【精彩论文】适应中国电力市场改革现状的输电权分配机制

适应中国电力市场改革现状的输电权分配机制

甘子莘, 荆朝霞, 谢文锦, 刘煜, 潘湛华

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641）

摘要：针对现货市场改革后不同发电主体之间利益分配变化较大的问题，提出了一种实用的市场过渡方案。首先，介绍中国中长期交易市场和现货市场的基本情况，分析现货市场运行后可能存在的问题；然后，从福利分配和产权公平的角度，提出通过分配金融输电权（financial transmission right，FTR）解决现有问题的市场改革过渡方案。该方案考虑现货市场改革前后输电权的所有关系，根据输电权的基本理论，将部分输电权分配给发电企业的输电权机制。通过IEEE 14节点算例对该方法有效性的验证表明，该种机制可以在不影响市场效率的情况下缩小现货市场后不同发电企业之间的利益变化，有利于市场的平稳过渡。

引文信息

甘子莘, 荆朝霞, 谢文锦, 等. 适应中国电力市场改革现状的输电权分配机制[J]. 中国电力, 2021, 54(6): 54-61.

GAN Zishen, JING Zhaoxia, XIE Wenjin, et al. Financial transmission right mechanism and its application in china electricity market[J]. Electric Power, 2021, 54(6): 54-61.

引言

自2015年电改9号文发布以来，中国电力市场改革在中长期市场建设、售电市场建设、增量配网改革等多个领域取得了进展，用户终端电价下降，社会获得了巨大的红利。目前电力市场改革已经进入深水区：一方面，改革从中长期市场建设推进到现货市场建设；另一方面，改革的关注点逐渐从市场机制的建立到体制的改革以及市场效率的提高^[1]。电力市场改革的目标包括效率和公平两大方面。效率是指在有限的资源、技术和经济等约束情况下，提高电力系统资源的配置效率，最大限度满足电力用户的需求，实现社会总福利的最大化；公平是指社会总福利在不同市场参与者之间合理分配，包括不同区域、不同环节（发、输、配、售）、不同类型（如火电与水电）的市场参与者之间的分配。改革前后不同市场参与者福利变化过大，常常是制约改革的重要因素。因此，在电力市场改革的过程中应尽量避免改革后，特别在改革初期不同市场参与者在福利分配上发生过大的变化^[2]。目前，中国已有多个省份逐渐开展了现货电能量市场改革，通过市场竞争方式确定下一出清时段各发电机组的中标电量及价格。在现货市场机制下，发电侧按所在节点的电价结算，不同位置的发电机组将面临不同的价格；市场按时段出清，在满足机组运行约束、电网安全等约束下，以社会福利最大化为优化目标确定机组出力曲线。交易需要在每个时段平衡，不同位置的机组能够获得的市场电量受到电网阻塞的影响。出清电价和出清电量的变化将直接导致不同位置的机组发电利润产生很大变化。然而中国的发电企业投资时大都经过了国家的审批，部分发电企业还承担了许多社会责任，在计划发电的机制下能够保证不同位置的电厂的利润，但市场改革后发电企业的全部电量通过市场竞价，某些电厂因较高的历史成本无法通过电力市场的统一价格得到回收，形成搁浅成本（stranded cost），使投资者的利益无法得到保证，导致改革过程中出现了一定程度上的公平问题，市场福利分配并不完全合理。因此，需要研究制定一套合理的过渡方案，保证改革的平稳推进。解决福利分配的一种常用手段是产权的初始分配。电力市场中的发电权和输电权都是用来调整不同市场主体利益的工具。市场改革的本质是改革前后不同市场主体的责、权、利发生了变化。从权利的角度，不同位置发电企业利润的变化本质上是因为现货市场改革使其发电权和输电权发生了变化。发电权的变化体现在由节能发电调度的计划安排方式转变为通过市场竞争获得的方式。输电权的变化体现在：在市场改革前，不同位置的发电企业的月度发电量计划基本能够保障，受到电网阻塞的影响较小。不同位置的发电企业的输电权大致相同。实施节点电价为基础的现货市场后，发电量受电网阻塞的影响较大，不同位置的发电企业的输电权会有较大不同。输电权按权利类型可分为物理输电权和金融输电权^[3]，目前大多数市场中的输电权均为金融输电权，本文后续提到的输电权也均指金融输电权^[4]。金融输电权的基本定义是：赋予其持有者获得输电服务送达节点和注入节点间节点电价差对应的财务收益的权利^[5-8]，从不同的角度可分为点到点输电权/基于关键支路的输电权、期权型输电权/责任型输电权等^[9-10]。目前关于金融输电权的研究主要集中在机制评估和实际应用效果方面。文献[9]介绍了点到点金融输电权和基于关键支路输电权的基本设计理论和拍卖交易机制，但对输电权的分配机制没有过多介绍。文献[10]对输电权的收益充裕度问题进行了深入研究，其主要观点是输电权的分配结果需要满足系统的同时可行性测试。文献[11-12]对输电权的发展历史进行了综述，对输电权的分配机制、交易机制、同时可行性测试、输电投资的影响等各个方面进行了评估，总结了直接分配和引入拍卖收益权这2种输电权的分配方式，提出引入拍卖收益权进行输电权的分配，有助于更好地管理金融输电权的同时可行性。文献[13-15]从输电阻塞管理的角度，对金融性输电权和物理性输电权进行了比较。文献[16]对输电权市场力的问题进行了讨论。实际应用方面，文献[17-18]对加州和PJM的输电权机制进行了介绍。文献[19-20]针对第一轮改革时华东电力市场的建设现状提出了未来华东电力市场发展金融输电权的设计方案，但主要是为了解决阻塞管理和风险规避的问题。上述文献对输电权的种类和分配机制、交易机制等进行了分析研究，但并没有结合中国电力市场的现状设计输电权的分配机制，以更好地兼顾市场改革过程中的效率和公平。输电权作为一种财产权，其分配的基础是对电网使用权利的定义^[21]。美国电力市场中一般由用户缴纳输电费，因此将全部或大部分输电权分配给缴纳了输电费的输电用户（包括点到点用户和网络用户）^[18,22]。从电网使用权利的角度，实施节点电价为基础的现货市场后，不同位置的发电企业的输电权利将会有较大不同。这种变化将带来一些社会问题。因此，在过渡期间，为了市场改革的平稳过渡，电网使用权利可以定义给发电侧。从阻塞风险的角度，目前中国大部分电力市场用户采用全省统一的结算参考点的电价结算；发电按照所在节点的电价结算，阻塞盈余分摊给所有用户，阻塞风险由发电侧承担^[23-24]。为了解决发电侧阻塞风险的问题，可以将输电权分配给发电侧。综合上述分析，本文提出一种将部分输电权分配给发电企业的机制，着眼于解决中国电力现货市场改革后不同发电主体之间利益分配变化较大的问题，并通过算例进行分析讨论。

