基于國外現(xiàn)貨市場與四川實際的現(xiàn)貨市場建設(shè)分析

李健華，劉繼春，付 浩，白智丹

(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

自從2020年國家提出電力體制改“打破壟斷，引入競爭，提高效率，優(yōu)化資源配置，構(gòu)建政府監(jiān)管下健康發(fā)展的電力市場”以來，電力行業(yè)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的壟斷機制，從根本上改變了計劃體制和廠網(wǎng)不分等問題，電力市場多主體競爭的格局初步形成。但同時，電力行業(yè)的發(fā)展還存在一些尚未解決的難題，主要有以下幾點：一是交易機制不完善，資源利用效率有待提高。售電側(cè)沒有引入有效的競爭機制，發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)之間的市場交易量受到限制，市場難以發(fā)揮對資源的配置作用。二是電價機制尚未明確，市場主導(dǎo)的定價機制尚未完全形成，現(xiàn)行電價仍以政府定價為主，難以反映市場實時供需狀況。三是機制發(fā)展不健全，新能源和可再生能源開發(fā)利用面臨困難，棄風、棄光、棄水現(xiàn)象仍大量存在。

2015年中國開啟了新一輪電力改革，新電改總體思路是管住中間，放開兩頭，在發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)引入競爭，從而解決解決上述資源利用率低、新能源滲透率低等一系列相關(guān)問題[1-2]。中國在2020年全面開啟電力現(xiàn)貨市場交易，而國外電力現(xiàn)貨市場建設(shè)已經(jīng)相對成熟，這對中國研究電力現(xiàn)貨市場建設(shè)具有重要意義。四川作為電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的8個試點之一，借鑒國外電力現(xiàn)貨市場建設(shè)經(jīng)驗并結(jié)合四川實際情況不斷完善現(xiàn)貨方案，對建設(shè)具有四川特色的電力現(xiàn)貨市場是尤為重要的[3]。

1 國外現(xiàn)貨市場分析

1.1 美國PJM電力現(xiàn)貨市場

PJM是經(jīng)美國聯(lián)邦能源管制委員會審批通過的一個獨立系統(tǒng)運營商(ISO)，目前負責了美國最大、最為復(fù)雜的電力市場運營。PJM現(xiàn)貨市場采用全電量模式、日前市場和實時市場組成[4]。在日前市場，所有的發(fā)電機組按各自意愿參與競價，并申報機組的全部發(fā)電量，用戶側(cè)需要申報所有的用電需求，市場需要對發(fā)用雙方申報的曲線進行匹配。美國電力網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜且存在的阻塞較多，所以采用節(jié)點邊際電價對日前市場進行結(jié)算。實時市場其實是對機組剩余發(fā)電能力與實時用電需求重新進行匹配，因此日前市場的交易信息對實時市場的開啟尤為重要，但實時市場需要按照實時市場的節(jié)點邊際電價進行結(jié)算。

1.2 英國電力現(xiàn)貨市場

英國電力市場以中長期市場為主，采取雙邊交易的方式，中長期交易電量物理執(zhí)行。由于其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅強，網(wǎng)絡(luò)中的阻塞較少，所以現(xiàn)貨市場建設(shè)較為簡單，由日前交易和實時平衡機制組成。日前市場的交易由發(fā)用電雙方共同參與報價，市場出清不考慮電力網(wǎng)絡(luò)中的潮流約束和機組的物理參數(shù)，日前市場中所有交易電量按照邊際成本價格進行結(jié)算[5]。實時平衡機制是對日前交易的補充，在實時運行階段，調(diào)度中心為了電網(wǎng)的安全，需要考慮真實的網(wǎng)絡(luò)約束，計算網(wǎng)絡(luò)中的阻塞，同時需要發(fā)電企業(yè)申報機組的實際運行參數(shù)。在實時平衡機制階段是按照市場主體的報價(pay as bid，PAB)方法進行結(jié)算，即結(jié)算價格為發(fā)電企業(yè)的競價和用戶報價。

