电力市场设计中集中模式和分散模式的比较

作者: | 发布日期: 2018 年 08 月 01 日 17:39 | 分类: 行业知识

【导读】我国电力市场改革9号文中,将电力市场模式分为集中式和分散式两种,在电力市场的具体的设计环节,也经常出现集中式和分散式之分。比如,交易模式包括双边交易和集中交易,对电厂的调度包括自调度和集中调度等,这都可以看为不同问题的分散和集中两种实现方式。本文从市场的基本原理出发,对电力市场中的集中式经济机制和和分散式经济机制进行讨论。

一、计划机制和市场机制概述

1、经济体制

集中和分散的区别可以体现在很多不同的层次。这里,首先从最高层次讨论:经济体制。

经济学的目的是解决资源配置中的三大问题:生产什么、怎么生产和为谁生产。解决这三大问题有两大类方法:计划和市场,或者说集中和分散。计划机制下,由政府确定三大问题的解决方案。市场机制下,通过市场的力量自发形成三大问题的解决方案。

2、集中(计划)机制

集中(计划)机制:由一个统一的、集中的、垄断的机构来确定资源配置的方案:生产什么产品,怎么组织生产的过程,生产的产品怎么分配等。计划机制具体可以由多种方式实现:1)政府直接管制;2)垄断的国有企业运营;3)垄断的私有企业运营。生产规划、生产计划、分配计划都由这个垄断的机构来负责。这个垄断的机构的目标是整个经济体系的总体福利最大,包括生产者福利和消费者福利。

理论上,如果这个垄断的机构能够获得经济体系的所有的信息,包括所有消费者的需求特性的信息、所有生产者的供给特性的信息,以及相关内外部约束的信息;具有足够的计算、分析能力;并且执行者能够完全以社会福利最大化为目标进行决策,集中的计划体制下可以实现社会福利最大化的结果。但是,实际上往往达不到这个结果,影响这个目标实现的因素包括:

1)信息。集中决策者无法得到完全的、准确的所有市场主体的信息。一方面是由于市场主体的数量可能比较大;另一方面,市场主体都会有隐瞒自己信息以得到更多获利的动机,集中的决策者很难获得完全真实的信息,即使是对同一个企业内部的不同部门。

2)分析计算能力。现实经济世界是一个复杂的系统。如果要完全反映所有市场主体的生产、消费特性,集中决策的问题可能是一个非常复杂的、高维的、非线性的最优化问题,在一定的技术条件下和时间内可能无法求解。

3)代理人的激励问题。在集中机制下,社会福利最大化的目标需要由一个代理人来执行,如上所述,这个代理人可能是政府的某个部门,可能是某个国有企业,也可能是受管制的私人企业、上市公司。这个代理人在进行决策的时候,难免会受到其个人利益的影响,这样就会导致实际的目标不一定是社会福利最大化的目标。

4)市场主体的激励问题。对市场中的广大的市场主体,包括生产者和消费者,其获得的效益并不完全与其付出的努力相关,可能导致生产效率的低下。

3、分散(市场)机制

分散(市场)机制:没有一个统一的、集中的、垄断的机构来确定资源的配置方案,而是通过市场主体各自的决策,市场主体之间的博弈,达到一种均衡状态,确定资源的配置方案。市场中有很多个独立的市场主体,每个市场主体的目标都是各自的利益最大化。市场主体之间互相博弈,调整自己的市场策略,最终达到均衡的状态。

理想状态下,如果市场竞争充分,信息完全,没有交易成本,没有外部性,分散的市场机制可以实现社会福利的最大化。也就是说,在每个人追求自己的个人利益最大化的同时,自动的推动了整个社会福利最大化的实现。当然,这个结果的实现也有条件。

1)竞争充分。这是最重要的条件。市场中有足够多的市场主体,每个市场主体没有影响价格的能力,只能作为市场价格的接受者。

2)信息充分和对称。每个市场主体都可以得到其决策需要的市场信息。市场主体获得的信息是对称的,不存在一些市场主体掌握的信息多,另外一些市场主体掌握的信息少的情况。

3)交易成本低。交易需要成本,包括寻找交易对手的成本、谈判的成本、资金交割结算的成本等。如果交易成本过高,将淹没市场带来的效益。

4)没有外部性。外部性的存在会影响市场的效率。比如,可再生能源发电具有减少排放的好的外部性,燃煤发电具有增加排放的坏的外部性,这个外部性如果在市场机制中没有考虑,或者以错误的方式考虑,都会影响市场整体的效率和福利。

