（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下发电容量充裕性问题研究.pdf

西南交通大学曲甬父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密舀使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 靴敝储菩器翳7 指黝师畿燃 日期：嘶7日期：“2 ：ib 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1电力市场改革的格要性和可能性 市场是某种物品或劳务的一群买者和卖者，是进行商品交易的场所， 是商品交易的过程，代表商品交易关系的总和【2 】。从经济学的角度讲，市场 的基本要素包括供给和需求两个方面。供求双方相互作用，相互协调，逐渐 趋于市场平衡。自由健康的市场中，价格应当反映价值，随供求关系绕价值 波动，无论是卖方还是买方都没有垄断行为。毫无疑问，垄断也是一种市场 形态。 从市场的广义定义看只要有交易就存在有市场，因此，自从有了电力 工业，就存在了电力市场。从电力工业的百多年发展历程来看，它具有规模 经济性，天然垄断性，是集发电、输电、配电、售电垂直一体的垄断经营， 并非完全竞争的自由市场。所以，有的也把现今的电力市场改革叫电力市场 化。狭义的电力市场一般指发电市场、输电市场、配电市场、售电市场和电 力建设市场等。电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互 利的原则对电力系统中发电、输电、配电、用户等各成员组织协调运行的管 理机制和执行系统的总合【3 l 。现今的电力市场，特指打破垄断后，在发电企 业之间存在市场竞争的电力市场，可称之为狭义的电力市场或现代意义上的 电力市场【。 电力市场和其它商品市场一样，具有一些共性，有生产者发电厂商，消 费者购电商或用户，市场的经营和管理者。市场的商品是电力( 电量) ，载体 是电网。电价仍然是电力市场的核心和杠杆，同样遵循普通商品的供求规 律。电力这种特殊商品也有其自身的独特性。它的生产、输送和消费具有同 时性处于动态平衡。根据电力市场的开放程度，可把电力市场分为四种市 场模式u 】：发、输、配、售全面垄断模式，发电侧竞争模式，批发竞争模式 和零售竞争模式。 传统电力工业的垄断性已经遭遇到自由竞争的挑战。从全球经济一体化 传统电力工业的垄断性已经遭遇到自由竞争的挑战。从全球经济一体化 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 和信息技术的飞速发展进程来看，人类已经从工业经济时代跨入了知识经济 时代。长期的垄断运营使电力工业已经缺乏竞争压力，落后的经营管理使它 逐渐失去了原有的活力，已经明显难于跟进时代潮流。资本流通目的就是要 获取最大利润，在全球经济一体化的社会中，资本的投资方向已经突破了国 家、地域和行业的界限。电力行业的投资主体已经明显多元化，在我国就有 外资独资、中外合资、上市股份制发电厂、地方电厂和中央全资( 国有) 电厂 等多种形式。不同投资主体也强烈要求提供平等的自由竞争机会，需要进行 电力市场化改革。同时，只有引入竞争模式，才能提高效率，革新技术，促 进行业进步。用户需求的多样性也对电力工业提出提高服务质量的需求，这 也促使电力工业很有必要进行市场化改革。通过电力市场化，在电力系统的 各个环节逐步引入有效竞争，提高电力行业的生产效率，提供稳定可靠低廉 的电力服务，同时实现社会资源的最优配置，带动全社会的可持续发展。 电力工业的垄断性经营遭遇到其它垄断行业改革的挑战。在中国，感受 最明显的是电讯邮政行业的改革。经过不到二十年的改革发展，通信行业的 变化是日新月异，突飞猛进。到2 0 0 5 年5 月，全国电话用户总数达到6 9 2 亿户，其中固定电话用户达到3 3 3 4 9 7 亿户，移动电话用户达到3 5 8 5 4 8 亿 户：因特网宽带接入用户总数达3 0 1 8 3 万户。通信业收入仍达到1 0 5 的年 高速增长率【6 l 。近年来很多国家对电信、煤气、航空等传统垄断行业改革的 成功促使人们把目光必然投向电力工业。自上世纪7 0 年代末8 0 年代初智利 提出电力市场化改革以来，在多个国家和地区都相继开始了电力市场改革。 改革方案不尽相同，但改革的核心都是打破垄断，目标都是为了在电力行业 引入市场机制来进行资源的优化配置和利用，为社会提供更加廉价可靠的电 力，并且已经在很多国家都取得了成功【4 】。其它行业和他国改革的示范作用 是电力市场化形成潮流的重要因素，也是导致我国进行电力市场改革研究和 试点的直接原因j 。 科学技术的发展为电力市场化提供了条件。在电力市场环境下，电力系 统的运行方式将变得更加复杂多变，既要体现传统的计划性管理，又要包含 市场化运营系统，保证安全运行的同时尽可能实现经济性，使效益最大化。 很多情况下，系统控制的安全稳定性又与整个行业的经济性相矛盾，二者的 协调变得非常困难。因此，对电力系统的控制技术必将提出更高要求。在先 前，这些技术是难以保证和实现的。随电网运行调度和控制技术的进步与不 断成熟，使人们对于保证电力系统在电力市场条件下的运行安全具备了足够 信心。