陳皓勇教授首次提出“電力市場設計學”理念，源自“設計學”(一門理、工、文相結合，融機電工程、藝術學、人機工效學和計算機輔助設計于一體的科技與藝術相融合的新型交叉學科。有兩個含義：一、它是多學科交叉的一門理論;二、電力市場設計既是科學，也是藝術。

體制改革猶如郎中治病，良醫懂得對癥下藥，具體問題具體分析，庸醫卻自稱有神丹妙藥能包治百病。因此“電力市場設計學”也只是類似中醫的“四診八綱”，提供市場設計的科學方法論而不給出任何有關具體市場模式和交易機制的定論。

“電力市場設計學”的基本概念及方法論

陳皓勇1，陳瑋2，朱剛毅3，荊朝霞1，李小璐3

(1華南理工大學電力學院，廣東廣州510641，2廣州電力交易中心，廣東廣州510623，3貴州電力交易中心，貴州貴陽550001)

摘要：當前電力體制改革已進入深水區，電力市場設計和規則制訂已成為電力市場改革主導部門所面臨的關鍵問題，但是電力市場設計的科學方法論尚未建立起來。本文提出“電力市場設計學”的概念，涉及電力系統工程、運籌學、微觀經濟學、博弈論、拍賣理論、金融學、計算經濟學、實驗經濟學等多學科的知識。電力市場設計學以中國特色社會主義政治經濟學作為總體指導思想，樹立系統觀并掌握系統工程方法，具體設計過程則包括基于經典微觀經濟學和金融學的電力市場體系初步設計、基于拍賣理論和博弈論的電力市場交易機制設計、基于計算經濟學和實驗經濟學的電力市場仿真和電力市場交易的實地研究等步驟。電力市場設計學的基本方法已應用于南方區域電力市場體系和交易品種設計等工作，其所包含的深刻豐富的內容還有待進一步深入研究和應用。

關鍵詞：電力市場，交易機制，微觀經濟學，實驗經濟學，拍賣理論

中圖分類號：TM73;F123.9

0引言

中共中央、國務院《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號文)(下稱“9號文”)印發已近三年，電力市場改革逐漸進入深水區，圍繞改革的目標模式、實施路徑以及方法論等問題的爭論十分激烈。

電力工業是國民經濟發展中最重要的基礎能源產業，不僅關系到國家能源安全與經濟發展的全局問題，也與人們日常的生產、生活息息相關，因此電力市場改革必須慎之又慎。電力既具有商品屬性，同時也是重要的生產資料，保持發用電實時平衡是電力系統安全穩定運行的前提，因此電力又不是普通商品。作為一種行業經濟體制，電力市場機制與各國的政治經濟制度、法律環境、文化背景、工業發展水平等等密切相關。世界上并不存在一個完美的電力市場模式，各國電力市場仍都在實踐中不斷修改和完善，因此別國市場模式雖可借鑒但無法照搬，而經濟學教科書上的經典理論也難以直接應用于實際電力市場的設計。

電力市場的這些特點在理論與實踐上都給我國當前的電力市場設計提出重大挑戰。在實際市場研究與設計經驗的基礎上，借鑒“設計學”(“設計學”是一門理、工、文相結合，融機電工程、藝術學、人機工效學和計算機輔助設計于一體的科技與藝術相融合的新型交叉學科)的思路，本文提出“電力市場設計學”的概念并探討其基本內容。

1作為微觀經濟系統的電力市場體系

在經典經濟學理論中，市場是一種通過自由競爭與交換來實現資源優化配置的一種機制。市場中存在多個相互作用的買方和賣方，通過市場機制共同決定商品或勞務的價格和交易數量，如圖1所示。自從西方經濟學鼻祖斯密(AdamSmith)揭示了市場機制(看不見的手)的基本原理后，經濟學家們進行了許多深入探索。19世紀末英國經濟學家馬歇爾(AlfredMarshall)建立起支配西方經濟學界40年之久的“新古典經濟學”理論體系，以局部均衡理論(PartialEquilibrium Theory)(單個或部分市場的供需均衡理論)為基礎。局部均衡理論也是國外電力市場設計的重要經濟學理論依據。奧地利經濟學派代表人物哈耶克(FriedrichAugust von Hayek)的市場秩序理論則認為：市場秩序的本質是自由，法治是基礎，效率是優勢‍[1]。

