（管理科学与工程专业论文）竞争性电力市场中的金融工程理论与实证研究.pdf

竞争性电力市场中的金融工程 理论与实证研究 t h e o r e t i c a la n de m p i r i c a ls t u d i e so nt h e f i n a n c i a le n g i n e e r i n gi nt h ec o m p e t i t i v e e l e c t r i c i t ym a r k e t 一级学科：管理科学与工程 学科专业：管理科学与工程 作者姓名：曹毅刚 指导教师：王春峰教授 天津大学管理学院 二零零八年一月 摘要 近二十年来，世界电力工业从政府高度监管的垂直一体化模式走上打破垄断， 引入竞争的电力市场化道路，已经成为潮流，电力工业从垂直一体化模式逐步转 变为以电力市场为核心的竞争模式。在竞争性电力市场中，电力成为一种普通商 品，其价格随区域电力市场供求关系的变化而波动，市场参与者面临着巨大的电 力市场风险。随着电力市场的出现，电力衍生产品逐步成为电力交易的主要形式 之一。与之相适应，竞争性电力市场中的金融工程问题得到了广泛重视。本文以 国外成熟竞争性电力市场为背景，对电价模型、衍生产品定价、电力风险管理和 竞争性环境下的电力项目投资分析等领域的金融工程理论进行了较深入的探索性 研究。本论文主要工作和创新点如下： ( 1 ) 电价随机模型对于电力衍生产品定价、风险管理、资产定价及不确定条件 下的投资决策等具有基础意义。本文中提出了基于仿射跳跃一扩散过程的，具有2 个和3 个跳跃分量的电价随机模型以及一种新的参数标定方法，根据主要欧洲电 力市场的日前小时电价历史数据标定了模型参数并用m o n t ec a r l o 方法分析了模型 的模拟效果。 ( 2 ) 由于电力是典型的不能大规模储存的流商品，无套利定价原理对大多数电 力衍生产品定价不再适用。本文采用b l a c k 7 6 公式和仿射跳跃一扩散电价模型研 究了电力期货远期、期货期权、单点期权以及摇摆期权等奇异期权的定价问题， 提出了一种新的电力衍生产品风险中性概率框架，并根据德国e e x 电力市场实际 价格，利用解析及m o n t ec a r l o 方法给出了若干常见电力衍生产品的实际定价算例。 ( 3 ) 在竞争性电力市场中，不确定的电价和电量使市场参与者面临电力市场风 险。本文根据国外竞争性电力市场实际情况，对电力市场风险的来源、测度指标 和管理工具进行了分析，建议采用条件在险现金流( c c f a r ) 作为测度电力市场 风险的指标，提出了竞争性电力市场下的电力企业电力市场风险模型，通过典型 电力企业实例，分析了电力市场风险的特点、电力衍生产品交易对电力市场风险 管理的作用以及考虑风险约束的电力实物资产和衍生产品投资组合优化等问题， 计算了不同市场条件下样本企业的电力资产组合有效前沿。 ( 4 ) 在传统的电力管制体制下，电力项目投资市场是垄断的，项目经济可行性 评估一般采取净现值( n p v ) 方法。在竞争性电力市场中，电力项目投资是开放的， 投资者必须尽力在竞争者之前发现新的投资机会，对项目投资机会的价值给予充 分评价，不仅要看到眼前的情况，还要考虑未来的经济环境的变化。本文将实物 期权方法引入发电项目投资决策中，建立了发电项目价值估值财务模型，对影响 电力项目价值的各因素建立了数学模型，在此基础上，将最小二乘m o n t ec a r l o 方 法( l s m ) 应用于电力项目投资多维美式实物期权的定价，并给出了电力项目投资各 类相关实物期权定价计算实例j 关键词：电力市场电价随机模型仿射跳跃一扩散过程电力衍生产品定价风险 管理电力项目投资实物期权定价模型 a bs t r a c t i nt h ep a s tt w od e c a d e s ，e l e c t r i c i t y i n d u s t r yw o r l d w i d eh a sb e e ng r a d u a n y t r a n s f o r m e df r o mt h er e g u l a t e dv e r t i c a li n t e g r a t e dm o d e lt oac o m p e t i t i v em o d e l u n d e r t h ec o m p e t i t i v em o d e l ，e l e c t r i c i t yb e c o m e sac o m m o nc o m m o d i t ya n dt h ee l e c t r i c i t y p r i c ef l u c t u a t e dw i t hi t ss u p p l ya n dc o n s u m p t i o ni nt h er e g i o n a lm a r k e t i nt h e c o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，m a r k e tp a r t i c i p a n t sa r ef a c i n gh u g er i s ka n de