另外，现代计算机、通讯技术的迅猛发展，开发成功的各类智能化、 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 数字化电力电量仪器仪表和计费系统等各种软硬件为电力市场改革提供了物 质和技术保障。 电力市场化改革已经具有市场及相关理论基础。百多年来，电力工业以 垂直垄断形式发展具有极其重要的作用，因为电力工业是资金密集型、技术 密集型行业，具有规模效应，在达到最优化规模效益点之前，垄断生产方式 有利于提高利润和行业发展。电力系统安全事关国民经济安全，各部分具有 较强的同时性和协同性，往往由政府直接调控甚至投资。特别是在电力输配 领域，电力行业的规模效应尤为突出。但在发电领域，并不存在明显的规模 经济，并非规模越大效率越高。发电机组的容量在一定范围内是越大效率越 高，其规模超过一定程度后，规模越大效率反而越低。采用自由竞争的市场 组织形式可以促使发电企业降低成本，提高效益，用市场方式来组织电力生 产具有经济合理性和实际可行性。其它行业自由经济大步短发展和完善，形 成了很多可以借鉴的自由市场化理论，为电力市场的改革提供了市场理论基 础。 1 1 2 国内外电力市场的改革和研究概况 随现代科技和经济理论的发展，自2 0 世纪8 0 年代末以来，电力行业改 革的浪潮席卷全球。智利早在1 9 7 8 年就开始了解除电力工业管制的改革，并 于1 9 8 2 年颁布了新的电力法【7j 。对世界电力市场化改革影响最大的要算英国 于1 9 9 0 年进行的电力工业改革。此后，改革之风席卷了欧洲、北美洲、南美 洲、澳大利亚、新西兰和亚洲等多个国家和地区l s j 形成了不可抗拒的电力 市场改革洪流。从市场开放的程度看，目前，芬兰、瑞典、德国、英国智利 和阿根廷已经全部开放，丹麦、荷兰、意大利、美国、澳大利亚的开放程度 也较高，开放程度较低的有法国、比利时、卢森堡、西班牙、葡萄牙、奥地 利、日本、韩国、新加坡、泰国、中国和俄罗斯等国们。从改革的结果来 看，大多数国家的改革都是比较成功的，不过在类似美国这样地域比较广阔， 系统比较复杂的国家中，改革的过程比较复杂，存在的问题也比较多，曾先 后出现了加州大停电和8 1 4 大停电事件，有技术层面的原因，也有电力改 革层面的不良影响。 各国改革的方法和手段都略有不同。23 1 ，都在不断探索适合于本国国情 的电力市场化改革道路【2 ”。西方发达国家主要着眼于通过市场竞争抑制电力 的过度投资；发展中国家主要希望通过电力市场改革，消除腐败，提商电力 工业生产效率，吸引投资。总的看来，改革的总体目标基本一致，都是要打 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 关系进行调节。阿根廷、智利等众多拉美国家都是在电力和资金都短缺的情 况下开放电力市场的。这些国家通过电力市场改革成功地吸引了外国资本- 改善了经营促进了电力工业的发展，取得了良好的效果口21。事实证明，只要 能够正确把握电力市场运作规律，结合国情制定合适的电力市场规则，电力市场化改革完全可以促进电力工业的良性发展，缺电不应成为放弃改革的理 由，应当积极稳妥、坚定不移的推进电力市场化改革。 我国电力市场的改革过程中，采用了积极稳妥逐步推进的方法。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省市为首批“厂网 东北三省区域发电市场正式启动，意味着我国进一步推进电力工业改革。2002 年4月国务院颁布了关于电力体制改革方案p”，明确指出了我国电力体 制改革的总体目标和“十五”期间电力体制改革的主要任务，拉开了新一轮 成了1l家集团公司：两家电网公司，五家发电公司。四家辅业公司。11家 电力公司的成立实现了厂网分开，引入了竞争机制，这是我国电力体制改革 的重要里程碑之一。2 0 0 3 年6 月，国务院电监会出台了关于建立东北区域 电力市场的意见吲，确定东北电力市场于2 0 0 4 年1 月开始运行，这标志 着中国电力市场进入了区域电力市场建设的阶段p ”。2 0 0 4 年5 月，华东电力 市场开始模拟运行口”。2 0 0 5 年1 1 月初，南方电网也将进行模拟运行。 进行电力市场理论的研究具有极其重要的意义【3 ”。电力市场不能理解为 只存在于电力生产、运行和电量交易中，还应存在于电力建设中。电力工业 要超前于国民经济发展，电力市场理论则更要领先于电力市场的实践，电力 工业的市场化改革也不可逆转。电力市场是一门综合传统电力、经济、信息 技术的交叉学科，目前的研究与工程应用主要包括这五个方面的内容：( 1 ) 结 合电力系统运行特点，研究电力市场中的经济理论问题，形成电力微观经济 理论与方法：( 2 ) 研究电力市场的结构、交易原理和电价理论；( 3 ) 研究电力 合约、电力金融市场的总体框架和交易原理；( 4 ) 研究电力市场环境下的电 力系统规划、运行管理和市场监管问题；( 5 ) 研究和开发电力市场技术支持 系统【2 3 l 。 近年来，人们对电力市场的研究比较注重于电力市场结构、交易原理、 电价理论、输电费用和其他辅助服务研究。