電力市場(chǎng)中電價(jià)與能源

1、電力市場(chǎng)中電價(jià)與能源及環(huán)境保護(hù)的研究1 引言要從傳統(tǒng)的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的國(guó)家壟斷模式過(guò)渡到電力市場(chǎng)，實(shí)行公平、公正、公開(kāi)、有序的競(jìng)爭(zhēng)，電價(jià)是關(guān)鍵。計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的“成本加”的定價(jià)方法必將受到革新， 取而代之的是“市場(chǎng)電價(jià)”。 電價(jià)是電力市場(chǎng)的杠桿，可以說(shuō)，沒(méi)有一整套的從上網(wǎng)、轉(zhuǎn)供、直至銷(xiāo)售的合理競(jìng)價(jià)理論與方法， 或者政府對(duì)電價(jià)沒(méi)有完善的市場(chǎng)規(guī)范、 控制模式和監(jiān)控系統(tǒng)， 電力市場(chǎng)就會(huì)夭折。 因此研究、 制定完整的電價(jià)理論與方法體系，是我國(guó)急待迫切解決的需運(yùn)用電力系統(tǒng)、管理科學(xué)、宏觀經(jīng)濟(jì)、模糊優(yōu)化、 資源環(huán)境、 人工智能等多學(xué)科、 多行業(yè)交叉理論， 對(duì)我國(guó)人口、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展， 對(duì)電力市場(chǎng)中

2、政府行為與企業(yè)的行為進(jìn)行研究， 以促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題。 本文作者通過(guò)承擔(dān)電力市場(chǎng)重大科研課題所進(jìn)行的實(shí)際研究， 構(gòu)造了確立發(fā)電側(cè)電力市場(chǎng)的上網(wǎng)電價(jià)最大熵技術(shù)的日有功優(yōu)化調(diào)度模型、 創(chuàng)立了政府對(duì)電價(jià)的控制模式和環(huán)保指標(biāo)量化為上網(wǎng)電價(jià)排序模型， 并對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的確立與能源及環(huán)境保護(hù)的理論提出了獨(dú)特的見(jiàn)解。2 研究的內(nèi)容與模式的建立2.1 上網(wǎng)電價(jià)的定價(jià)模式在當(dāng)前結(jié)構(gòu)性缺電的情況下，主要對(duì)發(fā)電側(cè)電力市場(chǎng)的上網(wǎng)電價(jià)進(jìn) 行研究、建模，然后，再過(guò)渡到供給充足的零售市場(chǎng)的上網(wǎng)電價(jià)競(jìng)價(jià)。 可采用模糊控制遺傳算法（FCGA）、最大嫡技術(shù)、智能工程等理論和方法， 根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)電企業(yè)或發(fā)電機(jī)組的所

3、有權(quán)結(jié)構(gòu)和還本付息的周期、 利息等不同，在考慮電量成本（邊際成本）最小的同時(shí)，兼顧考慮各廠、 各機(jī)組的發(fā)電容量成本。 既使發(fā)電容量總成本最小， 又使發(fā)電企業(yè)有還 本付息和再生產(chǎn)的能力。 本文作者通過(guò)實(shí)際研究，提出了電力系統(tǒng)日有 功調(diào)度的最大嫡技術(shù)尋優(yōu)法。2.1.1 最大嫡技術(shù)“嫡”是信息論中最重要的基本概念， 它表示從一組不確定事物中 提供信息量的多少。在多目標(biāo)決策中，最大嫡技術(shù)是一種十分有效的方 法，其基本原理如下：設(shè)Pj為狀態(tài)j的發(fā)生概率（1 <j <n）, gj為常數(shù)： If 尸” Ri* & H 1（。冬J = 1則嫡的定義為*H - - y , />； In

