电力市场定价机制对不同类型机组配置结构的影响.pdf
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第 32 卷 第 10 期 2008 年 5 月 25 日 V o l. 32 No . 10 M ay 25, 2008 电力市场定价机制对不同类型机组配置结构的影响 吕 魁1 , 胡汉辉1 , 胡绪华1, 2 ( 1. 东南大学集团经济与产业组织研究中心, 江苏省南京市 210096; 2. 江苏大学财经学院, 江苏省镇江市 212013) 摘要: 电力市场中的定价机制主要包括电力交易所一部制电价和电力库两部制电价 2 种。定价机 制不仅对总装机容量产生影响, 也会使机组的类型配置偏离社会最佳组合, 最终导致总发电成本的 上升。在完全竞争的电力市场中, 研究了 2 种定价机制对不同类型发电机组配置结构的影响, 发现 电力库模式中的容量费用会导致峰荷机组的过度投资, 而附加费用和高峰需求的不确定性会导致 基荷机组的过度投资。 关键词: 机组配置; 一部制电价; 两部制电价; 容量费用; 附加费用; 电力市场 中图分类号: T M 73; F 123. 9 0 引言 电力市场化改革的目标之一是使政府垄断和价 格控制减至最小, 尽可能采用市场机制来确定电力 价格。现行的电力市场定价机制包括电力交易所模 式的一部制电价和电力库模式的两部制电价 2 种机 [ 1] 制 。一部制电价只含能量市场的出清价, 不含附 加费用, 而两部制电价是在市场出清价的基础上增 加容量费用。学者们对定价机制对装机容量的影响 进行了深入研究。文献[ 2] 认为须建立容量费用的 机制以最终保证长期电力供应的充裕性。文献[ 3] 认为单一的能量电价能正确引导发电商对装机容量 的投资。此外, 文献[ 4] 分析了装机容量市场的价格 水平对发电容量的影响。文献[ 5] 在考虑限电损失 和停电风险的基础上研究了最优装机容量问题。文 献[ 6] 分析了国内装机容量的过度投资行为。文献 [ 7] 在歧视定价和统一定价模式下分析了生产者的 总利润、 消费者剩余和整个社会福利。文献[ 8] 基于 实物期权理论, 研究了单一电价、 容量费用及容量市 场对装机容量的影响。到目前为止, 研究定价机制 对发电机组配置结构影响的文献还不多见。 为了适应变化的电力需求, 发电机组通常分为 基荷机组、腰荷机组、 循环机组和峰荷机组等 [ 9] 。不 同类型的机组其成本结构不同, 如果机组的配置结 构与负荷需求相适应, 则发电产生的社会总成本将 会最少。在电力市场发电侧已引入竞争机制的情况 下, 显然不同的价格机制会影响发电厂商对不同类 型机组的投资选择。 收稿日期: 2008- 02- 26; 修回日期: 2008- 03- 19。 国家自然科学基金资助项目( 70473013) 。 本文分别探讨了电力库和电力交易所模式对装 机容量和不同类型机组容量配置结构的影响, 并与 社会最佳装机容量和容量配置结构相对比; 进一步 分析了当高峰需求存在波动性时, 考虑启动成本时 电力库模式的附加费用对不同类型机组的容量配置 结构的影响。 1 模型假设和问题简化 为分析方便, 不失一般性, 本文假设有 2 种发电 机组, 一是基荷机组, 二是峰荷机组。这种分类足以 讨论问题的本质, 更细的分类只是增加讨论过程的 [ 1] 复杂性, 并不改变结论。每类机组的平均成本为 : A = F+ C ( 1) f 式中: F 为发电机组的固定投资按机组寿命分期偿 还的折旧成本; C 为边际成本; f 为归一化的发电持 续时间, 指单位装机容量在 1 a 中用于发电的时间 除以 1 a 总时间( 8 760 h) , 也反映了单位装机容量 在 1 a 中被调用的概率。 基荷与峰荷机组固定成本间的关系为 F b > F p , 而可变成本间的关系为 C b < C p , 各种机组的 f [ 1; 下标 b, p 分别指基荷机组、 峰荷机组。 现实情况中, 基荷机组与峰荷机组的成本间存 在以下关系: Cp - Cb > Fb - Fp ( 2) 在需求方面, 假设归一化持续负荷曲线如图 1 所示。图中, Q 为用电量, Q1 为基本电力需求, 小于 Q1 的负荷持续时间覆盖全年。假设社会用电最高 需求为 Q4 。Q2 至 Q 3 段负荷为高峰需求, 由峰荷机 组提供; f p 为峰荷机组的最大持续 时间, 也是基荷 机组提供电力的最小持续时间; 而 Q3 至 Q4 段负荷 ) 23 ) 2008, 32( 10) 超过了总装机容量, 为尖峰需求, 对应的时间是失负 荷时间 f s 。 Q 3 = Q4 - Fp ( Q4 - Q1 ) V - Cp L ( 8) 3 电力库模式容量费用的影响 图 1 归一化的持续负荷曲线 Fig. 1 Normalized load duration curve 负荷曲线由图中数据可得方程: 1 0 [ Q < Q1 f = Q4 - Q Q1 [ Q [ Q 4 Q 4 - Q1 ( 3) 2 社会最佳装机容量 当需求一定时, 机组总成本最小化即为社会最 优解。