l e c t r i c i t y d e f t v a t i v e sh a v eb e c o m eo n eo ft h em a j o rf o r m so fe l e c t r i c i t yt r a d i n g t h e r e f o r e ，t h e f i n a n c i a le n g i n e e r i n gm e t h o d sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d u n d e rt h eb a c k g r o t m d o fm a t u r ec o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t ym a r k e ta b r o a d ，t h i st h e s i sd e e p l yp r o b e di n t ot h e f i n a n ci a le n g i n e e r i n gt h e o r yi nt h ef i e l d so fe l e c t r i c i t yp r i c em o d e l ，e l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e p r i c i n g ，e l e c t r i c i t ym a r k e tr i s km a n a g e m e n ta n dt h ee l e c t r i c i t yp r o j e c ti n v e s t m e n t ，e t c t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sw o u l db ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h es t o c l n s t i ce l e c t r i c i t yp r i c em o d e li sc r u c i a lf o rt h ep r i c i n go ft h e e l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e s ，t h ee l e c t r i c i t ym a r k e tr i s km a n a g e m e n t ，t h ea p p r a i s a lo fa s s e ta n d t h ei n v e s t m e n td e c i s i o nu n d e ru n c e r t a i n t y t l l i st h e s i sp r o p o s e ds t o c h a s t i ce l e c t r i c i t y p r i c em o d e l sb a s e do nt h ea f f i n ej u m pd i f f u s i o np r o c e s sw i t ht w oo rt h r e ej u m p c o m p o n e n t sa n dan o v e la p p r o x i m a t i v ep a r a m e t e rc a l i b r a t i o nm e t h o d t h ec a l i b r a t i o n r e s u l t sf o rm a j o re u r o p e a ne l e c t r i c i t ym a r k e t su s i n gh i s t o r i c a lh o u r l ys p o te l e c t r i c i t y p r i c e sa r ep r e s e n t e da n dm o n t ec a r l os i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt ot e s tt h ee f f e c t i v e n e s s o ft h em o d e l s s e c o n d l y ，b e c a u s ee l e c t r i c i t yi s at y p i c a ln o n - s t o r a b l ef l o wc o m m o d i t y ，t h e n o n - a r b i t r a g ep r i n c i p l ei sn ol o n g e rv a l i df o rt h ep r i c i n go fe l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e s t i l i s p a p e rs t u d i e dt h ep r i c i n go ft h ee l e c t r i c i t yf u t u r e ，f u t u r eo p t i o n , s i n g l ep o i n to p t i o na n d s o m et y p i c a ls w i n g o p t i o n su s i n gt h eb l a c k 一7 6f o r m u l ao rt h ea f t m ej u m p d i f f u s i o n e l e c t r i c i t yp r i c em o d e la n dp r o p o s e dan e wr i s kn e u t r a lf r a m e w o r kf o rt h ep r i c i n go f e l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e s p r i c i n ge x a m p l e sf o rs o m et y p i c a le l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e sa r e g i v e nb a s e do nt h ee e xm a r k e th i s t o r i c a lp r i c e su s i n ga n a l y t i c a la n dm o n t ec a r l o m e t h o d t h i r d l y ，i nt h ec o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h ef l u c t u a t i n ge l e c t r i c i t yp r i c ea n d t r a d i n gv o l u m ef o r c e dt h ee l e c t r i c i t ym a r k e tp a r t i c i p a n t st of a c eh u g ee l e c t r i c i t ym a r k e t r i s k n l i sa r t i c l ea n a l y z e dt h es o u r c e s m e a s u r ea n dm a n a g e m e n tt o o l so fe l e c t r i c i t y m a r k e tr i s ku n d e rt h eb a c k g r o u n do fm a t u r ec o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t ym a r k e t sa b r o a da n d p r o p o s e dc o n d i t i o n a lc a s hf l o wa tr i s k ( c c f a r ) a st h ep r o p e re l e c t r i c i t ym a r k e tr i s k m e a s u r e ac o r p o r a t ee l e c t r i c i t ym a r k e tr i s km o d e lu n d e rt h ec o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t y m a r k e ti sa l s op r e s e n t e da n dt h r o u g ht h es a m p l eo fat y p i c a le l e c t r i c i t yu t i l i t y ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c i t ym a r k e tr i s ka n dt h er o l eo ft h ee l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e st r a d i n g i nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e tr i s km a n a g e m e n ta r ea n a l y z e d t h er e a la s s e ta n de l e c t r i c i t y d e r i v a t i v e si n v e s t m e n tp o r t f o l i oc o m b i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e mu n d e rr i s kc o n s t r a i n ti s a l s os t u d i e da n dt h ee f f i c i e n tf r o n t i e r so ft h es a m p l ec o m p a n yu n d e rd i f f e r e n tm a r k