电力市场的集中优化

第30卷第20期电网技术Vol. 30 No.202006年10月Power System TechnologyOct. 2006文章编号: 100-3673 (2006) 20-0066-06中图分类号: TM715文献标识码: A学科代码: 790.625电力市场的集中优化朱治中'，谢开2，于尔铿'(1.中国电力科学研究院，北京市海淀区100085; 2. 华北电力调度局，北京市宣武区100053)Centralized Optimization of Electricity MarketZHU Zhi-zhong', XIE Kai’, YU Er-keng'(1. China Eletric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 10085, China;2. North China Power Dispatching Bureau, Xuanwu Ditrict, Beijjing 00053, China)ABSTRACT: Here, The centralized optimization is researched in做出，电力行业的特点决定了电力市场的某些问题depth and it is pointed out that due to the network interaction,必须通过集中优化来解决，甚至分散决策的有效实reliability constraint, transaction cost constraint and the natural现也必须依赖于某种集中运营机制的支持15-9]。分散monopoly of power networks, the action of centalized决策是指市场成员在满足各种约束条件的情况下，optimization should be emphasized, and the centralization extent inelectricity market is far more than that in common commodity以实现自身利益最大化为目标所进行的经济行为。market. Meanwhile, two problems that should be solved in the它们自行决策并获得相应的收益，同时也要承担可centralized optimization of electricity market, i.e., the control of能发生的损失。集中优化既包括集中协调，也包括opimization range and the selection of optimization method, are集中决策。集中协调是对市场成员交易的撮合，在researched too. It is pointed out that the subtution ofdecentralized decision-making by centralized optimization电力市场条件下，它的作用是能够缩短市场成员成should be avoided. Finally, it is analyzed in detail that for交所需要的时间，避免分散决策可能导致的对系统different contents of electricity market the extents of安全的危害。集中决策则体现为- -种强制干预，即centralized optimization is also different, somewhat needs某一中央机构代替市场成员进行决策，对于电力市centralized coordination only; somewhat needs long-term场而言，可能的中央机构是系统交易调度中心、监regulation; and somewhat needs centralized decision-making管机构及中央政府。实际上，当分散交易突破了安by central organs instead of market participants.全限制时，集中协调也可能演变成集中决策。