于 琪，張 晶，王宣元，張粒子

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.華北電網(wǎng)有限公司，北京 100053）

0 引言

發(fā)電權(quán)交易對優(yōu)化資源配置、提高能源利用效率具有重要意義，是實施電源結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進節(jié)能減排的市場化手段。自2008年3月《發(fā)電權(quán)交易監(jiān)管暫行辦法》出臺以來，全國大部分省市都開展了發(fā)電權(quán)交易，交易規(guī)模與交易范圍不斷擴大，2009年國家電網(wǎng)公司共完成發(fā)電權(quán)交易電量1.442×1011kW·h。為打破省間壁壘，在更大范圍內(nèi)提升資源配置效率，中國正在對區(qū)域發(fā)電權(quán)交易進行有益探索和積極實踐。2009年11月東北電網(wǎng)公司達(dá)成了國內(nèi)首次跨省發(fā)電權(quán)交易，撮合成交電量1.376×109kW·h，進一步擴大了資源優(yōu)化配置的范圍。

在發(fā)電權(quán)交易由省級市場逐步過渡到區(qū)域市場以及不斷完善區(qū)域市場的過程中，通過網(wǎng)省兩級市場協(xié)調(diào)運行，還是由區(qū)域市場統(tǒng)一優(yōu)化，不僅涉及到發(fā)電資源優(yōu)化配置程度的問題，還與區(qū)域電力市場運行體系建設(shè)緊密相關(guān)，選擇合理的交易模式不但可以提高發(fā)電側(cè)市場活躍度，促進發(fā)電資源優(yōu)化配置，更能進一步完善我國區(qū)域電力市場運行體系，推進電力市場化改革。

目前，國內(nèi)關(guān)于發(fā)電權(quán)交易的研究主要集中在交易機理、交易模式、交易模型、阻塞調(diào)度以及網(wǎng)損成本等方面[1-8]，且研究大多基于省內(nèi)市場。文獻(xiàn)[9]對省內(nèi)發(fā)電權(quán)交易與跨省跨區(qū)發(fā)電權(quán)交易進行了分析比較，并從提高能源總體利用效率的角度，給出了跨省跨區(qū)發(fā)電權(quán)交易的邊界條件。文獻(xiàn)[10]以華中電網(wǎng)為例，基于華中區(qū)域電力交易平臺，分析了市場主體的效益、環(huán)境效益及節(jié)能減排效果，探討了跨省發(fā)電權(quán)交易的效益分配模式。但是，上述研究均未對區(qū)域發(fā)電權(quán)交易的網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式進行詳細(xì)的探討。雖然在網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式研究方面，區(qū)域電力市場建設(shè)[11-15]、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[16]等領(lǐng)域已有涉及，但是從發(fā)電權(quán)交易的角度對此進行研究的文獻(xiàn)尚未見報道。

在上述背景下，本文結(jié)合國內(nèi)外區(qū)域電力市場建設(shè)經(jīng)驗和我國現(xiàn)有跨省跨區(qū)電力交易組織方式，提出了2種區(qū)域發(fā)電權(quán)交易網(wǎng)省協(xié)調(diào)優(yōu)化模式，即區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式和網(wǎng)省分層優(yōu)化模式。文中首先闡述了這2種模式的市場組織形式，定性地分析了模式的特點及適用條件；然后，從經(jīng)濟學(xué)的角度，對有輸電阻塞和無輸電阻塞情況下各模式的經(jīng)濟機理和市場效率進行了深入的剖析；最后，以A、B兩省共11臺機組的區(qū)域發(fā)電權(quán)交易算例對文中所得結(jié)論進行了驗證。

1 區(qū)域發(fā)電權(quán)交易網(wǎng)省協(xié)調(diào)優(yōu)化模式

1.1 網(wǎng)省分層優(yōu)化模式

網(wǎng)省分層優(yōu)化模式是指：在1個區(qū)域內(nèi)設(shè)置1個區(qū)域發(fā)電權(quán)交易市場負(fù)責(zé)省間交易，同時設(shè)置若干個省級發(fā)電權(quán)交易市場負(fù)責(zé)各自的省內(nèi)交易。參與發(fā)電權(quán)交易的機組首先向省交易中心申報交易價格與交易電量，由省交易中心組織本省交易，并將沒有成交或成交電量沒有達(dá)到申報量的機組的申報價格和剩余電量提交至區(qū)域交易中心，由區(qū)域交易中心組織省間交易。

