服務(wù)南方區(qū)域電力市場建設(shè)的典型市場模式評述：社會(huì)福利視角下的機(jī)理分析及建模測算

尚楠，辜煒德，劉雙全，陳政，冷媛，吳洋，梁梓楊

（1.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院，廣州 510663；2.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650051）

0 引言

推動(dòng)區(qū)域統(tǒng)一電力市場建設(shè)將促進(jìn)電能商品要素資源在更大范圍內(nèi)暢通流動(dòng)，能夠更充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用、助力資源配置效率進(jìn)一步提升，是推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展的關(guān)鍵舉措［1-2］。 《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見（中發(fā)〔2015〕9號文）》［3］明確提出，要推進(jìn)跨省跨區(qū)電力市場化交易，促進(jìn)電力資源在更大范圍優(yōu)化配置。2021 年11 月，中央深化改革委員會(huì)第二十二次會(huì)議指出，要健全多層次統(tǒng)一電力市場體系，引導(dǎo)全國、省（區(qū)、市）、區(qū)域各層次電力市場協(xié)同運(yùn)行、融合發(fā)展［4-5］。隨著電力市場建設(shè)穩(wěn)步有序推進(jìn)、市場化交易電量比重持續(xù)提升，如何選擇更加有效的區(qū)域市場化交易機(jī)制、協(xié)調(diào)各省區(qū)經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展，持續(xù)吸引著多方的密切關(guān)注［6-8］。事實(shí)上，不同的市場模式對價(jià)格水平、成本變化、利益格局調(diào)整等影響也各不相同，需要統(tǒng)籌成本、效益、環(huán)境、市場主體潛在策略等多個(gè)方面，明確主要矛盾和核心目標(biāo)，全面評估、慎重優(yōu)選市場模式。

國內(nèi)目前形成了以“省為實(shí)體”的電力市場建設(shè)路線，其對于調(diào)動(dòng)地方積極性具有重要意義，但也存在市場運(yùn)作模式各自不同、規(guī)則制定執(zhí)行不統(tǒng)一、跨省跨區(qū)市場有壁壘等問題，制約著發(fā)電資源更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置。近年來，跨區(qū)域省間富余可再生能源現(xiàn)貨交易［9］、省間電力現(xiàn)貨交易［10］等先后啟動(dòng)，跨區(qū)跨省月內(nèi)定期周交易［11］等相關(guān)政策也陸續(xù)印發(fā)，但大多重點(diǎn)聚焦于針對送端電網(wǎng)棄水、棄風(fēng)、棄光電能的跨區(qū)外送交易，對于區(qū)域電力市場環(huán)境下的模式選擇、優(yōu)劣勢梳理分析等尚未明確。

對于區(qū)域市場模式分析和選擇，相當(dāng)多的學(xué)者也對此也展開了系列討論和分析［12-14］。如文獻(xiàn)［15-16］定義了“統(tǒng)一市場”和“共同市場”的概念，并對二者的市場效率進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)［17］認(rèn)為宜先施行區(qū)域共同市場交易模式，經(jīng)較長時(shí)間運(yùn)行后，再逐步穩(wěn)定過渡到區(qū)域統(tǒng)一市場模式，并從交易品種、市場時(shí)序等角度提出了若干共同市場演變路徑。文獻(xiàn)［18］在“共同市場”模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了“互聯(lián)互通市場”模式，將交易出清過程劃分為分地區(qū)獨(dú)立的市場交易和涵蓋發(fā)電權(quán)、用電權(quán)、雙邊合同等交易的跨區(qū)域互聯(lián)互通交易兩步。文獻(xiàn)［19］將共同市場模式具體化為“統(tǒng)一市場、兩級交易”，提出在區(qū)域級市場開展年（月）度合約電量市場交易以滿足大部分負(fù)荷需求、在省級市場開展現(xiàn)貨和發(fā)電權(quán)交易以滿足小部分負(fù)荷需求的總體思路。文獻(xiàn)［20-22］論述了省間、省內(nèi)市場“兩級出清”的方案，提出省間中長期交易物理執(zhí)行，并將省間交易結(jié)果作為省內(nèi)的邊界。文獻(xiàn)［23］探討了“統(tǒng)一平衡”和“分區(qū)平衡”兩種市場模式在南方區(qū)域的適用性。在上述研究中，對于區(qū)域競爭性電力交易框架下典型市場模式的劃分較為初步，多種概念相對繁雜、容易混淆，內(nèi)涵定義層面也存在一定重疊，尚未從社會(huì)福利視角對市場效率開展分析，亦未能充分考慮市場主體潛在博弈行為與市場出清格局演變趨勢。面向未來構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的客觀需要，亟需激發(fā)市場主體活力，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更大范圍的新能源跨時(shí)空平衡和消納為核心立足點(diǎn)，應(yīng)重新梳理、思考、歸納區(qū)域電力市場模式，剖析其適用性與優(yōu)劣勢，以優(yōu)化電力市場總體設(shè)計(jì)，助推全國統(tǒng)一電力市場體系建設(shè)。