1.3 北歐電力現(xiàn)貨市場

北歐電力市場成員國有挪威、瑞典、芬蘭、丹麥，4個國家的電網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)互聯(lián)。挪威基本全部依靠水力發(fā)電，瑞典水電、火電和核電的裝機容量相對均衡，芬蘭和丹麥火電機組占比較大，各個國家在電源結(jié)構(gòu)上存在一定的互補性。北歐的大部分電量是在中長期市場實行場外雙邊交易，且均為物理執(zhí)行。現(xiàn)貨市場則是由日前市場、日內(nèi)市場和平衡市場組成[6]，實現(xiàn)雙邊交易之外的電量交易，這部分電量主要集中于日前市場。北歐電力市場被劃成多個分區(qū)，主要是因為地理因素和各區(qū)域之間存在較多阻塞。日前市場分為區(qū)內(nèi)交易和跨區(qū)交易，進行出清計算時，分區(qū)內(nèi)部不考慮網(wǎng)絡(luò)約束，跨區(qū)交易需考慮各個分區(qū)之間線路的傳輸能力。日前市場結(jié)算時，分區(qū)內(nèi)部采用系統(tǒng)電價進行結(jié)算，分區(qū)之間進行無約束出清，發(fā)現(xiàn)阻塞時則計算各個分區(qū)的邊際電價對該部分電量進行結(jié)算。日前市場結(jié)束之后，各個分區(qū)線路之間可能會存在剩余的傳輸能力，則通過日內(nèi)市場進行交易，日內(nèi)市場采取撮合定價的電價機制。平衡市場由各國輸電運行機構(gòu)負責，此時需要考慮各自所屬區(qū)域的真實網(wǎng)絡(luò)約束和發(fā)電機組運行參數(shù)。各國輸電運行機構(gòu)在平衡市場階段則根據(jù)機組申報的上調(diào)出力、下調(diào)出力和對應(yīng)的報價，分別進行排序，在滿足網(wǎng)絡(luò)約束的條件下，以經(jīng)濟性最優(yōu)的原則進行調(diào)度，按區(qū)域內(nèi)的邊際價格進行結(jié)算。

1.4 巴西電力現(xiàn)貨市場

巴西電力市場主要包括管制交易市場、自由交易市場和短期市場，電力調(diào)度中心負責全網(wǎng)集中調(diào)度，交易中心負責自由交易。管制交易市場是確保滿足普通居民的用電需求，多為中長期交易，約為70%。自由交易主要以大用戶交易為主，約為25%。短期交易市場作為前兩個市場補充，以現(xiàn)貨合約為主，保障電力供需平衡，市場份額約5%。

交易中心將中長期交易合同和短期市場相互關(guān)聯(lián)起來，預(yù)測電量與各公司購電合同和售電合同相比較，差額部分在短期交易市場進行平衡。在管制及自由交易市場，清算和結(jié)算由買賣雙方直接處理。在短期交易市場中，進行多邊交易和結(jié)算，且引入金融機構(gòu)擔保等多種方式，提高短期交易市場的結(jié)算保障能力。

1.5 各國電力現(xiàn)貨市場對比分析

英國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅強，電能資源充足，且電網(wǎng)阻塞程度相對較輕。因此，英國電力現(xiàn)貨市場只是為市場成員提供了一個集中式的交易平臺，市場規(guī)則較為簡單。四川電力現(xiàn)貨市場處于起步階段，可以先采用較為簡單的市場規(guī)則，可參考英國，利用中長期物理執(zhí)行+現(xiàn)貨集中競價模式。北歐電力市場，水電裝機比例較大，電能資源相對充足，電網(wǎng)阻塞主要存在于部分區(qū)域之間的輸電斷面上，其主要目的在于為北歐各國提供了一個高效便捷的能源輸送平臺，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[7]。四川與北歐較為相近，同樣是水電裝機規(guī)模比較大，北歐電力市場的交易品種和交易模式存在較多值得借鑒的地方。美國PJM市場電網(wǎng)阻塞較為嚴重，美國引入了金融輸電權(quán)等多種機制，后期四川現(xiàn)貨市場較為成熟后，可逐步建立金融機制。巴西建立了多種電力市場分別滿足不同的用戶，四川可借鑒建立分類互補的電力市場，通過用戶需求引導(dǎo)發(fā)電計劃，提高匹配程度。

