電力現貨市場下基于福利經濟學原理的阻塞盈余再投資策略研究

周 波，丁 榮，徐 寧，徐 楠

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊 050021)

2017年，國家發展和改革委員會辦公廳和國家能源局綜合司聯合印發《關于開展電力現貨市場建設試點工作的通知》，加快組織推動電力現貨市場建設工作。目前，電力現貨市場建設正在全國快速推進[1-4]。隨著電力現貨市場建設的推進，阻塞盈余分配問題擺在了市場設計者、建設者和電網企業面前。以下采用社會總剩余量化分析方法，提出了一種可實現帕累托改進的阻塞盈余資金使用機制。

1 電力現貨市場下的阻塞盈余

1.1 電力現貨市場

電力現貨市場是現代電力市場體系的重要組成部分，一般由日前市場、日內市場和實時市場三部分組成或部分組成，實現調度運行和市場交易有機銜接[5]。電力現貨市場模式可分為分散式和集中式，這兩種模式主要是中長期合約電量的執行方式不同[6]。兩類市場模式各有其優缺點，也均有成功的市場作為借鑒，比如美國PJM市場就是集中式市場，而英國電力市場則為分散式市場[7]。在我國的現貨市場建設中，允許2種模式并存。

1.2 電力現貨市場的價格機制

電力現貨交易的周期短，網絡約束對交易結果也有影響，因此價格形成機制相對比較復雜。

電力現貨市場價格機制主要有統一邊際電價(SMP)、節點邊際電價(LMP)、分區邊際電價(RMP)3種[8]。這3種價格機制各有其優缺點。

1.3 電力現貨市場中的阻塞盈余

在現貨市場的建設過程中，應因地制宜選擇適合本區域特點的價格機制。尤其是對于存在電網阻塞的地區應根據具體的阻塞情況，盡早建立分區邊際電價或節點邊際電價機制，在SUCU、SCED程序中內嵌節點邊際電價計算功能。

阻塞盈余本質上屬于位于高電價節點(或區域)的電力用戶由于節點電價采用邊際電價成交導致的相對于發電企業的收入之外多支付的電費[9- 11]。

圖1是阻塞盈余產生的簡化示意。圖1中，機組A和機組B均向負荷C供電，由于線路BC傳輸容量的限制，導致負荷C處的節點電價被機組A抬升為0.4元/k Wh，按照節點電價的計費方式，負荷C支付電費40萬元，機組A收入20萬元，機組B收入15萬元，從而產生了5萬元的不平衡項，即阻塞盈余。

圖1 阻塞盈余示意

阻塞盈余來源于用戶，在PJM電力市場，采用對高于系統邊際價格的用戶按阻塞分量的電費比例進行返還的方式返還給電力用戶，此外，還有通過金融輸電權的交易機制向用戶進行返還的方式[12-13]。

將阻塞盈余返還用戶，不能從本質上解決電網阻塞帶來的社會福利降低的問題，因此，提出設立阻塞盈余資金池，投資輸電線路等基礎設施建設，從而消除或降低電網阻塞，實現社會福利最大化的機制。

2 基于福利經濟學原理的阻塞盈余再投資策略理論模型

福利經濟學研究的是社會福利(社會總剩余)的帕累托改進以及社會福利中消費者剩余與生產者剩余的平衡問題，近年來受到了學者們普遍的關注。

在電力市場中，假設該電力市場參與競價上網的發電商共有n個，第i個發電商第二天提供的電量報價函數為Qi=fi(P)。其中Qi為第i個發電商提供的電量;P為發電商申報的電價;fi為第i個發電商提供的報價函數，按照電力現貨市場運行規則，該函數需滿足單調且不遞減(本文按照三段報價開展研究)。假設該電力市場參與競價上網的發電商共有n個，則該電力系統的總電力供給函數為：

電力供給曲線形狀如圖2所示。

圖2 電力系統的電力供給曲線

在電力現貨市場交易中，用戶側參與市場交易，存在報量報價、報量不報價兩種方式。目前在我國試點地區，均采用報量不報價的方式參與市場。

在電力系統不存在阻塞的情況下，供求關系如圖3所示，在均衡電價P0下，供給和需求在A點達到平衡，平衡電量為Q0，三角形BP0A面積代表消費者剩余，階梯型陰影部分面積CP0A代表生產者剩余，兩者之和代表社會總剩余。

圖3 電力系統的供需平衡及社會總剩余(無阻塞)

假設電力系統存在阻塞，且線路約束容量為QC，此時電力系統供求關系如圖4，通過線路輸送的電力受到約束，用戶側成交價格P1高于均衡價格P0，發電商成交價格P2低于均衡價格P0，生產者剩余和消費者剩余均下降，社會總剩余下降為圖中P1MANP2所圍成的多邊形面積。此時阻塞盈余為(P1-P2)×QC，阻塞盈余即長方形面積P1MNP2。將阻塞盈余全部返還用戶后，社會總剩余相比無阻塞情況下依然降低，降低量為圖形MNA所圍成部分的面積。

圖4 電力系統的供需平衡及社會總剩余(有阻塞)

系統發生阻塞導致社會總剩余減少(社會福利降低)，將阻塞盈余全部返還用戶后，社會總剩余相比無阻塞時依然減少。

因此，針對阻塞盈余費用，建議將阻塞盈余費用設立專項資金池，用于電網建設以消除線路阻塞，通過新建輸電線路等措施改善電網網架結構，從而實現帕累托改進，實現社會福利最大化。