在更大范圍內(nèi)促進(jìn)電力資源共享互濟(jì)和優(yōu)化配置、以最經(jīng)濟(jì)方式推動(dòng)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等為立足點(diǎn)，本文基于微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)［24］等理論，依托供需理論、成本理論、均衡理論、博弈論和經(jīng)濟(jì)福利等模型［25］，面向區(qū)域電力市場環(huán)境，梳理歸納目前全國范圍內(nèi)各省級市場管理機(jī)構(gòu)、電力市場領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者等研究提出的各項(xiàng)方案，將區(qū)域競爭性電力交易體系劃分為“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”、“統(tǒng)一市場、兩級出清”、“送端優(yōu)先、余量疊加”、“省內(nèi)出清、余量替代”和“省內(nèi)出清、增量交易”5 種典型模式，同時(shí)給出了不同市場模式的定義，分析了不同模式下的市場出清過程、價(jià)格形成機(jī)制和社會(huì)福利水平，并通過仿真算例量化測算了各種市場模式下的資源配置效率，提出配套的社會(huì)福利再分配機(jī)制為統(tǒng)一市場建設(shè)提供緩沖空間，為我國區(qū)域電力市場模式選擇和路徑設(shè)計(jì)提供決策參考。

1 區(qū)域競爭性電力交易典型模式運(yùn)作機(jī)理

在競爭性電力交易框架體系下，省市場之間、省市場與區(qū)域市場之間、國家市場和省/區(qū)域市場之間如何銜接、跨省跨區(qū)市場化交易如何開展等存在多種模式。

1.1 模式一：“統(tǒng)一市場、 統(tǒng)一出清”模式

微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)經(jīng)典原理表明，更大范圍內(nèi)的市場主體集中競價(jià)出清將促成經(jīng)濟(jì)效率更優(yōu)的資源優(yōu)化配置［26］。遵循上述原理，模式一即“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式定義為送受端供需雙側(cè)同臺競價(jià)，市場集中統(tǒng)一出清的市場模式，該模式被國內(nèi)現(xiàn)貨試點(diǎn)與國外電力市場所廣泛采用。美國PJM 市場、美國得州市場等均采用此模式［27］，應(yīng)用此模式的市場呈現(xiàn)較強(qiáng)的集中式特征，覆蓋地區(qū)之間通常存在較強(qiáng)的電力網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。

1.1.1 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式運(yùn)作機(jī)理

基于上述定義，在“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下，該模式下市場出清結(jié)果如圖1 所示。假設(shè)A、B 分別為兩個(gè)獨(dú)立市場，且A 市場電力緊缺，B 市場電力富余，需求曲線和供給曲線分別為DA、DB、SA、SB。在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)時(shí)，A、B 兩市場的出清點(diǎn)為P，統(tǒng)一出清價(jià)格為ρP；考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)后，A 市場區(qū)內(nèi)價(jià)格從ρP抬升為ρQA，B 市場區(qū)內(nèi)價(jià)格從從ρP降低為ρQB。A市場發(fā)電和用戶側(cè)出清負(fù)荷分別為DQAS和DQAD，B 市場發(fā)電和用戶側(cè)出清負(fù)荷分別為DQBS和DQBD，B 市場跨省區(qū)送至A 市場的 電 量 為（DQBS-DQBD）， 其 在 數(shù) 值 上 等 于（DQAD-DQAS）。

圖1 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下的市場出清結(jié)果Fig.1 Market clearing results in the mode of "single market,unified clearing"

1.1.2 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式社會(huì)福利

此模式下市場的社會(huì)福利情況如圖2 所示，統(tǒng)一出清后社會(huì)總福利增加等于圖中兩個(gè)藍(lán)色三角形面積△AOC和△BER之和。

圖2 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下的社會(huì)福利Fig.2 Social welfare in the mode of "single market, unified clearing"

在考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下，社會(huì)福利水平均有所減少，基于圖1 所分析的市場運(yùn)行結(jié)果，考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)社會(huì)福利趨于下降，其損失值等于圖2 中4 個(gè) 黃 色 三 角 形△AA′QBS、 △BB′Q、△ASCC′QBD、△EE′QAD面積之和。

1.1.3 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式特征及優(yōu)缺點(diǎn)

在“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下區(qū)域市場的總社會(huì)福利相比獨(dú)立市場將大幅提升，同時(shí)伴隨著區(qū)域間的利益轉(zhuǎn)移；相比獨(dú)立運(yùn)行的情況，A 市場區(qū)內(nèi)價(jià)格將下降、B 市場區(qū)內(nèi)價(jià)格將上升，即B 市場在該模式下的用電成本將高于區(qū)內(nèi)獨(dú)立市場的成本水平、A 市場在該模式下的用電成本將低于區(qū)內(nèi)獨(dú)立市場的成本水平。

