黃 杰, 薛禹勝, 蔣 超, 薛 峰, 錢 鋒

(1. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106;2. 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院, 江蘇省南京市 210094)

0 引言

隨著全球氣候變化與人類工業(yè)活動的關(guān)系逐步被證實(shí),氣候變化已成為人類可持續(xù)發(fā)展面臨的核心挑戰(zhàn),減少人類工業(yè)活動所產(chǎn)生溫室氣體排放的呼聲愈演愈烈[1]。無論是全球氣候變化的嚴(yán)峻性、國家政治承諾的嚴(yán)肅性、抑或是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切性,都要求各國、各地區(qū)、各行業(yè)、各企業(yè)積極實(shí)施碳排放總量控制。1997年由聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國制定的《京都議定書》提供了三種減排機(jī)制供簽約國選擇,即排放交易、聯(lián)合履約及清潔發(fā)展機(jī)制,其中基于市場行為的排放交易已得到較廣泛的認(rèn)可[2]。一般約定俗成地將溫室氣體減排統(tǒng)稱為碳減排,將排放交易稱為碳交易,相應(yīng)的交易市場稱為碳市場。采用“總量控制與交易”模式的碳市場被廣泛認(rèn)為是一種有效、可信、透明的基于市場機(jī)制的政策工具,能以較低的成本實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)[3]。截至2017年,全球已有35個國家、15個州或省,以及7個城市建立碳市場[4]。中國從2011年開始實(shí)施碳市場試點(diǎn),并于2017年12月19日正式啟動全國碳市場。作為能源和排放密集型行業(yè),電力既是碳減排的重要行業(yè),也是碳市場的主要參與者。

目前全球范圍內(nèi)碳市場的實(shí)際運(yùn)行情況并未達(dá)到設(shè)計預(yù)期,市場風(fēng)險已現(xiàn)端倪。已有研究將監(jiān)管目標(biāo)聚焦于保證碳市場價格的穩(wěn)定性,主要控制碳價波動范圍(應(yīng)對過低/過高碳價),抑或控制碳價波動幅度(應(yīng)對價格的劇烈振蕩),以穩(wěn)定市場參與者對未來碳價趨勢的預(yù)期[5]。實(shí)踐中,一般不設(shè)置硬性的最高/最低碳價,而是通過其他手段設(shè)定彈性價格限制,包括:配額調(diào)節(jié)機(jī)制、拍賣預(yù)留價格、價格漲跌幅限制、抵消信用使用規(guī)定、額外費(fèi)用征收、履約期調(diào)整等。此外,其他能源政策與碳市場的配合,也能起到調(diào)控市場的作用,但也可能引入新的風(fēng)險因素[6-7]。文獻(xiàn)[3]指出碳市場設(shè)計必須適配其所處環(huán)境,并從確定覆蓋范圍、設(shè)定市場總量、配額分配、抵消機(jī)制、靈活性措施、市場穩(wěn)定措施、監(jiān)督與履約、能力建設(shè)、市場鏈接、評估與改進(jìn)十個步驟詳細(xì)闡述碳市場的設(shè)計思路。目前,關(guān)于碳市場風(fēng)險防控框架的討論鮮見報告,尤其是風(fēng)險量化分析、多道防線設(shè)計、防線內(nèi)部優(yōu)化及防線間協(xié)調(diào)優(yōu)化方法等幾方面。急需完備的風(fēng)險防控框架來應(yīng)對相關(guān)領(lǐng)域不確定性因素引入的風(fēng)險,進(jìn)行可靠有效的事前校核,推演決策后效與系統(tǒng)態(tài)勢,盡早識別風(fēng)險、評估風(fēng)險、并防控風(fēng)險。

針對上述問題,由兩篇文章組成的系列論文,借鑒電力系統(tǒng)大停電防御的理論框架和研究手段,將災(zāi)害防御的普遍規(guī)律推廣應(yīng)用于碳市場風(fēng)險分析與控制,通過定義關(guān)鍵特征劃分了碳市場風(fēng)險防控的多道防線,并提供了多道防線的協(xié)調(diào)優(yōu)化思路?；谧灾餮邪l(fā)的大能源系統(tǒng)動態(tài)仿真平臺(dynamic simulation platform for macro-energy systems,DSMES),建立了模擬微觀交易行為的碳市場動態(tài)仿真模型,對實(shí)際碳市場演化態(tài)勢進(jìn)行了仿真模擬,并進(jìn)一步推演了預(yù)防控制、緊急控制及其協(xié)調(diào)控制降低碳市場風(fēng)險總成本的效果,以驗(yàn)證所提的碳市場風(fēng)險防控框架及沙盤推演技術(shù)用于監(jiān)管決策支撐的可行性和有效性。

作為系列論文的首篇,本文討論了碳市場約束及其風(fēng)險機(jī)理;基于災(zāi)害防御的普遍規(guī)律,設(shè)計了碳市場風(fēng)險防控的多道防線;通過對“擾動凸顯”“參量違約”和“功能喪失”三個關(guān)鍵特征的定義,劃分了碳市場風(fēng)險防控的多道防線;闡述了控制目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)需求,為后續(xù)的沙盤推演和優(yōu)化決策研究提供理論依據(jù)及研究手段。

