（电力系统及其自动化专业论文）基于现代投资组合理论的大用户购电组合策略研究.pdf

华北电力火学硕十学位论文摘要 大用 组合问题 针对 过长期购 货市场及 自备电厂 购电组合 最优化模 得到大用 关键词： 户直购电的实施使得大用 就非常必要并具有重要的 大用户购电的特点，将其 电决策确定其远期合同及 自备电厂中的购电量。以 及可中断负荷的作用，借 的有效前沿。同时引入偏 型，并针对m a r k o w i t z 模 户购电量在各市场中的分 大用户直购，有效前沿， 摘要 户有机会 经济意义 购电决策 可中断合 大用户在 鉴现代投 离度的概 型的不足 配比例， 从多个市场购电，因此研究大用户购电 分为长期购电决 同电量，通过短 远期合同市场、 资组合理论中的 念，建立考虑大 引入e c v a r 模 并通过算例验证 策和短期购电决策，通 期购电决策确定其在现 现货市场中购电，考虑 m a r k o w i t z 模型推导了 用户购电成本及风险的 型对其进行改进，从而 购电策略，m a r k o w i t z 模型，e c v a r 模型 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nl a r g ec o n s u m e re l e c t r i c i t yp u r c h a s i n gs t r a t e g yi sv i t a la n do f i m p o r t a l l te c o n o m i cs i g n i f i c a n c eb a s e do nt h es i t u a t i o nt h a tt h el a r g ec o n s u m e r sh a v e o p p o r t u n i t i e st op u r c h a s ee l e c t r i c i t yd i r e c t l yf i r o md i f 蚤j r e n tw a y s t h ee l e c t r i c i t y p u r c h a s i n gd e c i s i o n o fl a r g e c o n s u m e r sw i l lb ed i v i d e di n t o l o n g t e n na n ds h o r t t e 姗e l e c t r i c i t yp u r c h a s i n gd e c i s i o ni nt h i sp a p e r t h eq u a n t i t yo f e l e c t r i c i t yp u r c h a s e di nl o n g - t e 咖c o n t r a c t sa n di n t e r n l p t e de l e c t r i c i t yc o n t r a c t sa r e d e t e m i n e db yl o n g - t e me l e c t r i c i t yp u r c h a s i n gd e c i s i o n a n dt h eo t h e r sa r ed e t e m i n e d b ys h o r t t e me l e c t r i c i t yp u r c h a s i n gd e c i s i o n c o n s i d e r i n gp u r c h a s i n ge l e c t r i c i t yt h r o u g l l l o n g t e mc o n t r a c t sa n df r o ms p o tm a r k e t s ，a sw e l la st a k i n gs e l f - s e r v e dp o w e rp l a n t s a n di n t e m j p t i b l es e r v i c ei n t oa c c o u n t ，t h ee m c i e n tf r o n t i e ri si n f e 1 1 r e db yam a r k o w i t z m o d e lb a s e dl a r g ec o n s u m e re l e c t r i c i t yp u r c h a s ep o r t f o l i om o d e l ，a n dad e v i a t i o nd e g r e e b a s e dl a 毽ec o n s u m e re l e c t r i c i t yp u r c h a s i n gd e c i s i o nm o d e li sp r o p o s e dt od e t e n n i n et h e e l e c t r i c i t yp u r c h a s i n g a m o u n ti nv a r i e sm a r k e t s a n da