“电力市场设计学”的基本概念及方法论

电力大数据 电力大数据

June. 2018,Vol. 21,No. 6 POWER SYSTEMS AND BIG DATA Big Data Special Reports

“电力市场设计学”的基本概念及方法论

陈皓勇陈玮\荆朝霞李小璐<

$1•华南理工大学电力学院，广东广州510641，

2.广州电力交易中心，广东广州510623 % 3•贵州电力交易中心，贵州贵阳550001 &

摘要：当前电力体制改革已进入深水区，电力市场设计和规则制订已成为电力市场改革主导部门所面临的关键问 题，但是电力市场设计的科学方法论尚未建立起来。本文提出“电力市场设计学”的概念，涉及电力系统工程、运筹 学、微观经济学、博弈论、拍卖理论、金融学、计算经济学、实验经济学等多学科的知识。电力市场设计学以中国特色 社会主义政治经济学作为总体指导思想，树立系统观并掌握系统工程方法，具体设计过程则包括基于经典微观经济 学和金融学的电力市场体系初步设计、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制设计、基于计算经济学和实验经 济学的电力市场仿真和电力市场交易的实地研究等步骤。电力市场设计学的基本方法已应用于南方区域电力市场 体系和交易品种设计等工作，其所包含的深刻丰富的内容还有待进一步深入研究和应用。关键词：电力市场；交易机制；微观经济学；实验经济学；拍卖理论

文章编号:2096 -4633(2018)06 -0001 -08中图分类号：407 文献标志码：

FB

）的思路，本文提出“电力市场设

中共中央、国务院《关于进一步深化电力体制改 革的若干意见》（中发〔2015-9号文&(下称“9号文”&印发已近三年，电力市场改革逐渐进入深水区，已对 电力行业带来较大的冲击[1]，围绕改革的目标模式、实施路径以及方法论等问题的争论也十分激烈。

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源 产业，不关 问题，也

国家能源 的生产、

，

经济发展的

关，因此电

，是

发电实

的 交叉

”的概念并探讨其基本内容。

1作为微观经济系统的电力市场体系

力市场改革必须慎之又慎。电力既具有

也是重要的生产 电力

。

行的

，因此电力又不是普、文化 、工业发

不 一 的

实践中不

法

，

于实国”、

经典经济 多 决

互

论中，市场是一过自由竞的买方和卖方，通过市场机制共

一行业经济体制，电力市场机制与

各国的 经济制度、法

展水 等等 关。 电力市场模式，各国电力市场

改 ，因此国市场模式 经济 的经 论也 以 电力市场的 电力市场的 的电力市场 是一 工

国家重点研发计划项目（2016

[2]。

论与实 重

大

“ ”（“

电工 、 于一体的

。在实市场研

争与交换来实现资源优化配置的一制。市场中

或劳务的价格和交易数量，如图1所示。

经验的基础上，

、工、文 ，

自从西方经济学鼻祖斯密（AdamSmith)揭C

YFB0900100)

电力大数据第21卷

了市场机制（看不见的手&的基本原理后，经济 进行了许多深入探索。1? 纪末英国经济 马歇尔$ Alfred Marshall)建立起支配西方经济

：

.

，电力

的真实 行 市场 的

行

本或

过市场 则 市场交易

等)下，市场主体基于市场

论上

价），多市场主体的市场 体的交易 。

下， 市场 体

。

有一 的

则采取对各自有利的交易策略(一般不

40年之久的“新古典经济学”理论体系，以部均衡 理论（partial equilibriumtheory)(单个或部分市场的 供需均

论）为基础。局部均

论也是国外电

力市场 的重要经济学理论依据。奥地利经济学

派代表人物哈耶克（Friedrich August von Hayek)的 市场秩序理论则认为:市场秩序的本质是自由，法治 市场 则 对不 的

是基础，效率是优势[3]。

经典经济

论侧重于

竞争 信息的

理想市场分析，而现代经济 论则更多地基于博

弈论、信经济学等对不

竞争和不

信息市场的建模和分析，更贴近于真实市场的

。现代

经济 市场机制 经济 充(microeconomic system)，包含两个不同的兀素，艮口： 环境（environment)和制度（institution) [4]。(1) 环境： ！由 有自主行为能力的经济

