黃 進(jìn),景怡棚,魏 文

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410076;2.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校,重慶 400053;3.岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 商貿(mào)物流學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414000)

《國(guó)家發(fā)展改革委 國(guó)家能源局關(guān)于加快建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出,要為市場(chǎng)主體加快建立跨省跨區(qū)的輸電權(quán)分配和交易機(jī)制,優(yōu)化電力資源配置。然而,由于輸電線路存在容量限制,因此不同節(jié)點(diǎn)之間的電價(jià)會(huì)有一定的差別,即在物理空間不同的情況下,即使時(shí)間相同,電能的價(jià)值也是不同的。在沒(méi)有阻塞的情況下,可根據(jù)成本最小化原則調(diào)度不同發(fā)電成本的機(jī)組,以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)負(fù)荷要求。若存在阻塞,一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法調(diào)度低發(fā)電成本的機(jī)組來(lái)滿(mǎn)足該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷要求,只能調(diào)度發(fā)電成本更高的機(jī)組。在這種情況下,會(huì)產(chǎn)生額外調(diào)度高價(jià)機(jī)組的費(fèi)用即阻塞費(fèi)用。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的不斷深入,對(duì)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)者、建設(shè)者及電網(wǎng)公司來(lái)說(shuō),阻塞盈余如何分配是其共同面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 研究現(xiàn)狀

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于阻塞盈余分配方法的研究主要分為以下3類(lèi)。第一,采用郵票法按電量比例對(duì)阻塞費(fèi)用進(jìn)行分配[1]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,易于理解,但在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)成熟后,由于其不能實(shí)現(xiàn)阻塞費(fèi)用公平、合理的返還,制約了現(xiàn)貨市場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。第二,利用博弈理論將輸電盈余在利益相關(guān)者之間分配。在市場(chǎng)主體共享輸電系統(tǒng)服務(wù)的背景下,促進(jìn)利益相關(guān)者合作,以實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化,并以此作為阻塞費(fèi)用分配的依據(jù)[2]。但在較為復(fù)雜的電力系統(tǒng)中,該方法會(huì)面臨計(jì)算量大等問(wèn)題,同時(shí)分配結(jié)果僅考慮了利益相關(guān)者盈余分配的公平性,對(duì)于如何解決阻塞,沒(méi)有給出具體解決方案。第三,以輸電權(quán)為基礎(chǔ)的阻塞管理辦法。國(guó)外學(xué)者Hogan提出了contract network模型,這是輸電權(quán)的概念第一次提出。該辦法是:利用輸電容量權(quán)對(duì)阻塞成本進(jìn)行分配,同時(shí)可以使市場(chǎng)成員避免價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)。從這種意義上來(lái)說(shuō),Hogan提出的輸電權(quán)概念,本質(zhì)上是一種金融輸電權(quán)(financial transmission rights,FTRs)[3]。金融輸電權(quán)是一種金融工具,可以幫助市場(chǎng)交易者規(guī)避由價(jià)格波動(dòng)引起的風(fēng)險(xiǎn),其所有者在發(fā)生阻塞時(shí)可得到一定的補(bǔ)償,使輸電價(jià)格在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。在現(xiàn)行的現(xiàn)貨價(jià)格機(jī)制下,各類(lèi)阻塞盈余的分配方法均集中在盈余分配的公平性上,而沒(méi)有考慮阻塞所造成的福利損失,以及如何利用阻塞盈余增加電網(wǎng)投資從而消除輸電阻塞。市場(chǎng)成員公平、合理地分配阻塞盈余,并獲得相應(yīng)的返還阻塞費(fèi)用,是優(yōu)化我國(guó)電力市場(chǎng)體制、推進(jìn)電力體系改革的關(guān)鍵。

本文采用社會(huì)總剩余量化分析方法,在借鑒國(guó)外典型輸電阻塞管理方法的設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上,結(jié)合市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),根據(jù)我國(guó)目前現(xiàn)行的輸配電價(jià)定價(jià)辦法,提出一種可達(dá)到帕累托改進(jìn)的阻塞盈余資金使用機(jī)制,其目的在于通過(guò)科學(xué)、合理的阻塞盈余分配,擴(kuò)展不同區(qū)域電力通道,減少電力市場(chǎng)中由阻塞造成的社會(huì)福利損失。

2 輸電阻塞的福利損失及管理機(jī)制

阻塞盈余本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是用戶(hù)支付的額外電費(fèi),是高電價(jià)節(jié)點(diǎn)的電力用戶(hù)多支付的電費(fèi)。目前世界上大部分國(guó)家分配阻塞盈余采取的方式是:按阻塞分量的電費(fèi)比例對(duì)用戶(hù)進(jìn)行返還。另外,也有部分國(guó)家利用金融輸電權(quán)的交易機(jī)制對(duì)高于系統(tǒng)的邊際電價(jià)(locational marginal prices,LMP)的電力用戶(hù)進(jìn)行返還。

