（电力系统及其自动化专业论文）基于现代期权理论的可中断电力远期合约的研究.pdf

声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 基于现代期权理论的可中断电力 远期合约的研究是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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: 、日 期: w01. 1 . 1 o 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 卜 间 .一 jo 日期: i . 净 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题背景 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， 变革旨 在打破电力工业传统的垂直垄断模式，引入竞争机制，促进电力生产提高效 率、降低成本、改善服务质量，在促进电力工业本身长期可持续发展的基础上，使 全社会从电力工业改革中获得更多的经济效益和社会效益 1 -2 ) a 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。 在解除管制后的电力市场环境中，发电上网电价、批发电价和零售电价较解除 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 飞 日内的峰谷电价相差好几倍，尤其是在缺电的情况下，还会导致电价的飞升。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，特别是在发电侧单 边开放的电力市场中，电价强烈的波动和尖峰特性将使作为单一购买者的电网公司 面临巨大的购电风险，如果不加以防范和规避，将会带来灾难性的后果。加州电力 市场危机的出现使人们不得不对电力工业解除管制的进程进行反思。总结加州电力 市场的教训可以发现危机爆发时市场中的发电容量严重不足、实时市场上电价异常 增高以及没有利用用户的用电弹性等都是导致出现市场危机的重要原因。在这次危 机中两家大型的电网公司破产，充分说明电网公司在电力市场中承担了巨大的风 险. 所以，电力市场中的风险问题不容忽视。另外，我国经济的快速发展导致电网的 用电需求增长迅速， 使得电力供需矛盾十分突出，高峰时段拉闸限电情况比较严重， 这 一措施给电力用户带来很大的不便和损失。因此，如何调动负荷的弹性，帮助电网公 司减小市场风险，同时又避免引起大量的用户抱怨，是电力市场中一个值得研究的 重要课题。 电能属于典型的流商品( f l o w c o m m o d i t y ) ，没有储备平抑现货价格， 所以实时 市场供需必须保持平衡，而负荷及供电受不确定性因素的影响，可能出现暂时的不 平衡， 在这种情况下， 需要中断用户的用电或者要求发电商增大供电量: 另一方面， 华北电力大学硕士学位论文 需求侧管理( d e m a n d s i d e ma n a g e m e n t , d s m ) 和负荷管理( l o a d ma n a g e m e n t , l m ) 措 施认为用户负荷不仅可以调整而且部分负荷具有很大的弹性，比如冶金、化工等行 业的负荷。通过调动负荷弹性，可以帮助电网公司实现负荷曲线 “ 移峰填谷” ，减 少运行成本和系统备用容量， 提高电网公司的经济效益阎 。 同样， 对于某些发电商， 其发电也具有一定的灵活性，允许在支付一定费用的前提下中断部分发电。 在解除管制的电力市场中，市场电价发生波动时，电网公司可以通过调整负荷 来控制购电成本，从而规避市场风险，但电网公司对负荷需求的调整应符合相关规 定，随意切除负荷将对用户造成极大的影响和损失，在法律上也是行不通的。可中 断电力合约的出现，正是以合约方式赋予电网公司中断负荷的权利，同时用户也可 以根据合约享受相应的优惠待遇和补偿。 可中断电力合约又叫可选择电力合约， 它是一种具有期权( o p t i o n ) 思想的电力远 期 合约， 它是由电网 公司与用户或者独立发电 商( i n d e p e n d e n t p 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，电网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。在竟争的电 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 6 1 1 . 