漫談數(shù)字化時代的電力市場“風(fēng)險”

　　現(xiàn)實社會中往往充滿著各種風(fēng)險與不確定性。有些風(fēng)險是高概率，(如果發(fā)生了)低損失，比如錯過一趟地鐵，可以改乘下一趟;有些風(fēng)險是低概率，高損失，比如遇到地震或者遭遇重大疫情被困住，可能性命不保。有些風(fēng)險一旦發(fā)生，反應(yīng)與處置時間很短，比如地震;有些風(fēng)險發(fā)生，反應(yīng)時間(潛伏期)長，但是需要的處置時間往往更長，比如癌癥的診斷與治療。

　　以上類型的風(fēng)險，人們都可以在現(xiàn)實中找到“交易對手”，也就是把“不好”的風(fēng)險賣給別人，讓他人為自己承擔(dān)風(fēng)險。交易對手在處置風(fēng)險、降低損失方面具有天然的優(yōu)勢，比如企業(yè)將自己的IT維護與安全外包給專業(yè)公司;或者可以集合大部分人的風(fēng)險，來降低風(fēng)險，從而獲得收益，比如各種保險公司;抑或更加能夠承受風(fēng)險，喜歡冒險，比如將一張有50%概率能夠獲得100萬元獎金的彩票，以高于50萬元的價格賣給賭徒[1]。

　　在數(shù)字化時代，信息更加透明、快速可得，各種系統(tǒng)的運行與供需變化動態(tài)往往更加迅速，這導(dǎo)致風(fēng)險的復(fù)雜性(比如謠言的傳播速度與影響)、應(yīng)對工具的多樣性與及時性(早期預(yù)警)同時有所增加。這些方面，存在很多經(jīng)典的理論與案例。

　　由于價格的劇烈波動性，電力市場生產(chǎn)與需求的不確定性，系統(tǒng)安全穩(wěn)定與集聯(lián)事故發(fā)生的反應(yīng)與(失控前)處置時間均很短，參與者眾多(我國的生產(chǎn)端過去是一個例外)等因素，也充滿著各種風(fēng)險。為了使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行，需要保持一定的電能質(zhì)量，也必須對各種風(fēng)險進行有效防范與應(yīng)對。其中，探討讓那些更加適宜、具有更強承受力、可以有效降低風(fēng)險的(而不是沒有政治話語權(quán)的)主體去承擔(dān)風(fēng)險，具有改進系統(tǒng)經(jīng)濟效率的意義。

　　在本期專欄中，我們將討論電力市場中的交易“風(fēng)險”，與其涉及的總體系統(tǒng)有效應(yīng)對的問題。

　　過去的故事與事實

　　容量市場的出現(xiàn)，避免市場價格上漲到夸張的程度，同時對足夠的容量投資提供必要激勵。

　　相比石油、天然氣市場，由于需求的劇烈波動性、無法存儲等特性，電力產(chǎn)品的價格常常存在劇烈的波動。對于一個單一能量市場(energy-only market)而言，尖峰機組通常依靠足夠高的尖峰稀缺價格(scarcity price)來回收資產(chǎn)的固定成本。理論上，如果沒有額外的限制，大部分機組已經(jīng)達到最大出力，那么剩余的少量機組有足夠的能力與動力把價格推向極高甚至無窮的程度，而消費者往往缺乏彈性或者被隔離在市場波動之外，也不會自動斷電。因此，在稀缺時刻，電力市場永遠存在市場力，即壟斷問題。

　　然而，毫無疑問，這種劇烈的上漲會給消費者帶來風(fēng)險，在政治上同樣無法被接受。此類上漲出現(xiàn)的次數(shù)與時間(往往只有幾個小時)如此之少，并且?guī)缀鯚o法預(yù)計，同樣是機組投資面臨的巨大風(fēng)險，特別是經(jīng)常處于邊際上進行定價的天然氣機組。從商業(yè)視角來看，依靠一年僅出現(xiàn)幾次的高電價做投資決策，是一項不可能完成的任務(wù)。

