美国得州“2.15停电”事件分析及对山东电力市场的启示

寇 岩，刘宇明，郭 亮

（山东电力交易中心有限公司，山东 济南 250021）

0 引言

2021 年2 月14 日—17 日，美国得克萨斯州（以下简称得州）遭遇了极端严寒天气，地区气温最低降至-22 ℃，用电负荷迅速增长。2021 年2 月15 日起，大量发电设施停运，用户大范围轮流停电，电力市场价格飙升。事件引起了社会的广泛关注和国内外专家的激烈探讨，讨论的焦点主要集中在事件产生的原因和电力市场设计的合理性。

自2015 年《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发〔2015〕9 号）发布以来，山东电力市场快速发展，建立了较为完善的中长期交易市场体系。作为首批现货市场建设试点单位，山东于2018 年启动电力现货市场建设，2020 年11 月完成了现货市场整月结算试运行，初步建立了“中长期市场+现货市场+零售市场”的市场体系，但随着市场规模的不断扩大和市场环境的发展变化，山东电力市场在市场机制、风险防范、应急机制等诸多方面，都需要借鉴其他市场的经验、吸取教训，进一步完善。

通过深入分析得州“2.15 停电”事件的原因，结合山东电力资源禀赋和电力市场发展的实际，总结对山东电力市场建设的启示。

1 得州“2.15停电”事件基本情况

1.1 事件主要经过

当地时间2021 年2 月14 日起，得州出现罕见的极端严寒天气，负荷创出冬季新高，得州电力可靠性委员（Electric Reliability Council of Texas，ERCOT）通过调度系统监测到辅助服务不足，出现了容量短缺和输电中断情况。2月15日，系统备用不断降低，ERCOT依次发布了一级、二级、三级能源紧急警报（Energy Emergency Alert，EEA），开始启动轮流停电。截至2月17日，共计2 750万kW的火电机组和1 700 万kW 的可再生能源装机无法并网发电，分别占总装机的26.1%和16.8%，供电缺口最大约2 900 万kW，超过450 万用户遭遇停电。随着气温逐渐回升，发电能力逐步恢复，2 月19 日上午，电网基本恢复正常运行［1-4］。

1.2 电力市场运行情况

在整个得州“2.15 停电”事件过程中，电力市场运行情况简要概括为以下4点。

1）市场持续运行，并未出现市场中断。

2）供应紧张导致现货市场价格飙升，达到9 000美元/MWh的市场限价。

3）发生了与规则设计初衷不同的异常情况。一是人为切负荷导致供需变化，得州公用事业委员会（Public Utility Commission Of Texas，PUCT）发布紧急行政命令要求ERCOT 将切负荷量累加到实际负荷中，更好地释放稀缺定价信号，避免了电力供应情况的进一步恶化；二是交易规则中存在发电高峰时段累计净利润限制，当燃料价格飙升导致低报价上限（Low Cap，LCAP）异常超越高报价上限（High Cap，HCAP），PUCT要求暂停使用LCAP，继续将9 000美元/MWh的HCAP。实际运行中，ERCOT 在2 月17 日发电高峰时段累计净利润超过了规则设定的阈值［5］。

4）由于本次事件采取了轮流限电，而非用户主动削减负荷，使得需求响应难以达到理想效果。

2 得州电力系统和电力市场基本情况

2.1 得州电力系统基本情况

得州位于美国南部，基本上属于温带气候，南部部分地区为亚热带气候。得州电力系统主要为ERCOT 调度区，覆盖得州75%的地域面积和90%的负荷。得州页岩气资源丰富，区域内第一大电源为天然气发电机组，同时以风电为主的新能源发电装机占比较高。得州电网与外部地区的互联薄弱，系统较为独立。