4、f p,舟） 戶(hù)i嫡函數(shù)是連續(xù)的、可微的凸函數(shù)。考慮一個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題max y = f1(x) , f2(x),，fk(x)s.t. hi(x) <0(1 <i <m)xG Rm,yG Rk其決策空間X= x | hi(x) <0,1 <i <nj ,目標(biāo)空間Y= y | y = f1(x),，fk(x) , xGX。在目標(biāo)空間Y中，決策者給定一個(gè)目 標(biāo)點(diǎn)g = (g1,g2,gk),其中g(shù)j為已知常數(shù)(j =1, 2,，k)。構(gòu)造問(wèn)題min D ，口2出) 產(chǎn)1% 力(工)<01 WJ支出這里 Dj 是距離函數(shù)，有 Dj(Z ' j,gj)&l

5、t;Dj(Zj , gj)(Zj<Z ' j<gj)或 Dj(Z ' j,gj)>Dj(Zj,gj)(Zj>Z ' j>gj)。把嫡函數(shù)作為距離函數(shù)，根據(jù)定義，我們希望得到一個(gè)解y*,它距離已知目標(biāo)點(diǎn)g = e1(y01, y02,，y0k)在嫡的意義下最近?？?以證明，當(dāng)?shù)蘸瘮?shù)達(dá)到它的無(wú)約束最小，有 y*j =e-1y0j(1 wjwk)。 則問(wèn)題可以改寫(xiě)為min D hlZ"郵 j-L兇，4一 _瓜濫)40 <1Cj4/Zi/a )0 r 1 二;卓 w 川 )其線性型式為mm D =上4 h/Zj 飛切)采用K-T法求

6、解hl/11tg+ I + rij =()-a門(mén)十。口；及o4 3 £ 0IX二力.TjC _ t Yj 4 J «, ) (J“Z - c )= Ufl -( AX - 0X、cf、卡 )0I W j £ 人 t W 1 W 股式中 a i表示系數(shù)矩陣A的第i歹U； aj表示對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)約束的對(duì)偶變量矢量；B表示對(duì)應(yīng)于約束條件 AXCb的對(duì)偶變量矢量；C表示目標(biāo)函數(shù)的系數(shù)矩陣（kxm）; cj是矩陣C的第j行；ci是矩陣C的第i歹I。2.1.2日有功優(yōu)化調(diào)度的最大嫡技術(shù)尋優(yōu)法模型mil l 2£即屬)卬吉+ 1-1 -1的一 IT1-1)(2)min

7、 D = Z1 ln(Z1/y01) + Z2 ln(Z2/y02)氧t.一一甲用十e=-l £ = 1國(guó)。)式口 - 1心7)«=i ;= I=r%加(6)(13)略。式(1)的第1項(xiàng)為發(fā)電容量成本，第2項(xiàng)為啟動(dòng)費(fèi)用，上標(biāo)t表示 一天中相應(yīng)的時(shí)段序號(hào)；下標(biāo)i為發(fā)電機(jī)組序號(hào)；n為發(fā)電機(jī)組數(shù)目； r為停機(jī)小時(shí)數(shù)；T為一天內(nèi)的時(shí)段數(shù)，根據(jù)運(yùn)行調(diào)度的要求可分為 24段、48段、96段或288段；式(2)中的Eti為機(jī)組i在時(shí)段t的上 網(wǎng)電量邊際成本；Pti為機(jī)組i在時(shí)段t的有功功率變量；Uti為0或 1的變量，表示機(jī)組的啟停狀態(tài)。(6)(13)式的約束條件分別為有功功率平衡約束、

