大数据分析技术在电力期货交易市场中的应用研究

杨 涛 朱 琳

（北京京西燃气热电有限公司）

0 引言

改革开放以来，我国经济发展实现飞跃，取得了一系列举世瞩目的成就。电力行业作为先行行业，在这40年中同样取得了辉煌成就。1978年，我国的装机容量仅有0.57亿千瓦，而截至2017年底，我国的装机容量达到17.1亿千瓦，位居世界第一。然而随着电力需求的飞速增长和电网规模的不断壮大，行业垄断成为必然。垄断虽然可以集中行业力量，使行业得到迅速的发展，然而却存在经济效益低、运营成本高的弊端。随着改革开放的深入，我国的经济发展理念已经从大刀阔斧变为精打细算。因此，电力体制改革势在必行。

1 我国电力体制改革发展历史

我国在电力市场化的道路上共发生三次改革。第一次，从二十世纪八十年代开始。当时我国电力短缺问题严重，多地出现拉闸限电现象，严重限制了国家经济发展。因此国务院于1995年印发了《关于鼓励集资办电和实行多种电价的暂行规定》，拉开了我国电力体制改革的序幕。首先在发电侧通过引入民间资本，鼓励多渠道筹集资金开展发电企业投入，实现了发电侧的投资主体多元化。发电侧投资多元化开始后不久，于1995年12月，国家出台了第一部《电力法》。这是我国的第一次电力体制改革。

我国的第二次电力体制改革发生在1997年前后，其主要特征为政企分开。1997年，国家电网公司正式成立，承担起国有电力资产经营职能，而原先的电力工业部则被撤销，其职能移交给了国家综合管理部门，并由这一部门行使电力行业的政府管理职能。第二次电力体制改革中，省一级别开始了竞价上网开始试点工作，这为我国的第三次电力体制改革埋下了伏笔。

2002年，国发［2002］5号文，即《电力体制改革方案》印发。该方案明确了健全电价机制，打破垄断，引入竞争，构建政府监管下的公平、开放、有序、健康的电力市场体系。这一时期，我国电力行业发电环节和输电环节彻底分开。发电环节由五大发电集团公司完成，“五大”即中国国电集团公司、中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司和中国电力投资集团公司。在发电领域，除了“五大”还有“四小”，即国投电力、国华电力、华润电力以及中广核。在输电环节成立“两网”，即国家电网公司和南方电网公司。此为第三次电力市场改革。

通过三次电力体制改革，我国在电力市场化方面取得了一定的经验和成果。然而我国的电力市场体系还存在很多不足之处，例如定价机制不明确、政府职能转变不到位等。因此，我国的电力体制改革还有很长的路要走。

3 我国电力市场交易模式的发展方向

3.1 电力市场交易模式综述

电力市场经过几十年的发展，随着经济模式的不同，演化出多种不同的交易模式。每种交易模式均有利弊。电力市场的交易模式不具备可复制性，不可以拿来即用，而应当根据我国国家特点并结合我国当下的经济发展状况加之以外国电力市场的经验，设计出一套符合我国国情的电力交易规则。电力市场交易模式的划分有不同的标准，按市场集中程度划分则可分为双边交易模式、电力联营模式和混合模式。按市场开放程度则可划分为垄断模式、批发竞争模式、单一买方模式和零售竞争模式。

3.1.1 按市场开放程度划分

电力经济在发展过程中，电力市场随之逐渐开放。电力交易模式从垄断模式到零售竞争模式的转变，不仅有助于提高电力交易的公平性，还能提高电力交易环节的交易效率。

表1 电力交易模式的特点

3.1.2 按市场集中程度划分

电力市场按集中度可分为：双边交易模式、电力联营模式和混合交易模式。所谓双边交易模式，就是电力商品的交易量和交易价格均由买卖双方协商完成。在该模式下，市场所有参与者享有交易自主权，交易者众多使得电力市场风险得到弱化。但该交易模式的交易成本较高，易受到杠杆加成带来的信用风险交易操作多样化不易控制。

电力联营模式，通过设立交易中心，要求电力市场所有交易者均通过交易中心完成交易，不能进行双边交易。交易时，电量以及电价均由市场决定。该交易模式优点在于集中可控，缺点在与缺乏灵活性。