2 国内外研究现状 可中断负荷是传统需求侧管制中控制负荷的有效方法之一，早期的研究主要是 从负荷管理、 提高经济效益的角度进行讨论。 文献【 7 1 介绍了台湾电力公司运用可中 断负荷的基本情况。 文献【 8 1 比较了实施可中断负荷的成本与机组启停成本的效益， 分析结果表明可中断负荷在一些条件下具有明显优势。随着电力市场的发展，市场 条件下可中断负荷的应用逐渐成为可中断负荷领域研究的焦点，在这方面主要的问 题包括:可中断负荷如何参与市场竞价9 1 ，可中断负荷的合约管理及定价 1 0 - 1 5 1 ， 可 中 断 负 荷 中 的 激 励 机 制 1 6 - 18 1等 . 可中断负荷合约管理，主要是从可中断负荷的效益分析出发制定合理的合约保 证电力企业和用户双方的利益。合约涉及的方面较多，其中主要的问题是可中断负 荷的补偿， 文献 1 0 和1 1 1 对可中断负荷的运营情况进行了综述， 在比较了各国可中 2 华北电力大学硕士学位论文 断负荷的实施情况和总结可中断负荷在电力市场条件下的运用的基础上，分析了可 中断负荷的成本效益，对电 力市场和过渡期电力系统两种情况给予分析。文献 1 2 1 讨论了可中断负荷合约的内容和相关市场组织形式，利用停运表得到考虑负荷波动 情况下的系统缺额容量以 及采用需求侧报价来反映用户可接受的 停电 补偿。 文献【 1 3 1 主要从电价、机制和合约三个角度为电力市场下可中断负荷管理提供解决方法，为 市场下进行可中断负荷管理提供了依据。 可中断负荷定价与补偿问题密不可分，从这一点来说可中断负荷补偿问题也是 定价问 题。 文献口 4 研究了电力市场条件下的可中断负荷的应用及定价问 题。文献 1 5 将可中断电 力合约视为一种结合电力期权的风险管理工具，对于可中断电力合 约所结合的这类新型复合电力期权提出通过蒙特卡罗法近似求解期权的价格，得出 了该期 权在无套利条件下的定价公式。 文献 1 8 1 从经济角度进行成本、 效益分析， 引入停电阀值价格概念，提出根据阀值价格确定可中断负荷补偿费的两种方法，动 态反应价格波动对补偿费的影响，较好解决了激励负荷积极参加可中断负荷服务和 制定合理补偿费的问 题。但文献【 1 5 - 1 8 对可中断负荷的研究主要是基于批发市场 为单一购买者的市场模式，不同于市场竞争条件下电网公司的可中断负荷的问题。 包含激励机制的可中断负荷合约和定价是这一领域的另一个重要的研究方向。 可中断负荷的激励机制，简单说就是奖励积极用户，鞭策消极用户。区别对待不同 的可中断用户可以挖掘用户负荷管理的潜力，进一步鼓励用户合理安排用电。文献 1 9 将激励相容原理用于负荷管理， 指出 可中断负荷电价设计应满足个人理性约束 条件( i n d i v i d u a l r a t i o n a l i t y c o n s t r a i n t , i r ) 和激励相容条件( i n c e n t i v e c o m p a t i b i l i ty c o n s t r a i n t , i c ) 并对可中断负荷补偿给出了 初步的模型.在此基础上， 文献 2 0 1 提出 了一种对用户停电损失函数进行标准化的方法，研究了用户停电函数为三次函数和 指数函数的情况并给出相应的求解方法，进一步完善了荃于激励原理的可中断价格 设计方法。考虑到市场环境下，电网公司与用户之间存在信息不对称性可能会导致 可中断负荷管理的低效， 文献 1 6 1 提出了 一种激励相容的可中断负荷管理合约模型， 引导用户自 愿披露真实缺电成本信息。模型考虑了 用户的最大可中断负荷限制，并 可用于电网公司利润最大或用户缺电成本最小等不同优化目 标。文献 1 7 1 考虑了电 网公司的风险偏好，应用机制设计理论建立了 一种用户类型离散的可中断负荷合约 模型。分析结果表明，无论电网公司的风险偏好如何，该合约模型均能引导用户披 露真实信息，实现电力资源的有效配置，且电网公司能从中节约供电成本。所提出 的模型为电网公司参与市场竞争提供了一种新的思路。 对于基于电力现货价格变化行为的可中断电力期权，早期的文献大多采用传统 的b l a c k - s c h o l e s 期权定价公式对其定价， 文献 1 7 1 认为b l a c k - s c h o l e s 期权定价公式 可以 用于电 力期权定价.文献【 1 8 建立了一种结合期权思想的用户和发电商之间的 可中断远期合约， 并通过b l a c k - s c h o l e s 期权定价公式研究了可中断远期合约的价格 3 华北电力大学硕士学位论文 确定问题，但是该文的研究是建立在现货电价服从对数正态分布的基础上的，与实 际的电价波动有较大差异。 