抽水蓄能电量认购交易机制研究

钟 桦，应志玮，吕征宇，杨建林，黄宇鹏，董 力

（1.上海电力交易中心有限公司，上海 200122；2.国网上海市电力公司，上海 200122；3.江苏省智能电网技术与装备重点实验室（东南大学），南京 210096）

◆研究与探讨◆

抽水蓄能电量认购交易机制研究

钟 桦1，应志玮1，吕征宇2，杨建林2，黄宇鹏2，董 力3

（1.上海电力交易中心有限公司，上海 200122；2.国网上海市电力公司，上海 200122；3.江苏省智能电网技术与装备重点实验室（东南大学），南京 210096）

随着中国电力体制改革的逐步推进，市场化方式成为提高电力系统运行效率的重要途径。为改善抽水蓄能电站的综合效益，研究了抽水蓄能市场的电量集中竞价交易模式。通过对比安徽省和江苏宜兴市的抽水蓄能交易机制，分析了报量不报价模式的不足。在明确了市场参与主体与准入条件的基础上，基于对积极承担抽水蓄能电站容量电费发电厂的鼓励，以及对串谋交易和利用市场力操纵市场等消极竞价行为的惩罚，建立了考虑奖惩的抽水蓄能电站容量电费交易模型。最后，以某市7家发电厂为例，结合具体算例对抽水蓄能市场运行进行模拟，验证了出清模型与奖惩机制的有效性，可以在市场建设初期对市场参与主体有一定的引导作用。

电力体制改革；抽水蓄能市场；集中竞价交易；容量电费；出清模型；奖惩机制

目前，中国电力体制改革正处于快速发展阶段，市场化方式成为优化资源配置的有效途径。中共中央国务院印发的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发［2015］9号）文件及其配套文件《关于推进电力市场建设的实施意见》明确指出此次电改需要有序放开发用电计划和竞争性环节电价，不断扩大参与直接交易的市场主体范围和电量规模［1—2］。

抽水蓄能电站是保障电力系统运行安全，缓解调峰调频压力的重要手段。在市场化环境下，为充分发挥抽水蓄能电站的综合效益，实现抽水电量交易的市场化和常态化发展，对抽水电量开展竞价交易，以市场化方式对抽水蓄能电站提供的服务给予补偿。根据国家发改委印发的《关于抽水蓄能电站建设管理有关问题的通知》（发改能源［2004］71号）文件以及《关于完善抽水蓄能电站价格形成机制有关问题的通知》（发改价格［2014］1 763号）文件的相关规定，抽水蓄能电站实行容量电价的两部制费用结算，即按照弥补抽水蓄能电站的固定成本及准许收益的原则分别核定，由此确定抽水蓄能电站的容量费用，且50%的抽水蓄能电站容量电费原则上由电网企业承担，剩余部分由发电企业和用户均摊，其中，发电企业承担的容量费用可通过电网企业向发电企业招标采购抽水电量的方式解决［3—4］。

在传统的电力工业中，发电、输电、配电、售电均属于电网公司，抽水蓄能电站为容量租赁的经营方式，由电网公司支付抽水蓄能电站的合理费用，不存在对抽水蓄能提供辅助服务的核算分摊问题。但是，在电力市场环境下，各发电厂均是独立的经济实体，抽水蓄能电站必须充分结合自身利益考虑是否提供辅助服务，其通过市场竞争的方式认购辅助服务电量，能够体现系统供需以及辅助服务的价值，符合未来电力市场化的发展趋势［5—7］。并且，抽水蓄能电量认购交易需要辅以规范的运行机制，市场运行初期可以结合奖惩机制鼓励各发电商积极认购抽水蓄能容量费用，防止市场中出现消极竞价和串谋行为，保证抽水蓄能合理费用的有效回收。

