李化由美国电力市场发展史观《基本规则》

电力市场研究 2022-05-09 15:12:47

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2016年底印发的《电力中长期交易基本规则(暂行)》(以下简称《基本规则》),可算是业内市场派翘首以盼的“承接性”文件。国家相关部委通过《中长期规则》明确表态,通过规范现有或即将开展的各种中长期交易行为,为下一步电力现货交易落地、建设现代电力市场奠定基础。美国电力工业的组织模式在经历了过去百年的演化、特别是过去二十多年的结构性改革以后,各地都建立了包含现货产品的现代电力交易机制。这既包括七个州级或跨州市场区域所属、由区域输电组织或独立系统运行机构来组织的集中式电力市场(RTO/ISO run centralized market)模式,也包括剩余地区的传统批发市场(traditional wholesale market)模式。对照美国电力市场发展史看如何提高行业效率,可以更好地解读《规则》的内涵和精神、展望电力市场化的后续改革方向与路径。

一、最初的垂直一体化垄断经营、规模效应与效率最优化

美国的电力工业在二十世纪九十年代以前的组织模式普遍为发输配垂直一体化就地平衡。这既包括由自然扩张与兼并形成、售电量占比最大、大中型规模为主、政府定价、垄断经营的私人投资者所有公用事业公司(Investor Owned Utility, 简称IOU), 也包括规模小、数目以千计的市镇所属公用事业单位(Municipal Utility,简称Muni)和农村电企合作社(Rural electric cooperative),还包括联邦政府拥有的几家联邦电力营销机构(Federal Power Marketing Agency)。起初,由于零售侧缺乏竞争,IOU,他们也被准许拥有独营的供电区域(exclusive service territory,又称为franchise)。,这些审批可以在设施建设前,也可以在投产后公司要通过零售电价回收成本时。一些州甚至制定了详细的综合能源规划(Integrated Resource Planning,简称IRP)过程以确定需要新建哪些设施。

供电区域扩张让公用事业企业在发电技术上获得规模经济。随着发电厂规模越来越大,单位生产成本也在逐步下降。随着发电厂数目的增长和发电技术的多样化,公用事业电力公司开始利用数学算法来优化自身发电机组的启停组合,采用经济调度的办法来优化这些机组的出力,以最小化实时供电成本(指以燃料为主的可变生产成本,不考虑固定成本分摊),从而达到短期运行效率最大化。制定综合资源规划时,在持续满足中长期电力电量平衡和可靠性的原则下,依据公用事业单位的零售定价与营利模式,以终端用户平均电费水平长期期望值最小化为目标来制定系统扩展规划。如果没有技术创新和预测误差,综合资源规划再加上竞争性基建招标,也能实现了长期投资的社会效率最大化。此传统模式下的短期和长期效率最优方案,都是仅仅单个企业控制区内的效率最优。

二、备用容量共享、电网互联、经济电能交易和电力库

机组大型化,导致自备备用容量非常昂贵。而相邻的电力公司共享备用容量,就可将高昂的备用成本降下来。电力公司间开始建立联络线路,以保障发生紧急事故时能够提供充足的容量备用;但毕竟事故很少发生,因此电力系统在平时拥有了过剩的输电容量。这让电力公司可以利用这些线路来交易电力。大型公用事业电力公司在一些情况下,其边际发电成本可能高于或低于相邻企业。有输电线路容量可用时,电力公司能够在必要时购买电力以降低成本,或向其他边际发电成本更高的电力公司出售电力。这在美国被称为经济电能交易(economy energy trading),最初由各家电力公司调度中心负责洽谈价格并在联络线上执行。这种最原始的电力交易从一开始就是小时级的现货交易和带曲线的中长期交易。机组可用性和电价在季节上以及区域上有差异,这让双边交易市场(bilateral trading market)活跃了起来;通过价差套利,参与双方同时提升了彼此的运行效率。

容量共享协议的价值也导致了电力库(powerpool)的诞生,这也是现如今区域输电组织(RegionalTransmission Organizations,简称RTO)的前身。电力库是一种多边协议,参与成员将自身的发电机组或输电设施的运营权交由统一的系统运营机构进行管理。成员向运营机构提交自身机组的增量成本数据和系统状态数据。系统运营机构运行的能量管理系统使用机组成本数据,对机组启停组合和经济调度进行多方优化,从而提高了整个电力库区域里的短期运行效率。优化形成的电力交换计划也是小时级的现货交易

为了让公用事业电力公司开始共享其发电资源,1927年宾夕法尼亚-新泽西-马里兰互联(PJM)成立,成为全世界第一家电力库。1941年至1971期间,美国德州、西南、纽约、新英格兰这四家电力库也相继成立

三、 发电侧竞争、电网开放与集中式市场

美国六七十年代的电力建设大热潮惯性加上八九十年代负荷增速意外减缓,导致有大量富余产能的公用事业企业从八十年代末开始积极投身批发售电。FERC)也顺势批准不具市场力的卖家可以按市场定价,,广受业界欢迎。