装机容量方面，2020 年底ERCOT 调度区内总装机容量约1.08 亿kW，其中天然气发电机组占比47.45%，新能源发电占比35.32%，煤电12.50%，核电4.73%。发电量方面，2020 年得州天然气发电量占45.5%，新能源占比25.7%，煤电17.9%、核电10.9%。用电负荷方面，冬季高峰不及夏季高峰，历史最大负荷为7 482 万kW，出现在2019 年夏季；最大冬季负荷为6 592 万kW，出现在2018 年。外部互联方面，ERCOT 通过5 回直流联络线同美国东部电网的西南电力池（Southwest Power Pool，SPP）和墨西哥电网相连，总容量为125万kW［6-7］。

2.2 得州电力市场主要特点

得州1999 年以立法形式确定开展电力市场化改革，市场主体主要包括发电方、输电运营商、用电方、零售商/售电方等。得州电力现货市场包括日前市场和实时市场。日前市场类似一个金融类的服务市场，主要发挥价格的指导作用；实时市场则是把电力市场和电力系统的物理定义相耦合的市场。得州电力市场是单一电能量市场，未建立容量市场［8-11］。在这种市场设计中，电力商品的价值均通过电能量一个维度来体现。电力供求的短期平衡与长期投资，主要通过现货批发市场的电能量价格传递经济信号。为了在市场中反映备用资源的稀缺价值，ERCOT于2014 年引入实时备用价格增量（Real-time Reserve Price Adders，RTRPA）指标，通过关联失负荷价值及概率，允许批发电价在系统资源稀缺时段陡升，从而使边际机组能够回收固定成本［12-13］。RTRPA 每15 min 计算一次，在安全约束经济调度后根据运行备用需求曲线计算得到，可表示为

式中：VOLL为失负荷价值；PLM为节点边际电价；f(R)为失负荷概率函数，R为实时备用值，当R小于最小系统备用要求时，f(R)=1。

为了解决可靠性调度时带来的价格反转问题，ERCOT 又引入了可靠性部署价格增量（Real-time Reliability Deployment Price Adders，RTRDPA）指标ARTRDP，以反映有无可靠性机组组合（Reliability Unit Commitment，RUC）或负荷备用时电能量价格的差异，可表示为

式中：λ为RUC 或负荷备用出力为0 时的电能量价格。

RTRPA 和RTRDPA 在ERCOT 全范围内均只有一个区域统一值。ERCOT 的实时市场未采用电能量和辅助服务联合出清，实时结算电价（Real-time Settlement Point Price，RTSPP）PRTSP可表示为

以2 月16 日ERCOT 市场实时市场价格为例进一步说明其稀缺定价机制。如图1 所示，在大面积停电事故发生的情况下，仅包含电能量成本的PLM发生剧烈波动并在部分时段接近零价；大量机组停运导致备用不足，此时RTSPP 还包含了15 min 的RTRPA和RTRDPA，导致最终结算电价基本持续达到最高限价水平。

图1 2021年2月16日ERCOT实时市场价格

3 得州“2.15停电”事件的原因分析

得州“2.15 停电”事件并非单一原因导致，而是多重因素叠加导致，主要包括以下几个方面。

3.1 极寒天气负荷激增

得州2 月份历史平均气温在5～15 ℃之间，此次极端的冬季风暴造成气温下降至-22 ℃。得州约60%的家庭取暖方式为电取暖，这使得在持续的寒冷天气中得州电网负荷激增。2020 年1—2 月最大负荷约5 610 万kW，而2021 年2 月14 日负荷达到约6 920 万kW，增长超过1 300 万kW，增长率超过23%，创出冬季历史最大负荷［14-16］。

3.2 暴风雪低温导致发电出力下降

罕见的暴风雪导致大量风力涡轮机冻结。2月14 日上午，得州约一半的风力涡轮机（容量约1 250万kW）“冻结”，无法提供出力。常规火电同样因为极寒天气导致出力不足，事件期间有2 600 万kW火电离网，主要原因包括天然气供应不足、天然气管道损坏、煤堆结冰、河流结冰冷却水来源受阻等［17-19］。

