基于極差最大化AHP-CRITIC的現(xiàn)貨市場監(jiān)測評估研究

金駱松， 沈 廣， 王 偉， 吳偉鴻， 吳 晶， 許曉敏

(1.浙江電力交易中心有限公司，浙江 杭州 310016；2.浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 310000；3.華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院， 北京 102206)

0 引 言

2021年4月26日，國家發(fā)改委、國家能源局《關(guān)于進一步做好電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的通知》中要求在第一批八個電力現(xiàn)貨建設(shè)試點的基礎(chǔ)上，選擇遼寧省、上海市、江蘇省、安徽省、河南省、湖北省作為第二批現(xiàn)貨試點。經(jīng)過6年的不斷探索和多次模擬試運行，電力市場改革持續(xù)深化，逐步構(gòu)建了中長期交易與現(xiàn)貨交易相結(jié)合的電力市場體系。與此同時，電力市場的風險敞口也逐步放開，一些問題也逐漸涌現(xiàn)出來。例如在市場環(huán)境和規(guī)則尚未完全成熟的前提下，具有壟斷地位的發(fā)電集團傾向于行使市場力，操縱市場價格，使市場價格偏離電力成本，破壞市場公平性和有效性[1]；在市場雙軌制運行和多種交易品種的共同作用下，市場不平衡資金的問題越發(fā)突出，將影響市場的安全穩(wěn)定[2]；市場初期，電力用戶和售電公司直接存在較大的信息差，部分地區(qū)售電公司信用評價和履約保函機制未建成或不健全，使得在售電側(cè)存在較大風險[3]。此外，隨著各試點區(qū)域現(xiàn)貨結(jié)算試運行周期不斷拉長，參與主體逐步多元，有關(guān)優(yōu)先發(fā)用電計劃、電價政策、可再生能源發(fā)展等都會對現(xiàn)貨市場的安全穩(wěn)定帶來影響[4]，因此，為有效確保電力市場安全穩(wěn)定運行，及時發(fā)現(xiàn)市場問題，防范市場風險，有必要對電力市場，尤其是對現(xiàn)貨市場的運行情況進行跟蹤監(jiān)測和評估。

在市場指標設(shè)計方面，文獻[5]從公平性、安全性、經(jīng)濟學和環(huán)保性四個方面設(shè)計了一套適用于中長期電力市場評價的指標體系，文獻[6]從效益、公平和發(fā)展三個維度建立了一套適用于廣東電力市場的評價指標，文獻[7]則利用灰色關(guān)聯(lián)度和模糊綜合評價從市場設(shè)置、實際交易和電力行業(yè)基本面這三個維度對我國電力市場交易情況進行評價。文獻[8]從市場性、安全性和可持續(xù)性三個方面對日前市場的運營狀態(tài)開展評估。在市場監(jiān)測實施方面，文獻[9]以市場力監(jiān)測為重點，詳細研究了美國、英國和北歐三個電力市場的市場力監(jiān)測實施現(xiàn)狀，文獻[10]則結(jié)合云南電力現(xiàn)貨市場的實際情況，對現(xiàn)貨市場運營的監(jiān)管機制進行詳細設(shè)計。由于我國電力市場的雙軌制改革和試點式的漸進式演進，對現(xiàn)貨市場改革過程中的監(jiān)管檢測、以及評價問題的研究較少?，F(xiàn)貨市場各試點區(qū)域能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展情況不同，所以各現(xiàn)貨市場的運行特點和邊界都有所不同，文獻中各學者提出的市場監(jiān)測指標也難以適用于浙江現(xiàn)貨試運行階段。除此以外，也需要根據(jù)監(jiān)測指標本身的客觀性或主觀性差別選擇適用的評估算法進行賦權(quán)。

本文根據(jù)浙江電力現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行方案和試運行情況提出電力現(xiàn)貨市場關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合電力市場建設(shè)要求和電力市場重點監(jiān)管要求，首先詳細梳理浙江現(xiàn)貨結(jié)算試運行期間的關(guān)鍵市場數(shù)據(jù)，形成一次監(jiān)測數(shù)據(jù)集，然后利用SCP理論，從市場結(jié)構(gòu)、市場行為、市場績效三個方面設(shè)計電力現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標，其次并采用AHP-CRITIC對客觀性指標和主觀性指標進行組合賦權(quán)，最后進行案例分析，以驗證評價指標和模型的適用性。

1 浙江電力現(xiàn)貨市場一次監(jiān)測數(shù)據(jù)

