碳中和背景下跨省電力交易空間結(jié)構(gòu)及影響因素研究

張慧敏，李 晏，馮天天，楊益晟

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100029）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，中國(guó)積極推動(dòng)各類(lèi)能源環(huán)境戰(zhàn)略方案的落地實(shí)施[1]，不斷推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和可再生能源發(fā)展?？缡‰娏灰淄ㄟ^(guò)協(xié)調(diào)電力調(diào)度、優(yōu)化資源配置、促進(jìn)清潔能源跨省跨區(qū)消納，對(duì)維持區(qū)域電力電量平衡，推進(jìn)電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，推動(dòng)“碳中和”實(shí)現(xiàn)起到了重要作用。

2020 年6 月10 日，國(guó)家發(fā)改委能源局正式印發(fā)《電力中長(zhǎng)期交易基本規(guī)則》，推進(jìn)了跨省跨區(qū)電力交易發(fā)展[2]。但隨著“碳中和”目標(biāo)的提出，發(fā)展可再生能源的迫切性增加?；谖覈?guó)各省電量供需不平衡、發(fā)電方式差異較大且具有明顯區(qū)域性等特征，各省實(shí)現(xiàn)電力電量平衡的需求和大規(guī)模高比例新能源并網(wǎng)的趨勢(shì)將對(duì)跨省電力交易提出更高要求。因此，了解省間電力交易的結(jié)構(gòu)演化特點(diǎn)及其影響因素，對(duì)進(jìn)一步完善適應(yīng)高比例新能源并網(wǎng)的跨省電力交易、實(shí)現(xiàn)電力電量平衡具有指導(dǎo)作用。

對(duì)于省間/區(qū)域電力交易機(jī)制和發(fā)展?fàn)顩r，已有不少學(xué)者通過(guò)研究電力市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，提出區(qū)域電力貿(mào)易機(jī)制[3]、區(qū)域電力聯(lián)營(yíng)模型[4]和多區(qū)域經(jīng)濟(jì)調(diào)度模擬方法[5]；進(jìn)一步根據(jù)交易及運(yùn)營(yíng)商的特點(diǎn)，構(gòu)建電力交易平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)制[6-8]。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型能夠揭示系統(tǒng)中的組織結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，已有學(xué)者探討了在電網(wǎng)分析中應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的重要性[9-10]，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法評(píng)估系統(tǒng)可靠性[11]，并對(duì)電力貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)[12]、電力行業(yè)碳排放[13]、行業(yè)用電量[14]等的演化特征進(jìn)行分析，為電力交易結(jié)構(gòu)、電力交易網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)等分析提供了新思路。

通過(guò)二次指派程序（Quadratic Assignment Procedure，QAP）分析能夠識(shí)別社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)關(guān)系，多數(shù)學(xué)者運(yùn)用其分析人口流動(dòng)[15]、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易[16-17]、資源貿(mào)易[18]、碳排放[19-20]等的影響因素，為電力交易網(wǎng)絡(luò)的影響因素分析提供了思路和借鑒。

現(xiàn)有文獻(xiàn)為跨省跨區(qū)域電力交易研究提供了理論基礎(chǔ)和方法支持。本文創(chuàng)新性地將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)和輸電網(wǎng)絡(luò)的演化，分析跨省跨區(qū)域電力交易網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及演化特點(diǎn)，并與QAP 相結(jié)合，分析網(wǎng)絡(luò)演化的影響因素，進(jìn)一步補(bǔ)充了現(xiàn)有的跨省跨區(qū)電力交易等方面的研究。

1 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

1.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，分析個(gè)體和各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系及結(jié)構(gòu)特征，主要由節(jié)點(diǎn)、邊、度、加權(quán)度等要素構(gòu)成。本文中跨省電力交易空間結(jié)構(gòu)即為一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，表示各省進(jìn)行電力交易時(shí)形成的跨越地域的交易網(wǎng)絡(luò)。其中，節(jié)點(diǎn)為所有參與電力交易的省份；邊為存在電力交易的省份之間的連線；度表示省間連線的數(shù)量；加權(quán)度表示一個(gè)省份受入和送出的總電量。由節(jié)點(diǎn)、邊、度、加權(quán)度等要素共同構(gòu)成跨省電力交易空間網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中具體特性公式如下。

1）聚類(lèi)系數(shù)（Clustering Coefficient，C）表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的聚集程度，如式（1）所示：

