（控制理论与控制工程专业论文）考虑提前通知的可中断负荷管理.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的发展，电力负荷的需求也在不断增加，出现了负荷率下降， 峰谷差价大，为电网调峰及经济运行带来困难。可中断负荷管理正是针对以上 问题较好的调节措施。它的管理运行可以等效为系统备用容量的增加，并且能 够平稳系统负荷，抑制价格尖峰。 首先，本文对负荷管理方法及分类、可中断负荷的模式以及可中断负荷的 成本进行了研究，发现提前通知时间对可中断负荷成本有很大的影响。与临时 中断供电相比，提前通知用户中断供电可以让其为将来的缺电提前做好准备， 从而减少将来中断供电的损失。 其次，采用金融期权理论，给出了提前通知中断选择在可中断负荷合同模 型中的计算方法，并着重分析了电力公司有关如何选择提前通知中断或临时中 断的合理决策方法。算例仿真表明，对于不同停电损失特性的用户，电力公司 会选择不同的中断策略。现货市场价格越高，用户被提前通知中断供电的可能 性越大，而且，提前通知中断时间的长短对中断决策具有重要影响。这些结果 表明了本文所述方法的合理性和有效性。 最后，通过对电力现货电价的特性分析，电价的几何布朗运动假设并不能 准确的描述电价的特性，选用均值回复模型与跳跃模型的复合电价模型充分体 现价格的尖峰特性和均值回复特性。利用蒙特卡罗模拟法，对考虑提前通知的 可中断负荷管理模型中，电力公司的最优中断决策、期权价格与合同价格进行 了仿真分析。 关键词：电力市场，可中断负荷，提前通知，中断决策，蒙特卡罗模拟 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n to fc h i n a , t h ee l e c t r i cl o a di si n c r e a s i n gm o r e a n dm o r e i tc a u s e sd e c r e a s eo ft h el o a dr a t e ，t h ei n c r e a s eo fp e a kv a l l e yd i s p a r i t y a n dm a k e st r o u b l e st op e a kt r a n s f e ra n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fe l e c t r i cn e t w o r k a st ot h e s ep r o b l e m s ，i n t e r r u p t i b l el o a dm a n a g e m e n ti sj u s tr i g h to p t i m i z a t i o n m e t h o d i t so p e r a t i o nc a nb ev i e w e da st h ei n c r e a s eo fs y s t e ms p a r ec a p a b i l i t ya n d k e e pe l e c t r i cl o a ds t e a d y - g o i n ga n dr e s t r a i nt h ep e a kp r i c e f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h em e a s u r e sa n ds o r t so fl o a dm a n a g e m e n t ， i n t e r r u p t i b l el o a dp a t t e r na n dc o s t ，a n dc a t c h e st h a tn o t i f i c a t i o nt i m eh a saf u l l i m p a c to nt h ei n t e r r u p t i b l el o a dc o s t e a r l yn o t i f i c a t i o no fc u r t a i l m e n tc a nr e d u c e c u s t o m e r s s h o r t a g ec o s ta sc o m p a r e dw i t ht h ec a s ei fc u r t a i l e dc l o s et od e l i v e r y s e c o n d l y , am e t h o d f o rm o d e l i n g e a r l yn o t i f i c a t i o n o fc u r t a i l m e n ti n i n t e r r u p t i b l el o a dc o n t r a c t si si n t r o d u c e du s i n gf i n a n c i a lo p t i o nt h e o r y e m p h a s i si s g i v e nt od e v e l o p i n gar a t i o n a la