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。
激励 相 容 具 体 可 分 为 占 优 策 略 激 励 相 容(dominant-strategyincentivecompatibility)和贝叶斯—纳 什 激 励 相 容 (Bayesian-Nash incentivecompatibility)。占优策略激励相容表示,某发电机组申报真实发电成本是占优策略,无论其他机组申报真实与否;贝叶斯—纳什激励相容表示,某发电机组申报真实发电成本是最优选择,如果其他机组都真实报价。可见,占优策略激励相容是约束力更强的性质,本文考虑占优策略激励相容。
4)收支平衡
在电力市场中,系统独立调度是非营利机构。例如,美 国 的 ISO 是 由 联 邦 能 源 管 理 委 员 会(FederalEnergy RegulatoryCommission,FERC)监管,主要负责协调、控制和监控电力系统运行的机构。因此,收支平衡表示系统调度从电力负荷征收的费用不小于向发电机组支付的费用[20-21]。
1.3 边际价格理论
在完全竞争的电力市场中,各市场成员作为价格接受者,自身报价不会影响系统边际价格,因此,以节点电价进行市场交易和结算能够实现社会福利最优。然而,现实中难以达到完全竞争市场,发电机组可以通过策略性报价,以改变边际电价从而最大化自身效益。因此,按照边际电价交易和结算的电力市场不能抑制市场成员虚报高价,难以实现激励相容,甚至不能达到系统成本最小化的状态。
2 价值公平分配机制设计
为促进发电机组真实报价、实现系统成本最小化,本文借鉴 VCG 机制,提出适应电力日前市场的价值公平分配机制。
2.1 VCG机制概述
在机制设计理论中,VCG 机制是一种激励市场成员真实表现的机制设计方法。VCG 机制的结算规则是按照一个市场成员对其他市场成员的替代效益 进 行 结 算。VCG 机 制 由 William Vickrey,EdwardH.Clarke和 TheodoreGroves三位经济学家的姓氏组合命名,以纪念他们在信息不对称条件下激励理论中的贡献。William Vickrey和另一位经济学家也因此获得1996年的诺贝尔经济学奖。
2.2 基于价值公平分配的电力市场竞争机制
式(8)定义了价值公平分配机制的结算方式。式中等号右端第一项表示,去掉发电机组i后,其他机组参与日前市场的发电成本;第二个括号项表示,在包含发电机组i的出清模式下,其他发电机组的发电成本。两项相减为发电机组i对其他机组的替代效益,即机组i参与日前市场前后对其他机组发电成本的影响。
价值公平分配机制的经济学意义在于,利用市场成员间的替代效益定义其价值,并按照该价值结算,从而实现个体与集体利益最大化的一致性。
2.3 机制性质证明
已有研究验证边际电价满足个体理性(由机组报价不小于其真实成本可得)和收支平衡(由文献[23]证明,可总结为按照节点电价从负荷收费不小于向发电机组付费,当且仅当电力系统无线路阻塞时取等,阻塞时的结余用于补偿线路投资)性质,而不满足激励相容以及系统成本最小化。本节将证明本文机制满足激励相容、个体理性以及系统成本最小化,并提出一种收支平衡的策略。
由上述证明可知,无论其他发电机组申报真实与否,发电机组i申报真实的发电成本是该机组的占优策略。因此,本文提出的价值公平分配机制满足占优策略激励相容。
本文机制满足激励相容原理的经济学含义在于:如果一台机组虚报高价,则系统调度分配给该机组的发电量较少,去除该机组后其他机组参与日前市场电量变化较小,所以去除该机组前后其他机组发电成本变化较小,该机组获得系统调度的支付费用较少。因此,一台机组的占优策略是申报真实成本。虚报高价将使得该机组对其他机组的替代效益减少,从而降低自身效益。
4)收支平衡
Leonid Hurwicz,Jerry R.Green 以 及 JeanJacquesLaffont证明,不存在一种激励机制同时满足占优策略激励相容、个体理性、系统成本最小化以及收支平衡[24]。现有基于 VCG 的激励机制不满足收支平衡性质,即系统调度从电力负荷征收的费用可能小于向发电机组支付的费用。通过数学语言描述,即存在一种场景使得下式成立:
值得一提的是,本文提出一种通过降低发电侧收益达到收支平衡的策略,实际操作中还可以考虑提高销售电价以增加负荷侧收费,达到收支平衡。关于收支平衡的深入研究,需要在未来的工作中进一步探索。
2.4 实施流程
本节从实施流程上阐释,并对比传统基于边际电价和本文机制的交易模式。图1对比了两种机制的实施流程。
由此可知,价值公平分配机制并未改变传统市场基于报价的交易模式,仅通过改变价值分配和利益结算的方式,满足激励相容原理。因此,价值公平分配机制有效延续了现有市场交易模式,具有可操作性和实用价值。
2.5 案例说明
下文通过2节点、3机组的案例对比边际电价与价值公平分配机制的效果差异。2节点、3机组案例如图2所示。图中,发电机1,2和3的真实发电成本系数分别为c,2c 和3c。节点1的负荷为 D。三台发电机的出力范围均为[0,2D]。节点1和2之间的线路容量为0.5D。
2.5.2 价值公平分配机制
根据价值公平分配机制,一台发电机组获得收益为该发电机组参与日前市场前后,其他机组总发电成本的变化。下面重点分析在价值公平分配机制下,发电机组申报真实成本为其占优策略。
因此,机组1真实申报的净收益大于虚假申报的净收益。价值公平分配机制将打破机组1和2的串谋,促使机组申报真实成本。