8、旋轉(zhuǎn)備用約束、機(jī)組容量約束、水庫(kù)水位約束、政府限制電價(jià)約束、環(huán)保條件約束、機(jī) 組起停約束和用戶(hù)功率響應(yīng)速度約束等。根據(jù)式(1)(13)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，本文作者結(jié)合各類(lèi)機(jī)組的 容量電價(jià)和各機(jī)組的電量電價(jià)， 從而排定各機(jī)組的上網(wǎng)順序和確定建售 電價(jià)。容量電價(jià)(CE)采用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)容量電價(jià)模式，對(duì)不同電能質(zhì)量的電廠(機(jī)組)分類(lèi)別(如基荷、腰荷、峰荷，按其在電網(wǎng)中的作用確定其分類(lèi))支付容量電價(jià)， 同類(lèi)機(jī)組容量電價(jià)水平相同。 并且對(duì)參與上網(wǎng)的機(jī)組確定年計(jì)劃發(fā)電量數(shù)，按年、季、月、周進(jìn)行分解，由電廠與購(gòu)電代理機(jī)構(gòu)簽訂購(gòu)電合同。 上網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電機(jī)組的年計(jì)劃電量數(shù)未完成的， 應(yīng)由購(gòu)電代理機(jī)構(gòu) ( 或保險(xiǎn)合同

9、簽訂方 ) 予以補(bǔ)償。電量電價(jià)(SMP)實(shí)行報(bào)價(jià)排序，電價(jià)低的電廠(機(jī)組)優(yōu)先上網(wǎng)，達(dá)到預(yù)測(cè)負(fù)荷后， 競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的最后一臺(tái)機(jī)組的電量電價(jià)作為所有上網(wǎng)機(jī)組的結(jié)算電量電價(jià)，并實(shí)行最高報(bào)價(jià)和最低報(bào)價(jià)限制。各電廠的躉售電價(jià)(pool purchase price) 為容量電價(jià)與電量電價(jià)之和，即PPP= C斗 SMP(14)某電廠在某一時(shí)段的發(fā)電凈收入(NR) 為：NR= QX PmQC< (Pc Pm) Qx Pi(15)式中 Q為上網(wǎng)電量；Pm為結(jié)算電量電價(jià)(上網(wǎng)電價(jià))；Qc為容量合同電量； Pc 為容量合同電價(jià)； Pi 為單位電量成本。高耗少發(fā)， 低耗多發(fā)， 這是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度最基本的原則， 也

10、就是說(shuō)，在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)機(jī)組與不經(jīng)濟(jì)機(jī)組并存時(shí)，讓那些發(fā)電成本高的機(jī)組不發(fā)電， 長(zhǎng)期處于調(diào)峰備用狀態(tài)， 而使發(fā)電成本低的高效大機(jī)組多發(fā)電， 帶滿(mǎn)負(fù)荷，從全局利益出發(fā)，這是合理的。采用式 (115)的調(diào)度方式，有利于將發(fā)電負(fù)荷從發(fā)電成本高的電廠( 機(jī)組 ) 轉(zhuǎn)移到發(fā)電成本低的電廠(機(jī)組 ) ， 而發(fā)電成本高的電廠因獲得容量補(bǔ)償， 可以還本付息， 且在用電高峰期可被調(diào)度上網(wǎng)發(fā)電。 因水電廠電量電價(jià)一般均低于火電廠電量電價(jià)， 按電價(jià)優(yōu)序上網(wǎng)， 即首先保證了水能的充分利用， 從而使資源得到了有效配置，節(jié)約了能源。2.2 實(shí)時(shí)電價(jià)的定價(jià)依據(jù)2.2.1 實(shí)時(shí)電價(jià)的確定在電力市場(chǎng)條件下， 實(shí)時(shí)電價(jià)是著眼于電力的瞬

