基于极差最大化AHP-CRITIC的现货市场监测评估研究

金骆松， 沈 广， 王 伟， 吴伟鸿， 吴 晶， 许晓敏

(1.浙江电力交易中心有限公司，浙江 杭州 310016；2.浙江华云信息科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.华北电力大学 经济与管理学院， 北京 102206)

0 引 言

2021年4月26日，国家发改委、国家能源局《关于进一步做好电力现货市场建设试点工作的通知》中要求在第一批八个电力现货建设试点的基础上，选择辽宁省、上海市、江苏省、安徽省、河南省、湖北省作为第二批现货试点。经过6年的不断探索和多次模拟试运行，电力市场改革持续深化，逐步构建了中长期交易与现货交易相结合的电力市场体系。与此同时，电力市场的风险敞口也逐步放开，一些问题也逐渐涌现出来。例如在市场环境和规则尚未完全成熟的前提下，具有垄断地位的发电集团倾向于行使市场力，操纵市场价格，使市场价格偏离电力成本，破坏市场公平性和有效性[1]；在市场双轨制运行和多种交易品种的共同作用下，市场不平衡资金的问题越发突出，将影响市场的安全稳定[2]；市场初期，电力用户和售电公司直接存在较大的信息差，部分地区售电公司信用评价和履约保函机制未建成或不健全，使得在售电侧存在较大风险[3]。此外，随着各试点区域现货结算试运行周期不断拉长，参与主体逐步多元，有关优先发用电计划、电价政策、可再生能源发展等都会对现货市场的安全稳定带来影响[4]，因此，为有效确保电力市场安全稳定运行，及时发现市场问题，防范市场风险，有必要对电力市场，尤其是对现货市场的运行情况进行跟踪监测和评估。

在市场指标设计方面，文献[5]从公平性、安全性、经济学和环保性四个方面设计了一套适用于中长期电力市场评价的指标体系，文献[6]从效益、公平和发展三个维度建立了一套适用于广东电力市场的评价指标，文献[7]则利用灰色关联度和模糊综合评价从市场设置、实际交易和电力行业基本面这三个维度对我国电力市场交易情况进行评价。文献[8]从市场性、安全性和可持续性三个方面对日前市场的运营状态开展评估。在市场监测实施方面，文献[9]以市场力监测为重点，详细研究了美国、英国和北欧三个电力市场的市场力监测实施现状，文献[10]则结合云南电力现货市场的实际情况，对现货市场运营的监管机制进行详细设计。由于我国电力市场的双轨制改革和试点式的渐进式演进，对现货市场改革过程中的监管检测、以及评价问题的研究较少。现货市场各试点区域能源结构和经济发展情况不同，所以各现货市场的运行特点和边界都有所不同，文献中各学者提出的市场监测指标也难以适用于浙江现货试运行阶段。除此以外，也需要根据监测指标本身的客观性或主观性差别选择适用的评估算法进行赋权。

本文根据浙江电力现货市场结算试运行方案和试运行情况提出电力现货市场关键监测数据，结合电力市场建设要求和电力市场重点监管要求，首先详细梳理浙江现货结算试运行期间的关键市场数据，形成一次监测数据集，然后利用SCP理论，从市场结构、市场行为、市场绩效三个方面设计电力现货市场监测指标，其次并采用AHP-CRITIC对客观性指标和主观性指标进行组合赋权，最后进行案例分析，以验证评价指标和模型的适用性。

1 浙江电力现货市场一次监测数据

浙江省作为首个现货市场试点省份，电力市场模式采用集中式，浙江电能量市场设计按照交易周期分为中长期交易、日前交易和实时交易，中长期金融属性差价合约以及全电量出清方式的现货市场被应用于浙江整体市场，并按照“日前基准、实时差量、合约差价”的原则进行结算[11，12]。在2019年5月30日正式启动模拟试运行，在2019年9月20日-9月26日开展了第一次连续7天结算试运行，分别在2020年5月和2020年7月开展了连续整月的结算试运行。并于2021年3月至5月期间，季度连续结算试运行，整季度试运行期间，参与市场主体共91家发电企业，其中新能源场站38家，出清总电量682.33亿kW·h，日前市场平均电价波动范围252.94～526.21元/MW·h，实时市场平均电价波动范围235.1～603.9元/MW·h。浙江电力市场前四次试运行期间负荷侧均未参与，根据浙江现货市场试运行规则和前三次试运行复盘情况，从市场结构、市场行为和市场绩效三个方面，详细梳理出浙江现货市场结算试运行期间的重点监测内容。