需要说明的是,为保障电力市场充分竞争并抑制机组虚报高价,国外现有成熟电力市场引入复杂的市场监管机制。例如,自1999年开始,美国 PJM市场引入市场监管,以客观监视、调查和评估市场结构及运行方面的缺陷,如三寡头垄断测试[25],然而这些市场机制需要高昂的监管成本。相比之下,本文机制满足激励相容原理,促进市场成员真实报价,故不再需要复杂的监管。
3 算例分析
本文测试价值公平分配机制在IEEE30和118节点 系 统 的 有 效 性。 测 试 环 境 为 THINKPADT460P,2.60GHz八核笔记本电脑,编程软件平台为 MATLAB 2013b,潮 流 计 算 求 解 器 采 用MATPOWER6.0[26]。
3.1 IEEE30 节点系统
在IEEE30节点系统中,有6台发电机组,最小技术出力 0,其他成本和技术参数见附录 A 表 A1。
3.1.1 机制性质验证
为验证本文机制满足激励相容,假设发电机组在一定比例范围内申报成本系数。图3所示为各发电机组申报不同系数下的净利润水平。
对于6台发电机组,只有在申报值与真实值比例为1.0,即机组申报真实成本系数时,发电机组获得净利润最大。当机组虚报低价时,系统调度分配给机组较多电量,但支付给机组的费用可能不足以补偿机组发电成本,因此机组净利润降低,甚至出现负值,如机组 G6。由于系统调度支付给机组的费用取决于该机组对其他机组发电成本的影响,当机组虚报高价时,该机组对其他机组的影响减小,支付给该机组的费用削减,仍然导致机组净利润降低;同时,报价过高,可能导致该机组不中标,净利润为0,如机组G6。
因此,本文所提机制满足激励相容,有效促进市场成员真实申报,解决电力市场信息不对称难题。为验证本文机制满足个体理性,附录 A 表 A2给出了发电机组申报真实成本系数时的出力计划和利润。由结果可知,当机组申报真实成本系数时,各台发电机组的净利润均大于0,说明机组有意愿参与日前市场,满足个体理性。进而,由于市场出清模型最小化所有机组真实发电成本,机制满足系统成本最小化。
3.1.2 收支平衡探讨
系统各节点负荷以及系统收支费用见图4。
系统边际电价为3.79美元/(MW·h),总负荷水平为189.2MW,因此,从负荷侧收取的总费用为716.92美元,而 需 要 支 付 给 发 电 机 组 的 总 费 用 为745.73美元,比负荷侧收费多出4.02%。本文采用的收支平衡策略是减少每台发电机组的收益。为满足收支平衡、个体理性以及激励相容,
3.2 IEEE118 节点系统
在IEEE118节点系统中,有 54 台发电机组、186条线路。各节点负荷水平、发电机组申报真实成本时的最优出力计划如附录 A 图 A1所示。值得注意的是,图中只统计功率非零的节点和机组。
在 IEEE 118 节 点 系 统 中,总 负 荷 为4242MW,共有19台发电机组被调度,出力为0的剩余35台机组获得系统支付为0,发电成本为0,因此不在本节算例讨论范围内。在发电机组真实报价时,19 台发电机组的系统支付费用和净利润如附录 A 图A2所示。发电机组获得系统支付从152.68美 元 到23550.27美 元,净 利 润 从 37.60 美 元 到6085.48美元,因此参与日前市场的发电机组净利润均大于0。
4 结语
本文提出基于价值公平分配的电力市场竞争机制,应用于电力日前市场,并理论证明该机制满足激励相容、个体理性以及系统成本最小化的性质。基于IEEE30节点和118节点的算例分析表明:①在价值公平分配机制下,所有发电机组申报真实成本为占优策略,即价值公平分配机制满足激励相容;②参与日前市场的所有发电机组的净利润不小于0,即价值公平分配机制满足个体理性;③价值公平分配机制引起的收支不平衡可通过事后调整发电机组收益来解决。
在未来的研究中,以下三方面值得进一步探索:①本文仅考虑发电侧竞价的日前市场机制设计,实际电力市场允许负荷侧参与竞价,因此,在未来研究中可探索价值公平分配机制在双边竞价市场中的适用性;②本文重点关注价值公平分配机制如何满足激励相容,即发电机组的占优策略为申报真实成本,在未来研究中可对比价值公平分配机制和边际电价机制纳什均衡解的差异;③本文提出通过降低发电侧收益的收支平衡策略,在未来的研究中可分析提高负荷侧电价的解决方案。
本文的研究成果将为中国电力体制改革提供满足激励相容的电力市场竞争机制,积极推动中国电力市场的健康发展。
参 考 文 献
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王剑晓1,2,钟海旺1,2,夏 清1,2,汪 洋3,赖晓文3,郭新志4
(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084;
2.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学),北京市 100084;
3.北京清能互联科技有限公司,北京市 100084;4.国网河南省电力公司经济技术研究院,河南省郑州市 450000)
王剑晓(1992—),男,博士研究生,主要研究方向:电力市场、发电计划、电力规划、新能源预测 等。E-mail:wangjx14@mails.tsinghua.edu.cn
钟海旺(1986—),男,通信作者,博士,副教授,博士生导师,IEEE高级会员,主要研究方向:电力市场、需求侧响应、发电计划等。E-mail:zhonghw@tsinghua.edu.cn
夏 清(1957—),男,教授,博士生导师,IEEE 高 级 会员,主要研究方向:智能电网、发电计划、电力规划、电力市场、负荷预测等。E-mail:qingxia@tsinghua.edu.cn