2.1 輸電阻塞福利損失

假定在一個(gè)電力市場(chǎng)中,存在n個(gè)發(fā)電公司競(jìng)價(jià)上網(wǎng),第i個(gè)發(fā)電公司次日的電量報(bào)價(jià)函數(shù)為Qi=fi(P)。根據(jù)現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行規(guī)則,此函數(shù)需滿(mǎn)足單調(diào)不遞減的要求。電力系統(tǒng)的總電力供給函數(shù)為

(1)

式中:P為發(fā)電公司申報(bào)的電價(jià);fi為第i個(gè)發(fā)電公司提供的報(bào)價(jià)函數(shù);Qi為第i個(gè)發(fā)電公司提供的電量。

用戶(hù)側(cè)在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易中,參與市場(chǎng)的方式有2種:報(bào)量報(bào)價(jià)和報(bào)量不報(bào)價(jià)。在目前我國(guó)的試點(diǎn)區(qū)域,用戶(hù)側(cè)參與市場(chǎng)交易都是報(bào)量不報(bào)價(jià)。

圖1展示了無(wú)阻塞時(shí)電力市場(chǎng)的供給需求關(guān)系。由圖1可知,供給和需求在A點(diǎn)達(dá)到均衡,P0為均衡電價(jià),Q0為均衡電量,AP0C圍成的區(qū)域是消費(fèi)者剩余,階梯形區(qū)域AP0B是生產(chǎn)者剩余,二者加在一起的面積和是社會(huì)總剩余。

圖1 無(wú)阻塞時(shí)電力系統(tǒng)的供需平衡和社會(huì)總剩余

圖2所示的供求關(guān)系是在存在阻塞的情形下電力市場(chǎng)的供給需求關(guān)系。假設(shè)線路約束容量為Q1,由于線路約束,均衡價(jià)格P0低于用戶(hù)側(cè)成交價(jià)格P1,高于發(fā)電側(cè)成交價(jià)格P2,在這種情況,多邊形CNP2的面積代表生產(chǎn)者剩余,MP1B的面積代表消費(fèi)者剩余,有阻塞時(shí)社會(huì)總剩余減少的部分為圖中多邊形P1MANP2的面積,社會(huì)總剩余減少量與價(jià)格P1和P2的差成正向變化。在市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格以節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)為依據(jù)時(shí),輸電阻塞的盈余用Q1×(P1-P2)表示,即圖2中P1MNP2所示面積。如果阻塞盈余全部返還,那么相比沒(méi)有阻塞的情況,社會(huì)總剩余仍然會(huì)下降,即圖2中MNA陰影部分的面積。由此可見(jiàn),當(dāng)電力系統(tǒng)存在阻塞時(shí),如果阻塞盈余只在發(fā)電企業(yè)及電力用戶(hù)之間分配,不能徹底解決社會(huì)總剩余減少的問(wèn)題。因此,若想實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化,阻塞盈余的分配應(yīng)有利于消除輸電阻塞。

