郭鴻業(yè), 陳啟鑫, 鐘海旺, 汪 洋, 張維靜, 夏 清

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市100084; 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084; 3. 北京清能互聯(lián)科技有限公司, 北京市 100080)

基于標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線的現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)路徑設(shè)計(jì)

郭鴻業(yè)1,2, 陳啟鑫1,2, 鐘海旺1,2, 汪 洋3, 張維靜3, 夏 清1,2

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市100084; 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084; 3. 北京清能互聯(lián)科技有限公司, 北京市 100080)

中國新一輪電力體制深化改革正如火如荼地開展,加快建設(shè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)已成為后續(xù)的重要任務(wù)?；谥袊F(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)存在的眾多現(xiàn)實(shí)制約因素,探討了目前建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的核心目標(biāo)與模式選擇問題,從“發(fā)用電雙方競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系形成”的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的“三階段”建設(shè)路徑,提出了一整套中長期交易電量在現(xiàn)貨市場(chǎng)上的執(zhí)行、分解與結(jié)算方法。所提出的路徑設(shè)計(jì)有利于抓住現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的核心目標(biāo)快速起步,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨市場(chǎng)與中長期電量交易的兼容與協(xié)調(diào)運(yùn)行。最后,從用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)兩端分別對(duì)所提出的市場(chǎng)機(jī)制給出了算例分析,并分析了不同用電行為的市場(chǎng)主體的結(jié)算特點(diǎn),體現(xiàn)了該結(jié)算方案有利于用戶響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)峰需求,實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容的資源優(yōu)化配置的特點(diǎn)。

電力體制改革; 電力現(xiàn)貨市場(chǎng); 標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線; 差價(jià)結(jié)算; 電力市場(chǎng)建設(shè)路徑

0 引言

以2015年《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》[1](下文簡稱“9號(hào)文”)的發(fā)布為標(biāo)志,中國開啟了新一輪電力體制深化改革。目前,市場(chǎng)建設(shè)已經(jīng)歷了放開發(fā)用電計(jì)劃、推動(dòng)直接交易等步驟,走到了建設(shè)以“日”為交易周期的現(xiàn)貨市場(chǎng)“分岔口”,如何建設(shè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)成為深化電力體制改革的關(guān)鍵。

當(dāng)前,全國大部分省區(qū)所開展的電力交易,多為年度、月度的中長期交易,僅有云南等少數(shù)省份將交易的時(shí)序嘗試性地縮短到日前,但是均以一段時(shí)間的“電量”作為交易標(biāo)的物,沒有開展以日內(nèi)“分時(shí)電力”為標(biāo)的物的現(xiàn)貨交易。

中長期交易的開展,是培育市場(chǎng)意識(shí)、打破發(fā)用電計(jì)劃、鎖定市場(chǎng)收益、降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的重要一環(huán),其重要性不容置喙。而組織電力現(xiàn)貨市場(chǎng)則可以準(zhǔn)確地反映不同時(shí)段、不同區(qū)域的電能供需情況,為市場(chǎng)主體提供切實(shí)的價(jià)格信號(hào),進(jìn)而為電力資源優(yōu)化配置、中長期規(guī)劃投資等提供真實(shí)有效的參考?！?號(hào)文”配套文件中也明確提出,應(yīng)建立“以中長期交易為主、現(xiàn)貨交易為補(bǔ)充的市場(chǎng)化電力電量平衡機(jī)制”。

目前已經(jīng)有大量文獻(xiàn)對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的意義、模式、功能等問題進(jìn)行了研究:文獻(xiàn)[2]通過對(duì)美國日前、實(shí)時(shí)市場(chǎng)的現(xiàn)貨交易體系進(jìn)行分析,指出其具備規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和穩(wěn)定電力市場(chǎng)運(yùn)行的作用;文獻(xiàn)[3]對(duì)比了國外幾個(gè)成熟的電力市場(chǎng),總結(jié)現(xiàn)貨市場(chǎng)具有促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、提供價(jià)格信號(hào)、降低交易風(fēng)險(xiǎn)與保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的作用;文獻(xiàn)[4]表明現(xiàn)貨市場(chǎng)有利于新能源的消納、合理分?jǐn)傉{(diào)峰成本。

目前,加快建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)已成為本輪電力體制改革接下來的重要步驟。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)與中國當(dāng)前已開展的中長期直接交易的有序銜接與高效兼容,需要充分考慮國內(nèi)當(dāng)前的市場(chǎng)現(xiàn)狀,考慮現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)所面臨的現(xiàn)實(shí)約束,強(qiáng)調(diào)現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)起步的可操作性與發(fā)展的循序漸進(jìn)。尤其需要重點(diǎn)考慮以下三方面的機(jī)制設(shè)計(jì)難點(diǎn):①現(xiàn)貨市場(chǎng)應(yīng)該采用的組織模式;②發(fā)用電雙方競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的形成路徑;③中長期交易電量在現(xiàn)貨市場(chǎng)中分解、執(zhí)行與結(jié)算的操作流程。

