电力市场设计|电力市场改革的约束及边界条件

电力18讯：

 作者：

  荆朝霞,华南理工大学,教授/博士生导师

 

电力市场机制设计可以看为一个优化问题，即在一定的约束下寻找实现相关目标的最佳的市场机制。电力市场机制的设计，除了要考虑其目标，还要考虑其面临的物理、政策、环境等多个方面的各种各样的约束，或者说边界条件。太多的约束可能导致市场优化的空间大打折扣，从而起不到应有的作用。电力市场设计中应如何考虑这些因素？如何在满足各种约束的情况下尽量提高相关目标的实现度？

 

一、约束的类型

 

从大的方面，约束可以分为物理类约束和政策类约束。物理类约束又可分为设备约束和系统约束，政策类约束又可分为法律法规类约束和社会政策类约束。

 

1）设备约束。电力系统中的各个物理设备都有一定的技术参数和约束。比如，发电机组具有最大最小技术出力约束、爬坡速率约束、启动时间约束等；输配电线路有最大传输功率约束；电气设备有耐受电压约束等。这个类型的约束主要由各个设备本身的特性决定，没有统一的标准。

 

设备的技术约束主要考虑两个方面：安全、经济。一些指标是严格不能突破的，突破就会造成设备损害等严重事故；而一些指标是可以在一定的范围和短时间内越限的，但会对设备运行的经济性造成一定影响。

 

2）系统约束。为了电力系统整体的安全、稳定和经济运行，也有一些技术约束，如节点电压的约束、系统频率的约束、可靠性的约束等。

 

类似的，系统约束也可以有两个层次：保证电网安全稳定运行的约束和保证电网经济运行的约束。对不同的地区和不同的用户类型，这两个层次的指标可能不一样，比如精密仪器生产企业对电压的要求比冶炼行业的要求高。但在相关规范、标准中，一般给出通用的标准。比如，《供电营业规则》里规定了各个电压等级下供电电压的波动范围，如10kV供电的标准为±7%。

 

3）法律法规类约束 。电力市场的运行必须遵循相关的法律法规，包括以下一些层次：宪法、法律、行政法规、地方性法规和行政规章等。与电力市场相关的法律层面的如《电力法》、《环境保护法》、《合同法》、《反垄断法》等，行政法规层面的如《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（9号文），行政规章层面的如上述的1027号文件。

 

4）社会政策类。在一些特定的时期和地区，电力市场的运行需要满足一定的社会经济、政治目标，比如降低电价、保证低收入家庭用电、对一些特殊地区和市场主体的保护等。

 

二、约束的表达和实现方式

 

在电力市场机制设计中，各种约束如何实现呢？这里以日前现货能量市场的设计为例进行讨论。

 

1、设备约束

 

有两种考虑设备约束的方式：分散式和集中式。分散式下，市场模型中不考虑这些设备的约束，市场主体需根据自己的设备的约束情况确定报价的策略，以保证出清的结果可以满足设备的约束，如果不满足，相关市场主体会受到一定的惩罚。集中式下，市场模型要求市场主体申报相关的技术约束参数，从而在市场出清中统一考虑这些约束，保证出清结果满足相关技术约束。比如发电机组的最小出力、爬坡速率等，PJM的日前市场是一种集中的处理方式，市场主体申报机组的这些参数，PJM出清模型中考虑；欧洲的大多数日前市场则是一种分散式的处理方式，市场出清模型中不考虑这些因素。

 

2、系统约束

 

电压、频率、可靠性等系统性约束一般在出清模型中直接考虑。按其是否可松弛和如何松弛，有三种方式：固定约束、弹性约束、需求响应。

 

（1）固定约束即将相关约束指标作为市场出清的固定的、不能突破的约束，这是传统电力市场中最常用的一种约束，如对电压、频率、备用的固定的约束。

 

（2）弹性约束，就是给定这些约束在不同情况下的成本，然后将其以这个成本进行松弛。比如电压偏差不超过10%是固定约束，而在5%-10%范围内为弹性约束：当电压偏差造成的发电成本增加过大时，可以对电压偏差限制进行一定松弛。弹性约束可以认为是电压偏差限值与电压偏差造成的用户成本之间的关系。比如：电压偏差每减小1%，用户侧因电压偏差造成的损失减小M元。这样，当由于电压偏差约束的存在造成的总发电成本的增加超过弹性造成的用户的成本的增加时，就可以对相应的电压偏差约束进行松弛：如果电压偏差约束从5%松弛到6%可以将总发电成本降低N元，并且N>M，则可以将电压偏差约束从5%松弛到6%。

 

目前很多电力市场中对备用约束都采用了弹性约束的方式，备用弹性曲线（需求曲线）通常由管制机构根据当地的电网、负荷的情况确定。另外，也有些市场对电压、线路传输容量等约束进行了弹性化处理。

 

（3）需求响应本质上也是一种弹性约束，只不过这个弹性曲线不是一条固定不变的曲线，而是由市场成员申报出来的。电力市场中引入用户侧报价，就是将电力供需平衡这条固定的约束变成了由用户申报的弹性约束，也就是通过需求响应的方式对约束进行了松弛。