e t c i r c u m s t a n c e sa r ec a l c u l a t e d f o u r t h l y ，i nt h et r a d i t i o n a lr e g u l a t e de l e c t r i c i t yi n d u s t r y ，t h ep r o j e c ti n v e s t m e n t m a r k e ti sm o n o p o l i z e db yl a r g ev e r t i c a li n t e g r a t e du t i l i t i e s t h ep r o j e c te c o n o m i c f e a s i b i l i t ys t u d yi su s u a l l yb a s e do nt h en e tp r e s e n tv a l u e ( n p v ) m e t h o d i nt h e c o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h ep r o j e c ti n v e s tm a r k e ti so p e nf o rc o m p e t i t i o na n dt h e i n v e s t o r sh a v et ot r yt h e i rb e s tt of i n dn e wi n v e s t m e n to p p o r t u n i t i e sp r i o rt ot h e i r c o m p e t i t o r s t h e r e f o r e ，p r o p e re s t i m a t i o no nt h ep r o j e c tv a l u en o to n l yt a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o no ft h ec u r r e n te c o n o m i cs i t u a t i o n ，b u ta l s of u t u r ee v o l u t i o no fe c o n o m i c e n v i r o n m e n ti sc r u c i a lf o rt h ep r o j e c ti n v e s t m e n td e c i s i o ni nt h ec o m p e t i t i v ee l e c t r i c i t y m a r k e t t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o np r o j e c tv a l u ea p p r a i s a lm o d e l a n dm o d e l sf o rt h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep r o j e c tv a l u e o nt h i sb a s i s ，t h el e a s t s q u a r em o n t ec a r l om e t h o di su s e df o rt h ep r i c i n go ft h em u l t i - d i m e n s i o n a la m e r i c a n r e a lo p t i o n se m b e d d e di nt h ep r o j e c ti n v e s t m e n t e x a m p l e so fp r i c i n gf o rt h ev a r i o u s r e a lo p t i o n sa r eg i v e ni nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；e l e c t r i c i t yp r i c es t o c h a s t i cm o d e l ；a f f m ej u m p d i f f u s i o np r o c e s s ；e l e c t r i c i t yd e r i v a t i v e sp r i c i n g ；r i s km a n a g e m e n t ；e l e c t r i c i t yp r o j e c t i n v e s t m e n t ；r e a lo p t i o np r i c i n gm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；学荠闪j 签字日期： t ，黔 r 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) ? 新虢硼 ；字日期：口3 年。