11、時(shí)供需平衡， 兼顧電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行， 以電力的長(zhǎng)期邊際成本結(jié)合短期邊際成本為定價(jià)依據(jù)的一種定價(jià)方法， 它利用電力市場(chǎng)供需狀況對(duì)電價(jià)的影響， 自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)用戶(hù)負(fù)荷， 通過(guò)經(jīng)濟(jì)利益激勵(lì)用戶(hù)配合市場(chǎng)調(diào)度員， 共同實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷在一定時(shí)空的最佳分布，從而實(shí)現(xiàn)電力商品的社會(huì)價(jià)值最優(yōu)。就電力的短期供給與需求而言， 在某一時(shí)點(diǎn)， 國(guó)民收入、 季節(jié)氣候、物價(jià)指數(shù)、 電力的生產(chǎn)成本等可視為既定， 從而價(jià)格成為調(diào)節(jié)需求與供給的唯一因素，電力的需求函數(shù)和供給函數(shù)可表示為Qck D(Pt)(16)Qa S(Pt)(17)式(16) 與式 (17) 的關(guān)系可表示如圖 1圖1電力的供給與需求FIg.1 Supply an

12、d demand of electricity power圖1中E為供給與需求的均衡點(diǎn)， 所對(duì)應(yīng)的均衡量為Qe,均衡價(jià)格 為Pe。設(shè)負(fù)荷高峰期時(shí)，電力的需求量為QZ此時(shí)若沿用傳統(tǒng)的平坦電價(jià)，假設(shè)為P1,因P1低于均衡價(jià)格Pe,且小于電力邊際成本，發(fā)電 企業(yè)在P1價(jià)格下只愿意供給電力 Q1,從而出現(xiàn)缺電，缺電負(fù)荷為 Q= Q2 Q1。若在傳統(tǒng)的用電計(jì)劃管理體制下，電力部門(mén)不得不采取拉閘限電的措施，強(qiáng)迫電力的需求與供給保持均衡。而在電力市場(chǎng)條件下，用戶(hù)的供電可靠性必須得到保障。 用電需求的減少只能靠電價(jià)激勵(lì)用戶(hù)自 覺(jué)地調(diào)整，即通過(guò)實(shí)時(shí)電價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用實(shí)時(shí)電價(jià)，當(dāng)需求為Q2時(shí)，價(jià)格應(yīng)上升為P2, P

13、2大于均衡價(jià)格Pe, 一方面可促使發(fā)電企業(yè)為追求 超額利潤(rùn)而提高出力，另一方面可促使電力用戶(hù)（特別是大用戶(hù)），為減 少產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而減少高峰時(shí)用電、調(diào)整生產(chǎn)班次、調(diào)整負(fù)荷的時(shí) 間分布、增大低谷時(shí)用電（低谷的實(shí)時(shí)電價(jià)，低于電力的邊際成本），削 峰填谷，提高負(fù)荷率。因此，可以說(shuō)電力需求的大小反應(yīng)為實(shí)時(shí)電價(jià)的 高低，正是實(shí)時(shí)電價(jià)不同時(shí)段的價(jià)差在自動(dòng)調(diào)整著電力的供給與需求的 均衡，從而實(shí)現(xiàn)資源的有效配置。2.2.2 實(shí)時(shí)電價(jià)的定價(jià)依據(jù)對(duì)電力生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，企業(yè)的最佳產(chǎn)量水平，即企業(yè)獲得最大利潤(rùn) 的條件是邊際收益等于邊際成本，即MR= MC向用戶(hù)供電的邊際成本可以定義為：由于需求的微量變化而引起的供電

14、總成本的改變量。如用P表示電價(jià)，Q表示電力需求，TR表示總收益，TC表示總成本，則可用 公式表7K為T(mén)R= P.Q(18)MCi=鬻=刎聲(19)當(dāng)P為常數(shù)，即當(dāng)P= Pe時(shí)，MC MR= Pe(20)式(20)說(shuō)明，當(dāng)市場(chǎng)價(jià)格等于邊際成本時(shí)，電力企業(yè)的生產(chǎn)效益達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，用戶(hù)獲得電價(jià)等于邊際成本的電力，從而社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)，由此說(shuō)明電價(jià)應(yīng)按邊際成本制定。應(yīng)用長(zhǎng)期邊際成本確定容量電價(jià)已為世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的電力企業(yè)廣泛采用。所謂長(zhǎng)期邊際成本，即在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于電能需求微小增量所引起的發(fā)供電總成本的改變 量。這是因?yàn)殡娏ζ髽I(yè)是資金密集型的行業(yè)，當(dāng)系統(tǒng)需要根據(jù)總成本最小和和限制停電損失風(fēng)險(xiǎn)的目