目前，对电力市场改革的研究中， 发电厂商或配电商的竞购电策略【3 9 删、上网电价机制h ”、输电服务方面比较 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 多【4 甜，也考虑了其问的饔墨雾1 士磷礁器i 5 善。筒等辨基鲁；露蓦础r 鞑倦琪 骨苯电厂商舍强掣。黔烈整型墼表砑l 要? 癞杯挫蝙旃基薹目冒! 自磊# 蠹基! ! ；崔一 篇潲错薹亳| j = 薯州i ：犁蹬别。僻盈翼磷墅鞘醣塑z 弱输；鬣戮鼠导叫矗氍 象毹气莓，美茸丽希殇行嘀耍。蜒害并漕潞落咨凄蓬一菘嗡曜凑点要耀禹醚； 羹奎 剥西大 化的目标支配下，各发电厂商 必然会尽可能利用现有发电设备，对投资也会谨慎从事。多个发电厂商的这 种共同行为必然会导致全电力系统发电容量新增不足。电力行业的资金、技 术密集性，具有很强的技术和市场壁垒，外资进入的难度和风险都比较大， 有些老小低效率的电厂必然会被市场淘汰，过早出局，会加剧系统面临发电 容量不足的危机。 1 2 发电容量充裕性相关问题的研究概况 1 2 1电力合同的研究现状 电力市场的特殊性极容易导致电力市场的各个参与者面临巨大的价格风 险和利润风险。市场参与者都希望能采取切实可靠的管理措施和方法来降低 市场风险。电力工业的垄断性使电力市场中市场力特别严重，市场价格很容 易被操纵，电价变化复杂，难以预测。电力市场现货价格的大幅剧烈波动性 将增加市场参与者的风险，严重挫伤投资者的积极性不利于系统维持充裕 的发电容量。如1 9 9 5 年1 2 月，英国的一些半小时电价达到1 1 8 0 磅m w h ， 即约$ 1 7 0k w h ：1 9 9 8 年夏季，美国中西部的电力价格在$ 5 0 m w h 与 $ 7 0 0 0 m w h之间波动，这些都严重破坏了电力市场的稳定性，极易诱发电力 危机。在美国中西部，1 9 9 8 年夏季的价格波动就导致有两个市场参与者不得 不离开【1 0 t 5 5 l ，使电力市场发电容量进一步短缺。 目前，维持电力系统发电容量充裕性规避市场风险，激励发电厂商投 资的公认方法之一是进行电力合同交易。通过建立电力合同市场，能为电力 用户提供稳定的电力供应，也为发电投资商带来长期稳定的需求和收入，同 时还能降低交易成本，提供中长期经济信号，反映电能的中长期供求关系， 指导资源优化配置。这样，既能满足用户需求又能提高投资者积极性，极其 有利于电力市场的稳定发展和电力系统的安全运行。因此，在很多国家的实 际电力市场中。电力合同交易都已经被广泛采用，而且合同电量交易量大都 超过总电能交易量的6 0 ，有的甚至高达8 0 以上。如在英国，改革初期电 力合同交易超过 x 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 远期合同的定价也因交易方式而有差异，主要有三种定价模型。一是基 于发电边际成本预测的远期合同定价模型，以各自发电成本的不确定性为基 础，体现电力公司和各发电厂商的理性合同定价，多用于独立发电厂商和电 力公司间的可选择远期合同，适于供电垄断地区【5 8 1 。第二种是以风险调整价 格作为远期合同价格的定价模型，有利于两个市场间交叉保值【59 1 ，适用于无 期货无期权的不成熟市场，由于它假设两个市场间的价格成正线性相关，难 于反映电力市场本质特征，有局限性。第三种是基于实时电价变化规律的模 型，它是目前研究的热点和重点，还没有一种公认的定价模型，典型的是将 自回归随机过程模型用于实时电价过程建模，采用无套利定价方法来进行定 价【5 26。6”，它基本能够反映电价的各种特性，推理简单易于实现，比较实用。 与其它商品一样，对电力市场中的电力同样可以进行期货交易。与电力 远期合同一样，应在约定时间按约定交易量完成电力期货的合同交割，需要 在交易所内进行，并且缴纳交易费用和保证金。它能提高市场透明度，实现 最优电力定价和社会效益最大化，弥补电力现货交易风险的同时还能提供市场信息，指导电力投资决策p j ”。电力的不可存储性使电力期货合同的定价 不能采用一般商品的持有成本模型来确定，常采用与电力相关的能源。如煤， 燃油，天然气等的价格关系来间接反映电力期货的价值【5 2 】。可见，对相关价 格关系研究的准确性将决定电力期货价格的准确性。电力合同的定价是远期 合同市场的基础。诚然，电力合同的定价要反映风险资产在当前的合理价值， 故主要有两种定价原理：基于市场均衡理论的定价方法和基于一般套利定价 理论的方法。最典型的定价方式是美国著名学者f b l a c k 和m s s c h o i e s 于 1 9 7 3 年首先提出的欧式股票看涨期权的定价公式，即b l a c k s c h o i e s 期权定 价模型。标的物的价格遵循几何布朗运动，服从对数正态分布，这种期权电 价模型的基础是无风险套期保值完全可以在标的物与其对应的期权合同之间 实现。以此为基础进一步提出了欧式远期或期货合同期权的价格公式、美式 期权定价的有限差分法和二叉树法( 或称二项式法) 等，并已拓展到复合期权 ( c o m p o u n d0 p t i o n s ) 等一些非标准化类型的所谓外来期权( e x o t i co p t i o n s ) 的定 价理论研究【5 2 t 5 6 ，57 1 。 1 2 2 市场交易机制对发电容量的影响 建立合理的激励性市场机制，鼓励电力投资，增加电力系统的发电容量 刻不容缓。