寒流擊垮美國得州電網(wǎng)，電力市場設(shè)計如何緩解缺電危機？

連日來，美國得州持續(xù)籠罩在寒冷與黑暗之中。在極端天氣襲擊下，該州交通中斷，電網(wǎng)“癱瘓”，超 400 萬人遭遇停電，民眾生活陷入窘境。冬季極寒天氣對于電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢。作為全球電力市場化程度最高的地區(qū)之一，得州電價暴漲200倍。此次缺電本身似乎與電力市場設(shè)計沒有直接關(guān)系，但在缺電場景下，電力市場的設(shè)計可以發(fā)揮怎樣的作用？結(jié)合去年年底我國南方多地限電事件，華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)與電力市場研究所教授陳皓勇從市場環(huán)境下的分時電價機制、需求側(cè)響應(yīng)和可中斷負(fù)荷機制及發(fā)輸電容量充裕度保障機制三個方面探討了可能緩解缺電局面的體制機制問題。

完善市場環(huán)境下的分時電價機制

分時電價作為基于價格的有效需求響應(yīng)方式之一，通過在負(fù)荷高峰時段適當(dāng)調(diào)高電價、低谷時段適當(dāng)降低電價的價格信號來引導(dǎo)用戶制定合理的用電計劃，從而將高峰時段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時段，達(dá)到削峰填谷、平衡負(fù)荷的目的。分時電價是一種可有效反映電力系統(tǒng)不同時段供電成本差異的電價機制，作為一種基于價格的需求響應(yīng)方式，早期被大力推行的主要原因是用電負(fù)荷增長過快，電源建設(shè)跟不上負(fù)荷需求的增速，需要削峰填谷。目前，多數(shù)國家和地區(qū)電力供不應(yīng)求的情況已大大緩解，但依然積極推廣分時電價機制，其原因包括：緩解供電壓力、提升供電設(shè)備利用效率、緩解季節(jié)性用電緊張、促進(jìn)新產(chǎn)品（包括蓄熱鍋爐、蓄冷空調(diào)、電動汽車、儲能、5G等）的開發(fā)和應(yīng)用。為促進(jìn)可再生能源消納，美國加州等地區(qū)正在按照光伏發(fā)電曲線特性制定實施分時電價：在光伏發(fā)電高峰期，按低谷電價向用戶收取電費；對日落后增長的電力需求，考慮啟動天然氣調(diào)峰發(fā)電的成本，按高峰電價向用戶收取電費。

分時電價機制與電力市場改革并無矛盾。以美國電力市場為例，批發(fā)側(cè)的電價（對應(yīng)我國的上網(wǎng)電價）一般采用節(jié)點邊際電價（LMP），由ISO/RTO運行相應(yīng)的安全約束機組組合（SCUC）和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度（SCED）模型計算得到，一般按照每小時的負(fù)荷加權(quán)平均LMP進(jìn)行定價。而零售側(cè)電價（即公共事業(yè)服務(wù)公司或零售商賣電給電力用戶的電價）往往采用固定電價（含階梯電價）或分時電價制度，只有德州電力市場等引入了“批發(fā)指數(shù)費率”，使零售電價與批發(fā)電價的變化直接掛鉤，但也不是實時變化的。智利是世界上第一個進(jìn)行電改的國家，為鼓勵可再生能源消納并增加競爭，2014年引入了帶時標(biāo)的能量塊交易，允許發(fā)電機在一天中針對特定的時段進(jìn)行投標(biāo)，而不是限定必須24小時供應(yīng)電力。在我國電力市場，由于目前依然是以中長期交易為主要形式，大多數(shù)省份依然保留了改革前的分時電價結(jié)構(gòu)?？偠灾謺r電價機制并非一定是計劃經(jīng)濟(jì)模式的產(chǎn)物，和電力市場機制并不存在根本性矛盾。