圖1 市場機制示意圖

經典經濟學理論側重于完全競爭和完全信息的理想市場分析，而現代經濟學理論則更多地基于博弈論、信息經濟學等對不完全競爭和不完全信息市場的建模和分析，更貼近于真實市場的情況。現代經濟學將市場機制理解為微觀經濟系統(microeconomic system)，包含兩個不同的元素，即：環境(environment)和制度(institution)[2]。

環境：環境由個具有自主行為能力的經濟人，個商品(包括資源)組成。每個經濟人都具有一些特征，如效用函數，技術(知識)稟賦，商品稟賦向量。因此，第個經濟人的特征可用向量表示。從而，一個微觀經濟環境可由一組特征的集合來定義。因此微觀經濟環境被定義為市場初始條件的集合。

Ÿ制度：制度定義一組規則，在這種規則下經濟人能交換或改換商品，因此根據各自的喜好和知識改變初始稟賦。因為所有的商品交換和商品改換都必須以經濟人間的信息交流為前提。制度不但規定了財物所有權，也規定了講話或不能講話的權力(例如，在一個拍賣交易中不能叫“1000元”除非你想出價1000元)、要求支付或交貨的權力、排他性的所有權等等。

微觀經濟環境和微觀經濟制度相結合定義了微觀經濟系統。電力市場交易體系即一個典型的微觀經濟系統。

從博弈論的觀點，電力市場交易屬于不完全信息動態博弈。電力市場的交易規則實際上是一組類似于撲克牌規則的博弈規則，市場主體將在這組規則下尋求自身利益最大化的策略，進而通過出清機制形成市場整體的結果，如圖2所示。在給定的市場環境(包括供需形勢，市場主體的生產成本、資源稟賦、風險偏好，電力系統安全約束等)下，市場主體基于市場規則采取對各自有利的交易策略(一般不會按理論上的真實邊際成本或邊際效益報價)，多個市場主體的策略行為通過市場規則形成市場整體的交易結果。在市場環境和市場規則相對不變的情況下，市場主體的策略行為和市場交易結果具有一定的規律性。

圖2 市場規則的作用機理

電力市場改革屬于“技術密集型”的改革，涉及電力系統工程、運籌學、微觀經濟學、博弈論、金融學等多學科知識，但本身卻不是技術上的革新，而屬于社會科學的范疇。電力市場改革本質上是經濟關系(生產關系)的調整，良好的市場機制將促進電力行業生產力的發展和技術進步。電力市場的核心問題是發、用電權的競爭與分配和電費如何結算(市場福利如何分配)的問題。拋開復雜技術的表象，電力市場改革應被理解為“復雜技術約束條件下的經濟體制改革”，應從中國特色社會主義政治經濟學的高度進行認識。

2電力市場設計的主要內容

作為一個微觀經濟系統，電力市場的各個組成部分環環相扣，市場設計屬于復雜的系統工程。電力市場設計的目標包括：

1)效率目標：電力市場效率根據時間尺度可分為長期效率和短期效率。長期效率主要表現在電力系統投資、規劃的有效性。短期效率主要表現在電力系統運行的有效性。市場機制設計應能引導出整體社會福利最大的投資與運行決策;

圖3電力市場體系示意圖

2)公平目標：效率與公平自始自終是我國經濟體制改革的兩大主題，市場機制設計應實現社會福利在生產者與消費者之間、生產者內部、消費者內部以及不同地理、行政區域間的公平分配;

