【無所不能 文丨陳皓勇】美國加州大學(xué)伯克利分校S.Borenstein 和J. Bushnell教授的研究報(bào)告《20年重組后的美國電力工業(yè)》（The US Electricity Industry After 20 Years of Restructuring, Annual Review of Economics, Vol.7:1-688, August 2015）基于美國電力市場的實(shí)際數(shù)據(jù)分析指出了20年電改（restructuring）存在的問題，認(rèn)為美國電改的最大政治動(dòng)機(jī)是租金轉(zhuǎn)移（rentshifting）（可理解為利益轉(zhuǎn)移），而不是提高效率。

雖然電改提高了發(fā)電環(huán)節(jié)的效率，但結(jié)果令人失望，因?yàn)楦母锍珜?dǎo)者所作的降價(jià)承諾是基于租金轉(zhuǎn)移的，在政治上不可持續(xù)。實(shí)際上，改革后的電價(jià)變化更多地受到外生因素的驅(qū)動(dòng)，例如發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和天然氣價(jià)格的波動(dòng)，而不是電改的結(jié)果。作者甚至直截了當(dāng)?shù)刂赋鐾ㄟ^改革大大提高效率和降低用電成本的希望大部分屬于錯(cuò)覺。

Borenstein 和 Bushnell教授的研究報(bào)告無疑給當(dāng)前正在緊鑼密鼓推進(jìn)的中國電改敲響了警鐘，對(duì)于美國電改沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的原因有各種解釋，其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為是政府不當(dāng)干預(yù)所導(dǎo)致的。筆者試圖從電改的理論基石電力商品模型、電價(jià)及市場模式設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，并且對(duì)我國電力市場的目標(biāo)模式進(jìn)行探討。

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適合國情的電力市場交易目標(biāo)模式

主導(dǎo)電力市場改革的部門和研究電力市場的專家心目中或多或少地都有自己的目標(biāo)模式，目前建立現(xiàn)貨市場已經(jīng)成為普遍共識(shí)，某種程度上筆者也認(rèn)可“無現(xiàn)貨，不市場”的觀點(diǎn)（事實(shí)上，電力市場這種實(shí)物交易為主的市場是不可能沒有現(xiàn)貨交易的，日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)市場的建立也是電力市場體系初步完善的標(biāo)志）。但是，如果把這個(gè)觀點(diǎn)推向極端，把現(xiàn)貨市場狹隘地理解為日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)的分時(shí)競價(jià)交易，認(rèn)為只有到了日前、日內(nèi)市場產(chǎn)生的現(xiàn)貨價(jià)格才是電力的“真實(shí)價(jià)格”，并認(rèn)定中長期電量交易不是電力市場，把日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)現(xiàn)貨交易的建立作為電力市場改革成功的唯一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這些失之偏頗的觀點(diǎn)只可能誤導(dǎo)改革。

事實(shí)上，國外基于分時(shí)競價(jià)的現(xiàn)貨交易或多或少都出了一些問題：實(shí)時(shí)市場價(jià)格變化劇烈，給市場主體帶來很大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，需要另外引入金融交易等避險(xiǎn)措施；大多數(shù)電力用戶并無能力（或無意愿）對(duì)快速變化的實(shí)時(shí)電價(jià)作出反應(yīng)，需要倚賴售電公司將批發(fā)市場的實(shí)時(shí)電價(jià)轉(zhuǎn)化為簡單的購電套餐，沒達(dá)到通過實(shí)時(shí)電價(jià)增強(qiáng)供需方互動(dòng)的理論設(shè)計(jì)目標(biāo)，也導(dǎo)致電改紅利被售電公司等中間商截留，傳導(dǎo)不到用戶側(cè)，違背了電改的初衷；實(shí)時(shí)電價(jià)不能完全覆蓋固定成本，導(dǎo)致發(fā)電投資容量不足，需要另設(shè)容量市場，等等。

筆者認(rèn)為，產(chǎn)生這些問題的原因與實(shí)時(shí)電價(jià)理論及其實(shí)現(xiàn)方式的固有缺陷有關(guān)，有如下幾點(diǎn)：