p p r o a c ht oi n t e r r u p t i o nd e c i s i o n - m a k i n go fw h e t h e r t h ei n t e r r u p t i b l el o a di sc u r t a i l e dw i t ha ne a r l yn o t i f i c a t i o no rc u r t a i l e dc l o s et o d e l i v e r yt i m e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wt h a t u t i l i t i e sw i l ls e l e c td i f f e r e n t i n t e r r u p t i o ns t r a t e g i e sf o rc u s t o m e r sw i t hd i f f e r e n ts h o r t a g ec o s tc h a r a c t e r i s t i c s t h e h i g h e rt h es p o tm a r k e tp r i c e s ，t h em o r ep o s s i b l ef o rac u s t o m e rt ob ei n t e r r u p t e d w i t ha ne a r l yn o t i f i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h en o t i f i c a t i o nl e a dt i m eh a sa ni m p o r t a n t i m p a c to nt h ei n t e r r u p t i o nd e c i s i o n - m a k i n g t h e s es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ov a l i d a t e t h er e a s o n a b l e n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d f i n a l l y , i na l l u s i o nt ot h es p o tp r i c et r a i t s ，g e o m e t r i cb r o w n i a nm o t i o nc a n t d e s c r i b et h es p o tp r i c ee x a c t l y b a s e do nm e a nr e v e r s i o na n dj u m pd i f f u s i o nm o d e l ， ah y b r i dp r i c em o d e lt a k i n gt h em e a nr e v e r s i o na n dp r i c ep i k e si n t oc o u n ti su s e df o r e l e c t r i c a lp o w e r o p t i m a li n t e r r u p t i o nd e c i s i o n m a k i n go fp o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e s ， o p t i o np r i c e sa n dc o n t a c t sp r i c e sa r ea n a l y z e di ni l mm o d e lw h i c hc o n s i d e r se a r l y v i 上海大学硕士学位论文 n o t i f i c a t i o nb ym o n t ec a r l os i m u l a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ，i n t e r r u p t i b l el o a d ，e a r l yn o t i f i c a t i o n ，i n t e r r u p t i o n d e c i s i o n m a k i n g ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：趔 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 2 0 0 0 年美国加州的电力危机事件，使得人们重新认识到电力系统需求侧 管理( d s m ) 在维持系统安全可靠运行方面的重要性。作为d s m 的重要组成部分， 可中断负荷管理通过电力公司与用户签订合同，实现在系统用电高峰或紧急状 态下，用户按合同规定中断或削减负荷，从而缓解系统供电紧张状况。随着世 界范围电力工业市场化改革的进行，可中断负荷管理正逐渐从传统的管制型行 为，转为参与者在市场环境下的一种自愿行为，而且也成为改善有限电力资源 社会利用效率的一种有效工具。