電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理

東南大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所所長(zhǎng) 高賜威

東南大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所將電力市場(chǎng)作為重要的研究方向，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)及風(fēng)險(xiǎn)管理是其研究領(lǐng)域之一。目前8個(gè)試點(diǎn)省份電力現(xiàn)貨市場(chǎng)試運(yùn)行的時(shí)間推遲到2019年6月，說明推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)存在困難。值得重視和思考，本文分析了電力市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的一些概念，介紹了東南大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究在市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理研究方面的一些工作。

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)主要包括日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)的電能量和備用等輔助服務(wù)交易市場(chǎng)，現(xiàn)貨市場(chǎng)與中長(zhǎng)期直接交易市場(chǎng)和期貨電力衍生品市場(chǎng)構(gòu)成現(xiàn)代電力市場(chǎng)體系。

現(xiàn)貨市場(chǎng)特點(diǎn)有五方面。一是電能實(shí)時(shí)平衡，現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格附帶時(shí)間甚至位置標(biāo)簽，更為細(xì)致地反映電能的時(shí)空價(jià)值。二是現(xiàn)貨市場(chǎng)能最大化社會(huì)剩余，使相應(yīng)的調(diào)度安排經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。三是現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)果能有效引導(dǎo)電源、電網(wǎng)投資建設(shè)。四是現(xiàn)貨市場(chǎng)能為其他電力交易（其它時(shí)間尺度）提供靈敏的價(jià)格信號(hào)。五是從國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來看，英國(guó)、北歐、美國(guó)等成熟電力市場(chǎng)均有較為完善的現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制。

市場(chǎng)的最重要功能是依靠科學(xué)合理的價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制優(yōu)化配置資源。目前中長(zhǎng)期電力交易形成市場(chǎng)交易結(jié)果，到日前日內(nèi)由調(diào)度去安排執(zhí)行。但電力供需實(shí)時(shí)平衡，中長(zhǎng)期交易無法體現(xiàn)實(shí)時(shí)層面供需關(guān)系的差異，因而它的市場(chǎng)信息或者是價(jià)格信息不充分。因此，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)是一個(gè)真正完備的市場(chǎng)所必須的。

1.市場(chǎng)價(jià)格隨供需實(shí)時(shí)變化帶來較大不確定性。現(xiàn)貨市場(chǎng)能夠敏銳地反映短時(shí)和實(shí)時(shí)的供需關(guān)系，由于市場(chǎng)供需瞬息萬變，也由于眾多決策者通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)共同決定市場(chǎng)價(jià)格，存在市場(chǎng)主體操弄價(jià)格的可能，因此市場(chǎng)價(jià)格具有較大的不確定性，同時(shí)給市場(chǎng)主體個(gè)體也帶來較多風(fēng)險(xiǎn)。電廠和售電公司報(bào)價(jià)非常忐忑，因?yàn)檫@會(huì)影響公司收益。例如，發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗5%非常不易，但在市場(chǎng)上丟掉5%的市場(chǎng)份額是很容易的事情。

2.有缺陷的市場(chǎng)將在市場(chǎng)主體為逐利而不斷試探下陷入困境。如果市場(chǎng)不夠完備，市場(chǎng)成員也在不斷探求市場(chǎng)機(jī)會(huì)，博取更大利益，有缺陷的市場(chǎng)將極有可能被市場(chǎng)成員所利用，使得市場(chǎng)陷入困境，過高或者過低的市場(chǎng)價(jià)格都會(huì)使得市場(chǎng)難以為繼。

3.市場(chǎng)失敗早有案例。加州的電力危機(jī)是很典型的市場(chǎng)失敗案例，缺乏中長(zhǎng)期合約的電力市場(chǎng)將使市場(chǎng)陷入極大風(fēng)險(xiǎn)。雖然加州市場(chǎng)危機(jī)原因很多，但是如果沒有現(xiàn)貨市場(chǎng)，很難想象加州會(huì)陷入電力危機(jī)，這也從一個(gè)側(cè)面表明引入現(xiàn)貨市場(chǎng)的同時(shí)更需要完善的風(fēng)控機(jī)制。