3.3 电网对外联络不足

得州电网相对独立，对外的联络和功率交换不足。得州天然气、风能和太阳能等能源资源丰富，基本可实现能源自给，得州电网与美国其他电网通过少量直流互联、联系薄弱，平均电力交换能力仅约100万kW，在极端条件下无法获取足够的外部支援。

3.4 电力市场设计问题

得州电力市场采用稀缺定价机制，发电商利用系统备用容量不足时段的高电价，进行固定成本回收，而在容量充裕的条件下难以产生高电价，不利于发电商回收容量成本。因此，该机制可能导致能源转型期电源建设充裕度不足，给市场带来不确定风险。

4 得州”2.15 停电”对于山东电力市场建设的启示

4.1 山东电网概况

山东电网以500 kV 为主干网架，2020 年底省内电源总装机容量约1.2亿kW，以煤电为主。从负荷情况来看，近年来高温和低温极端天气条件下负荷屡创新高。2020年，受高温、闷热天气影响，山东电网全网最高用电负荷达到9 022.4 万kW。山东电网对外联络能力强于得州电网，“十三五”以来，山东电网已相继建成锡盟—济南、榆横—潍坊、扎鲁特—青州、上海庙—临沂、山东—河北5 条特高压输电通道，实现与宁夏、内蒙古、山西、河北等省区电力互联互通，构建起“三交三直”跨省区输电格局。2020年“外电入鲁”最大负荷达到2 198.2 万kW，占全网最大负荷比例接近四分之一［20-21］。

4.2 山东电力市场概况

近年来，山东电力市场规模不断扩大，2020年电力用户市场化交易电量1 983亿kWh，占山东省全社会用电量的28%。交易品种不断丰富，现阶段在未开展电力现货交易时，主要以双边协商、集中竞价、挂牌等方式开展中长期电能量交易，灵活开展发电权交易、合同转让交易［22］。

山东电力现货市场建设试点正在持续深入开展，现货市场采用全电量竞价模式，基于节点电价出清方式确定发电侧和用电侧现货电能量市场价格。中长期电能量市场采用双边协商、集中竞价和挂牌交易等组织方式。电力零售市场由售电公司与电力用户通过市场化交易形成零售合同［23］。

4.3 山东电力市场建设获得的启示

在“2.15 停电”事件中，得州电力市场持续运行，市场机制本身并未失效，ERCOT 对外发布的信息使公众能够在第一时间了解事态的发展情况，三级预警机制在一定程度上保障了电网的持续运行。同时，事件所带来的经验和教训，对于电力系统发展和电力市场建设运营都是十分宝贵的。对于山东电力市场来说，建议从以下6个方面进行总结。

4.3.1 需要建立科学的市场容量充裕性保障机制

国际上常用的容量充裕性保障机制主要分3类，分别是容量补偿机制、容量市场以及稀缺定价机制。得州市场采用的就是稀缺定价机制，但该机制容易造成实时电价剧烈波动，不适合我国国情。容量市场需要组织者基于未来装机容量和负荷预测来制定需求曲线，以此为市场主体提供反映供需的容量价格信号，交易周期长达数年。现阶段我国电能量市场尚未完善，未来市场机制变化仍有一定不确定性，启动容量市场条件不成熟。

建议按照先建立完善容量补偿机制，条件成熟后探索建立容量市场的顺序，健全容量充裕性保障机制。山东电力现货市场中的容量补偿电价执行99.1 元/MWh，基于节点边际电价的全电量竞价策略能够与中长期交易报价策略相匹配。但对于不同类型、不同容量、不同投运年限的发电机组来说，仍需要更加精确、完善的容量补偿机制，防止出现较大的过度补偿或补偿不足。未来在电能量市场发展成熟后，可参考宾夕法尼亚州-新泽西州-马里兰州互联电网（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）的方案，构建具有需求弹性的容量需求曲线，探索建立容量市场。