1  中国电力现货市场改革概况及存在的问题

为了推进电力市场化改革进程，中国选择了8个地区作为第一批电力现货市场建设试点。目前，各试点地区都在稳步推进现货市场建设，发布了现货市场规则的征求意见稿，部分地区启动了试结算运行。试点地区现货市场采用节点电价机制，通过安全约束机组组合（SCUS）和安全约束经济调度（SCED）确定开机组合和分时出力曲线；用户按统一结算点电价结算，发电按所在节点电价结算。在市场初期，各试点地区对金融输电权的规定和研究较少，并未给出一个明确合理的输电权分配方式。各试点地区初期现货市场的规则可以从多方面完善。本文主要从改革前后不同市场主体价格、利润的变化以及市场风险的角度分析现在市场规则下存在的问题以及进一步完善之处。（1）发电侧的现货市场节点价格的波动风险无法完全规避。以广东为例，在广东电力市场规则中，中长期差价合约的基准价格为全网的统一参考节点的价格P_av。结算公式为

式中：M_g 为发电企业中长期合约和现货市场收入；P_m 、 Q_m 分别为发电机所在节点日前市场出清电价、出清量；Q_c 为中长期合约量；P_c 为中长期合约价；P_av 为日前市场统一结算点电价。

当 Q_c=Q_m 时，式（1）为

从式（2）看出，系统没有阻塞，即P_m=P_av时，发电商的收入是确定的，但当P_m≠P_av时，就增加了式（2）中第2项的部分收益。当P_m＜P_av时，该项为负，即发电商面临收益减少的风险。也就是说，由于中长期差价的基准价格不是电厂现货市场的上网电价，当系统发生阻塞时，电厂即使签订了差价合约，仍然无法将价格波动的风险完全规避。当所在节点的价格低于系统参考点的价格时，将面临收益减少的风险。

