張慧敏，李 晏，馮天天，楊益晟

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100083；2.國家電力投資集團有限公司，北京 100029）

0 引言

為實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，中國積極推動各類能源環(huán)境戰(zhàn)略方案的落地實施[1]，不斷推進能源轉(zhuǎn)型和可再生能源發(fā)展。跨省電力交易通過協(xié)調(diào)電力調(diào)度、優(yōu)化資源配置、促進清潔能源跨省跨區(qū)消納，對維持區(qū)域電力電量平衡，推進電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟性運行，推動“碳中和”實現(xiàn)起到了重要作用。

2020 年6 月10 日，國家發(fā)改委能源局正式印發(fā)《電力中長期交易基本規(guī)則》，推進了跨省跨區(qū)電力交易發(fā)展[2]。但隨著“碳中和”目標(biāo)的提出，發(fā)展可再生能源的迫切性增加?；谖覈魇‰娏抗┬璨黄胶狻l(fā)電方式差異較大且具有明顯區(qū)域性等特征，各省實現(xiàn)電力電量平衡的需求和大規(guī)模高比例新能源并網(wǎng)的趨勢將對跨省電力交易提出更高要求。因此，了解省間電力交易的結(jié)構(gòu)演化特點及其影響因素，對進一步完善適應(yīng)高比例新能源并網(wǎng)的跨省電力交易、實現(xiàn)電力電量平衡具有指導(dǎo)作用。

對于省間/區(qū)域電力交易機制和發(fā)展?fàn)顩r，已有不少學(xué)者通過研究電力市場發(fā)展現(xiàn)狀，提出區(qū)域電力貿(mào)易機制[3]、區(qū)域電力聯(lián)營模型[4]和多區(qū)域經(jīng)濟調(diào)度模擬方法[5]；進一步根據(jù)交易及運營商的特點，構(gòu)建電力交易平臺的運行機制[6-8]。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型能夠揭示系統(tǒng)中的組織結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，已有學(xué)者探討了在電網(wǎng)分析中應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的重要性[9-10]，運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法評估系統(tǒng)可靠性[11]，并對電力貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)[12]、電力行業(yè)碳排放[13]、行業(yè)用電量[14]等的演化特征進行分析，為電力交易結(jié)構(gòu)、電力交易網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢等分析提供了新思路。

通過二次指派程序（Quadratic Assignment Procedure，QAP）分析能夠識別社會網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)關(guān)系，多數(shù)學(xué)者運用其分析人口流動[15]、經(jīng)濟貿(mào)易[16-17]、資源貿(mào)易[18]、碳排放[19-20]等的影響因素，為電力交易網(wǎng)絡(luò)的影響因素分析提供了思路和借鑒。

現(xiàn)有文獻為跨省跨區(qū)域電力交易研究提供了理論基礎(chǔ)和方法支持。本文創(chuàng)新性地將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)和輸電網(wǎng)絡(luò)的演化，分析跨省跨區(qū)域電力交易網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及演化特點，并與QAP 相結(jié)合，分析網(wǎng)絡(luò)演化的影響因素，進一步補充了現(xiàn)有的跨省跨區(qū)電力交易等方面的研究。

1 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

1.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型通過構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，分析個體和各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系及結(jié)構(gòu)特征，主要由節(jié)點、邊、度、加權(quán)度等要素構(gòu)成。本文中跨省電力交易空間結(jié)構(gòu)即為一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，表示各省進行電力交易時形成的跨越地域的交易網(wǎng)絡(luò)。其中，節(jié)點為所有參與電力交易的省份；邊為存在電力交易的省份之間的連線；度表示省間連線的數(shù)量；加權(quán)度表示一個省份受入和送出的總電量。由節(jié)點、邊、度、加權(quán)度等要素共同構(gòu)成跨省電力交易空間網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中具體特性公式如下。

1）聚類系數(shù)（Clustering Coefficient，C）表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的聚集程度，如式（1）所示：

式中：Ci為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中各省份間交易的密切程度；i為網(wǎng)絡(luò)中第i個省份；ki為與i省存在交易的省份數(shù)；E為真實存在交易的省份之間的連線數(shù)。

