Abstract: While a power system changing from monopolistic industry to competitive markets, its stability analysis and riskmanagement become more crucial. In this paper, the essences of risk management are discussed; the stability analyses arecompared among deterministic methods, probabilistic methods and risk methods. Applications of risk management in bothpower systems and electricity markets are reviewed; a risk-based quantitative method is proposed to study electricity marketstability.This project is supported by National Key Basic Research Special Fund of China (No. G1998020301), National NaturalScience Foundation of China (No. 59920037) and State Power Corporation of China (No. SP11-2001-01-04-02, No. SP11-2002-01-05).
Key words: electricity market; stability; technical economics; risk; quantitative study
摘要:上海论文网介绍了风险管理的基本理论,比较了确定性分析、概率分析及风险分析方法,综述了电力系统与电力市场中风险管理的研究和应用情况;从传统体制到市场环境之间义利重构的角度,探讨了电力市场稳定性和风险管理的问题;最后提出了计及风险的电力市场稳定量化分析方法。
关键词:电力市场;稳定性;技术经济学;风险;量化分析
0 引言
竞争环境下的电力生产、交易与消费发生了根本性的变化,系统运行条件苛刻而不确定,安全稳定问题越来越突出[1]。每个市场参与者都追求其利益最大化,技术与经济之间的关系极其密切,传统上可靠性高于经济性的关系不复存在[2]。为此,必须建立既能反映物理规律,又能反映经济规律的数学模型,并将技术经济学和数量经济学相结合,以风险的观点来处理电力系统物理稳定性及经济稳定性问题。不能保证稳定的系统是谈不上其他品质的[3]。目前对电力市场的研究大多集中在竞价上网[4]、辅助服务、输电定价等问题上,而很少研究其稳定性。文献[5]首次提出电力市场稳定性的问题,并建立了两个一阶微分方程,研究平衡点附近的静态稳定。随后,建立了频率二次调节与报价的关系模型,但研究的是短期内的辅助服务质量问题,并非稳定性[6,7]。文献[8]根据不同的发电成本和消费函数提出了一种电力市场稳定性的度量指标,但分析仍局限于均衡态的短期小扰动稳定性。文献[9]假设某时段的供应量与该时段及前一时段的价格有关,而需求量只与该时段的价格有关,并以价格为变量建立了差分方程。由于这些假设违背了电力市场的特殊规律,故不可能正确反映其稳定性。文献[10]分析了单边开放电力市场中寡头厂商的行为,讨论了发电安装容量市场的必要性。文献[11]讨论了电力市场经济稳定性与电力系统物理稳定性的关系,分析了电力市场不同于其他商品市场的特征,并根据交易—投资等环节的闭环控制思想建立了电力市场动力学的框架模型。本文从传统体制与市场环境之间义利重构的角度,探讨了电力系统稳定性和电力市场稳定性的新变化。基于市场经济的规律,结合电力生产、交易、消费以及电力系统运行的特点,阐明了电力市场稳定性问题的本质所在。指出:虽然概率分析方法克服了传统方法忽略不确定性因素的缺点,但由于没有对经济后果进行量化,也难以满足电力市场对稳定性分析的要求。本文针对确定性分析方法与概率分析方法的不足,引入风险理念来处理市场化竞争环境下技术与经济中的不确定性问题,提出了计及风险的电力市场稳定量化分析概念,强调了技术经济学和数量经济学对电力系统及电力市场的安全运行与稳定发展的重要意义。
