考慮可再生能源配額分配的電力零售市場設計

崔東君,和敬涵,程曉春,程 宏，王 宇,李冬梅

(1.首都電力交易中心有限公司，北京 100031；2.北京交通大學，北京 100093)

0 引 言

2015年3月頒布的中發(fā)[2015]9號文件，正式拉開了新一輪電力體制改革的帷幕。2019年國家發(fā)改委發(fā)布《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》，明確各類市場主體對可再生能源的消納責任。如何在市場化交易的機制下完成可再生能源消納目標是當前市場機制設計需要著重考慮的問題。各省市也在經(jīng)歷五年電力體制改革之后，先后印發(fā)相關政策文件，將售電公司與零售用戶組成的零售市場視為今后電力市場建設和配額制實施的重要場景之一[1-4]?？梢娛垭姽驹诹闶凼袌鲋衅揭指黝惤灰變r格的波動，激勵零售用戶消納清潔能源的作用將直接影響可再生能源消納任務的完成情況。英國、澳大利亞和新加坡等一些國家零售市場建設起步較早，并且各有特色，對中國零售市場建設很有借鑒意義[5]。伴隨各省現(xiàn)貨交易實施細則出臺，形成中長期交易與現(xiàn)貨交易共存，常規(guī)能源與清潔能源共同參與交易的局面，使交易品種呈現(xiàn)交叉性、多元化特征，這給電力零售市場的機制建設帶來新的挑戰(zhàn)。

下面首先介紹國外零售市場建設情況以及山西、山東、云南等省零售市場的建設動態(tài)。其次，結合電力市場頂層設計思路，考慮可再生能源配額消納任務的實際形勢，分析現(xiàn)行零售市場運行過程中零售套餐僵化、未考慮配額在零售市場分配的問題，研究建立一種靈活高效的零售市場交易機制。最后，在新型交易機制下，介紹了利用Hamilton函數(shù)計算配額指標和零售價格耦合的零售套餐設計方法。使用該方法可根據(jù)零售用戶對可再生能源配額占比和零售價格不同需求設計零售套餐，充分激發(fā)零售市場活力。

1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

英國、美國、澳大利亞等國都已建立了電力零售市場?？偨Y歐美各國的零售市場機制設置，其資金流與電力流的流向是統(tǒng)一的，即誰付錢誰購得電能，誰收錢誰提供電能[6-7]。以同屬亞洲的新加坡電力零售市場為例，與中國類似，根據(jù)用戶年用電量，新加坡的電力用戶被分為擁有自選電力供應資格的用戶和不擁有自選電力供應資格的用戶。前者可以通過定制價格配套向電力零售商購電，或者選擇通過新能源服務有限公司(傳統(tǒng)供電公司)間接向電力批發(fā)市場購電，或者直接在電力批發(fā)市場購電，或者與后者一樣，繼續(xù)以管制定價向新能源服務有限公司購電；而后者只能以管制定價向新能源服務有限公司購電[8]。如圖1所示。

圖1 新加坡電力用戶選擇

與中國電力市場頂層設計不同的是新加坡電力零售市場的電費收取方式。新加坡市場機制設計為根據(jù)電力用戶選擇不同，用戶付費方式也不同：用戶如果選擇從零售商處購電，將供電費、服務費、輸配電費以及代收稅金一并支付給零售商，再由電力零售商代理其與市場服務商結算；用戶如果選擇從市場服務商處購電，則可以將上述費用一并支付給市場服務商，由其代理完成各項費用的結算。而對于電力零售商來講，向電力用戶收取全部費用時，部分費用是代理市場服務商收取，存在一定的欠費風險，因此，電力零售市場交易規(guī)則就規(guī)定零售商須向市場服務商繳納支付保證金，以規(guī)避市場服務商可能受到客戶帶來的欠款風險。

中國電力市場化建設與國外不同之處在于是以電網(wǎng)公司作為電費收取的中間節(jié)點。零售用戶向電網(wǎng)公司支付電費，電網(wǎng)公司向售電公司支付服務費，電網(wǎng)公司向發(fā)電企業(yè)支付發(fā)電費用。