圖2 阻塞情形下電力系統(tǒng)的供需平衡及社會(huì)總剩余

2.2 電力市場(chǎng)阻塞管理

2.2.1 美國(guó)PJM市場(chǎng)阻塞管理機(jī)制

美國(guó)PJM電力市場(chǎng)中,日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)通過(guò)遠(yuǎn)期金融合同對(duì)市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制,在集中式現(xiàn)貨市場(chǎng)中以全電量集中出清。電力交易機(jī)構(gòu)在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,以最小運(yùn)行成本為目標(biāo),依據(jù)市場(chǎng)成員的報(bào)價(jià)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度,不同時(shí)間不同地區(qū)的邊際電價(jià)由此產(chǎn)生。在PJM電力市場(chǎng)中,輸電阻塞是通過(guò)約束出清的LMP基于最優(yōu)潮流進(jìn)行管理。根據(jù)最優(yōu)潮流模型可知,LMP反映輸電阻塞費(fèi)用,阻塞區(qū)與非阻塞區(qū)的LMP不同,前者較大,后者較小。LMP不同可傳遞經(jīng)濟(jì)信號(hào)。發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷費(fèi)用根據(jù)其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的LMP進(jìn)行電費(fèi)的結(jié)算和支付,如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)輸電阻塞,則會(huì)有相應(yīng)的阻塞盈余。PJM電力市場(chǎng)通過(guò)金融輸電權(quán)(financial transmission rights,FTRs),以節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制為基礎(chǔ),運(yùn)用金融工具分?jǐn)傋枞?構(gòu)建了輸電權(quán)交易市場(chǎng),將獲取阻塞結(jié)余的權(quán)利以公開(kāi)招標(biāo)的方式分配給市場(chǎng)主體,以減少市場(chǎng)主體的交易風(fēng)險(xiǎn)[4]。持有FTR的市場(chǎng)主體可以在電力系統(tǒng)存在阻塞時(shí),分?jǐn)傄徊糠肿枞Y(jié)余,這樣可以減少由輸電阻塞引起的高LMP風(fēng)險(xiǎn)[5]。FTR根據(jù)權(quán)利義務(wù)不同可分為2種:債權(quán)型和期權(quán)型。債權(quán)型FTR 要求輸電權(quán)指定方向與阻塞方向相同,否則持有者將承擔(dān)額外費(fèi)用。而期權(quán)型FTR安全性更高,不要求持有者在輸電權(quán)指定方向與阻塞方向相反時(shí)支付費(fèi)用。除此之外,FTR還可以根據(jù)持有時(shí)間不同進(jìn)行劃分,即年度、季度和月度FTR,還可根據(jù)負(fù)荷時(shí)段劃分,即高峰、低谷和24 h的FTR。

2.2.2 廣東電力市場(chǎng)阻塞盈余分配機(jī)制

目前,廣東現(xiàn)貨市場(chǎng)實(shí)施全電量競(jìng)價(jià)的市場(chǎng)模式,發(fā)電側(cè)按機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)的價(jià)格進(jìn)行結(jié)算,用戶(hù)側(cè)按照全網(wǎng)統(tǒng)一的價(jià)格進(jìn)行結(jié)算。然而,在計(jì)劃模式與市場(chǎng)模式并存的情況下,總交易電量可分為非市場(chǎng)交易電量與市場(chǎng)交易電量,并衍生出非市場(chǎng)阻塞盈余和市場(chǎng)阻塞盈余。根據(jù)廣東電力市場(chǎng)2019年年度報(bào)告[6]可知,如果市場(chǎng)用戶(hù)主要分布在低節(jié)點(diǎn)電價(jià)地區(qū),則可能會(huì)產(chǎn)生市場(chǎng)阻塞盈余為負(fù)的情形與不平衡資金。參考南方(以廣東起步)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)2021年5月結(jié)算試運(yùn)行實(shí)施方案,市場(chǎng)盈余由絕對(duì)價(jià)格中長(zhǎng)期合同的阻塞費(fèi)用、價(jià)差中長(zhǎng)期合同的阻塞盈余與現(xiàn)貨阻塞盈余3部分組成。市場(chǎng)盈余主要包括市場(chǎng)阻塞盈余與市場(chǎng)發(fā)用電量不平衡偏差電費(fèi)。對(duì)于市場(chǎng)阻塞盈余的分?jǐn)?價(jià)差中長(zhǎng)期合同的阻塞盈余根據(jù)發(fā)電側(cè)的上網(wǎng)電量占比進(jìn)行分?jǐn)?絕對(duì)價(jià)格中長(zhǎng)期合同與現(xiàn)貨偏差電量產(chǎn)生的阻塞盈余由用戶(hù)實(shí)際用電量的占比分?jǐn)偂?/p>

3 基于社會(huì)福利最大化的阻塞管理方法

輸電阻塞造成的福利損失與2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間阻塞電力相關(guān)。由于阻塞發(fā)生的時(shí)間與節(jié)點(diǎn)并非固定的,現(xiàn)行輸配電價(jià)定價(jià)辦法中以供電總量確定輸配電投資的定價(jià)辦法并不能發(fā)揮輸配電價(jià)反映時(shí)間與位置信號(hào)的功能。當(dāng)輸電增加量不足以支撐輸配電投資時(shí),電網(wǎng)企業(yè)可以建立以阻塞盈余為基礎(chǔ)的資金池,對(duì)節(jié)點(diǎn)間輸電線路進(jìn)行擴(kuò)容,以降低輸電阻塞對(duì)社會(huì)福利造成的損失。