电力市场发展至今，由于市场价格信号是体现系统供需和成本的最直接指标，因此，大部分的电力市场均是在市场参与主体同时申报电量与电价的情况下进行的，且关于市场成员报量且报价的市场交易机制研究也已经较为成熟，主要分为统一出清和按报价出清2种机制，这2种机制一般以购买成本最低为目标建立经济性出清模型，在满足一定约束条件的安全性前提下，确定市场的中标机组。但不同的是，在统一出清机制下，市场以中标边际机组的报价为市场出清价统一结算，而按报价结算机制是依据各台机组的实际报价进行结算。文献［8］—文献［11］分析了国外抽水蓄能电站的运行模式和价格机制，文献［12］—文献［15］提出了对抽水蓄能电站补偿与运行效率的评价方法，文献［16］—文献［19］研究了抽水蓄能电站参与市场的竞价模型。但是，现有文献均没有提出合适的市场交易机制引导市场成员积极承担抽水蓄能电站的容量电费，并有效抑制发电厂通过串谋消极竞价，以及利用市场力操纵市场等扰乱市场秩序的不良行为。在电力市场建设初期，为有效规范各市场成员参与市场交易的竞价行为，本文提出了市场成员参与抽水蓄能市场报量且报价的交易机制。

为充分保障抽水蓄能电站的综合效益，以及发电厂参与市场竞价的公平竞争性原则，本文首先依据政策文件要求，核定了发电厂需要通过参与集中竞价交易承担的抽水蓄能电站容量电费额度。各发电厂自愿申报交易电量与价格，抽水蓄能市场基于按报价结算的出清机制，以发电厂的申报电价为基础，考虑对积极参与交易电厂的奖励额度，以及对消极交易、串谋交易和利用市场力操纵市场的惩罚项，综合确定出最终的市场结算价格，实现抽水蓄能电站容量电费的收取与分摊，以奖惩因子对市场秩序进行有效约束，并结合具体算例验证了交易机制的有效性。

1 国内抽水蓄能电量交易的实施现状

现阶段，国内各地区根据政策文件要求，积极展开了抽水蓄能电量的招标工作，以安徽省和江苏省宜兴市为例，2个地区均采用了报量不报价的模式进行交易。但是，在报量不报价的交易模式下，各电厂申报的电价是固定的，缺乏价格导向与激励的交易机制，不利于市场成员参与市场的积极性。

2个地区的抽水蓄能市场交易模式具体如表1所示，当各交易单元申报电量总和大于市场招标交易电量时，安徽省抽水蓄能市场按照招标交易电量和交易申报电量占比来确定最终的出清价格，而江苏宜兴市按照全部申报电厂装机容量的比例进行分摊。

表1 安徽和江苏宜兴抽水蓄能市场交易模式

2 抽水蓄能市场交易机制设计

2.1 总体思路

为合理有效地分摊抽水蓄能电站的容量电费，本文设计了发电厂参与的抽水蓄能电量集中竞价交易机制。发电企业按照自愿参与的原则，对抽水蓄能电量开展竞价交易，以市场化方式承担抽水蓄能电站的容量电费。

交易中心由抽水蓄能总容量电费和发电厂应承担比例，计算发电厂分摊的总容量电费额度，且根据当时的上网电价水平，确定参与市场的竞价电量，及时发布确定的集中竞价交易电量、市场成员、申报电量上下限、申报电价上下限、交易周期、交易流程和时间等。各市场成员根据平等参与、自愿申报、严守规则、合作共赢的原则参与交易。

在抽水电量进行集中交易时，市场以集中申报和单边竞价的方式进行，各市场成员在核定范围内申报电量和电价，超出范围的申报信息视为无效，不得参与市场竞争。交易中心根据市场成员的申报信息，按照价格优先、节能减排优先的原则，对市场各发电厂进行排序，依次出清机组，直至成交电量之和达到交易电量的设定值。抽水蓄能市场的出清价格是在原申报电价的基础上，叠加了对积极承担抽水蓄能电站容量电费的奖励，以及对消极竞价和以市场力操纵市场行为的惩罚，具体流程如图1所示。

图1 交易流程图

2.2 准入机制

为明确参与抽水蓄能市场的交易主体，首先根据国家发改委印发的《关于抽水蓄能电站建设管理有关问题的通知》（发改能源［2004］71号）文件以及《关于完善抽水蓄能电站价格形成机制有关问题的通知》（发改价格［2014］1 763号）文件要求，对发电厂的准入条件做出规定：

（1）符合国家基本建设审批程序并取得发电业务许可证的发电企业；

（2）正常投运环保设施，并且符合国家和地方环保要求的发电企业；

（3）具有独立法人资格、财务独立核算，能够独立承担民事责任，或经法人单位授权可内部核算的发电企业［3—4］。

在市场化推进实施进程中，市场的准入条件应逐步从紧。参与交易的市场成员可限定为市内部分公用燃煤发电企业，首先考虑因电网安全和供热需求参与交易的公用燃煤发电企业，其次考虑拥有60万kW及以上超临界商运燃煤机组的公用燃煤发电企业，待市场成熟后，视市场交易开展情况和市场成员集体意愿，可逐步纳入拥有60万kW及以上超临界商运燃煤机组的区外发电企业等。