現(xiàn)有的對(duì)于中國建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的研究工作,主要集中于對(duì)市場(chǎng)機(jī)制的宏觀設(shè)計(jì),以及交易出清、價(jià)格計(jì)算、阻塞管理等關(guān)鍵問題的探究,對(duì)于國內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)的實(shí)施路徑還沒有開展深入的研究,也未能提出充分融合現(xiàn)有中長期交易的現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)思路。文獻(xiàn)[5]基于上一輪電力體制改革的情況,提出了一種電力日前交易市場(chǎng)的運(yùn)作機(jī)制;文獻(xiàn)[6]針對(duì)有差價(jià)合約的日前市場(chǎng),研究了計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)約束的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略;文獻(xiàn)[3]根據(jù)國外電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的邏輯,給出了建設(shè)與大用戶直購電相適應(yīng)現(xiàn)貨市場(chǎng)的思路。

為此,本文立足于中國當(dāng)前電力市場(chǎng)建設(shè)的現(xiàn)狀與改革愿景,針對(duì)以上建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的三個(gè)機(jī)制設(shè)計(jì)難點(diǎn),分析了國內(nèi)建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)制約因素,提出了建設(shè)現(xiàn)貨市場(chǎng)的目標(biāo)模式與實(shí)施步驟,并提出了以標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線為理念的中長期交易電量執(zhí)行、分解與結(jié)算方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有中長期電量交易的兼容與支撐,以利于向現(xiàn)貨市場(chǎng)過渡。

1 現(xiàn)貨市場(chǎng)的意義與模式

1.1 現(xiàn)貨市場(chǎng)的意義與作用

相對(duì)于中長期市場(chǎng),現(xiàn)貨市場(chǎng)主要包括日前及日以內(nèi)細(xì)粒度的電力商品交易;交易方式一般采用統(tǒng)一出清的模式,由市場(chǎng)主體自愿申報(bào),對(duì)所形成的交易計(jì)劃進(jìn)行交割和結(jié)算;產(chǎn)品類型上主要分為能量市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)。

一般來說,現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)包括日前市場(chǎng)、日內(nèi)市場(chǎng)及實(shí)時(shí)市場(chǎng)中的全部或者部分,三個(gè)市場(chǎng)分工不同、相互協(xié)作[3]。具體而言,日前市場(chǎng)于運(yùn)行日的前一日以1 d為時(shí)段組織市場(chǎng)進(jìn)行交易,便于系統(tǒng)運(yùn)營者安排運(yùn)營日的機(jī)組組合;日內(nèi)市場(chǎng)為市場(chǎng)主體在日前市場(chǎng)結(jié)束后提供微調(diào)的機(jī)會(huì),規(guī)模一般較小;實(shí)時(shí)市場(chǎng)于運(yùn)行前5～15 min組織,產(chǎn)生與實(shí)際運(yùn)行基本一致的出清結(jié)果,其主要目的在于為線路阻塞和電量供給提供經(jīng)濟(jì)信號(hào),反映資源的稀缺程度。

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建成后,可通過現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易結(jié)果,形成反映電網(wǎng)阻塞的節(jié)點(diǎn)電價(jià)(locational price,LP),引導(dǎo)負(fù)荷與發(fā)電在空間上優(yōu)化分布,以減輕系統(tǒng)運(yùn)行阻塞;可形成反映電能時(shí)效松緊的分時(shí)電價(jià)(time-of-use,TOU),引導(dǎo)需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)與互動(dòng),提高電網(wǎng)消納新能源的能力,實(shí)現(xiàn)更合理的發(fā)用電匹配。從長期來看,現(xiàn)貨市場(chǎng)形成的電價(jià)能夠反映電力供需平衡和生產(chǎn)成本,體現(xiàn)系統(tǒng)供需情況,為中長期電力市場(chǎng)交易提供價(jià)格風(fēng)向標(biāo)?？傮w來說,現(xiàn)貨市場(chǎng)提升了資源優(yōu)化配置的時(shí)效性,是對(duì)中長期市場(chǎng)的帕累托改進(jìn)。

因此,本輪電力體制改革要想實(shí)現(xiàn)“市場(chǎng)在資源配置中起決定性作用”的目標(biāo)與原則,必須建立中長期市場(chǎng)與現(xiàn)貨市場(chǎng)并舉的電力市場(chǎng)體系,前者防風(fēng)險(xiǎn)、后者促優(yōu)化,二者有機(jī)結(jié)合、協(xié)同互補(bǔ)。

1.2 現(xiàn)貨市場(chǎng)的模式選擇

“集中式”與“分散式”相對(duì)應(yīng),分別代表了中國本輪電力市場(chǎng)改革可以選擇的兩種市場(chǎng)運(yùn)行模式[7]。具體而言,“分散式”以中長期實(shí)物合同為基礎(chǔ),運(yùn)行過程中的偏差電量通過實(shí)時(shí)平衡系統(tǒng)進(jìn)行交易來調(diào)節(jié),優(yōu)化目標(biāo)是再調(diào)度成本最低,以英國電力市場(chǎng)為代表;“集中式”則以中長期差價(jià)合同為基礎(chǔ),采用全電量集中優(yōu)化競(jìng)價(jià)的現(xiàn)貨交易,優(yōu)化目標(biāo)是發(fā)電總成本最低或市場(chǎng)福利最大化,以美國、澳大利亞和新加坡等的電力市場(chǎng)為代表。