1.   雖然實(shí)時(shí)電價(jià)理論模型包括了從運(yùn)行到規(guī)劃的長時(shí)間尺度的資源優(yōu)化（參見文末R.E. Bohn的博士學(xué)位論文），但這樣的超大規(guī)模優(yōu)化問題在實(shí)際中是無法應(yīng)用的。實(shí)際市場往往采用SCUC（安全約束機(jī)組組合）或SCED（安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度）模型計(jì)算出清電價(jià)，只考慮資源短期優(yōu)化配置，未考慮資源長期（跨時(shí)間）優(yōu)化配置；

2.   電能商品的生產(chǎn)和消費(fèi)大多是以具有一定持續(xù)時(shí)間的“能量塊”的形式進(jìn)行的，能量（電量）是發(fā)電廠商和電力用戶所關(guān)注的主要對(duì)象，而功率（電力）平衡主要作為電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理約束（主要體現(xiàn)在潮流方程中）。在實(shí)時(shí)電價(jià)理論與分時(shí)競價(jià)機(jī)制中，由于未將時(shí)間因素納入商品模型，功率平衡與能量平衡成為等同的，物理約束直接作為市場供需平衡方程。而實(shí)際上，電力市場的供需平衡方程應(yīng)該是在功率平衡物理約束條件下的電量平衡模型；

3.   電能商品的能量（電量）價(jià)值與功率（電力）價(jià)值應(yīng)該作明確的區(qū)分。無論對(duì)于發(fā)電廠商和電力用戶，能量（電量）價(jià)值（成本）都是關(guān)注的重點(diǎn)，特別在中長期交易中更是如此。電能商品的功率價(jià)值和電網(wǎng)物理約束主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理約束中，目的是保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，特別存在于實(shí)時(shí)電力平衡、調(diào)頻、備用、阻塞管理、峰荷機(jī)組發(fā)電、需求側(cè)響應(yīng)等交易環(huán)節(jié)。越接近電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的交易環(huán)節(jié)，電能商品越呈現(xiàn)功率價(jià)值，由于實(shí)時(shí)市場的電價(jià)主要體現(xiàn)功率價(jià)值，實(shí)際上無法通過它來“發(fā)現(xiàn)”中長期市場的價(jià)格。由于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定是必須的，功率實(shí)時(shí)平衡甚至可以通過非市場手段解決；

4.   電量（能量型）型商品（特別是中長期交易的商品）與電力（功率）型商品的特性不同，電量型商品與普通商品更相近，在較長時(shí)期內(nèi)達(dá)到供需動(dòng)態(tài)平衡即可；在中長期交易中電量型商品其實(shí)是可存儲(chǔ)的，主要以煤（或其他燃料）、水庫儲(chǔ)水等形式存儲(chǔ)，這與不能存儲(chǔ)的電力型商品形成鮮明對(duì)比；

5.  電能作為基礎(chǔ)性產(chǎn)品與生產(chǎn)資料的一部分（在我國尤其如此），保證持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)是最關(guān)鍵的考慮，不需要片面追求電力市場本身的“最高效率”（特別是短期現(xiàn)貨市場的絕對(duì)的最高效率）。

基于以上考慮，筆者主張建立中長期與現(xiàn)貨（日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)）交易相協(xié)調(diào)、電量與電力型交易相結(jié)合的交易目標(biāo)模式，如圖1所示。主能量交易采用此前筆者介紹過的分段競價(jià)（或水平拍賣）或合約交易機(jī)制，實(shí)時(shí)平衡與輔助服務(wù)交易采用分時(shí)競價(jià)（或垂直拍賣）機(jī)制。分段競價(jià)和合約交易既涵蓋現(xiàn)貨也涵蓋中長期交易，時(shí)間跨度可以從日內(nèi)幾個(gè)小時(shí)直到一年甚至數(shù)年。簡而言之，“以分段競價(jià)（合約交易）完成主能量交易，以分時(shí)競價(jià)修正負(fù)荷曲線”。

