探索｜以用户为中心的新兴电力市场模式
2017-12-25 11:21:37
摘要：随着可再生能源在现代能源产业中的占比不断提高，对现行电力系统和电力市场的运行机制所带来的影响也日趋明显。
通过与数字信息产业深度结合，分布式能量管理手段也处于飞速发展阶段。一种以用户为中心的新兴电力市场模式正以不同的表现形式出现在世界各地。
文章介绍了这一新兴电力市场模式，浅析了其在不同表现形式下的机理和特征。
0 引言
随着以环境友好和可持续发展为目标的能源转型过程在不断推进，可再生能源已经成为了某些国家和地区能源供给侧的主要组成部分。风力发电和太阳能发电的装机容量在以中国为代表的国家中以不可思议的速度保持着持续地快速增长。在此次能源转型过程中除了电能供给侧结构巨大的转变，其他重大转变还包括图1所示的电力系统由集中趋向分布、交通电气化和电力市场自由化等一系列同样具有深远意义的技术和经济手段转型。近期，随着Facebook、google和苹果等一部分全球具有影响力的企业开始承诺在日常行为中使用100%可再生能源，对清洁能源在电力的生产、交互和消耗等环节重要性的认知也从传统的电力行业拓展到更广阔的社会和企业层面。清洁能源是未来社会可持续发展的必要元素已经获得了广泛认可。除了已获得大量关注和投入的各类技术创新，全民的积极参与和互动或将成为此次能源转型的下一核心。参考文献［2］中所定义的“能源公民”这一概念就强调了社会中的个体要在提高能源利用这一方面有所承诺。如何以更好的市场模式推动全民积极参与到这次能源革命中，并更好的为之服务成为了当下必须思考的问题。
图1电力系统从垂直集中化向分布交互式的转型
1 关于以用户为中心的新兴电力市场的思路和历史背景
如果电力市场被进一步放开，电力系统的运行和管理逐步向分布式和去中心化发展，那么不难想像电力系统中具有产消等能力的各利益个体（agent）间有机会直接进行电能交易。与这一设想密切相关的是同时具备电力生产能力和用电需求的电力产消者（prosumer）这一群体在电力系统中比例的提高，和作为产消者代表技术的储能方案在家庭和社区内的推广及普及。参考文献［3］中所设想的未来电力市场的各种场景就包含了大量针对产消者这一群体的描述。产消者这一群体带给电力系统的影响是巨大的，原因在于其为电力系统的运行和管理提供了一种更加灵活的手段。这种手段不但可以服务于电力领域，还可以为交通、综合能源等其他领域带来更多的商机。此外，为了解决波动性可再生能源的消纳问题，电力系统也需要负荷侧的电力消费群体以更灵活、更主动的方式参与电力系统的运行。这一点也在很大程度上催生了一些新兴电力交易和管理模式的出现。以用户为中心的电力市场模式（consumer-centricelectricitymarket）做为一类新兴的电力市场模式，其具体表现形式为点对点（P2P）电能交易和基于社区模式（community-based）的电能交易。其主要目的在于打破现有的电力市场基于中心化管理的集中交易模式，推进电力系统中个体参与者之间基于市场行为的直接互动。
关于电力系统中各利益个体间直接交易想法的首次提出可以追溯到很久之前，但受制于高额的交易成本，即使在当前的电力市场中也只在大宗交易的前提下才会出现由交易双方直接接洽所达成的双边和约。而当前所被熟知的点对点交易（即任意个体间均可直接进行电能交易）则更是早在20年前就在电力市场中多维双边交易（multilateralbilateraltrading）这一概念下被提出和讨论过。由大量通信需求所带来的巨大信息流成为了当时这一概念的主要阻碍。当下，信息与通信技术（informationandcommunicationtechnology，ICT）的快速发展使点对点电能交易中所涉及的一系列交互、协商和结算等活动的交易成本大幅下降，从而使点对点电能交易再现生机。
2 新兴电力市场模式背后的驱动力、使能手段和所面临的阻碍
无论是点对点还是基于社区的新兴电力交易模式，其背后的技术使能手段都围绕着分布式电源和现代的信息与通信技术而展开。前者的自然属性决定了物理层面电源越来越靠近终端用户，后者在信息层面促进了交易成本的快速下降，而这二者的结合在很大程度上催生了这类新兴的电力市场模式。在过去的十年间，如何利用不同的框架方案（framework）促进海量异构元素（heterogeneouscomponents）在未来电力系统中的协调运行一直是热门课题。其中，最为著名的提案包括交互能源（transactiveenergy）和能源互联网（energyinternet），这二者虽然以协调为主要目的，但均从本质上为此类新兴电力市场机制的提案做出了铺垫。