3)安全目標：由于電力供應影響面廣并涉及國家安全，電力系統發用必需實時平衡，暫態過程極為短暫，保證電力系統安全可靠運行與良好的電能質量始終是第一要求，也是市場設計的剛性約束;

4)環保目標：構建清潔低碳、安全高效的能源體系是生態文明建設的要求。電力市場機制設計應有助于綠色技術創新，推動綠色金融發展，壯大節能環保產業、清潔生產產業、清潔能源產業。

電力市場設計的中心問題仍然是電力電量平衡，但在實現手段上將從傳統的計劃經濟體制變為符合國情的市場化交易，其內容應包括總體的市場體系設計與具體的交易機制設計。電力市場體系即總體的電力市場架構，圖3是一個簡化的電力市場體系的基本內容，包括市場主體、交易對象、交易類型3個方面。交易機制設計的基本內容包括交易方式、交易周期等。目前我國電力市場常見的交易方式有雙邊協商、集中競價和掛牌交易等。對于雙邊協商交易，電價和交易量是交易雙方的私有信息，而對于集中競價交易，電價和交易量一般是公開的，集中競價是電力市場價格形成的主要機制。集中競價的出清規則等“細枝末節”問題直接決定了電價如何形成，是關乎市場全局的重要問題。

3電力市場設計的系統工程方法論

與別的市場顯著不同，電力市場是基于電力系統這個世界上規模最龐大、層次最復雜、資金和技術最密集的人造工業系統而建立的。我國擁有世界上規模最大的電力工業，在電力系統規劃、設計方面積累了豐富的經驗。因此電力系統規劃設計所采用的系統思維和系統工程方法也可作為電力市場設計的參考。電力系統規劃設計的根本目標是：在國民經濟發展的宏觀規劃下，合理開發和利用動力資源，用盡可能少的投資和運行成本提供充足、可靠和質量合格的電能，滿足國民經濟發展及人民生活水平提高的需要。電力系統規劃由電力負荷預測、電源規劃和電網規劃構成。電力系統規劃設計需要系統思維和科學方法論。在規劃設計過程中不僅要考慮能源資源、經濟發展趨勢等不確定因素，還要兼顧長期與短期、經濟發達地區和欠發達地區的能源供需，還要考慮法律法規、環境保護、政治經濟形勢，進行全方位地分析和評價[3]。

電力市場作為微觀經濟系統，其影響貫穿電力系統規劃運行的各個環節，其規劃設計的難度絕不低于電力系統工程項目，由于涉及不同市場主體的利益博弈，難度甚至更大。從系統的視角，電力系統屬于物理系統，而電力市場屬于社會系統(人的系統)，前者的科學嚴謹的設計方法完全可以為后者的設計提供參考。在電力市場設計過程中，也應該遵循一定的科學程序和方法論：先分析當地的電源結構、負荷需求、電力網絡結構、系統運行情況，確定初步的電力市場體系(市場主體、交易對象、交易方式等);然后設計具體的交易機制(交易周期、雙邊協商交易具體內容、集中競價出清方式等);市場設計方案初步確定后，要進行測算和仿真實驗分析，預判可能出現的交易結果，如可能出現不合理的結果則需要返回修改設計方案;市場設計方案最終確定后，要制訂詳細的交易規則，開發技術支持系統，開展市場試運行，進行實地研究，根據實際交易中出現的種種情況還可能需要進一步修改完善市場設計方案和交易規則。

4基于經典微觀經濟學和金融學的電力市場體系初步設計

在中國特色社會主義政治經濟學的指導下確定了電力市場的價值目標后，在電力市場體系和交易機制設計的技術層面，應充分借鑒西方現代經濟學的科學方法。在經典微觀經濟學的局部均衡理論中，供給曲線和需求曲線的交點對應的價格就是均衡價格(市場出清價格)，交點對應的產量就是市場均衡產量。在市場均衡條件下，將實現社會福利(socialwelfare)最大化。經典經濟學理論描述的是理想化市場的情形，是實際市場高度抽象的產物，忽略了許多重要因素，適用于市場機制的原理性分析，可以應用于電力市場體系的初步設計，判斷不同市場結構下的價格變化趨勢和社會福利分配情況。除現貨實物交易外，國外電力市場還建立了電力金融衍生品交易市場，目前常見的電力金融衍生品主要包括電力遠期合約、電力差價合約、電力期貨、電力期權等。電力金融市場的設計需要采用現代金融學的方法。

