漫談數(shù)字化時(shí)代的電力市場“風(fēng)險(xiǎn)”

　　現(xiàn)實(shí)社會(huì)中往往充滿著各種風(fēng)險(xiǎn)與不確定性。有些風(fēng)險(xiǎn)是高概率，(如果發(fā)生了)低損失，比如錯(cuò)過一趟地鐵，可以改乘下一趟;有些風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)一旦發(fā)生，反應(yīng)與處置時(shí)間很短，比如地震;有些風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，反應(yīng)時(shí)間(潛伏期)長，但是需要的處置時(shí)間往往更長，比如癌癥的診斷與治療。

　　以上類型的風(fēng)險(xiǎn)，人們都可以在現(xiàn)實(shí)中找到“交易對手”，也就是把“不好”的風(fēng)險(xiǎn)賣給別人，讓他人為自己承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。交易對手在處置風(fēng)險(xiǎn)、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(xiǎn)，來降低風(fēng)險(xiǎn)，從而獲得收益，比如各種保險(xiǎn)公司;抑或更加能夠承受風(fēng)險(xiǎn)，喜歡冒險(xiǎn)，比如將一張有50%概率能夠獲得100萬元獎(jiǎng)金的彩票，以高于50萬元的價(jià)格賣給賭徒[1]。

　　在數(shù)字化時(shí)代，信息更加透明、快速可得，各種系統(tǒng)的運(yùn)行與供需變化動(dòng)態(tài)往往更加迅速，這導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)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(shí)性(早期預(yù)警)同時(shí)有所增加。這些方面，存在很多經(jīng)典的理論與案例。

　　由于價(jià)格的劇烈波動(dòng)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(shí)間均很短，參與者眾多(我國的生產(chǎn)端過去是一個(gè)例外)等因素，也充滿著各種風(fēng)險(xiǎn)。為了使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需要保持一定的電能質(zhì)量，也必須對各種風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)的(而不是沒有政治話語權(quán)的)主體去承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，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(xiǎn)”，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(shí)

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

　　相比石油、天然氣市場，由于需求的劇烈波動(dòng)性、無法存儲(chǔ)等特性，電力產(chǎn)品的價(jià)格常常存在劇烈的波動(dòng)。對于一個(gè)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(jià)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(dòng)力把價(jià)格推向極高甚至無窮的程度，而消費(fèi)者往往缺乏彈性或者被隔離在市場波動(dòng)之外，也不會(huì)自動(dòng)斷電。因此，在稀缺時(shí)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(huì)給消費(fèi)者帶來風(fēng)險(xiǎn)，在政治上同樣無法被接受。此類上漲出現(xiàn)的次數(shù)與時(shí)間(往往只有幾個(gè)小時(shí))如此之少，并且?guī)缀鯚o法預(yù)計(jì)，同樣是機(jī)組投資面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)，特別是經(jīng)常處于邊際上進(jìn)行定價(jià)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(jià)做投資決策，是一項(xiàng)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(jià)格上漲到夸張的程度，同時(shí)也對足夠的容量投資提供必要激勵(lì)，從而在使市場的價(jià)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(fèi)者買了一個(gè)看漲期權(quán)，規(guī)避價(jià)格過度上漲的風(fēng)險(xiǎn)，對沖了風(fēng)險(xiǎn)。這一看漲期權(quán)的行權(quán)價(jià)格，就是短期市場限價(jià)。比如存在容量市場的法國市場，電力限價(jià)在3歐元/千瓦時(shí)，意味著行政設(shè)定電力價(jià)格不允許超過3歐元/千瓦時(shí)。美國一些存在容量市場的地方，電力價(jià)格更是低到2美元/千瓦時(shí)[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(chǔ)備價(jià)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(jià)值(VOLL)的上限是9美元/千瓦時(shí)[3]，顯然要高得多。

　　稀缺時(shí)刻與稀缺定價(jià)