區(qū)域發(fā)電權(quán)交易網(wǎng)省分層優(yōu)化模式與我國現(xiàn)有以省為實體的電力管理體制和現(xiàn)有跨省跨區(qū)交易機制相切合，因此，在區(qū)域發(fā)電權(quán)交易市場建設(shè)初期，可以采用網(wǎng)省分層優(yōu)化模式，通過網(wǎng)、省兩級市場的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實現(xiàn)發(fā)電資源更大范圍的優(yōu)化配置。但是，在網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下，受市場交易時序和省間價差的影響，兩級市場容易促使市場主體進行策略性報價，降低市場效率。對于省間成交價格高于省內(nèi)成交價格的省，將會激勵省內(nèi)替代機組在后續(xù)交易中嘗試提高報價，以參與省間交易提高自身福利；對于省間成交價格低于省內(nèi)成交價格的省，則會激勵省內(nèi)被替代機組在后續(xù)交易中嘗試降低報價，以參與省間交易提高自身福利。

1.2 區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式

區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式是指：在1個區(qū)域內(nèi)僅設(shè)置1個發(fā)電權(quán)交易市場，區(qū)域內(nèi)參與發(fā)電權(quán)交易的各省機組均直接向區(qū)域電力交易中心申報交易價格與交易電量，由區(qū)域交易中心根據(jù)各機組提交數(shù)據(jù)，統(tǒng)一組織發(fā)電權(quán)交易。

區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式規(guī)避了網(wǎng)省協(xié)調(diào)過程中所造成的效率損失，對提高市場整體的資源配置效率具有重要意義。在該模式下，市場規(guī)模變大，參與競爭的交易主體增多，有利于增強市場價格的穩(wěn)定性。因此，為促進區(qū)域發(fā)電權(quán)交易的發(fā)展，逐漸完善區(qū)域電力市場運營體系，應(yīng)逐步推進區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化的交易模式。

2 無輸電阻塞時網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式經(jīng)濟學(xué)分析

2.1 網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下的社會福利

設(shè)某區(qū)域電網(wǎng)共包含2個省網(wǎng)，兩省分別組織其省內(nèi)的發(fā)電權(quán)交易，如圖1所示（ρ為價格，P為電量），省1內(nèi)被替代機組的綜合報價曲線為BTD1，替代機組綜合報價曲線為TD1，省內(nèi)均衡價格為ρ1，成交電量為P1；省2被替代機組綜合報價曲線為BTD2，替代機組綜合報價曲線為TD2，省內(nèi)均衡價格為ρ2，成交電量為P2。在網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下省1和省2邊際出清后總社會福利分別如圖1（a）、（b）中陰影部分所示。

圖1 網(wǎng)省分層優(yōu)化下省內(nèi)交易的社會福利Fig.1 Welfare of inner-provincial trade in layered optimization mode

省內(nèi)交易后，省1內(nèi)有部分未成交的被替代電量報價高于省2內(nèi)部分未成交的替代機組，即圖1（b）中曲線BTD1的O1O12段的值大于曲線TD2的O2O12段的值，因此具有進行省間交易的價格空間。

省內(nèi)出清后，區(qū)域交易中心組織省間交易，如圖2所示，曲線段O1O12上報價高的機組應(yīng)先與O2O12上報價低的機組交易，但是由于P1

圖2 網(wǎng)省分層優(yōu)化下省間交易的社會福利Fig.2 Welfare of inter-provincial trade in layered optimization mode

2.2 區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的社會福利

在區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下，如圖3所示，全區(qū)域總被替代曲線BTD由省1、省2被替代曲線BTD1、BTD2合成，全區(qū)域總替代曲線TD由省1、省2替代曲線TD1、TD2合成。同時，市場均衡點從省1和省2的市場均衡點O1、O2變?yōu)槿珔^(qū)域均衡點OR，均衡價格變?yōu)棣裄，該均衡價格低于省1的均衡價格ρ1，并高于省2的均衡價格ρ2。

圖3 區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化下省1的社會福利Fig.3 Welfare of province 1 in integrated optimization mode

暫不考慮省間交易對各省福利的影響，相比省1單獨出清，區(qū)域統(tǒng)一出清后，省1交易價格下降，省1的被替代機組福利增加，其增加量為曲邊梯形ABN1O1的面積，而省1的替代機組福利減少，其減少量相當(dāng)于曲邊梯形ABM1O1的面積。所以，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式可以使省1總社會福利增加，其值等于增加的被替代機組福利扣除減少的替代機組福利，即曲邊三角形O1M1N1的面積。