浙江省作為首個現(xiàn)貨市場試點省份，電力市場模式采用集中式，浙江電能量市場設(shè)計按照交易周期分為中長期交易、日前交易和實時交易，中長期金融屬性差價合約以及全電量出清方式的現(xiàn)貨市場被應用于浙江整體市場，并按照“日前基準、實時差量、合約差價”的原則進行結(jié)算[11，12]。在2019年5月30日正式啟動模擬試運行，在2019年9月20日-9月26日開展了第一次連續(xù)7天結(jié)算試運行，分別在2020年5月和2020年7月開展了連續(xù)整月的結(jié)算試運行。并于2021年3月至5月期間，季度連續(xù)結(jié)算試運行，整季度試運行期間，參與市場主體共91家發(fā)電企業(yè)，其中新能源場站38家，出清總電量682.33億kW·h，日前市場平均電價波動范圍252.94～526.21元/MW·h，實時市場平均電價波動范圍235.1～603.9元/MW·h。浙江電力市場前四次試運行期間負荷側(cè)均未參與，根據(jù)浙江現(xiàn)貨市場試運行規(guī)則和前三次試運行復盤情況，從市場結(jié)構(gòu)、市場行為和市場績效三個方面，詳細梳理出浙江現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行期間的重點監(jiān)測內(nèi)容。

市場結(jié)構(gòu)類指標主要反映現(xiàn)貨試運行過程中市場主體的數(shù)量結(jié)構(gòu)、規(guī)模范圍等，主要便于監(jiān)測市場力、市場供需平衡和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等情況，如表1所示。

表1 現(xiàn)貨市場市場結(jié)構(gòu)指標Tab.1 Market structure index of spot market

市場行為類監(jiān)測指標主要體現(xiàn)各市場主體參與各級電力市場的交易活動，重點監(jiān)測市場行為的穩(wěn)定性，識別市場交易中的市場投機行為和串謀行為等，如表2所示。

表2 現(xiàn)貨市場市場行為指標Tab.2 Market behavior index of spot market

市場績效反映了在特定的市場結(jié)構(gòu)和市場行為條件下市場運行的效果。電力市場運行監(jiān)測指標體系中，市場績效類監(jiān)測指標主要表現(xiàn)為在現(xiàn)有電力市場結(jié)構(gòu)和交易組織下，市場中以量價關(guān)系為主的市場績效內(nèi)容，如表3所示。

表3 現(xiàn)貨市場市場績效指標Tab.3 Market performance index of spot market

2 浙江電力現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系

浙江現(xiàn)貨市場一次監(jiān)測數(shù)據(jù)可以全面反映浙江現(xiàn)貨市場試運行期間的市場情況，但部分一次監(jiān)測數(shù)據(jù)存在時間差異，同時單一頻次的市場數(shù)據(jù)無法直觀反映市場變化情況，也無法直觀展示電力現(xiàn)貨市場監(jiān)測的重點問題。為此，本文研究為保證監(jiān)測指標體系的評估計算過程可以有效追溯，各項監(jiān)測指標計算可以具體量化，將在梳理浙江現(xiàn)貨市場一次監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，制定浙江現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系，整個監(jiān)測指標體系分為市場結(jié)構(gòu)、市場行為和市場績效三個部分[13,14]，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系Fig. 1 Monitoring index system of spot market

2.1 市場結(jié)構(gòu)指標

(1)最大供應商剩余供應率

(1)

式中：qmax為參與現(xiàn)貨市場試運行的最大市場份額的發(fā)電商可發(fā)電量；qi為發(fā)電商i的可發(fā)電量；N為參與現(xiàn)貨市場試運行的發(fā)電商數(shù)量；Dmax為試運行期間的發(fā)電側(cè)最大可發(fā)電量。

(2)參與市場交易的電力占總發(fā)電量比例

(2)

式中：qbi當日參與現(xiàn)貨市場交易的發(fā)電機組i的中標電量；qt為統(tǒng)調(diào)發(fā)電機t當日發(fā)電量。

(3)競價機組占統(tǒng)調(diào)機組比例

RQ=Qb/QT

(3)

式中：RQ參與現(xiàn)貨市場試運行競價機組的裝機容量；QT為統(tǒng)調(diào)機組裝機容量。

(4)調(diào)頻容量富裕度

Rf=(Qfr-Qf0)/QD

(4)

調(diào)頻容量富裕度可反映電網(wǎng)運行中可調(diào)容量的富裕程度，公式中Qfr為申報調(diào)頻的總?cè)萘?；Qf0為調(diào)頻實際需求容量，QD為調(diào)頻實際需求。