ne - c v a rm o d e li sa l s op r o p o s e d t oi m p r o v et h ei n a d e q u a c i e so fm a r k o w i t zm o d e l t h er e l e v a n tt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a l t e s t sa r eg i v e n w 萌y i n g l i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i n k e yw o r d s ：l a r g ee l e c t r i c i t yc o n s u m e r ，e f f i c i e n tf r o n t i e r ，p u r c h a s i n gs t r a t e g y m a r k o w i t zm o d e le c v a rm o d e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于现代投资组合理论的大用户 购电组合策略研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进 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。 学位论文作者签名： 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：导师签名： 日期：塑乡：龟：! 华j 匕电力人学硕十学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 电力市场发展概述 多年以来，由于电力的特殊性质，世界各国的电力行业都是传统的垄断性行业， 无一例外地实施发、输、配、售垂直一体化的垄断性管理模式。随着现代科技和经 济理论的发展，自2 0 世纪8 0 年代以来，电力改革的浪潮席卷全球，国际上数十个 国家进行了电力市场改革【i 七l 。 智利是实施电力市场化最早的国家，起步于2 0 世纪7 0 年代未。其目的在于消 除国有企业的腐败、低效和资金缺乏的情况。1 9 8 2 年智利颁布了新电力法，正式启 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。英格兰电 力市场化开始于1 9 8 7 年7 月撒切尔夫人颁布的电力法，并于1 9 9 0 年4 月撤消 了垄断经营的中央发电局( c e g b ) ，把发、输、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。随后，瑞典、澳大利亚、美国 等国家先后开展了电力市场化改革。 电力市场改革是电力工业发展到一定阶段的必然要求，已经成为世界电力行业 的共同发展趋势。其根本目的是将电力工业纳入全社会资源优化配置链，以市场机 制全面提高电力工业的投资和运行效率。其本质是将电力交易的一切条件都转化为 单一的货币单位来衡量，并且其价格由市场决定，从而实现资源的优化配置。改革 的重点是建立竞争性的电力市场，打破传统的垂直一体化的行业垄断组织结构，引 入竞争机制。综合各方面的研究成果，电力市场的发展可分为4 个阶段：即垂直垄 断阶段、单一购买者阶段、电力批发阶段和零售竞争阶段，见表1 1 。 随着我国社会主义市场经济体制的建立，电力工业放松管制、引入竞争、实现 市场化已成为大势所趋。2 0 0 2 年初，国务院颁发了关于电力体制改革方案的文 件，要求在“十五”期问实行厂网分丌，竞价上网，“初步建立竞争、开放的区域 电力市场，实行新的电价机制”；2 0 0 2 年1 2 月，国家电力公司重组为2 家电网公司 和5 家发电公司，标志着我国电力市场化改革己进入到实质性阶段；2 0 0 3 年6 月， 华东区域电力市场开始进行建设试点，2 0 0 4 年5 月开始月度竞价模拟运营，2 0 0 6 年4 月进入试运营阶段，并于2 0 0 7 年1 月1 日正式进入试运营。 我国电力体制改革的总体目标是建立全国统一、竞争丌放、规范有序的电力市 场。我国能源资源及经济发展的不平衡性，决定了必须在全国范围内优化电力资源， 加快电网建设，推进全国联网。然而就我国目前电力工业发展程度和相关的社会经 1 华j 匕电力人学硕十学何论文 济环节来看，要最大限度地达到利用市场手段来提高电力工业生产效率，降低电力 尘产和供应成本，实现资源的优化配置这一目标还需要分阶段来实现。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营机制，建 立健全市场管制体系，使电力市场改革平稳地向前发展。 1 1 2 大用户直购电简介 大用户是一个相对概念，指的是用电量超过一定数额的大容量电力用户，既可 以用电压等级来界定，也可以用平均用电负荷或年用电量的大小来界定。目前国际 上对大用户的界定还没有明确一致的标准，多数国家是根据自己国内电网用户的实 际情况，按照最大负荷和年用电量设置一个比例数来划定【3 】。