式中：Ci為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中各省份間交易的密切程度；i為網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)省份；ki為與i省存在交易的省份數(shù)；E為真實(shí)存在交易的省份之間的連線數(shù)。

2）特征向量中心性（Eigenvector Centrality，EC）表示某一節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的影響力，如式（2）所示：

式中：ECi為一個(gè)省份在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中的影響力；μ為常數(shù)；wij為從i省到j(luò)省的電力交易量。

3）中介中心性（Betweenness Centrality，BC）為通過(guò)某一節(jié)點(diǎn)最短路徑的數(shù)量與全部最短路徑的比值，表示某一節(jié)點(diǎn)的中介性，如式（3）所示：

式中：BCi為1 個(gè)省份在電力交易網(wǎng)絡(luò)中的媒介作用；gjk(i)為網(wǎng)絡(luò)中從j省到k省要經(jīng)過(guò)i省的路徑中，最短路徑的數(shù)量；gjk為網(wǎng)絡(luò)中從j省到k省的路徑中，最短路徑的數(shù)量；n為所有路徑總和。

4）緊密中心性（Closeness Centrality，CC）表示1個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的接近程度，如式（4）、式（5）所示：

式中：CCi為1 個(gè)省份向另1 個(gè)省份受入或送出電力時(shí)，對(duì)其他省份的依賴(lài)程度；di為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中能夠連接i省與j省的最短路徑數(shù)與總路徑數(shù)的比值；dij為能夠連接i省與j省的最短路徑。

5）網(wǎng)絡(luò)密度（Network Density，D）表示省間電力交易網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的緊密性，如式（6）所示：

式中：D為網(wǎng)絡(luò)的密度；L為網(wǎng)絡(luò)中邊（存在電力交易的省份之間的連線）的數(shù)量；N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)（所有參與電力交易的省份）的數(shù)量。

1.2 QAP分析

本文使用Ucinet6 軟件[21]，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，將省間電力交易網(wǎng)絡(luò)作為因變量，政策支持力度、特高壓輸電建設(shè)情況、電力交易供需差為自變量進(jìn)行QAP 分析，并將數(shù)據(jù)處理成二值鄰接矩陣。

根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果，在計(jì)算年份中，若出現(xiàn)以下任何一種情況，如兩個(gè)省份存在電力交易、某一省份頒布的有關(guān)省間電力交易的政策發(fā)文數(shù)量大于1、兩個(gè)省份之間存在建成使用的特高壓直流換流站或者特高壓交流變電站、某一省份的發(fā)電量小于用電量，則在二值表中記為1，反之記為0。二值表的數(shù)值設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 二值表的指標(biāo)設(shè)定Table 1 Indexes setting of binary table

1.3 數(shù)據(jù)收集與處理

由于數(shù)據(jù)可得性，本文研究選擇國(guó)家級(jí)電力交易中心——北京電力交易中心年報(bào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行省間電力交易分析，因此，處理數(shù)據(jù)中不包含華南地區(qū)的部分交易數(shù)據(jù)。QAP 分析中的數(shù)據(jù)主要來(lái)自2016—2019 年國(guó)家電網(wǎng)《社會(huì)責(zé)任報(bào)告》、《全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)》及各省政府網(wǎng)站。

2 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化

通過(guò)Gephi 軟件進(jìn)一步分析省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)。2016—2019 年網(wǎng)絡(luò)平均聚類(lèi)系數(shù)如表2 所示，網(wǎng)絡(luò)平均聚類(lèi)系數(shù)增大表明我國(guó)省間電力交易越來(lái)越密切。省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)密度如圖1 所示，網(wǎng)絡(luò)密度增長(zhǎng)表明省間電力交易網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)性不斷增強(qiáng)。省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)演化如圖2 所示，其中節(jié)點(diǎn)顏色由藍(lán)色至紅色、越偏向紅色表明連接點(diǎn)越多；邊的線條越粗，表明交易量越大。由圖2 可知，省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增大，其中，2016—2017 年多為一對(duì)一交易，山西、四川、浙江、江蘇等地與其他省份交易較多；而2018—2019 年省間電力交易較為密切，新疆、西藏、四川、甘肅等地與其他省份交易逐漸增多。這表明，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在不斷地?cái)U(kuò)大優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中心逐漸由東部轉(zhuǎn)移到西部。

表2 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)平均聚類(lèi)系數(shù)Table 2 Average clustering coefficient of interprovincial power transaction spatial networks（2016-2019）