混合交易模式则结合了上面两种交易模式的特点，在同意设立交易中心的同时也允许买卖双方进行双边交易。该模式下，电力市场不仅集中可控而且更加灵活，既能满足大部分电力交易需求，又可以满足特殊交易需求。正因为混合交易模式具备上述优点，因而成为目前比较受欢迎的交易模式。

3.2 我国交易机制现状

2015年12月，国家发改委发布了《关于推进电力市场建设的实施意见》，提出要“逐步建立以中长期交易规避风险，以现货市场发现价格，交易品种齐全、功能完善的电力市场”。《基本规则》关于中长期交易的指导意义更强，强调了地方电力管理部门的交易规则可以根据《基本规则》适当调整。《电力中长期交易基本规则（暂行）》共12章，100条，系统化地以顶层设计的体系架构勾勒出了一个法度严谨、张弛有度的制度框架。主要内容包括：市场成员及其权责边界、中长期市场和现货市场的定位和发展、交易品种（交易周期、交易方式）、价格机制、发用电计划及交易时序安排、安全校核及交易执行、偏差电量处理、辅助服务、计量和结算、信息披露等。《基本规则》作为9号文及其配套文件首个基础性电力交易规则，承担着落实电改精神、指导和规范电力交易的责任。规则详细描述了“计划调度+直接交易为主的中长期”交易模式的操作方法及流程，对规范以开展直接交易为主的中长期交易具有重要的推动作用。截止2017年3月，全国已有18个区域级、省级电力市场交易相关规则。其中，河南、河北、重庆、安徽及京津唐电网发布《电力直接交易规则》；贵州、广东、四川发布《电力市场交易规则》；山东、山西、云南、甘肃、湖南、江苏、上海、青海、宁夏、华中区域发布《电力中长期交易规则》。列表如下：

表2 我国省级电力交易规则

现货电力市场是现代电力市场的基石，是实现以市场机制配置电力资源的基础。《基本规则》虽然不是针对与现货电力市场互为补充的中长期电力市场，仅立足于指导规范当前“计划调度+简单电力交易”，但可以想见在该规则的影响下，我国电力市场交易模式最终会以“现货+中长期”的方式实现。

4 发电企业在电力期货交易市场中的博弈方法

4.1 电力市场交易种类的划分

如图1所示为电力市场交易种类划分结构。电力市场交易种类按照不同的分类方法会得出不同的结果。由于电力市场交易的众多标的物中，以电能量交易最为常见，故本文着重介绍电能量交易中发电企业的博弈方法。

电能量交易市场由现货市场和远期市场两部分组成。现货市场即为实时进行电力交易，实时电价由买卖双方博弈决定。远期市场即为对将来电力商品价格的判断。远期市场有多重衍生品交易，例如电力期货和电力期权。远期交易方式可以避免市场实时风险。例如：当电网发生故障，电力供需关系短时发生变化，那么电力现货交易方式将无法及时作出反应。而分散式的远期交易（双边交易）则为买卖双方直接交易，交易价格通过双边协商的方式确定。

4.2 发电企业电能量交易策略

以上介绍了不同交易方式的特点，并且对比了其优劣。那么，作为发电企业，如何将所生产的电能交易出去可以获得最大的收益呢？根据电能量交易的分类，在评估受益与风险并加以平衡后，电能量交易的经验数据如下：

表2 发电企业电能量交易策略表

（续）

4.2.1 算例

为模拟电力交易中发生的常见情况，以京能集团为例，展示在电力交易中有哪些策略可以使用。假设，京能集团旗下共有两家发电企业，即岱海发电企业和京西燃气热电。假设机组在整个运行工况中边际成本不变。这两家企业的数据如下：

表3 京能集团发电企业数据表

现在，京能集团要进行电能量交易。按照经验数值，应拿出机组总出力的70%进行远期交易。远期交易的方式可以是双边协议。拿出25%的机组出力用作日前交易。将机组出力的4%用于小时前市场，1%用于实时市场。然而，这样的交易方式真的能够使经济效益最大化吗？问题一：如果，8月1日，夏季调峰时，某电厂的发电机组突然出现事故，电力出现100MW的缺额。在实时市场中，各大电厂对这100MW进行竞价，价低者胜。由于事发突然，此时电能量的价格会出现溢价，远高于正常电价。京能集团想要参与此次竞价，应该如何报价才能中标？价格报得过高存在无法中标的可能，价格报得过低又会使盈利减少。