电力市场建立之初，很多国家和地区的电力系统的发电容量都比 较充裕，很多国家的发电备用容量都超过3 0 32 1 。人们在讨论和设计电力 第12 页 西南交通大学博士研究生学位论文 商以真实边际成本报价的目的。 目前，对电力价格及市场机制问题的研究也比较多，有讨论市场电价特 性的1 8 5 87 1 ，有讨论竞价机制的，如文 8 8 9 l 】就讨论了目前市场、单时段和多 时段联营体市场的拍卖问题文【4 8 ，9 1 ，9 2 】也介绍了一些电力市场竞价的新方 法。但都还没有找到能比较正确合理估计发电厂商边际成本，揭露真实边际 成本的方法，如何解决这些困难是电力市场竞价机制中一重要且迫需解决的 问题，文献【80】在这方面有了很好的尝试，但所建立的模型不能保证回收所 有合理的发电容量成本有待进一步深入研究。 123购电商调度策略对发电容量的影响 电力市场环境下的购电商调度策略具有引导发电容量，使社会资源尽可能实现最优配置的作用，是值得深入研究的课题。现有的电力市场中一般主 要是开放发电侧市场，购电商往往是代表用户的单一买家，同时还兼顾电力 调度的角色。电力市场中，购电商代表用户同发电厂商进行购电交易时，除 了要考虑市场的竞投标问题，还要考虑调度策略问题。购电商调度策略合理 与否直接关系到电力系统安全运行问题，还涉及到本身盈利与否，并将影响 发电厂商的发电和投资积极性。即或购电商的调度策略满足调度时的电力系 统安全运营条件和自身购电成本的最小化，但如果使发电厂商的利润极少， 甚至无利可图也是不恰当的，也必然削弱发电厂商的发电和投资欲望。长此 以往，自然会导致全电力系统发电容量的萎缩，危及电力系统的安全稳定运 行。 研究购电商策略时应当考虑电力合同的影响。在电力市场化之前，电力 系统的发输配送集为一体，不存在竟价和电力合同问题，电网公司的调度策 略主要以安全运行为主要目的，同时兼顾发电成本最低即可【9 3 1 ，煤炭等一次 能源的价格比较固定，系统的调度策略相当于是静态平衡调度，相对简单。 在电力市场环境下，购电商的调度策略将以购电费用最小为核心。在协调供 需平衡的同时还要考虑电网输电能力的决策问题，电力市场交易的机制问题， 安全、可靠及经济等指标间的相互协调问题等。电力市场中，为降低电力市 场风险，保证电力系统有充裕发电容量，购电商将和各个发电公司签订各种 合适的供电合同，使各市场参与者利益最大化、确保电力市场安全稳定，同 时经济规律的作用会使机组组合原则、服务定价和数据的商业敏感性发生很 大变化。电力市场的许多商业行为大大增加了电力系统运行调度的复杂性， 即除机组约束和系统约束外，还有电量合同、双边合同、期货合同等贸易交 西南交通大学博士研究生学位论文第13 页 易方式的约艄辇萋，登i | i 雨甚爹静责任电力用| 卢或确萌斋蟊配送西公i 郭蜘 扪趔氧县氡崮l j 蓟扛割鼯拳帮办删i 维l l l j 遵淄象塑引戮蠡暨是圳一剐黜 抖翻& 掣誓罾寨雹爱雄蕊狴j 矧夏型剐雾多髟一型裂善雯影琢蓉掣型 妫? 瓤曼卧也氨烈熨勘窜宦露唰西一随i 冒旷驯群 錾型，垂到吲： 氇嘭m 憾汤虐_ j 哺瞄嘣弼瞄布虞掘离序的发展。只有对发电厂商的策 略进行恰当合理的引导和管理才能保证电力系统有充足的发电容量。以往人 们对发电厂商的研究多集中于竞价策路f 1 1 9 j ，少有研究发电厂商的发电策略。 电力市场环境下发电厂商的发电策略更为复杂化。竟价策略是在完成电 力交易之前进行的博弈行为，带有投机性，主要考虑投标价格和电量对自己 收益的影响，不一定是真实的发电策略。发电厂商的发电策略则主要考虑机 组启停和电量分配情况。电力市场化的转变，使电力系统由原有的垄断模式 改变为市场竞争模式，发电厂商的发电运行计划也会发生很大的变化。电力 市场的交易涉及到现货交易、期货或长期合同交易、实时交易和辅助服务等 内容。发电商制定发电计划时也必然要考虑如何完成相关的发电交易计划。 这些变化使发电厂商除了考虑机组性能、电能质量和网络结构等物理层次的 技术约束条件外还要考虑经济效益方面的影响。 在传统的发电策略中人们多以发电成本最小化为策略模型，甚至只考虑 系统安全因素。市场化后发电策略将转为以发电厂商发电总利润最大化为中 心目标。实现的最优化方法基本与前述的购电策略一致。同样有基于经典算 法的线性规划法【1 2 0 】、二次规划法【】、非线性规划法【1 2 2 j 和动态规划法2 3 ) 等， 也有基于现代智能方面的遗传算法【陀”、人工神经网络法f 1 25 1 、蚁群算法【1 26 1 、 混沌优化法i n 7 1 和进化算法等1 1 2 引。总的看来在现有发电厂商日调度策略的 研究中，人们多只考虑了发电厂商成本最小化问题【挖9 1 ，有的也只考虑了竟价 电量和合同电量的发电策略【n o 】或者只考虑了竞价电量和辅助服务的发电策 略i l 圳，把三者联合起来进行综合优化分配的几乎没有。故此深入研究发电策 略具有重要意义。 1 2 5 电力市场市场力对发电容量的影响 经济学对市场力的定义为：“一个或一组企业对某一行业价格和生产决 策的控制程度。”在电力市场中，市场力是发电厂商为获得更多利润而使市 场价格高于边际成本的能力。在统一出清价格的电力市场中，市场力表现为 发电厂商影响市场统一出清价格的能力【1 3 2 】。