圖1 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)密度Fig.1 Density of inter-provincial power transaction spatial networks（2016-2019）

圖2 2016—2019年省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)演化Fig.2 Evolution of inter-provincial power transaction spatial networks（2016-2019）

在2019 年的省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中，特征向量中心性如表3 所示，其中山東、陜西、福建的地位較為重要，其與鄰居省份的交易對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響力較大。中介中心性如表4 所示，其中四川、西藏跨省交易對(duì)象較多、交易量較大，在省間電力交易中處于核心領(lǐng)導(dǎo)地位。緊密中心性如表5 所示，其中湖北、安徽、浙江、內(nèi)蒙古、陜西等省份是網(wǎng)絡(luò)的中心參與者，與其他省份交易聯(lián)系較多，在省間電力交易過(guò)程中對(duì)其他省份依賴(lài)較低。

表3 2019年特征向量中心性前10名省份Table 3 Top 10 provinces of eigenvector centrality in 2019

表4 2019年中介中心性前10名省份Table 4 Top 10 provinces of betweenness centrality in 2019

表5 2019年緊密中心性前10名省份Table 5 Top 10 provinces of closeness centrality in 2019

進(jìn)一步整理數(shù)據(jù)結(jié)果，可得2019 年重點(diǎn)電力送出省份如圖3 所示，主要為四川、寧夏等西部地區(qū)。2019 年重點(diǎn)電力受入省份如圖4 所示，主要為山東、陜西等華中地區(qū)，并且這些重點(diǎn)電力送出和受入省份均與多個(gè)省份進(jìn)行交易。結(jié)合中心性分析可知，在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)中，重要程度較高、影響力較大的省份多為重點(diǎn)電力受入和送出省份，其在電力交易中處于主動(dòng)地位。

圖3 2019年重點(diǎn)電力送出省份Fig.3 Key power sending provinces in 2019

圖4 2019年重點(diǎn)電力受入省份Fig.4 Key power receiving provinces in 2019

2.2 省間電力交易空間網(wǎng)絡(luò)影響因素分析

由于我國(guó)地域廣闊、能源分布不均，省間電力交易網(wǎng)絡(luò)演化的影響因素包括資源稟賦、電力成本價(jià)格、通道資源、戰(zhàn)略規(guī)劃、各省電源及負(fù)荷結(jié)構(gòu)等?？紤]研究的時(shí)間跨度和數(shù)據(jù)可得性，本文從以下3 個(gè)方面進(jìn)行分析：（1）技術(shù)上，特高壓輸電線路的建設(shè)是推進(jìn)省間電力交易的重要技術(shù)支撐；（2）供需關(guān)系上，各省各區(qū)域間的電力供需形勢(shì)進(jìn)一步推動(dòng)了跨省電力交易；（3）政策上，各省政府政策支持力度支撐省間電力交易發(fā)展。因此，本文將特高壓輸電建設(shè)情況、省內(nèi)電力供需差、各省政策支持力度作為省間電力交易的影響因素。

省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與特高壓輸電建設(shè)情況呈高度正相關(guān)，與省內(nèi)供需差呈顯著負(fù)相關(guān)，與政策支持力度基本不相關(guān)，具體相關(guān)性分析結(jié)果如表6所示。由表6 可知，在技術(shù)上，特高壓輸電項(xiàng)目建設(shè)會(huì)為省間清潔能源電力交易提供支撐；在供需關(guān)系上，現(xiàn)有供需形式也會(huì)對(duì)省間電力交易產(chǎn)生一定影響；在政策上，雖然國(guó)家和各省級(jí)政府機(jī)關(guān)頒布了一系列政策推進(jìn)省間電力交易的發(fā)展，但由于政策具有滯后性，在相關(guān)性分析結(jié)果中政策支持力度與省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性不強(qiáng)。

表6 2016—2019年QAP相關(guān)性分析結(jié)果Table 6 Results of QAP correlation analysis（2016-2019）

進(jìn)一步對(duì)省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與特高壓輸電建設(shè)情況、供需差進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表7 所示，其中R2為對(duì)擬合回歸效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表7 2016—2019年QAP回歸分析結(jié)果Table 7 Results of QAP regression analysis（2016-2019）