问题二：假设京能集团中标了这100MW的发电权利，然而燃气机组由于某些限制条件，只能发出50MW，那么剩下50MW功率如何解决？

方案一：接受违约处罚，剩下的50MW再次进行竞价交易。

方案二：以高价从其他电厂购买50MW的有功，输送至电网。

从这例子中我们可以看到，想要在交易市场中做出正确的决策，取决于方方面面的因素。电能无法大量存储，在发、输、配、用各个方面都是实时平衡的。在区域性电网中，不同类型的发电企业有成百上千家，每一家发电企业的机组状况、边际成本、处理情况都不一样。想要做出最为正确、效益最大化的交易决策取决于对各种数据的收集与分析。面对如此庞大的数据，想要在实时市场中获利，需要快速收集并且分析出结果。这就需要大数据的帮助。

5 大数据在电力市场中的应用

5.1 大数据技术应用在电力市场的可行性

大数据技术作为科技创新的主攻方向之一，于2012年，在国家层面首次被提出。近年来，大数据技术受到越来越广泛的关注。所谓大数据，是指通过对大量的、种类来源复杂的数据进行高速的捕捉、发现和分析，用经济的方法提取其价值的技术体系或技术架构。随着电网结构的逐渐庞大以及电力设备数量和种类的不断增加，电力数据的复杂程度呈几何增长。在电力交易中，要想在现货市场中快速做出正确的判断，就要高度重视大数据技术的应用。虽然庞大的电力网络中，各种电力设备繁多，信息量巨大。但是这些数据和信息并不是完全孤立的，由于电力网络的连接，它们之间存在着很多的共性。例如，在某一电压等级的网络中，该网络下的一次设备电压都趋近于该电压等级。在大的网络中，节点电压的可近似认为相同。同时，流入该节点的电流一定等于流出该节点的电流。这些电力科学上的定理、定律为大数据的分析提供了可能。

5.2 大数据在电力市场中应用的方案

鉴于电力网络中的许多数据信息都具备一定程度的关联性，因此可以将这些数据大大简化压缩，减小数据所需存储容量。在电力系统潮流计算中，N-R法和P-Q法就利用一些近似条件，将电力系统中的节点电压、电流以及网络拓扑大大简化，在不影响计算精度的前提下提高了计算准确性和收敛速度。因此，将大数据应用于电力市场，其中数据信息存贮部分，可以借鉴电力系统潮流计算中对于出具的处理方法，将数据大大简化。

大数据在分析上具备速度快的特点，这一点正好迎合了电力市场交易的需求。如何快速对收集来的数据进行分析并得出指导结果是大数据应用于电力交易市场的另一大关键所在。在大数据技术中，数据解析主要有4种方法：数据挖掘与融合、领域普适知识挖掘、过程挖掘以及数据可视化。数据挖掘是提取数据信息的过程，而数据融合是将提取出的数据挖掘这些数据的潜在关系，从而得出结论。例如，当电力某条电力输电线路已经达到满载，通过相应的数据分析即可在继续输送功率和转让电力输送权之间做出收益最大化的判断。而普适知识挖掘，通过大数据驱动的分析，可以螺旋渐进地探索数据层面的普适规律，以及系统内部的工作机理。这种方法有利于从整体上提升对于整个电力市场的认知。例如，电力需求与国家经济运行周期之间的关系、电力负荷在一年四季中需求的变化规律等。这些数据分析的结果，对于发电企业制定交易计划提供了参考意见。过程挖掘通过处理模型和事件数据之间的关系，将事件数据转化为有价值的见解。例如，当电网中出现电力缺额，大数据分析到该事件可能引起的结果，从而做出实时交易市场中报价的指导，可提高发电企业中标概率。数据可视化则更加偏向于用户体验，能够更加直观地将数据信息反映给电力交易人员。

6 结束语

电力体制改革必将向着电力市场化的方向发展。将来，我国的电力交易模式一定更加偏向于电力期货市场。通过远期的电力交易来稳定电力负荷，以集中竞价和双边协议等方案将电力交易高效又不失灵活的进行下去。而日前交易市场和实时交易市场则是最为考验交易水平的环节，如何针对电力市场不同情况快速做出交易决定是这其中的难点所在。而大数据技术的出现为解决这些难题提供了可能。大数据具备快速收集、分析数据的能力，将大数据与电力交易市场结合，将为我国的电力体制改革助力。