KEY WORDS: electricity market; centralized optimization;集中优化是高效的市场机制的有机组成部分，它decentalized decision; transaction cost; property right摘要:对电力市场的集中优化问题进行了深入研究,指出电的目的不是取代分散的市场决策,而是为了更好地促力市场的网络作用、可靠性约束、技术的经济性约束与电网进市场成员做出有效的经济决策。本文将首先阐明集的自然垄断性决定了必须强调集中优化,且这种必然性远远中优化与市场机制的关系并解释其基本原理;然后结超过一般商品市场。研究了电力市场集中优化所遇到的优化合电力行业的特点阐述电力市场进行集中优化的必范围控制问题和优化方法选择问题，指出应避免造成集中优要性;最后研究电力市场集中优化的范围问题，希望化对分散决策的替代。最后详细分析了不同电力市场的不同能在集中优化与分散决策之间找到1个分界线。集中优化程度，如有的只需集中协调，有的只需长期监管,1集中优化 与市场机制的关系而有的则需要时刻代替市场成员进行决策。关键词:电力市场;集中优化;分散决策;交易费用;产权1.1 市场经济 与计划经济由于我国正在由传统的计划经济向社会主义0引言市场经济过渡，有许多问题还未得到澄清，因此理电力市场改革的根本目的是在电力行业通过解集中国煤化工要的。为此需要从产权重组引入有效的竞争机制,让各成员单位能够对比YHCNM H G制、集中优化与分进行分散经济决策，以促进经济效率的提高[14)。散决策这 2对概念出发进行分析。市场经济体制是但这并不意味着电力市场决策只能以分散的方式经济个体能够在生产与消费方面进行自主决策的第30卷第20期电网技术67体制，第三方(尤其是政府)应避免干预这种决策。计主义行为的存在，连续博弈可能存在多个均衡点(即划经济(或指令经济)体制则是政府或其他中央机构直极值点)，这些极值点不可能都是最优的。解决上述接做出所有重大生产与分配决策的体制0。市场经济问题需 要对市场进行集中优化。首先,通过集中优化以完全产权为基础，强调个人边际成本与社会边际成的撮合使市场成员间的博弈能较快地达到均衡，从而本的对应。市场成员在约束条件下进行自身的利益最满足了经济决策的时间与安全约束;其次，集中优化大化决策，可以在不侵害他人利益的前提下利用各种主体能够掌握更多的信息，抑制机会主义行为，并可机会获取收益，增进帕累托最优。市场体制为成员提在一定程度上改变均衡的位置，提高经济效率，这样供了公平竞争的平台，有利于人们发挥主观能动性，有助于发现最优决策。因此，集中优化可作为分散决促进总体经济效率的提高。与之相对的，计划经济认策的有益补充而成为市场机制的有机组成部分。为可以通过全能的中央机构最优化社会生产并实现1.3集中优化的目的物质产品的公平分配。计划经济与市场经济在实现过目前我国正在建立社会主义市场经济体制,人们程中最根本的区别在于其政策缺乏检验。的市场观念还处在形成期，尤其是在极其特殊的电力世界是变化的，经济生活中充满了不确定性因行业引入市场机制时,经常会混淆市场中的集中优化素，但是人的认识能力是有限的，所以不可能找到与政府对市场的干预这2种行为。由于未建立有效的绝对正确的政策，无论是市场经济还是计划经济均市场机制前无法发挥市场作用,所以当务之急是要建不可能改变这一事实。然而，市场经济是建立在个立起完善的市场经济体制。政府对市场的干预在某段人基础上的体制，它提供了-种快速修复机制，即时间内可能在某些方面可以取代市场发挥作用,但是个人可以通过经济实践活动对事先的决策进行检它的最终目的不是取代或否定市场，也不是要取代市验与证伪，并能够迅速地做出调整，否则他自己就场来配置资源，而是为了帮助建立健全的市场。但政会承受由此带来的损失。对于计划经济来说，首先府干预实质上还是- -种计划经济的体现，从长期来决策的难度提高了，因为计划经济的涉及面在市场看,它与市场只能是一种非此即彼的关系。市场中的经济看来是难以想象的，所以很难进行改进与创新集中优化则是为了充分发挥分散决策的作用，它不以决策;其次，计划决策需要通过个体的经济实践活取代分散决策为目的，而是为了使市场机制更完善。动来检验与证伪，但由于决策者与承受者分离，作随着技术与制度的不断革新,市场中需要集中优化的为承受者的个体不能调整没有经受住检验的决策,范围可能会不断发生变化。因此难以实现经济效率的帕累托改进。故从长远来2电力市场需要集中优化看，计划经济可能导致低效。