節(jié)點邊際電價(Locational Marginal Price)理論從20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來，已在北美、新西蘭、新加坡等地的電力現(xiàn)貨市場中得到應(yīng)用，并在美國能源聯(lián)邦管理委員會(FERC)的推動下，成為其倡導(dǎo)的“標(biāo)準(zhǔn)市場設(shè)計”(Standard Market Design，SMD)的基石。節(jié)點電價是指在滿足各類設(shè)備和資源的運行特性和約束條件的情況下，在某一節(jié)點增加單位負(fù)荷需求時的邊際成本，即在某時間、某地點以最低成本“多消費1度電”所需要增加的成本。

節(jié)點電價的典型定義包含3個分量：

節(jié)點電價=系統(tǒng)能量價格+阻塞價格+網(wǎng)損價格

節(jié)點電價理論是基于經(jīng)典的優(yōu)化調(diào)度模型、在滿足各種約束條件滿足情況下的資源優(yōu)化配置電價，所以它與經(jīng)濟調(diào)度和最優(yōu)潮流有著深刻的聯(lián)系。最優(yōu)潮流(或安全約束經(jīng)濟調(diào)度)模型求解過程中對應(yīng)于節(jié)點有功功率的拉格朗日乘子(影子價格)即為節(jié)點電價。在前文“電改勇評 | 5張PPT學(xué)懂現(xiàn)貨市場基本原理”(點擊查看)，筆者對節(jié)點邊際電價的基本原理進行了介紹，本文將對節(jié)點電價的計算模型及與分區(qū)電價的對比進行進一步討論。

一、一個更詳細的節(jié)點電價計算模型

本部分內(nèi)容節(jié)選自浙江大學(xué)甘德強教授主編《電力經(jīng)濟與電力市場》講義，2010年03月由機械工業(yè)出版社出版。

圖1 3節(jié)點簡化系統(tǒng)的例子

二.電力市場中的物理電網(wǎng)與貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)(電能供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò))

從以上的分析，看起來節(jié)點電價似乎很完美，但必須指出的是，節(jié)點電價是完全基于“工程師思路”而設(shè)計的，其基礎(chǔ)是最優(yōu)潮流模型。節(jié)點電價在處理輸電網(wǎng)絡(luò)阻塞或許是有效的，但也存在很多問題，由于節(jié)點電價的制定仍然未脫落拉格朗日乘子，前文“電改勇評 | 拉格朗日乘子適合做現(xiàn)貨結(jié)算價嗎”(點擊查看)所論及的問題仍然存在。節(jié)點電價主要在以美國為代表的電力市場中得到應(yīng)用，而在歐洲電力市場(特別是北歐電力市場)主要采用分區(qū)電價。

一般認(rèn)為，分區(qū)電價是節(jié)點電價的簡化情形，但事實并非如此，實際上，分區(qū)電價可包括更多的社會經(jīng)濟信息，本文將對此進行說明。

與其他市場顯著不同，電力市場是基于電力系統(tǒng)這個物理網(wǎng)絡(luò)而建立的，電力(功率)實時平衡是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本條件，需要比較復(fù)雜的調(diào)度過程。總體來說，電力市場/電力系統(tǒng)的問題可分為電力系統(tǒng)物理層、商品交易層和金融交易層3個層次，各自服從不同的規(guī)律，但又互相關(guān)聯(lián)。在3個不同層次中，“電能”的內(nèi)涵是完全不同的，如圖2所示。

物理層面同質(zhì)的電能

在電力系統(tǒng)中，電壓、電流等物理量服從電磁場的基本規(guī)律——麥克斯韋方程組，或在電路中簡化而成的基爾霍夫定律。各發(fā)電廠生產(chǎn)的電能一旦上網(wǎng)，在物理上就被同質(zhì)化，無法再區(qū)分開來。電力系統(tǒng)潮流方程是由基爾霍夫定律推導(dǎo)得來的，因此屬于這一層。

