隨著《南方(以廣東起步)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則體系(征求意見稿)》的公布及市場(chǎng)投入試運(yùn)行。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)再次成為關(guān)注的熱點(diǎn)，由于涉及復(fù)雜的技術(shù)約束與電力系統(tǒng)模型，市場(chǎng)主體大多認(rèn)為十分難于理解、難以掌握，因此本文努力通過5張PPT及其解釋讓市場(chǎng)主體掌握現(xiàn)貨的基本原理。

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簡(jiǎn)化的單時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建立在實(shí)時(shí)電價(jià)概念的基礎(chǔ)上，這里以一個(gè)簡(jiǎn)化的單時(shí)段單邊現(xiàn)貨交易模型為例來說明電力現(xiàn)貨市場(chǎng)(spot market)的基本原理。假設(shè)獨(dú)立調(diào)度ISO代表所有電力用戶向發(fā)電廠商購(gòu)買電能，其目標(biāo)是使總購(gòu)電費(fèi)用c最小【圖1中(1)式】。

根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于式(1)、式(2)的條件極值問題可建立(3)式的拉格朗日函數(shù)，進(jìn)而可得到(4)式的極小化條件，其中式中拉格朗日乘子λ即等于邊際電價(jià)ρM。將式(4)與式(2)聯(lián)立求解，就可得ρM(即出清價(jià))及各發(fā)電廠商的發(fā)電出力，這就是電力市場(chǎng)中獨(dú)立調(diào)度的優(yōu)化調(diào)度模型。

圖1 電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)交易示意圖

由上面的推導(dǎo)很容易聯(lián)想到《電力系統(tǒng)分析》課程中經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題所采用的經(jīng)典的等耗量微增率(即每增加單位功率時(shí)燃料耗量的變化)準(zhǔn)則，其含義為，在不考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的情況下，按耗量微增率相等的原則來分配多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率時(shí)，可使系統(tǒng)總的燃料消耗最小【圖2下半部】。如圖2中，求得系統(tǒng)耗量微增率為λ，對(duì)應(yīng)的4臺(tái)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率分別為PG1，PG2，0(機(jī)組耗量微增率全部大于系統(tǒng)耗量微增率)，PG4MAX(機(jī)組耗量微增率全部小于系統(tǒng)耗量微增率)，并滿足系統(tǒng)功率平衡條件，即PG1+PG2+PG4MAX=PL(系統(tǒng)負(fù)荷)。等耗量微增率的推導(dǎo)和上述單邊現(xiàn)貨模型求解過程是一樣的，只是將總購(gòu)電費(fèi)用最小的目標(biāo)換為總?cè)剂舷淖钚　?/p>

圖2用更簡(jiǎn)潔的方式圖示了單邊現(xiàn)貨競(jìng)價(jià)的過程，假設(shè)發(fā)電機(jī)組申報(bào)的是階梯狀的報(bào)價(jià)曲線，則ISO按報(bào)價(jià)由低到高對(duì)發(fā)電機(jī)組申報(bào)的容量(電量)段進(jìn)行排隊(duì)，直至發(fā)電機(jī)組總出力能夠滿足系統(tǒng)負(fù)荷，圖中陰影部分機(jī)組中標(biāo)，而報(bào)價(jià)最高的中標(biāo)機(jī)組確定市場(chǎng)價(jià)格，這種競(jìng)價(jià)出清用Excel表格處理就足夠了【圖2上半部】。

圖2 現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)出清過程 vs. 經(jīng)濟(jì)調(diào)度的等耗量微增率法

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多時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型要注意上述現(xiàn)貨市場(chǎng)模型只是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，在實(shí)際應(yīng)用中還必須考慮電廠和系統(tǒng)運(yùn)行的各種約束條件。實(shí)際現(xiàn)貨市場(chǎng)交易模型有以下區(qū)別：1)采用多時(shí)段交易模型而不是單時(shí)段模型;2)用潮流方程取代【圖1中(2)式】的功率平衡方程，形成節(jié)點(diǎn)電價(jià);3)考慮開停機(jī)優(yōu)化;4)考慮更多的發(fā)電機(jī)組技術(shù)約束;5)在雙邊競(jìng)價(jià)市場(chǎng)模式中，還包括負(fù)荷報(bào)價(jià)模型，購(gòu)電總費(fèi)用最小的優(yōu)化目標(biāo)【圖1中(1)式】也替換為社會(huì)福利最大化的目標(biāo)。

