電力市場價(jià)格效應(yīng)分析與國民經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)預(yù)警平臺開發(fā)

武澤辰，王秀麗，肖云鵬，劉威，鄒蘊(yùn)韜，杜超，陳欣琰

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市 710049)

電力市場價(jià)格效應(yīng)分析與國民經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)預(yù)警平臺開發(fā)

武澤辰，王秀麗，肖云鵬，劉威，鄒蘊(yùn)韜，杜超，陳欣琰

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市 710049)

電力工業(yè)是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈的重要行業(yè)，對電力市場環(huán)境下電價(jià)變動(dòng)的影響因素和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)進(jìn)行分析，并對可能造成的危機(jī)進(jìn)行有效預(yù)警，有助于確保國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展。通過模擬包含火電、水電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等多種發(fā)電類型的電力市場交易，實(shí)現(xiàn)了6維度180粒度的價(jià)格效應(yīng)分析?；谕度氘a(chǎn)出表研究了國內(nèi)市場電價(jià)及國際市場匯率對國民經(jīng)濟(jì)的影響，建立宏觀、微觀2層次，包含43個(gè)指標(biāo)的4級預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)電力市場與國民經(jīng)濟(jì)的多層次、多指標(biāo)關(guān)聯(lián)預(yù)警。使用本軟件對我國西北某省的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得到較為可靠的分析結(jié)果，可為新一輪電力市場改革及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級提供理論指導(dǎo)。

國民經(jīng)濟(jì)；價(jià)格效應(yīng)分析；預(yù)警指標(biāo)體系；投入產(chǎn)出模型

0 引 言

電力工業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性行業(yè)，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈、國家能源安全和社會穩(wěn)定，是我國向中等發(fā)達(dá)國家邁進(jìn)的重要基礎(chǔ)[1-2]。隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、與國民經(jīng)濟(jì)各部門間的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)等都發(fā)生了巨大變化[3]。

根據(jù)國內(nèi)外電力工業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，電價(jià)是電力體制改革的關(guān)鍵。明確電價(jià)變動(dòng)的影響因素和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，對于制定切實(shí)可行的電價(jià)政策具有重要意義。同時(shí)，電價(jià)變動(dòng)會對國民經(jīng)濟(jì)各部門造成影響，嚴(yán)重情況下可能產(chǎn)生危機(jī)，影響各行業(yè)正常生產(chǎn)[4-5]。對電價(jià)變動(dòng)造成的危機(jī)進(jìn)行有效預(yù)警，有助于確保電力市場環(huán)境下國民經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)發(fā)展。

目前國內(nèi)外關(guān)于電價(jià)變動(dòng)的影響因素和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的研究較少，尚未有相關(guān)軟件投入現(xiàn)場使用。已有研究成果存在以下2方面不足：第一，關(guān)于電價(jià)變動(dòng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制研究不足。電力市場環(huán)境下，供需兩側(cè)的多種因素均會對電價(jià)產(chǎn)生影響，需要對各因素的電價(jià)關(guān)聯(lián)效應(yīng)進(jìn)行全面分析[6]。第二，對電價(jià)變動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)研究不足。電價(jià)對國民經(jīng)濟(jì)的影響體現(xiàn)在宏觀和微觀2個(gè)層面，對于可能造成的危機(jī)需要進(jìn)行有效防范。

本文旨在分析電力市場環(huán)境下的價(jià)格效應(yīng)并進(jìn)行電價(jià)變動(dòng)與國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)聯(lián)預(yù)警。通過模擬智能電網(wǎng)下包含多種發(fā)電類型的電力市場交易，實(shí)現(xiàn)6維度(煤價(jià)、負(fù)荷、水電、核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電)180粒度(1個(gè)季度)的價(jià)格效應(yīng)分析?；谕度氘a(chǎn)出表研究國內(nèi)市場電價(jià)和國際市場匯率對國民經(jīng)濟(jì)的影響，建立宏觀、微觀2層次，包含43個(gè)指標(biāo)的4級預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)電力市場與國民經(jīng)濟(jì)的多層次、多指標(biāo)關(guān)聯(lián)預(yù)警。