商品交易層面異質(zhì)的電能商品

本層是電力市場交易的核心。電力市場中交易的商品是以看不見摸不著的能量形態(tài)存在的，是世界上最特殊的一種商品，其定義完全取決于所采用的調(diào)度模型(屬于運籌學(xué)模型)。由于物理層面的電能在時間和空間上均有連續(xù)性，在商品交易層面上，電能商品幾乎是可以任意定義的，而電力市場的核心問題也是發(fā)、用電計劃權(quán)(簡稱“發(fā)、用電權(quán)”)的競爭與分配和電費如何結(jié)算的問題。由于電力系統(tǒng)運行的特點，所有發(fā)、用電權(quán)商品都必須通過電網(wǎng)調(diào)度來實現(xiàn)，最終轉(zhuǎn)化為物理電能。

圖2 電力市場/電力系統(tǒng)問題的三個層次

金融層面用于財務(wù)結(jié)算的電能商品

國外電力市場建立了遠期(差價合約)、期貨、期權(quán)等電力金融交易，往往以金融合約的形式完成。大多數(shù)金融合約并不涉及實物交割(屬于商品交易層面的問題)，而屬于純粹的財務(wù)結(jié)算，對電力系統(tǒng)的實際運行沒有任何影響;而物理合約則是必須物理執(zhí)行的，最后將轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)度計劃;而到期未能平倉的期貨合約則變?yōu)楸仨殞嵨锝桓畹奈锢砗霞s。因此，在圖2中，金融合約屬于第3層，物理合約屬于第2層。

節(jié)點電價所采用的物理潮流模型屬于圖2中第1層(電力系統(tǒng)層)的網(wǎng)絡(luò)模型，但電能商品的交易(貿(mào)易)關(guān)系包括比物理電網(wǎng)更多的社會和經(jīng)濟屬性，為體現(xiàn)這種復(fù)雜的交易(貿(mào)易)關(guān)系，本文引入“貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)”的概念，一個相關(guān)的概念是運營管理(Operations Management)課程中所講的“供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)”(Supply chain network，https://en.wikipedia.org/wiki/Supply_chain_network)。供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)是基本供應(yīng)鏈(supply chain)的發(fā)展。由于技術(shù)的快速進步，具有基本供應(yīng)鏈的商業(yè)組織可以將這個鏈發(fā)展成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，涉及更多商業(yè)組織之間的更高層面的相互依賴性和連接性，因而形成供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)。在電力市場中，貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)或供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)是一種由發(fā)、用電權(quán)交易而組成的抽象的網(wǎng)絡(luò)，與物理電網(wǎng)是兩回事。電能商品貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)與物理電網(wǎng)的關(guān)系可用圖3來表示。圖3中，在同一個物理電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，形成了2個貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)，藍色的貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)A由主力化石能源發(fā)電廠、A市的主要商業(yè)負(fù)荷、B市負(fù)荷和少量可再生能源的電能交易而形成，采用統(tǒng)一電能價格(不含輸配電價)。而紅色的貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)B由工廠及其自備電廠、風(fēng)電場、居民用戶及屋頂太陽能、A市分布式電源及次要商業(yè)負(fù)荷、電池儲能系統(tǒng)及PHEV充電站的電能交易形成，采用統(tǒng)一電能價格(不含輸配電價)。2個貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)在A市相連。顯然2個貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)與物理電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，也不服從物理潮流定律，實際上，貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)屬于圖2中第2層(商品交易層)的網(wǎng)絡(luò)模型。

圖3 物理電網(wǎng)與電能貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)示意圖

三.應(yīng)根據(jù)不同的情況選擇節(jié)點電價或分區(qū)電價體系

各個不同國家電力市場的電能交易采用統(tǒng)一價格、節(jié)點電價或分區(qū)電價體系，都是有其客觀歷史原因的。

美國電力市場的節(jié)點電價體系

美國電網(wǎng)迄今已有100多年的建設(shè)發(fā)展歷史，最初是由私營和公營電力公司根據(jù)各自的負(fù)荷和電源分布組成一個個孤立的電網(wǎng)，隨后在互利原則基礎(chǔ)上通過雙邊或多邊協(xié)議、聯(lián)合經(jīng)營等方式相互聯(lián)網(wǎng)，逐步形成了東部、西部和德克薩斯三大聯(lián)合電網(wǎng)，這三大聯(lián)合電網(wǎng)之間僅由少數(shù)低容量的直流線路連接。