（2）市场改革前后发电侧的福利分配会发生较大的变化，不利于市场的平稳过渡。现货市场后，导致不同发电主体之间福利分配的变化原因有：①电量的影响。由于电网阻塞一般不会一直发生，现货市场前企业成交的月度电量可以在一个月内进行调整，受网络约束影响不大。现货市场后，市场按时段出清，一些时段必然会发生阻塞，造成不同发电企业出力水平及收益的变化。②节点电价的影响。广东现货市场对发电侧采用节点电价机制，不同位置的电厂在现货市场中的结算价格不同。即使发电机组的月度总发电量相同，不同位置的机组的收益也会有较大的差别。

2  输电权分配机制设计

2.1  输电权分配模型

本文提出的输电权分配机制主要是从公平的角度解决现货市场后造成的不同发电企业之间福利变化过大的问题。输电权分配的原则是在不降低市场总体效率的前提下使改革前后总福利在不同市场主体之间（本文中即为发电企业）的分配变化尽量小。结合本文的问题，分别用总发电成本和不同发电企业改革前后利润变化的标准差来评估。输电权的分配不会影响现货市场的出清结果，因此对市场的效率不会产生影响。基于此，本文提出输电权的分配模型以发电企业的利润变化的标准差最小为目标，即有

式中：σ 为利润变化标准差；n为机组总数；ΔR_i,t 为机组i改革后的利润变化；为所有机组利润变化的平均值。

输电权分为责任型输电权和期权型输电权。当期权型输电权与阻塞潮流反方向时，输电权目标收益为0。

对责任型输电权有

对期权型输电权有

式中：为机组i在时段t的现货市场收益；为时段t的用户侧统一结算点电价；J_i,t 为机组i所在节点的时段t的节点电价；为采取计划发电模式（节能发电调度）下机组i在时段t的收益；F_i,t 为机组i在时段t分配的输电权数量。

考虑模型求解的简便，可以将模型目标由标准差最小转换为机组利益变化绝对值最小。

对责任型输电权有

对期权型输电权有

需要考虑的约束条件如下。

（1）同时可行性测试。同时可行性测试是为了确保输电权的分配量不超过输电系统的容量约束，采用直流潮流模型计算。具体过程为：将分配给发电机组的输电权模拟成注入节点的发电机，功率大小为分配的输电权数量；将所有输电权分配的总量按照各负荷节点的负荷大小按比例再分配到各个节点。

机组出力约束条件描述为

式中：分别为机组出力上、下限。

线路潮流约束描述为

式中：为线路l的潮流传输极限；G_l−i 为机组i所在节点对线路l的发电机输出功率转移分布因子；N为机组总数量；G_l−k 为节点k 对线路l 的发电机输出功率转移分布因子；D_k,t 为节点k 在时段t分配到的母线负荷值；K为系统的节点数量。

（2）收益充裕性约束。为了避免阻塞盈余和输电权收益不匹配导致的资金不平衡问题，增加收益充裕性约束。

对责任型输电权有

对期权型输电权有

式中：M_t为时段t的阻塞盈余。

2.2  输电权分配模型求解

（1）计算现货市场模式和计划发电模式下的机组收益以及现货市场的阻塞盈余。本文提出的输电权分配模型以机组发电收益变化最小为目标进行分配，首先根据市场出清和结算规则计算现货市场模式下的机组收益和计划模式下的机组收益即有

式中：分别为现货市场模式下和改革前计划模式下机组i在时段t的发电量；和分别为现货市场模式（日前市场出清价）下和计划模式下机组i在时段t的结算价格；C_i,t 为机组i的平均发电成本。

阻塞盈余计算公式为

式中：L_t 为时段t的总用电量。

（2）计算节点对线路的发电分布转移因子。节点i对线路l的发电分布转移因子是指在节点i增加单位发电功率，平衡节点增加单位负荷功率时，线路l发生的潮流变化，采用直流潮流模型计算。

（3）分配模型求解。输电权分配模型的目标是包含绝对值的线性函数。模型求解是一个含绝对值的线性规划问题。为了求解方便，将含绝对值的目标函数转换为一般的不含绝对值的线性函数，使模型成为一般的线性规划问题，再采用一般的线性规划方法求解。具体转换过程如下。

数学上，对任意的x，存在u,v＞0，满足x=u−v; |x|=u+v，令：

求解上述方程组，得

为了简化模型，记将式（15）代入原模型中，得

在输电权的时段划分上，输电权的分配时段可以和市场出清时段不同。为了简化相关机制，市场初期可以将多个出清时段进行合并，以多个时段发电量的平均值来进行输电权的分配。期权型输电权分配模型求解过程类似，本文不再赘述。