1.2 模式二：“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式

“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式于2018 年前后在國內(nèi)首次被提出［28-29］，其含義為優(yōu)先出清跨省區(qū)交易電量，并以此為邊界條件開展省（區(qū)）內(nèi)出清。該模式下，跨省跨區(qū)交易定位于落實(shí)國家能源戰(zhàn)略，促進(jìn)清潔能源消納和資源大范圍優(yōu)化配置；省內(nèi)交易定位于優(yōu)化省內(nèi)資源配置，保障電力供需平衡和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在兩級市場模式下，市場出清可分解為“1+N”模型（1 個(gè)省間模型、N個(gè)省內(nèi)模型），目前階段兩級市場順序開展，即先進(jìn)行省間市場出清再進(jìn)行各省內(nèi)市場出清。首先，省間交易統(tǒng)籌考慮各省總的發(fā)電曲線和總的購電曲線、各省化簡的等值模型，并考慮全網(wǎng)發(fā)用電平衡、省間聯(lián)絡(luò)線輸送能力，省間交易出清將得到省間聯(lián)絡(luò)線的出清電量和電能量交易電價(jià)。其次，在省間交易出清結(jié)果的基礎(chǔ)上，將省間交易形成的聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃輸入至省內(nèi)市場，省內(nèi)市場以該聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃作為市場邊界，綜合考慮省內(nèi)市場發(fā)電主體、批發(fā)用戶及售電公司報(bào)價(jià)和各類約束進(jìn)行省內(nèi)市場出清，從而達(dá)到省間和省內(nèi)兩級市場的協(xié)調(diào)。

1.2.1 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式運(yùn)作機(jī)理

暫不考慮區(qū)內(nèi)阻塞，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的市場出清過程如圖3所示。同樣假設(shè)DA和SA分別為A 市場的需求側(cè)負(fù)荷和發(fā)電側(cè)供給曲線，DB和SB分別為B 市場需求側(cè)負(fù)荷和供給側(cè)發(fā)電曲線。在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)時(shí)，跨省跨區(qū)交易均衡點(diǎn)為P，過點(diǎn)P作平行于水平橫線，分別于線DA、SA、DB、SB相交于點(diǎn)QAS1、QAD1、QBS1、QBD1，即此時(shí)A市場供需雙側(cè)出清點(diǎn)分別為QAS1和QAD1，以及B 市場供需雙側(cè)出清點(diǎn)分別為QBS1和QBD1。隨后將跨省區(qū)交易結(jié)果作為區(qū)內(nèi)市場出清的邊界，等效于將A市場和B市場的需求曲線DA和DB分別平移至D′A和D′B，得到A 市場區(qū)內(nèi)均衡點(diǎn)QAS1、B 市場區(qū)內(nèi)均衡點(diǎn)QBD1。且B 市場跨省區(qū)送至A 市場的電量為（DQBS1-DQBD1），在數(shù)值上等于（DQAD1-DQAS1），跨省區(qū)和區(qū)內(nèi)市場的出清價(jià)格均為ρP。

圖3 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的市場出清結(jié)果Fig.3 Market clearing results in the mode of "single market,two-tier clearing"

在考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)時(shí)，A 市場的出清價(jià)格同樣從ρP抬升至ρQA，B 市場的出清價(jià)格從ρP下降到ρQB。此時(shí)A 市場區(qū)內(nèi)出清點(diǎn)為QAS，B 市場區(qū)內(nèi)出清點(diǎn)為QBD，區(qū)內(nèi)發(fā)電和出清負(fù)荷分別為DQBS和DQBD，且此時(shí)B 市場跨省區(qū)送至A 市場的電量為（DQBS-DQBD），在數(shù)值上等于（DQAD-DQAS）。

若區(qū)內(nèi)市場存在阻塞，市場出清結(jié)果將發(fā)生變化。如圖4 所示，在暫時(shí)不考慮跨省區(qū)輸電費(fèi)用的前提下，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生阻塞時(shí)，開展區(qū)內(nèi)出清時(shí)A、B兩市場的供給側(cè)曲線可能會(huì)發(fā)生偏移（例如圖中B市場和A市場曲線分別偏移至S′B和S′A），進(jìn)而造成出清點(diǎn)分別偏移至QAS2和QBD2，此時(shí)A、B 兩市場的區(qū)內(nèi)價(jià)格分別變?yōu)棣选銺A和ρ′QB，即送端區(qū)域的價(jià)格已經(jīng)高于受端區(qū)域價(jià)格。

圖4 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下考慮阻塞的市場出清結(jié)果Fig.4 Market clearing results in the mode of "single market,two-tier clearing" considering network congestion

1.2.2 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式社會(huì)福利

“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下市場社會(huì)福利情況如圖5所示。類似“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，此時(shí)A、B兩市場聯(lián)合出清社會(huì)總福利增加等于圖中兩個(gè)藍(lán)色三角形△QBS1OQBD1和△QAS1RQAD1面積之和。同樣地，在考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下社會(huì)福利水平有所減少，其總減少值等于圖中4 個(gè)黃色三角形△AQBSQBS1、△BQASQAS1、△CQBDQBD1、△EQADQAD1面積之和。

圖5 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的社會(huì)福利Fig.5 Social welfare in the mode of "single market, two-tier clearing"

1.2.3 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式特征及優(yōu)缺點(diǎn)

相比“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式同樣會(huì)使得送端、受端?。▍^(qū)）出清價(jià)格趨于一致。當(dāng)不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)時(shí)該價(jià)格為ρP，考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)時(shí)則分別為ρQB和ρQA，該模式同樣會(huì)造成區(qū)域間的利益轉(zhuǎn)移。