1 稳定性分析方法的一种分类
1.1 确定性方法传统的稳定性分析是在给定系统拓扑及参数、运行条件及扰动方式下进行的,属确定性方法。目前流行的发电侧的备用率指标、输电侧的N-1准则、电力系统的同步稳定性、电压稳定性及频率稳定性分析均按照最严重事故作为决策依据。确定性方法计算量小,对原始数据的要求低,易于理解和实施,当然也就容易被工程应用所接受。其缺点主要是:①没有考虑不同的运行条件及不同的事故发生的可能性,将百年一遇的场景与每月一遇的场景同样看待;②对事故集的选择带有任意性,某个严重事故是否被纳入事故集将彻底改变评估的结果;③对不同停电事故造成的经济损失不加区别,将重要负荷的供电可靠性等同于一般负荷;④对会影响许多事故的预防控制措施,不能评估其性价比;⑤对预想事故的后果要么接受,要么不接受,没有接受程度的量化概念。随着电力市场的开放和电力系统复杂程度的增加,各参与者迟早会认识到:确定性的分析方法不能满足其追求最大利润的需要。
1.2 概率方法电力系统的参数存在不确定性,运行条件和扰动场景更是千变万化,不可能用有限个典型情况来全面反映。由此提出了概率稳定分析的概念,它根据系统中影响稳定的主要随机因素的统计特性来确定电力系统的概率稳定性指标。应该考虑的主要随机因素包括系统参数、运行参数与扰动参数(故障类型、发生的位置及切除时间等),但其计算量实在太大,特别对于现代互联系统的实用分析困难极大。此外,原始的概率数据不完整也影响了概率指标的可信度。因此,概率方法不仅依赖于理论的发展成熟,还需要数据的长期积累。Burchett在1977年开始了电力系统静态稳定性概率分析研究[12];关于暂态稳定概率分析的首篇文章是由Billinton等人在1978年发表的[13]。此后,概率分析方法引起了世界各国电力学者的广泛兴趣,并提出用条件概率、蒙特卡罗求解的方法。文献[14]结合了条件概率和稳定域的优点,克服了负荷水平离散化的困难;利用EEAC的量化能力,为概率暂态安全分析的实用化提供了可能。概率方法避免了确定性方法的前2个缺点,但仍然保留了其他3个缺点。
1.3 风险方法确定性方法和概率方法都基于纯技术的观点,不考虑措施和后果的经济代价,无法为决策提供经济性的量化支持。竞争市场环境下的技术决策准则是经济利益,纯技术观点的本质局限性将越来越严重。基于风险管理的分析方法综合考虑了事件发生的概率及其经济后果,在航空、核能、保险业等领域已得到较广泛的应用,有必要更好地将其引入电力系统和电力市场问题,并把定性描述改为定量分析。
2 风险管理的基本理论
2.1 风险的概念“风险”一词目前尚无统一的定义。IEEE将“风险”定义为概率与后果的乘积(the product ofprobability and consequence)[15],其两个要素是事故发生的概率和事故产生的影响。风险可能源于自然、社会、政治、经济、技术等因素,而其最大特征是损失发生的不确定性。美国项目管理协会将风险定义为对项目有利或不利的不确定因素,但该定义似乎忽视了“事故影响”这个要素。