厂月2 撕 闲 、觳铂 谚坦 名 ， 签 年 者u 0 作 ) 文论 ： 位 期 学 日，字签 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 电力在现代社会生产和生活中占有非常重要的地位，具有特殊的物质形态， 其生产方式、，生产过程和使用方式特殊，使其长期处于垄断生产和经营状态。历 史上，电力工业一度被视为自然垄断行业。随着技术的进步，人们发现电力生产 并不是全过程各环节都必须垄断的，在某些环节完全可以引入竞争。在许多国家， 不论原来垄断的电力企业是国有还是私有，经济、技术和政治上的因素要求必须 改革原有的垂直垄断的电力工业组织结构。近二十年来，世界电力工业从政府高 度监管的垂直一体化模式走上打破垄断，引入竞争性电力市场化道路，已经成为 潮流，电力工业从政府控制的垂直一体化模式逐步转变为以竞争性电力市场为核 心的电力市场化模式。 在市场化改革后的竞争性电力市场中，电力成为一种普通商品，其价格由特 定时间、地点的供求决定，市场交易规则、交易产品、风险管理和投资决策等都 与原有管制下的电力工业完全不同。从某种意义上，电力市场是所有能源商品市 场中最为复杂的市场，一些问题必须使用金融工程的理论和方法才能有效解决。 按照我国电力市场化改革的规划，未来我国将建立多层次的电力市场体系，西方 国家在电力市场改革过程中遇到的各种问题，在我国的电力市场中也必然出现。 为此，本论文以西方发达国家竞争性电力市场为背景，采用理论和实证的方法， 对竞争性电力市场中的若干金融工程课题，包括电价模型、电力衍生产品定价、 电力市场风险管理和电力项目投资实物期权等课题，进行了比较深入的研究和探 索，具有很强的现实意义。 1 1 1电力工业产业组织结构的演变 1 8 8 2 年9 月，美国纽约珍珠街电站开始向纽约市提供供电服务，标志着世 界电力工业的萌芽。到1 9 0 0 年，英、美、德国等国家已经稳固地建立起供电业， 但当时供电企业大多是地方性的，没有全国性联网n 1 。此后，在电力工业发展至 今的上百年中，其产业组织结构经历过三次大的转变。认识电力市场化改革，必 须首先从产业组织理论的角度，回顾电力工业结构的历史演变乜3 。 1 1 1 1初创阶段一低水平市场竞争 受技术、经济和社会因素的影响，现代电力工业的雏形直到2 0 世纪初才形 第一章绪论 成。当时电力还没有向今天一样深刻地影响社会生活的每一方面，甚至还不是生 活必需品，电力工业的规模经济也不明显，电力与其它商品相比较还没有什么本 质差别，私人投资者像生产其它商品一样生产和销售电力。由于资本实力有限， 当时的电力企业普遍规模较小，大部分由私人投资，政府并没有有效监管。有些 供电企业采用直流供电，有些提供交流电，用户别无选择。由于电力无法大规模 储存，同时受当时的技术限制，远距离输电相当困难( 早期主要是直流供电) ， 投资者一般在城市周围甚至社区周边兴建发电站，将电卖给城市居民家庭使用， 或用于道路照明等。1 9 1 7 年英国电力贸易委员会的报告则指出：“在大伦敦地区 有7 0 个供电企业向公众供电，它们拥有7 0 个发电站，这些发电站拥有5 0 种不 同类型的系统，1 0 种不同的频率和2 0 种不同的电压。川因此，早期的电力市场 被分割为城市或城市的某些区域的小块市场，在每一个小块市场中可能存在一个 或多个电力供应商，市场往往是切块区域垄断的。美国1 9 2 0 年共有6 5 0 0 个小规 模电力企业，其中大多数是发、输、配、售垂直一体化的。在此阶段，人们还没 有认识到电力工业的规模经济和自然垄断特性，政府也没有应用管制手段。电力 企业自由决定电价，生产者和消费者对价格信号做出理性的反应，投资者自由进 出电力工业。 1 1 1 2 以规模效益为基础的垄断经营阶段 随着社会经济和电力技术的发展，作为一种优质能源，电能的用途不断扩大， 电力占能源市场消费的比重大幅增加。在一些局部市场，短期市场需求可能经常 超过电力企业的供电能力。在市场分割和投资需要较长的前置时间( l e a dt i m e ) 的情况下，电力企业开始运用其市场势力( m a r k e tp o w e r ) 制定高于其边际发电成 本的价格。为保护消费者利益，在自由竞争的前提下，政府开始直接参与电力产 品的生产和供给。在美国，政府直接投资电厂并按照成本定价，甚至再给予税收 或贷款方面优惠等措施，通过低成本和低电价优势与私营电力企业竞争，迫使私 营电力企业降低电价。这种用市场竞争纠正市场缺陷的办法，在电力工业的规模 效益被广泛承认后，自然演变为政府对电力工业的管制。 第一次世界大战期间，英国的装机容量增长了3 9 ，从1 ，1 2 0 m w 增加至 1 ，5 5 5 m w ，而出售的电量却增加了1 0 6 ，由1 3 1 8 亿度增加至2 7 1 6 亿度。战时 管制提高了电力工业的效率。战后，英国政府决定在电力工业中建立更为集中的 组织，开始建立连接全国的输电网，政府在电力工业中的管制不断加强，其标志 是实现了供电系统的标准化，统一了供电系统的频率和电压口1 。二战后，世界科 学技术和经济的发展加快了电力技术进步，电力工业进入大容量、高参数机组的 时代。这些机组资本密集、技术密集，规模经济效益十分显著。高电压、低损耗 第一章绪论 的输电技术在显著改善大电网经济效益的同时，对电力系统的安全性和协调性提 出了更高的要求，反过来又促进了更大电网的形成，电力工业的规模经济性对以 往低水平的生产组织形式和资源配置提出严重的挑战。