2）特征向量中心性（Eigenvector Centrality，EC）表示某一節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的影響力，如式（2）所示：

式中：ECi為一個省份在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中的影響力；μ為常數(shù)；wij為從i省到j(luò)省的電力交易量。

3）中介中心性（Betweenness Centrality，BC）為通過某一節(jié)點最短路徑的數(shù)量與全部最短路徑的比值，表示某一節(jié)點的中介性，如式（3）所示：

式中：BCi為1 個省份在電力交易網(wǎng)絡(luò)中的媒介作用；gjk(i)為網(wǎng)絡(luò)中從j省到k省要經(jīng)過i省的路徑中，最短路徑的數(shù)量；gjk為網(wǎng)絡(luò)中從j省到k省的路徑中，最短路徑的數(shù)量；n為所有路徑總和。

4）緊密中心性（Closeness Centrality，CC）表示1個節(jié)點與其他節(jié)點的接近程度，如式（4）、式（5）所示：

式中：CCi為1 個省份向另1 個省份受入或送出電力時，對其他省份的依賴程度；di為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中能夠連接i省與j省的最短路徑數(shù)與總路徑數(shù)的比值；dij為能夠連接i省與j省的最短路徑。

5）網(wǎng)絡(luò)密度（Network Density，D）表示省間電力交易網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的緊密性，如式（6）所示：

式中：D為網(wǎng)絡(luò)的密度；L為網(wǎng)絡(luò)中邊（存在電力交易的省份之間的連線）的數(shù)量；N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點（所有參與電力交易的省份）的數(shù)量。

1.2 QAP分析

本文使用Ucinet6 軟件[21]，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，將省間電力交易網(wǎng)絡(luò)作為因變量，政策支持力度、特高壓輸電建設(shè)情況、電力交易供需差為自變量進行QAP 分析，并將數(shù)據(jù)處理成二值鄰接矩陣。

根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果，在計算年份中，若出現(xiàn)以下任何一種情況，如兩個省份存在電力交易、某一省份頒布的有關(guān)省間電力交易的政策發(fā)文數(shù)量大于1、兩個省份之間存在建成使用的特高壓直流換流站或者特高壓交流變電站、某一省份的發(fā)電量小于用電量，則在二值表中記為1，反之記為0。二值表的數(shù)值設(shè)定見表1。

表1 二值表的指標(biāo)設(shè)定Table 1 Indexes setting of binary table

1.3 數(shù)據(jù)收集與處理

由于數(shù)據(jù)可得性，本文研究選擇國家級電力交易中心——北京電力交易中心年報中的數(shù)據(jù)進行省間電力交易分析，因此，處理數(shù)據(jù)中不包含華南地區(qū)的部分交易數(shù)據(jù)。QAP 分析中的數(shù)據(jù)主要來自2016—2019 年國家電網(wǎng)《社會責(zé)任報告》、《全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報》及各省政府網(wǎng)站。

2 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化

通過Gephi 軟件進一步分析省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)。2016—2019 年網(wǎng)絡(luò)平均聚類系數(shù)如表2 所示，網(wǎng)絡(luò)平均聚類系數(shù)增大表明我國省間電力交易越來越密切。省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)密度如圖1 所示，網(wǎng)絡(luò)密度增長表明省間電力交易網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)性不斷增強。省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)演化如圖2 所示，其中節(jié)點顏色由藍色至紅色、越偏向紅色表明連接點越多；邊的線條越粗，表明交易量越大。由圖2 可知，省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增大，其中，2016—2017 年多為一對一交易，山西、四川、浙江、江蘇等地與其他省份交易較多；而2018—2019 年省間電力交易較為密切，新疆、西藏、四川、甘肅等地與其他省份交易逐漸增多。這表明，整個網(wǎng)絡(luò)在不斷地擴大優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中心逐漸由東部轉(zhuǎn)移到西部。

表2 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)平均聚類系數(shù)Table 2 Average clustering coefficient of interprovincial power transaction spatial networks（2016-2019）