2.2 风险管理的概念风险管理的概念是1930年由Huebner提出的,它是指各经济单位通过识别、衡量、分析风险,并在此基础上有效控制风险,用最经济合理的方法来综合处置风险,将风险导致的各种不利后果减少到最低限度的科学管理手段[16]。风险管理一般包括风险识别、风险分析、风险应对、风险监控等环节。风险识别是管理人员在深入仔细的考察后,运用各种方法对潜在及存在的各种风险进行系统归类,识别风险的因素、性质及后果。风险分析就是对风险存在与发生的概率、损失的范围与程度进行估计和衡量,主要关注风险的两个要素及其乘积(风险值)。其中,风险事件的概率由专家评估、访谈或历史信息得到;风险影响可能是时间上或经济上的,可能要采用数值分析方法;风险值是对风险造成的影响的最直接的评估。风险分析可以是定性或定量的,主要方法有:蒙特卡罗仿真、风险概率/影响评估矩阵、敏感性分析、访谈等。风险应对是根据风险的性质和对风险的承受能力制定相应的防范措施,以保证已识别出的风险得到合适的处置。最常采用的措施是:规避、减轻、转移和自留。风险监控就是监视风险的状况及变化情况,检查应对措施是否有效,及时识别与分析遗留和新增的风险并采取相应对策。#p#分页标题#e#
2.3 风险管理的意义
2.3.1 对参与者的意义参与者可通过风险管理以最小的成本将风险损失减少到最低,达到最大的安全保障。包括:①为参与者提供一个安全稳定的生产经营环境;②帮助参与者顺利实现其经营目标;③促进参与者决策的科学化、合理化,减少决策的风险性;④提高参与者的经营效益。
2.3.2 对社会的意义风险管理也影响着整个社会和经济的发展:①有利于资源的有效配置;②有利于经济的稳定发展;③有利于创造出一个保障经济发展的社会经济环境。
2.4 风险应对的方法[16,17]
2.4.1 控制型风险应对控制型风险应对法是指在损失实际发生之前,采取各种控制手段,力求消除隐患,减少风险发生的原因,将损失的严重后果减少到最低限度的一种方法。风险的控制法又包括规避风险和减轻风险两种方式。规避风险是指考虑到风险事件发生的可能,主动放弃和拒绝可能导致风险损失的方案。它不是去减少损失的程度,而是彻底消除某一特定风险,因而有简单易行、全面彻底的优点。但它也存在很大的局限性:①由于无法准确地估计风险事件,故难以决策是否应该采取规避风险;②即使风险很大,当事人一般依然不愿放弃该风险事件可能包含的盈利,而倾向于承担风险;③在实践中很难完全实现。减轻风险是指在损失发生前减少风险事件发生的概率;在风险事件发生后减少损失的程度。其要点在于消除风险因素和减少风险损失,是风险管理的常用方法。为了减轻风险,就要对意外事件的原因进行分析,发现灾害损失的直接和间接原因,并研究能否通过改变其中的某些因素消除这些原因。这个过程一般要经过风险因素的分析、控制工具的选择、实施控制技术、对控制的后果进行评估等步骤。
2.4.2 转移型风险应对由于人们对风险的认识受到各种外界因素的制约,即使很准确的预测,也难以摆脱防范措施的局限性。事实上,许多风险是不可规避且损失难以预测的。利用各种财务工具转移风险损失是风险管理的另一个重点。转移法是指运用财务工具将可能的损失有意识地转移给有相互经济利益关系的另一方承担,所转移的既可以是引起风险及损失的活动,也可以是风险及其损失的财务。合同与保险是其中的两种重要方法:合同是平等主体的自然人、法人、其他组织之间签订的权利义务关系的协议;保险是以小额的保费换取对未来巨大的、不确定的危险损失的经济保障,减轻或消化危险的损害后果。
2.4.3 自留型风险应对风险自留是指自行承担风险损失的处理方式,一般仅适用于风险小的场合。
2.4.4 组合型风险应对采取单一策略进行风险管理不一定是最佳选择,优化组合不同方法往往可以更好地降低风险。
3 电力系统中的风险管理
大区互联电网和电力工业市场化使电力系统的运行承受着更大的风险,风险理念已开始被引入电力系统。支路的热容量校核长期以来一直采用确定性方法。文献[18]提出了一种基于风险的热容量评估方法,建立了过载的潜在影响和导线温度的随机模型,并分析了过载引起的平均量化风险。该方法为输电线路增加热容量提供了技术依据。文献[19]也使用了基于风险的安全评估方法,分析了增加变压器热负荷容量的可能性。系统规划需要综合考虑设备成本、运行条件、负荷增长、环境制约等诸多因素的不确定性,传统的容量扩展规划模型很难解决这些问题。文献[20]指出经典的概率优化方法没有考虑事故后果,有时会导致风险更大的决策。为此,该文提出了一种计及风险的规划方法,并以配电网为对象进行了研究。