人（1，2,…，！），\"#

( 源）（0，1，…，\")

。

经济人纟都具有一些特征，如

函数％，

技术(知识)禀赋&，商品禀赋向量！。因此，第$个 经济人的特征可用向量'（（％，&，！）表示。从而， 一 经济 由一 征的 来定义

e ( ('1，…，'）。此 经济 义为市场初

的

。

(2) 制度:制度定义一组规则），在这种规则下经济人能交换或改换 ，因此据各自的 和知识改

禀赋。

所有的

交换

改

换都必须以经济 的信息交

。制不但

了 物所有 ， 也 了 或不能 的

力（例如，在一个拍卖交易中不能叫\"1 000 ”

想出价1 000 )、要支付或交货的权力、排他

的所有权等等。

经济 经济制

义了

观经济

* ( (e，)）。电力市场交易体一个的

经济

。

从博弈论的观点，电力市场交易属于不完全信息博弈。电力市场的交易规则实 是一似

于扑克牌规则的博弈规则，市场主体

则下

寻求自身利益最大化的策略，进而通过出清机制形成 市场整体的 ，如图2所示。 的市场 ：(

供需形势，市场主体的生产成本、资源禀赋、风

• 2 •

Fig. 2 Action mechanism of market rules

电力市场改革属于“ ”的改革，涉及电

力系统工程、

、

经济学、博弈论、

等多知识，但本不是 的革新，而属于 科

的范畴。电力市场改革本质上是经济关系（生产关

)的，良好的市场机制将促进电力行业生产力的 发展 进步。电力市场的

问题是发、用电的竞争与分配和电费如

（市场福利如何分配）的

问题。 的表象，电力市场改革

“

下的经济体制改革”，从中国

义政治经济学的高度进行认识。

2电力市场设计的主要内容

一

经济

，电力市场的

部分 ， 市场

于 的 工 。 电

力市场

的目标

：

(1) 率目标：电力市场效率根据

分 期效率

期效率。长期率主要表现在电

力 、规划的有 。短期率主要表现在

电力 行的有。市场机制

能

出

整体

利最大的 行决策；

(2)

目标:效率 自始自终是我国经

济体制改革的两大主题，市场机制 实现 ：利 产

之间、生产内部、

内

部以及不同地理、行区

的

分配；

(3) 目标：由于电力供

及

国

，电力 发用必需实

，

过， 电力 行

的电能

质量 是第一要 ， 也是市场 的

；(4) 目标:构建

、

的能源

体系是

文明建设的要求。电力市场机制

应第6期

陈皓勇，等电力市场设计学”的基本概念及方法论

有助于绿 环保产业、

电力市场 ，

创新，推动绿 发展，壮大节能运行成本提供充足、 经济发展及人民生活水

质量合格的电能，满足国民的需要。电力

划

划

产产业、清洁能源产业。的中心问题仍然是电力电量平从传统的计划经济体制

总体的市场

由电力负荷预测、电源规划和电网规划构成。电力系

划设计需要系统思维方法论。

过程中不仅要考虑能源资源、经济发展趋势等不确定

，还要兼顾长期与短期、经济发达地区和欠发达地 区的能源供需，还要考虑法律法规、 济形势，进行全方位地分析和评价[7]。

护、

经

实现手段

符合国情的市场化交易，其内容

体 体的交易机制。电力市场体系即

总体的电力市场架构，图3是一个简化的电力市场 体系的基本内容， 市场主体、交易对象、交易类

3 方

。交易机制

的基本内容

交易方

式、交易周期等。目

国电力市场常见的交易方

式有双边协商、集中竞价和挂牌交易等[5_6]。对于 双边协商交易，电价和交易量是交易双方的私有信 ，对于集中竞价交易，电价和交易量一般是公开 的，集中竞价是电力市场价格 的主要机制。集