大用户的界定一般随 着各国电力市场的逐步成熟在慢慢降低标准，各国放丌用户购电选择权的次序几乎 都是由大到小，首先为大用户，进而扩展到中等容量用户，等到最后小用户包括家 庭用户都放开时，市场也就进入全面竞争。 世界各国的电力工业改革都是首先放丌大用户的选择权，例如，同本规定用电 电压2 0 k v 以上，容量2 0 0 0 k w 以上的大用户首先实行电力销售自由化，其电量相 当于1 0 家电力公司售电量的3 0 ；欧盟1 9 9 7 年规定，首先开放占市场份额2 2 5 、 年用电量4 0 g w h 的大用户，2 0 0 3 年放丌占市场份额3 0 、年用电量为9 g w h 以上 的用户；澳大利亚在1 9 9 4 年规定首先放开占市场份额2 4 的5 m w 以上的大用户， 1 9 9 5 年又允许l 5 m w 的用户参加竞争。 在我国，大用户一般是指用电电压等级较高( 如1 1 0 k v 及以上) 用电量或受电容 量超过一定规模( 如年用电量在1 0 g w h 或用电负荷平均在l o m w 以上) 的用电客户。 z 华北电力人学硕十学位论文 在2 0 0 4 年电监会发布的电力用户向发电行业直接购电试点暂行办法中并未对 大用户的资格做出明确界定。由于各地区的电力建设规模和经济发展水平不尽相 同，各地区应根掘自身特点拟定大用户的标准。 在厂网分丌、竞价上网的自订提下，大用户直购电是指大用户与发电行业或供电 行业经协商，直接签订双边购售电合同，进行电力交易的一种特殊行为。在这种直 购电方式下，大用户还要向电网行业交纳过网服务费。如果大用户是与电力公司签 订直购电合同，则由电力公司向发电行业收购合同电力，再转售给已签订直购合同 的大用户。这里签订的合同电价已包含了过网服务费。 大用户直购电可通过电网转运和专线直购两种方式实现。在电网转运模式下， 用户可以和发电企业直接签订购电合同，也可与电网企业签订购电合同。不论与谁 签订购电合同，发电企业都要租用网络将电能送到大用户；出售给用户的电力只能 送到电网经营企业的输电网络上，再由电网公司将电能输送到大用户；电网充当一 个网络提供者角色，由于提供了网络服务，电网要向发电企业或大用户收取过网费。 这种模式下的大用户直购电是发电厂一电网一用户的三方协议。该模式的优点是电 网在为大用户的双边直购电合同提供输电服务和必要的辅助服务的同时，还能充分 发挥电网的规模效益，确保电能质量和电能输送安全。不足之处在于过网费和辅助 服务费制定与收取还存在着很多问题。 专线直购模式是指大用户和发电企业直接签订供电合同，大用户或发电企业自 建专用输电线路，合同电力通过专用输电线路传送到大用户，不与电网相连，因而 不再通过电网转供。由于双方电力交易不经过电网管理，发电企业或大用户不用向 电网交纳过网服务费。但如果大用户接入电网，电网公司对其提供辅助服务和事故 备用，电网公司可以向其收取这部分费用。目前，许多地区大用户都拥有自己的变 电站或自备电厂( 特别是电价占成本4 0 的高耗能企业) ，出于利益考虑，这些拥有 变电站和自备电厂的大用户设想的最优方式是“专线直购”。对于大用户，这种方 式不用经过供电部门的电网，从发电企业或自备电厂直接引一条线到用电方，可以 省去过网费和附加在电费中的各种基金及俯加费用，获得最优惠的电价。这种方式 并不符合电力体制改革的要求，只能应用于发电厂和用户之间距离比较近的情况， 而且还存在技术条件等方面的限制。 随着电力市场改革的不断深入，各国电力市场陆续实施大用户直购电政策，以 降低购电成本、优化资源配置。 英国从1 9 8 7 年起开始对其电力工业进行大规模的体制改造。英国根据国有企 业私有化的政策，电力工业于1 9 9 0 年也迈丌了私有化的步伐，将原中央发电局改 组成了4 个独立的电业公司，即发电公司、国家电力公司、核电公司、国家电网公 司。这次变革后虽然输电、配电企业仍保留由地区运营的独占性，但输电、配电网 3 华北电力人学硕十学位论文 的使用上则推行公用化政策，发电企业可向电力市场趸售电力，也可通过输电网直 接向用户售电，但需要向电网交付一定的电网使用费。改革后的英国电网对大用户 丌放了市场，大用户可以自由选择供电方，如可以从地区电力公司、电力联合运营 中心( p o o l ，又称为电力库) 和发电厂中任选供电方。除地区电力公司外，还允许持 许可证的单位，从电力联合运营中心购电并向大用户供电，但必须交付过网费。大 用户界定值根据不同时期取值不同，如：1 9 9 0 年放丌1 m w 以上用户( 5 万户) ；1 9 9 4 年放开1 0 0 k w 以上用户( 2 0 万户) ；1 9 9 8 年允许所有用户( 2 2 0 0 力户) 自由选择供电 商。英国电力市场中的交易方式，分为参加电力联合运营中心交易和签订直接合同 两种。而在2 0 0 1 年3 月2 0 同j 下式启动的新的电力交易市场( n e t a ) 中取消电力联合 运营中心，实行供需双方直接签订双边合同进行交易。 美国对大用户直供电市场的放开也是逐步进行的。1 9 9 2 年能源政策法的修 订，促进了美国输电市场的发展。