15、標(biāo)來(lái)確定投資規(guī)模時(shí)，需求的增加將要求擴(kuò)建發(fā)供電設(shè)備， 引起容量成本、 電量成本和用戶(hù)成本的變動(dòng)， 即長(zhǎng)期邊際成本（long range marginal cost, 簡(jiǎn)稱(chēng)LRMC的變化。而實(shí)時(shí)電價(jià)從嚴(yán)格意義上說(shuō)是“當(dāng)時(shí)發(fā)生”的發(fā)電和輸電費(fèi)用， 即能精確地反映價(jià)格瞬時(shí)微小的變化。 而從實(shí)際出發(fā)， 人們一般采取半小時(shí)或一刻鐘的實(shí)時(shí)電價(jià)， 在半小時(shí)或一刻鐘的時(shí)間間隔內(nèi)， 系統(tǒng)的發(fā)電裝機(jī)容量一般來(lái)不及改變，只有燃料成本、維護(hù)費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)損耗等相應(yīng)改變。因此，實(shí)時(shí)電價(jià)應(yīng)以電力短期邊際成本（short range marginal cost, 簡(jiǎn)稱(chēng) SRMC）作為定價(jià)依據(jù)。2.3 政府對(duì)電價(jià)的控制模式根據(jù)市

16、場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)成完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的重要條件是產(chǎn)品是同質(zhì)的，無(wú)差異的。產(chǎn)品有差異，就會(huì)出現(xiàn)壟斷，不同電廠由于其裝機(jī)容量和所處電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)位置不同， 對(duì)電網(wǎng)的安全、 可靠供電影響不一樣， 電能質(zhì)量不一樣，即電力產(chǎn)品存在差異。并且，電力工業(yè)是投資大、成本高、 資本密集型行業(yè)， 電力生產(chǎn)的供給主要是由為數(shù)不多的大、 中型發(fā)電企業(yè)所承擔(dān)， 雖然實(shí)行競(jìng)價(jià)上網(wǎng)， 但單個(gè)企業(yè)對(duì)供給價(jià)格有較大的影響。 由于電力必須統(tǒng)一調(diào)度的特殊性， 在同一電網(wǎng)上， 電力交易的載體供配電網(wǎng)絡(luò)不可能由多家經(jīng)營(yíng)。 因此， 當(dāng)前世界所實(shí)行的電力市場(chǎng)實(shí)際是壟斷競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)，既有壟斷又有競(jìng)爭(zhēng)（詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)3 第二 章） 。由于電力已成為工農(nóng)業(yè)

17、生產(chǎn)和人民生活不可替代的二次能源，因此電價(jià)與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)， 一方面， 電價(jià)應(yīng)保證電力企業(yè)和投資者的合理收益，達(dá)到一定的盈利水平，以保障電力企業(yè)能擴(kuò)大再生產(chǎn)、自我發(fā)展；另一方面，要防止具有壟斷性質(zhì)的電力企業(yè)任意抬高電價(jià)，獲取過(guò)多超額利潤(rùn)，從而損害廣大消費(fèi)者的利益， 給國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和國(guó) 家的安定團(tuán)結(jié)造成影響。因此，在計(jì)劃管理體制下，國(guó)家要對(duì)電價(jià)實(shí)行 管制；在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，國(guó)家必須對(duì)電價(jià)實(shí)行控制。 控制電價(jià)的原則 是以電力成本計(jì)算為基準(zhǔn)。若取系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電企業(yè)的平均電力生產(chǎn)的長(zhǎng)期邊際成本LRMC乍為電力市場(chǎng)的均衡價(jià)格 Pe,根據(jù)式(19),則實(shí)時(shí)電價(jià)P可表示為：尸=<匕J.等口 (Q