　　因此，在部分地區(qū)容量市場出現(xiàn)了。它避免市場的價格上漲到夸張的程度，同時也對足夠的容量投資提供必要激勵，從而在使市場的價格不需要上漲過高的情況下，提供足夠的利潤給那些邊際機組。就基本理論而言，就相當(dāng)于電力消費者買了一個看漲期權(quán)，規(guī)避價格過度上漲的風(fēng)險，對沖了風(fēng)險。這一看漲期權(quán)的行權(quán)價格，就是短期市場限價。比如存在容量市場的法國市場，電力限價在3歐元/千瓦時，意味著行政設(shè)定電力價格不允許超過3歐元/千瓦時。美國一些存在容量市場的地方，電力價格更是低到2美元/千瓦時[2];不存在容量市場的地區(qū)，比如美國得克薩斯州市場通過剩余儲備價格曲線(ORDC)來招標(biāo)供需緊平衡下的備用資源，其電力損失負荷價值(VOLL)的上限是9美元/千瓦時[3]，顯然要高得多。

　　稀缺時刻與稀缺定價

　　來源：中國能源轉(zhuǎn)型之星

　　當(dāng)然，不同市場還有很多其他對沖價格風(fēng)險的工具，比如雙邊長期合同、不同時間段的期貨產(chǎn)品等。這往往都是與現(xiàn)貨市場產(chǎn)品并存，且從屬于現(xiàn)貨市場定價的。作為避險工具，其收益與成本通常是相比現(xiàn)貨而言的。

　　眾所周知，過去很長一段時間，我國電力部門采用的是以成本為基礎(chǔ)的煤電標(biāo)桿電價機制，以及有保障的利用小時數(shù)。它確保機組可以回收投資成本，并獲得利潤。顯而易見，機組投資完全隔絕了價格與數(shù)量風(fēng)險，提供的激勵要比容量市場大得多。因此，投資沖動很大，隨著時間推移，造成了機組容量的巨大過剩。

　　這種過剩使得保障利用小時數(shù)的承諾有所縮水，但仍舊是一種投資回收的有效激勵。更為特殊的是，對于有限利用小時數(shù)的尖峰負荷，其他國家往往用投資成本更低的天然氣機組去滿足，但帶來的影響是短時間的電價比平均電價高幾倍。而我國默認(rèn)的建成了就給足夠利用小時數(shù)來回收投資(“具有了資格”)的做法已經(jīng)形成慣性，對這部分所謂專業(yè)化調(diào)峰機組也一樣，往往給3000小時甚至更高利用小時數(shù)，從而很大程度上降低高電價投資回收的必要性，使得高的生產(chǎn)側(cè)電價不再(必要)出現(xiàn)，天然氣機組(管制)的價格只比煤電高兩倍，甚至更少。這部分減少的利用小時數(shù)通過全體其他機組分?jǐn)?，使其長期平均成本上升。從全年統(tǒng)計來看，這種電價安排(比如365天的電價都維持在0.4元/千瓦時)，其總的系統(tǒng)成本，往往高于一個360天處于低電價(比如0.35元/千瓦時)，但是在夏季用電高峰期出現(xiàn)120個小時高電價(比如1.2元/千瓦時)的系統(tǒng)。

　　從消費端來看，價格上漲的風(fēng)險也被完全限制，電價幾乎整年甚至幾年沒有變化。這種安排之下，人們可能更加在意120小時的1.2元/千瓦時高電價，而不是365天被薅0.5元/千瓦時羊毛的“溫水煮青蛙”。事實上，后者帶來的負擔(dān)比前者重。

　　比如，在美國得克薩斯州2019 年夏季用電高峰期間，我國媒體刊發(fā)了非常吸睛的報道《每度電63元!美國德州電價高出中國幾十倍》。事實上，從全年來看，得克薩斯州的平均批發(fā)電力價格低于4美分/千瓦時，比我國大部分省份的煤電標(biāo)桿電價(需要扣稅比較)低不少。

　　對于可再生能源領(lǐng)域而言，由于出力上的不確定性，如何管控價格與數(shù)量風(fēng)險成為一個熱門話題。比如，就雙邊的長期合同PPA而言，是買家還是賣家承擔(dān)發(fā)電不足(或者過度)的風(fēng)險，是一個政府進行監(jiān)管設(shè)計與投資者簽訂合同時都必須考慮的問題。在發(fā)達國家，存在各種風(fēng)險分?jǐn)傂问?。在我國，機組在日前往往需要提交每15分鐘的出力預(yù)測，偏差過大意味著調(diào)度的(缺乏明確規(guī)則的)懲罰措施，完全是一種行政處罰。這方面的監(jiān)管條款與不同主體的風(fēng)險分擔(dān)界面還不是足夠清晰。