1.3 模式三：“送端優(yōu)先、余量疊加”模式

“送端優(yōu)先、余量疊加”模式定義為送端?。▍^(qū)）內(nèi)部優(yōu)先出清，將剩余電量參與受端省（區(qū)）集中出清的市場模式。該模式在相關(guān)文獻(xiàn)或?qū)W術(shù)研究中或被表述為“共同市場”模式，該模式特征之一在于由于省（區(qū)）內(nèi)部優(yōu)先出清，導(dǎo)致送端?。▍^(qū)）內(nèi)用戶側(cè)價(jià)格能夠暫時(shí)保持穩(wěn)定，短期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生因跨省跨區(qū)交易造成的利益沖擊等問題。

1.3.1 出清及價(jià)格形成過程

同樣假設(shè)DA和SA分別為A 市場的需求側(cè)負(fù)荷和發(fā)電側(cè)供給曲線，DB和SB分別為B市場需求側(cè)負(fù)荷和供給側(cè)發(fā)電曲線，暫不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的前提下，“送端優(yōu)先、余量疊加”模式下市場出清過程如圖6（a）所示，B市場優(yōu)先出清，得到出清交點(diǎn)R、出清電量DB和出清價(jià)格ρR。隨后將B市場發(fā)電側(cè)供給曲線SB和A市場發(fā)電側(cè)供給曲線SA進(jìn)行疊加得到聯(lián)合供給曲線S′，該曲線S′與A 市場需求側(cè)負(fù)荷曲線DA的交點(diǎn)QAD即為A 市場區(qū)域內(nèi)市場出清結(jié)果。此時(shí)B 市場出清價(jià)格為ρR，將B 市場供給曲線疊加至A 市場后得到A 市場出清均衡點(diǎn)QAD，此時(shí)A 市場出清價(jià)格為ρQ，B 市場跨省區(qū)送至A 市場的電量為（DAD-DAS），該電量在數(shù)值上等于（DBS-DB）。

圖6 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式下的市場出清結(jié)果Fig.6 Market clearing results in the mode of "supply region cleared with priority, excess power included"

若考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)，該模式下市場出清結(jié)果如圖6（b）所示。類似地，此時(shí)B 市場價(jià)格仍保持ρR不變，A市場的出清價(jià)格將從ρQ抬升至ρ′Q?？梢娫撃Ｊ较翨 市場跨省區(qū)送A 市場的電能價(jià)格ρP高于B市場區(qū)域內(nèi)價(jià)格ρR。

1.3.2 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式社會(huì)福利

“送端優(yōu)先、余量疊加”模式下市場社會(huì)福利的情況如圖7 所示。從圖中可以看出，無論是否考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)，相比“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”和“統(tǒng)一市場、兩級出清”兩種模式，該模式下的總社會(huì)福利有所減少，具體表現(xiàn)在圖中左下方的橙色三角形面積△ABR減少。

圖7 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式下的社會(huì)福利Fig.7 Social welfare in the mode of "supply region cleared with priority, excess power included"

1.3.3 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式特征及優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)前述分析可知，在“送端優(yōu)先、余量疊加”模式下，送端區(qū)域B 的市場價(jià)格可以在短期暫時(shí)維持不變（仍為ρR）。然而在該模式下市場交易的均衡點(diǎn)并不會(huì)一直保持不變。其原因在于B 市場跨省區(qū)送A 市場的電能價(jià)格ρP高于B 市場區(qū)域內(nèi)市場價(jià)格ρR，即區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間市場之間存在價(jià)格差異，區(qū)域內(nèi)機(jī)組將形成自發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行偏離邊際成本的抬升報(bào)價(jià)進(jìn)而求取在區(qū)域間市場出清。最終造成B 區(qū)域內(nèi)市場價(jià)格逐漸抬升至與區(qū)域間市場價(jià)格持平的結(jié)果，如圖8所示。

圖8 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式下市場均衡狀態(tài)Fig.8 Market equilibrium state in the mode of "supply region cleared with priority, excess power included"

1.4 模式四：“省內(nèi)出清、余量替代”模式

“省內(nèi)出清、余量替代”模式定義為，在送受端省（區(qū)）內(nèi)部分別優(yōu)先出清后，將送端?。▍^(qū)）富余電量由跨省區(qū)交易購入進(jìn)而替代受端省份（區(qū)）部分發(fā)電的市場模式。該模式在文獻(xiàn)［15］中作為“區(qū)域共同市場”模式被首次提出，為推進(jìn)區(qū)域電力市場建設(shè)提供了一種典型方案。

1.4.1 “省內(nèi)出清、余量替代”模式運(yùn)作機(jī)理

在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下，“省內(nèi)出清、余量替代”模式下的市場出清過程如圖9（a）所示。首先，B 市場先出清，得到出清交點(diǎn)O、出清電量DB和出清價(jià)格ρO；隨后將B 市場內(nèi)發(fā)電側(cè)供給曲線SB和A 市場內(nèi)發(fā)電側(cè)供給曲線SA進(jìn)行疊加得到聯(lián)合供應(yīng)曲線S′，S′與A 市場內(nèi)需求側(cè)負(fù)荷曲線交點(diǎn)R的垂線相交于點(diǎn)QA，此時(shí)A 市場區(qū)域內(nèi)價(jià)格為ρQ，區(qū)域機(jī)組出力為DAS，B 市場跨省區(qū)送至A 市場的電量為（DA-DAS），該電量在數(shù)值上等于（DBS-DB）。