在2020年11月25日國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《2021年電力中長期合同簽訂工作的通知》（發(fā)改運行〔2020〕1784號）中，為拉大峰谷差價，明確提出“交易雙方簽訂分時段合同時，可約定峰谷時段交易價格，也可參考上一年平均交易價格確定平段電價，峰谷電價基于平段電價上下浮動。”（即國家發(fā)展改革委電力中長期合同“六簽”要求之“分時段簽”。）而在此之前，江西、浙江等省份已先期開展了中長期分時段交易的研究和探索。國家發(fā)展改革委也將“江西先行先試開展電量分時分段模擬交易”列為首個電力中長期合同“六簽”工作典型經(jīng)驗并在全國推廣。江西省之所以提出中長期分時段市場化（物理合同）交易，正是因為提前考慮到受省內(nèi)煤電建設(shè)進(jìn)度滯后于規(guī)劃預(yù)期、跨省跨區(qū)通道輸送能力不足等因素影響，未來若干年全省電力供需形勢總體趨緊，局部時段將出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，電力供需形勢嚴(yán)峻。它是為積極應(yīng)對用電高峰時期電力供應(yīng)的緊張形勢、有效利用市場化手段引導(dǎo)電源調(diào)峰和用戶削峰填谷而進(jìn)行的大膽嘗試，對缺電局面的緩解應(yīng)有相當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)作用。

利用需求側(cè)響應(yīng)和可中斷負(fù)荷機制緩解缺電局面

在市場化環(huán)境下，需求側(cè)響應(yīng)將通過市場價格來引導(dǎo)用戶，使其調(diào)整自身的用電行為，以保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠電力供應(yīng)，提高需求曲線彈性，減少電價波動。目前，需求響應(yīng)資源包括激勵型需求響應(yīng)資源和價格型需求響應(yīng)資源。激勵型需求響應(yīng)資源主要是在電網(wǎng)緊急狀態(tài)下由調(diào)度中心協(xié)助實施，包括調(diào)頻和備用資源。價格型需求響應(yīng)資源是在市場電價變化下由用戶主動響應(yīng)，體現(xiàn)用戶的主動性。

國外需求響應(yīng)發(fā)展比較成熟，其中美國和歐洲需求響應(yīng)實施一直走在世界前列。20世紀(jì)70年代，美國就開始出現(xiàn)負(fù)荷管理和可中斷供電電價，但一直到2005年《能源政策法案》（EPA）出臺后，才開始重視需求響應(yīng)的發(fā)展。之后，美國聯(lián)邦能源管理委員會第745號法令出臺，將需求響應(yīng)整合到美國電力躉售市場，需求響應(yīng)價格按節(jié)點邊際電價結(jié)算或等同于能源的躉售市場價，賦予需求側(cè)資源和發(fā)電側(cè)公平競爭的權(quán)利。以下主要以美國PJM需求側(cè)響應(yīng)資源為例進(jìn)行說明。

美國PJM已開展需求響應(yīng)項目20余年，目前響應(yīng)資源能參與主能量、容量和輔助服務(wù)市場，與其他發(fā)電資源公平競爭。參與PJM需求側(cè)響應(yīng)的市場主體有：配電公司、負(fù)荷服務(wù)實體（LSE）、削減服務(wù)提供商（CSP）、終端用戶。其中CSP不出售電能，只是通過提供需求響應(yīng)服務(wù)賺取利潤，這點與LSE不同；終端用戶中大用戶可以LSE或CSP名義直接參與到需求響應(yīng)中，而小型終端用戶不能直接參與需求響應(yīng)市場，只能通過CSP或LSE間接參與。PJM提供兩種需求響應(yīng)資源：激勵型和價格型。目前，激勵型主要包括緊急需求響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)需求響應(yīng)。

緊急需求響應(yīng)項目具有調(diào)度性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時對其負(fù)荷進(jìn)行強制削減，并加以補償，負(fù)荷削減量為用戶負(fù)荷基線與實際測量負(fù)荷水平的差值，補償價格為該用戶所在節(jié)點的實時出清價格LMP和500美元/兆瓦時兩者中最大值。在經(jīng)濟(jì)需求響應(yīng)項目中，響應(yīng)資源提供者將至少具有100千瓦的負(fù)荷潛力并在市場中參與競價，負(fù)荷控制方式有用戶主動控制或調(diào)度中心強制控制兩種。該項目必須把需求側(cè)響應(yīng)資源作為一種發(fā)電資源參與市場，并需要定期接受考核。