電力體制改革啟動(dòng)以來，發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，許多問題亟待解決：

1.電力市場(chǎng)交易中競(jìng)價(jià)策略問題。發(fā)電企業(yè)從面對(duì)電網(wǎng)單一客戶和政府管制電價(jià)，轉(zhuǎn)向面對(duì)終端用戶和協(xié)商定價(jià)。例如江蘇目前的情況對(duì)發(fā)電企業(yè)壓力比較大，今年1月的月度競(jìng)價(jià)結(jié)果低于標(biāo)桿電價(jià)0.1元，下降了將近30%。發(fā)電商為了獲得市場(chǎng)份額做了較大努力，但從發(fā)電利潤(rùn)角度得到了一個(gè)并非如愿的結(jié)果。

2.燃料采購(gòu)和發(fā)電安排時(shí)序優(yōu)化問題。發(fā)電企業(yè)目前燃料采購(gòu)和發(fā)電安排的時(shí)序匹配程度不高，需要綜合考慮煤炭市場(chǎng)與電力市場(chǎng)問題，將二者協(xié)調(diào)優(yōu)化是面對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)企業(yè)控本增效的關(guān)鍵。

3.成本管控問題。從成本管控的方面看，要去考慮發(fā)電企業(yè)廠外存煤、配煤摻燒等成本管控措施。

對(duì)于以上問題，我們從以下三方面開展研究：

一是基于預(yù)測(cè)市場(chǎng)出清價(jià)格的競(jìng)價(jià)策略。發(fā)電廠的入口是燃料采購(gòu)，價(jià)格是波動(dòng)的，出口是電能銷售，價(jià)格也波動(dòng)。兩方都有風(fēng)險(xiǎn)，兩者要進(jìn)行相應(yīng)抵扣來獲得最大效益。發(fā)電企業(yè)參與電力市場(chǎng)交易時(shí)，基于條件風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)量原料采購(gòu)和發(fā)電安排，根據(jù)預(yù)測(cè)電價(jià)信息，提高競(jìng)價(jià)成功的概率，控制競(jìng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。

二是基于CVaR風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量的燃料采購(gòu)和發(fā)電安排滾動(dòng)優(yōu)化。綜合考慮電力市場(chǎng)年度、月度交易以及煤炭采購(gòu)中的長(zhǎng)協(xié)煤、市場(chǎng)煤等問題，統(tǒng)籌規(guī)劃發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)采購(gòu)策略，一年12個(gè)月滾動(dòng)優(yōu)化。將發(fā)電企業(yè)的總發(fā)電量、總購(gòu)煤量類比為總資產(chǎn)，將一年時(shí)間的總收益看做投資回報(bào)，引入CVaR模型對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)量，在控制風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益的最大化和CVaR風(fēng)險(xiǎn)最小雙目標(biāo)優(yōu)化。

三是成本管控和電量交易的協(xié)同策略。將配煤摻燒應(yīng)用于燃料采購(gòu)和發(fā)電安排的滾動(dòng)優(yōu)化模型中，建立配煤摻燒比的修正改進(jìn)方法。由于優(yōu)化是滾動(dòng)進(jìn)行的，配煤比的修正也是滾動(dòng)進(jìn)行的，因此發(fā)電企業(yè)可根據(jù)煤炭市場(chǎng)的不同情形，選擇適用的配煤摻燒方案，實(shí)現(xiàn)配煤比的動(dòng)態(tài)改變。