美國的輸電網(wǎng)縱橫交錯，常見的電壓等級有765千伏、500千伏、345千伏、230千伏、161千伏、138千伏、115千伏。美國電網(wǎng)建設(shè)時間較早，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)中期已基本成型。隨著經(jīng)濟和電力需求增速趨緩，電網(wǎng)的建設(shè)與改造明顯停滯。美國輸電網(wǎng)投資自上世紀(jì)70年代以來一直裹足不前，而且長期滯后于電力需求和發(fā)電容量的增長。由于輸電投資水平低，跨州、跨區(qū)電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，輸電能力不足，輸電阻塞嚴(yán)重。

目前，美國共有520家電網(wǎng)公司，設(shè)立了127個分區(qū)控制中心。在美國電力工業(yè)格局和體制機制下，協(xié)調(diào)數(shù)量眾多的電網(wǎng)企業(yè)和調(diào)度運行機構(gòu)難度很大，電網(wǎng)安全責(zé)任落實的復(fù)雜程度也顯著加大。此外，美國經(jīng)濟發(fā)展比較充分和均衡，不同地區(qū)的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和用電情況差異也沒中國大。

因此在美國電力市場，引入節(jié)點電價體系，以反映物理輸電網(wǎng)絡(luò)阻塞，并使得交易出清結(jié)果自動滿足輸電線路傳輸容量約束是合理的。此外，在美國，電力公司要加入電力市場，就要先將調(diào)度權(quán)上交至ISO(獨立調(diào)度)或RTO(區(qū)域輸電組織)，而以PJM為代表的美式電力現(xiàn)貨市場的目的實際上是采用市場機制打破電力公司的“各自為政”，實現(xiàn)較大范圍的經(jīng)濟調(diào)度。

歐洲電力市場的分區(qū)電價體系

北歐電力市場是國際上第一個真正意義的跨國電力市場，其形成過程是一家市場做強、周邊國家紛紛加入的模式，運行幾十年來獲得了豐富的經(jīng)驗。北歐地區(qū)主要指挪威(Norway)、丹麥(Denmark)、瑞典(Sweden)和芬蘭(Finland)四個國家。四個國家電力系統(tǒng)聯(lián)系緊密，已經(jīng)形成統(tǒng)一的大電網(wǎng)，并且和周圍鄰近歐洲國家也有聯(lián)絡(luò)線相連。北歐四國之所以能形成統(tǒng)一電力市場，與其電源的互補性密切相關(guān)。挪威絕大部分為水電。瑞典和芬蘭的能源構(gòu)成中核電占比較大，其次為水電。在瑞典其他能源類型中，生物質(zhì)能發(fā)電及石油發(fā)電占了很高比例達到45.8%。在丹麥原先大部分為火電，但隨著可再生能源的利用，風(fēng)電的比例在持續(xù)提高，占到總額的近一半左右。

北歐電力市場現(xiàn)貨交易分為日前市場和日內(nèi)市場。二者交易均在Nord Pool中進行，成交的均為物理合同。其中日前市場交易地區(qū)為北歐四國、波羅的海沿岸三國和英國，日內(nèi)市場除上述國家外還有德國參與。在市場中不同國家分為不同的區(qū)域，在有的國家內(nèi)部也進行了分區(qū)，這主要是由于這些區(qū)域間經(jīng)常出現(xiàn)阻塞。圖4所示為目前北歐地區(qū)的市場分區(qū)情況。

圖4 市場分區(qū)