电力存储费用昂贵，无法进行大 容量的存储，供需之间要求每时每刻达到平衡：进入电力市场的自然壁垒明 西南交通大学博士研究生学位论文第15 页 显，因为需要很长的时间和很大的投资来新建电厂或输电线【l ”4 j ；电力负 荷需求弹性很小：发电机组具有严格的运行和容量约束；输电系统也存在不 可长时间越限运行的约束：大容量机组发电厂商本身也可能进行容量持留， 策略性的制造容量短缺假像。电力系统的这些自身特点决定了电力市场比一 般商品市场更具有较强的市场力。市场参与者很容易利用这些因素滥用市场 力，垄断或操纵电价，获取高额利润，极易导致市场价格的剧烈波动，破坏 市场稳定性，违反公平竞争原则导致市场竞争低效，损坏其他成员和消费 者利益【1 3 5 1 。市场力的滥用最后必然导致新增发电容量减少，使电力系统的发 电容量日趋短缺而危及系统安全。所以如何解决电力市场的市场力问题一直 是电力市场研究的一个重点和热点问题。 目前的电力市场中，度量市场力的指标主要有三种：一类是市场集中度 的指标h h i ( h e r f i n d a h lh i r s h m a ni n d e x ) 【”6 1 ，另外一类是市场集中的直接度 量指标包括l e m e ri ( l e m e r i d e x ) 和p c m i ( p r i c e - c o s tm a r g i n a li n d e x ) 两种指 标【l ”】，最近，还有一类由前两种发展而来的动态市场集中度指标。第一类指 标表示简单，易于在实际中应用，但它只是一种静态指标，并不能反应市场 参与者的市场策略行为、拥挤约束的作用、负荷弹性需求作用等，只是市场 力检测的粗略工具，也还没有证据表明市场份额的大小同市场力之问有直接 的必然联系。第二类指标能直接反应价格的标高，客观反映公司的市场力大 小，是度量市场力的真正合理指标，但由于在实际情况中很难获得各公司的 边际生产成本m c ( m a r g i n a lc o s t ) 。对于第三种动态h h i 比较容易应用于实 际系统【1 3 “h 叭，但只能反映拥挤对系统h h l 的影响，对市场力的其它方面， 如市场参与者的行为负荷需求弹性等均无法计及或考虑得很粗造，没有克 服市场力作用最明显的峰值负荷时指标为零的缺点，离实际应用尚需进一步 改进。 市场结构、市场规则和政策对市场力有重要影响。目前的市场组织形式 主要有两种，一种是交易所模式，另一种是双边合同模式。由于交易所模式 中市场力作用明显，实时价格波动大，易动摇投资者信心 1 4 1 ，h 舶。有人通过 仿真研究认为，双边合同交易模式更有利于电价平稳和吸引投资【1 4 引。市场的 定价原则也对市场力有极其重要的影响【1 4 4 1 4 5 1 。采用均一定价原则有利于市 场参与者上报边际成本，有利于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 ) 进行调度， 使社会生产成本最小化，但这种方式也易于被大公司实施市场力来操纵市场。 采用差别定价可以抑制大公司对市场力的利用，但却难于实现社会总生产成 本最小化，还赋予了低生产成本的市场参与者很强的潜在市场力。究竟哪种 第1 6 页西南交通大学博士研究生学位论文 定价原则更有利于促进竞争，更能抑制市场力都还有待于进一步研究。合理 的市场规则和政策可以保证市场有序的运行、买卖双方的正常交易，有利于 提高市场效率，减少市场力的滥用行为。激励发电容量的投资。 1 2 6 电力价格上限对发电容量的影响 从市场经济的角度讲电力市场不应当设立价格上限。很多人反对实施 价格上限政策。甚至美国总统布什、副总统切尼以及美国联邦能源管制委员 会前主席都认为这种做法是很糟糕的【1 4 “。他们认为实时电价被价格上限扭曲 了，无法得到正确的投资信号。认为不但没有抑制市场力行为，反而恶化了 市场力的影响，将发电容量不足的原因归咎于价格上限的实旅。 电力行业的天然垄断性使电力市场很难实现真正的自由竞争。发输配等 各个环节都存在有甚至很严重的市场势力，极容易导致价格飙升，严重损害 消费者利益，扰乱电力市场，阻碍电力工业的发展。所以有人认为价格尖峰 的形成并不是市场自然调节的结果，并不总是发电容量不足的表现，主要是 寡头垄断利用市场力的结果。电力市场用户的角色是被动的，为保护其利益 应当采用价格上限政策。 对市场中处于垄断地位的发输配环节的各方面进行价格网络的接入安 全、环保和普遍服务等非经济性内容的监管是必不可少的。通过监管鼓励公 平竞争、防止市场垄断，保证公平、有效竞争的市场秩序。价格监管是监管 机构最重要的一个任务，通过制定发电、输电、配电和售电的定价规则使 受管制企业有机会收回其合理的费用( 包括投资) 及其他沉淀成本，还要维持 电力企业与电力用户之间的利益平衡，能为消费者所接受【7 1 。价格监管是所 有监管任务的中心，它虽然不直接决定但将直接影响电力价格和电力企业的 收入，对发电企业发电或投资与否都有重要影响进而影响电力系统发电容 量的充裕性和电力工业的发展。事实上适当的价格上限可以在一定程度上抑 制市场势力i 1 4 ”，世界上几乎所有的实际电力市场都通过实施价格上限来控制 电价的飙升【i ”j 。 价格上限模型以规定管制价格的上升或者下降，给被管制企业带来激励， 有一个合理的基价为假设前提f l 如j 。