美國得州“2.15停電”事件分析及對山東電力市場的啟示

寇 巖，劉宇明，郭 亮

（山東電力交易中心有限公司，山東 濟南 250021）

0 引言

2021 年2 月14 日—17 日，美國得克薩斯州（以下簡稱得州）遭遇了極端嚴寒天氣，地區氣溫最低降至-22 ℃，用電負荷迅速增長。2021 年2 月15 日起，大量發電設施停運，用戶大范圍輪流停電，電力市場價格飆升。事件引起了社會的廣泛關注和國內外專家的激烈探討，討論的焦點主要集中在事件產生的原因和電力市場設計的合理性。

自2015 年《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發〔2015〕9 號）發布以來，山東電力市場快速發展，建立了較為完善的中長期交易市場體系。作為首批現貨市場建設試點單位，山東于2018 年啟動電力現貨市場建設，2020 年11 月完成了現貨市場整月結算試運行，初步建立了“中長期市場+現貨市場+零售市場”的市場體系，但隨著市場規模的不斷擴大和市場環境的發展變化，山東電力市場在市場機制、風險防范、應急機制等諸多方面，都需要借鑒其他市場的經驗、吸取教訓，進一步完善。

通過深入分析得州“2.15 停電”事件的原因，結合山東電力資源稟賦和電力市場發展的實際，總結對山東電力市場建設的啟示。

1 得州“2.15停電”事件基本情況

1.1 事件主要經過

當地時間2021 年2 月14 日起，得州出現罕見的極端嚴寒天氣，負荷創出冬季新高，得州電力可靠性委員（Electric Reliability Council of Texas，ERCOT）通過調度系統監測到輔助服務不足，出現了容量短缺和輸電中斷情況。2月15日，系統備用不斷降低，ERCOT依次發布了一級、二級、三級能源緊急警報（Energy Emergency Alert，EEA），開始啟動輪流停電。截至2月17日，共計2 750萬kW的火電機組和1 700 萬kW 的可再生能源裝機無法并網發電，分別占總裝機的26.1%和16.8%，供電缺口最大約2 900 萬kW，超過450 萬用戶遭遇停電。隨著氣溫逐漸回升，發電能力逐步恢復，2 月19 日上午，電網基本恢復正常運行［1-4］。

1.2 電力市場運行情況

在整個得州“2.15 停電”事件過程中，電力市場運行情況簡要概括為以下4點。

1）市場持續運行，并未出現市場中斷。

2）供應緊張導致現貨市場價格飆升，達到9 000美元/MWh的市場限價。

3）發生了與規則設計初衷不同的異常情況。一是人為切負荷導致供需變化，得州公用事業委員會（Public Utility Commission Of Texas，PUCT）發布緊急行政命令要求ERCOT 將切負荷量累加到實際負荷中，更好地釋放稀缺定價信號，避免了電力供應情況的進一步惡化；二是交易規則中存在發電高峰時段累計凈利潤限制，當燃料價格飆升導致低報價上限（Low Cap，LCAP）異常超越高報價上限（High Cap，HCAP），PUCT要求暫停使用LCAP，繼續將9 000美元/MWh的HCAP。實際運行中，ERCOT 在2 月17 日發電高峰時段累計凈利潤超過了規則設定的閾值［5］。

4）由于本次事件采取了輪流限電，而非用戶主動削減負荷，使得需求響應難以達到理想效果。

2 得州電力系統和電力市場基本情況

2.1 得州電力系統基本情況

得州位于美國南部，基本上屬于溫帶氣候，南部部分地區為亞熱帶氣候。得州電力系統主要為ERCOT 調度區，覆蓋得州75%的地域面積和90%的負荷。得州頁巖氣資源豐富，區域內第一大電源為天然氣發電機組，同時以風電為主的新能源發電裝機占比較高。得州電網與外部地區的互聯薄弱，系統較為獨立。

