平衡機制主要探索調(diào)峰服務市場化的途徑。

3.第三、四年：完善月度集中競價市場與平衡機制建設，初步建立日前現(xiàn)貨市場。月度競價市場采用峰谷平3個電量段進行競價。日前交易將交易日(次日)分為峰谷平3個競價時段(與分時電表的時段設置一致，各地可能有所不同)，通過集中競價得到次日的峰谷平3時段電價。

4.第五年及以后：完善月度交易與日前現(xiàn)貨市場建設，建立實時市場與輔助服務市場。基于分段競價(或水平拍賣)理論精細化月度集中競價交易，日前現(xiàn)貨市場采用24時段進行競價，建立15分鐘實時市場，初期輔助服務市場主要包括調(diào)頻和備用。

電力市場改革的核心是“改人”，從年度/月度交易開始，逐漸向日前/日內(nèi)/實時交易過渡。在這個過程中逐漸培育市場主體，培養(yǎng)市場意識，建設技術支持系統(tǒng)(包括計量系統(tǒng))，完善電力市場相關的信用體系、監(jiān)管體系、金融市場和法律法規(guī)，循序漸進地有步驟推進改革，應該是我國電力市場發(fā)展的一條可行路徑。此外，電力中長期交易是我國電力市場中非常重要的組成部分，與現(xiàn)貨交易作用不同，中長期交易發(fā)現(xiàn)中長期電能價值，現(xiàn)貨交易發(fā)現(xiàn)短期電能價值，不可相互替代，而應在市場運行實踐中逐漸完善并與現(xiàn)貨交易很好地相協(xié)調(diào)。由于在我國火電廠燃料計劃都是按年度、季度和月度安排的，月度電能交易是我國電力市場一個不可缺少的交易環(huán)節(jié)。

電力市場交易機制設計需要基于更先進的拍賣理論、博弈論與設計經(jīng)濟學

如前所述，經(jīng)典微觀經(jīng)濟學的供需均衡理論不適用于不完全競爭/不完全信息市場的競價機制設計，電力市場交易機制設計需要基于更先進的拍賣理論(Auction Theory)、博弈論與設計經(jīng)濟學。

拍賣理論由諾貝爾經(jīng)濟學獎獲得者美國哥倫比亞大學Vickrey教授奠基，其研究廣泛涉及到博弈理論、信息經(jīng)濟學及機制設計理論等眾多新興領域。拍賣機制包括四種基本類型，即上升出價拍賣(或稱為英國式拍賣)、下降出價拍賣(或稱為荷蘭式拍賣)、第一價格暗標拍賣、第二價格暗標拍賣。對于標準拍賣類型，各國學者已進行了相當深入的研究，但現(xiàn)實經(jīng)濟生活中的拍賣過程是非常復雜的，廣東電力市場月度集中競價實際上屬于多個買賣方的多個商品雙側(cè)暗標同時拍賣(2小時的暗標報價結(jié)束后同時出清)。

從拍賣的出清(結(jié)算)方式來講，主要有統(tǒng)一邊際出清方式(Marginal Clearing Price，MCP)、按報價支付的方式(Pay-as-Bid，PAB)及其他各種變形的方式。廣東電力市場2017年月度電量集中競價即為統(tǒng)一邊際出清方式。按報價支付即按市場主體各自的報價分別結(jié)算的方式。在供需雙側(cè)競價中，由于成交條件為需求方申報價高于供應方申報價，若完全按報價支付，將多余一塊市場紅利(或社會福利)，需要在供需方之間分配。廣東電力市場2016年月度電量集中競價采用了一種獨特的價差電費返還出清機制，即為一種社會福利分配方式。筆者在該機制的基礎上提出一種適合電力中長期集中競價的“雙側(cè)等效PAB出清機制”。供應方結(jié)算價為申報價乘以供應方結(jié)算系數(shù)α，總供給曲線即向上等比例收縮一段，需求方結(jié)算價為申報價乘以需求方結(jié)算系數(shù)β，即總需求曲線向下等比例延伸一段，而此等比變換所增加的社會福利正好等于供需申報價差所產(chǎn)生的社會福利。在此機制下，供應方和需求方只有盡可能靠近邊際價格報價并且保證成交，才能使收益最大，但此時不成交的風險也最大，風險與收益成正比。由于在此競價機制下，供需主體的報價策略與PAB出清機制相同(即按預測的邊際價格)，故稱為“等效PAB出清機制”。筆者初步的仿真實驗表明，此機制下，經(jīng)過多輪競價與出清，市場平均結(jié)算價差將趨于穩(wěn)定。