在电力市场环境下，实施可中断负荷管理的重 要内容之一是设计合理的可中断负荷电价( 包括可中断负荷的经济补偿) ，其中 要体现使用户受益而激励其自愿参与，同时电力公司也应该从避免或减少昂贵 的旋转备用和满足负荷增长而需要的发电容量投资中，获得相应的经济效益。 更重要的是要体现使有限电力资源达到最有效利用的激励机制【l 弓】。 我国的电力工业长期处于垄断管制行业，缺乏在电力不足时切除负荷应给 予用户合理经济补偿的观念和相关理论研究。负荷管理大多数基于行政手段而 非经济手段，很少考虑用户的停电意愿和不同的供电可靠性及要求，使得有限 的电力资源难以达到全社会的最优分配。1 9 9 7 年1 月1 6 日国家电力公司成立， 标志着以“公司化改组、商业化运营、法制化管理为指导原则的电力工业改 革的正式启动。从1 9 9 8 年开始，确定山东、上海、浙江及辽宁、吉林、黑龙江 6 个电网为首批“厂网分开、竟价上网”的试点单位。2 0 0 0 年1 月，山东、上 海、浙江的发电侧电力市场相继投入商业化试运营，2 0 0 0 年6 月，东北三省区 域发电市场也正式启动，标志着我国进一步推进电力工业改革，以期形成统一、 开放、有序电力市场的开始。近年来，随着我国国民经济和人民生活水平的不 断提高，电网峰谷差也日益增大，尤其是高峰时期电力供应的紧张局面一时难 以得到有效的缓解。同时，我国电力工业的市场化改革也在积极推进。面对这 一状况，国家发改委于2 0 0 5 年4 月发出通知，要求各地主管部门加强电力需求 侧管理，特别是要求研究制定可中断负荷电价、高可靠性电价等新的电价形式， 加快建立强化需求侧管理的有效机制，从以行政手段为主向以市场经济手段为 上海大学硕士学位论文 主转变，从以移峰填谷为主向提高社会经济效率为主转型4 卅。 可中断电力合同又叫可选择电力合同，它是一种具有期权( o p t i o n ) 思想的 电力远期合同，它是由电力公司与用户或者独立发电商( i n d e p e n d e n tp o w e r p r o d u c e r s ，i p p ) 之间签订的可中断远期协议，在系统出现供需不平衡时，电力 公司有权减少用户的部分用电需求或拒绝i p p 的部分供电，从而调动负荷弹性， 降低由于电价波动引起的金融风险，减少系统昂贵的旋转备用和发电容量投资。 期权是一种金融衍生产品，它是指在特定期限内以事先商量的价格购买或者出 售某种商品的权利，期权买方需要付出一定的期权费来获得这种权利。在竞争 的电力市场中，电力成为一种普通商品，具备了衍生产品交易的需求和条件。 电力衍生产品的引入可以为电力商品提供价格保险，给市场参与者提供中长期 价格信息，有利于平衡电力供需，并在一定程度上引导电力消费和投资，是市 场参与者进行风险管理的主要手段。在适当的市场结构、交易制度和产品设计 下，电力衍生产品的交易将成为电力市场交易的重要组成部分【7 ，引。 在可中断负荷管理中提前通知时间对可中断负荷成本有很大的影响。本论 文采用金融期权理论，研究具有提前通知选择的可中断负荷管理模型，在该模 型中，电力公司和用户签订合同( 协议) ，在系统供电紧张时，电力公司可以提 前或临时通知用户中断或削减其负荷。与临时通知的可中断负荷管理相比，实 施提前通知选择的可中断负荷管理更有利于降低用户的停电损失和电力系统的 安全稳定运行。在风险中性和无套利的条件下，利用8 1 a c k - s c h o l e s 期权定价 模型分析了电力公司有关如何选择提前通知中断或临时中断的合理决策方法， 以及模型中期权的定价和合同的定价，然后讨论了电价的特性以及电价的复合 模型，电价具有周期，均值回复以及尖峰跳跃等多种特性，所以采用复合模型 能够更好的描述电价的变化特性，并基于复合电价模型的蒙特卡罗模拟方法对 上述结果进行了再次的仿真分析。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 国内外相关理论的研究概况 1 2 1 可中断负荷管理的研究现状 可中断负荷( i l m ) 管理是电力负荷管理的一项重要措施，其方法是以电力企 业和用户签订合同( 协议) 的形式，当系统高峰时段电力供应不足时，电力公司可 以按照预先与这些用户签订的可中断电价合同暂时中断用户部分负荷，可中断负 荷与电力系统安全经济运行关系密切，它可以削弱电力市场中市场力的影响，可 以达到削峰填谷以及改善调峰形势的目的，可中断负荷的运行可以等效为系统备 用容量的增加，并且能够平稳系统负荷，提高电力系统运行的经济性和可靠性， 从而减少高峰时段电力需求，改善负荷曲线形状，延缓电厂建设，提高系统整体 经济效益。可中断负荷管理主要通过对用户进行电价刺激，使用户自愿参与可中 断负荷管理，所以可中断负荷电价及其相应的机制设计非常重要。 可中断电力合同是一种结合风险管理工具电力期权的电力远期合同，可有效 地管理电力负荷。可中断电力合同中所结合的电力期权为新型复合电力期权而不 是普通的期权。美国加州电力市场改革时引入可中断负荷合同，由独立系统运行 员( i s o ) 和用户按月签订负荷中断协议，以实际的中断电量和合同价格结算 9 , 1 0 】。 