2 四川現(xiàn)貨市場建設(shè)特點

四川電源以水電為主，其資源分布特性使電網(wǎng)資源配置、電源和負荷呈現(xiàn)出逆向分布的特點，系統(tǒng)負荷需求主要分布在經(jīng)濟較為發(fā)達地區(qū)，而電源則主要分布在較為偏遠的地區(qū)[8]。四川電網(wǎng)凸顯出市場供求關(guān)系失衡、電價體系繁多復(fù)雜、徑流式水電多、調(diào)節(jié)能力差等特點，加之發(fā)用電主體成員多、市場成熟度較低，給市場交易組織帶來了諸多困難和挑戰(zhàn)。

2.1 水火矛盾突出

四川是水電裝機大省，水電裝機接近80%，火電裝機只有17%左右，風電、光伏清潔能源占比較小，如圖1所示。同時在經(jīng)濟性方面，龍頭水電站與徑流式水電站成本差異大，火電機組成本遠高于水電機組[9]。水電企業(yè)棄水期棄水量較大，火電企業(yè)發(fā)電成本高、利用小時數(shù)較低、經(jīng)營困難。以上問題都為現(xiàn)貨市場的建設(shè)帶來了較大的困難。

圖1 四川電源結(jié)構(gòu)

2.2 季節(jié)性供需矛盾突出

“十二五”以來，四川發(fā)電裝機年均增長為 13.2%，而用電增長為5.21%，在裝機快速增長和用電需求趨緩的雙重壓力下，發(fā)電企業(yè)棄水期棄水嚴重，參與市場意愿強烈，但枯期動力不足。這與用電側(cè)市場交易意愿無法匹配，導(dǎo)致市場主體利益訴求差異明顯，市場化方案制定困難。

2.3 電價體系繁多復(fù)雜

由于歷史原因，四川電價體系十分復(fù)雜，不同發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)批復(fù)電價差異巨大，現(xiàn)有33個電價標準，最低為0.218元/kWh，最高為0.490 1元/kWh，加之發(fā)用電兩側(cè)豐枯、峰谷電價浮動和負荷結(jié)構(gòu)的巨大差異，進一步加大了交易的組織難度[10]。

2.4 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱

四川電網(wǎng)是以500 kV網(wǎng)架為骨干、覆蓋全省各市州、全電壓等級的電力網(wǎng)絡(luò)。其通過錦蘇、復(fù)奉、賓金、德寶直流和川渝、川藏交流通道分別與華東、西北、重慶和西藏昌都電網(wǎng)相聯(lián)，電網(wǎng)地理覆蓋范圍廣。鑒于上述四川存在的較多問題，四川電力現(xiàn)貨市場建設(shè)要結(jié)合四川的實際情況，按照積極穩(wěn)妥、市場主導(dǎo)、安全可靠、有效監(jiān)督的基本原則進行。

2.5 建設(shè)難點分析

根據(jù)上述建設(shè)特點，四川電力現(xiàn)貨市場主要存在以下難點：

1)棄水量大。四川每年的棄水電量較大，通過開設(shè)雙邊新增電量競爭市場，對有新增電量需求且?guī)€電力的用戶以及國家鼓勵發(fā)展的新興行業(yè)開放。新興用戶的準入條件可由政府設(shè)置，例如水電企業(yè)在日前競價過后，可以針對區(qū)間突然來水與新增電量用戶再次進行報價，減少棄水量。

