電力市場中電價與能源

1、電力市場中電價與能源及環(huán)境保護的研究1 引言要從傳統(tǒng)的計劃經濟體制下的國家壟斷模式過渡到電力市場，實行公平、公正、公開、有序的競爭，電價是關鍵。計劃經濟體制下的“成本加”的定價方法必將受到革新， 取而代之的是“市場電價”。 電價是電力市場的杠桿，可以說，沒有一整套的從上網、轉供、直至銷售的合理競價理論與方法， 或者政府對電價沒有完善的市場規(guī)范、 控制模式和監(jiān)控系統(tǒng)， 電力市場就會夭折。 因此研究、 制定完整的電價理論與方法體系，是我國急待迫切解決的需運用電力系統(tǒng)、管理科學、宏觀經濟、模糊優(yōu)化、 資源環(huán)境、 人工智能等多學科、 多行業(yè)交叉理論， 對我國人口、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展， 對電力市場中

2、政府行為與企業(yè)的行為進行研究， 以促進社會發(fā)展的重大應用基礎研究課題。 本文作者通過承擔電力市場重大科研課題所進行的實際研究， 構造了確立發(fā)電側電力市場的上網電價最大熵技術的日有功優(yōu)化調度模型、 創(chuàng)立了政府對電價的控制模式和環(huán)保指標量化為上網電價排序模型， 并對實時電價的確立與能源及環(huán)境保護的理論提出了獨特的見解。2 研究的內容與模式的建立2.1 上網電價的定價模式在當前結構性缺電的情況下，主要對發(fā)電側電力市場的上網電價進 行研究、建模，然后，再過渡到供給充足的零售市場的上網電價競價。 可采用模糊控制遺傳算法（FCGA）、最大嫡技術、智能工程等理論和方法， 根據我國現有的發(fā)電企業(yè)或發(fā)電機組的所

3、有權結構和還本付息的周期、 利息等不同，在考慮電量成本（邊際成本）最小的同時，兼顧考慮各廠、 各機組的發(fā)電容量成本。 既使發(fā)電容量總成本最小， 又使發(fā)電企業(yè)有還 本付息和再生產的能力。 本文作者通過實際研究，提出了電力系統(tǒng)日有 功調度的最大嫡技術尋優(yōu)法。2.1.1 最大嫡技術“嫡”是信息論中最重要的基本概念， 它表示從一組不確定事物中 提供信息量的多少。在多目標決策中，最大嫡技術是一種十分有效的方 法，其基本原理如下：設Pj為狀態(tài)j的發(fā)生概率（1 <j <n）, gj為常數： If 尸” Ri* & H 1（。冬J = 1則嫡的定義為*H - - y , />； In

4、f p,舟） 戶i嫡函數是連續(xù)的、可微的凸函數。考慮一個多目標問題max y = f1(x) , f2(x),，fk(x)s.t. hi(x) <0(1 <i <m)xG Rm,yG Rk其決策空間X= x | hi(x) <0,1 <i <nj ,目標空間Y= y | y = f1(x),，fk(x) , xGX。在目標空間Y中，決策者給定一個目 標點g = (g1,g2,gk),其中gj為已知常數(j =1, 2,，k)。構造問題min D ，口2出) 產1% 力(工)<01 WJ支出這里 Dj 是距離函數，有 Dj(Z ' j,gj)&l

5、t;Dj(Zj , gj)(Zj<Z ' j<gj)或 Dj(Z ' j,gj)>Dj(Zj,gj)(Zj>Z ' j>gj)。把嫡函數作為距離函數，根據定義，我們希望得到一個解y*,它距離已知目標點g = e1(y01, y02,，y0k)在嫡的意義下最近?？?以證明，當嫡函數達到它的無約束最小，有 y*j =e-1y0j(1 wjwk)。 則問題可以改寫為min D hlZ"郵 j-L兇，4一 _瓜濫)40 <1Cj4/Zi/a )0 r 1 二;卓 w 川 )其線性型式為mm D =上4 h/Zj 飛切)采用K-T法求