从分配结果来看，计2.1 电力系统存在网络相互作用划经济并不- -定 能实现物质产品的公平分配，市场在一般商品市场上,干预市场成员的行为是被禁经济的分配结果也可能优于计划经济的分配结果。止的，因为这会影响市场竞争的短期运营与创新效1.2分散决策 与集中优化率。但是，由于电力系统存在网络相互作用且对可靠分散决策与集中优化是2种调配资源的手段，性要求很高，因此需要进行集中控制与协调1-121。在这两极之间偏向前者则是市场经济，滑向后者则目前的电力输送任务主要是由电网来承担，它成为计划经济，但在它们之间不能划等号。由诸多线路组成且结构呈网络状。在现有技术条件古典经济学理论认为，在市场这只看不见的手下，潮流在网络里的流动遵循基尔霍夫定律，很难的协调下，个人分散决策的结果会自动实现社会最对其进行流向与路径控制，所以网络中存在并行潮优。如果这-决策过程能够一直持续， 市场成员有流。当许多交易电量同时流经电网时，它们对网络充足的时间调整自身的决策，也就是连续博弈,应潮流的影响不能通过将各交易电量单独作用时的当说有很大的可能到达最优点(均衡点)。这当中可效果进行线性叠加而得到，即使其中的一一个交易电能产生2个问题，一是现实中 的经济决策博弈次数量发生变化(如出现量的增加或减少以及地点的改有限，二是可能存在多个均衡点。在实际的经济活变)，中国煤化工非常大的改变。由.动中，市场成员在各种约束条件下不可能进行无限于系统YHCN M H演流与各交易电量多的博弈，在有时间与安全约束时有可能不能实现均有关系且是非线性的，因此在其他交易未知的情均衡。另外，由于产权不完整、交易费用以及机会况下，很难确定某-单独交易对输电线路的影响。68朱治中等:电力市场的集中优化Vol. 30 No.20这将意味着很难清楚地定义对输电系统的物理使装置可能是非常合算的:对于小用户来说，由于装用程度，并且不能建立起针对输电网络的物理产置费用非常高而有可能不太适用。在目前的电力市权。清楚地定义产权对电力市场的有效运营非常关场中小用户占绝大多数，由于存在第1个约束，因键，它也是影响输电网络长期使用权的核心问题，而会导致电力市场上缺乏用户对价格的响应(即需如果产权不清则分散的双边交易将无法开展。求弹性)。从控制技术角度来讲,实现对某-一地区范综上所述，并行潮流导致了不能单独对某条线围内的全体用户进行控制是可行的，但是通过安装路或合同路径进行调度，而是要将电网作为一个整断路器等装置控制特定(单个)用户的用电则很难。体进行调度。但在了解电网其他部分所具有的使用如果不能控制单个用户，允许用户随意地从系统中.价值之前，不可能确定对任- -输 电线路的最佳利用获得电能，则将会妨碍双边合同的执行，致使系统方案。因此，需要有一个中央机构负责输电线路的调度交易机构成为缺省的实时供应商。上述2 个问集中优化使用。题结合在一起可能加重电力市场的市场力，因而更2.2电力 系统存在可靠性约束增加了集中优化的必要[13]。电力系统是脆弱的，且对可靠性要求较高，如2.4输电环节具有 自然垄断性电力系统的频率应稳定且精确，输电线路易发生故由于输电环节存在自然垄断现象,通过竞争方障并且会对电力潮流形成干扰等。但是电力系统的式提 供输电服务是不经济的。规模经济性决定了由安全也是一种共用商品，它很难通过市场分散决策单个企业提供输电服务时成本将会更低，因此输电来保证。如果供需不匹配则将造成频率的不稳定，环节还会维持垄断经营不变。但是垄断会损害市场当总供电量大于需求时频率偏高，当总供电量小于效率，主要体现在:①微观经济学已证明，完全垄需求时频率偏低。频率的比较应当是在全网范围内断市场不能实现社会福利最大化，输电企业会以牺进行的，因为只有当所有的发电机都同步时频率才牲输电用户的利益为代价赚取超额利润;②输电开会统一，而不可能出现一一个地区频率高而另-个地放程度会影响最终的市场交易结果，交叉补贴会导区频率低的现象。单个系统调度交易机构无法保障致不公平竞争，最严重的情况是拒绝为输电用户提系统的频率稳定，因为系统还受到联网影响。虽然供接网与网络使用服务，这些都会降低市场效率;所有的系统调度交易机构都需要平衡其流出电量③当某一市场范围内只存在1个企业时，它完全没和流入电量，但只有他们都提供这样的平衡服务时有竞争压力，因而很难期望它会主动提高效率、降才能保证全网的频率稳定。低成本或改进服务质量。所以，只能依赖集中优化对可靠性的要求往往具有严格的时间约束，当发(监管)来解决上述问题14.生故障或出现紧急状态时必须在很短的时间内完成调3电力 市场集中优化的范围整。