同理可知，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式可使省2總社會福利增加，如圖4所示，其值等于增加的替代機組福利扣除減少的被替代機組福利，即曲邊三角形O2M2N2的面積。通過上述分析可知，曲邊三角形O1M1N1與O2M2N2的面積之和即為相比各省內(nèi)單獨出清，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的總社會福利增加值。

圖4 區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化下省2的社會福利Fig.4 Welfare of province 2 in integrated optimization mode

2.3 2種模式下社會福利的對比分析

如圖5所示，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式與網(wǎng)省分層優(yōu)化模式的社會福利對比實際上是比較曲邊三角形O1M1N1與O2M2N2的面積之和與曲邊三角形O1O′12O′2的面積的大小。

圖5 2種模式的社會福利對比Fig.5 Comparison of welfare between two modes

由于O′2M2=O2M，M2N′2=MN2，并且曲線段O′2N′2=O2N2，所以有曲邊三角形 O′2M2N′2全等于曲邊三角形O2MN2，因而二者面積相等，即：

設(shè)Ua為網(wǎng)省分層優(yōu)化下省間交易獲得的福利增量，Ub為區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化相對于各省單獨出清（不考慮省間交易）獲得的福利增量，根據(jù)圖5可知：

即在不考慮輸電阻塞時，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的社會福利大于網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下的社會福利。

3 有輸電阻塞時網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式經(jīng)濟學(xué)分析

3.1 網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下的社會福利

網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下，省間輸電約束不會影響各省的省內(nèi)交易結(jié)果，因而不會影響各省省內(nèi)交易的社會福利，但可能會影響省間交易成交總量。如圖6所示，在沒有輸電約束情況下，省間交易量為Psj，聯(lián)絡(luò)線輸電約束為Pcs，當(dāng)Pcs

圖6 有輸電阻塞時省間交易的社會福利Fig.6 Welfare of inter-provincial trade with transmission congestion

3.2 區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的社會福利

當(dāng)省間聯(lián)絡(luò)線有輸電阻塞時，區(qū)域內(nèi)各省的出清價格將不再相同，如圖7所示，當(dāng)輸電阻塞為Pcs時，省1出清價格為 ρE1，省 2出清價格為 ρE2，省 1較單獨出清時的福利增加值是曲邊三角形O1M′1N′1的面積；省2較單獨出清時的福利增加值是曲邊三角形O2M′2N′2的面積；此外，由于輸電阻塞產(chǎn)生阻塞盈余為Ccs，其值等于聯(lián)絡(luò)線可用輸電容量與兩省出清價差的乘積，即：

圖7 有輸電阻塞時區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化下的社會福利Fig.7 Welfare in integrated optimization mode with transmission congestion

圖7 中，矩形 M′1N′1L1K1與矩形 M′2N′2L2K2面積之和即為阻塞盈余。設(shè)U′ty、Uty分別為有、無輸電阻塞時區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化下的社會福利，由圖7可知：

即區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下，無輸電阻塞時區(qū)域社會福利大于有輸電阻塞時區(qū)域社會福利。

3.3 2種模式下社會福利的對比分析

如圖8所示，當(dāng)省間有輸電阻塞時，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下，相比各省單獨出清，省1總福利增加值為曲邊三角形O1M′1N′1的面積，省2總福利增加值為O2M′2N′2的面積，阻塞盈余為矩形L1L1′L2′L2的面積，區(qū)域總社會福利等于三者之和。網(wǎng)省協(xié)調(diào)優(yōu)化模式下，各省單獨出清后，當(dāng)省間傳輸容量小于無約束下省間交易電量時，產(chǎn)生的福利為曲邊四邊形O1O′2F′F的面積。

圖8 有輸電阻塞時不同模式的社會福利對比Fig.8 Comparison of welfare between modes with transmission congestion

因O′2L2=O2M，L2S=MN2′，并且曲線段O2′S=O2N′2，故曲邊三角形 O′2L2S全等于曲邊三角形 O2MN′2，因而可得二者面積相等，即：

設(shè)Uacs為有輸電阻塞時省間交易獲得福利增量，Ucbs為有輸電阻塞時區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化相對于各省單獨出清（不考慮省間交易）獲得福利增量，由圖8可知：