基价必然以成本为基础，这决定了即使是 价格上限，也仍然要以发电厂商的发电成本信息为基础。在电力市场环境下， 发电厂商的成本信息属于私有信息，其上报管制机构的成本信息很难是真实 成本的体现。在管制与被管制者之间明显的存在有信息不对称问题。显然， 如果价格上限管制只仅仅着眼于单纯的价格控制，管制者将缺乏规范的标准 西南交通大学博士研究生学位论文 第17 页 和方法：成本审核时，没有法定的预测成本的依据、规则，也没有科学的成 本量化标准和技术，难于确定自然垄断产业的合理利润的标准”1 必然使价 格的制定缺乏科学性，制定出的价格也不能正确反映价值，带有明显的主观 随意性。 单一化的价格管制方法常常使电力产品的价格固定，具有滞后性，缺乏 灵活和激励性。虽然可以抑制电力企业利用垄断力量谋取超额利润，但却因 此隔断了企业与市场之间的相互作用关系，使价格调节机制受到很大限制。 这样的固定价格会影响到资源配置的效率。实行固定价格管制，就难于与供 给费用挂钩，难于体现对资源和环境的保护以及对电力企业降低成本、提高 效率的激励作用，使得以价格来促进流通、调节供求差额、节约资源、刺激 企业降低成本的机制不能得到很好的发挥。这种情况下制定的价格管制就 有可能使系统容量偏紧时的价格上限宽松过头，失去价格上限的作用，也可 能鼓励盲目投资、重复建设导致企业行为背离成本最小化，粗放经营劣化资 源配置，加重用户负担；系统容量比较富裕时的价格上限设置过低，会不利 于发电厂商收回投资成本扭曲投资信号，降低发电厂商的发电和投资积极 性限制了系统发电容量的增加。现有的价格上限设置方法主要有两种，投 资回报率价格模型和英国的最高限价管制模型【i ”l 。但到目前为止人们并没有 找到一个比较合理的既能抑制市场力，又能激励发电容量的价格上限设鼍方 法，对电力是场中的价格上限问题进行研究具有重要意义。 1 3 本文的主要研究内容 电力市场化改革的目的是要提高电力工业生产效率，降低用户用电费用 的同时保证投资者合理的收益，最终实现电力生产的社会福利最大化，促进 电力工业的持续稳定发展。电力行业自身的特殊性使市场化后的电力行业遭 遇到发电容量不充裕甚至严重不足的危机。针对这一迫切问题，本文从交易 机制、购电商调度策略、发电厂商发电策略、市场力和价格上限这几个因素 出发，结合电力合同的相关影响研究解决发电容充裕性的一些办法和措施。 本文的研究内容和创新成果主要体现在以下几个方厩： 1 ) 以机制设计理论为基础，设计一种考虑电力合同的激励性机制。电力 市场中无论是统一竟价机制还是按报价支付机制都难于激励发电商上报真实 成本，其策略性报价危及电力系统的安全和经济运行。所设计的这种机制在 实现经济调度的同时能有效的激励发电机组上报真实成本，引导发电容量投 第侣页西南交通大学博士研究生学位论文 资，实现社会资源的合理配置。通过实例进一步证明该机制对边际、边际附 近或以上机组的激励更为有效，既能保证各机组合理回收容量成本又能抑制 其暴利行为。 2 ) 建立考虑合同电量和同时考虑合同电量与热备用容量这两种情况下 的购电商调度策略。电网公司在进行购电交易时，不但要考虑各发电公司申 报的现货电价和竟价电量，还要考虑与发电公司原有的购售电合约，甚至还 要兼顾系统的熟备用问题。因此，需要对预测发电量进行合同电量、竟价电 量和热备用容量进行经济分配，这样既可以使电网公司利益最大化，又可以 使发电方利益得到保护，有利于保证系统有充足的发电容量使电力市场稳 定发展和电网安全运行，实现电力改革的最终目的。文中建立考虑电力合同 和热备用容量的预测交易日的经济分配模型，并用线性规划和逐步淘汰相结 合的方法对该模型的合理简化模型进行求解，使求解过程简单易行可靠。 3 ) 建立考虑合同电量和同时考虑合同电量与热备用容量这两种情况下 的发电厂商发电策略。电力市场中，发电厂商制定日发电策略时，不但要考 虑竟价投标问题，而且还要考虑与购电商或大用户的原有电力合同问题，也 有可能还要考虑热备用服务问题。因此发电厂商所要解决的关键问题之一是 如何策略性分配发电厂商各发电机组竞价电量、合同电量和热备用容量，以 实现发电厂商总利润最大化的最终目的。文中建立一个含有连续和整数变量 的二次规划型发电厂商日利润最大化策略模型。采用效率优先排序法和二次 规划法相结合的方法对该模型的适当简化模型进行求解，该方法具有合理性 和实用性。 4 】以市场均衡和猜测变量为基础，建立有效的抑制市场力和维持发电容 量充裕性的合同电量比例分配模型。在电力市场环境下发电厂商很容易进 行容量持留，或减少发电容量投资，利用其市场力进行策略性报价获取暴利， 严重危害电力系统的经济性和安全性。建立电力合同市场，是解决此问题的 重要途径之一。文中从单一购电商的价格可控性和各发电厂商在现货市场及 合同市场的利润最大化目标出发，以市场均衡和合同电量的猜测变量为基础。 建立了购电商和各发电厂商间的合同价格、现货电价、竞价电量和合同电量 分配的最优化模型。并讨论了合同电价调节因子、合同电量的猜测变量和发 电厂商数目对发电厂商的最佳合同电量、现货电价和总购电成本价的影响。 5 ) 设计一种动态价格上限设置新方法。当今的电力市场都普遍采用价格 上限的管理办法，但现有的价格上限设置方法都未能有效地抑制电价飞升和 规避市场风险。