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(hù)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(jìn)行有效防范與應(yīng)對。其中，探討讓那些更加適宜、具有更強(qiáng)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(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)組已經(jīng)達(dá)到最大出力，那么剩余的少量機(jī)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(yuǎn)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(jī)組投資面臨的巨大風(fēng)險，特別是經(jīng)常處于邊際上進(jìn)行定價的天然氣機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)制，以及有保障的利用小時數(shù)。它確保機(jī)組可以回收投資成本，并獲得利潤。顯而易見，機(jī)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(jī)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(fù)荷，其他國家往往用投資成本更低的天然氣機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組分?jǐn)偅蛊溟L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(fù)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(jìn)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(dá)國家，存在各種風(fēng)險分?jǐn)傂问健Ｔ谖覈瑱C(jī)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(jī)組合和調(diào)度的過程來確定每臺可控發(fā)電機(jī)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(jī)組組合和最優(yōu)潮流，且必須在多個時間尺度上進(jìn)行協(xié)調(diào)(從亞秒到數(shù)天前)。進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)方法可以加速經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)電力系統(tǒng)運行、維護(hù)、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(jìn)入數(shù)字化時代之后，越來越多的決策是由機(jī)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(jī)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(jī)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(yuǎn)。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(xì)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(yuǎn)。

　　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