（电力系统及其自动化专业论文）电力市场中供电企业购电决策及风险管理的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力市场中供电企业购电决策及 风险管理的研究是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导9 i 口- t r 导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学 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 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名：蠹乏妇 日 期：丝查：1 2 ：独 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：望己酗导师签名：臣亚茎 日 期：艘昱：i 王：2 0 日期：兰坚兰：竺 华北电力大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 从2 0 世纪8 0 年代开始，世界上许多国家陆续进行了电力工业的市场化改革， 其主要目标是打破传统电力工业垄断运营的模式，厂网分开，开放电网，实现竞争， 进而降低发电成本，提高服务质量，促使电力工业健康发展。1 9 8 0 年以来，我国也 逐步推进了电力市场化改革。电力工业由传统的发、输、配垂直一体化的垄断运 行逐步向竞争运营转变，将电力运行模式解捆为多个发电实体、独立输电系统和多 个配电服务实体。这一改革就是要将电力工业纳入市场经济框架，充分引入竞争， 通过市场竞争来实现资源的优化配置，提高效率，降低成本，优质服务，合理规划， 促进电力工业的长期持续稳定地发展。 世界各国都在逐步解除对电力工业的管制，建立相应的电力交易市场。在电力 市场环境下，发电上网电价、批发电价和零售侧电价较解除管制前有了很大变化， 电价以市场竞价方式来确定，将不可避免地导致市场价格波动。另外，由于电力商 品的特殊性，其需求弹性很小、不能大量存储且传输受到输电线路输电能力的限制， 使电价易受电力供求关系的影响，产生剧烈波动，有时1 日内的峰谷电价相差好几 倍。电力市场价格的这种高度波动性是电力市场中风险产生的主要因素，尤其是在 缺电的情况下，它会导致电价的飞升。因此，供电企业必须采取适当的风险管理措 施来保障其在市场交易中的收益。北欧、美国等国在实现电力市场化改革后，相继 推出了电力期货市场，其目的就是利用期货的套期保值功能来降低价格波动所带来 的巨大风险。我国目前还没有电力期货，为实现套期保值功能，可考虑供电企业采 取和竞价上网发电厂签订长期双边期约合同，对供电企业和发电商双方均可起到很 好地规避价格风险的作用怛j 。 随着电力工业改革的深化，供电企业正逐渐转变为独立的经营实体一供电公 司，如何实现其自身的收益最大化是供电企业现在或即将面临的问题。通常，供电 公司从一个开放的电力市场中购买电量，该电力市场一般存在着一个类似于期货交 易的远期市场和一个类似于现货交易的实时市场。供电公司要从这两个市场中组合 购买用户所需的电量，但这两个市场的价格及其变化情况通常是不相同的。因而， 供电公司可以对两个市场中价格变化情况的历史资料进行分析，找到一个最优的购 电组合，使总收益最大而风险降到最低。对于供电公司来说，由于其需求电量很大， 因此其销售收益对电价变动非常敏感：同时其用电需求量也具有一定的不确定性。 因此，考虑供电公司的销售收益与风险时既要考虑需求量的不确定性又要考虑上述 的两个市场的价格及其风险。由于市场中有多个市场参与者买卖电力，任何一方的 l 华北电力大学硕士学位论文 策略都会对市场价格产生影响，但任何一方都不可以完全控制市场，所以两个市场 的电价都是随机变量。现在的问题是供电公司如何在两个市场中分配购电量，使总 收益最大而风险降到最低 3 - 6 。 目前，有关电力市场中竞争策略的研究多集中在发电和输电环节，而作为需求 侧的配电环节在市场环境下面临的技术经济问题却没有得到足够重视。2 0 多年的电 力市场运行实践已经证明：单纯开展发电领域的竞争，而忽略配电侧的竞争，不利 于电力市场的全面发展。要充分发挥市场竞争的潜力和效率，最终必然要全面开放 电力运行的各个环节。单纯重视发电领域的竞争，忽视用电侧的弹性和负荷管理潜 力，不利于抑制市场力，不利于电力市场的健康有序发展。有效的需求侧竞争能够 削弱发电市场力，提高竞争力；在负荷高峰或容量短缺时，有效的需求侧管理相当 于旋转备用，能够提高系统运行的可靠性，提高电源的利用率 7 ，8 】。然而，供电企业 在购、售电过程中，也面临着各种市场风险，这不仅包括传统意义上的系统运行一 一技术上的风险，更包括了市场价格一一巨大的金融风险1 2 。因此在我国电力体制 改革方案全面实施的情况下，供电企业购电决策及风险管理问题已成为目前一个重 要的研究课题。 1 2 电力市场概述 1 2 1电力市场的发展状况与目标模式 1 2 1 1 国内外电力市场的发展状况 电力市场化改革在国外已经历了2 0 多年的实践，目前仍处在不断研究探索和 完善之中。