（控制理论与控制工程专业论文）电力市场定价机制及其博弈均衡市场特性研究.pdf

摘要 摘要 由于电力市场不具备完全竞争的市场条件，市场中的发电厂商数目不是足够的 多，需求缺乏价格弹性等因素，采用边际定价机制的电力市场出现了许多的问题， 其中比较有代表性且相互联系的两个问题是投资存在某种程度的萎缩，备用容量随 着电力市场的运行从开始的过剩逐渐转变为短缺以及发电厂商利用其市场力抬高 批发电力市场的价格谋取高额利润。因此，许多新的定价方法被提出来以便克服目 前电力市场运行的困境。例如，按报价支付定价方法，当量电价机制就是其中被人 们广泛谈论的不同于边际定价的电力市场定价机制。 本文研究电力市场的定价机制的博弈均衡特性。对于寡头的电力市场而言，要 评价一个定价机制是否合适仅仅基于成本的讨论是不够的，需要在博弈模型的框架 下充分考虑市场成员的行为影响。评价一种市场机制的优劣通常采用的方法是构造 这种市场机制的博弈模型，求解博弈模型的均衡解，分析其n a s h 均衡状态的市场 特性。但是，针对电力市场的博弈模型求解非常困难，理论博弈模型的应用受到 了限制。本文采用最近十多年正蓬勃发展的智能代理仿真模型讨论定价机制的博弈 均衡状态的市场性质。智能代理仿真模型用具有分散自主决策和智能学习的a g e n t 表示发电厂商，在重复进行的报价博弈中，发电j 一商通过利润高低按照生物的“条 件反射”原理学习并改进报价策略，追求其利润最大化，随着迭代的进行，市场将 逐步收敛于均衡位置。本文首先发展了一个电力拍卖市场的智能代理仿真的模型及 其发电厂商的学习算法，并用一个算例阐述了学习算法的特点。在此基础上，本文 具体讨论了电力市场如下的定价问题。 首先，本文讨论了统一出清、按报价支付以及发电上网的当量电价等三种不包 含输电约束的能量市场定价机制的市场特征。基于成本分析，本文证明了当量电价 中最小成本折线的数学性质，即最小成本折线是日报一价时按照日购电费用最小优 化模型的k - t 条件的图形表示。基于这个基础，我们容易看出当量电价的容量补偿 是以边际电价为基础，考虑发电机组容量投资的规模经济性，用平均容量成本进行 补偿的机理。然后构造了这三种定价机制的电力拍卖市场的智能代理仿真模型，对 这三种定价机制进行了博弈均衡状态的市场特性研究。研究表明：统一出清电价的 定价机制能够正常运行的基本条件是每个发电厂商的市场分额要足够的小( 一般要 小于1 0 ) ，且市场中必须拥有足够的备用容量( 一般要求至少1 0 的备用) 。如果 这些条件不满足，发电厂商会实施其市场力，并引起电价飞升。也即，目前的电力 市场机制不能够在电力短缺的条件下有效运行。而按报价支付定价机制不可能有效 抑制发电厂商的市场力实施：发电上网的当量电价即便在发电容量短缺的条件下， 发电厂商具有较大的市场份额时都具有稳健的市场价格，具有优良的市场特性。 第二，本文对包含运行备用和容量补偿的英国电力市场规则以及计及运行备用 的当量电价进行了研究。首先基于发电厂商的生产成本，利用电力系统随机生产模 拟技术讨论了英国容量费方法与当量电价方法的异同。基于成本的分析表明，英国 式的容量补偿主要考虑了机组强迫停运所引起的可靠性的容量价值补偿，而这一部 分价值没有体现在能量市场规则中，所以补偿是必需的；当量电价则在此基础上还 包括了规模经济性依然存在所需要的补偿。然后本文构造了智能代理仿真模型讨论 在寡头市场特征下英国容量费方法与当量电价方法的市场特性。结果表明，在当量 电价机制下，发电厂商没有实施容量持留行为的策略空间，并能引导出既自愿又充 摘要 足的申报容量，且能维持市场电价的稳定。而在英国早期的市场规则中，发电厂商 可以利用持留容量获得超额利润，同时造成申报容量的不足和市场电价的飞升，而 且越是备用容量不足，发电厂商的这种市场力就越大。而造成这种结果的的真正原 因是统一出清电价本身，容量补偿方法对于激励或抑制发电商市场力的作用都相当 何限。结论j 罨i 在寡头竞争市 豇。萁蓟宰基手磁芳法术其看芾场自q 看效性和稳健性， 堕学量电价方法既能给予充分的容量回报，又具有良好的博弈均衡市场特世。 第三，本文构造了包含输电网络的电力拍卖币砀丽智能代理仿真模型，对于边 际节点电价与输电收费中固定成本分摊的问题进行了讨论。结果表明，即便面对复 杂的输电网络，即便发电厂商只具有部分理性，但是由于电力拍卖市场具有典型的 重复博弈特征，发电厂商依然具备利用规则发现对自身有利的报价策略的能力。而 针对一些具体的市场规则在其对应的均衡状态的分析表明：( 1 ) 边际节点定价方法 可能刺激发电厂商利用堵塞分割市场，实施其空间的市场力；( 2 ) 利用潮流追踪法 确定发电上网机组利用输电设备的份额仅仅是提供了输电收费的技术基础，如果依 照这个比例直接将每条线路的成本分摊到使用者的身上，可能会由于某条线路过高 的输电费用而迫使发电厂商利用报价回避使用这条线路，结果会造成整个系统的运 行效率的降，扭曲了潮流；( 3 ) 输电当量定价机制在给予输电容量充分的回报同 时，还能够保证潮流与最优经济潮流相同，从而保证了市场效率。且由于当量电价 引导发电厂商按成本报价，所以具有良好的市场运行特性。 