現(xiàn)貨市場(chǎng)的模式選擇,應(yīng)重點(diǎn)考慮所在地區(qū)電力系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀與發(fā)展愿景。對(duì)于中國而言,大多數(shù)地區(qū)在未來5～10 a內(nèi),仍將保持著一定速率的負(fù)荷增長,新能源、核電等電源將逐漸替換現(xiàn)有的燃煤機(jī)組,跨區(qū)跨省特高壓線路的建設(shè)將改變電網(wǎng)間的連接關(guān)系與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此可以預(yù)見到,未來國內(nèi)大部分地區(qū)的電力系統(tǒng)將面臨著運(yùn)行方式多變、阻塞斷面多變、新能源滲透率增高、調(diào)峰資源稀缺等實(shí)際情況。針對(duì)這種情況,“集中式”市場(chǎng)具有更易起步的特點(diǎn)與更強(qiáng)的適應(yīng)性。

首先,“集中式”市場(chǎng)以“中長期差價(jià)合同+全電量優(yōu)化現(xiàn)貨市場(chǎng)”為核心,中長期形成的交易合同不強(qiáng)制物理執(zhí)行,因此系統(tǒng)的阻塞與傳輸線路的變化不會(huì)對(duì)合約的執(zhí)行產(chǎn)生約束;其次,考慮到新能源接入增加與電源側(cè)調(diào)節(jié)能力稀缺的問題,“集中式”市場(chǎng)可通過全電量優(yōu)化,調(diào)動(dòng)全網(wǎng)資源,促進(jìn)新能源消納,并打破中長期合約對(duì)于部分機(jī)組調(diào)峰資源固化的限制;第三,“集中式”市場(chǎng)的運(yùn)作機(jī)制與電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)度業(yè)務(wù)與工作流程更加契合,無需作出大幅改變,有利于快速起步、平穩(wěn)過渡。

2 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的建設(shè)路徑

考慮到市場(chǎng)建設(shè)平穩(wěn)起步的需求,現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的首要任務(wù)是兼容已開展的中長期電量交易,將交易周期“推進(jìn)”到日前,構(gòu)建以“電力”為標(biāo)的物的競(jìng)爭(zhēng)體系,形成反映分時(shí)供需比的電價(jià)信號(hào),并針對(duì)不同交易成分進(jìn)行“日清月結(jié)”。

然而,當(dāng)前國內(nèi)各省區(qū)的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè),普遍存在著用戶側(cè)分時(shí)計(jì)量設(shè)備普及程度不足,且大多數(shù)用戶與售電公司尚缺乏參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的意識(shí)與專業(yè)知識(shí)等情況,若想在現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的第一階段即將用戶引入現(xiàn)貨市場(chǎng),可能需要一個(gè)較長的設(shè)備普及與市場(chǎng)意識(shí)培養(yǎng)的階段,不能滿足電力體制改革的實(shí)施步驟要求。鑒于此,本文主要從“發(fā)用電雙方競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系形成”的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的“三階段”建設(shè)路徑,以實(shí)現(xiàn)在缺少用戶側(cè)參與的現(xiàn)狀下,抓住現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的核心目標(biāo)快速起步,并平穩(wěn)過渡到更加完備、充分競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)貨市場(chǎng)。需要說明的是,下文所規(guī)劃的“三階段”建設(shè)路徑,并不需要都從第一階段開始起步,可結(jié)合各個(gè)省區(qū)電力市場(chǎng)的實(shí)際情況,選擇從第一、第二,甚至第三階段開始實(shí)施。

2.1 第一階段:基于需求預(yù)測(cè)與價(jià)格傳導(dǎo)的發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)

用電需求:由電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),在現(xiàn)貨市場(chǎng)開市前公布交易日的全網(wǎng)/分區(qū)/節(jié)點(diǎn)負(fù)荷曲線。

發(fā)電申報(bào):發(fā)電企業(yè)以機(jī)組為單位申報(bào)參與市場(chǎng)的一組或多組報(bào)價(jià),具體包括能量價(jià)格(元/(MW·h))與對(duì)應(yīng)發(fā)電容量段(MW)的能量供給曲線,并申報(bào)啟停價(jià)格(萬元/次)、啟停時(shí)間、發(fā)電能力上下限(MW)等機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。

交易出清:電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)以全網(wǎng)發(fā)電成本最小化為優(yōu)化目標(biāo),考慮功率平衡、必開機(jī)組、旋轉(zhuǎn)備用水平、斷面極限等電網(wǎng)運(yùn)行約束條件與機(jī)組最大最小出力、爬坡約束等條件,運(yùn)行帶安全約束的機(jī)組組合(safe constrained unit commitment,SCUC)程序進(jìn)行市場(chǎng)出清計(jì)算,形成日前開機(jī)組合、發(fā)電計(jì)劃曲線與分時(shí)邊際電價(jià)。