美国纽约电力市场使用可中断负荷管理更为灵活，用户不仅可与i s o 签订可中断 合同，还可以参与日前现货市场或运行备用市场【1 1 1 。加拿大a l b e r t a 电力库( p o w e r p 0 0 1 ) 则采用拍卖的方法，能提供1 m w 和1 m w 以上负荷削减的用户上报削减负 荷和价格，电力库和报价成功的用户按月签订固定补偿价格合同，并根据运行情 况决定负荷削减方案【1 2 】。文献 1 3 1 考虑利用可中断负荷合同作为系统的旋转备 用，提出了构建可中断负荷合同市场的框架。但该文算例分析表明，可中断负荷 合同市场中依然存在用户的市场力问题，即用户策略性报价问题，而不能实现有 限电量的经济利用。文献 1 4 1 6 i 开究了市场环境下能激励用户披露真实缺电成本 的可中断负荷合同的设计。 文献 1 7 2 5 对可中断负荷管理的方法，可中断负荷的补偿机制，激励机制以 及可中断电力合同进行了研究。可中断负荷管理在许多国家已经得到了广泛的应 用，并取得了较为可观的调荷效益，电力企业和用户都可从中获益。如韩国采用 全国g d p 总用电量和某产业g d p 该产业用电量来估算停电损失，从而确定可中 3 上海大学硕士学位论文 断负荷电价的宏观经济方法：香港地区利用已知信息，如以前的停电损失、通货 膨胀率、税率等来预测以后停电损失，确定可中断负荷电价；英格兰一威尔士电 力市场于19 9 5 年就率先采用需求侧报价d s b ( d e m a n ds i d eb i d d i n g ) 形式，大的工 业用户可以在日前电力市场对削减的负荷容量进行报价。 在我国，可中断负荷管理和可中断负荷电价的研究工作刚刚起步，而考虑提 前通知的可中断负荷管理还没有相关的研究成果。我国工业用电占全社会用电量 的7 0 以上，全国性缺电局面尤其是峰荷缺电力现象更是在近几年显得非常突 出，故我们更应该借鉴国外成功经验，研究和实施符合我国实际的可中断负荷方 式。对于可中断负荷的实施，电力公司是主导方，然而用户有权选择不参与或者 不配合。如何调动用户的主动性，积极和电力公司配合共同参与可中断负荷管理， 首先需要解决可中断负荷的机制设计问题，也就是要设计出科学合理的可中断负 荷管理模型。目前可中断负荷的几种典型模型为：( 1 ) 基于动态潮流优化的可中 断负荷管理模型( 2 ) 备用辅助服务模式的可中断负荷管理模型( 3 ) 基于远期合 同的可中断负荷电价模型( 4 ) 激励相容的可中断负荷管理模型。我国现行的峰 谷电价缺乏灵活性，有明显不足之处，而可中断负荷电价是通过电力企业与用户 签订合同来确定，既符合市场经济的客观要求，又具有很强的灵活性，所以研究 可中断负荷管理有着很大的现实意义。 1 2 2 电力市场的组织结构，交易类型与交易模式 目前各国电力工业商业化运营的相同之处是厂网分开，但输电网服务这一 部分的商业化运营机制各不相同，而这正是各国电力市场最具特色的部分，也 是电力市场不同于其他商品市场的关键部分。输电网服务要素主要包括：( 1 ) 电力交易p x ( p o w e re x c h a n g e ) ，p x 的主要职能是提供一个电能供求双方交易 的场所。( 2 ) 独立系统运行人i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) ，基本职 能是对电力系统进行操作并对所有输电系统用户提供服务。( 3 ) 输变电设备拥 有者t 0 ( t r a n s m i s s i o no w n e r ) ，投资和维护输电设备，向所有电力交易方无 歧视地开放输电设备，并获得相应的使用费。( 4 ) 辅助服务a s ( a n c i l l a r y s e r v i c e ) ，提供输电系统支持服务以保证电力系统可靠运行。( 5 ) 发电协调 4 上海大学硕士学位论文 s c ( s c h e d u l e rc o o r d i n a t o r ) ，把电能供求双方撮合在一起，而不必遵从p x 的规 则。根据上述的五项输电职能，可以在电力市场形成5 种类型的机构，比如美 国的加州电力市场；也可以将其中一些职能结合起来形成较少类型的机构，比 如挪威将i s o 和t o 结合；英格兰将p x ，i s o 和t 0 结合i s , s 。 电力市场包括电力电量交易的能量市场( e n e r g ym a r k e t ) 、维护系统安全 可靠运行的辅助服务市场( a n c i l l a r ys e r v i c em a r k e t ) 和输电权( t r a n s m i s s i o n r i g h t ) 市场。其中能量交易市场中的交易量较大，其交易方式按照交易时间的 先后通常分为合同交易、现货交易和实时交易三种。 ( 1 ) 合同交易，在电力市场开放初期，如采用“n + i 的单一买方的电力 市场模式，作为单一买方的电网运营企业担负着保证向用户供电的义务。为避 免供电时电价急剧上升的风险，它一般与发电公司签订很大数量的长期合同。 随着市场的发展与完善，这种长期合同最终由市场决定的双边或多边的远期合 同交易( f o r w a r dc o n t r a c t ) 和期货合同交易( f u t u r ec o n t r a c t ) 所取代。 ( 2 ) 现货交易，现货交易是指目前( d a y - h e a d ) 市场的电能交易，即按照发 电机组的报价，提前l 天确定的第二天的发电计划。现货交易目前主要采取两 种方式：一种是将长期合同看成是一个经济合同而非物理合同，在编制第二天 的发电计划时，按照各发电厂的申报编制交易计划。如果交易计划与长期合同 不一致，采用经济手段进行补偿；另一种方式是将长期合同看作物理合同，长 期合同确定的电量在现货市场首先安排，其余部分作为交易电量编制计划。 ( 3 ) 实时交易，实时交易是指在交易日的实时确定的发电计划，可以作为 合同和现货交易的补充。由于电力工业的特点，要求发电与负荷实时平衡。然 而，由于存在负荷预测误差及系统运行状况的变化，提前一天编制的发电计划 与实际的负荷需求间存在差别，需要实时调整发电计划，起到平衡发电与负荷 的目的。 各国电力工业发展的程度不同，且在改革的不同时期，对电力市场有不同 的组织形式，由此而形成了不同的电力交易模式。电力市场的交易模式通常按 能量市场的组织形式定义，按市场开放程度或改革的不同进程，主要有三种交 易模式。 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 库联营( p 0 0 1 ) 模式，也称为单一买方或“n + i ”模式，适合于只开 放发电侧的电力市场。在该模式下，用户购电、发电商售电都与由独立运行人 ( i s o ，i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 和交易中心( p x ，p o w e re x c h a n g e ) 的组合体( 即电力联营体) 进行交易。发电商向联营体报价，联营体作为唯一 的购买者，收集各参与者的投标，然后按统一原则评标，确定系统定价和完成 输电服务。 ( 2 ) “库联营+ 双边交易模式。该模式在库联营的基础上增加了配电公司、 大用户与发电商之间的双边交易，双边交易通常采用远期合同交易的方式。该 模式给予电力需求侧选择权，提高了负荷对市场价格的响应，有利于提高市场 竞争。 ( 3 ) “双边+ 多边”交易模式。双边( b i l a t e r a l ) 模式是指发电公司和用户 可独立、直接地签订协议进行电力交易，然后向电力公司支付转运费( w h e e l i n g ) 的交易方式。双边模式扩大了用户的选择权，能够最好地实现用户直接、自由 地选择供应商的目的。多边( m u lt il a t e r a l ) 模式是双边模式的扩展，有两个 以上的交易者。 由于库联营模式只要求发电侧分离，工业结构的变动小，利于平稳过渡； 能保持负荷跟踪、运行备用等辅助服务，保证系统的安全可靠运营，故适用于 电力市场改革处于起步阶段的我国。但联营体垄断了市场的买卖，有可能造成 市场操纵，且用户没有选择权，市场竞争程度有限，因此随着我国电力改革的 进一步深入，“库联营+ 双边交易 模式正逐步展开。 1 2 3 期权在可中断负荷电力合同设计中的应用研究 作为风险管理的有效方法，远期( f o r w a r d ) 、期货( f u t u r e ) 和期权( o p t i o n ) 等现代金融衍生工具在电力市场合同交易中的应用日趋普遍。不论是在国内还 是国外，电力工业结构重组和解除管制在引导电力工业市场化运营的同时，也 使得各个市场主体面临着前所未有的市场风险，特别是市场价格波动的风险。 电力期权是有效的电力价格风险管理工具。文献 2 6 ，2 7 运用电力期权进行 6 上海大学硕士学位论文 市场参与者的风险管理。电力看涨期权可以规避购电商电力价格上涨的风险， 同时保留了购电商在电力市场价格低于期权敲定价时，以市场价购电从而降低 购电成本机会。电力看跌期权可以规避售电商电价下跌的风险，同时保留了电 力市场价格高于期权敲定价时，以市场价售电的机会【2 引。电力期权有多种交易 策略，如差价期权( s p r e a d s ) 策略和跨式期权( s t r a d d l e ) 策略等。差价期权 策略是指同时持有多个看涨期权或多个看跌期权，跨式期权策略则同时持有相 同敲定价和到期日的电力看涨期权和电力看跌期权的多头。运用电力期权可以 为电力市场参与者构造各自所需的损失一收益状况。 可中断负荷的选择权可以看作电力期权，通过对电力期权的定价从而为这 些选择权给出合理价格，能够推动电力市场的稳步发展。可中断负荷是电力负 荷侧管理的一项重要内容，其实质是赋予系统调度在特定情况下中断部分负荷 的权利以保证系统安全运行。但在市场环境下，削减负荷应当是用户的自愿行 为，可以看作是用户将中断负荷的权利以适当价格卖给调度，所得收益作为对 用户切负荷造成损失的补偿。文献 2 8 首先认为中断负荷的权利可作为简单的 看涨期权，文献 2 5 则进一步认为是复杂的障碍期权。电力市场上的多种远期 合同可以看作是结合电力期权的可中断负荷电力合同。