基于市場交易指數(shù)的北京地區(qū)電力市場改革分析研究

程曉春，劉峻瑋，周 哲，文 田，蘇 娟，杜松懷

（1.首都電力交易中心有限公司，北京 100051；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

2021年9月以來，我國黑龍江、吉林、遼寧等10余個省份初現(xiàn)電力供需緊張的態(tài)勢，電力資源現(xiàn)狀形勢嚴峻。電力市場建設(shè)全面加速，燃煤機組全面開放、工商業(yè)用戶進入市場、中長期交易連續(xù)運營與大量新增主體參與市場交易，不斷推升市場穩(wěn)定運行的難度［1］。面對能源結(jié)構(gòu)深度調(diào)整［2］，新能源為主體的新型電力系統(tǒng)升級及雙碳目標的多重壓力，如何穩(wěn)步推進市場化改革，是交易中心面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2021年，首都電力交易中心積極落實國家“六簽”工作要求，率先開展了中長期分時段交易，按照“照付不議、批零解耦、偏差結(jié)算”的方式開展分時段結(jié)算，推出用戶側(cè)合同轉(zhuǎn)讓交易，將中長期交易延伸至月內(nèi)，初步實現(xiàn)中長期交易連續(xù)運營。

電力交易產(chǎn)生了成千上萬的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析［3］和建立評價體系指標［4］可以深入挖掘電力交易過程中蘊藏的工業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展信息。文獻［5］基于貴州地區(qū)的主要工業(yè)行業(yè)，設(shè)計了基于電力交易的行業(yè)板塊指數(shù)。文獻［6］依托互聯(lián)網(wǎng)，用“大數(shù)據(jù)”理念設(shè)計了包含一個電力交易主指數(shù)和4個分支指數(shù)的電力交易指數(shù)體系。文獻［7］基于廣東地區(qū)的電力交易數(shù)據(jù)，提出了一個同時考慮定性與定量指標、主觀與客觀賦權(quán)的綜合評價方法模型。文獻［8］則是從公平性、安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性4個維度出發(fā)，分層分級地構(gòu)建了一套完整的電力市場綜合評估指標體系。

本文針對北京地區(qū)的市場交易變革情況，從政策層面對交易規(guī)則改革內(nèi)容進行對比分析，從數(shù)據(jù)層面引入市場交易指數(shù)對北京地區(qū)的交易數(shù)據(jù)進行算例分析。分析說明，分時段交易規(guī)則的開展一方面帶動了北京地區(qū)的電力交易積極性，推動了北京地區(qū)的電力市場發(fā)展，另一方面給未引入分時段交易的地區(qū)提供了參考，為后續(xù)現(xiàn)貨交易的開展打下基礎(chǔ)。

1 北京地區(qū)市場交易改革的政策分析

1.1 我國電力市場現(xiàn)狀

截至2021年，國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)經(jīng)營范圍內(nèi)的各省級電網(wǎng)均已開展中長期電力直接交易。在各地開展中長期電力直接交易過程中，交易電價大多采用一段式，結(jié)算采用的分時段價格根據(jù)目錄電價或者政府指定的固定比例浮動形成，而非通過交易形成，未充分體現(xiàn)電價的時空特性。

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的8個現(xiàn)貨試點省市，現(xiàn)貨市場啟動時間較早，雖然引入了分時電價政策，但均未在引入現(xiàn)貨市場前引入分時段交易。分時段交易作為促進中長期電力交易到現(xiàn)貨交易有序過渡的重要舉措，在推進我國電力市場發(fā)展中起到關(guān)鍵性作用。首都電力交易中心通過引入分時段交易，考慮探索一個具有北京特色的電力市場改革方案，給其他未引入分時段交易的地區(qū)提供參考。

1.2 北京地區(qū)的電力交易規(guī)則改革分析

北京地區(qū)電力市場化交易于2018年正式開展，對近4年北京地區(qū)的電力交易機制進行匯總，總結(jié)出北京地區(qū)電力交易規(guī)則改革的主要變化，如表1所示。

表1 北京地區(qū)交易規(guī)則對比Table 1 Comparison of transaction rules in Beijing

北京地區(qū)的電力市場改革的4點主要變化對應(yīng)意義如下。

（1）交易組織多元化。交易品類更加豐富，組織方式由原來單一的雙邊協(xié)商擴展到雙邊協(xié)商、集中競價。

給市場主體提供更多參與市場交易的選擇。保持市場主體的公平，增強不同個體間的競爭。

（2）偏差電量處理機制更完善。通過市場化方式處理偏差可以促使市場主體更加關(guān)注市場變化，合理調(diào)控用電需求、實現(xiàn)資源更優(yōu)配置。