圖9 “省內(nèi)出清、余量替代”模式下的市場出清結(jié)果Fig.9 Market clearing results in the mode of "provincial market cleared with priority, excess power for alternative"

在考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下，市場出清結(jié)果如圖9（b）所示。此時(shí)B 市場內(nèi)的價(jià)格水平仍保持ρR不變，A市場出清價(jià)格從ρQ抬升至ρ′Q。

1.4.2 “省內(nèi)出清、余量替代”模式社會(huì)福利

“省內(nèi)出清、余量替代”模式下市場社會(huì)福利如圖10 中藍(lán)色三角形所示；考慮跨省區(qū)輸電費(fèi)用后社會(huì)福利將同比進(jìn)一步下降，減少值等于圖中兩個(gè)黃色三角形△ABQAS和△CEQBS的面積之和。可見，相比“送端優(yōu)先、余量疊加”，該模式下A、B 兩市場的總社會(huì)福利將進(jìn)一步收縮。

圖10 “省內(nèi)出清、余量替代”模式下的社會(huì)福利Fig.10 Social welfare in the mode of "provincial market cleared with priority, excess power for alternative"

1.4.3 “省內(nèi)出清、余量替代”模式特征及優(yōu)缺點(diǎn)

與“省內(nèi)出清、余量疊加”模式相似，如圖11所示，該模式同樣會(huì)造成B 區(qū)域內(nèi)機(jī)組產(chǎn)生偏離邊際成本的抬升報(bào)價(jià)動(dòng)機(jī)，最終導(dǎo)致B 區(qū)域內(nèi)市場價(jià)格逐漸抬升至與區(qū)域間市場交易價(jià)格持平。

圖11 “省內(nèi)出清、余量替代”模式下市場均衡狀態(tài)Fig.11 Market equilibrium state in the mode of "provincial market cleared with priority, excess power for alternative"

1.5 模式五：“省內(nèi)出清、增量交易”模式

“省內(nèi)出清、增量交易”模式定義為，在送受端?。▍^(qū)）內(nèi)部分別優(yōu)先出清后，送端省（區(qū)）富余電量開展送受端增量交易的市場模式。該模式與當(dāng)前國內(nèi)正在實(shí)施或預(yù)計(jì)實(shí)施的跨省區(qū)富余可再生能源交易、省間電力現(xiàn)貨交易等模式較為接近。

1.5.1 “省內(nèi)出清、增量交易”模式運(yùn)作機(jī)理

在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下，“省內(nèi)出清、增量交易”模式下的市場出清過程如圖12（a）所示。首先，B 市場先出清，得到出清交點(diǎn)O、出清電量DB和出清價(jià)格ρO；隨后將平行于B市場SB的發(fā)電側(cè)供給曲線S′B與平行于A 市場DA的需求側(cè)負(fù)荷曲線D′A納入增量交易，兩條曲線交點(diǎn)為Q′。此時(shí)A 市場出清價(jià)格為ρQ，B 市場跨省區(qū)送至A 市場的電量為（DBS-DB），該電量在數(shù)值上等于（DAD-DA），可見該模式下，跨省區(qū)交易電量規(guī)模相比前幾種模式將大幅下降。

圖12 “省內(nèi)出清、增量交易”模式下的市場出清Fig.12 Market clearing results in the mode of "provincial market cleared with priority, incremental power to be traded later"

在考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)的情況下，市場出清結(jié)果如圖12（b）所示。此時(shí)B 市場內(nèi)的價(jià)格水平仍保持ρO不變，A市場出清價(jià)格將從ρQ抬升至ρ′Q。

1.5.2 “省內(nèi)出清、余量替代”模式社會(huì)福利

如圖13 所示，“省內(nèi)出清、增量交易”模式下A、B 兩市場社會(huì)總福利等于圖中3 個(gè)藍(lán)色三角形△AHI和△EGR面積之和；考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)后，社會(huì)福利的總減少值為圖中3個(gè)黃色三角形△ABQ′和△EFQAD面積之和。

圖13 “省內(nèi)出清、增量交易”模式下的社會(huì)福利Fig.13 Social welfare in the mode of "provincial market cleared with priority, incremental power to be traded later"

1.5.3 “省內(nèi)出清、余量替代” 模式特征及優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)出清過程分析可知，“省內(nèi)出清、增量交易”模式同樣會(huì)造成B 市場區(qū)域內(nèi)機(jī)組的偏離邊際成本抬升報(bào)價(jià)行為，最終導(dǎo)致B 市場內(nèi)價(jià)格逐漸抬升至與區(qū)域間市場價(jià)格持平，如圖14 所示。需要說明的是，相比其他模式，“省內(nèi)出清、增量交易”模式下的跨區(qū)域交易電量大幅收縮，即通過跨省跨區(qū)交易給A 市場內(nèi)用戶帶來的綜合效用急劇下降，受端區(qū)域的部分高價(jià)負(fù)荷需求通常不一定能夠被滿足，亦不利于跨區(qū)域交易紅利的充分釋放。

圖14 “省內(nèi)出清、增量交易”模式下市場均衡狀態(tài)Fig.14 Market equilibrium state in the mode of "provincial market cleared with priority, incremental power to be traded later"

2 區(qū)域競爭性電力交易典型模式對比總結(jié)