文献 1 9 提出一种双边的可中断电力远期合约模型，并 根据期权定价思想给出 合约价格计算方法，通过一个买卖双方追求各自 期望报酬最 大化的均衡模型，得到有关期权敲定价格的均衡选择. 目前，如何建立更完善的电价模型，为可中断电力期权合约的制定提供参考， 以及寻找可中断电力期权合理的定价方法和电网公司对可中断电力期权合约的实 施办法均是该课题需要继续深入研究的问题，这些问题的研究将为可中断电力期权 合约的实施提供参考，为电网公司进行负荷管理和风险规避提供一条途径， ， 3 本文的主要工作 本文基于现代期权理论对可中断电力期权合约的内容、交易形式、定价方法、 电网公司的实施办法以及合约参与方的成本效益分析进行系统研究，主要研究工作 包括: ( 1 )可中断电力期权合约的内容和交易形式的 确定。该期权合约除了一般可中 断电力合约的内容外还包括期权价格的制定。 ( 2 ) 可中断电力期权合约中的期权价格依赖于电力现货价格的变化路径，因此 需要建立能够反映真实电价特性的电价模型，本文在总结现有模型的基础上结合小 波分析工具，采用了复合时间序列模型对电价进行仿真和预测，为可中断电力合约 定价创造基础。 ( 3 )可中断电力期权合约的期权定价问题是合约双方共同关注的问题，可中断 电力期权是依赖现货电 价变化行为且执行次数不确定的障碍期权，基于风险中立定 价规则，充分分析电价特性，采用蒙特卡罗数值模拟方法对电力期权进行定价，随 着模拟次数增加，模拟结果将收敛于实际的期权价格。 ( 4 ) 在已知可中断负荷期权合约的期权价格基础上，根据合约的中断电价和系 统的最大容量缺额建立电网公司实施可中断负荷期权合约的费用最小模型，并用动 态排队法对模型求解，为电网公司进行负荷管理和风险规避提供参考。 ( 5 )最后，对可中断电力期权合约的参与方从经济效益和社会效益两个层面进 行理论分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章基本理论和概念 2 . ， 电力市场运营结构和交易分类 一个完整的电力市场， 一般划分为中长期合约交易市场、 期货与期权交易市场、 日 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、日前市场交易、辅助服 务市场交易、实时市场交易1z ; ， 如图2 - 1 所示。 ( 1 )远期合约交易市场 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 s t 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 产口 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一、 、，怡- 期货与期权交易市场 中长期合约交易市场 日前交易市场 辅助服务市场 一 叶 巨 巫 亘 日 、 . . - - 一 一 一 一 _ _ - 一 . - - - 一护 图2 - 1电力市场运营结构图 华北电力大学硕士学位论文 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 o o l ) 模型下的日 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。交易日的确定和交易时段的划分:每3 0 m i n 为一个交易时段 ( 也有 1 小 时或者 1 5 分钟为一个交易时段的) ， 并且是整点结束或 0 . 5 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 ( 0 . 5 h或 0 . 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 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 o ; 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。 2 . 2 可中断电力远期合约概述 可中断电 力远期合约是一种具有期权思想x 2 5 】 的远期合约， 它既属于远期合约市 场，也属于期货期权交易市场。它是电网公司与用户或者i p p之间签订的可中断远 华j 七 电力大学硕士学位论文 期协议，在系统出现供需不平衡时，电网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，从而调度负荷弹性，降低市场金融风险，减少旋转备用和发电容 量投资。 可中断电力合约的概念最早是属于需求侧负荷管理技术的范畴。