英国的电力市场在运行了8 年之后，针对因发电公司市场控制力太强而 出现的投机报价问题，已经进行了第二阶段的改革，新的电力市场规则于2 0 0 1 年 制定实施；美国加州电力市场因为不恰当地管死了销售电价而放开发电批发电价， 从而导致供不应求，电价急剧上升，造成了两个电网公司破产，出现了第二次世界 大战后的第一次分区停电，发生了严重危机。美国联邦政府正在研究补救措施，并 修改竞价模式和规则。我国是发展中国家，正在进行社会主义市场经济改革，电力 工业作为基础产业，既要实现快速发展，又要推进市场化改革，情况复杂，任务艰 巨。相应地，我国的电力市场竞价规则必须立足于自身特点，而不能照搬照抄。电 力市场不仅是一个体制与技术相结合的课题，也是电力企业与整个国家受益的必然 趋势 9 , 1 0 。 ( 1 ) 国外电力市场发展简况 实行电力市场最早的国家是智利，起步于2 0 世纪7 0 年代末。其目的在于消除 国有企业的腐败、低效和缺乏资金的情况。1 9 8 2 年智利正式颁布了新电力法，以 法律的形式确立了输电系统向所有发电厂及用户开放的原则，打破了地区垄断，正 ， 华北电力大学硕士学位论文 式启动了合同电力交易及实时电力交易的方式，把电力企业推向了竞争市场。 英国的电力市场化开始于1 9 8 7 年7 月撤切尔夫人政府颁布的电力法，并 于1 9 9 0 年4 月撤销了垄断经营的中央发展局，把发电、输电、配售电的功能分开， 按国家电网公司、3 个发电公司和1 2 个地区售电公司的模式运作。同时成立的相 应机构有：国家电力公司、国家发电公司、国家核电公司和国家电网公司。前两个 公司已改为私营股份制公司，由政府发行电力股票，将国有资产半数以上出售，进 行独立核算，自负盈亏。国家核电公司由于成本较高，不具备竞争能力，为国家所 有。同时建立一个电力市场联营机构( p 0 0 1 ) ，由国家电力网公司负责运行。1 2 个 地区供电局完全私有化，成为地区配电公司。确定全网的电力价格是电力市场联营 机构全部工作的核心。 澳大利亚自1 9 9 0 年开始对电力工业进行改革，于1 9 9 1 年5 月成立了国家电 网管理委员会。由国家电网管理委员会负责制定国家电力市场的原则，原则是在发 电和电力供应中引进竞争机制，开放国家电网，允许私营发电厂、国有公司及公有、 私有用户在电力市场中进行公开交易。澳大利亚电力市场的管理机构由国家电力市 场管理公司、系统运行部门和国家运行规约管理协会组成。运行规约是电力市场管 理的核心和依据，所有参加电力市场交易的成员在电力市场中一视同仁，必须服从 运行规约。与英国电力市场管理方式相比有很大不同，澳大利亚电力市场管理部门 与系统运行部门是相互独立、相互制约的两套系统，系统运行部门不参与市场的交 易和结算，但是为了维持系统的安全，有权否决市场管理部门制定的交易计划。 挪威自1 9 9 1 年开始进行了电力体制改革，主要是在发电市场和用户市场开展 竞争，但并未进行电力工业的私有化，这是与英国电力体制改革不同的地方。改革 后，将原国家电力局分为：国家能源联合公司和国家电网公司，国家能源联合公司 拥有原国家电力局所有的输电网，约占全国8 0 的主要输电网。国家电网公司还成 立了一个下属机构一电力市场公司，执行与电力市场运行及交易有关的任务。挪威 的总发电量中，国家拥有3 0 ，市政拥有5 5 ，私人公司拥有1 5 。 阿根廷在1 9 9 1 年以前的电力工业全部是国有的，其中许多电厂是与外国合建 的。1 9 9 1 年4 月2 1 日，阿根廷政府颁布了关于发电、输电、配电系统私有化的命 令，并建立了电力批发市场，所有发电公司，可以给出任意百分比的输出，参与中 央调度，但是该发电公司需装备国家调度单元，以接受国家调度中心的命令。如果 发电公司不希望向电网卖出电能，亦可通过合同直接向终端用户供电。同样，也可 以把一部分电能卖给电网，其余部分卖给用户。电力批发市场不仅对发电开放市场， 而且对输电和大用户也开放市场。新的电能转送法规定：允许工业、商业和企业在 外地建设自己的发电厂，并将自己发电厂生产的电能输送回工厂、商店或企业。另 外，用户只需付一定的转送费即可从第三方( 即非本地电力供应方) 购买电能。 日本首先部分放开发电市场的竞争，对于用户仍由各电力公司负责营业区域的 3 华北电力大学硕士学位论文 供电，用户无权选择供电方，日本任意电力公司需要新建发电厂时，必须投标。若 中标公司是独立发电厂或其他不相邻的电力公司，需要使用某公司的输电设备，该 电力公司必须提供转运业务。 从以上几个国家的电力市场模式来看，除美国佛罗里达电力联合集团属于区域 性的电力交易以外，其他几个国家的电力企业均是明确划分出发电、输电和供电三 个环节，并形成相应的发电市场、输电市场和供电市场，鼓励发电市场及供电市场 开展竞争，促进电力工业的发展，电网公司是电力市场交易的中心，受市场监督机 构的约束。 ( 2 ) 国内电力市场发展简况 随着我国社会主义市场经济体制的建立，电力工业要引进竞争机制，走向市场 化，己成为大势所趋。近几年来，我国已经开始了电力市场的准备工作，例如，建 立电费计量系统、实行峰谷分时电价和建立模拟电力市场，积极开展“厂网分开， 竞争上网”改革试点工作，在浙江、上海、山东、黑龙江、吉林、辽宁六个省开展 了试点工作。实践表明，试点工作成绩显著，对进一步深化改革起了积极的推动作 用。