中國各省均考慮到有售電公司參與交易的零售市場建設，但各省對售電公司的放開程度不同。大部分省已準許售電公司參與市場化交易，初步建立了以售電公司代理零售用戶購電為主，以虛擬電廠、儲能商等聚合體在個別省試點開展的零售市場。隨著國家發(fā)改委可再生能源配額制文件的印發(fā)，各類市場主體如何在市場中完成配額消納任務，成為中國零售市場建設的新特點。2020年，山西、山東、云南省在準許售電公司入市，形成由售電公司、零售用戶組成的零售市場的基礎上，再印發(fā)相關文件規(guī)范電力零售市場建設。其中山東改變了原有售電公司與零售用戶協(xié)商零售價格、服務費的方式，變?yōu)榱闶塾脩襞c售電公司協(xié)商選定零售套餐，縮短了結算周期，規(guī)范了零售市場行為。山西支持售電公司開發(fā)第三方零售交易平臺與交易中心平臺數(shù)據(jù)對接，售電公司通過自有平臺管理其代理的零售用戶，拓寬了售電公司對零售用戶的管理范疇。云南由省級交易中心統(tǒng)一建立了零售交易平臺，支持多代理關系管理、多種收益分配模式選擇等功能。冀北率先開展虛擬電廠機制研究，通過聚合發(fā)、儲、用電等各類市場主體實現(xiàn)削峰填谷，減少發(fā)電機組頻繁啟停，提高各市場主體的經(jīng)濟效益。隨著各項改革文件出臺，部分零售市場已不能適應新的指導文件要求，發(fā)展適應國家頂層設計的零售市場是亟待解決的問題。

2 新型電力零售交易機制設計

從上述國內外的電力零售市場建設情況看，零售用戶的多樣化需求，是引導電力零售市場競爭性發(fā)展的主要原因。另外，可再生能源配額制指標將刺激零售用戶選擇具有價格和配額指標優(yōu)勢的售電公司，也是影響售電公司以至整個零售市場的關鍵因素[9]。隨著中國電力市場建設日趨成熟，將形成現(xiàn)貨市場和中長期市場協(xié)同發(fā)展，可再生能源與常規(guī)能源共同競爭的格局[10-11]。為適應改革進程，需解決的問題有：優(yōu)化工作流程，提高各相關單位效率；電費結算周期不同步，影響短周期交易開展；零售套餐較單一，不利于激發(fā)市場活力。為解決以上問題，設計了一套適應中國電力市場頂層設計的電力市場零售交易機制，改變現(xiàn)有批發(fā)側、零售側的交易機制，為建立靈活高效的零售市場提供機制保證。

2.1 批發(fā)側交易機制設計

未建立市場化時，電網(wǎng)企業(yè)承擔輸、配、售業(yè)務，各項業(yè)務之間的銜接屬于電網(wǎng)公司內部工作。市場化改革后，內部工作流程需拆分給不同的市場主體，在工作機制設計上需要有所改變。

為適應市場化改革，批發(fā)側交易機制設計需解決以下兩個問題：

1)電網(wǎng)企業(yè)結算問題。

考慮到中國電力市場在建設初期階段，市場化前由電網(wǎng)公司負責輸、配、售環(huán)節(jié)建設和運營，計量表計產權屬于電網(wǎng)公司，并且已經(jīng)建立了自動化的計量表計自動抄錄的系統(tǒng)，若直接照搬國外由零售商收繳電費的電力市場建設模式，將造成大量重復投資，不適用于中國國情和現(xiàn)實條件。因此，交易機制設計為：由獨立的電力交易機構負責市場化交易結算，并向發(fā)電企業(yè)、批發(fā)用戶、零售用戶、售電公司、電網(wǎng)公司等各類市場主體出具結算單，作為市場化電量、電費結算的依據(jù)?，F(xiàn)階段暫由電網(wǎng)公司負責各市場主體的費用流轉，即：電網(wǎng)公司根據(jù)交易機構出具的結算單向批發(fā)用戶、零售用戶、非市場化用戶抄表收費，向售電公司、發(fā)電企業(yè)支付電費。電網(wǎng)公司在執(zhí)行電費收繳時可能遇到欠費情況，對于批發(fā)、零售用戶的電費催繳由電網(wǎng)公司負責，用戶欠費風險也由電網(wǎng)公司承擔；售電公司服務費由電網(wǎng)公司支付，但出現(xiàn)由于售電公司原因造成服務費為負的情況時，由電網(wǎng)公司代收該部分費用，若售電公司無法支付費用，則依據(jù)交易合同約定由金融機構調用售電公司履約保函；發(fā)電企業(yè)費用由電網(wǎng)公司支付，如果發(fā)電企業(yè)未能履約，則由發(fā)電企業(yè)支付合約和對應現(xiàn)貨時段的差價，若發(fā)電企業(yè)無法支付該部分費用，則依據(jù)交易合同約定由金融機構調用發(fā)電企業(yè)履約保函。電費收繳關系如圖2所示。