2.2 市場運行指標

(1)機組申報高價率

(5)

(2)機組申報容量持有率

(6)

式中：Pi為機組i的實際可用發(fā)電容量；Pi,0為機組i的申報容量。

(3)供給側(cè)HHI指數(shù)

因試運行期間負荷側(cè)暫未參與市場，HHI指數(shù)主要側(cè)重于供給側(cè)情況計算，HHI指數(shù)計算公式如下：

(7)

式中：Si為第i個發(fā)電集團的市場化成交電量的市場份額，10 000為放大指數(shù)值。

(4)系統(tǒng)價格波動率

(8)

式中：PDT、PRT分別為日前和實時市場價格。

(5)尖峰電價出現(xiàn)率

Rp=tp/T

(9)

式中：tp為實時市場尖峰電價出現(xiàn)時段數(shù)；T為總時段數(shù)。

(6)市場最大價差率

RΔP=(Pmax-Pmin)/ΔP

(10)

式中：Pmax為單日實時市場發(fā)電側(cè)最大出清價格，Pmin為單日實時市場發(fā)電側(cè)最小出清電價。

2.3 市場績效指標

(1)市場價格降價比率

Rl=(Pl-Pc)/Pc

(11)

式中：Pl為發(fā)電側(cè)加權(quán)平均結(jié)算價格，Pc為燃煤標桿電價。

(2)勒納指數(shù)

L=(p-Mp)/p

(12)

式中：p為市場成交電價，Mp為平均發(fā)電邊際成本。勒納指數(shù)可以描述成交價格與邊際成本的關(guān)系。其數(shù)值越小，表明發(fā)電機組的報價越貼近其邊際成本、市場競爭越充分。

(3)不平衡資金占比率

RE=ΔE/Ep

(13)

3 AHP-CRITIC組合賦權(quán)法

確定現(xiàn)貨市場檢查指標體系后，為計算各項監(jiān)測指數(shù)，需要為各指標賦權(quán)，常見的賦權(quán)方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種。其中AHP法為較為常用的主觀賦權(quán)法，可以充分體現(xiàn)專家主觀判斷對各指標權(quán)重的影響[15]，CRITIC可綜合考慮指標的變異性和沖突性，能夠根據(jù)指標所含信息量計算各指標權(quán)重[16]。本文將基于極差最大法對主觀賦權(quán)法AHP和客觀賦權(quán)法CRITIC對各項監(jiān)測指標權(quán)重的計算結(jié)果進行組合賦權(quán)[17-19]，這種方法具有更靈活的組合方式、更強的可解釋性以及更高的評估區(qū)分度，能夠更好地體現(xiàn)不同被評價對象之間的區(qū)別。

3.1 AHP

AHP是主觀賦權(quán)法，基于專家對指標之間相對上一級指標的重要程度來計算指標權(quán)重。

(1)依據(jù)專家評估，行成n個指標之間的判斷矩陣A。

(14)

式中：aij代表指標Ai與Aj的兩兩相對重要性定量化數(shù)值；當i=j時，兩個指標相同，因為同等重要，即aii=1；當aij>0且aij×aji=1，則可以將此矩陣稱為正互反矩陣。

(2)一致性檢驗

通過上述判斷矩陣A計算最大特征根用來進一步求解即一致性指標CI，如果CR<0.1，則認為一致性可以接受，否則需要對判斷矩陣A進行修改。

(15)

(16)

(3)權(quán)重計算

一致性檢驗通過后，根據(jù)算數(shù)平均法來計算綜合評價的權(quán)重。需判斷矩陣n個列向量歸一化后的算數(shù)平均值，近似作為權(quán)重向量：

(17)

3.2 CRITIC

CRITIC權(quán)重分析法是客觀賦權(quán)法，主要是對指標之間的對比強度和沖突性進行計算。對比強度越大說明波動越大，權(quán)重會越高；指標之間的沖突性越小，權(quán)重也就越低。

(1)同向化處理

電力現(xiàn)貨市場評價指標中純正正向指標和負向指標，在進行CRITIC計算時，需要將所有的負向指標轉(zhuǎn)化為正向指標。

(2)歸一化處理

(19)

(20)

(21)

(3)信息量Ij的計算

計算各指標所含的信息量Ij：

(22)

(4)權(quán)重系數(shù)ωj

(23)