除此之外，以区块链技术（blockchain）为核心的比特币（bitcoin）的流行和基于智能合约（smartcontracts）的去中心化交易平台的发展也使其相关技术在不同领域内得到应用。以区块链技术为例，马士基（Maersk）集团将区块链技术应用于物流货柜的跟踪查询，麻省理工学院（MassachussetsInstituteofTechnology，MIT）将区块链技术应用于凭据管理和数字学位证书的颁放。区别于传统集中式的结算和归档方法，区块链技术作为去中心化的记账系统所采用的是一种全民参与记账的平行模式。理论上讲，有海量个体账簿支撑的区块链记账系统可以使得其系统管理摆脱对第三方监管的需求。文献［8］浅释了区块链技术的机理及其如何驱动各类应用的变革。还有一些学者认为区块链技术可以促进人们对自然资源（包括可再生能源在内）管理方法的再思考。正是此类技术在不同领域的快速推广和渗透推动了以用户为中心的电力市场模式的兴起。
由于去中心化的电力市场结构允许电力系统中各利益个体间直接互动，它给电力行业所带来的社会效益要远远高于其对电力系统技术层面的贡献。特别是对居民用户这一群体而言，去中心化的电力市场带给他们的更多是能量管理意识的提高和电能交易中的自主选择权，从而推动了这一群体对能源转型作出贡献。这一模式尤为适用于以社区区域为单位的能源系统。研究表明，将去中心化的电力市场模式应用于区域范围可以有效解决可再生能源的就地消纳。文献［12］指出，结合地区政策的能源发展和管理模式可以为目前惯用的自顶向下的基于大规模基础建设投资的发展模式提供良好的补充或替代，使这两种模式的发展相得益彰。
尽管目前以用户为中心的电力市场模式背后已经具有了一定的推动力，其发展仍旧面临许多阻碍。
图3由电力产消者形成的电力共享单元模式
比如当前绝大多数国家在新能源接入的相关法规中并不允许中小型分布式发电参与电力交易，这使得当前以用户为中心的电力市场示范项目往往需要使用以NRGcoin等为代表的虚拟货币或加密货币（cryptocurrency）来完成电能交易。而这一做法和为大型可再生能源发电项目所开通的直购通道（purchaseagreements，PPAs）大相径庭。
另外，此类新兴电力市场模式所面临的最大阻碍则可能是电力系统和电力市场一直沿用至今的自顶向下的组织结构和完全集中的管理办法。当然，这种传统模式也并非一成不变。法国在2017年初所通过的以社区为单位的可再生能源自消费（self-consumption）法案就是最好的例子。其中社区被限定为同一电力母线下最大可具有100kW容量的区域。相比于法国单位家庭6～15kW用电容量，这意味着一个这样的社区可以拥有6～16个普通家庭用户。
除了监管侧，电力用户长久以来形成的用电习惯和意识也可能成为另一阻碍因素。大多数的小型电力用户对其所长期使用的电力供应商已经产生了依赖。即使新兴的电力市场可令其拥有更多的自主选择权、并可能获得更高的回报，绝大多数用户很可能依旧沿用其固有模式。
3 新兴电力市场模式的组织结构和相关功能
当前欧美电力市场所采用的是针对交易和资产的集中管理方法。在欧洲，电力市场通常以库（pool）的形式对发电商和电力用户的交易进行集中管理，从而得到供需平衡后的电力价格及相关的调度计划。美国所使用的集中优化市场框架在欧洲的基础上考虑了更多发电侧和输电侧等相关资产的技术参数用于满足其调度需求。图2简单诠释了电力库与点对点2种电力市场交易模式的组织结构（其中箭头方向表示电能流动的方向）。在电力库交易模式中，电力生产者（producer）和电力用户（consumer）需要通过市场的中心管理机制完成交易，无法直接互动。而在点对点交易模式下，各电力产消者（包含传统的电力生产者和电力用户）间可以直接互动并交易，电能可以从一个处于生产模式下的产消者流向其他处于用电模式下的产销者。虽然理论上在点对点交易模式下，电能的流动可以发生在任何两个或多个产销者之间，从而具有很强的任意性，但在现实中这种任意的互动和交易会受到技术和市场参与者的自身倾向等因素的制约。
图2不同电力市场模式的组织结构:从基于电力库的集中交易模式（左）到点对点交易模式（右）