根据文献[ 1] 中利用筛选曲线确定机组配置 的方法可知, 当峰荷机组的平均成本小于或等于基 荷机组的平均成本时, 即 A p [ A b 成立时, 机组的总 成本最小。取等式并结合式( 1) 可得基荷机组最优 发电时间为: Fb - F p fp= ( 4) Cp - Cb 当发电时间大于 f p 时调用基荷机组, 发电时间 小于 f p 时调用峰荷机组, 这样发电机组的总成本最 小。 由式( 1) 、 式( 4) 可得基荷机组的社会最佳装机 容量为: Fb - Fp Q 2 = Q4 ( Q4 - Q1 ) ( 5) Cp - Cb 失负荷时间 f s 为: Fp + Cp = V L ( 6) fs 式中: V L 为失负荷价值, 指用户为避免停电而愿意 [ 10] 支付的保险金 , 以中断单位负荷时用户损失的价 [ 1] 值 表示, 代表社会多用 1 单位电量的边际收益。 式( 6) 等号左边为峰荷机组的平均成本, 代表社 会多投资 1 单位发电容量产生的边际投资成本。当 式( 6) 成立 时, 得 到 社会 最佳 的 失 负荷 时 间。 由 式( 3) 、 式( 5) 和式( 6) 可解得峰荷机组最佳装机容量 为: Fp - F b Fp Q3 - Q 2 = ( Q4 - Q 1 ) ( 7) Cp - Cb V L - Cp 由式( 5) 、 式( 7) 得社会最佳总装机容量为: ) 24 ) 3. 1 英国电力库模式定价规则 在英国电力库模式的运行规则下, 对中标机组 采 用两 部 制 电 价, 包 括 系 统 边 际 价格 和 容 量 费 用[ 1 0] , 其公式为: S R = S MP + L OL P ( V L - S M P ) ( 9) MP OL P 式中: S 为系统边际价格; L 为失负荷概率, 其意 义同 f s , 由规划编制者根据预测的负荷量和可用发 电量计算得到[ 10] 。 当发电投资达到长期均衡时, L OL P 即为负荷量 超过总装机容量 Q 3 的概率。假设发电侧是完全竞 争状态, 竞价机制可保证电厂以其实际边际成本报 价。对于非中标机组, 在电力库模式下, 只要是可用 [ 6] 机组, 虽不能获得电能费用, 但可获得容量费用 。 3. 2 峰荷机组固定投资的回收 在电力库模式下, 因为有容量费用作为对固定 投资的补偿, 在完全竞争条件下, 理想状态下不产生 尖峰电价。因此, 峰荷机组刚好可以回收固定投资 的长期均衡条件为: F p = L OL P ( V L - C b ) ( 1 - f p ) + L OL P ( V L - C p ) f p ( 10) 式( 10) 等号左边为峰荷机组的固定投资, 等号 右边为峰荷机组通过容量费用获得的收益。等号右 边第 1 项为负荷小于 Q2 和 S M P = C b 时产生的期望 容量费用; 第 2 项为负荷大 于 Q 2 和 S M P = C p 时峰 荷机组获得的期望容量费用。 3. 3 基荷机组固定投资的回收 与分析峰荷机组类似, 基荷机组刚好可以回收 固定投资的均衡条件为: F b = L OLP ( V L - Cb ) ( 1 - f p ) + L OLP ( V L - Cp ) f p + ( C p - C b ) f p ( 11) 式( 11) 等号右边为基荷机组通过容量费用和稀 缺租金获得的收益。等号右边第 1 项和第 2 项的意 义同式( 10) ; 第 3 项为 S M P 由 C b 上升为 C p 后, 基荷 机组因系统边际价格上涨而获得的稀缺租金。 由式( 10) 、 式( 11) 和式( 3) 可得电力库模式下长 期均衡时基荷机组和峰荷机组的容量分别为: Fb - Fp ( Q4 - Q1 ) ( 12) Q2w = Q4 Cp - Cb Fb - F p Fp Q3w - Q2w = # Cp - Cb V L - Cb - ( Fb - Fp ) ( Q4 - Q 1 ) ( 13) 式中: 下标 w 说明是电力库模式下的解。 # 学术研究 # 吕 魁, 等 电力市场定价机制对不同类型机组配置结构的影响 3. 4 电力库模式与社会最佳装机容量比较 对比式( 12) 、 式( 13) 和最佳装机容量式( 5) 、式 ( 7) 可知, 峰荷机组的装机容量偏离了社会最佳装机 容量。偏离量为: F p ( F p - F b + Cp - Cb ) ( Q 4 - Q1 ) > 0 ( V L - Cb - Fb + Fp ) ( V L - Cp ) ( 14) 现实中, V L > C b + F b 和 V L > C p , 分母大于 0。 由式( 2) 可知分子大于 0, 式( 14) 成立。 