需求侧管理是 2 0 世纪9 0 年代国际上提倡的一种先进的资源规划方法和管理技术，当前比较成熟 的是应用在电力行业。它是指通过提高终端用电效率和优化用电方式，在完成同样 用电功能的同时，减少电力消耗和电力需求，达到节约能源和保护环境，实现低成 本电力服务所进行的用电管理活动，其目的是合理开发和有效利用资源，有力地促 进经济能源环境的协调发展(2 8 1 。 负荷管理是指计划和实施那些用于减少用户电力负 荷需求峰值和改变负荷曲线形状的各种措施，其中，可中断负荷管理是一个重要分 支。在系统存在容量缺额时，电网公司不仅可以通过平衡市场再购入部分电量，还 可以中断负荷减少容量需求来调节，这将大大减少在波动性较大的平衡市场购电的 风险，是高峰或系统紧急时进行负荷管理的主要手段(2 9 1 2 . 2 . 1实施可中断电力远期合约的目的和意义 在各国电力市场中，利用可中断电力远期合约进行负荷管理和风险规避是市场 运行的一项重要内容。它通过电网公司与用户或i p p 签订协议文本，通过对用户或 i p p进行电价刺激和合理补偿来达到在系统用电高峰或出现电价尖峰、低谷状态时 使用户或i p p 按照合约要求中断负荷或供电， 其主要目 的和意义( 3 0 1 有: 1 )在电网用电高峰期可减少负荷，从而减少在峰荷时调用机组，减少备用容 量，降低运行费用。 2 )在电价飞升时，刺激用户削减部分负荷，从而可削减电价峰值，减少批发 市场的投机行为。 3 )在电网发生阻塞时中断部分负荷，从而缓解阻塞， 保证系统的安全稳定。 4 )可中断负荷措施减少或者推迟了调峰装机容量的建设，对减少系统投资成 本有利。 5 )供电公司利用可中断负荷可以在批发市场电价偏高时中断部分负荷，也可 以在批发市场电价偏低时中断发电商的部分供电，转而从实时市场购买电 能，从而规避市场价格波动带来的金融风险，保证一定的获利机会. 6 )用户可以通过合约获得中断供电的相应补偿费用，还可以从稳定的电网和 电力市场中受益。 可中断电力远期合约具有较强的灵活性，也符合社会主义市场经济下电力工业 经营方式转变要求，可以说，实施可中断负荷管理是社会资源优化配置的需要;是 建立社会主义市场经济体系的客观要求;是推进电力市场法制化建设的必然趋势: 华北电力大学硕士学位论文 是电力市场主体即电力企业和广大用户的利益所在。 2 . 2 . 2可中断电力远期合约内容和规划方法 可中断电力远期合约是电网公司与用户或i p p 之间签订的可中断协议，在电网 峰荷时段或谷荷时段由调度人员发出请求，通过对参与方电价刺激来使其按合约响 应中断供电或停止发电的一种方法。其内容包括:合约电价、可中断负荷量、中断 时间、中断电价、合约的期权价格、提前通知时间以及违约惩罚等，其中中断电价 和期权价格是实施该合约的关键。 可中断电力远期合约的规划是电网公司和用户或 i p p在远期电力合约的基础上 签订一个可中断协议，在系统发生供需不平衡或出现电价尖峰或低谷时减少负荷需 求或发电 供给。电网公司可通过控制信号 ( 音频、 无线电技术) 来进行中断(28 。其 规划过程如下: 1 )选择市场 分析供电地区的用户负荷和i p p 组成情况，选择实施可中断负荷合约和可中断 发电 合约的潜在对象。一般而言，对大工业用户实施可中断负荷合约是最具成本效 益的。 当然还和终端种类， 生产工艺特性等因素有关。同样， 对发电灵活性大的i p p 实施可中断发电合约也是具有市场潜力的。 2 )目 标选择 可中断电力合约的实施对象一般是灵活性比较高的i p p或大工业用户，诸如冶 金、水泥、塑料、纤维、纺织和造纸业等对实施可中断负荷合约有很大潜力。可以 在有潜力的行业中选择重点行业和重点用户，作进一步调查。 3 )中断电价和期权价格的设计、实施和评价 进行可中断电力合约规划的最有效的方法是根据每个用户或 i p p的贡献( 削峰 填谷效果、 可免成本效果、 对稳定电 价和可靠性的贡献等) ， 通过电价折扣或期权补 偿方式来对各用户分配效益。设计出一个合理的补偿机制相当于在经济分析中找出 一个供求曲线平衡点。然后，在此基础上组织规划实施和效果评价。 2 . 3 现代期权理论概述 期权是指在特定的期限内以事先商定的价格购买或者出售某种商品的权利。期 权购买者要付出一定的期权费来获得期权赋予的一种权利，当有利可图时，执行期 权;没有时，不执行期权。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，即获得在规定的期限内按事先约定的敲定价格买进或者卖出一定数量相关 商品或期货合约的一种标准化合约。期权合约的构成要素主要有以下几个:卖方、 买方、权利金、敲定价格、通知日和到期日等。 