基于電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的英美電力市場成本覆蓋對比分析

高怡靜，魏路平，林凱穎，鄭亞先，王蓓蓓，朱炳銓

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310000；3.中國電科院 南京分院，南京 210008）

近年來，隨著電力體制改革的穩(wěn)步進(jìn)行，逐步開放的市場化模式成為電力工業(yè)的長期發(fā)展目標(biāo)。歐美等發(fā)達(dá)國家的電力市場建設(shè)起步早，運(yùn)營經(jīng)驗豐富，其中不乏一些較為完善的電力市場。

相關(guān)學(xué)者對國外電力市場的研究，已經(jīng)取得了一定基礎(chǔ)的理論成果。文獻(xiàn)［1］—文獻(xiàn)［5］梳理了國外電力市場在發(fā)電側(cè)和售電側(cè)引入競爭、建立市場的基本模式，從市場模式和建設(shè)目標(biāo)、電力市場范圍、需求側(cè)資源潛力以及加強(qiáng)電力市場監(jiān)管等幾個方面，對國際電力市場最新發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，并結(jié)合中國電力市場建設(shè)發(fā)展的需求，提出了有關(guān)建議。文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］分析了加州電力市場的結(jié)構(gòu)、發(fā)生事故的原因、解決措施以及防范啟示。文獻(xiàn)［8］在雙邊交易和電力庫模式共同存在的情況下，為開放性的電力傳輸系統(tǒng)提出新的阻塞管理機(jī)制。

英國電力市場和美國電力PJM電力市場作為較有代表性的兩大電力市場，以各具特點(diǎn)的運(yùn)營機(jī)制，完成電能在競爭性市場的交易，也引起各學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)［9］、文獻(xiàn)［10］介紹了歐洲和澳洲的電力市場和其電力工業(yè)的發(fā)展。文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［12］介紹了美國電力改革的概況，并闡述了美國不同區(qū)域電力市場的運(yùn)行機(jī)制。文獻(xiàn)［13］分析了英國NETA時期電力市場的交易機(jī)制，并且比較其與傳統(tǒng)的集中批發(fā)式電力市場模式的區(qū)別。文獻(xiàn)［14］概述了美國PJM和NYISO市場需求響應(yīng)機(jī)制的演變情況，闡述了需求響應(yīng)對高峰時負(fù)荷削減的作用，并分析了當(dāng)前需求響應(yīng)在未來緩解可再生能源不確定性等方向的發(fā)展機(jī)會。文獻(xiàn)［15］介紹了美國電力市場的建設(shè)歷程，深入分析其在市場設(shè)計和運(yùn)行中存在的問題。但目前國內(nèi)對于歐美電力市場的介紹主要關(guān)注在其市場的結(jié)構(gòu)以及交易流程，在研究時通常以整體作為關(guān)注點(diǎn)，缺乏不同市場對應(yīng)交易機(jī)制之間的橫向?qū)Ρ取?/p>

為此，本文主要以英美電力市場為研究點(diǎn)，以英國電力庫時期、NETA時期電力市場和美國PJM電力市場3個典型歐美電力市場為例，類比其電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同成本覆蓋方式。從宏觀角度介紹了三者在電能出清各環(huán)節(jié)的交易機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、變配電側(cè)3個角度分析對比3個電力市場的成本產(chǎn)生和對應(yīng)費(fèi)用覆蓋方式。

1 英美電力市場結(jié)構(gòu)設(shè)置

英國的電力市場主要分為2個階段：電力庫時期和NETA時期。

英國電力庫是一個日前市場，根據(jù)機(jī)組競價和負(fù)荷預(yù)測的信息，國家電網(wǎng)公司在日前制定無約束的發(fā)電計劃［9］。在實際運(yùn)營當(dāng)天，由于發(fā)電機(jī)可能存在故障、線路約束等，需要對發(fā)電計劃進(jìn)行調(diào)整，實行有約束的機(jī)組組合，因此國家電網(wǎng)公司將重新調(diào)度，并以最終的交易價格對電力庫中的電量進(jìn)行出清。

NETA時期的英國電力市場，存在日前市場和實時市場，其主要由3個環(huán)節(jié)組成：合同市場、平衡機(jī)制以及不平衡結(jié)算。NETA的核心是雙邊合同，電能交易的雙方在自由談判的情況下簽訂協(xié)議，完成市場中絕大部分電量的交易［10］。但在實際情況中，合同電量并不能完全交付，其與實際運(yùn)行時的電量之間也存在差距，稱為不平衡電量。這部分電量需要通過不平衡結(jié)算來消納。在平衡機(jī)制中，發(fā)電商和供應(yīng)商自愿參與平衡服務(wù)，提交相應(yīng)的增減量報價來交易不平衡電量。系統(tǒng)調(diào)度員會在實現(xiàn)最終供需平衡的基礎(chǔ)上重新調(diào)度，將該部分不平衡電量出清，完成最后的不平衡結(jié)算過程。