面向區(qū)域統(tǒng)一市場建設(shè)環(huán)境，基于上述5 種不同的交易模式，對市場價(jià)格、社會(huì)福利以及外部影響進(jìn)行對比總結(jié)。在開展區(qū)域電力市場建設(shè)進(jìn)程中，需要統(tǒng)籌成本、效益、環(huán)境、市場主體潛在策略等多個(gè)方面，明確主要矛盾和核心目標(biāo)，慎重選擇市場模式。區(qū)域競爭性電力交易模式對比如表1所示。

表1 區(qū)域競爭性電力交易模式對比Tab.1 Comparison of regional competitive electricity trade modes

在市場價(jià)格方面，綜合對比5 種典型市場模式，選取“送端優(yōu)先”或“省內(nèi)優(yōu)先”的市場出清模式終究無法確保在維持某省（區(qū)）內(nèi)市場價(jià)格始終保持平穩(wěn)，即在不限制市場主體參與跨省區(qū)交易的前提下，即使采用區(qū)域間、區(qū)域內(nèi)市場分級出清的方式來維持送端區(qū)域價(jià)格水平，市場主體的博弈行為也會(huì)導(dǎo)致送端市場價(jià)格變動(dòng)，最終與“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式趨同。即若采用形成省間、省內(nèi)價(jià)格差異的方式來維持送端?。▍^(qū)）內(nèi)的價(jià)格水平穩(wěn)定，將造成參與跨省區(qū)交易的發(fā)電機(jī)組價(jià)格普遍高于省（區(qū)）內(nèi)發(fā)電機(jī)組，進(jìn)而激勵(lì)更多?。▍^(qū)）內(nèi)機(jī)組抬升報(bào)價(jià)以達(dá)到不在省（區(qū)）內(nèi)出清而在省間市場出清的目的，最終使得送端省（區(qū)）發(fā)電報(bào)價(jià)整體抬升，造成該?。▍^(qū)）價(jià)格加上跨省區(qū)輸電價(jià)近似等于受端?。▍^(qū)）價(jià)格的情況。因此基于此出發(fā)點(diǎn)構(gòu)建的跨省區(qū)交易市場模式始終不能扭轉(zhuǎn)送受端?。▍^(qū)）價(jià)格趨同的整體趨勢。需要說明的是，在市場運(yùn)行初期階段，難免會(huì)出現(xiàn)省間市場與省內(nèi)市場之間的“信息壁壘”，使得價(jià)格信息不能夠及時(shí)地傳遞至所有的市場參與者，同時(shí)每個(gè)參與者所進(jìn)行的交易活動(dòng)及其結(jié)果也無法完全、及時(shí)地通過價(jià)格體系得到傳遞。然而隨著市場運(yùn)行趨于常態(tài)化，市場交易頻次的增加、公開披露的交易信息數(shù)量的上升，市場主體很大概率會(huì)廣泛知悉市場出清價(jià)格、市場成交電量等基礎(chǔ)信息，并能夠快速掌握市場形勢、主動(dòng)優(yōu)化競價(jià)以充分融入省間和省內(nèi)市場交易。

在社會(huì)福利方面，由于不同市場模式對區(qū)域價(jià)格水平影響作用近似，社會(huì)福利或?qū)⒊蔀樵u估市場模式效率的核心指標(biāo)?；谇笆龇治觯敖y(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”的總社會(huì)福利最大，與不考慮?。▍^(qū)）內(nèi)阻塞情況下的理想“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式近似相等；“省內(nèi)出清、余量疊加”模式其次，再次是“省內(nèi)出清、余量替代”模式，“省內(nèi)出清、增量交易”模式的社會(huì)福利增加最小，跨省區(qū)交易電能總量的成交水平也按此順序從高到低。即以“送端優(yōu)先”或“省內(nèi)優(yōu)先”的市場模式將壓縮跨省區(qū)交易的市場空間，造成跨省跨區(qū)交易電量規(guī)模受限，在增加市場機(jī)制設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、提升市場主體報(bào)價(jià)的復(fù)雜程度、增加博弈成本的同時(shí)也會(huì)造成整體社會(huì)福利損失，且跨省區(qū)余缺互濟(jì)的市場模式下社會(huì)福利受損最大。與此同時(shí)，前兩種模式可能會(huì)造成送端?。▍^(qū)）價(jià)格的大幅抬升，然而“省內(nèi)出清、余量疊加”和“省內(nèi)出清、余量替代”模式雖然能夠短時(shí)保障送端?。▍^(qū)）價(jià)格不變的情況下仍具有一定水平的社會(huì)福利增加，但其效果不可持續(xù)。

南方區(qū)域電力市場環(huán)境下，考慮到南方五省區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行呈現(xiàn)交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)，僅西電東送通道就包含“八條交流，十一條直流”共19 條500 kV及以上的大型輸電通道，運(yùn)行方式十分復(fù)雜，省間、省內(nèi)存在多個(gè)輸電斷面，阻塞情況十分嚴(yán)重，對市場的運(yùn)行具有極高的要求。在如此復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，分級進(jìn)行的市場將難以保證市場交易結(jié)果的物理執(zhí)行，影響市場主體的合理利益，無法保證資源的最優(yōu)配置，綜合上述分析，“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”的市場模式為區(qū)域電力市場的優(yōu)選方案。