文献 2 9 3 2 分别介绍了 给予电力公司在现货电价较高时中断用户供电的单边可选择远期合同；给予电 力公司在现货电价较低时拒绝接受独立发电商供电的单边可选择远期合同；给 予合同卖电方在高现货电价时中断买方供电，而卖电给市场的权利，同时给予 买电方在低现货电价时拒绝接受卖电方供电，而到市场上去买电的权利的双边 可选择电力远期合同等结合期权思想的电力远期合同。这些研究说明了期权交 易具有较好的灵活性和多样性，结合期权交易思想的可选择远期合同在控制电 力交易风险，提高系统运行的稳定性，进行可中断负荷管理，使参与者回避不 利情况下的利益损失等方面具有明显的优点。 7 上海大学硕士学位论文 1 3 本论文的研究内容及主要贡献 随着我国电力市场改革进程的进一步深入以及大批新增发电机组的投入运 行，可中断负荷管理在国内外已经有不少专家学者进行了研究。本课题从提前 通知中断的角度进行进一步研究。 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了文章研究的 理论基础，包括电力期货与电力期权的概念和交易方式，电力金融市场的作用， 目前存在几种常见的可选择电力远期合同以及结合新型期权的可中断负荷电力 合同的理论基础。第三章首先对电力负荷管理做了一个概括的总结说明，紧接 着分析研究了可中断负荷管理的模式，可中断负荷成本，尤其提前通知时间对 可中断负荷成本的影响。第四章是本论文的核心部分，对考虑提前通知的可中 断负荷管理模型进行了详细的论述，然后给出了电力公司的最优中断决策。在 假设电价服从几何布朗运动的条件下，对电力公司的最优决策，可中断负荷合 同中的期权价格和合同价格进行了仿真分析。第五章，首先对电价的特性进行 了分析，研究表明复合电价模型更加符合电价的特性变化，然后采用复合电价 模型，基于蒙特卡罗模拟对考虑提前通知可中断负荷模型中电力公司的最优决 策，合同中期权定价以及合同定价再次进行了分析研究。最后第六章总结全文。 8 上海大学硕士学位论文 第二章电力市场基本理论和概念 2 1 引言 市场是某种物品或劳务的一群买者和卖者。电力市场就是进行电力及相关 服务交易的一群买者和卖者，这些相关服务包括输电服务、运行调度服务，及 一系列其他的辅助服务如自动发电控制( a g c ) ，无功电压控制，等等。电力市 场是在电力系统中引入市场这种资源配置方式，使电厂与电网，电网与用 户之间由原来的供、用电关系，转变成为一种以价格为基础的买、卖电能的关 系。电力市场的本质是在电力工业内部引进竞争机制，促进电力公司生产与发 展的良性循环。 电力市场由电力现货市场和电力金融市场两部分组成。电力现货市场包括 日前竞价市场、实时平衡市场以及电力远期合同市场。电力现货市场交易的特 点是交易对象为电力，交易目的也是电力的物理交割，因此可以将电力现货市 场的交易方式称为电力现货交易。电力现货市场针对的是电力的生产、传输和 销售，由电力市场调度交易机构负责电力现货市场的调度和结算，电力现货市 场属于电力市场规则的监管范畴。电力金融市场则是电力现货市场的金融衍生， 参照期货、期权交易的基本原理进行电力期货、电力期权等电力金融衍生产品 的交易。电力金融交易可以在政府批准的证券交易所进行，电力金融交易不属 于电力市场规则监管。 健全的电力市场不仅需要电力现货交易市场，如日前市场和远期合同市场， 而且需要电力金融市场，包括电力期货市场和电力期权市场。电力期货不仅可 以弥补电力现货风险，更重要的是电力期货价格是一种重要的市场信息，可以 指导电力开发商决策电力投资。电能交易的巨大风险推动了电力期权市场的形 成，尽管电力期权是复杂的电力衍生工具且难以定价，但由于其特有的风险管 理特点，即可同时对电量和电价进行保值，所以电力期权交易在电力交易中扮 演着重要的角色。 9 上海大学硕士学位论文 2 2 电力金融市场概述 2 2 1 电力期货交易简介 期货合同( f u t u r e sc o n t r a c t ) ：买卖两个对手之间签订在将来一个确定时间按 确定的价格购买或出售某项资产的协议。期货合同是在远期合同标准化后形成 的，2 0 世纪7 0 年代后期开始出现了简单的期货合同，之后期货交易便迅猛发 展，很多有价证券和商品均有对应的期货交易，2 0 年后电力市场也出现了电力 期货。期货交易不以交割实物为主，其作用可概括为价格发现和风险规避，其 中风险规避的主要策略为期货的套期保值。期货持有者称为多头，期货售出者 称为空头。期货的平仓就是从事一个与初始期货交易头寸相反的头寸。 与普通商品相比，电力的最大特点是不能有效存储，而且由电力网络连接 的发电和用电要求实时平衡。因此，电力期货明确规定了电力期货的交割时间、 交割地点以及交割速率。此外，物理交割期货必须在期货到期前数日停止交易， 使系统调度有足够的时间制定包括期货交割的调度计划【_ 7 1 。 表2 1 电力期货的分类 t a b l e2 - 1s o r t so fe l e c t r i c i t yf u t u r e s 交割方式金融结算期货，物理交割期货 交割的时段峰荷期货和基荷期货 电力期货是指在将来的某个时期以确定的价格交易一定电能的合同。现在 已有多种电力期货因如电力市场中，如表2 - 1 所示电力期货的分类。电力期货 已经在多个国家得到应用，如表2 2 所示是各国应用电力期货的类别，停止交 易日，以及引入电力期货的时间等。 