18、< Q.)(21)式(21)中 Qe為P= Pe時(shí)的均衡負(fù)荷，AQ為相對(duì)于均衡負(fù)荷的改變率， 實(shí)時(shí)電價(jià)控制線Pt與邊際成本曲線MC需求曲線D的關(guān)系如圖2所示。訃保 必 fl MV圖2實(shí)時(shí)電價(jià)的控制FIg.2 Control of Real time pricing of electricity圖2中，實(shí)時(shí)電價(jià)應(yīng)按Pt線右下方MCft線定價(jià)，不能超越Pt控制線，Pt控制線的斜率取決于dP/dQ的大小，即反應(yīng)了需求的價(jià)格彈性。 dP/dQ 的大小可根據(jù)國(guó)家不同時(shí)期的能源、電價(jià)政策、國(guó)民收入、物價(jià)指數(shù)等予以確定，Pt線與MCft線相交于A和E兩點(diǎn)。當(dāng)Qe<Q<QA時(shí)，實(shí)時(shí)控制電價(jià)

19、Pt大于邊際成本 MC當(dāng)Q<QB寸，Pt小于MC這有利于促使電力用戶(hù)自動(dòng)調(diào)整電力負(fù)荷， 削峰填谷， 并促使發(fā)電企業(yè)增大出力，減少旋轉(zhuǎn)備用。當(dāng) Q>QA寸，Pt小于MC這有利于穩(wěn)定電價(jià)，促使電力企業(yè)挖潛降耗。也就是說(shuō)，當(dāng)Q>QA按邊際成本（含缺電損失）確定的 P 過(guò)大時(shí)，電價(jià)控制部門(mén)要進(jìn)行限價(jià)，即強(qiáng)迫發(fā)供電企業(yè)按Pt控制線報(bào)價(jià)上網(wǎng)。 當(dāng)然， 在電力市場(chǎng)條件下， 強(qiáng)迫不能以行政手段執(zhí)行，只能通過(guò)與發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)合同予以實(shí)現(xiàn)。當(dāng) Q<Q的，Pt的上網(wǎng)價(jià)過(guò)低， 會(huì)使發(fā)電企業(yè)遭受損失， 這可由經(jīng)濟(jì)調(diào)度予以彌補(bǔ)， 或由經(jīng)濟(jì)合同予以補(bǔ)償。此外，E點(diǎn)的選擇，即Qe的選擇，既可由LRMC

20、1定，也可按不同季節(jié)、月份選取歷史年中有代表性的時(shí)點(diǎn)予以修正確定。2.4 環(huán)保指標(biāo)量化為上網(wǎng)電價(jià)的排序模式對(duì)環(huán)境的保護(hù)關(guān)系到人類(lèi)的健康、 生存與發(fā)展。 我們一方面要多發(fā)電， 保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 人民生活所需和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的需要， 另一方面要少污染或者不污染環(huán)境， 僅靠上網(wǎng)電價(jià)的定價(jià)模式中的環(huán)保條件約束（ 即對(duì)污染超標(biāo)的電廠或（ 機(jī)組 ） 不允許上網(wǎng)） 是不夠的， 還必須把環(huán)保指標(biāo)量化， 使那些對(duì)環(huán)保設(shè)施投資大， 環(huán)保措施得力的企業(yè)獲得利益。 這樣， 才能激發(fā)眾多的電廠為凈化環(huán)境而努力。 如果將電廠煙囪空氣凈化指標(biāo)達(dá)標(biāo)度為 1，灰渣液排入江河潔凈達(dá)標(biāo)度為 1，核電廠核幅射率達(dá)標(biāo)度為 1，則創(chuàng)立考慮環(huán)保指標(biāo)后的上網(wǎng)某機(jī)組的報(bào)價(jià)的公式為：P i = P ie + (1