鉴于此文内所设计的动态价格上限设置新方法模型将吸取 西南交通大学博士研究生学位论文第19 页 美国的投资回报率法( r o r ) 和英国的零售价格指数法( r p i x ) 两种典型价格上 限设置方法的优点，保留利润上限法的动态调整特点。还体现投资回报的公 平性。同时就所建立的动态价格上限新方法的利润因子取值及对新老电厂的 激励问题进行讨论以证明这种动态价格上限新方法的可行性和实用性。该模 型既能有效抑制边际成本定价造成的价格尖峰问题，又能激励效率，吸引投 资，为发电侧市场最高限价的设置困难提供一种合理可行的解决方案。 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 1 页 电厂类型、运行状态、煤价、历史报价完全可以估计出该发电厂商的边际成 本范围【c 。，c ，”。】及其概率分布状况，市场管理者可以把它同负荷预测数据 作为公共信息预先发布给市场参与者，使之都有共同了解，以利于各发电厂 商进行市场报价。 在考虑电力合同，不计机组开停和输电约束时某时段按报价支付的电 力经济调度问题可表示为 t 。，= m i n 【占f p ，+ c ；p 门 ( 2 2 ) i = l 式中疋。，表示该时段电网公司最小购电费用；，l 表示参与发电的总机组 数：f 表示第f 台机组：a 表示第f 台机组的边际成本；一表示第f 台机组的 合同电价，与时间段无关：a 表示第f 台机组该时段竞价电量：表示第f 台机组该时段合同电量。 约束条件： 1 ) 该时段负荷平衡 2 ) 该时段总竟价电量 3 ) 该时段总合同电量 h 十一) = q + 琶= q ( 2 3 ) 件i 只= q - = l p 净q ： f = i ( 2 4 ) ( 2 5 ) 口q q ： ( 2 6 ) 式中口为合同交易量控制因子，表示合同交易量与总交易量的比例， 保证合同交易量的进行。 由于单位时间的电量可以表示为功率，为方便计算本文所有涉及电量的 变量都用相应功率量替换。 4 ) 发电机组最大出力限制 a + 露一 ( 2 7 ) 因单位小时发电机组的发电量值与功率值相等。故式中以机组某时段电 量值替换功率值为出力约束。 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 3 页 = 一e 。只( x ) 出一( 一一q ) ( ( ? “) 一( 毒) ) ( 2 1 1 ) i 令k = 耐，x 表示发电机组f 在报价d 到c 间的各种可能值，则发 电机组f 报价为6 时的信息补偿项为 ) ：f 层( 眺+ 一q ) w 气一 ) ) + k ： ( f = 1 ，2 ，n )( 2 1 2 ) 在电力经济调度中，只为递减函数。据微分中值定理可证6 ，= a 为唯一 驻点。也是极值点 2 1 ，故只有当发电商报真实边际成本价时，期望利润值才 能达最大。 2 3 考虑电力合同的新激励机制 要激励发电厂商参与发电容量的投资，就必须考虑到发电厂商在所设计 的竞价机制下得到的支付要能够回收投资成本和获得合理利润。即发电厂商 参与该竞价机制的期望收益不能小于其机会成本，满足个人理性条件。完全 竞争市场下，发电厂商都报真实边际成本价格时，市场的统一出清价将反映 短期供求关系，是引导市场发电容量增减的正确信号，以激励充足的发电容 量j 。故所设计的新机制下的机会成本应不小于其在完全竞争市场下的合理 利润。 在考虑电力合同的情况下，某一时段的电力经济调度问题的拉格朗日函 数为 = ( c l a + c 属) 一五( p j 。一p f 一) 扫lk i + q 一( p ，+ p ：) 卜( p ：一c 电) ( f = l ，2 ，n ) ( 2 1 3 ) ，_ 1k i 式中五、分别为相应约束条件的拉格朗日乘子，z ，表示发电商 f 的影子容量成本，表示该时段的市场统一出清价。 考虑约束条件后，可认为a 与d 独立，由一阶最优条件可以得到 罢：q + ：o= c ，十 “= u 中， ( f _ 1 ，2 ，n ) ( 2 - 1 4 ) 根据前述分析看出，当发电商j 的报价为0 时，要满足个人理性条件和 第2 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 单一电价机制下，边际机组上报真实成本价则无利可图，很容易形成策 略性报价，扰乱市场和危害电力系统的稳定。按报价支付中，发电厂商上报 真实成本价也不能获利，还无法回收容量成本，严重缺乏激励性。文【1 5 2 】 所设计的报价方法是较为合理的，但没有考虑实际的电力合同问题。本章所 设计的新机制仍然将基单元归属于五 0 的机组，系统边际价格附近及以上 机组归属于置= 0 的机组。算例中讨论了各机组的信息补偿、容量成本回收、 日电价变化和利润获得情况以证明本新机制的合理性。 表2 2 各机组出力、边际成本、估计成本上下限和合同电价 1 h b i e 2 - 2 g e n e r a t j o n s o u t p u t ，m a r g i n a ic o s t ，t h ee s t i m a t e dm a x i m i z ev a l u e ， m i n i m i z ev a l u ea n dc o n t a c tc o s t 雌一一一一粥蛇蛇”盯他帧!