圖1  適合國情的電力市場交易目標(biāo)模式

需要提醒主導(dǎo)電力市場改革的部門和研究電力市場的專家的是，我們的電力市場改革的目的不是仿照國外模式制造一個(gè)精巧的玩具，而是要結(jié)合中國國情切切實(shí)實(shí)地實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置，降低成本，提高效率，為能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命盡一份力量。

基礎(chǔ)知識(shí)：實(shí)時(shí)電價(jià)理論及其分析

美國麻省理工學(xué)院（MIT）F. C. Schweppe教授等人提出的實(shí)時(shí)電價(jià)（spot pricing）理論是國外電力現(xiàn)貨市場的理論基礎(chǔ)，取決于某一小時(shí)的電力供需情況，特別是：

l  負(fù)荷（總負(fù)荷及分區(qū)負(fù)荷）；

l  發(fā)電的充裕度及成本（包括從其它公司購電）；

l  輸、配電網(wǎng)的充裕度及損耗。

實(shí)時(shí)電價(jià)的定義為各用戶在各時(shí)段（1h/0.5h/0.25h/…）的電價(jià)，包括以下分量：發(fā)電邊際燃料成本、發(fā)電邊際維護(hù)成本、發(fā)電供電質(zhì)量費(fèi)用、發(fā)電收支平衡費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)邊際損耗成本、網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)收支平衡費(fèi)用。

在不考慮收支平衡費(fèi)用時(shí)，實(shí)時(shí)電價(jià)由邊際成本決定，即

上式在求導(dǎo)時(shí)應(yīng)滿足以下約束：

l  電能平衡：總發(fā)電量等于總負(fù)荷加損耗；

l  發(fā)電限制：第t小時(shí)的總需求不能超過該小時(shí)所有發(fā)電廠的可用容量之和；

l  基爾霍夫定律：電力潮流及損耗應(yīng)滿足電路定律；

l  線路潮流極限：任何線路潮流不得超過其功率傳輸極限。

限于篇幅，本文不對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)理論作詳細(xì)介紹，有興趣的讀者可進(jìn)一步閱讀文末的參考文獻(xiàn)。實(shí)時(shí)電價(jià)理論被認(rèn)為是電力現(xiàn)貨市場設(shè)計(jì)的“金科玉律”，數(shù)學(xué)上十分精致，但筆者認(rèn)為并不符合電力生產(chǎn)和消費(fèi)的物理特征。

實(shí)時(shí)電價(jià)是基于經(jīng)典微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的社會(huì)福利最大化原理而形成的，綜合考慮了短期與長期、運(yùn)行與規(guī)劃，但其計(jì)算模型仍采用傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的分時(shí)段功率平衡模型。實(shí)時(shí)電價(jià)理論把整個(gè)考察區(qū)間分成一系列的周期（cycle），每個(gè)周期又分為若干時(shí)段（period），然后分時(shí)段按能量（電量）平衡模型進(jìn)行計(jì)算，由于每個(gè)時(shí)段的功率（電力）假設(shè)為常數(shù)，所以能量平衡模型也就是功率平衡模型。如圖2所示，在這個(gè)過程中，電能商品實(shí)際上按時(shí)段切分成若干“條”，然后每條又分為若干“段”。在一個(gè)時(shí)段中，中標(biāo)的發(fā)電商或電力負(fù)荷各取一“段”（即一個(gè)商品），而按統(tǒng)一邊際價(jià)格出清方式，各段負(fù)荷（所有商品）的結(jié)算價(jià)是相同的。

圖2 實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)算模型示意圖

但是在實(shí)際中，電能的生產(chǎn)和利用都具有時(shí)間連續(xù)性，無論對(duì)于發(fā)電商還是電力負(fù)荷，銷售或購買的商品都是具有一定持續(xù)時(shí)間的“能量塊”（energy block）。能量（energy）是自然界中客觀存在的，而功率（power）只是人為定義的一個(gè)物理量（即能量隨時(shí)間的變化率）?；痣姀S的變動(dòng)成本（煤耗）主要取決于所生產(chǎn)的能量（電量），而用戶也主要關(guān)注電量的使用。市場中電度表所計(jì)量的主要是電量，也是結(jié)算的依據(jù)，而功率（電力）則主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理約束中。