总之，本文的研究表明： ( 1 ) 目前流行的电力市场边际定价机制需要同时满足“充裕的发电容量”和“发 电厂商拥有足够小的市场份额”等两个条件才可以正常运行，否则会出现发 电厂商利用市场力抬高电价的状态，现有电力市场电价机制面临严峻挑战； ( 2 ) 基于成本分析的英国电力市场容量费补偿是有道理的，但在寡头和缺电的市 场条件下不能够正常运行； ( 3 ) 输电定价机制中简单地将固定成本按照使用情况分摊，会引起潮流扭曲，损 害市场运行效率； ( 4 ) 基于成本分析的当量电价机制具有相当的合理性，且在相当宽松的条件下 ( 发电容量短缺，发电厂商具有较大的市场份额) 其市场均衡状态表现十分 稳健；在此基础上，无论是发电还是输电，都能既保证容量成本的充分回报， 又能保持市场是有效率的，也即稳健是基础，充分回报和市场效率是目标； 目前的研究表明，当量电价具有非常好的效率、成本和博弈市场特性。 ( 5 ) 对于电力市场而言仅仅基于成本分析是不够的，应该充分考虑市场成员的行 为影响。而智能代理仿真模型是一个在考虑市场成员博弈行为影响的情况下 评估电力市场机制的有效工具。 关键词：电力市场；博弈；均衡；定价机制：当量电价；输电收费：容量补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo f t h a tt h ee l e c t r i c i t ym a r k e ti sn o tp r o v i d e dw i t hc o m p l e t ec o m p e t i t i o n t h e r e a r en o tl a r g en u m b e r so fg e n e r a t i o nc o m p a n i e sa n dl o a dd e m a n da l m o s ti st h ep r i c e i n e l a s t i c t h ee l e c t r i c i t ym a r k e tu s i n gm a r g i n a lp r i c i n gm e t h o dh a ss h o w nt w oi n t e r r e l a t e d p m b l e m s ：t h ei n v e s t m e n tf a d e t h er e s e v e rm a r g i n a ld e s c e n da n dt h eg e n e r a t i o nc o m p a n y e x e r c i s e dt h e i rm a r k e tp o w e rf o rt h e i rm a x i m u mb e n e f i t s ot h ev a r i o u sp r i c i n gm e t h o d w a sd e v e l o p e df o ro v e r c o m i n gt h ee l e c t r i c i t ym a r k e tm o r a s s f o re x a m p l e t 1 1 ep a ya sb i d ( p a b ) a n dt h ee l e c t r i c i t yv a l u ee q u i v a l e n tm e t h o d ( e v e ) a r et h ef a m o u sc o n t e s t a n t s i nt h i sp a p 瓯t h ee q u i l i b r i m nm a r k e tc h a r a c t e r i s t i co ft h ev i o u s ee l e c t r i c i t ym a r k e t p r i c i n gm e t h o dw a sd i s c u s s e d i ng e n e r a l t h ee l e c t r i c i t ym a r k e tg a m em u s tm o d e l e d a n dt h eg a m ee q u i l i b r i u m i st h i n k e da st h eo u t c o m eo ft h er e a lm a r k e t ，a n a y s i st h e e q u i l i b r i u mt oe s t i m a t et h em a r k e tc h a r a c t e r i s t i c b u tt h ea c a d e m i cg a m et h e o r yh a sl i t t l e c a p a b i l i t yo fe s t i m a t et h ee l e c t r i c i t ya st h ee l e c t r i c i t yg a m ei sv e r yc o m p l i c a t e d s ot h e a g e n t b a s e ds i m u l a t i o nm o d e lw a sd e v e l o p e di n t h i sp a d e l t oe s t i m a t et