我們?yōu)榘l(fā)電企業(yè)建立了年度和月度的CVaR模型。此模型可描述為尋找最優(yōu)的發(fā)電與購(gòu)煤安排，使得在未來一年內(nèi)，在給定的概率置信水平下，在保證年度總期望收益約束下，使發(fā)電企業(yè)可能遭受的發(fā)電平均超額損失CVaR最小。根據(jù)決策者輸入的期望收益下限、對(duì)待風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度，改變發(fā)電電量分配在年度合約、月度競(jìng)價(jià)交易中的比重。所建模型較為有效地解決了煤炭采購(gòu)與發(fā)電安排的時(shí)序優(yōu)化問題，長(zhǎng)協(xié)煤和市場(chǎng)煤的采購(gòu)量與其價(jià)格呈現(xiàn)相關(guān)性，且可通過存煤等措施優(yōu)化采購(gòu)結(jié)構(gòu)，結(jié)合發(fā)電安排有效增加發(fā)電企業(yè)的年度總收益。

在現(xiàn)貨市場(chǎng)中，可以探索新能源參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的方式和方法，但是同時(shí)需要考慮新能源間歇性的問題。相關(guān)的研究議題有新能源發(fā)電的調(diào)頻性能評(píng)估、調(diào)頻市場(chǎng)的準(zhǔn)入與退出機(jī)制、調(diào)頻市場(chǎng)出清模型與結(jié)算機(jī)制、儲(chǔ)能與新能源發(fā)電調(diào)頻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與保險(xiǎn)機(jī)制設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。

新能源發(fā)電的調(diào)頻性能評(píng)估包括具備調(diào)頻特性的儲(chǔ)能元件性能評(píng)估、典型新能源發(fā)電的自身功率調(diào)節(jié)性能評(píng)估、儲(chǔ)能及新能源發(fā)電波動(dòng)性與系統(tǒng)調(diào)頻特性適應(yīng)性評(píng)估。

調(diào)頻市場(chǎng)的準(zhǔn)入與退出機(jī)制要考慮儲(chǔ)能與新能源發(fā)電參與調(diào)頻市場(chǎng)的調(diào)頻需求、儲(chǔ)能與新能源發(fā)電資源參與調(diào)頻市場(chǎng)的準(zhǔn)入機(jī)制、儲(chǔ)能與新能源發(fā)電資源參與調(diào)頻市場(chǎng)的退出機(jī)制。

調(diào)頻市場(chǎng)出清模型與結(jié)算機(jī)制考慮儲(chǔ)能與新能源發(fā)電的調(diào)頻市場(chǎng)投標(biāo)方式、儲(chǔ)能與新能源發(fā)電的調(diào)頻市場(chǎng)出清模型、儲(chǔ)能和新能源發(fā)電的調(diào)頻市場(chǎng)結(jié)算機(jī)制。

儲(chǔ)能與新能源發(fā)電調(diào)頻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與保險(xiǎn)機(jī)制設(shè)計(jì)包括儲(chǔ)能與新能源發(fā)電調(diào)頻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能與新能源發(fā)電調(diào)頻保險(xiǎn)機(jī)制設(shè)計(jì)。

售電商直接面對(duì)負(fù)荷資源，可以通過聚合負(fù)荷資源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，在此過程中需要考慮負(fù)荷的不確定性問題。相關(guān)的研究?jī)?nèi)容包括：

1.售電商需求響應(yīng)潛力概率模型

考慮需求響應(yīng)的不確定因素，構(gòu)建需求響應(yīng)潛力的概率模型，并基于序列運(yùn)算理論，得到最終聚合的總需求響應(yīng)潛力的概率分布。

2.售電商參與輔助服務(wù)市場(chǎng)多時(shí)間尺度雙層建模

上層是備用輔助服務(wù)市場(chǎng)多尺度整體收益，下層包含調(diào)頻市場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)和非旋轉(zhuǎn)備用市場(chǎng)，這三者之間耦合。上層模型目標(biāo)函數(shù)為售電商參與備用輔助服務(wù)市場(chǎng)多時(shí)間尺度效益最大，下層模型目標(biāo)函數(shù)為最大化售電商參與單個(gè)備用市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.建立面向需求響應(yīng)的用戶電力套餐設(shè)計(jì)