6、解hl/11tg+ I + rij =()-a門十?？冢患皁4 3 £ 0IX二力.TjC _ t Yj 4 J «, ) (J“Z - c )= Ufl -( AX - 0X、cf、卡 )0I W j £ 人 t W 1 W 股式中 a i表示系數矩陣A的第i歹U； aj表示對應于目標函數約束的對偶變量矢量；B表示對應于約束條件 AXCb的對偶變量矢量；C表示目標函數的系數矩陣（kxm）; cj是矩陣C的第j行；ci是矩陣C的第i歹I。2.1.2日有功優(yōu)化調度的最大嫡技術尋優(yōu)法模型mil l 2£即屬)卬吉+ 1-1 -1的一 IT1-1)(2)min

7、 D = Z1 ln(Z1/y01) + Z2 ln(Z2/y02)氧t.一一甲用十e=-l £ = 1國。)式口 - 1心7)«=i ;= I=r%加(6)(13)略。式(1)的第1項為發(fā)電容量成本，第2項為啟動費用，上標t表示 一天中相應的時段序號；下標i為發(fā)電機組序號；n為發(fā)電機組數目； r為停機小時數；T為一天內的時段數，根據運行調度的要求可分為 24段、48段、96段或288段；式(2)中的Eti為機組i在時段t的上 網電量邊際成本；Pti為機組i在時段t的有功功率變量；Uti為0或 1的變量，表示機組的啟停狀態(tài)。(6)(13)式的約束條件分別為有功功率平衡約束、

8、旋轉備用約束、機組容量約束、水庫水位約束、政府限制電價約束、環(huán)保條件約束、機 組起停約束和用戶功率響應速度約束等。根據式(1)(13)的最優(yōu)經濟運行方式，本文作者結合各類機組的 容量電價和各機組的電量電價， 從而排定各機組的上網順序和確定建售 電價。容量電價(CE)采用分類標準容量電價模式，對不同電能質量的電廠(機組)分類別(如基荷、腰荷、峰荷，按其在電網中的作用確定其分類)支付容量電價， 同類機組容量電價水平相同。 并且對參與上網的機組確定年計劃發(fā)電量數，按年、季、月、周進行分解，由電廠與購電代理機構簽訂購電合同。 上網調度的發(fā)電機組的年計劃電量數未完成的， 應由購電代理機構 ( 或保險合同

9、簽訂方 ) 予以補償。電量電價(SMP)實行報價排序，電價低的電廠(機組)優(yōu)先上網，達到預測負荷后， 競價上網的最后一臺機組的電量電價作為所有上網機組的結算電量電價，并實行最高報價和最低報價限制。各電廠的躉售電價(pool purchase price) 為容量電價與電量電價之和，即PPP= C斗 SMP(14)某電廠在某一時段的發(fā)電凈收入(NR) 為：NR= QX PmQC< (Pc Pm) Qx Pi(15)式中 Q為上網電量；Pm為結算電量電價(上網電價)；Qc為容量合同電量； Pc 為容量合同電價； Pi 為單位電量成本。高耗少發(fā)， 低耗多發(fā)， 這是電網經濟調度最基本的原則， 也

10、就是說，在電網經濟機組與不經濟機組并存時，讓那些發(fā)電成本高的機組不發(fā)電， 長期處于調峰備用狀態(tài)， 而使發(fā)電成本低的高效大機組多發(fā)電， 帶滿負荷，從全局利益出發(fā)，這是合理的。采用式 (115)的調度方式，有利于將發(fā)電負荷從發(fā)電成本高的電廠( 機組 ) 轉移到發(fā)電成本低的電廠(機組 ) ， 而發(fā)電成本高的電廠因獲得容量補償， 可以還本付息， 且在用電高峰期可被調度上網發(fā)電。 因水電廠電量電價一般均低于火電廠電量電價， 按電價優(yōu)序上網， 即首先保證了水能的充分利用， 從而使資源得到了有效配置，節(jié)約了能源。2.2 實時電價的定價依據2.2.1 實時電價的確定在電力市場條件下， 實時電價是著眼于電力的瞬