圖2 電費收繳關系

2)電量偏差考核問題。

目前市場化交易產生的偏差電量采用偏差考核或滾動調整的方式，即在發(fā)電側產生偏差后，偏差電量滾動至次月補齊；用電側產生偏差后，用戶需對偏差電量進行免考核說明，若無免考核說明則在次月繳納考核費用，與次月電費一并繳納。為縮短結算清算周期，新交易機制設計為：發(fā)、用電側電量偏差在現(xiàn)貨市場中予以平衡，由于電量偏差產生的中長期合約與現(xiàn)貨價格的差值由產生偏差的一方承擔。此種方式縮短了結算周期，偏差電量在當次結算周期即可結清，根據(jù)現(xiàn)貨價格結算費用也體現(xiàn)了市場化交易的公平性。

2.2 零售側交易機制設計

售電公司與發(fā)電企業(yè)達成購電協(xié)議后，需再將電能轉賣給其代理的零售用戶。目前中國大部分省采用的是固定的零售套餐模式，即規(guī)定幾款固定條款的零售套餐，由售電公司與零售用戶協(xié)商選擇其中一個套餐。此種方式雖然能夠規(guī)范零售市場的交易行為，但由于固定的套餐并不能涵蓋所有零售用戶需求，也限制了售電公司在零售市場的自主權，并且在批發(fā)側使用直接交易的加權價傳導至零售側，限制了售電公司對其代理的零售用戶價格自主的作用，具有較大的局限性。尤其是在可再生能源配額制實施后，部分零售用戶既不想直接參與市場化交易，避免現(xiàn)貨價格波動對本企業(yè)購電成本的影響，又想提高清潔能源消納比重；售電公司也會比較參與清潔能源交易與直接購買綠色電力證書之間的付出成本。因此，需要打破現(xiàn)有固定零售套餐模式，設計出由售電公司根據(jù)零售市場需求，自主設計零售套餐的零售市場。

零售側交易機制設計需解決的問題如下：

1)零售套餐僵化問題

新型零售側交易機制下，交易中心不再設置固定的零售套餐，改由售電公司與其代理的零售用戶協(xié)商確定零售電量、電價、可再生能源配額比例，自由制定零售套餐?？紤]某時段，某區(qū)域有多個售電公司參與電力零售市場競價交易，用N={1，2，i，…，n}表示售電公司的集合，M={1，2，j，…，m}表示同一售電公司下代理的零售用戶集合。交易中心按各零售用戶的實際用電量及簽訂的零售合同進行N×M次運算，雖然結算計算量增加，但也增大了售電公司管理其代理的零售用戶的靈活性。

2)使用固定的加權價格結算問題

改變用戶與多家發(fā)電企業(yè)達成交易時，采用批發(fā)側取加權價作為零售側的基準電價的形式，將批發(fā)側電價與零售側電價解耦，售電公司與發(fā)電企業(yè)的批發(fā)電價不影響售電公司與零售用戶間的零售側電價。