美国接下来改革了输电线路公用化，即输电线路 所有者或运营者有向第三者提供输电服务的义务。以加利福尼亚州为例，已逐渐进 行了一些改革。加利福尼亚州自1 9 9 8 年1 月1 同丌始，容量在8 m w 以上的用户可 以直接进入电网( 不需配电公司配电) ，可以直接和发电公司谈判和签订供电合同， 也可以找中间商代理。至1 9 9 8 年4 月1 日，所有用户可以直接上网，用户也可以 选择由原来的公用电力公司继续供电。同时，美国的独立发电厂有权选择供电对象， 电网也可以提供转运业务，使得发电厂可以向不相邻的第三方供电。这些交易都是 以合同形式实现的。 澳大利亚的电力改革在各州各不相同，但包括南方和东方各州的国家电力市场 ( n e m ) 于1 9 9 8 年5 月开始运作。澳大利亚建立电力市场的原则是在发电和电力供应 中引进竞争机制，要求开放国家电网，允许私营电厂、国有公司及公有、私有用户 在电力系统中进行公开交易，从而增加市场成员的选择范围。在这个电力市场中， 终端的大用户也可以通过合约形式从电力市场的发电商直接购电，而不通过配电 商。市场规则规定，超过3 0 m w 的发电厂必须加入批发市场。 阿根廷电力改革开始于1 9 9 2 年，随着国有发电、输电公司的分解，批发电力 贸易框架建立起来。有2 个独立的市场，较大的是s a d i ，覆盖阿根廷北部和中部 地区，较小的是s p ，覆盖南部，两个市场互不连网。国家高压输电公司和5 个地区 输电公司的4 个已私有化。而地区输电公司j 下在私有化，大用户可直接从发电厂购 电。竞争门槛已从1 9 9 2 年的2 m w 降到目前的1 0 0 k w 。阿根廷在1 9 9 1 年以前的电 力工业全部是国有的。1 9 9 1 年4 月2 1 日，阿根廷政府发布了关于发电、输电、配 电系统私有化的电力批发市场。电力批发市场不仅对发电丌放了市场，而且对输电 和大用户也丌放了市场，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，并将自己发电厂的电能运送回工厂、商店和企业。另外，用户只需 4 华北电力人学硕十学位论文 支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。 我国早期对大工业用户的电价优惠政策其实就是大用户直购电的雏形，早在 1 9 9 8 年4 月1 同丌始，宁夏回族自治区就丌始对对硅铁行业3 0 0 0 k v a 及以上的矿 热炉和碳化硅生产企业给予每千瓦时8 厘的电费优惠。2 0 0 2 年初，国务院颁布电 力体制改革方案；2 0 0 4 年5 月底，国家电力监管委员会、国家发展和改革委员会 制定了电力用户向发电企业直接购电试点暂行办法，并在国务院电力体制改革 工作小组统一领导下，由国家电力监管委员会与国家发展和改革委员会根据本暂行 办法制定实施细则和相关合同范本，开展大用户直购电试点研究工作。 1 2 课题研究意义 自2 0 世纪8 0 年代以来，世界范围内的电力行业进行了体制改革，由传统的发、 输、配、售垂直一体化的垄断运营逐步向竞争运营转变。2 0 0 2 年，我国实施“厂网 分开、竞价上网”之后，在发电侧市场引入了竞争，但电网和售电侧仍处于垄断体 制中，这其间最大的问题就是：电力生产企业不能与电力用户直接见面，生产者无 法了解用户的真实需要，及时调整电力产品的营销对策；消费者面对高度专营的电 网经营企业也只能被动接受，无法进行适合企业发展的最佳选择；整个电力市场不 能形成反映市场供求关系的真实价格，不能通过价格信号调整电力供求关系，实现 发电与售电价格的有效联动。尤其是电网对大用户企业电价还存在着严重交叉补 贴，大用户目录电价不能真实反映供电成本，因此大用户企业希望通过直购电获得 有效的买电权力，消除强加在身上的交叉补贴，得到一定降价空问，从而减少生产 成本，增强企业的市场竞争力。 我国目前主要的电力交易模式是各类发电企业所发电量统统出售给电网企业， 再由电网企业转售给所有用户。电网企业是电力交易当中唯一的买家，也是向用户 出售电量的唯一卖家。而作为生产者的发电企业和作为消费者的电力用户不能直接 交易。由于电力商品的特殊性，电能的传输必须经过电力网络，电网具有自然垄断 特征，但发电、售电两侧市场却具有竞争性，因而如何将电网开放，成为中国电力 市场改革的关键问题。大用户直购电试点的启动，正是为了在实践中对这个关键问 题进行研究。 大用户直购电打破了电网企业单一购买者和独家供电的垄断局面，要求电网企 业在降低成本、提高效率的前提下，保证电网运行安全，为发电企业和电力用户提 供优质服务，以此来逐步开放公用电网。大用户直购电有利于各大用户通过对供电 方的合适选择，降低购电成本，提高产品竞争力，扩大生产规模，但也面临着一定 的问题【4 巧j 。 大用户直购电使得大用户在自主购买电能的同时，也面临着相应的风险。首先， 5 华北电力人学硕十学位论文 大用户要面临负荷预测误差所产生的风险，负荷预测偏高或偏低都可能对电网公司 产生不利的影响，使其遭受损失。另外，由于电力商品的特殊性，电能相对于其他 商品来说需求弹性很小，导致电价波动剧烈，尤其在供电紧张的情况下，会导致电 价的飞涨。