11、時供需平衡， 兼顧電力系統(tǒng)的安全運行， 以電力的長期邊際成本結合短期邊際成本為定價依據的一種定價方法， 它利用電力市場供需狀況對電價的影響， 自動反饋調節(jié)用戶負荷， 通過經濟利益激勵用戶配合市場調度員， 共同實現電力負荷在一定時空的最佳分布，從而實現電力商品的社會價值最優(yōu)。就電力的短期供給與需求而言， 在某一時點， 國民收入、 季節(jié)氣候、物價指數、 電力的生產成本等可視為既定， 從而價格成為調節(jié)需求與供給的唯一因素，電力的需求函數和供給函數可表示為Qck D(Pt)(16)Qa S(Pt)(17)式(16) 與式 (17) 的關系可表示如圖 1圖1電力的供給與需求FIg.1 Supply an

12、d demand of electricity power圖1中E為供給與需求的均衡點， 所對應的均衡量為Qe,均衡價格 為Pe。設負荷高峰期時，電力的需求量為QZ此時若沿用傳統(tǒng)的平坦電價，假設為P1,因P1低于均衡價格Pe,且小于電力邊際成本，發(fā)電 企業(yè)在P1價格下只愿意供給電力 Q1,從而出現缺電，缺電負荷為 Q= Q2 Q1。若在傳統(tǒng)的用電計劃管理體制下，電力部門不得不采取拉閘限電的措施，強迫電力的需求與供給保持均衡。而在電力市場條件下，用戶的供電可靠性必須得到保障。 用電需求的減少只能靠電價激勵用戶自 覺地調整，即通過實時電價來實現。采用實時電價，當需求為Q2時，價格應上升為P2, P

13、2大于均衡價格Pe, 一方面可促使發(fā)電企業(yè)為追求 超額利潤而提高出力，另一方面可促使電力用戶（特別是大用戶），為減 少產品的生產成本，而減少高峰時用電、調整生產班次、調整負荷的時 間分布、增大低谷時用電（低谷的實時電價，低于電力的邊際成本），削 峰填谷，提高負荷率。因此，可以說電力需求的大小反應為實時電價的 高低，正是實時電價不同時段的價差在自動調整著電力的供給與需求的 均衡，從而實現資源的有效配置。2.2.2 實時電價的定價依據對電力生產企業(yè)來說，企業(yè)的最佳產量水平，即企業(yè)獲得最大利潤 的條件是邊際收益等于邊際成本，即MR= MC向用戶供電的邊際成本可以定義為：由于需求的微量變化而引起的供電

14、總成本的改變量。如用P表示電價，Q表示電力需求，TR表示總收益，TC表示總成本，則可用 公式表7K為TR= P.Q(18)MCi=鬻=刎聲(19)當P為常數，即當P= Pe時，MC MR= Pe(20)式(20)說明，當市場價格等于邊際成本時，電力企業(yè)的生產效益達到最優(yōu)。同時，用戶獲得電價等于邊際成本的電力，從而社會效益達到最優(yōu)，由此說明電價應按邊際成本制定。應用長期邊際成本確定容量電價已為世界工業(yè)發(fā)達國家的電力企業(yè)廣泛采用。所謂長期邊際成本，即在較長時間內，由于電能需求微小增量所引起的發(fā)供電總成本的改變 量。這是因為電力企業(yè)是資金密集型的行業(yè)，當系統(tǒng)需要根據總成本最小和和限制停電損失風險的目

15、標來確定投資規(guī)模時，需求的增加將要求擴建發(fā)供電設備， 引起容量成本、 電量成本和用戶成本的變動， 即長期邊際成本（long range marginal cost, 簡稱LRMC的變化。而實時電價從嚴格意義上說是“當時發(fā)生”的發(fā)電和輸電費用， 即能精確地反映價格瞬時微小的變化。 而從實際出發(fā)， 人們一般采取半小時或一刻鐘的實時電價， 在半小時或一刻鐘的時間間隔內， 系統(tǒng)的發(fā)電裝機容量一般來不及改變，只有燃料成本、維護費用、網絡損耗等相應改變。因此，實時電價應以電力短期邊際成本（short range marginal cost, 簡稱 SRMC）作為定價依據。2.3 政府對電價的控制模式根據市