1 0 上海大学硕士学位论文 表2 2 各国电力期货的应用情况 t a b l e2 - 2a p p l i c a t i o n so fe l e c t r i c i t yf u t u r e si nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 期货种类 停止交易 电力市场按交割时按交割期按交割交易所 日 段长短方式 引入 时间 日期货、周 北欧( 挪威、 到期前最 期货、月期金融结奥斯陆证 瑞典、丹麦、基荷期货后一个交 1 9 9 5 货、季期算期货券交易所 荷兰)易日 货、年期货 2 2 2 电力期权交易 期权c o p t i o n ) 是指在未来一定时期可以买卖的权力，是买方向卖方支付一 定数量的金额( 指权利金) 后拥有的在未来一段时间内( 指美式期权) 或未来某 一特定日期( 指欧式期权) 以事先规定好的价格( 指敲定价格) 向卖方购买或出 售一定数量的特定标的物的权力，但不负有必须买进或卖出的义务。期权交易事 实上是这种权利的交易。买方有执行的权利也有不执行的权利，完全可以灵活选 上海大学硕士学位论文 择。期权分场外期权和场内期权。场外期权交易一般由交易双方共同达成。 期权是在期货的基础上产生的一种金融工具。从其本质上讲，期权实质上是 在金融领域中将权力和义务分开进行定价，使得权力的受让人在规定时间内对于 是否进行交易，行使其权力，而义务方必须履行。在期权的交易时，购买期权合 同的一方称作买方，而出售合同的一方则叫做卖方；买方即是权力的受让人，而 卖方则是必须履行买方行使权力的义务人。 按执行时间的不同，期权主要可分为两种，欧式期权和美式期权。欧式期权， 是指只有在合约到期日才被允许执行的期权，它在大部分场外交易中被采用。美 式期权，是指可以在成交后有效期内任何一大被执行的期权，多为场内交易所采 用。 一般来说，期权合同中应包含以下主要内科5 , 3 3 】： ( 1 ) 期权的买方( t a k e r ) ：购买期权的一方，即支付期权费，获得权利的一 方，也称为期权的多头。 ( 2 ) 期权的卖方( g r a n t e r ) ：出售期权的一方，获得期权费，因而负有接收 买方选择的义务，也称期权的空头。 ( 3 ) 期权费( p r e m i u m s ) 又称权利金，买方为获取权利向卖方支付的费用， 它是期权合同中的唯一变量，相当于期货合同的价格。其大小取决于合同的性 质到期月份及敲定价格等。期权双方的权利和义务是不对等的，但期权费平衡 了这种不对等关系。 ( 4 ) 敲定价格( s t r i k e ) ：也称协定价格或执行价格，即事先确定的标的资产 或期货的交易价格。场内交易的敲定价格由交易所根据标的资产的价格变化趋 势确定；场外交易的敲定价格由买方和卖方商定。 ( 5 ) 提前通知日( d e c l a r a t i o nd a t e ) ：当期权买方要履行权利时，他必须在 预先确定的交货或提运之前通知卖方。 ( 6 ) 、履约保证金。期权卖方必须存入交易所用于履约的财力担保。 ( 7 ) 、看涨期权和看跌期权。看涨期权，是指在期权合约有效期内按执行价 格买进一定数量标的物的权利；看跌期权，是指卖出标的物的权利。当期权买方 预期标的物价格会超出执行价格时，他就会买进看涨期权，相反就会买进看跌期 权。 1 2 上海大学硕士学位论文 电力期权交易按期权交易方向的不同可以分为电力看涨期权( c a l lo p t i o n ) 和电力看跌期权( s t r i k eo p t i o n ) 两种【3 4 3 5 1 。电力看涨期权又称为电力认购期权， 即持有人有权在约定日期或此前以特定价格向电力期权出售者买入电力商品的 权利。一般来讲，电力期权购买者买入电力看涨期权，是因为他们预计电力商品 的市场价格将上涨。买进电力看涨期权后便可以在电力商品价格上涨后依旧以较 低的期权规定的执行价格购买电力期权卖出者手头持有的电力商品或者电力期 货，从而避免市场价格上涨所带来的损失，同时可以在电力价格实际下跌时放弃 履行期权。电力看跌期权又称为电力认沽期权，其作用和定义正好与电力看涨期 权相反。 电力期权交易根据期权标的物的不同可以分为金融电力期权和实物电力期 权。金融电力期权是指以电力商品相关的金融性资产为标的资产的期权，电力期 货期权和金融输电权就属于电力金融期权。实物电力期权是指以实物性资产及其 使用权为标的资产的期权，电力现货期权及实际输电权就属于实物期权。 在后面的模型中，用到的是电力看涨期权( 欧式期权) ，下面我们来具体讨 论一下电力看涨期权的损益状况。 看涨期权买方的损益为： m a x ( p r k ，o ) 一p o ( 2 1 ) 看涨期权卖方的损益为： 一m a x ( p r k ，o ) + p o = m i n ( k p 7 ，0 ) + 风 ( 2 2 ) 其中k 为期权的敲定价；p r 为电能在双方约定时日的价格；p o 为期权的 价格。 1 3 上海大学硕士学位论文 损 益 p 0 0 。p o 卖方损益 k 入 一益 、 图2 1 看涨期权损益情况 f i g 2 1p r o f i ta n dl o s so fc a l lo p t i o n 如图2 - 1 所示，可以看出看涨损益的特点。