圖1 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)密度Fig.1 Density of inter-provincial power transaction spatial networks（2016-2019）

圖2 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)演化Fig.2 Evolution of inter-provincial power transaction spatial networks（2016-2019）

在2019 年的省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中，特征向量中心性如表3 所示，其中山東、陜西、福建的地位較為重要，其與鄰居省份的交易對網(wǎng)絡(luò)的影響力較大。中介中心性如表4 所示，其中四川、西藏跨省交易對象較多、交易量較大，在省間電力交易中處于核心領(lǐng)導(dǎo)地位。緊密中心性如表5 所示，其中湖北、安徽、浙江、內(nèi)蒙古、陜西等省份是網(wǎng)絡(luò)的中心參與者，與其他省份交易聯(lián)系較多，在省間電力交易過程中對其他省份依賴較低。

表3 2019年特征向量中心性前10名省份Table 3 Top 10 provinces of eigenvector centrality in 2019

表4 2019年中介中心性前10名省份Table 4 Top 10 provinces of betweenness centrality in 2019

表5 2019年緊密中心性前10名省份Table 5 Top 10 provinces of closeness centrality in 2019

進一步整理數(shù)據(jù)結(jié)果，可得2019 年重點電力送出省份如圖3 所示，主要為四川、寧夏等西部地區(qū)。2019 年重點電力受入省份如圖4 所示，主要為山東、陜西等華中地區(qū)，并且這些重點電力送出和受入省份均與多個省份進行交易。結(jié)合中心性分析可知，在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中，重要程度較高、影響力較大的省份多為重點電力受入和送出省份，其在電力交易中處于主動地位。

圖3 2019年重點電力送出省份Fig.3 Key power sending provinces in 2019

圖4 2019年重點電力受入省份Fig.4 Key power receiving provinces in 2019

2.2 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)影響因素分析

由于我國地域廣闊、能源分布不均，省間電力交易網(wǎng)絡(luò)演化的影響因素包括資源稟賦、電力成本價格、通道資源、戰(zhàn)略規(guī)劃、各省電源及負(fù)荷結(jié)構(gòu)等。考慮研究的時間跨度和數(shù)據(jù)可得性，本文從以下3 個方面進行分析：（1）技術(shù)上，特高壓輸電線路的建設(shè)是推進省間電力交易的重要技術(shù)支撐；（2）供需關(guān)系上，各省各區(qū)域間的電力供需形勢進一步推動了跨省電力交易；（3）政策上，各省政府政策支持力度支撐省間電力交易發(fā)展。因此，本文將特高壓輸電建設(shè)情況、省內(nèi)電力供需差、各省政策支持力度作為省間電力交易的影響因素。

省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與特高壓輸電建設(shè)情況呈高度正相關(guān)，與省內(nèi)供需差呈顯著負(fù)相關(guān)，與政策支持力度基本不相關(guān)，具體相關(guān)性分析結(jié)果如表6所示。由表6 可知，在技術(shù)上，特高壓輸電項目建設(shè)會為省間清潔能源電力交易提供支撐；在供需關(guān)系上，現(xiàn)有供需形式也會對省間電力交易產(chǎn)生一定影響；在政策上，雖然國家和各省級政府機關(guān)頒布了一系列政策推進省間電力交易的發(fā)展，但由于政策具有滯后性，在相關(guān)性分析結(jié)果中政策支持力度與省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性不強。

表6 2016—2019年QAP相關(guān)性分析結(jié)果Table 6 Results of QAP correlation analysis（2016-2019）

進一步對省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與特高壓輸電建設(shè)情況、供需差進行回歸分析，結(jié)果如表7 所示，其中R2為對擬合回歸效果的評價指標(biāo)。