4.3.2 优化省间市场与省内市场衔接机制

缺少外部支援是本次得州停电事件的重要原因之一。山东电网对外联络能力较强，但在电力市场环境下，需要完善省内与省间市场的衔接机制。省间交易现阶段以点对网、网对网为主，应合理签订省间中长期交易合同，并通过合同的刚性执行，保障省内能源供应和能源战略转型。在紧急情况下，充分发挥电网公司作为购电主体的作用，及时进行增购交易，保障全省电力供应安全［24-25］。

4.3.3 需要提高中长期交易灵活性

从国外成熟电力市场经验看，一般会建立电力金融衍生品市场，市场主体并通过其套期保值的功能实现价格风险管理，降低现货市场的价格波动的风险。在美国，从事电力金融产品交易和结算的交易所主要是纽约商业交易所（New York Mercantile Exchange，NYMEX）和洲际交易所（Intercontinental Exchange，ICE）。以PJM 市场为例，NYMEX 共有11种与其相关的期货或期权类电力金融产品。电力金融产品的交易管理模式提高了电力金融产品的流动性，同时降低了风险和交易成本，为发电商、负荷服务商等电力市场成员提供了强大而灵活的风险规避工具。电力市场价格的波动也吸引了大量投机商参与到电力金融产品的交易中来，并产生了大量的能源金融衍生产品，从而进一步繁荣了美国的金融市场。在欧洲，欧洲能源交易所、中欧电力交易所和北欧地区的NordPool 均为投资者提供不同类型的电力金融合约［26-27］。现阶段国内尚未启动电力金融衍生品市场的建设，但用电侧可以通过签订电力中长期合同，有效地锁定大部分用电量的价格，尽可能规避现货市场的价格波动风险。电力用户的实际用电量受生产运营、天气等多种因素影响，可能不断发生变化，因此需要中长期交易有足够的灵活性，才能够保障较高的中长期合同覆盖率。目前，在现货市场环境下，山东电力中长期市场中可进行D-3 日（D为运行日）交易，建议进一步提高中长期交易灵活性，为市场主体规避现货市场的价格风险提供更完善的市场机制。

4.3.4 对电力零售市场的启示

零售市场应独立于批发市场单独设计。批发市场的市场机制考虑电网运行与电力交易的融合，实现社会福利最大化。批发市场交易一方面体现出发电侧的发电权替代，效率更高的机组发电替代效率低的机组；另一方面通过价格的波动反映出供需的变化，体现电力的商品属性。而零售市场与电网运行并无太多直接联系。

一个完整的电力市场应包含批发市场和零售市场。两个市场参与主体、运营模式、交易机制、价格形成机制均不相同，运行即相对独立，又要相互协调、衔接，由于零售市场中没有发电商，不能独立构成完整的电能量市场，零售市场建设一般以成熟的批发市场为基础，两个市场通过售电公司紧密地联系在一起。从交易主体来看，售电公司通常作为两个市场之间的“防火墙”，能够减少风险在两个市场之间的直接传递。从交易时序来看，零售交易一般先于批发市场交易，这就要求零售市场的交易主体，特别是售电公司形成对批发市场价格的相对稳定预期，才能够制定价格机制合理的零售套餐，供电力用户选择。数量庞大的中小电力用户通过选择售电公司的零售套餐，签订零售合同，以保持较为稳定的用电价格。同时，售电公司一方面通过代理零售用户参与批发市场交易，获取一定利润；另一方面，其购销价差可能倒挂，面临市场风险。

从国外经验来看，中小电力用户通常考虑价格相对稳定的零售合约，例如整个得州市场固定价格类和可变价格类（不同月份为不同的固定价）占比达到98%，此类套餐用户的电费不会受到批发市场价格波动的影响。有一家名为Griddy 的售电公司推出按照现货市场的价格向终端用户收取电费的市场费率零售套餐，由于通常情况下现货市场平均价格低于中长期市场平均价格，约29 000 家电力用户选择了这种零售套餐。本次事件期间现货市场价格飙涨，此类用户电费大涨，单日电费动辄高达数百美元，给很多用户的财务状况带来了极大困难。从设计上来看，市场费率类套餐更适合于负荷弹性大的电力用户，可以在高价时段主动响应，减少用电或不用电，而在低价时段多用电，从而降低用电成本［28-31］。