交易結(jié)算:對(duì)發(fā)電企業(yè)的中長期電量合同進(jìn)行金融化的曲線分解(具體分解方式在第3節(jié)中重點(diǎn)闡述),并以合約已商定的價(jià)格為結(jié)算依據(jù)。日前現(xiàn)貨市場(chǎng)出清形成的交易計(jì)劃,與中長期電量合同分解形成的金融化曲線之間的偏差量,按照日前市場(chǎng)的分時(shí)價(jià)格信號(hào)進(jìn)行結(jié)算。發(fā)電機(jī)組實(shí)際執(zhí)行的出力曲線與日前現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易計(jì)劃曲線及之間的偏差量,則按照實(shí)時(shí)市場(chǎng)的分時(shí)邊際電價(jià)進(jìn)行結(jié)算。

作為電力現(xiàn)貨市場(chǎng)起步的第一階段,以上市場(chǎng)機(jī)制將交易組織重點(diǎn)放在發(fā)電側(cè),用電側(cè)市場(chǎng)主體無須深度參與市場(chǎng),其優(yōu)點(diǎn)在于市場(chǎng)組織流程簡單,可以兼容現(xiàn)有的中長期電量交易(兼容辦法在第3節(jié)中重點(diǎn)闡述),又重點(diǎn)解決了現(xiàn)貨市場(chǎng)在促進(jìn)資源優(yōu)化配置、形成分時(shí)競(jìng)爭(zhēng)的價(jià)格信號(hào)等核心目標(biāo),便于起步、直接高效,并在此過程中逐漸培養(yǎng)用電側(cè)市場(chǎng)主體的現(xiàn)貨意識(shí)。

2.2 第二階段:考慮需求申報(bào)與價(jià)格響應(yīng)的發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)

用電需求:現(xiàn)貨市場(chǎng)開市后,由大用戶和售電公司自行申報(bào)其在交易日的用電需求曲線(MW),按照市場(chǎng)規(guī)則,應(yīng)申報(bào)24 h或其他時(shí)段要求的用電需求。此外,大用戶和售電公司還可申報(bào)“價(jià)格—需求”的彈性響應(yīng)信息,以“高于一定價(jià)格水平即減少一定用電數(shù)量”的方式進(jìn)行申報(bào),可以有多個(gè)申報(bào)段。

發(fā)電申報(bào):發(fā)電側(cè)主體參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的流程與第一階段相同。

交易出清:電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)以與第一階段相同的方式進(jìn)行市場(chǎng)出清,其中用電需求以用戶申報(bào)量為準(zhǔn)。交易出清之后,電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)仍應(yīng)開展系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè),并以其作為安全校核、調(diào)整開停機(jī)計(jì)劃的依據(jù),以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

交易結(jié)算:交易結(jié)算流程與第一階段相同。

與第一階段的市場(chǎng)模式相比,第二階段允許大用戶和售電公司自行申報(bào)其用電需求的響應(yīng)信息,初步實(shí)現(xiàn)了將用電側(cè)市場(chǎng)主體引入現(xiàn)貨市場(chǎng)的目標(biāo),增加了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)度,培育了用電側(cè)的價(jià)格響應(yīng)意識(shí),也為用電側(cè)市場(chǎng)主體提供了一定的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避手段。

2.3 第三階段:發(fā)用電雙邊申報(bào)量價(jià)信息的雙側(cè)競(jìng)爭(zhēng)

用電需求:現(xiàn)貨市場(chǎng)開市后,以大用戶或售電公司申報(bào)參與市場(chǎng)的一組或多組報(bào)價(jià),具體包括能量價(jià)格(元/(MW·h))與對(duì)應(yīng)的用電容量段(MW)的能量需求曲線,并申報(bào)包括失負(fù)荷成本(萬元/次)在內(nèi)的多種用戶運(yùn)行參數(shù)。

發(fā)電申報(bào):發(fā)電側(cè)主體參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的流程與第一階段相同。

交易出清:電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)以社會(huì)福利最大化為優(yōu)化目標(biāo),考慮系統(tǒng)運(yùn)行約束進(jìn)行市場(chǎng)出清,形成日前開機(jī)組合、發(fā)電計(jì)劃曲線與分時(shí)邊際電價(jià)。

交易結(jié)算:交易結(jié)算流程與第一階段相同。

本模式下各市場(chǎng)主體的申報(bào)自由度高,市場(chǎng)申報(bào)情況能夠充分反映市場(chǎng)供給與需求的彈性,并最終形成社會(huì)福利最大化的市場(chǎng)出清結(jié)果,真正實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)統(tǒng)籌、深度資源優(yōu)化配置效果。

3 中長期市場(chǎng)與現(xiàn)貨市場(chǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制