分散决策很难实现这-要求，因为单个市场主体不可能了解很多信息，即使知道了也需要通过较长时3.1集中优化的边界间的协调才能找到解决问题的办法。所以只有进行集在电力市场中，实施集中优化面临的最关键问中优化才是可行的。然而，可靠性要求不能成为实施题是如何确定哪些方面需要集中优化以及集中优非竞争行为的借口，保证系统可靠运营的最终目的是化与分散决策的分界点在哪里，如果不能很好地解为了提供有效的市场竞争平台，进而提高经济效率。决该问题，市场势必向计划控制方向发展，并重新2.3电力 市场存在计量结算与控制手段约束回到市场化改革的起点"5。由于电力市场受到技术条件的限制，如果在有些电力市场的集中优化内容可能包括现货市场方面进行分散决策将意味着很大的交易费用,这种技与输电权交易的集中协调、辅助服务的集中购买、术约束主要表现在:①缺乏对用户用电的实时计量与市场力控制及资源稀缺定价、团性决策以及输电监结算;②缺乏对特定用户潮流的实时控制。技术约束管。市场交易通过集中协调能够更快地到达最优均并不意味着该项技术没有实现，它还可以表示现阶段衡点单要求。辅助服务购运用该项技术的成本较高，很可能导致交易费用明显买包TH中国煤化工.价进行交易的辅助上升，使可能的成本上涨大于由此带来的效益。服务C NMH G目前无法通过市场对于用电量非常大的用户来说，安装实时计量进行交易的辅助服务。在第1种情况下，系统交易.第30卷第20期电网技术_69调度中心仅做出需求决策;而在第2种情况下，它用之间达到平衡，例如为了保证系统安全，发电量同时还要进行供需量及补偿决策。市场力控制及资与负荷需要每时每刻都保持平衡，如果采用分散交源稀缺定价问题产生的原因是用户缺乏需求响应，易的办法是很难确定协调量的。市场中可能有多种且在目前的技术条件下无法很好地控制用户用电，交易类型，如点对点双边交易、直接通过现货市场它所涉及的因素包括市场力、资源稀缺定价以及系购电等，为了发现市场均衡价格，可能需要进行多统的可靠性要求，这三者是紧密相关的，联系它们次反复协调，即使存在微小的不平衡也可能需要花的纽带是电能价格上限，因此需要通过集中决策及费很长时间才能达到稳定,这在无形中会使交易费用综合考虑才能使市场实现长期均衡。团性决策是为急剧增加，同时也增加了交易的不确定性。为了以较了寻找一种纳什均衡，因为其成本具有团性特征，经济的方式实现发电量与负荷的平衡，需要将这一-职如机组组合、检修计划安排与长期投资等问题是很责赋予系统调度交易机构，由它通过集中的现货市场难找到最优解的,往往只能找到一种纳什均衡(即次进行平衡，并据此制定各市场成员必须遵守的调度计优解)。由于次优解可能有很多,因此需要通过集中划。这样只需要经过1~2次反复即可实现市场均衡，同时又保证了系统安全不受侵害。通过数学推导可决策来确定最接近均衡的次优解。输电监管不是对所有的输电业务均进行监管，知，在不考虑交易费用的前提下，集中优化实现的均在某些环境下，竞争机制是可以取代监管而发挥作衡就是竞争市场的均衡，此时社会总剩余最大”5。集用的。输电监管首先应明确如何划定竞争性输电业中管理的现货市场作用是相当明显的,因为电力市场务与受管制输电业务的界限，对于受管制的输电业中双边交易占了非常大的比例，需要平衡的只是一小务，既要保证它能够回收成本，又要促进其提高运部分电量，但正是这部分电量难以通过分散交易进行营效率。在上.述问题中，集中协调以及团性决策对平衡。通过集中协调，既能够体现出竞争性市场的交现货与输电权交易的干预程度最轻，它们只是对市易均衡，又可减少采用分散手段所带来的交易费用，场成员的经济决策进行一-定程度的协调，协助他们因此是一一种非常经济的运行方式。当计及输电线路的安全约束时，集中协调显得发现最优并在系统安全所允许的时间内达到最优。尤其重要，这是因为受并行潮流的影响，电能的注辅助服务问题涉及到具体的决策,但是它所涉及的入及流出量与输电线路上的潮流关系很复杂，如果范围有限，因此干预程度为中等;集中干预最严重不通过集中方式予以解决，几乎不可能在实时交易的是市场力控制及资源稀缺而引起的电价和输电前完成。这不仅会增加交易费用，更严重的是会危监管，这是因为它们涉及的问题较多，并且是导致害系统的稳定运行，由此造成的损失难以估量。在电力市场失灵的主要因素。集中优化是为了促进分散决策而不是取代分散大多数市场中，电能与输电的协调实际上是通过安全约束经济调度程序来完成的，这可以更好地抑制决策。不能错误地认为市场失灵就是市场不能实现集交易费用。