裝機容量方面，2020 年底ERCOT 調度區內總裝機容量約1.08 億kW，其中天然氣發電機組占比47.45%，新能源發電占比35.32%，煤電12.50%，核電4.73%。發電量方面，2020 年得州天然氣發電量占45.5%，新能源占比25.7%，煤電17.9%、核電10.9%。用電負荷方面，冬季高峰不及夏季高峰，歷史最大負荷為7 482 萬kW，出現在2019 年夏季；最大冬季負荷為6 592 萬kW，出現在2018 年。外部互聯方面，ERCOT 通過5 回直流聯絡線同美國東部電網的西南電力池（Southwest Power Pool，SPP）和墨西哥電網相連，總容量為125萬kW［6-7］。

2.2 得州電力市場主要特點

得州1999 年以立法形式確定開展電力市場化改革，市場主體主要包括發電方、輸電運營商、用電方、零售商/售電方等。得州電力現貨市場包括日前市場和實時市場。日前市場類似一個金融類的服務市場，主要發揮價格的指導作用；實時市場則是把電力市場和電力系統的物理定義相耦合的市場。得州電力市場是單一電能量市場，未建立容量市場［8-11］。在這種市場設計中，電力商品的價值均通過電能量一個維度來體現。電力供求的短期平衡與長期投資，主要通過現貨批發市場的電能量價格傳遞經濟信號。為了在市場中反映備用資源的稀缺價值，ERCOT于2014 年引入實時備用價格增量（Real-time Reserve Price Adders，RTRPA）指標，通過關聯失負荷價值及概率，允許批發電價在系統資源稀缺時段陡升，從而使邊際機組能夠回收固定成本［12-13］。RTRPA 每15 min 計算一次，在安全約束經濟調度后根據運行備用需求曲線計算得到，可表示為

式中：VOLL為失負荷價值；PLM為節點邊際電價；f(R)為失負荷概率函數，R為實時備用值，當R小于最小系統備用要求時，f(R)=1。

為了解決可靠性調度時帶來的價格反轉問題，ERCOT 又引入了可靠性部署價格增量（Real-time Reliability Deployment Price Adders，RTRDPA）指標ARTRDP，以反映有無可靠性機組組合（Reliability Unit Commitment，RUC）或負荷備用時電能量價格的差異，可表示為

式中：λ為RUC 或負荷備用出力為0 時的電能量價格。

RTRPA 和RTRDPA 在ERCOT 全范圍內均只有一個區域統一值。ERCOT 的實時市場未采用電能量和輔助服務聯合出清，實時結算電價（Real-time Settlement Point Price，RTSPP）PRTSP可表示為

以2 月16 日ERCOT 市場實時市場價格為例進一步說明其稀缺定價機制。如圖1 所示，在大面積停電事故發生的情況下，僅包含電能量成本的PLM發生劇烈波動并在部分時段接近零價；大量機組停運導致備用不足，此時RTSPP 還包含了15 min 的RTRPA和RTRDPA，導致最終結算電價基本持續達到最高限價水平。

圖1 2021年2月16日ERCOT實時市場價格

3 得州“2.15停電”事件的原因分析

得州“2.15 停電”事件并非單一原因導致，而是多重因素疊加導致，主要包括以下幾個方面。

3.1 極寒天氣負荷激增

得州2 月份歷史平均氣溫在5～15 ℃之間，此次極端的冬季風暴造成氣溫下降至-22 ℃。得州約60%的家庭取暖方式為電取暖，這使得在持續的寒冷天氣中得州電網負荷激增。2020 年1—2 月最大負荷約5 610 萬kW，而2021 年2 月14 日負荷達到約6 920 萬kW，增長超過1 300 萬kW，增長率超過23%，創出冬季歷史最大負荷［14-16］。

3.2 暴風雪低溫導致發電出力下降

罕見的暴風雪導致大量風力渦輪機凍結。2月14 日上午，得州約一半的風力渦輪機（容量約1 250萬kW）“凍結”，無法提供出力。常規火電同樣因為極寒天氣導致出力不足，事件期間有2 600 萬kW火電離網，主要原因包括天然氣供應不足、天然氣管道損壞、煤堆結冰、河流結冰冷卻水來源受阻等［17-19］。