启 华北电力大学硕士学位论文 期权可按灵活程度分为美式期权和欧式期权。对于美式期权，买方可以在有效 期内任何时日要求卖方履行合约:而欧式期权只有在双方约定时日才能履行合约。 期权按交易商品流向可分为看涨期权( c a l l o p t i o n ) 和看跌期权( p u t o p t i o n ) 。 看涨期权 是指期权的买方向期权卖方支付一定权利金后，即拥有在期权合约有效期内，按事 先约定的价格买进一定数量相关商品或期货合约的权利，但不必担有必须买进的义 务。在看涨期权中，买方预测相关商品或期货合约价格会上涨;看跌期权是指期权 的买方向期权卖方支付一定权利金后，即拥有在期权合约有效期内，按事先约定的 敲定价格向期权卖方卖出某一特定数量相关商品或期货合约的权利，但不负有必须 卖出的义务。看跌期权中，买方预测相关商品的价格会下跌3 1 1 期权还可分为金融期权和实物期权。金融期权是基于金融资产的期权;实物期 权是基于实物商品的期权，从狭义上讲，实物期权是指以设备、土地、项目等实物 资产为标的资产的一类期权，它有别于金融期权。从广义上讲，实物期权是一种思 想，一种把金融市场的规则引入企业内部战略投资决策中来的思维方式。此时实物 期权并不表示在未来某时刻买进或卖出某种实物资产，而是代表在未来的一种选择 权。可中断电力期权属于实物期权的范畴。 随着金融衍生工具的发展， 又出现了新型期权，比如: 复合期权、 障碍期权等。 障碍期权( b a r r i e r o p t i o n ) 是一种路径有关期权，它的最终收益依赖于标的资产的变 动路径。当原生资产价格触及规定的障碍时，期权合约生效或失效。障碍期权一般 归为两类，即敲出期权和敲入期权。欲出期权是当标的资产价格达到一个特定障碍 水平时，该期权作废。敲入期权是当标的资产价格达到一个特定障碍水平时，该期 权才有效。本文的可中断电力期权属于敲入障碍期权，当现货电价大于等于用户的 中断电价时， 电网公司才有权力中断用户部分用电; 当现货电价小于等于i p p 的中断 电价时，电网公司才有权中断i p p 的部分发电。 2 . 3 . 1期权的功能 总体来说，期权交易具有两大功能( 3 1 .2 7 1 ，即保值功能和投机功能。 期权交易的保值功能是通过买进看涨期权和看跌期权，卖出看涨期权和看跌期 权实现的，一方面可以 达到商品或期货合约保值的目的，另一方面也可以获得由于 商品或期货合约价格升降而带来的赢利机会. 期权交易的投机功能是通过买进看涨期权投机、买进看跌期权投机、期权价差 套利等形式实现的，是投机者购买期权后再转卖出去、通过购买期权和转卖期权的 权利金差价从中获利，或通过履约从中获利。 电力市场中也存在期权交易市场，电力期权的应用包括基于电力期货的期权以 及结合期权的电力双边合约。其中，基于电力期货的期权的交易对象是电力期货合 华北电力大学硕士学位论文 约，是在电力远期合约交易的基础上发展起来的高度标准化的远期合约。本文的可 中断电力期权合约属于结合期权的电力双边合约范畴，该期权的引入既能够显著降 低交易双方的市场风险，也能够保证在市场有利时的获利机会。 2 . 3 . 2期权的损益情况 每一期权合约都是由购买期权合约的一方 ( 多头)和出售期权合约的一方 ( 空 头)组成。期权的出售方事先收取权利金，但之后具有潜在的亏损;相反期权的购 买方事先虽支付一小笔权利金，但之后却有潜在的收益，当忽略初始期权成本，并 以k代表期权敲定价格 ( 执行价格) ，p , 代表标的资产的价格，则欧式看涨期权各 头寸的损益状态如图2 - 2 所示。 收益 ( a ) 看涨期权多头( b ) 看跌期权多头 图2 - 2欧式看涨障碍期权执行情况 欧式看涨期权买方 ( 多头)损益为: m a x ( p , 一 k ,0 ) 欧式看涨期权的卖方 ( 空头)损益为: 一 m a x ( p , 一 k , 0 ) = m i n ( k一 p0 ) 欧式看跌期权买方 ( 多头)损益为: m a x ( k一 p , , 0 ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 欧式看跌期权的卖方 ( 空头)损益为: 一 m a x ( k一 p0 ) = m i n ( p , 一 k , 0 ) ( 2 - 4 ) 可中断电力远期合约是基于障碍期权的一种路径有关期权，它的最终收益依赖 于电力价格变动的路径。下面以执行一次的欧式看涨敲入障碍电力期权为例，介绍 一下期权合约双方的损益情况，如图 2 - 3 所示。 买方损益为: p , + m a x ( p . 