中竞价的 则等“细枝末节”问题 决定了

电价如

，是关乎市场

的重要问题。

电

力市场体系

图

3电力市场体系示意图

Fig.Schematic diagram of electricity marl^et system

3

电力市场设计的系统工程方法论

的市场显著不同，电力市场是基于电力

模最庞大、层次最复杂、

最密的人造工业

建立的。我国拥有

模最大的电力工业，在电力 划、设计方积累了丰富

的经验。因此电力

划设计所的 思维和

工程方法也 电力市场

的参考。电力系

统规划 的根本目标是:在国民经济发展的宏观规划下，

发和利用动力资源，用尽能少的

和

电力市场 经

济

，其 贯穿电力系划运行的

节，其规划

的

绝不低于

电力系统工程项目，由于涉及不同市场主体的利益博 弈，难度甚至更大。从

的视角，电力

于物，而电力市场属于

（人的系统），

的

严谨的

方法

以为后者的 供

参考。在电力市场设计过程中，也应该遵循一定的科

序和方法论:先分析当地的电源结构、负荷需求、 电力网络、

行

，确

步的电力市场

体系（市场主体、交易对象、交易方式等）；然后 具

体的交易机制(交易周期、双边协商交易具体内容、集

中竞价 方式等）；市场

方案初步确定后，要进

行测

仿真实验分析，预判可能出现的交易

，

如可能出现不合理的结果则需要返回修改设计方案; 市场 方案最终确定后，要制订详细的交易规则，发 支

，开展市场试运行，进行实地研究，

据实际交易中出现的

还可能需要进一步

改

市场设计方案和交易规则。

4基于经典微观经济学和金融学的电力市

场体系初步设计

在中国

义

经济学的指导下确定

了电力市场的价值目标后，在电力市场体 交易机

制设计的技术层面，应充分借鉴西方现代经济学的科

方法。在经

经济学的局部均

论中，供给

曲线和需求曲线的交点对应的价格就是均衡价格(市

场 价格），交对应的产量就是市场均衡产量。 在市场均衡条件下，将实现社会福利$ social welfare & 最大化[%]。经经济

论描述的是理想化市场的

，是实际市场

抽象的产物，忽了许多重要

，适于市场机制的原 分析，可以

于电

力市场体系的初步设计，判断不同市场 下的价格

化趋势

利分配。除现实物交易外，

国外电力市场还建立了电力金融衍

交易市场，目

电力大数据

第21卷

见的电力金融衍 的设计需要采用现代

图4 易

所

要 电力远期、电

市场

力差价合约、电力期货、电力期权等。电力

的方法。

负责跨省区电力中长期交易，由各省区交易中心负

本省区的电力中长期交易。在2017年《南方区域 区

月度电力交易规则（试行）》的基础上，增

，

年协

划，年电力交易；月交易引入年

年度交易

电量

的电力现货市场建立前南方

区内中长期交，

交易中心

的

区域电力市场体系建议方案。

区中长期交易

交易以及年度发电

制、月双边交易。

4南方区域电力市场体系建议方案示意图

Fig. 4 Schematic diagram of southern China regional electricity market

图

从跨省区交易和省区内交易的组织时序上看，省 年度交易先于省内年度交易开展，省内、交易结束后开展 月度交易

从 年度发电

年度发电

参

月度交易的开展 区交易

的

年度

交易。省内不区分先后顺

的市场。中交易和

序上，年交易依

制完成的。1961年，诺贝尔经济学奖获得 伦比亚大学William Vickrey教授

国哥

卖理论，在详

细分析了上升出价拍卖(ascending-Lid auction，或称为 英国式拍卖）、下降出价拍卖（descending-Lid auction，或 称为荷兰式拍卖）、第一价格暗标拍卖（fit-price sealed-Lid auction)、第二价格暗标拍卖（second-price sealed-Lid auction，或称Vickrey拍卖）后，他发现无论