1 碳市場約束及其風(fēng)險機(jī)理

1.1 約束來源

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告指出“能95%地確定,人為影響是造成感測到的20世紀(jì)中葉以來變暖的主要原因”[8]。氣候系統(tǒng)的可修復(fù)能力存在上限,如果累積碳排放量超過可修復(fù)能力,全球的災(zāi)害性變暖將給人類帶來不可逆的負(fù)面影響?；谌祟惸壳皩τ跉夂蛳到y(tǒng)的認(rèn)知水平,其可恢復(fù)域的描述是極為困難的問題,目前全球認(rèn)可度最高的災(zāi)害性變暖閾值是“2 ℃目標(biāo)”,是IPCC認(rèn)可的防止全球?yàn)?zāi)難性變暖的遠(yuǎn)期約束?；凇? ℃目標(biāo)”,氣候?qū)W家基于氣候模型推演,推算出為達(dá)成“2 ℃目標(biāo)”本世紀(jì)末全球累積碳排放量的上限值(1.5×1012t)。自工業(yè)革命以來人類已經(jīng)排放了5×1011t,因此只有不到1×1012t的排放空間。

上述指標(biāo)是聯(lián)合國氣候變化框架公約下各國談判的依據(jù),需要將減排目標(biāo)在全球范圍及不同時段進(jìn)行分解,共同應(yīng)對氣候變化(見圖1)。除氣候變化的科學(xué)依據(jù)之外,各國(地區(qū))減排閾值設(shè)定還需要考慮社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,以及公平性等倫理問題。一些國家(地區(qū))立足自身國情已經(jīng)承諾了自身的減排目標(biāo),2015年巴黎氣候大會上,聯(lián)合國氣候變化框架公約195個締約國達(dá)成了共識,參會各方將以“國家自主貢獻(xiàn)(intended nationally determined contribution,INDC)”方式參與全球氣候變化。中國所提交的INDC中提出“碳排放量于2030年左右達(dá)峰,單位GDP碳排放量比2005年下降60%～65%”,這也將作為中國的遠(yuǎn)期減排目標(biāo)。為確保遠(yuǎn)期減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),遠(yuǎn)期減排目標(biāo)在中國的五年規(guī)劃中作為約束性指標(biāo)強(qiáng)化落實(shí)。中華人民共和國國務(wù)院于2016年10月27日印發(fā)了《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》,明確了中期減排目標(biāo):到2020年,單位GDP碳排放量比2015年下降18%。

圖1 全球氣候約束的時空分解Fig.1 Space-time decomposition of global climate constraints

為達(dá)成各階段減排目標(biāo),需尋求多種管控機(jī)制的協(xié)同?！丁笆濉笨刂茰厥覛怏w排放工作方案》明確了眾多減排措施，如建立全國碳市場,加快發(fā)展非化石能源,建設(shè)低碳交通運(yùn)輸體系,及完善應(yīng)對氣候變化法律法規(guī)等,其中全國碳市場是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)最重要的舉措之一。自2013年起,七個省市陸續(xù)啟動碳市場試點(diǎn)(深圳、北京、上海、廣東、湖北、重慶、天津)。2016年1月,國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于切實(shí)做好全國碳排放權(quán)交易市場啟動重點(diǎn)工作的通知》[9],提出全國碳市場第一階段擬涵蓋石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、電力、航空等重點(diǎn)排放行業(yè),控排企業(yè)需要在履約時刻提交與之實(shí)際排放量相等的配額。2017年12月19日,全國碳市場以發(fā)電行業(yè)為突破口正式啟動,擬分階段、有步驟地推進(jìn)碳市場建設(shè),在平穩(wěn)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)上,逐步擴(kuò)大參與碳市場的行業(yè)范圍和交易主體范圍、增加交易品種,最終建立起歸屬清晰、保護(hù)嚴(yán)格、流轉(zhuǎn)順暢、監(jiān)管有效、公開透明的碳市場[10]。

根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計,人類能源活動所產(chǎn)生的溫室氣體排放是全球人類活動所產(chǎn)生碳排放量的最主要貢獻(xiàn)者(約占全球碳排放總量的58%)。而在人類能源活動當(dāng)中,電力和熱力生產(chǎn)所產(chǎn)生的溫室氣體排放約占42%[11]。中國的能源革命和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型正在推動能源行業(yè)朝著新方向發(fā)展。能源需求增速明顯放緩,年均增速從2000年到2012年的8%降低到2012年以來的不足2%,并預(yù)計到2040年降低至1%[12]。中國已全面進(jìn)入對能源消費(fèi)和碳排放嚴(yán)格控制的低碳發(fā)展時代。

1.2 風(fēng)險機(jī)理

風(fēng)險來源于不確定性,碳市場環(huán)境下不同主體面臨的風(fēng)險可能包括資產(chǎn)風(fēng)險、金融風(fēng)險、法律風(fēng)險、信用風(fēng)險等。在本文中,將聚焦碳市場的設(shè)計目標(biāo),從市場監(jiān)管視角來討論相關(guān)不確定性對碳市場減排效果的影響。