激勵型響應(yīng)資源需要參與批發(fā)市場報價，小型終端用戶無法直接參與，缺乏市場信息的透明性，不利于需求側(cè)響應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展。而價格型需求側(cè)響應(yīng)項目（PRD）使小型終端用戶直接參與需求側(cè)響應(yīng)，根據(jù)市場的價格來主動調(diào)整自身用電行為，無需PJM直接調(diào)度也無需參與批發(fā)市場競價。價格型響應(yīng)對市場價格的影響是隱性的，即電能市場和容量市場在原有的負(fù)荷預(yù)測曲線上增加對PRD的考慮后，發(fā)電功率需求下降，市場出清價格下降。PRD資源提供者獲得的收益也是隱性的，激勵型響應(yīng)資源獲得的收益是直接獲得競價報酬，而PRD資源則是用電成本的降低幅度。

在我國，目前應(yīng)對電力缺口的主要方式是“有序用電”。例如，2020年12月8日湖南省發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于啟動2020年全省迎峰度冬有序用電的緊急通知》，江西、浙江等地也相繼發(fā)布了“有序用電”通知。目前這些“有序用電”都是強制性的，在市場環(huán)境下應(yīng)更多考慮采用市場化的手段（經(jīng)濟(jì)激勵）來實現(xiàn)，利用需求側(cè)響應(yīng)和可中斷負(fù)荷機制等機制來緩解缺電局面。

確保市場環(huán)境下的發(fā)輸電容量充裕度

電力系統(tǒng)安全可靠性指電力系統(tǒng)能夠不間斷地向用戶提供合乎質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)量要求的電力和電量的能力，包括兩方面的內(nèi)容：即充裕度和安全性。充裕度是指電力系統(tǒng)有足夠的發(fā)電和輸電容量，在任何時候都能滿足用戶的負(fù)荷需求，充裕度不足是形成缺電局面的重要原因。從充裕度的角度，整個電力系統(tǒng)的可靠性分為與發(fā)電有關(guān)的可靠性和與輸電有關(guān)的可靠性。

用容量市場/補償機制確保發(fā)電容量的充裕度

世界各國有效運作的電力現(xiàn)貨市場都表明，現(xiàn)貨價格信號能調(diào)節(jié)短期市場供需、優(yōu)化系統(tǒng)運行。但是，現(xiàn)貨市場的稀缺資源價格信號對于激勵新建發(fā)電容量、保障電力長期平穩(wěn)供應(yīng)方面的作用是存疑的。由于電力負(fù)荷、可再生能源出力等的不確定性，現(xiàn)貨價格往往大幅波動，給市場主體帶來巨大的財務(wù)風(fēng)險。另一方面，由于一般電廠投資建設(shè)周期都需要數(shù)年，電源投資者事實上難以根據(jù)短期稀缺價格信號去做長期投資決策。從國際經(jīng)驗來看，為保障長期電力供給安全，目前包括英國、美國PJM和美國加州等在內(nèi)的電力市場都已建立起配套的容量市場機制。

以美國PJM容量市場為例，1998年，開創(chuàng)了容量信用交易模式的容量信用市場（Capacity Credit Market，縮寫為CCM）。當(dāng)年10月15日，第一個月度市場開市；12月31日，第一個日市場開市。2007年，由于市場操縱等問題，PJM采用可靠性定價模式（Reliability Pricing Model，縮寫為RPM）取代容量信用市場，并于當(dāng)年4月開始正式運行。RPM容量市場是由多重拍賣市場組成的，包括1個基本拍賣市場、3個追加拍賣市場和1個雙邊市場。市場成員也由負(fù)荷服務(wù)商和容量擁有者組成。基本拍賣市場提前3年舉行。PJM根據(jù)對3年后的負(fù)荷預(yù)測，組織容量擁有者競價，以滿足電網(wǎng)3年后的機組容量需求，購買容量的費用根據(jù)規(guī)則分?jǐn)偨o負(fù)荷服務(wù)商。市場主體可以在第一次和第三次追加拍賣中購買容量來替代其無法履約的售出容量，例如工程的延遲或取消、現(xiàn)有機組的毀損等。在目標(biāo)年份的前1年，PJM將重新進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，如果此次預(yù)測比基本拍賣前預(yù)測高100兆瓦以上，則組織第二次追加拍賣以補足差額，并將購買費用按規(guī)則分?jǐn)偨o負(fù)荷服務(wù)商。負(fù)荷服務(wù)商可以通過雙邊交易市場獲得其在容量拍賣中未滿足的容量。PJM容量市場吸引了充足的投資來保障未來的電力負(fù)荷需求，確保了供電可靠性。