卖制度，中标者的最优的出价

是使竞

争力第二的投标 ， 了著名的 等

价定理（revenue equivalence theorem)。通过半个多世 纪的研究，拍卖理论已发展成为一 理论，用来分析

，

卖机制的内

的

经济，也实际

论

序，市场主体自行分解电量，次开展年度协

划、年度双边协

交易，月交易依次开展月度协

交易、月富余电能

交

划交易、月发电 易和富余电能

交易。

交易，丰水期可考虑周内开展发电

5基于拍卖理论、博弈论的电力市场交易机

制设计

如前所述，经 能 制

于不

经济学的供需均 竞争/不

论不

信息市场的竞价需要基于更先进是通过各种拍卖

供了许多有用的建议。有关拍卖机制与行为的

及到博弈论、信息经济学及机制

[9'1〇]。

，各国 已进行了深

中的 卖过 是

等众多当代经济 对于 基本拍卖 入的 。 现实经济

，电力市场交易机制

的拍卖理论、博弈论 经济学等。

电力市场中，电能产品实

• 4 •

的。相对于单 的拍卖问题，有多 的拍卖问题（multi-unit auctions);相对于单一■拍卖者

第&期陈皓勇，等电力市场设计学”的基本概念及方法论

的问题，有多 卖者的拍卖问题， 多买方和

多个卖方的竞标问题称为双侧拍卖$ double auctions)。 中竞价实

国内电力市场常见的中长期电量集于多个买卖方的多

双侧暗标

论夕卜，还将实验经济学$ experimental economics )和 计算经济学 $ computational economics )(经济

仿真)方法引入市场 $ FCC) 配无线 。 是

的 经济

位经济 ，

国

的 。美国

的拍卖机制，分部带来 就被推

案例。

多亿其他领

的

卖。从卖的 方式来讲，主要有统一边际价格出清方式 $ marginal clearingprice，MCP )、按 价支付的方式$ pay-as-bid，PAB )及其他各 的方式。

电力市场2016年月度电量集中竞价所

的收入，因此卖机制

6经济学和实验经济学的电力市场仿真

的 的价格电费返还 制启发，本文提 一种适合电力中长期集中竞价的“双侧等效PAB

制”，如图5所示。供方

价格

报

价格乘以供应方结算系数\"总供给曲线即向上等

比 一段，需方

价格

价格乘以需

方 数# 总需求曲线向下等比

一 段，而此等比变换所产生的

利（代表总电量需求的 线左侧 实线 线所 积与蓝

实线 线所 积之和）

等于供需

价

格所产生的 利$

线侧 实线和蓝

实线所 积）。

此制下，供方和需求方

只有尽可能靠近

线处的

价格报价

保交，才能 最大，但此不成交的 也最大， 比。在此竞价机制下，

的是一个关键问题，决了 利在供需两方

的分配。由于供需主体的报价 PAB

机

制 $

预测的 价格报价），称之为“等

PAB

制#。

图

5适合中长期集中竞价的双侧等效PAB出清机制

Fig. 5 Equivalent double PAB auction mechanism suitable

for long-term electricity trading

从方法论 ，由于电力市场 于工程

师思路，应基于现代 经济学$ designeconomics)[11 ]。 经济 称为经济

的工程

学，是一

中的

，除了拍卖理论和博弈

制订

改交易规则时，对于规则执行可能产生的 ，不

分析，

该

进行定量 。最基本的要求是基于本地市场的实际数据

测算分析，判交易规则实施后可

能出现的市场形势、电价水平及可能出现的问题。 如前所述，严格的理论分析应建立在市场机制的 卖理论和博弈论模型的基础上，但由于电力市 场的

，所建立的数学模

以

【和分析，另外一种有

径是基于实验经济

I计

经济学的仿真实验。

6+基于代理的计算经济学仿真

基于代理的计算经济学（agent based computational economics，ACE )是模拟的方法来进行经济研 究的 。其途径是通过大量具有独立智能并相互 的Agents(代理)组成的 来模拟真实的经济系统。代