大用户作为电价的被动接受者，不能对实时电价产生足够大的影响来保 证自身的利益，即电价的变化同样导致大用户直购电面临着很大的风险。从各国的 电力市场模式看，各国电力市场都存在类似期货交易的长期市场和类似现货交易的 短期市场，因此，通过多个市场购电就成为大用户规避风险的一种重要方法。然而， 如何买、买多少的问题仍然没有解决。合理的购电方案和风险管理是大用户要面临 的一个亟待解决的问题。 从大用户购电组合的特点来看，借鉴现代投资组合理论( m o d e mp o r t f o l i ot h e o 强 m p t ) 进行购电组合的研究是合适的。m p t 是研究如何将有限资金分散在具有不同 收益和风险的市场上的理论【缸旧】，是研究现代金融社会行为的重要理论。其中，m p t 的重要组成部分一一m a r k o w i t z 模型建立了投资预期收益和风险的内在联系，并通 过有效前沿( e 艏c i e n t 矗o n t i e r ) 直观地描述期望收益和风险( 用预期收益的方差表示) 的关系。有效前沿可以理解为同等风险下期望收益最大的投资组合，或者同样期望 收益的资产组合中j x l 险最小的组合。大用户在多个市场上购电组合也是希望购电成 本越小越好，所冒的风险越小越好。因此，可以利用有效前沿对大用户的购电策略 进行理论分析。建立大用户购电组合的有效前沿，将大用户购电成本期望和风险直 观地描述出来，给出所有的最优购电组合策略。同时，由于m a r k o w i t z 模型最主要 的假设“收益率服从正态分布”常常难以满足，以方差作为度量风险的方法也有待 改进。因此，本文拟引入一种计量收益损失程度的下方风险测量方法一一 c v a r ( c o n d i t i o n a lv 矾u e a t r i s k ) 方法度量大用户购电风险，建立以大用户购电成本 期望及c v a r 为目标函数的大用户购电决策模型，从而得到大用户购电量在各市场 中的购电比例。 1 3 课题研究现状 1 3 1 大用户直购电研究现状 从国外电力体制的改革过程来看，其改革的最终趋势都是开放配电网，形成电 力零售市场，使电力用户具有选择权，通过竞争来降低生产成本，提高劳动生产率 和经济效益。随着我国电力市场改革的起步和完善，电力大用户直购电将作为电力 市场一个重要的改革课题被研究。从2 0 0 1 年开始，我国的电力专家和学者开始介 绍、分析国外大用户直购电的经验、研究大用户直购电在中国的应用和前景。文献 4 】一 5 对我国大用户直购电所面临的问题进行了研究。 上述研究表明，大用户直购电的实施不仅对电力市场改革的程度、电力工业的 6 华北电力人学硕十学位论文 监管、电价的制定及结算等方面有较高的要求，而且对电网的结构、电网的规划、 电网的运行与控制、电网自动化等方面也有很高的要求。尤其是过网费的出现，无 论是对现行的单一制电价还是两步制电价，都将产生巨大的冲击，并对电价制度的 公平性产生新的推动作用。因此，更多的学者丌始对大用户直购电运行的细节问题， 如大用户直购电模式的发电电价制定、过网费用定价及辅助服务定价等进行了研 究。文献 1 1 】【1 2 】研究了电力市场下买卖双方的交易模式；文献 1 3 卜 1 4 对我国大 用户直购电问题进行了实践的分析，并提出了需要解决的问题。文献 1 5 卜【1 7 】运用 博弈论理论探讨了展开大用户直购有利于促进整个社会的综合效益，并就各个对象 的利益分配问题展开了研究。 大用户直购电使得电力市场交易各方的利益得到重新分配。电网公司不再是单 一的电能购买者；发电厂不仅要在经济上实现独立核算，而且应该按照严格意义上 的法人资格参与市场；大用户可以通过多种途径购电以降低生产成本，扩大利润空 间。目前对大用户直购电的研究多集中在其对电网公司的影响及过网费用定价、辅 助服务费用定价等问题上。而大用户作为直购电的直接参与者，其购电策略必然会 随着大用户直购电的实施进行调整。因此丌展电力市场中交易各方的利益分配问题 的研究，尤其是大用户购电策略的研究，具有极其重要的现实意义。 1 3 2 购电策略现状 电力市场在发电和零售方面存在着竞争。随着电力市场的不断完善，国内外学 者利用m p t 对电力市场的投资决策及风险管理进行了研究【1 8 五们，并取得了一定的 成果。 文献 2 7 】- 【2 8 】建立了考虑购电费用的单目标规划，讨论了供电公司在电力市场 条件下购电量为确定量和随机量两种情况时的最优购电量。文献【2 9 】研究了利用电 力期约市场和电力现货市场，普通购电商可以优化自己的购电分配策略的问题。文 献【3 0 研究了地方配电公司如何在自备电厂、现货市场和长期合同市场上分配购买 电量的比例以使得电能的购买费用和风险最小。文献【3 1 】引入效益边界的概念，建 立了零售电力市场单一卖方的最优风险策略的模型。文献 3 2 卜 3 4 】研究了发电商和 购电商在电力市场上进行交易的交易策略，分别为两市场电价独立和相关的两种情 况建立了考虑利润和风险的随机优化模型并求解。文献 3 5 考虑了长期合同市场、 日前市场、主能量市场和备用市场及自备电厂共存的情况，以及价格波动风险对购 电分配的影响，提出了以购买费用和风险为最小的优化分配模型。