即當(dāng)省間有輸電阻塞時，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式的總社會福利仍大于網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式的總社會福利。

在前面的分析中，本文均將發(fā)電權(quán)交易綜合報價曲線視為連續(xù)光滑曲線，然而，在實際操作中，發(fā)電權(quán)交易主體一般被規(guī)定按照常數(shù)或分段常數(shù)的形式進行投標(biāo)，綜合報價曲線通常為階梯型，由圖9可知：

圖9 階梯型綜合報價曲線下的社會福利對比Fig.9 Comparison of welfare under stepped bidding curve

即當(dāng)發(fā)電權(quán)交易雙方報價為階梯曲線時，在省間有輸電阻塞情況下，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的總社會福利可能等于網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式下的總社會福利。

4 算例分析

A、B兩省共11臺機組參與的發(fā)電權(quán)交易，各機組申報價格及申報電量如表1所示。其中省A中替代機組相對較多，且申報價格較低；省B中多為小容量機組，申報價格較高。

表1 算例數(shù)據(jù)Tab.1 Data for case study

4.1 無輸電阻塞情況

在無輸電阻塞情況下，按照網(wǎng)省分層優(yōu)化和區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式得到的發(fā)電權(quán)交易結(jié)果如表2所示。

表2 不同網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式下各機組成交結(jié)果Tab.2 Results of trade for different coordinated optimization modes

圖10 不同模式下省A各機組單位福利與報價關(guān)系Fig.10 Relation between unit power welfare and quoted price for province A in different modes

如圖10所示，在區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下省A中被替代機組A1、A2單位福利（單位福利是指機組成交單位電量時所獲得的收益，在數(shù)值上等于機組報價與成交價格之差）與申報報價成正比，替代機組A3—A6單位福利與申報價格成正反比。然而在網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下，省A內(nèi)替代機組A4報價低于替代機組A5、A6，所獲單位福利卻小于 A5、A6，這是因為 A5、A6參加省間交易，成交價格要大于省內(nèi)交易價格，這種情況將會激勵省A內(nèi)替代機組提高報價以參與省間市場，這將進一步降低省A的社會福利，有礙發(fā)電權(quán)交易的順利開展。

4.2 有輸電阻塞情況

為分析輸電阻塞對不同發(fā)電權(quán)交易模式的影響，本文將省間傳輸容量限制從0變化到5單位電量。如圖11所示，隨著省間傳輸容量的降低，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下社會福利一直下降，且阻塞約束越緊，總福利下降幅度越大，一直到省間輸電容量降為0時，總福利不再下降，等于各省單獨交易下的總福利。

圖11 不同省間輸電容量下2種模式的總福利Fig.11 General welfare of two modes for different inter-provincial transmission capacities

在網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下，當(dāng)省間傳輸容量大于等于無約束情況下的省間交易電量時，總社會福利不受阻塞約束影響，其值與無輸電阻塞時相同；當(dāng)省間傳輸容量小于無約束時的省間交易電量時，總社會福利變化趨勢與區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的完全一致。

5 結(jié)論

本文提出了區(qū)域發(fā)電權(quán)交易的2種網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式，即區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式和網(wǎng)省協(xié)調(diào)模式，對2種模式的組織形式、特點及適用條件進行了闡述，從經(jīng)濟學(xué)角度分別對有、無輸電阻塞時2種優(yōu)化模式下的社會福利進行了對比分析，主要得出以下結(jié)論：

a.無輸電約束時，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的總社會福利大于網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下的總社會福利；

b.有輸電約束時，區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式下的總社會福利大于等于網(wǎng)省分層優(yōu)化模式下的總社會福利；

c.網(wǎng)省分層優(yōu)化模式與我國以省為實體的電力管理體制和現(xiàn)有跨省跨區(qū)交易機制相切合，因此，在區(qū)域發(fā)電權(quán)交易市場建設(shè)初期，宜采用該模式實現(xiàn)發(fā)電權(quán)交易從省級市場向區(qū)域市場過渡；

d.區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式規(guī)避了網(wǎng)省協(xié)調(diào)過程中所造成的效率損失，對提高市場整體的資源配置效率具有重要意義。因此，宜采用區(qū)域統(tǒng)一優(yōu)化模式不斷完善區(qū)域發(fā)電權(quán)交易市場。