2)水電資源跨省、跨區(qū)配置。從各送出通道情況來看，三大特高壓以及川渝通道已基本排滿，德寶直流通道年度已落實的外送計劃約5112 GWh，通道利用率僅60%，尚有較大拓展空間。

3)中長期電量與優(yōu)先電量分解。采用部分電量交易的現(xiàn)貨市場模式，要在保證電網(wǎng)安全的前提下，進行中長期電量與優(yōu)先電量分解，并在公平的前提下，確保該電量的執(zhí)行。這是一個較為復(fù)雜的問題[11]，建議中長期電量由交易中心分解，優(yōu)先電量可由調(diào)度中心分解。中長期和優(yōu)先電量分解考慮按日滾動，當月末幾天分解的中長期和優(yōu)先電量高于日前預(yù)測負荷時，中長期電量的占比可以在當月的最后幾天進行調(diào)整，即現(xiàn)貨市場競價空間可以浮動，以確保中長期與優(yōu)先部分執(zhí)行。

4)梯級水電不同業(yè)主競價。四川普遍存在一條梯級流域中的上、下游電站隸屬不同主體的現(xiàn)象。各電站獨立參與現(xiàn)貨市場競價時，上游電站的競價結(jié)果以及水流的滯時時間會對下游水電站造成影響，導(dǎo)致下游電站競價困難，面臨競價電量與實發(fā)電量匹配失衡的問題，致使交易結(jié)果難以執(zhí)行，不利于市場穩(wěn)定和水電資源利用[12]。針對上述情況，可以采取以下措施：

(1)水電站可以按時間塊進行競價。降低電站競價的時間尺度要求，只需要在規(guī)定的時間塊之內(nèi)執(zhí)行中標電量即可。

(2)龍頭水電站競價。沒有調(diào)節(jié)性能的徑流式水電站不參與競價，考慮水流滯時時間及水能-電能轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可計算出徑流式水電站在各個時段的出力，并進行全額收購。但結(jié)算時，徑流式水電的電價要按照龍頭水電站的競價進行打折。

(3)龍頭水電站、徑流式水電站信息共享下的協(xié)調(diào)競價。各個電站之間實行信息共享，可以提升來水預(yù)測的準確性，進一步確定各個時段水電機組的出力能力。

3 四川電力現(xiàn)貨市場建設(shè)建議

四川電力現(xiàn)貨市場處于起步階段，所以建設(shè)初期主要設(shè)置日前市場、實時平衡市場、部分輔助服務(wù)市場。同時，需針對四川棄水期棄水量較大、阻塞斷面較多、梯級水電站不同主體競價等問題進行具體分析。

四川是水電裝機大省，市場具有明顯的季節(jié)性特征，所以電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)可分為棄水期與非棄水期兩種電力現(xiàn)貨市場建設(shè)方案。由于在非棄水期，水電資源較少，區(qū)間來水難以預(yù)測，又考慮到非棄水期不能棄水的剛性要求，火電機組基本處于滿發(fā)狀態(tài)，仍需從省外購電才能滿足省內(nèi)用電，所以建議在非棄水期保留現(xiàn)有的清潔能源優(yōu)先消納的電網(wǎng)調(diào)度運行模式。下面重點探討棄水期電力現(xiàn)貨市場的建設(shè)。

3.1 市場模式

從國外電力現(xiàn)貨市場分析來看，電力現(xiàn)貨市場主要存在兩種模式：1)中長期交易采用物理雙邊合約，剩余部分電量參與現(xiàn)貨交易，如英國、北歐普遍采用該模式。該模式較為簡單，但不能很好地反映市場價格隨供需的變化。2)中長期交易采用雙邊差價合約，發(fā)電企業(yè)全部電量均參與現(xiàn)貨交易，如美國PJM市場模式。該模式的特點是價格能夠更加及時地反映市場供求變化，資源配置效率更高，但市場規(guī)則復(fù)雜，對電網(wǎng)安全運行和用戶用電安全等存在較大風險。