h em a r k e t c h a r a c t e r i s t i c s i nm i sr o o d e lt h eg e n e r a t o r sl e a r nb i d d i n gs t r a t e g yu s i n gr e i n f o r c e m e n t 1 e a r n i n ga l g o r i t h mi nr e p e a t i n gb i d d i n gg a m et os e e kf o rt h e i rm a x i m u mp r o f i t u s i n gt h e m o d e l ，t h ev a r i o u se l e c t r i c i t ym a r k e tp r i c i n gm e t h o dw a sr e s e a r c h e d f i r s t ，t h eu n i f o r i l lc l e a r i n gp r i c i n gm e t h o d ( u c p ) ，t h ep a bp r i c i n gm e t h o da n de v e p r i c i n gm e t h o dw h i c hd on o ti n c l u dt h et r a n s m i s s i o nr e s t r i c t i o nw a sd i s e u s s e d i ti s p r o v e dm a tt h el e a s tc o s tl i n es y s t e mi nt h ee v ei st h ed i a g r a m m a t i cv i e wo ft h ek t c o n d i t i o no fe c o n o m i cs c h e d u l em o d e l s t h a ti l l u m i n a t et h et h ee v e s g e n e r a t i o n c a p a c i t yc o m p e n s a t ei sb a s e do nm a r g i a n lc o s ta n dt h r o u 吐c a p a c i t yc o s tr e f e r e n c e s y s t e m a na g e n t - b a s e ds i m u l a t i o nm o d e lo ft h eu c p , p a ba n de v ep r i c i n gm e t h o dw a s e m p l o y e dt oe s t i m a t et h e i rr e s p e c t i v em a r k e tc h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l ts h o w nt h a tt h e u c pc a nw e r ki nt h ec o u r s eo fn a t u r eo n l yi nt h ec o n d i t i o no fh a s t i n t e dr e s e r v e c a p a c i t i e s ( t h er e s e r v em a r g i n a ln o1 e s st h a n1o 1a n dl a r g en u m b e r so fg e n e r a t i o n c o m p a n i e s ( t h em a x i m a lf i r ms h a r et h e1 0 m a r k e tq u o t i e n t 、t h ep a bp r i c i n gm e t h o d c a n n o tr e s t r a i nt h eg e n e r a t i o nf i n n sm a r k e tp o w e r s o m et i m et h em a r k e tp o w e ri np a b a u c t i o nm a yb eh i g h e rt h a nt h a ti nu c pa u c t i o n b u t t h ea u c t i o nu s i n gt h ee v e p r i c i n g m e t h o db e c o m e sr o b u s t t h e r ee x i s t ss m a l lr o o mf o rap o w e rs u p p l i e rt ol i nu pt h em a r k e t p r i c eb yh i ss t r a t e g i cb i d d i n g a n dw h e nt h e r ea r ee c o n o m i c so fs e a l ei ng e n e r a t i o n m a r k e t e v ep r i c i n gm e t h o