16、場結構分析，構成完全競爭市場的重要條件是產品是同質的，無差異的。產品有差異，就會出現壟斷，不同電廠由于其裝機容量和所處電網的結構位置不同， 對電網的安全、 可靠供電影響不一樣， 電能質量不一樣，即電力產品存在差異。并且，電力工業(yè)是投資大、成本高、 資本密集型行業(yè)， 電力生產的供給主要是由為數不多的大、 中型發(fā)電企業(yè)所承擔， 雖然實行競價上網， 但單個企業(yè)對供給價格有較大的影響。 由于電力必須統(tǒng)一調度的特殊性， 在同一電網上， 電力交易的載體供配電網絡不可能由多家經營。 因此， 當前世界所實行的電力市場實際是壟斷競爭的電力市場，既有壟斷又有競爭（詳見參考文獻3 第二 章） 。由于電力已成為工農業(yè)

17、生產和人民生活不可替代的二次能源，因此電價與國計民生息息相關， 一方面， 電價應保證電力企業(yè)和投資者的合理收益，達到一定的盈利水平，以保障電力企業(yè)能擴大再生產、自我發(fā)展；另一方面，要防止具有壟斷性質的電力企業(yè)任意抬高電價，獲取過多超額利潤，從而損害廣大消費者的利益， 給國民經濟健康發(fā)展和國 家的安定團結造成影響。因此，在計劃管理體制下，國家要對電價實行 管制；在市場經濟條件下，國家必須對電價實行控制。 控制電價的原則 是以電力成本計算為基準。若取系統(tǒng)內各發(fā)電企業(yè)的平均電力生產的長期邊際成本LRMC乍為電力市場的均衡價格 Pe,根據式(19),則實時電價P可表示為：尸=<匕J.等口 (Q

18、< Q.)(21)式(21)中 Qe為P= Pe時的均衡負荷，AQ為相對于均衡負荷的改變率， 實時電價控制線Pt與邊際成本曲線MC需求曲線D的關系如圖2所示。訃保 必 fl MV圖2實時電價的控制FIg.2 Control of Real time pricing of electricity圖2中，實時電價應按Pt線右下方MCft線定價，不能超越Pt控制線，Pt控制線的斜率取決于dP/dQ的大小，即反應了需求的價格彈性。 dP/dQ 的大小可根據國家不同時期的能源、電價政策、國民收入、物價指數等予以確定，Pt線與MCft線相交于A和E兩點。當Qe<Q<QA時，實時控制電價

19、Pt大于邊際成本 MC當Q<QB寸，Pt小于MC這有利于促使電力用戶自動調整電力負荷， 削峰填谷， 并促使發(fā)電企業(yè)增大出力，減少旋轉備用。當 Q>QA寸，Pt小于MC這有利于穩(wěn)定電價，促使電力企業(yè)挖潛降耗。也就是說，當Q>QA按邊際成本（含缺電損失）確定的 P 過大時，電價控制部門要進行限價，即強迫發(fā)供電企業(yè)按Pt控制線報價上網。 當然， 在電力市場條件下， 強迫不能以行政手段執(zhí)行，只能通過與發(fā)電企業(yè)的經濟合同予以實現。當 Q<Q的，Pt的上網價過低， 會使發(fā)電企業(yè)遭受損失， 這可由經濟調度予以彌補， 或由經濟合同予以補償。此外，E點的選擇，即Qe的選擇，既可由LRMC

20、1定，也可按不同季節(jié)、月份選取歷史年中有代表性的時點予以修正確定。2.4 環(huán)保指標量化為上網電價的排序模式對環(huán)境的保護關系到人類的健康、 生存與發(fā)展。 我們一方面要多發(fā)電， 保證工農業(yè)生產、 人民生活所需和社會發(fā)展進步的需要， 另一方面要少污染或者不污染環(huán)境， 僅靠上網電價的定價模式中的環(huán)保條件約束（ 即對污染超標的電廠或（ 機組 ） 不允許上網） 是不夠的， 還必須把環(huán)保指標量化， 使那些對環(huán)保設施投資大， 環(huán)保措施得力的企業(yè)獲得利益。 這樣， 才能激發(fā)眾多的電廠為凈化環(huán)境而努力。 如果將電廠煙囪空氣凈化指標達標度為 1，灰渣液排入江河潔凈達標度為 1，核電廠核幅射率達標度為 1，則創(chuàng)立考慮環(huán)保指標后的上網某機組的報價的公式為：P i = P ie + (1