一方面,碳市場直接控制碳排放總量,由供求關(guān)系決定碳市場價格。目前碳市場中的供應(yīng)取決于總量控制目標(biāo)下的當(dāng)期配額分配量、前期“儲存”或后期“預(yù)借”配額量、可使用抵消信用量、與外部碳市場的銜接互通等。這些參量隨市場設(shè)計方案而確定,供應(yīng)量相對固定,并缺乏價格彈性;另一方面,市場覆蓋范圍內(nèi)的碳排放水平易受自然環(huán)境、社會發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)活動、多方博弈等內(nèi)外部因素影響,碳排放需求具有極強(qiáng)的不確定性?？梢?眾多內(nèi)外部因素作用下,相對確定的碳排放配額供應(yīng)與高度不確定的碳排放需求之間的矛盾,是當(dāng)前碳市場風(fēng)險的主要誘因,這將導(dǎo)致碳市場無法提供穩(wěn)定的、由市場驅(qū)動的價格信號,對低碳技術(shù)投資激勵不足,不利于遠(yuǎn)期減排目標(biāo)的達(dá)成。

文獻(xiàn)[13]指出在固定配額總量模式下,碳價取決于配額分配量相對于實(shí)際減排量的差額,若缺乏有效的市場管制措施,碳市場價格將呈現(xiàn)劇烈波動態(tài)勢。文獻(xiàn)[14]預(yù)計極高或極低價格現(xiàn)象極有可能在全球大部分碳市場中出現(xiàn)。

1.3 實(shí)際案例

歐洲碳市場(European Union Emission Trading Scheme,EU ETS)自建立至今發(fā)生多次碳價劇烈波動。2006年4月,核查結(jié)果顯示2005年發(fā)放配額數(shù)量大大超出實(shí)際碳排放量,該信息的披露導(dǎo)致碳價在短期內(nèi)由30歐元/t跌至10歐元/t;2008年第二階段啟動后,通過減少配額供應(yīng),碳價一度攀升,然而,全球金融危機(jī)爆發(fā)導(dǎo)致歐盟工業(yè)產(chǎn)能下降,配額需求再次下降,導(dǎo)致碳價由25歐元/t下跌至15歐元/t左右;隨著歐盟債務(wù)危機(jī)持續(xù)惡化,碳價由15歐元/t跌至5歐元/t左右(如圖2所示)。

圖2 主要事件對EU ETS價格動態(tài)的影響(基于2005—2014年實(shí)際數(shù)據(jù))Fig.2 EU ETS price dynamics under major events (based on 2005—2014 actual data)

觀察到上述事件對市場的負(fù)面影響后,歐盟開始著手制定EU ETS改革方案。2012年11月,歐盟委員會提出“折量拍賣”計劃,即在2016年底前凍結(jié)近9×108t碳配額,推遲至2019—2020年再進(jìn)行拍賣。然而,由于缺乏配額調(diào)節(jié)的法律依據(jù),該計劃經(jīng)歷了歐洲議會反復(fù)的投票和修改之后,才于2014年3月遲遲出臺,此時,已經(jīng)錯過了市場管制的最佳時機(jī)。

可見,即便是在經(jīng)濟(jì)增長較為平穩(wěn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和碳排放結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的歐盟,“絕對總量配額—動態(tài)排放需求”之間的矛盾仍然十分突出[13]。EU ETS中配額總量一經(jīng)確定難以更改,而碳配額的過度分配、宏觀經(jīng)濟(jì)擾動及抵消信用的過度使用則是配額供大于求的主要誘因,低迷的碳價水平也正是這一供求關(guān)系的表征。在市場規(guī)則制定時,EU ETS沒有充分考慮各類潛在關(guān)聯(lián)事件對供求關(guān)系的影響,且在擾動發(fā)生后,缺乏有效的預(yù)警和響應(yīng)機(jī)制。

2 碳市場風(fēng)險防控框架設(shè)計

2.1 災(zāi)害防御的普遍規(guī)律

文獻(xiàn)[15]探討了現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定分析、三道防線的現(xiàn)狀及發(fā)展方向,文獻(xiàn)[16]討論了大停電防御系統(tǒng)的要素,基于該框架研發(fā)的綜合防御系統(tǒng)已在中國廣泛應(yīng)用,顯著提升了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及安全性?；谠摲烙蚣?可提煉災(zāi)害防御的一般性規(guī)律(如圖3所示),通過確定關(guān)鍵事件觸發(fā)點(diǎn),將災(zāi)害防御的多道防線劃分為:擾動前的預(yù)防控制(包括規(guī)劃及運(yùn)行過程中的預(yù)防控制)、擾動發(fā)生后盡早消除擾動源、檢測到擾動后的緊急控制、發(fā)現(xiàn)參量違約后的校正控制,以及系統(tǒng)功能喪失后的恢復(fù)控制。利用關(guān)鍵事件觸發(fā)點(diǎn)來劃分各道防線,有助于明確各道防線的控制時機(jī)、控制空間和控制目標(biāo),更清晰地反映控制機(jī)理。例如,預(yù)防控制是決策者在決策支撐工具輔助下發(fā)出的控制,緊急控制是自主預(yù)測后果后的前饋控制,校正控制是基于反饋信息的反饋控制,恢復(fù)控制則是經(jīng)驗(yàn)與沙盤推演相結(jié)合的綜合博弈。在此防御框架中,不僅各道防線內(nèi)部的控制決策存在優(yōu)化問題,防線間控制決策還存在協(xié)調(diào)問題[17]。

