深度｜基于价值公平分配的电力市场竞争机制设计

摘要:有序推进电价机制改革,构建“公平、开放、有序、竞争、完整”的电力市场体系,是中国新一轮电力体制改革的关键任务。目前国外电力市场普遍采用边际价格出清的交易机制,然而理论与实践均证明,边际价格机制难以促进市场成员真实报价,难以解决电力系统信息不对称的难题。为促进市场成员理性报价、实现电力资源优化配置,提出一种基于价值公平分配的电力市场竞争机制。首先,分析了边际价格难以保证发电机组真实报价、导致市场效率损失的现象和原因;进而,基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)机制设计理论,提出适应电力日前市场的价值公平分配机制,理论证明所提机制满足激励相容、个体理性以及系统成本最小化,并解释了该机制实现激励相容原理的经济学意义。基于IEEE30节点和118节点系统的算例分析验证了该机制的有效性。

0 引言

在中共中央、国务院发布的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》[1]指导下,中国各省因地制宜,积极开展电力体制改革试点方案,推进电力交易市场化进程[2-3]。中国电力市场的交易和结算主要沿用国外电力市场现有的机制[4-5]。美国 PJM 电力市场于1998年引入基于成本投标和节点边际电价的实时市场体系,并于2000年引入日前能量和调频市场[6]。此外,美国加州、得州、新英格兰、纽约、中西部等电力市场均采取以边际电价作为电力交易和结算价格的市场机制。英国电力市场于2001年开展电力体制改革,由集中交易模式(Pool)改变为以中长期双边交易为主、平衡机制和不平衡结算为辅的市场模式(Neta)[7],从而抑制集中竞价的市场力。北欧电力市场以现货市场为基础、辅助服务和金融市场为补充,其现货市场主要采用日前、日内和实时市 场 有 序 协 调 的 运 营 模 式,由 北 欧 电 力 交 易 所(NordPool)组织集中竞价,同样采用边际电价出清的结算机制[8]。

目前,国外电力现货市场普遍采用边际价格出清的交易机制,然而理论与实践均证明,边际价格机制难以促进市场成员真实报价,难以解决电力市场信息不对称的难题。在市场供求关系紧张或者存在输电阻塞的情况下,发电机组具有虚报高价的激励和冲动[9],从而抬高边际出清价格,显著扩大自身利益。美国 PJM、加州等电力市场在2000年曾出现价格尖峰超过平时电价10倍的情况[10]。文献[11]指出,市场力的存在将阻碍市场有效竞争,而市场操纵和输电阻塞是电力市场中市场力的两个主要来源。文献[12]通过策略性报价模型模拟加州电力市场的价格钉现象以及市场效率损失。文献[13]研究美国东部电网的市场力情况,模拟2725台发电机组策略性参与市场,并为美国市场监管提供电价管制的政策建议。因此在市场环境下,资源优化配置的最佳状态是所有市场成员申报真实的边际成本,由于市场力的存在,背离真实成本的报价方式将损失市场效率。为解决边际价格的弊端,迫切需要研究满足激励相容原理、促进市场成员真实报价的电力市场竞争机制。

激励相容是指市场成员理性实现个体利益最大化的策略,与机制设计所期望的策略一致,即市场成员真实表现(truthfulness)是其最优策略。针对满足激励相容的市场机制,国内外已有相关研究。文献[14]研究一般商品在若干市场成员之间的分配机制和方法,该机制在比例公平分配 (proportionalfairness)的基础上,实现市场成员真实报价。文献[15]提出一种基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)理论的利益分配机制,应用于风电聚合商对风电机组进行利益结算,并激励风电机组真实申报发电概率分布函数。 文献[16]对比节点边际 电价(locationalmarginalprice)和基于 VCG 的节点平均电价的区别,理论证明基于 VCG 的节点平均电价高于节点边际电价。文献[17]提出一种结算机制,理论证明该机制满足收支平衡、激励相容等性质,并通过次梯度算法进行求解。文献[18]将 VCG理论应用于储能商对电池储能的结算,从而实现电池储能真实申报参数。