1 總體框架設(shè)計(jì)

軟件采用Visual C#語言編寫，主要模塊基于ASP.NET開發(fā)框架和ILNumerics數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。共包括四大模塊：初始設(shè)定模塊、市場模擬模塊、數(shù)據(jù)修改模塊和結(jié)果分析模塊。軟件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Software structure

初始設(shè)定模塊讀入市場模擬所需的基本數(shù)據(jù)，包括上傳文件子模塊和初始參數(shù)設(shè)定子模塊。市場模擬模塊通過初始信息計(jì)算實(shí)時(shí)電價(jià)和預(yù)警信息，并在頁面實(shí)時(shí)更新顯示。包括實(shí)時(shí)信息子模塊、電價(jià)曲線子模塊、產(chǎn)業(yè)比例與預(yù)警級別子模塊以及電價(jià)與行業(yè)預(yù)警信息子模塊。數(shù)據(jù)修改模塊用于修改原始數(shù)據(jù)。結(jié)果分析模塊對市場運(yùn)行動(dòng)態(tài)及經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括產(chǎn)業(yè)預(yù)警子模塊、行業(yè)預(yù)警子模塊、結(jié)果統(tǒng)計(jì)子模塊以及結(jié)果導(dǎo)出子模塊。

通過主要信息模塊的搭建，本軟件可實(shí)現(xiàn)如下4項(xiàng)功能：

(1)模擬包含火電、水電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等多種發(fā)電類型的電力市場交易，實(shí)現(xiàn)6維度180粒度的價(jià)格效應(yīng)分析；

(2)實(shí)現(xiàn)40個(gè)行業(yè)關(guān)于國內(nèi)市場電價(jià)變化及國際市場匯率變化的利潤率測算；

(3)建立4級別43指標(biāo)的預(yù)警指標(biāo)體系，給出國民經(jīng)濟(jì)宏觀預(yù)警信息及各行業(yè)分級預(yù)警信息；

(4)市場運(yùn)行動(dòng)態(tài)及經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)分析。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 電價(jià)形成原理

本軟件的設(shè)計(jì)背景為采用分時(shí)單邊競價(jià)的電力現(xiàn)貨市場。由于國民經(jīng)濟(jì)預(yù)警是一個(gè)中長期時(shí)間尺度上的問題，為了突出電價(jià)在中長期時(shí)間尺度上的變化，同時(shí)考慮風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電的晝夜出力差異，將每日分為晝、夜2個(gè)時(shí)段進(jìn)行競價(jià)交易(晝時(shí)段為06:00—18:00，夜時(shí)段為18:00—06:00)。

發(fā)電側(cè)的市場主體包括火電、水電、核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等多種類型的發(fā)電資源。對于水電機(jī)組，參考隨機(jī)生產(chǎn)模擬中的水電處理辦法，根據(jù)中長期調(diào)度，提前安排最優(yōu)帶負(fù)荷位置[7-8]。對于核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電機(jī)組，則按照價(jià)格接受者處理，不參與市場競價(jià)。在原始負(fù)荷曲線中扣除水電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電出力，得到的凈負(fù)荷曲線由火電等燃料機(jī)組進(jìn)行競價(jià)?；痣姍C(jī)組根據(jù)電能成本分時(shí)段提交煤電聯(lián)動(dòng)的報(bào)價(jià)曲線，市場出清采用排隊(duì)法和等價(jià)格等比例原則實(shí)現(xiàn)[9-10]。