交易中心与能源监管机构以此核定市场准入条件，确定参与抽水电量集中竞价交易的市场成员，且各市场成员均以单一发电企业作为申报单位。

2.3 申报限额

各市场成员的申报电量与价格必须处于各自核定的范围内，否则视为无效申报。

（1）申报电量限额

市场成员的申报电量上限以该电厂的发电上网水平按比例分配，且为鼓励机组积极进行性能改造和节能减排工作，基于各台机组上一年的煤耗情况，对其参与市场的申报电量上限进行调整，表示为

式中：Q为抽水蓄能市场的集中竞价交易电量；K为申报电量的市场整体放大系数，由交易中心确定，数值范围设为［2,3］；Si为电厂i的申报电量上限；Ri为上一年电厂i的实际上网电量占所有市场成员总上网电量的比例；Ei为电厂i的煤耗和环保奖励因子，由交易中心根据电厂i实际的供电煤耗和环保排放加权确定。

各市场成员的申报电量下限均设置为0。

（2）申报价格限额

各市场成员的申报电价上限设为政府批复上网电价（含税，不含环保电价及政府其它附加电价），申报电价下限设为0。

2.4 出清机制

交易中心对市场参与者的申报信息进行校核，若出现缺失或者超出申报限额的情况，则视为无效申报，将该发电厂从交易序列中剔除。

抽水蓄能市场对有效的申报信息进行排序，优先级由强至弱分别为机组的申报价格、容量等级、装机容量水平以及燃煤排放和环保奖励。按照市场成员的排序情况依次成交电量，直至出清电量之和等于市场的集中竞价交易电量，或者各市场成员的申报电量已经全部出清。

由于现阶段国内电力市场建设尚未成熟，市场机制可以通过一些奖励与惩罚手段来引导市场成员的投标竞价行为。为鼓励各发电厂积极承担抽水蓄能电站的容量电费，尽量避免抽水蓄能市场中参与主体的串谋竞价和以市场力操纵市场的消极行为，本文在市场机制中分别设置了奖励因子与消极竞价惩罚因子、市场力惩罚因子，充分显示出不同报价策略的出清差异性，维持市场秩序与竞争公平性。

2.4.1 奖励因子

抽水蓄能市场中设置的奖励因子目的在于对抽水蓄能电站容量电费贡献率较大的发电厂给予补偿，因此，首先应该对各电厂提供不同报价信息时，所对应支付的容量费用进行定义，其应该与市场成员的申报电量与价格相关，表示为

式中：Ci为电厂i申报信息所对应承担的抽水蓄能电站容量电费；Pr为政府批复上网电价；Pi和Qi分别为电厂i参与市场的申报价格与申报电量。由于发电厂承担的抽水蓄能电站与其实际上网电量有关，因此设置了变量Wi表示电厂i上一年总上网电量占总发电量的比例。

根据公式（2）可得，当变量Wi值均为1时，市场出清后所有中标电厂实际承担的抽水蓄能电站容量电费如图2中阴影部分所示。

图2 市场承担抽水蓄能电站容量电费示意图

由图2可知，发电厂对于抽水蓄能电站的成本回收贡献与其承担的容量电费有关，具体和申报电量Qi与上网电量占比Wi的乘积大小以及申报价格Pi有关，即前者越大后者越小时，其承担的抽水蓄能电站容量费用越多，给予该电厂的奖励额度应该越多，奖励因子表示为

式中：Ri为电厂i在抽水蓄能市场中获得的奖励额度；Csum为抽水蓄能电站总容量电费按照文件要求以25%比例分配时，由所有发电厂承担的份额。

2.4.2 消极竞价惩罚因子

由于各市场成员的申报信息不可控制，因此，抽水蓄能电站容量电费的足额收取往往无法保证，为尽量使得抽水蓄能电站提供服务的成本充分回收，市场结合容量电费的缺额情况，对市场成员进行相应惩罚，将容量电费的缺额占比定义为