圖4為作者所提出的電力現貨市場建立前南方區域電力市場體系建議方案。保持省區內中長期交易和跨省區中長期交易并存的局面，廣州交易中心負責跨省區電力中長期交易，由各省區交易中心負責本省區的電力中長期交易。在2017年《南方區域跨區跨省月度電力交易規則(試行)》的基礎上，增加年度交易品種，包括年度協議計劃，年度電力直接交易以及年度發電合同轉讓交易;月度交易引入年度合同電量調整機制、月度雙邊交易。

從跨省區交易和省區內交易的組織時序上看，省間年度交易先于省內年度交易開展，省內、省間年度交易結束后開展省間年度發電合同轉讓交易。省內月度交易與省間月度交易的開展時間不區分先后順序，市場主體自行分解電量，選擇參與相應的市場。

從跨省區交易品種的組織時序上，年度交易依次開展年度協議計劃、年度雙邊協商和集中交易和年度發電合同轉讓交易，月度交易依次開展月度協議計劃交易、月度發電合同轉讓交易、月度富余電能直接交易，豐水期可考慮周內開展發電合同轉讓交易和富余電能直接交易。

圖4南方區域電力市場體系建議方案示意圖

5基于拍賣理論、博弈論的電力市場交易機制設計

如前所述，經典微觀經濟學的供需均衡理論不能生搬硬套于不完全競爭/不完全信息市場的競價機制設計，電力市場交易機制設計需要基于更先進的拍賣理論、博弈論與設計經濟學等。

電力市場中，電能產品實際上都是通過各種拍賣機制完成的。1961年，諾貝爾經濟學獎獲得者美國哥倫比亞大學WilliamVickrey教授提出拍賣理論，在詳細分析了上升出價拍賣(ascending-bidauction，或稱為英國式拍賣)、下降出價拍賣(descending-bidauction，或稱為荷蘭式拍賣)、第一價格暗標拍賣(first-pricesealed-bid auction)、第二價格暗標拍賣(second-pricesealed-bid auction，或稱Vickrey拍賣)后，他發現無論采用什么拍賣制度，中標者的最優的出價策略是使競爭力第二的投標者剛好出局，并提出了著名的收益等價定理(RevenueEquivalence Theorem)。通過半個多世紀的研究，拍賣理論已發展成為一套系統的微觀經濟理論，用來分析和解釋拍賣機制的內在機理，也為實際操作提供了許多有用的建議。有關拍賣機制與行為的研究，廣泛涉及到博弈論、信息經濟學及機制設計理論等眾多當代經濟學前沿領域[4,5]。

對于四種基本拍賣類型，各國學者已進行了深入的研究。但現實經濟生活中的拍賣過程是非常復雜的。相對于單個商品的拍賣問題，有多個商品的拍賣問題(multi-unitauctions);相對于單一拍賣者的問題，有多個拍賣者的拍賣問題，這樣多個買方和多個賣方的競標問題稱為雙側拍賣(doubleauctions)。當前國內電力市場常見的中長期電量集中競價實際上屬于多個買賣方的多個商品雙側暗標同時拍賣。從拍賣的出清方式來講，主要有統一邊際價格出清方式(MarginalClearing Price，MCP)、按報價支付的方式(Pay-as-Bid，PAB)及其他各種變形的方式。