二、集中和分散机制的层次

集中的经济机制和分散的经济机制各有优缺点,在理想的情况下都可以实现资源配置的最优化。但实际中,两种模式实现最优的假设、前提条件都不可能完全实现,因此每种模式都存在一定的问题。

纵观各国的经济,基本没有完全的计划经济或完全的市场经济,都是介于计划和市场之间的混合经济。不同经济的差别,主要取决于计划和市场在经济中的比例。这个比例可以体现在不同的层次。

1、不同行业之间

一个经济系统包括多个行业,如航空、金融、交通、电力、通讯、农产品、工业品等。首先,要确定在哪些行业采用计划、垄断的体制,哪些行业引入市场的机制。这并没有一个确定的模式,是随着相关理论、技术、经济的发展而变化的。欧美等传统的市场经济国家,在十九世纪市场经济发展的初期,都认为应该让市场发挥最大的作用,大多行业都是完全的市场机制。20世纪20年代到70年代之间,出现了多次严重的经济危机,因此认识到市场不是万能的,需要政府的干涉,对通讯、能源、航空等都进行了严格的管制,以垄断的机制运行。但到了70年代以后,又认识到了政府太多管制对经济造成的不利的影响,又纷纷开始了解除管制的过程。通讯、交通、电力行业纷纷又逐渐转向更加市场化的机制。

2、行业内部的不同环节

对很多比较复杂的行业,特别是以某种网络为基础的网络行业,产品的生产包括多个环节,不同环节具有不同的属性。完全的垄断和完全的计划运行都有问题,需要在不同的环节采用不同的运营机制。一般来说,目前经济学家和政治学家达成的共识是,对网络行业,在产品的生产和分配环节可以引入竞争,而在网络环节仍需要保持垄断,因为一般一个行业建设两个网络是不经济的。

电力行业是一个典型的网络行业,包括发、输、配、售等不同的环节。一般认为,在发电和售电环节,可以引入市场的机制,而在输、配电环节,需要仍然保持比较强的垄断性。

3、某个产品市场的供给端和需求端

对某个产品市场来说,包括供给侧和消费侧,可以对产品市场整体进行市场化,也可以仅对某一侧进行市场化。以电力市场中的几个例子说明仅仅在供给和需求一侧进行市场化的情况。

1)电力单一购买者。电力市场中,对发电这个产品或服务,在早期的实践中,很多国家或地区采取的是单边市场,即仅仅在发电侧引入市场机制,实行竞价上网,但在终端用户的销售侧仍然保持垄断,由电网公司以单一购买者的形式从不同的电厂买电再统一卖给终端用户。

2)辅助服务市场。电力市场中的辅助服务也大多是一个单边的市场:辅助服务由一个垄断的机构通过市场化的机制获得,包括中长期合同及集中拍卖等形式,然后由这个垄断的机构将相关的辅助服务成本按一定的原则分摊给相关的市场成员。

3)需求侧管理。电力行业中未进行电厂侧竞价情况下的需求侧管理,可以认为是一种需求侧单向开放,供给侧仍集中垄断运行的方式:发电侧尚未开放,仍然采用集中垄断的运行、调度机制,在电力供给紧张的市场,由用户通过一些市场化的方式进行报价,反映其愿意承担的电力的最高价格或者停电获得的补偿。

4、产品的交易方式

如果已经确定了对某个行业某个环节的某一侧或双侧进行市场化改革,采用市场的分散决策机制,则需要进一步确定其产品的交易场所和交易方式。

1)分散的交易。由市场的供需双方在场外、自由签订交易合同。

2)非强制性的集中交易。由独立的机构成立集中的交易机构,市场主体可以在交易机构(如非强制型的电力交易机构Exchange)中进行集中的交易。交易机构起的作用主要是降低交易成本。市场成员可以自由选择是否在交易机构中进行交易。

3)强制性的交易机制。要求市场成员必须在一个统一的市场(如强制性电力库POOL)中进行交易。

5、集中市场中一些特殊生产和消费特性的考虑

电力市场是一个非常复杂的市场,在市场设计中有很多特殊的问题需要考虑。比如,多产品的问题,电网约束的问题,发电机组的非线性成本特性问题等,这些问题可以有不同的解决方式,从大的方面也可以分为集中的方式和分散的方式两大类。