（agent)指模

中 的一个实体 (具有一定智能决策能力的 模块），由一数

据和方法构成，具有自主性、

、

、

等

。 市场的每个市场主体都用模型中的一个

代理来代表。

一

的电力市场ACE方法，由

最 展

的协同进化算法$ co-evolutionary

algorithm)由于有进化博弈论(evolutionary game theory) 的理论基础，并已

物学证据，是电力市场仿真和

的好工具[12，。

工能 现了飞跃式发展，在诸如围棋等多

已经

，

若能引入电力市场仿真，必能为电力市场的设计、分析

评估提供薪新的手段。6+实验经济学仿真

近年来实验经济 电力市场的 中逐渐得。实经济

自然

实验的方法，试

图在实验室通过 的实验来证明经济学的理论假或

经济

的实施

，其代表人物Vernon

X Smith教授2002年获得了诺贝尔经济学奖。

电力大数据

第21卷

电力市场的实验经济

电力市场课程的

，称

中的买方、卖方进行交易决策，

网络 的，对于

中， （如过为特征， 试 的先 征$ innate

试者)来代表实际市场

据自的表现给

characteristics)和个性因素的影响。价值诱导的充 分条件可归纳为三点：单调性$ monotonicity )、突显 $ salience )、优超性（dominae)[ 10-12 ]。

一定的奖励。现在的电力市场经济学实验大多在

进行。实的方法与博弈论是相

分析电力市场模式及交易规

7电力市场交易的实地研究

则、解释电价 制等方面有重要作用[15_17]。

价值诱导理论（induced value theory)是实验经 济学的

论。在经济实验中，为达对被试

适 试产生所

（reward的经济行

行为的控制，实 medium)，如现金，

任何市场设计方案最 要经受实践的 。

实地 $ field research，也称为“田野调查”）是深人 据，的一

交易公告

对象实地，以察、访谈的方法搜集实际数过对实

的分析

来

现象

方式,是市场

的最后一节。

2017年02月广东电力市场月度集中竞争交易（正式)

1 》

2017年03月广东电力市场月度集中竞争交易（正式）

»

，初

«始结*出活

7SB9 . ■ MO/TSK

共有87窜與播价.129912_C 平均申)《«)• -1.0262OAFSB3 ■其中MU

.〇

w.

26043

1. K4>24K»»Jta.

.振价无-Ms.9顧/千kw , sc成a申ik价若-5〇〇s/千h

t2Mi2義为.14S.5■/千sw.

as* 216440.6 HTRM.

价£» -133屋/T&W.

(C) >月电量竞价结果(d) 5月电量竞价结果

&广东电力市场2017年2月〜7月电量集中竞价出清结果

Fig. 6 Clearing results of monthly energy auction in Guangdong electricity marl^et from February to July in 2017

图

图6 搜集的广东电力市场2017年2月〜7

$

—

价格

方均

来看,绝大部分电量$97%以上）

俗称的“钓鱼曲线#， 下，这少部分电量报价 方(发电厂)策略来看，从2月

一

了 0报价(天花

价格,方式

价格

月电量I中竞价 板报价），只有少部分电量报价下探以博弈

式），图中的曲线为参与交易的供应方和需求方的总体 价曲线。可以看出,需方和供应方的报价 有一定的规律性。从需求方(大用户和售电公司）策略

市场价格。从供应7月电量竞价,越来越

第6期陈皓勇，等电力市场设计学”的基本概念及方法论

多的供应方报地板价，形成俗称的“跳高曲线”。目 有待进一步深入研究和应用。

参考文献：

的广东电力市场交易规则，在月电量竞价中，需求

方报价越高越优先成交，最限价为〇 6kw • h (价 差），供方报价越低越优先成交，最限价为-450 厘/kW • h(价差）。论是供应方还是需求方，保电量 ( 下， 市场 便车就