（3）不平衡資金分攤返還機制的提出。電力市場的不平衡資金越來越成為限制電力市場發(fā)展的逆流，其數(shù)額之大使其現(xiàn)在不可被忽視，因此要求必須有相應(yīng)的分攤政策。

（4）交易分時段組織。分時段交易能引導(dǎo)電力用戶削峰填谷、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的一項重要機制安排，利于提升系統(tǒng)整體利用效率、降低社會總體用電成本。

2 基于交易指數(shù)的電力市場改革分析方法

市場力評估對于確保電力市場公平競爭、提高電力市場運行效率具有重要意義［9］，通過引入交易指數(shù)，計算電力市場的改革前后的差異化交易數(shù)據(jù)，可以更加直觀地分析改革帶來的影響。

分時段電價政策的改革改變了年度合同交易電價固定且月度電量偏差較大的現(xiàn)狀，使得月尺度下的電價和電量差異性越發(fā)凸顯。同時，考慮到已有的交易指數(shù)不能體現(xiàn)分時段電價的特點，本文從已有的交易指數(shù)入手，提出了首都交易中心的電力綜合指數(shù)。

2.1 京電指數(shù)

為了描述電力市場的總體狀況和長期變化走勢，北京電力交易中心提出了“京電指數(shù)”［10］。來反映開展該交易的規(guī)模，公式如下

式中：Qk,i,j為報告期第k省電力交易中心第i月第j類市場化交易電量為基期第k省電力交易中心第i月第j類市場化交易電量，以月平均電量標示，即第k省第j類市場年度總電量Qk,j除以12；Pk,i,j為報告期第k省電力交易中心第i月第j類市場化交易價格；n為當前的月份數(shù)；m為報告期市場類型數(shù)；s為報告期開展市場交易的省電力交易中心數(shù)；s0為基期開展市場交易的省電力交易中心數(shù)，暫定為1。

2.2 電力市場綜合指數(shù)

考慮到京電指數(shù)面向交易類型多是省間交易，并且缺少考慮分時段電價因素，以及在進行市場分析時，需要以年為時間尺度的交易數(shù)據(jù)。本文則聚焦省內(nèi)交易，同時考慮電價分時因素和市場的滾動開展，提出了“首都電力直接交易指數(shù)”、“直接交易用戶市場活躍指數(shù)”和“零售用戶市場活躍指數(shù)”3個指數(shù)并進行改革分析。

2.2.1 首都電力直接交易指數(shù)

電力直接交易指數(shù)是描述開展分時段交易后電力市場規(guī)模變動與發(fā)展的相對數(shù)。用于反饋市場規(guī)模大小，將每年電力市場的正常開展的每個月都納入考量，從而實現(xiàn)電力交易曲線的滾動計算，幫助實現(xiàn)信息披露，幫助主體高效地參與市場交易。其模型可以表示如下

式中：Pi,j,k為交易期第i月，第j個交易單元在k時段的市場交易電量；為交易期前i月，第j個交易單元在k時段的平均市場交易電量；Qi,j,k為交易期第i月，第j個交易單元在k時段的市場交易價格；為交易期前i月，第j個交易單元在k時段的平均市場交易價格；Ji為i月的交易單元數(shù)量。

2.2.2 直接交易用戶市場活躍指數(shù)

直接交易用戶市場活躍指數(shù)可以用于反映北京地區(qū)直接交易用戶的市場參與情況，從而映射電力市場繁榮情況。其模型表示如下

式中：xi為i月參與交易的直接交易用戶數(shù)量；Xi為當年i月準入的直接交易用戶數(shù)量；mi為本月參與交易的發(fā)電企業(yè)的數(shù)量；Mi為當年i月準入發(fā)電企業(yè)的數(shù)量。

2.2.3 零售用戶市場活躍指數(shù)

零售用戶市場活躍指數(shù)可以用于反映參與北京地區(qū)電力直接交易的零售用戶的市場情況。其模型表示如下

式中：ai為i月參與交易的零售用戶數(shù)量；A1為當年i月準入的零售用戶數(shù)量；bi為i月參與交易的售電公司數(shù)量；Bi為當年i月準入的售電公司數(shù)量；mi為i月參與交易的發(fā)電企業(yè)數(shù)量；Mi為當年i月準入交易的發(fā)電企業(yè)數(shù)量。

2.3 電力需求-價格彈性指數(shù)

電力需求-價格彈性則是來度量電力需求對電價的敏感程度的指數(shù)，公式如下所示

式中：ε為價格彈性系數(shù)；ΔQ為電量Q相對于初始電量Q0的相對增量；ΔP為電價P相對于初始電價P的相對增量。

在3段制的峰谷分時電價中，日負荷曲線可以分為3個時段，峰時、平時和谷時，根據(jù)不同時間段的交互影響，定義一個3×3階的矩陣，基于峰谷分時電價的需求價格彈性矩陣εf即可表示如下