一 k , 0 ) 一 p , ( 2 - 5 ) 卖方损益为: - p , -(pt - k ,0 ) 十 p o ( 2 - 6 ) 其中，p , 为期权价格;p , 为期权执行 时段的价格;p为合约价格;k为期权的 障碍价格。 一 ! 肛 a n airta ar 一 万;一肛 ! ! 漏 2 衣 一 执7 尹 如 l 卜 rt f一 丫 图2- 3欧式看涨障碍期权执行情况 2 . 3 . 3电力期权的交易程序 一般来讲，期权是在期权交易所内进行集中交易的，其主要过程( 2 7 1 如下: 1 )期权交易的加入阶段。该阶段主要做三件事情:选择期权交易公司或期 权经纪公司;收集资料、预测市场走势及程度;确定买卖电力及相关 期货合约的期权及其权利金。 2 )期权交易的定约阶段.这个阶段的主要操作程序是:下达电力期权交易指 令给经纪公司，由经纪公司送达场内交易员进行交易，场内交易员按照期 权买方或卖方的指令下操作单。 3 )期权交易定约的认定阶段。场内每一笔电力期权交易，都要经过交易所核 定和清算中心结算、登记，才能得到最终确认，成为合法有效的期权合约。 结算后电力期权买方要立即支付权利金，期权卖方也要立即往保证金帐户 存入相应数量的保证金。 4 )期权交易的平仓阶段。电力期权买方可以在期权有效期内，通过卖出相关 期权的空头与持有的多头期权部位对冲平仓。电力期权的卖方可以在买方 提出履约之前，将持有的空头期权部位通过买进相关期权的多头实现对冲 平仓。同时，期权买方可以在期权合约规定的通知日提出履约要求，实现 履约平仓:期权卖方应立即做好履约准备，办理相关交割手续。至此，电 力期权交易全部结束。 基于期权理论的可中断合约属于电力双边合约，也可在场外进行交易。 u 华北电力大学硕士学位论文 2 . 4 基于现代期权理论的可中断电力远期合约概述 期权作为金融衍生产品在金融市场中已得到广泛应用，由于其很好的价格保险 作用，为市场的参与者提供了有效的风险管理工具。目前，电力期权的应用包括基 于电力期货的期权以及结合期权的电力双边合约。可中断电力期权合约属于结合期 权的电力双边合约范畴，该合约的引入能够显著降低交易双方的风险。 本文研究的可中断电力远期合约基于的是新型障碍期权，即一种与路径有关的 期权，它的最终收益依赖于标的资产变动的路径。当原生资产价格触及规定的障碍 时，期权合约生效或失效。障碍期权一般归为两类，即敲出期权和敲入期权。敲出 期权是当标的资产价格达到一个特定障碍水平时，该期权作废。敲入期权是当只有 当标的资产价格达到一个特定障碍水平时，该期权才有效。可中断电力期权合约属 于敲入障碍期权合约。 可中断期权合约除了一般期权合约应包括的合约有效期，中断负荷量，合约电 价，中断电价和违约惩罚措施等内容外，还包括合约的期权价格，该价格的合理制 定是合约双方共同关注的问题。 可中断期权按照交易内容的不同可分为电网公司与用户之间的可中断负荷期 权和电网公司与i p p 之间的可中断发电期权。电网公司作为期权的买方，需要付出 相应的权利金来获得应对风险的主动权，这种权利过期作废，权利金不退还。 期权合约的交易可使自由竞争市场的参与者实现风险共担、利润共享;尤其适 合采购辅助服务，比如黑启动，平衡供需:期权还可以活跃市场，充分利用市场成 员之间的补偿效益，保证了财务上的稳定性。 华北电力大学硕士学位论文 第三章中长期电价建模和预测 3 . ， 引言 随着电力行业的市场化改革在全世界范围内展开，电力市场的核心因素一 电价 成为研究关注的热点。在激烈竞争的电力市场中，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。准确的电价建模和预测是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。由于电价具有较高的波动性和随机性，给电力交 易带来了风险，市场中的各方均希望能够准确预测将来一段时间的电价，以选择自 身交易策略和估算效益。现实的迫切需要使电价建模和预测成为电力市场中急待研 究和解决的课题之一。 本文研究的基于期权理论的可中断电力合约属于新型障碍期权合约，该期权的 定价是合约的关键问题，由于障碍期权是依赖于电力现货价格变化路径的奇异期 权，其执行次数不确定，无法推导出准确的定价公式，故建立准确的电价模型和进 行中长期电价预测是该期权定价的基础问题，电价模型的准确与否直接影响到期权 价格的准确性和合理性。 通过对电价进行分析和预测，可以使市场监管机构及时发现电力市场结构设计 上可能存在的问题，从而加以改进和解决;而发电商、购电商等市场参与者可以通 过准确的电价预测， 制定合理的竞价策略， 做出可行的经营决策、 购售电分配模型、 签订合约等。电价预测按照预测时间长短可分为短期、中期和长期预测。