云南電力現貨市場建設的關鍵問題探究

黃潤，戴曉娟，賴曉文，李秀峰，蔣燕，高道春，黃偉，吳洋

（1.云南電力調度控制中心，昆明 650051；2.北京清能互聯科技有限公司，北京 100080）

0 前言

當前南方（以廣東起步）電力現貨市場試點已經發布了現貨市場相關規則的征求意見稿[1-4]，但該規則僅考慮了廣東省內情況，難以兼容云南省的實際情況。

不同于廣東省，云南省是清潔能源和西電東送的送出基地，截至2018年底，以水電為主的清潔能源裝機容量占比高達84%，網絡運行特性呈現電力供應“枯期緊張，汛期富余”、清潔能源消納形勢嚴峻、火電發電形勢嚴峻、調控運行難度大等諸多問題，現階段所形成的“中長期交易為主，日前短期交易為補充”的市場模式無法很好解決相關問題，亟需開展能有效解決以上問題的云南電力現貨市場建設。

國內外學者針對電力市場現貨市場設計的發展經驗、一般準則、通用技術細則進行了較為深入的研究，文獻[5-6]總結了國外電力現貨市場及區域電力市場的建設經驗，提出了完整的電力市場體系設計方式；文獻[7-10]分別對電力現貨市場建設中的普遍性的關鍵問題、技術支持系統的建設方案、南方區域電力現貨市場的建設路徑和模式進行了研究；文獻[10-12]分別研究了電力現貨市場的分段出清、靈活塊出清以及電能與備用聯合出清的模型設計問題。上述研究，考慮的均是一般情況下的現貨市場建設問題，未針對云南的實際情況進行探索。而有關云南電力市場的相關研究中，集中于電力中長期市場的設計與分析[13-16]，為開展云南電力現貨市場研究奠定了基礎。

本文首先分析了云南電力現貨市場建設的五大問題，并對應分析和設計了適應云南實際情況的計劃與市場的銜接方式、以水電為主的電力現貨市場競價機制、中長期市場與現貨市場銜接機制、水電出清模型，為云南電力現貨市場的建設提供參考。

1 云南電力現貨市場建設的關鍵問題

根據《南方區域電力現貨市場建設工作方案》，云南省電力現貨市場的建設框架應與廣東省電力現貨市場一致，但由于云南省與廣東省在裝機結構、負荷情況差異、中長期市場模式有較大差異，基于集中型電力現貨市場框架設計時，需要考慮以下4個關鍵問題：

1.1 計劃與市場如何銜接

我國目前采用“計劃+市場”的電量機制，計劃電量部分由調度機構滾動分解，執行政府批復的上網電價。隨著發用電計劃的放開及電力現貨市場的建設，如何在現行模式的基礎上，明確現貨市場交易組織和結算過程中計劃電量與市場的銜接方式成為亟待解決的問題。

1.2 以水電為主要電源的現貨市場如何競價

云南電力裝機以水電為主（截至2019年12月底，水電機組裝機容量占比為71.3%），在汛期僅有少數保電網安全、供熱等的火電機組運行，且還會出現棄水的情況；在枯水期，水電出力無法滿足電網負荷，需火電機組開機滿足電力供應缺口。而火電與水電在邊際成本上差異較大（水電邊際成本接近于0，火電邊際成本接近0.15元/kWh），在云南中長期電力市場中，為了補償火電發電邊際成本，在非汛期（1-6月，11-12月）對火電機組進行了調節電價補貼。在現貨市場競價中亦需解決水電與火電同臺競價的問題，即價差較大的水電與火電是否需要在同一現貨市場平臺競價；在保證清潔能源優先消納，在避免火電拉高市場出清邊際電價（讓水電搭便車）的前提下，如何讓水火在同一現貨市場平臺競價；火電若不參與現貨市場競價，那么火電參與中長期交易，形成的中長期合約是否需要在現貨市場物理交割。以水電為主電源的現貨市場如何競價成為亟待解決的問題。

1.3 中長期市場與現貨市場如何銜接

當前云南電力市場本質上為中長期市場，中長期交易完成之后，中長期合約需分解到曲線，并在現貨市場進行交割。在設計電力現貨市場時，中長期交易合約曲線如何分解、中長期合約在現貨市場如何交割、結算等兩個市場銜接的問題成為云南現貨市場建設亟待解決的問題。