文献[21]也分析了概率分析和风险分析在概念上的区别,并用遗传算法优化配电网规划。负荷的随机性是电力系统短期运行规划中需要考虑的风险问题。文献[22]应用决策树技术和概率采样理论评估负荷不确定性的影响。竞争环境下的容量规划由市场引导,需要考虑的不确定因素更多,甚至会出现目标的相互冲突。文献[23]综合市场、社会及环境等因素,采用风险分析与风险管理工具进行系统规划的多准则决策。电力系统安全性的实质是风险问题,依据最严厉的故障和场景来确定动态安全运行极限常常会导致极高的运行成本。文献[24]提出在确定运行的稳定极限值时,应该考虑各种故障的风险,而不是仅仅按照最严重的故障。它采用常规的积分工具和评估过程,基于统一的事故发生概率分布函数,在运行点的经济性与风险之间进行协调,求取最优的运行策略。文献[25]针对由电压稳定性制约的电力系统,提出了计及风险的评估方法,分析了系统未来的不确定性及电压越限和崩溃造成的后果,期望将可靠性折算为经济性并协调它们。上述概念尚待进一步深入研究和实用化。
4 电力市场的风险管理
电力市场中的风险管理是指各参与者通过风险识别、衡量、分析等环节来控制和处理电力市场风险的方法与过程。电力市场的风险问题存在于生产、交易、消费、规划及发展等全部环节,当前的研究集中在价格波动、交易风险、辅助服务风险等方面。价格是市场经济的灵魂,充分发挥电力市场现货交易中价格的调节和导向作用有利于资源的合理配置,但电力的需求弹性很小,现货交易的高风险性很容易破坏市场的平稳运营,电价可能出现强烈的跳跃和尖峰。价格波动是电力市场中最为常见的风险,为了规避、减少或转移这类风险,出现了期货合同、远期合约、资产组合、保险等金融手段。期货合同可以是一种固定协议,要求在合同交货时保证供电或接受供电,也可以是一种可选择协议,属于期权交易,允许违约[26]。前者形式简单,易于理解和操作,但不利于全面考虑各种不确定性;后者则具有较好的灵活性,是当前电力市场中广为采用的远期合同形式[27～30]。文献[27]分析了市场参与者的策略行为对合同的影响,用期权定价来确定远期合同价。文献[28]探讨了在价格风险和水量不确定的情况下,采用期货合同方式处理水电系统的风险管理问题。文献[29]针对电力公司和IPP之间的可选择合同,基于各自发电成本的不确定性,提出了电力公司和IPP各自理性的合同定价风险模型。文献[30]使用期货合同研究了风险最小化的直接对冲与交叉对冲策略。电力差价合同一般适用于联营体的交易模式,目前被英国、澳大利亚等国家的电力市场所采用。文献[31]基于期货和远期合约的基本原理,建立了电力市场不同阶段的风险规避模型。文献[32]以浙江省电力市场为例讨论如何用差价合约来规避现货交易中的价格风险。作为一种现代风险管理工具,金融资产组合也开始出现在电力市场中。文献[33]采用随机优化理论中的有效边界概念,研究了电量合同的金融资产组合方法,并分析了资源约束对最佳期望资产选择的影响。对于重大的调度政策,文中所提出的有效边界能够识别出优先的合同资产和优化的期货合同量。文献[34]根据期权定价理论,探讨了竞争市场环境下风险投资项目的评估和电力资产的管理,并用美国Texas实际电力市场进行了仿真。文献[35]提出通过资产构造、资产评估和资产排列3个步骤实现合同资产组合。保险是交易市场中实现风险转移的一种有效手段。文献[36]采用保险模式对欧洲电力市场进行基于风险的资产管理。文献[37]运用保险理论对备用容量辅助服务进行分散决策,实现了备用风险的转移管理,以代替一般采用的备用容量集中处理。文献[38]从公共物品理论出发,采用社会保险的方式进行电力市场的安全服务定价,并基于安全性与经济性的优化平衡来确定安全服务价格。竞争环境下,备用容量的设置和获取是一个成本与利益如何均衡的风险管理问题。文献[39]研究了各种运行条件下带风险约束的机组组合问题,以考察市场能够满足发输电系统的运行备用要求。文献[40]采用风险管理方法分析了市场环境下的频率控制问题,目标是实现频率控制的成本与利润之间优化均衡。电力市场中新容量的投资、输电线路的阻塞等问题也同样属于风险管理问题。投资、阻塞等风险的管理会影响到电力市场的稳定性,这些方面的文献目前尚不多见,是今后的研究方向。#p#分页标题#e#