短期电价 预测的主要意义在于各发电商可以 利用预测的系统边际电 价( m a r k e t c l e a r i n g p ri c e , m c p ) 选择最优的报价策略， 从而达到利润最大化的目的。 而中长期电价预测是引导 电力投资，自发的配置市场资源以达到电力供求基本平衡，各项服务满足要求的目 标。 中 长期电 价预测的 主要意 义 在于 3 2 1 . 1 ) 交易中心可以 利用预测结果合理地分配现货交易和期货交易( 合约交易的比 例) ，减小电力市场运营的风险: 2 ) 准确的中长期预测电价是制定电网发展规划最重要的决定性因素之一。 3 )中长期预测电价的高低是反映发电商拥有市场力大小的一个重要指标， 能够 为有效监管措施的制定和实施提供客观依据; 4 )当电力市场开放双边交易后， 中长期预测电价将是供电企业或大用户同电厂 谈判购电价格的关键因素。 近年来，诸多学者就电价预测进行了大量研究，尝试了多种预测方法，比较成 华北电力大学硕士学位论文 功 的 有多 元 线 性回归 法 3 2 , b p 神 经网 络 法 3 2 -3 3 、 时间 序列 法 3 3 -3 4 、 市 场 模 拟 法 3 5 , 分时 段相似日 法3 6 等， 其中， 神经网络法和时间序列法的研究最为广泛， 但大部分 研究均是针对短期电价预测的，有关中长期电价预测的相当少。总的来看，中、长 期电价序列由于包含更多不确定影响因素，建模和预测相对来说难度更大，总体预 测精度较低，研究比较薄弱。 3 .2 电力市场中的电价特性分析 3 . 2 . 1电价的特点 电力工业的市场化运营使得电力如普通商品一样可以自由交易，电力价格会随 机波动，而且电力价格在各种机制的电力市场中均表现出了与普通商品价格不同的 特 点 3 7. 1 )电价有明显的均值回复特性。 与其他商品一样， 电价也围绕电力价值附近波 动.但不同时段的电价的均值是不同的，而且方差也随时间的变化而变化，具有异 方差性，这是由电力的供需关系决定的。 2 )由 于电力商品不能有效存储， 而电 力消费要求实时供需平衡， 这使得电 价呈 现出强烈的波动性。根据波动率可以将不同市场分为稳定市场、近似稳定市场和不 稳定市场。研究表明，波动率低的市场电价更易预测。 3 )由于用户很低的价格弹性、系统设备的故障、有限的输电容量以及市场力 ( m a r k e t p o w e r ) 的作用， 使得电价出现跳跃和尖峰。 市场电价常出现价格的非正常跳 跃，出现零电价和价格尖峰。价格跳跃和价格尖峰给电价预测带来了巨大的困难， 现有的方法很难预测出价格跳跃的准确时间和跳跃高度。 4 )与电力系统负 荷类似， 电价还受季节和气候等因素的影响， 具有很强的周期 性，包括年、季节、星期和天的周期性。电价的周期性与负荷的周期变化有密切的 联系。 3 . 2 . 2电价的影响因素 影响电价的因素众多，既包括发电侧和需求侧的因素，又包括输送电力的电力 网 络 方 面 等 因 素 3 7 ,3 8 . 1 )历史电价。 前后时段的电价间具有较强的相关性， 电价预测正是利用这种电 价间的联系进行电价预测，时间序列法和神经网络法均将历史电价作为重要因素。 2 ) 负荷.电力用户的价格弹性很低，可以 认为是刚性的，系统负荷几乎不随价 格的变化而变化。因此，在系统供给曲线给定的情况下，代表需求侧信息的系统负 荷就决定了市场出清价。负荷序列与电价序列的相关系数通常在0 . 4 左右。 华北电力大学硕士学位论文 3 )发电商报价。 系统中各发电商的报价曲线形成系统的总供给曲线， 决定了电 力市场的供给侧信息，因而对电价也有较大影响。拥有市场力的发电商的策略性报 价，如容量持留、博弈投机等，是价格尖峰出现的主要原因 但发电商的报价由于 涉及发电商的人为行为，很难量化。一个可行的方案是采用智能代理来模拟发电商 竞价的人为行为，但在存电价预测中如何应用仍然未知。现有预测方法基本未考虑 发电商报价对电价的影响。此外，系统可用容量和机组检修及故障也是一个重要的 供给侧信息。 4 )时段因素。 不同日的不同时段， 电价会表现出较大的差异. 如周末电价通常 低于工作日电价，而下午用电高峰时段的电价通常高于深夜用电低谷时段的电价。 因此，可以认为时段也是影响电价的一个因素。 此外，部分学者提出新的电价影响指标，如必须运行率、市场供给指数等。有 的市场采用节点电价，在对系统中各节点电价进行预测时，系统的网络约束、阻塞 状况和联络线潮流是一个必须考虑的因素。以上因素均为市场内因素，电能是二次 能源，与一次能源有密切联系，因此电力市场外因素，如煤、石油、天然气的价格 也可作为影响因素之一。 3 . 3 电价预测方法概述 一般来讲，预测的基本过程有6 个步骤，如图3 - 1 所示。 