3.1 基于社會(huì)福利最大化的調(diào)度模型

電力市場(chǎng)環(huán)境下,獨(dú)立的發(fā)電商通過(guò)競(jìng)價(jià)向市場(chǎng)提供電力,電網(wǎng)企業(yè)作為獨(dú)立的輸配電企業(yè),按照發(fā)電商報(bào)價(jià)從低到高進(jìn)行電力調(diào)度。當(dāng)輸電線路容量受到限制時(shí),電力交易存在傳輸中斷風(fēng)險(xiǎn),部分電力交易合同無(wú)法正常執(zhí)行。為保障電力傳輸過(guò)程的安全性與穩(wěn)定性,輸電企業(yè)在忽略傳輸損耗和無(wú)功功率,只考慮有功功率的情況下,建立了基于社會(huì)福利最大化的最優(yōu)調(diào)度模型[7]:

(2)

約束條件如下:

(3)

(4)

式中:PL,ij為沿線路ij傳輸?shù)膶?shí)際有功功率;PL,ijmax為允許沿ij線傳輸?shù)挠泄β噬舷?i=1,…,n;j=1,…,n;n為電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量;Pi為節(jié)點(diǎn)i處實(shí)現(xiàn)電力交易的有功功率;PGi為節(jié)點(diǎn)i處發(fā)電的有功功率。式(3)表示線路有功功率約束;式(4)為有功功率平衡約束,即使任一節(jié)點(diǎn)流入與流出的有功功率相等(輸出功率為功率交易的有功功率)。

3.2 算例分析

在測(cè)算中,采用簡(jiǎn)化的三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)且不考慮傳輸損耗和無(wú)功功率的影響。

假定A、B、C 3個(gè)區(qū)域電價(jià)、容量及負(fù)荷需求如圖3所示。當(dāng)輸電線路有足夠的容量不發(fā)生輸電擁塞時(shí),原則上由定價(jià)最低的A區(qū)域的電廠優(yōu)先發(fā)電。B區(qū)域和C區(qū)域通過(guò)輸電線路AB和AC接收來(lái)自A廠的電力。此時(shí),全網(wǎng)用戶(hù)的邊際電價(jià)均為200元/(MW·h)。各區(qū)域電力交易結(jié)果如表1所示。

圖3 三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

若輸電線路AB最大輸電能為100 MW,線路AC的最大輸電能力為150 MW,此時(shí)區(qū)域間存在輸電阻塞。按照電力市場(chǎng)交易價(jià)格從低到高成交原則,C區(qū)域優(yōu)先從A區(qū)域獲取150 MW的電力支持,剩余50 MW電力需求由C區(qū)域發(fā)電企業(yè)提供。B區(qū)域分別能夠從A區(qū)域和C區(qū)域優(yōu)先獲得100 MW電力支持,額外的100 MW電力需求由B區(qū)域的電廠提供。B區(qū)域和C區(qū)域的邊際電價(jià)為300元/(MW·h)和250元/(MW·h),此時(shí)3個(gè)區(qū)域的購(gòu)電成本發(fā)生了變化,其交易結(jié)果如表2所示。

表2 區(qū)域電力交易結(jié)果(有阻塞)

表2的結(jié)果表明,由于輸電阻塞的存在,電力市場(chǎng)環(huán)境下B區(qū)域與C區(qū)域的消費(fèi)者將支付更多的費(fèi)用,社會(huì)總電費(fèi)支出將增加20 000元,這就是由阻塞帶來(lái)的盈余。由于B區(qū)域邊際電價(jià)最高,從阻塞盈余的角度來(lái)看,B區(qū)域阻塞程度比C區(qū)域更嚴(yán)重,同時(shí)受到B區(qū)域發(fā)電能力的限制,B區(qū)域無(wú)法滿(mǎn)足全部的電力需求,最大供電能力將比最大電力需求低100 MW。為降低輸電阻塞對(duì)社會(huì)福利的影響,可將阻塞盈余納入電網(wǎng)企業(yè)資金池作為阻塞線路擴(kuò)容的資金。由于阻塞在時(shí)間和地點(diǎn)上的不確定性,僅依靠阻塞盈余無(wú)法滿(mǎn)足全部線路的擴(kuò)容要求,所以按照不同線路阻塞盈余的金額大小確定優(yōu)先擴(kuò)容線路。為保障B區(qū)域最大用電需求,應(yīng)將AB線路擴(kuò)容至300 MW,擴(kuò)容后各區(qū)域交易結(jié)果如表3所示。

從表2和表3的結(jié)果來(lái)看,當(dāng)線路擴(kuò)容后,3個(gè)區(qū)域電力用戶(hù)總電費(fèi)支出沒(méi)有發(fā)生變化,但對(duì)A區(qū)域中的發(fā)電企業(yè)而言,其發(fā)電能力能夠被全部利用,提高了發(fā)電設(shè)備利用率及發(fā)電收入。對(duì)B區(qū)域而言,能夠充分利用低電價(jià)區(qū)域的電力資源,避免缺電損失。因此,從3個(gè)區(qū)域福利變化來(lái)看,線路擴(kuò)充后實(shí)現(xiàn)了帕累托改進(jìn)。