式中：下標1，2，3分別為峰時、平時、谷時3個時段。

在市場平衡點附近，商品價格與商品交易量，即電價與用電量具有線性相關(guān)的關(guān)系，峰時、平時、谷時3個時間段的電價與用電量關(guān)系式表示如下

式中：i=1，2，3，Q1、Q2、Q3分別為峰、平、谷時段的用電量；P1、P2、P3分別為峰、平、谷時段的電價；a1、b1、a2、b2、a3、b3分別為峰、平、谷時段線性關(guān)系曲線的系數(shù)，數(shù)值如表2所示。

表2 各時段線性系數(shù)Table 2 Linear coefficient of each period

在多時段響應(yīng)條件下，可求得峰谷分時電價的需求價格自彈性系數(shù)為

峰谷分時電價的需求價格交叉彈性系數(shù)為

3 北京地區(qū)市場交易改革的數(shù)據(jù)分析

本節(jié)從提出的交易指數(shù)和已有的價格彈性指數(shù)入手，對首都交易中心規(guī)則變化前后的數(shù)據(jù)進行改革分析。由于2020年疫情，前半年未開展市場交易，而后半年僅有部分用戶參與市場交易。因此選取2019年和2021年的市場交易數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 改革前首都直接交易指數(shù)和京電指數(shù)對比分析

圖1為2019年北京地區(qū)的京電指數(shù)和首都電力直接交易指數(shù)曲線。在計算當月的數(shù)據(jù)時，京電指數(shù)公式分母為定值，其曲線走勢受到當月交易情況影響較大，因此在9月和10月出現(xiàn)迅速攀升和下降。而首都電力交易指數(shù)公式分母是對已經(jīng)完成交易的幾個月的數(shù)據(jù)進行加權(quán)，因此其曲線變的更加平滑。兩支曲線在描繪改革前的市場情況時，均呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升態(tài)勢，反映出北京地區(qū)電力市場發(fā)展，同時驗證了在面對直接交易首都直接交易指數(shù)的合理性，能夠反映市場走勢。

圖1首都電力直接交易指數(shù)和京電指數(shù)對比Fig.1 Comparison of electric power index and capital electric power direct trading index

3.2 改革前后首都直接交易指數(shù)算例分析

圖2為北京地區(qū)總體電力直接交易指數(shù)曲線。2021年前3個月的交易指數(shù)數(shù)值比19年同期低，而后3個月的數(shù)值較19年同期高，且后續(xù)呈持續(xù)上升趨勢。

圖2 首都電力直接交易指數(shù)Fig.2 Capital electric power direct trading index

結(jié)合實際市場分析曲線走勢：2021年前3個月，受到疫情波動影響和受區(qū)外電廠競拍策略制約，導(dǎo)致交易指數(shù)低于2019年同期。2021年后3個月，首都交易中心本著交易公平，進行信息披露，整體成交電價水平有所上漲，導(dǎo)致交易指數(shù)高于19年且呈上漲趨勢。

圖3為直接交易用戶和零售用戶的直接交易指數(shù)，2021年直接交易用戶直接交易指數(shù)持續(xù)低于2019年同期，2021年零售用戶前3個月交易指數(shù)與基本改革前持平，后3個月數(shù)值高于直接交易指數(shù)且優(yōu)勢持續(xù)擴大。

圖3 直接交易用戶和零售用戶電力交易指數(shù)Fig.3 Direct trading user and retail electricity trading index

電力直接交易用戶的用戶數(shù)量較少，個體交易電量較大，在面對偏差考核更加嚴厲的新交易規(guī)則時，電量競標較為保守，導(dǎo)致直接交易用戶的交易積極性低于規(guī)則改革前。而零售用戶的數(shù)量較多，個體交易量較小，在面對新的交易規(guī)則時，零售用戶用電選擇更為多樣和靈活，故體現(xiàn)出較高的參與市場的積極性。

選取兩位參加2021年直接交易的用戶，其中用戶1交易規(guī)模較小，用戶2交易規(guī)模較大，計算其首都電力直接交易指數(shù)如圖4所示。由于谷時段現(xiàn)階段暫未交易，目前只有尖峰、高峰和平3個時段，一月到二月，尖峰時段指數(shù)呈下降趨勢，高峰和平時段的指數(shù)略有上升，二月到六月，尖峰時刻指數(shù)持續(xù)下降，但降幅逐步縮小，高峰和平時段的指數(shù)基本穩(wěn)定。

圖4 直接交易用戶首都電力直接交易指數(shù)Fig.4 Direct trading index for direct trading user

在引入分時段交易后，電價因時段有較大差異，針對該直接交易用戶，其尖峰時段的電價近乎高峰時段的2倍，為平時段的4倍，為獲得更大的經(jīng)濟效益，用戶會適量降低尖峰時段的用電量，增加高峰和平時段的用電量，體現(xiàn)在尖峰時段指數(shù)持續(xù)下降，而高峰和平時段指數(shù)略有上升后基本保持平穩(wěn)。

