高赐威：电力现货市场建设风险管理

电力现货市场建设风险管理

东南大学电力经济技术研究所所长 高赐威

东南大学电力经济技术研究所将电力市场作为重要的研究方向，电力现货市场及风险管理是其研究领域之一。目前8个试点省份电力现货市场试运行的时间推迟到2019年6月，说明推进电力现货市场存在困难。值得重视和思考，本文分析了电力市场风险的一些概念，介绍了东南大学电力经济技术研究在市场风险管理研究方面的一些工作。

电力现货市场主要包括日前、日内和实时的电能量和备用等辅助服务交易市场，现货市场与中长期直接交易市场和期货电力衍生品市场构成现代电力市场体系。

现货市场特点有五方面。一是电能实时平衡，现货市场的价格附带时间甚至位置标签，更为细致地反映电能的时空价值。二是现货市场能最大化社会剩余，使相应的调度安排经济效益最优。三是现货市场结果能有效引导电源、电网投资建设。四是现货市场能为其他电力交易（其它时间尺度）提供灵敏的价格信号。五是从国际经验来看，英国、北欧、美国等成熟电力市场均有较为完善的现货市场机制。

市场的最重要功能是依靠科学合理的价格引导机制优化配置资源。目前中长期电力交易形成市场交易结果，到日前日内由调度去安排执行。但电力供需实时平衡，中长期交易无法体现实时层面供需关系的差异，因而它的市场信息或者是价格信息不充分。因此，电力现货市场是一个真正完备的市场所必须的。

1.市场价格随供需实时变化带来较大不确定性。现货市场能够敏锐地反映短时和实时的供需关系，由于市场供需瞬息万变，也由于众多决策者通过市场竞争共同决定市场价格，存在市场主体操弄价格的可能，因此市场价格具有较大的不确定性，同时给市场主体个体也带来较多风险。电厂和售电公司报价非常忐忑，因为这会影响公司收益。例如，发电企业节能降耗5%非常不易，但在市场上丢掉5%的市场份额是很容易的事情。

2.有缺陷的市场将在市场主体为逐利而不断试探下陷入困境。如果市场不够完备，市场成员也在不断探求市场机会，博取更大利益，有缺陷的市场将极有可能被市场成员所利用，使得市场陷入困境，过高或者过低的市场价格都会使得市场难以为继。

3.市场失败早有案例。加州的电力危机是很典型的市场失败案例，缺乏中长期合约的电力市场将使市场陷入极大风险。虽然加州市场危机原因很多，但是如果没有现货市场，很难想象加州会陷入电力危机，这也从一个侧面表明引入现货市场的同时更需要完善的风控机制。

电力体制改革启动以来，发电企业的生产经营环境发生了巨大变化，许多问题亟待解决：

1.电力市场交易中竞价策略问题。发电企业从面对电网单一客户和政府管制电价，转向面对终端用户和协商定价。例如江苏目前的情况对发电企业压力比较大，今年1月的月度竞价结果低于标杆电价0.1元，下降了将近30%。发电商为了获得市场份额做了较大努力，但从发电利润角度得到了一个并非如愿的结果。

2.燃料采购和发电安排时序优化问题。发电企业目前燃料采购和发电安排的时序匹配程度不高，需要综合考虑煤炭市场与电力市场问题，将二者协调优化是面对电力现货市场企业控本增效的关键。

3.成本管控问题。从成本管控的方面看，要去考虑发电企业厂外存煤、配煤掺烧等成本管控措施。

对于以上问题，我们从以下三方面开展研究：

一是基于预测市场出清价格的竞价策略。发电厂的入口是燃料采购，价格是波动的，出口是电能销售，价格也波动。两方都有风险，两者要进行相应抵扣来获得最大效益。发电企业参与电力市场交易时，基于条件风险概率计量原料采购和发电安排，根据预测电价信息，提高竞价成功的概率，控制竞价风险。