四川電力市場建設(shè)處于起步階段，電力交易以計劃為主，存在大量的中長期交易品種，現(xiàn)貨市場技術(shù)支持系統(tǒng)仍不完善，市場成熟度低。建議從現(xiàn)有中長期交易中分出一定比例來進行現(xiàn)貨交易，采用發(fā)電側(cè)單邊開放部分電量模式，將更有利于與現(xiàn)有中長期模式銜接，降低現(xiàn)貨市場建設(shè)的風險，實現(xiàn)現(xiàn)貨市場的穩(wěn)步推進[13]。待市場較為成熟后，可以采用全電量優(yōu)化模式，避免中長期電量分解的難題。

3.2 交易品種

日前市場即是提前一天開展的電力現(xiàn)貨市場，是中長期市場的重要銜接。四川現(xiàn)貨市場起步階段，建議建設(shè)發(fā)電企業(yè)單邊開放的日前市場，由電網(wǎng)企業(yè)進行負荷預(yù)測，同時扣除優(yōu)先電量、留川電量、外送電量及中長期電量后，發(fā)布日前市場競價空間。所有的水電、火電企業(yè)均參與競價，風電、光伏等清潔能源不參與競價，全額收購。實時平衡市場是提前1 h組織開展的市場，是為了平衡日前市場與實時負荷兩者之間的偏差[14]。為簡化市場復(fù)雜程度，減輕調(diào)度人員壓力，建議在日前市場之后，組織市場主體參與實時市場的報價，機組申報上調(diào)出力、下調(diào)出力及相應(yīng)的價格，在日前進行封存。在實際運行過程中，考慮到徑流式水電站區(qū)間突然來水或機組可能出現(xiàn)的一些意外狀況，在實時平衡市場開啟的1 h之前，發(fā)電企業(yè)可以修改上下調(diào)出力，但是不改變價格，所以報價曲線應(yīng)該是兩部分，一部分是輸出功率的增加，一部分是輸出功率的減少。

在市場起步階段，建議采取強制型輔助服務(wù)市場，第二階段再建立輔助服務(wù)市場，可以只開設(shè)調(diào)頻和備用，市場成熟度逐漸加深之后，可增設(shè)無功、黑啟動等。同時建議火電機組作為輔助服務(wù)市場的主要參與者。

3.3 電價機制

根據(jù)電力生產(chǎn)和使用的過程，電價具體可以細分為上網(wǎng)電價、輸電電價、配電電價和銷售電價[15]。在電力行業(yè)壟斷階段的銷售電價為

(1)

式中：C為電力生產(chǎn)成本；r為利潤率；Q為總電量。

各個國家在建立電力市場之后，通過市場競爭定價，現(xiàn)在主要有3種較為成熟的基于邊際成本原理的定價方式：邊際成本電價、節(jié)點邊際電價、分區(qū)邊際電價。

邊際成本電價，利用傳統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型求得：

(2)

(3)

式中：Ci(Pgi)為發(fā)電機組i的生產(chǎn)成本；Pgi為發(fā)電機組i的出力；Pdj為用戶j的需求。

(4)

式中，ρ為使系統(tǒng)有功平衡的價格，即邊際成本價格。

節(jié)點邊際電價是在考慮電網(wǎng)阻塞、網(wǎng)損和發(fā)電機組邊際成本的條件下制定的電價。節(jié)點邊際電價可由優(yōu)化模型得出，通用模型為：

max(SC+SP)

(5)

s.t.G(X，P，Q)=0

(6)

H(X，P，Q)≤0

(7)

式中：SC為生產(chǎn)者剩余；SP消費者剩余；X為系統(tǒng)其他參數(shù)約束；P、Q分別為節(jié)點有功功率和無功功率。式(5)表示社會福利最大化，式(6)表示所有等式約束，式(7)表示所有不等式約束。該模型的最優(yōu)解即是節(jié)點邊際電價。