美國PJM市場則分為日前市場和實時市場。在日前市場中，PJM將根據(jù)發(fā)電側(cè)、需求側(cè)的投標(biāo)以及市場成員提供的雙邊交易計劃計算次日24 h每小時的節(jié)點(diǎn)邊際電價，以日前價格完成部分結(jié)算。實時市場是現(xiàn)貨市場，按照電網(wǎng)的實際運(yùn)行條件每5 min計算一次實時市場出清價格。實時市場實質(zhì)是一個平衡市場，其作用是平衡實際運(yùn)行與日前計劃之間的偏差量［11］。實時市場距離實際運(yùn)行的時間較短，能夠獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，出清計算即可形成可執(zhí)行性較好的發(fā)電計劃，與實際運(yùn)行的差異較小，有利于確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全性［16］。英國電力庫時期和NETA時期在成本覆蓋形式上存在差異，因此將分別介紹這2個時期，并與美國PJM市場進(jìn)行比較，從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、變電配電側(cè)3個方面闡述其成本覆蓋的具體內(nèi)容。

2 英美電力市場發(fā)電側(cè)成本覆蓋比較

發(fā)電側(cè)的成本主要由2部分構(gòu)成：一部分是發(fā)電成本，另一部分是容量成本。發(fā)電成本就是發(fā)電過程中人力、物力投入的總和，屬于變動成本。容量成本主要反映發(fā)電廠的固定成本，與發(fā)電廠類型、投資費(fèi)用、還貸利率和折舊方式等密切相關(guān)。

2.1 發(fā)電成本

在英國電力庫時期，系統(tǒng)發(fā)電結(jié)算電價（PPP）由2部分組成：一部分是電量費(fèi)用，另一部分是容量費(fèi)用。電量費(fèi)用即發(fā)電部分的成本，以系統(tǒng)邊際價格（SMP）的形式存在。英國國家電網(wǎng)公司根據(jù)機(jī)組的競價和負(fù)荷預(yù)測，在不考慮約束的情況下制定最低成本的發(fā)電計劃。在每半小時交易時段里，滿足負(fù)荷的發(fā)電機(jī)組合中，價格最高的機(jī)組報價稱為系統(tǒng)邊際價格（SMP），此價格構(gòu)成結(jié)算電價的電量費(fèi)用部分。

英國電力市場的NETA時期，在合同市場，90%以上的電量交易以合同簽訂的方式完成，其交易量按每半小時來確定。在實時運(yùn)行過程中，實際的電量和不平衡電量之間存在偏差，因此除了合同電價以外，還需要對不平衡量進(jìn)行結(jié)算。在不平衡結(jié)算過中，需要比較合同電量與實際電量，并以不平衡電價進(jìn)行結(jié)算。不平衡電價分為不平衡買入價（SBP）和不平衡賣出價（SSP）［17］。對于發(fā)電側(cè)而言，簽訂合同的購買方向賣電方支付合同購電費(fèi)用，為消除實際電量與合同電量之間的偏差，購買方又以SBP向發(fā)電商購買不平衡電量。兩者共同構(gòu)成了發(fā)電成本的回收。

對于美國PJM電力市場而言，分為電量市場和容量市場。在電量市場中，PJM又分為日前市場和實時市場，兩者都用相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電價LMP來覆蓋能量費(fèi)用［18］。在日前市場中，除了由預(yù)測值得到的負(fù)荷需求以外，還會存在增減量報價。這是一種虛擬的報價方式，市場成員可以任意地選擇成為買方或賣方，報價時提供增/減的電量和相應(yīng)的價格。對減量報價而言，日前LMP價格低于買方提出價位，其愿意從市場中購買一定量電能，因此這部分費(fèi)用也會支付給發(fā)電商。發(fā)電商通過正常提交的負(fù)荷需求和減量需求，可以支取電能費(fèi)用［19］。