三、电力市场中一些特殊问题的处理

1、多产品的处理

市场中可能包括多种产品,多种产品之间的供给和需求互相影响。可以用不同的方法,包括分散的方法和集中的方法来考虑不同产品之间的机会成本。举例来说,发电机组的发电容量可以用于能量市场发电,也可以用于辅助服务市场做备用。发电机组参与备用市场的成本,很大程度上是其参与能量市场的机会成本,即由于参与备用市场而造成的发电量的变化,进而造成的对能量市场收益的影响。市场设计有两种思路:

1)分散式:建立能量和备用两个独立的市场,由市场主体自己决定如何对总容量进行分配。市场主体在两个市场的报价中,需要考虑在另外一个市场的可能的机会成本。

2)集中式:设计一个包括能量和备用的联合的市场,市场主体仅仅需要申报总的一个报价,由一个集中的机构来考虑两个市场之间的协调和机会成本。

2、网络约束的处理

电网的约束处理是电力市场设计中需要特别注意的一个问题。如果将发电和电力传输看为是实现电力供应的两个产品,这个问题也可以归为多产品问题:发电和输电两个产品市场之间的协调问题。

1)集中式:两个市场联合运行

我们知道,电在电网中的传输有很多限制条件,比如每条线路有最大传输量的约束、节点的电压需要保持在一定范围内、要保证一些系统扰动如发电机组故障和线路短路后系统能够保持稳定运行等。在集中的市场模型中,在能量市场出清的时候,同时考虑完全的电网的约束,保证能量市场出清的结果是可行的。这样,市场出清的结果、市场的电价同时反映了能量市场和输电容量市场的供需情况。

2)分散式:两个市场独立运行

由于实际上能量市场和输电市场是相互影响的,能量市场和输电市场不可能完全独立运行,可以通过电网约束的简化和市场的分离来实现两个市场的一定程度的解耦。

(1)市场的分离。将能量市场、输电市场都分为多个独立的市场。

(2)约束的简化。将电网的复杂的约束尽量用比较简单的形式表现。尽量减小不同市场之间的耦合。

以欧洲电力市场为例:根据行政区域、电网特点等,划分为若干价区。并做以下假设:a)认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。b)可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。这样,就可以把整个市场分解为若干个独立的市场:a)价区内部市场:能量市场不受网络约束的影响,可以自由进行交易;b)跨区交易市场:跨区能量交易需要获得跨区输电容量,由于认为每两个价区之间的跨区交易的最大交易量是确定的、不会互相影响的,因此不同的跨区交易可以独立组织,单独成为一个市场。

3、发电机组约束的处理

发电机组发电成本的一些非线性特性,是电力市场设计中需要重点考虑的另外一个问题,也可以用集中式和分散式两种思路进行。

1)问题的描述

我们知道,发电机组有最小、最大技术出力约束,有一定的启动时间,有较大的启动成本、空载成本,边际微增成本也不是单调上升的。也就是说,发电机组的供给特性是非单调的、非线性的,不符合经典经济学中对供给曲线的假设。

电力市场设计中,一般规定发电的报价需要是单调上升的。这一方面是考虑到整个行业来说,市场的供给量是随着价格升高而增加的;另一方面,从技术的角度,如果允许发电机组申报非单调的报价函数,市场出清则无法得到唯一的结果。

这样,就出现一个问题:市场中,如何考虑发电机组的这些技术的约束、非线性的成本特性呢?

2)集中式方法

美国PJM为代表的市场中,采用集中的方法处理这些约束和非线性问题。具体来说,就是:(1)由市场主体申报详细的技术约束参数和成本特性,包括启停时间、爬坡速率、启停成本、空载成本、微增成本等。(2)由集中的调度机构在市场出清中统一考虑这些约束,产生考虑各种约束的调度方案。在市场结算中,通过全成本补偿(make-whole-pament)机制保证发电机组的总收入不小于总成本。

3)分散式方法

英国、北欧、澳大利亚等电力市场中,对发电机组的约束和成本的非线性特性主要由市场主体在报价中自行考虑,市场出清模型中不考虑机组本身的技术约束的成本回收需求。也就是说,市场出清模型中不包括机组的约束,结算也不考虑市场主体是否能回收全部的成本。美国电力市场中的自调度(self-commitment)实际上就是一种对发电约束的分散式的处理方式。

很多人会担心,这种机制下,如何保证交易方案的可行?如何保证电网的安全可靠性?如何保证发电厂的收益?