现有研究已将 VCG 机制应用于一般商品、风电和储能代理商的激励相容机制设计中,然而针对电力日前市场出清、满足激励相容原理的市场机制鲜有报道。激励相容原理,本质上要求市场成员按照自身的价值获得收益,实现个体与集体利益最大化目标的一致性。在中国电力市场建设中,如果能按市场成员的价值公平分配利益,将有效促进市场成员真实报价,解决电力市场信息不对称的难题,进一步推进电力体制改革的发展[19]。为此,本文提出基于价值公平分配的电力市场竞争机制,创新点总结如下。

本文首先分析边际价格难以保证发电机组真实报价、导致市场效率损失的现象和原因。基于VCG理论,定义一台发电机组的价值为该机组对其他机组的替代效益,即该机组参与日前市场前后,对其他机组发电成本的变化。进而,理论证明价值公平分配机制满足激励相容、个体理性以及系统成本最小化的性质,从经济学含义,解释该机制实现激励相容的机理。

1 数学模型

1.1 日前市场出清模型

不失一般性,本文有如下假设:①假设每个节点最多只有一台发电机组(对于没有发电机组的节点,只需将该 节 点 机 组 成 本 函 数、功 率 上 下 限 设 置 为0),各机组的成本函数为正的凸函数,如二次函数;②假设不考虑网络损耗和无功功率,采用直流潮流模型出清日前市场;③假设各节点电力负荷刚性,考虑单时段的电力供需平衡问题。

在现有成熟的电力市场,如美国得州市场ERCOT(ElectricReliabilityCouncilofTexas)中,发 电 机 组 参 与 日 前 市 场,并 向 系 统 独 立 调 度 员(independentsystem operator,ISO)申 报 成 本,由ISO 建立日前市场模型,生成节点电价用于市场交易结算[20]。考虑一个具有 N 个节点、K 条线路的输电网络,基于直流潮流的日前市场出清模型为

式(2)至式(5)分别表示系统供需平衡约束、线路传输容量约束以及发电机组出力约束。优化求解模型 (式(1)至 式(5)),即 可 得 到 发 电 机 组 的 出 力计划。

1.2 机制设计

为分析某种价格机制的优劣,机制设计理论提出一些标准化的性质与条件。本文重点关注系统成本最小化 (cost minimization,CM)、个体理性(individualrationality,IR)、激励相容(incentivecompatibility,IC)以及收支平衡(budgetbalance,BB)。下面分别描述性质含义

1)系统成本最小化

本文假设系统负荷为刚性。系统成本最小化是指,通过日前市场出清优化所得的最优发电出力计划,能够达到机组真实成本最小化的运行状态。

当所有发电机组申报真实成本时,日前市场出清模型自动满足系统成本最小化的性质;值得注意的是,发电机组虚假报价,可能导致发电出力计划难以实现真实发电成本的最小化。

2)个体理性

个体理性,又称参与约束,是指发电机组参与电力市场竞争是自愿的[20-21]。对于满足个体理性的机制,各发电机组的净利润不小于零,否则该发电机组将选择退出电力市场。值得注意的是,个体理性仅保证发电机组的变动成本能够收回,发电机组的投资或固定成本并非本文机制所关注的重点。事实上,诸如美国 PJM 等电力市场,是通过容量市场及相关机制来解决发电机组的投资成本。

3)激励相容

1972年,美国经济学家 Leonid Hurwicz提出激励相容的概念。在市场经济中,每个理性市场成员都会有自利的一面,其个人行为会按自利的规则行为行动;如果有一种机制,使市场成员追求个人利益的行为,与集体实现价值最大化的目标相吻合,这种机制就满足激励相容[22]。在电力市场中,一种电价机制满足激励相容意味着,各发电机组申报真实的发电成本是其最优选择,而不是策略性申报虚假的发电成本。