圖3 災(zāi)害防御框架的構(gòu)成Fig.3 Structure of disaster defense framework

碳市場風(fēng)險防控也符合災(zāi)害防御框架的普遍規(guī)律:災(zāi)害發(fā)生前可以加強(qiáng)市場機(jī)制結(jié)構(gòu)、實(shí)施預(yù)防控制;在擾動發(fā)生后及時消除擾動源,并在擾動惡果呈現(xiàn)前實(shí)施主動控制措施;惡果一旦呈現(xiàn),為避免其不受控的擴(kuò)大,應(yīng)實(shí)施被動的控制措施;若擾動導(dǎo)致系統(tǒng)機(jī)能受損,則需進(jìn)行恢復(fù)控制使系統(tǒng)機(jī)能盡快恢復(fù)正常。

2.2 多道防線的框架設(shè)計

電力系統(tǒng)物理約束來自系統(tǒng)本身安全穩(wěn)定約束的剛性要求,既有持續(xù)越限時間型約束(如電壓穩(wěn)定性),又有時間斷面型約束(如功角穩(wěn)定性),其控制實(shí)時性要求非常高。碳排放約束源自碳排放源不能滿足社會環(huán)境福利的彈性要求,為碳排放累積量在履約時刻的斷面型約束,對履約時刻前各分時段值無嚴(yán)格顯性限制要求,控制實(shí)時性要求較低。文獻(xiàn)[18]已經(jīng)從約束源頭、引入途徑、時間特性、風(fēng)險計算、管理實(shí)時性等方面對碳排放約束與電力系統(tǒng)物理約束兩者的差異進(jìn)行了詳細(xì)闡述?？紤]到碳市場風(fēng)險機(jī)理和時空特性,可重點(diǎn)從“擾動凸顯”“參量違約”“功能喪失”這三個關(guān)鍵特征出發(fā),劃分碳市場風(fēng)險防控的多道防線。

1)“擾動凸顯”——擾動場景的辨識

來自包括經(jīng)濟(jì)環(huán)境、自然環(huán)境、信息系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域的擾動都會影響碳市場的運(yùn)營:①經(jīng)濟(jì)環(huán)境。在金融危機(jī)和歐債危機(jī)影響期間,歐洲大部分工業(yè)活動處于停滯狀態(tài),配額需求量顯著下降,致使2008年7月至2012年4月期間歐洲碳市場價格下跌超過80%[19]。②自然環(huán)境。2001—2010年,美國加州由山火引發(fā)的累計碳排放量約1.2×108t,長期還會顯著降低森林植被的碳吸收能力[20]。2011年日本地震引發(fā)的福島核泄漏事故,致使日本于2012年5月進(jìn)入“零核電”狀態(tài),這使得日本2013年度的碳排放量相較2010年增加了約1×108t[21]。③信息系統(tǒng)。2011年1月歐洲碳交易系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的配額網(wǎng)絡(luò)盜竊,失竊價值超過5×107歐元的配額。事發(fā)后,歐盟委員會采取一系列補(bǔ)救措施,包括臨時終止成員國配額登記系統(tǒng)[22]。碳市場的硬性約束是階段碳排放總量上限,對運(yùn)行過程中的某個時間斷面或時間窗口內(nèi)的碳排放量不敏感。這一約束特性使得擾動對目標(biāo)函數(shù)的影響方向和強(qiáng)度不易辨識。根據(jù)擾動的時間尺度及擾動后果的可預(yù)見性,可將擾動分為“突發(fā)型”擾動和“緩變型”擾動。

碳市場對控制的實(shí)時性要求不高,因此,碳市場中的緊急控制可采用開環(huán)控制,識別到擾動后,由計算機(jī)進(jìn)行決策分析,向相關(guān)監(jiān)管人員提供建議,由后者實(shí)施決策。針對能夠明確辨識其后效的“突發(fā)性”擾動,可盡早實(shí)施緊急控制。一些擾動則是經(jīng)過一段時間后的累積效果產(chǎn)生影響(如能源需求,燃料價格緩慢變化的持續(xù)影響),難以明確相關(guān)影響觸發(fā)的具體時間點(diǎn),針對此類“緩變型”擾動,可關(guān)注“參量違約”特征,實(shí)施校正控制。此外,在碳市場中也有類似“消除擾動源”,例如凍結(jié)存在惡意操縱市場行為的市場主體賬戶。

2)“參量違約”——運(yùn)行態(tài)勢的監(jiān)測

在碳市場運(yùn)行過程中并沒有明確的碳排放約束性參量,這需要監(jiān)管者根據(jù)相關(guān)參數(shù)的動態(tài)軌跡構(gòu)建參量違約指標(biāo)。需要加強(qiáng)對碳市場運(yùn)行過程中相關(guān)狀態(tài)參量的監(jiān)視,并在參量波動時有針對性地進(jìn)行控制,以確保在履約時刻達(dá)成總量減排的目標(biāo)?？苫诋?dāng)前碳排放動態(tài)所預(yù)估全年排放總量與控排目標(biāo)之間的比率來構(gòu)建指標(biāo),根據(jù)該指標(biāo)是否超出某一閾值來判定參量是否違約,指導(dǎo)校正控制的實(shí)施?？梢允菃我恢笜?biāo),也可以是具有不同時空尺度、不同量綱的指標(biāo)集。