期权买方的损益有下界一尸o ， 因为期权赋予持有者权利而没有义务，持有者只有在期权为实值期权的时候才 会执行该期权，否则他将放弃该期权，而损失其购买期权的成本风。这样看涨 期权持有者就可以锁定其损失的下限，而其收益可随电能价格的增长而增长， 理论上存在无限收益的可能性。相反，期权卖方的收益最大值为，其损失则 没有界限，看涨期权的空头估计在期权双方约定时日的期权价格将不会超过敲 定价k ，因此卖出看涨期权以获取期权的购买费。 期权价格主要由内涵价格和时间价格两部分组成，内涵价格是期权买方履 行合同可获得的收益，它反映了期权合同敲定价格k 与标的资产市场价格p t 之 间的关系。 对于看涨期权而言：内涵价值= m a x ( p t k ，0 ) ( 2 3 ) 对于看跌期权而言：内涵价值= m a x ( k - - 1 ) t ，0 ) ( 2 - 4 ) 期权的时间价值对期权买方来说反映了期权内涵价值在未来增值的可能 性。通常，期权有效期越长，期权的时间价值越大。 2 2 3 电力金融市场的基本作用 与其他大宗商品市场一样，完整的电力市场也包括电力现货市场和电力期 1 4 上海大学硕士学位论文 货市场两部分。而电力金融市场又包括电力期货市场和电力期权市场。电力金 融市场是电力现货市场的完善与补充，能够吸引广泛的市场参与者，增强电力 市场的竞争性，以发现市场真实的现货价格，并且能够为现货交易提供可靠的 风险控制。 电力金融市场的作用可以概括为以下几点： ( 1 ) 有利于发现电力的真实价格。期货价格是规范的期货市场内市场参与 者基于众多信息拍卖得到的，该价格具有权威性，同时也能反映将来的市场供 求关系，是现货市场的指示性价格。 ( 2 ) 为市场参与者提供风险管理工具。电力期货可通过套期保值等方式控 制市场价格风险，电力期权则可同时规避电量和电价的风险，而且可通过电力 期权交易策略构造所需的损失收益状况，具有很大的灵活性。 ( 3 ) 电力金融市场能够吸引大量的市场参与者，不仅包括发电商、购电商 等电力行业成员，还包括金融市场的大量投机商。众多的参与者增强了市场的 流动性，有利于电力市场的公平和高效竞争。 ( 4 ) 通过电力金融市场控制市场风险，有利于吸引投资，以保证充足的电 力供应。 ( 5 ) 平抑发电商现货市场的投机行为，稳定现货市场电价，有利于市场的 稳定性。 电力金融市场能够高效的控制市场风险，促进电力市场的稳定。结合金融 市场和电力现货市场的北欧区域市场和美国p j m 等电力市场的成功，也证实了 电力金融市场的作用。我国正处于电力的市场化改革进程中，在设计市场框架 和交易机制时，学者们普遍认为引入电力期货和电力期权等电力金融工具是必 要的 8 , 3 6 - 3 7 】。 2 3 电力市场中的远期合同交易 期权交易具有较好的灵活性和多样性，结合期权交易思想的可选择远期合 同不但能使参与者回避不利情况下的利益损失风险，而且可以保留在有利情况 下的获利机会。电力市场中常见的可选择远期合同主要有以下几种： ( 1 ) 电力差价合同 1 5 上海大学硕士学位论文 一般适用于电力市场的联营体( p 0 0 1 ) 交易模式，由于其形式简单、易于理 解和操作，因而在英国、澳大利亚等国家的电力市场中得到了广泛使用。差价 合同有两种类型，即单( o n e w a y ) 差价合同与双向( t w o - w a y ) 差价合同。 ( 2 ) 用户和电力公司之间可选择的远期合同 用户：电力公司： 买入一个远卖出一个远 期，买入一期，卖出一个 或多夕 个看涨期权看涨期权 电价 图2 - 2 用户与电力公司之间可选择远期合同的权利和义务 f i g 2 - 2c o n t r a c t u a lo b li g a t i o n s ，p a y m e n t sa n dc h o i c e si na no p t i o n a l f o r w a r dc o n t r a c tb e t w e e nc o n s u m e r sa n du ti 1 itie s 如图2 - 2 所示，用户与电力公司可选择远期合同交易双方的权利和义务。该 合同需规定2 个价格，即合同电价和中断电价，当合同交货时的市场价格低于中 断电价时，则电力公司供电给用户；当合同交货时的市场价格高于中断电价时， 则电力公司不供电给用户，而支付给用户中断电价( 相当于一种违约金) 。用合成 期权的思想来解释，用户买入一个远期、卖出一个看涨期权，其合成期权相当于 卖出一个看跌期权；而电力公司卖出一个远期、买入个看涨期权，其合成期权 相当于买入一个看跌期权。这种合同使得电力公司既回避了市场降价风险，又保 留了市场涨价时的获利机会( 把电以高于中断电价的价格卖给市场，从而获取差 价利润) 。而用户要么得到供电，要么获得中断电价( 其最优选择是用户的单位用 电价值) 的支付，即无利益损失风险，同时还获得相当于期权权利金的收入( 一 般合同电价低于中断电价) 。 对于电力公司来说，这种可选择的供电合同可等效为一种“电力资源，即 把中断电价视为该“电源的发电成本，把中断供电的可能性视为该“电源”的