答案是:市场。市场成员得到的唯一的收入是每个时段的能量的收入。在报价时,不仅仅要考虑微增成本,还有考虑启停成本、空载成本;也就是说,自己将非线性的成本曲线线性化,申报符合要求的单调递增的报价曲线;在进行各个时段的报价时,不仅仅考虑每个时段的供需情况,还要考虑自身的技术约束,保证交易结果的可行(比如,如果爬坡速率慢,就不要在连续的时段之间给出差异太大的报价)。

另外,从市场模型上,为了简化市场成员的报价,也可以设计一些特殊的报价形式减少这种不一致的出现。比如欧洲市场中的各种块报价、关联报价就是从这个角度进行的一些设计。我们之前的一些文章里对这种报价方法有较为详细的介绍。(参考【走进电力市场:欧洲电力现货市场联合出清机制】)

四、集中式和分散式机制的对比和选择

我们看到,在不同的层次,不同的环节,都存在集中和分散,计划和市场之间的选择。前面已经简单分析了计划和市场各自的特点。在理想的情况下,两种方式都可以实现最优,但实际中都存在各种制约其最优化实现的因素。因此,具体在某个问题上的选择取决于对具体问题的分析,而且最佳的选择不是固定不变的,可能会随着一些供需情况、技术的发展等发生变化,最佳的模式可能从集中转为分散,也可能从分散转为集中。下面对影响集中和分散机制选择的因素进行讨论。

1、生产的规模经济和范围经济性

具有规模经济的产业,企业的规模越大,整体生产效率越高,因此适合由一个集中、垄断的机构来运行;具有范围经济的产业,对多个生产环节的联合运行比单一生产的成本低,也适合由一个集中的、垄断的机构来联合运行。对不具有规模经济、范围经济的产业、环节,更加适合由多个不同市场主体分散来运行。具体到电力市场中,这个原则可以用于以下问题的选择:

1)纵向组织结构的改革。是否要进行发、输、配、售不同环节的拆分,很大程度上取决于这些环节的范围经济性。纵向的拆分可以有不同的形式,包括法律上的、财务上的和信息上的等。法律上的拆分就是将一个企业分为多个独立的企业,实现分散的、竞争的运营;财务上的分拆就是多个业务仍然由一个企业运营,但不同的业务的财务要独立经营、核算。对于同一个企业同时运营一些垄断的产品和一些竞争的产品的情况,需要进行信息隔离,就是垄断产品和竞争性产品的经营需要在信息上相互隔离、独立。

2)横向组织结构的改革。是否、如何对企业进行横向的拆分,限制市场主体的市场份额,很大程度上,取决于企业生产、经营方面的规模经济特性。

另外,在进行纵向和横向组织结构的改革中,除了要考虑规模经济性和范围经济性,还需要靠考虑信息方面的问题,在下面的章节里再讨论。

3)多产品市场的设计。多个产品是独立运行,还是联合运行,取决于各自的成本和效益。对联合运行有更大效益的情况,可以认为其具有规模经济或范围经济。比如,上面例子中的能量市场和辅助服务市场,可以认为是不同的产品市场,采取独立的出清机制还是集中的出清机制取决于两个市场之间的范围经济性;不同地区的市场可以认为是同类产品在不同地理、物理范围的市场,采取分区出清的机制还是全市场统一出清的机制,取决于在不同区域范围的规模经济性。

2、准确的、全面的信息的获得

无论是集中决策,还是分散决策,其决策正确的一个前提是信息的准确、全面性。哪种机制能更加反映真实的、准确的信息,哪种方式相对就有更多的优势。

1)对信息量的需求和信息的可获得性。集中机制中,决策需要所有市场主体的所有的信息,当系统非常庞大,市场主体的特性非常复杂的时候,集中机制下,常常无法获得全部的、准确的信息。分散的市场机制中,市场主体的决策一般仅需要部分的信息。比如说,在完全竞争的市场中,市场主体报价时仅需要考虑自身的成本情况,按自己的真实成本报价就是最佳策略,不需要了解其他市场主体的信息。每个市场主体对自己的特性相对集中机制下的决策机构一般有更加深入的、细致的了解。当然,市场决策需要的信息量和信息类型与市场的具体设计有很大关系。比如,在按报价结算(PAB,pay as bid)的机制下,市场主体决策时不仅仅需要了解自身的生产成本特性,还需要了解其他市场主体的特性,了解市场出清价的可能的情况。