3.3 電網對外聯絡不足

得州電網相對獨立，對外的聯絡和功率交換不足。得州天然氣、風能和太陽能等能源資源豐富，基本可實現能源自給，得州電網與美國其他電網通過少量直流互聯、聯系薄弱，平均電力交換能力僅約100萬kW，在極端條件下無法獲取足夠的外部支援。

3.4 電力市場設計問題

得州電力市場采用稀缺定價機制，發電商利用系統備用容量不足時段的高電價，進行固定成本回收，而在容量充裕的條件下難以產生高電價，不利于發電商回收容量成本。因此，該機制可能導致能源轉型期電源建設充裕度不足，給市場帶來不確定風險。

4 得州”2.15 停電”對于山東電力市場建設的啟示

4.1 山東電網概況

山東電網以500 kV 為主干網架，2020 年底省內電源總裝機容量約1.2億kW，以煤電為主。從負荷情況來看，近年來高溫和低溫極端天氣條件下負荷屢創新高。2020年，受高溫、悶熱天氣影響，山東電網全網最高用電負荷達到9 022.4 萬kW。山東電網對外聯絡能力強于得州電網，“十三五”以來，山東電網已相繼建成錫盟—濟南、榆橫—濰坊、扎魯特—青州、上海廟—臨沂、山東—河北5 條特高壓輸電通道，實現與寧夏、內蒙古、山西、河北等省區電力互聯互通，構建起“三交三直”跨省區輸電格局。2020年“外電入魯”最大負荷達到2 198.2 萬kW，占全網最大負荷比例接近四分之一［20-21］。

4.2 山東電力市場概況

近年來，山東電力市場規模不斷擴大，2020年電力用戶市場化交易電量1 983億kWh，占山東省全社會用電量的28%。交易品種不斷豐富，現階段在未開展電力現貨交易時，主要以雙邊協商、集中競價、掛牌等方式開展中長期電能量交易，靈活開展發電權交易、合同轉讓交易［22］。

山東電力現貨市場建設試點正在持續深入開展，現貨市場采用全電量競價模式，基于節點電價出清方式確定發電側和用電側現貨電能量市場價格。中長期電能量市場采用雙邊協商、集中競價和掛牌交易等組織方式。電力零售市場由售電公司與電力用戶通過市場化交易形成零售合同［23］。

4.3 山東電力市場建設獲得的啟示

在“2.15 停電”事件中，得州電力市場持續運行，市場機制本身并未失效，ERCOT 對外發布的信息使公眾能夠在第一時間了解事態的發展情況，三級預警機制在一定程度上保障了電網的持續運行。同時，事件所帶來的經驗和教訓，對于電力系統發展和電力市場建設運營都是十分寶貴的。對于山東電力市場來說，建議從以下6個方面進行總結。

4.3.1 需要建立科學的市場容量充裕性保障機制

國際上常用的容量充裕性保障機制主要分3類，分別是容量補償機制、容量市場以及稀缺定價機制。得州市場采用的就是稀缺定價機制，但該機制容易造成實時電價劇烈波動，不適合我國國情。容量市場需要組織者基于未來裝機容量和負荷預測來制定需求曲線，以此為市場主體提供反映供需的容量價格信號，交易周期長達數年。現階段我國電能量市場尚未完善，未來市場機制變化仍有一定不確定性，啟動容量市場條件不成熟。

建議按照先建立完善容量補償機制，條件成熟后探索建立容量市場的順序，健全容量充裕性保障機制。山東電力現貨市場中的容量補償電價執行99.1 元/MWh，基于節點邊際電價的全電量競價策略能夠與中長期交易報價策略相匹配。但對于不同類型、不同容量、不同投運年限的發電機組來說，仍需要更加精確、完善的容量補償機制，防止出現較大的過度補償或補償不足。未來在電能量市場發展成熟后，可參考賓夕法尼亞州-新澤西州-馬里蘭州互聯電網（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）的方案，構建具有需求彈性的容量需求曲線，探索建立容量市場。