茎一帜一博侉“拢幻孔一一一一一盯站鲫啪蛆m啪 一一一帜一，m!b h ”m e y 一 一 型蕈l 丛 嚣五嚣萎冀翼 l 一 一 靴一帜一：，。，。，。 第3 0 页 西南交通大学博士研究生学位论文 争市场和旧机制下的平均电价，这也使得电力库的总购电费用进一步减少， 有利于电网公司和供电公司的发展，也有利于降低电力用户的消费价格。新 机制下电力库总支付费用的减少并不会削弱其激励性。从前面的分析可以看 出，它对边际、边际附近及以上机组的激励作用要强得多，费用减少的原因 在于电力合同的签订，限制了基负荷机组的暴利行为。这是合理的，在加强 激励性的同时实现全社会总成本的最小化也正是人们所期望的结果。 食 蚩 蒌 婴 叮 o 2 6 0 2 70 2 8o 2 9o 3 0 0 3 l 0 3 2 报价( 元瓜w h ) 图2 一l 发电厂商4 的报价及典型日期望利润曲线 f i g 2 - l c u i v eo fi p p 4 sb i d 套n dd a i l ye x p e c t e dr e v e n u e 报价( 元，k w h ) 图2 2 发电厂商9 的报价及典型日期望利润曲线 f i g 2 - 2 c u r v eo fi p p 9 sb i da n d d 8 i i ye x p e c t e dr e v e h u e 西南交通大学博士研究生学位论文 第3 1 页 图2 3 日负荷曲线、新旧机制与自由竞争市场电价 f i g 2 3d a i l yl o a dc u r v ea n dt h ep r i c eo fn e w o ro i dm e c h a n i s ma n df r e e c o m p e t i t i v em a r k e t 2 6 小结 1 ) 本章设计了一种考虑电力合同的新激励机制，它的主要优点在于进一 步加强了对边际、边际附近及以上机组的激励性，能确保各机组容量成本的 合理回收，同时还降低了电力库的总购电费用，有利于实现社会总成本最小 化和社会资源配置的最优化。 2 ) 在本章的仿真过程中始终没有得到如文【1 5 2 】中所述的结果，即在旧 机制下，应报真实边际价格o 2 8 元，k w h 时才能获得最大期望利润。分析其 原因，主要是旧机制对边际、边际附近或以上机组的激励还不够，计算过程 中求发电厂商某一报价的期望发电量的方法还有待进一步研究。 3 ) 本章没有考虑激励程度的具体合理标准，多约束条件情况时，如输电 网络、机组启停及爬坡等因素影响下的激励问题。 第3 2 页西南交通大学博士研究生学位论文 第3 章考虑电力合同的购电商日调度策略3 1 引言 在电力市场环境下为保证电力系统有充裕发电容量，很有必要进行电 力合同交易【“91。因此，电网交易中心在制定日发电计划或调度策略时，必 须考虑与发电公司原有的购售电合同问题，要依据原有的合同来制定同各发 电厂商的合同交易量。如果合同是年度合同交易则根据机组的供热计划、 检修计划以及水电大发等情况将年合同交易量分配到各月，形成月合同交易 量，再细分到各日，形成日合同交易量。否则，如果只是月度合同交易，则 直接细分到各日形成日合同交易量。在确保完成日合同交易量的前提下进行 现货交易。黝髂鲷翳锈“i 分配到变易藿掣奇：王答忽裂操噶蔑堆绍坚谚 理高螅，理蔼攀矩旷群咐毫墓霓价上荔旨桥晕嚣糕蝎牮出端i 驹拜l 召霍 攫 研究的重要问题。只有如此，才 能有效地调动电力市场各参与方的积极性，逐步完善电力市场，促进电力工 业、全民经济和社会的发展。结合文【1 1 3 ，1 5 4 】并利用第三章的方法同样可以 解决竟价交易量、合同交易量和热备用容量的购电商调度最优分配策略问题。 4 2问题描述和日调度策略模型的建立 在每日进行现货竞价交易之前，电网公司都要以电网购电费用最少为目 标，根据实际的负荷预测、机组运行情况、网络安全约束合理的确定日合 同电量、竞价电量和热备用容量。只有这样才能既保证合同电量和热备用容 量的实现，防止发电公司滥用市场力的行为，使电网安全运行和效益最大化。 可建立相应的日调度策略模型如式( 41 ) 。 韭上 ，= m i n u n ( c，只+ c j 爿+ c z ? ) + s j u 。一u _ 1 ) | 】 ( 4 - 1 ) 4 1 。 式中足。“表示电网公司最小购电费用：f 表示第f 竟价时段；打表示参与 发电的总机组数；f 表示第f 台机组：“表示第f 时段第f 台机组开停状态， 西南交通大学博士研究生学位论文第3 5 页 本章将借鉴文【1 5 4 】的类似解法求解，先将动态规划分为各时段性的静态 规划，再利用线性规划法可以使求解过程简化，避免了动态规划形成的“维 数灾”。采用逐步淘汰法可以使计算结果更为准确。因此可以将起停参数巩 设为1 ，将时间约束缩小到各竟价时段。这样( 3 - 1 ) 式可以简化为 t 。，= m i n 【c ，只，+ c 】( 3 1 3 ) t 约束条件中( 3 2 ) 式简化 ( 3 - 1 2 ) 式转换为 ( 3 一1 4 ) 万= q ，+ q 。 ( 3 一1 5 ) ( 3 4 ) 式可转换为，时段合同电量纠 ( 3 5 )