决策所需的信息越多,会造成获得信息的成本越高。一般来说,集中机制所需的信息较多,而分散机制需要的信息相对较少。

2)获得的信息的质量。假设集中机制和分散机制下,都可以获得所有的、决策所需要的信息,那么决策的质量很大程度上就取决于所获得的信息的质量。电力系统是由非常多的个体组成的,包括发电设备、电网设备、用电设备等。而这些不同的设备通常由不同的个体运行和管理。这些不同的个体之间是什么关系,比如完全独立的公司、具有股权关系的公司、完全控股的上下级公司、同一公司的不同部门等,信息的获取都需要一定的成本,获取真实的信息都需要一定的激励。不同的机制,获取的信息的质量和成本都会不同。

相对来说,集中机制更容易获得准确的信息。市场机制下,市场主体的市场策略是否反映其真实信息,很大程度上取决于市场的竞争程度。在市场竞争程度不够,市场主体有较大市场力的情况下,市场主体会倾向于隐藏自己的真实信息,从而对市场效率造成不利的影响。因此,市场机制设计中的一个重要原则是揭示原理,即在设计的市场机制下,市场成员最佳的市场策略是按照真实的成本报价。

【多产品设计】多产品的市场机制设计中,信息的可获得性和质量也是考虑的一个重要方面。比如在能量市场和辅助服务市场的设计中,市场主体提供辅助服务的机会成本与系统整体的调度方案有很大关系,每个市场主体在市场出清前很难准确估计,而如果采取能量市场和辅助服务联合出清的机制,统一的出清机构则可以方便的、较为准确的计算相关的机会成本。因此,目前大多数市场的发展趋势都是采取能量市场和辅助服务联合出清的模式。

3、决策问题的建模和求解

经济学中要解决的资源配置问题从数学上可以看为一个优化问题。在已经获得了决策所需的所有信息的情况下,是否能够准确、快速的求解也是在进行分散和集中机制选择中需要考虑的一个问题。

相对来说,集中决策下优化问题更加复杂,更难求解;分散机制下,由于部分问题或全部问题通过分散的机制求解,优化的规模减小,求解更加容易。

比如,对发电机组的约束和非线性处理的问题。集中的机制下,由统一的集中的机构来考虑所有约束下的调度和成本回收问题,相关出清和结算的模型和算法都比较复杂。如果采用分散的机制,由各自市场主体通过报价反映相关的约束,出清和结算模型会相对更加简单,但市场主体的报价策略会更加复杂。

实际上,在数学优化领域,也一直有集中优化和分布式优化两种方法。市场设计中的集中机制和分散机制,一定程度上也是这两种优化方法的反映。应该采用集中的方式还是分散的机制,没有绝对的答案,取决于具体问题的特点、相关技术的发展。

4、对市场主体行为的激励

以上分析是假设生产者的生产特性和消费者的需求特性一定的情况。实际上,不同的资源配置机制下,对市场主体的行为有不同的影响,进而影响市场的供给和需求的特性。

市场机制下,每个市场主体获得的收益与其行为直接有关,相对来说,有更大的激励降低自身的成本、提高生产和消费效率。

计划体制下,生产计划和分配计划由一个统一的机构集中进行,每个市场主体获得的收益不完全与其自身的努力、效率有关,对市场主体降低成本、提高效率的激励相对更加困难。

5、交易成本

交易成本包括寻找交易对手的成本、相关的技术支持系统的成本、研究市场策略的成本、市场机制研究和监管的成本等。相对来说,集中机制下的交易成本很低,或者说几乎没有,而市场机制下随着市场机制的不同会有不同的交易成本。

市场设计的一个原则,是尽量减小相关的交易成本。

【小结】选择计划还是市场,选择集中模式还是分散模式,没有绝对的答案,取决于对不同方案的成本、效益的对比分析。而这个对比分析的结果也不是一成不变的,会随着相关供需情况、技术等的变化而变化。比如,在早期爱迪生刚发明电的时候,电的主要需求就是电灯,而远距离传输的成本非常高,因此市场就是一些局部的、分散的、垄断的市场,每个地区的市场是垂直垄断的。随着发电技术的发展,大规模发电设备的出现,以及远距离输电技术的发展,更大范围内供电的规模经济性凸显,电力市场的范围逐渐扩大,从整个市场角度发电的规模经济性不再存在,因此发电侧引入竞争成为可能。电力市场中一些具体环节的设计,更加需要密切考虑技术、经济的发展状况和电网的具体特点。