如果电能与输电分开协调将在无形之中中优化的要求，进而否定市场，这是混淆了市场、分增加协调的工作量，且很容易因为2者之间的不匹散决策与集中优化之间的关系。分散决策的失灵不代配而造成多次反复。将2者结合后可以一次性解决表市场的失灵，因为市场机制是由分散决策与集中优2个问题，因此大大降低了工作时间与费用。另外，化共同组成的。在产权制度建立后，如何划分集中优电能与输电交易综合进行能够提供一致的价格， 从化与分散决策的范围是非常重要的。该问题可能会永而最大程度地减少外部性并实现资源的优化配置。远存在并-直被争论下去，最终将回归到道德判断另外，还应当注意到集中式现货市场所带来的上。应当尽可能地保持经济活动中的权责对应性与程其他好处。在集中的市场中，竞争程度更加激烈，序公正性,这将有助于人们在具体环境下划分集中优由于电力商品基本是同质的，所以市场成员的供求化与分散决策的范围，避免传统体制的失误。信息能够很集中地通过报价显示出来。因此现货市3.2 集中优化的具体对象场能够非常有效地降低信息不对称性，减少交易双3.2.1协调的现货 市场方由中国煤化工市场与双边交易等3.2.1.1短期电能交 易协调形式YHCNMHG成员能够方便地对现货市场一般由系统调度交易机构负责运营，它们进行比较与选择，这进一步拓宽 了竞争范围并集中式的现货市场能有效地在系统安全与交易费提供了更多信息，促进了市场成员履行合同的意向70朱治中等:电力市场的集中优化Vol. 30 No.20并减少了合约成本，从而提高了市场效率。失。但总的来说，解决集中购买决策所导致的市场3.2.1.2输电权的协调分配力问题比实现实时的需求侧响应或进行用户控制除了电能现货交易之外，系统调度交易机构通更经济。常还负责输电权的协调"6。输电权指的是对输电线3.2.3辅 助服务路的使用权，它是一项长期权利，需要通过集中方为了保证系统的安全运行，系统调度交易机构需式来安排。此后如果要实现输电权的流通，还需要要提供或购买某些辅助服务支持。由于电力系统的复在短期内经过集中式的二级拍卖，这与电能交易不杂性，这些辅助服务往往与电能服务存在密切的耦合同，因为电能购买协调只是-一个短期协调。无论是关系，如对于发电商来说，它能够同时生产无功与有点对点输电权还是关口权，通常会将某条线路的容功，但是无功的增加意味着有功的减少，并且它们之量分配给-组使用者。由于受并行潮流的影响，线间还不是线性关系。在电能市场上发电商的有功报价路的容量与这组输电权之间的联系是非常复杂的，是一条价格-电能曲线，在不同的范围内，有功与无功如果通过分散的双边协商进行协调，工作量将会非的转换关系不- -样，因而要得到协调-致的有功无常庞大，即使对于输电权没有时间约束，这在经济功报价曲线近乎不可能。即使能够做到，由于无功相上也是不划算的。而且输电权交易发生的次数是相当低廉，无功报价所能实现的收益也会非常少，这是当多的，如果每次交易都能节约- -定程度的交易费因为安装复杂的计量设备将消耗很大- -笔费用I9。对用，那么常年积累下来数目也很可观。.另外，为了促进对输电系统的充分利用，系统其他辅助服务也可以做类似分析，且结论是相同的。调度交易机构通常还会集中发布与之有关的大量因此，在通常的系统运行中，除了运行备用等信息，尤其是针对约束线路，这有助于克服电网垄有限的辅助服务能竞价外，--般都是由系统调度交断的弊端，增加信息透明度，从而为市场成员使用易机构进行综合优化与购买，然后以附加费的形式向用户收取。线路提供方便。3.2.2市场力 问题3.2.4团性决策在一般商品市场中，用户可以适时地对价格做出文献[20]对团性进行了解释，它指的是生产要.反应以调整自身的需求,或者供应方可依据用户的报素的不可分割性。该问题的存在导致了电力市场很价确定成交量，以实现利润最大化。但是，在电力市难找到一个简单明了的均衡点，这表现在机组组合场中用户的电力需求是- -个连续不断的流量,并且在与输电投资2方面，如由于机组有启停成本与空载一天之内会发生剧烈波动，这意味着实时电价会随时成本，未来的负荷需求又是不完全可知的，因而机变化。如果让全部电力用户都能直接看到变动的电组组合可能不只一种。如果缺乏统- -协调，发电商价，电力需求侧响应将会发生，这将抑制市场力的发将很难自己决定机组的开停，若机组开停无序则费用将急剧增加，并将危害系统安全。对于输电投资生。如果让电力供求双方签订合同并在实时运行时严也是如此，输电线路的容量不应是无限的，它也有格执行，也可以有效地减小市场力。