dp r o v i d e sa ni n t r i n s i ca n dr e a s o n a b l em e c h a n i s mt o c o m p e n s a t et h ec a p a p c i t yi n v e s t m e n ta u t o m a t i c a l l y i nt h i sp a d e r , t h ec o r r e l a t i v i t ya b o u t t h et h r e ep r i c i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h eg e n e r a t o r sl e a r n i n ga l g o r i t h mw a s g l v e n s e c o n d l y , t h ee a r l ye n g l a n de l e c t r i c i t ym a r k e ta n dt h ep - e v e ( p r o b a b i l i t ye l e c t r i c i t y v a l u ee q u i v a l e n t ) p r i c i n gm e t h o dw a si n v e s t i g a t e du s i n gt h ep o w e rs y s t e r np r o b a b i l i s t i c p r o d u c t i o ns i m u l a t i o na n d a na g e n t b a s e ds i m u l a t i o n t h ee a r l ye n g l i s hc a p a c i t y c o m p e n s a t i o np a y m e n ti s1 0 n g t e r mr e l i a b i l i t yc a p a c i t yv a l u ec o m p e n s a t i o n t h a ti sn o t i n c l u d e di nt h es p o te n e r g ym a r k e t s oi ti sn e c e s s a r yt oc o m p e n s a t e h o w e v e rt h ep e v e p r i c i n gm e t h o dp r o v i d e sa na u t o m a t i cc a p a c i t yv a l u ec o m p e n s a t i o nf o rt h es c a l eo f e c o n o m yb e s i d e st h er e l i a b i l i t yc a p a c i t yv a l u e ，t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h ee a r l ye n d i s h m a r k e t ，t h e r ei sal a r g er o o mo ft h eg e n e r a t o r sw i t h h o l d i n gc a p a c i t yt or e s u l ti nt h e b i d d i n gc a p a c i t yd e f t c i e n ta n dm a r k e tp r i c es p i k e ，a n dt h em o r eg e n e r a t i o nc a p a c i t y d e f i c i e n t t h em o r em a r k e tp o w e rt oe x e c u t e 0 nt h eo t h e rh a n di f t h es p o te n e r g ym a r k e t e m p l o y i n gt h ep e v ep r i c i n gm e t h o d 、t h e r ei sf e wr o o mf o rt h es u p p l i e rw i t h h o l d i n g c a p a c i t yt or e s u l ti nt h ee n o u g hb i d d i n gc a p a c i t ya n dm a r k e tp r i c es t e a d vt h ec o n c l u s i o n i st h a ti no l i g a r c h i cm a r k e t t h ee a r l ye n g l a n dm a r k e tw h i c he m p l o yt h eu n i f o r mc l e a t i n g p n c i n gm e t h o dc a nn o tp r o v i d et h er o b u s ta n de m c i e n tm a r k e tc h a r a