4.3.2 優化省間市場與省內市場銜接機制

缺少外部支援是本次得州停電事件的重要原因之一。山東電網對外聯絡能力較強，但在電力市場環境下，需要完善省內與省間市場的銜接機制。省間交易現階段以點對網、網對網為主，應合理簽訂省間中長期交易合同，并通過合同的剛性執行，保障省內能源供應和能源戰略轉型。在緊急情況下，充分發揮電網公司作為購電主體的作用，及時進行增購交易，保障全省電力供應安全［24-25］。

4.3.3 需要提高中長期交易靈活性

從國外成熟電力市場經驗看，一般會建立電力金融衍生品市場，市場主體并通過其套期保值的功能實現價格風險管理，降低現貨市場的價格波動的風險。在美國，從事電力金融產品交易和結算的交易所主要是紐約商業交易所（New York Mercantile Exchange，NYMEX）和洲際交易所（Intercontinental Exchange，ICE）。以PJM 市場為例，NYMEX 共有11種與其相關的期貨或期權類電力金融產品。電力金融產品的交易管理模式提高了電力金融產品的流動性，同時降低了風險和交易成本，為發電商、負荷服務商等電力市場成員提供了強大而靈活的風險規避工具。電力市場價格的波動也吸引了大量投機商參與到電力金融產品的交易中來，并產生了大量的能源金融衍生產品，從而進一步繁榮了美國的金融市場。在歐洲，歐洲能源交易所、中歐電力交易所和北歐地區的NordPool 均為投資者提供不同類型的電力金融合約［26-27］。現階段國內尚未啟動電力金融衍生品市場的建設，但用電側可以通過簽訂電力中長期合同，有效地鎖定大部分用電量的價格，盡可能規避現貨市場的價格波動風險。電力用戶的實際用電量受生產運營、天氣等多種因素影響，可能不斷發生變化，因此需要中長期交易有足夠的靈活性，才能夠保障較高的中長期合同覆蓋率。目前，在現貨市場環境下，山東電力中長期市場中可進行D-3 日（D為運行日）交易，建議進一步提高中長期交易靈活性，為市場主體規避現貨市場的價格風險提供更完善的市場機制。

4.3.4 對電力零售市場的啟示

零售市場應獨立于批發市場單獨設計。批發市場的市場機制考慮電網運行與電力交易的融合，實現社會福利最大化。批發市場交易一方面體現出發電側的發電權替代，效率更高的機組發電替代效率低的機組；另一方面通過價格的波動反映出供需的變化，體現電力的商品屬性。而零售市場與電網運行并無太多直接聯系。

一個完整的電力市場應包含批發市場和零售市場。兩個市場參與主體、運營模式、交易機制、價格形成機制均不相同，運行即相對獨立，又要相互協調、銜接，由于零售市場中沒有發電商，不能獨立構成完整的電能量市場，零售市場建設一般以成熟的批發市場為基礎，兩個市場通過售電公司緊密地聯系在一起。從交易主體來看，售電公司通常作為兩個市場之間的“防火墻”，能夠減少風險在兩個市場之間的直接傳遞。從交易時序來看，零售交易一般先于批發市場交易，這就要求零售市場的交易主體，特別是售電公司形成對批發市場價格的相對穩定預期，才能夠制定價格機制合理的零售套餐，供電力用戶選擇。數量龐大的中小電力用戶通過選擇售電公司的零售套餐，簽訂零售合同，以保持較為穩定的用電價格。同時，售電公司一方面通過代理零售用戶參與批發市場交易，獲取一定利潤；另一方面，其購銷價差可能倒掛，面臨市場風險。

從國外經驗來看，中小電力用戶通常考慮價格相對穩定的零售合約，例如整個得州市場固定價格類和可變價格類（不同月份為不同的固定價）占比達到98%，此類套餐用戶的電費不會受到批發市場價格波動的影響。有一家名為Griddy 的售電公司推出按照現貨市場的價格向終端用戶收取電費的市場費率零售套餐，由于通常情況下現貨市場平均價格低于中長期市場平均價格，約29 000 家電力用戶選擇了這種零售套餐。本次事件期間現貨市場價格飆漲，此類用戶電費大漲，單日電費動輒高達數百美元，給很多用戶的財務狀況帶來了極大困難。從設計上來看，市場費率類套餐更適合于負荷彈性大的電力用戶，可以在高價時段主動響應，減少用電或不用電，而在低價時段多用電，從而降低用電成本［28-31］。