在维护零售市场秩序方面。目前，山东电力零售市场仍存在售电公司与零售用户间信息不对称，个别不法售电公司虚假宣传，甚至违规取得用户的交易平台账号进行操作等问题，需要交易机构配合政府主管部门与监管机构，加强对于零售市场秩序的分析与监测，保障用户的知情权和选择权，维护市场秩序。

4.3.5 规范做好市场信息披露

EROCT 的信息披露机制，值得借鉴，针对本次的极寒天气，ERCOT 的气象专家事前对市场主体进行提醒，发布运行信息，并公布了应对预案。寒潮到来之后，ERCOT 向市场主体发出了能源紧急警报，之后开始轮流停电。

事后，ERCOT 针对停电事件，于2 月24 日发布第一份官方报告，还原了事件的时间线，介绍了2 月14—19 日各类型发电容量退出情况等；4 月6 日，ERCOT 发布第2 份官方报告，继续披露其所获的事件期间发电机组故障数据，并表示8 月份公布更为详细的事件报告。

日常运行中，ERCOT 还会通过官方网站对外披露丰富的市场信息，包括实时披露市场调度区内日前市场和实时市场价格等［32］。

我国电力市场建设中十分重视信息披露工作，但总的来说在信息披露的及时性、规范性、内容丰富性等方面还需要进一步提升。随着电力现货市场建设试点工作的推进，山东电力市场体系和市场机制逐步完善，市场价格受到发电充裕度、发电成本、电网运行情况、负荷变化等多重因素影响，市场主体对市场相关信息的需求十分迫切，需要尽快完善信息披露机制，严格按照国家文件要求梳理好公众信息、公开信息、私有信息，一方面“应披尽披”，另一方面不能过度披露，泄露私有信息。在信息披露形式上建议多借鉴国外成熟市场运营机构的经验，提升市场主体的服务体验。

4.3.6 建立科学的市场应急处理机制

ERCOT 在本次事件的应对中，基于能源紧急警报机制按步骤执行应急响应程序，从全系统角度尽量减少了损失。在市场监管方面，2 月15 日，负责监管ERCOT 电力市场的得州公用事业委员会（Public Utility Commission of Texas，PUCT）下发紧急行政指令进行干预，避免因规则漏洞导致电力供应情况的进一步恶化，是十分必要的。从整体上看，得州相关部门在授权允许范围内严格执行了既定的规则、法律，但由此也暴露出另一层面的问题，即规则本身是否合理、机制本身是否完善。

电力除了商品属性，还具有必需品属性。预防“百年一遇”极端事件的可靠性部署成本或许是全社会难以承受的，但是制定渐进性、针对性、可行性兼备的应急响应程序则可以做到临危不乱，减小可控制的损失。在完善应急响应程序的基础上，山东电力市场需要充分吸取市场化程度较高国家的经验，发挥我国的政治、经济体制优势，研究建立规范、灵活的极端条件下政府干预机制，尽量减小极端事件对民众、社会的影响，同时也保持市场规则的严肃性，促进电力市场的长期可持续的发展。

5 结语

得州“2.15停电”事件是在极端天气下电力系统遭遇考验的一次典型事件，而电力市场的规则和运营机制也受到检验，个别机制所出现的异常情况通过行政手段进行纠正。此次得州停电事件的经验和教训对于山东电力市场建设有重要借鉴意义，在“碳达峰、碳中和”目标背景下，应建立科学的市场容量充裕性保障机制和省间市场与省内市场衔接机制，保障电力供应；不断提高中长期交易灵活性，健全电力零售市场机制，规范市场信息披露机制，充分满足市场主体的交易和服务需求；建立科学的市场应急处理机制，防止类似事件的发生。