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

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，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，是推動區(qū)域經(jīng)濟一體化發(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第二十二次會議指出，要健全多層次統(tǒng)一電力市場體系，引導(dǎo)全國、?。▍^(qū)、市）、區(qū)域各層次電力市場協(xié)同運行、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)域市場化交易機制、協(xié)調(diào)各省區(qū)經(jīng)濟均衡發(fā)展，持續(xù)吸引著多方的密切關(guān)注［6-8］。事實上，不同的市場模式對價格水平、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“省為實體”的電力市場建設(shè)路線，其對于調(diào)動地方積極性具有重要意義，但也存在市場運作模式各自不同、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，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)較長時間運行后，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，實現(xiàn)更大規(guī)模、更大范圍的新能源跨時空平衡和消納為核心立足點，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，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)電力資源共享互濟和優(yōu)化配置、以最經(jīng)濟方式推動能源清潔低碳轉(zhuǎn)型和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等為立足點，本文基于微觀經(jīng)濟學(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)各省級市場管理機構(gòu)、電力市場領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者等研究提出的各項方案，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、價格形成機制和社會福利水平，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，提出配套的社會福利再分配機制為統(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)計提供決策參考。

1 區(qū)域競爭性電力交易典型模式運作機理

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)濟學(xué)經(jīng)典原理表明，更大范圍內(nèi)的市場主體集中競價出清將促成經(jīng)濟效率更優(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，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)較強的集中式特征，覆蓋地區(qū)之間通常存在較強的電力網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。

1.1.1 “統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式運作機理

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 分別為兩個獨立市場，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)費時，A、B 兩市場的出清點為P，統(tǒng)一出清價格為ρP；考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費后，A 市場區(qū)內(nèi)價格從ρP抬升為ρQA，B 市場區(qū)內(nèi)價格從從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”模式社會福利

此模式下市場的社會福利情況如圖2 所示，統(tǒng)一出清后社會總福利增加等于圖中兩個藍(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)費的情況下，社會福利水平均有所減少，基于圖1 所分析的市場運行結(jié)果，考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費社會福利趨于下降，其損失值等于圖2 中4 個 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

在“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式下區(qū)域市場的總社會福利相比獨立市場將大幅提升，同時伴隨著區(qū)域間的利益轉(zhuǎn)移；相比獨立運行的情況，A 市場區(qū)內(nèi)價格將下降、B 市場區(qū)內(nèi)價格將上升，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?。▍^(qū)）內(nèi)出清。該模式下，跨省跨區(qū)交易定位于落實國家能源戰(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)定運行。

在兩級市場模式下，市場出清可分解為“1+N”模型（1 個省間模型、N個省內(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。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)線計劃輸入至省內(nèi)市場，省內(nèi)市場以該聯(lián)絡(luò)線計劃作為市場邊界，綜合考慮省內(nèi)市場發(fā)電主體、批發(fā)用戶及售電公司報價和各類約束進(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”模式運作機理

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)費時，跨省跨區(qū)交易均衡點為P，過點P作平行于水平橫線，分別于線DA、SA、DB、SB相交于點QAS1、QAD1、QBS1、QBD1，即此時A市場供需雙側(cè)出清點分別為QAS1和QAD1，以及B 市場供需雙側(cè)出清點分別為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QAS1、B 市場區(qū)內(nèi)均衡點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)費時，A 市場的出清價格同樣從ρP抬升至ρQA，B 市場的出清價格從ρP下降到ρQB。此時A 市場區(qū)內(nèi)出清點為QAS，B 市場區(qū)內(nèi)出清點為QBD，區(qū)內(nèi)發(fā)電和出清負(fù)荷分別為DQBS和DQBD，且此時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，在暫時不考慮跨省區(qū)輸電費用的前提下，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生阻塞時，開展區(qū)內(nèi)出清時A、B兩市場的供給側(cè)曲線可能會發(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)而造成出清點分別偏移至QAS2和QBD2，此時A、B 兩市場的區(qū)內(nèi)價格分別變?yōu)棣选銺A和ρ′QB，即送端區(qū)域的價格已經(jīng)高于受端區(qū)域價格。