以本文所建議框架重新審視可知,目前碳市場調(diào)控措施以校正控制為主,所選擇的運(yùn)行態(tài)勢監(jiān)測參量以碳市場價格及配額流通量為主,校正控制手段既包括對碳價漲跌幅的連續(xù)斷面約束,也包括針對某一價格閾值的持續(xù)越限約束,配額流通量的連續(xù)斷面約束等。然而,缺乏對碳市場未來演化態(tài)勢的事前推演和感知。此外,雖然價格是碳市場的重要狀態(tài)變量,也不能準(zhǔn)確反映最終的減排效果或市場效率。

3)“功能喪失”——違約風(fēng)險的評估

在某一履約期內(nèi),碳市場的剛性約束是其設(shè)定的碳排放總量上限(絕對總量或強(qiáng)度總量)。系統(tǒng)累計碳排放總量超出碳市場的總量上限,可視作該階段碳市場管制“功能喪失”,需要實(shí)施恢復(fù)控制以恢復(fù)碳市場的管制功能。由于遠(yuǎn)期減排目標(biāo)一般被分解為多個階段減排目標(biāo),因此某一階段減排目標(biāo)的達(dá)成(或未達(dá)成)并不意味著遠(yuǎn)期目標(biāo)的達(dá)成(或不能達(dá)成)。碳市場多階段約束的特性意味著不僅需要評估超額排放所帶來的環(huán)境損失,若超額完成減排任務(wù),超額減排部分所獲得經(jīng)濟(jì)或社會效益也需要評估。

碳市場風(fēng)險防控應(yīng)當(dāng)在控制成本與剩余風(fēng)險之間協(xié)調(diào),一方面,若控制成本過高,對社會造成較大影響,可保留一部分剩余風(fēng)險,在后續(xù)階段彌補(bǔ);另一方面,若控制成本較低,也可以進(jìn)行超額控制,獲取超額減排效益,緩解后續(xù)階段減排壓力。

2.3 多道防線的協(xié)調(diào)優(yōu)化

基于關(guān)鍵特征的劃分,在擾動發(fā)生前識別不同擾動場景及其潛在影響,制定風(fēng)險最小的市場機(jī)制設(shè)計與運(yùn)營方案,屬于“預(yù)防控制”防線;辨識擾動后,在擾動后果尚未充分表現(xiàn)前實(shí)施控制,屬于“緊急控制”防線,在出現(xiàn)相關(guān)狀態(tài)參量的違約后實(shí)施控制,屬于“校正控制”防線;若市場階段性減排目標(biāo)未達(dá)成,則需要進(jìn)行“恢復(fù)控制”,恢復(fù)碳市場的管控功能。

文獻(xiàn)[17]對不同防線在決策方式、控制方式和實(shí)施時間上的差異進(jìn)行了詳細(xì)討論。預(yù)防控制在擾動發(fā)生前實(shí)施,采用預(yù)測控制律,將影響其后發(fā)生的任何擾動。緊急控制在故障發(fā)生后實(shí)施,采用預(yù)測控制率,是由擾動信號驅(qū)動的前饋控制。校正控制是檢測到相關(guān)參量違約后的反饋型控制,是對付小概率嚴(yán)重擾動的重要手段。每道防線都有其他防線不可替代的重要性,但各道防線之間的相互影響使多道防線的協(xié)調(diào)十分重要。

就碳市場風(fēng)險防控而言,雖然對控制實(shí)時性要求不高,但眾多相關(guān)擾動對碳市場的中長期影響不易辨識和評估,對碳市場態(tài)勢推演能力提出了更高要求,需要在擾動場景辨識,市場態(tài)勢推演,以及控制效果評估幾方面開展深入研究。

3 控制目標(biāo)及技術(shù)需求

上述內(nèi)容為碳市場風(fēng)險防控提供了控制框架。本節(jié)將進(jìn)一步明確碳市場風(fēng)險防控的目標(biāo),從沙盤推演和量化評估兩方面論述關(guān)鍵技術(shù)需求,以夯實(shí)后續(xù)分析與控制工作的基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)學(xué)模型

碳市場風(fēng)險防控問題均可抽象為式(1)所示形式,即滿足給定約束下的控制成本最小問題。

(1)

式中:Xt為t時刻的控制向量;C(Xt)為t時刻的控制成本;G(Xt)=0和Z(Xt)≤0分別為從碳排放、資金、資源、技術(shù)等方面引入的等式和不等式約束集合。

