智能电网下分布式电力市场论文

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一、文献述评

智能电网目前国际上并没有统一的概念。国际能源署给出的定义较为准确地概括了其共性:“智能电网是使用数字和其他先进技术来监视和管理所有发电来源电力的运输，以满足最终用户不同电力需求的电力网络。智能电网通过统筹所有发电端，电网运营商，终端用户以及电力市场利益相关者的需求和能力，尽可能高效地操控系统的各个部分，在最大限度降低成本和对减弱环境影响的同时，提高系统的可靠性、灵活性和稳定性。”帅军庆(2009)我国国家电网公司提出了坚强智能电网的概念，以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先、中国特色的坚强智能化电网。StevenE.Collier在2009年IEEE电力和能源会议上认为，尽管智能电网内涵不同，但具备自愈、用户参与、抵御灾害能力、有大量的分布式电源、电力市场得以更好的发展这五个特征。陈志恒等(2013)从发展的角度来看，受技术条件、商业价值、投资和政策框架的制约，世界各国传统电网向智能电网“进化”，大致都需要经过由能源单向传输到能源与信息双向传输、由垂直一体化结构到网络化结构、由能源一次性输出到储存性输出、由垄断化运营模式到市场化运营模式的渐进过程。智能电网支持分布式电源的接入。Ackermann(2002)分布式电源是以新能源和可再生能源为主构成，发力在用户侧的小型发电单元。新能源和可再生能源包括水电、风电、太阳能发电、生物能、热能和朝夕能。吕春泉等(2011)虽然可再生能源发电具有清洁性，能够有效降低CO2等温室气体的排放，但同时，具备随机性、间歇性、开发成本高、反用电高峰等不稳定特征，直接接入电网会对传统的电网造成巨大的冲击，进而大大降低传统电网的稳定性及可靠性。但储能技术、柔性直流技术、新能源综合利用技术的实施，解决了技术因素，例如国家电网公司完成的河北张北风光储示范工程。

当前我国政府提供的新能源补贴政策解决了价格高的问题。智能电网技术的发展将进一步改变电力产业的自然垄断属性，提高电力产品的价格弹性。胡恩同(2011)电力产业具备自然垄断属性，是现代社会不可或缺的生活必需品。电能具备无形、无色、无味、看不见、摸不着、危险大、同质性的特点。作为生产品，具备企业有效规模大、资金密集、投资周期长、资本存量调整困难、难以储存的特点;作为消费品具备消费时间集中，时间周期性强，可替代性差，缺乏需求弹性的特点。供给需求要求瞬间平衡，电能质量对电器寿命和质量会产生影响，负荷变化瞬间供给产生影响。戚聿东，范合君(2009)但随着技术和经济理论的发展，电力产业的自然垄断属性逐渐在削弱。例如，随着发电技术的发展导致发电企业的最小效率规模显著下降。20世纪80年代，发电企业的最小效率规模为900MW，而到了90年代中期最小效率规模缩小为100MW(bayless，1994)。因此，最近20年新建电厂的生产规模和分布较之以往明显变小和分散，但是生产效率却大大增强。目前，西方国家和我国已经在发电领域映入了竞争，促使企业提高了效率、改进了服务、降低了价格，垄断行业焕发了生机活力。居民、商业及工业用户具有不同的电能价格需求需求弹性(，消费者对价格反应的三种方式决定了价格需求弹性的大小，价格上涨时，一是消费者可以选择消费替代品;二是不选择替代品的情况下，可以减少该产品的消费;三是消费量不变，减少在其他产品上的花费。智能电网使得分布式电源成为传统电网公司供应电能的替代消费GriffinJM等，2005)。在电力市场中，分布式电源、储能设备将成为用户选择电能的消费替代，这将提高电力产品的需求弹性。综上所述，学者们普遍认识到智能电网不仅是能源领域重要的技术革命，更将进一步推动能源产业、能源市场的变革，但忽视了对市场结构演变的研究。正是基于此，本文用博弈论的方法，在借鉴古诺均衡模型的基础上，引入了多个需求市场，给出不同市场结构下的均衡解和均衡价格，并与完全垄断市场进行比较。