通過(guò)以上分析可以看出,在阻塞存在的情況下對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)容能夠增加社會(huì)福利。然而,當(dāng)擴(kuò)容成本遠(yuǎn)高于阻塞盈余或原有調(diào)度方案不再可行時(shí),低成本發(fā)電機(jī)組可能會(huì)被限制,擴(kuò)容線路的低效運(yùn)行會(huì)造成社會(huì)福利的損失[8]。但電網(wǎng)投資者若能夠獲得充分的輸電權(quán),提高新增線路的利用率則可以彌補(bǔ)由擴(kuò)建成本及調(diào)度等因素造成的負(fù)外部性,使得輸電網(wǎng)擴(kuò)容投資增加社會(huì)福利。

3.3 阻塞盈余分配機(jī)制比較分析

分?jǐn)傋枞嗍请娏κ袌?chǎng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一,合理的阻塞盈余分配機(jī)制有利于平衡電力市場(chǎng)參與方的經(jīng)濟(jì)利益,同時(shí)也能提高社會(huì)福利。以PJM電力市場(chǎng)為代表的美國(guó)利用金融輸電權(quán)對(duì)阻塞盈余進(jìn)行分配,采用公開(kāi)招標(biāo)將阻塞盈余在各市場(chǎng)主體間進(jìn)行分?jǐn)偂Ｔ摲椒▽⒔鹑诠ぞ咭腚娏κ袌?chǎng),減低了阻塞盈余分配對(duì)交易各方帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),一定程度上解決了分配的公平性問(wèn)題,但無(wú)法解決輸電阻塞問(wèn)題,由輸電阻塞造成的福利損失依然存在。廣東電力市場(chǎng)的阻塞盈余分?jǐn)偡绞绞俏覈?guó)電力市場(chǎng)改革初期的一種簡(jiǎn)化設(shè)置,該分?jǐn)偡椒ń梃b了美國(guó)及英國(guó)電力市場(chǎng)阻塞盈余分配的一些做法,執(zhí)行過(guò)程較為清晰簡(jiǎn)便。但該方法是以電量比例為基礎(chǔ),沒(méi)有考慮體現(xiàn)不同發(fā)電節(jié)點(diǎn)的價(jià)值差異,無(wú)法將阻塞通過(guò)價(jià)格信息反饋。同時(shí),將阻塞盈余按照電量標(biāo)準(zhǔn)返還給用戶(hù)的方式與用戶(hù)對(duì)輸電網(wǎng)的約束無(wú)直接關(guān)聯(lián),無(wú)法通過(guò)費(fèi)用金額反映阻塞責(zé)任,導(dǎo)致市場(chǎng)阻塞費(fèi)用分配不合理,影響電力市場(chǎng)的充分競(jìng)爭(zhēng)。本文提出將阻塞盈余注入輸電企業(yè)資金池,并將其用于對(duì)阻塞線路的擴(kuò)容,將有利于輸電網(wǎng)建設(shè)并解決阻塞問(wèn)題,增加社會(huì)福利,實(shí)現(xiàn)帕累托改進(jìn)。

4 結(jié)論

在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中,以不同的方式分配阻塞盈余對(duì)社會(huì)福利的計(jì)量影響較大。通過(guò)二次調(diào)整或金融輸電權(quán)的方式將阻塞盈余分配給發(fā)電商及用戶(hù),僅解決了分配的公平性問(wèn)題,對(duì)于阻塞問(wèn)題效用不大,難以使社會(huì)福利最大化。在分析輸電阻塞對(duì)社會(huì)福利影響的基礎(chǔ)上,本文提出了將阻塞盈余用于輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的分配方法,并將其與PJM電力市場(chǎng)阻塞盈余、廣東電力市場(chǎng)阻塞盈余分配方式進(jìn)行比較,驗(yàn)證了新的分配方法能彌補(bǔ)現(xiàn)行方法僅關(guān)注分配公平性而忽視效率的缺點(diǎn)。將阻塞盈余用于輸電網(wǎng)建設(shè)能夠消除輸電阻塞,實(shí)現(xiàn)帕累托改進(jìn),更符合電力市場(chǎng)發(fā)展的需要。將阻塞盈余用于通道擴(kuò)展后的具體經(jīng)濟(jì)收益情況受到輸配電價(jià)、用戶(hù)行為及一次能源價(jià)格變動(dòng)等多種因素影響,本文未做量化衡量,將在后續(xù)研究工作中進(jìn)一步擴(kuò)展。