南方电力联营公司根据所属电网产权独立的特征，采用经济手段开展了省网问 交易的协调管理并提出转运业务，同时在联网的各省和地区之间进行备用分配，为 开展电力公司间的电力交易及转运业务积累了经验。 浙江电力市场：浙江省于1 9 9 4 年7 月建立了模拟电力市场，1 9 9 5 年1 月开始 进入模拟市场运行，于2 0 0 1 年1 月发电市场开始了运作。省电力公司分为发电、 供电、中心调度3 个环节。由省电力公司授权中心调度所代表省电力公司向发电厂 购电，向供电局售电。中心调度所依据日负荷预测数据及各发电厂的上网电价，编 制各发电厂的发电计划和各供电局的用电计划，事后根据实际运行情况，对各发电 厂和供电局进行考核结算。各发电厂的上网电价及上网峰谷电价是由省财务处根据 各发电厂的具体情况制定的，因此，各发电厂的上网电价是不样的。对于供电局 是实行统一购网电价，并根据各供电地区用电结构的不同，分别核定各地区购网峰 谷电价。 我国电力体制改革的总体目标是建立全国统一、竞争开放、规范有序的电力市 场。我国能源资源分布的不平衡性，决定了必须在全国范围内优化电力资源配置， 加快电网建设，推进全国联网，我国正在经历大电网的互联过程，随着西电东送南 北互供形式的发展，2 0 0 5 年末将基本形成全国联网，西电东送、南北互供，这是 我国电网发展的方向。这既是世界电力发展的共同规律，更是我国能源资源和负荷 中心分布的特点所决定的。同时，我国幅员辽阔，为了使电网的管理、市场的管理 与电网的调度更为有效，因此，必须实行统一调度下的分级管理，各负其责。既有 整体的统一性，又有管理上的分层性，这就是我国发电、电网调度和电力市场的管 理格局。 4 华北电力大学硕士学位论文 自从国家电力公司建立一开始，就非常重视引进电力市场机制，国内一些电力 公司的模拟电力市场已开展了数年，在实行模拟电力市场时，发电厂通过投标竞价 上网，供电公司根据内部价目表结算，从模拟电力市场得到的经验已经被证明对实 施真正的电力市场有用，按照计划，到2 0 1 0 年以前，全国电网都要实现商业化运 营 9 a o 】。 1 2 1 2 电力市场改革的目标模式 电力工业从一体化垄断模式向竞争的市场模式转变是一项艰巨复杂的任务，必 须根据本国电力发展已形成的特点选择适当的模式，经过研究论证，制定目标明确 的计划，并在法律法规的支持下，逐步有序地实施。电力工业市场改革的最终目标 是最大限度地利用市场手段来提高电力工业生产效率，降低电力生产和供应成本， 实现资源的优化配置。而就目前电力工业发展程度和相关社会经济环节来看，这一 目标需要分阶段逐步来实现。要通过在电力生产的不同环节逐步引入竞争，充分考 虑已形成的电力供应特性和电力网络结构，结合电网未来发展格局，分级构筑市场 结构，选择并制定适当的市场运行机制，建立健全市场管制体系，使电力市场改革 平稳地向前发展。综合各方面研究的成果，可提出电力市场改革的阶段性目标，见 表卜1 。 表卜1 实现电力市场的三个阶段 从竞争角度来看，在产品市场中，有四种基本模型( 尽管每一种都有各种可能 的变种) ，分别对应于工业中垄断、竞争的不同程度【4 1 。 模型一：所有阶段的垄断。发电不竞争，没有人可以选择供应者。单一公司有 发电、输电和配电的垄断权。这是传统电力工业的模型。 模型二：发电侧竞争的电力市场、单一购买者模型。单一购买者从许多不同的 发电商中选择，以鼓励发电阶段的竞争。不允许直接进入输电网络卖电给最终用户。 购买中介在输电网和与最终用户的交易上有垄断权。 这是将竞争引入到电力工业的最初级模式，在这种模式下，电力系统各发电厂 华北电力大学硕士学位论文 与电网分开，成为独立的法人；发电市场存在唯一的买电机构，各个发电公司相互 竞争，向这个机构提供电力，电网经营机构向发电公司买电并向配电公司或用户供 电：输电网、配电网仍然垄断经营。 模型三：批发竞争、输电网开放、多个购买者模型。配电和零售公司从电力生 产者直接购买电力并通过输电网传送。但配电，零售公司对最终用户仍然有垄断权。 在发电与电网分离后，输电与配电分开经营；发电竞争；输电网放开，并提供有偿 服务；配电公司仍然对用户垄断经营( 专营区) ，但售电公司获得了购电的选择权； 大的电力用户获得了购电选择权。这一阶段中，市场更多地允许发电商与售电公司 通过合同方式来实现交易，是电力市场的成长阶段。 模型四：零售竞争模式。批发竞争模式只允许一部分大用户有选择供电商的权 利，其他用户没有选择权，在市场经济中，就出现了不公平问题。随着市场的发育 和完善，应使所有用户都获得购电选择权，这就是零售竞争阶段。在这一阶段，零 售商向用户发出告示，用户根据电价及服务质量选择零售商，与零售商签订供用电 合同。所有的用户都可以选择他们的供应者。对输电和配电网是开放的，这个功能 可以通过一个叫做独立系统运行者0 s o ) 的实体来实现。配电被从完全竞争的零售 活动中分离出来。这个模型很有可能是未来世界电力工业的模型。零售竞争通过将 所有用户都带入市场来产生非常强大的竞争力。这一阶段，不仅在发电环节，而且 在零售环节，都展开较完全的竞争。 这种经营模式，选择和竞争范围加大，市场竞争更为激烈，竞争各方承担风险， 因而更注重效益的发挥，对采用新技术、降低生产成本形成良好的激励机制。