受廣東電力市場2016年月度電量集中競價所采用的獨特的價格電費返還出清機制啟發，本文提出一種適合電力中長期集中競價的“雙側等效PAB出清機制”，如圖5所示。供應方結算價格為申報價格乘以供應方結算系數α，總供給曲線即向上等比例延伸一段，需求方結算價格為申報價格乘以需求方結算系數β，即總需求曲線向下等比例收縮一段，而此等比變換所產生的社會福利(代表總電量需求的紅色直線左側褐色實線和虛線所夾面積與藍色實線和虛線所夾面積之和)正好等于供需申報價格所產生的社會福利(紅色直線左側褐色實線和藍色實線所夾面積)。在此機制下，供應方和需求方只有盡可能靠近紅色直線處的邊際價格報價并且保證成交，才能使收益最大，但此時不成交的風險也最大，風險與收益成正比。在此競價機制下，α和β的選取是一個關鍵問題，決定了社會福利在供需兩方的分配。由于供需主體的報價策略與PAB出清機制相似(即按預測的邊際價格報價)，故稱之為“等效PAB出清機制”。

圖5適合中長期集中競價的雙側等效PAB出清機制

從方法論上講，由于電力市場設計類似于工程師思路，應基于現代設計經濟學(DesignEconomics)[6]。設計經濟學被稱為經濟領域的工程學，是一門仍在形成中的學科，除了拍賣理論和博弈論外，還將實驗經濟學(ExperimentalEconomics)和計算經濟學(ComputationalEconomics)(經濟系統的計算機仿真)方法引入市場設計。美國聯邦通訊委員會(FCC)采用幾位經濟學家設計的拍賣機制，分配無線頻譜的使用權，為美國財政部帶來二百多億美元的收入，因此拍賣機制很快就被推廣到其他領域。這是設計經濟學成功應用的突出案例。

6基于計算經濟學和實驗經濟學的電力市場仿真

在制訂和修改交易規則時，對于規則執行可能產生的效果，不應僅僅停留在定性分析，而應該進行定量計算。最基本的要求是基于本地市場的實際數據做好測算分析，判斷交易規則實施后可能出現的市場形勢、電價水平及可能出現的問題。如前所述，嚴格的理論分析應建立在市場機制的拍賣理論和博弈論模型的基礎上，但由于電力市場的復雜性，所建立的數學模型往往難以求解和分析，另外一種有效途徑是基于實驗經濟學和計算經濟學的仿真實驗。

Ÿ基于代理的計算經濟學仿真

基于代理的計算經濟學(Agentbased Computational Economics，ACE)是用計算機模擬的方法來進行經濟研究的新技術。其途徑是通過大量具有獨立智能并相互影響的Agents(代理)組成的軟件平臺來模擬真實的經濟系統。代理(Agent)指模擬計算中采用的一個實體(具有一定智能決策能力的軟件模塊)，它由一系列數據和方法構成，具有自主性、社會性、反應性、主動性等特性。待研究市場的每個市場主體都用模型中的一個代理來代表。作為一種特殊的電力市場ACE方法，由作者最早開展研究的協同進化算法(Co-evolutionaryAlgorithm)由于有進化博弈論(EvolutionaryGame Theory)的理論基礎，并已找到生物學證據，是電力市場仿真和穩定性研究的好工具[7-9]。當前人工智能技術出現了飛躍式發展，在諸如圍棋等多個領域已經戰勝人類，若能引入電力市場仿真，必能為電力市場的設計、分析與評估提供嶄新的手段。

Ÿ實驗經濟學仿真

近年來實驗經濟學在電力市場的研究中逐漸得到應用。實驗經濟學借鑒自然科學實驗的方法，試圖在實驗室通過可控的實驗來證明經濟學的理論假說或檢驗經濟政策的實施效果，其代表人物VernonL. Smith教授在2002年獲得了諾貝爾經濟學獎。

在電力市場的實驗經濟學研究中，用人(如學過電力市場課程的學生，稱為被試者)來代表實際市場中的買方、賣方進行交易決策，并根據各自的表現給予一定的獎勵?，F在的電力市場經濟學實驗大多在計算機網絡平臺上進行。實驗的方法與博弈論是相伴而生的，對于設計和分析電力市場模式及交易規則、解釋電價形成機制等方面有重要作用[10-12]。