以上“三階段”的市場(chǎng)建設(shè)路徑,其難點(diǎn)在于第一階段的市場(chǎng)建設(shè),尤其是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨市場(chǎng)與中長期電量交易的兼容與銜接。為此,本節(jié)將進(jìn)一步提出基于標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線的中長期交易電量執(zhí)行、分解與結(jié)算方法。該方法首先區(qū)分不同類型的中長期交易電量合約,對(duì)于需要物理執(zhí)行的電量合約進(jìn)行事后分解,以“激勵(lì)相容”為原則,采用現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電曲線作為分解依據(jù),以形成金融化的分時(shí)結(jié)算曲線,從而可作為現(xiàn)貨市場(chǎng)分時(shí)競(jìng)爭(zhēng)、偏差結(jié)算的依據(jù),實(shí)現(xiàn)了中長期電量交易與現(xiàn)貨市場(chǎng)的兼容與銜接。方法流程圖如圖1所示。

圖1 中長期市場(chǎng)與現(xiàn)貨市場(chǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制流程Fig.1 Flow chart of coordination mechanism for medium- and long-term markets and spot markets

3.1 電力電量交易解耦的中長期電量執(zhí)行

日前市場(chǎng)開市前,已簽訂中長期電量合約的市場(chǎng)主體,須向電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)申報(bào)中長期電量合約的執(zhí)行意向。首先,選擇以“物理”或者“差價(jià)”的模式執(zhí)行合約。其中,“物理”模式執(zhí)行表明合約簽訂的電量需全部實(shí)際執(zhí)行,而“差價(jià)”模式執(zhí)行表明合約簽訂的電量不保證實(shí)際執(zhí)行,但是具備金融結(jié)算的意義。若以“物理”模式執(zhí)行,須提交自行分解的電力曲線,若以“差價(jià)”模式執(zhí)行,需選擇以“電量合約”或以“電力曲線”的模式執(zhí)行合約。

以“物理”模式執(zhí)行并分解至曲線的合約,稱為物理電力合約(physical contract,PC),以集合KPC表示。

以“差價(jià)”模式執(zhí)行并自行分解至曲線的合約,稱為差價(jià)電力合約(decomposition of contract for differences,DCD),以集合KDCD表示;以“差價(jià)”模式執(zhí)行但不自行分解至曲線的合約,稱為差價(jià)電量合約(non-decomposition of contract for differences,NCD),以集合KNCD表示。

市場(chǎng)主體申報(bào)的物理電力合約電量,由電力市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)統(tǒng)一進(jìn)行安全校核,通過安全校核后則依據(jù)物理曲線進(jìn)行調(diào)度;差價(jià)電力合約與差價(jià)電量合約部分電量只具有結(jié)算意義,市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)優(yōu)化出清時(shí)不考慮其約束,在結(jié)算時(shí),前者依據(jù)市場(chǎng)主體申報(bào)的電力曲線進(jìn)行差價(jià)結(jié)算,后者依據(jù)市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)統(tǒng)一分解的電力曲線進(jìn)行差價(jià)結(jié)算。

3.2 電力電量交易解耦的中長期電量分解

運(yùn)行日結(jié)束之后,對(duì)于選擇差價(jià)電量合約模式執(zhí)行的中長期合約電量,需要由市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線進(jìn)行電量分解。從發(fā)用兩側(cè)結(jié)算對(duì)應(yīng)的目標(biāo)出發(fā),建議標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線以現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電曲線為基準(zhǔn)形成。

從系統(tǒng)負(fù)荷電力曲線中扣除上述分量,即可得到代表選擇差價(jià)電力合約的所用市場(chǎng)主體用電曲線的集合,即

(1)

式中:PST(t)為現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電曲線;L為系統(tǒng)負(fù)荷集合;KCL為區(qū)域聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃集合;GRE和GSS分別為新能源電廠與地方自備電廠集合。

對(duì)差價(jià)電量合約對(duì)應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電曲線PST(t)進(jìn)行標(biāo)幺化,得到標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線:

(2)

式中:Δt為結(jié)算間隔,一般為5 min或15 min;T為一日內(nèi)的結(jié)算點(diǎn)數(shù)量集合,對(duì)應(yīng)5 min和15 min的結(jié)算間隔點(diǎn)分別為288和96。

市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線的形狀,對(duì)選擇差價(jià)電量合約市場(chǎng)主體的電量合約進(jìn)行分解,如對(duì)于差價(jià)電量合約執(zhí)行的合約電量為Q0,可得用于差價(jià)結(jié)算的電力曲線P0(t):

(3)

3.3 電力電量交易解耦的中長期電量結(jié)算

3.3.1 結(jié)算成分分解

各市場(chǎng)主體的中長期交易合約可能包括多種結(jié)算成分,例如對(duì)于發(fā)電企業(yè)來說,其中長期合約電量包括非市場(chǎng)的年度基數(shù)電量、非市場(chǎng)的優(yōu)先發(fā)電電量、市場(chǎng)的中長期合約電量、市場(chǎng)的中長期集中競(jìng)價(jià)電量這四種成分中的某一種或多種,因此需分別進(jìn)行分解;參與市場(chǎng)的用電企業(yè)一般來說只有后兩種成分,即中長期市場(chǎng)化交易電量成分。

市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)以標(biāo)準(zhǔn)化分解曲線為輪廓,對(duì)各發(fā)電企業(yè)的中長期合約分解至日的電量計(jì)劃中的三種成分進(jìn)行分解,形成各主體的當(dāng)日?qǐng)?zhí)行電量計(jì)劃的金融結(jié)算曲線。接下來,不同結(jié)算成分的電力曲線采用對(duì)應(yīng)結(jié)算成分的價(jià)格進(jìn)行結(jié)算與清算,具體到發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)。