 

3、政策类约束

 

这类约束类型广泛，没有统一的展现方式，也是电力市场机制设计中最难考虑的因素之一。对这类约束，在进行电力市场设计时，要特别注意思考以下问题：这些约束的最根本的原因或目标是什么，市场环境下是否仍然需要？这个约束对市场效率的影响有多大？有没有更好的实现这个约束的办法？

 

比如，很多电力市场中，都有可再生能源全额消纳这一政策类约束。这一约束的最根本的原因，或者说终极的目标，是减小排放。但在实际中，在一些特殊的电网、电源、负荷结构和可再生能源出力特性下，全额消纳可再生能源可能并不是实现最小排放的方案，对可再生能源全额消纳这个约束进行适当的松弛（允许部分弃风、弃光、弃水），可能反而可以更好的实现减小排放的目标。 

 

三、约束的弹性及松弛

 

对一个优化问题，如果约束过多，就会造成优化的空间有限。在电力市场设计时，需要对各个约束的表达方式、是否可松弛、如何松弛进行研究。

 

1）设备约束。前面提到，设备的技术约束主要考虑两个方面：安全、经济。安全方面的约束是强制性的、固定性的，但经济方面的约束实际上是可以突破的，是有一定弹性的。比如，机组的最小技术出力。当机组的出力低于某个水平，会对机组的安全造成威胁，这是一定要满足的，是强制性的约束。但在另外的一定的出力范围内，对发电机组的安全运行没有威胁，但会使机组运行效率降低，燃料成本增加，也就是说其结果仅仅是非经济的运行。

 

市场设计中，集中式的设备约束表达方式下，市场成员在报价中直接给出设备的固定的约束，可以较好的保证约束的实现，但较难反映约束的弹性。相对来说，分散式的设备约束表达方式，可以更灵活的对设备的约束进行处理：市场成员在报价中反映约束的弹性情况。也可以在集中式的设备约束机制下，进一步改变其报价形式：市场成员申报其约束的弹性曲线，然后由市场统一出清。

 

2）系统约束。前面已经对系统约束的三种方式：固定约束、弹性约束、需求响应进行了分析和讨论。是否对某个系统约束进行松弛，如何进行松弛，主要取决于这个约束造成的成本：如果系统比较强健，约束受限的情况很少发生，造成的成本比较小，就可以采用简单的固定约束的方法；如果约束经常发生，造成的成本较高，可以考虑采取弹性约束的形式；具体采用管制机构确定的固定的弹性曲线还是由用户申报弹性曲线，主要取决于用户侧计量、响应的能力。

 

3）政策类约束。对政策类约束的松弛，意味着要改变、违反相关的法律、法规、或规章制度。而实际中，政府已经发布的、有法律效力的政策，是不能随便改变的。在电力市场设计中，需要进行的工作是：辨识目前的各种层级的法律、法规即规章制度，哪些与市场的终极目标是一致的，哪些是不一致的，有没有更好的实现这些目标的方法。对发现的问题，短期内，可以通过市场机制的设计尽量避免、减小这种不一致造成的损害，在长期，可以通过与相关部门、机构的沟通，尽快对不合理的法律、法规或规章制度等进行修改、完善。

 

三、电力市场机制设计的边界条件

 

相关高校、研究机构、学者在进行电力市场机制设计时，首先需要考虑的一个问题是：以什么为边界条件？

 

如上所述，国家的相关法律、法规、规章制度乃至某个会议的精神，都可能成为电力市场改革的一个约束。在进行电力市场机制设计时，是否将这些均作为边界条件？

 

在英文中，表达电力市场改革的一个重要的词就是“deregulation”，即解除管制，或者说放松管制，改变政府的管制方式，解除不合理的、不需要的政府的管制。也就是说，电力市场改革本身就是以改变相关不合理的政府的规制为一个很重要的目标的。如果在改革中将现有的所有的或大部分的政府的法律、法规、规章制度都作为边界条件，改革可能会无从下手，没有优化空间，最终的结果只能是失败。

 

电力市场改革，电力市场机制设计，首先要做的，就是对现有的各种法律、法规及各种政策文件（即改革的边界条件）进行深入的分析，分析在市场环境下其与改革的终极目标是否一致，对不一致的情况，寻找、提出解决的措施和方案。不对边界条件进行突破，改革很难有大的进展和成效。

 

总结

 

电力市场改革面临着物理的及政策方面的各种约束。要提高电力市场资源优化配置的空间，在可能的情况下需要对这些约束进行松弛。物理方面的约束可以通过集中建立弹性曲线、用户侧报价（需求响应）等方式对一些设备的、系统的约束进行松弛。对政策方面的约束，最主要的是分析其与改革终极目标的一致性，对不一致的政策，积极、尽快促进对相关法律、法规、规章制度等的修改、完善。电力市场机制设计研究中，一定不能简单的以现有的政策作为边界条件，而是要提出改变边界条件的方案。