5 对电力市场稳定性的再认识
5.1 问题的本质市场稳定性主要研究市场的供需、初始条件或参数的变化是否引起市场行为的性质变化,包括短期稳定性和长期稳定性。前者研究厂商规模等不变的情况下,市场的交易能否实现短期内电力的实时均衡,且保证电力系统的安全可靠;后者研究市场规模等发生变动的情况下,系统能否保持充裕的可用发电容量及可用输电容量,以满足供需的长期均衡。两者相互影响、互为依存。发输电项目建设周期以年计算,在研究短期稳定性时不必考虑系统容量大规模的突变。市场运营应该是如何合理组织各参与者进行电量与辅助服务等的交易,实现电力的实时平衡,保证电力系统和电力市场的稳定运行。因此,短期稳定性应该侧重于研究市场运行与控制中的各种扰动问题。容量充裕性是保证市场长期均衡的前提。系统发展使得市场稳定状态从一个均衡点过渡到另一个新的均衡点,如果可用发(输)容量不能满足系统增长的需求,新的均衡态无法达到,稳定势必受到破坏。因此,长期稳定性必须研究市场规划与发展中的各种扰动问题。传统的管制环境下,电力系统实行全网统一的安全调度与规划发展。电力公司负责保证充足的发电容量和输电容量,政府保证投资的回收和回报。因此,系统的充裕性由政府管制方式来保证。但在竞争环境下,电力系统的运行和发展由市场化运营。系统的调峰、调频、备用等辅助服务通过竞争交易的形式来获取。新增发电容量也不再有统一规划,政府或监督机构不保证发电投资的回收和合理的投资回报,发电公司也不承担保证充足的电力供应的责任。电力市场的安全性和充裕性由市场机制来引导,市场稳定性只能通过交易—投资的竞争运作来实现。竞争参与者对自身经济利益的追求使得系统越来越接近运行极限,扰动场景更为复杂与不确定,引入大量风险因素,电力系统稳定性和电力市场稳定性都涉及风险管理问题。两种稳定性紧密耦合在一起,成为市场化运营的一大特性。
5.2 存在的问题电力是一个投资大、技术壁垒高、建设周期长的行业,发输电总容量的短缺无法在短时间内予以解决。长期均衡若不能保证,短期均衡也就难以维持。市场建立初期,发输电总容量相对富余,长期均衡问题很容易被忽视。市场环境下的发电投资回报只能通过交易市场实现,如果没有合理的市场规则,投资的激励信号也就不会正确。投资得不到恰当的激励和正确的引导,也就无法得到充足的可用发电和输电容量,长期供需均衡受到破坏。加州电力市场的失败,就是不重视电力市场长期稳定性研究的反面教材。但是,目前有关电力市场风险管理的研究却仍然局限于短期均衡。电力是一种没有中间存储环节的特殊商品,其生产和消费必须实时平衡。电网作为电力商品的流通环节,在物理上和技术上都具有自然的垄断性,其可用输电容量不但决定了电力系统的稳定水平,也直接影响电力市场竞争的充分性[41]。同时,电力市场的运营状态又必将影响电力系统的可用发输电容量。但是,目前对电力市场风险管理的研究却与电力系统风险管理相割裂。高度不确定性是竞争环境的一个显著特征。从宏观经济方面的能源政策、环境法规和国民经济发展态势的调整,微观经济方面的电力市场规则和参与者的博弈,一直到技术方面的电力系统物理特性、安全稳定导则、稳定传输极限引起的阻塞,甚至分析技术和控制技术,都会影响电力市场的稳定性。确定性分析和概率分析方法已无法处理市场竞争中的经济风险问题,其结果会限制市场竞争的充分性,最终导致市场的垄断或市场的不稳定。市场管理或监督部门迫切需要科学地分析市场机制合理性的工具。
6 计及风险的稳定性量化分析