3.3.2 發(fā)電側(cè)結(jié)算

(4)

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

(9)

發(fā)電主體Gi獲得的整體收益為:

(10)

(11)

3.3.3 用戶側(cè)結(jié)算

(12)

(13)

(14)

其中

(15)

(16)

(17)

用電主體Cj需支付的整體費(fèi)用為:

(18)

(19)

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以中國某省3月某日負(fù)荷數(shù)據(jù)為依據(jù),通過成分扣除得到其現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電曲線。差價(jià)電量合約對(duì)應(yīng)的綜合發(fā)電曲線如附錄A圖A1所示。

現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格與實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格參考PJM市場(chǎng)2017年3月15日的數(shù)據(jù),如圖2所示。取該省3月日前市場(chǎng)的加權(quán)平均價(jià)格為中長期交易成交的參考價(jià)格,即0.79元/(kW·h)。

4.2 用戶側(cè)的執(zhí)行、分解與結(jié)算

以水泥廠A為例,其與某電廠簽訂了為期一年共200 GW·h電量的中長期協(xié)議,簽約價(jià)格為0.70元/(kW·h),同時(shí)從月度集中競(jìng)價(jià)市場(chǎng)購得15 GW·h的月度電量,價(jià)格為0.75元/(kW·h)。

圖2 某省現(xiàn)貨市場(chǎng)電價(jià)Fig.2 Power prices in spot market

對(duì)于中長期電量合約的簽訂與執(zhí)行情況假設(shè)如下。月初,水泥廠需將中長期電量分解到每日電量,分解到運(yùn)行日的日電量計(jì)劃為1 100 MW·h,其中包含600 MW·h的中長期合約分解電量與500 MW·h的月度集中競(jìng)價(jià)分解電量。其中,水泥廠A在簽訂中長期合約時(shí)與電廠已事先約定,雙方合約中每日400 MW·h的電量需物理執(zhí)行,因此該部分需在日前市場(chǎng)開市前由水泥廠A分解成為電力曲線并提交市場(chǎng)運(yùn)營機(jī)構(gòu)。根據(jù)雙方協(xié)商要求,每日的400 MW·h物理執(zhí)行電量需為恒定出力,因此分解到每時(shí)的功率為16.7 MW。即水泥廠A需保證24 h內(nèi)每時(shí)每刻的功率均不小于16.7 MW。水泥廠A剩下的中長期合約與月度集中競(jìng)價(jià)電量,均選擇差價(jià)電量合約的執(zhí)行模式,由系統(tǒng)運(yùn)營商在事后進(jìn)行統(tǒng)一分解結(jié)算。水泥廠A的分時(shí)結(jié)算情況如附錄A圖A2所示。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí),水泥廠A根據(jù)自身操作計(jì)劃用電,實(shí)際運(yùn)行曲線如圖3中藍(lán)色線所示。

圖3 水泥廠A的事后結(jié)算曲線Fig.3 Settlement curves of cement plant A

進(jìn)入事后結(jié)算環(huán)節(jié),將水泥廠A在當(dāng)日的中長期電量進(jìn)行金融化曲線分解,參與結(jié)算,如圖3中深紫色和淺紫色對(duì)應(yīng)的部分所示。需要指出的是,物理合約功率橫線以下的深紫色部分只代表以中長期雙邊合約的價(jià)格結(jié)算,其作為物理執(zhí)行部分不參與電量統(tǒng)一分解。

對(duì)于水泥廠A來說,其實(shí)際功率曲線與中長期電量分解曲線基本一致,因此現(xiàn)貨市場(chǎng)支出費(fèi)用較少,為0.77萬元。

考慮水泥廠A該日簽約價(jià)格0.70元/(kW·h)的中長期合約分解得到的600 MW·h(其中包括400 MW·h的物理執(zhí)行電量),月度集中競(jìng)價(jià)0.75元/(kW·h)的電量分解得到的500 MW·h,中長期合約的費(fèi)用為79.5萬元?？紤]現(xiàn)貨市場(chǎng)支出費(fèi)用,水泥廠A當(dāng)日使用1 100 MW·h電量的電費(fèi)總計(jì)為80.27萬元。

4.3 發(fā)電側(cè)的執(zhí)行、分解與結(jié)算

以與水泥廠A簽訂中長期合約的電廠B為例進(jìn)行分析,電廠B擁有4臺(tái)50 MW火電機(jī)組。

對(duì)于中長期電量合約的簽訂與執(zhí)行情況假設(shè)如下。日前市場(chǎng)開市前,電廠B已獲得150 GW·h的年度基數(shù)電量,總計(jì)400 GW·h的年度雙邊合約電量(其中包括與水泥廠A簽約的200 GW·h合約電量)和30 GW·h的月度集中競(jìng)價(jià)電量,分解到當(dāng)日分別為450,1 100,1 000 MW·h,共計(jì)2 550 MW·h的中長期電量。其中,基數(shù)電量按照政府核算的價(jià)格0.80元/(kW·h)進(jìn)行結(jié)算;中長期雙邊合約電量以雙方協(xié)商的0.70元/(kW·h)結(jié)算;月度集中競(jìng)價(jià)電量以集中出清的價(jià)格0.75元/(kW·h)進(jìn)行結(jié)算。電廠B的分時(shí)結(jié)算情況如附錄A圖A3所示。