1.4 水電出清如何建模

廣東電力市場相關規則對集中式電力現貨市場的建模進行了較為完整的設計，但考慮到云南省以水電為主的裝機結構與廣東省火電為主的結構差異較大，在國家大力發展清潔能源、促進清潔能源有效消納的政策環境下，如何合理處理水電出清建模成為亟待解決的問題。

2 計劃與市場銜接方式

根據計劃電量與市場的耦合方式，銜接方式可以分為計劃與市場解耦、計劃與市場耦合兩類。

計劃電量與市場電量解耦，指在交易結算環節，非市場用戶用電量與優先電量、市場用戶用電量與發電側市場電量一一對應。

計劃電量與市場電量不解耦，指交易結算環節，非市場用戶用電量與優先電量、市場用戶用電量與發電側市場電量可以不一一對應，計劃和市場間存在電量的交互流動。

當前云南將西電東送框架協議內電量作為優先電量分配給電廠（包括優先電廠和市場化電廠），框架協議外市場電量采用市場方式分配給市場化電廠。現階段云南的實際情況為部分負荷高峰時段，優先電廠發電量會大于非市場用戶電量（省內非市場用戶和分配給優先電廠的西電東送框架協議內電量），即市場化電廠的發電量小于市場化用戶的用電需求（省內市場用戶和西電東送實際電量扣除分配給優先電廠的框架協議內合約外的電量），不滿足計劃與市場解耦模式的運行條件。在這種情況下，可采用兩種方案：

1）放開發電側，允許部分優先電廠進入市場交易，擴大市場化電廠數量和規模，滿足市場化電廠的發電量大于市場化用戶的用電需求（省內市場用戶和西電東送實際電量除框架協議內合約外的電量）的條件，然后采用計劃與市場解耦模式。

2）采用計劃與市場不解耦的模式，但在現貨市場開展時，電網公司需設立一個平衡賬戶。

考慮到在短期內建立電網公司的平衡賬戶對電網公司的財務運營、賬戶資金平衡等具有一定難度，方案（1）更符合實際情況。

優先電量本質上可視為電網企業為保障非市場用戶的用電需求，與發電企業簽訂的雙邊合約。優先電量的主要目的是：一、保障優先發電計劃；二、保障非市場用戶的用電需求與價格穩定；三、保障電網安全與平衡利益格局。因此建議：

a．給優先電廠（類似廣東的A類機組）分配物理執行的優先電量（基數電量），全年滾動執行。

b．將市場化電廠（類似廣東的B類機組）的優先電量轉變為差價合同，并建立市場化電廠優先電量合同與非市場實際用電需求的聯動機制（類似廣東以用定發的結算方式），從而保障非市場用電需求的結算平衡和價格穩定。

在發電側，建議優先電量按照系統負荷曲線（全網標準的一條曲線）分解到每日，作為優先電量合約轉讓的參考。事后根據非市場用戶每個時段的實際用電量、優先電廠發電量和市場化電廠優先電量的分配比例來計算市場化電廠實際應結算的優先電量。

圖1 計劃與市場電量協調方式

3 水電為主電源的現貨市場競價機制

現貨市場的競價機制可以分為發電側和用戶側兩部分。

3.1 發電側競價模式

在發電側現貨市場中有三種競價模式可以選擇：

3.1.1 火電參與現貨市場競價

不分枯水期和豐水期，全年采用水火同臺競價機制，但在出清過程中盡可能保障水電、風、光等清潔能源的優先消納。在日前現貨市場中采用兩輪出清機制。具體機制如下：

表1 兩輪出清機制表

為避免火電出清時拉高邊際電價，水電搭便車的情況，可設置水電出清的價格帽，當水電出清的價格高于價格帽時，則按價格帽結算。價格帽根據水電成本和市場運營情況設置，可定期調整。

3.1.2 火電不參與現貨市場競價

火電機組不參與現貨市場競價，由調度機構確定其發電計劃，沿用現有中長期交易與補貼機制，其中長期分解曲線作為現貨市場的邊界條件。風電、光伏、無調節能力小水電在日前報量不報價，作為價格接受者，具有調節能力的水電站上報量價曲線，競爭現貨市場發電空間。