　　數(shù)字化時代“風(fēng)險”的新變化

　　對于可再生能源領(lǐng)域而言， 由于出力上的不確定性，如何管控價格與數(shù)量風(fēng)險成為熱門話題。

　　在電力系統(tǒng)運行中，調(diào)度使用一個被稱為開機組合和調(diào)度的過程來確定每臺可控發(fā)電機應(yīng)發(fā)多大功率。這個求解過程通常是緩慢而復(fù)雜的，因為它是由NP優(yōu)化問題控制，如機組組合和最優(yōu)潮流，且必須在多個時間尺度上進行協(xié)調(diào)(從亞秒到數(shù)天前)。進入可再生能源時代，系統(tǒng)擁有更多的存儲、可變發(fā)電設(shè)備以及靈活需求，這是風(fēng)險加大的一方面。

　　數(shù)字化時代，各種硬件傳感器與軟件工具的結(jié)合，使得對系統(tǒng)狀態(tài)的識別更加迅速準(zhǔn)確，可以有效提高風(fēng)險監(jiān)測的效率，以及做出快速處置。而且，機器學(xué)習(xí)方法可以加速經(jīng)濟調(diào)度計算效率。這是有效降低風(fēng)險的一方面。

　　對于可再生能源，廣泛的機器學(xué)習(xí)(machine learning)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，可以結(jié)合數(shù)字化天氣預(yù)報更加準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)、光的出力，減少“在錯誤的時間發(fā)電”的非系統(tǒng)風(fēng)險，以及幫助更好地在地理上排布風(fēng)電機組，減少處于低電價區(qū)域的系統(tǒng)性風(fēng)險。

　　應(yīng)該說，我國的電網(wǎng)公司在這方面走在世界一流隊伍中。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的鋪開，將有效促進電力系統(tǒng)運行、維護、建設(shè)全方位的數(shù)字化與透明化。從發(fā)電、輸電、變電、配電到用電，AI技術(shù)有望為各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)資源、算法及服務(wù)。

　　進入數(shù)字化時代之后，越來越多的決策是由機器，而非人做出，這形成了另一個維度的“黑箱化”。

　　當(dāng)然，數(shù)字化時代的另一種風(fēng)險在積聚，那就是不再由人，而是機器做越來越多的決策。這除了涉及廣泛的倫理問題，也使人們對于各個系統(tǒng)的運行更加“無助”。原來發(fā)生了什么，知其然，知其所以然。在數(shù)字化系統(tǒng)中，我們越來越多地只能知道發(fā)生了什么，卻無法理解為什么發(fā)生，比如機器學(xué)習(xí)在下圍棋方面已經(jīng)全面戰(zhàn)勝人類。這形成另一個維度的“黑箱化”。在電力行業(yè)，由于其平衡的尺度相比而言(比如連續(xù)交易金融市場)仍非常大，美國5分鐘一個，歐洲15分鐘一個，我國6-8 小時一個，這方面的問題顯得還比較遙遠。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)的安全問題變得異常突出，特別是通信與控制系統(tǒng)。

　　小結(jié)

　　電力市場存在著廣泛的風(fēng)險與不確定性，特別是涉及系統(tǒng)安全與價格方面的。在過去的發(fā)展中，我們積累了各種有效交易“風(fēng)險”的工具與產(chǎn)品設(shè)計。在數(shù)字化時代，一方面，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，供給側(cè)與需求側(cè)的不確定程度在增加;另一方面，各種產(chǎn)品與工具將更加精細化，可以幫助我們更加透明、穩(wěn)健與高效地處置與交易風(fēng)險。然而，除了網(wǎng)絡(luò)安全問題，數(shù)字化本身帶來的潛在風(fēng)險使我們距離穩(wěn)健的電力系統(tǒng)依然比較遙遠。

　　注釋

　　[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/32607779

　　[2]Mays， Jacob， David P。 Morton， and Richard P。 ONeill。 2019。 “Asymmetric Risk and Fuel Neutrality in Electricity Capacity Markets。” Nature Energy 4(11)： 948–56