考慮用戶行為改變對(duì)系統(tǒng)削峰填谷的作用，以及對(duì)其自身帶來的影響，建立面向需求響應(yīng)用戶的電力套餐的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。包含四個(gè)部分，即用戶負(fù)荷特征辨識(shí)、用戶決策行為模型、電力套餐評(píng)估模型、電力套餐設(shè)計(jì)優(yōu)化。

隨著電力現(xiàn)貨市場(chǎng)在國(guó)內(nèi)的涌現(xiàn)，同時(shí)前面提及的各市場(chǎng)主體行為在現(xiàn)貨市場(chǎng)中的不確定性，最終均會(huì)作用于市場(chǎng)出清價(jià)格，影響市場(chǎng)的整體效率。市場(chǎng)主體的目標(biāo)是在不同的環(huán)境下選擇合適策略，令自身收益最大，采用流程是報(bào)價(jià)策略技術(shù)。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)是最小購(gòu)電成本或最大化社會(huì)福利，來獲得市場(chǎng)出清結(jié)果?？茖W(xué)評(píng)估、合理評(píng)估發(fā)電商及其他市場(chǎng)主體行為，將成為電力現(xiàn)貨市場(chǎng)管理的重要內(nèi)容。技術(shù)上來說在完全信息環(huán)境或不完全信息環(huán)境下，可以選擇多智能體系統(tǒng)，或者深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合的數(shù)據(jù)方法來開展相應(yīng)的市場(chǎng)推演。

完全信息環(huán)境下多智能體報(bào)價(jià)推演，以求解純策略納什均衡，通過在多智能體系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建具有信息中心的通信框架來實(shí)現(xiàn)的。一種情形是在不同負(fù)荷水平行為分析。隨著負(fù)荷需求水平的提高，供需關(guān)系安排更緊張，市場(chǎng)成員對(duì)市場(chǎng)價(jià)格預(yù)期越高，那么市場(chǎng)的報(bào)價(jià)系數(shù)會(huì)遠(yuǎn)高于同時(shí)段。另一種情形是不同備用分?jǐn)偡绞叫袨榉治?。如果輔助服務(wù)由用戶分?jǐn)?，電能費(fèi)用比發(fā)電商分?jǐn)偢汀?/span>

不完全信息環(huán)境下，采用AlphaGo與電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略、強(qiáng)化學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合——DQN。AlphaGo算法模擬或者仿真市場(chǎng)成員競(jìng)爭(zhēng)行為，算法包含監(jiān)督學(xué)習(xí)（模仿學(xué)習(xí)）、增強(qiáng)學(xué)習(xí)（自主學(xué)習(xí)），和基于蒙特卡羅樹搜索方式（即人工設(shè)定的方式，降低搜索難度）。其中，增強(qiáng)學(xué)習(xí)將監(jiān)督學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)制作為增強(qiáng)學(xué)習(xí)的初始網(wǎng)絡(luò)，將當(dāng)前版本的網(wǎng)絡(luò)與之前某個(gè)隨機(jī)版本對(duì)局，得到棋局和棋局結(jié)果（輸贏），根據(jù)棋局和棋局結(jié)果利用增強(qiáng)策略網(wǎng)絡(luò)算法更新參數(shù)最大化期。對(duì)于不了解報(bào)價(jià)規(guī)律的發(fā)電商，可以通過報(bào)價(jià)歷史中獲得經(jīng)驗(yàn)。在給定的報(bào)價(jià)區(qū)間內(nèi)，為了學(xué)習(xí)到更好的報(bào)價(jià)策略，必然要減小報(bào)價(jià)間隔。那么，策略集存儲(chǔ)空間成幾何增長(zhǎng)，同時(shí)在學(xué)習(xí)樣本比較少的情況下，無法更新所有策略的收益。對(duì)此，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合——DQN，將普通強(qiáng)化學(xué)習(xí)中狀態(tài)和動(dòng)作空間離散狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)化，變成函數(shù)擬合問題，相近的狀態(tài)得到相近的輸出動(dòng)作，完成發(fā)電商短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)報(bào)價(jià)和多段報(bào)價(jià)。