c t e r i s t i c a n dt h a tt h e a b s t r a c t p e v ep r i c i n gm e t h o dn o to n l yg i v e st h eg e n e r a t i o ns u p p l i e r sa d e q u a t er e t u r n o f c a p a c i t yi n v e s t m e n t b u ta l s op r o v i d e st h er o b u s ta n de m c i e n tm a r k e tc h a r a c t e r i s t i c t h i r d l y ， a np o o l - b a s e de l e c t r i c i t ym a r k e ta g e n t - b a s e ds i m u l a t i o ni n c l u d i n g t r a n s m i s s i o nr e s t r i c t i o nw a sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h el o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e ( l m p la n dt r a n s m i s s i o nf i xc o s ta p p o r t i o n m e n ti nt h i sp a p e r a l t h o u g ht h et r a n s m i s s i o n n e ti sv e r yc o m p l i c a t c da n dt h ea g e n ti sn o tc o m p l e t er e a s o n t h ea g e n tc a l la l s of i n dt h e b i d d i n gs t r a t e g yt oa c h i e v et h e i rm a x i m a lb e h a l f ii tm e a n st h et r a n s m i s s i o nc h a r g ea l s o c a nb e c o m ei n v a l i d a t i o nb e c a u s eo ft h eg e n w e r a t i o nf i r m s b i d d i n gs t r a t e g y t h er e s u l t s s h o w ：( 1 ) t h el m p 埘c i n gm e t h o dm a yb ea c t i v a t et h eg e n e r a t i o nf i r m s s t r a t e g y b e h a v i o rt ou s et h el i n e 面g e s t i o 趔d i v i d eu pt h em a r k e ta n de x e r c i s et h es p a c i a lm a r k e t p o w e rb e s i d e st h eh o r i z o n t a lm a r k e tp o w e ri nu c pa u c t i o n ；( 2 ) t h ep o w e rc o n t r i b u t i o n s o ft r a n s m i s s i o nu s e r sc a nb ed e t e r m i n e db yp o w e r - f l o wt r a c i n gt e c h n i q u e s ，b u ti fe a c h l i n e sf i x e dc o s tw a sa l l o c a t e db yt h ep o w e rc o n t r i b u t i o n s t h en e wl i n ec h a r g es h o u l db e h i g h e rt h a nt h eo t h e ro l dl i n e t h eg e n e r a t i o nf i r m sc a nd e c r e a s eu s i n gt h eh i g h e l p r i c e 1 i n et h r o u g hb i d d i n g a n di td a m a g et h em a r k e te f f i c i e n c y ；( 3 ) b o t ht h em a r k e te 街c i e n c y a n dt h ea d e q u a t ec a p a c i t yr e t u r nc a nb ea c c o m p l i s h e da tt h es a m et i m eb yt h e t r a n s m i s s i o ne l e c t r i c i t yv a l u ee