但这 种模式的运作，需要建立十分完备的法律法规和功能完善的技术支持系统。这个阶 段是各级电力市场的成熟阶段。 1 2 2 电力市场的交易模式与交易类型 当前世界各国的市场交易模式大致分为两个基本类型：联营( p 0 0 1 ) 模式和双 边交易模式( b i l a t e r a l t r a d e s m o d e l ) i 从这两个基本模式可以派生出p + b 模式( 即： 联营模式和双边交易模式的有机结合模式) 、多边交易模式 4 】。 ( 1 ) 电力联营体( p 0 0 1 ) 模式 电力联营体( p 0 0 1 ) 模型也叫总量市场化模型。在这种模式下，一切电力交易 必须在p o o l 内进行，允许用户签订纯金融性差价合同，以降低市场风险。 正如同p o o l 的本意( 池，潭) ，p o o l 模式最大的特点是将电网看作电能交易的 中心，所有发电商以及所有用户与电网运营中心发生经济关系。在p o o l 模式中， 整个电力系统被划分为发电、输电、供电环节。竞争在发电侧和供电侧分别展开， 对于市场初期也可能只开放发电侧市场。在这一模式下，必须成立独立的电网运营 机构进行电网的调度、运行，并且要求该机构与所有市场成员无利害关系。电网运 6 华北电力大学硕士学位论文 营机构根据市场报价制定交易计划，计算系统边际电价、输电电价、辅助服务电价。 在p o o l 模式中，也可能存在双边交易，但是很有限，自由度也很小。英国、智利、 阿根廷等国以及美国p j m 电力市场、澳大利亚的v i c t o r i a 电力市场都属于这一类市 场模式。 ( 2 ) 双边交易模式 双边交易模式也叫非管制型电力联营体( p 0 0 1 ) 模型或净量市场化模型。 p o o l 外：双边合同市场和期货市场； p o o l 内：小时市场、日前市场和平衡市场。 目前，挪威和瑞典、英国、美国加州等的电力市场都采用这种模式。 双边交易模式的最大特点是交易双方为发电商与最终电力用户或者双方各自 的代理或中介机构。该模式一般不单独存在，而是与p o o l 模式共存，且双边交易 市场所占的份额较大。准确地讲，当前实际应用的双边交易模式都应该称为p + b 模 式。与p o o l 模式相比，双边交易模式下的竞争更加充分。在该模式下，市场交易 与调度运行职能一般被分离。市场交易由p o w e re x c h a n g e ( p x ) 或s c h e d u l i n g c o o r d i n a t o r ( s c ) 负责，确定交易量以及交易价格。其中p x 负责p o o l 市场的运营， s c 负责双边交易的协调。i s o 负责调度运行职能，确保全系统安全、可靠运行。美 国加州电力市场以及北欧电力市场、新西兰等国电力市场都是属于陔模式。 ( 3 ) 多边交易模式 f f w u 提出了一种新的模式，称为协调多边交易模式。该模式中完全不存在 p o o l 市场或p x 机构，并且考虑了经纪人( b r o k e r ) 、零售商( r e t a i l e r ) 等市场中间 环节，是在双边交易模式基础上发展起来的一种更广泛的、基于分布协调的市场模 式，可以看作双边交易模式的高级形式。传统的集中协调功能被设计到信息结构之 中，市场交易与调度运行完全分离。该模式反映了电力市场的真实特点一部分管制 下的竞争，并且能够与现有的两种基本模式共存于同一市场框架中。协调多边交易 模式从理论上讲比较完美，但是只适用于充分竞争的市场环境。 一个完整的电力市场，般划分为中长期合约交易市场、期货与期权交易市场、 目前交易市场、辅助服务交易市场、实时交易( 平衡) 市场几种。相应地，电力市 场的交易包括中长期合约市场交易、期货与期权市场交易、目前市场交易、辅助服 务市场交易、实时市场交易( 如图1 一1 ) 【4 1 。 ( 1 ) 中长期合约市场 中长期合约交易根据预先签订的合同商定付款方式买卖电量，在一定时期内进 行实物交割的交易。它可以通过竞价产生，也可以双边签订。市场有序、规避风险、 稳定价格是中长期合约市场的作用。 ( 2 ) 期货与期权交易市场 期货交易( f u t u r e st r a d i n g ) 是按一定规章制度进行的期货合约的买卖，期货 7 华北电力大学硕士学位论文 ，7 ，。、 ，7、 f 匝匣亟困j i 匝巫匦互口卜压亟丑咂固 n_ i 茎皇竺里hl 璺堕奎墨! 望jl i 臣画匠 ；臣巫互玉回b 匝圃 。、7 。 、一- 一， 图1 1 电力市场运营结构图 市场就是进行期货交易的场所( 清算所) 。期货交易是期货合约的交易。场内经纪 人、投机者和套期保值者等构成了期货市场的基本要素。 期权交易是一种权利的买卖。期权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( 指履约价格) ， 向卖方购买( 指看涨期权) 或出售( 指看跌期权) 一定数量的特定标的物( 这里的 特定标的物可以是电能这一特殊商品) 的权利，但不负有必须买进或卖出的义务。 所谓期权合约，是指期权买方向期权卖方支付了一定数额的权利金后，即获得的在 规定的期限内按事先约定的敲定价格买进或卖出一定数量相关商品期货合约权利 的一种标准化合约，期权合约的构成要素主要有以下几个：买方、卖方、权利金、 敲定价格、通知和到期日等。 ( 3 ) 日前交易市场 日前交易市场和前面的中长期合约交易市场也可称为提前电力交易市场。随着 电力市场的发展，提前电力市场可分为小时前市场、日前市场、周前市场或者更长 时间的提前市场。 a ) 电力联营体( p 0 0 1 ) 模型下的目前交易市场 在该市场中，发电商参与发电电能的竞标，由交易中心决策最优的交易计划及 结算电价。交易目的确定和交易时段的划分：每3 0 m i n 为一个交易时段，并且是整 点结束或05 h 整点结束。交易时段以其结束的时间确认，日前市场中的交易日指每 天0 ：0 0 开始的2 4 h 。市场运行部门必须按照规则规定的时间表运行日前市场，并且 将时间表公布于众。如果市场运行部门要修改时间表，必须按照规则的规定进行。 b ) 双边交易模型下的日前交易市场 在该市场中，可以通过交易人、交易中心或日前拍卖进行电能买卖，标准化产 品交易( o 5 h 或o 5 h 的简单组合) ，参与者可能更多，但多数交易量不大。每个交 华北电力大学硕士学位论文 易时段的发电计划由发电商自己决定，并且上报给电网运行中心。 ( 4 ) 辅助服务交易市场 辅助服务是电网的安全稳定运行所必需的，分为基本辅助服务和有偿辅助服 务。基本辅助服务按照有关规则的规定，是发电公司的义务，必须提供：有偿辅助 服务由市场运行部门有偿购买使用。发电辅助服务包括：有功频率控制( a g c ) ； 旋转备用；非旋转备用；替代备用；无功及电压支持；恢复及黑启动，即调峰、调 频、调压、黑启动。 ( 5 ) 实时交易( 平衡) 市场 为了保证供需平衡、维持系统稳定，电力市场运行部门可以在当天实时修改发 电厂发电计划，发布实时调度指令。 实时平衡市场在实时运行前短时间内开市，各发电商申报机组的上、下可调容 量和相应报价。当调度员需要对系统进行预防性控制或者事故后恢复控制时，就可 以利用这些申报信息，确定一个最优的调节方案，对交易计划进行实时调整。 实时平衡市场的主要功能是维持系统安全。系统操作员接受b i d s 和o f f e r s ，并 负责结算。o f f e r s 和b i d s 是市场成员在平衡市场中自愿向系统调度员申报的增减出 力( 负荷) 报价。o f f e r s 可以是机组出力水平的增加或是用户负荷的减少，b i d s 可 以是机组出力的减少或用户负荷的增加【4 】。 1 3 电力市场中购电决策问题概述 1 3 1 购电决策问题的研究意义 电力市场环境下，供电公司面临着从多个市场中购电问题，这不仅包括传统意 义上满足负荷需求的要求，更包括了供电公司以相对小的风险，获得最大的经济效 益。供电公司在考虑风险因素条件下，一般要在合约市场中通过签订合同购买一定 电量来规避风险，剩余电量通过现货市场购买来平衡，寻求两个市场中的最优购电 组合是各个供电公司都十分关注的问题之一，具有很大的经济意义。正确分析市场， 建立合理的购电组合方案，并进行有效的风险评估对购电商是非常重要的。 电力工业的市场化运营，使得发电商、供电公司、电力用户等市场参与者成为 了电力市场的主体，同时也使各参与者面l 临前所未有的风险，如市场风险中的价格 风险和利率风险等，特别是电价的波动风险。供电公司通过签订长期合同、期货 合同或差价合同实现在长期市场中购电，通过向交易中心报价实现在现货市场中购 电。各供电企业根据自身情况和风险偏好，制定出在各市场中的不同购电分配方案， 形成不同的购电组合。由于现货市场中的电价具有高度的波动性，各购电组合都存 在着不同程度的金融风险，因此需要有科学的风险评估方法对购电决策进行评价， 以确认购电组合是否可行。 华北电力大学硕士学位论文 远期合同能够为电力用户提供稳定的电力供应，同时为发电商、供电公司带来 长期稳定的需求，而且能够锁定电力价格以回避电价波动风险，因此，世界各国的 电力市场均大量采用远期合同进行电力交易。英国在电力市场化的初期，超过8 0 的电力交易是通过远期差价合同市场来进行的，而且其双边合同交易量所占份额逐 渐扩大并进一步发展提前数年的远期和期货市场，目前英国电力市场在n e t a 模式 下，9 5 的电力通过双边合同交易完成。在澳大利亚的电力市场化过程中，远期合 同市场也有不可忽视的重要地位，其交易量逐年增加。美国加州电力危机的出现可 能会使市场参与者更加重视电力远期合同交易。挪威于1 9 9 2 年秋季就开始运行一 个挪威电力远期交易市场。可见，在电力市场中，远期合同的运用是相当普遍的， 而且大部分电能是通过远期合同交易的。这对于正处于电力市场化初期的我国电力 市场有重要的借鉴意义。所以，供电企业在制定购电决策时，要充分考虑通过远期 合同来规避金融风险。 可中断电力合同是一种结合电力期权的风险管理工具，可有效地管理可中断负 荷。可中断电力合同所结合地电力期权为新型复合电力期权，将这种新型期权和供 电企业的购电决策结合起来，可以让供电企业在获得稳定收益的同时，也很好地规 避了市场风险。供电企业通过和大用户签订可中断负荷合同，在系统存在容量缺额 时，不仅可以通过平衡市场中再购入部分容量，而且可以中断负荷减少容量需求来 调节，以缓解负荷高峰时的电力短缺，同时也可以削弱电价的飞升，这将大大减少 在波动性较大的平衡市场购电的风险。