五、集中式和分散式网络约束处理机制的对比

这里以网络约束的处理为例,对集中式和分散式两种方式各自的优缺点进行进一步深入的分析和讨论。

1、集中和分散两种网络约束出力机制概述

在集中的市场模型中,能量市场和输电市场联合出清,也就是说,在能量市场出清模型中,考虑了完全的电网的约束,因此可以保证能量市场出清的结果是可行的。这样,市场出清的结果、市场的电价同时反映了能量市场和输电容量市场的供需情况。

在分散的市场模型中,通过电网约束的简化和市场的分离来实现两个市场的一定程度的解耦。以欧洲电力市场为例:根据行政区域、电网特点等,划分为若干价区。并做以下假设:a)认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。b)可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。这样,就可以把整个市场分解为若干个独立的市场:a)价区内部市场:能量市场不受网络约束的影响,可以自由进行交易;b)跨区交易市场:跨区能量交易需要获得跨区输电容量,由于认为每两个价区之间的跨区交易的最大交易量是确定的、不会互相影响的,因此不同的跨区交易可以独立组织,单独成为一个市场。

2、分散式方式分析

1)分散式机制的好处

a)交易组织灵活。由于每个市场中,仅需要简单的考虑供需平衡即可,不要额外考虑一些特殊因素,因此交易方式灵活多变:交易可以双边进行,也可以集中进行;可以建立一个统一的集中交易中心,也可以有多个不同的交易中心;集中市场的报价、出清方式也可以灵活多变。

b)交易流动性好、适应性好。市场主体在市场供需状态、自己的生产和消费特性发生变化时,可以很方便的、及时的通过一些增量的交易反映这种变化。

c)市场机制简单。市场交易机制简单,透明,信息披露简单。

2)分散式方式的主要问题

分散式方式存在的主要问是:将一个连通的电力系统分解为多个独立市场的过程中,一些假设条件不一定满足,影响了系统的效率。

第一个假设:认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。如果区内网架非常强,区内从来不会出现网络阻塞的问题,这个假设没有问题。但实际中这个假设是不可能实现的,总会在或多或少的时间内由于区内的交易造成一定的电网阻塞。这样,之前成交的交易就需要调整(事后裁减),或者要进行一些新的交易来解决这些问题(比如建立平衡市场)。这个过程中,就会容易造成一些市场力问题。美国加州、德州早期的市场中,采取了分区市场的机制,就是日前市场出清中假设区内不存在网络约束,实时市场中对网络约束造成的问题再通过反向交易解决。这样造成在一些地区的发电存在较大的市场力。

这个市场力出现的根本原因是:交易(定价)模型和调度的模型不一致,导致市场价格不能真实反映实际的系统成本。这种情况下,市场主体就存在了套利的机会。所以,市场设计的一个重要原则是:交易、定价模型尽量和调度模型一致。

第二个假设:可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。学过电力系统分析的都知道,电在电网中按物理规律传输,与交通、通信的都不一样。对一个连通的电网络,在两个点之间进行电力的传输,将在所有线路上都产生电力潮流,不同节点(区域)之间的电力传输是会相互影响的。如果要事先给定每两个区域之间的最大传输容量,必然要牺牲一定的可行空间。

如图1所示,假设系统中存在三个区域A、B和C,横坐标表示AC两个区域之间的交换功率,纵坐标表示BC两个区域之间的交换功率。图中四条红色的线条表示系统中的一些线路造成的网络约束。也就是说,考虑到电网的各种约束,AC、BC之间的传输功率必须进行一些协调,需要在红色的线条围起来的范围之内,即五边形EFGMN之内。如果想要让AC之间的传输功率尽量大,应该运行在G点;如果想让BC之间的传输功率尽量大,应该运行在M点。实际运行中,AC、BC的传输功率只要在EFGMN内,系统就是安全的、可行的。