3 算例分析

3.1 基礎數據

在測算中，采用簡化的三節點系統為例進行測算，系統示意如圖5所示。

圖5 三節點系統示意

圖5中，區域A為能源中心，建設有大量坑口電站等發電設施，負荷需求中心點位于區域B，負荷中心B附近的區域C建設有自備燃氣輪機機組，無法從區域A獲取足夠電力的情況下使用區域C的自備燃氣輪機進行供電，燃氣輪機發電成本為0.8元/k Wh。負荷中心B的24 h負荷需求見表1。

表1 工業園區B的用電需求 MWh

電力現貨市場采用中長期交易差價結算、日前市場開展全電量集中優化競爭、按照節點電價進行結算的交易模式。

線路A-B傳輸容量限制為600 MW。區域A和區域B距離150 km，兩區域間地形均為平地。

3.2 測算對比

在無阻塞約束的情況下，工業園區B 24 h的電價水平見表2。

表2 24 h節點電價水平(無阻塞) 元/k Wh

則在無阻塞情況下，工業園區B支付的電費：

工業園區B支付的電費為780.420 2萬元/d，節點A的售電收入與園區B支付的電費相同。

在有線路阻塞約束的情況下，工業園區B 24 h的電價水平見表3。

則在有阻塞情況下，工業園區B支付的電費：

有阻塞情況下工業園區B支付的電費為949.15萬元/d。

表3 工業園區B 24 h節點電價水平(有阻塞) 元/kWh

在有線路阻塞約束的情況下，節點A 24 h的電價水平和售電量見表4。

表4 節點A 24 h節點電價水平(有阻塞) 元/kWh

則在有阻塞情況下，節點A收取的電費，經計算，有阻塞情況下節點A收取的電費為687.54萬元/d。

在有線路阻塞約束的情況下，節點C 24 h的電價水平見表5。

表5 節點C 24 h節點電價水平(有阻塞) 元/k Wh

經計算，有阻塞情況下節點C收取的電費為51.608萬元/d。

則該三節點簡化電力系統每日的阻塞盈余資金為：

CB-RA-RC=949.15-687.54-51.61=210萬元/日。

新建輸電線路區域A-B之間距離為150 km，均為平地，新建220kV輸電線路選取2 A建設方案(導線為2×300單回路，直線塔采用酒杯型鐵塔，耐張塔采用干字型鐵塔)，參照國家電網有限公司基建部印發的輸變電工程標準參考價(2020版)，該方案單公里造價96萬元/km(預算價格水平)。新建線路投資為14 400萬元。

3.3 計算結果對比分析

結合上述測算結果，針對消費者剩余、生產者剩余的變化進行測算。

a.阻塞導致區域B消費者剩余變化情況以上午09：00-10：00時間段為例，在無阻塞情況下，區域B節點電價為0.6元/k Wh，存在阻塞的情況下，區域B節點電價為0.8元/k Wh。由阻塞導致的消費者剩余的減少等價于消費者電費支出的增加。

存在阻塞情況下，區域B消費者剩余的變化為780.42-949.15=-168.73萬元/d。

b.阻塞導致區域A生產者剩余變化情況分析以上午09：00-10：00時間段為例，在無阻塞情況下，區域A節點電價為0.61元/kWh，售電量為645.8 MWh，存在阻塞的情況下，區域A節點電價為0.55元/k Wh，售電量為600 MWh。由阻塞導致的生產者剩余的減少為圖6中陰影部分面積。區域A由阻塞帶來的生產者剩余減少為3.66萬元。

圖6 09：00-10：00生產者剩余的減少

則阻塞盈余導致的區域A生產者剩余的變化為-55.23萬元/d。

c.阻塞導致區域C生產者剩余變化情況。區域C生產者剩余無變化(區域C燃氣輪機完全按照成本確定電價，無生產者剩余)。

d.阻塞導致社會總剩余變化情況。則因為阻塞的存在，導致社會總剩余減少168.77+55.23=224萬元/d。

e.阻塞盈余再投資策略下社會總剩余變化。將阻塞盈余資金用于新建輸電線路A-B，所需累計盈余資金天數為14 400÷210=68.57 d，即只需要將69 d的阻塞盈余資金累計到資金池后用于新建輸電線路A-B，即可通過新輸電線路消除阻塞盈余，帶來社會福利增加224萬元/d，實現全社會福利的帕累托改進。

4 結束語

電力現貨市場中阻塞盈余的不同分配方式對社會福利的影響差異很大，簡單將阻塞盈余按照金融輸電權比例等方式返還用戶無法解決阻塞問題，無法實現社會福利最大化。建立阻塞盈余資金池，將阻塞盈余投資電網建設以消除阻塞問題，可以實現帕累托改進，實現全社會福利最大化。

對于阻塞盈余設立的電網建設資金池，必須嚴格專款專用，專門針對產生阻塞的區域或走廊進行電網建設投資以消除阻塞，并嚴格向社會公開阻塞盈余資金池賬目情況及具體投資情況，接受社會監督和政府監管。同時，應當用動態的、長遠的視角看待阻塞盈余分配問題，伴隨著網架結構的逐步完善，阻塞問題會逐漸減少，從而逐步實現全社會福利最大化，實現資源的最優化配置。