市场结构类指标主要反映现货试运行过程中市场主体的数量结构、规模范围等，主要便于监测市场力、市场供需平衡和电力系统稳定性等情况，如表1所示。

表1 现货市场市场结构指标Tab.1 Market structure index of spot market

市场行为类监测指标主要体现各市场主体参与各级电力市场的交易活动，重点监测市场行为的稳定性，识别市场交易中的市场投机行为和串谋行为等，如表2所示。

表2 现货市场市场行为指标Tab.2 Market behavior index of spot market

市场绩效反映了在特定的市场结构和市场行为条件下市场运行的效果。电力市场运行监测指标体系中，市场绩效类监测指标主要表现为在现有电力市场结构和交易组织下，市场中以量价关系为主的市场绩效内容，如表3所示。

表3 现货市场市场绩效指标Tab.3 Market performance index of spot market

2 浙江电力现货市场监测指标体系

浙江现货市场一次监测数据可以全面反映浙江现货市场试运行期间的市场情况，但部分一次监测数据存在时间差异，同时单一频次的市场数据无法直观反映市场变化情况，也无法直观展示电力现货市场监测的重点问题。为此，本文研究为保证监测指标体系的评估计算过程可以有效追溯，各项监测指标计算可以具体量化，将在梳理浙江现货市场一次监测数据的基础上，制定浙江现货市场监测指标体系，整个监测指标体系分为市场结构、市场行为和市场绩效三个部分[13,14]，如图1所示。

图1 现货市场监测指标体系Fig. 1 Monitoring index system of spot market

2.1 市场结构指标

(1)最大供应商剩余供应率

(1)

式中：qmax为参与现货市场试运行的最大市场份额的发电商可发电量；qi为发电商i的可发电量；N为参与现货市场试运行的发电商数量；Dmax为试运行期间的发电侧最大可发电量。

(2)参与市场交易的电力占总发电量比例

(2)

式中：qbi当日参与现货市场交易的发电机组i的中标电量；qt为统调发电机t当日发电量。

(3)竞价机组占统调机组比例

RQ=Qb/QT

(3)

式中：RQ参与现货市场试运行竞价机组的装机容量；QT为统调机组装机容量。

(4)调频容量富裕度

Rf=(Qfr-Qf0)/QD

(4)

调频容量富裕度可反映电网运行中可调容量的富裕程度，公式中Qfr为申报调频的总容量；Qf0为调频实际需求容量，QD为调频实际需求。

2.2 市场运行指标

(1)机组申报高价率

(5)

(2)机组申报容量持有率

(6)

式中：Pi为机组i的实际可用发电容量；Pi,0为机组i的申报容量。

(3)供给侧HHI指数

因试运行期间负荷侧暂未参与市场，HHI指数主要侧重于供给侧情况计算，HHI指数计算公式如下：

(7)

式中：Si为第i个发电集团的市场化成交电量的市场份额，10 000为放大指数值。

(4)系统价格波动率

(8)

式中：PDT、PRT分别为日前和实时市场价格。

(5)尖峰电价出现率

Rp=tp/T

(9)

式中：tp为实时市场尖峰电价出现时段数；T为总时段数。

(6)市场最大价差率

RΔP=(Pmax-Pmin)/ΔP

(10)

式中：Pmax为单日实时市场发电侧最大出清价格，Pmin为单日实时市场发电侧最小出清电价。

2.3 市场绩效指标

(1)市场价格降价比率

Rl=(Pl-Pc)/Pc

(11)

式中：Pl为发电侧加权平均结算价格，Pc为燃煤标杆电价。

(2)勒纳指数

L=(p-Mp)/p

(12)

式中：p为市场成交电价，Mp为平均发电边际成本。勒纳指数可以描述成交价格与边际成本的关系。其数值越小，表明发电机组的报价越贴近其边际成本、市场竞争越充分。

(3)不平衡资金占比率

RE=ΔE/Ep

(13)

3 AHP-CRITIC组合赋权法

确定现货市场检查指标体系后，为计算各项监测指数，需要为各指标赋权，常见的赋权方法分为主观赋权法和客观赋权法两种。其中AHP法为较为常用的主观赋权法，可以充分体现专家主观判断对各指标权重的影响[15]，CRITIC可综合考虑指标的变异性和冲突性，能够根据指标所含信息量计算各指标权重[16]。本文将基于极差最大法对主观赋权法AHP和客观赋权法CRITIC对各项监测指标权重的计算结果进行组合赋权[17-19]，这种方法具有更灵活的组合方式、更强的可解释性以及更高的评估区分度，能够更好地体现不同被评价对象之间的区别。

3.1 AHP

AHP是主观赋权法，基于专家对指标之间相对上一级指标的重要程度来计算指标权重。

(1)依据专家评估，行成n个指标之间的判断矩阵A。

(14)