在實(shí)際電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中，都是多時(shí)段交易，實(shí)時(shí)電價(jià)一般由安全約束機(jī)組組合(Security Constrained Unit Commitment，簡(jiǎn)稱SCUC)、安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(Security Constrained Economic Dispatch，簡(jiǎn)稱SCED)等短期運(yùn)行優(yōu)化模型求出，將每個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)于功率平衡約束的影子價(jià)格(或邊際價(jià)格)提出作為該時(shí)段的市場(chǎng)統(tǒng)一出清價(jià)格。圖3包括一個(gè)24時(shí)段NG臺(tái)機(jī)組的簡(jiǎn)單的機(jī)組組合模型，與圖1相比，機(jī)組購(gòu)電費(fèi)用增加了開機(jī)費(fèi)用，與機(jī)組停機(jī)時(shí)間有指數(shù)關(guān)系(停機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，開機(jī)費(fèi)用越高)【圖3右半部】。圖3舉例了3臺(tái)機(jī)組組合的簡(jiǎn)單示意圖，機(jī)組1帶基荷，機(jī)組2帶腰荷，機(jī)組3帶峰荷【圖3右半部】。

在日前市場(chǎng)中，實(shí)際上是以日為交易周期，每個(gè)周期(1日)又分為若干時(shí)段(例如1小時(shí))，然后分時(shí)段按電量平衡模型計(jì)算出清價(jià)格和出清電量，由于每個(gè)時(shí)段內(nèi)的功率被假設(shè)為常數(shù)，所以電量平衡模型就是功率平衡模型。對(duì)于日內(nèi)實(shí)時(shí)市場(chǎng)，每個(gè)時(shí)段通常縮短為5-15min，但其基本概念是相同的。

因此，如圖3所示，該電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電能商品實(shí)際上是這樣定義的：將一個(gè)交易周期(1日)的功率曲線下的面積按等長(zhǎng)時(shí)段切分成若干“條”，然后每條又分為若干可不等高的“段”。在1個(gè)時(shí)段中，成交的發(fā)電商各取1“段”(即1個(gè)商品)，而按邊際價(jià)格出清方式，同一時(shí)段的各段負(fù)荷(即所有商品)的結(jié)算價(jià)是相同的，均為該時(shí)段成交機(jī)組的最高價(jià)格【圖3左下部】。所以多時(shí)段現(xiàn)貨交易實(shí)際上是對(duì)每個(gè)時(shí)段的負(fù)荷功率逐時(shí)段進(jìn)行競(jìng)價(jià)，并考慮各時(shí)段之間的耦合技術(shù)約束。

圖3 機(jī)組組合模型與多時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易示意圖

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節(jié)點(diǎn)電價(jià)與阻塞盈余節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)(Locational Marginal Price)理論從20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來，已在北美、新西蘭、新加坡等地的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中得到應(yīng)用，并在美國(guó)能源聯(lián)邦管理委員會(huì)(FERC)的推動(dòng)下，成為其倡導(dǎo)的“標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)設(shè)計(jì)”(Standard Market Design，SMD)的基石。節(jié)點(diǎn)電價(jià)是指在滿足各類設(shè)備和資源的運(yùn)行特性和約束條件的情況下，在某一節(jié)點(diǎn)增加單位負(fù)荷需求時(shí)的邊際成本，即在某時(shí)間、某地點(diǎn)以最低成本“多消費(fèi)1度電”所需要增加的成本。節(jié)點(diǎn)電價(jià)的典型定義包含3個(gè)分量：

節(jié)點(diǎn)電價(jià)=系統(tǒng)能量?jī)r(jià)格+阻塞價(jià)格+網(wǎng)損價(jià)格

節(jié)點(diǎn)電價(jià)理論是基于經(jīng)典的優(yōu)化調(diào)度模型、在滿足各種約束條件滿足情況下的資源優(yōu)化配置電價(jià)，所以它與經(jīng)濟(jì)調(diào)度和最優(yōu)潮流有著深刻的聯(lián)系。最優(yōu)潮流(或安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度)模型求解過程中對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)有功功率的拉格朗日乘子(影子價(jià)格)即為節(jié)點(diǎn)電價(jià)。在美國(guó)東部PJM(Pennsylvania, New Jersey, Maryland)電力市場(chǎng)的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中使用的是直流潮流約束。

由于節(jié)點(diǎn)電價(jià)被認(rèn)為可以從空間與時(shí)間2個(gè)方面反映電力系統(tǒng)的實(shí)際供電成本(實(shí)際并非如此)，被寄予厚望，并和金融輸電權(quán)一起被美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)作為建立高效競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的一種機(jī)制。也被我國(guó)華東區(qū)域和廣東電力市場(chǎng)引入。本著復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的原則，圖4以2節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的例子介紹了節(jié)點(diǎn)電價(jià)與相關(guān)的阻塞盈余的基本原理。