但是,如果要将AC、BC两个市场解耦,就需要单独给出AC的最大传输功率和BC的最大传输功率,也就是说,要给出一个矩形的可行区域。而这种可行区域不是唯一的。比如,图中给出了两个可行域:蓝色的矩形和黄色的矩形。相对蓝色的矩形,黄色的矩形可行区域下,BC两个区域之间的传输功率的范围增大了,但AC之间传输功率的范围减小了。实际中,需要事先由一个机构按照某种方法确定一个可行域矩阵,这样,各个区域之间交易的范围就独立的确定了,各个交易就可以单独组织。比如,A、C两个区域之间的交易由交易机构H负责,而B、C两个区域之间的交易由另外的交易机构R负责。

这个方法下实现了交易之间的独立性,但是可以看到,牺牲了一定的可行空间。无论选择蓝色矩形还是黄色矩形,可行范围都比原始的可行空间EFGMN要小。

3)解决分散式方式下一些问题的方法

分散式方式的问题主要是两个假设造成的问题。

(1)第一个假设造成的问题。第一个假设是认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。对这个问题,有以下几种解决方案:首先,增强网架,使得区内阻塞很少发生;其次,调整分区方法,根据电网的物理特性分区,并将经常发生阻塞的地区进行拆分;最后,进行市场力监测和控制,限制一些特殊发电主体的市场力。

(2)第二个假设造成的问题。第二个假设认为可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。欧洲早期的电力市场中,大多采用这种方式处理电网阻塞问题,即ATC方式。认为每两个价区之间的传输容量是确定的。从上面的分析看到,这种方法减小了可行空间,因此降低了市场的效益。

这个问题可以通过对跨区交易市场耦合的方法解决(参考【走进电力市场:欧洲电力现货市场联合出清机制,电力市场集中竞价的经济学原理分析 (十五 阻塞管理基本原理5-欧洲分区竞价、输电容量计算及分配2)】)。区内交易仍然可以自由进行,但所有的跨区交易需要在统一的平台上进行,在统一的平台上采用基于潮流的电网约束。对图1中的例子,就是采用五边形EFGMN来描述电网的约束。实际中,这个约束是以区域之间的潮流分布因子的形式展现的。

另外,也可以通过多级市场的配合实现市场流动性和市场效率的综合目标:在中长期市场中,采用简单的、解耦的网络约束模型,通过简单的模型实现交易的流动性;在接近实时的市场中,采用耦合的、考虑完全网络约束的市场机制,最大程度发挥电网的作用。

3、集中式方式分析

集中式方式下,市场出清中直接考虑了所有的网络约束,可以保证调度和交易的一致,减小市场套利、博弈的空间,减小电厂的市场力。

集中式方式下存在的主要问题是,网络约束过于复杂,造成市场出清模型复杂,出清算法复杂、不透明,增加市场监管的难度,增加信息获取的难度。

4、讨论

实际上,考虑到电力系统的特殊的属性,无论是哪种市场模式,实时的调度都是集中进行的。比如,美国的实时市场,欧洲的平衡市场。不同的机制的差别,主要在于在这个集中的网络约束处理之前,还要不要设计一些集中的市场,这些集中的市场中需要考虑哪些约束,这些约束的限值如何确定。

上面提到美国PJM为代表的电力市场是集中处理网络约束的,但是,在中长期市场中,存在输电权的拍卖市场,输电权的定义也有实际节点、虚拟节点、Hub等多种方式。对同一个Hub的发电或负荷,如果购买了该Hub的输电权,那么在Hub内部的交易理论上也可以自由进行而不会带来新的市场风险。

全文总结

“集中”和“分散”是包含多个方面含义的广泛的概念,可以从不同的层次、不同的角度来理解。并没有一个简单的集中式市场模式或分散式市场模式的概念,集中和分散的概念反映在市场各个环节的设计中。

在进行电力市场的改革中,首先要确定市场化、引入竞争机制的环节,进行“集中”和“分散”、“计划”和“市场”机制的选择时主要是考虑生产的规模经济性、范围经济性等的特性。

对市场中每个环节具体的机制设计,则更多的是要考虑电力系统的一些特殊的属性的处理,比如网络约束的处理,机组约束的处理等,需要结合具体电网的特点(网架是否强壮,是否经常发生阻塞)、相关技术的发展(复杂算法的求解速度、效率)等确定最佳的方案。

文章来源:走进电力市场(作者:荆朝霞)

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