作为有效的风险管理工具，电力期权在电力 市场中的出现是必然的，电力市场中电力期权的一种重要形式，就是结合在电力合 同中的电力期权，如可选择电力合同，这些电力期权伴随着电力合同而交易，能够 显著增强电力合同回避风险的能力。对于处于电力市场改革初期的中国，由于缺乏 高效的期权市场，结合电力期权的可中断电力合同将会受到普遍关注。 1 3 2 购电决策问题的研究现状 目前有关这方面的研究还处于剐刚起步阶段，文献较少，对于这个问题的研究 还有很多的工作要做。电力市场运行以后，在系统安全稳定运行条件下，电力市场 参与者在市场中的利益最大化一直是电力行业研究的热点之一。在电力市场中，一 般存在多种交易市场，如合约交易市场、发电权交易市场、日前市场、实时市场等。 市场参与者不仅要进行竞标策略优化，在进行各市场交易前，还需要先决策各市场 的交易量，即决策在那些市场进行交易，以及如何分配不同市场的交易量。目前解 决这类问题的目标函数都是购电费用最少，下面是对本课题目前研究现状的简单总 结。 文献 5 讨论了购电商在长期市场和短期市场中的购电分配问题，分别对确定性 总需求和随机总需求两种情形进行了分析和研究。文献 6 】采用m a r k o w i t z 投资理论， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 基于对供电公司购电分配所要达到的两个目标“期望收益最大”和“风险最小”的 全盘考虑来寻求这个双目标优化问题的解。并且，针对确定性需求和随机需求两种 情况，分别对供电公司的购电分配进行了建模和求解分析。文献 8 】考虑了电力市场 环境下电能在长期合同市场、现货市场及自备电厂间的分配，以及备用需求在备用 市场和自备电厂之间的分配计划，讨论了购电商在长期市场和短期市场中的购电分 配问题，分别对确定性总需求和随机总需求两种情形进行了分析和研究。根据现代 投资学理论提出了以购买费用和风险最小的优化模型，得到在长期市场中的最优购 电量解析解，以及最优购电分配率与风险因子之间的关系。文献【1 1 运用投资风险 理论研究了供电公司在长期市场和现货市场上的最优购电组合问题。文献【1 2 】分析 了电能购买分配决策中涉及到的不确定因素：套利和风险规避，以三个连续市场： 期货市场、日前市场和现货市场为例，建立了一个使电力企业购买费用和风险都最 小的目标函数，并讨论了解决方法。 本文在上面这些研究的基础上，进一步进行探讨，在负荷预测和电价预测研究 工作的基础上，采用投资组合的理论，用统计分析方法对各个市场的电价进行处理， 求出电价均值和方差，在充分考虑风险因素条件下，研究供电公司在合约市场与现 货市场的电量最优分配策略。 1 4 本文的主要工作 购电分配和风险管理是电力市场环境下新出现的课题，目前的文献都是研究供 电企业在某一天或某一特定时段中的购电分配优化问题，这在实际中显然不够实 用。本文在这些已有研究的基础上，进行进一步的探讨，研究了考虑风险因素条件 下，供电公司在长期合约市场和现货市场上的最优购电分配决策。涉及到的主要工 作有：负荷预测和电价预测、供电公司最优购电决策的确定、购电组合的风险评估 等。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 首先分析电力市场中负荷和电价的波动特性，分别利用移动平均季节分解 法和灰色预测方法建立中、长期负荷预测模型；将小波分析和a r i m a 模型相结合， 建立短期电价预测模型，最后将多种单一预测方法综合，利用最优组合预测方法进 行电价预测。算例验证了模型的有效性。 ( 2 ) 运用现代投资组合理论，引入风险厌恶系数，在考虑风险因素的条件下， 建立基于指数效用函数的购电组合优化模型。提出以供电公司的期望效用最大为目 标，对购电分配策略进行了建模和讨论，给出问题的解析解，得到供电企业根据其 自身的风险偏好制定的最优购电分配策略。 ( 3 ) 结合我国区域电力市场运营模式，计及风险因素，建立以供电企业的期望 一生j ! 生垄查堂堡主堂堡堡苎 收益最大、风险最小为目标的购电分配优化模型，寻求供电企业在台约市场和现货 市场中的最优购电组合，分别讨论风险厌恶系数女和现货市场电价波动率的变化对 购电分配组合的影响。 ( 4 ) 用v a r 方法评估供电企业所制定的购电决策，采用利润风险比率指标比 较购电组合的吸引力大小，给出了购电组合的期望利润和v a r 计算方法，通过算例 给出指导性的结论，为购电商提供科学的购电组合评估依据。 ( 5 ) 对文中的各个模型进行求解，通过m a t l a b 进行编程，通过算例验证文中所 提方法的正确性和有效性。为供电企业制定最优长期购电决策和风险管理提供有益 的理论指导。 华北电力大学硕士学位论文 2 1引言 第二章负荷预测与电价预测 电力负荷预测是电力系统调度、用电、计划、规划等管理部门的重要工作之一。 提高预测技术水平，有利于计划用电管理，有利于合理安排电网运行方式和机组检 修计划，有利于节煤、节油和降低发电成本，有利于制定合理的电源建设规划，有 利于提高电力系统的经济效益和社会效益【i3 1 。