在維護零售市場秩序方面。目前，山東電力零售市場仍存在售電公司與零售用戶間信息不對稱，個別不法售電公司虛假宣傳，甚至違規取得用戶的交易平臺賬號進行操作等問題，需要交易機構配合政府主管部門與監管機構，加強對于零售市場秩序的分析與監測，保障用戶的知情權和選擇權，維護市場秩序。

4.3.5 規范做好市場信息披露

EROCT 的信息披露機制，值得借鑒，針對本次的極寒天氣，ERCOT 的氣象專家事前對市場主體進行提醒，發布運行信息，并公布了應對預案。寒潮到來之后，ERCOT 向市場主體發出了能源緊急警報，之后開始輪流停電。

事后，ERCOT 針對停電事件，于2 月24 日發布第一份官方報告，還原了事件的時間線，介紹了2 月14—19 日各類型發電容量退出情況等；4 月6 日，ERCOT 發布第2 份官方報告，繼續披露其所獲的事件期間發電機組故障數據，并表示8 月份公布更為詳細的事件報告。

日常運行中，ERCOT 還會通過官方網站對外披露豐富的市場信息，包括實時披露市場調度區內日前市場和實時市場價格等［32］。

我國電力市場建設中十分重視信息披露工作，但總的來說在信息披露的及時性、規范性、內容豐富性等方面還需要進一步提升。隨著電力現貨市場建設試點工作的推進，山東電力市場體系和市場機制逐步完善，市場價格受到發電充裕度、發電成本、電網運行情況、負荷變化等多重因素影響，市場主體對市場相關信息的需求十分迫切，需要盡快完善信息披露機制，嚴格按照國家文件要求梳理好公眾信息、公開信息、私有信息，一方面“應披盡披”，另一方面不能過度披露，泄露私有信息。在信息披露形式上建議多借鑒國外成熟市場運營機構的經驗，提升市場主體的服務體驗。

4.3.6 建立科學的市場應急處理機制

ERCOT 在本次事件的應對中，基于能源緊急警報機制按步驟執行應急響應程序，從全系統角度盡量減少了損失。在市場監管方面，2 月15 日，負責監管ERCOT 電力市場的得州公用事業委員會（Public Utility Commission of Texas，PUCT）下發緊急行政指令進行干預，避免因規則漏洞導致電力供應情況的進一步惡化，是十分必要的。從整體上看，得州相關部門在授權允許范圍內嚴格執行了既定的規則、法律，但由此也暴露出另一層面的問題，即規則本身是否合理、機制本身是否完善。

電力除了商品屬性，還具有必需品屬性。預防“百年一遇”極端事件的可靠性部署成本或許是全社會難以承受的，但是制定漸進性、針對性、可行性兼備的應急響應程序則可以做到臨危不亂，減小可控制的損失。在完善應急響應程序的基礎上，山東電力市場需要充分吸取市場化程度較高國家的經驗，發揮我國的政治、經濟體制優勢，研究建立規范、靈活的極端條件下政府干預機制，盡量減小極端事件對民眾、社會的影響，同時也保持市場規則的嚴肅性，促進電力市場的長期可持續的發展。

5 結語

得州“2.15停電”事件是在極端天氣下電力系統遭遇考驗的一次典型事件，而電力市場的規則和運營機制也受到檢驗，個別機制所出現的異常情況通過行政手段進行糾正。此次得州停電事件的經驗和教訓對于山東電力市場建設有重要借鑒意義，在“碳達峰、碳中和”目標背景下，應建立科學的市場容量充裕性保障機制和省間市場與省內市場銜接機制，保障電力供應；不斷提高中長期交易靈活性，健全電力零售市場機制，規范市場信息披露機制，充分滿足市場主體的交易和服務需求；建立科學的市場應急處理機制，防止類似事件的發生。