关于电 价预测的研究方法3 一 ，自 一些国家相继实行电力市场以 来， 各国 学者 提出了很多， 根据建立的不同模型， 概括起来主要有人工神经网络法、 统计学方法、 模糊建模法、运行仿真法和市场均衡分析法。随着预测技术的发展，灰色理论、小 波分析等数学方法被应用于电价预测，使电价预测技术有了快速发展。 1 )统计学方法 统计学方法主要有时间序列法和回归 分析法。由于统计学方法只是对历史数据 的统计分析，预测效果不佳，一般多与其 他方法结合使用， 多用于平均电价的预测。 时间序列法:时间序列法是根据电 价本身的变化规律，利用统计学方法建立 数学模型，推算出未来电价的一种方法。 主要有自回归、自回归滑动平均、累积式 自 回归滑动平均模型等。这些方法的优点 是:所需历史数据少、工作量少、计算速 度快。缺点是:只对历史数据进行建模分 确定预测的目的，制订预测计划 调查资料和选择资料 资料整理和分析 建立预测模型 综合分析，确定预测结果 图3-1 电价预侧的基本步骤 华北电力大学硕士学位论文 析，无法考虑非线性因素对电价变化的影响。时间序列法的原序列是否去除了非平 稳变化，在很大程度上影响电价预测的效果。电价序列的平稳化比较困难，因为电 价序列不仅包含趋势变化、周期性变化，还有一些不寻常的剧烈变化。这使时间序 列法在电价预测领域没有多少优势。当然，如果能使序列较好地平稳化，时间序列 方法也能取得比较好的效果。因此，单纯的时间序列法精度较差，一般都与其他方 法结合使用。 回归分析法:回归分析法是研究变量与变量之间关系的一种方法。方法简单 方便，但是由于受人为因素的影响，收集和统计的历史数据不尽全面和准确;电价 变化规律复杂，很难完全反映变量间的关系。并且在回归分析中，选用何种因子和 何种表达式有时只是一种推测，而且影响电价的因子的多样性和某些因子的不可测 性， 使得回归分析在某些情况下受到限制。因此到目前为止，应用回归分析法预测 电价的方法很少。 2 )人工神经网络 人工神经网络是由简单的处理单元所组成的大量并行分布的处理机，这种处理 机具有存储和应用经验知识的自然特性，它可以通过学习过程从外部获取知识，还 能够存储获取的知识信息。1 9 9 7 年英国学者首次将人工神经网络应用于电价预测， 预测了 英国电力库下一交易日的每个结算时段的系统边际价格 ( s y s t e m m a r g i n a l p r i c e , s m p )，给电价预测开辟了一条新道路。目 前神经网络法是电价预测中研究 最多的一种方法。其中b p 神经网络倍受青睐，此后又出现了很多改进方法。主要包 括以下三种改进的预测方法。第一种是在输入层增加特殊的输入向量，加强影响因 素对电价的作用。第二种是用各种方法对电价序列进行预处理，突出电价序列的规 律性。第三种是改进神经网络的结构，克服神经网络内部结构的缺陷。实践证明， 用该方法适用于短期电价预测，但并不适用于中长期电价预测。 3 )模糊建模法 模糊建模法是采用模糊逻辑，由给定的输入到输出的映射过程。一般包括以下 几个步骤: 输入变量模糊化; 根据模糊规则进行模糊推理; 输出的模糊集反模糊化。 模糊逻辑法容许使用不精确的数据，可以对任意复杂的非线性函数建模。从理论上 来说，模糊建模法对扰动因素不敏感，其规则有利于处理系统的定性信息，具有与 神 经网 络相同 的 功能 3 9 1 到目前为止，这种方法的效果尚无法令人满意。但是模糊逻辑与其他模型相结 合的算法得到了广泛的应用，尤其是模糊聚类法在对电价数据的预处理方面，显示 出了很好的效果。 4 )小波分析预测技术 小波分析是信号的时间一 频率分析法， 它具有多分辨率分析的特点， 而且在时域 和频域都具有表征信号局部特征的能力。基本方法是将电价序列进行多尺度分解， 1 6 华北电力大学硕士学位论文 各个尺度上的子序列分别代表原序列中不同“ 频域” 的分量，对不同的电价子序列分 别预测，最后通过序列重组得到完整的电价预测结果。 研究表明小波变换在对电价这一波动较强、十分不稳定的时间序列的分析上很 有应用前景。但是在把电价序列按照各个尺度分解时，如何考虑进负荷、机组状态 等影响因素还是一个值得研究的问题。 5 )市场均衡分析法 市场均衡分析法的理论依据是经济学的市场均衡理论. 它试图根据预测的发电 报价曲线和系统负荷的预测值求解出市场的均衡点，进而导出电价的预测值. 所使 用的工具通常是 “ 市场平衡分析”和 “ 基于代理的模拟法” 14 0 1 6 )灰色理论预测法 灰色理论是1 9 8 2 年邓聚龙教授提出的. 优点是所需数据少，计算简单。 在电价 预测中，主要应用的是g m( 1 , 1 ) 模型。由于单纯应用灰色模型精度有限，多应用改 进后的灰色模型进行预测。如灰色混沌预测模型。这种方法通