價值誘導理論(InducedValue Theory)是實驗經濟學的核心理論。在經濟實驗中，為達到對被試者行為的控制，實驗者可采用適當報酬媒介(rewardmedium)，如現金，誘導被試者產生所希望的經濟行為特征，而減弱被試者的先天特征(innateacteristics)和個性因素的影響。價值誘導的充分條件可歸納為三點：單調性(Monotonicity)、突顯性(Salience)、優超性(Dominance)[10-12]。

7電力市場交易的實地研究

任何市場設計方案最終都要經受實踐的檢驗。實地研究(fieldresearch，也稱為“田野調查”)是深入到研究對象實地，以觀察、訪談的方法搜集實際數據，并通過對實際情況的分析研究來解釋社會現象的一種研究方式，是市場研究的最后一個環節。圖6為作者搜集的廣東電力市場2017年2月～7月電量集中競價出清結果(采用統一邊際價格出清方式)，圖中的曲線為參與交易的供應方和需求方的總體報價曲線。可以看出，需求方和供應方的報價策略均有一定的規律性。從需求方(大用戶和售電公司)策略來看，絕大部分電量(97%以上)都采取了0報價(天花板報價)，只有少部分電量報價下探以博弈邊際價格，形成俗稱的“釣魚曲線”，但在統一邊際價格出清方式下，這少部分電量報價卻影響整個市場價格。從供應方(發電廠)策略來看，從2月到7月電量競價，越來越多的供應方報地板價，形成俗稱的“跳高曲線”。按目前的廣東電力市場交易規則，在月度電量競價中，需求方報價越高越優先成交，最高限價為0厘/千瓦時(價差)，供應方報價越低越優先成交，最低限價為-450厘/千瓦時(價差)。無論是供應方還是需求方，保電量(保成交)都是第一考慮，而在統一邊際價格出清方式下，除邊際的供需方外，大部分供應方和需求方的報價與市場出清價沒有任何關系，報地板價或天花板價搭便車就成為普遍現象。需要特別說明的是，這些出清順序及市場主體的策略性行為在經典供需均衡理論中是完全沒有考慮的。或者說圖5、圖‍6中的實際報價曲線與微觀經濟學中的理論供需曲線[1]“形似而神不似”，其實質是完全不同的，經典經濟學理論不能生搬硬套，這也說明實地研究的重要意義。

8結論

當前電力體制改革已進入深水區，電力市場設計和規則制訂已成為電力市場改革主導部門所面臨的關鍵問題。但是，“市場設計”的觀念尚未建立起來，有關部門也還未掌握電力市場設計的科學方法論，照搬國外市場模式的傾向仍然十分明顯。作者認為，電力體制改革的基本原則應該是，在9號文所確定的基本方針指引下，堅持實事求是、問題導向，靈活運用市場經濟基本原則解決我國電力工業中現有體制所未能解決的問題，還原電力商品屬性;而電力市場交易體系設計的中心問題是以符合國情的市場化交易手段實現電力電量平衡。電力市場設計是一項高度專業化的任務，涉及電力系統工程、運籌學、微觀經濟學、博弈論、拍賣理論、金融學、計算經濟學、實驗經濟學等多學科的知識。本文提出“電力市場設計學”的概念，以中國特色社會主義政治經濟學作為總體指導思想，樹立系統觀并掌握系統工程方法，具體設計過程則包括基于經典微觀經濟學和金融學的電力市場體系初步設計、基于拍賣理論和博弈論的電力市場交易機制設計、基于計算經濟學和實驗經濟學的電力市場仿真和電力市場交易的實地研究等步驟。電力市場設計學的基本方法已應用于南方區域電力市場體系和交易品種的設計等工作，但目前還僅僅屬于起步階段，其所包含的深刻豐富的內容還有待進一步深入研究和應用。

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該文發表在2018年6月《電力大數據》第21卷第6期。