q u i v a l e n t ( e v e ) p r i c i n gm e t h o d s a n db e a u s eo ft h e g e n e r a t i o ne v ec a nr e s t r a i nt h eg e n e r a t i o nf i r m s s t r a t e g yb e h a v i o r , s oi nt h eo l i g a r c h i c a l e l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h eg e n e r a t i o nf i r m sw o u l dn o td a m a g et h em a r k e te f f i c i e n c g i nc o n c l u s i o n t h er e s u l t ss h o w ： ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) t h eu c pc a nw o r ki nt h ec o u r s eo fn a t u r eo n l yi nt h ec o n d i t i o no fu n s t i n t e d r e s e r v ec a p a c i t i e s ( t h er e s e r v em a r g i n a ln ol e s st h a n10 1a n dl a r g en u m b e r so f g e n e r a t i o nc o m p a n i e s ( t h em a x i m a lf i n ns h a r et h e 10 m a r k e tq u o t i e n t1 0 t h e r w i s e t h eg e n e r a t i o nf i l m sc o u l de x e r c i s et h e i rm a r k e tp o w e r , t h ea c t i v e p r i c i n gm e t h o di sf a c e dw i t hs e r i o u sc h a l l e n g e t h ee a r l ye n 百i s hc a p a c i t yc o m p e n s a t i o np a y m e n ti sr e a s o nw h e ng e n e r a t i o n f i r m sb i d d i n gb a s e dt h e i rc o s t ，b u ti ti sn o tw o r k a b l ei no l i g a r c h i c a le l e c t r i c i t y ； t h ec o s ts u p p l e m e n t sb a s e do nl o a df l o wt r a c i n gm e t h o d sw i l ld a m a g et h e m a r k e te f f i c i e n c y b a s e dc o s ta n a l y s i s ，t h ee v ep r i c i n gm e c h a n i s mi si nr e a s o n ，a n di nv e r yl o o s e c o n d i t i o n ( t h eg e n e r a t i o nc a p a c i t yd e f i c i e n c y , o l i g a r c h i c a lm a r k e ts t r u c t u r e ) ， t h em a r k e te q u i l i b r i u mi sv e r yr o b u s t f u r t h e rm o r e t h ee v ep r i c em e c h a n i s m n o to n l yg i v et h ec a p a c i t yi n v e s t m e n tr a t i o n a lr e t u r n ，b u ta l s ok e e pt h em a r k e t t i ni nt h ee f f i c i e n ts t a t e t h ee v ep r i c i n gm e c h a n i s mp r o v i d e dw i t he x c e l l e n t e f f i c i e n ta n dg a m em a r k e tc h a r a c t e r i s t i c ( 5 ) i ti sd e f i c i e n tf o rt h em a r k e ta n a l y s i so n l yb a s e dc o s t ，t h ep a r t i c i p a n t s b e h a v i o r m u s tb ec o