电力系统是一个运行高度统一的大系 统，由于电能不能大量储存，其生产和消费必须同时进行，因此预知负荷的需求对 于电力系统运行具有十分重要的意义，负荷预测是能量管理系统及配电管理系统的 重要组成部分、电力系统规划和运行调度的依据，也是电力市场化运营必需的基本 内容。随着电力市场化的进行，各个电力公司之间的交易更加频繁，这就对负荷预 测提出了更高的要求。电力系统负荷预测对于电力企业有着重大的意义，预测水平 已经成为一个电力企业的管理是否走向现代化的显著标志之一 1 4 】。 电力系统负荷预测是指从已知的经济、社会发展和电力系统需求情况出发，通 过对历史数据的分析和研究，探索事物之间的内在联系和发展规律，对电力需求做 出预先的估计和预测。从预测时间的角度，可以分为中长期负荷预测和短期负荷预 测。负荷预测的核心工作是根据预测对象的历史资料，建立合理的数学模型来表述 其发展规律h j 。准确的负荷预测是做好系统网络规划、配电网规划和售、购电决策 的基础工作，对提高社会和企业的经济效益具有重要意义。 在激烈竞争的电力市场中，电价随需求而变化，反过来电价变化又影响需求量。 电价是反映电力市场运营状况，评价市场竞争效率的核心指标。电力市场中各参与 者的利益最终是通过电能交易来实现的，提前知道电价的相关信息就可以在电力市 场的交易中获得更大的利益。因此，准确的电价预测成了电力市场中各个参与方共 同关注的一项重要工作，它为各发电商和用户在制定投标策略计划，获得最大利益 和效用提供了极为重要的参考依据。 电价是电力系统实行市场化运行的核心内容。发电商需要根据准确的预测电价 做出竞标策略，以追求收益最大而风险最小；同样，供电企业也需要准确的电价信 息决定其电能需求在长期双边合同和现货市场的最优购买分配方案；而投资者需要 参考准确的电价预测信息做出正确的投资决策 1 6 。 本章对电力系统中的中长期负荷和短期电价特性进行分析，提出相应的预测方 法，并用算例进行详细分析，从中得出一些有意义的结论，为供电企业进一步分析 市场信息，在长期合同和现货市场中作出购电分配，制定合理的购电决策作出前期 工作，提供重要的参考依据。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 负荷预测方法 负荷预测的核心是根据其历史变化规律，推断出未来的发展。关键是预测的技 术方法，或者说是预测的数学模型，目前电力系统负荷预测的方法有多种。随着现 代科学技术的快速发展，负荷预测技术的研究也在不断深化，各种各样的负荷预测 方法不断涌现，从经典的单耗法、弹性系数法、统计分析法，到目前的灰色预测法、 时间序列法、专家系统法和模糊数学法，甚至到刚刚兴起的神经网络法、优选组合 法、小波分析法和支持向量机模型，它们都有各自的研究特点和适用条件。因此， 在使用时要弄清其模型结构和适用范围d 3 。 长期以来，国内外学者对短期负荷预测的理论和方法进行了广泛的研究，新的 理论和方法不断应用于短期负荷预报中【”。”，预测精度也比较高( 一般不大于5 ，通 常在1 3 ) 。鉴于中长期负荷预测具有研究时间跨度长、影响预测的物理因素复杂 ( 有突发事件、政治影响、天气因素、气候因素、季节交替等) 且不确定性较大等特 点，预测的精确一般不是很高。本文采用经济学中的移动平均季节指数分解预测法 口，来预测供电公司的中期负荷需求；用灰色预测方法 ” 来预测供电企业的长期负 荷需求。 2 2 1 基于移动平均季节指数分解的中期负荷预测 移动平均季节指数分解法，是利用移动平均比例法分解时间序列的各种变动因 子，计算出既消除长期趋势变动、又消除循环变动和不规则变动的、比较准确地反 映周期变动情况的周期指数，并据此很好地进行预测。具体步骤如下： ( 1 ) 用二次曲线趋势预测法得到负荷变化的趋势值。所用模型如下 d ( t ) = a + 断+ c t 2 ( 2 一1 ) 式中，d 为负荷的趋势预测值，a 、6 和c 为用最小二乘法求最佳拟合曲线时的待定 参数。 ( 2 ) 根据时间序列的时间单位选择跨越期。本文的日均负荷时间序列 d ， 以星 期为周期，选择跨越期为7 。然后移动着计算时间序列的移动平均数放在跨越期中 部。 f f c ( f + 掣) = 专( d f + 玩i + + d 。一。 ( f - l 加，m n + 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，t t c 为日均负荷时间序列的移动平均数，n 为跨越期，m 为已知的历史数据个 数。 ( 3 ) 对上一步所得的移动平均数序列进行中心化。令 f c ( 垆扣卅纰”1 )舻竿+ 1 ，竿+ 2 ，m 一等) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，t c 为中心化后的t t c 。 ( 4 ) 计算各周中各天的时段指数。将原负荷时间序列d ，除以中心化后的移动平 均数序列t c ，得 州= d ，( d t c ( k ) 昨竿+ 1 ，竿+ 2 ，m 一掣) ( 2 - 4 ) 式中，s s i 为算得的各天初始时段指数。 ( 5 ) 求平均时段指数。 