3  算例分析

为了评估输电权机制的有效性，采用标准 IEEE 14 节点算例进行分析，其结构如图1所示，系统负荷曲线设置如图2所示。

图1  IEEE 14节点系统结构

Fig.1  Diagram of IEEE 14 bus system

图2  系统负荷曲线Fig.2  System load curve of IEEE 14 bus system
各节点分时段的负荷根据图1中的负荷比例进行分配。发电机组边际成本曲线设置如图3所示。

图3  发电机组边际成本曲线

Fig.3  Marginal cost curve of the generator unit

本算例假设机组按边际成本报价，采用安全约束机组组合（SCUS）和安全约束经济调度（SCED）确定开机组合和分时出力曲线，然后计算各机组在现货市场下的发电收益；采用节能发电调度方式计算各机组在计划模式的发电收益。为简化分析，输电权分配时段合并为9个时段，然后分析现货市场有无发电侧分配输电权机制下发电侧收益变化标准差的情况，计算结果如图4~5所示。

图4  不同负荷水平下发电利润变化标准差
Fig.4  Standard deviation of generation revenue variation under different load levels
图5  不同负荷水平下系统总发电成本Fig.5  Generation cost under different load levels
从图4~5结果可以看出，现货市场中引入发电侧的输电权分配机制，可以同时实现效率和公平2个目标：一方面，在福利分配方面起到了缓解市场改革给各发电主体带来的利益变化，有利于市场平稳推进；另一方面，该方式不会造成社会总福利降低，保持了现货市场在运行优化方面的优势。在福利分配方面的效果与负荷情况、市场力情况、输电权类型的定义等有关，输电权分配中相关参数的设置需要在对电网具体情况进行更加深入的定量研究基础上确定。将部分输电权分配给发电侧后的另外一个结果是发电侧的整体收益增加，用户总体的支付将增加。也就是说，部分社会福利从用户转移到了发电。但这实际上只是一个静态的结论。文献[23-24]的分析结果表明，市场主体在市场中的报价策略会受到市场规则影响，不同市场规则下的市场价格长期主要受到供需水平的影响。

具体到本文的方案，只要限制发电侧的总电价上限（包括输电权收益价格分量）不变，这种方法长期就不会对整体电价有大的影响，影响的主要是发电侧总福利在不同发电企业之间的分配方式。因为输电权的分配不会影响现货市场的出清结果，对市场的效率并不会产生影响，所以所提方法不会影响市场运行或者市场参与者的行为，也不会影响市场的激励相容。

4  结语
现货市场改革能够降低总发电成本，提高社会总福利，但也可能导致总福利在不同市场主体间的重新分配。本文提出了一种基于发电的输电权分配方法，能够在不影响市场效率的情况下缩小现货市场后发电企业之间的福利分配变化，可以作为一种市场过渡的方案，再逐步把输电权都分配给缴纳输电费的市场主体，考虑到仅由用户缴纳输配电费，因此后期应该将输电权分配给用户。电力市场设计是一个系统化的工作，设计内容包括组织结构重构、交易产品设计、交易市场设计、交易规则设计、监管设计等不同环节，任何一方面规则的变动都需要考虑市场其他方面的影响。本文提出的输电权分配机制与输电定价机制、输电权利的定义有关，需要与输电定价改革相一致。建议在输电定价方面参考英国的做法，发电侧也缴纳一部分输电费，该输电费与其在电网中的位置相关，从而可以给发电投资提供与位置相关的经济信号。对发电企业分配的输电权，可以逐渐从主要考虑搁浅成本问题转到考虑缴纳输电价的情况，在不同位置、缴纳了不同输电费的发电机组可以分配到不同的输电权。本文仅提出了输电权分配的基本思路，后续还需要进行更加深入、定量的研究，包括考虑发电报价的动态性研究对整体电价水平的影响，未来分配机制的调整、与输配电价改革的结合、输电权类型的选择及相关参数的设置等。（责任编辑　李博）

作者介绍

甘子莘(1996—)，男，硕士研究生，从事电力市场研究，E-mail：[e-mail];

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荆朝霞(1975—)，女，通信作者，博士，教授，博士生导师，从事电力市场、电动汽车、电力系统运行与控制、综合能源系统研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

审核：方彤

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