表7 2016—2019年QAP回歸分析結(jié)果Table 7 Results of QAP regression analysis（2016-2019）

由表7 可知，特高壓輸電建設(shè)情況對省間電力交易網(wǎng)絡(luò)存在顯著的正向影響，且影響強度較大。雖然是由于電力交易需求而建設(shè)的特高壓輸電線路，但是特高壓輸電線路的建設(shè)也為省間電力交易的實現(xiàn)提供了有效支撐。這是因為，特高壓輸電線路具有遠距離、大容量、低損耗輸電的優(yōu)勢。在電力資源不平衡背景下，特高壓輸電線路的建設(shè)有利于促進跨省跨區(qū)電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與供需差的回歸分析結(jié)果中，二者存在顯著的負(fù)向影響，但是影響較為微弱。即使供需市場已經(jīng)逐步趨于穩(wěn)定，但電力供給端的增多仍會在一定程度上驅(qū)動省間電力交易網(wǎng)絡(luò)擴大。隨著“碳中和”目標(biāo)的推動和能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展，發(fā)電方式將逐步由傳統(tǒng)能源發(fā)電轉(zhuǎn)為可再生能源發(fā)電，由于區(qū)域特性，可再生能源發(fā)電基地多集中在中國西北部地區(qū)。電力供給端的轉(zhuǎn)變和發(fā)展，一定程度上會促進省間電力交易。

3 完善中國省間電力交易機制的建議

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，隨著高比例可再生能源并網(wǎng)，省間電力交易的中心省份逐步轉(zhuǎn)移，同時，可再生能源的隨機性和波動性會使省間電力交易和調(diào)度的難度增大，省間電力交易機制亟需進一步優(yōu)化完善。

1）發(fā)揮中心省份作用，建立電力市場交易區(qū)。依據(jù)全國各省各區(qū)域電力供需和電網(wǎng)建設(shè)情況，以資源合理配置和供需缺口調(diào)劑為主要目的，建立跨區(qū)域交易中心，并積極發(fā)揮中心性省份的作用，破除省間交易壁壘[22]。

2）建立適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的省間電力交易機制。協(xié)調(diào)電量受送端供需關(guān)系，因地制宜考慮電網(wǎng)可再生能源出力特性、跨省電力交易的差異性、省間電量供需特性、省間輸電線路約束等多維度問題，在中長期交易中，對電量進行從年度到月度、周度的有效分解，建立更符合電網(wǎng)電力電量平衡的省間電力交易機制[23]。

3）合理規(guī)劃并推進跨省跨區(qū)特高壓輸電通道建設(shè)，提高電力外送能力，降低輸電損耗，實現(xiàn)清潔能源跨省跨區(qū)的高效、合理配置。

4）增強資源統(tǒng)籌配置能力。隨著可再生能源發(fā)電滲透率的逐漸提高，深刻考慮在保障電力電量平衡的同時兼顧電網(wǎng)運行效率的經(jīng)濟性[24]，增強資源統(tǒng)籌配置的能力，在允許條件下優(yōu)先消納可再生能源發(fā)電，提高跨省跨區(qū)電力供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

在碳中和背景下，為推進能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，促進可再生能源優(yōu)先消納，實現(xiàn)可再生能源優(yōu)化配置最大化和電力電量平衡的經(jīng)濟性，本文對中國省間電量交易空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)演化及其影響因素進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，省間電力交易網(wǎng)絡(luò)不斷擴大優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中心逐漸由東部轉(zhuǎn)移到西部，且四川、西藏等主要電力送出省份和山東、陜西等主要電力受入省份在交易網(wǎng)絡(luò)中的影響力較大。另外，影響省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的主要因素是特高壓輸電線路建設(shè)情況和電量供需差。因此，以特高壓為引領(lǐng)的電網(wǎng)建設(shè)和清潔能源發(fā)展帶來的供給端的推動，會進一步推進省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時，特高壓輸電線路建設(shè)也為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，從而保證省間電力電量調(diào)度的穩(wěn)定性。

未來，隨著高比例可再生能源并網(wǎng)發(fā)展，我國將逐步推進西北部大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地以及沿海地區(qū)海上風(fēng)電基地建設(shè)，中國西北部地區(qū)和沿海地區(qū)或?qū)⒅鸩窖葑優(yōu)槭￠g電力交易網(wǎng)絡(luò)的中心，成為重要的節(jié)點[25]。