2.2 容量成本

電力庫中容量費(fèi)用的存在主要是為了保證在負(fù)荷突增或發(fā)電機(jī)故障時，電力容量和備用的充足性。容量費(fèi)用由2個因素決定：失負(fù)荷概率（LOLP）和失負(fù)荷電價（VLL）。其中，失負(fù)荷概率是以半小時為一個時段進(jìn)行計算，其定義為負(fù)荷超過可用發(fā)電容量的概率。失負(fù)荷電價在一年期內(nèi)是固定值，它是用戶為避免停電愿意支付的保險金。容量部分對應(yīng)費(fèi)用為

容量費(fèi)用=失負(fù)荷概率×（負(fù)荷電價－系統(tǒng)邊際價格）

NETA時期，容量價格同時也包含在電價中，因此購買方在簽訂合同的電價以及以SBP購買不平衡電量時，已將容量成本覆蓋。

在美國PJM電力市場中，可以在容量市場上對容量信用進(jìn)行買賣，使發(fā)電能力滿足負(fù)荷需求，保證容量義務(wù)的履行［20］。容量市場確定出清價格以后，購買容量資源的一方向出售方支付容量信用的費(fèi)用，發(fā)電側(cè)的容量成本得到回收。

2.3 發(fā)電側(cè)成本覆蓋總結(jié)

在發(fā)電側(cè)電量成本覆蓋方面，電力庫的電量費(fèi)用由系統(tǒng)邊際價格SMP來決定。而NETA和PJM都有2個結(jié)算過程，因此電量成本在日前交易和用于調(diào)整不平衡量的結(jié)算中都有涉及。

容量成本部分，電力庫按照統(tǒng)一的固定收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)向購買者收取，不存在競爭。在NETA時期，引入競爭，將容量費(fèi)用包含在最終的競價結(jié)果中。美國PJM電力市場則采用更加完善的市場制度，使容量與電量相互獨(dú)立，設(shè)立專門的容量市場，進(jìn)一步增加了市場的競爭性。表1為發(fā)電側(cè)成本覆蓋方式。

表1 發(fā)電側(cè)成本覆蓋方式

3 英美電力市場輸電側(cè)成本覆蓋比較

輸電成本主要包括輸電服務(wù)費(fèi)和輸電使用費(fèi)。輸電服務(wù)費(fèi)包括輸電網(wǎng)的投資成本（固定成本）和運(yùn)行維護(hù)成本（可變成本）2個部分；輸電使用費(fèi)包括網(wǎng)絡(luò)損耗和阻塞成本，兩者分別是由于傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)損耗和網(wǎng)絡(luò)傳輸中容量越限而產(chǎn)生的成本。

3.1 輸電投資和運(yùn)維成本

在英國電力庫時期和NETA時期，輸電建設(shè)成本即為折舊費(fèi)的固定資產(chǎn)投資［21］。其對應(yīng)收取的費(fèi)用為電網(wǎng)的使用費(fèi)（TNUOS），由發(fā)電商、供電商共同向國家電網(wǎng)支付。運(yùn)維費(fèi)部分的覆蓋由供電商向國家電網(wǎng)支付。

美國的輸電服務(wù)分為2種，點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［22］。網(wǎng)絡(luò)輸電服務(wù)用以滿足控制區(qū)內(nèi)的負(fù)荷輸電需求。電網(wǎng)投資是在監(jiān)管環(huán)境下滿足本區(qū)域內(nèi)供電而建，并從本區(qū)域用戶電費(fèi)中回收。網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)需要電網(wǎng)為其提供長期穩(wěn)定的服務(wù)，輸電時不要求固定的輸電通道。點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)是過網(wǎng)交易的輸電費(fèi)用，可以是跨區(qū)間的供電和售電，也可以是轉(zhuǎn)運(yùn)服務(wù)。點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)的特征是有明確的注入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，分為固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)和非固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)。固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)享有同等的最高優(yōu)先權(quán)，在輸電阻塞時能保證服務(wù)。在輸電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先滿足點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在仍有剩余容量的情況下，非固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)的請求才會被考慮。對于長期固定的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸服務(wù)，PJM還有義務(wù)通過輸電網(wǎng)改造、升級或資源再調(diào)度來滿足其服務(wù)申請。該部分費(fèi)用均由傳輸服務(wù)申請者來承擔(dān)。美國的輸電服務(wù)費(fèi)采用一部制容量電價，本質(zhì)上是一種郵票法，即采用固定輸電價格為輸電服務(wù)收費(fèi)。ISO的輸電服務(wù)范圍被劃分為多個分區(qū)，不同區(qū)域有確定的輸電價格。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用戶按照最大負(fù)荷的比例分擔(dān)所處分區(qū)中輸電所有者的年度收入需求，點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)輸電價格按照注入節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域來確定。對于注入點(diǎn)在區(qū)外的過網(wǎng)交易，輸電價格為所有分區(qū)的輸電價格平均值。