2.2 國民經(jīng)濟(jì)預(yù)警原理

電價(jià)變動(dòng)對國民經(jīng)濟(jì)的影響體現(xiàn)在宏觀和微觀2個(gè)層面。本軟件在宏觀層面選用國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)(CPI)和生產(chǎn)者價(jià)格指數(shù)(PPI)3個(gè)指標(biāo)，微觀層面選用除電力外40個(gè)行業(yè)的利潤變化率作為國民經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)，建立紅色、橙色、黃色、正常四級預(yù)警體系。

國民經(jīng)濟(jì)共包含三大產(chǎn)業(yè)，各產(chǎn)業(yè)又可進(jìn)一步細(xì)分為40個(gè)行業(yè)，如表1所示。各行業(yè)的產(chǎn)品價(jià)格除了受到電價(jià)變動(dòng)的直接影響，還受到來自其他行業(yè)的間接影響，可通過投入產(chǎn)出模型進(jìn)行測算[11-12]。

消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)(CPI)受電價(jià)變動(dòng)的影響可通過下式計(jì)算：

(1)

式中：n=41為行業(yè)總數(shù)(包含電力行業(yè))；ωi為統(tǒng)計(jì)消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)時(shí)第i行業(yè)商品的權(quán)重；ΔPi為該行業(yè)價(jià)格變化率；Xi為第i行業(yè)的商品消費(fèi)數(shù)量[13]。

同理可以計(jì)算生產(chǎn)者價(jià)格指數(shù)(PPI)受電價(jià)變動(dòng)的影響：

表1 國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)劃分
Table 1 Vocation in national economy

(2)

國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)采用生產(chǎn)法計(jì)算，其受電價(jià)變動(dòng)的影響可由下式計(jì)算：

(3)

式中：ΔPn為電價(jià)變化率；Ei和Vi分別表示第i行業(yè)的電價(jià)彈性和產(chǎn)值基準(zhǔn)值。

各行業(yè)的利潤率由國內(nèi)市場電價(jià)及國際市場匯率決定。國內(nèi)市場電價(jià)通過影響行業(yè)產(chǎn)品價(jià)格及產(chǎn)量影響各行業(yè)利潤率；國際市場匯率則通過各行業(yè)進(jìn)口中間產(chǎn)品價(jià)格及出口最終產(chǎn)品價(jià)格影響各行業(yè)利潤率[14]。國內(nèi)市場電價(jià)的影響可由下式確定：

(4)

式中：ΔRiIn表示由電價(jià)變動(dòng)引起的第i行業(yè)的利潤變化率；Ri為該行業(yè)利潤率的基準(zhǔn)值；qi為該行業(yè)的電能成本占比。

國際市場匯率對各行業(yè)利潤率的影響可由下式確定：

(5)

式中：ΔRiEx表示由匯率變動(dòng)引起的第i行業(yè)的利潤變化率；DiIm和DiEx分別表示該行業(yè)的進(jìn)口依賴度和出口依賴度；EiIm和EiEx為該行業(yè)的進(jìn)口匯率彈性和出口匯率彈性[15]；Δe為匯率變化量(對美元)。

各行業(yè)總的利潤變化率可由國內(nèi)市場電價(jià)影響和國際市場匯率影響之和表示：

(6)

上述公式計(jì)算得到的經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)均為某一時(shí)段的瞬時(shí)值。由于國民經(jīng)濟(jì)預(yù)警是一個(gè)中長期時(shí)間尺度上的問題，需要在考察周期內(nèi)，對各經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行修正：

(7)

根據(jù)各行業(yè)利潤變化率的修正值，可確定該行業(yè)所處的預(yù)警狀態(tài)：

(8)

式中：xr，xo和xy分別表示紅色預(yù)警值、橙色預(yù)警值和黃色預(yù)警值。

3 功能展示

本文以我國西北某省的實(shí)際系統(tǒng)為例，對軟件的各項(xiàng)功能進(jìn)行詳細(xì)說明。該系統(tǒng)共包含火電機(jī)組62臺，總?cè)萘?2 522 MW，核電裝機(jī)容量500 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量1 200 MW，光伏裝機(jī)容量150 MW，負(fù)荷峰值為9 972.42 MW。