碳排放監(jiān)管需要制定分階段目標(biāo)及相應(yīng)控制措施,基于分階段減排目標(biāo)的碳排放約束本質(zhì)上具有一定彈性。根據(jù)文獻(xiàn)[23]所提出的廣義阻塞管理思路,針對此類約束條件,可轉(zhuǎn)而評估控制不足所帶來的風(fēng)險成本(Re>0),或超額控制所獲得的風(fēng)險收益(Re<0),以風(fēng)險總成本(控制成本與風(fēng)險之和)為控制目標(biāo),剩余的硬性約束集合可用Z′(Xt)≤0表示,如式(2)所示。

(2)

潛在擾動識別及風(fēng)險評估是優(yōu)化控制的前提。根據(jù)風(fēng)險的定義,若擾動發(fā)生的可能性可用概率衡量,則其風(fēng)險值即為擾動概率與所引發(fā)損失的乘積,如式(3)所示:

(3)

3.2 演化態(tài)勢的沙盤推演

碳市場演化態(tài)勢的沙盤推演是典型的信息—能源—社會系統(tǒng)問題[24],其中既有客觀物理規(guī)律和理性統(tǒng)計規(guī)律,也有主觀博弈行為,涉及多個子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)整體具有子系統(tǒng)不具有的現(xiàn)象。對于包含參與者多方博弈行為的多領(lǐng)域復(fù)雜大系統(tǒng)的研究,仿真方法是目前唯一的解決方案。文獻(xiàn)[25-26]提出應(yīng)當(dāng)融合統(tǒng)計關(guān)系數(shù)據(jù)、因果關(guān)系數(shù)據(jù)及博弈行為數(shù)據(jù),使得當(dāng)前基于常規(guī)數(shù)據(jù)及主觀經(jīng)驗(yàn)的決策模式,發(fā)展為基于數(shù)學(xué)模型、參與者及多代理模型的混合仿真的沙盤推演模式。為實(shí)現(xiàn)碳市場演化態(tài)勢的準(zhǔn)確刻畫,需要從多源異構(gòu)海量一次數(shù)據(jù)中,融合統(tǒng)計分析、因果分析和行為分析手段,抽取高效的二次數(shù)據(jù)資源,建立支持?jǐn)?shù)學(xué)模型、多代理模型,以及反映特殊人群或非理性行為的少量真實(shí)人之間的動態(tài)交互仿真環(huán)境,以便有效評估碳市場在復(fù)雜內(nèi)外部不確定性因素影響下的演化態(tài)勢[27]。

筆者所在研究團(tuán)隊(duì)從最初的動力學(xué)模型開始,逐步構(gòu)建起DSMES,并以電力經(jīng)濟(jì)、物理系統(tǒng)的交互為立足點(diǎn),接入電力系統(tǒng)周邊領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和模型,支持復(fù)雜跨領(lǐng)域交互問題研究的仿真環(huán)境,以及多人多角色的實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)仿真。為提升實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法的工程應(yīng)用能力,文獻(xiàn)[28]基于DSMES提出一種混合仿真方法,將多代理模型與實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)相結(jié)合,利用前者反映指定人群決策模式的統(tǒng)計分布,代替大量參與者,同時,利用后者反映其他人群的主觀意愿及博弈行為。其中,確保多代理模型的統(tǒng)計結(jié)果與某指定人群的意愿統(tǒng)計分布相吻合是混合仿真的關(guān)鍵技術(shù)。通過設(shè)計仿真場景來反映不確定性,即可基于該仿真系統(tǒng)獲取大能源系統(tǒng)對不同擾動及控制措施的動態(tài)響應(yīng)軌跡,使得計及市場參與者決策行為的沙盤推演成為可能。

3.3 違約風(fēng)險的量化評估

已有評估方法包括:基于碳排放社會成本(social cost of carbon,SCC)、基于邊際減排成本(marginal abatement cost,MAC)以及基于碳市場價格。

1)美國環(huán)境保護(hù)署對SCC的定義是:新增單位二氧化碳排放所帶來損害在某年的貨幣價值[29]。綜合評估模型(integrated assessment model,IAM)是計算SCC的主流工具[30],美國、加拿大、英國、法國等國政府都采用IAM模型計算SCC,輔助制定氣候及能源政策。美國政府采用三種主流IAM模型(DICE,PAGE,FUND模型)計算結(jié)果的均值來確定SCC。然而,由于對氣候變化損害機(jī)理認(rèn)識的局限,IAM模型不可能完整計及氣候變化所引起的物理、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)影響,模型中忽略了大量可能增加氣候變化損失的因素,此外,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(如折現(xiàn)率)的選取也對評估結(jié)果有較大的影響。

2)MAC是指額外減少單位二氧化碳排放所需付出的經(jīng)濟(jì)成本,側(cè)重技術(shù)減排措施的實(shí)施成本。

通過繪制MAC曲線,能夠明確不同減排技術(shù)的減排潛力和減排成本,以支撐技術(shù)決策。常用的備選減排措施包括:清潔能源技術(shù)、減少森林采伐、改進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作方法等。由于MAC側(cè)重技術(shù)減排成本,尚無法評估相關(guān)措施對于社會成本的影響,難以支撐監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定控制措施。

3)碳市場價格是碳市場中配額供求關(guān)系的反映。然而,目前碳市場中配額供應(yīng)量設(shè)定并無機(jī)理研究支撐,未與環(huán)境安全勾連,無法反映碳排放對社會成本的影響。