文献 3 6 】引入有 效前沿的概念，以售电收益的方差计量风险，讨论了发电商在实时市场售电与发电 投标时，如何在期货市场购买一定量期货合约以使总收益的风险最小。文献【3 7 】根 据m p t 的m a r k o w i t z 原理，以均值和方差计量收益及风险，建立了发电商在2 个市 7 华北电力人学硕十学位论文 场优化分配投标电量的数学模型。文献 3 8 】分别以供电公司收益的均值最大及方差 最小为目标，建立了供电公司购电组合的双目标优化模型。文献 3 9 】以条件风险价 值为市场风险计量指标对供电公司收益一风险进行量化，建立了风险最小化的均值 c v a r 模型。 从目前的研究现状可以看出，发电市场丌放的条件下，无论是发电企业还是电 网企业的经营决策都已有了比较完整的研究。由于电力市场售电侧丌放较晚，所以 对配电网丌放后的电力销售企业的经营决策的研究才刚刚起步，尤其是针对大用户 的购电决策及风险评估的研究成果还不多。 1 4 本文的主要工作 本文认为大用户直购电是今后电力改革的必然趋势，而大用户作为市场主体直 接参与电力交易的同时也必然要独立面对相应的风险。因此，在现有研究的基础上， 应用m p t 对大用户购电组合进行分析，并给出相应的购电决策。 论文的主要工作包括： 1 ) 针对目前中长期负荷预测及电价预测精度不高的现状，将大用户购电组合 分为长期购电组合和短期购电组合，就大用户购电量与现货市场价格独立 和相关两种情况，对其购电成本及风险进行分析。 2 ) 借鉴m p t 中m a r k o w i t z 模型，推导大用户购电组合的有效自i 沿，并引入偏 离度的概念，建立考虑购电成本及风险的大用户长、短期购电决策模型。 3 ) 针对m a 出o w i t z 模型的不足，讨论了大用户购电成本与以c v a r 表示的购电 风险的关系，建立了基于e c v a r 的大用户购电决策模型。 8 华北电力人学硕十学位论文 2 1概述 第二章大用户购电成本分析 实施大用户直购电，就意味着独立发电企业要直接接受大用户的选择，但同时 也获得选择大用户的权利。大用户既可以从电网公司购电，也可以直接向发电企业 购电而只由电网转送。 电力市场中电价的波动性和难以预测性使得大用户直购电面临着很大的风险。 一个好的电力市场需要发展各种合同交易以吸引更多的市场参与者，同时降低交易 成本，规避购电风险。在大用户直购电模式下，大用户电力交易方式可以按照实现 形式分为现货交易、远期合约交易、期货交易和期权交易。而大用户除了上述途径 之外，还可以通过自备电厂获得电能。获得电能的途径不同，大用户的购电成本及 面临的风险也不同。 在前人研究的基础上，首先分析了大用户购电的交易类型。由于我国电力市场 中，应用除可中断合同外的其他金融合同规避风险的情况并不普遍，所以，假设大 用户通过远期合同、可中断合同、现货市场及自备电厂购电。然后针对目前中长期 负荷预测及电价预测精度不高的现状，提出将大用户购电分为长期购电及短期购 电，并在此基础上对大用户的长、短期购电成本进行分析。 2 2大用户交易类型 2 2 1 远期交易 远期合约是市场参与者为了回避价格j x l 险，减少由于价格波动带来的利益损 失，通过谈判所达成的一种协议，它是通过签订远期交易合约并交付执行来完成的。 通常是由买卖双方通过双边协商谈判而直接达成年、月或星期的远期合约。交易双 方在合约中除了规定交易双方的权利和义务外，一般还包括供电时间、供电量、价 格和违约惩罚量等主要参数，合约中也应说明将交易总量分摊到实际供电小时的原 则和方法。为了保证电力市场的公j 下公平，这些合约参数必须科学、合理地制定。 远期合约签订的方式主要有双边协商、竟价拍卖和指令性计划3 种。双边协商 方式是由买卖双方通过协商谈判而直接达成年、月或星期的中长期合约。竞价拍卖 方式要求电力市场参与者在规定时间提出未来一段时间内卖( 买) 的电量及其价格， 由电力市场其它参与者按照总购电成本最小及系统无阻塞为原则，来确定中长期合 约的买( 卖) 方及远期合约交易的电量和价格。电力市场环境下的指令性计划方式则 由主管部门按计划实施，通常应用在有特殊要求的电力需求或者紧急调度情况下。 o 华北电力人学硕十学位论文 远期合约形式简单，便于操作。在为电力用户提供稳定的电力供应的同时，也 为发电商带来长期稳定的需求。远期合同能够锁定电力价格以回避电价波动的风 险，因此，世界各国的电力市场中均大量采用远期合同进行电力交易。英国电力市 场化的初期，超过8 0 的电力交易是通过远期差价合同( c o n t r a c tf o rd i f f e r e n c e s ) 来 完成的。在澳大利亚、挪威、新西兰等国的电力市场化进程中，远期合同市场均占 有不可忽视的重要地位。 2 2 2 现货交易 现货交易一般是指提前l 天( 甚至l 小时) 的电力电量交易。电力市场现货交易 在交易时间上更接近实际运行时间，用户可根据更准确的负荷预测购电。现货交易 有许多名称，例如，英国称短期双边市场( s h o r tt e mb i l a t e r a lm a r k e t ) 交易，挪威称同 前市场( d a ya h e a dm a r k e t ) 交易，澳大利亚称短期提前市场( s h o r tr u na h e a dm a r k e t ) 交 易。