式中：Loss为抽水蓄能市场收取容量电费的缺额比值。

为充分鼓励市场各发电厂以较大电量申报参与市场竞价，将未按照电量上限足额申报的电厂视为消极竞价并进行惩罚，消极竞价惩罚因子表示为

2.4.3 市场力惩罚因子

为避免抽水蓄能市场中出现以市场力操纵市场出清结果的不公平现象，设置了市场力惩罚因子，即主要考虑了各市场成员的申报价格较为接近，和以贴近政府批复电价的价格申报，从而减少自身容量电费承担比重这2种投机行为，市场力惩罚因子表示为

综合式（2）—式（6）对奖励因子、消极竞价惩罚因子以及市场力惩罚因子的设计，得出了抽水蓄能市场的出清机制，表示为

3 交易出清算例分析

3.1 市场成员参数设置

以某市7家电厂参与抽水蓄能集中竞价交易市场为例，根据第2节提出的交易机制进行算例分析，验证了市场化交易方式对保障抽水蓄能电站综合效益的有效性，各电厂相关参数如表2所示。

表2 电厂参数表

根据该市抽水蓄能电站需要回收的容量电费总额和发电厂承担比例25%，得出发电厂所需承担的容量电费份额为1.8亿元，结合上网电价水平计算得参与市场集中竞价的总电量为33亿kWh。交易中心将式（1）中的申报电量放大系数K设为2，将式（6）中的偏移电价基数Foff设为10。

3.2 接近批复电价申报

为验证抽水蓄能市场中的交易机制能够对消极竞价现象给予一定的惩罚，假设各电厂均按接近批复电价0.41元/kWh的价格进行申报，且发电厂以最大限额电量参与市场，抽水蓄能市场的出清结果如表3所示。

表3 接近批复电价申报的市场出清结果

由表3可知，由于市场成员均以接近批复电价的价格进行申报，且报价较为接近，根据式（4）可得此时容量电费的缺额占比较大为0.696 4，导致式（5）中消极竞价惩罚因子的计算值较大。此外，市场力惩罚因子即是对市场成员未差别报价，且在申报电价限额范围内普遍以较高水平报价行为的惩罚，因此，基于消极竞价和以市场力操控市场两部分的惩罚额度，对比中标电厂成交出清价格和申报价格可得，其均受到了市场惩罚。

3.3 市场成员串谋交易

为模拟抽水蓄能市场中各发电厂进行串谋，假设所有市场成员在申报电价范围内差别报价，且最终均能成功中标，出清结果如表4所示。

表4 市场成员串谋交易的市场出清结果

由表4可知，虽然抽水蓄能市场中各发电厂差别报价，但是其申报电量水平较低，仍然视为消极竞价行为。根据式（5）可得，市场成员未以足额水平申报电量时，交易机制中的消极竞价惩罚因子会对市场中所有成员以及该成员进行不同额度的惩罚，因此，对比表4中各成员的出清电价与申报电价，分析得出未足量申报的市场成员已受到惩罚。

3.4 容量电费刚好回收

为研究抽水蓄能市场刚好回收1.8亿元的容量电费情况，假设此算例中各市场成员在申报电价范围内差别报价，并以最大量水平申报电量，结合遗传算法求得市场出清结果如表5所示。

表5 容量电费刚好回收的市场出清结果

由表5可知，市场中标电厂中电厂5由于积极承担抽水蓄能电站的容量费用，市场给予了一定的奖励额度。

3.5 容量电费最低回收

为研究抽水蓄能电站容量费用的回收最低情况，结合遗传算法求取所有市场成员的报价信息，此时市场出清结果如表6所示。

表6 容量电费最低回收的市场出清结果

由表6可知，最少回收的抽水蓄能电站容量电费为1.560 7亿元，低于发电厂应该承担的1.8亿元水平，容量电费的回收水平可由不同地区根据期望值自行调节。

3.6 抽水蓄能市场的三段式报价

在抽水蓄能市场开始初期，由于市场成员缺乏竞价经验，其可能无法成功中标影响收益，为降低市场竞价风险，可考虑将市场分三段进行报价。每一段市场成员的申报电量上限值变为原来的三分之一，总出清电量仍为33亿kWh，三段式市场的申报价格呈递增趋势，如表7所示，最后市场统一进行出清，交易机制与第2节相同。

表7 三段式市场中各发电厂的申报价格上限元/kWh

结合遗传算法，研究三段式市场下抽水蓄能电站容量费用的回收最低情况，市场出清结果如表8所示。

由表8可知，抽水蓄能市场分三段式报价后，可以有效降低市场交易不中标的风险，7家电厂仅1家未中标，较一段式报价模式下的中标电厂数量明显增加，且最低回收的抽水蓄能电站容量电费为1.833 4亿元，超过发电厂应该承担的1.8亿元水平，因此，三段式报价可以作为抽水蓄能市场建设初期的交易模式。