由表7 可知，特高壓輸電建設(shè)情況對(duì)省間電力交易網(wǎng)絡(luò)存在顯著的正向影響，且影響強(qiáng)度較大。雖然是由于電力交易需求而建設(shè)的特高壓輸電線路，但是特高壓輸電線路的建設(shè)也為省間電力交易的實(shí)現(xiàn)提供了有效支撐。這是因?yàn)?，特高壓輸電線路具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電的優(yōu)勢(shì)。在電力資源不平衡背景下，特高壓輸電線路的建設(shè)有利于促進(jìn)跨省跨區(qū)電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在省間電力交易網(wǎng)絡(luò)與供需差的回歸分析結(jié)果中，二者存在顯著的負(fù)向影響，但是影響較為微弱。即使供需市場(chǎng)已經(jīng)逐步趨于穩(wěn)定，但電力供給端的增多仍會(huì)在一定程度上驅(qū)動(dòng)省間電力交易網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大。隨著“碳中和”目標(biāo)的推動(dòng)和能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展，發(fā)電方式將逐步由傳統(tǒng)能源發(fā)電轉(zhuǎn)為可再生能源發(fā)電，由于區(qū)域特性，可再生能源發(fā)電基地多集中在中國(guó)西北部地區(qū)。電力供給端的轉(zhuǎn)變和發(fā)展，一定程度上會(huì)促進(jìn)省間電力交易。

3 完善中國(guó)省間電力交易機(jī)制的建議

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，隨著高比例可再生能源并網(wǎng)，省間電力交易的中心省份逐步轉(zhuǎn)移，同時(shí)，可再生能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性會(huì)使省間電力交易和調(diào)度的難度增大，省間電力交易機(jī)制亟需進(jìn)一步優(yōu)化完善。

1）發(fā)揮中心省份作用，建立電力市場(chǎng)交易區(qū)。依據(jù)全國(guó)各省各區(qū)域電力供需和電網(wǎng)建設(shè)情況，以資源合理配置和供需缺口調(diào)劑為主要目的，建立跨區(qū)域交易中心，并積極發(fā)揮中心性省份的作用，破除省間交易壁壘[22]。

2）建立適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的省間電力交易機(jī)制。協(xié)調(diào)電量受送端供需關(guān)系，因地制宜考慮電網(wǎng)可再生能源出力特性、跨省電力交易的差異性、省間電量供需特性、省間輸電線路約束等多維度問(wèn)題，在中長(zhǎng)期交易中，對(duì)電量進(jìn)行從年度到月度、周度的有效分解，建立更符合電網(wǎng)電力電量平衡的省間電力交易機(jī)制[23]。

3）合理規(guī)劃并推進(jìn)跨省跨區(qū)特高壓輸電通道建設(shè)，提高電力外送能力，降低輸電損耗，實(shí)現(xiàn)清潔能源跨省跨區(qū)的高效、合理配置。

4）增強(qiáng)資源統(tǒng)籌配置能力。隨著可再生能源發(fā)電滲透率的逐漸提高，深刻考慮在保障電力電量平衡的同時(shí)兼顧電網(wǎng)運(yùn)行效率的經(jīng)濟(jì)性[24]，增強(qiáng)資源統(tǒng)籌配置的能力，在允許條件下優(yōu)先消納可再生能源發(fā)電，提高跨省跨區(qū)電力供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

在碳中和背景下，為推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，促進(jìn)可再生能源優(yōu)先消納，實(shí)現(xiàn)可再生能源優(yōu)化配置最大化和電力電量平衡的經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)中國(guó)省間電量交易空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)演化及其影響因素進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，省間電力交易網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中心逐漸由東部轉(zhuǎn)移到西部，且四川、西藏等主要電力送出省份和山東、陜西等主要電力受入省份在交易網(wǎng)絡(luò)中的影響力較大。另外，影響省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的主要因素是特高壓輸電線路建設(shè)情況和電量供需差。因此，以特高壓為引領(lǐng)的電網(wǎng)建設(shè)和清潔能源發(fā)展帶來(lái)的供給端的推動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時(shí)，特高壓輸電線路建設(shè)也為省間電力交易網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，從而保證省間電力電量調(diào)度的穩(wěn)定性。

未來(lái)，隨著高比例可再生能源并網(wǎng)發(fā)展，我國(guó)將逐步推進(jìn)西北部大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地以及沿海地區(qū)海上風(fēng)電基地建設(shè)，中國(guó)西北部地區(qū)和沿海地區(qū)或?qū)⒅鸩窖葑優(yōu)槭￠g電力交易網(wǎng)絡(luò)的中心，成為重要的節(jié)點(diǎn)[25]。