式中：aij代表指标Ai与Aj的两两相对重要性定量化数值；当i=j时，两个指标相同，因为同等重要，即aii=1；当aij>0且aij×aji=1，则可以将此矩阵称为正互反矩阵。

(2)一致性检验

通过上述判断矩阵A计算最大特征根用来进一步求解即一致性指标CI，如果CR<0.1，则认为一致性可以接受，否则需要对判断矩阵A进行修改。

(15)

(16)

(3)权重计算

一致性检验通过后，根据算数平均法来计算综合评价的权重。需判断矩阵n个列向量归一化后的算数平均值，近似作为权重向量：

(17)

3.2 CRITIC

CRITIC权重分析法是客观赋权法，主要是对指标之间的对比强度和冲突性进行计算。对比强度越大说明波动越大，权重会越高；指标之间的冲突性越小，权重也就越低。

(1)同向化处理

电力现货市场评价指标中纯正正向指标和负向指标，在进行CRITIC计算时，需要将所有的负向指标转化为正向指标。

(2)归一化处理

(19)

(20)

(21)

(3)信息量Ij的计算

计算各指标所含的信息量Ij：

(22)

(4)权重系数ωj

(23)

3.3 基于极差最大化的组合赋权方法

以指标得分的极差最大为目标,根据AHP得到的权重和CRITIC得到的权重取值空间为约束,对最终的各监测指标的权重Z进行优化赋权。

目标函数:

约束条件:

4 案例分析

由于浙江电力市场仍处于结算试运行阶段,部分现货市场试运行数据不可直接公开,为此选取试运行期间4天的部分市场行为监测指标数据, 通过AHP-CRITIC组合赋权方法获取各项监测指标的权重。使用Matlab平台分别计算AHP和CRITIC算法的权重，采用基于Mosek和Gurobi最优化求解器算得最终的综合评价权重参数，如表4所示。

表4 市场运行监测量化数据Tab.4 Quantitative data of market operation monitoring

为分析不同赋权方法对评估结果的影响，在图2中对各赋权方法所得指标权重进行对比，同时分别采用AHP和CRITIC法计算市场运行情况，最后采用级差最大化方法得到综合评价结果，结果如表5所示。其中机组申报容量持有率为发电企业操纵市场的具体行为指标，供给侧HHI指数是整体发电侧竞争情况指标，价格波动率为市场经济性指标，机组申报高价率为发电企业申报行为指标，也可反映市场整体的供需形式。在主观赋权AHP评价中，权重前三的指标依次为机组申报容量持有率、供给侧HHI指数和价格波动率，主观分析中，由于浙江能源结构情况，发电集团市场占有率高，市场操纵风险较大，所以认为有关影响发电侧市场竞争情况的指标权重较高。在客观赋权CRITIC评价中，权重前三的指标依次为机组申报高价率、机组申报容量持有率和价格波动率，客观分析中有关市场价格的指标权重较高，对发电机组的具体申报行为较为敏感。基于极差最大化的指标权重中，有一项指标权重与AHP权重相同，有三项指标权重与CRITIC权重相同，极差最大化对专家意见和市场数据的统计特征都可以有较好的反馈。极差最大化权重前三的指标依次为价格波动率、供给侧HHI指数、机组申报容量持有率，重点反映的是市场经济性、市场竞争情况和市场行为合规性情况，符合浙江现货市场初期对经济性、市场安全的要求。

图2 各赋权方法指标权重Fig. 2 Index weight of each weighting method

表5 市场行为评估值Tab.5 Market behavior evaluation

5 结 论

现货市场监测指标体系要符合区域市场环境，要有具体的市场运行数据支撑，同时也要紧密结合现货市场改革进程和发展方向。一方面要对市场运行起到监测作用，另一方面要服务于政策落地。本文通过对浙江现货市场结算试运行环境的分析，采用基于极差最大化AHP-CRITIC的组合赋权法对浙江现货市场结算试运行情况进行评估，主要取得以下成果。

(1)电力现货市场监测指标体系的制定要结合具体市场的规则和市场数据，文章全面梳理了浙江试运行期间市场所需要关注的一次监测数据，并在一次数据的基础上提出更适用的浙江现货市场监测指标体系，指标体系可从市场结构、市场行为和市场绩效三个方面有效评估浙江现货市场试运行期间的市场情况。

(2)监测指标的评估要充分考虑主观与客观相结合，文章提出了基于极差最大化AHP-CRITIC的组合赋权法，有效综合了专家主观因素和市场客观因素对监测指标进行评价，具有良好的适用性。

(3)整个监测指标体系和评估方法，可较好的适用于浙江电力市场环境和试运行阶段监管要求，所指出的价格波动率、供给侧HHI指数、机组申报容量持有率三个重要指标，也是浙江结算试运行期间的市场主要风险点。