枯水期水電機組全額消納，水電機組有報天花板價格的沖動。因此，對參與報價的水電機組枯水期報價最大值求加權價格，得到水電機組枯水期報價加權值，依據水電機組枯水期報價加權值從高到低的順序安排棄水，即枯水期報價越高，豐水期越容易優先棄水。豐水期，水電機組幾乎都申報地板價，難以以水電報價來決定水電出清，可參考枯水期報價來決定棄水順序。

3.1.3 火電參與現貨競價的方式

豐水期，水電、風、光等清潔能源參與現貨市場競價，該時期只有保電網安全、保供熱等火電機組開機運行，其出力曲線由調度機構確定；火電機組沿用現有中長期交易與補貼機制，其中長期分解曲線作為現貨市場的邊界條件。

枯水期，僅火電機組參與現貨市場競價，此時水電、風、光等清潔能源出力由調度結合預測結果確定，其出力曲線作為火電現貨市場出清的邊界條件。水電機組在其上網標桿電價的基礎上，承擔火電現貨出清價與火電標桿價之間價差。

枯水期的優化空間是火電資源，且現貨市場的建設目標為通過市場競爭在盡量大的范圍內優化資源配置，而僅開展清潔能源參與現貨市場競爭的市場模式二無法滿足該目標；而方式三，需要人為設定汛期時間，實際汛期受來水情況和西電東送執行情況影響較大，汛期難以界定，且兩個階段市場、調度機制不同，運營難度大；方式一下，各類型機組可在同一現貨市場平臺競價，且最終保障清潔能源的優先消納，對為清潔能源轉讓發電權的火電給予價差補償，體現市場公平原則，也抑制清潔能源投機報高價。給水電單獨設置價格帽的方式，防止了水火同臺競價，火電拉高市場邊際電價，水電搭便車的情況，同時又能形成反映市場供需關系，引導用戶合理用電的現貨價格信號，故方式一更適合云南省實際情況。

在實際的應用過程中，根據兩輪出清機制原理構建如下出清模型。第一輪出清在各類電源同臺競價模式下，實現系統購電成本最小化，目標函數如式（1）所示：

約束條件除負荷平衡約束、線路有功潮流約束，以及火電、風電、光伏發電相關約束外，還包含無調節能力水電站出力約束、有調節能力水電站庫容上下限約束、有調節能力水電站水庫動態平衡方程、梯級水電站耦合約束等水電相關約束。

第二輪出清在保障清潔能源最大程度消納的情況下，實現系統購電成本最小化，目標函數如式（2）所示：

即將式（1）中的清潔能源機組報價設置為0。MH為清潔能源機組棄電懲罰因子，為清潔能源機組i在時段t的棄電功率。

3.2 用戶側競價模式

建議現貨市場建設初期采用單邊競價模式（發電側申報量價，用電側報量不報價），等后期條件成熟后適時考慮采用雙邊競價模式（發用電側都申報量價）進行日前市場的競價。理由如下：

1）市場用戶可充分參與中長期交易階段的競爭，并可在日前市場開市前通過多種形式簽訂雙邊交易或用電合約轉讓合同，因此，市場用戶可提前交易絕大部分電量，已經充分享受到了降價紅利，現貨市場在平均意義上并不產生新的交易量。

2）在日前階段，市場用戶根據市場價格改變用電行為的價格彈性較小，在日前市場中申報用電曲線已能基本滿足市場用戶的交易需求。

3）日前現貨市場所產生的價格信號，能夠對市場主體簽訂中長期雙邊交易合同的價格形成引導，反過來又進一步影響未來現貨市場的價格，也即中長期市場和日前市場的價格是一個動態平衡、逐漸趨同的過程。因此雖然用戶沒有直接在日前市場中報價，但能夠同時影響日前市場和中長期市場的價格。

4）目前部分市場用戶暫不具備每日全電量報價的決策意識與能力，為市場平穩起步、逐步發展，暫不開放用戶側報價，但要通過培訓、宣貫等手段培育用戶進行全電量報價的市場意識和決策技術，待條件成熟后開放用戶側報價。

5）雙邊競價可以培育售電公司，由售電公司開展負荷預測，組織用戶開展需求響應，有利于市場環境下的負荷彈性化發展，加強彈性負荷用電的計劃性。雙邊競價也可為未來開展虛擬報價等金融交易奠定市場基礎。