北歐日前市場Elspot將交易日分為24個競價時段，每小時為一個競價時段。市場參與者可以在前一天對第二天的傳輸電量進行報價，既可以對各個小時靈活報價也可以對一段時間整體報價，之后Nord Pool將所有上報的售電報價和購電報價匯總，二者曲線的交點則為系統(tǒng)電價。當(dāng)整個系統(tǒng)內(nèi)不存在阻塞時，Elspot的所有交易地區(qū)均以該電價進行結(jié)算。若某聯(lián)絡(luò)線上交易容量超過傳輸線所能傳輸?shù)淖畲笕萘浚瑒t在出現(xiàn)阻塞的地方劃分區(qū)域?qū)嵭蟹謪^(qū)電價，進行新一輪的價格計算，并且進行對銷貿(mào)易(er-trading)來消除阻塞，其成本由TSO(輸電系統(tǒng)運營商)來承擔(dān)并作為電網(wǎng)需加強的信號，最終該區(qū)域電價和系統(tǒng)電價會出現(xiàn)差異。這種區(qū)域劃分是不固定的，一般能維持三至四個月，視不同阻塞情況而定。以瑞典為例，全國基本分為四個區(qū)域，在實際中，瑞典本質(zhì)上是一個同價區(qū)域。如在2014年，其全國有86%的時間是同價的;其區(qū)域電價差異主要發(fā)生在區(qū)域3和區(qū)域4，但這兩個區(qū)域仍有90%的時間是同價的。區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線不斷加強，差異電價情況也會相對減少。最終分區(qū)電價作為該區(qū)域現(xiàn)貨市場結(jié)算價格，而在金融市場一般以系統(tǒng)電價作為參考價格。

北歐電力市場的阻塞管理獨具特色。對于價區(qū)間的阻塞，首先，各TSO會提前一周向北歐電力交易所提交區(qū)域間的可用的傳輸容量并對上報的容量復(fù)核;之后，北歐電力市場交易所會根據(jù)發(fā)用雙方的報價和可用傳輸容量進行市場出清，形成系統(tǒng)電價和區(qū)域電價。當(dāng)區(qū)域間存在阻塞時，為了滿足線路的傳輸容量限制，必然會讓某個區(qū)域的高價機組多發(fā)電，減少另一區(qū)域的低價機組發(fā)電，由此必然導(dǎo)致兩區(qū)域之間的電價不相等，形成區(qū)域電價，產(chǎn)生阻塞剩余。阻塞剩余由北歐電力交易所收取后分配給各國的TSO，歸各國TSO 所有。對于區(qū)域內(nèi)部阻塞，假定節(jié)點A到節(jié)點B 的輸電線路因輸電容量不足產(chǎn)生阻塞(功率由A 流向B)，此時由TSO在B 節(jié)點買入電量(發(fā)電商多發(fā)電或者負(fù)荷減少用電)，在A 節(jié)點賣出電量(發(fā)電商少發(fā)電或者負(fù)荷多用電)，由此產(chǎn)生的阻塞費用最終由TSO 承擔(dān)。目前，對于區(qū)域內(nèi)部的阻塞管理在平衡調(diào)節(jié)市場中完成。需要說明的是，北歐電力市場規(guī)定，阻塞收益歸TSO 所有，對銷交易需要的阻塞費用也由TSO承擔(dān)。總體來說，TSO 最終將獲得阻塞收益。但是，各國的TSO 不會故意造成阻塞來獲得阻塞剩余，這主要由于合理的激勵機制。監(jiān)管機構(gòu)每年會核定次年的輸配電價，在核定的時候會將今年TSO所收取的阻塞費用從輸配電價中扣除，此外，TSO在減少阻塞時所支付的成本會在輸配電價制定的時加以考慮。這種阻塞費用考核和輸配電價制定相結(jié)合的方式在一定程度上激勵了TSO 運用阻塞收益對電網(wǎng)進行投資以減輕阻塞，擴大區(qū)域間的傳輸容量。