3.2 網(wǎng)絡(luò)損耗和阻塞成本

英國電力庫時期，上抬價格（UPLIFT）作為電力庫售電和購電之間的差價，用來覆蓋預(yù)測誤差和非計劃可用費(fèi)用（USAV）的成本，即實際運(yùn)行和無約束發(fā)電計劃費(fèi)用的差異，包括：輸電約束、負(fù)荷預(yù)測誤差、機(jī)組可用性的變化、機(jī)組實際輸出和計劃輸出的差異、不受集中調(diào)度約束的小機(jī)組的運(yùn)行、網(wǎng)損、輔助服務(wù)［23］。因此，上抬價格中考慮了線路約束和網(wǎng)絡(luò)損耗的問題，國家電網(wǎng)公司需要向電力庫支付相應(yīng)的傳輸上抬價格。但最終這一部分價格會計算在負(fù)荷方購電價格PSP中，發(fā)電價格PPP與上抬價格UPLIFT之和為出清價PSP，因此這部分成本實際由負(fù)荷商承擔(dān)。但最終這一部分價格會計算在負(fù)荷方購電價格PSP中，發(fā)電價格PPP與上抬價格UPLIFT之和為出清價PSP，因此這部分成本實際由負(fù)荷商承擔(dān)。

在英國NETA時期，對于網(wǎng)絡(luò)損耗和阻塞的成本，一方面在簽訂合同時，合同電價會包含網(wǎng)損和阻塞費(fèi)用，由購電方向出售方支付；另一方面，平衡機(jī)制中的增減量報價也會覆蓋這2部分的成本。平衡機(jī)制是參與者通過有償?shù)男问教峁┢胶夥?wù)，解決輸電約束問題，維持系統(tǒng)供需平衡。參與者提供Bid和Offer的競價信息，并在系統(tǒng)調(diào)度員的指示下調(diào)整發(fā)電或出力水平。上調(diào)量與下調(diào)量的交易在“簽約方”與系統(tǒng)調(diào)度員之間進(jìn)行，增減量報價表明的是實際運(yùn)行時“簽約方”是否愿意偏離申報的水平以及針對偏離量希望得到的補(bǔ)償［24］。而偏離合同量主要是輸電約束、系統(tǒng)存在電能不平衡、受一次能源和天然氣市場等產(chǎn)生的影響，因此增減量報價中涵蓋阻塞和網(wǎng)絡(luò)損耗費(fèi)用。由于平衡機(jī)制中的Bid和Offer為市場報價，經(jīng)過加權(quán)平均得到最終結(jié)算時的系統(tǒng)電能不平衡賣出價（SSP），并以此來售出不平衡電能，因此阻塞和網(wǎng)損實質(zhì)上也是由SSP來覆蓋。

美國PJM電力市場中，在發(fā)生輸電阻塞時，固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)不能被取消或者削減，其將根據(jù)注入和送達(dá)節(jié)點(diǎn)之間的LMP差價支付阻塞費(fèi)用［25］。固定點(diǎn)對點(diǎn)用戶還可以參與阻塞收入的分配。非固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)在發(fā)生阻塞時可以被削減或取消，但其可以不放棄輸電權(quán)力，并且支付相應(yīng)的阻塞費(fèi)用。非固定點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)相較于點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)更靈活，可以選擇取消輸電服務(wù)或者為繼續(xù)輸電支付相應(yīng)的阻塞費(fèi)用，但是其無權(quán)參與阻塞費(fèi)用的分?jǐn)?，也不能用來承?dān)輸電網(wǎng)成本回收。非固定點(diǎn)對點(diǎn)用戶不必重復(fù)支付輸電服務(wù)費(fèi)和阻塞費(fèi)用，選擇較多的一部分費(fèi)用繳納即可。這部分收費(fèi)將按照傳輸服務(wù)的比例分配給網(wǎng)絡(luò)傳輸用戶和固定點(diǎn)對點(diǎn)用戶。由于節(jié)點(diǎn)電價的構(gòu)成就是電能費(fèi)用、阻塞費(fèi)用和損耗費(fèi)用的總和，因此在用節(jié)點(diǎn)電價完成支付時，損耗成本已經(jīng)被覆蓋。

3.3 輸電側(cè)成本覆蓋總結(jié)

