深度 | 电力市场设计中集中模式和分散模式的比较

2、准确的、全面的信息的获得

无论是集中决策，还是分散决策，其决策正确的一个前提是信息的准确、全面性。哪种机制能更加反映真实的、准确的信息，哪种方式相对就有更多的优势。

1)对信息量的需求和信息的可获得性。集中机制中，决策需要所有市场主体的所有的信息，当系统非常庞大，市场主体的特性非常复杂的时候，集中机制下，常常无法获得全部的、准确的信息。分散的市场机制中，市场主体的决策一般仅需要部分的信息。比如说，在完全竞争的市场中，市场主体报价时仅需要考虑自身的成本情况，按自己的真实成本报价就是最佳策略，不需要了解其他市场主体的信息。每个市场主体对自己的特性相对集中机制下的决策机构一般有更加深入的、细致的了解。当然，市场决策需要的信息量和信息类型与市场的具体设计有很大关系。比如，在按报价结算(PAB，pay as bid)的机制下，市场主体决策时不仅仅需要了解自身的生产成本特性，还需要了解其他市场主体的特性，了解市场出清价的可能的情况。

决策所需的信息越多，会造成获得信息的成本越高。一般来说，集中机制所需的信息较多，而分散机制需要的信息相对较少。

2)获得的信息的质量。假设集中机制和分散机制下，都可以获得所有的、决策所需要的信息，那么决策的质量很大程度上就取决于所获得的信息的质量。电力系统是由非常多的个体组成的，包括发电设备、电网设备、用电设备等。而这些不同的设备通常由不同的个体运行和管理。这些不同的个体之间是什么关系，比如完全独立的公司、具有股权关系的公司、完全控股的上下级公司、同一公司的不同部门等，信息的获取都需要一定的成本，获取真实的信息都需要一定的激励。不同的机制，获取的信息的质量和成本都会不同。

相对来说，集中机制更容易获得准确的信息。市场机制下，市场主体的市场策略是否反映其真实信息，很大程度上取决于市场的竞争程度。在市场竞争程度不够，市场主体有较大市场力的情况下，市场主体会倾向于隐藏自己的真实信息，从而对市场效率造成不利的影响。因此，市场机制设计中的一个重要原则是揭示原理，即在设计的市场机制下，市场成员最佳的市场策略是按照真实的成本报价。

【多产品设计】多产品的市场机制设计中，信息的可获得性和质量也是考虑的一个重要方面。比如在能量市场和辅助服务市场的设计中，市场主体提供辅助服务的机会成本与系统整体的调度方案有很大关系，每个市场主体在市场出清前很难准确估计，而如果采取能量市场和辅助服务联合出清的机制，统一的出清机构则可以方便的、较为准确的计算相关的机会成本。因此，目前大多数市场的发展趋势都是采取能量市场和辅助服务联合出清的模式。

3、决策问题的建模和求解

经济学中要解决的资源配置问题从数学上可以看为一个优化问题。在已经获得了决策所需的所有信息的情况下，是否能够准确、快速的求解也是在进行分散和集中机制选择中需要考虑的一个问题。

相对来说，集中决策下优化问题更加复杂，更难求解;分散机制下，由于部分问题或全部问题通过分散的机制求解，优化的规模减小，求解更加容易。

比如，对发电机组的约束和非线性处理的问题。集中的机制下，由统一的集中的机构来考虑所有约束下的调度和成本回收问题，相关出清和结算的模型和算法都比较复杂。如果采用分散的机制，由各自市场主体通过报价反映相关的约束，出清和结算模型会相对更加简单，但市场主体的报价策略会更加复杂。

实际上，在数学优化领域，也一直有集中优化和分布式优化两种方法。市场设计中的集中机制和分散机制，一定程度上也是这两种优化方法的反映。应该采用集中的方式还是分散的机制，没有绝对的答案，取决于具体问题的特点、相关技术的发展。

4、对市场主体行为的激励

以上分析是假设生产者的生产特性和消费者的需求特性一定的情况。实际上，不同的资源配置机制下，对市场主体的行为有不同的影响，进而影响市场的供给和需求的特性。

市场机制下，每个市场主体获得的收益与其行为直接有关，相对来说，有更大的激励降低自身的成本、提高生产和消费效率。

计划体制下，生产计划和分配计划由一个统一的机构集中进行，每个市场主体获得的收益不完全与其自身的努力、效率有关，对市场主体降低成本、提高效率的激励相对更加困难。

5、交易成本

交易成本包括寻找交易对手的成本、相关的技术支持系统的成本、研究市场策略的成本、市场机制研究和监管的成本等。相对来说，集中机制下的交易成本很低，或者说几乎没有，而市场机制下随着市场机制的不同会有不同的交易成本。