圖4中，在節(jié)點(diǎn)①，負(fù)荷為50MW，發(fā)電機(jī)組G1出力為150MW，報(bào)價(jià)為$5/MW，由于發(fā)電機(jī)組出力大于負(fù)荷，因此節(jié)點(diǎn)①的負(fù)荷完全由本地發(fā)電機(jī)組供應(yīng)，按統(tǒng)一邊際價(jià)格出清原則，節(jié)點(diǎn)①的電價(jià)即為$5/MW。關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)②，負(fù)荷為150MW，本地發(fā)電機(jī)組G2的報(bào)價(jià)為$30/MW，而受線路輸電容量(100MW)限制，由節(jié)點(diǎn)①送到節(jié)點(diǎn)②的“便宜電”最多只有100MW，剩下的50MW缺額只能由報(bào)價(jià)比較高的本地機(jī)組G2來供應(yīng)，按統(tǒng)一邊際價(jià)格出清原則，節(jié)點(diǎn)②的電價(jià)即為$30/MW。由此可見，所謂節(jié)點(diǎn)電價(jià)實(shí)際上是由于線路輸電容量約束而形成的一系列分市場(chǎng)。如果不止一條輸電線路，而存在比較復(fù)雜的輸電網(wǎng)，其基本原理是類似的，只是由于潮流分布的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)電價(jià)與負(fù)荷/發(fā)電機(jī)組功率的關(guān)系更加復(fù)雜。

另一個(gè)相關(guān)的概念為“阻塞盈余”(congestion surplus)，從圖4可以簡(jiǎn)單計(jì)算出，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電力用戶支出為$4750，而發(fā)電機(jī)組收入為$2250，兩者之差為$2500，即等于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的價(jià)差$25乘以線路傳輸功率100MW。在節(jié)點(diǎn)電價(jià)體系下，由于電能流入節(jié)點(diǎn)的市場(chǎng)出清電價(jià)一般要高于電能流出節(jié)點(diǎn)，這樣由電能流入節(jié)點(diǎn)的出清電價(jià)和阻塞線路的輸電功率所確定的購(gòu)電費(fèi)用一般要高于電能流出節(jié)點(diǎn)的出清電價(jià)和阻塞線路的輸電功率所確定的售電收入，兩者的差額就是阻塞盈余。可以證明，阻塞盈余不可能為負(fù)，但這需要比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)優(yōu)化理論。為分配阻塞盈余，在美國(guó)電力市場(chǎng)中引入了金融輸電權(quán)(Financial Transmission Rights，F(xiàn)TR)，即阻塞盈余分配給金融輸電權(quán)的所有者。

圖4 機(jī)組組合模型與多時(shí)段現(xiàn)貨市場(chǎng)交易示意圖

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差價(jià)合約的實(shí)現(xiàn)差價(jià)合約(Contract for Difference，CfD)為規(guī)避現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)引起的金融風(fēng)險(xiǎn)，交易雙方以事先約定的合約價(jià)格與合約交割時(shí)的現(xiàn)貨價(jià)格之差為基礎(chǔ)簽訂的一種金融合約。

差價(jià)合約最早在1990年代英國(guó)的強(qiáng)制型電力庫(kù)(Pool)模式中引入，后來在澳大利亞、北美、歐洲的電力市場(chǎng)中相繼被應(yīng)用，我國(guó)2000年前后的浙江發(fā)電市場(chǎng)也引入了差價(jià)合約。競(jìng)價(jià)用戶和競(jìng)價(jià)機(jī)組除了向電力庫(kù)進(jìn)行購(gòu)售電報(bào)價(jià)以外，彼此間還可簽訂差價(jià)合約以規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

如圖5所示，如果發(fā)電機(jī)組與某用戶簽訂了合約電量為Pc、合約價(jià)格為ρc的差價(jià)合約，現(xiàn)貨價(jià)格為ρM，該機(jī)組實(shí)發(fā)上網(wǎng)電量為Pg，則該發(fā)電廠的收入為：R=PgρM+Pc(ρc-ρM)，即：發(fā)電收入=現(xiàn)貨市場(chǎng)售電收入+差價(jià)合約收入。

將該公式作簡(jiǎn)單變換，可得到：R=Pcρc+ρM(Pg-Pc)。即，在現(xiàn)貨市場(chǎng)中根據(jù)機(jī)組報(bào)價(jià)安排機(jī)組交易(調(diào)度)計(jì)劃，合約電量按照合約價(jià)格結(jié)算，合約電量以外的電量以市場(chǎng)價(jià)結(jié)算。

差價(jià)合約的結(jié)算方式如圖5所示。可見，差價(jià)合約相當(dāng)于機(jī)組與用戶都參與電力庫(kù)的集中競(jìng)價(jià)時(shí)，他們之間的一個(gè)等效的固定價(jià)格為ρc的合約，但這僅僅是結(jié)算意義上的。差價(jià)合約對(duì)電網(wǎng)調(diào)度和物理運(yùn)行沒有任何影響，而且在電力市場(chǎng)中也不能脫離電力庫(kù)而單獨(dú)存在，算不上嚴(yán)格意義上的雙邊合約。

圖5 差價(jià)合約的結(jié)算方式

至此為止，本文用5張PPT介紹了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的基本原理，實(shí)際的電力市場(chǎng)只是所考慮的技術(shù)約束條件更加復(fù)雜，其基本原理不變。對(duì)于厚厚的電力市場(chǎng)交易規(guī)則，應(yīng)該學(xué)會(huì)“把厚書讀薄”，抓住其中最關(guān)鍵的部分。

本文部分PPT取材自浙江大學(xué)甘德強(qiáng)教授的講義，在此表示感謝。