3.1 市場模擬

通過軟件模擬該系統(tǒng)1月的電力市場交易情況，繪制電價(jià)變動(dòng)曲線如圖2所示。在共62時(shí)段的模擬周期內(nèi)，系統(tǒng)電價(jià)在0.526 8～0.554 4 元/(kW·h)的范圍內(nèi)不斷變動(dòng)。

圖2 電價(jià)曲線Fig.2 Electricity price curve

3.2 價(jià)格效應(yīng)分析

在本軟件所模擬的市場環(huán)境中，電價(jià)的變動(dòng)受到煤價(jià)、負(fù)荷、水電出力、核電出力、風(fēng)電出力和光伏發(fā)電出力6個(gè)維度的影響。為了對各維度的價(jià)格效應(yīng)進(jìn)行具體分析，在第1時(shí)段市場出清結(jié)果的基礎(chǔ)上，調(diào)整各維度輸入變量大小，繪制電價(jià)關(guān)聯(lián)效應(yīng)曲線。圖3、4中給出了負(fù)荷和風(fēng)電出力的電價(jià)關(guān)聯(lián)效應(yīng)曲線?？梢钥闯觯妰r(jià)同負(fù)荷正相關(guān)，而同風(fēng)電出力負(fù)相關(guān)。同理可得，電價(jià)同煤價(jià)正相關(guān)而同水電、核電及光伏發(fā)電出力負(fù)相關(guān)。

圖3 負(fù)荷-電價(jià)關(guān)聯(lián)效應(yīng)Fig.3 Correlation effect of load and price

圖4 風(fēng)電-電價(jià)關(guān)聯(lián)效應(yīng)Fig.4 Correlation effect of wind power and price

價(jià)格效應(yīng)分析的粒度是指市場交易模擬的時(shí)段數(shù)，本軟件可實(shí)現(xiàn)一個(gè)季度(180粒度)的價(jià)格效應(yīng)分析。

3.3 國民經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)預(yù)警

選取電價(jià)基準(zhǔn)值為0.53元/(kW·h)，考察周期取為半年共360時(shí)段。根據(jù)模擬周期內(nèi)電價(jià)相對基準(zhǔn)值的變化率，逐時(shí)段計(jì)算經(jīng)濟(jì)預(yù)警指標(biāo)。圖5中給出了各宏觀預(yù)警指標(biāo)的變化情況?？梢钥闯?，消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)(CPI)和生產(chǎn)者價(jià)格指數(shù)(PPI)的變化趨勢與電價(jià)變化趨勢相同，而國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的變化趨勢與電價(jià)變化趨勢相反。

圖5 宏觀預(yù)警指標(biāo)Fig.5 Macro warning indicators

微觀預(yù)警指標(biāo)為40個(gè)行業(yè)的利潤變化率。選取第一產(chǎn)業(yè)中的農(nóng)林牧漁業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)中的電子設(shè)備制造業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)中的批發(fā)和零售貿(mào)易業(yè)三個(gè)行業(yè)，繪制其利潤變化率曲線如圖6所示。黃色預(yù)警值、橙色預(yù)警值和紅色預(yù)警值分別取為4%、7%和10%?？梢钥闯?，電子設(shè)備制造業(yè)的利潤受電價(jià)變動(dòng)的影響最大，預(yù)警狀態(tài)出現(xiàn)的比例較高；農(nóng)林牧漁業(yè)的利潤受電價(jià)變動(dòng)的影響較小，未出現(xiàn)預(yù)警狀態(tài)。