3 區(qū)域競爭性電力交易典型模式建模

3.1 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式

基于電力市場經(jīng)濟(jì)學(xué)基本原理和前文所述“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式的定義，暫不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費(fèi)，單時(shí)段市場出清模型可表示為：

3.2 “統(tǒng)一市場、兩級出清”模式

基于“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式的含義，先將區(qū)域近似等價(jià)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，先開展跨省跨區(qū)交易，相當(dāng)于原模型中刪除約束式（4）進(jìn)行優(yōu)化出清。在獲得跨區(qū)域交易結(jié)果Pijl后，再以此為邊界條件再進(jìn)行區(qū)域內(nèi)部的出清，具體如下。

需要說明的是，在區(qū)域內(nèi)部幾乎無阻塞（傳輸容量極為充裕）時(shí)，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式的市場出清模型與“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清” 在數(shù)學(xué)上的表征相一致。

3.3 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式

“送端優(yōu)先、余量疊加”模式運(yùn)作過程可劃分為兩步，首先送端區(qū)域優(yōu)先出清，此時(shí)的出清模型與區(qū)域內(nèi)市場集中出清模型相同；在獲得送端區(qū)域內(nèi)的市場出清結(jié)果，即明確送端區(qū)域內(nèi)已經(jīng)獲得出清的市場主體集合ΩT后，將剩余電量參與受端區(qū)域市場進(jìn)行聯(lián)合出清，因此式（1）和式（2）變?yōu)椋?/p>

式中ΩS為去除送端區(qū)域內(nèi)已出清部分外的市場主體集合，即：

3.4 “省內(nèi)出清、余量替代”模式

類似“送端優(yōu)先、余量疊加”模式，在“省內(nèi)出清、余量替代”模式下，先分別進(jìn)行送受端區(qū)域內(nèi)的市場出清，該過程同樣采用區(qū)域內(nèi)市場集中出清模型；在獲得送受端區(qū)域市場出清結(jié)果后，將送端富余電量中具有競爭優(yōu)勢的部分對受端區(qū)域的部分發(fā)電進(jìn)行替代?？梢钥闯?，在“省內(nèi)出清、余量替代”模式下，受端區(qū)域的用戶需求已在送受端區(qū)域內(nèi)的市場出清階段已經(jīng)確定，在發(fā)電替代階段負(fù)荷呈剛性，因此式（1）和式（2）變?yōu)椋?/p>

3.5 “省內(nèi)出清、增量交易”模式

在“省內(nèi)出清、增量交易”模式下，同樣先開展送受端區(qū)域內(nèi)的市場出清。另外，在完成送受端區(qū)域內(nèi)市場出清后，通過區(qū)域間交易進(jìn)行富余電力出售或購入，因此原式（1）和式（2）變?yōu)椋?/p>

式中ΩS和ΩQ分別為去除送受端區(qū)域內(nèi)已出清部分（ΩT和ΩP）外的市場主體集合。

4 算例分析

本節(jié)算例重點(diǎn)分析區(qū)域電力市場環(huán)境下不同市場模式下的資源配置效率?？紤]到目前南方五省區(qū)能源電力供電格局下，送受端關(guān)系非常明顯，為簡化計(jì)算過程、突出分析重點(diǎn)，此處面向“送端—受端”系統(tǒng)環(huán)境，并在不影響模型準(zhǔn)確性和結(jié)果的前提下，假設(shè)購售電報(bào)價(jià)函數(shù)均為線性，暫不考慮跨省區(qū)輸配費(fèi)用，市場的運(yùn)行效率體現(xiàn)為系統(tǒng)的社會(huì)福利水平。此外，若存在多個(gè)受端省份或多個(gè)送端省份，在假設(shè)不同受端省份輸電費(fèi)用一致的前提下，在分析過程中只會(huì)改變供需曲線的形狀，不會(huì)影響相關(guān)結(jié)論的成立。

4.1 模擬算例一

選擇基本的兩區(qū)域模擬系統(tǒng)作為本算例市場模型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖15所示。區(qū)域A、區(qū)域B 均為省級市場區(qū)域，且區(qū)域A 為電能購入（受段）區(qū)域，區(qū)域B 為電能售出（送端）區(qū)域，假設(shè)區(qū)域A 和區(qū)域B之間輸電容量不受限，計(jì)算時(shí)段為1 h，發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電和負(fù)荷相關(guān)參數(shù)(模擬算例一)Tab.2 Parameters of the generation and load of simulation case 1 元/MWh

圖15 模擬算例一系統(tǒng)圖Fig.15 System diagram of simulation case 1

利用式（1）—（24）的市場出清數(shù)學(xué)模型求解優(yōu)化問題，分別計(jì)算5 種市場模式下的運(yùn)行結(jié)果，所得送端區(qū)域、受端區(qū)域發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的出清電量及成交價(jià)格水平如表3所示。

表3 仿真算例一計(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of the simulation case 1

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在區(qū)域A 和區(qū)域B 之間無阻塞的情況下，模式一“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”與模式二“統(tǒng)一市場、兩級出清”的市場出清結(jié)果相同；與模式一和模式二相比，采用模式三至模式五使得送端區(qū)域（區(qū)域B）內(nèi)負(fù)荷側(cè)價(jià)格維持在了相對較低的水平；另外，5 種市場模式下的社會(huì)福利分別 為918.4 元、918.4 元、55.8 元、47.6 元 以 及45.4 元，所得結(jié)論與表1 所述相一致，從市場資源配置效率最優(yōu)的角度出發(fā)，模式一與模式二更具備優(yōu)越性。