圖3是售電公司的購售電交易框架。在零售市場競價交易中，售電公司i(i∈N)通過降低批發(fā)市場報價Pi，同時合理配置其在零售市場的報價Lij來追求自身利潤最大化。售電公司i的競價交易電量Xi與其代理的零售用戶需求和市場價格趨勢有關，所有售電公司的零售電量均購于電力批發(fā)市場，而批發(fā)市場價格Pi隨供求關系的變化而變化。

圖3 零售市場能量資金關系

根據(jù)現(xiàn)行的輸配電價形式，售電公司在批發(fā)市場購電量可表示為

Xi=W+∑Xij

(1)

式中：W為網(wǎng)損；Xij為代理的零售用戶需求電量。

電價關系可表示為

Lij=Pij+Ps+Pz+Pf

(2)

式中，Pij、Ps、Pz、Pf分別為批發(fā)電價、輸配電價(含網(wǎng)損)、政府基金及附加、售電公司收益。

售電公司設置用戶側的落地價作為零售套餐價格供零售用戶選擇，此方法使得批發(fā)價格和零售價格脫鉤[12-14]。售電公司可任意設置用戶落地價格套餐供零售用戶選擇。同時，售電公司可根據(jù)用戶對可再生能源的需求程度，有針對性地設置可再生能源配額套餐供用戶選擇。

3 考慮配額與價格的零售套餐設計

售電公司會根據(jù)零售用戶的需求設計零售套餐，考慮國家發(fā)改委印發(fā)可再生能源配額制指標，各省參與交易的購電主體均應承擔配額任務，而且消納清潔能源也是企業(yè)節(jié)能減排的重要指標。因此，零售用戶在選擇零售套餐時不僅希望價格低，而且希望獲得更多的清潔能源配額指標。由于電能的質量是相同的，售電公司間相互競爭只能靠提高配額份額，或降低零售價格[15-18]。目前可再生能源配額消納任務是大于可再生能源總量的，所以爭取更多的配額意味著提高零售價格。

3.1 建立售電公司利潤模型

售電公司在設計零售套餐時需要考慮配額指標和電價兩方面因素?？紤]有i個售電公司在t(t∈{0,})時刻向入市的零售用戶推薦價格為Li(t)、含可再生能源配額為qi(t)的套餐。售電公司的售電成本為ci+μqi(t)，其中ci(≥0)是批發(fā)市場購電成本；μqi(t)為售電公司購買可再生能源的成本，μ(≥0)為配額成本的線性系數(shù)。售電公司還可通過投入資金，提高自身運營管理水平，用ui(t)代表自身改進程度，則售電公司的改進成本Cui(t)為

(3)

設零售用戶對售電公司推出的套餐有價格敏感系數(shù)θ和配額敏感系數(shù)δ，并且售電公司在零售市場中有初始的市場占有率yi,則在同一市場中競爭的零售用戶需求函數(shù)Di(t)可表達為線性函數(shù)，即

Di(t)=yi-θ(li(t)-lj(t))+δ(qΔ(t))

(4)

式中，下標Δ代表相互比較的變量的差。

當售電公司給出的價格和配額指標都沒有差別的時候，零售用戶會選擇原本市場占有率就大的售電公司。但通過售電公司間的競爭，一方面可以提高自身運營水平；另一方面可以利用占有市場中更多的配額指標來爭取更多的零售用戶。

售電公司間的競爭是個動態(tài)的過程，可表示為自身挖潛和配額占有的線性函數(shù)：

qi(t)=γui(t)-ξqi(t)

(5)

式中：γ為占有市場中配額的系數(shù)，γ≥0；ξ為企業(yè)經(jīng)營效率系數(shù)[21-24]，ξ≥0。

售電公司i的利潤函數(shù)可表示為

[yi-θ(lΔ(t))+δ(qΔ(t))]-

(6)

式中：r表示折現(xiàn)率；y≥0。由式(6)可以看出，提高零售套餐的配額會帶來更多的零售用戶，但同時配額增加也提高了經(jīng)營成本。

3.2 利潤模型分析

考慮售電公司通過改變自身經(jīng)營效率和獲得更多的配額指標來相互競爭，可構建考慮約束條件的微分方程：

[yi-θ(lΔ)+δ(qΔ)]-

(7)

s.t.