3.3 基于極差最大化的組合賦權(quán)方法

以指標得分的極差最大為目標,根據(jù)AHP得到的權(quán)重和CRITIC得到的權(quán)重取值空間為約束,對最終的各監(jiān)測指標的權(quán)重Z進行優(yōu)化賦權(quán)。

目標函數(shù):

約束條件:

4 案例分析

由于浙江電力市場仍處于結(jié)算試運行階段,部分現(xiàn)貨市場試運行數(shù)據(jù)不可直接公開,為此選取試運行期間4天的部分市場行為監(jiān)測指標數(shù)據(jù), 通過AHP-CRITIC組合賦權(quán)方法獲取各項監(jiān)測指標的權(quán)重。使用Matlab平臺分別計算AHP和CRITIC算法的權(quán)重，采用基于Mosek和Gurobi最優(yōu)化求解器算得最終的綜合評價權(quán)重參數(shù)，如表4所示。

表4 市場運行監(jiān)測量化數(shù)據(jù)Tab.4 Quantitative data of market operation monitoring

為分析不同賦權(quán)方法對評估結(jié)果的影響，在圖2中對各賦權(quán)方法所得指標權(quán)重進行對比，同時分別采用AHP和CRITIC法計算市場運行情況，最后采用級差最大化方法得到綜合評價結(jié)果，結(jié)果如表5所示。其中機組申報容量持有率為發(fā)電企業(yè)操縱市場的具體行為指標，供給側(cè)HHI指數(shù)是整體發(fā)電側(cè)競爭情況指標，價格波動率為市場經(jīng)濟性指標，機組申報高價率為發(fā)電企業(yè)申報行為指標，也可反映市場整體的供需形式。在主觀賦權(quán)AHP評價中，權(quán)重前三的指標依次為機組申報容量持有率、供給側(cè)HHI指數(shù)和價格波動率，主觀分析中，由于浙江能源結(jié)構(gòu)情況，發(fā)電集團市場占有率高，市場操縱風險較大，所以認為有關(guān)影響發(fā)電側(cè)市場競爭情況的指標權(quán)重較高。在客觀賦權(quán)CRITIC評價中，權(quán)重前三的指標依次為機組申報高價率、機組申報容量持有率和價格波動率，客觀分析中有關(guān)市場價格的指標權(quán)重較高，對發(fā)電機組的具體申報行為較為敏感。基于極差最大化的指標權(quán)重中，有一項指標權(quán)重與AHP權(quán)重相同，有三項指標權(quán)重與CRITIC權(quán)重相同，極差最大化對專家意見和市場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征都可以有較好的反饋。極差最大化權(quán)重前三的指標依次為價格波動率、供給側(cè)HHI指數(shù)、機組申報容量持有率，重點反映的是市場經(jīng)濟性、市場競爭情況和市場行為合規(guī)性情況，符合浙江現(xiàn)貨市場初期對經(jīng)濟性、市場安全的要求。

圖2 各賦權(quán)方法指標權(quán)重Fig. 2 Index weight of each weighting method

表5 市場行為評估值Tab.5 Market behavior evaluation

5 結(jié) 論

現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系要符合區(qū)域市場環(huán)境，要有具體的市場運行數(shù)據(jù)支撐，同時也要緊密結(jié)合現(xiàn)貨市場改革進程和發(fā)展方向。一方面要對市場運行起到監(jiān)測作用，另一方面要服務于政策落地。本文通過對浙江現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行環(huán)境的分析，采用基于極差最大化AHP-CRITIC的組合賦權(quán)法對浙江現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行情況進行評估，主要取得以下成果。

(1)電力現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系的制定要結(jié)合具體市場的規(guī)則和市場數(shù)據(jù)，文章全面梳理了浙江試運行期間市場所需要關(guān)注的一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在一次數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出更適用的浙江現(xiàn)貨市場監(jiān)測指標體系，指標體系可從市場結(jié)構(gòu)、市場行為和市場績效三個方面有效評估浙江現(xiàn)貨市場試運行期間的市場情況。

(2)監(jiān)測指標的評估要充分考慮主觀與客觀相結(jié)合，文章提出了基于極差最大化AHP-CRITIC的組合賦權(quán)法，有效綜合了專家主觀因素和市場客觀因素對監(jiān)測指標進行評價，具有良好的適用性。

(3)整個監(jiān)測指標體系和評估方法，可較好的適用于浙江電力市場環(huán)境和試運行階段監(jiān)管要求，所指出的價格波動率、供給側(cè)HHI指數(shù)、機組申報容量持有率三個重要指標，也是浙江結(jié)算試運行期間的市場主要風險點。