式( 14) 说明电力库模式的容量费用对于发电投 资的激励超过社会最佳状态, 这将导致电费中容量 费用的支出份额增加。事实上, 1990 年后英国电力 库运行期间产生的容量费用大幅增长[ 11] 。这一时 期, 装机容量增长和发 电成本下降, 但电费反 而增 加, 与容量费用的补偿方式有一定关系。 4 电力交易所一部制电价的影响 电力交易所是一个不使用( 整体化) 附加费用的 集中市场, 中标机组的收入等于系统的边际报价, 不 对机组的容量费用进行额外补偿[ 1] 。仍只考虑完全 竞争的市场结构。当用电量 Q< Q2 时, S MP = C b ; 当 用电量 Q2 < Q [ Q3 时, S M P = C p ; 当用电量 Q> Q3 时, 可以近似认为发电的边际成本直线上升, 达到价 格上限。价格上限 的设 定在理 想状态 下为 S cap = VL 。 在上述电力交易所定价模式下, 可得峰荷机组 回收固定成本的长期均衡条件为: F p ( Q3 - Q2 ) = f s ( S cap - C p ) ( Q3 - Q 2 ) ( 15) 由式( 15) 、式( 3) 可得总装机容量 Q3 为: Fp Q3 = Q4 ( Q 4 - Q1 ) ( 16) V L - Cp 基荷机组回收固定成本的均衡条件为: F b Q2 = ( S cap - C b ) f s Q2 + ( C b - C p ) f p Q2 ( 17) 由式( 15) 、式( 16) 和式( 3) 可得基荷机组与峰荷 机组的装机容量为: p b Q 2 = Q4 - F - F ( Q4 - Q1 ) ( 18) Cp - Cb Fp - Fb Fp Q3 - Q2 = ( Q4 - Q1 ) C p - C b V L - Cp ( 19) 式( 18) 、 式( 19) 与式( 5) 、式( 7) 中社会最佳机组 配置结构一致。电力交易所模式的单一制定价在完 全竞争市场中, 可以给出正确的经济信号, 引导发电 厂商对发电机组类型进行合理配置。 美国的得州电力市场使用类似电力交易所的机 制, 其电力市场运行总体上是一个稳定、健康、公平 的市场[ 12] 。但同时, 美国的加州电力市场也采取了 类似的单一制定价, 却经历了一场严重 危机[ 13] , 这 种定价机制之外仍有其他因素对电力市场的运行至 关重要。通过对模型分析及实际案例对比, 说明电 力交易所模式不失为一个值得参考的改革模式, 在 一定的前提下, 单一制定价方式不仅可以使发电厂 商回收固定投资, 而且可以给出适当的经济信号, 产 生最佳的机组配置结构。 5 需求不确定性、启动成本和附加费用对机 组配置结构的影响 当考虑发电机组的启动成本时, 电力供应边际 成本表现出非凸性。在美国 PJM 电力库模式下, 发 电厂商可以递交/ 三部分0多维投标, 即启动成本投 标、 空载成本投标和电量投标 [ 7] 。电量投标按节点 边际电价出清, 这类似于系统边际价格。一旦一个 发电机组提供服务, 电力库将以附加费用的形式保 证其他成本的回收。该电力库模式与英国电力库模 式不同之处在于没有容量费用, 但为弥补其他成本, 设置了附加费用。当需 求的高峰期存 在随机波动 时, 这种以附加费用来补偿启动成本( 暂不考虑空载 成本) 的方法, 对电力投资存在一定的导向性作用。 假设基荷机组的启动成本为 B C 。按每天启动 1 次计算, 而峰荷机组假设不存在启动成本。在不 存在随机波动的情况下, 竞争性发电厂商投资的长 期均衡为: BC = ( S cap - C b ) f s + ( Cp - Cb ) f p Fb+ 24 ( 20) F p = f s ( S cap - C p ) 可得出每天的高峰需求和尖峰需求的期望时间为: 24F b + B C - 24F p Dp = Cp - Cb ( 21) 24F p Ds = S cap - C p 如果当天高 峰需求 和尖峰 需求分 别为 D p 和 D s , 对基 荷机组 的调用 可补偿 固定成 本和启 动成 本, 则不产生附加费用。 假设 1 d 中高峰需求的持续时间 t p 符合某一概 率分布, 概率密度函 数为 g p ( tp ) , 其期 望值为 D p 。 尖峰需求的持续时间 t s 是一个条件分布, 即存在高 峰需求的条件下, 才有可能发生尖峰需求。假设条 件概率密度函数为 g s ( t s | t p ) , 则开机当天基荷机组 的期望收益为( 推导见附录 A) : R= k ( B - y ) g ( t | t ) g ( t ) dt dt + ( 22) kyg ( t | t ) g ( t ) dt dt C s s p p p s p B > y C s s p p p s p ) 25 ) 2008, 32( 10) 式中: y = ( C p - C b ) tp + ( S cap - C p ) t s 式( 22) 等号右边第 1 项表明, 当高峰需求和尖 峰需求的持续时间不够长、启动成本大于稀缺租金 时, 由电力库向发电厂商支付附加费用以补偿启动 成本, 第 2 项则是基荷机组获得的稀缺租金的期望 值。 