与此同时，凯恩斯的国家 干预主义经济思潮又在理论上为政府对电力工业的直接管理提供了理论依据。2 0 世纪中叶，西方发达国家政府开始逐步认识到电力工业是二种公共服务，无论是 公有还是私有，都将其视为自然垄断，并几乎都直接参与了电力工业的发展。国 有资本不仅有利于实现电力工业的规模经济效益，而且有利于电力工业的统一规 划和协调管理。欧洲大部分国家以及澳大利亚、新西兰等国采用了国有垄断的模 式。1 9 4 6 年和1 9 4 7 年，法国和英国相继将传统的以分散、私有的企业为主体的 电力工业进行了全面国有化和集中化重组，分别形成全国范围的垂直一体化垄断 的国有大型电力企业英国中央发电局( c e g b ) 和法国电力公司( e d f ) 。美国对电力 工业采取了私有垄断模式，没有直接进行全国性的国有化和集中化，但在较大范 围内进行了电力企业的大合并。2 0 世纪6 0 年代：美国电力工业的兼并重组达到 高潮，一些大型电力公司开始出现，而且每家公司都呈垂直一体化形态，业务囊 括了发电、输电和供电，成为区域性垄断企业。这些企业由一个监管委员会集中 监管。表卜1 给出了电力市场化改革前的西方主要国家电力工业所有权和产业结 构的比较。 电力工业在发达的资本主义国家由私有、分散经营转向国有、集中经营是电 力工业产业组织结构历史演变中的一次革命性调整。集中化的电力工业虽然可能 会导致生产和资源配置效率的损失，但与其可能获得的规模效益增加和成本及交 易费用的减少比较，这种损失是相当有限的。集中化的电力企业还有利于政府制 定和实施充分体现电力工业共用事业特征的政策。集中化重组直接导致了电力工 业管制的产生。针对电力工业的垄断经营，政府成立了专门的管制机构，制定了 相应的法律制度。大多数国家都采用了整个市场由少数垂直一体化的大型电力公 司提供电力服务的电力工业组织结构，成为标准模式。 表1 - 1 电力市场化改革前的典型西方国家电力工业结构 垄断结构 所有权形式 垂直和水平整合 垂直整合 国有阿根廷、法国、意大利、新西兰智利、英格兰和威尔士、澳大利亚、挪威 国有和私有混合西班牙 私有美国、日本 1 1 1 3 纵横向分割和引入竞争的探索和实践阶段 传统上电力行业被认为是具有规模经济的行业。自然垄断理论用平均成本持 第一章绪论 续下降定义自然垄断。在非自然垄断行业中，单个企业随着产量的增长，其生产 成本( 边际成本和平均成本) 先下降后上升，存在一个最佳经济规模。自然垄断行 业则不然。在自然垄断行业中，企业的边际生产成本持续低于平均生产成本，平 均成本随产量的增长持续下降，以致于单一企业生产所存产儡的成本小于多个企 业分别生产这些产品的成本之和。期果在自然垄断行业中存在多个生产厂商，将 提高企业生产成本，最终损害消费者利益。所以；在自然垄断行业中，最有利的 状态是一家企业垄断地提供所有产品和服务。由二一个企业大规模生产，要比由几 家较小规模的企业同时进行生产能更有效地利用资源。， 到上世纪7 0 - 8 0 年代，世界电力工业发展相对成熟，经济、技术和政治等多 方面因素使垄断模式缺乏效率的缺陷越发明显。同时，能源市场全球化以及输电 容量的大幅增长为电力市场的产生提供了物质上的可能。随着发电技术的进步， 燃气轮机燃气循环( c c g t ) 等较小规模的机组也可以获得规模经济性，逐步具备经 济竞争力，小规模发电企业也具有了与大公司相竞争的成本优势， 而传统的大 型电力公司往往对成本缺乏有效控制。在这种条件下，引入竞争、降低电力价格 成为推动世界各国进行电力改革的重要原因。今天，在一些国家，随着技术的发 展，电力工业已经由传统的集中和垄断的行业发展成为一个分布式和竞争性的行 业，价格由市场竞争决定，并通过竞争降低行业总的成本，提高社会总福利。 电力市场由卖方市场向买方市场转变之后，各国政府逐步意识到对电力工业 继续直接投资没有必要，一些国家感到由于电力投资所引起的财政负担过于沉 重，并急于摆脱这种被动局面。电力市场改革的思路来源于美国m i t 教授f c s c h w e p e 的经典论文“h o m e o s t a t i cu t i l i t yc o n t r o l ”提出了能源市场的交 易模式，即发电厂和用户通过一个市场系统进行交易，而配电公司则继续保持垄 断，并首次提出了实时电价的概念，该文侧重对电价的时变性进行了研究，即电 价依赖于用电时间，通过电价的变化来反映电力供应成本的时变性。1 9 8 7 年， 在计算机技术不断进步的条件下，s c h w e p p e 进一步提出了以经济学上的边际成 本理论作为基础的实时电价理论“3 。此后其领导的研究小组又陆续发表了一系列 关于实时现货电价的论文睁刚。1 9 8 2 年，智利政府首先对电力工业进行了市场化 改革。改革的思路是分离发电和配电公司，用户按照一个基于成本的电费公式付 费。该国大规模的私有化从1 9 8 6 年开始，电力工业在垂直方向上被分离，并建 立了批发电力市场阳3 。