電廠B的中長期合約中有物理執(zhí)行的合約,分解到每時(shí)的功率為2 MW,其余部分選擇差價(jià)電量合約的執(zhí)行模式,由系統(tǒng)運(yùn)營商在事后進(jìn)行統(tǒng)一分解。

當(dāng)日日前市場(chǎng)開市后,電廠B提交量價(jià)曲線,系統(tǒng)運(yùn)營商進(jìn)行出清,得到電廠B的日前出力計(jì)劃,如圖4中藍(lán)色線所示。實(shí)際運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)運(yùn)營商調(diào)用電廠B的出力結(jié)果如圖4中紅色線所示。

圖4 電廠B的事后結(jié)算曲線Fig.4 Settlement curves of power plant B

進(jìn)入事后結(jié)算環(huán)節(jié),將電廠B當(dāng)日的中長期電量的各個(gè)成分進(jìn)行金融化曲線分解,分別按照各自價(jià)格進(jìn)行結(jié)算,如圖4中各個(gè)紫色的區(qū)域所示。其中,對(duì)于日前功率高于差價(jià)合約功率的部分,電廠能夠多收到功率差額對(duì)應(yīng)的費(fèi)用,對(duì)于日前功率低于差價(jià)合約功率的部分,電廠需要減少功率差額對(duì)應(yīng)的費(fèi)用。

總體來說,電廠B當(dāng)日在現(xiàn)貨市場(chǎng)的結(jié)算費(fèi)用為2.18萬元,其中日前市場(chǎng)為-1.59萬元,實(shí)時(shí)市場(chǎng)為3.77萬元。

對(duì)電廠B的中長期電量分解到該日的電量和價(jià)格進(jìn)行結(jié)算,可得到當(dāng)日的基數(shù)電量費(fèi)用為36萬元,中長期雙邊合約電量費(fèi)用為77萬元,月度競(jìng)價(jià)電量費(fèi)用為75萬元,故中長期電量費(fèi)用共188萬元。再加上現(xiàn)貨市場(chǎng)收入的2.18萬元,電廠B在該日的電費(fèi)總收入為190.18萬元。

4.4 不同用戶參與交易的差異分析

本結(jié)算方案能夠根據(jù)用戶不同用電特性實(shí)現(xiàn)差異化收費(fèi),有利于用戶響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)峰需求,實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容的資源優(yōu)化配置。換句話說,對(duì)于兩個(gè)用電特性不同的市場(chǎng)主體,即使其中長期合約與現(xiàn)貨市場(chǎng)的電量都相同,最終它們的電費(fèi)水平也會(huì)有所不同。

具體而言,假設(shè)鋼材廠C與水泥廠A具有相同的中長期合約和集中競(jìng)價(jià)電量,但其實(shí)際用電曲線有較大差異。二者的電量合約分解方式相同,具體見4.2節(jié)。

實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí),鋼材廠C與水泥廠A的用電特性有所不同:前者的用電曲線較為平坦,有一定的反調(diào)峰特性,沒有較大的波動(dòng);后者與系統(tǒng)峰谷特性相近,具體如圖5所示。

圖5 水泥廠A與鋼材廠C的功率曲線Fig.5 Power curves of cement plant A and steel mill C

鑒于不同的用電特性,其結(jié)算費(fèi)用也有較大的區(qū)別。二者在日前市場(chǎng)的結(jié)算費(fèi)用均為0.11萬元,水泥廠A在實(shí)時(shí)市場(chǎng)的費(fèi)用為0.40萬元,鋼材廠C在實(shí)時(shí)市場(chǎng)的費(fèi)用為-1.12萬元,故水泥廠A較鋼材廠C在現(xiàn)貨市場(chǎng)多支出1.52萬元。

因此,本方法對(duì)于積極響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)峰需求的用戶,能夠給予更低的平均電價(jià),從而引導(dǎo)市場(chǎng)主體在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)多用電,在負(fù)荷高峰時(shí)少用電,有利于可再生能源消納與系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.5 機(jī)制的適應(yīng)性與優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)以上結(jié)果,本文提出的基于標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行與結(jié)算方法優(yōu)勢(shì)如下。

1)可兼容不同合約方式,包括物理合約與差價(jià)合約的交易組織、執(zhí)行、分解與結(jié)算。

2)可兼容不同的合約執(zhí)行方式,市場(chǎng)主體可自行選擇中長期交易電量到現(xiàn)貨市場(chǎng)上的分解方式,也可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化分解方式。

3)在曲線分解與結(jié)算中保障了收支平衡,通過計(jì)算差價(jià)合約對(duì)應(yīng)的發(fā)電曲線,實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃電量、市場(chǎng)化電量等不同成分在結(jié)算上的對(duì)等,規(guī)避了市場(chǎng)結(jié)算中的資金風(fēng)險(xiǎn)。