除了图2所示的组织结构和交互方式的不同之外，集中交易与点对点交易在相关的定价和清算方法上也会有很大区别。本质上，集中交易的结果是所有电力生产者和用户会遵从单一电价完成交易，电能在整个交易中被视做唯一商品。但在点对点交易模式下，由于其一对一交易的特性，不同交易者之间每次的成交价格可能截然不同。如果所有的市场参与者在同一时刻完成所有价格协商等互动行为，那么点对点交易模式下所产生的成交价格数值会呈现出多样性。这些数值所体现的是市场参与者们的产品与价格倾向。比如在点对点交易模式下，某些电力用户会倾向于购买风力发电，某些电力用户会倾向于购买来自本地的发电，还会有用户倾向于购买来自指定光伏电厂的电能。正是这种电能产品的多样化为未来可能出现的不同的电力商业模式奠定了基础。
点对点交易和基于库的集中交易可以看作电力市场中的2个极端表现形式。在这两者之间还有其他的电力市场表现形式，尤其是考虑到实际电网结构和通信手段的布局自身所存在的多样性。文献［3］中列举并讨论了其他类型的市场方式。例如，点对点电力交易可以被应用于指定的微电网范围内，如前文中提到的法国所通过的小型电力社区的概念。再如，电力产消者们也可以组成如图3所示的电能共享单元（energycollective）。每个电能共享单元内可拥有一个管理者（communitymanager）负责完成与其他单元或系统管理员（systemoperator）的信息和电能交互。在单元范围甚至可以采用收益共享模式。这一电能共享的举措很大程度降低了电网物理层面和信息层面对点对点交易的影响和制约。
图3由电力产消者形成的电力共享单元模式
4 由以用户为中心的电力市场模式所带来的新型商业模式
除了助推电力行业向数字信息化的转变，以用户为中心的电力市场模式下更可能催生一大批具有突破性的新型商业模式。这些新型商业模式在其诱因和目标上都呈现出了多样性，如以提高风险弹性为目标，再如以提高本地电能产量为目标，或以为电力用户提供更丰富的产品类型为目标等。
当然，目前最具有代表性的此类新兴市场模式的示范当数坐落于纽约布鲁克林区的电力微网。所有微电网内的参与者均可以进点对点电力交易。虽然其初始目标是为了提高电力系统的风险弹性保障（主要表现在风险过后的恢复能力），比如2012年侵袭了纽约的飓风桑迪（hurricanSandy）；随着示范工程的进行，这种新型电力市场模式所产生的附加影响日趋显著。主要体现在当地的电力市场参与者开始逐步意识到其周边的发电资源，开始理解电网及其当前管理模式所带来的局限，并开始认真学习当地针对发展分布式电源和相关技术的各种补贴政策。由于对于提高电力系统风险过后系统恢复能力的需求同样存在于其他国家，此类新兴电力市场模式也正被澳大利亚、印度、巴西等国家进行探索和尝试。对以中国为代表的正处于高速发展阶段的国家而言，此类新兴电力市场模式的推广和应用会有助于推动各地方区域电网在责权机制等方面的不断完善。
针对世界范围内电力市场自由化已经相对成熟的地区，此类新兴电力市场模式所引发的则是对不同电力市场模式及其成因的重新思考。例如，现有的电力批发市场（electricitywholesalemarket）中虽然存在着部分双边和约，但市场的主要管理和设计还是由市场管理者完成。而近期的Enerchain实验则针对如何在电力批发层面通过使用基于区块链技术的点对点交易模式来促进灵活的大宗交易展开了可行性论证。如果沿着这条思路继续展开，那么不难想像这种去中心化的交易模式可能会最终将电力系统中的所有个体紧密集合到一起，无论其是大型的发电商还是小型的电力用户或是电力产消者。在这种模式下，电力用户们可以依据自身喜好直接地不断选择不同的电力交易产品或电力来源。显而易见的结果将是一部分电动汽车的车主会选择只利用太阳能为其座驾充电；一部分屋主会指定电力供应的源头，如必须来自某些海上风电场；一部分电力用户可能会联合起来为他们所在的社区投资一个电池系统，然后利用它来保证本地的电力供需平衡。而目前所看到这些无论是在投资领域还是在电力系统日常业务中的新型商业模式，也仅能代表现状，未来会出现的各种创新则可能超乎我们的想像。
5 结语
由于分布式可再生能源占比的大幅提高，电力行业自身也呈现出高速转变的态势。虽然以用户为中心的新型电力市场模式有极大可能加快这种态势的发展，同时也需要深刻认识到其所面临的来自监管层面以及技术层面（如需要设计和建设相关通信系统的基础设施等）的重重挑战。如果假设可以克服这些困难，那么下一个需要考虑的问题则是如何实现现有的电力批发零售市场向新形式的平稳过渡，或者是新旧市场形式的顺利融合，从而实现所期望的能源转型。