但是，无论要做一个经济点，在该点投资的边际成本恰好等于减少到以上哪- -点都是非常困难的，即使能够做到，交阻塞的收益。但是，由于输电线路的容量不是连续易费用也将远远超过由此带来的收益。正因为如此,的，因而恰好能实现这样的投资的可能性较小。为在平衡市场.上需要由系统调度交易机构代替用户做了实现最经济的投资，需要对输电线路的投资与拍出购买决策，以确定最终的成交价格15.17-1]。卖所得的输电权收入进行综合计算，而输电权拍卖要让所有用户看到平衡市场的价格或让系统一般是由系统调度交易机构来协调的，所以输电线调度交易机构控制用户的用电量，则需要安装非常路的投资也需要由它来协调实现。强大的计量、通信与控制系统。在现有技术条件下，3.2.5输电监管上述要求不是难以实现就是成本过高。集中购买可输电监管分为2大类:①经济监管,其主要内容能引发市场力问题，因为在缺乏需求侧响应的情况包括输电准入、输电价格、系统扩展与服务质量;②下，发电商很容易故意报高价，从而获取不正当收社会中国煤化工建康与安全。随着电益，通过采取适当的措施有可能减轻这一后果的严力市YHC N M H C齐监管向社会监管的重性。同时，在集中决策时将设置价格.上限，有些过渡。经济监管应保证输电企业不会滥用垄断权利而用户的需求可能没有得到完全满足，这也会造成损向用户收取过高的费用或实施服务歧视，同时还应避第30卷 第20期电网技术71免在不同的用户间形成交叉补贴(即外部性)。输电扩[6] 王承民， 袁智强，侯志俭.电力市场的均衡与失灵问题探讨[].电网技术，2004, 28(13); 65-69.展的实现既有赖于良好协调机制的建立，同时也要保Wang Chengmin, Yuan Zhiqiang, Hou hijian. 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Power System Technology, 2003, 27(10); 1-4in分。集中优化与市场机制不是对立的。在电力市场Chinse).{10] Samuelson P, Nordhaus W. Economics(Sixteenth Edition)[M].中，由于存在网络相互作用、可靠性与计量结算技术Beijing: China Machine Press 1998.约束以及输电环节的自然垄断性，因此比其他商品市[I] Hogan w. Scessful market design ("SMD") and filure diagnosis:场更应注重发挥集中优化的作用。blackouts and lampposts in regulating elecricity markets[R].Cambridge: Harvard University, 2003.电力市场集中优化按照千预程度的不同可以[12] Hogan W w. Contract networks for eletric power tansmission:分为3类，即以现货市场为代表的集中协调，以辅technical reference[R]. Cambridge: Harvard University, 1992.[13] Stoft s. Power system economics[M]. New York: John Wiley&Sons,助服务为代表的集中购买决策和以市场力问题为Inc, 2003.代表的集中干预。集中优化不是市场失灵的借口，[14] Woolf F. Global transmissio expansion: recipes for sccess[M].更不能因此而否定市场。在电力市场中，关键的问New York: PennWell Corporation, 2003.[15] Hogan w. Electricity restructuring: overcoming market failures题是在集中优化与分散决策间划定界限，并明确集without overturning marketsR]. Cambridge: Harvard University,中优化是为了更好地进行分散决策这一点。2004.[16] Hogan w W. 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