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”模式社會福利

“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下市場社會福利情況如圖5所示。類似“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，此時A、B兩市場聯(lián)合出清社會總福利增加等于圖中兩個藍(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)費的情況下社會福利水平有所減少，其總減少值等于圖中4 個黃色三角形△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

相比“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式同樣會使得送端、受端省（區(qū)）出清價格趨于一致。當(dāng)不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費時該價格為ρP，考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費時則分別為ρQB和ρQA，該模式同樣會造成區(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?。▍^(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)價格能夠暫時保持穩(wěn)定，短期內(nèi)不會產(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R、出清電量DB和出清價格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QAD即為A 市場區(qū)域內(nèi)市場出清結(jié)果。此時B 市場出清價格為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QAD，此時A 市場出清價格為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，該模式下市場出清結(jié)果如圖6（b）所示。類似地，此時B 市場價格仍保持ρR不變，A市場的出清價格將從ρQ抬升至ρ′Q。可見該模式下B 市場跨省區(qū)送A 市場的電能價格ρP高于B市場區(qū)域內(nèi)價格ρR。

1.3.2 “送端優(yōu)先、余量疊加”模式社會福利

“送端優(yōu)先、余量疊加”模式下市場社會福利的情況如圖7 所示。從圖中可以看出，無論是否考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費，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

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 的市場價格可以在短期暫時維持不變（仍為ρR）。然而在該模式下市場交易的均衡點并不會一直保持不變。其原因在于B 市場跨省區(qū)送A 市場的電能價格ρP高于B 市場區(qū)域內(nèi)市場價格ρR，即區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間市場之間存在價格差異，區(qū)域內(nèi)機組將形成自發(fā)動機進(jìn)行偏離邊際成本的抬升報價進(jìn)而求取在區(qū)域間市場出清。最終造成B 區(qū)域內(nèi)市場價格逐漸抬升至與區(qū)域間市場價格持平的結(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”模式運作機理

在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費的情況下，“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O、出清電量DB和出清價格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R的垂線相交于點QA，此時A 市場區(qū)域內(nèi)價格為ρQ，區(qū)域機組出力為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)費的情況下，市場出清結(jié)果如圖9（b）所示。此時B 市場內(nèi)的價格水平仍保持ρR不變，A市場出清價格從ρQ抬升至ρ′Q。

1.4.2 “省內(nèi)出清、余量替代”模式社會福利

“省內(nèi)出清、余量替代”模式下市場社會福利如圖10 中藍(lán)色三角形所示；考慮跨省區(qū)輸電費用后社會福利將同比進(jìn)一步下降，減少值等于圖中兩個黃色三角形△ABQAS和△CEQBS的面積之和?？梢姡啾取八投藘?yōu)先、余量疊加”，該模式下A、B 兩市場的總社會福利將進(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

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

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，在送受端省（區(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)正在實施或預(yù)計實施的跨省區(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”模式運作機理

在不考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費的情況下，“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O、出清電量DB和出清價格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，兩條曲線交點為Q′。此時A 市場出清價格為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)費的情況下，市場出清結(jié)果如圖12（b）所示。此時B 市場內(nèi)的價格水平仍保持ρO不變，A市場出清價格將從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 兩市場社會總福利等于圖中3 個藍(lán)色三角形△AHI和△EGR面積之和；考慮跨省區(qū)過網(wǎng)費后，社會福利的總減少值為圖中3個黃色三角形△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