對于輸電網(wǎng)的固定投資和運(yùn)維部分，英國電力市場無論是在電力庫時期還是NETA時期，都是由發(fā)電商和供電商支付輸電費(fèi)，由國家電網(wǎng)公司承擔(dān)輸電業(yè)務(wù)。同時，國家電網(wǎng)公司會向供電商收取平衡服務(wù)費(fèi)，用以覆蓋運(yùn)營產(chǎn)生的費(fèi)用。相較于英國統(tǒng)一收取的標(biāo)準(zhǔn)，PJM輸電服務(wù)的分類更加細(xì)致：點(diǎn)對點(diǎn)輸電主要負(fù)責(zé)跨區(qū)輸電服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)輸電服務(wù)于本區(qū)域用戶，兩者的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)也隨之存在不同。

在網(wǎng)絡(luò)阻塞和損耗部分，3個市場均將這部分費(fèi)用包含于電價之中：電力庫通過上抬價格收取該部分費(fèi)用，加上之前購入電能的費(fèi)用得到最終的電力庫售電價格；NETA時期和美國PJM電力市場同樣是按照2個不同階段的售電價格涵蓋該部分阻塞和損耗的費(fèi)用。表2為輸電側(cè)成本覆蓋方式。

4 英美電力市場變、配電側(cè)成本覆蓋比較

4.1 并網(wǎng)、配電成本

在變電、配電側(cè)，配電商需要先并網(wǎng)，再將電能配送給終端用戶，由此產(chǎn)生并網(wǎng)費(fèi)用。用戶向配電網(wǎng)支付的配電服務(wù)費(fèi)包含并網(wǎng)費(fèi)用的成本以及配電商提供服務(wù)的費(fèi)用。對于英國電力市場，無論是電力庫時期還是NETA時期，并網(wǎng)費(fèi)用（connection charges）都是由配電商向國家電網(wǎng)公司支付。并網(wǎng)費(fèi)，一般采用插座式模型，由國家電網(wǎng)公司向發(fā)電側(cè)和用電側(cè)收取。它與網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)的區(qū)別是依據(jù)“淺并網(wǎng)”原則，即：該部分費(fèi)用只包含特定并網(wǎng)設(shè)備的成本，而不包含因某用戶并接而引起的增加容量需求等費(fèi)用。同時，用戶會向配電商支付配電服務(wù)費(fèi)（DUoS），覆蓋配電建設(shè)的固定成本和由配電服務(wù)產(chǎn)生的可變成本部分。美國PJM電力市場中，用戶和市場運(yùn)營部（PJM interconnection）之間會簽訂相關(guān)的限制使用條例，如果用戶在PJM的使用規(guī)則下并網(wǎng)和使用相關(guān)設(shè)備，則不需要支付額外的費(fèi)用［26］。PJM的配電服務(wù)已經(jīng)向用戶全面開放，用戶可以選擇配電商對其進(jìn)行配電服務(wù)。

表2 輸電側(cè)成本覆蓋方式

4.2 變電、配電側(cè)成本覆蓋總結(jié)

表3為變電、配電側(cè)成本覆蓋方式。變電側(cè)的費(fèi)用形式比較簡單，NETA和電力庫中的配電商向國家電網(wǎng)支付并網(wǎng)費(fèi)，并向用戶收取對應(yīng)的配電服務(wù)費(fèi)。PJM電力市場的并網(wǎng)則不收取額外費(fèi)用，配電時用戶向配電商支付一定的費(fèi)用。

表3 變電、配電側(cè)成本覆蓋方式

5 結(jié)束語

本文以2個時期的英國電力市場和美國PJM電力市場為例，簡單介紹了不同電力市場的結(jié)構(gòu)：英國電力庫時期通過POOL作為電能交易的中間商，以價格的上抬平衡日前無約束計劃與實際運(yùn)行之間的偏差；英國NETA時期以雙邊交易為主要方式，通過平衡機(jī)制、不平衡結(jié)算調(diào)整不平衡電量；美國PJM電力市場通過考慮日前和實時2個市場的雙結(jié)算系統(tǒng)進(jìn)行全電量的出清。本文還從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、變電配電側(cè)3個角度具體分析了不同市場機(jī)制下成本的覆蓋方式以及不同環(huán)節(jié)的費(fèi)用產(chǎn)生和收取。通過市場整體運(yùn)行規(guī)則的宏觀介紹和不同環(huán)節(jié)成本覆蓋的微觀闡述，對英美兩國電能交易的過程和方式有了深入的了解。D