綜上,三類評估方法中,SCC方法直接評估氣候變化引發(fā)的損失,最能夠直接反映碳排放對社會成本的影響,然而由于需要采用大量模型簡化和經(jīng)驗(yàn)參數(shù),不同機(jī)構(gòu)對SCC的評估結(jié)果從數(shù)十美元到數(shù)千美元每噸不等;MAC方法從技術(shù)層面來貨幣價值化碳排放減排成本,對企業(yè)制定轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略比較有幫助,但由于缺乏對邊際社會減排成本的評估手段和評估結(jié)果,難以為監(jiān)管者提供決策支撐;由于碳市場價格與氣候安全的弱聯(lián)系,更多應(yīng)用于企業(yè)運(yùn)營戰(zhàn)略,極少用于支撐監(jiān)管層面的控制決策。筆者認(rèn)為,從監(jiān)管機(jī)構(gòu)層面,通過對邊際社會減排成本的評估來代替對超額排放所引發(fā)損失的評估,是值得探索的技術(shù)方法。

4 結(jié)語

本文論述了氣候系統(tǒng)與碳市場的關(guān)系,并以EU ETS的實(shí)際價格動態(tài)為例,討論了風(fēng)險防控體系缺失產(chǎn)生的負(fù)面影響?；谠陔娏ο到y(tǒng)大停電防御上的理論和實(shí)踐基礎(chǔ),歸納提煉了災(zāi)害防御框架的普通規(guī)律,并討論了將其應(yīng)用于碳市場風(fēng)險防控的可行性?？紤]到碳市場約束與電力系統(tǒng)的物理約束在約束機(jī)理、約束時間尺度、管控實(shí)時要求幾方面的本質(zhì)差異,本文建議基于“擾動凸顯”“參量違約”“功能喪失”這三個關(guān)鍵特征來構(gòu)建碳市場風(fēng)險防控的多道防線。最后,構(gòu)建了碳市場風(fēng)險防控的數(shù)學(xué)模型,建議在仿真中應(yīng)計及多領(lǐng)域系統(tǒng)的相關(guān)因果型和統(tǒng)計型數(shù)學(xué)模型,以及市場經(jīng)濟(jì)中參與者復(fù)雜決策行為。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)已研發(fā)成功的DSMES能夠支撐相關(guān)數(shù)學(xué)模型、行為代理、參與者博弈在同一平臺上交互動態(tài)仿真,為后續(xù)沙盤推演奠定了基礎(chǔ)?；诒疚乃岢龅姆揽乜蚣?所開展的碳市場仿真模擬及沙盤推演工作,將在系列論文的續(xù)篇中報道,以論證本文所提出框架對監(jiān)管機(jī)構(gòu)的決策支撐效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 段居琦,徐新武,高清竹.IPCC第五次評估報告關(guān)于適應(yīng)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展的新認(rèn)知[J].氣候變化研究進(jìn)展,2014,10(3):197-202.

DUAN Juqi, XU Xinwu, GAO Qingzhu. Understanding of climate change adaptation and sustainable development for IPCC fifth assessment report[J]. Progressus Inquisitiones de Mutatione Climatis, 2014, 10(3): 197-202.

[2] SHISHLOV I, MOREL R, BELLASSEN V. Compliance of the parties to the Kyoto protocol in the first commitment period[J]. Climate Policy, 2016, 16(6): 1-15.

[3] 市場準(zhǔn)備伙伴計劃(PMR),國際碳行動伙伴組織(ICAP).碳排放交易實(shí)踐手冊:碳市場的設(shè)計與實(shí)施[EB/OL].[2018-01-03].https://icapcarbonaction.com/zh/?option=com_attach&task=download&id=409.

[4] 國際碳行動伙伴組織(ICAP).全球碳市場進(jìn)展2017年度報告[EB/OL].[2018-02-28].https://icapcarbonaction.com/en/?option=com_attach&task=download&id=442.

[5] WOOD P J, JOTZO F. Price floors for emissions trading[J]. Energy Policy, 2011, 39(3): 1746-1753.

[6] 魏慶坡.碳交易與碳稅兼容性分析——兼論中國減排路徑選擇[J].中國人口·資源與環(huán)境,2015(5):35-43.

WEI Qingpo. Study on the pathway of china to mitigate emissions based on the compatibility of carbon tax and ets[J]. China Population, Resources and Environment, 2015(5): 35-43.

[8] 秦大河,STOCKER T.IPCC第五次評估報告第一工作組報告的亮點(diǎn)結(jié)論[J].氣候變化研究進(jìn)展,2014,10(1):1-6.

QIN Dahe, STOCKER T. Highlights of the IPCC working group. I. fifth assessment report[J]. Progressus Inquisitiones de Mutatione Climatis, 2014, 10(1): 1-6.

[9] 國務(wù)院.十三五控制溫室氣體排放工作方案[EB/OL].[2018-01-04].http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-11/04/content_5128619.htm.

[10] 國家發(fā)展改革委員會.全國碳排放權(quán)交易市場建設(shè)方案(發(fā)電行業(yè))[EB/OL].[2018-01-04].http://www.ndrc.gov.cn/gzdt/201712/W020171220577386656660.pdf.