二是基于CVaR风险计量的燃料采购和发电安排滚动优化。综合考虑电力市场年度、月度交易以及煤炭采购中的长协煤、市场煤等问题，统筹规划发电企业生产采购策略，一年12个月滚动优化。将发电企业的总发电量、总购煤量类比为总资产，将一年时间的总收益看做投资回报，引入CVaR模型对风险进行计量，在控制风险的同时实现企业效益的最大化和CVaR风险最小双目标优化。

三是成本管控和电量交易的协同策略。将配煤掺烧应用于燃料采购和发电安排的滚动优化模型中，建立配煤掺烧比的修正改进方法。由于优化是滚动进行的，配煤比的修正也是滚动进行的，因此发电企业可根据煤炭市场的不同情形，选择适用的配煤掺烧方案，实现配煤比的动态改变。

我们为发电企业建立了年度和月度的CVaR模型。此模型可描述为寻找最优的发电与购煤安排，使得在未来一年内，在给定的概率置信水平下，在保证年度总期望收益约束下，使发电企业可能遭受的发电平均超额损失CVaR最小。根据决策者输入的期望收益下限、对待风险的态度，改变发电电量分配在年度合约、月度竞价交易中的比重。所建模型较为有效地解决了煤炭采购与发电安排的时序优化问题，长协煤和市场煤的采购量与其价格呈现相关性，且可通过存煤等措施优化采购结构，结合发电安排有效增加发电企业的年度总收益。

在现货市场中，可以探索新能源参与调频辅助服务市场的方式和方法，但是同时需要考虑新能源间歇性的问题。相关的研究议题有新能源发电的调频性能评估、调频市场的准入与退出机制、调频市场出清模型与结算机制、储能与新能源发电调频风险评估与保险机制设计等几个方面。

新能源发电的调频性能评估包括具备调频特性的储能元件性能评估、典型新能源发电的自身功率调节性能评估、储能及新能源发电波动性与系统调频特性适应性评估。

调频市场的准入与退出机制要考虑储能与新能源发电参与调频市场的调频需求、储能与新能源发电资源参与调频市场的准入机制、储能与新能源发电资源参与调频市场的退出机制。

调频市场出清模型与结算机制考虑储能与新能源发电的调频市场投标方式、储能与新能源发电的调频市场出清模型、储能和新能源发电的调频市场结算机制。

储能与新能源发电调频风险评估与保险机制设计包括储能与新能源发电调频风险评估机制设计、储能与新能源发电调频保险机制设计。

售电商直接面对负荷资源，可以通过聚合负荷资源参与辅助服务市场，在此过程中需要考虑负荷的不确定性问题。相关的研究内容包括：

1.售电商需求响应潜力概率模型

考虑需求响应的不确定因素，构建需求响应潜力的概率模型，并基于序列运算理论，得到最终聚合的总需求响应潜力的概率分布。

2.售电商参与辅助服务市场多时间尺度双层建模

上层是备用辅助服务市场多尺度整体收益，下层包含调频市场、旋转备用市场和非旋转备用市场，这三者之间耦合。上层模型目标函数为售电商参与备用辅助服务市场多时间尺度效益最大，下层模型目标函数为最大化售电商参与单个备用市场的经济效益。

3.建立面向需求响应的用户电力套餐设计

考虑用户行为改变对系统削峰填谷的作用，以及对其自身带来的影响，建立面向需求响应用户的电力套餐的优化设计模型。包含四个部分，即用户负荷特征辨识、用户决策行为模型、电力套餐评估模型、电力套餐设计优化。

随着电力现货市场在国内的涌现，同时前面提及的各市场主体行为在现货市场中的不确定性，最终均会作用于市场出清价格，影响市场的整体效率。市场主体的目标是在不同的环境下选择合适策略，令自身收益最大，采用流程是报价策略技术。系统运营商的目标是最小购电成本或最大化社会福利，来获得市场出清结果。科学评估、合理评估发电商及其他市场主体行为，将成为电力现货市场管理的重要内容。技术上来说在完全信息环境或不完全信息环境下，可以选择多智能体系统，或者深度学习与强化学习结合的数据方法来开展相应的市场推演。