根據(jù)出清過程分析可知，“省內(nèi)出清、增量交易”模式同樣會造成B 市場區(qū)域內(nèi)機組的偏離邊際成本抬升報價行為，最終導(dǎo)致B 市場內(nèi)價格逐漸抬升至與區(qū)域間市場價格持平，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，對市場價格、社會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?。▍^(qū)）內(nèi)市場價格始終保持平穩(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)域價格水平，市場主體的博弈行為也會導(dǎo)致送端市場價格變動，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)價格差異的方式來維持送端省（區(qū)）內(nèi)的價格水平穩(wěn)定，將造成參與跨省區(qū)交易的發(fā)電機組價格普遍高于?。▍^(qū)）內(nèi)發(fā)電機組，進(jìn)而激勵更多?。▍^(qū)）內(nèi)機組抬升報價以達(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?。▍^(qū)）發(fā)電報價整體抬升，造成該?。▍^(qū)）價格加上跨省區(qū)輸電價近似等于受端省（區(qū)）價格的情況。因此基于此出發(fā)點構(gòu)建的跨省區(qū)交易市場模式始終不能扭轉(zhuǎn)送受端?。▍^(qū)）價格趨同的整體趨勢。需要說明的是，在市場運行初期階段，難免會出現(xiàn)省間市場與省內(nèi)市場之間的“信息壁壘”，使得價格信息不能夠及時地傳遞至所有的市場參與者，同時每個參與者所進(jìn)行的交易活動及其結(jié)果也無法完全、及時地通過價格體系得到傳遞。然而隨著市場運行趨于常態(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廣泛知悉市場出清價格、市場成交電量等基礎(chǔ)信息，并能夠快速掌握市場形勢、主動優(yōu)化競價以充分融入省間和省內(nèi)市場交易。

在社會福利方面，由于不同市場模式對區(qū)域價格水平影響作用近似，社會福利或?qū)⒊蔀樵u估市場模式效率的核心指標(biāo)。基于前述分析，“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”的總社會福利最大，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，在增加市場機制設(shè)計的復(fù)雜程度、提升市場主體報價的復(fù)雜程度、增加博弈成本的同時也會造成整體社會福利損失，且跨省區(qū)余缺互濟的市場模式下社會福利受損最大。與此同時，前兩種模式可能會造成送端?。▍^(qū)）價格的大幅抬升，然而“省內(nèi)出清、余量疊加”和“省內(nèi)出清、余量替代”模式雖然能夠短時保障送端?。▍^(qū)）價格不變的情況下仍具有一定水平的社會福利增加，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，運行方式十分復(fù)雜，省間、省內(nèi)存在多個輸電斷面，阻塞情況十分嚴(yán)重，對市場的運行具有極高的要求。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，單時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)域近似等價成一個節(jié)點，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，“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”模式運作過程可劃分為兩步，首先送端區(qū)域優(yōu)先出清，此時的出清模型與區(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。考慮到目前南方五省區(qū)能源電力供電格局下，送受端關(guān)系非常明顯，為簡化計算過程、突出分析重點，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)購售電報價函數(shù)均為線性，暫不考慮跨省區(qū)輸配費用，市場的運行效率體現(xiàn)為系統(tǒng)的社會福利水平。此外，若存在多個受端省份或多個送端省份，在假設(shè)不同受端省份輸電費用一致的前提下，在分析過程中只會改變供需曲線的形狀，不會影響相關(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，計算時段為1 h，發(fā)電機組和負(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，分別計算5 種市場模式下的運行結(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格水平如表3所示。

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

從計算結(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)價格維持在了相對較低的水平；另外，5 種市場模式下的社會福利分別 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。“統(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格與省內(nèi)市場完全銜接，成為一個整體實現(xiàn)“量、價”耦合。在市場交易中納入各市場成員的報價、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（包括市場申報約束、系統(tǒng)運行約束），面向全系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(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”模式下的市場運行結(jié)果如表5所示。

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

經(jīng)計算，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，將各省化簡“坍縮”至簡化節(jié)點的省間出清方式或?qū)⒃斐墒袌龀銮褰Y(jié)果與實際物理運行的偏離，從而可能帶來全系統(tǒng)層面的社會福利損失。綜上所述，當(dāng)省（區(qū)）內(nèi)存在阻塞時，相比“統(tǒng)一市場、統(tǒng)一出清”模式，“統(tǒng)一市場、兩級出清”模式下的市場運行出現(xiàn)了一定程度上的社會福利的損失，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作機理和市場效率。通過理論分析和算例測算得出如下結(jié)論：一是不同價格形成方式對區(qū)域電力交易價格的影響效果類似。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)域價格水平，市場主體的博弈行為也會導(dǎo)致送端市場價格變動，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)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一方面應(yīng)強化市場頂層設(shè)計，持續(xù)提升市場組織能力、信息獲取能力，不斷完善市場運營協(xié)同機制、利益調(diào)整機制、信息披露機制、運行分析評估機制等；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，為市場運行提供技術(shù)保障。