[11] International Energy Agency (IEA). CO2emissions from fuel combustion highlights 2017 edition[EB/OL].[2018-02-01].https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/CO2EmissionsfromFuelCombustionHighlights2017.pdf.

[12] International Energy Agency.2017世界能源展望[EB/OL].[2018-01-04].https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WEO_2017_Executive_Summary_Chinese_version.pdf.

[13] 深圳市碳排放權(quán)交易研究課題組.建設(shè)可規(guī)則性調(diào)控總量和結(jié)構(gòu)性碳排放交易體系——中國探索與深圳實(shí)踐[J].開放導(dǎo)報,2013(3):7-17.

Shenzhen Carbon Trading Task Group. On a trading system for carbon emission by macro and structural regulating[J]. China Opening Journal, 2013(3): 7-17.

[14] BORENSTEIN S, BUSHNELL J, WOLAK F. Expecting the unexpected: emissions uncertainty and environmental market design[EB/OL].[2018-01-03].https://ssrn.com/abstract=2575485.

[15] 薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:(一)從孤立防線到綜合防御[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(1):8-16.

XUE Yusheng. Space-time cooperative framework for defending blackouts: Part Ⅰ from isolated defense lines to coordinated defending[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(1): 8-16.

[16] 薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:(二)廣域信息、在線量化分析和自適應(yīng)優(yōu)化控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(2):1-10.

XUE Yusheng. Space-time cooperative framework for defending blackouts: Part Ⅱ reliable information, quantitative analyses and adaptive controls[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(2): 1-10.

[17] 薛禹勝.時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架:(三)各道防線內(nèi)部的優(yōu)化和不同防線之間的協(xié)調(diào)[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(3):1-10.

XUE Yusheng. Space-time cooperative framework for defending blackouts: Part Ⅲ optimization and coordination of defense-lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(3): 1-10.

[18] 薛禹勝,黃杰,文福拴,等.排放阻塞與輸電阻塞的交互影響[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(15):6-12.

XUE Yusheng, HUANG Jie, WEN Fushuan, et al. Mutual influences between emission congestion and transmission congestion[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(15): 6-12.

[19] 張敏思,范迪,鄭爽.歐盟排放交易體系“折量拍賣”計劃遭否決的影響與啟示[EB/OL].[2018-01-04].http://www.ncsc.org.cn/article/yxcg/yjgd/201404/20140400000857.shtml.

[20] CART J. In California’s wildfires, a looming threat to climate goals[EB/OL].[2018-01-04].https://calmatters.org/articles/californias-wildfires-looming-threat-climate-goals/.

[21] 上海市氣象局.日本2013年碳排放量達(dá)歷史最高[EB/OL].[2018-01-04].http://www.smb.gov.cn/sh/qhbh/qxkp2/qhbhcs/infodetail/0bcfcec9-5c3d-453f-bf44-e5de89690787.html.

[22] 薛彥平.2011年歐盟氣候變化政策重大事件回顧[EB/OL].[2018-01-03].http://ies.cass.cn/wz/yjcg/ozkj/201207/t20120731_2458481.shtml.

[23] XUE Yusheng, LI Tianran, YIN Xia, et al. Managements of generalized congestions[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3): 1675-1683.

[24] XUE Yusheng, YU Xinghuo. Beyond smart grid—cyber-physical-social system in energy future[J]. Proceedings of the IEEE, 2017, 105(12): 2290-2292.

[25] 薛禹勝,賴業(yè)寧.大能源思維與大數(shù)據(jù)思維的融合:(一)大數(shù)據(jù)與電力大數(shù)據(jù)[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(1):1-8.DOI:10.7500/AEPS20151208005.

XUE Yusheng, LAI Yening. Integration of macro energy thinking and big data thinking: Part Ⅰ big data and power big data[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(1): 1-8. DOI: 10.7500/AEPS20151208005.

[26] 薛禹勝,賴業(yè)寧.大能源思維與大數(shù)據(jù)思維的融合:(二)應(yīng)用及探索[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(8):1-13.DOI:10.7500/AEPS20160311004.

XUE Yusheng, LAI Yening. Integration of macro energy thinking and big data thinking: Part Ⅱ applications and explorations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(8): 1-13. DOI: 10.7500/AEPS20160311004.

[27] 黃杰,薛禹勝,薛峰.電力系統(tǒng)碳排放態(tài)勢推演中的大數(shù)據(jù)思維[C]//中國工程院/國家能源局第四屆能源論壇,2017年9月21日至22日,中國北京:6p.

[28] HUANG Jie, XUE Yusheng, JIANG Chao, et al. An experimental study on emission trading behaviors of generation companies[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 30(2): 1076-1083.

[29] United States Environmental Protection Agency. The social cost of carbon-estimating the benefits of reducing greenhouse gas emissions[EB/OL].[2017-01-19].https://19january2017snapshot.epa.gov/climatechange/social-cost-carbon.html.

[30] METCALF G E, STOCK J. The role of integrated assessment models in climate policy: a user’s guide and assessment[JB/OL]. [2017-01-19].https://www.belfercenter.org/sites/default/files/legacy/files/dp68-metcalf-stock.pdf.