市场设计的一个原则，是尽量减小相关的交易成本。

【小结】选择计划还是市场，选择集中模式还是分散模式，没有绝对的答案，取决于对不同方案的成本、效益的对比分析。而这个对比分析的结果也不是一成不变的，会随着相关供需情况、技术等的变化而变化。比如，在早期爱迪生刚发明电的时候，电的主要需求就是电灯，而远距离传输的成本非常高，因此市场就是一些局部的、分散的、垄断的市场，每个地区的市场是垂直垄断的。随着发电技术的发展，大规模发电设备的出现，以及远距离输电技术的发展，更大范围内供电的规模经济性凸显，电力市场的范围逐渐扩大，从整个市场角度发电的规模经济性不再存在，因此发电侧引入竞争成为可能。电力市场中一些具体环节的设计，更加需要密切考虑技术、经济的发展状况和电网的具体特点。

五、集中式和分散式网络约束处理机制的对比

这里以网络约束的处理为例，对集中式和分散式两种方式各自的优缺点进行进一步深入的分析和讨论。

1、集中和分散两种网络约束出力机制概述

在集中的市场模型中，能量市场和输电市场联合出清，也就是说，在能量市场出清模型中，考虑了完全的电网的约束，因此可以保证能量市场出清的结果是可行的。这样，市场出清的结果、市场的电价同时反映了能量市场和输电容量市场的供需情况。

在分散的市场模型中，通过电网约束的简化和市场的分离来实现两个市场的一定程度的解耦。以欧洲电力市场为例：根据行政区域、电网特点等，划分为若干价区。并做以下假设：a)认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。b)可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。这样，就可以把整个市场分解为若干个独立的市场：a)价区内部市场：能量市场不受网络约束的影响，可以自由进行交易;b)跨区交易市场：跨区能量交易需要获得跨区输电容量，由于认为每两个价区之间的跨区交易的最大交易量是确定的、不会互相影响的，因此不同的跨区交易可以独立组织，单独成为一个市场。

2、分散式方式分析

1)分散式机制的好处

a)交易组织灵活。由于每个市场中，仅需要简单的考虑供需平衡即可，不要额外考虑一些特殊因素，因此交易方式灵活多变：交易可以双边进行，也可以集中进行;可以建立一个统一的集中交易中心，也可以有多个不同的交易中心;集中市场的报价、出清方式也可以灵活多变。

b)交易流动性好、适应性好。市场主体在市场供需状态、自己的生产和消费特性发生变化时，可以很方便的、及时的通过一些增量的交易反映这种变化。

c)市场机制简单。市场交易机制简单，透明，信息披露简单。

2)分散式方式的主要问题

分散式方式存在的主要问是：将一个连通的电力系统分解为多个独立市场的过程中，一些假设条件不一定满足，影响了系统的效率。

第一个假设：认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。如果区内网架非常强，区内从来不会出现网络阻塞的问题，这个假设没有问题。但实际中这个假设是不可能实现的，总会在或多或少的时间内由于区内的交易造成一定的电网阻塞。这样，之前成交的交易就需要调整(事后裁减)，或者要进行一些新的交易来解决这些问题(比如建立平衡市场)。这个过程中，就会容易造成一些市场力问题。美国加州、德州早期的市场中，采取了分区市场的机制，就是日前市场出清中假设区内不存在网络约束，实时市场中对网络约束造成的问题再通过反向交易解决。这样造成在一些地区的发电存在较大的市场力。

这个市场力出现的根本原因是：交易(定价)模型和调度的模型不一致，导致市场价格不能真实反映实际的系统成本。这种情况下，市场主体就存在了套利的机会。所以，市场设计的一个重要原则是：交易、定价模型尽量和调度模型一致。

第二个假设：可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。学过电力系统分析的都知道，电在电网中按物理规律传输，与交通、通信的都不一样。对一个连通的电网络，在两个点之间进行电力的传输，将在所有线路上都产生电力潮流，不同节点(区域)之间的电力传输是会相互影响的。如果要事先给定每两个区域之间的最大传输容量，必然要牺牲一定的可行空间。

图1 欧洲网络约束处理方式

如图1所示，假设系统中存在三个区域A、B和C，横坐标表示AC两个区域之间的交换功率，纵坐标表示BC两个区域之间的交换功率。图中四条红色的线条表示系统中的一些线路造成的网络约束。也就是说，考虑到电网的各种约束，AC、BC之间的传输功率必须进行一些协调，需要在红色的线条围起来的范围之内，即五边形EFGMN之内。如果想要让AC之间的传输功率尽量大，应该运行在G点;如果想让BC之间的传输功率尽量大，应该运行在M点。实际运行中，AC、BC的传输功率只要在EFGMN内，系统就是安全的、可行的。