　　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(jià)格風(fēng)險(xiǎn)的工具，比如雙邊長期合同、不同時(shí)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(jià)的。作為避險(xiǎn)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(shí)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(jià)機(jī)制，以及有保障的利用小時(shí)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(jià)格與數(shù)量風(fēng)險(xiǎn)，提供的激勵(lì)要比容量市場大得多。因此，投資沖動(dòng)很大，隨著時(shí)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(shí)數(shù)的承諾有所縮水，但仍舊是一種投資回收的有效激勵(lì)。更為特殊的是，對于有限利用小時(shí)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(shí)間的電價(jià)比平均電價(jià)高幾倍。而我國默認(rèn)的建成了就給足夠利用小時(shí)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(shí)甚至更高利用小時(shí)數(shù)，從而很大程度上降低高電價(jià)投資回收的必要性，使得高的生產(chǎn)側(cè)電價(jià)不再(必要)出現(xiàn)，天然氣機(jī)組(管制)的價(jià)格只比煤電高兩倍，甚至更少。這部分減少的利用小時(shí)數(shù)通過全體其他機(jī)組分?jǐn)?，使其長期平均成本上升。從全年統(tǒng)計(jì)來看，這種電價(jià)安排(比如365天的電價(jià)都維持在0.4元/千瓦時(shí))，其總的系統(tǒng)成本，往往高于一個(gè)360天處于低電價(jià)(比如0.35元/千瓦時(shí))，但是在夏季用電高峰期出現(xiàn)120個(gè)小時(shí)高電價(jià)(比如1.2元/千瓦時(shí))的系統(tǒng)。

　　從消費(fèi)端來看，價(jià)格上漲的風(fēng)險(xiǎn)也被完全限制，電價(jià)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(shí)的1.2元/千瓦時(shí)高電價(jià)，而不是365天被薅0.5元/千瓦時(shí)羊毛的“溫水煮青蛙”。事實(shí)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(bào)道《每度電63元!美國德州電價(jià)高出中國幾十倍》。事實(shí)上，從全年來看，得克薩斯州的平均批發(fā)電力價(jià)格低于4美分/千瓦時(shí)，比我國大部分省份的煤電標(biāo)桿電價(jià)(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(jià)格與數(shù)量風(fēng)險(xiǎn)成為一個(gè)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(xiǎn)，是一個(gè)政府進(jìn)行監(jiān)管設(shè)計(jì)與投資者簽訂合同時(shí)都必須考慮的問題。在發(fā)達(dá)國家，存在各種風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)傂问?。在我國，機(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(xiǎn)分擔(dān)界面還不是足夠清晰。

　　數(shù)字化時(shí)代“風(fēng)險(xiǎn)”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(jià)格與數(shù)量風(fēng)險(xiǎn)成為熱門話題。

　　在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，調(diào)度使用一個(gè)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(gè)求解過程通常是緩慢而復(fù)雜的，因?yàn)樗怯蒒P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(gè)時(shí)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(shí)代，系統(tǒng)擁有更多的存儲(chǔ)、可變發(fā)電設(shè)備以及靈活需求，這是風(fēng)險(xiǎn)加大的一方面。

　　數(shù)字化時(shí)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(xiǎn)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(jì)算效率。這是有效降低風(fēng)險(xiǎn)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(bào)更加準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)、光的出力，減少“在錯(cuò)誤的時(shí)間發(fā)電”的非系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，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(jià)區(qū)域的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

　　應(yīng)該說，我國的電網(wǎng)公司在這方面走在世界一流隊(duì)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(yùn)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(shí)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(gè)維度的“黑箱化”。

　　當(dāng)然，數(shù)字化時(shí)代的另一種風(fēng)險(xiǎn)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)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(gè)，歐洲15分鐘一個(gè)，我國6-8 小時(shí)一個(gè)，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(xiǎn)與不確定性，特別是涉及系統(tǒng)安全與價(jià)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(xiǎn)”的工具與產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在數(shù)字化時(shí)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(xiǎn)。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(xiǎn)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