分區(qū)電價的提出，是因為電網(wǎng)在運行的過程中阻塞并不是存在于所有地區(qū)，而是頻繁地出現(xiàn)在部分重要斷面上，所以將具有相同或相近邊際成本的節(jié)點集合，根據(jù)分區(qū)的結(jié)果和分區(qū)定價模型，確定各個區(qū)域的電價。

四川地區(qū)水電資源大部分分布在攀西、康甘等地區(qū)，該地區(qū)負荷用電量小，水電難以消納，尤其在棄水期，水電基本處于滿發(fā)狀態(tài)。四川電網(wǎng)架構(gòu)雖然整體較為堅強，但較康甘和攀西地區(qū)阻塞較多，導(dǎo)致水電外送困難，不同區(qū)域電力供需差異較大，四川電力市場現(xiàn)狀與北歐較為相似，所以建議采取分區(qū)邊際電價進行各個分區(qū)交易電量的結(jié)算。或者采用較為簡單的方式，實行按阻塞斷面分區(qū)出清與省級出清的兩級出清方式，先省級出清，沒有成交的剩余部分下放到分區(qū)虛擬出清，省級結(jié)算按省級的統(tǒng)一出清價格進行結(jié)算，分區(qū)出清價格與省級出清價格掛鉤并下浮一定的比例。關(guān)于阻塞問題的處理，也可待市場較為成熟之后，引入金融輸電權(quán)的方式進行解決。

3.4 結(jié)算機制

現(xiàn)貨市場的結(jié)算機制是現(xiàn)貨市場運營的重要內(nèi)容，合理的結(jié)算機制是現(xiàn)貨市場平穩(wěn)發(fā)展的根本保障。四川日前市場和實時市場的結(jié)算可以采用差價合同的方式進行，即日前市場結(jié)算基準曲線與中長期市場結(jié)算基準曲線之間的偏差，按日前市場出清價，實行“差價合約”結(jié)算。實時市場結(jié)算基準曲線與日前市場結(jié)算基準曲線之間的偏差，按實時市場出清價，實行“差價合約”結(jié)算。發(fā)電企業(yè)差價合約收入可以表示為

(8)

式中：Pλ，t、Pc，t分別為實際履行電量和合同電量；λt、λc分別為t時段現(xiàn)貨價格和合同價格。

實時平衡市場采取單邊報價，不滿足安全校核的機組上下調(diào)報價自動退出。具體的結(jié)算方式為：發(fā)電側(cè)上調(diào)電量部分按上調(diào)現(xiàn)貨價格結(jié)算；下調(diào)電量部分按(日前價格-下調(diào)價格)的差價進行結(jié)算。上調(diào)現(xiàn)貨價格為機組增發(fā)電量的交易電價；下調(diào)價格則是機組為實現(xiàn)功率平衡而少發(fā)的部分電量的交易價格。

輔助服務(wù)市場中，備用機組在報價時需要申報上下旋轉(zhuǎn)備用，自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)和實時平衡市場同步報價、分別出清，采用PAB電價機制。

4 結(jié) 語

四川作為清潔能源和電力外送大省，棄水期與非棄水期電力供需關(guān)系差異化大、水火基礎(chǔ)成本差異化大、徑流式水電站較多、區(qū)間來水難以預(yù)測、棄水期棄水量較大等問題均表明了四川電力現(xiàn)貨市場建設(shè)是十分復(fù)雜的。上面通過借鑒國外電力現(xiàn)貨市場并從四川實際出發(fā)，認為四川電力現(xiàn)貨市場建設(shè)正處于起步階段，市場規(guī)則不宜復(fù)雜，建議在棄水期和非棄水期采取不同的建設(shè)方案，建設(shè)具有四川特色的電力現(xiàn)貨市場。