n s i d e r e d t h et h ea g e n t b a s e ds i m u l a t i o ni sae f f e c t i v et o o lt o e s t i m a t et h ei m p a c to f t h ee l e c t r i c i t ym a n e tp r i c i n gm e c h a n i s m k e yw o r d ：e l e c t r i c i t ym a r k e t ；g a m e ；e q u i l i b r i u m ；t h ee e c t r i c i t yv a l u ee q u i v a l e n t p r i c i n gm e t h o d ( e v e ) ；t r a n s m i s s i o nc h a r g e ；c a p a c i t yc o m p e n s a t i o n 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 对本研究所作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) 毫最毒弓 第l 章电力市场定价问题及其市场特性的研究 第1 章电力市场定价机制与博弈均衡研究概述 在目前电力市场实践中，最流行的电力市场定价方法是短期边际定价方法。这种定 价方法在西方发达国家的电力市场运行初期取得了若干年的成功以后，在不同的国家与 地区相继出现了一些问题，因此引发了有关电力市场定价机制的讨论，不同的定价方法 相继出现，也有一些市场采用了其他的定价方法，例如按报价支付等。 本章首先对电力市场的定价机制进行了讨论，然后对电力市场定价机制的研究方法 进行了讨论，最后给出了本文要研究的主要问题。 1 1 电力市场定价机制概述 电力市场的定价机制是电力市场最重要的规则，而电力市场的定价分成两类不同的 形式，一个是竞争的发电侧市场的定价，一类是依然保持经营垄断的输电服务的定价。 其中，发电侧市场的定价主要包含能量市场的定价与辅助服务市场的定价，其产品与服 务是由通过竞争方式组织生产的发电厂商提供的，而输电服务则是由依然具有经营垄断 地位的网公司提供，所以从总体上这两种定价的方式存在许多不同。本节将按照发电侧 市场与输电服务两个部分分别进行讨论。 1 1 1 发电侧市场的定价方法及其问题 发电侧电力市场分成能量市场与辅助服务市场。能量市场以电能交易为目的，辅助 服务市场中的内容则包含为维持电力系统运而提供的相关服务。电力市场中交易的形式 则有合同与现货之分，本文主要讨论现货市场的定价方法。 对于一般商品的市场，在完全竞争的条件下，微观经济学给出了具有相当说服力的 定价方法一短期边际定价方法( s h o r tm a r g i n a lr u n n i n gp r i c e ，s r m c ) 。所谓完全竞争的市 场条件主要包含如下几点【1 】 2 】： 各个厂商生产的商品是同质的。对销售者来讲消费者是完全相同的，厂商对某个消 费者的出售不存在有利、不利条件； 厂商和消费者的人数非常多，个别厂商和消费者的购销量相对于交易总量来说是很 小的，也就是说生产厂商不具备操纵市场的能力，没有市场力( m a r k e tp o w e r ) ； 厂商和消费者对现行的价格和目前的出价具有完全的信息他们会利用一切机会增 加利润； 厂商和消费者在长期问自由进入和退出该商品市场。 生产厂商的生产函数是一个连续的，凸函数 第1 章电力市场定价问题及其市场特性的研究2 消费者的需求函数是一个连续的，凸的，向左下方倾斜的函数 在上述的完全竞争的条件下，微观经济学证明，采用边际定价方法可以在市场成员 追求自身利益最大化，达到市场均衡时，同时达到社会福利最大化，也即激励相容的 p a r e t o 效益。正是这种良好的性质，边际定价方法几乎成为了市场定价方法的“标准”。 电力市场在其开始进行理论讨论的初期，就是按照完全竞争的市场条件进行的，所以在 发电侧电力市场通常也采用短期边际定价方法【3 f 4 5 【6 【7 】【引。 但是，我们要特别注意短期边际定价具有p a r e t o 效益的前提是完全竞争的市场条 件。非常遗憾，目前已经进行的电力市场实践表明，电力市场并不具备这样的条件。其 主要的表现为： 电力需求在短期内其价格弹性系数几乎为零； 发电厂商的数目不多，通常拥有较大的市场份额，具有潜在的市场力； 电力系统要求及时的供需平衡，且没有电能储存装置作为缓冲。并且，还要保证高 可靠性供电； 电力系统中发电机组的生产状态使得至少在短期并不具备生产函数连续的要求。