现货交易主要特点是实时或短时报价，实时交易，价格波动频繁，有时波动幅 度较大。此时，发电公司将竞价上网，大用户向电力市场购买电力。 2 2 3 期货交易 期货交易是市场经济发展时期的一种新的商品交换形式，是指买卖双方以事先 商定的价格，确定在几个月、一年或更久的时间之后，在指定地点买进或卖出某一 种类和数量的产品的交易。电力期货是指以特定价格进行买卖，在将来某一特定时 问开始交割，并在特定时间段内交割完毕，以电力期货合约形式进行交易的电力商 品。所谓电力期货交易，是指电力期货合约的买卖，电力期货交易的对象是电力期 货合约，是在电力远期合约交易的合约基础上发展起来的高度标准化的远期合约。 电力商品本身具有一些特征，例如：交易价格波动频繁，传输及转运便利，交 易规模大且有众多交易者。以上特征说明电力商品完全具有进行期货交易的条件， 为电力期货市场的建立提供了基础。而电力交易的流畅性和市场的低门限为电力市 场带来了激烈的竞争，为电力期货市场的建立准备了条件；同时市场投机者能够提 高电力期货市场和电力现货市场的流通性，使得电力期货市场更为可行。 电力期货能够降低市场中用户、发电商以及电网公司的风险，提高电力市场风 险分配的效率，有利于电力市场的稳定，因而也是电力市场中重要的交易方式之一。 2 2 4 期权交易 期权又称选择权，是指在特定期限内以事先商定的价格购买或出售某种商品的 权利。电力期权交易的实质是对于电力商品或其使用权的买卖。电力期权购买者在 支付一定数额的权利金之后，有在一定时间内以事先确定好的某一价格向期权售出 方购买或出售一定数量的电力商品、电力商品合约或服务的权利，在合约有效期内， 1 0 华北电力人学硕十学位论文 买主可以行使或转卖这种权利。当然买主认为行使电力期权对自己不利时，也可以 放弃行使这种权利，但购买期权所付出的费用，即买主支付的“权利会”也不再退 还。一般而言，期权合同中应包含期权的买方、卖方、期权费、敲定价格、通知同 以及到期同等主要参数。 电力期权交易给电能的生产和销售提供了价格保险。期权交易市场产生的电价 具有真实性、超前性和权威性，对用户购电具有指导作用，有利于抵御在市场经济 环境下国际资本可能带来的冲击。 目前期权合同在电力市场中的应用主要可分成实物期权在电力项目投资决策 中的应用、电网公司和顾客之间的可中断供电合同和电网公司购电期权合同。虽然 目f ；i 我国的期权交易市场并不完善。但随着我国电力期权市场相关法律和法规的建 立与健全，市场参与者的理性化和综合素质的提高，电力期权市场将在促进我国电 力产业发展中发挥举足轻重的作用。 2 3大用户长期购电成本分析 2 3 1 大用户长期购电成本 在电力市场中，现货市场电价波动比较剧烈，所以大用户通常采取多种贸易组 合的方式购电以规避风险。在我国电力市场中，应用可中断合同外的金融合同规避 风险的情况并不普遍，所以文中假设大用户自远期合同市场、现货市场、可中断合 同和自备电厂购电。 电力大用户与发电商或电网公司通过远期购电合同交易，是降低购电风险的最 有效的交易模式。其中，大用户与发电商签订远期购电合同时，需要向电网公司报 备并交纳一定的过网费；而大用户与电网公司签订远期合同时，过网费则包含在合 同价格中，不需另外支付。设大用户可与阼家发电商或电网公司签订远期交易合同， 其合同电量分别为d ，c 尸( d ，。，l ，d c 2 ，d ，c 抽) 1 ，占总购电量d ，的比例为似f c - ( c ，l ， ，c ，2 ，c 加) t ，则大用户需支付的单位电量价格分别为死尸( 尸，c f l p 加，尸从) t ： = 芝_ 尼妻三：茎篙罢箸三电 c 2 - ， 其中，r ，表示大用户与发电商或电网公司签订的合同价格；口表示大用户向发电商 直购电时电网公司每输送1 单位的电能所收取的费用与单位电量价格的比值。 则大用户通过远期合同购电的成本c f c f 可表示为： c d = 畦lp l c l d | 在电力市场中，某些大用户建立自备电厂以减少成本、 1 1 ( 2 - 2 ) 降低风险。设其自各电 华北电力人学硕十学位论文 厂的发电量为d 印，占大用户总购电量的比例为 ，；大用户自备电厂的生产成本g p ，可表示： c s p i = ( 1 ) s p l d l p s p | 印，单位电量的平均生产成本为 ( 2 3 ) 设在现货市场上的购电量为协坍，占总购电量的比例为蜊，现货市场电价为 只研，。则大用户在现货市场中的购电成本g 朋，可表示为： c o = 鸭。，d ，匕， ( 2 - 4 ) 可中断合同是大用户常用的一种规避现货市场电价波动的方法。所谓可中断合 同，就是大用户与电网公司商定某一阈值价格，当现货市场的电价高于阈值电价时， 大用户将减少在现货市场上购电以减少高电价带来的风险。对于这部分容量，电网 公司会给大用户一定的补偿费用，设单位电量的补偿费为r ，这时大用户的损失可 用机会成本来表示，即大用户每减少单位电量的需求而导致的利润损失t 与电网 公司所提供的补偿费用之差。