qi=γui-ξqi

(8)

qj=γuj-ξqj

(9)

qi(0)=Q0i

(10)

qj(0)=Q0j

(11)

上述方程中：qi為占有的配額指標狀態(tài)變量；售電公司自身提升ui≥0和零售價格pi為控制變量。式(8)、式(9)為狀態(tài)變量，式(10)、式(11)為初值約束。

構造Hamilton函數(shù)：

Hi(pi,ui)=(pi-ci-μqi)(li-θ(pΔ)+

λij(γuj-ξqi)

(12)

式中，λii和λij為最優(yōu)化問題的協(xié)態(tài)變量，其經(jīng)濟學含義為企業(yè)從自身改進或對手改進中獲得的邊際收益。設初始時刻的邊際收益λii(0)=λ0i>0，計算Hamilton函數(shù)的最優(yōu)解，且最優(yōu)解滿足如下方程：

(13)

(14)

(15)

(16)

其中，式(13)、式(14)為最優(yōu)化約束，式(15)、式(16)為狀態(tài)約束。

根據(jù)上述分析計算，可令橫軸為價格敏感程度θ，縱軸為質量敏感程度δ，并按配額與價格敏感程度分為配額不敏感、低配額敏感型、中配額敏感型、高配額敏感型4個類型，繪制價格與配額的關系圖如圖4所示。

從圖4可以看出，配額與價格敏感的相差程度是設計零售套餐的關鍵條件。該條件將坐標圖劃分為4個區(qū)域，各區(qū)域中的配額-價格關系分別呈現(xiàn)出不同的特點。4個區(qū)域按配額與價格敏感程度分別為：配額不敏感型、低配額敏感型、中配額敏感型、高配額敏感型。各區(qū)域所代表的競爭格局是動態(tài)的，隨著市場中配額考核指標以及可再生能源的產能變化而改變，售電公司設計零售套餐的策略也將隨之變化。

售電公司根據(jù)零售用戶需求，結合自身盈利模式，可制定多種零售套餐。結合目前零售用戶需求，可設計如下幾類零售套餐[19-26]：

1)分時段電價套餐。根據(jù)每日不同時段，售電公司與零售用戶協(xié)商各時段電價。此類套餐考慮了每日不同時段的電價變化，時段可由售電公司與零售用戶協(xié)商定制，甚至工作日和節(jié)假日各時段電價也可不同，最終達到以價格激勵的方式鼓勵零售用戶削峰填谷。此類也適用于價格敏感型零售用戶。

圖4 配額-價格分位關系

2)固定單價套餐。合同期內電度電價以及可再生配額百分比固定不變，由售電公司承擔價格波動，零售用戶只需按用電量支付電費。此類套餐適用于價格敏感性高、中型零售用戶。

3)量價聯(lián)動套餐?？稍O置為階梯遞增電價的形式，分檔設定不同階梯的電量值標準和對應的分檔電價，每個階梯設定可再生能源配額比例。此類套餐適用于價格敏感性高、中型零售用戶。

4)固定配額套餐。零售用戶要求按固定配額指標結算電費，此類套餐適用于價格敏感性低的零售用戶。

以上例舉了幾類典型的零售套餐，售電公司可根據(jù)配額、價格敏感程度以及市場中可再生能源與常規(guī)能源價格行情設計出更多類型的套餐滿足零售用戶需求。

4 結 語

隨著改革的持續(xù)深化和市場的進一步發(fā)展，零售市場建設對電力系統(tǒng)和電力市場組織和運行的影響將會增大。在設計零售市場時既要保證市場的有序和活力，鼓勵更多市場主體參與市場，又要引導市場行為符合國家政策導向，支持可再生能源配額高效消納。

所提出的新型零售市場的設計方案僅在機制設計上進行了闡述，并對配額與價格共同影響零售套餐情況進行了分析。下階段可借助Bertrand模型等經(jīng)濟學方法，建立售電公司參與零售市場競價交易的博弈均衡模型，可通過模糊聚類等方法發(fā)掘不同零售用戶的用能需求，為售電公司提供差異化的服務策略，提供理論支持。