同期,《1978Public Utility Regulatory Policies Act of 1978,简称PURPA、由各州实施的计划,该计划旨在鼓励废热发电(利用工业余热或其他余热发电)和小型的可再生能源发电(qualifying facility,简称QF)。各州行政性地制定对此类发电机组的补偿价格,其中,加州、德州以及麻省制定得非常慷慨,使得这些地方的QF产生了容量过剩。QF行业意外快速发展并渐成规模后,1988年出台法案,准许各州可以通过竞拍的方式设置可避免成本电价。对给定的所需容量,各州可以通过竞标来确定电价,而不是按照预设电价接收全部容量。该委员会同时提议,并不符合QF标准的独立发电厂(independent power producer,简称IPP)也可参与到可避免成本的竞价中来。这样,发电竞争市场就逐渐活跃起来。

,公用事业电力公司拥有输电线路产权和运营权,没有向其他机构提供开放输电线路的义务。这对独立发电行业的发展造成了很大的阻碍。依据《1992年能源政策法案》(Energy Policy Act of 1992)授权,888号令,强制要求全体输电企业开放其输电网供人使用,通过第889号令建立了基于互联网的开放实时信息系统(Open Access Same-Time Information System,简称OASIS),以公布小时级的可用输电容量和预留输电容量,用于服务短期现货交易和中长期交易的小时级曲线分解执行。

在电力行业以双边合同或电力库协议的形式进行电力交易的基础上,888号令与第2000号令,加上各州政府及其电力工业支持,最终带来了独立系统运营机构和区域输电组织这类自愿型机构在上世纪末到本世纪初相继成立。这些机构的成立和运行,不仅在更大地理范围内实现了短期运行的经济效率最大化,还可以通过透明价格信号引导来提升发电侧的长期投资效率

每个独立系统运营机构和区域输电组织随后都建立了完整的现货电能量市场和辅助服务市场,买卖双方均可以在市场中提交申购和竞卖发电。独立系统运营机构与区域输电组织利用这种基于竞标的市场决定经济调度,其核心交易撮合的算法原理和单家一体化企业的经济调度优化算法一致,只是由于地理范围更大、市场主体众多导致计算更复杂。

四、由美国历史看《中长期规则》的意义

总结美国电力市场的发展历史,从单家一体化企业经济调度,到初始的双边经济电能交易和自发形成电力库,再到政府法令实现发电竞争和输电网络开放,直至集中式现货交易的区域输电组织,都可以看到经济启停调度和日前、日内等小时级电力现货在优化运行效率中的关键角色

中国现有的电力直接交易、跨省跨区交易、合同电量转让等中长期交易的开展,都是依附于计划电量分配执行下的传统调度方式。此调度方式虽然和中国历史形成的传统计划体制配合默契,却共同造成了巨大的经济效率损失(即社会资源浪费)。中长期交易的启动和开展,让低变动成本机组多占发电计划,可在一定程度上减少系统运行上的效率损失。《中长期规则》提出计划电量分解到月(也鼓励峰谷平和曲线)、集中竞价、合同转让、偏差考核、调峰分担等诸多规范与创新,如果能落实并得到发电计划放开等机制的配合,也可以再进一步提高系统运行上的经济效率

但是,这一切努力皆是对现有计划体制的小步改良。没有现货交易、没有经济调度,就不可能实现电力系统短期运行的经济效率最大化。作为主要运行成本的燃料,其价格每天都在变;作为总需求量的负荷,每时每刻都在变。最优的调度运行方式,只能在日前和实时才能分小时、分5分钟确定。如果调度的优化受到年前、月前安排出的实物电量计划约束,那就必然存在效率损失和资源浪费。《中长期规则》的各种改良措施,不仅可以实现部分效率改善,还可以让市场主体做些“热身运动”,减少从电量交易走向电力交易的观念冲击。也就是说,《中长期规则》只是一个过渡性的规则,其落地、执行是为了日后现货交易、经济调度启动和开展。

参照美国的历史和现状,中国现有电力系统运行的整体经济效率,与美国现状差距巨大,可能落后了几十年。中国的电力体制改革和以现货为基础的电力市场建设,任重而道远,还需一大批有志之士从法律、政策、规则、管理、组织、技术等诸多方面努力,谨此与读者共勉。

声明:本文纯属作者个人观点,与作者工作单位无关,与任何机构无关 

作者简介: 李化,男,特许金融分析师(CFA),2007年至今受聘于美国新纪元能源公司(NextEra Energy Inc.),现任佛罗里达州电力电灯公司(Florida Power and Light Company)首席金融工程师(Principal Quantitative Analyst), 主管能源市场交易中心的研究分析与定价业务。1999年云南省高考理科榜眼,北京大学经济学与理学双学士,美国卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)管理硕士。

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