设大用户可中断负荷少用的电量占大用户总购电量的 比例为f c f ，则大用户的损失成本g 。，可表示为： = d ，( 一) ( 2 5 ) 当现货市场电价小于可中断的阈值价格时，大用户长期购电费用c 口，可表示为： c q i = ( 1 ) c | q c l d l + ( 1 ) 。| d | p 。d + ( t ) s 甜d t p s p l q 一6 当现货市场电价大于可中断的阈值价格时，中断大用户部分电量的供应，并得 到电网公司的补偿费用，此时大用户的长期购电费用以g ，表示： q = 吃日+ ( 一) 日巳，+ 日+ d ，( 只一) ( 2 - 7 ) 设现货市场电价高于停电阈值价格的概率为p ，则大用户的长期购电成本c ，为： g = ( 1 一p ) q ，+ p c p f ( 2 8 ) 2 3 2 大用户长期购电成本期望 在实际电力系统中，随机事件的发生会导致负荷预测的不准确和现货市场电价 的波动，在这种情况下，大用户购电决策者应当考虑到负荷及电价预测的不确定性 对大用户购电决策的影响。文中应用大用户长期购电成本的期望值代替大用户长期 购电成本对大用户长期购电组合进行分析。 假设在电力市场条件下，现货市场电价期望为如，方差为，p ，。大用户用电量 期望为棚，方差为d 2 d o 在这种情况下，大用户在确定远期合同、现货市场购电量、 1 2 华北电力人学硕+ 学位论文 自备电厂发电容量和可中断负荷时均应考虑各种不确定因素的影响。 当现货市场电价小于可中断的阈值价格时，大用户购电成本期望e ( q ，) 为： e q = 诚c lp | d u d + ( 1 ) 。| h 埘+ ( ) i p | p s l h l l q 9 、 其中，咖，表示大用户长期购电量与现货市场价格的乘积的期望。 当现货市场电价大于可中断的阈值价格时，大用户购电成本期望e ( o ，) 为： e ( c 0 ) = 吐， c ，讲+ q 。，叫+ 乜0 甜e + 反】! f c ，( 以( e 一只) 一叫) ( 2 l o ) 则大用户长期购电成本的期望值以c ，) 表示为： e ( c ，) = ( 1 一p ) e ( q ，) + 加( c ，) ( 2 1 1 ) 对一个大用户而言，电能需求的弹性很小，所以暂不考虑现货市场上电价与大 用户电能购买量之间的关系，即认为负荷需求对现货市场电价不足以产生影响。此 时，当现货市场电价小于、大于可中断的阈值价格时大用户长期购电成本期望分别 为： e k q = 0 只c l h m + s m t p m 弘p l + s p l r p t 弘d t q 一、萄 e k p - = c lp l c l 弘d l + s n t p d | 弘p l + 叫耻d | r p | + 纠 l d l 蛾一 ：一弘p q 一、3 、 将式( 2 一1 2 ) 和式( 2 。1 3 ) 代入式( 2 一1 1 ) 中，即可得到大用户长期购电成本的期望值。 然而，在实际的电力市场中，大用户的购电量和现货价格不是彼此完全独立的。 现货市场出清价与社会总用电量、潮流分布、电网结构等因素有关，大用户用电量 虽然很大，但相对于整个电网来说，其作用还是可以忽略不计的。但是大用户的购 电量会随着现货市场电价的变化而变化。当现货市场电价升高时，大用户将减少电 能的购买量；反之，大用户将增加电能的购买量。在经济学中，通常用一条直线表 示商品的价格一需求关系。文中设大用户购电量与现货市场电价呈线性关系。即： d f = 圮，j ，+ 6 ( 2 - 1 4 ) 这里的系数七反映了大用户购电量与现货市场电价的相关程度，6 表示必需电量。 将上式代入式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 中，当现货市场电价小于、大于可中断的阈值价格 时大用户长期购电成本期望分别为： e k q l 、) = 毛p | c l + 洲up i + c o ：| 、) + ( ) s p | 冀p l q 1 筑 e ( c 0 ) = 吐吃讲+ & ，( 讲+ 南吒) + 驴，甜e p ，+ 匆( 叫( 一只一户，) 一鼢刍) ( 2 - 1 6 ) 1 3 华北电力人学硕+ 学位论文 将式( 2 15 ) 和式( 2 16 ) 代入式( 2 1 1 ) 中，即可得到大用户长期购电成本的期望值。 2 4大用户短期购电成本分析 2 4 1 大用户短期购电成本 大用户购电决策是以大用户负荷预测和实时电价预测为基础的。然而，由于随 机因素的干扰，中长期的负荷预测和电价预测的准确度有待提高。显然，由此确定 的大用户购电决策不够准确。与之对应的，短期负荷预测和电价预测的精度就高得 多。建议在交易同临近时，重新对大用户用电量和现货市场电价进行预测，并在此 基础上对大用户在现货市场和自备电厂中的购电比例进行重新分配，从而达到减小 大用户购电成本、降低大用户购电风险的目的。 对大用户进行短期购电组合分析时，大用户与发电商或电网公司之问的远期交 易合同及可中断合同均已签订，即大用户远期合同及可中断合同电量均为定值。因 此在大用户短期购电组合的研究中，只考虑大用户在现货市场和自各电厂中的购电 成本