础f ( 庀+ k l x n ) 姘( 尼) = 型 _ 万矿 ( 七= l ，2 ，) ( 其中【 表示取整) ( 2 - 5 ) ( 6 ) 求时段指数调整值，确定各天对应的指数如下 s i ( k ) = s i i ( k ) “百兰 = 1 , 2 ，n )( 2 - 6 ) s i i ( k ) ( 7 ) 将求出的趋势预测值考虑时段指数，求出每天的综合预测值。得到预测值 为 d ，( 女+ n x k l ) = d i ( j j + n x k l ) x s i ( k ) ( k = 1 , 2 ，；k l = 0 , 1 ，2 ，)( 2 7 ) 设某个供电企业根据历史数据的统计特性和新的市场信息，预测得到该供电企 业接下来一个月的负荷曲线如图2 1 所示。其中相对误差绝对值的最大值为9 9 6 ， 平均值为2 8 0 。 时间r da y ) 图2 - 1 某供电公司某月负荷曲线预测结果 2 2 2 基于灰色模型的长期负荷预测 用于长期负荷预测的方法有多种，其中灰色系统预测方法是一种比较有效的方 华北电力大学硕士学位论文 法。由于该方法具有预测精度较高，预测所需原始信息少，计算过程简单，预测结 果可检验等优点，目前得到了广泛的应用 1 3 , 2 1 - 2 4 。 灰色理论的微分方程型称为g m 模型，g 表示g r e y ( 灰) ，m 表示m o d e l ( 模型) ， g m ( 1 ，1 ) 是阶的、一个变量的微分方程型模型，是最常用的一种灰色模型，因为 它具有要求原始数据少、不考虑分布规律、不考虑变化趋势、运算方便、短期精度 高、易于检查的优点。在灰色系统理论中，将各类系统分为信息完全已知的白色系 统、信息完全未知的黑色系统和部分信息已知部分信息未知的灰色系统。灰色系统 理论认为任何随机过程都是在一定幅值范围和一定时区内变化的灰色量，称随机过 程为灰色过程，在处理技术上，灰色过程是通过原始数据的整理来寻找数的规律的， 这就叫数的生成，是一种就数找数的现实规律的途径f 1 3 。 灰色预测模型的建模过程，实质上是将无规律的原始数据进行累加生成，得到 规律性较强的生成数列后重新建模；由生成模型得到的数据再通过累减生成得到还 原模型，再由还原模型得到预测模型。灰色预测是用灰色模型( g r a y m o d e l ) 进行定 量预测的而g m ( i ，1 ) 模型是最常用的一种灰色模型它是由一个只包含单变量的 一阶微分方程构成的模型，是作为电力负荷预测的一种有效的模型，具体建模和预 测过程如下： ( 1 ) 从历史负荷序列中选取模型输入数据序列长度m ( 一般不小于4 ) ，本文用某 供电企业上半年各月的高峰时段和低谷时段月负荷总量，来预测下半年各月的高 峰、低谷负荷总需求量，所以m 取为6 。设历史负荷输入序列为： 肖o = 石o ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，- ，x o ( 删) ( 4 s m 月)( 2 - 8 ) ( 2 ) 用1 - - a g o ( a c c u m u l a t e dg e n e r a t i n go p e r a t i o n ) 生成一阶累加生成序列： = x 1 ( 1 ) ，工1 ( 2 ) ，z 1 ( ，”) ( 2 - 9 ) t 其中，z 1 ( 七) = x 。( f ) ( 女= 1 ，2 ，m ) 怍i 由于序列x 1 ( 动具有指数增长规律，而一阶微分方程的解恰是指数增长形式的 解，因此可以认为x ( 1 序列满足下述一阶线性微分方程模型。 ( 3 ) 建立灰色预测微分方程 d x o ) + 似( i ) ：“ 一十( “2 h 出 根据导数定义，以离散形式表示 一l a x ：型兰掣：z ( 七+ 1 ) - - x ( 尼) ：口m ，( 七十1 ) a tk + 1 一k 、 7 、。、 上式中口1 表示一阶微分，其中工值只能取时刻k 和抖1 ( 2 10 ) ( 2 1 1 ) 的平均值，即 华北电力大学硕士学位论文 1 2 x ( k + 1 ) + x ( k ) 】。 因此，微分方程可写成 a ( 1 z ( i ( 七+ 1 ) + = 1d x ( i ( + 1 ) - i - x ( i ) ( t ) ：“ 可推出：匕= b a 其中，l = 互( o ( 2 ) x o ( 3 ) 彳= lb 一昙f ( 1 ) - i - x ( q ( 2 ) 一三 z ( 1 ( 2 ) + 工( 1 ( 3 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 上述方程组中，k 和b 为已知量，a 为待定系数。由于变量只有a 和“两个，而方 程个数却有0 1 ) 个，( n - 1 ) 2 ，故方程组无解，但可用最4 , - 乘法得到最小二乘近似 解。 ( 4 ) 用最小二乘法求解系数向量4 a ：( b7 口) “b _ ：引 ( 2 1 4 ) l “j ( 5 ) 求解a g o 序列的预测模型。将所得到的a 、u 代入原来的微分方程( 令x ( 1 ( 1 ) = z ( o ( 1 ) ) ，写成离散形式的解得 工( ( + i ) ：口。( 1 ) 一兰 e “+ 兰( 女：o ，l ，2 ，)( 2 15 ) 口a 上式是g m ( i ，1 ) 模型灰色预测的