二、智能电网下电力市场的不同均衡

(一)问题的转化

从对电力市场影响的角度看，智能电网实现了分布式新能源的接入，为电力市场电力带来了新的竞争者，消费者的选择范围和需求的价格弹性增加了。市场结构从完成垄断逐渐演化为竞争。于是，我们将问题转化为新的竞争者对市场结构的影响，关注的是电力供应商和消费者行为发生的变化、新的均衡数量以及新的电价形成机制。

(二)模型选择

在分析市场结构的经典文献中，均衡数量和均衡价格的决定与市场参与者选择的策略行为密切相关，经济学家采用非合作博弈的同时决定产量的古诺模型、同时决定价格的伯川德模型、产量领导者模型斯塔科尔伯格模型以及价格领导者模型，每种模型都适用不同的环境条件。本文结合当前智能电网对电力市场的影响，选择同时决定产量的古诺模型。古诺模型中，市场参与者选择生产多少产量作为策略行为，同时决定产量后，也就相应的形成统一的市场价格。产量的本质是选择生产能力，也就是说市场潜在进入者在进入市场时，依据在位企业的产量来选择自己的产量。2009年以来，随着智能电网建设的迅速发展，国家能源局大力支持新能源的发展，同时，支持分布式发电接入电网。国家能源局的主导下，相继能源、太阳能、风能、生物能、天然气十二五规划，颁布《分布式发电管理暂行办法》，重新启动大用户直购电，宣布建成100个新能源示范城市，大力推广风电特许权招标工程，制定新能源电镀补贴和电动汽车补贴。要求新能源发电优先上网。面对这种情况，传统供电商的市场进入阻止策略难以实施，与分布式发电商在用户侧展开竞争将在所难免。国家对分布式发电商的长期补贴政策，使得其具备了市场竞争力。林恩.派波尔(2012)发现在位企业选择价格领导者的策略，将导致新进入者具有后发优势，获取更多的利润。同时决定价格的伯川德模型的结果是均衡价格逼近边际成本，最终导致双方利润下降。在位企业具备选择产量领导者的先动优势，产量高于古诺最优产量水平，利润是追随者的2陪。在追随企业产量较低的情况下，领导企业如果返回到古诺最优反应函数并少生产，则领导企业的状况可以得到改善。然而，如果领导企业真的改变产量，并且跟随者也知道这种可能，那么跟随企业会预期到其采取这种行为并在第1期不再降低产量。相反，如果它预期领导企业会增加产量，它也会增加自己的产量。最终，预期产量的博弈将会使博弈回到同时博弈的古诺均衡结果。如果领导企业不能在第1期对产量做出承诺，则跟随者将会预期领导企业的产量变化，在此情况下博弈将会同时进行。综上，当前传统供电商不会选择价格领导者的策略，新进入者因成本过高和规模较小没有能力选择价格竞争策略。伯川德竞争策略因会导致均衡价格接近边际成本，市场参与者不会选择这样的策略行为。在当前国家要求新能源优先调度的情况下，如果实现电力市场竞争，传统供电商不得不同时考虑新能源发电商的产量决策，这就使得竞争从斯坦尔伯格模型进入到古诺模型。

(三)模型假设

本文主要分析完全垄断、寡头垄断、垄断竞争三个市场结构模型的均衡结果，为了建立相应的分析模型，做出以下5个假设:假设1:智能电网是一个逐渐演化的过程，新的分布式发电商开始进入电力供给市场，在用户侧与传统供电商展开市场竞争。假设2:不存在电网输电容量约束。线损、交易成本、发电机启动成本、空载成本、政府补贴均为零。假设3:发电商追求利润最大化，选择电量作为竞争策略，最终实现纳什均衡。每个发电商可以对每一类消费者销售电能。发电商成本函数是产量的二次凸函数。假设4:电力需求不断增加，消费者为商业、工业、居民三类，其需求函数对所有发电商都是公共信息。消费者拥有储能措施，能够积极参与市场竞争，自由选择不同的发电商。需求函数是线性需求函数。假设5:市场结构将经历完全垄断、寡头竞争、垄断竞争三个阶段。用1个传统供电商(火电)和3个需求市场来代表完全垄断市场结构;1个传统供电商、1个新能源发电商(风电)与3个需求市场代表双寡头市场结构;1个传统供电商、2个新能源发电商(风电和光伏发电)与3个需求市场代表垄断竞争市场结构。