可以看出，北歐電力市場的分區(qū)電價體系設(shè)計更多地體現(xiàn)了經(jīng)濟學(xué)家的思路，其價區(qū)劃分不僅僅是物理網(wǎng)絡(luò)約束，還有社會經(jīng)濟方面的考慮并涉及到國際貿(mào)易，可以看出一個不同于物理電網(wǎng)的貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)的存在。但價區(qū)的劃分涉及市場公平性的問題，也與輸電網(wǎng)物理阻塞有關(guān)。北歐電力市場研究人員對節(jié)點電價與分區(qū)電價進行了深入的對比研究，但并沒有將分區(qū)電價換為節(jié)點電價的提議。

我國電力市場的電價體系探討

由于歷史的原因，我國電價構(gòu)成十分復(fù)雜，有合理的部分，也有不合理需要改革的部分。電能并非簡單的終端消費品，而是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性產(chǎn)品和生產(chǎn)資料的一部分，電力市場屬于要素市場的一部分。對電能的掌控能力和地區(qū)電價高低直接影響到各地經(jīng)濟的發(fā)展速度和發(fā)展水平。

我國的工業(yè)化尚未徹底完成，根據(jù)中國社會科學(xué)院的預(yù)計，我國到2020年將基本實現(xiàn)工業(yè)化，到2030年前后全面實現(xiàn)工業(yè)化。我國工業(yè)化還存在發(fā)展不平衡不充分的問題。一是區(qū)域發(fā)展不平衡，一些區(qū)域工業(yè)化發(fā)展不充分。我國工業(yè)化水平總體上呈現(xiàn)東部、中部、西部逐步降低的梯度差距。二是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不平衡，創(chuàng)新能力和高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展不充分。一方面，鋼鐵、石化、建材等行業(yè)的低水平產(chǎn)能過剩問題突出;另一方面，高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠，關(guān)鍵裝備、核心零部件和基礎(chǔ)軟件等依賴進口和外資企業(yè)的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。我國不同地區(qū)相差巨大的工業(yè)化水平?jīng)Q定了當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對電力的依賴程度不一樣，電力技術(shù)發(fā)展與電價水平要適應(yīng)各地新時代新型工業(yè)化的要求。

我國幅員遼闊，各地區(qū)要素水平和資源稟賦差異巨大。若在差異顯著的區(qū)域建立完全自由競爭的統(tǒng)一電力市場，在市場機制作用下，其結(jié)果是經(jīng)濟欠發(fā)達、電價水平相對較低的地區(qū)所擁有的電能資源流向經(jīng)濟較發(fā)達、電價水平相對較高的地區(qū)，將抬高欠發(fā)達地區(qū)的電價，而且可能失去使用資源的權(quán)利;發(fā)達地區(qū)則可能利用其電價較高、購買力較強的優(yōu)勢，不僅通過市場機制與欠發(fā)達地區(qū)爭奪資源，而且自身電價水平也趨于降低，使“窮者愈窮、富者愈富”，擴大區(qū)域間的經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的國家戰(zhàn)略目標(biāo)背道而馳。此外，由于電廠類型、所處地理位置、投資運行時間不同所帶來的發(fā)電成本差異也可能導(dǎo)致不公平競爭。

由于上述諸多原因，我國的合理電價不可能僅僅建立在物理網(wǎng)絡(luò)模型(潮流模型)的基礎(chǔ)上，而應(yīng)更多地考慮地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和行業(yè)的差異，也就是考慮貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)的約束。相對于美國，我國輸電網(wǎng)較新，設(shè)備冗余度高，500kV輸電線路輕載情況相對較為嚴(yán)重，大部分線路處于長期輕載的情況，只有相對少數(shù)線路負(fù)載率超過50%，其他電壓等級也類似，輸電阻塞并非電力市場的關(guān)鍵問題。在我國社會主義市場經(jīng)濟體制和公有制為主體的背景下，對于輸電阻塞的處理也有多種方式，比如借鑒北歐電力市場的對銷交易方式，在電力系統(tǒng)運行中也積累了豐富的斷面潮流控制的技術(shù)經(jīng)驗，不一定要轉(zhuǎn)化為節(jié)點價格信號并由之來引導(dǎo)供需。因此，筆者認(rèn)為，節(jié)點電價體系在我國大部分地區(qū)都是不適用的。