4 结论

为提高电力行业运行效率，实现资源优化配置，国内正逐步推进电力体制改革，其中，有效的电力市场竞价机制设计对于电力市场化的发展至关重要。抽水蓄能作为保障系统电力供需平衡和调峰调频的关键资源，其容量费用的回收对于发挥抽水蓄能电站的综合效益影响较大。为实现抽水蓄能电量交易的市场化和常态化开展，本文研究了考虑奖惩的抽水蓄能市场集中竞价交易机制。

表8 三段式报价容量电费最低回收的市场出清结果

本文首先结合已有的抽水蓄能市场交易机制，分析了报量且报价模式的合理性，且为鼓励各发电厂积极承担容量电费，尽量避免串谋与利用市场力操控市场从而扰乱市场秩序的行为，建立了计及奖励因子和惩罚因子的抽水蓄能市场出清机制，并设计了某市七家电厂参与抽水蓄能竞价的场景，通过对存在消极竞价情况的市场模拟，验证了奖惩机制的有效性；依据遗传算法计算了一段式报价时，最少回收的抽水蓄能电站容量电费为1.560 7亿元，低于发电厂应该承担的1.8亿元水平；最后，设计了抽水蓄能市场三段式报价，得出该模式可以有效降低市场交易不中标的风险，且此时最低回收的容量费用为1.833 4亿元，相较一段式报价更优。

［1］ 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［Z/OL］.（2015-03-22）［2017-04-27］.http://www.ne21.com/news/show-64828.html.

［2］ 国家发改委，国家能源局.关于推进电力市场建设的实施意见［Z/OL］.（2015-11-26）［2017-04-27］.http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201511/t20151130_760016.html.

［3］ 国家发改委.关于抽水蓄能电站建设管理有关问题的通知［Z/OL］.（2004-01-12）［2017-04-27］.http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/200808/t20080801_229287.html.

［4］ 国家发改委.关于完善抽水蓄能电站价格形成机制有关问题的通知［Z/OL］.（2014-07-31）［2017-04-27］.http://jgs.ndrc.gov.cn/zcfg/201408/t20140812_622012.html.

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Research on centralized bidding mechanisms for pumped storage capacity

ZHONG Hua1,YING Zhi-wei1,LV Zheng-yu2,YANG Jian-lin2,HUANG Yu-peng2,DONG Li3
（1.Shanghai Electric Power Trading Center Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;2.State Grid Shanghai Electric Power Company,Shanghai 200122,China;3.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Smart Grid Technology&Equipment,Southeast University,Nanjing 210096,China）

With the gradual development of the electricity industry reform in China,marketization has become an important way to improve the operating efficiency in the power system.In order to ensure the comprehensive benefit of pumped storage power station,this paper studies the centralized bidding model in the pumped storage market.Based on the comparison between the trading mechanisms in Anhui province and Yixing city in Jiangsu province,the shortage of the mode declaring electricity without price is analyzed.Besides,the participants and access conditions of pumped storage market are defined.Considering the encouragement of power plants actively affording the capacity costs,as well as the punishment of collusion and using market force to manipulate the market,the centralized bidding model of pumped storage station is established.Finally,it takes seven power plants as an example to simulate the market operation.The effectiveness of the clearing model and the reward and punishment mechanism is verified,which can guide the market members in the early stage of market construction.

electricity industry reform;pumped storage market;centralized bidding transaction;capacity cost;clearing model;reward and punishment mechanism

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.05.001

F407.61；TK02

A

2017-04-27；

2017-06-06

钟桦（1977），男，湖南怀化人，大学本科，工程师，主要从事电力市场、电网运行工作；应志玮（1968），女，上海人，硕士，高级工程师，主要从事电网规划、电力市场工作；吕征宇（1971），男，上海人，工学学士，高级工程师，主要从事电网通信自动化规划设计工作；杨建林（1980），男，山西太原人，博士，高级工程师，主要从事电网规划、电力市场工作；黄宇鹏（1989），男，江苏徐州人，硕士，工程师，主要从事电网规划、电力市场工作；董力（1993），女，江苏扬州人，硕士研究生，主要从事电力市场工作。