2 0 世纪8 0 年代末，英国在西方发达国家中率先开始了全 面和彻底的电力市场化改革，提出了电力工业解除管制( d e r e g u l a t i o n ) 的概念， 尽量减少政府对电力工业的管制和干预，从商业运营角度将发、输、配和售电等 电力工业主要环节分解为独立的环节，在其中的非自然垄断环节如发、售电等引 入市场竞争n 引。政府的改革意愿和实时电价理论的结合导致了立法者和管制者 第一章绪论 主导的电力工业结构重组和引入竞争机制的改革。在对国有电力资产全面私有化 的基础上，将过去全国垂直一体化垄断经营的电力工业进行纵、横向分割，在发 电、售电环节引入市场竞争机制，以提高电力工业的效率，；i 并在1 9 9 3 年基本建 立了以现代电力工业技术为基础的电力工业市场竞争制度扣 一 。电力市场的建立是电力工业重构和市场化运营的必然结果，指在电力工业解 除管制的国家基于公平竞争原则建立的，采用法律、经济等市场化手段对电力系 统中发、输、供、用电等环节进行分离，并在此基础上组织协调运行的管理机制 和系统的总和。虽然在目前绝大多数国家中，这种市场竞争制度只是有限竞争， 在输电和配电环节依然维持自然垄断状态，甚至在发电侧依然是寡头或垄断竞争 的，但在整体上，竞争性电力工业市场结构是崭新的，这种新的市场结构包括以 下特征： 1 、电力工业解除管制的主要目标是在发电和零售环节引入竞争，通过降低 成本改善电力工业的经济效率。竞争性电力市场是纵向分割的市场，是适合现代 电力工业发展规律的以发电和售电环节的市场竞争为基础的市场，这种市场结构 与过去垂直一体化电力工业的结构完全不同，市场参与者的范围及其经营和竞争 行为也有根本区别； 2 、电力工业竞争性结构是以庞大的电力市场为基础的，可能是区域性的， 可能是全国性的，甚至是跨国的，如北欧电力市场。市场范围的扩大在保证规模 经济的同时，限制了电力企业的市场势力，使电力市场有可能更加接近一般商品 市场。 ， 西方发达国家开放电力市场时多数都有很大的富余容量，降低电力生产成本 以降低电价的压力是很大的。改革后，电力市场参与者在价格信号的指挥下变得 更有效率。电力市场的开放总得来说提高了运营效率和效益。自英国之后，很多 其它西方发达工业国家，包括北欧四国、美国、澳大利亚、新西兰、德国、西班 牙、法国、奥地利、荷兰、比利时等国也纷纷推进电力工业市场化改革，进行电 力工业结构重组，建立电力市场。 各国电力体制改革都有一个共同的目标：竞争。从经济效率的角度，最优的 电价应出自竞争性的，具有大量不相互勾结的厂商和进入壁垒最小的市场。竞争 性电力市场电价应随时反映市场供求的变化，并给予电力市场参与者新的资本投 资时机和强度的适当信号。在竞争的电力市场中，单个企业对电价不应该产生显 著影响，而应是价格的接受者，这样厂商具有最大动机以最小的成本生产电能， 并且只能在拥有竞争对手无法立即模仿的降低成本的革新技术时才能拥有超额 第一章绪论 利润，从而提高整个行业的竞争力和活力，提高效率，降低电价。 经过2 0 世纪9 0 年代以来十多年的发展，经济合作发展组织( o e c d ) 成员国几 乎已经全部决定进行电力改革n4 】，中国、印度等发展中国家也已经在某种程度上 迈出了电力体制改革的步伐，世界电力工业结构已经发生了深刻的变化。这场变 革影响深远，从根本上改变了电力工业的组织、结构和运营。实践证明，把竞争 这个社会发展的根本动力引入电力生产和销售环节是可行的，显著的效果是电价 的下降以及电力资产利用效率的提高。 尽管各国由于历史背景及电力工业结构不同，电力市场化改革的范围、方案 各异，但都是通过对电力行业中可能的环节开放竞争来实现的，特别是在发电和 零售环节n 3 “蚴k 目前，各国已对竞争性电力市场模式达成了基本共识，就是 在发电和配电端建立竞争性电力市场，发电商在批发电力市场中竞价上网，用户 自由选择配电或售电商，对自然垄断的输电环节，则仍保持垄断格局，实行政府 监管。但是，各国电力市场的运营模式及改革历程各异，电力工业结构、改革的 时机和所处的发展阶段不同，遇到的问题、改革的效果也各有不同。从实践来看， 只有有效设计的电力市场才能达到改革的预期目标，如北欧四国、美国p j m 、英 国n e t a 电力市场取得了成功，而美国加州电力市场由于缺乏有效设计的改革方 案，并未带来降低电力价格的效果，反而加剧了电价的波动，甚至带来灾难性的 后果瞳1 2 引。从图1 - 1 中可以看出欧美发达国家或地区电力市场化改革的基本脉络。 ! 丝! 里竺! 里望呈皇垄主望 1 9 粥年加州c 皿疆屯力市场 l ! ! 竺兰皇兰些皇皇童室 1 9 鲫年钲皆6 】屯力市场( 1 n 强0 ) 年拖囡屯力市场c l 豫臣烈) 菰露覆鼋需丽而 2 肄_ f 占围电力市场f p , ：m m e x t ) 2 0 年哽吐和i 七乜力市场( e z a a ) 0 1 年宅丈审i 电力市场( 磁) 2 6 年比审i 叶屯力市场 【b e 垂旺) 1 9 图1 1 欧美国家或地区电力市场化改革的基本脉络 一年一一”一 一，o l i l _ 一鲫一 一的一 第一章绪论 在已经成功实施电力市场化改革的国家，其电力市场都具有以下共同特点 2 4 | ： l 、电力市场从根本上改变了原有管制体制下的电价形成机制。在竞争性电 力市场中，电价不再由监管部门根据发电成本核定，而是通过市场竞争确定，实 时反映了电力供需的变化。