4.2 模擬算例二

雖然在上述模擬算例一中模式一“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”與模式二“統(tǒng)一市場、兩級出清”模擬結(jié)果相同，但二者本質(zhì)上屬于不同的模型，存在不同的出清邏輯以及在部分場景下存在不同的“均衡”結(jié)果?！敖y(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下，在省間交易與省內(nèi)交易統(tǒng)一出清中，聯(lián)絡(luò)線交換電量和市場價(jià)格與省內(nèi)市場完全銜接，成為一個(gè)整體實(shí)現(xiàn)“量、價(jià)”耦合。在市場交易中納入各市場成員的報(bào)價(jià)、關(guān)鍵通道安全約束，并考慮全網(wǎng)發(fā)用電平衡、省間聯(lián)絡(luò)線輸送能力，省內(nèi)線路輸電能力，全局優(yōu)化出清，由此可見“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”是考慮全網(wǎng)市場出清優(yōu)化約束條件（包括市場申報(bào)約束、系統(tǒng)運(yùn)行約束），面向全系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的出清過程。而“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下首先優(yōu)先開展省間市場出清過程，此時(shí)省內(nèi)市場僅需提交總的發(fā)電曲線、總的購電曲線以及各省化簡的等值模型，市場出清模型得以極大簡化；隨后將省間優(yōu)化出清后的結(jié)果作為省內(nèi)交易出清的邊界輸入條件，在省內(nèi)市場中得以出清，總體出清過程分兩步執(zhí)行。為進(jìn)一步體現(xiàn)兩種模式的差異，構(gòu)建考慮阻塞的市場交易環(huán)境，如圖16所示。

圖16 模擬算例二系統(tǒng)圖Fig.16 System diagram of simulation case 2

考慮到區(qū)域之間可能存在阻塞，構(gòu)建涵蓋三區(qū)域的模擬算例二，對模式一和模式二進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析，如圖16所示。其中假設(shè)區(qū)域B 和區(qū)域C為某一省級市場的內(nèi)部區(qū)域，區(qū)域A 為另一省級市場區(qū)域，相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)見表4。

表4 相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)(模擬算例二)Tab.4 Related parameters of the power system of simulation case 2 元/MWh

考慮省級市場內(nèi)、省級市場間傳輸約束以及可能發(fā)生的系統(tǒng)阻塞的情況下，“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式與“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的市場運(yùn)行結(jié)果如表5所示。

表5 模擬算例二計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of the simulation case 2

經(jīng)計(jì)算，在考慮區(qū)域內(nèi)阻塞的情況下“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式相比“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式社會(huì)福利增加112.1 元。這與前文的理論分析和預(yù)判基本一致：兩種模式在出清模型上具有本質(zhì)上的差異，在省內(nèi)阻塞較為嚴(yán)重時(shí)，將各省化簡“坍縮”至簡化節(jié)點(diǎn)的省間出清方式或?qū)⒃斐墒袌龀銮褰Y(jié)果與實(shí)際物理運(yùn)行的偏離，從而可能帶來全系統(tǒng)層面的社會(huì)福利損失。綜上所述，當(dāng)省（區(qū)）內(nèi)存在阻塞時(shí)，相比“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的市場運(yùn)行出現(xiàn)了一定程度上的社會(huì)福利的損失，說明區(qū)域統(tǒng)一市場環(huán)境下，“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式是資源配置效率更高、社會(huì)福利更大、市場融合程度更充分的優(yōu)選市場模式。

5 結(jié)論

本文討論了區(qū)域競爭性電力交易框架下五種典型市場模式的運(yùn)作機(jī)理和市場效率。通過理論分析和算例測算得出如下結(jié)論：一是不同價(jià)格形成方式對區(qū)域電力交易價(jià)格的影響效果類似。在不限制市場主體參與跨省區(qū)交易的前提下，即使采用區(qū)域間、區(qū)域內(nèi)市場分級出清的方式來維持送端區(qū)域價(jià)格水平，市場主體的博弈行為也會(huì)導(dǎo)致送端市場價(jià)格變動(dòng)，最終與“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式趨同。二是區(qū)域統(tǒng)一市場宜以“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式作為發(fā)展目標(biāo)。由于不同市場模式對區(qū)域價(jià)格水平影響作用近似，因此更宜采用資源配置效率更高的“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式作為區(qū)域市場的發(fā)展目標(biāo)。

區(qū)域統(tǒng)一市場體系建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一方面應(yīng)強(qiáng)化市場頂層設(shè)計(jì)，持續(xù)提升市場組織能力、信息獲取能力，不斷完善市場運(yùn)營協(xié)同機(jī)制、利益調(diào)整機(jī)制、信息披露機(jī)制、運(yùn)行分析評估機(jī)制等；另一方面應(yīng)持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，包括海量交易數(shù)據(jù)管理與維護(hù)技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境下的市場出清優(yōu)化技術(shù)等，為市場運(yùn)行提供技術(shù)保障。