交)都是第一考虑，

一价格

方式

的供需方外，大部分供应方和需求方的报价价没有任何关系，报地板价或天花板价搭遍现象。需要

的是，这

[1]

董红，刘敦楠，马冠雄，等

.

电力体制改革背景下电网企业参

2018,21(04):82-87.

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电力大数据，

序及市场主体的 行为在经典供需均 论中是完全没有考虑的。或 图5、图6中的实

价曲线

经济学中的理论供需曲线[3]“

神不

”，其实质是 不同的，经经济

论不能

，这也

实地研究的重要意义。此外，还该注

重电力市场运行清况的评价[18]。

%结论

电力体制改革已进人深水区，电力市场 则制订已

电力市场改革

部门

所面临的关键问题。但是，“市场 ”的念尚

未建立起来，有关部门也还未掌握电力市场

•

的 方法论， 国外市场模式的倾向仍然十

分明显[19-20]。

认，电力体制改革的基本

原则应该是，在9号文所确定的基本方针指引 下，坚实事求是、问题导向，灵 市场经济基本原则解决我国电力工业中现有体制所未能

解决的问题，还原电力 ；而电力市场交易体 的中心问题是以符合国情的市场化交易手段实现电力电量

。电力市场

是

一项

专业化的任务，涉及电力

工程、运

、 经济学、博弈论、拍卖论、 、

经济学、实经济学等多 的知识。本文提“电力市场 ”的概念，以中国义 经济 总体指导思想，树立

掌握

工程方法，具体

过程则

基于经经济 的电力市场体

步设

、基于拍卖理论和博弈论的电力市场交易机制

、基于 经济

实验经济学的电力市场

仿真和电力市场交易的实地

等步骤。电力 市场 的基本方法已 于南方区域电力市场体

交易

的

等工作，但目还仅

于起步阶段，其所包含的深刻丰富的内容还

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•北

及

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标

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电力大数据

第21卷

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收稿日期:2018 -05 -13 作者简介：

陈皓勇（1975)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究 方向包括电力系统规划、运行与控制，新能源并网与智能

,

电网技术，电力经济与电力市场，综合能源系统等。

(本文责任编辑：范

斌）

Concepts and metliodology of electricity market design science

CHEN Haoyong1 ,CHEN Wei^ ,ZHU Gangyi3 ,JING Zhaoxia1 ,LI Xiaolu3

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641 Guangdong, China %

2. Guangzhou Electric Power Exchange,Guangzhou 510623 Guangdong,China;3 Guizhou Electric Power Exchange,Guiyang 550001 Guizhou,China)

Abstract' Currently the electricity markets in China and other countries are faced with newrounds of reforms. The design of trading system and market rules are the key issues in market reform. However,the concepts and methodology of electricity market design have not been established in China yet. The concept of ’’ electricity market design science’’ is proposed in this paper, which is related tomultidisciplinary knowledge of power system engineering, operations research, microeconomics, game theory, auction theory, finance, computational economics and experimental economics,etc. The electricity market design takes the Political Economy of Socialism withChinese Characteristic as the overall guiding ideology, sets up the system view and employs the system engineering method, and the specific design process includes the preliminary design of the market system based on classical microeconomics and finance, trading mechanism design based on the auction theory and game theory, electricity market simulation based on computational economics andexperimental economics, and field research on real-world market trading. The basic methodology of electricity marbeen applied to the design of regional electricity market system and transaction variety in contents which is yet to be further studied and applied.

Key words' electricity markets; trading system; microeconomics; experimental economics; auction theory