在电力市场化改革中，电力市场和竞争性电价形成机 制的建立是关键； 2 、电力投资市场开放，首先在发电侧引入竞争，独立发电商大量出现，在 一些区域开始出现活跃的电力国际贸易。供电领域逐步实现开放，先从大用户， 最后到所有用户都可自由选择供电商；输电网垄断经营，挖掘和发挥其自然垄断 的规模经济潜力； 3 、在电力交易形式上，现货和远期交易并举，物理性和金融性合约共存， 场内和场外交易的电力衍生产品开始出现； 4 、使用经济和法律手段调度市场，摈弃简单命令式的调度方式，实施有限、 有效而严格的监管。 1 1 2 电力商品及其价格的特点 电力是一种非常特殊的商品，具有其他绝大多数商品不具备的一系列特点。 1 1 2 1 无形性、不可存储和实时平衡性 电力是无形的能源，其生产和消费必须依靠现代技术手段。电力和天然气、 石油等其它能源商品的最主要区别是电力一旦发出，就无法经济地大规模存储， 在技术上，目前仍没有有效的方式大规模储存电力，相对最有效的方式是建设抽 水蓄能电站，但效率仅约为7 0 。因此，电力生产和消费必须同时进行，没有储 备平抑现货价格，而其它能源商品均可以不同的形式存储，现货电价几乎完全取 决于区域电力市场的电力实时供需。在大多数发达国家，如法国( 核电占绝大多 数) 或德国( 火电占大多数) 的电力系统中，由于核电机组不能随时启停，火电 从停机到带负荷也需要一定的时间，系统应对负荷突然增加需要一定时间，对电 力市场的实时供需平衡具有显著的影响1 。电力的不可储存性意味着电力系统中 的生产和消费必须实时平衡，电力在发出的同时被消费。因此，竞争性电力市场 中，实时电价由特定时刻、地点的供需决定，例如有必要按照用电时间进行峰荷 和基荷电力的划分。 。挪威电力系统可以说是个例外，由于超过9 9 的发电能力都是水力发电，可以认为电力在某种意义上是可 以存储的，这在某种程度上促成了北欧电力市场的成功。 第一章绪论 电力的不可存储性是导致大多数以现货电力为基础资产的电力衍生产品无 法采用无套利定价方法定价，而采用绝对定价法的根本原因。 l1 。2 2 转运受限 与越来越全球化的传统金融和商品市场不同，电力市场是地理分割的。电力 输送必须依靠电网实时进行。即使在现代技术条件下，任意点到点的大规模远距 离输电也不是总是可行的，电网并不具备无限制的输电能力，受物理规律的约束， 线路过载会导致跳闸或故障，与输电相关的损耗也是必须考虑的问题。因此，大 规模远距离电力转运要么是由于高昂的输电价格而不经济，要么是由于电网输电 能力的限制根本不可能，电价与地点密切相关，不同地点的电力是有区别的，相 互之间不能替代，电力市场往往具有区域性的特征，不同区域市场的电价之间会 有一定的差异。 在竞争性电力市场中，负责监督和管理电网的是独立系统运营者( i s o ) 。为 了保障电网的稳定运行，i s o 有时需要将整个电网分为多个不同的价格区，为电 力市场参与者提供避免电网发生阻塞的经济动机。 基于电力商品不可存储和转运受限的特点，电力是一种特殊的流商品( f l o w c o m m o d i t y ) ，其他金融或商品市场中常见跨空间和时间的套利活动很难进行。 1 1 2 3 需求缺乏弹性，且与天气等外部因素密切相关 由于电力在现代生产和生活中的极端重要性，大多数电力用户与供电商签署 固定价格的长期供电协议，用电需求很少会对短期电价作出反映，一般是缺乏弹 性的，短期电力需求曲线接近一条垂直的直线。此外，电力需求与天气等外部因 素密切相关，存在突然大幅度变化的可能，在很大程度上存在随机性。电力系统 运行中的各种偶然因素，包括无法预见的发电机组停机、外部事件如突发需求导 致的容量短缺或负荷尖峰等都可能引起供需失衡和电价飞升。 1 1 2 4 陡峭的供应曲线 由于电力工业技术上的特点，在大多数电力市场中，发电组合中边际机组的 发电成本增长很快，在接近最大发电能力时，电力供应曲线的右端通常变得非常 陡峭。陡峭的供应曲线和弹性较小的需求相结合，导致在竞争性电力市场中，即 使是很小的需求波动或机组故障也可能导致电价的大幅度变化。图l 一2 显示了当 德国电力市场中需求上升，或者若干台核电机组发生故障停机后供应和需求曲线 的移动以及由此引起的均衡电价变化的情况。 第一章绪论 图1 2 德国电力市场供应曲线伫5 3 及供求平衡 在竞争性电力市场中，电价的波动性远远超过股票、石油、天然气等金融或 商品市场价格波动涵3 。大量文献研究发现，竞争性电力市场中的电价具有以下特 点2 7 3 利： 1 1 - 2 5 周期性 受用电负荷的周期性变化、天气以及其他外生周期性变量的影响，电力是所 有商品中价格周期性最明显的，电价与用电负荷的周期性变化之间呈现显著的相 关关系，最明显的表现为季节性( s e a s o n a l i t y ) ，其次为受周末影响产生的周周 期性和一日之内的周期性。 1 1 2 6 区域性 与越来越全球化的金融市场不同，电力市场是区域化的，受输电能力的 制约，电价具有区域性。即使在公认最成功的北欧电力市场，在不同的国家 之间，甚至是同一个国家的不同地区之间，也存在不同的区域电价。如果一 个地区存在输电阻塞，电力不能与外界进行交换，或者交换的数量受到限制， 则区域电力市场的供求会受到影响，直接导致该区域的电力价格与其他区域 不同。 1 1 2 7 均值回归 大