期望收益随需求波动而变化的 趋势见图 2, 具 体计算结果见附录 A。 A ut om at ion of Elect ric Power Syst em s, 2002, 26( 19) : 16-22. [ 3] OR EN S S. Capacit y payment s and suppl y adequacy in competit ive elect ricit y market s/ / Proceedings of t he 7t h Symposium of S peciali st s in El ect ric Operational and Expansi on Pl anni ng, M ay 21-26, 2000, Cu riti ba, Braz il. [ 4] 王勇, 钟志勇, 文福拴, 等. 发电装机容量市场适当价格水平的 确 定. 电力系统自动化, 2005, 29( 9) : 5- 10. WA N G Y ong, ZH O N G Zhiyong, W EN Fush uan, et al . Det erminat ion of appropriat e price l evel in in st all ed capacit y mar ket . A ut omat ion of El ect ric Pow er S yst em s, 2005, 29( 9 ) : 5-10. [ 5] 赖业宁, 薛禹胜, 高翔, 等. 发 电容量充 裕度的 风险模 型与分 析. 电力系统自动化, 2006, 30( 17) : 1- 6. LA I Y ening, XU E Y us heng, G A O X ian g, et al. Ri sk model and anal ysis of g enerat ion capacit y adequacy. A ut omat ion of Elect ric Pow er S yst ems , 2006, 30( 17) : 1-6. [ 6] 汪拥军, 文福拴, 孙东川. 电源过度投资的博弈分析. 电力自动 化 设备, 2007, 27( 2) : 20-23. WA N G Y ongjun, WEN Fush uan, SU N D ongchu an. A nalysis of over-invest ment in generat ion capacit y based on game t heory. Elect ric Pow er A ut omat ion E quipment, 2007, 27( 2) : 20-23. 图 2 预期收益与高峰需求不确定程度 Fig. 2 Expected revenue vs. peak- demand uncertainty 图 2 中, 水平线是不存在随机波动时基荷机组 开机后的收益, 上升曲线是需求存在随机波动时基 荷机组的期望收益。由于存在附加费用, 需求的随 机波动越大, 基荷机组的预期收益越大, 势必导致基 荷机组的投资偏离最佳装机容量。 6 结语 在电力市场环境下, 发电侧即使达到完全竞争 的市场结构, 但定价机制不同, 仍将会引起发电机组 的配置结构发生变化, 进而导致偏离社会最佳的机 组配置。而需求的不确定性进一步导致发电机组类 型的不合理配置, 造成社会资源的低效率配置。本 文只考虑了完全竞争市场下的情形, 没有涉及发电 厂商的博弈、 规划编制者信息不完全以及配电厂商 参与电力竞价等对不同类型机组配置结构的影响。 这些现实问题将对机组类型配置造成什么影响, 还 有待进一步探索, 其研究结果对电力改革的实践具 有更多的指导意义。 附录见 本 刊网 络 版 ( htt p: / / w w w . aeps- inf o. com / aeps/ ch/ index. aspx ) 。 参考文献 [ 1] ST O FT S. 电力系统经济: 电力市场 设计. 宋永 华, 刘俊 勇, 王秀 丽, 译. 北京: 中国电力出版社, 2006. [ 2] 文福拴, 吴复立, 倪以信. 电力市 场环境下 的发电容 量充裕 性问 题. 电力系统自动化, 2002, 26( 19) : 16-22. W EN Fushuan, WU Ful i, NI Y ixin. G en erati on capacit y adequacy in th e deregul at ed elect ricit y market environm ent . ) 26 ) [ 7] 汪拥军, 文福拴, 孙东川. 基于价格歧视的区域差别电价机制. 