圖6 微觀預(yù)警指標(biāo)Fig.6 Micro warning indicators

結(jié)果分析模塊中給出了三大產(chǎn)業(yè)預(yù)警比例餅狀圖以及排名前10位的行業(yè)預(yù)警頻次圖。產(chǎn)業(yè)預(yù)警圖如圖7所示。可以看出，第一產(chǎn)業(yè)中未出現(xiàn)預(yù)警狀態(tài)，第二產(chǎn)業(yè)中紅色、橙色和黃色預(yù)警比例分別為0.85%，1.52%和11.97%，第三產(chǎn)業(yè)中黃色預(yù)警比例為2.14%。行業(yè)預(yù)警圖如圖8所示，石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)共出現(xiàn)57次預(yù)警(紅色預(yù)警26次，橙色預(yù)警19次，黃色預(yù)警12次)，預(yù)警頻次最高。金屬冶煉及壓延加工業(yè)共出現(xiàn)49次預(yù)警，位列第2位，金屬制品業(yè)共出現(xiàn)36次預(yù)警，位列第3位。由此可見，預(yù)警頻次較高的行業(yè)多為與電力工業(yè)關(guān)系密切的重工業(yè)高耗能行業(yè)。由于電能在其生產(chǎn)成本中的占比較高，行業(yè)利潤受電價(jià)變動(dòng)的影響較大。

圖7 產(chǎn)業(yè)預(yù)警Fig.7 Industry warning

圖8 行業(yè)預(yù)警Fig.8 Vocation warning

4 結(jié) 論

(1)在含有新能源的電力市場環(huán)境下，供需兩側(cè)的多種因素均會對市場價(jià)格產(chǎn)生影響。電價(jià)的變動(dòng)同煤價(jià)和負(fù)荷正相關(guān)，而同水電和清潔能源出力負(fù)相關(guān)。

(2)市場電價(jià)的大幅度異常變動(dòng)會對國民經(jīng)濟(jì)的整體運(yùn)行及各行業(yè)的生產(chǎn)狀況造成惡劣影響。第二產(chǎn)業(yè)中的重工業(yè)高耗能行業(yè)對電價(jià)變動(dòng)較為敏感，出現(xiàn)預(yù)警的頻率較高。

(3)本軟件在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用性較強(qiáng)。通過電力市場價(jià)格效應(yīng)分析和國民經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)預(yù)警分析，可以為相關(guān)決策部門提供建議并為新一輪電力市場改革提供理論指導(dǎo)。

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(編輯 蔣毅恒)

Electricity Market Price Effect Analysis and National Economy Warning Platform Development

WU Zechen, WANG Xiuli, XIAO Yunpeng, LIU Wei, ZOU Yuntao, DU Chao, CHEN Xinyan

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Power industry is essential to the national economy. It is significant to analyze the influence factors and economic effects of price change in electricity market environment and make effective warning of crisis, which can help to ensure the sustainable and healthy development of the national economy. Through the simulation of electricity market trading including thermal power, hydro power, nuclear power, wind power and photovoltaic power, this paper realizes the price effect analysis of size 6 dimensions 180. Based on input-output model, we study the influences of electricity price in domestic market and international exchange rate on the national economy, and establish 4-level warning system including 43 indicators in macroscopic and microcosmic, which can realize the multi-level, multi-index warning of electricity market and national economy. This software is used to simulate and analyze an actual system in Northwest province, and the reliable results are obtained, which can provide theoretical guidance for the new round electricity market reform as well as industrial restructuring and upgrading.

national economy; price effect analysis; early warning index system; input-output model

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(DZN17201500036)

TM 73

A

1000-7229(2016)03-0002-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.001

2015-11-04

武澤辰(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌黾半娏ο到y(tǒng)可靠性；

王秀麗(1961)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌觥㈦娏ο到y(tǒng)規(guī)劃和電力系統(tǒng)可靠性；

肖云鵬(1990)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌黾半娏ο到y(tǒng)供需互動(dòng)；

劉威(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌黾半娏ο到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行；

鄒蘊(yùn)韜(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷鬏旊姳Ｗo(hù)與控制；

杜超(1987)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)運(yùn)行和電力市場；

陳欣琰(1993)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性。