4)有利于實(shí)現(xiàn)中長期交易的標(biāo)準(zhǔn)化簽約,市場(chǎng)主體在簽訂合約時(shí)只需明確交易電量,無需細(xì)化交割曲線,從而降低了中長期交易的交易成本,增強(qiáng)了中長期交易合約的流通性。

5)有利于培育市場(chǎng)主體參與現(xiàn)貨市場(chǎng)交易的意識(shí),明確了差價(jià)合約與發(fā)用電兩側(cè)確定平衡義務(wù)的市場(chǎng)意識(shí),有利于推廣差價(jià)合約的交易形式,以及以電力曲線為標(biāo)的物的現(xiàn)貨市場(chǎng)的開展。

5 結(jié)語

現(xiàn)貨市場(chǎng)是電力市場(chǎng)的重要組成部分,對(duì)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置及對(duì)中長期市場(chǎng)進(jìn)行帕累托改進(jìn)有著重要的意義。而“集中式”現(xiàn)貨市場(chǎng)具有合同電量不強(qiáng)制物理執(zhí)行、日前可進(jìn)行全電量優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn),適合中國當(dāng)前的電力系統(tǒng)大環(huán)境,有利于市場(chǎng)改革的平穩(wěn)起步和快速發(fā)展。

本文提出的以需求預(yù)測(cè)與價(jià)格傳導(dǎo)、需求申報(bào)與價(jià)格響應(yīng)、雙邊申報(bào)量價(jià)信息為核心的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)“三階段”建設(shè)路徑,能在缺少用戶側(cè)參與的情況下快速起步,并平穩(wěn)過渡到更加完備、充分競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)貨市場(chǎng)。而基于標(biāo)準(zhǔn)化金融交割曲線的中長期交易電量執(zhí)行、分解與結(jié)算方法,一方面吸收了國外成熟電力市場(chǎng)所長,一方面又致力于與中國目前改革進(jìn)程相適應(yīng),目的在于為改革初期的國內(nèi)電力市場(chǎng)提供一種易于起步、切實(shí)可行的改革方法,以降低電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的難度,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨市場(chǎng)與中長期電量交易的兼容與協(xié)調(diào)運(yùn)行。

本文的算例從用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)分別展開,對(duì)不同行為的用戶參與交易進(jìn)行了差異分析,結(jié)果證明本文所提方法能夠兼容多種合約及不同的執(zhí)行模式,實(shí)現(xiàn)公平、公正的分解與結(jié)算,有利于實(shí)現(xiàn)中長期交易的標(biāo)準(zhǔn)化簽約及市場(chǎng)意識(shí)培育。

限于篇幅,本文未對(duì)包括電力期貨在內(nèi)的電力金融市場(chǎng)在中國的建設(shè)與發(fā)展路徑進(jìn)行探究,這也將是作者接下來的研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Spot Market Mechanism Design and Path Planning Based on Standard Curve for Financial Delivery

GUOHongye1,2,CHENQixin1,2,ZHONGHaiwang1,2,WANGYang3,ZHANGWeijing3,XIAQing1,2

(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Beijing Tsintergy Technology Co. Ltd., Beijing 100080, China)

The new round of power system deepening reform in China is in full swing. It has become an important task for the next step to speed up the construction of electricity spot power market. Based on the real constraints on Chinese electricity market construction, the core objectives and pattern selection issues of the spot market construction are discussed. Based on the idea of “the formation of competitions among generations and consumers”, a construction path design of the spot market is proposed. To seize the opportunity of rapid starting, a “three-stage” construction path of the power spot market is designed. A set of implementation, decomposition and settlement methods of the medium- and long-term electric quantity transactions to work in the spot market is proposed, accomplishing the compatible and coordinated operation of the spot market and long-term power transactions. At last, the paper gives a series of case studies of the proposed market mechanism, from two perspectives of provider and consumer. The different settlement characteristics of consumers with various power utilization behaviors are demonstrated. The results show that the proposed method is beneficial to the users who respond to the system peak-shaving demand and realize optimal allocation of incentive compatible resources.

This work is supported by State Grid Corporation of China.

power system reform; power spot market; standard curve for financial delivery; differential settlement; power market construction path

2017-05-12;

2017-07-13。

上網(wǎng)日期: 2017-07-27。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“適應(yīng)特高壓互聯(lián)電網(wǎng)的多時(shí)空尺度電力交易關(guān)鍵技術(shù)研究”。

郭鴻業(yè)(1993—),男,博士研究生,主要研究方向:電力市場(chǎng)、均衡分析、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、負(fù)荷預(yù)測(cè)等。

陳啟鑫(1982—),男,通信作者,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力市場(chǎng)、低碳電力、電力系統(tǒng)規(guī)劃。E-mail: qxchen@tsinghua.edu.cn

鐘海旺(1986—),男,博士，助理教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)調(diào)度、發(fā)電計(jì)劃、電力市場(chǎng)、新能源消納、需求響應(yīng)等。

(編輯 章黎)