电 力自动化设备, 2007, 27( 3) : 10- 13. WA N G Y on gjun, WEN Fushu an, SU N D on gchuan. 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L ess on s from el ect ri cit y market failure in Calif ornia. A ut omat ion of Elect ric Pow er Sy st ems , 2001, 25( 10) : 1-5. 吕 魁 ( 1974) ) , 男, 通信作者 , 博 士研究 生, 主 要研 究 方向: 产业组织 和产 业规 划。E- ma il: heart008008@ y aho o. com. cn 胡汉辉 ( 1956) ) , 男, 教授, 博士生 导师, 集团经 济和 产 业组织研究中心主任, 主要研究方向: 产业组织和 产业规划、 集团经济。E- mail: huhh@ seu. edu. cn 胡绪华( 1978 ) ) , 男 , 博士研究生, 讲师, 主要 研究方向: 集团经济。 ( 下转第 107 页 co nt inued on pag e 107) # 现场经验 # 黄坚明, 等 微机保护不停电整定配置的功能及其应用 [ 6] 朱炳铨, 任雁铭, 姜健宁, 等. 变电站 自动化系 统实现 IEC 61850 的过渡期策略. 电力系统自动化, 2005, 29( 23) : 54-57. ZHU Bingquan, RE N Yanmin g, JIA N G J iann ing, [ 9] 罗钦, 段斌, 肖红光, 等. 基于 IEC 61850 控制模型的变电站防误 操作分析与设计. 电力系统自动化, 2006, 30( 22) : 61-65. et al. LU O Q in, D U A N Bin , X IA O H ongguan g, et al. A nalys is an d St rat egy f or implemen tat ion of IEC 61850 in sub st at ion design of an ti maloperat ion f or s ubst ati on based on con tr ol aut omat ion sys tem du ring t ransit ional period. A ut om at ion of model in IEC 61850. 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A ut omat ion of Elect ric Pow er Sys t ems, 2006, 30 ( 14) : 54-57, 81. ( 上接第 26 页 黄坚明 ( 1965) ) , 男, 高级工程 师, 主要研 究方向: 继 电 保护。 黄春红 ( 1970) ) , 女, 通信作者 , 高 级工程 师, 主 要研 究 方向: 电网调度自动化。E- mail: ddhch@ x mep. com. cn cont inued fr om page 26) Impacts of Different Pricing Mechanisms on Unit Al location Structure in the Electricity Market L B K ui 1 , H U H anhui 1 , H U X uhua 1, 2 ( 1. Southeast U niver sity, Nanjing 210096, China; 2. Jiangsu U niver sity, Zhenjiang 212013, China) Abstract: T he pricing mechanism in the electricity mar ket mainly includes two kinds of mechanisms, o ne sing le price in po wer ex chang e and another tw o- part tariff in pow er poo l. T he pricing mechanisms hav e effects on tota l installed capacit y, and may make the unit allocatio n str ucture deviat e f rom the social optimum to finally cause the total g ener ation cost rising . T his paper analyzes t he impacts of tw o pr icing mechanisms on the generation