例 如，发电机组的最小出力要求，使得每个机组的生产函数是一个非凸的集合，在不 开机与最小出力之间没有连通； 电力设备的建设周期长，且规模经济性并没有完全消失； 表1 1 发生电价危机的地区及其原因统计 t a b l e1 3t h ee l e c t r i c l t yp r i c ec r i s i ss t a t i s t i c s 引自：t h ei n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y p o w e rg e n e r a t i o ni n v e s t m e n ti ne l e c t r i c i t y m a r k e t s2 0 0 3 第l 章电力市场定价问题及其市场特性的研究 由于电力需求在短期内几乎 没有价格弹性，而电力系统运行 又要求电力需求与供应的及时平 衡，使得具有一定市场份额的发 电厂商容易实施市场力，特别是 在发电容量出现短缺的情况下。 表1 1 给出的是在不同国家与地 区出现价格飞升的例子【8 。从这 个表可以看出，电价飞升通常 都伴随着发电容量短缺和发电厂 商的市场力的实施。 从图1 1 的供应曲线与没有 弹性的需求可以看出，由于需求 图1 1 当需求与供应曲线变化对价格的影响示意图 f i g u r e1 , 1t h er e l a t i o no ft h ed e m a n d ，s u p p l ya n dp r i c e 没有价格弹性，需求的些微的增加会引起价格大的变化；而拥有市场力的发电厂商，人 为地抬高供应曲线或者人为地持留容量都可以使得价格发生大的变化。人们在现实的市 场利用实证的方法发现了发电厂商实施市场力的行为【9 】- 【2 ”。 另一方面，当发电容量充裕的时候，采用边际定价方法对于发电机组而言则有可能 出现容量投资回报不足的问题。文 2 3 对新英格兰市场的实证研究表明，在市场中新投 资的峰机组的确没有得到足够的投资容量回报，言茂松教授从理论上说明在完全竞争情 况下，因为电力的规模经济性，边际成本小于平均成本，回报必然不充分，特别是在边际电 价下，峰机组的容量回报是零 ”。如果发电机组得不到充分的容量投资回报，那么市场 很难保证充裕的发电容量。文献 2 4 2 5 曾经用系统动力学模型分析了加州电力市场机 制，结果表明仅仅采用能量市场与辅助服务市场，且两个市场都采用短期的边际电价， 会出现容量的周期性波动，从而造成电价的波动，作者甚至直接指出当时的加州电力市 场是一个等待爆炸的炸弹，需要提供额外的容量补偿费用来平缓电价的周期性的波动。 非常不幸，这个写于1 9 9 8 年的预言被2 0 0 0 年的加州电力市场危机所证实，容量的充裕 性问题随着美国市场进入其投资高峰时期而越来越引起人们的关注。 在边际定价机制下，电力市场的运行出现了矛盾的现象。一方面，当电力市场中出 现发电容量充裕的时候，例如西方电力市场开放初期，电力市场的竞争十分激烈，使得 许多电力供应厂商惨淡经营甚至退出市场；另一方面，当出现发电资源紧缺的时候，发 电厂商又可以几乎没有阻力地实施其市场力，谋取超额利润，并使得批发电价升高到- 刁、 可以接受的程度。目前的电力市场表现出，只能调节剩余，却不能够调节短缺。 针对采用边际电价的电力现货市场的电价飞升以及发电厂商市场力的实施，人们也 企图利用一些市场技术抑制发电厂商的市场力实施，例如设置价格上限、建立长期双边 交易合同或期货市场等，这些措施可以在一定程度上缓解问题，并不能够完全解决上述 第1 章电力市场定价问题及其市场特性的研究4 问题。价格上限的设置可能对长期的投资有影响，而且并不容易合理地确定其值。合同 本质上仅仅是风险规避的工具，企图利用合同来抑制发电厂商的市场力效果有限。文献 2 6 曾经对英国电力市场的差价合同进行过实证研究，当现货市场上价格偏高，想签定 一个合适价格的长期合同其实很不容易。长期合同的签定与现货市场的表现有着不可分 割的联系。 在坚持采用边际定价方法的市场，有一些市场采用了容量补偿费的方法对发电机组 的容量进行补偿，另一些市场则采用一个独立的容量市场对发电容量进行补偿【2 7 1 。从实 践来看，英国的容量补偿费方法被认为是一个原理上正确而实践上表现为不可工作的方 法，其受到的最主要的批评是可能进一步刺激了发电厂商市场力的实施 2 8 1 ，而以p j m 为代表的容量市场实践则在确实平缓了能量市场电价的同时也引起一些新的问题，例 如，容量市场中市场成员的行为一直是令人头痛的事情，据称p j m 容量市场自建立以 来己收到3 0 0 余起诉讼，这个市场的市场力的监管可能比能量市场更加困难 3 0 ，。 总之，即便我们不能够说目前的电力市场机制是一个等待爆炸的炸弹，但至少也是 一个需要进一步完善的“初步的”市场，还有许多的考验等待着我们去经历。其中最为 突出的问题是：( a ) 边际电价条件下是否能够维持足够的发电容量，如果不能够如何进 行补偿才合适；( b ) 发电厂商的市场力如何能够有效的抑制；( c ) 如何保证“公平性” 原则。 正是目前的这种状态使得人们一直都有热情发展一些新的定价机制。其中按报价支 付( p a ya sb i d ，p a b ) 是一个边际定价方法之外得以在现实中应用的定价方法。而在我国 的电力市场竞价机制研究中，言茂松教授根据其提出的电力市场设计的三个市场原则， 提出了当量电价系列洲 4 2 1 ，王锡凡教授提出了分段电价的定价方式 4 3 【。所有这些都 是极其宝贵的探索。但是，由于社会实践成本非常昂贵，这些方法在得到应用之前需要 进行充分的论证，特别是需要进一步论证在充分考虑发电厂商的策略行为的情况下这些 定价方法的市场特性。 1 1 2 输电定价 在市场