但是，如果要将AC、BC两个市场解耦，就需要单独给出AC的最大传输功率和BC的最大传输功率，也就是说，要给出一个矩形的可行区域。而这种可行区域不是唯一的。比如，图中给出了两个可行域：蓝色的矩形和黄色的矩形。相对蓝色的矩形，黄色的矩形可行区域下，BC两个区域之间的传输功率的范围增大了，但AC之间传输功率的范围减小了。实际中，需要事先由一个机构按照某种方法确定一个可行域矩阵，这样，各个区域之间交易的范围就独立的确定了，各个交易就可以单独组织。比如，A、C两个区域之间的交易由交易机构H负责，而B、C两个区域之间的交易由另外的交易机构R负责。

这个方法下实现了交易之间的独立性，但是可以看到，牺牲了一定的可行空间。无论选择蓝色矩形还是黄色矩形，可行范围都比原始的可行空间EFGMN要小。

3)解决分散式方式下一些问题的方法

分散式方式的问题主要是两个假设造成的问题。

(1)第一个假设造成的问题。第一个假设是认为价区内部的交易不会有网络约束的问题。对这个问题，有以下几种解决方案：首先，增强网架，使得区内阻塞很少发生;其次，调整分区方法，根据电网的物理特性分区，并将经常发生阻塞的地区进行拆分;最后，进行市场力监测和控制，限制一些特殊发电主体的市场力。

(2)第二个假设造成的问题。第二个假设认为可以给出每两个价区之间的最大交易量(输电量)。欧洲早期的电力市场中，大多采用这种方式处理电网阻塞问题，即ATC方式。认为每两个价区之间的传输容量是确定的。从上面的分析看到，这种方法减小了可行空间，因此降低了市场的效益。

这个问题可以通过对跨区交易市场耦合的方法解决(参考【走进电力市场：欧洲电力现货市场联合出清机制，电力市场集中竞价的经济学原理分析 (十五 阻塞管理基本原理5-欧洲分区竞价、输电容量计算及分配2)】)。区内交易仍然可以自由进行，但所有的跨区交易需要在统一的平台上进行，在统一的平台上采用基于潮流的电网约束。对图1中的例子，就是采用五边形EFGMN来描述电网的约束。实际中，这个约束是以区域之间的潮流分布因子的形式展现的。

另外，也可以通过多级市场的配合实现市场流动性和市场效率的综合目标：在中长期市场中，采用简单的、解耦的网络约束模型，通过简单的模型实现交易的流动性;在接近实时的市场中，采用耦合的、考虑完全网络约束的市场机制，最大程度发挥电网的作用。

3、集中式方式分析

集中式方式下，市场出清中直接考虑了所有的网络约束，可以保证调度和交易的一致，减小市场套利、博弈的空间，减小电厂的市场力。

集中式方式下存在的主要问题是，网络约束过于复杂，造成市场出清模型复杂，出清算法复杂、不透明，增加市场监管的难度，增加信息获取的难度。

4、讨论

实际上，考虑到电力系统的特殊的属性，无论是哪种市场模式，实时的调度都是集中进行的。比如，美国的实时市场，欧洲的平衡市场。不同的机制的差别，主要在于在这个集中的网络约束处理之前，还要不要设计一些集中的市场，这些集中的市场中需要考虑哪些约束，这些约束的限值如何确定。

上面提到美国PJM为代表的电力市场是集中处理网络约束的，但是，在中长期市场中，存在输电权的拍卖市场，输电权的定义也有实际节点、虚拟节点、Hub等多种方式。对同一个Hub的发电或负荷，如果购买了该Hub的输电权，那么在Hub内部的交易理论上也可以自由进行而不会带来新的市场风险。

全文总结

“集中”和“分散”是包含多个方面含义的广泛的概念，可以从不同的层次、不同的角度来理解。并没有一个简单的集中式市场模式或分散式市场模式的概念，集中和分散的概念反映在市场各个环节的设计中。

在进行电力市场的改革中，首先要确定市场化、引入竞争机制的环节，进行“集中”和“分散”、“计划”和“市场”机制的选择时主要是考虑生产的规模经济性、范围经济性等的特性。

对市场中每个环节具体的机制设计，则更多的是要考虑电力系统的一些特殊的属性的处理，比如网络约束的处理，机组约束的处理等，需要结合具体电网的特点(网架是否强壮，是否经常发生阻塞)、相关技术的发展(复杂算法的求解速度、效率)等确定最佳的方案。