4 中長期市場與現貨市場的銜接機制

中長期市場與現貨市場的銜接機制具體包括中長期合約在現貨市場的交割方式和中長期合約的分解方法。

4.1 中長期合約在現貨市場的交割方式

中長期合約可以分為物理合約和金融合約兩類。物理合約是以物理交割方式簽訂中長期合約，需要調度部門進行安全校核。金融合約采用金融交割的方式，無需安全校核。交易雙方簽訂的差價合約只具有結算意義，曲線分解可由市場主體自行完成，也可由交易中心按標準曲線分解。該類合約主要作用是幫助市場成員提前確定大部分的交易量并鎖定價格，規避現貨市場價格波動風險。

建議分配給優先電廠的優先電量（包括西電東送框架協議內電量和滿足省內非市場用戶用電需求的電量）沿用現有的調度執行方式，在現貨市場物理執行，優先電廠日前的出力曲線作為現貨市場交易開展的邊界條件，由市場運營機構根據合同電量和確定的原則分解為電力曲線。

對于市場化電廠的合約電量，考慮到云南新能源占比較大的實際情況，由于來水不確定性將導致出力和分解電力曲線有較大偏差 ，物理合約本身的執行得不到保證；金融合約可以避免安全校核帶來的爭議，也有助于擴大市場優化的空間。因此，建議在市場初期給予用戶簽訂“物理合約”和“金融合約”的選擇權利，隨著市場主體成熟，中長期市場逐漸由“物理合約”向“金融合約”過渡。

4.2 中長期合約的分解方法

中長期合約按照分解方式可以分為兩類，一類為市場主體可在一定分解規則下自主分解電力曲線的電量合約，即交易主體可以自行向交易機構提交中長期合同所約定的日發用電曲線；另一類為市場主體不進行自主分解電力曲線的電量合約，即交易主體無法向交易機構提供分解到日的電力曲線，合約只約定了中長期雙方的交易電量，由交易機構按中長期曲線分解規則統一分解到日，形成分時電力曲線，作為中長期合約結算的基準曲線。云南電力現貨市場可選擇由市場主體自行選擇曲線分解方式。

5 水電出清建模問題

水電出清建模的問題具體包括庫容（水電水位）約束的處理方式、棄水電量的建模方式、水電振動區約束的處理方式。

5.1 庫容（水電水位）約束的處理方式

含大規模水電的現貨市場出清模型中，必須包含庫容約束（水電水位）條件。

基于以下假設：1）在日前出清的時段內，水電站的耗水率不變；2）在日前出清的時段內，水電站的水位-蓄水量之間是線性關系，即水庫水面面積不變；3）日前水電站間的遲滯時間，與上級水電站的下泄流量無關。構建庫容約束方式如下：

5.2 棄水電量的建模方式

為了促進可再生能源消納，在市場出清的目標函數中需加入棄水懲罰量，該量通過水電的棄水電量乘以懲罰因子得到。因此需對棄水電量進行建模。

棄水電量定義為：水電站可發電量與實際發電量的差值，其表達式如下。

αi為 0-1變量。

5.3 水電振動區約束的處理方式

在電力市場出清模型中，直接添加振動區約束，會使得出清模型變為混合整數模型，極大增加求解時間和求解難度。通過兩輪出清的方式可以有效解決這個問題。

第一輪不考慮振動區的情況，得到機組出力的初始分配；若初始分配落在可運行區（與振動區相對）內，則第二輪出清中，水電的出力上下限規定為該可運行區上下限，若初始分配落在振動區內，則第二輪出清中，將該水電的出力就近匹配，并將其最小出力固定為振動區上限，或最大出力固定為振動區下限，出力范圍為所對應的運行區。

本方法通過兩輪SCED出清計算的方式得到了適用于日內/實時快速滾動計算的水電簡化方法。該方法有效避開振動區的同時，計算時間較短，具有較高的實際應用價值。

6 結束語

本文對云南電力現貨市場建設的關鍵問題進行了研究，首先概述了當前發展環境下，云南電力現貨市場建設存在的關鍵問題；并結合南方區域統一電力市場框架和云南省實際情況，分別提出了放開發電側，擴大市場規模，采取計劃與市場解耦運行的銜接方式、兩輪出清的以水電為主的電力現貨市場競價機制、可選交割模式與合約分解方式的中長期市場與現貨市場銜接機制、庫容約束處理機制、棄水電量建模方式、振動區約束處理方式等云南電力現貨市場關鍵問題的處理方式，為云南電力現貨市場的建設提供了參考。