我國學(xué)者首創(chuàng)的當(dāng)量電價機制從解決市場效率和投資充分回報這一兩難問題入手，解決了缺電情況下開放電力市場的重大難題，不但適用于發(fā)電市場，也適用于輸電市場及輔助服務(wù)市場，值得進(jìn)一步研究和實踐。

用可用傳輸能力（ATC）監(jiān)管和輸電權(quán)管理確保輸電容量的充裕度

在電力市場環(huán)境下，普遍采用“可用傳輸能力”（Available Transfer Capacity， ATC）及其他相關(guān)指標(biāo)來衡量輸電系統(tǒng)的充裕度。1995年美國聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）頒布了“要求輸電網(wǎng)的擁有者計算輸電網(wǎng)區(qū)域間可用傳輸能力（ATC）”的命令。1996年，北美電力可靠性委員會（NERC）給出了明確定義：ATC是指在現(xiàn)有輸電合同基礎(chǔ)之上，實際物理輸電網(wǎng)絡(luò)剩余的、可用戶商業(yè)使用的傳輸容量。因此有：

ATC（可用傳輸能力）=TTC（最大傳輸能力）-TRM（輸電可靠性裕度）-ETC（現(xiàn)有輸電協(xié)議占用的傳輸能力）-CBM（容量效益裕度）。

TTC反映了在滿足系統(tǒng)各種安全可靠性要求下的輸電能力；TRM為輸電可靠性裕度，反映了不確定因素對輸電能力的影響；ETC為現(xiàn)有輸電協(xié)議（包括零售用戶服務(wù)）占用的輸電能力；CBM反映了為保證ETC中不可撤銷輸電服務(wù)順利執(zhí)行時輸電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)保留的輸電能力。當(dāng)輸電系統(tǒng)輸送電量過大，致使ATC過小時，隨機干擾可能危及系統(tǒng)運行安全，這時需要削減部分輸電業(yè)務(wù)，電網(wǎng)處于輸電阻塞狀態(tài)。

美國聯(lián)邦能源管理委員會2006年頒布的第679號法令“通過價格改革促進(jìn)輸電投資”和2007年頒布的第890號法令“防止輸電服務(wù)中的過度歧視和偏袒”，都旨在確保輸電容量的充裕度和輸電費用的公平分?jǐn)偂Ｔ诘?90號法令中，聯(lián)邦能源管理委員會為輸電基礎(chǔ)設(shè)施的投資提供價格激勵，以確保美國大規(guī)模輸電系統(tǒng)的可靠性，并通過減少輸電阻塞來降低向電力用戶供電的成本。

在電力市場中，輸電容量可向市場主體拍賣，拍賣方式分為顯式和隱式兩大類。顯式拍賣：確定區(qū)域之間或關(guān)鍵支路上傳輸容量的極限，考慮安全運行需要的裕度，將剩余的可用傳輸容量進(jìn)行顯式的拍賣，獲得輸電容量的市場主體才可以進(jìn)行相應(yīng)數(shù)量的區(qū)域之間的能量交易。隱式拍賣：輸電容量的拍賣和能量的拍賣同時進(jìn)行。不直接對輸電容量進(jìn)行分配。認(rèn)為市場主體的出價中，已經(jīng)包含了能量和傳輸兩種產(chǎn)品（服務(wù)）的價格。譬如以美國PJM、德州等為代表的日前、實時市場的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度，就是一種典型的隱式拍賣。

我國電網(wǎng)規(guī)模世界第一，但仍長期存在一些根本性問題，特別是全國電網(wǎng)存在著整體利用率偏低、局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化、穩(wěn)定運行壓力大等問題。相對于西方國家，我國輸電網(wǎng)較新、設(shè)備冗余度高，500千伏輸電線路輕載情況相對較為嚴(yán)重，大部分線路處于長期輕載的情況，只有少數(shù)線路負(fù)載率超過50%。因此，在市場環(huán)境下需要重點關(guān)注電網(wǎng)局部“卡脖子”的問題，應(yīng)在借鑒國外電力市場先進(jìn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研究適合我國國情的解決方案。