6.1 对稳定分析的新挑战[1,11]理想的电力市场稳定分析除了满足精确、可靠、鲁棒、快速等要求外,还应该实现:①量化评估和决策;②计算参数空间中的稳定域;③反映风险度,如计及风险的输电费定价;④短期和长期稳定性的全面评估。在电力市场环境下,不同参与者都希望掌握其利益在各种扰动下的变化情况,以便及早采取必要的预防措施或紧急措施,减少经济损失。但是定性分析只能给出稳定/不稳定的回答,而没有“稳定域”的概念。它既无法估计一个原来稳定的系统在多大的参数变化下达到临界稳定,也无法估计需要将一个原来不稳定系统的某参数变化多少,才能使其稳定。市场竞争使电力交易、辅助服务、输电环境、扰动场景等影响稳定性的因素更不确定。在稳定性分析中采用风险理念,考虑不确定性因素的概率分布和量化不同事故的后果,可以合理地处理其中的不确定性因素。例如,不同的稳定措施需要不同的控制代价,而其不同的控制效果也减少了不同的经济损失。对于小概率的严重事故,是否要采取预防控制措施的问题也是风险管理。一方面,供需均衡的概念中既有电力市场运营方面的含义,又有电力系统物理规律的约束,故研究应该是经济—物理的综合问题。另一方面,供需均衡既要保证短期稳定性,又要保证长期稳定性,故必须依据“交易—投资—交易”的闭环模型。
6.2 风险指标风险R是事故概率P与事故后果C的乘积,反映风险事故损失的数学期望值。R=PC(1)
6.3 计及风险的稳定度运营状态X下的稳定风险指标S(X),是指风险事故损失的期望值:S(X) =∑i∑jP(Di X)P(Ij Di,X)C(Ij,Di)(2)式中:D为扰动;I为系统失稳的事件;C为失稳事件造成的后果;P(Di X)指在X状态下出现Di扰动的概率;P(Ij Di,X)指系统在X状态下由于Di扰动而发生失稳的概率;C(Ij,Di)指Di扰动下失稳所造成的后果。S(X)越小表示系统的风险越小。具体的仿真结果将另文发表。风险管理使稳定性与经济性之间联系起来,参数变化对稳定性的影响和控制措施的效果都可以直接用经济代价来量化,从而使竞争环境下电力市场的稳定决策更科学合理。
6.4 计及失稳风险的输电费定价作为风险管理在电力市场中的应用,本文提出在输电费中应该合理分配失稳风险的观点。输电定价是电力市场有效运转的关键之一。合理的输电定价不但可以正确引导电力的生产和消费,引导新建电源的布点,减少输电阻塞,也可以激励输电公司有效地改善电网结构,提高系统稳定性。输电费用包括:①输送服务费:电能损耗费用,电网设备使用费用,机会费用,电网扩建费用;②辅助服务费:用于潮流和频率控制,无功支持和电压控制,系统备用、系统安全控制的费用;③管理服务费:用于信息处理分析与预测、运行方式与调度计划的确定、结算及收支平衡的费用。根据输电成本的分摊,输电费的空间、空间分解以及备用机制的不同,现有的输电定价方法可归结为两类,即基于微观经济学的边际成本方法和基于会计学的综合成本方法。它们在处理阻塞问题时一般只计及静态阻塞,而忽视了稳定阻塞和失稳风险。实际上,输电线(特别是联络线)的稳定极限功率往往小于其热极限功率,并且对于支路开断引起的一般过负荷,只要事前做过详细的在线分析,就可以在事件发生后按预定方案消除过负荷,因而过负荷的阻塞代价可以根据无开断时的潮流进行确定性分析。但对于大扰动稳定性来说,故障前的潮流一定不能超过按大扰动确定的稳定极限。因此,应该按对电网的使用程度和所带来的风险来合理确定每笔交易的输电费用。除网损及静态阻塞费用外,输电费中还必须正确反映失稳的风险,以促使电网的公平使用,并为长期规划提供正确的市场信号。上网容量的大小及功率在不同节点的注入,将影响电网的功率流向和潮流分布,进而影响输电网的失稳风险。应该合理地计算失稳风险,确定发电侧竞价上网容量应该承担的风险以及双边交易合同对失稳风险的影响,合理地在各发电商以及各笔合同中分摊风险,以制定出合理的输电价格。#p#分页标题#e#
7 结语
在比较了确定性分析、概率分析及风险分析3种方法的基础上,指出只有基于风险的分析方法才能满足经济性的要求。电力市场稳定性问题实质上是一个短期与长期需协调控制的风险管理问题,基于风险的电力市场稳定量化分析方法可实现稳定性与经济性的优化均衡。
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