圖3  美國PJM市場2015年夏峰日日前市場分時(shí)電價(jià)及發(fā)電成本堆積圖

（本圖由美國新時(shí)代能源/佛州電力公司能源市場交易中心李化先生提供）

圖3中的美國PJM市場2015年夏峰日日前市場分時(shí)電價(jià)及機(jī)組發(fā)電負(fù)荷清晰地顯示了電能生產(chǎn)的時(shí)間連續(xù)性及成本變化規(guī)律。

圖4  澳大利亞某家庭日負(fù)荷成分分解

（本圖由香港中文大學(xué)（深圳）趙俊華副教授提供）

圖4的澳大利亞某家庭日負(fù)荷成分按電氣分解的情況則清晰地顯示了用電的時(shí)間連續(xù)性。

圖5  二維電力商品模型

為強(qiáng)調(diào)時(shí)間因素在電能商品中的作用，本文定義由（功率，時(shí)間）對(duì)組成的一般的二維電力商品模型（P,t）（t1≤t≤t2），如圖5所示。當(dāng) t2=t1+1并且 P=常數(shù)（t1≤t≤t2）時(shí)，即退化為實(shí)時(shí)電價(jià)理論中的一維電力商品模型，而功率曲線下的面積即為電量。由于功率可看成時(shí)間的函數(shù)，所以該二維電力商品模型也可寫成（P（t）,t）（t1≤t≤t2）的形式，在實(shí)時(shí)電價(jià)定義中的電量（功率）點(diǎn)變成定義于（t1,t2）時(shí)間區(qū)間的一個(gè)函數(shù)，需要用無窮維空間上的數(shù)學(xué)理論（如泛函分析、變分法等）進(jìn)行分析。

值得指出的是，實(shí)際上麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)意識(shí)到電能生產(chǎn)和利用的時(shí)間連續(xù)性問題，Bohn博士學(xué)位論文的第4章的附錄部分（pp.247~257）采用時(shí)間連續(xù)模型研究電力用戶的最優(yōu)用電行為問題，并推導(dǎo)了基于哈密爾頓函數(shù)（Hamiltonian）的最優(yōu)性條件，但這方面的研究沒有繼續(xù)深入下去。

引入二維電力商品模型后，市場出清的社會(huì)福利最大化問題從多階段靜態(tài)優(yōu)化問題變?yōu)檫B續(xù)時(shí)間的最優(yōu)控制問題，求解方法也從拉格朗日方法變?yōu)楣軤栴D原理，相關(guān)理論還有待深入研究。

二維電力商品模型既可以描述水平的能量塊商品，也可以描述垂直的能量塊商品，甚至可以描述曲線的能量塊商品，比如爬坡（ramping）商品，因此是一個(gè)一般的電力商品模型，也可以擴(kuò)展到以“流商品”（flow commodity）形式存在的其他能源市場。

實(shí)時(shí)電價(jià)理論的參考文獻(xiàn)：

Schweppe教授等的專著

F. C. Schweppe, M. C. Caramanis,R. D. Tabors, R. E. Bohn. Spot Pricing of Electricity.  Boston: Kluwer Academic Publishers, 1988.

R. E.Bohn的博士學(xué)位論文

R. E. Bohn. Spot Pricing of PublicUtility Services. Doctoral thesis, Massachusetts Institute ofTechnology. 1982.

M. C. Caramanis的期刊論文

M.C. Caramanis, R.E. Bohn, F.C. Schweppe.Optimal Spot Pricing: Practice and Theory. IEEE Transactions on Power Apparatusand Systems, Vol. PAS-101, No. 9. September 1982.

【無所不能專欄作者，專家精英團(tuán)成員，陳皓勇，華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)與電力市場研究所】本文僅代表作者觀點(diǎn)，不代表無所不能的立場和觀點(diǎn)