unit allo cat ion structur e in a co mplete co mpetition electr icity market. T he r esults show that the capacity payment can lead to the o ver- inv est ment in peak units, while uplift and the uncertainty of peak demand lead to t he ex cessiv e investment in basement units. T his wo rk is suppor ted by National N atural Science Fo undation of China ( N o . 70473013) . Key words: unit allo cat ion; sing le price; two- pa rt tar iff; capacity pay ment; uplift; electricity mar ket ( 上接第 93 页 cont inued fr om page 93) Design and Application of Software Integration Service Model for Wind Farm Management D UA N Bin, ZO U J ichang , S U Yong x in, ZH U J ieqiong ( Xiang tan U niv ersity , X iang tan 411105, China) Abstract: In t he lar ge- scale w ind farm, w ind turbines and monito ring co ntr ol sy stems invo lved in mor e than o ne supplier end up with a number of incompatible sy st ems. T his causes o per ational difficulties and makes it har d to maintain and manag e. So me aspect of I EC 61400- 25 standard is follo wed in this paper, such as the infor mation model, the info rmation ex chang e model, and the method fo r mapping to Web serv ices. A Web serv ices based integr ated ser vice model for the wind farm monitor ing is desig ned. T he co mmunicatio n pro blems between heter og eneous wind t ur bines and ser ver s ar e discussed in the model. T hen the met ho ds about ho w to define wind farm Web ser vices interface and security communication are g iven out. T hr ough eng ineering implement ation and mo del analysis, it is demonst rated that the w or k in this paper could pr ov ide refer ence and ex perience to resolve some problems, such as unified monito ring of hetero geneous w ind tur bines and integ rat ion manag ement . T his wo rk is suppo rted by N atio nal N atur e Science F oundatio n o f China ( N o. 50677058) and t he N ational H ig h T echnolog y Research and Dev elopment Pr og ram of China ( 863 Pr og ram) ( N o. 2007AA 012476) . Key words: I EC 61400- 25; Web services; wind farm; wind turbines; integ ratio n mo nitor ing and co ntr ol ) 107 )