三、结论与政策建议

智能电网的发展将导致以新能源技术为主的分布式发电商不断进入电力市场，并与传统的供电商形成竞争，市场结构将逐渐演化。本文通过构建了一个包含多供电商、多用户市场的古诺式博弈模型，刻画了这种演化趋势，并给出了模型求解方法和算例。研究发现随着电网不断智能化，电力市场竞争将不断加剧，分布式发电商越多，电力市场交易量越大，交易价格越低，过度竞争将导致接近完全竞争的市场价格。传统供电商利润将随着市场竞争的加剧而大幅下降。根据这些研究发现，笔者建议在以下三方面采取积极措施，从而较好实现电力市场发展，推动电力市场化改革。

1.以智能电网革命为契机，引入多元化分布式发电商，从而加速电力市场化改革。我国的电力改革始于1997年，经历了长达十几年的艰难改革，仍未全面实现2002年提出的“厂网分开、主辅分离、输配分开、竞价上网”的改革目标。当前电力市场交易模式，依然是以电网公司为主导的单边电力交易模式，以政府规制电价为主导定价模式，这种模式并不能缓解市场煤和计划电的根本矛盾，价格在配置资源中并未很好的起到作用，降低了能源配置效率和利用效率。2013年负责电力改革的电监会并入能源局后，电力改革迈上了新的台阶。智能电网不仅能够在技术上(分布式发电、微电网、储能等技术)降低电力市场的自然垄断属性，而且能够提高能源配置和使用效率。分布式发电的发展，不仅能够满足监管机构节能减排、优化能源结构、转型升级的监管目标，而且有助于实现电力市场化改革目标。多元化分布式发电商的引入，势必将在用户侧与传统的供电商形成有效竞争，而能为电价形成机制奠定基础。如果没有政府规制和传统供电商的阻止进入策略的实施，在利润最大化的目标下，市场参与者的策略性反应将是进行古诺式的产量竞争，而这将形成竞争性电价。随着分布式发电商的增加，电价将大幅度下降，参与者将依据电价安排生产和投资，工业、商业、居民用户将依据电价波动合理使用电量，这将提高能源配置和使用效率，计划电和市场煤的矛盾也迎刃而解。

2.建立以能源监管机构为主导的智能电网发展模式，降低分布式供电商的进入壁垒，引导传统供电商向竞争性供电商转变。在上述的分析中，我们看到，随着分布式供电商的不断引入，如果没有政府电价规制的情况下，供电竞争的结果是电价大幅下降，传统供电商的利润也将大幅下降。在这样的情况下，传统供电商的最优策略性行为是实施阻止进入策略或参与分布式供电，而这将进一步加强传统供电商的势力，降低分布式供电商的进入速度。这一竞争结局将与电力改革目标背道而驰。当前，这一事实正在发生，传统电网企业主导了智能电网的发展，主导相关技术标准的制度，倡导集中式发电，分布式发电商接入电网成本较高。据中国能源局统计，2012年总共放弃风电200亿度，直接损失100多亿元，造成这一结果的重要原因之一就是传统发电商阻止进入策略的实施。在这种情况下，如果以能源监管机构为主导，各利益相关者共同参与，包括传统供电商和分布式供电商，制定智能电网发展框架，以及相关技术标准和市场竞争规范等制度，这将十分有利于分布式供电商顺利进入供电市场，进而促使传统供电商放弃阻止进入策略或直接参与分布式供电策略，提高其运营效率，使其转化为竞争性供电商。

3.建立有管制的浮动电价形成机制，避免电力投资不足和电价波动过大。电力产业是国民经济的支柱，国民经济的发展对电力有刚性需求;同时，电力投资自身具备长周期的特点。随着大量分布式发电商进入电力市场，如果任由电力市场充分竞争，那么依据上述研究结果，势必将导致电价的周期性波动，进而导致投资的周期性波动，而这种波动势必将影响国民经济的平稳运行。因此，如果监管机构根据国民经济发展需求和电力市场竞争情况，通过制定有浮动区间的市场电价形成机制，这不仅能够促使电力产业平稳发展，而且能够提升电力市场整体效率。

作者：袁晓玲张江洋单位：西安交通大学