我國(guó)正處于電力市場(chǎng)化改革的關(guān)鍵階段，由于電力行業(yè)和電力市場(chǎng)本身對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的極端重要性，從防備電力市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)電力監(jiān)管政策的角度出發(fā)，中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)對(duì)電力市場(chǎng)安全具有極其重要的意義。

中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)仿真系統(tǒng)旨在根據(jù)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和條件模擬市場(chǎng)運(yùn)行，有效檢驗(yàn)各種事件，如監(jiān)管政策，能源價(jià)格，負(fù)荷發(fā)展，電源建設(shè)，市場(chǎng)集中度等對(duì)電力市場(chǎng)的影響。這些事件在未來都有可能發(fā)生，對(duì)市場(chǎng)影響可以通過中長(zhǎng)期仿真來觀測(cè)，提前量化其后果，防范市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而為監(jiān)管機(jī)構(gòu)、政府部門制定政策提供依據(jù)，也可為電源電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策提供參考。中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)仿真系統(tǒng)主要基于博弈理論，通過尋求平衡點(diǎn)來得到市場(chǎng)結(jié)果，其中，中期市場(chǎng)仿真模擬了機(jī)組組合決策和市場(chǎng)清算過程，而長(zhǎng)期市場(chǎng)仿真考慮了新電廠的投資過程。

中期市場(chǎng)仿真是基于對(duì)每一小時(shí)清算的累積，而長(zhǎng)期市場(chǎng)仿真則是中期市場(chǎng)仿真的累積，其中機(jī)組組合和電源擴(kuò)展分別由中期和長(zhǎng)期市場(chǎng)模擬確定。對(duì)于每個(gè)小時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)，采用Forchheimer 博弈模型，來模擬市場(chǎng)參與者的策略決策，市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者個(gè)數(shù)的選擇可以表征市場(chǎng)集中度。電力需求可以通過對(duì)優(yōu)先級(jí)較高的電量（綠色電能、跨區(qū)/跨國(guó)交易合同電能、庫容式水電站的削峰填谷效應(yīng)、電廠的強(qiáng)迫功率等）預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為一條等效的負(fù)荷曲線，作為市場(chǎng)博弈標(biāo)的。市場(chǎng)出清時(shí)每一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者都會(huì)沿著自己面對(duì)的剩余負(fù)荷曲線進(jìn)行搜索，從而獲得自己的最優(yōu)報(bào)價(jià)，通過對(duì)各市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的迭代最終達(dá)到市場(chǎng)平衡。機(jī)組組合方案根據(jù)每個(gè)公司最大化自身效益的考慮通過博弈的方式來確定。

長(zhǎng)期市場(chǎng)仿真中，一年電量根據(jù)不同的電價(jià)水平被離散成多個(gè)能量塊，每個(gè)電源公司根據(jù)市場(chǎng)環(huán)境對(duì)能量塊進(jìn)行博弈從而確定新機(jī)組容量的擴(kuò)展方案。在長(zhǎng)期市場(chǎng)仿真中，根據(jù)不同機(jī)組類型、額定容量、最大容許容量和融資限制以及老電廠的改建升級(jí)和全新電廠的投資等多方面來確定備選的能量擴(kuò)展方案。

中長(zhǎng)期電力市場(chǎng)電價(jià)預(yù)測(cè)可以驗(yàn)證市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。通過對(duì)影響電價(jià)的多個(gè)因素的分析，建立中長(zhǎng)期電價(jià)演變的模型，以各種市場(chǎng)條件作為輸入，電價(jià)作為輸出，預(yù)測(cè)將來場(chǎng)景的電價(jià)，也從另一個(gè)角度來驗(yàn)證電力仿真系統(tǒng)的結(jié)果。