針對不同用戶的交易指數(shù)，在尖峰時段，用戶2較用戶1下降得少，在高峰時段，用戶2較用戶1上得的少，而在平時段，兩個用戶的指數(shù)基本持平，說明不同交易規(guī)模的用戶受到分時段交易影響也不同。

北京地區(qū)電力交易規(guī)則改革后，總體交易的趨勢呈上漲趨勢。針對不同的用戶類型，零售用戶的交易積極性提升明顯，但直接交易用戶的交易積極性略有下降。說明直接交易用戶更加適合中長期的合同交易，而零售用戶更能適應(yīng)分時段交易規(guī)則，這為工商業(yè)用戶市場化奠定了一定的基礎(chǔ)。針對不同的時段，尖峰時段的交易量略有削減，而高峰和平時段的交易量略有增加后保持穩(wěn)定。說明分時段交易的引入在保證用戶用電的前提下減少了用戶的用電費，并且起到一定削峰填谷的作用。此外，針對不同用戶亦可進行直接交易指數(shù)進行分析，通過比較用戶的曲線走勢，結(jié)合用戶本身需求針對不同時段制定購用電計劃，使市場交易更加精細化。

3.3 改革前后市場活躍指數(shù)算例分析

圖5為直接交易用戶和零售用戶的市場活躍度曲線。改革前零售用戶活躍度指數(shù)略高于直接交易用戶，曲線波動上升，改革后零售用戶與直接交易用戶的差距進一步擴大，表明新政策更能激發(fā)零售用戶的市場參與度。

圖5 直接交易用戶和零售用戶市場活躍度指數(shù)Fig.5 Direct trading user and retail market activity index

自2021年改革后，直接交易用戶市場活躍指數(shù)曲線和零售用戶市場活躍度曲線都表現(xiàn)為先迅速上升，在達到峰值后逐漸下降，且2021年的活躍指數(shù)均值大于2019年。分析曲線變化的原因，改革后，參加交易的市場主體數(shù)量上升，2021年的曲線先增占準入主體的比例上升，但是由于市場競爭日益激烈，區(qū)外電廠在競價時有較大優(yōu)勢，區(qū)內(nèi)電廠參與市場交易的數(shù)量日益減少，而在后期有所下降。

3.4 價格彈性指數(shù)

對北京地區(qū)2019年4個月的交易情況進行匯總，從樣本中隨機選取3個直接交易用戶4個月的負荷和電價如表3和表4所示。

表3 各用戶負荷情況Table 3 Load of each user MW

表4 各用戶電價情況Table 4 Electricity price of each user元/MWh

由表3和表4可知，對于確定的用戶，當其用電量隨時間變化時，每月電價并無波動。根據(jù)電力需求-價格彈性指數(shù)的定義，電力需求對電價的敏感程度為零，即改革前北京地區(qū)的價格彈性為零，市場屬于完全缺乏彈性狀態(tài)。

對北京地區(qū)某售電公司2021年4個月的交易情況的進行匯總，其中4個月中各用戶的負荷和電價如表5和表6所示。

表5 各時段負荷Table 5 Load in each period MW

表6 各時段電價Table 6 Electricity price in each period元/MWh

根據(jù)價格彈性公式及數(shù)據(jù)，可計算出4個月的彈性矩陣。

將改革前后的彈性指數(shù)情況進行對比，對比結(jié)果如表7所示，電價需求彈性從無到有，證明分時電價政策有效推進了北京地區(qū)的市場化進程。

表7 改革前后價格彈性對比Table 7 Price elasticity before and after the reform

本文在首都交易中心市場交易規(guī)則的關(guān)鍵變更時間節(jié)點，針對交易規(guī)則改革的具體內(nèi)容，從政策和數(shù)據(jù)兩個角度進行分析。

通過政策對比分析，北京地區(qū)的交易規(guī)則改革可以總結(jié)為以下3點：首先交易方式多元化、偏差結(jié)算更嚴格、引入分時段交易和不平衡資金的分攤；其次，根據(jù)北京電力交易特點，提出了用于評價北京地區(qū)電力交易的市場交易指數(shù)；最后，對北京地區(qū)的整體交易情況進行算例分析，分析結(jié)果驗證了指數(shù)的合理性，表明北京地區(qū)新的電力交易規(guī)則促進了用戶的交易意愿，并在一定程度上加強了主體間的競爭。從整體的交易數(shù)據(jù)對比看，分時段交易規(guī)則的引入帶動了北京的電力交易積極性，推動了北京地區(qū)的電力市場發(fā)展。D