完全信息环境下多智能体报价推演，以求解纯策略纳什均衡，通过在多智能体系统内构建具有信息中心的通信框架来实现的。一种情形是在不同负荷水平行为分析。随着负荷需求水平的提高，供需关系安排更紧张，市场成员对市场价格预期越高，那么市场的报价系数会远高于同时段。另一种情形是不同备用分摊方式行为分析。如果辅助服务由用户分摊，电能费用比发电商分摊更低。

不完全信息环境下，采用AlphaGo与电力市场竞价策略、强化学习与神经网络结合——DQN。AlphaGo算法模拟或者仿真市场成员竞争行为，算法包含监督学习（模仿学习）、增强学习（自主学习），和基于蒙特卡罗树搜索方式（即人工设定的方式，降低搜索难度）。其中，增强学习将监督学习的网络复制作为增强学习的初始网络，将当前版本的网络与之前某个随机版本对局，得到棋局和棋局结果（输赢），根据棋局和棋局结果利用增强策略网络算法更新参数最大化期。对于不了解报价规律的发电商，可以通过报价历史中获得经验。在给定的报价区间内，为了学习到更好的报价策略，必然要减小报价间隔。那么，策略集存储空间成几何增长，同时在学习样本比较少的情况下，无法更新所有策略的收益。对此，采用强化学习与神经网络结合——DQN，将普通强化学习中状态和动作空间离散状态进行连续化，变成函数拟合问题，相近的状态得到相近的输出动作，完成发电商短时间内实现连续报价和多段报价。

我国正处于电力市场化改革的关键阶段，由于电力行业和电力市场本身对国民经济的极端重要性，从防备电力市场风险，检测电力监管政策的角度出发，中长期电力市场监测软件的开发对电力市场安全具有极其重要的意义。

中长期电力市场仿真系统旨在根据市场结构和条件模拟市场运行，有效检验各种事件，如监管政策，能源价格，负荷发展，电源建设，市场集中度等对电力市场的影响。这些事件在未来都有可能发生，对市场影响可以通过中长期仿真来观测，提前量化其后果，防范市场运营的风险，从而为监管机构、政府部门制定政策提供依据，也可为电源电网企业的经营决策提供参考。中长期电力市场仿真系统主要基于博弈理论，通过寻求平衡点来得到市场结果，其中，中期市场仿真模拟了机组组合决策和市场清算过程，而长期市场仿真考虑了新电厂的投资过程。

中期市场仿真是基于对每一小时清算的累积，而长期市场仿真则是中期市场仿真的累积，其中机组组合和电源扩展分别由中期和长期市场模拟确定。对于每个小时的竞争，采用Forchheimer 博弈模型，来模拟市场参与者的策略决策，市场领导者个数的选择可以表征市场集中度。电力需求可以通过对优先级较高的电量（绿色电能、跨区/跨国交易合同电能、库容式水电站的削峰填谷效应、电厂的强迫功率等）预处理，转化为一条等效的负荷曲线，作为市场博弈标的。市场出清时每一个市场领导者都会沿着自己面对的剩余负荷曲线进行搜索，从而获得自己的最优报价，通过对各市场领导者的迭代最终达到市场平衡。机组组合方案根据每个公司最大化自身效益的考虑通过博弈的方式来确定。

长期市场仿真中，一年电量根据不同的电价水平被离散成多个能量块，每个电源公司根据市场环境对能量块进行博弈从而确定新机组容量的扩展方案。在长期市场仿真中，根据不同机组类型、额定容量、最大容许容量和融资限制以及老电厂的改建升级和全新电厂的投资等多方面来确定备选的能量扩展方案。

中长期电力市场电价预测可以验证市场发展趋势。通过对影响电价的多个因素的分析，建立中长期电价演变的模型，以各种市场条件作为输入，电价作为输出，预测将来场景的电价，也从另一个角度来验证电力仿真系统的结果。