從方法論上講，電力市場設計應基于現(xiàn)代設計經(jīng)濟學。設計經(jīng)濟學是一門仍在形成中的學科，被稱為經(jīng)濟領域的工程學，除了拍賣理論和博弈論外，還將實驗經(jīng)濟學(Experimental Economics)和計算經(jīng)濟學(ComputationalEconomics)(經(jīng)濟系統(tǒng)的計算機仿真)方法引入市場設計，并已在美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的無線頻段拍賣等市場設計案例中獲得成功應用。本文最后一部分將對實驗與計算經(jīng)濟學的基本原理及應用情況進行介紹。

交易規(guī)則制訂和修改時應從理論上充分分析論證，并做好仿真實驗研究

各地在制訂和修改交易規(guī)則時，最基本的要求是根據(jù)本地市場的實際數(shù)據(jù)做好測算，判斷交易規(guī)則實施后可能出現(xiàn)的市場態(tài)勢、電價水平及可能出現(xiàn)的問題。如前所述，嚴格的理論分析應建立在市場機制的拍賣理論和博弈論模型的基礎上，但由于電力市場的復雜性，這種模型難以求得解析解并進行分析，另外一種有效途徑是基于實驗經(jīng)濟學和計算經(jīng)濟學的仿真實驗。電力市場仿真實驗的主要方法有基于代理的計算經(jīng)濟學(Agent based Computational Economics，ACE)仿真方法(即多主體的人工智能模擬)和實驗經(jīng)濟學方法。本文介紹這兩種方法基本概念及應用情況。

1.基于代理的計算經(jīng)濟學仿真

基于代理的計算經(jīng)濟學(ACE)是用計算機模擬的方法來進行經(jīng)濟研究的新技術，使用具有有限理性的和自適應的代理表示各個市場成員，并通過代理在計算機上的交互行為的仿真獲得市場運行的特征描述。作為一種特殊的ACE模型，由筆者最早開展研究的協(xié)同進化算法(Co-evolutionary Algorithm)是電力市場仿真和穩(wěn)定性研究的好工具。當前人工智能技術出現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，在諸如圍棋、德州撲克等多個領域已經(jīng)戰(zhàn)勝人類，若能引入電力市場仿真，必能為電力市場的設計、分析與評估提供嶄新的手段。

2.實驗經(jīng)濟學仿真

近年來實驗經(jīng)濟學在電力市場的研究中逐漸得到應用。實驗經(jīng)濟學在經(jīng)濟學中借鑒自然科學中的實驗方法，用人來代理實際市場中買方、賣方進行決策，已在電力市場設計與分析中取得不錯的成果。實驗經(jīng)濟學的一個關鍵方法創(chuàng)新是價值誘導理論(Induced Value Theory)的提出。為達到對被試者行為的控制，實驗者可采用適當報酬媒介(reward medium)，誘導被試者預設的特征，而使被試者自身的特征(innate acteristics)變得無關緊要。價值誘導的原則可歸結(jié)為以下3個充分條件：單調(diào)性、突顯性、優(yōu)超性。

筆者針對廣東2017年月度電量集中競價規(guī)則基于模擬數(shù)據(jù)進行了多輪競價模擬實驗，根據(jù)實驗結(jié)果分析我們觀察到：供需比是影響市場價格走勢的關鍵因素;邊際附近的電廠存在形成默契合謀的可能，集體抬高價差。這些實驗結(jié)論在后續(xù)實際市場交易中均得到驗證。

本文結(jié)合國內(nèi)外電力市場交易的實踐，闡明了電力市場交易機制設計的核心概念、關鍵問題及方法論。限于篇幅，本文的討論局限于電力市場交易機制設計的一般原理及方法論，未涉及節(jié)點電價、阻塞管理、輔助服務等技術細節(jié)。需要強調(diào)的是，電力市場是一個“人的系統(tǒng)”，市場交易不可能用行政管理的方式來推動，交易規(guī)則制訂和修改必須遵循一定的法定程序，實行民主科學決策，應特別反對長官意志和拍腦袋定政策。

原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2017年9月1日第32期

原標題:獨家 | 華南理工大學陳皓勇：電力市場交易機制設計的關鍵概念及方法論